本發(fā)明涉及一種垃圾處理及天然氣生產(chǎn)工藝，具體的說(shuō)是一種垃圾氣化生產(chǎn)合成天然氣的工藝方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前針對(duì)垃圾處理主要有三種方式，即衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒發(fā)電。垃圾焚燒可實(shí)現(xiàn)垃圾減量化，在減少占地的同時(shí)可進(jìn)行發(fā)電，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，但垃圾焚燒也帶來(lái)了一些問(wèn)題：①由于焚燒溫度不高，容易產(chǎn)生二噁英和呋喃等致癌物質(zhì)；②焚燒產(chǎn)生的飛灰和殘?jiān)懈缓卸居泻χ亟饘傥镔|(zhì)，容易造成地下水源污染；③焚燒產(chǎn)生大量煙氣，碳排放量大。

垃圾氣化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種垃圾處理新技術(shù)，采用垃圾氣化技術(shù)處理垃圾，為垃圾的無(wú)害化、減量化和資源化處理開拓了一條新的途徑，有望替代傳統(tǒng)的垃圾焚燒技術(shù)，已成為當(dāng)前垃圾處理領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

從目前查閱的文獻(xiàn)資料分析，通過(guò)垃圾制取天然氣主要采用的是發(fā)酵工藝，專利CN103484183B公開了一種生活垃圾制天然氣工藝與裝置，其采用的工藝流程為：將生活垃圾分類粉碎預(yù)處理后，無(wú)機(jī)物通過(guò)制H₂等離子體槍和制CO等離子體槍分別制取H₂和CO，再進(jìn)一步反應(yīng)生成甲烷；而有機(jī)物通過(guò)發(fā)酵池發(fā)酵制取沼氣后，再通過(guò)凈化分離得到甲烷。該工藝首先要將垃圾分類預(yù)處理后再利用，先不論其無(wú)機(jī)物能否真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)不同的等離子體槍分別制取H₂和CO，其制取甲烷的主要工藝還是采用傳統(tǒng)的發(fā)酵制沼氣再凈化分離得到甲烷的方式。專利CN105063096A一種餐廚垃圾常溫厭氧發(fā)酵快速產(chǎn)甲烷的方法和CN102873073A餐廚垃圾制備車用天然氣裝置及工作方法都是采用厭氧發(fā)酵工藝制取甲烷，且處理的原料垃圾都是有機(jī)質(zhì)含量高的餐廚垃圾。

將垃圾、特別是工業(yè)或城市垃圾作為原料合成天然氣與煤原料合成天然氣相比，存在以下重要技術(shù)問(wèn)題：一、垃圾高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中一般會(huì)產(chǎn)生高致癌物質(zhì)二噁英和飛灰及爐渣等含重金屬浸出性的二次污染源，如何在生產(chǎn)工藝中有效降低上述有害物是技術(shù)人員需要考慮的問(wèn)題；二、是垃圾種類繁多，主要有工業(yè)垃圾(如高爐渣、有色金屬渣、粉煤灰等一般工業(yè)垃圾和工業(yè)污泥、制藥廠殘?jiān)?、農(nóng)藥等危險(xiǎn)固體廢物)和城市垃圾(如廚余、紙張、塑料、織物、輪胎、廢舊家電、竹木和綠化廢棄物等)，其含水率、熱值、粒度尺寸等各不一樣，存在較大的差異，如何保證這些原料都能高效、充分氣化，也是需要解決的技術(shù)問(wèn)題；三、是垃圾氣化過(guò)程中，如何在避免或減少二噁英產(chǎn)生的前提下，盡可能多地有效回收熱能，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，也需要研究出相應(yīng)的解決辦法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種工藝簡(jiǎn)單、能效高、適用于處理各種不同原料垃圾，且資源化效果好、節(jié)能環(huán)保的垃圾氣化生產(chǎn)合成天然氣的工藝方法。

