CN102077026B - 燃烧材料方法以及相关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于材料(X)燃烧的方法(1)，所述方法包括以下步骤：(a)将优选压紧的材料(X)插入反应室(3)中并且关闭所述室(3)；(b)以彼此正确的化学计量比将可燃气体流和相对应的助燃气体流注射到反应室(3)中，以便激活材料(X)的燃烧；(c)在没有再引入气体的情况下，继续诸如碳的可氧化元素与存在的氧的热化学反应；(d)注射助燃气体，以给材料(X)中存在的可氧化元素的热化学反应供料，直到温度停止升高为止；(e)打开节流阀(5)以排出气体，而同时继续在基本恒定的压力下引入助燃气体，直到全部剩余的碳已经氧化、强结合的氧化物已经受到热解并且所存在的金属已经氧化为止。

Description

燃烧材料方法以及相关设备

技术领域

本发明涉及一种尤其适用于垃圾发电厂的、用于材料燃烧的方法以及相关设备。

背景技术

在许多部门中，通过燃烧来破坏材料很长时间以来仅被认为是用于除去不需要的大量材料的方法。最近几十年来，模式已经扩展，所述模式建议使用在这些材料燃烧期间所产生的能量。遵循可以延伸到任何类型的材料的考虑因素首先涉及垃圾，所述垃圾因为其尺寸、数量和环境风险而提供以上所指出的显著示例。

今天，城市固体垃圾尤其在意大利是一个大问题，在意大利，所产生的垃圾的大约75%仍然最终填埋在垃圾填埋场中：这导致分布广范的地域污染以及较高的处置和清洁成本。

因此，由于当前情形的无法维持的本质，必须开发可替代的垃圾管理模式。毫无疑问，由垃圾发电（在能量回收的情况下焚烧）所代表的这方面的进步可以有助于发电，借助所述垃圾发电，垃圾应当理解为可再生能源。

垃圾发电是一种现代的高效系统，其从欧洲扩展到世界其它地方。由于垃圾发电，可以使用垃圾的热值，并且由垃圾燃烧所释放的热可以转化成电（或者热能，所述热能可以用于区域供热），减少了对环境的总体影响。

垃圾发电厂是一种垃圾焚烧炉，所述垃圾焚烧炉能够使用垃圾的热含量来产生热，以便加热水（或者其它流体），并且最终产生电或者将已加热的水传送到待加热的环境和区域。因此，所述垃圾焚烧炉与现有的焚烧炉不同，所述现有的焚烧炉仅进行垃圾的热破坏，而没有产生能量。垃圾发电厂的使用看来带表了解决过满的垃圾填埋场问题的一种方式。

焚烧炉是主要通过高温燃烧方法（焚烧）而用于垃圾处置的设备，所述高温燃烧方法（焚烧）的最终产物是气态排出物、灰粉和灰尘。

主要种类和主要量的可以焚烧垃圾是城市固体垃圾（MSW）和特定垃圾。

特定种类可以增加到诸如污泥、医疗垃圾或者化学工业垃圾的那些垃圾。

在垃圾焚烧之前，可以使用设计成排除不可燃烧的材料（玻璃、金属、惰性物件）和湿组分（诸如食物垃圾、农业垃圾等的有机材料）的方法来处理垃圾。以该方式处理的垃圾被定义为垃圾衍生燃料或者更普通的环保包（eco-bales）。

焚烧炉的操作可以分成一系列步骤。首先，垃圾来自遍布地区的选择设备（但是，也直接来自垃圾收集），生产可燃组分（RDF-垃圾衍生燃料），并且垃圾生物脱水，然后从所述可燃组分分离惰性物件（金属、矿物质等），在此之后所述可燃组分被焚烧。

进行燃烧，在所述燃烧期间，在炉子中传送强制空气流以引入必需量的氧气，所述氧气允许最佳燃烧，保持温度较高（通常接近1000℃）。

现有技术的焚烧炉具有相当大量的残余物（相对于最初的总质量通常在从25%至35%的范围内）。该大量的残余物是严重的问题，这是由于所述大量的残余物必须被适当地存储。所述操作引入较高的成本，所述较高的成本减少了整个发电厂的生产率（从经济学观点）。

