CN101617170A - 批量废物气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废物的调节两阶段热氧化及使用这种工艺以产生能量的应用。提供了一种系统和一种方法，其包括一种由一个或多个气化腔室组成的结构，所述气化腔室经由管道系统连接到用于燃烧废料的燃烧腔室。将废物装填到气化腔室并在那里点燃，并且使得由气化腔室中亚化学计量燃烧产生的气体在次级燃烧腔室中以很高的温度完全燃烧。焚烧期所用的时间被减少并且由本发明的系统的若干空气和气体流系数进行控制。

Description

批量废物气化工艺

技术领域

本发明涉及一种废物的调节两阶段热氧化和使用这种工艺以产生能量的应用。

背景技术

本领域内众所周知的是，使用两阶段燃烧工艺在亚化学计量的条件下燃烧可燃废料。在这种工艺中，在第一腔室中进行焚烧，从而产生可燃气体和灰烬，其中，该气体进一步与空气混合，并且在第二腔室中在超化学计量的条件下燃烧。

US5941184公开了一种用于固体可燃废物的受控热氧化工艺，该工艺包括第一燃烧阶段，其中，废物在从顶部到底部的向下的方向上燃烧。燃烧阶段中的焚烧由预定体积的固定空气流和预定更小体积的可调空气流进行支撑，该固定空气流从废物底部通到顶部，该可调空气流在废物上通过并且穿过燃烧火焰。该工艺的第二燃烧阶段包括来自第一阶段产物的燃烧，通过使这些产物在亚化学计量的条件下短时间内经受高温条件来燃烧这些产物。

发明内容

给废料的氧化提供了一种系统和一种方法。一种由一个或多个气化腔室组成的结构用于燃烧废料，所述气化腔室经由管道系统连接到燃烧腔室。将废物装填到气化腔室并在那点燃，并且使得由气化腔室中亚化学计量燃烧产生的气体在次级燃烧腔室中以很高的温度完全燃烧。

在第一方面，本发明涉及一种用于废料热氧化的工艺。首先，在第一腔室中进行焚烧步骤，在第一腔室中，通过提供来自该腔室底部的第一股空气流来焚烧废物，在该腔室中，空气流从腔室底部进入，并且导向废物的下面和穿过废物。然后，从第一腔室的顶部提供第二股空气流。此后，在第二腔室中进行燃烧步骤，在第二腔室中，使来自第一腔室中焚烧步骤的产物(气体)经受高温，并且给第二腔室提供空气流。

在本发明的第二方面，提供一种用于废物热氧化的方法，该方法包括如下步骤：

-通过提供第一股空气流在第一腔室中焚烧废物，该第一股空气流穿过腔室底部的入口进来并从下面引导且穿过废物，并且从第一腔室的顶部提供第二股空气流，以及

-使来自第一腔室的气体在第二腔室中经受预定最小时间段的高温，并且给第二腔室提供另外的空气流。

新的和改进的系统和方法的特征在于焚烧步骤的控制。首先，以预定的时间段实施第二腔室中的燃烧步骤。该预定的时间段在一个实施例中是最小的时间段。其次，按如下方式改动来自第一腔室顶部与底部入口的空气流之间的比率，即当腔室中的温度下降时，使来自腔室底部的空气流增大，并且当温度上升时，分别使来自腔室底部的空气流减小，并使来自腔室顶部的空气流增大。此外，该系统和方法的特征还在于，从第一腔室流到第二腔室内的气体体积调节流到第二腔室内的另外的空气流，从而利于在第二腔室内高温燃烧。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于废物热氧化的设备。该设备包括用于焚烧废物的第一腔室，该第一腔室进一步包括位于所述第一腔室底部的第一空气入口和位于所述第一腔室顶部的第二空气入口。第一腔室还具有一个或多个用于将空气输送到第一腔室顶部和底部的空气入口的装置、用于监测第一腔室内温度的温度计、以及一个或多个用于点燃焚烧相的燃烧器。该设备进一步包括用于燃烧来自第一腔室的气体的第二腔室，该第二腔室具有用于来自第一腔室的气体的气体入口、次级空气入口、第二燃烧器、和用于排出来自气体燃烧后形成的气体的出口。第一和第二腔室通过管道连接，该管道进一步包括阀，以控制第一与第二腔室之间的气体流量。工业计算机被设置用于调节输送到第一和第二腔室中的空气流量以及调节第二腔室中燃烧步骤的时间段。在本发明的实施例中，该设备的第一腔室是气化腔室，并且第二腔室是燃烧腔室。在另一实施例中，经由管道将两个或更多个气化腔室连接到燃烧腔室。又一实施例涉及将来自燃烧腔室的热量用于加热其他介质、如水，例如用于对房屋供暖。于是，将热交换器连接到燃烧腔室。

