CN102329653A - 等离子垃圾气化装备及其气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子垃圾气化装备及其气化工艺，所述装备包括由输气管道相连接的气化反应室，蒸汽换热器和蒸汽缓冲罐，空气缓冲罐，内外双旋风换热除尘器，冷却塔，除硫化氢喷淋器，水环压缩机，气水分离器，燃气储存罐，以及装备的控制系统；所述气化反应室包括自动上料装置、自动点火装置、初级气化区和等离子反应区；等离子反应区由二级细化区和气体精炼区两部分组成。所述工艺包括燃气生成；气化介质预热；燃气净化过滤；燃气压缩储存。本发明具有结构设计简单，能效利用合理，先期投入成本低，耗电率低的特点，尤其可有效地去除气化过程中产生的二噁英等有害物质，增加减容比，变废为宝。

Description

等离子垃圾气化装备及其气化工艺

技术领域

本发明涉及生活垃圾等离子气化发电技术，尤其涉及一种等离子垃圾气化装备及其气化工艺。

背景技术

我国生活垃圾处理方式主要是填埋和焚烧。填埋不仅侵占大量土地，还污染地下水，是不得已而为之的选择。尽管如此，对于土地资源紧张的地区已没有多少场地可供填埋使用。焚烧法虽然减容比高，并能回收能量，但却因二噁英等污染问题遭到公众强烈反对：生活垃圾等废弃物在燃烧温度低于300～550℃时易产生二噁英；对于含氯塑料的焚烧过程中，焚烧温度低于800℃极易生成二噁英，二噁英毒性巨大，是氰化物的130倍，砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称，尤其其具有分子链稳定的特点，在低于800℃时易重新聚合。鉴于此，现急需发展新一代的绿色环保、节能降耗的替代焚烧技术。

等离子体是物质第四态，具有许多异于固态、液态和气态的独特的物理化学性质，如温度和能量密度都很高、可导电和发光、化学性质活泼并能加强化学反应等，环保性能优良。等离子体废物处理技术始于1970年代初期，最初主要用于低放射性废物、化学武器和常规武器销毁，于1990年代进入民用。由于等离子体设备技术含量高，投资巨大，运行成本高，多用于销毁多氯联苯(PCBs)、POPs、废农药、焚烧飞灰和医疗废物等危险废物。近十年来，随着技术的发展，成本逐渐得到控制，且政府对垃圾处理问题的重视和公众环保意识的提高，等离子体处理生活垃圾的技术也逐渐成为国内外的研究热点。

目前全球从事等离子体废物处理技术研究的单位有二十余家，技术还处于商业化的门槛阶段，多数未达到实用化阶段。现阶段所使用的技术都是采用等离子体炬对垃圾进行直接的高温气化，通过电弧放电产生高达7000℃的等离子体，将垃圾加热至很高的温度，从而迅速有效地摧毁废物。可燃的有机成分充分裂解气化，转化成可燃性气体，可以用于发电或作为可燃气，一般称为“合成气”(主要成分是CO+H₂)。不可燃的无机成分经等离子体高温处理后成为无害的渣体。

然而现阶段的等离子垃圾气化技术尚有许多不足之处，首先，用等离子体炬直接气化垃圾需要极大地功率，其耗电率可达其产电能力的30％～45％，由于耗电过高导致运营成本大大增加，使其不具备商业运行的价值。其二，该方法气化垃圾，后续气体净化过程还需加二噁英处理装置，增加了先期的一次性投入，使其设备成本大幅提高。第三，使用等离子体炬直接气化垃圾，由于其温度场分布不均，使垃圾不能完全被高温处理，排出的废渣中会有大量的二噁英和其他有害物质，致使其废渣的处理又成为一道难题。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述严重问题，本发明旨在公开一种等离子垃圾气化装备及其气化工艺，其结构设计简单，能效利用合理，先期投入成本低，耗电率低，尤其可有效地去除气化过程中产生的二噁英等有害物质，增加减容比，变废为宝。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种等离子垃圾气化装备，包括由输气管道相连接的气化反应室，蒸汽换热器和蒸汽缓冲罐，空气缓冲罐，冷却塔，除硫化氢喷淋器，水环压缩机，气水分离器，燃气储存罐，以及装备的控制系统，其特征在于：

还包括内外双旋风换热除尘器，所述内外双旋风换热除尘器为内外双层立式筒状的一体结构，上部为圆筒状，下部为倒圆台筒状，里层为旋风分离仓，外层为旋风换热仓；所述旋风分离仓自下而上分为集液区、旋风分离区和净化区，其燃气进气口和出气口分别经输气管道与蒸汽换热器的出气口及冷却塔的入气口相连接；所述旋风换热仓设置导流板，所述导流板为不锈钢板呈螺旋状焊接于所述旋风换热仓的内壁上，其水平宽度与所述换热仓的宽度相当；所述旋风换热仓下部设置冷空气进气口，上部设置热空气出气口；

所述气化反应室包括自动上料装置、自动点火装置、初级气化区和等离子反应区；

所述自动上料装置，位于初级气化区的顶部，包括两级闸板阀、一个料仓以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级闸板阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

