发明内容
本发明的目的是把生活垃圾或生物质在气化炉内转化为高品质的富氢合成气,并消除二噁英污染问题,生产的富氢合成气作为后级生产甲醇或二甲醚的原料气应用,实现环境友好和资源节约地处置生活垃圾。本发明采取的措施是用等离子体喷枪协同垃圾生物质气化炉进行联产造气,使水或水蒸汽通过等离子体喷枪加热分解为氢和氧的活性化学物后喷入气化炉内,把气化炉内的垃圾炭或生物质炭作为吸氧和吸氢元件,及时吸收等离子体热解水产生的分解物,生成一氧化碳和氢气,避免水分解的氢、氧进行逆反应,同时,利用垃圾炭或生物质炭气化过程中的吸热来回收等离子体喷枪的余热,水分子的分解物与炭的放热反应为垃圾或生物质原料烘干和热解提供所需的热量,因而不需向气化炉内输入氧气,减少氧化反应的炭损耗和减少废气。本发明把生活垃圾或生物质转化为以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气,然后通过后级设备生产甲醇或二甲醚产品。
本发明的一种等离子体喷枪协同气化的垃圾生物质气化炉,其特征是气化炉由烘干仓(31)、气化炉膛(18)、二次气化室(20)和等离子体喷枪安装口组成,其中:烘干仓(31)为立式结构,烘干仓(31)的炉墙由耐火层b(36)、保温层b(35)和外壳b(34)构成,在耐火层b(36)中有环形分气室(32)、管腔(33)和环形集气室(38),环形分气室(32)在下部,环形集气室(38)在上部,管腔(33)把环形分气室(32)和环形集气室(38)进行连通,烘干仓(31)设置在气化炉膛(18)前部的上方且与气化炉膛(18)的进料口连通;气化炉膛(18)为卧式结构,气化炉膛(18)的炉墙包括耐火层a(7)、水套a(9)、保温层a(6)和外壳a(5),耐火层a(7)为气化炉膛(18)前部和中部的炉墙内衬,水套a(9)为气化炉膛(18)的后部分炉墙内衬,耐火层a(7)和水套a(9)的外层是保温层a(6),保温层a(6)的外层是外壳a(5),在气化炉膛(18)的前部有进料口,在气化炉膛(18)的后端有等离子体喷枪a(11)的安装口,在气化炉膛(18)的后部有朝下开出的排渣口(15),在气化炉膛(18)的中部有朝上开出的出气口,气化炉膛(18)的出气口通过混合气通道(21)连通到二次气化室(20);二次气化室(20)为三通结构,其直通的前端连通到环形分气室(32),其直通的后端有等离子体喷枪b(3)的安装口,其傍通为混合气输入口;环形集气室(38)有合成气出口(42)接出;排渣口(15)通过水封(16)连接到渣池;在气化炉膛(18)的前方设置螺旋推料器,螺旋推料器的螺旋推料头伸进气化炉膛(18)的前部。
上述气化炉中的二次气化室(20)由水套b(2)围护的内空间构成;或二次气化室(20)的炉墙由耐火内衬(55)、冷却层(54)、保温层和外壳构成,耐火内衬(55)在内层,耐火内衬(55)之外是冷却层(54),冷却层(54)之外是保温层,保温层之外是外壳。
为了使螺旋推料作用区的炉墙不易损坏,在气化炉膛(18)前部的耐火层内壁上有钢护套(24);在气化炉运行时,将有部分炭灰随气流进入环形分气室(32)和管腔(33)之中,为了使炭灰能返回气化炉膛继续完成气化,在环形分气室(32)的下部有回灰通道(23)连通到气化炉膛(18);为了更好地利用合成气余热来加热烘干入炉的原料,耐火层b(36)中的管腔(33)为多管腔方式,2路以上的管腔均匀分布在耐火层b(36)中。气化炉运行时,气化炉膛(18)的后端为等离子体喷枪a(11)的作用区域,温度最高,通过气体流动,使温度由后端向前端分布,气化炉膛(18)前部和中部的耐火层a(7)炉墙具有蓄热作用,可以使垃圾或生物质获得气化所需的热量,气化炉膛(18)后部分的水套a(9)具有降低炉墙表面温度的作用,防止结焦。