还应当注意到，现有技术发电厂的最大比能生产是大约200/300kWh/t。这些值是较低的并且不足以保证发电厂经济性的成功管理。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适于使残余物最少的、用于材料燃烧的方法。

在技术目的的范围内，本发明的另一个目的是提供一种用于材料燃烧的方法，所述方法具有较高的效率和较低的操作成本。

本发明的又一个目的是提供一种用于材料燃烧的方法，所述方法适用于在非常高的温度下操作。

本发明的又一个目的是提供一种适于根据所述方法燃烧材料的设备，所述设备具有简单的结构和基本紧凑的尺寸。

本发明的又一个目的是提供一种用于材料燃烧的方法，所述方法具有最大的比能生产值，所述最大的比能生产值与现有技术的发电厂相比是非常高的。

本发明的又一个目的是提供一种尤其用于垃圾发电厂的用于材料燃烧的方法以及相关设备，所述垃圾发电厂对于执行/生产是便宜的、简单的并且对于应用是安全的。

本发明借助所述用于材料燃烧的方法实现所述目的和目标，所述方法包括：将适当紧凑的材料插入反应室中并且关闭所述室；将可燃气体流和相对应的助燃气体流注射到反应室中，以便激活材料的燃烧，所述可燃气体流和相对应的助燃气体流处于彼此正确的化学计量比中；在没有再引入可燃气体和助燃气体的情况下，继续可氧化元素与材料中存在的氧的热化学反应；再次注射助燃气体，以给剩余的可氧化元素的热化学反应供料，至少直到温度升高停止为止；以及，打开节流阀以排出气体，而同时继续在基本恒定的压力下引入助燃气体，直到可氧化元素的热化学反应完成为止，强结合的氧化物受到热解并且氧化所存在的金属。

所述目的和目标也通过适于执行上述方法的本发明的设备来实现，所述设备尤其用于垃圾发电厂，所述设备包括：反应室，所述反应室具有用于插入材料的入口和气体可以流出的出口；和用于引入试剂气体的适当的回路，其特征在于，用体积百分数表示的助燃气体富氧组分（F），用bar表示的设备最大操作压力（P），用立方米表示的反应室自由内部容积（V），用吨表示的插入反应器中的材料的质量（M），以及用K表示的达到反应室的至少一个部分中的最大温度（T），联合成以下方程式：

FPV/M≥5.24×10^-2×（T²-314.73×T）

附图说明

其它的细节从详细的说明更加明显，所述详细的说明遵循尤其适用于垃圾发电厂的、用于材料燃烧的方法以及相关设备的优选的非限制性的实施例，所述实施例在附图中以示例示出，但是没有限制本发明的范围，其中：

图1是根据本发明的用于材料燃烧的方法的框图；

图2是根据本发明尤其用于垃圾发电厂的材料燃烧的设备的沿着纵向轴向平面所得到的横截面的侧视图；

图3是图2的细节的放大图；

图4是根据本发明尤其用于垃圾发电厂的设备的沿着横向平面所得到的横截面的剖视图。

具体实施方式

尤其参照附图，附图标记1总体上表示用于材料X燃烧的方法，并且附图标记2表示尤其用于垃圾发电厂的相关设备。

用于材料X燃烧的方法1包括一系列的五个步骤，前面三个步骤是基本步骤。

在第一步骤（a）期间，与在标准的现有技术的焚烧炉中所同样执行的第一步骤类似，在没有特殊的预处理的情况下，优选地压紧的材料X必须插入反应室3中，并且反应室3必须关闭。

在现有技术的焚烧炉中，插入反应室3中的材料X必须通常被适当地预处理，排除潮湿和全部不可燃烧的材料或会在燃烧期间生产有害排放物的材料（例如氯化聚合物）。根据本发明的方法1以及相关设备2允许用于还没有被预处理的材料X，具有减小或者限制复杂且昂贵的操作的某些经济优点。如以下将说明，由于操作循环尤其是有效的，所以根据本发明的方法1也可以应用于材料X，所述材料X包括不可燃烧的材料和其它材料的组分。

