一种有机固废气化熔融无害化处理的方法和系统与流程

本发明涉及有机固废处理技术领域，尤其涉及一种有机固废气化熔融无害化处理的方法和系统。

背景技术：

近年来，随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，生活垃圾、污泥、抗生素菌渣、废矿物油及生物质等有机固废的排放量逐年增加。据统计，2018年城镇湿污泥产生量约4646万吨，工业污泥产量约4000万吨，污泥无害化处理率仍然较低，其中市政污泥无害化处理率仅为57％左右。根据2017年中国城市建设统计年鉴，内地设市城市656个，城市生活垃圾清运量2.04亿吨。据生态环境部固体废物管理中心统计，2016年我国危险废物产生总量为5588万吨，2017年达到6937万吨。危险废物主要包括工业危废与医疗废物，其中工业危废占比70％以上、医疗废物约14％。工业危废中，有机危废占37％，废酸废碱占30％，石棉废物占14％，有色金属冶炼废物占10％。对于生活垃圾、污泥等有机固废，其含水率较高，致使有机固废自身的质量和体积大，不便于长距离运输和处理。若随意堆放，有机固废中所含有微生物会大量繁殖，使得有机固废腐坏，生成有毒有害的气体从而危害到人体健康同时也对周围环境造成影响，因此急需寻找合适的有机固废处理技术。

目前对于有机固废处置技术主要有：填埋、堆肥利用、厌氧消化和焚烧等。其中填埋影响垃圾填埋场的稳定性，延长封场的时间，存在二次污染风险；堆肥利用存在有毒有机物难以降解及重金属累积问题，安全性受到质疑；厌氧消化工艺流程多、设备昂贵依赖进口、有机固废可生化性差、经济效益不好；焚烧存在二噁英及危险废弃物飞灰等问题，并且烟气处理系统较为复杂。

有机固废气化工艺是将干燥破碎后的有机固废置于特定的装置中，并提供一定的温度和压力，在气化剂的作用下使有机固废中的有机物发生复杂的氧化和还原反应，并伴有可燃气体产生的技术工艺。相对于上几种有机固废处理方法，气化具有很大的优点：气化反应的高温能够高效的杀灭有机固废中的致病菌、病毒等；有机固废中的有机物大部分转化为气体，剩余部分转化为残渣，能实现高效的减容；气化排放烟气量和大气污染物少，可有效减少温室气体排放。但是，气化过程中部分未反应的碳及细渣会被气体带出，产生一定量的含碳飞灰，且飞灰中含有二噁英，属于危险废弃物，难以处理。目前，含碳飞灰一般通过固化填埋、电熔融或等离子熔融进行无害化处理，其中电熔融和等离子熔融成本较高，能耗高，等离子火炬寿命短，更换频繁，设备投资大，而固化填埋则存在二次污染的风险。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种有机固废气化熔融无害化处理的方法和系统。本发明提供的方法运行成本低、热能利用率高、气化效率高，无害化、减量化及资源化水平高，产品经济效益好，无二次污染，易于产业化推广及应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种有机固废气化熔融无害化处理的方法，包括以下步骤：

(a)将有机固废进行预处理，得到预处理物料；

(b)将所述预处理物料与气化剂混合进行气化处理，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣；

(c)将所述气化燃气、含碳飞灰、氧气和添加剂混合进行气化熔融处理，得到熔渣和中温燃气；所述中温燃气依次进行废热回收和气体净化处理，得到可燃气；所述添加剂包括cao、al2o3和sio2中的一种或几种；

(d)将所述熔渣进行激冷处理，得到熔融玻璃体。

优选的，所述预处理的方式为干化、破碎和筛分中的一种或几种；所述预处理后物料的热值≥2000kcal/kg，含水率≤30％，粒径≤12mm。

优选的，所述气化处理在循环流化床气化炉中进行，所述气化处理的温度为900～1100℃。

优选的，所述含碳飞灰的含碳量为30～40％，热值为2400～4000kcal/kg。

优选的，以所述飞灰和添加剂的总重量为100％计，所述cao的添加重量比为0～15％，所述al2o3的添加重量比为0～20％，所述sio2的添加重量比为0～25％。

优选的，所述气化熔融处理在高温气流床中进行，所述气化熔融处理的温度为1300～1600℃。

优选的，所述废热回收具体为：使用中温燃气对气化剂进行预热，预热后的气化剂用于步骤(b)中；所述气化剂为空气、蒸汽、富氧空气及纯氧中的一种或几种。

本发明还提供了一种有机固废气化熔融无害化处理的系统，包括：

预处理装置1，所述预处理装置1设置有有机固废入口和预处理物料出口；

循环流化床气化炉2，所述循环流化床气化炉2设置有预处理物料入口、预热气化剂入口、气化燃气及含碳飞灰出口、炉渣出口，所述预处理物料入口与所述预处理装置1的预处理物料出口相连；