本发明的螺旋推料器由螺旋轴(25)、轴封(26)、轴箱(27)和减速箱(30)组成,其中:螺旋轴(25)的前部为螺旋推料头,后部为轴杆;螺旋轴(25)后部的轴杆穿过轴封(26)和轴箱(27),然后通过联轴器(28)连接到减速箱(30)的从动轴,减速箱(30)的主动轴由电机驱动;螺旋推料器的轴封(26)安装在气化炉膛(18)的前端,具体实施时,在轴封(26)的填料盒内加入石棉密封材料,防止炉内的合成气泄漏。
本发明在水套a(9)的高位有回水出口a(8)接出,在水套a(9)的低位有进水接口a(13)接入;在水套b(2)的高位有回水出口b(1)接出,在水套b(2)的低位有进水接口b(4)接入,在气化炉膛(18)的后部炉墙上有水蒸汽喷嘴(10)接入;在气化炉的外围设置余热锅炉(47),余热锅炉(47)上有回水进口(47-1)、循环出水口(47-6)和蒸汽出口;水套a(9)的回水出口a(8)和水套b(2)的回水出口b(1)并联后通过回水管(48)连接到余热锅炉(47)的回水进口(47-1),余热锅炉(47)的循环出水口(47-6)通过输水管(50)分别连接到水套a(9)的进水接口a(13)和水套b(2)的进水接口b(4),余热锅炉(47)的蒸汽出口通过蒸汽阀(47-4)和蒸汽管(49)连接到气化炉膛(18)的水蒸汽喷嘴(10)。气化炉运行时,水套a(9)、水套b(2)吸收了气化炉膛(18)和二次气化室(20)热量使水套内的水升温并部分汽化,汽水混合物在余热锅炉(47)中进行分离,分离出的水返回到水套a(9)和水套b(2)内进行循环利用,分离出的水蒸汽通过水蒸汽喷嘴(10)进入气化炉膛(18)的后部作为气化剂利用,使被水套a(9)和水套b(2)移去的热能返回到气化炉膛(18)内,不会有能量损失。
为了使气化炉内空间与外界隔离,本发明在烘干仓(31)的顶部设置进料器(39),进料器(39)包括料斗a(39-2)、料钟a(39-4)、料斗b(39-1)和料钟b(39-5),料斗a(39-2)连接在料斗b(39-1)的上方,料斗b(39-1)连接在烘干仓(31)的顶上,料钟a(39-4)为料斗a(39-2)的出料阀,料钟b(39-5)为料斗b(39-1)的出料阀,在气化炉运行进料时,通过轮流操作料钟a(39-4)、料钟b(39-5)开启和关闭,使炉内空间与外界隔离,而原料可以顺利进入烘干仓(31);当在烘干仓(31)的顶部设置进料器(39)时,为了避免烘干仓(31)内的水蒸汽进入到气化炉膛(18)内影响气化温度,需把烘干仓(31)内的水蒸汽傍路到合成气出口,因此,在烘干仓(31)顶部的一侧有水蒸汽出口(40)接出,在合成气出口(42)的管壁上有水蒸汽进口(43)接入,水蒸汽出口(40)通过S形连接管(41)连接到水蒸汽进口(43),S形连接管(41)具有气体隔离作用,当S形连接管(41)内充满水蒸汽时,其下部的弯管部分可以阻止比重小于水蒸汽的氢气进入烘干仓(31),其上部的弯管部分可以阻止比重大于水蒸汽的一氧化碳进入烘干仓(31),而烘干仓(31)内的水蒸汽则很容易进入合成气管道,傍路到合成气出口的水蒸汽起到使高温的合成气降温作用,然后在后级的一氧化碳变换器中作变换剂使用。
