将有机质垃圾废弃物无害化、资源化、减量化治理的方法 【技术领域】
本发明公开了一种适用于将工、农业生产排放的有机质废弃物(如，各种植物秸杆，造纸厂、酿造厂、制糖厂排出的高浓度废液与糟粕)、城市垃圾、医疗垃圾中的有机质部分进行无害化、资源化、减量化治理的方法，属于资源与环境的技术领域。
背景技术
背景技术之一：
我国现在每年农作物秸秆产量大约有7亿吨。除了作为饲料和其它用途之外，可以作为能源利用的大约有3亿多吨，折合标准煤约1.5亿吨。因此，我国历来就十分重视这部分生物质能的开发和利用。其中，通过生物质气化的技术途径将农作物秸秆转化成为生物质煤气，就是我国研究、开发、利用生物质能源的一个极为重要方面。
比如，我国农村在‘九五’以前曾经建设了大约400多家《200户型秸杆集中气化供气站》(1)，这些气化站的建设，使许多农户也象城市一样用上了管道煤气，极大的方便了农民的生活，还解决了农作物秸杆和其它农业废弃物的综合利用问题。
但是，由于下列原因，70％以上的这种气化站，都是在运行不到一年地情况下，基本上便都处于了瘫痪状态(1)：
a、‘气化站’只能供应发热量≯5MJ/nm3的煤气，而且由于受到规模和价格的限制，‘气化站’自己没有财务生存能力。即，‘气化站’只有在政府或者在集体的财政补贴情况下才能够维持生存。这是导致‘气化站’瘫痪的最主要原因。
b、产出的煤气发热量低(≯5MJ/nm3)，火力不旺，而且木焦油含量高(一般都≮50mg/nm3)，经常由于木焦油堵塞管道而被迫停止使用。
c、生产用的原材料仅仅主要限制在玉米芯、稻壳、花生壳等比较坚硬的果壳类材料，不能使用密度比较小的秸杆类和树叶类材料。
因此，我国的农村能源市场，包括这些已经建成的秸杆气化站，都需要新的创新技术支持，以便能够把生物质能的利用水平提高到一个新的台阶之上。
背景技术之二：
目前，由于我国整个国民经济和城市建设的迅速发展，在城市中产生的垃圾数量不但迅速增加，而且垃圾的组成成分也发生了很大的变化：在城市垃圾中，增加了大量的有机质废弃物成分，增加了大量的塑料成分，还增加了许多含有金属或者重金属化学成分的有毒、有害化合物。存放这些生活垃圾不但占用了大量的土地，造成资源的极大浪费，而且也成为环境的主要污染源之一，困扰人们的日常生活，危害人体健康，并造成了许多长期的深层次的生态环境问题。
因此，如何能够将城市生活垃圾进行无害化处理，就成为控制城市生活垃圾污染环境的重要途径。
还有，医院垃圾和禽流感发生以后强制屠杀的家禽、家畜尸体含有大量细菌、病毒及化学药剂，它们都具有空间传染、急性传染和潜伏性传染等特征，其病毒、病菌的危害是普通城市生活垃圾的几十倍乃至数百倍，因此，如何能够将这些医疗垃圾也无害化处理，也同样成为控制环境污染的重要问题。
对待这些需要作为污染源处理的垃圾，国内外目前广泛采用的治理方法主要有卫生填埋、高温堆肥和焚烧等三种形式。这三种主要垃圾处理方式的比例，因地理环境、垃圾成份、经济发展水平等因素不同而有所区别。
焚烧是目前世界各国广泛采用的城市垃圾处理技术。大型的配备有热能回收与利用装置的垃圾焚烧处理系统，由于无害化处理的比较彻底，而且可以使垃圾的数量大幅度缩减，还顺应了回收能源的要求，正逐渐上升为焚烧处理的主流。比如，美国在2001年3月26日就实现了全国生活垃圾全部焚烧综合处理。
因此，垃圾处理技术的发展方向是朝着“无害化、资源化、减量化”的方向发展。
