CN1769397A - 利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置与方法，采用热解气化处理废弃物装置，热解方法是垃圾通过主热解炉入口进入反应器，在600－800℃下密闭的炉内反应器内发生热解反应，产生的混合气体和热解后的垃圾炭一同进入混合气体反应罐，水蒸汽发生器提供水蒸汽进入混合气体反应罐中，同时高温热烟气进入混合气体反应罐中，在反应罐内生成的燃气入主热解炉，燃烧加热内部的反应罐，燃烧的清洁废气排出炉体外。本发明申请提出的控制氯化物气化是从根源上入手，即在处理过程中设法防止氯化物的气化，从机理上杜绝二噁英的发生，因此将大大省略了复杂的尾气处理，无需对处理尾气的辅助物质进行再处理，这正是本发明的优越性。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，特别涉及利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置与方法。
背景技术
从环境保护和资源回收利用的角度考虑，具有热值的固体废弃物理想的处理方式是采用综合处理技术。堆肥技术通过微生物作用消除废弃物，但是对废弃物的成分要求严格，非食物链的成分处理起来较为困难；对具有较高热值的固体废弃物，可采用焚烧技术进行处理，但其焚烧尾气的处理设备庞大，运行技术复杂且资源消耗较大。利用热解气化技术是较为理想的处理方式，由于其运行机理的合理性，致使尾气处理过程仅需要简易的流程即可达标排放，且可回收有用资源。废弃物在热解气化过程中由于贫氧或绝氧条件，致使废弃物中的氯化物及其金属的活泼性得到极大的抑制。因此如何快速提高炉膛温度是垃圾热解气化技术研究的重点和难点，它直接关系到对城市生活垃圾理想处理设备的推广和应用。
目前国家环保局明确规定，医疗垃圾的处理方式可采用两种方式，一种是旋转炉高温焚烧；另一种为热解气化技术。热解气化垃圾技术是当前较为热门的研究方向，日本、美国和欧盟等国家多在积极开展此种方式的医疗垃圾处理技术的研究。
世界各国先后采用过诸如卫生填埋、集中包装后沉入海洋医疗垃圾处理等方法。80年代后发达国家主要以焚烧为主进行处理。90年代初期，联合国世界卫生组织通过对多个国家焚烧医疗垃圾情况的调查结论表明，焚烧处理是产生“二噁英”等高度致癌物质的重要来源！因此西方发达国家开始重视焚烧带来的严重危害后果，逐步采用无焚烧的先进处理技术和设备。以美国为例，美国决定2000年80％的现有医疗垃圾焚烧炉必须关闭，其余部分也须在2001年全部关闭。从世界发达国家处置医疗垃圾技术的发展趋势上看，无焚烧处理医疗废弃物也将成为中国医疗垃圾处置技术的发展方向。
我国在1998年由国家环保局、公安部和外经贸部联合颁布《国家危险废弃物名录》，与医疗有关的医院临床废弃物(HW01)、废药物、废药品(HW03)和感光材料废弃物(HW16)均属于危险废弃物。根据国家的要求，上海市环保局和卫生局制定了《上海市医疗费物管理办法》，初步预定将在2002年后对医疗垃圾实施集中处理；天津市环保局根据市政府的要求，已经筹建特种垃圾处理厂，其中医疗卫生垃圾作为危险垃圾实施厂内集中处理。
在医疗垃圾热解气化过程中有一个重要的问题，这就是垃圾处理过程中氯化物的衍生状态问题。毋庸置疑，在医疗垃圾中含有较多的PVC物质，如输液袋，包装袋，部分医疗器具等。如果其中所含的氯化物处理在过程中形成气态，势必将威胁大气环境，造成大气酸性物的增加。事实证明，即使是庞大的尾气处理设备，也不能杜绝这种酸性物的排放，锅炉尾气的SO2排放问题就是佐证；但是如果能够将氯化物以固态的形式滞留在处理后的残余垃圾灰中，则对环境的污染危害将大大下降，同时也可以极大地简化尾气处理装置，并且甚至可以将垃圾灰内的氯化物进行回收。
采用热解气化处理技术，可使过程中排出的废气指标全部达到国家规定的标准，而残留的垃圾灰中氯化物含量较高，这样的处理效果较为理想，它能够控制氯化物以气态的形式排放大气，且容易对固相中的氯化物进行回收。医疗垃圾热解气化过程中氯化物形成状态的机理研究是一个较为复杂的问题，同时也是完善热解气化技术的重要课题，如果能够清楚其作用机理，不仅仅可以控制氯化物的排放量，同时也对抑制二噁英的产生起到重要作用。事实证明，二噁英的产生与氯化物的作用密切相关，滞留氯化物在固相中，可确保废气中二噁英的排放达标，从而真正达到无害化处理的高指标。国际上先进的垃圾处理科研成果，采用了垃圾热解气化与急骤冷却尾气相结合的一种新工艺来控制二噁英，可确保排放尾气的达标，这是一种先发生后处理的流程，从效果上看设备庞大，用于急骤冷却尾气的水也面临再处理的需要；另外对尾气中的氯化物也需要进行处理。