技術(shù)方案包括以工業(yè)或城市垃圾為原料，經(jīng)垃圾氣化工序、氣體凈化工序和甲烷化工序得到合成天然氣，其特征在于，所述垃圾氣化工序包括垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段、粗合成氣除塵及熱回收工段、粗合成氣激冷及洗滌工段和高溫熔渣激冷及除渣工段；其中，在垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段中，垃圾先送入氣化爐進(jìn)行高溫氣化得到粗合成氣及高溫熔渣，在粗合成氣除塵及熱回收工段中，所述粗合成經(jīng)除塵和熱回收后降溫至550～600℃，在粗合成氣激冷及洗滌工段中，所述粗合氣繼續(xù)被激冷水迅速激冷至80～90℃，激冷后的合成氣經(jīng)洗滌塔進(jìn)一步洗滌除塵、脫酸并降溫至35～40℃后送入氣體凈化工序，在高溫熔渣激冷及除渣工段，所述高溫熔渣經(jīng)激冷和除渣后得到玻璃體渣；所述氣化爐為固定床氣化爐，控制氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度在1100～2000℃，所述氣化爐上部設(shè)有燃料氣燒嘴，并向氣化爐內(nèi)噴入含有氣化劑的燃料，控制氣化爐出口粗合成氣溫度在1150～1250℃。

所述垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段中，所述氣化爐上部環(huán)形對(duì)稱設(shè)置有2～6個(gè)燃料氣燒嘴，所述燃料氣燒嘴與氣化爐垂直中軸線向下成45～90°夾角，控制氣化爐出口粗合成氣溫度在1150～1250℃。

在垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段中，所述氣化爐底部環(huán)形對(duì)稱設(shè)置有2～6個(gè)燃料氣燒嘴，所述燃料氣燒嘴與氣化爐垂直中軸線向上成45～90°夾角，控制氣化爐底部的高溫溶渣溫度在1300～2000℃。

在粗合成氣除塵及熱回收工段中，所述粗合成經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器脫除粉塵和飛灰后，再進(jìn)入熱回收系統(tǒng)進(jìn)行熱量回收，同時(shí)分離出的粉塵和飛灰通過(guò)氣化爐底部的飛灰返料進(jìn)口返回至氣化爐底部進(jìn)行熔渣處理。

所述氣體凈化工序包括COS水解及常壓脫硫工段、引風(fēng)機(jī)+氣柜存儲(chǔ)工段、合成氣壓縮工段、CO變換工段、酸性氣體脫除工段和硫回收工段，其中，在COS水解及常壓脫硫工段中，所述粗合成氣先通過(guò)COS水解將粗合成氣中的有機(jī)硫水解成無(wú)機(jī)硫，再通過(guò)常壓脫硫脫除其中大部分H₂S；在引風(fēng)機(jī)+氣柜存儲(chǔ)工段中經(jīng)過(guò)脫硫后的粗合成氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)抽引進(jìn)入低壓氣柜進(jìn)行儲(chǔ)存和緩沖，在合成氣壓縮工段中，通過(guò)合成氣壓縮機(jī)將粗合成氣壓縮至1.0～4.0MPa，再經(jīng)CO變換工段進(jìn)行CO變換和酸性氣體脫除工段脫除酸性氣體后得到精制合成氣送入甲烷化工序。

所述CO變換工段中，控制粗合成氣中CO和H₂的摩爾比例為：H₂/CO＝3.0-3.1。

所述酸性氣體脫除工段中，控制粗合成氣中H₂、CO和CO₂三者的摩爾比例為：(H₂-CO₂)/(CO+CO₂)＝2.9～3.1，從而得到精制合成氣。

所述氣體凈化工序還包括硫回收工段，所述COS水解及常壓脫硫工段分離出的含硫液體和酸性氣體脫除工段分離出的含硫氣體送入所述硫回收工段生產(chǎn)副產(chǎn)品硫磺。