本发明的另一种等离子体喷枪协同气化的垃圾生物质气化炉,其特征是用原料输送管(44)替换上述的进料器(39),原料输送管(44)斜向朝上设置,然后下弯与烘干仓(31)顶部的进料接口(46)进行连接,原料输送管(44)的内腔构成气封区(45),在气化炉运行时,垃圾或生物质原料由螺旋进料器通过原料输送管(44)送入气化炉的烘干仓(31),控制烘干仓(31)内的操作温度为150℃左右、操作压力为常压或微正压,垃圾生物质原料在烘干仓(31)内受热逸出水蒸汽,水蒸汽充满烘干仓(31)顶部和原料输送管(44)内的空间,成为气化炉内与外界的隔离气体,富余的水蒸汽会从螺旋进料器上的料斗排出,然后在螺旋进料器料斗的上方收集水蒸汽和垃圾臭气进行处理后排放。当用原料输送管(44)替换进料器(39)时,取消烘干仓(31)顶部一侧的水蒸汽出口(40)接出,同时取消合成气出口(42)管壁上的水蒸汽进口(43)接入及取消S形连接管(41)。
本发明的又一种等离子体喷枪协同气化的垃圾生物质气化炉,其特征是用原料输送管(44)和气罐(51)替换上述的进料器(39),原料输送管(44)斜向朝上设置,气罐(51)设置在烘干仓(31)的顶部,进料接口(46)设置在气罐(51)与烘干仓(31)之间的一侧,原料输送管(44)连接到进料接口(46),原料输送管(44)的内腔构成气封区(45),气罐(51)的顶部有出气接口(51-1)接出,在合成气出口(42)连接有合成气输送管(53),气罐(51)的出气接口(51-1)从高位接入合成气输送管(53);在气化炉运行时,垃圾或生物质原料由螺旋进料器通过原料输送管(44)送入气化炉的烘干仓(31),控制烘干仓(31)内的操作温度为150~200℃、操作压力为常压或微正压,垃圾生物质原料在烘干仓(31)内受热逸出水蒸汽,同时有少量的氢气和甲烷产生,由于氢气和甲烷的比重小水蒸汽,将会上升进入气罐(51),然后通过连接管道进入合成气输送管(53);水蒸汽充满烘干仓(31)顶部和原料输送管(44)内的空间,成为气化炉内与外界的隔离气体,富余的水蒸汽会从螺旋进料器上的料斗排出,然后在螺旋进料器料斗的上方收集水蒸汽和垃圾臭气进行处理后排放。当用原料输送管(44)和气罐(51)替换进料器(39)时,取消烘干仓(31)顶部一侧的水蒸汽出口(40)接出,同时取消合成气出口(42)管壁上的水蒸汽进口(43)接入及取消S形连接管(41)。
上述的气化炉在运行时,垃圾或生物质原料从烘干仓(31)的顶部进入到气化炉内,在烘干仓(31)内进行烘干和预热,逸出水蒸汽,然后由螺旋推料器送入气化炉膛(18)内;在气化炉膛(18)内,原料由前端向后端运行,在气化炉膛(18)的中部进行热解,逸出以氢气、甲烷、一氧化碳和气态焦油的热解气,成为垃圾炭或生物质炭后进入到气化炉膛(18)后部的等离子体喷枪a(11)的作用区域,与等离子体喷枪a(11)喷出的水分子分解物进行化学反应完成气化,熔渣从排渣口(15)排入水封式渣池;把水或水蒸汽通过等离子体喷枪a(11)加热到4000℃以上,使水分子成为氢气、氢、氧气、氧、氢氧原子团和活性水分子,喷入气化炉膛(18)的后部作气化剂利用,与垃圾炭或生物质炭进行化学反应生成以一氧化碳和氢气为主要成分的合成气,气化炉膛(18)后部产生的合成气向中部运行,与热解气相互混合,混合气从通道(21)进入到二次气化室(20)内;在二次气化室(20)内,等离子体喷枪b(3)喷出的电弧使混合气中甲烷、气态焦油、炭粒进行裂解或与水蒸汽进行反应生成氢气和一氧化碳的合成气,同时,彻底瓦解致癌剧毒物二噁英;在二次气化室(20)内的高温合成气以切线方向进入烘干仓耐火炉墙中的环形分气室(32),再通过管腔(33)进入到环形集气室(38),然后由合成气出口(42)引出气化炉;在高温的合成气通过烘干仓耐火炉墙中的环形分气室(32)和管腔(33)时,把热量传递给了耐火层b(36),耐火层b(36)具有蓄热和辐射红外热能的作用,耐火层b(36)以辐射传热的方式,使烘干仓(31)内的垃圾生物质原料受热升温而烘干。
