專利名稱：通過水熱分解和資源再循環(huán)使廢料變能源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理有機廢料比如市政固體廢料和污水污泥的能源有效方法及
其裝置。
背景技術(shù)：
有機廢料比如污泥、家畜排泄物、食品丟棄物和農(nóng)業(yè)廢料一般通過厭氧消化來處理以回收生物氣體比如甲烷。厭氧消化是有用的，因為精煉的甲烷氣體可用作能源，但問題是所需的長加工時間導(dǎo)致高成本和能效低。目前大多數(shù)MSW (市政固體廢料)通過焚化處理，由于填埋因其對環(huán)境的不良效應(yīng)已受到限制。焚化能夠回收熱能，但過程需要昂貴的飛灰和底灰處理步驟。
最近，已開發(fā)出用水熱分解來處理有機和固體廢料的方法。但是，這種方法的問題在于所得固體燃料產(chǎn)物含有相當(dāng)量的產(chǎn)氯毒性有機氯化合物比如二_，當(dāng)使用此類固體燃料時必須通過處理過程比如SCR (選擇性催化還原)將其除去。由于這種原因，與常規(guī)焚化方法相比，該廢料變能源系統(tǒng)在經(jīng)濟上不可行。而且，當(dāng)用常規(guī)焚化方法燃燒時，通過水熱分解方法獲得的固體燃料產(chǎn)生粉塵和各種空氣污染物，盡管粉塵問題可通過將固體燃料?；糠纸鉀Q。常規(guī)水熱分解產(chǎn)物通過離心分離為固體燃料和廢水，接著在污水處理廠中處理廢水，但此類廢水具有約40，000mg/L的BOD值和約50，000mg/L的CODcr，這在污水處理廠中可能得不到有效處理。而且，大多數(shù)處理廢氣的常規(guī)方法使用一般用于除硫方法的干洗滌器，但在所述固體燃料燃燒期間產(chǎn)生的廢氣含有通過干洗滌器難以除去的污染物比如HC1、NOx0因此，需要濕洗滌器或與干洗滌器的組合。發(fā)明概述
因此，本發(fā)明的目的是提供處理含有有機組分的廢料的高能效集成方法，及其裝置。根據(jù)本發(fā)明一方面，提供處理廢料的方法，其包含以下步驟(a)使用170-250°C和18-25 bar蒸汽進行廢料的水熱分解反應(yīng)；(b)使用重力、離心或施壓將步驟(a)的產(chǎn)物分離為液體殘留物和固體產(chǎn)物；(C)干燥在步驟(b)分離的固體產(chǎn)物以獲得固體燃料；(d)燃燒在步驟(C)獲得的固體燃料；(e)洗滌在步驟(d)產(chǎn)生的燃燒氣體；(f)通過使用在步驟(d)產(chǎn)生的熱，產(chǎn)生170-250°C和18-25 bar蒸汽供應(yīng)至步驟(a);和(g)純化在步驟(b)分離的液體殘留物，接著排出。根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供處理廢料的裝置，其包含(a)用170-250°C和18-25bar蒸汽將廢料水熱處理的反應(yīng)器；(b)通過用重力、離心或施壓將反應(yīng)器(a)的產(chǎn)物分離為液體殘留物和固體產(chǎn)物的分離器；(c)將分離器(b)中分離的固體產(chǎn)物干燥以獲得固體燃料的干燥器；(d)使在干燥器(C)中獲得的固體燃料燃燒的燃燒室；(e)洗滌在燃燒室(d)產(chǎn)生的燃燒氣體的洗滌器；(f)通過使用在燃燒室(d)產(chǎn)生的熱來產(chǎn)生170-250°C和18-25 bar蒸汽供應(yīng)至反應(yīng)器(a)的鍋爐；和(g)純化在分離器(b)中分離的液體,接著排出的純化器。
通過水熱分解和資源再循環(huán)的集成系統(tǒng)來處理廢料的本發(fā)明方法和裝置，表現(xiàn)高能效，同時表現(xiàn)對燃燒期間產(chǎn)生的污染物的高清除率。本發(fā)明可用于處理包含市政固體廢料、污水或廢水污泥、家畜排泄物、食品丟棄物和農(nóng)業(yè)廢料的廢料。附圖
簡述