高温气流床3，所述高温气流床3设置有气化燃气及含碳飞灰入口、氧气入口、添加剂入口、熔渣出口和中温燃气出口，所述气化燃气及含碳飞灰入口与所述循环流化床气化炉2的气化燃气及含碳飞灰出口相连；

激冷排渣机4，所述激冷排渣机4设置有熔渣入口、激冷水入口、熔融玻璃体出口和激冷水出口，所述熔渣入口与所述高温气流床3的熔渣出口相连；

换热器5，所述换热器5设置有中温燃气入口、常温气化剂入口、低温燃气出口和预热气化剂出口，所述中温燃气入口与所述高温气流床3的中温燃气出口相连，所述预热气化剂出口与所述循环流化床气化炉2的预热气化剂入口相连；

气体净化装置6，所述气体净化装置6设置有低温燃气入口和可燃气出口，所述低温燃气入口与所述换热器5的低温燃气出口相连。

优选的，所述高温气流床3的进料方式为高温烧嘴进料，所述高温烧嘴的个数为单个或多个。

优选的，所述高温气流床3中高温烧嘴的布置方式为顶部、侧部或底部。

有益效果：

(1)本发明提供的方法先将预处理后的有机固废进行气化处理，然后将产生的气化燃气、含碳飞灰、氧气和添加剂混合进行气化熔融处理，采用的是分级气化方法，在物理分级上，可以使有机固废中的粗物料在气化处理过程中气化，细物料在气化熔融过程中气化；在化学分级上，可以使有机固废中的易反应物料(有机物)在气化处理过程中气化，难反应物料(含碳飞灰)在气化熔融过程中气化，实现了的协同处理；

(2)本发明提供的方法通过气化处理实现减量化及部分无害化处理，通过气化熔融处理实现完全无害化处理，且可以副产可燃气，实现资源化利用，具有显著的“三化”效果；

(3)本发明提供的方法将气化燃气及含碳飞灰直接进行气化熔融处理，进一步的，气化处理温度和气化熔融处理的温度远大于传统焚烧二噁英控制温度850℃，二噁英可以被完全分解，飞灰被熔融成无害化的玻璃体，无二次污染，解决了有机固废气化过程中含碳飞灰难以处理的问题；

(4)进一步的，气化熔融处理产生的可燃气可用于气化剂的预热，提高了系统热利用率，同时气化处理产生的热态气化燃气及含碳飞灰直接进行气化熔融处理，没有热损失，因此本发明方法的能耗及成本较低；

(5)本发明在高温熔融处理过程中添加cao、al2o3及sio2，可以降低熔融玻璃体生成的温度区间(降低100～200℃)，有利于无害化玻璃体生成；

(6)本发明提供的系统以循环流化床气化炉为气化处理装置，以高温气流床为气化熔融装置，循环流化床入炉原料粒径≤12mm，循环流化床产生的含碳飞灰平均粒径范围在30～50μm，满足高温气流床入炉要求，并且飞灰含碳量可灵活调整，通过调整含碳量使含碳飞灰在高温气流床中实现自持气化，因此高温气流床中不需要掺加煤粉，不需要复杂的磨粉预处理等系统，整个工艺运行成本较低；

(7)本发明提供的系统设备投资小，成本较低。

附图说明

图1为本发明有机固废气化熔融无害化处理的方法的工艺流程图；

图2为本发明有机固废气化熔融无害化处理的系统的结构示意图，其中：1-预处理装置，2-循环流化床气化炉，3-高温气流床，4-激冷排渣机，5-换热器，6-气体净化装置。

具体实施方式

本发明提供了一种有机固废气化熔融无害化处理的方法，包括以下步骤：

(a)将有机固废进行预处理，得到预处理物料；

(b)将所述预处理物料与气化剂混合进行气化处理，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣；

(c)将所述气化燃气、含碳飞灰、氧气和添加剂混合进行气化熔融处理，得到熔渣和中温燃气；所述中温燃气依次进行废热回收和气体净化处理，得到可燃气；

(d)将所述熔渣进行激冷处理，得到熔融玻璃体。

本发明对所述有机固废的来源及种类没有特殊要求，本领域技术人员熟知的有机固废均可以使用本发明的方法进行无害化处理，具体如市政污泥、药厂废渣和生活垃圾等。

本发明将有机固废进行预处理，得到预处理物料。在本发明中，所述预处理的方式优选为干化、破碎和筛分中的一种或几种；所述预处理物料的热值优选≥2000kcal/kg，含水率优选≤30％，粒径优选≤12mm。本发明将预处理物料的热值、含水率和粒径控制在上述范围内，使其满足后续在循环流化床气化炉中进行气化处理的要求，提高气化效率，并实现炉膛温度均匀分布。