上述的运行过程中,等离子体喷枪a(11)喷入气化炉膛(18)的气化剂还兼作载热元件,携带等离子体喷枪a(11)产生的热量进入气化炉膛(18),为气化炉提供热量。具体实施时,控制气化炉膛(18)的温度在1000~1600℃之间、操作压力为常压或微正压,其中,气化炉膛(18)后端的温度为1300~1600℃,通过气体流动,使温度由后端向前端分布;控制二次气化室(20)的温度为1150~1200℃之间、操作压力为常压或微正压;控制烘干仓(31)的温度为150~200℃之间、操作压力为常压或微正压;控制合成气出口(42)处的压力为常压或微负压。
上述的运行过程中,在气化炉膛(18)后部等离子体喷枪a(11)的作用区域,水分子的分解物与固定炭进行化学反应的反应式如下:
4H*+C(s)=CH4+87.7kj
O*+C(s)=CO+251.7kj
2O*+C(s)=CO2+503.4kj
O2*+C(s)=CO2+503.4kj
2H2 *+C(s)=CH4+87.7kj
......
上述的反应式中,几乎全是放热反应。同时,气化炉膛(18)内还有CO2+C(s)=2CO-1772.2kj的还原反应、C(s)+H2O(g)=CO+H2-131.2kj的造气反应及原料的热解,这些都是吸热过程,上述放热反应所产生的热量提供给气化炉膛(13)的还原反应、造气反应和原料热解所需,因此,不需向气化炉内输入空气或氧气助燃就能使炉内的气化连续进行,并且反应点的温度达到5500℃以上,使得垃圾生物质炭非常容易完全气化,气化率几乎高达100%,气化炉内产生的废气量少,合成气的品质高,合成气中氢的分数比例高,非常有利后级生产。
当用生活垃圾作为气化原料时,从气化炉中引出的合成气需通过急冷装置快速把合成气降温到200℃以下,以抑制重新生成剧毒物二噁英,然后通过除尘和除酸净化处理,作为生产甲醇或二甲醚的原料气应用。具体实施时,回收合成气降温过程中释放的热量进行利用。
当用农林废弃物之类的生物质作为气化原料时,从气化炉中引出的合成气不需通过急冷工序,用常规余热锅炉回收热量使合成气降温至250℃以下时,再通过除尘处理后,作为生产甲醇或二甲醚的原料气应用。
本发明的有益效果是:采取等离子体喷枪协同垃圾生物质气化炉进行联产造气的措施,把生活垃圾或生物质转化为高品质的富氢合成气,并消除二噁英污染问题。与常规技术相比,本发明生产的合成气中废气比例少,氢分数比例高,使得生活垃圾转化的合成气能作为后级产品的原料气应用。在本发明设备的后级配套除尘、净化和合成装置组成“气化-液化”生产线时,把生活垃圾转化为甲醇产品,并且可以实现零排放、无污染地处置生活垃圾。
具体实施方式
实施例1图1所示的实施方式中,气化炉由进料器(39)、烘干仓(31)、气化炉膛(18)、二次气化室(20)、螺旋推料器和等离子体喷枪安装口组成,其中:进料器(39)包括料斗a(39-2)、料钟a(39-4)、料斗b(39-1)和料钟b(39-5),料斗a(39-2)连接在料斗b(39-1)的上方,料斗b(39-1)连接在烘干仓(31)的顶上,料钟a(39-4)为料斗a(39-2)的出料阀,料钟b(39-5)为料斗b(39-1)的出料阀,在气化炉运行进料时,通过轮流操作料钟a(39-4)、料钟b(39-5)开启和关闭,使炉内空间与外界隔离;烘干仓(31)为立式结构,烘干仓(31)的炉墙由耐火层b(36)、保温层b(35)和外壳