垃圾气化生产合成天然气的工艺方法与流程

本发明涉及一种垃圾处理及天然气生产工艺，具体的说是一种垃圾气化生产合成天然气的工艺方法。

背景技术：

当前针对垃圾处理主要有三种方式，即卫生填埋、堆肥和焚烧发电。垃圾焚烧可实现垃圾减量化，在减少占地的同时可进行发电，创造一定的经济效益，但垃圾焚烧也带来了一些问题：①由于焚烧温度不高，容易产生二噁英和呋喃等致癌物质；②焚烧产生的飞灰和残渣中富含有毒有害重金属物质，容易造成地下水源污染；③焚烧产生大量烟气，碳排放量大。

垃圾气化技术是近年来发展起来的一种垃圾处理新技术，采用垃圾气化技术处理垃圾，为垃圾的无害化、减量化和资源化处理开拓了一条新的途径，有望替代传统的垃圾焚烧技术，已成为当前垃圾处理领域一个新的发展趋势。

从目前查阅的文献资料分析，通过垃圾制取天然气主要采用的是发酵工艺，专利CN103484183B公开了一种生活垃圾制天然气工艺与装置，其采用的工艺流程为：将生活垃圾分类粉碎预处理后，无机物通过制H₂等离子体枪和制CO等离子体枪分别制取H₂和CO，再进一步反应生成甲烷；而有机物通过发酵池发酵制取沼气后，再通过净化分离得到甲烷。该工艺首先要将垃圾分类预处理后再利用，先不论其无机物能否真正实现通过不同的等离子体枪分别制取H₂和CO，其制取甲烷的主要工艺还是采用传统的发酵制沼气再净化分离得到甲烷的方式。专利CN105063096A一种餐厨垃圾常温厌氧发酵快速产甲烷的方法和CN102873073A餐厨垃圾制备车用天然气装置及工作方法都是采用厌氧发酵工艺制取甲烷，且处理的原料垃圾都是有机质含量高的餐厨垃圾。

将垃圾、特别是工业或城市垃圾作为原料合成天然气与煤原料合成天然气相比，存在以下重要技术问题：一、垃圾高温热处理过程中一般会产生高致癌物质二噁英和飞灰及炉渣等含重金属浸出性的二次污染源，如何在生产工艺中有效降低上述有害物是技术人员需要考虑的问题；二、是垃圾种类繁多，主要有工业垃圾(如高炉渣、有色金属渣、粉煤灰等一般工业垃圾和工业污泥、制药厂残渣、农药等危险固体废物)和城市垃圾(如厨余、纸张、塑料、织物、轮胎、废旧家电、竹木和绿化废弃物等)，其含水率、热值、粒度尺寸等各不一样，存在较大的差异，如何保证这些原料都能高效、充分气化，也是需要解决的技术问题；三、是垃圾气化过程中，如何在避免或减少二噁英产生的前提下，尽可能多地有效回收热能，提高系统的能量转化效率，也需要研究出相应的解决办法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、能效高、适用于处理各种不同原料垃圾，且资源化效果好、节能环保的垃圾气化生产合成天然气的工艺方法。

技术方案包括以工业或城市垃圾为原料，经垃圾气化工序、气体净化工序和甲烷化工序得到合成天然气，其特征在于，所述垃圾气化工序包括垃圾进料及高温气化工段、粗合成气除尘及热回收工段、粗合成气激冷及洗涤工段和高温熔渣激冷及除渣工段；其中，在垃圾进料及高温气化工段中，垃圾先送入气化炉进行高温气化得到粗合成气及高温熔渣，在粗合成气除尘及热回收工段中，所述粗合成经除尘和热回收后降温至550～600℃，在粗合成气激冷及洗涤工段中，所述粗合气继续被激冷水迅速激冷至80～90℃，激冷后的合成气经洗涤塔进一步洗涤除尘、脱酸并降温至35～40℃后送入气体净化工序，在高温熔渣激冷及除渣工段，所述高温熔渣经激冷和除渣后得到玻璃体渣；所述气化炉为固定床气化炉，控制气化炉内反应温度在1100～2000℃，所述气化炉上部设有燃料气烧嘴，并向气化炉内喷入含有气化剂的燃料，控制气化炉出口粗合成气温度在1150～1250℃。

所述垃圾进料及高温气化工段中，所述气化炉上部环形对称设置有2～6个燃料气烧嘴，所述燃料气烧嘴与气化炉垂直中轴线向下成45～90°夹角，控制气化炉出口粗合成气温度在1150～1250℃。