所述甲烷化工序中，所述精制合成氣通過(guò)甲烷化工段和天然氣提純工段得到滿足國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的合格天然氣產(chǎn)品。

為解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，發(fā)明人進(jìn)行了如下改進(jìn)：1)對(duì)氣化爐進(jìn)行改造，在氣化爐上部增設(shè)燃料氣燒嘴，通過(guò)在氣化爐上部通入燃料氣用于對(duì)垃圾氣化生成的粗合成氣進(jìn)行氣體重整。當(dāng)原料垃圾進(jìn)入氣化爐中部后，由于垃圾本身可能攜帶有二噁英以及氣化燃燒過(guò)程可能生成二噁英，都使得垃圾氣化生成的粗合成氣中會(huì)攜帶一定量的二噁英，同時(shí)，如果氣化反應(yīng)溫度控制得不好，在溫度較低的情況下，粗合成氣中也可能攜帶有焦油等大分子有機(jī)物，此時(shí)通過(guò)氣化爐上部的燃料氣燒嘴噴入了含有氣化劑的燃料(形成高溫火焰)，使粗合成氣能維持較高的溫度，保證出口粗合成氣溫度在1150～1250℃，能夠起到對(duì)粗合成氣進(jìn)行氣體重整的作用，同時(shí)控制粗合成氣在1150℃以上的高溫下停留時(shí)間大于2秒，使得粗合成氣中的焦油、二噁英、呋喃等大分子有機(jī)物在氣化爐內(nèi)徹底被分解破壞，最終生成以H₂和CO為主的粗合成氣；優(yōu)選控制所述燃料氣燒嘴與氣化爐垂直中軸線向下成45～90°夾角，角度過(guò)大或過(guò)小都可能使能量分布不均勻，或造成粗合成氣停留時(shí)間不充分，二噁英等有機(jī)物無(wú)法充分分解，或停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成不必要的能量浪費(fèi)；2)出氣化爐的粗合成氣需要進(jìn)行降溫，通過(guò)對(duì)二噁英的溫度—生成曲線進(jìn)行研究表明，當(dāng)氣體溫度在250～550℃時(shí)，二噁英會(huì)大量生成，在400℃左右達(dá)到頂峰，針對(duì)此問(wèn)題并出于節(jié)能環(huán)保的考慮，發(fā)明人對(duì)粗合成氣采用了兩步冷卻的技術(shù)手段，先對(duì)粗合成氣進(jìn)行除塵，再采用廢熱鍋爐，將1150℃以上的高溫粗合成氣回收熱能并降溫至550～600℃(該溫度高于前述的250～550℃二噁英快速生成溫度范圍，因此能有效避免二噁英再次生成)，然后再將粗合成氣快速激冷至80～90℃，迅速越過(guò)二噁英的快速生成溫度范圍，最后再通過(guò)洗滌塔洗滌脫除HCl、HF等鹵族元素，去除二噁英生成所需要的合成催化劑，可以進(jìn)一步防止二噁英的生成，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保、有效控制粗合成氣中有害物質(zhì)的目的。進(jìn)入氣體凈化工序前的粗合成氣中二噁英含量可降至低于0.005ng/Nm³(遠(yuǎn)小于目前國(guó)際國(guó)內(nèi)通用的二噁英含量0.1ng/Nm³控制標(biāo)準(zhǔn)，幾乎不含二噁英和呋喃)；3)針對(duì)垃圾氣化生成的粗合成氣可能含硫高的問(wèn)題，發(fā)明人采用兩步脫硫，先通過(guò)COS水解工段將粗合成氣中的有機(jī)硫水解成無(wú)機(jī)硫，再通過(guò)常壓脫硫技術(shù)脫除其中大部分H₂S(剩余部分硫含量可根據(jù)后續(xù)的耐硫變換需要來(lái)調(diào)整)，最后通過(guò)酸性氣體脫除工藝脫除剩余的硫，通過(guò)上述兩步脫硫的方法，可使粗合成氣的總硫含量降至10mg/Nm³以下；4)采用固定床氣化技術(shù)和相應(yīng)垃圾壓縮或螺旋進(jìn)料方式，在垃圾進(jìn)料上可減少對(duì)進(jìn)料垃圾粒度尺寸的限制，更易于實(shí)現(xiàn)不同尺寸垃圾的同時(shí)進(jìn)料，垃圾進(jìn)料粒度可接受5～500mm范圍內(nèi)的進(jìn)料尺寸。同時(shí)，固定床氣化爐內(nèi)從垃圾進(jìn)料處從上到下可分為干燥區(qū)、干餾區(qū)、氣化區(qū)和燃燒區(qū)，通過(guò)控制垃圾在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間和反應(yīng)溫度，配合氣化爐底部熔渣段的使用，可保證垃圾在氣化爐內(nèi)完全反應(yīng)。