當(dāng)結(jié)合附圖，從本發(fā)明的下列描述，本發(fā)明的上述及其它目的和特征將變得顯而易見，附圖各自顯示
圖I:顯示本發(fā)明廢料處理方法的 一個實施例的框圖；和 圖2 :顯示本發(fā)明廢料處理方法的另一個實施例的框圖。發(fā)明詳述
在本發(fā)明中，本文使用的術(shù)語“廢料”包含有機廢料，比如含有有機組分的市政固體廢料、污水或廢水污泥、家畜排泄物、食品丟棄物、農(nóng)業(yè)廢料及其混合物。在下文中，通過下列實施例詳細描述本發(fā)明的方法，但提供實施例只用于說明，本發(fā)明不受其限制。水熱分解反應(yīng)
將含有有機組分的廢料通過入口供應(yīng)至反應(yīng)器(壓力容器)中。然后，將170_250°C和18_25 bar蒸汽供應(yīng)至反應(yīng)器中，同時經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉片機械攪拌。該蒸汽從鍋爐產(chǎn)生。在反應(yīng)器中達到170-250°C后，通過供應(yīng)蒸汽使這種條件保持20-90分鐘。水熱分解反應(yīng)的條件更優(yōu)選是190-215°C和19-22 bar。當(dāng)條件落在以上范圍內(nèi)時，廢料中更多有機氯可分解，與廢料中的堿組分反應(yīng)以產(chǎn)生有機氯鹽，其可減少從固體廢料燃燒產(chǎn)生的HCl和二_英的量。而且，可將廢料中更大量的氮和硫蒸發(fā)，通過冷凝水輸送，或者溶于液相，這可減少從固體廢料燃燒產(chǎn)生的NOx和SOx的量。用于本發(fā)明的反應(yīng)器可優(yōu)選分批反應(yīng)器。水熱分解反應(yīng)可在一種或多種金屬的存在下進行，以便增加廢料固相中氯的清除率，所述金屬選自Ca、Mg、K和Na，形式為氧化物、氫氧化物或碳酸鹽。這些金屬組分容易溶于水，將電子給予固相中的親電子氯原子，讓氯作為穩(wěn)定陰離子存在，如以下反應(yīng)方案I所示。富電子氯陰離子可與陽離子比如鈣和鎂配對，使氯能夠從固相移入液相。反應(yīng)方案I
_C_C_C_C (_C1) _C_ + CaCO3 — -C-C-C-C-C- + Cl + Ca2+。例如，當(dāng)將固相中含有3. 4被％有機氯和O wt%無機氯的塑料廢料按照反應(yīng)方案I所示處理時，可使有機氯的含量降至低于O. 2%和使無機氯的含量增加至約2 wt%。如上所述，液相中的氯陰離子(CD在冷凝或純化過程期間可存在于溶解狀態(tài)，可以經(jīng)處理環(huán)境安全地排入天然水系統(tǒng)或者污水處理廠，而不產(chǎn)生毒性有機氯化合物比如二噃英。而且，在水熱分解中獲得的固體殘留物的燃燒幾乎不產(chǎn)生有機氯化合物比如二 If;英，這可簡化廢氣處理過程。當(dāng)水熱分解完成時，停止供應(yīng)蒸汽，將反應(yīng)器內(nèi)的蒸汽排入冷凝器內(nèi)。在將反應(yīng)器內(nèi)的壓力減小至大氣壓后，將產(chǎn)物從反應(yīng)器排出，送至分離器(脫水器)。產(chǎn)物可為潮濕固體或漿料樣液體的形式，具有70-90%水含量。冷凝
將反應(yīng)器內(nèi)的蒸汽輸送至冷凝器內(nèi)，通過穿過具有100 V或更低溫度的冷凝管冷凝。冷凝水可含有VOC (揮發(fā)性有機化合物異味來源)和具有2000-6000 mg/L的BOD 和 COD 值。將冷凝的水送至純化器。固液分離
將從水熱分解反應(yīng)獲得的產(chǎn)物送至分離器(脫水器)，使用重力、離心或施壓通過機械脫水分離為固體產(chǎn)物和液體殘留物，以獲得水含量為約40-70%的固體殘留物。將固體產(chǎn)物送至干燥器，將液體殘留物送至純化器。干燥