根据《中华环保互联网》网页http://www.chinaep.net/feiwu/fsl/上介绍的资料，可以知道目前国内外在垃圾焚烧设备方面都是采用了‘先热解气化，再进行二次燃烧’的原理进行设计的。同时在该网站还可以看到各种规格不同、用途不同的生产厂家的技术资料和照片，是说明背景技术的一个完整的脚本资料。
但是，所有利用这个原理设计、制造的垃圾焚烧设备存在的最根本缺陷是：
1、不能有效的防止和消除含氯有机质在燃烧过程中生成危害极大的二恶英等污染物；
2、由于使用了空气作为气化剂进行‘热解气化’，因此，只能产生发热量≯5MJ/nm3的燃气，其中还包含了大量的N2和CO2，因此能量品位低，直接燃烧的温度也比较低，不能够达到垃圾‘无害化’处理特别是达到彻底消除‘二恶英’需要的≮1200℃高温。
所以，提高燃烧温度的方法只有使用另外加入燃料助燃的方法(一般使用柴油助燃)进行第二步的‘二次燃烧’，使‘二次燃烧’的温度达到要求的850℃以上的高温。这就使得垃圾的处理成本大幅度的提高，根据垃圾品种和最终燃烧温度的不同，大约需要投入100～400元/吨的费用(2)。所以，运行的费用比较高；
3、很难使这个‘先热解气化，再二次燃烧’的复杂系统中的多种(套)设备实现一体化。
关于这种焚烧技术的缺陷，在网页http://www.chinaep.net/feiwu/fsl/上公布的文章《我国垃圾焚烧技术和装备的现状及发展方向》中，是这样明确描述的：
“焚烧技术发展的动向是：
(1)垃圾焚烧厂尾气净化技术，特别是二恶英等污染物的消除越来越受到重视。
(2)垃圾焚烧余热综合利用技术将进一步完善。
(3)为满足日益严格的环保要求，焚烧技术向着烟气净化、残渣与废水处理以及废热回收等设备整体化方向发展。”
【发明内容】
本发明为如何“无害化、资源化、减量化”在背景技术中需要治理的各种有机质垃圾和各种有机质废弃物，提供了一种按照如下的技术路线和由这个技术路线决定的工艺流程及其具体的实施方法。
其技术路线见(附图一)。
其工艺流程见(附图二)。
由上述的技术路线和工艺流程，可以知道本发明根据一些主要的基本原理：
1、有机质垃圾废弃物在300～650℃的中低温热裂解的条件下产生的热裂解气体中，包含有大量的可燃气体和H2O、CO2等不可燃气体。H2O、CO2的存在，会影响到热裂解产生的可燃气体的发热量，从而降低产生的热裂解气体的能量品位。
2、H2O、CO2在≮800℃的温度条件下会和炭素材料(比如，木炭)发生如下的气化和还原反应，从而转化成为可燃气体：
3、在农业生产排放的有机质废弃物(如，各种植物秸杆)进行中、低温热裂解的过程中，产生的可燃气体中还会包含有大量的木焦油蒸汽(4)。这些木焦油蒸汽在低于产生时的温度时，就会冷凝成为液体木焦油，从而堵塞煤气管道和燃烧器，影响使用效果；
4、这些木焦油蒸汽可以在≮800℃的情况下，通过使用镍、白云石、木炭等作为催化剂，将大分子的木焦油蒸汽不可逆的催化、裂解成为小分子结构，避免在低温情况下再次液化(4)。
5、含氯有机质需要在‘燃烧’的条件下，才能生成危害极大的‘二恶英’(5)(6)。含氯有机质不在‘燃烧’的条件下分解，就不会生成‘二恶英’或者很少生成‘二恶英’(5)(6)。
6、含氯有机质在‘燃烧’或者热解的过程中，很容易生成HCL，而生成的HCL可以通过外加剂的办法分解并消除(7)。
根据上列的技术路线、工艺流程和基本原理，本发明通过设计的一套具有主动保障功能的组合设备工作系统协同工作的方法来实现对有机质垃圾废弃物进行“无害化、资源化、减量化”治理的目的。这套组合的设备工作系统由下列的三个基本的子系统组成：
