一种城市垃圾制备高品位生物燃料的新工艺的制作方法

本发明涉及城市垃圾处理处置，属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物高效资源化利用新技术。
背景技术：
：近年来随着我国经济快速发展，城市化进程不断加快以及人民生活水平不断提高，城市垃圾产量日益增加。据统计，2014年我国城市垃圾清运量已达1.78亿吨。目前，我国90％城市垃圾采用卫生填埋法处理。多数城市的旧填埋场已超负荷运行，但是，随着土地资源的短缺，新的填埋场选址越来越困难。另外，卫生填埋产生的渗滤液等易造成二次污染。寻找合适的垃圾处理处置方式已迫在眉睫。另一方面，城市垃圾中的生物质组分蕴含着丰富的清洁能源，回收城市垃圾中的能源不仅可以解决城市垃圾处理处置问题，还可以有效缓解能源短缺。城市垃圾焚烧发电技术以其处理速度快、减容减量化效果好、无害化彻底、资源化效率高等特点受到人们广泛关注，代表了城市垃圾处理处置的发展方向。城市垃圾自身的固有属性，如水分含量较高、热值较低等不利因素，限制了垃圾焚烧发电技术的广泛应用。水热炭化是以水为介质，在一定温度及自生压力条件下的热处理技术。水热炭化技术处理过程因原料无需干燥处理特别适合含水量较高的废弃生物质的处理处置。另外，水热炭化具有反应温度低、能耗低、转化效率较高、对设备要求低等优点，是废弃生物质处理处置的重要技术之一。本发明针对城市垃圾特性提出基于水热炭化处理制备高品位生物燃料，为城市垃圾找到了一条行之有效的高附加值利用技术。技术实现要素：本发明的目的是针对垃圾焚烧发电过程中存在问题，结合水热炭化处理技术，提供一种适用于以城市垃圾为原料制备高品位生物燃料(水热垃圾)的新工艺。本发明方法制备的水热垃圾热值较高，具有良好的燃烧行为，为城市垃圾资源化利用提供了一种有效的解决方案。为实现本发明的目的，本发明将城市垃圾，生石灰与水按一定比例混合后，置入高压反应釜中进行水热炭化处理，然后将混合物固液分离，固体产物干燥后得到水热垃圾。该工艺的制备效果受水热炭化反应温度、处理时间、生石灰加入量、水分加入量等因素的影响。本发明的主要优点体现在以下几方面：本发明开拓性的使用了水热炭化技术，其原因是：与传统热化学处理技术相比，水热炭化无需干燥处理，因此，能耗相对较低。另外，水热炭化处理在封闭的容器中进行，不存在二次污染。城市垃圾中加入生石灰共处理。生石灰是天然的矿物质，价格低廉且已证明石灰可以有效地对燃烧尾气进行净化。本研究加入生石灰进行共处理的目的是：首先生石灰为城市垃圾的炭化提供了碱性氛围，碱性条件改变了城市垃圾炭化过程中脱水、脱羧的反应路径，缩短了城市垃圾炭化的时间并提高了水热垃圾的产率。同时，残存在水热垃圾中的生石灰会对水热垃圾燃烧产生的尾气进行脱硫脱氮净化。城市垃圾(干基)与生石灰的优选混合比例为1:1-10:1。太低的生石灰加入量对城市垃圾的炭化促进作用不明显，而过高的生石灰加入量会降低水热垃圾的热值。城市垃圾(干基)与水的优选混合比例为1:1-1:10。太低的水加入量会导致城市垃圾炭化不彻底；而太高的水加入量则会大大增加水热处理的能耗，同时产生大量的废水。水热炭化温度优选在160-260℃，处理优选时间0.5-20h，其原因是：反应温度较低，处理时间较短，城市垃圾炭化反应不彻底；反应温度过高，处理时间过长，会增加处理的能耗，降低水热垃圾的产率。下面结合附图说明及实施方案进一步阐述本发明的内容。附图说明图1是高品位生物燃料的生产工艺流程示意图图2是城市垃圾燃烧过程中多环芳烃的收集装置示意图图3是褐煤、城市垃圾及水热垃圾的多环芳烃排放量图具体实施方式本发明利用城市垃圾制备高品位生物燃料水热垃圾。