在本发明的一个实施例中，从第二腔室排出的气体/空气流量决定来自第一腔室中底部入口的空气流的速度。这意味着，如果穿过第一腔室底部的空气流的空气流量增大，则来自第二腔室的空气/气体流动速度就减小。反之，如果穿过第一腔室底部的空气流的空气流量通过减小，则来自第二腔室的空气/气体流动速度则增大。本发明的系统的所有管理通过控制计算机、如工业计算机进行控制。计算机接收输入信号，如从第一腔室到第二腔室的气体流量和来自第二腔室的气体流量、以及腔室中的温度。控制计算机手动或通过预定程序调节通向两个腔室的空气入口以及燃烧器和阀。如果将该系统和方法设置成与能量回收系统一起工作，则工业计算机也调节不同气化腔室中的点火，以维持来自燃烧腔室的热气体恒定的流量。

具体实施方式

以下实施例公开了具有一个或多个气化腔室的系统，该气化腔室经由管道系统连接到次级燃烧腔室。将废料装填到气化腔室内并点燃。通过气化腔室中亚化学计量燃烧产生的气体在燃烧腔室中完全燃烧。热气体流能够用于几种类型的能量回收系统。

本发明的系统

图1中以表示系统具体部件的附图标记示意性示出系统的部件。

第一腔室(1)配备有两个可变空气流动入口/源，用于将空气引入进行处理，该第一腔室是气化腔室。第一入口(2)(通过下端空气风扇)在废物下吹送空气，并且第二入口(3)(通过上端空气风扇)在废物上吹送空气。第一腔室进一步包括温度计(4)，用于监控腔室内的温度或从腔室流出的气体的温度。第一腔室还配备有一个或多个燃烧器(5)。每个气化腔室配备有将所述腔室连接到第二腔室的管道(6)，该第二腔室是燃烧腔室。管道具有阀(7)，用于关闭气化腔室与燃烧腔室之间连接的管道系统。第二腔室(8)进一步配备有可变燃烧空气入口/源(9)，以在气化气体进入侧上进行均匀分配。该次级燃烧腔室还配备有一个或多个辅助燃料燃烧器(10)。该系统由工业计算机控制，该工业计算机连接到该装置的温度计和空气入口。

本发明的系统的运行

用于本发明系统的装填方法取决于系统容量，也取决于第一腔室的尺寸。装填系统能够从前端装填机或伸缩机械手中选择，从而进行人工装填或输送机装填。在将废物装填到第一腔室内之后，将第一腔室关闭并且紧密密封。

将废料装填到第一腔室(气化腔室)内，并且将来自辅助燃烧器的火焰点燃，以运行一短时间段。燃烧器一直运行，直到第一腔室内的温度达到燃烧器上温度设置点。一旦达到该温度，初级腔室内的燃烧器自动关闭。仪器通过控制通向燃烧床的空气流来监测和控制腔室温度。在大多数情况下，初级腔室内的燃烧器对每一批料运行少于15分钟，并且因此具有很低的燃料消耗量。