1、一个是‘外热式热裂解子系统’：这个‘外热式热裂解子系统’是一个由单根或者多根能够在外部加热和封闭条件下连续加入有机质垃圾废弃物材料的管状‘干馏、裂解、炭化室’和相应的外部加热装置所组成的成套装置。它可以在300～650℃的温度范围内和在适宜压力为-100～0Pa的微负压状态下连续完成原料的干馏、裂解、炭化并且将产生的热裂解气体全部排入另一个‘外热式催化、还原、气化子系统’；将产生的残渣(或残炭)在密闭的条件下排出系统到外界；
在这个‘外热式热裂解子系统’中，另外具有的技术特征是：
①采用了强制加料的方法，即使用螺旋或者活塞的机械设施将有机质垃圾废弃物强制压入到‘外热式热裂解子系统’中进行加料。达到在通过提高原材料密度的方法进行加料的同时，也实现热解气的封闭，阻止热解气从加料口外逸；
②用下述两种方法中的一种，保证‘热裂解气体’的运动方向和加入的有机质材料的运动方向完全一致：
a、‘外热式热裂解子系统’的干馏管全部是由全系统的设计手法，使其处在负压状态下。而且高温端的压力要低于加料端的压力，使‘热裂解气体’的运动方向和加入的有机质材料的运动方向一致；
b、‘外热式热裂解子系统’的高温端的几何位置高于加料端，而且产生的高温气体很快就自动进入到下一个‘外热式催化、还原、气化子系统。其极限的状态可以是一种呈垂直的状态。
③在其中可以通过另外加入氢氧化钙、氢氧化钠或其他可以和氯离子在产生后就进行反应并转化为氯化物的方法，减少含氯有机质在加热后生成‘二恶英’前提物的数量。
2、一个是‘外热式催化、还原、气化子系统’：这个‘外热式催化、还原、气化子系统’是在外部加热的条件下能够连续将‘外热式热裂解子系统’送来的热裂解气体中所含有的木焦油蒸汽、CO2、H2O在800~950℃的温度范围内和在适宜压力为-500~-50Pa的负压状态下连续完成木焦油的‘催化裂解’、CO2的‘还原’、H2O的‘气化’反应并产出可燃气体成分不小于90％的高品位煤气的成套装置。
在这个‘外热式热裂解子系统’中，另外具有的技术特征是：
①系统内部充满了完成木焦油催化、二氧化碳还原、水蒸气气化反应需要的各种催化和化学反应所需要的碳素材料和催化剂(如木炭、白云石材料)；
②有一套自动的电加热(或者其它能源加热)系统，这套自动的电加热(或者其它能源加热)系统所控制的空间是能够允许在920±15℃时，至少能够保证被‘无害化’处理的气态产物在该阶段停留1～3秒以上的恒温空间。
3、一个是通过计算机网络平台实施的‘自动监测控制子系统’：这个‘自动监测控制子系统’是根据在上述两个子系统中配备的压力检测、温度检测、产生的热裂解气体和/或煤气成分的在线实时监测与流量积算数据，对整个系统在启动、工作、关机的全过程中进行智能化管理的自动化控制管理系统。
需要说明的是，在这套组合的设备工作系统中，在‘外热式热裂解子系统’和‘外热式催化、还原、气化子系统’中产生‘负压’或者‘微负压’的根本原因，或者是因为烟囱产生的抽力(如本说明书《附图三》所示)，或者是在使用真空水泵向外连续抽取煤气并进行煤气冷却、净化时所形成的。
【附图说明】
(附图三)是一个表征这套组合的设备工作系统的示意图。
结合(附图三)，对于上述的三个基本子系统的更详细的叙述如下：
