申请日2009.12.24
公开(公告)日2010.06.30
IPC分类号C02F11/10; B09B3/00
摘要
本发明公开了一种垃圾与污泥的高压热解处理方法与系统及其应用。本发明通过于8～80atm，150～320℃进行5min～1.5h的热解反应，三次脱水干燥，不仅大幅提高垃圾与污泥的热值，对垃圾或/和污泥实现脱水、除苯、脱氯、除臭、消毒、灭菌、减容、破袋、降解腐熟以及处理渗滤液，而且以清洁能源和回用自循环热量作为供热能源，降低能耗，还通过剔除物料中的金属，降低垃圾焚烧烟气中二噁英产生机率。本发明实现了垃圾和污泥全面资源化：供电、供热、生产多种有机复合肥、环保建材、直接回收金属、电池、塑料等。本发明可实现垃圾和污泥有机复合肥和饲料的制备、垃圾焚烧发电的预处理和垃圾热解发电的预处理，具有环保节能，应用范围广的特点。
权利要求书
1.一种垃圾与污泥的高压热解处理方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)预处理：需处理的物料分为三种，具体的预处理步骤如下：
A、需处理的物料为垃圾时，筛除直径或长度大于200～800mm的垃圾;
B、需处理的物料为垃圾和污泥时，先筛除直径或长度大于200～800mm的垃圾，再将直径或长度不大于200～800mm的垃圾和污泥按体积比1∶1～20∶1混合;
C、需处理的物料为污泥时，加入调理剂;
(2)高压热解：将预处理好的物料送入热解反应器，通入氧化性气体，使热解反应器压力达到7～80atm，温度范围为140～320℃，进行5分钟至1.5小时的热解反应;将热解反应器内的压力降至1～6atm，排出热解液，实现第一次脱水干燥;
(3)闪蒸干燥：当压力范围为0.5～5atm时，将物料通过密封的管道排至闪蒸器实现第二次干燥;
(4)干化：闪蒸干燥后的物料通过密封的管道送至干燥机进行第三次干燥;
(5)分选：根据物料资源化用途对步骤(4)得到的干燥后的物料进行分选，或者将步骤(4)得到的干燥后的物料进行金属的清除;
(6)剩余物料资源化利用。
2.根据权利要求1所述的垃圾与污泥的高压热解处理方法，其特征在于：步骤(1)A中所述的垃圾为有机垃圾时，加入调理剂;有机垃圾与调理剂按体积比1∶1～1∶3混合;
步骤(1)A和步骤(1)C中所述的调理剂为富含纤维素的活性调理剂或惰性调理剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的垃圾与污泥的高压热解处理方法，其特征在于：
所述的氧化性气体为氧气、空气、臭氧、氯气或水蒸气中的至少一种。
4.实现权利要求1所述垃圾与污泥的高压热解处理方法的系统，其特征在于：包含热解反应器、闪蒸器、干燥机、金属分离装置，其中热解反应器的排料口与闪蒸器进料口通过密封管道连接;闪蒸器排料口与干燥机进料口通过密封管道连接，干燥机出料口与金属分离装置通过传送带连接;
所述的干燥机由内外两层构成，内层为物料筒，外层为蒸气通道;
所述金属分离装置为金属分离机或由金属分离机和磁分机组成;
所述闪蒸器排料口与干燥机进料口之间的管道，为密封的螺旋输送器或压力管道。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的系统设置有水气分离器，水气分离器入口分别与热解反应器、闪蒸器及干燥机连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的系统设置有蒸发器，蒸发器进料口分别与热解反应器排水口、水气分离器冷凝水排放口连接;蒸发器二次蒸气出口与水气分离器入口通过管线连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的系统设置有蒸气贮存器，蒸气贮存器入口与水气分离器出口通过管线连接，蒸气贮存器出口分别与热解反应器、蒸发器、干燥机通过管线连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的系统设置有筛分机，金属分离装置出口与筛分机入口通过传送带连接。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于：所述的高压热解处理系统设置有粉碎机，筛分机的筛上物出料口和筛下物出料口分别与粉碎机的入料口连接。
