一种垃圾气化制二甲醚的方法及系统
阅读说明：本技术 一种垃圾气化制二甲醚的方法及系统 (Method and system for preparing dimethyl ether by garbage gasification ) 是由 郑磊 史彬 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种垃圾气化制二甲醚的方法,其包括垃圾气化、CaO重生、合成二甲醚和二甲醚吸收的步骤；其中,二甲醚合成中未反应合成气作为燃料燃烧为氧化钙重生提供能量,重生的氧化钙回收至垃圾气化步骤作为捕气剂,不仅提高了合成反应的单程转化率,而且减少了补充燃料的消耗；还使得氧化钙得以重生,能够循环至垃圾气化步骤,进一步作为捕气剂,提高了氧化钙的利用率。本发明还提供了一种采用上述方法制得二甲醚的系统。(The invention relates to a method for preparing dimethyl ether by gasifying garbage, which comprises the steps of gasifying garbage, regenerating CaO, synthesizing dimethyl ether and absorbing the dimethyl ether; wherein, the unreacted synthesis gas in the dimethyl ether synthesis is used as fuel to burn to provide energy for the regeneration of calcium oxide, and the regenerated calcium oxide is recycled to the garbage gasification step to be used as a gas catching agent, thereby not only improving the one-way conversion rate of the synthesis reaction, but also reducing the consumption of supplementary fuel; and the calcium oxide is regenerated and can be recycled to the step of garbage gasification to be further used as an air catching agent, so that the utilization rate of the calcium oxide is improved. The invention also provides a system for preparing dimethyl ether by adopting the method.)
技术领域
本发明涉及垃圾处理的工艺及设备技术领域，尤其涉及一种垃圾气化制二甲醚的方法及系统。
背景技术
城市生活垃圾的处理方式包括填埋、焚烧、堆肥、气化等，其中填埋、焚烧和堆肥技术是我国城市垃圾处理的主要方式。填埋技术虽然操作简单，建设和运行费用较低，但垃圾渗出液会污染地下水和土壤，垃圾堆放产生的臭气会影响场地周边的空气质量，并且垃圾发酵产生的甲烷气体不仅是火灾及爆炸隐患，排放到大气中也会产生温室效应。堆肥技术工艺简单，但无法处理不可腐烂的有机物和无机物，其减容、减量及无害化程度低。焚烧技术减容效果明显，且在焚烧的高温条件下，垃圾中的细菌、病毒能被彻底消灭，但垃圾焚烧产生的烟气和灰渣中会富集二噁英和重金属等重污染物，如不妥善处理，不仅会对环境造成污染，也会影响人体健康。
针对以上问题，本发明提出了一种以城市生活垃圾为原料，耦合钙基化学链气化制二甲醚的方法，可克服现有垃圾处理技术对环境污染以及减容减量的方面的不足，并且制得了二甲醚，实现了城市垃圾的高价值化再利用。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种垃圾气化制二甲醚的方法及系统，用以解决城市垃圾高价值回收利用的问题。
本发明提供一种垃圾气化制二甲醚的方法，包括以下步骤：
垃圾气化：垃圾经过预处理后进行气化，以氧气作为气化剂、CaO为捕气剂；
CaO重生：气化产物经分离，得到粗合成气和CaCO3，将CaCO3煅烧生成CaO与CO2，将CaO与CO2分离后，将CaO循环至步骤(1)中作为捕气剂；
合成二甲醚：粗合成气经降温、除硫得到净化合成气，净化合成气经压缩至压强为3～7MPa后，于220～260℃下进行合成反应；