有益效果：

1.本發(fā)明的方法采用垃圾氣化技術(shù)，氣化反應(yīng)溫度高，反應(yīng)生成的粗合成氣中二噁英和呋喃等大分子有機(jī)物分解破壞，同時(shí)高溫合成氣采用激冷的方式迅速降溫，同時(shí)通過(guò)堿洗脫除HCl、HF等鹵族元素，可有效防止二噁英再次生成，且氣化生成的合成氣最終合成了天然氣產(chǎn)品，無(wú)含二噁英廢氣排放；垃圾中的無(wú)機(jī)物和飛灰則通過(guò)高溫熔渣方式生成性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)害的玻璃體渣，且無(wú)飛灰排放，對(duì)環(huán)境友好；

2.本發(fā)明的方法原料垃圾中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)氣化后生成以CO和H2為主的合成氣，并進(jìn)一步通過(guò)甲烷化合成技術(shù)生產(chǎn)天然氣產(chǎn)品，而垃圾中的無(wú)機(jī)物通過(guò)高溫熔渣后激冷形成的無(wú)毒的玻璃體渣可用于制磚等進(jìn)一步綜合利用，從而最大限度地將垃圾進(jìn)行了資源化綜合利用，解決了傳統(tǒng)垃圾焚燒技術(shù)只能用于發(fā)電或供熱，資源化利用率低，且焚燒飛灰和爐渣還得進(jìn)一步處理以防止二次污染的問(wèn)題，可以真正做到垃圾處理無(wú)害化、減量化和資源化。

3.本發(fā)明的方法采用固定床氣化爐，對(duì)進(jìn)料垃圾的粒度要求寬，使得處理的垃圾適應(yīng)性更廣，既可以處理工業(yè)垃圾，如高爐渣、有色金屬渣、粉煤灰等一般工業(yè)垃圾和工業(yè)污泥、制藥廠殘?jiān)?、農(nóng)藥等危險(xiǎn)固體廢物)，也可以處理城市垃圾，如廚余、紙張、塑料、織物、輪胎、廢舊家電、竹木和綠化廢棄物等；

4.本發(fā)明的方法在氣化爐的上部和底部均設(shè)置了燃料氣燒嘴用于輔助氣化和熔渣，使氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度流場(chǎng)分布更加均勻，使氣化反應(yīng)更加完全，更加有效地提高了氣化反應(yīng)效率和熱效率。通過(guò)兩步降溫方法回收粗合成氣中的余熱、能量回收利用率高，整體熱效率高，可達(dá)80％以上；

5.本發(fā)明的方法工藝流程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)安全可靠、資源化效果好、能效高、對(duì)環(huán)境友好、推廣應(yīng)用前景好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1—?dú)饣癄t，1.1—頂部粗合成氣出口、1.2—燃料氣燒嘴、1.3—原料垃圾進(jìn)口、1.4—?dú)饣瘎┙涌凇?.5—燃料氣燒嘴、1.6—飛灰返料進(jìn)口、1.7—熔渣出口，2—熔渣激冷罐。