b(34)构成,在耐火层b(36)中有环形分气室(32)、管腔(33)和环形集气室(38),环形分气室(32)在下部,环形集气室(38)在上部,管腔(33)把环形分气室(32)和环形集气室(38)进行连通,管腔(33)为多管腔方式,12路管腔均匀分布在耐火层b(36)中,烘干仓(31)设置在气化炉膛(18)前部的上方且与气化炉膛(18)的进料口连通,在环形分气室(32)的下部有回灰通道(23)连通到气化炉膛(18);气化炉膛(18)为卧式结构,气化炉膛(18)的炉墙包括耐火层a(7)、水套a(9)、保温层a(6)和外壳a(5),耐火层a(7)为气化炉膛(18)前部和中部的炉墙内衬,在气化炉膛(18)前部的耐火层内壁上有钢护套(24),水套a(9)为气化炉膛(18)的后部分炉墙内衬,耐火层a(7)和水套a(9)的外层是保温层a(6),保温层a(6)的外层是外壳a(5),在气化炉膛(18)的进料口设置在前部,在气化炉膛(18)的后端有等离子体喷枪a(11)的安装口,在气化炉膛(18)的后部有朝下开出的排渣口(15),在气化炉膛(18)的中部有朝上开出的出气口,气化炉膛(18)的出气口通过混合气通道(21)连通到二次气化室(20);二次气化室(20)由水套b(2)围护的内空间构成,为三通结构,其直通的前端连通到环形分气室(32),其直通的后端有等离子体喷枪b(3)的安装口,其傍通为混合气输入口;环形集气室(38)有合成气出口(42)接出;排渣口(15)通过水封(16)连接到渣池;在气化炉膛(18)的前方设置螺旋推料器,螺旋推料器由螺旋轴(25)、轴封(26)、轴箱(27)和减速箱(30)组成,其中:螺旋轴(25)的前部为螺旋推料头,后部为轴杆,在轴封(26)的填料盒内加入石棉密封材料,防止炉内的合成气泄漏;螺旋轴(25)后部的轴杆穿过轴封(26)和轴箱(27),然后通过联轴器(28)连接到减速箱(30)的从动轴,减速箱(30)的主动轴由电机驱动;螺旋推料器的轴封(26)安装在气化炉膛(18)的前端,螺旋推料器的螺旋推料头伸进气化炉膛(18)的前部。在水套a(9)的高位有回水出口a(8)接出,在水套a(9)的低位有进水接口a(13)接入,在水套b(2)的高位有回水出口b(1)接出,在水套b(2)的低位有进水接口b(4)接入,在气化炉膛(18)的后部炉墙上有水蒸汽喷嘴(10)接入,回水出口a(8)、回水出口b(1)、进水接口a(13)和进水接口b(4)连接到冷却系统的供水/回水管网或与余热锅炉的相应端口连接,水蒸汽喷嘴(10)连接到锅炉的蒸汽管路上。在烘干仓(31)顶部的一侧有水蒸汽出口(40)接出,在合成气出口(42)的管壁上有水蒸汽进口(43)接入,水蒸汽出口(40)通过S形连接管(41)连接到水蒸汽进口(43)。本实施例运行时,等离子体喷枪a(11)的工作介质为水或水蒸汽,等离子体喷枪b(3)的工作介质为合成气或后级生产系统的反馈尾气,水蒸汽喷嘴(10)喷入气化炉膛(18)的水蒸汽作为气化剂利用,通过调节水蒸汽的喷入量来调控气化炉内的操作温度,通过调节合成气的引出量来调控气化炉内的操作压力,控制气化炉膛(18)的温度在1000~1600℃之间、操作压力为0~30Pa,其中气化炉膛(18)后端的温度为1300~1600℃,通过气体流动,使温度由后端向前端分布;控制二次气化室(20)的温度为1150~1200℃之间、操作压力为0~30Pa;控制烘干仓(31)的温度为150~200℃之间、操作压力为0~30Pa;控制合成气出口(42)处的压力为负压30~0Pa。本实施例的设备把生活垃圾或生物质转化为氢气和一氧化碳主要成分的富氢合成气,再通过后级生产工序(图中未示出)生产甲醇产品,当用生活垃圾为气化原料时,气化炉后级的生产设备主要包括急冷塔、余热锅炉、吸收反应器、旋风除尘器、布袋除尘器、一氧化碳变换反应器或加氢混合器、甲醇合成反应器、末端净化装置、蒸馏塔、尾气分离和反馈装置;当用农林废弃物之类的生物质为气化原料时,气化炉后级的生产设备主要包括余热锅炉、旋风除尘器、布袋除尘器、一氧化碳变换反应器或加氢混合器、甲醇合成反应器、蒸馏塔和尾气分离装置。