在‘外热式热裂解子系统’中包括了(附图三)中的有机质垃圾废弃物原料加料口水封盖(1)，有机质垃圾废弃物原料加料口(2)，有机质垃圾废弃物原料加料口用水封池(3)，‘干馏、裂解、炭化室’(4)，有机质垃圾废弃物原料加料用的螺旋推进器及动力变速装置(5)，加热室(6)(图中的虚线箭头表示了在本示意图中加热室中的烟气在利用过程中的流动方向)，加热室的外壳及保温层(6)*，残炭排出‘干馏、裂解、炭化室’进入水封池的封闭通道(7)(当‘干馏、裂解、炭化室’为多个时，这个通道就转化为一个联系‘干馏、裂解、炭化室’和水封池、并且和外界隔绝的一个‘共用空间’)，水封池(9)，‘外热式催化、还原、气化子系统’通往‘外热式热裂解子系统’的高温烟气管道的阀门(10)和煤气管道的阀门(10)*，‘外热式热裂解子系统’产生的原始热裂解气体通往‘外热式催化、还原、气化子系统’内胆的阀门和管道(11)，‘外热式热裂解子系统’烟囱(12)，煤气燃烧器(17)。
在‘外热式催化、还原、气化系统’中包括了(附图三)中的‘外热式催化、还原、气化子系统’的原料入口(13)，‘外热式催化、还原、气化子系统’产生的煤气在自身需要以外的剩余煤气向外供应的管道和阀门(14)，‘外热式催化、还原、气化子系统’产生的煤气进入自身外加热室煤气燃烧器的伐门和管道(15)，‘外热式催化、还原、气化子系统’ 外加热室(16)，煤气燃烧器(17)，‘外热式催化、还原、气化子系统’内胆(18)，‘外热式催化、还原、气化子系统’排灰渣装置(19)，‘外热式催化、还原、气化子系统’的排渣出口(20)，‘外热式催化、还原、气化子系统’的自动电加热系统(20)*，‘外热式催化、还原、气化子系统’的烟囱和阀门(20)**。
在‘自动监测控制子系统’中，包括了对‘外热式热裂解子系统’和‘外热式催化、还原、气化子系统’内的压力、温度运行参数进行实时监测和信号变换传送装置；包括了对‘外热式热裂解系统’排出的热裂解气体成分和‘外热式催化、还原、氧化系统’排出的煤气成分进行在线实时监测、流量积算数据和信号变换传送装置；利用网络通讯的分散控制系统进行功能模块式控制，软件部分采用了UNLX开发软件和Intouch工控软件与INFORMIX数据库管理系统软件，从而实现系统在启动、运行、关机的全过程中进行智能化的自动化控制管理。
由于在(附图三)中没有将表明这些温度、压力和煤气成分以及流量仪表的符号在这个幅度很小的‘(附图三)’进行标著，因此，(附图三)是本发明没有安装‘自动控制子系统’时的示意图。为了说明‘主动保障功能’和‘组合设备工作系统’是如何进行‘协同工作’的，下边以手动的方式按照步骤说明在启动过程中的操作过程和调整项目，而调整以后的系统状态参数，也是实施自动控制依据的重要技术参数：
第一步：将系统中所有的阀门全部处于关闭状态；
第二步：打开加料口水封盖(1)，启动螺旋推进器及动力变速装置(5)，通过原料加料口(2)向‘干馏、裂解、炭化室’(4)中强制加入待处理的有机质垃圾废弃物原料〔此时，必须根据原料中的CL-1含量，加入可以使产生的HCL消失的一定数量的Ca(OH)2或者Na(OH)2〕，加完原料后在水封池(3)中充满水，使‘外热式热裂解子系统’处于完成准备工作、等待加热的密闭状态。同时根据加入的原料种类和数量多少，估算下次加料的时间和数量多少，随时补充新的原料。
第三步：打开‘外热式催化、还原、气化子系统’产生的煤气进入自身外加热室煤气燃烧器的伐门和管道(15)和‘外热式催化、还原、气化子系统’烟囱和阀门(20)**；打开原料入口(13)，向内胆(18)中装入少量木炭并点火，然后继续加满木炭后关闭并密闭(13)；