圖2為本發(fā)明工藝流程圖。

圖3為燃料氣燒嘴1.2的安裝示意圖。

圖4為燃料氣燒嘴1.5的安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋說(shuō)明：

參照?qǐng)D2，

以工業(yè)或城市垃圾為原料，經(jīng)垃圾氣化工序、氣體凈化工序和甲烷化工序得到合成天然氣，具體包括以下步驟：

所述垃圾氣化工序包括垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段、粗合成氣除塵及熱回收工段、粗合成氣激冷及洗滌工段和高溫熔渣激冷及除渣工段；其中，在垃圾進(jìn)料及高溫氣化工段中，原料垃圾(如工業(yè)污泥、制藥廠殘?jiān)裙I(yè)垃圾，或廚余、紙張、塑料等城市垃圾)經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)(進(jìn)料粒徑在5～500mm)先送入氣化爐進(jìn)行高溫氣化得到粗合成氣及高溫熔渣，在粗合成氣除塵及熱回收工段中，所述粗合成經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器脫除粉塵和飛灰后，再進(jìn)入熱回收系統(tǒng)進(jìn)行熱量回收后降溫至550～600℃，同時(shí)分離出的粉塵和飛灰通過(guò)氣化爐底部的飛灰返料進(jìn)口返回至氣化爐1底部進(jìn)行熔渣處理。在粗合成氣激冷及洗滌工段中，所述粗合氣繼續(xù)被激冷水迅速激冷至80～90℃，激冷后的合成氣經(jīng)洗滌塔進(jìn)一步洗滌除塵、脫酸并降溫至35～40℃后送入氣體凈化工序，在高溫熔渣激冷及除渣工段，所述高溫熔渣經(jīng)激冷和除渣后得到玻璃體渣；所述氣化爐為固定床氣化爐，控制氣化爐1內(nèi)反應(yīng)溫度在1100～2000℃，所述氣化爐1上部環(huán)形對(duì)稱設(shè)置有2～6個(gè)燃料氣燒嘴1.2，參見(jiàn)圖3，所述燃料氣燒嘴1.2與氣化爐1垂直中軸線向下成45～90°夾角a，并向氣化爐內(nèi)噴入含有氣化劑的燃料，控制氣化爐出口粗合成氣溫度在1150～1250℃，所述氣化爐1底部環(huán)形對(duì)稱設(shè)置有2～6個(gè)燃料氣燒嘴1.5，參見(jiàn)圖4，所述燃料氣燒嘴1.5與氣化爐1垂直中軸線向上成45～90°夾角b，控制氣化爐底部的高溫溶渣溫度在1300～2000℃。

所述氣體凈化工序包括COS水解及常壓脫硫工段、引風(fēng)機(jī)+氣柜存儲(chǔ)工段、合成氣壓縮工段、CO變換工段、酸性氣體脫除工段和硫回收工段，其中，在COS水解及常壓脫硫工段中，所述粗合成氣先通過(guò)COS水解將粗合成氣中的有機(jī)硫水解成無(wú)機(jī)硫，再通過(guò)常壓脫硫脫除其中大部分H₂S；在引風(fēng)機(jī)+氣柜存儲(chǔ)工段中經(jīng)過(guò)脫硫后的粗合成氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)抽引進(jìn)入低壓氣柜進(jìn)行儲(chǔ)存和緩沖，在合成氣壓縮工段中，通過(guò)合成氣壓縮機(jī)將粗合成氣壓縮至1.0～4.0MPa，再經(jīng)CO變換工段進(jìn)行CO變換和酸性氣體脫除工段脫除酸性氣體后得到精制合成氣送入甲烷化工序。所述CO變換工段中，控制粗合成氣中CO和H₂的摩爾比例為：H₂/CO＝3.0-3.1。所述酸性氣體脫除工段中，粗合成氣中H₂、CO和CO₂三者的摩爾比例為：(H₂-CO₂)/(CO+CO₂)＝2.9～3.1，從而得到精制合成氣。所述COS水解及常壓脫硫工段脫除含硫液體和酸性氣體脫除工段中脫除的含硫氣體可經(jīng)硫回收工段回收副產(chǎn)品硫磺。