实施案例一利用城市垃圾和生石灰制备高品位生物燃料1)城市垃圾经烘干后备用。按照烘干后城市垃圾与生石灰质量比为3:1，城市垃圾与水质量比为1:3的比例混合。2)将混合物置入高压反应釜中，反应温度为180℃，处理时间为0.5h。3)水热处理后混合物固液分离、固体产物干燥后即为所述水热垃圾。对所制备的水热垃圾进行元素分析，其结果见表1。实施案例二水热炭化处理中除了步骤1)按照城市垃圾与生石灰质量比为5:1，城市垃圾与水质量比为1:3混合；步骤2)水热炭化反应温度为200℃，处理时间为10h之外，其余与实施案例一相同。对所制备的水热垃圾进行元素分析，其结果见表1。实施案例三水热炭化处理中除了步骤1)按照城市垃圾与生石灰质量比为8:1，城市垃圾与水质量比为1:3混合；步骤2)水热炭化反应温度为220℃，处理时间为1h之外，其余与实施案例一相同。对所制备的水热垃圾进行元素分析，其检测结果如表1。从表1可以看出本发明制备的水热垃圾中碳和氢元素含量高于褐煤，即水热垃圾具有高于褐煤的能量密度；另外水热垃圾中氮硫元素的含量远远低于褐煤。实施案例四水热垃圾燃烧过程中多环芳烃释放规律的研究步骤1)将1g褐煤、城市垃圾、实施案例二所制备的水热垃圾分别在固定床中进行燃烧实验。步骤2)燃烧温度为500-900℃，目的温度反应时间为0.5h，空气流量为500ml/min。步骤3)收集燃烧过程中产生的多环芳烃，实验装置及收集方法如附图2所示。步骤4)将石英舟中固体残留物(底渣)，石英纤维滤膜(飞灰)以及xad-2和二氯甲烷吸收瓶(烟气)进行索氏提取24h。提取液为二氯甲烷。步骤5)将步骤4中提取液经浓缩，纯化(氧化铝硅胶柱)及定量后用gc-ms进行分析。褐煤、城市垃圾及水热垃圾燃烧过程中多环芳烃排放情况如图3所示。由图3可知，水热炭化有效降低了城市垃圾燃烧过程中多环芳烃排放量及其毒性。另外，水热垃圾燃烧过程中多环芳烃排放量及其毒性均低于褐煤。实施案例五水热垃圾燃烧过程中so2和no生成特性的研究步骤1)和步骤2)与实施案例四中步骤1)和步骤2)相同。步骤3)反应气体经烟气分析仪后，送入含10％氢氧化钠溶液的吸收瓶中进行2级吸收。步骤4)分析烟气分析仪及吸收液中so2和no的浓度并计算其生成率。褐煤、城市垃圾及水热垃圾燃烧过程中so2和no生成率如表2和表3所示。由表可知，水热垃圾so2和no生成率远远低于褐煤及城市垃圾。综上所述，水热垃圾燃烧过程中产生的多环芳烃和氮硫污染物较低。因其良好的燃料性能，水热垃圾完全可以代替褐煤在现有的燃煤炉中进行应用。表1水热垃圾及褐煤的元素分析元素分析实施案例一实施案例二实施案例三褐煤c(％)67.12％74.68％75.71％61.64％h(％)5.98％5.95％6.06％5.72％o(％)25.48％17.95％16.84％30.13％n(％)1.12％1.17％1.21％1.74％s(％)0.30％0.25％0.18％0.77％表2褐煤、城市垃圾及水热垃圾的so2生成率表3褐煤、城市垃圾及水热垃圾的no生成率本发明的有益效果体现在以下方面：1.本发明制备的生物燃料-水热垃圾水分含量较低，热值较高，具有良好的燃烧行为。2.本发明方法中以生石灰作为城市垃圾水热炭化预处理中碱性调节剂，提供了碱性炭化反应环境，提高水热垃圾产量，净化了燃烧尾气，减少了使用过程中对环境的污染。3.本发明制备的水热垃圾燃料性能优于褐煤。4.本发明制备的生物燃料，是以城市垃圾为原料，既解决城市垃圾的处理处置问题，又能变废为宝，转化能源减少化石燃料的消耗，具有重要的经济和环境效益。当前第1页12