第四步：通过从‘外热式催化、还原、气化子系统’的排渣出口(20)处送入空气的方法使(18)在系统的升温阶段成为一个以空气为气化剂的气化炉，产生的煤气经过(15)在(17)处燃烧后进入‘外热式催化、还原、气化子系统’外加热室(16)，完成热量交换后，经过(20)**排入大气；
第五步：随时检查(18)中的木炭消耗情况并及时补充木炭、清除灰渣。当(18)的温度达到800℃时，关闭(20)**，打开(11)；打开(10)，使在(16)完成燃烧的高温烟气进入到加热室(6)；打开(10)*并调整其开度通过煤气在燃烧器(17)处的控制燃烧，和通过(10)而来的高温烟气一起在加热室(6)中对(4)进行加热处理，当(4)的温度达到350℃时关闭并密闭(20)(或者用水封的方法将(20)密闭，如图中的(8)为水封的水面)，启动‘外热式催化、还原、气化子系统’的自动电加热系统(20)*，维持(18)的温度控制在800～950℃的范围内(电加热区域的控制温度为920±15℃)，当(18)的温度大于910℃时，(20)*自动停运。
在运行中，如果(20)*停运后(18)的温度低于了800℃，应当首先关闭(5)、(10)和(10)*，同时应当保证(20)*继续向(18)供应热能，维持(20)*在(18)的控制区内的运行温度在≥900℃的状态下完成在(4)中残留的有机质垃圾废弃物原料的治理。
第六步：随着整个系统温度的升高，调节(15)和(10)*的开度，使(18)的温度维持在800～950℃的前提条件下，维持(4)的温度在350～650℃的范围内；
在调整的过程中或者调整之后，如果(18)的温度达到1000℃，则应打开并调整‘外热式催化、还原、气化子系统’产生的煤气在自身需要以外的剩余煤气向外供应的管道和阀门(14)向系统之外供应多余的煤气。
第七步：维持‘第六步’调整的结果连续运行，一直到需要关机时。
第八步：关机。检查(4)并确定其中已经不存在待处理的材料---关闭(11)----使(9)中充满水，完成严密的水封---关闭全部阀门----切断电源。
通过以上的具体操作过程的叙述，可以知道，本发明对于保证治理有机质垃圾废弃物能够达到“无害化、资源化、减量化”的标准，有一套“具有主动保障功能的组合设备工作系统”。它的‘主动保障功能’充分的体现在：
1、只有在‘外热式催化、还原、气化子系统’内胆(18)的温度达到能够使‘热裂解’气态产物无害化处理的最低温度800℃要求时，系统才会打开 ‘外热式催化、还原、气化子系统’ 通往‘外热式热裂解子系统’的高温烟气管道的阀门(10)，才会开始对‘外热式热裂解子系统’加热。这就保证了‘热裂解’的气态产物只要产生了，就能够被‘外热式催化、还原、气化子系统’‘无害化’处理了。而如果(18)的温度在工作过程中由于某些原因突然低于了800℃时，系统又会自动关闭阀门(10)、(10)*，继续完成在(4)中残留的有机质垃圾废弃物原料的治理。
2、设计‘外热式催化、还原、气化子系统’的自动电加热系统(20)*所控制的空间大小应当按照在温度被控制在920±15℃时，至少能够保证被‘无害化’处理的气态产物在该阶段能够停留一秒以上的恒温空间。因此，在这种情况下，所有‘外热式热裂解子系统’产生的所有气态产物都必须通过处在同样高温即900℃以上的高温条件下的‘外热式催化、还原、气化子系统’的电控部分，不会因为炉况变化而产生遗漏或者处理的质量不均匀的现象。