实施例2图2所示的实施方式中,与第1实施例的不同之处是:用原料输送管(44)替换第1实施例中的进料器(39),原料输送管(44)斜向朝上设置,然后下弯与烘干仓(31)顶部的进料接口(46)进行连接,原料输送管(44)的内腔构成气封区(45);在气化炉的外围设置余热锅炉(47),余热锅炉(47)上有回水进口(47-1)、循环出水口(47-6)和蒸汽出口;水套a(9)的回水出口a(8)和水套b(2)的回水出口b(1)并联后通过回水管(48)连接到余热锅炉(47)的回水进口(47-1),余热锅炉(47)的循环出水口(47-6)通过输水管(50)分别连接到水套a(9)的进水接口a(13)和水套b(2)的进水接口b(4),余热锅炉(47)的蒸汽出口通过蒸汽阀(47-4)和蒸汽管(49)连接到气化炉膛(18)的水蒸汽喷嘴(10);气化炉运行时,垃圾或生物质原料由螺旋进料器通过原料输送管(44)送入气化炉的烘干仓(31),原料在烘干仓(31)内受热逸出水蒸汽,水蒸汽充满烘干仓(31)顶部和原料输送管(44)内的空间,成为气化炉内与外界的隔离气体,富余的水蒸汽从螺旋进料器上的料斗排出,在螺旋进料器料斗的上方收集水蒸汽和垃圾臭气进行处理后排放。
实施例3图2所示的实施方式中,与第1、2实施例的不同之处是:用原料输送管(44)和气罐(51)替换上述的进料器(39),原料输送管(44)斜向朝上设置,气罐(51)设置在烘干仓(31)的顶部,气化炉的进料接口(46)设置在气罐(51)与烘干仓(31)之间的一侧,原料输送管(44)连接到进料接口(46),原料输送管(44)的内腔构成气封区(45),气罐(51)的顶部有出气接口(51-1)接出,在合成气出口(42)连接有合成气输送管(53),气罐(51)的出气接口(51-1)从高位接入合成气输送管(53);二次气化室(20)的炉墙由耐火内衬(55)、冷却层(54)、保温层和外壳构成。气化炉运行时,垃圾或生物质原料由螺旋进料器通过原料输送管(44)送入气化炉的烘干仓(31),垃圾生物质原料在烘干仓(31)内受热逸出水蒸汽,同时有少量的氢气和甲烷产生,由于氢气和甲烷的比重小水蒸汽,将会上升进入气罐(51),然后通过连接管道进入合成气输送管(53)。
上述的三个实施例中,气化炉炉墙的耐火层用矾土水泥混凝土浇筑,保温层选用硅酸铝耐火纤维材料,外壳选用钢极材料;等离子体喷枪以转移弧方式工作,等离子体喷枪的阴极电源线连接件分别连接到电源控制器主电源的负极和引弧高频电源的负极,阳极上的电源接线端分别连接到电源控制器主电源的止极和引弧高频电源的正极,在等离子体喷枪上有冷却水接口、工作介质接口,冷却水接口和工作介质接口分别通过一段50cm长度的陶瓷管连接到供水系统和供汽系统;为了便于操作和控制,在气化炉膛(18)的后部有观火镜(12)、温度传感器a(14)和料位传感器a(17),在气化炉膛(18)的中部有温度传感器b(22),在烘干仓(31)的上部有料位传感器b(37),在烘干仓(31)的下部有温度传感器(图中未示出),在二次气化室(20)有温度传感器(图中未示出)。