10.权利要求4～9任一项所述的系统应用于对垃圾和污泥的处理，有机复合肥和饲料的制备，以及垃圾焚烧发电的预处理，垃圾热解发电的预处理。
说明书
垃圾与污泥的高压热解处理方法与系统及其应用
技术领域
本发明属于固体废物的处理工艺技术领域，特别涉及一种垃圾与污泥的高压热解处理方法与系统及其应用。
背景技术
我国城镇生活垃圾产生量随着社会经济速度和城市化的进程同步增长。然而我国生活垃圾处理处置技术却相对滞后，城镇生活垃圾污染问题相当严重。若再不及时、合理地对生活垃圾进行有效的处理处置，那么在未来几十年，城镇生活垃圾势必阻碍城市的快速发展。传统垃圾焚烧发电要求垃圾含水率40%～60%，灰分低于25%，热值1000kcal/kg左右。而现实中垃圾含水率比较大，难以达到垃圾焚烧所需热值;同时焚烧前没有进行废电池、重金属的分离，导致焚烧飞灰中的重金属超标;此外，焚烧烟气中含有二噁英，增加了烟气处理成本。
污泥的处理处置和利用越来越成为我国急需解决的大问题。城市污水厂污泥及河道底泥(以下统称污泥)含水率较高，富积大量重金属，并含有大量生物难降解有机物，这些都成为限制污泥资源化利用的瓶颈。此外，河涌黑臭已成为城市河网的一种普遍现象。对于淤积严重的城市河道目前多采用疏浚技术进行处理，这就面临着疏浚后底泥处置的难题。可见，实现垃圾和污泥的无害化、减量化和资源化具有重要的意义。
传统垃圾处理技术有填埋、堆肥、焚烧、热解等。历史久远的填埋处理是最简单和实际的处理方法。卫生填埋技术比较成熟，操作、管理容易实现，占全部处置总量的70%以上。但会产生如下问题：一是填埋场土地的自然属性和稳定性会变差，同时造成渗滤液等二次污染;二是填埋的场地的可用容积将逐渐减少，填埋的地点也受到限制;三是垃圾、污泥被填埋的同时，可利用的物质和能量也被填埋，造成资源和能源浪费。这种方法在我国东部沿海和经济发达城市已受到限制。
堆肥处理主要是处理垃圾中被微生物分解的有机物，使之可土地利用。垃圾堆肥适用于生物可降解有机物含量大于40%的垃圾，同时必须与分选方法相结合进行。而我国垃圾的有机质含量比较低，且堆肥周期长，占地面积大，卫生条件差，肥效低，成本高，与化肥比销售困难，经济效益受到影响;此外，垃圾中含有一定量的重金属制约了垃圾、污泥堆肥直接农用。
热处理是一种有效的垃圾、污泥处理方法，该方法集中体现了无害化、减量化和资源化的特点。当前热处理方法主要有焚烧和热解。日本、荷兰、瑞士、丹麦、瑞典等国已将焚烧作为垃圾处理的主要手段，其中瑞士垃圾80%焚烧，日本、丹麦垃圾70%以上焚烧。当前制约焚烧法广泛运用的原因之一是焚烧的二次污染和处理费用问题。热解处理是当前蓬勃兴起的垃圾、污泥处理技术。固体废物热解(热解温度在600℃以上)是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。当垃圾和污泥含水率较高、热值较低时，焚烧和热解过程在实际运作中往往需要添加辅助燃料，如煤、油等，使处理成本大为增加。
申请号为“01107176.1”、名称为“城市生活垃圾综合循环利用处理方法”的国家发明专利申请提供了一种城市生活垃圾综合循环利用处理方法，是将混装垃圾分选后按照不同性质进行回收、湿解制肥、焚烧供热和简单卫生填埋处理。其中湿解制肥工序中垃圾经蒸汽压力湿解后进行离心脱水干燥，焚烧供热工序需配入燃煤经粉碎后进行燃烧。该方法的缺点是各工序必须在分选的前提下进行，需对湿解产物进行离心脱水，无机物焚烧需加煤提高热值，导致处理成本增加。