得到预处理物料后，本发明将所述预处理物料与气化剂混合进行气化处理，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣。在本发明中，所述气化剂优选为空气、蒸汽、富氧空气及纯氧中的一种或几种；所述气化处理优选在循环流化床气化炉中进行，所述气化处理的温度优选为900～1100℃，更优选为950～1050℃；本发明优选根据预处理物料的性质确定气化剂的流量，使用本领域技术人员熟知的方法进行确定即可。在气化处理过程中，有机固废中的大部分有机物转化为气体，剩余部分转化为炉渣，未反应的碳及细渣被气体带出，形成含碳飞灰。在本发明中，所述含碳飞灰的含碳量优选为30～40％，热值为优选2400～4000kcal/kg，对于热值≥2000kcal/kg的预处理物料，通过循环流化床气化后，一部分固定碳转化为co、co2等气体，一部分固定碳残留在炉渣中，另一部分固定碳存在于含碳飞灰中。本发明通过控制预处理物料的气化强度和碳转化率，可以将含碳飞灰的含碳量和热值控制在上述范围内，并使含碳飞灰在高温气流床中实现自持气化，气化熔融处理时不需要掺加煤粉，飞灰在进入高温气流床时不需要复杂的磨粉预处理等系统，进一步降低整个工艺的运行成本。

气化处理完成后，本发明将所述气化燃气、含碳飞灰、氧气和添加剂混合进行气化熔融处理，得到熔渣和中温燃气。在本发明中，所述添加剂包括cao、al2o3和sio2中的一种或几种，具体可以为1种、2种或3种；以所述飞灰和添加剂的总重量为100％计，所述cao的添加重量比优选为0～15％，更优选为0.1～12％，进一步优选为0.5～10％，所述al2o3的添加重量比优选为0～20％，更优选为0.1～18％，进一步优选为0.5～15％，所述sio2的添加重量比优选为0～25％，更优选为0.1～12％，进一步优选为0.5～20％；所述cao、al2o3和sio2的添加重量比优选不同时为0；所述添加重量比均为添加剂的重量与含碳飞灰和添加剂的总重量之比。本发明通过加入添加剂改变入炉物料成分组成，降低物料熔融玻璃体生成的温度区间(降低100～200℃)，有利于无害化玻璃体生成。

在本发明中，所述气化熔融处理优选在高温气流床中进行，所述气化熔融处理的温度优选为1300～1600℃，更优选为1350～1550℃，进一步优选为1400～1500℃；在本发明中，所述氧气起到气化剂的作用，氧气的流量优选根据气化燃气、含碳飞灰的成分以及热值来确定，使用本领域技术人员熟知的方法确定即可。在气化熔融处理过程中，含碳飞灰中的有机物发生分解和气化，无机物熔融成熔渣，重金属被熔融时形成的si-o-si网状构造包含固化，形成稳定的玻璃体；此外，本发明的气化处理温度和气化熔融处理的温度均远大于传统焚烧二噁英控制温度850℃，二噁英可以被完全分解，无二次污染。

在本发明中，所述气化熔融处理产生的中温燃气依次进行废热回收和气体净化处理，得到可燃气；所述废热回收具体优选为：使用中温燃气对气化剂进行预热，预热后的气化剂用于步骤(b)中；所述气化剂具体优选为空气、蒸汽、富氧空气及纯氧中的一种或几种；在本发明的具体实施例中，还可以在废热回收步骤中副产蒸汽产品，以提高系统的热利用率；在本发明中，所述中温燃气的温度为250～450℃，废热回收后所得低温燃气的温度一般为150～250℃左右。在本发明中，所述气体净化处理优选为旋风除尘或布袋除尘，净化处理完成后，即得到干净的可燃气(主要成分为co、h2等)，可燃气作为副产品可用于供气、供暖、发电等利用，从而提高本发明方法的资源化水平和经济效益，使本发明更易于产业化推广及应用。