將分離器中分離的固體產(chǎn)物用熱空氣在干燥器中進一步脫水10-30%水含量水平以產(chǎn)生固體燃料。優(yōu)選將從洗滌器出來的熱廢氣用作干燥空氣使熱效率達到最大。通過干燥過程，從洗滌器供應(yīng)的熱空氣溫度降低，將低溫空氣排入大氣中。因此，本發(fā)明可通過降低廢氣的溫度而減少空氣污染，并通過使來自燃燒的熱再循環(huán)而表現(xiàn)高能效。將通過干燥過程獲得的固體燃料輸送到燃燒室內(nèi)。固體燃料的燃燒
將在干燥器中獲得的固體燃料在燃燒室中完全燒掉。優(yōu)選將從整個過程，特別是純化過程，出來的含有VOC和氨的廢氣，供應(yīng)到燃燒室內(nèi)，連同干燥固體燃料一起燃燒以除去臭味組分。燃燒溫度優(yōu)選850-1，2000C。燃燒器系統(tǒng)只用于啟動，燃燒的高溫通過輸入材料的熱值維持。通過裝在燃燒室內(nèi)的控制系統(tǒng)，可幫助熱過程并可控制將灰移動至排出。為了安全監(jiān)測，可安裝高溫照相機系統(tǒng)，從而可計算燃燒的最佳條件，以便過程得到低粉塵排放和低污染物排放如廢氣中的NOx。由于這種設(shè)計，可以不需要?；紵稍锏墓腆w燃料。將灰排出，將含有C02、CO、NOx、SOx和重金屬的燃燒氣體輸送至洗滌器。將燃燒產(chǎn)生的熱供應(yīng)至鍋爐內(nèi)。蒸汽產(chǎn)生
將從燃燒室產(chǎn)生的熱供應(yīng)至鍋爐內(nèi)以產(chǎn)生170-250°C和18-25 bar的蒸汽，將蒸汽供應(yīng)至水熱分解反應(yīng)器內(nèi)。氣體洗滌
將從燃燒室出來的燃燒氣體供應(yīng)至洗滌器內(nèi)以將污染物清除至充分低于標準水平。優(yōu)選將通過洗滌器清除的污染物是微粒比如粉塵和重金屬和氣態(tài)污染物比如HCl, CO2, CO, NOx和SOx，其可引起空氣污染。可將氣體中的污染物通過下列濕洗滌方法處理。i) 3級濕洗滌法可將燃燒氣體通過3級洗滌法用酸性洗滌器、中性洗滌器和堿性洗滌器處理。 異味氣體一[酸性洗滌器]—[中性洗滌器]—[堿性洗滌器]—清潔氣體 O堿性污染物(NH3, (CH3) 3N):用H2SO4或HCl處理 -2NH3 + H2SO4 — (NH4) 2S04 -NH3 + HCl — NH4Cl -(CH3) 3N + H2SO4 — (CH3) 3N2 · H2SO4 -(CH3) 3N + HCl — (CH3) 3N · Cl O酸性污染物(H2S):用NaOH處理 -H2S + 2Na0H — Na2S + 2H20 O 中性污染物(CH3)2S, (CH3)2S2)
-(CH3) 2S + O2 — (CH3) 2S0 -(CH3) 2S2 + O2 — (CH3) SO3HOS它污染物可通過吸收除去。異味氣體一[臭氧氧化洗滌器]—[堿洗滌器]—清潔氣體 [臭氧氧化洗滌過程]
O堿性污染物(NH3, (CH3)3N)
-2NH3 + 303 — N2 + 3H20 + 302-(CH3) 3N + 303 — CH2NO2 + 2C02 + 3H20O酸性污染物(H2S)
-H2S + O3 — SO2 + H2O, 3H2S + 403 — 3H2S04O 中性污染物((CH3)2S, (CH3)2S2)
-3 (CH3) 2S + O3 — (CH3) 2S0, (CH3) 2S +O3 — (CH3) 2S03-2 (CH3) 2S2+H20+03 — 2CH3S03H, 3 (CH3) 2S2 + 503 — 3 (CH3) 2S205[堿洗滌過程]
O HCl (清除率:95-98%)
-2Na0H + CO2 — Na2CO3 + H2O-Na2CO3 + CO2 — NaCO3 + CO2-Na2CO3 + 2HC1 — 2NaCl + H2O + CO2O SOx (清除率:95-98%)
-Na2SO3 + SO2 + H2O — 2NaHS03-Na2SO3 + l/202 — Na2SO4O NOx (NO, NO2)(清除率90-95%)