通过控制器测量并改变第一和第二空气入口的体积空气流量。第一腔室内的温度计探测该腔室内的温度，并且将温度报送到控制计算机。每次运行根据预定程序来执行，该程序限定了用于处理的每个步骤的时间。如果第一腔室内的温度下降到期望限值以下，则来自下端入口的空气流增大。如果第一腔室内的温度上升到期望限值以上，则来自上端入口的空气流增大。当上端入口中的空气流增大时，来自下端入口的空气流相应地减小，反之亦然。这意味着如果最大(100％)量的空气从下端入口泵送到腔室内，则没有空气从上端入口泵入。如果最大80％从上端入口泵送到腔室内，则最大20％的空气从下端入口泵入。

第二腔室(燃烧腔室)内的燃烧器用于预热该腔室，并且维持可设置的最小温度。燃烧器的控制特征在低温设置点时启动燃烧器，并且在高温设置点时停止燃烧器。根据单个温度设置点来控制通向燃烧腔室的次级燃烧空气入口，目的是均匀维持设置温度。当次级腔室内的温度上升到设置点以上时，控制器使次级燃烧空气流增大，反之亦然。将次级空气流的流量指示给控制器。该值用于在气化腔室的某些运行阶段中控制下端空气流。次级燃烧空气流的控制具有最小流量设置，该最小流量设置能够如下面那样确定一个或多个腔室是否处在点火或气化模式中。

燃烧腔室中处理的运行基于若干部件和标准。预设用于燃烧气化腔室中产生的所有气体和化学物质的温度，例如预设为890℃。从气化腔室进入的燃烧气体与来自次级燃烧空气入口的空气流之间的关系以及离开燃烧腔室的气体体积调节燃烧腔室内的运行。当一定体积的气体从气化腔室引入燃烧腔室中时，需要穿过次级燃烧空气入口的预定体积的空气流来维持燃烧腔室内的气体燃烧。必须高度调节引入气体与空气流之间的这种关系，使得燃烧腔室内的温度维持在期望/预定的温度。气体在燃烧腔室中燃烧后离开燃烧腔室的气体体积确定多少空气通过次级燃烧空气入口引入腔室。

本发明的系统的控制

该气化腔室中的处理通过控制计算机根据预定模式来控制。根据任何给定时间处理所处模式通过不同方法来控制气化腔室的下端空气入口和上端空气入口以及燃烧器的空气流量。下端空气入口由PID(比例、积分和微分)控制来控制，该PID控制具有用于每种运行模式的不同控制值。处理被分成点火模式、气化模式、过量空气模式、冷却模式和关闭模式。

点火模式控制

-在点火模式期间，燃烧器根据启动用的低温设置点和停止用的高温设置点来运行。

-在该模式期间不使用上端空气入口。

-为了控制下端空气源，设置用于次级燃烧空气源体积流量的目标值。下端空气源的体积流量可变并且根据次级燃烧空气源体积流量的指示进行控制。如果次级燃烧体积空气流处于目标值以下，则下端空气体积流量增大，以增大气化率且因此增大次级空气体积流量，反之亦然。

-在点火模式期间，用于下端空气体积流量的可设置最大流量在起作用。

-点火模式在从点火开始计算的可设置时长内起作用。在该时间经过之后，腔室转入气化模式。

气化模式控制

-在气化模式期间，燃烧器根据启动用的低温设置点和停止用的高温设置点来运行。

-在该模式期间不使用上端空气入口。

-为了控制下端空气源，设置用于次级燃烧空气源体积流量的目标值。下端空气源的体积流量可变并且根据次级燃烧空气源体积流量的指示进行控制。如果次级燃烧体积空气流处于目标值以下，则下端空气体积流量增大，以增大气化率且因此增大次级空气体积流量，反之亦然。

-当来自气化腔室的排出气体达到可设置温度时，腔室转入下一个模式。

过量空气模式控制

-在过量空气模式期间，燃烧器不运行。

-在该模式期间，下端空气的体积流量根据来自气化腔室的气体的排出温度进行控制。排出温度的目标值是可设置的。当排出气体的温度上升到设置点以上时，下端空气体积流量下降，反之亦然。