3、即使有少量的‘二恶英’从其它渠道混入了最终的煤气产品中，还可以通过控制煤气燃烧温度≮1200℃的方法，彻底消除。
4、由于本系统的‘负压’是由于烟囱(12)的抽力所形成的‘负压’或者是使用真空水泵向外抽取煤气时所形成的‘负压’，因此，保证了在工作状态时，整个系统是处在‘负压’或者‘微负压’的状态下工作。虽然这种‘微负压’的大小仅仅对于进入煤气中的空气数量有直接影响，但是，系统却是绝对不会向环境泄露任何未经处理的有害气体，也不会对环境造成危害的。
【具体实施方式】
使用本发明可以生产、制造一系列规格不同、治理对象不同的设备或装置。但是，不论制造成为哪一种设备，它的最合理的工作制度显然是‘连续工作制’，这可以使得的系统的能源转换效率达到最高。
以下是本发明的几种具体实施方式。为了叙述上的方便，以表格的方法简述如下：
《将有机质垃圾废弃物无害化、资源化、减量化治理的方法》的几个具体实施方式 实施对象被治理的材料主要产品另外需要配备的主要设备和装置具体实施方式 小型医疗垃圾 处理设施各种医疗垃圾煤气热能小型的茶炉房或者淋浴卫生设施；可以直接按照《附图一》实施。 大、中型医疗 垃圾处理设施各种(医疗+生活)垃圾煤气热能电力①煤气显热利用装置；②煤气净化系统；③煤气存储装置及用户配送系统；④煤气发电、配电、供电系统。将(18)产生的高温煤气直接经过煤气显热利用装置、煤气后处理净化系统、煤气存储装置后，其中的一部分冷煤气再返回到煤气燃烧器(17)使用。其它的冷煤气部分直接送入燃气发电系统，转换成为电力后，供应社会。 城市垃圾集中 处理中心城市垃圾中的有机质部分和各种生物质能源材料 治理造纸厂(酿 造厂、制糖厂) 排出的高浓度废 液与有机质糟粕高浓度废液与有机质糟粕煤气热能木炭NaOH①高浓度废液与有机质糟粕初步加工、成型、自然/人工干燥装置；②煤气净化、存储装置及用户配送系统；③木炭成型加工装置；④NaOH回收装置。在相应的工厂里，结合企业的清洁生产实施。 建设农村生物质 能源供应站各种生物质能源材料煤气热能木炭电力①煤气显热利用装置；②煤气净化系统；③煤气存储装置及用户配送系统；④木炭成型加工装置；⑤煤气发电、配电、供电系统。既可以在已经建设的《秸杆集中气化供气站》中使用，也可以使用这个技术重新建设完全新型的<农村农村生物质能源供应站>。
参考资料：
(1)、《2002’中国生物质能技术研讨会论文集》中国科学院广州能源研究所等，2002年10月出版。
(2)、《新一代丰泉热解炉迅速推广》，载：http://www.stdaily.com/gb/green/2004-08/05/content 282707.htm
(3)、《*LXRF系列立式旋转热解气化焚烧炉》的产品介绍，载：http://www.szhans.com/docc/chanpin2.htm
(4)、《生物质能的现代化利用技术》吴创之、马隆龙著，2003年5月第一版，化工出版社出版；
(5)、《二恶英类化学物质的产生与环境来源》载http://www.dioxina.org/file/file1/dioxin5.htm(国家环境保护总局武汉环境医学研究所)；
(6)、《有毒二恶英与垃圾焚烧》，载http://www.happycampus.com.cn/pages/2003/04/23/D110625.html
(7)、《试析二恶英污染的产生与治理》(王烨等)，载http://ceprei.org/artice/artice9.htm