-NO +氧化劑一NO2 +氧化劑(還原的)
-2N02 + H2O — HNO3 + HNO2
如上所述，本發(fā)明中的洗滌器包含干洗滌器和濕洗滌器，根據(jù)污染物，所述洗滌器進行3級或2級洗滌過程，從而提供最佳方法并有效處理各種污染物。將從洗滌器出來的廢水送至純化器(廢水處理設(shè)施)。純化(廢水處理)
將從分離器分離的液體、穿過冷凝器的冷凝水和從洗滌器出來的廢水全部輸送至純化器(廢水處理設(shè)施)內(nèi)以清潔至可排放的水平。通過使從水熱分解反應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽冷凝獲得的冷凝水，具有相對低的BOD和COD值，即分別為約5000mg/L和6000mg/L，這是在污水處理廠可處理的水平。但是，從分離器(脫水器)分離的液體具有40，000mg/L的BOD和50，000mg/L的CODcr，其可擾亂污水處理過程。因此，本發(fā)明包含將高濃度有機廢水處理至安全水平的純化過程，這使得能夠?qū)⒔?jīng)處理的水直接排入天然水系統(tǒng)比如河或湖內(nèi)或者排入污水處理廠內(nèi)。 在純化器中，將高濃度的有機廢水用微生物以高氧轉(zhuǎn)移率有效地處理?；谝韵路匠淌剑丛诤銣叵職怏w與壓力成比例地溶于液體中，可通過控制壓力使氣體以最大速率溶解。在純化器中的充氣罐極好地將DO (溶解氧)供應(yīng)至需氧微生物。
P = Afl-C其中，P是氣體壓力(atm)，知是亨利定律常數(shù)(L · atm/mol), C是氣體溶解度(mol/L)ο通過如上供應(yīng)足夠的D0，維持高濃度(8，000^20, 000mg/L) MLSS (混合液懸浮固體)以便反應(yīng)性增加(MLSS V反應(yīng)性)，允許緊湊設(shè)施，其尺寸低于常規(guī)充氣罐的1/5但具有最佳性能水平?？蓪⒃诩兓髦薪?jīng)處理得到的水進一步通過以下過程處理第一固液分離一高效反應(yīng)(廢水處理)—第二固液分離，以便所得水具有500 3，000mg/L的B0D，500 3，OOOmg/L的C0D，500 2，000mg/L的T-N和10_500mg/L的T-P，這是可排入污水處理廠的水平。在經(jīng)處理的水直接排入自然界比如河的情況下，可按以下過程加入除氮和除磷過程脫水一厭氧反應(yīng)一除氮一高效反應(yīng)一沉淀一高級處理，以便符合可排入自然界的水平的要求。純化過程可留下脫水的固體餅，將其再輸送到水熱分解反應(yīng)器中與其它廢料一起處理。發(fā)電
本發(fā)明可進一步包含另外的鍋爐和發(fā)電機?？蓪⑷紵抑挟a(chǎn)生的一部分熱供應(yīng)至另外的鍋爐(廢熱鍋爐)內(nèi)，可將由此產(chǎn)生的蒸汽輸送到發(fā)電機中以發(fā)電供應(yīng)至工廠內(nèi)(見圖2)?？蓪㈩~外的蒸汽供應(yīng)至水熱分解反應(yīng)器內(nèi)。雖然已關(guān)于上述具體實施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)認識到本領(lǐng)域技術(shù)人員可對本發(fā)明作出各種修改和變化，它們也落在如附屬權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種處理廢料的方法，其包含以下步驟 (a)用170-250°C和18-25bar蒸汽進行廢料的水熱分解反應(yīng)； (b)用重力、離心或施壓將步驟(a)的產(chǎn)物分離為液體殘留物和固體產(chǎn)物； (c)干燥在步驟(b)分離的固體產(chǎn)物以獲得固體燃料； (d)燃燒在步驟(C)獲得的固體燃料； (e)洗滌在步驟(d)產(chǎn)生的燃燒氣體；(f)通過使用在步驟(d)產(chǎn)生的熱，產(chǎn)生170-250°C和18-25bar蒸汽供應(yīng)至步驟(a)；和 (g)純化在步驟(b)分離的液體殘留物，接著排出。