二甲醚吸收：合成产物经闪蒸，闪蒸气体产物经吸收处理后，吸收尾气燃烧，为步骤S2中的煅烧供热，吸收其他产物与闪蒸产物混合得到二甲醚产品。
具体的，垃圾气化中，气化温度为700～930℃，CaO与经预处理后垃圾的质量比为0.5:1，气化过程中氧气与经预处理后垃圾的当量比为0.32:1。
具体的，将合成二甲醚步骤中，二甲醚合成中未反应合成气作为燃料燃烧为CaO重生步骤中的煅烧供热。
具体的，合成二甲醚步骤中，粗合成气降温至35℃。
具体的，合成二甲醚步骤中，合成反应温度控制在235℃。
具体的，二甲醚吸收步骤中，闪蒸温度为40℃，闪蒸压力为4MPa，吸收处理中使用的吸收剂与垃圾质量比为0.0732:1。
本发明还提供一种采用所述的方法制得二甲醚的系统，包括：依次连通的气化炉、煅烧炉、换热器、除硫装置、多重压缩机、合成反应器、闪蒸罐和吸收塔，以及连通于所述气化炉与所述煅烧炉之间的旋风分离器；
所述气化炉用于提供垃圾气化的场所，所述煅烧炉用于提供CaCO3煅烧的场所，所述旋风分离器用于垃圾气化产物及CaCO3煅烧后产物的分离，所述换热器用于对粗合成气进行降温，所述除硫装置用于除硫进化粗合成气，所述多重压缩机用于将合成二甲醚步骤的净化气压缩，所述合成反应器提供二甲醚合成的场所，所述闪蒸罐用于对二甲醚合成反应的产物进行闪蒸处理，所述吸收塔用于对闪蒸气体产物进行吸收处理。
进一步的，所述多重压缩机级数为5。
进一步的，所述换热器为列管式反应器，反应器内预置催化剂。
优选的，所述吸收塔的操作压力4MPa，全塔压降0.2MPa，塔板数不低于20。
有益效果：
(1)垃圾气化产生的污染物得到了有效捕集，对比现有垃圾处理方式，在减量减容方面，本发明采用的垃圾气化方式都具有优势。
(2)将氧气作为气化剂，合成气中无氮气混入，可将系统中产生的高纯度CO2捕集，达到零碳排的目标。
(3)通过合成器一步法制二甲醚相对于传统的两步法，工艺简单，流程大大缩短，减少设备投资和占地面积，减少操作费用和维修费用。
(4)对比于传统合成气一步法制二甲醚工艺中将合成尾气部分循环至合成反应器中，本发明将合成气全部用于燃烧供热，不仅提高了合成反应的单程转化率，而且减少了补充燃料的消耗。
(5)通过钙基化学链和合成气制得二甲醚两个过程耦合，使得两个过程产生的物料和能量互为利用，构思新颖。
附图说明
图1是本发明的一种城市生活气化制二甲醚的流程示意图。
1-气化炉，2-旋风分离器，3-煅烧炉，4-燃烧炉，5-旋风分离器，6-常温水-合成气换热器，7-合成气净化装置，8-多重压缩机，9-二甲醚合成反应器，10-闪蒸罐，11-吸收塔，12-泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种垃圾气化制二甲醚的方法，包括以下步骤：
垃圾气化：垃圾经过预处理后进行气化，以氧气作为气化剂、CaO为捕气剂；
CaO重生：气化产物经分离，得到粗合成气和CaCO3，将CaCO3煅烧生成CaO与CO2，将CaO与CO2分离后，将CaO循环至步骤(1)中作为捕气剂；
合成二甲醚：粗合成气经降温、除硫得到净化合成气，净化合成气经压缩至压强为3～7MPa后，于220～260℃下进行合成反应；
二甲醚吸收：合成产物经闪蒸，闪蒸气体产物经吸收处理后，吸收尾气燃烧，为步骤S2中的煅烧供热，吸收其他产物与闪蒸产物混合得到二甲醚产品。
具体的，垃圾气化中，气化温度为70～930℃，CaO与经预处理后垃圾的质量比为0.5:1，气化过程中氧气与经预处理后垃圾的当量比为0.32:1。
具体的，将合成二甲醚步骤中，二甲醚合成中未反应合成气作为燃料燃烧为S2中的煅烧供热，不仅提高了合成反应的单程转化率，而且减少了补充燃料的消耗。
具体的，合成二甲醚步骤中，粗合成气降温至35℃。
具体的，合成二甲醚步骤中，合成反应温度控制在235℃。
具体的，二甲醚吸收步骤中，闪蒸温度为40℃，闪蒸压力为4MPa，吸收处理中使用的吸收剂与垃圾质量比为0.0732:1。
具体，垃圾气化主要是形成预热的原料气，通过高温气化炉，气化温度为700～930℃，优选为930℃，其中，CaO与生活垃圾(干燥、无灰)质量比为0.5:1，气化过程中氧气当量比为0.32:1。从气化炉出来的烟气具有较高的温度，可用以预热稀释空气、原料气和燃料其(如天然气)。本发明能够对垃圾气化产生的原料气中的污染物得到了有效捕集，对比现有垃圾处理方式，在减量减容方面，本发明采用的垃圾气化方式都具有优势。将氧气作为气化剂，合成气中无氮气混入，可将系统中产生的高纯度CO2捕集，达到零碳排的目标。