所述甲烷化工序中，所述精制合成氣通過(guò)甲烷化工段和天然氣提純工段得到滿足國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求(GB17820-2012)的合格天然氣產(chǎn)品(即產(chǎn)品天然氣)。

本發(fā)明中，氣化爐1結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1，所述氣化爐1頂部設(shè)有粗合成氣出口1.1，上部環(huán)形對(duì)稱設(shè)有2-6個(gè)燃料氣燒嘴1.2，所述燃料氣燒嘴1.2與氣化爐垂直中軸線向下成45～90°夾角a；中下部設(shè)有原料垃圾進(jìn)口1.3，下部設(shè)有氣化劑接口1.4，底部環(huán)形對(duì)稱設(shè)有2-6個(gè)燃料氣燒嘴1.5，所述燃料氣燒嘴1.5與氣化爐垂直中軸線向下成45～90°夾角b；在底部和下部之間設(shè)有飛灰返料進(jìn)口1.6，燃料氣燒嘴1.5下方設(shè)有與熔渣激冷罐2連接的熔渣出口1.7。

在氣化爐中，原料垃圾通過(guò)垃圾壓縮進(jìn)料系統(tǒng)由垃圾氣化爐1中下部的原料垃圾進(jìn)口1.3送入至氣化爐1中(進(jìn)料粒徑在5～500mm)，并在氣化劑接口1.4噴入的氧氣的存在下發(fā)生氣化反應(yīng)，控制氣化反應(yīng)溫度在1100～2000℃，其中，垃圾中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)氣化反應(yīng)后生成以CO和H₂為主的粗合成氣，粗合成氣上升至垃圾氣化爐1上部，被上部對(duì)稱設(shè)置的2～6個(gè)燃料氣燒嘴1.2噴出的火焰進(jìn)一步發(fā)生燃燒和氣化反應(yīng)，對(duì)生成的粗合成氣進(jìn)行重整，并控制和保證粗合成氣從氣化爐1頂部粗合成氣出口1.1引出時(shí)的溫度在1150～1250℃，粗合成氣在氣化爐1內(nèi)的停留時(shí)間≥2s，使出口粗合成氣中二噁英等大分子有機(jī)物完全分解；未能發(fā)生氣化反應(yīng)的無(wú)機(jī)物則落入到氣化爐1底部，和通過(guò)飛灰返料進(jìn)口1.6返回的飛灰一起被氣化爐1底部對(duì)稱設(shè)置的2～6個(gè)燃料氣燒嘴1.5噴出的火焰進(jìn)行熔渣反應(yīng)，控制氣化爐1底部的高溫溶渣溫度在1300～2000℃，保證無(wú)機(jī)物灰渣形成液態(tài)熔渣，并通過(guò)氣化爐最底部的熔渣出口1.7流出，進(jìn)入到與氣化爐底部相連的熔渣激冷罐2進(jìn)行熔渣激冷，從而形成玻璃體渣排出界外。

通過(guò)本發(fā)明工藝在對(duì)有害垃圾進(jìn)行無(wú)害化和減量化處理的同時(shí)，可最大限度地將垃圾進(jìn)行資源化利用，具有工藝流程簡(jiǎn)單可靠，原料垃圾適應(yīng)性廣、工藝過(guò)程能量利用率高，資源化效果好，節(jié)能環(huán)保、推廣應(yīng)用前景好等優(yōu)點(diǎn)。