在垃圾进料及高温气化工段中，所述气化炉底部环形对称设置有2～6个燃料气烧嘴，所述燃料气烧嘴与气化炉垂直中轴线向上成45～90°夹角，控制气化炉底部的高温溶渣温度在1300～2000℃。

在粗合成气除尘及热回收工段中，所述粗合成经两级旋风分离器脱除粉尘和飞灰后，再进入热回收系统进行热量回收，同时分离出的粉尘和飞灰通过气化炉底部的飞灰返料进口返回至气化炉底部进行熔渣处理。

所述气体净化工序包括COS水解及常压脱硫工段、引风机+气柜存储工段、合成气压缩工段、CO变换工段、酸性气体脱除工段和硫回收工段，其中，在COS水解及常压脱硫工段中，所述粗合成气先通过COS水解将粗合成气中的有机硫水解成无机硫，再通过常压脱硫脱除其中大部分H₂S；在引风机+气柜存储工段中经过脱硫后的粗合成气通过引风机抽引进入低压气柜进行储存和缓冲，在合成气压缩工段中，通过合成气压缩机将粗合成气压缩至1.0～4.0MPa，再经CO变换工段进行CO变换和酸性气体脱除工段脱除酸性气体后得到精制合成气送入甲烷化工序。

所述CO变换工段中，控制粗合成气中CO和H₂的摩尔比例为：H₂/CO＝3.0-3.1。

所述酸性气体脱除工段中，控制粗合成气中H₂、CO和CO₂三者的摩尔比例为：(H₂-CO₂)/(CO+CO₂)＝2.9～3.1，从而得到精制合成气。

所述气体净化工序还包括硫回收工段，所述COS水解及常压脱硫工段分离出的含硫液体和酸性气体脱除工段分离出的含硫气体送入所述硫回收工段生产副产品硫磺。

所述甲烷化工序中，所述精制合成气通过甲烷化工段和天然气提纯工段得到满足国家质量标准要求的合格天然气产品。

为解决背景技术中存在的问题，发明人进行了如下改进：1)对气化炉进行改造，在气化炉上部增设燃料气烧嘴，通过在气化炉上部通入燃料气用于对垃圾气化生成的粗合成气进行气体重整。当原料垃圾进入气化炉中部后，由于垃圾本身可能携带有二噁英以及气化燃烧过程可能生成二噁英，都使得垃圾气化生成的粗合成气中会携带一定量的二噁英，同时，如果气化反应温度控制得不好，在温度较低的情况下，粗合成气中也可能携带有焦油等大分子有机物，此时通过气化炉上部的燃料气烧嘴喷入了含有气化剂的燃料(形成高温火焰)，使粗合成气能维持较高的温度，保证出口粗合成气温度在1150～1250℃，能够起到对粗合成气进行气体重整的作用，同时控制粗合成气在1150℃以上的高温下停留时间大于2秒，使得粗合成气中的焦油、二噁英、呋喃等大分子有机物在气化炉内彻底被分解破坏，最终生成以H₂和CO为主的粗合成气；优选控制所述燃料气烧嘴与气化炉垂直中轴线向下成45～90°夹角，角度过大或过小都可能使能量分布不均匀，或造成粗合成气停留时间不充分，二噁英等有机物无法充分分解，或停留时间过长，造成不必要的能量浪费；2)出气化炉的粗合成气需要进行降温，通过对二噁英的温度—生成曲线进行研究表明，当气体温度在250～550℃时，二噁英会大量生成，在400℃左右达到顶峰，针对此问题并出于节能环保的考虑，发明人对粗合成气采用了两步冷却的技术手段，先对粗合成气进行除尘，再采用废热锅炉，将1150℃以上的高温粗合成气回收热能并降温至550～600℃(该温度高于前述的250～550℃二噁英快速生成温度范围，因此能有效避免二噁英再次生成)，然后再将粗合成气快速激冷至80～90℃，迅速越过二噁英的快速生成温度范围，最后再通过洗涤塔洗涤脱除HCl、HF等卤族元素，去除二噁英生成所需要的合成催化剂，可以进一步防止二噁英的生成，从而达到节能环保、有效控制粗合成气中有害物质的目的。进入气体净化工序前的粗合成气中二噁英含量可降至低于0.005ng/Nm³(远小于目前国际国内通用的二噁英含量0.1ng/Nm³控制标准，几乎不含二噁英和呋喃)；3)针对垃圾气化生成的粗合成气可能含硫高的问题，发明人采用两步脱硫，先通过COS水解工段将粗合成气中的有机硫水解成无机硫，再通过常压脱硫技术脱除其中大部分H₂S(剩余部分硫含量可根据后续的耐硫变换需要来调整)，最后通过酸性气体脱除工艺脱除剩余的硫，通过上述两步脱硫的方法，可使粗合成气的总硫含量降至10mg/Nm³以下；4)采用固定床气化技术和相应垃圾压缩或螺旋进料方式，在垃圾进料上可减少对进料垃圾粒度尺寸的限制，更易于实现不同尺寸垃圾的同时进料，垃圾进料粒度可接受5～500mm范围内的进料尺寸。同时，固定床气化炉内从垃圾进料处从上到下可分为干燥区、干馏区、气化区和燃烧区，通过控制垃圾在气化炉内的停留时间和反应温度，配合气化炉底部熔渣段的使用，可保证垃圾在气化炉内完全反应。