-上端空气体积流量直接根据下端空气流量以相反的关系进行控制。换句话说，当下端空气流最大时，上端空气流最小，反之亦然。这些最大和最小空气流(风扇速度)对于下端空气和上端空气来说是可设置的。最小和最大之间的跨度在控制系统是如下比例，使得当下端空气在最大设置值时，上端空气回到最小设置值，并且因此，当下端空气在其最小与最大设置之间的中间值时，上端空气回到上端空气设置的最小与最大之间的中间值。例如，下端空气风扇的最小速度可能设置为20Hz的最小速度，并且其最大速度设置为60Hz的最大速度，同时，上端空气风扇的速度可能设置为0Hz的最小速度和60Hz的最大速度。当控制器使下端空气运行到最小(20Hz)，以减小来自气化腔室的气体的温度时，上端空气风扇则以60Hz(其最大值)运行。如果下端空气流通过运行最小与最大值之间的中间值、即40Hz将来自气化腔室的气体流的温度维持在其设置值，控制系统回到上端空气风扇的最小与最大设置之间的中间值、即30Hz，则使用相同的最小/最大设置。

-当来自气化腔室的排出气体达到可设置温度时，腔室转入下一个模式。

冷却模式控制

-在冷却模式期间，燃烧器不运行。

-在该模式期间，以固定的可设置值控制下端空气的体积流量。

-在该模式期间，以固定的可设置值控制上端空气的体积流量。

-当来自气化腔室的排出气体达到可设置温度时，腔室转入下一个模式。

关闭模式控制

-在该模式期间，关闭第一腔室中的所有空气源和燃烧器。

-当气化腔室处在除关闭模式外地任何其他模式中时，装料门和排料门联锁关闭。

系统能够处理各种特性即各种发热值、含水量、密度和化学成分的废物。如果废物的全部发热值低，则对每批来说气化处理的速度更快，即处理特定批料将花费更少的时间。处理较高的发热值批料花费较长的时间。

倘若设置温度不高于1200℃，则只要一个或多个气化腔室处于气化模式中，辅助燃料就不必维持次级燃烧温度。

通过气化腔室中底部入口的下端空气流的控制

在点火和气化模式期间，下端空气源体积空气流通过控制计算机而变化。这根据次级燃烧腔室之外的体积流完成。也就是说，热气体的体积流量的目标值用作下端空气源控制的控制信号。当来自次级燃烧腔室的体积流量减小到目标值以下时，气化腔室中下端空气源的体积流量增大，反之亦然。

作为示例，以下概述控制该步骤的三种不同方式，本发明不限于这三种不同方式。

控制该步骤的一种方式是，来自回收锅炉的热气体流能够由流量测量装置进行测量，该流量测量装置产生用于控制计算机的模拟信号。于是，该信号用于控制来自下端空气源的空气流。

另一种方式是，当来自次级燃烧腔室的热气体流与来自次级腔室空气风扇的空气流成比例时，使用来自次级燃烧腔室的热气体流。因此，风扇速度能够用作控制计算机的模拟信号，该控制计算机用于控制下端空气源。

控制来自下端空气源的空气流的第三种方式需要批料气化系统配备有能量回收和排放控制设备，并且还需要配备有抽风风扇。该风扇的速度由控制计算机来控制，以在整个系统上维持平均负压。该风扇的速度与来自次级燃烧腔室的体积流量成比例。因此，风扇速度能够用作控制计算机用的模拟信号。

只要至少一个气化腔室处于气化模式中，通过控制来自次级燃烧腔室的热气体的体积流量，能够根据需要而改变能量回收设备中的能量产生。

能量回收系统

在本发明的实施例中，热气体流用于产生能量。当能够通过前面描述的方法控制气化率时，均匀地控制来自次级燃烧腔室的热气体流。热气体的均匀流量能够使诸如用于涡轮或其他应用的蒸汽产物的能量更均匀回收。