在第二步骤（b）期间，可燃气体流和相对应的助燃气体流必须注射到反应室3中，所述两种气体处于彼此正确的化学计量比中。

诸如甲烷的可燃气体流与其特定化学计量的氧一起触发包含在反应室3中的材料X（例如，垃圾）的自燃，在燃烧反应期间产生二氧化碳和水蒸气。当燃烧开始时，依据正处理的材料X的类型，可以在从大约100℃至150℃到大致600℃至650℃变化的温度下，停止助燃气体的引入。

在第三步骤（c）期间，必须在没有再引入气体的情况下，通过材料X中所存在的氧继续可氧化元素的热化学反应（例如，碳的氧化）。这样意味着氧化将继续，专门通过使用碳和其它可氧化元素与反应室3中的材料中所含有的松结合的氧一起维持。所述元素将产生二氧化碳，使材料的温度达到800℃至900℃，甚至更高。

当温度升高停止时开始的第四步骤（d）包括：注射更多的助燃气体以给剩余的碳的至少一部分的氧化反应供料，仍依据所处理的材料X，至少直到通常在1600℃和2200℃之间的温度下温度再次停止升高为止。

所注射的氧使剩余的碳和其它可氧化元素氧化（产生二氧化碳），直到达到最大温度（T）和最大内部压力（P）为止。实际上，温度可以达到2000℃至2200℃，并且压力可以达到35bar至50bar。实施例不是排他性的，可以在仍然被本专利所覆盖的所述范围以外的压力值和温度值下操作。

在最后的第五步骤（e）中，在用于气体的出口4处，节流阀5必须被打开以允许气体排出，同时继续在基本恒定的压力下引入助燃气体以完成可氧化元素的热化学反应。例如，直到剩余的碳全部已经氧化为止，强结合的氧化物已经受到热解并且所存在的金属已经被氧化（应当注意到，经常在城市垃圾中发现铁和铝）。

当在通过温度-压力探测器所发送的信号中看到负梯度时，可以证实最后的第五步骤（e）的完成，并且因此可以证实方法1的完成，所述温度-压力探测器可以安装在反应室3中。

节流阀5保持打开，直到方法1结束为止，换言之，直到内部压力已经达到与大气压力相同的值为止。

必须强调的是，在最后的步骤（e）期间，需要节流阀5的受控打开（使用适当的控制和管理设备以用于维持反应室3中预定的压力值），直到反应室3中的压力等于大气压力为止。

通过节流阀5从反应室3流出的气体进入适当的容器6以用于根据需要与冷却空气混合和其中含有的氧化金属的组分沉积，所述氧化金属的组分基本是粉末的形式。

因此，容器6包括至少一个适当的隔间7，在所述隔间7中可以沉积氧化金属，并且所述隔间7可以检查这些氧化金属的去除。

在气体从设备2流出之前，这些气体穿过用于洗涤烟气的适当的器件22（位于容器6沿着适当地确定以用于净化烟气的路径的下游），所述器件22包括铜基催化器23。

铜基催化器23包括由耐热钢连接件所制成的连续带，所述连续带在两侧上涂覆有淀铜层，所述淀铜层通过在辊上滑动而从盒的两个隔间中的一个传送到另一个，并且反之亦然，所述盒通过由耐热钢制成的隔板而分成所述两个隔间。

氧气引入到两个隔间中的一个中，并且燃烧烟气引入到另一个隔间中，烟气包含有对环境有害的氢和一氧化碳的分子。在等于几百℃的温度下，第一隔间中的铜氧化，使得在所述温度下到达第二隔间的氧化铜与氢和一氧化碳起化学反应，形成对环境无害的水蒸气和二氧化碳。