发明内容
本发明根据热解化原理提出一种利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置与方法。
热解气化过程的工作原理是这样的：医疗垃圾的主要成份是由碳(C)、氢(H2)、氧(O2)、氮(N2)、氯(Cl)和其它一些元素组成，在温度、缺氧等条件作用下，有机物中的分子链将开始断裂和分解，其表面水分、二氧化碳、甲烷析出，热解出含有甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢、有机酸及焦油和水蒸气等组成的混合气体，而垃圾则转化以碳元素为主的“垃圾炭”。混合气体中二氧化碳和水蒸汽和“垃圾炭”在高温的作用下出现熔融状燃烧，同时发生气化反应，过程的主要反应方程式：
燃烧反应： (3-1)
燃气反应： (3-2)
混合气体中的有机酸、焦油在高温作用下继续发生裂解，形成气态可燃物。经过这样连续和反复的反应过程，最终致使医疗垃圾转化成为以一氧化碳、氢气和甲烷为主的清洁燃料气体。
热解气化法抑制二噁英的产生途径为两条：①减少了二噁英前驱物的生成。②热解气化是在还原性气氛中，垃圾中的Cu、Fe等金属不易生成促进二噁英类形成的催化剂。具体的机理有如下分析。
如前所述，在二噁英的重新合成反应中，氧元素和氯元素的存在是必要条件，而热解气化过程始终切断了氧源，使过程处于还原性气氛，二噁英的重新合成从源头上得到了控制。另外由于没有氧气，氯元素的活泼性极大地降低，使二噁英前驱物的生成量相对减少。
在垃圾的焚烧过程中，在适宜的温度及催化剂的作用下，会发生许多化学反应，仅以下面的四个反应为例：
由反应可以看出：O2对于前驱物氯苯的形成起到了促进作用，同样促使HCL生成CL2，增加了分子氯的排放，更利于芳香族氯代物的生成。但在还原性气氛中，没有O2的存在，上述四个反应则难以进行，进而减少了前驱物氯苯的形成，同时弱化了氯源。另外热解温度控制在700℃，垃圾中的Cu、Fe等金属不易被氧化，这就使得重新合成及前驱物的异相催化反应从催化剂这个角度也得到了一些的弱化。
由于在热解气化过程中控制了氯化物的气化，从而保证了燃气中二噁英产生量和氯化物量极微，因此这种清洁燃气的燃烧尾气将自然能够确保二噁英和氯化物的高指标达标。本项研究将遵循这样的指导思想和技术路线，分阶段分方式地检测氯元素的衍生状态，如：向炉内定量投放氯元素物质，在不同热解气化温度条件下分别检测气、固排放物的含氯量指标，以期确定出最佳的工作温度；另外在热解气化流程的不同部分分别加入适量的氧气，通过检测分析出氯化物发生量的变化规律，以期确定出氯化物产生的真正机理及其最大发生量的具体流程区；针对最大氯化物发生的流程区的工作过程特征进一步分析抑制氯化物气化的约束因素，达到控制其气化的目标，从而产生固化氯化物在垃圾灰中的效果。
在贫氧状态下氯化物的活泼性受到极大的减弱，其形成小分子气态的趋势受到抑制，自然也造成气态中氯原子氧化程度的衰减，致使气态中的氯化物指标大大降低；同时由于气态中氯原子数量的贫缺，使二噁英生成的前驱物受到了抑制，结果导致二噁英难以合成，从而确保二噁英排放的高指标达标。这两者之间的相互联系与影响，尤其是氯化物的衍生与固化路线，将是我们研究的主攻方向，也是目前国内外积极关注的热点问题。
根据上述原理，本发明提出的热解气化处理废弃物的装置，包括主热解炉1、反应罐2和水蒸汽发生器3，主热解炉内设置有反应器，混合气体反应罐上设置有混合气6的入口、水蒸汽入口、高温热烟气5的入口和清洁燃气7的出口，主热解炉上设置有垃圾入口4、混合气6出口、高温热烟气5出口和清洁燃气7入口，对应的出口和入口之间由管线连接。
采用本发明的热解气化处理废弃物装置，热解方法是垃圾通过主热解炉入口进入反应器，在600-800℃下密闭的炉内反应器内发生热解反应，产生的混合气体和热解后的垃圾炭一同进入混合气体反应罐，水蒸汽发生器提供满足上述式3-2的条件的水蒸汽进入混合气体反应罐中，同时高温热烟气进入混合气体反应罐中，在反应罐内生成的燃气入主热解炉，燃烧加热内部的反应罐，燃烧的清洁废气排出炉体外。