与运行方法无关，次级燃烧腔室总是以每一个前面描述相同的方式运行。能够根据连接到次级燃烧腔室的气化腔室的数量选择四种不同的运行方法。

单个腔室运行

单个腔室运行是独立于其他第一腔室的一个第一腔室的运行，这些腔室可连接到相同的次级燃烧腔室。气化腔室根据以上描述运行。

两个腔室运行

两个腔室运行方法是同时运行的两个气化腔室，目的是两个腔室同时完成其处理。在该类型运行期间，除了当控制器要求减小来自腔室的气化率时，一个具有更高排出气体温度的腔室上的下端空气流减小其下端空气流体积流量的情况之外，腔室根据以上描述运行。当控制器要求增大气化率时，具有较低排出气体温度的腔室的下端空气流增大。

多个腔室运行

多个腔室运行是多个气化腔室的运行，多个气化腔室中所有均以相同的目标值运行。当控制器要求减小气化率时，对于所有处于点火或气化模式中第一腔室减小下端空气体积流量，反之亦然。

顺序腔室运行

顺序腔室运行是在一个气化腔室运行之后运行另一个气化腔室，以便在一段时间内尽可能均匀维持运行，例如用于废物处理厂的连续运行。通过这种运行方法，当前面的一个气化腔室转入过量空气模式时，下一个气化腔室转入点火模式。每个腔室根据每个腔室所处的模式独立控制燃烧器和风扇。

当所有气化腔室转入冷却模式或关闭模式时，次级燃烧腔室中的燃烧器和空气源自动关闭。只要一个或多个气化腔室处于点火、气化或焚烧模式，次级燃烧腔室中的燃烧器和空气源就根据以上描述来控制。

典型气化循环的示例

为了在任何气化腔室中开始点火，次级燃烧腔室需要高达850℃(用于非卤化的废物，或对卤化废物可选1100℃)的最小运行温度。假设该系统从寒冷条件下启动，次级燃烧腔室在装填第一气化腔室时将进行预热。

当已经装填好气化腔室时，操作员按压用于该腔室中气化/燃烧循环的启动按钮。当预热温度与次级燃烧腔室相符合时，控制器打开气化腔室与次级燃烧腔室之间管道中的阀。当阀完全打开时，点火燃烧器启动。该燃烧器直到腔室之间管道中流动的气体温度达到200℃都在起作用。在这完成之后，气化腔室中的气化自行维持。根据废物混合物，点火模式可设置一段时间，但不限于15-60分钟。在关闭该燃烧器之后，管道中流动的气体的温度可即刻低于大约150℃，这不影响气化继续自行维持的实际情况。当气化腔室中的批料进行气化时，下端空气风扇的速度逐渐增大。从气化腔室到次级燃烧腔室的气体的温度也逐渐增大，一直达到850℃。这时，下端空气风扇以通常在50-60Hz之间的高速运行。当达到850℃的温度时，控制计算机将程序从气化模式变化成过量空气模式。由此，上端空气风扇最初以低速启动。如果例如当控制器改变模式时下端空气风扇处于50Hz，则上端空气风扇的速度以10Hz启动。当处理达到该阶段时，气化腔室中的处理从气化变化成过量空气燃烧。减小下端空气风扇的速度，而增大上端空气风扇的速度，以维持850℃的温度。上端空气风扇通常短时间内就达到最大速度，而下端空气风扇在同样的时间段内停止。在30-60分钟的时间段之后，下端空气风扇的速度增大，以更快促进能量从剩余废物中释放，并且同时减小上端空气风扇的速度。这时，在过量空气条件下进行气化腔室中的燃烧。在整个过量空气模式中维持腔室之间管道中气体的温度，该温度通过控制器恒定维持在850℃。这通过如上所述改变两个风扇的速度来控制。当废物的能量在燃烧中耗尽时，下端空气风扇达到最大，并且上端空气风扇达到最小。这时，腔室之间管道中气体的温度将逐渐下降。当气体温度下降到700℃时，控制器改变模式，并且腔室转入冷却模式。在该模式期间，下端空气风扇全速(60Hz)运行，并且上端空气风扇半速(30HZ)运行。风扇像这样运行，一直到气化腔室与次级燃烧腔室之间管道中流动的空气的温度下降到100℃。当达到该温度时，控制计算机将模式变化到关闭模式。然后，操作员能够打开腔室，并去除灰烬且再次装填。