烟气洗涤器件22还包括“洗涤器”，在所述“洗涤器”中发生卤素气体酸化和消除的处理。

这样，在烟气洗涤器件22的下游处，在基本不高于80℃的温度下仅二氧化碳流出。

尤其适于安装在垃圾发电厂中的适于执行程序1的设备2包括反应室3，所述反应室3具有用于插入材料X的入口8、气体流出的出口4和用于引入反应气体的适当的回路9。

在根据本发明的设备2中，用体积百分数表示的助燃气体富氧组分（F），用bar表示的设备2最大操作压力（P），用立方米表示的反应室3自由内部容积（V），用吨表示的插入反应室3中的材料X的质量（M），以及用K表示的达到反应室3的至少一个部分中的最大温度（T），联合成以下方程式：

FPV/M≥5.24×10^-2×（T²-314.73×T）

尤其，设备2包括密封的、中空的外壳10和内壳体11，所述内壳体11匹配壳10空腔。

壳体11可由具有这样的厚度的耐火材料适当地制成，所述厚度适于经受住由反应室3内部的压力所供给的机械载荷和耐火材料将受到的非常高的温度。

根据尤其有益于实际目的和实施的实施例，壳体11被制成具有例如大约200mm的适当厚度的中空的圆筒形状（如图4中所示）。

圆筒具有加强肋，例如径向分布的六个加强肋，以便使包围肋的圆的直径与壳10的内径相同。

插在壳10和壳体11之间的是空间12，所述空间12具有圆筒环的形状并且是较窄的，例如厚度为100mm，以便使壳10和壳体11分离。

空间12包括用于使冷却剂流体穿过的入口通道13和出口通道14。

根据有益于应用本发明的可能实施例，冷却剂流体是泵送到空间12中以冷却壳10和壳体11的壁的大气空气流。适当的计算机控制和管理站（附图中未示出）调节设置在出口通道14中的阀以保证反应室3内部的压力和空间12中的压力恒定地相等。

设备2包括适当的传感器15以用于检查反应室3中的压力和温度。

设备2包括用于将可燃流体引入反应室3中的适当的喷嘴（喷嘴16）和用于将助燃流体引入反应室3中的适当的喷嘴（喷嘴17）。适当地，所述喷嘴16和17根据用于调节和控制反应室3中的燃烧的相应化学计量比来引入这些流体。

气体流出的出口14可通过节流阀5阻断，所述节流阀5基本由塞子18构成，所述塞子18的形状设计成匹配由耐火材料制成的内壳体11中的相应孔19。

孔19与反应室3连通。

塞子18被压入到孔19中并且借助推杆20在受控的、可调节的作用下堵塞孔19。这样，推杆20作用的强度通过反应室3中的待维持（或者达到）的压力（并且因此通过方法1的当前步骤）确定。

根据可能的实施例，壳10包括多个壳部分，所述多个壳部分可以连结在一起。这样，壳部分的拆卸允许抽出由耐火材料制成的内壳体11，用于内壳体11的替换和维修。在许多相继的循环之后，耐火材料可以示出劣化的信号，所述劣化将阻止设备2的良好操作。替换的可能性与现有技术的焚烧炉相比简化了根据本发明的设备2的管理。

用于插入材料X的入口8容纳由耐火材料制成的盖21，所述盖21的形状和尺寸匹配入口8的形状和尺寸。

必须强调，可以在设备2中使用的能够燃烧的流体之一是甲烷（不排除使用其它的气态或者液态的碳氢化合物的可能性，或者是可以提供能量的甚至固态的其它可燃物质）。

在这种情况下，助燃流体必须包括气态氧。因此，能够依据将在反应室3中得到的反应的强度引入大气空气、富集有氧的空气的混合物或者甚至纯氧。当氧组分F增大时，反应室3的尺寸并且因此设备2的尺寸将按反比例改变。

新的方法1是不连续的化学-物理方法，所述不连续的化学-物理方法包括现有的步骤（a），随后是4个顺序的步骤（b）、（c）、（d）和（e），并且允许预定质量的诸如城市固体垃圾的材料X迅速地达到1800℃和2200℃之间的温度，导致材料X升华，换言之，在没有经过液化阶段的情况下的汽化。在温度达到2200℃/压力梯度达到50bar的情况下，方法1在例如具有管状形状的反应室3内部进行。