有益效果：

1.本发明的方法采用垃圾气化技术，气化反应温度高，反应生成的粗合成气中二噁英和呋喃等大分子有机物分解破坏，同时高温合成气采用激冷的方式迅速降温，同时通过碱洗脱除HCl、HF等卤族元素，可有效防止二噁英再次生成，且气化生成的合成气最终合成了天然气产品，无含二噁英废气排放；垃圾中的无机物和飞灰则通过高温熔渣方式生成性质稳定，无毒无害的玻璃体渣，且无飞灰排放，对环境友好；

2.本发明的方法原料垃圾中的有机物经过气化后生成以CO和H2为主的合成气，并进一步通过甲烷化合成技术生产天然气产品，而垃圾中的无机物通过高温熔渣后激冷形成的无毒的玻璃体渣可用于制砖等进一步综合利用，从而最大限度地将垃圾进行了资源化综合利用，解决了传统垃圾焚烧技术只能用于发电或供热，资源化利用率低，且焚烧飞灰和炉渣还得进一步处理以防止二次污染的问题，可以真正做到垃圾处理无害化、减量化和资源化。

3.本发明的方法采用固定床气化炉，对进料垃圾的粒度要求宽，使得处理的垃圾适应性更广，既可以处理工业垃圾，如高炉渣、有色金属渣、粉煤灰等一般工业垃圾和工业污泥、制药厂残渣、农药等危险固体废物)，也可以处理城市垃圾，如厨余、纸张、塑料、织物、轮胎、废旧家电、竹木和绿化废弃物等；

4.本发明的方法在气化炉的上部和底部均设置了燃料气烧嘴用于辅助气化和熔渣，使气化炉内的反应温度流场分布更加均匀，使气化反应更加完全，更加有效地提高了气化反应效率和热效率。通过两步降温方法回收粗合成气中的余热、能量回收利用率高，整体热效率高，可达80％以上；

5.本发明的方法工艺流程简单、系统安全可靠、资源化效果好、能效高、对环境友好、推广应用前景好。

附图说明

图1为本发明气化炉的结构示意图。

其中：1—气化炉，1.1—顶部粗合成气出口、1.2—燃料气烧嘴、1.3—原料垃圾进口、1.4—气化剂接口、1.5—燃料气烧嘴、1.6—飞灰返料进口、1.7—熔渣出口，2—熔渣激冷罐。

图2为本发明工艺流程图。

图3为燃料气烧嘴1.2的安装示意图。

图4为燃料气烧嘴1.5的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参照图2，

以工业或城市垃圾为原料，经垃圾气化工序、气体净化工序和甲烷化工序得到合成天然气，具体包括以下步骤：

所述垃圾气化工序包括垃圾进料及高温气化工段、粗合成气除尘及热回收工段、粗合成气激冷及洗涤工段和高温熔渣激冷及除渣工段；其中，在垃圾进料及高温气化工段中，原料垃圾(如工业污泥、制药厂残渣等工业垃圾，或厨余、纸张、塑料等城市垃圾)经进料系统(进料粒径在5～500mm)先送入气化炉进行高温气化得到粗合成气及高温熔渣，在粗合成气除尘及热回收工段中，所述粗合成经两级旋风分离器脱除粉尘和飞灰后，再进入热回收系统进行热量回收后降温至550～600℃，同时分离出的粉尘和飞灰通过气化炉底部的飞灰返料进口返回至气化炉1底部进行熔渣处理。在粗合成气激冷及洗涤工段中，所述粗合气继续被激冷水迅速激冷至80～90℃，激冷后的合成气经洗涤塔进一步洗涤除尘、脱酸并降温至35～40℃后送入气体净化工序，在高温熔渣激冷及除渣工段，所述高温熔渣经激冷和除渣后得到玻璃体渣；所述气化炉为固定床气化炉，控制气化炉1内反应温度在1100～2000℃，所述气化炉1上部环形对称设置有2～6个燃料气烧嘴1.2，参见图3，所述燃料气烧嘴1.2与气化炉1垂直中轴线向下成45～90°夹角a，并向气化炉内喷入含有气化剂的燃料，控制气化炉出口粗合成气温度在1150～1250℃，所述气化炉1底部环形对称设置有2～6个燃料气烧嘴1.5，参见图4，所述燃料气烧嘴1.5与气化炉1垂直中轴线向上成45～90°夹角b，控制气化炉底部的高温溶渣温度在1300～2000℃。