2.權(quán)利要求I的方法，其中步驟(a)的水熱分解反應(yīng)在一種或多種金屬的存在下進行，所述金屬選自Ca、Mg、K和Na，形式為氧化物、氫氧化物或碳酸鹽。
3.權(quán)利要求I的方法，其中洗滌步驟(e)通過以下進行干洗滌；用選自H2S04、HC1、NaOH, (CH3)2S, (CH3) 2S2、Na2SO3和O3的至少一種的濕洗滌；或其組合。
4.權(quán)利要求I的方法，其中洗滌步驟(e)清除一種或多種選自HCl、CO2,CO、NOx, SOx和重金屬的污染物。
5.權(quán)利要求I的方法，其中在步驟(e)產(chǎn)生的廢氣在步驟(C)用作干燥空氣，然后釋放到大氣中。
6.權(quán)利要求I的方法，其進一步包含用蒸汽發(fā)電的步驟，該蒸汽用在步驟(d)產(chǎn)生的熱制備。
7.權(quán)利要求I的方法，其中廢料包含含有有機組分的市政固體廢料、污水或廢水污泥、家畜排泄物、食品丟棄物、農(nóng)業(yè)廢料或其混合物。
8.—種處理廢料的裝置，其包含 (a)用170-250°C和18-25bar蒸汽將廢料水熱處理的反應(yīng)器； (b)通過用重力、離心或施壓將反應(yīng)器(a)的產(chǎn)物分離為液體殘留物和固體產(chǎn)物的分離器； (c)將分離器(b)中分離的固體產(chǎn)物干燥以獲得固體燃料的干燥器； (d)使在干燥器(C)中獲得的固體燃料燃燒的燃燒室； (e)洗滌在燃燒室(d)產(chǎn)生的燃燒氣體的洗滌器； (f)通過使用在燃燒室(d)產(chǎn)生的熱來產(chǎn)生170-250°C和18-25bar蒸汽供應(yīng)至反應(yīng)器(a)的鍋爐；和 (g)純化在分離器(b)中分離的液體，接著排出的純化器。
9.權(quán)利要求8的裝置，其中反應(yīng)器(a)在一種或多種金屬的存在下進行水熱分解過程，所述金屬選自Ca、Mg、K和Na，形式為氧化物、氫氧化物或碳酸鹽。
10.權(quán)利要求8的裝置，其中洗滌器(e)進行干洗滌；用選自H2SO4、HCl、NaOH、(CH3)2S、(CH3)2S2, Na2SO3和O3的至少一種的濕洗滌；或其組合。
11.權(quán)利要求8的裝置，其中洗滌器(e)清除一種或多種選自HC1、C02、C0、N0x、S0x和重金屬的污染物。
12.權(quán)利要求8的裝置，其中將從洗滌器(e)出來的廢氣供應(yīng)至干燥器(c)用作干燥空氣，然后釋放到大氣中。
13.權(quán)利要求8的裝置，其進一步包含通過使用在燃燒室(d)產(chǎn)生的熱產(chǎn)生蒸汽的另外的鍋爐；和通過使用蒸汽發(fā)電的發(fā)電機。
14.權(quán)利要求8的裝置，其中廢料包含含有有機組分的市政固體廢料、污水或廢水污泥、家畜排泄物、食品丟棄物、農(nóng)業(yè)廢料或其混合物。
全文摘要
一種處理廢料的方法和裝置，包含以下步驟進行廢料的水熱分解反應(yīng)，將產(chǎn)物分離為固體燃料和廢水，燃燒固體燃料，洗滌燃燒氣體，用通過燃燒產(chǎn)生的熱產(chǎn)生蒸汽，和純化廢水，所述方法和裝置表現(xiàn)高能效，同時表現(xiàn)在燃燒期間產(chǎn)生的污染物的高清除率。
文檔編號F22B33/18GK102906502SQ201080062228
公開日2013年1月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者R.范納爾登, M.博尼拉, H.賈斯珀, R.賈斯珀, K.約?？ㄍ? T.亞馬達, M.松 申請人:三角洲熱能公司, 賈斯珀有限責(zé)任公司, 北斗工業(yè)株式會社, Etc公司