校准到最大压力公差的适当的节流阀5导致蒸气在流出时的节流，使蒸气绝热膨胀并且将蒸气冷却并且引入到容器6中，蒸气将继而被从所述容器6发送到热交换器，以用于生产用于获得能量的过热蒸汽。

在待处理的材料X中，氧通常作为具有较大分子的成分（松结合的氧）存在，并且作为诸如钙和硅的元素的氧化物（强结合的氧）存在。碳作为松结合的元素存在。

如已经指出，在步骤（b）期间，诸如甲烷的可燃气体流和特定化学计量的氧一起使材料达到600℃至650℃的温度，产生二氧化碳和水蒸气。

在接下来的步骤（c），其中没有从外侧注射气体，包含在材料中的碳、其它的可氧化元素以及松结合的氧产生二氧化碳和其它氧化物，使材料的温度会达到2200℃。

此时，步骤（d）包括注射通常含有氧的助燃气体，所述助燃气体氧化剩余的碳的一部分和其它的可氧化元素，产生二氧化碳和氧化物，直到获得最高温度T（用K表示）和最大内部压力P（用bar表示）为止。实际上，温度可以达到2000℃至2200℃，并且压力可以达到35bar至50bar。

然后，需要步骤（e），其中节流阀5打开并且助燃气体继续引入，直到剩余的碳已经氧化为止，强结合的氧化物已经热解，并且诸如铁和铝的存在的金属已经氧化。

方法1的步骤（e）结束的起点通过由传感器15所发送的信号的负梯度指示，所述传感器15例如包括温度-压力探测器。阀5保持打开，直到方法1结束为止，换言之，直到内部压力已经达到与大气压力相同的值为止。

从步骤（e）开始，引入到容器6中的蒸气可以与外部空气混合以达到可与交换器相比较的最大温度。

在引入容器6中之后并且在穿过交换器期间，逐渐冷却导致粉末状形式的氧化金属的组分沉积，所述氧化金属的组分可以收集在适当的隔间7中。

在交换器的下游处，用于洗涤烟气的器件酸化并且消除卤素气体。因此，二氧化碳在低于80℃的温度下流出烟囱。

氧可以是低温存储的，或者借助市场上可买到的“分子筛”获得。每吨被处理的材料的甲烷和氧的消耗例如对于甲烷是大约30Nm³（标准立方米：对于所使用的气体体积的测量单位，在“标准”条件下，换言之，在大气压力下和0℃温度下）并且对于氧是400Nm³。

对于诸如城市固体垃圾来说，所述方法开发了明显大于其NHV（净热值是在燃料完全燃烧期间所释放的热量，而没有考虑到水蒸气的蒸发热）的热，并且能量产生等于普通垃圾发电厂的能量产生的大约2.5至3倍，也显著减小了残余物的质量（5千克/吨至10千克/吨，而不是300千克/吨至320千克/吨），并且因此减小了对使用特殊垃圾填埋场的需要。

所述方法也可以应用于定义为不可燃烧的无机材料，甲烷/氧比增大并且结合的热和发电减少。

基于研究和实验所产生的方程式

FPV/M≥5.24×10^-2×（T²-314.73×T）

可以允许设备2的尺寸设定用于表示依据助燃气体富氧组分所插入的材料的处理温度/质量的可能的每对值。

阀5允许占据由耐火材料上的磨损所导致的游隙。适当的通风管可以阻止在反应室3中的区域中的压力增大（如果存在）。

因此，如上所述，本发明实现预设定的目的。

本发明如上所述可以在没有脱离本发明概念的范围的情况下修改并且适用于若干方式。

例如，能够（在靠近阀5的区域处）在壳体11中制成开口，所述开口允许气体在用于能量回收的常规热交换器中流动，并且继而在用于脱卤的常规“洗涤器”（烟气洗涤塔）中流动，然后流到烟囱。