主热解炉是可以由热解气化室和燃烧室组成，在燃烧室内设置有搅拌器，搅拌器的轴体设置有气水输送设备，在燃烧室下部设有燃烧喷嘴，热解气化室上设置有垃圾入口、可燃气出口、固体灰出口，燃烧室上设置有烟气出口，对应的出口和入口之间由管线连接。
在实际医疗垃圾热解处理装置中，将主热解反应罐、混合气体发生罐和燃烧室设计为一体，并配套气体冷凝器等辅助设备，装置的流程如下：袋装的医疗垃圾由热解气化炉顶部的料斗投入，在向下运动的过程中，垃圾袋被旋转进料器破碎，并吸收燃烧室内提供的热量，经过干燥、热解反应以后，产生可燃气体及固体产物垃圾碳；垃圾碳与其底部通入的CO2和水蒸汽发生(3-2)(3-3)气化反应。热解及气化产生的可燃气体，由热解气化室的上部出口流出，经过冷凝器冷凝，脱除水蒸汽和焦油，干燃气经过送风机送入燃烧室进行燃烧，以提供热解气化所需的热量。燃烧室内产生的高温烟气，由炉子的顶部流出。烟气首先经过冷却器进行降温后，分成两部分：一部分进入烟气处理系统，除掉内部所含的酸性气体，处理后的烟气经过烟囱排入大气。另一部分由热解气化炉的底部进入气化层，为气化反应提供CO2.。另外，冷凝器中的冷凝水经过油水分离器以后，同样进入热解气化室的底部，为气化反应提供所需的水蒸汽(H2O)。
本发明的有益效果如下，通过简单且巧妙的气化流程系统，可达到垃圾净化处理和产生清洁能源的效果；热解气化垃圾过程无需外来能源，产生的可燃气体可作为继续热解所需的能源，垃圾资源化和无害化效果优于简单的垃圾焚烧方式，无污染和有害气体的排放，而“三化”效果也优于垃圾卫生填埋方式；垃圾处理过程从机理方面保证二噁英的低发生量，无害化效果明显，从而确保达到国际最低排放标准0.1ng TEQ/m3；由于热解过程是温度效应过程，装置中基本无转动部件，因此不需要垃圾提前分类，整个处理过程可实现密闭性，适合我国目前的国情需要；正是由于此项技术的先进性，极为适合医疗垃圾的处理，因此也受到国内外的关注。本项专利提出的控制氯化物气化是从根源上入手，即在处理过程中设法防止氯化物的气化，从机理上杜绝二噁英的发生，因此将大大省略了复杂的尾气处理，当然也就无需对处理尾气的辅助物质进行再处理，这正是本发明的优越性。
附图说明
图1医疗垃圾热解气化处理原理流程图；
图2医疗垃圾热解气化处理装置工艺流程图
图3核心设备热解气化燃烧室的剖面图；
其中：
1-主热解炉；2-混合气体反应罐；3-水蒸气发生器；4-垃圾入口；5-高温热烟气；6-混合气体；7-清洁燃气；8-垃圾灰；9-尾气排放；10-料斗；11-热解气化室；12-燃烧室；13-冷凝器；14-冷却塔；15-油水分离器；16-烟气冷却器；17-储水箱；18-烟气处理装置；19-烟囱20-搅拌器；21-输送气水设备；22-燃烧喷嘴；23-可燃气出口；24-气水进口；25-烟气出口；26-固体灰出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：
如图2和图3所示：本发明中医疗垃圾从热解气化炉顶部的料斗10投入，经搅拌器20搅拌均匀，散落到热解气化室11的底部，在600-800℃下热解气化，产生的可燃气经出口23进入冷凝器13脱除水蒸汽和焦油后，通过燃烧喷嘴22进入燃烧室12在800-1000℃进行燃烧，燃烧后的高温烟气，由燃烧室顶部烟气出口25排出；在冷凝器13中脱除的焦油和水蒸气进入油水分离器15后，分离出的冷凝水经气水进口24送入热解气化室11底部的输送气水设备21，参与垃圾的热解反应，完全反应后的固体残渣经热解气化室底部的出口26排出；高温烟气由燃烧室顶部出口25排出后，进入烟气冷却器16中低于100℃冷却，冷却后的烟气部分与上述的冷凝水一同被送回热解气化室，参与热解反应，部分进入烟气处理装置18，净化后经烟囱19排出；烟气冷却器16采用储水箱17中的循环水冷却，冷凝器13和烟气处理装置18的冷却水由冷却塔14提供。所有设备均采用满足基本工艺要求的管线连接。
控制主热解炉的反应温度在700℃，炉内压力由于热解产气保持微正压，稳定运行半小时后对热解气组分、烟气和剩余固样中的有害成分进行检测，得到结果如下：
表1 热解气组分结果
| 热解气的组分 | CO2 | O2 | CO | C2H4C2H6C3H6C3H8 | 其它不燃成分 |
| 体积百分含量/％ | 1.4 | 0.6 | 2.0 | 64.4 | 31.6 |