本发明制备二甲醚采用一步法。一步法合成二甲醚实质上在合成反应器内同时发生甲醇合成、甲醇脱水和水煤气交换反应，上述三个反应可以用一个化学反应方程式表示：3CO+3H2＝CH3OCH3+CO2。理论上采用氢碳比为1的合成其为原料为最佳，但是在实际仅有少数工艺可以实现。本发明上游步骤S2制得的合成气的氢碳比接近1，惰性气体含量较少，二氧化碳含量低至1％以下，所述的合成反应器采用列管式反应器，管长5米，管径3米，换热系数为24.412kJ/sec·sqm·K，管束数量根据实际生产规模而定，反应器内预置催化剂，催化剂选用双功能催化剂(将已工业化的甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂分别研磨至0.053mm粒径在以下，然后按不同配比机械混合为双功能催化剂)。现对于现有技术的区别为：反应其实能量来自上游合成气，在高压下新制的合成气温度仅为220～260℃，理由后续的闪蒸和吸收，便于对二甲醚纯化；而且反应温度低，无需对新制的合成其冷却，能耗低。此案有甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂，能够使得回流的甲醇和水大部分转变为DME、H2和CO2，反应物含水率低，便于后续的吸收处理。
另外，本发明还通过对初步气化产物进行分离，将得到的碳酸钙煅烧重生，而其煅烧的燃料来自于合成二甲醚合成步骤中的未合成气；不仅提高了合成反应的单程转化率，而且减少了补充燃料的消耗；还使得氧化钙得以重生，能够循环至垃圾气化步骤，进一步作为捕气剂，提高了氧化钙的利用率。
进一步的，本发明还提供一种采用所述的方法制得二甲醚的系统，包括：依次连通的气化炉、煅烧炉、换热器、除硫装置、多重压缩机、合成反应器、闪蒸罐和吸收塔，以及连通于气化炉与煅烧炉之间的旋风分离器；
所述气化炉用于提供垃圾气化的场所，煅烧炉用于提供CaCO3煅烧的场所，旋风分离器用于垃圾气化产物及CaCO3煅烧后产物的分离，换热器用于对粗合成气进行降温，除硫装置用于除硫进化粗合成气，多重压缩机用于将合成二甲醚步骤的净化气压缩，合成反应器提供二甲醚合成的场所，闪蒸罐用于对二甲醚合成反应的产物进行闪蒸处理，吸收塔用于对闪蒸气体产物进行吸收处理。
进一步的，多重压缩机级数为5。
优选的，吸收塔的操作压力4MPa，全塔压降0.2MPa，塔板数不低于20。
本发明提供的垃圾制得二甲醚的系统，工艺流程端，省去甲醇精馏塔和二甲醚精馏塔等重要设备，产品分离过程鉴定，避免了大量消耗水、乙醇等萃取剂；还可以使用廉价而丰富的填埋气作为能源，使得整个系统的耗电量减少约80％以上；该系统的热能利用率高，通过垃圾烟气与稀释空气、原料气和燃料气回收利用等措施，使得能量得以循环使用，排放烟气温度低，通过钙基化学链和合成气制得二甲醚两个过程耦合，使得两个过程产生的物料和能量互为利用，构思新颖。
实施例
现有某城市垃圾，工业元素分析如下表1所示：
垃圾进料量为22kg/s，氧气进料量为3.75kg/s，通入气化炉1中，同时气化炉中预置CaO，CaO进料量为3.17kg/s，气化温度为930℃，气化产物经旋风分离器分离得到出合成气和CaCO3，CaCO3通入煅烧炉3中进行煅烧反应，产物经旋风分离器5分离得到高纯度CO2和CaO，将CaO循环至气化炉1中，同时将高纯度CO2捕集。煅烧反应所需热量则由合成气尾气以及补充燃料混合燃烧提供，合成尾气流量为2.52kg/s，其组成为14.56％CO，44.56％CO2，35.67％H2，其余则为惰性气体，补充燃料(天然气)流量为0.22kg/s。气化产物组成如下：46.5％CO，1.25％CO2，52.03％H2，0.22％CH4，将合成气换热降温至35℃后通入净化装置7中，除去硫化物，得到纯净的合成气，将合成气通过多重压缩机8压缩至5MPa，然后通入合成反应器9中，反应器为固定床列管式反应器，管长5米，管径3米，管束70根，反应温度维持在235℃，换热系数为24.412kJ/sec·sqm·K，反应器中预置双功能催化剂，合成产物组成如下：H2O1.15％，N21.51％，CO7.48％，CO2 36.39％，H216.83％，CH4 0.52％，CH4O1.59％，二甲醚34.53％。合成产物通入闪蒸罐10中，闪蒸罐操作压力为4MPa，温度为40℃，闪蒸气体产物通入吸收塔11中，吸收塔操作压力4MPa，塔板数20块，选用水作吸收剂。最终吸收塔塔底产物与闪蒸罐底产物混合得到二甲醚粗产品，其质量流量为6.5kg/s，组成为N20.1％，CO0.64％，CO2 16.04％，CH4 0.24％，H2O 45.26％，CH4O 1.67％，二甲醚36.05％。粗产品经精馏后可得70％～99.9％的二甲醚产品。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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