Claims (18)

1.一种用于废物热氧化的工艺，包括如下步骤：

-第一腔室中的焚烧步骤，在该第一腔室中，通过提供来自所述第一腔室上的底部入口并穿过废物的第一股空气流来焚烧所述废物，并且，从所述第一腔室上的顶部入口提供第二股空气流，以及

-第二腔室中的燃烧步骤，使来自所述第一腔室的气体经受高温，并且将空气流提供给所述第二腔室，

其中，以预定的时间段来执行所述第二腔室中的燃烧步骤。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，独立地控制来自所述第一腔室的腔室的顶部和底部的空气流。

3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中，从所述第一腔室流入所述第二腔室中的气体体积调节流入所述第二腔室中的空气流。

4.根据权利要求3所述的工艺，其中，改变来自所述第一腔室的所述顶部入口与底部入口的空气流之间的比率，以使得当在所述腔室中温度下降并且来自所述顶部入口的空气流减小时，使来自所述底部入口的空气流增大。

5.根据权利要求3所述的工艺，其中，来自所述第一腔室的所述顶部入口与底部入口的空气流之间的比率成正比。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，从所述第二腔室排出的气体/空气流量决定流入所述第二腔室中的过量空气流的量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中，从所述第二腔室排出的气体/空气流量决定来自所述第一腔室中的所述底部入口的空气流的速度。

8.一种用于废物热氧化的方法，包括如下步骤：

-通过提供来自第一腔室的底部并穿过废物的第一股空气流而在第一腔室中焚烧所述废物，并且，从所述第一腔室的顶部提供第二股空气流，以及

-在第二腔室中使来自所述第一腔室的气体经受高温，并且将另外的空气流提供给所述第二腔室，

其中，以预定的时间段来执行所述第二腔室中的燃烧步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，独立地控制来自所述第一腔室的腔室的顶部和底部的空气流。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，从所述第一腔室流入所述第二腔室中的气体体积调节流入所述第二腔室中的空气流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，改变来自所述第一腔室的所述顶部入口与底部入口的空气流之间的比率，以使得当在所述腔室中温度下降并且来自所述顶部入口的空气流减小时，使来自所述底部入口的空气流增大。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，来自所述第一腔室的所述顶部入口与底部入口的空气流之间的比率成正比。

13.根据权利要求8-12所述的方法，其中，从所述第二腔室排出的气体/空气流量决定流入所述第二腔室中的过量空气流的量。

14.根据权利要求8-13所述的方法，其中，从所述第二腔室排出的气体/空气流量决定来自所述第一腔室中的所述底部入口的空气流的速度。

15.一种用于废物热氧化的设备，该设备包括：

-第一腔室，该第一腔室用于焚烧废物，所述第一腔室进一步包括：

○位于所述第一腔室的底部的第一空气入口，

○位于所述第一腔室的顶部的第二空气入口，

○一个或多个用于将空气输送到所述第一腔室的顶部和底部处的空气入口的装置，

○温度计，该温度计用于监测所述第一腔室中的温度，

○一个或多个燃烧器，

-第二腔室，该第二腔室用于燃烧来自所述第一腔室的气体，所述第二腔室进一步包括：

○用于来自所述第一腔室的气体的气体入口，

○次级空气入口，

○第二燃烧器，和

○用于处理由气体的燃烧产生的气体的出口，

-连接所述第一腔室与所述第二腔室的管道，该管道进一步包括阀，以控制所述第一腔室与所述第二腔室之间的气体流量，和

-工业计算机，

其中，工业计算机调节输送到所述第一腔室和所述第二腔室中的空气的流量以及调节所述第二腔室中的燃烧步骤的时间段。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第一腔室是气化腔室，并且所述第二腔室是燃烧腔室。

17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，经由管道将两个或更多个气化腔室连接到所述燃烧腔室。

18.根据权利要求15至17所述的设备，其中，热交换器连接到所述燃烧腔室。

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