表2.医疗垃圾烟气监测结果
| 项目 | SO2 | HCL | H2S | ||
| 评价标准 | 小时均值排放浓度(标准限值)/(mg/m3) | 400 | 100 | ------ | |
| 最高允许排放速率(标准限值)/(kg/h) | 2.6 | 0.26 | 0.15 | ||
| 测试结果 | 排放浓度/(mg/m3) | 23.3 | 3.8 | 5.1×10-2 | |
| 排放速率/(kg/h) | 3.5×10-4 | 5.2×10-5 | 7.7×10-7 | ||
表3.医疗垃圾固样检测项目及结果
| 样品名称 | 检测项目 | 测定结果 | 分析方法 | 方法依据 | 样品状态 |
| 医疗垃圾 | 氯化物 | 2.95×104mg/kg | AgNO3滴定法 | GB/T7871-1987 | 黑色土样 |
| 铜 | 0.05L/mg/L | 原子吸收法 | GB/T1555.2-1995 | ||
| 锌 | 0.076/mg/L | 原子吸收法 | |||
| 铅 | 0.2L/mg/L | 原子吸收法 | |||
| 镉 | 0.05L/mg/L | 原子吸收法 |
注：1、氯化物浸提比为固∶水(m∶V)＝1∶5，其余项目的浸提比为固：水(m∶V)＝1∶10。
2、结果“×L”中的“×”表示该项目的方法检出限，“L”表示低于检出限。
Claims (4)
1.一种利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置，包括主热解炉、反应罐和水蒸汽发生器；其特征是：主热解炉内设置有反应器，混合气体反应罐上设置有混合气的入口、水蒸汽入口、高温热烟气的入口和清洁燃气(7)的出口，主热解炉上设置有垃圾入口、混合气出口、高温热烟气出口和清洁燃气(7)入口，对应的出口和入口之间由管线连接。
2.如权利要求1所述的一种利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置，其特征是所述的主热解炉是由热解气化室和燃烧室组成，在燃烧室内设置有搅拌器，搅拌器的轴体设置有气水输送设备，在燃烧室下部设有燃烧喷嘴，热解气化室上设置有垃圾入口、可燃气出口、固体灰出口，燃烧室上设置有烟气出口，对应的出口和入口之间由管线连接。
3.一种权利要求1所述的一种利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置的使用方法，其特征是将垃圾通过主热解炉入口进入反应罐，在600-800℃下密闭的炉内反应罐内发生热解反应，产生的混合气体和热解后的垃圾炭一同进入混合气体反应罐，水蒸汽发生器提供水蒸汽进入混合气体反应罐中，同时高温热烟气进入混合气体反应罐中，在反应罐内生成的。
4.如权利要求3所述的一种利用热解气化处理技术抑制垃圾尾气有害物的装置的使用方法，其特征是：将医疗垃圾从热解气化炉顶部的料斗(10)投入，经搅拌器(20)搅拌均匀，散落到热解气化室(11)的底部，在600-800℃下热解气化，产生的可燃气经出口(23)进入冷凝器(13)脱除水蒸汽和焦油后，通过燃烧喷嘴(22)进入燃烧室(12)在800-1000℃进行燃烧，燃烧后的高温烟气，由燃烧室顶部烟气出口(25)排出；在冷凝器(13)中脱除的焦油和水蒸气进入油水分离器(15)后，分离出的冷凝水经气水进口(24)送入热解气化室(11)底部的输送气水设备(21)，参与垃圾的热解反应，完全反应后的固体残渣经热解气化室底部的出口(26)排出；高温烟气由燃烧室顶部出口(25)排出后，进入烟气冷却器(16)中低于100℃冷却，冷却后的烟气部分与上述的冷凝水一同被送回热解气化室，参与热解反应，部分进入烟气处理装置(18)，净化后经烟囱(19)排出；烟气冷却器(16)采用储水箱(17)中的循环水冷却，冷凝器(13)和烟气处理装置(18)的冷却水由冷却塔(14)提供；所有设备均采用满足基本工艺要求的管线连接。
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Effective date of abandoning: 20060510 |
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