所述气体净化工序包括COS水解及常压脱硫工段、引风机+气柜存储工段、合成气压缩工段、CO变换工段、酸性气体脱除工段和硫回收工段，其中，在COS水解及常压脱硫工段中，所述粗合成气先通过COS水解将粗合成气中的有机硫水解成无机硫，再通过常压脱硫脱除其中大部分H₂S；在引风机+气柜存储工段中经过脱硫后的粗合成气通过引风机抽引进入低压气柜进行储存和缓冲，在合成气压缩工段中，通过合成气压缩机将粗合成气压缩至1.0～4.0MPa，再经CO变换工段进行CO变换和酸性气体脱除工段脱除酸性气体后得到精制合成气送入甲烷化工序。所述CO变换工段中，控制粗合成气中CO和H₂的摩尔比例为：H₂/CO＝3.0-3.1。所述酸性气体脱除工段中，粗合成气中H₂、CO和CO₂三者的摩尔比例为：(H₂-CO₂)/(CO+CO₂)＝2.9～3.1，从而得到精制合成气。所述COS水解及常压脱硫工段脱除含硫液体和酸性气体脱除工段中脱除的含硫气体可经硫回收工段回收副产品硫磺。

所述甲烷化工序中，所述精制合成气通过甲烷化工段和天然气提纯工段得到满足国家质量标准要求(GB17820-2012)的合格天然气产品(即产品天然气)。

本发明中，气化炉1结构参见图1，所述气化炉1顶部设有粗合成气出口1.1，上部环形对称设有2-6个燃料气烧嘴1.2，所述燃料气烧嘴1.2与气化炉垂直中轴线向下成45～90°夹角a；中下部设有原料垃圾进口1.3，下部设有气化剂接口1.4，底部环形对称设有2-6个燃料气烧嘴1.5，所述燃料气烧嘴1.5与气化炉垂直中轴线向下成45～90°夹角b；在底部和下部之间设有飞灰返料进口1.6，燃料气烧嘴1.5下方设有与熔渣激冷罐2连接的熔渣出口1.7。

在气化炉中，原料垃圾通过垃圾压缩进料系统由垃圾气化炉1中下部的原料垃圾进口1.3送入至气化炉1中(进料粒径在5～500mm)，并在气化剂接口1.4喷入的氧气的存在下发生气化反应，控制气化反应温度在1100～2000℃，其中，垃圾中的有机物经过气化反应后生成以CO和H₂为主的粗合成气，粗合成气上升至垃圾气化炉1上部，被上部对称设置的2～6个燃料气烧嘴1.2喷出的火焰进一步发生燃烧和气化反应，对生成的粗合成气进行重整，并控制和保证粗合成气从气化炉1顶部粗合成气出口1.1引出时的温度在1150～1250℃，粗合成气在气化炉1内的停留时间≥2s，使出口粗合成气中二噁英等大分子有机物完全分解；未能发生气化反应的无机物则落入到气化炉1底部，和通过飞灰返料进口1.6返回的飞灰一起被气化炉1底部对称设置的2～6个燃料气烧嘴1.5喷出的火焰进行熔渣反应，控制气化炉1底部的高温溶渣温度在1300～2000℃，保证无机物灰渣形成液态熔渣，并通过气化炉最底部的熔渣出口1.7流出，进入到与气化炉底部相连的熔渣激冷罐2进行熔渣激冷，从而形成玻璃体渣排出界外。

通过本发明工艺在对有害垃圾进行无害化和减量化处理的同时，可最大限度地将垃圾进行资源化利用，具有工艺流程简单可靠，原料垃圾适应性广、工艺过程能量利用率高，资源化效果好，节能环保、推广应用前景好等优点。