得到熔渣后，本发明将所述熔渣进行激冷处理，得到熔融玻璃体。本发明对所述激冷处理的具体条件没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的条件即可。

本发明提供了一种有机固废气化熔融无害化处理的系统，包括：

预处理装置1、循环流化床气化炉2、高温气流床3、激冷排渣机4、换热器5和气体净化装置6。

本发明提供的系统包括预处理装置1。在本发明中，在本发明中，所述预处理装置对有机固废进行干化、破碎等处理，具体优选为低温干化装置、薄层干化装置、辊式破碎机和筛网中的一种或几种，根据具体需要进行选择即可；所述预处理装置设置有有机固废入口和预处理物料出口。

本发明提供的系统包括循环流化床气化炉2。在本发明中，所述循环流化床气化炉2设置有预处理物料入口、预热气化剂入口、气化燃气及含碳飞灰出口、炉渣出口，所述预处理物料入口与所述预处理装置1的预处理物料出口相连。所述循环流化床气化炉2用于对预处理物料进行气化处理，以便得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣，实现有机固废的减量化及部分无害化处理。

本发明提供的系统包括高温气流床3。在本发明中，所述高温气流床3设置有气化燃气及含碳飞灰入口、氧气入口、添加剂入口、熔渣出口和中温燃气出口，所述气化燃气及含碳飞灰入口与所述循环流化床气化炉2的气化燃气及含碳飞灰出口相连；所述高温气流床3的进料方式优选为高温烧嘴进料，所述高温烧嘴的个数优选为单个或多个；所述高温气流床3中高温烧嘴的布置方式优选为顶部、侧部或底部。本发明利用高温气流床3对含碳飞灰进行气化熔融处理，以便得到熔渣。

本发明提供的系统包括激冷排渣机4。在本发明中，所述激冷排渣机4设置有熔渣入口、激冷水入口、熔融玻璃体出口、激冷水出口，所述熔渣入口与所述高温气流床3的熔渣出口相连。本发明利用激冷排渣机4将所述熔渣进行激冷处理，以便得到熔融玻璃体，从而实现有机固废的彻底无害化处理。

本发明提供的系统包括换热器5。在本发明中，所述换热器5设置有中温燃气入口、常温气化剂入口、低温燃气出口和预热气化剂出口，所述中温燃气入口与所述高温气流床3的中温燃气出口相连，所述预热气化剂出口与所述循环流化床气化炉2的预热气化剂入口相连。本发明利用换热器5对气化熔融处理产生的中温燃气进行废热回收，同时对气化剂进行预热。

本发明提供的系统气体净化装置6。在本发明中，所述气体净化装置6设置有低温燃气入口和可燃气出口，所述低温燃气入口与所述换热器5的低温燃气出口相连；所述烟气净化装置优选为旋风除尘器或布袋除尘器。

在使用本发明提供的系统对有机固废气化熔融无害化处理时，各个步骤的控制条件和上述方案一致，在此不再赘述。

图1为本发明提供的有机固废气化熔融无害化处理方法的工艺流程图；图2为本发明提供的有机固废气化熔融无害化处理系统的结构示意图。下面结合图1～2对本发明的方法和系统进行具体说明：有机固废进入预处理装置1中进行干化、粉碎等预处理，得到预处理物料；预处理物料与气化剂一同进入循环流化床气化炉2中进行气化处理，产生的炉渣排出，气化燃气和含碳飞灰则同氧气以及添加剂一同进入高温气流床3中进行气化熔融处理，产生的熔渣排入激冷排渣机4中进行激冷处理，得到熔融玻璃体，实现有机固废的彻底无害化处理；高温气流床3中产生的中温燃气进入换热器5中进行废热回收，向换热器中通入气化剂(空气、蒸汽、富氧空气及纯氧中的一种或几种)进行预热，预热后的气化剂通入循环流化床气化炉2中，换热后的产生的低温燃气进入气体净化装置中进行净化，得到可燃气副产品。

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

利用本发明的有机固废气化熔融无害化处理系统对某城市的市政污泥进行处理，该市政污泥的含水率为83％，工业分析及元素分析如表1所示，其中，有机固废气化熔融处理的工艺流程如图1所示，所用系统的结构示意图如图2所示，预处理只包括干化处理。具体处理流程如下：

表1市政污泥工业分析及元素分析(空干基)