反应室3通过壳体11定界，所述壳体11具有例如200mm的适当的厚度，所述壳体配备有肋，例如六个肋（如图4中所示），以便使包围肋的圆的直径与壳10的内径相同，并且以便在壳10和壳体11的外圆筒部分之间保留有空间，所述空间具有较窄的圆筒环的形状（空间12），例如厚度为100mm，以便即使不是以完全密封的方式，所述空间也能与反应室3分离。

盖21配备有耐火板，所述耐火板通过金属夹钳锚固到盖21，并且盖21搁置在法兰上，在所述盖21和所述法兰之间插置有气密性的弹性环形金属环。盖21可以在背部处通过水平杆导引，允许装载漏斗（在一个可能的实施例中）卸载准备制成一捆的待处理的材料X。可以借助气动推杆或者液压推杆实现盖21的运动，所述气动推杆或者液压推杆将一捆材料X插入反应室3中并且保持加压气体密封。

方法1的步骤（b）的开始通过喷嘴16、17引入化学计量的可燃气体和助燃气体而保证，并且方法1的步骤（b）的点火通过适当的点火器点火。

此外，本发明的所有细节可以通过其它技术等同元素替换。

在所述的示例性实施例中，相对于具体的示例所示出的各个特征可以与存在于其它示例性实施例中的其它不同的特征相互交换。

此外，应当注意到，在用于获得本专利的程序期间显示现有技术的每件事都没有要求，并且应当认为从权利要求书去除（放弃权利）。

应当在具有与产品相关的法律和规则的最严格的顺应性中执行本发明，所述产品形成本发明的主旨或者与此相关，并且如果必要，本发明从有关当局授权，尤其参照与安全、环境污染和健康相关的规章。

实际上，所使用的材料以及形状和尺寸可以显著依据要求，而没有脱离所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于材料（X）燃烧的方法，所述方法包括至少以下步骤：

-将所述材料（X）插入反应室（3）中并且关闭所述室（3）；

-以相应的化学计量比将可燃气体流和相对应的助燃气体流注射到所述室（3）中，直到激活所述材料的燃烧为止；

其特征在于，所述方法（1）包括至少以下步骤：

-停止将可燃气体和助燃气体从外部引入到所述反应室（3）中，所述材料（X）中存在的可氧化元素与所述材料（X）中含有的氧的热化学反应继续进行，至少直到温度停止升高为止；

-再次注射助燃气体，以给所述材料（X）中存在的可氧化元素的热化学反应供料，至少直到温度停止升高为止；

-打开节流阀（5）以从所述室（3）排出气体，同时继续注射助燃气体以完成所述可氧化元素的热化学反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打开所述节流阀（5）和继续注射所述助燃气体是在基本恒定的压力下进行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打开所述节流阀（5）的步骤继续进行，直到所述反应室（3）内部的压力等于大气压力为止。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括又一个步骤：

-将从所述室（3）排出的气体排出到外部环境中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从所述室（3）排出的气体通过存储在容器（6）中的第一阶段和穿过烟气洗涤器件（22）的第二阶段而排出到外部环境中。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述烟气洗涤器件（22）包括铜基催化器（23），所述铜基催化器设计成与烟气互相作用，以便避免将氢和一氧化碳分子引入到环境中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，没有卤素气体的二氧化碳从所述烟气洗涤器件（22）流出。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述第一阶段，逐渐的冷却导致基本粉末状形式的氧化金属的组分在相对应的收集隔间（7）处沉积。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可燃气体是甲烷或者另外的气态燃料，并且所述助燃气体包括气态氧。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当达到最高温度（T）和最大压力（P）时，温度停止升高。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热化学反应特征根据以下方程式而与所述反应室（3）和所述材料（X）相关联：

FPV/M≥5.24×10^-2×（T²-314.73×T）

其中，F是用体积百分数表示的助燃气体富氧组分（F），P用bar表示的设备最大操作压力，T用K表示达到反应室的至少一个部分中的最大温度，V是用立方米表示的反应室（3）的自由内部容积，M是用吨表示的插入反应器中的材料（X）的质量。

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