专利号为“ZL98102867.5”、名称为“无害化、资源化、易分选、无剩余的垃圾处理工艺”的国家发明专利公开了一种垃圾处理方法，具体为将原生垃圾经过人工粗分选和磁选后，采用热解技术在气压1～1.3MPa、温度180～200℃、酸性化学催化剂浓度为5%的条件下进行3～3.5小时化学催化反应，热解过程的最后阶段进行干燥脱水处置，然后将经过热解处理的垃圾从密闭容器内喷放到集料仓，经收集、输送至筛分机将有机物和无机物分开，再经输送机将筛分后的有机物送往制肥系统，无机物送往建材系统。该方法的缺点是原生垃圾须经人工粗选和磁选后送入特制密闭容器。同时，未能清楚地叙述热解最后阶段30～40分钟的干燥脱水操作如何进行;此外，垃圾资源化方式仅为建材、肥料两种。
专利号为“ZL00124817.0”、名称为“城市生活垃圾与污泥的消解处理法”的国家发明专利公开的垃圾与污泥的消解处理法是经人工分捡出生活垃圾中大块垃圾，掺入一定比例生石灰，然后用输送机送进消解罐中，用饱和水蒸汽直接通入垃圾中对其进行消解;将消解罐内空气排净，使罐内压力达到0.8Mpa并保持2小时，再打开罐底排水阀，排出一定量水份，之后，降低压力将物料喷放到泄料车间，经过筛分和磁选，分出五部分：第一部分为废塑料、破布、木块等较轻部分，可用于垃圾衍生燃料或混塑包装板材;第二部分为废钢铁;第三部分为少量废电池;第四部分为砖、石、玻璃等无机垃圾，经粉碎后用于制建材;第五部分为营养土;从消解罐排出的少量液体经污水处理装置处理后循环利用。该工艺处理对象主要为城市生活垃圾和污泥，物料消解后直接排水，然后将消解物料喷放到泄料车间，其缺点是喷放的物料需收集、输送后才能进行筛分和磁选。而磁选只能分选出废钢铁，无法分选出铜、铝、不锈钢等。此外，生活垃圾资源化方向较窄，只有生产垃圾衍生燃料、混塑包装板材、建材、营养土。
随着人口数量的不断增长，垃圾和污泥产生量日益增加，亟需一种运行成本低，应用范围广，能解决垃圾热值不高、垃圾焚烧产生二噁英污染、垃圾焚烧飞灰为危险废物等问题的垃圾和污泥处理方法。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种投资少、占地少、能耗低、运行费用低、建设周期短、污染少及应用范围广的垃圾与污泥的高压热解处理方法。
本发明的另一目的在于提供实现所述垃圾与污泥的高压热解处理方法的系统。
本发明的再一目的在于提供所述系统的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种垃圾与污泥的高压热解处理方法，包含以下步骤：
(1)预处理：需处理的物料分为三种，具体的预处理步骤如下：
A、需处理的物料为垃圾时，筛除直径或长度大于200～800mm的垃圾;
B、需处理的物料为垃圾和污泥时，先筛除直径或长度大于200～800mm的垃圾，再将直径或长度不大于200～800mm的垃圾和污泥按体积比1∶1～20∶1混合;
C、需处理的物料为污泥时，加入调理剂;
(2)高压热解：将预处理好的物料送入热解反应器，通入氧化性气体，使热解反应器压力达到7～80atm，温度范围为140～320℃，进行5分钟至1.5小时的热解反应;将热解反应器内的压力降至1～6atm，排出热解液，实现第一次脱水干燥;
(3)闪蒸干燥：当压力范围为0.5～5atm时，将物料通过密封的管道排至闪蒸器实现第二次干燥，即闪蒸干燥;
(4)干化：闪蒸干燥后的物料通过密封的管道送至干燥机进行第三次干燥;
(5)分选：根据物料资源化用途对干燥后的物料进行分选，或者将干燥后的物料进行金属的清除;
(6)剩余物料资源化利用。
所述的垃圾为生活垃圾、餐厨垃圾、农林垃圾、部分工厂废物(如食品、造纸、医药等工厂废物)或医疗垃圾中的至少一种;