将含水率83％的市政污泥先经过干化处理，含水率降至30％，热值为2000kcal/kg，粒径≤12mm，满足入炉要求，不需要进行破碎及筛分处理。将干化后的污泥与气化剂(空气和蒸汽)一同送入循环流化床中进行气化处理，所述循环流化床的炉膛温度为900℃，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣，其中飞灰含碳量为30％，热值约2400kcal/kg时，将气化燃气、含碳飞灰、气化剂及添加剂一同通过顶部布置的单个烧嘴喷入高温气流床中进行气化熔融处理，所述添加剂为cao、al2o3，无需添加sio2，所述cao添加重量比为15％，所述al2o3添加重量比为20％，所述高温气流床的炉膛温度为1300℃，得到熔渣及中温燃气；通过激冷排渣得到熔融玻璃体，将中温燃气进行废热回收处理，得到低温燃气，换热产生的预热空气和蒸汽作为循环流化床气化剂使用；将低温燃气通过旋风除尘、布袋除尘等气体净化处理后，最终获得富含co、h2等的可燃气，可燃气热值为1980kcal/nm³，同时实现了市政污泥的彻底无害化处理。

实施例2

利用本发明的有机固废气化熔融无害化处理的系统对某城市的生活垃圾进行处理，该生活垃圾的原始含水率为30％，堆滤后含水率为24％，湿基成分组成如表2所示，其中，有机固废气化熔融处理的工艺流程如图1所示，所用系统的结构示意图如图2所示，预处理包括破碎及筛分。具体处理流程如下：

表2生活垃圾成分组成(wt％)

将堆滤后含水率为24％的生活垃圾进行破碎及筛分处理，预处理后的生活垃圾热值为3020kcal/kg，粒径≤11mm，满足入炉要求，不需要进行干化处理。将预处理后的生活垃圾与气化剂(富氧空气)一同送入循环流化床中进行气化处理，所述循环流化床的炉膛温度为1100℃，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣，其中飞灰含碳量为40％，热值为4000kcal/kg时，将气化燃气、含碳飞灰、气化剂及添加剂一同通过侧部对称布置的两个烧嘴喷入高温气流床中进行气化熔融处理，所述添加剂为al2o3及sio2，无需添加cao，所述al2o3添加重量比为18％，所述sio2添加重量比为7％，所述高温气流床的炉膛温度为1600℃，得到熔渣及中温燃气；通过激冷排渣得到熔融玻璃体，将中温燃气进行废热回收处理，得到低温燃气，换热产生的预热富氧空气作为循环流化床气化剂使用，蒸汽作为产品外售；将低温燃气通过旋风除尘、布袋除尘等气体净化处理后，最终获得富含co、h2等的可燃气，可燃气热值为2080kcal/nm³，同时实现了生活垃圾的彻底无害化处理。

实施例3

利用本发明的有机固废气化熔融无害化处理的系统对某制药厂产生的危险废物抗生素菌渣进行处理，该抗生素菌渣的含水率为73％，工业分析及元素分析如表3所示，其中，有机固废气化熔融处理的工艺流程如图1所示，所用系统的结构示意图如图2所示。具体处理流程如下：

表3抗生素菌渣的工业分析及元素分析

将含水率为73％的抗生素菌渣先进行干化处理，含水率降至18％，热值为4860kcal/kg，然后进行破碎及筛分处理，预处理后的抗生素菌渣粒径≤10mm，满足入炉要求。将预处理后的抗生素菌渣与气化剂(纯氧)一同送入循环流化床中进行气化处理，所述循环流化床的炉膛温度为1000℃，得到气化燃气、含碳飞灰和炉渣，其中飞灰含碳量为32％，热值为2560kcal/kg时。将气化燃气、含碳飞灰、气化剂及添加剂一同通过底部均匀布置的四个烧嘴喷入高温气流床中进行气化熔融处理，所述添加剂为cao及sio2，无需添加al2o3，所述cao添加重量比为12％，所述sio2添加重量比为25％，所述高温气流床的炉膛温度为1440℃，得到熔渣及中温燃气；通过激冷排渣得到熔融玻璃体，将中温燃气进行废热回收处理，得到低温燃气，换热产生的预热纯氧作为循环流化床气化剂使用，蒸汽作为产品外售；将低温燃气通过旋风除尘、布袋除尘等气体净化处理后，最终获得富含co、h2等的可燃气，可燃气热值为2250kcal/nm³，同时实现了危险废弃物抗生素菌渣的彻底无害化处理。

由以上实施例可以看出，本发明提供的方法热能利用率高、气化效率高，且无害化、减量化及资源化水平高，无二次污染，易于产业化推广及应用；本发明提供的系统设备投资小，飞灰进入高温气流床时不需要复杂的磨粉预处理等系统，更加简单。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。