所述的污泥为污水处理构筑物中产生的污泥或河道底泥中的至少一种;所述污泥的含水率为40%～80%;
为了更好地实现本发明，步骤(1)中所述的预处理更优选为将垃圾中的金属进行筛除;
步骤(1)A中所述的垃圾为有机垃圾，如餐厨垃圾、食品工厂有机废物时，加入调理剂;有机垃圾与调理剂优选按体积比1∶1～1∶3混合;
所述的调理剂为秸杆、树枝等富含纤维素的活性调理剂，及惰性调理剂，如活性炭、褐煤、泥煤、高岭土、膨润土、蛭石、珍珠石、沸石、合成调理剂(塑料)中的至少一种;
步骤(1)B中所述垃圾和污泥优选按体积比7∶3混合;
步骤(1)C中所述的污泥与调理剂优选按体积比1∶1～1∶3混合;
步骤(2)所述的热解液经蒸发器浓缩后，喷入温度高于850℃的焚烧炉或热解炉内，也可作液体肥、制肥造粒用水、灰渣冷却水，或者不经蒸发器浓缩，由污水处理装置处理后循环利用或排放;
步骤(2)所述的氧化性气体为氧气、空气、臭氧、氯气或水蒸气中的至少一种;优选为水蒸气或空气;
所述水蒸气通过清洁能源、常规能源或锅炉余热制备;还可以是步骤(2)中排放的水蒸气，蒸发器产生的二次蒸气，及步骤(3)中产生的闪蒸蒸气;所述的清洁能源主要指太阳能和风能;所述常规能源指的是煤气、天然气或电等能源;
步骤(2)与“城市生活垃圾与污泥的消解处理法”物料在消解罐内消解后直接排水不同，更优选为将热解反应器内的压力降至1～6atm，通过排水口排出所述热解液;关闭排水口，继续降压，降至0.2～5atm，通过排料口排出所述物料;
步骤(2)中减压产生的蒸气、蒸发器产生的二次蒸气，步骤(3)中的闪蒸蒸气和步骤(4)中由干燥机出来的蒸气(包括物料干燥产生的蒸气和用于干燥物料的蒸气)经管线引至水气分离器，分离出来的蒸气引至蒸气贮存器，用于回收利用;譬如用于循环维持所述热解反应器的压力，或者用于蒸发器所需的蒸气，或者进入干燥机进一步干化物料;或者经尾气处理装置处理后排放;
步骤(4)所述闪蒸后的物料优选由密封的螺旋输送器从闪蒸器排料口输送到干燥机进行干燥;如物料粘度较大，可采用压力将物料通过管线压至干燥机;
所述的干燥机优选由内外两层构成，内层为物料筒，外层为蒸气通道;
步骤(5)中所述分选的技术包括筛选、重力分离、静电分离、涡流分离、光学分离、磁场分离、溶剂分离、浮选分离等;
步骤(5)中所述金属的清除优选通过金属分离装置实现，即通过金属分离机实现，或是通过金属探测器探测出金属具体位置后，由人工或机械手将金属取出实现，或是通过磁分机实现，或是以上方式联用实现;
步骤(6)中所述剩余物料资源化利用方式主要为制造肥料、饲料，直接焚烧、高温热解或制成垃圾衍生燃料;优选为清除金属后，通过筛孔直径为10～200mm的中孔筛或筛分机筛分，筛下物经粉碎机粉碎后用于制造肥料，筛上物直接焚烧、高温热解或粉碎后用于制造垃圾衍生燃料、建材;
实现本发明垃圾与污泥的高压热解处理方法的系统，包含热解反应器、闪蒸器、干燥机、金属分离装置，其中热解反应器的排料口与闪蒸器进料口通过密封管道连接;闪蒸器排料口与干燥机进料口通过密封管道连接，干燥机出料口与金属分离装置通过传送带连接;
所述的金属分离装置为金属分离机、金属探测器或磁分机中的至少一种;所述的金属分离机和所述的磁分机具有自动探测和分离金属的功能;所述的金属探测器需辅助人手或机械装置方能将金属分离;
所述的金属分离装置更优选为由磁分机和金属分离机组成;
所述的系统优选通过密封的螺旋输送器连接闪蒸器排料口与干燥机进料口;
所述的系统优选设置有筛分机，金属分离装置出口与筛分机入口通过传送带连接;
所述的系统优选设置有粉碎机，筛分机的筛上物出料口和筛下物出料口分别与粉碎机的进料口连接;
所述的系统优选设置有水气分离器，水气分离器分别与热解反应器、闪蒸器、干燥机连接;
所述的系统优选设置有蒸发器，蒸发器进料口分别与热解反应器排水口、水气分离器冷凝水排水口通过管线连接;蒸发器二次蒸气出口与水气分离器入口通过管线连接;
所述的系统更优选设置有蒸气贮存器，蒸气贮存器入口与水气分离器出口通过管线连接，蒸气贮存器出口分别与热解反应器、蒸发器、干燥机通过管线连接;
所述的系统可应用于对垃圾和污泥的处理、有机复合肥和饲料的制备以及垃圾焚烧发电、垃圾热解发电的预处理。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明在处理垃圾和污泥时，通过加入调理剂，使垃圾和污泥处理过程转化为肥料的制造过程;同时，通过通入氧化性气体实现垃圾和污泥中有机物的降解，使垃圾和污泥中的有机物成为腐熟的物料。本发明无需复杂的分选预处理工序，只需将尺寸小于200～800mm的垃圾与含水率为40%～80%污泥完全混合后置于热解反应器中，利用太阳能、锅炉余热、自循环回用热量加热至一定温度和压力，破坏污泥和垃圾中胶体、颗粒之间的作用力，释放出胶体和颗粒间的间隙水;同时使细胞壁和细胞膜破裂，释放出细胞内部水。释放出的水中含有H+、Na+、K+等离子与垃圾、污泥中的Cl-结合，生成可溶性氯化物排出，从而减少二噁英前驱物氯元素的含量。热解后将垃圾和污泥排至闪蒸器中进行闪蒸干燥，再经过以自循环回用热量为热源的干燥机干燥后，物料含水率可降至20%以下，利于直接焚烧和热解;最后，物料通过磁分机、金属分离机(或金属探测器)清除金属，大幅降低二噁英产生机率。整个运行过程仅需0.5～4h，大大提高了处理效率;此外，垃圾和污泥从热解到干化的过程均在密闭的容器及管线中进行，并循环使用气体，解决了处理过程产生的大气污染问题，大幅降低了运行成本。由于微生物和寄生虫卵在热解过程中被完全杀死，有毒有机化合物被分解，且不生成对人体有毒害作用的化合物，实现了垃圾与污泥的无害化。
与专利号ZL00124817.0“城市生活垃圾与污泥的消解处理法”中垃圾在0.8MPa保持2小时后，直接打开罐底排水阀排水不同，本发明将垃圾在7～80atm压力下保持5分钟至1.5小时后降压，当压力降到1～6atm时才排出热解液，且排水口位置根据实际情况设计，不一定设置在罐底。在本发明中，降低罐内压力更利于热解液的排出，充分减少垃圾中的水分。本发明将热解后的物料通过闪蒸器、干燥机、金属分离装置，实现物料的闪蒸干燥、干化及金属分离，干燥后的物料含水率低至20%以下，可直接用于焚烧、热解。同时，本发明为全封闭式系统，既实现了热能的循环使用，又无废气产生;排放的热解液经过蒸发器蒸发水分后大大减少排放量，喷入焚烧炉或热解炉内不会造成炉体的损害，解决了热解液不作为液体肥、造粒用水时的排放去向。整个发明满足了清洁生产的要求，更适合于垃圾和污泥处理的产业化。
综上所述，本发明所述垃圾与污泥的高压热解处理方法处理功能全、时间短、投资少、能耗低，运行费用低。垃圾和污泥在热解反应器中仅需5分钟～1.5小时即可完成如下十个作用：①脱水;②除苯;③脱氯;④除臭;⑤消毒;⑥灭菌;⑦减容;⑧破袋;⑨降解腐熟;⑩处理渗滤液。其中作用①～③可提高垃圾和污泥的热值、减少二噁英的排放量;作用④～⑥可基本消除环境污染，实现垃圾和污泥的无害化;作用⑦～⑧实现垃圾和污泥的减量化，破袋后有利于分选、焚烧等;作用⑨可使垃圾和污泥中可制肥部分，及餐厨垃圾中制饲料部分成为合格产品原料;作用⑩可使难处理的垃圾渗滤液变为液体肥、制肥造粒用水、灰渣冷却水，也可直接喷入焚烧炉、热解炉。本发明可全面实现垃圾和污泥资源化：供电、供热、生产多种有机复合肥、环保建材、直接回收金属、电池等。
另外，本发明所述的系统为封闭系统，垃圾和污泥从进入热解反应器，至干燥机输出前，均为全封闭式处理，有效地防止了恶臭气体的污染;热解液经蒸发器浓缩处理后，排放量大为减少，此时回喷到焚烧炉或热解炉中，有利于保护锅炉的燃烧性能;而且，从干燥机输出的垃圾和污泥含水率很低，易于运输以及进一步的资源化利用。