所述自动点火装置，位于所述初级气化区的反应室侧壁处，包括油枪、点火器和推进系统；

所述等离子反应区由二级细化区和气体精炼区两部分组成，内径为800～2000mm，气体精炼区在上，二级细化区在下；所述二级细化区的进渣口通过输送管路连接于初级气化区的排渣口，三支等离子体炬安装于二极细化区底部料层上方并位于同一水平面绕所述二极细化区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，底部设置排渣口；所述气体精炼区的进气管路分别与所述初级气化区和二级细化区相连接，并三支等离子体炬安装于所述气体精炼区底部缩径口上方并位于同一水平面绕所述气体精炼区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，所述缩径口直径为100-200mm；

所述气体精炼区的出气口经输气管路连接于蒸汽换热器的进气口；蒸汽换热器的蒸汽出口通过输气管路经蒸汽缓冲罐及其气动调节阀分别连接至初级气化区和等离子二级细化区的进气口；所述内外双旋风换热除尘器的热空气出气口通过输气管路经空气缓冲罐及其气动调节阀分别连接至初级气化区和等离子二级细化区的进气口。

进一步，所述等离子反应区是一体结构，气体精炼区位于二级细化区上部，所述气体精炼区的进气管路连接于初级气化区的上部侧壁的出气口；所述初级气化区内设置整平-碎焦装置和星型卸料器；所述整平-碎焦装置包括动力部分、整平部分和碎焦部分；动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；整平部分和碎焦部分位于初级气化区的内部，分别套装固定于中心轴上，所述整平部分由整平转臂组成，所述碎焦部分由两组以上的搅动杆组成；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述初级气化区的中心线重合；所述星型卸料器设置于所述初级气化区的下部排渣口上方。

或者，所述等离子区是分体结构；所述二级细化区顶部进渣口经由星型卸料器连接于初级气化区底部的排渣口，中部设置出气口并通过输气管路连接于气体精炼区的进气口；所述气体精炼区放置于初级气化区的顶部，气体精炼区的进气口与初级气化区的出气口相连通；所述初级气化区内设置挫动式炉蓖、链式炉调和自动整平装置，初级气化区的进气口设置于所述炉蓖和炉调之间，出气口位于初级气化区的顶部；所述挫动式炉蓖呈长方体结构，设置于初级气化区的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖是固定炉蓖，由多个不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖挡板上形成，所述齿条的横截面为侧边为圆弧，上下边为直线的弧边平行四边形，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖是活动炉蓖，由多个横截面为三角形的不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖挡板上形成，所述上层炉蓖与液压推动装置连接并在后者的作用下左右挫动；在未发生挫动状态下，所述上下炉蓖的齿条的尖端相抵，整个炉蓖没有缝隙；上层炉蓖在液压推动装置作用下向下层炉蓖齿条方向挫动状态下，挫动的反方面形成空隙；所述链式炉调位于初级气化区的底部；所述自动整平装置包括动力部分和整平器；所述动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器位于初级气化区内部，包括套装固定于中心轴上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合。

或者，所述初级气化区内设置振动炉蓖和自动整平装置；所述振动炉蓖，设置于初级气化区的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖是固定炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈正梯型放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖圈内侧形成，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖是活动炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈倒梯型放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖圈内侧形成，所述上层炉蓖与液压动力装置连接并连动；所述下层炉蓖的齿条与上层炉蓖的齿条对应咬合，并设定相邻的上下两层炉蓖的齿条咬合处的横向间隙为5-80mm；通过PLC自动控制系统控制所述液压动力装置带动所述上层炉蓖以不大于200次/分钟的频率振动；所述自动整平装置包括动力部分和整平器；所述动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器位于初级气化区内部，包括套装固定于中心轴上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合；所述等离子反应区是一体结构，气体精炼区位于二级细化区上部，所述气体精炼区的进气管路连接于初级气化区位于所述振动炉蓖下方的出气口。

进一步的，所述初级气化区的耐火层由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成；所述气体精炼区的耐火层由碳纤维耐火混凝土浇筑而成，外围由不锈钢和陶瓷纤维保温层包裹。

进一步的，所述自动整平-碎焦装置和自动整平装置的液压推动装置的行程为50-500mm，其减速电机的转速为5-20rpm。

所述的等离子垃圾气化装备的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)燃气生成：

上料和进气：生活垃圾经预处理作为原料通过自动上料系统进入气化反应室，第一道闸板阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，第一道闸板阀关闭，之后第二道闸板阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，第二道闸板阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入温度在200℃以上的蒸汽和/或160℃热空气组成的气化介质；

初级气化：原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，经整平后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，开始气化；气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-35％，其中初级气化区内的原料分为5层，分别为干燥层、热解层、氧化层、还原层、灰烬层，炉温监测系统不间断向控制台传输各个料层的温度，通过对进气量控制和整平装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整；炉渣送入等离子二级细化区；所产生的包括燃气的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，经输送管路送到等离子气体精炼区进行气体精炼；

在此过程中，各个层面的反应如下

①干燥层，温度约达100℃

该层通过200℃的空气和水蒸气对物料进行干燥，提取出物料中的H₂O，生成水蒸气。

②热解层和燃烧层，温度约500℃～1000℃

主要反应：

A：CH_1.4O_0.6+0.6O₂+1.6N₂→0.7CO+0.6H₂+0.3CO₂+0.1H₂O+1.6N₂

B：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

C：C+O₂→CO₂

D：C+CO→CO₂

该层通过生物质原料和脱挥反应的生成物部分氧化，并释放大量的热量，将区域温度提升至1000摄氏度以上，生成CO，H₂，CO₂，H₂O。

③还原层，温度约850℃

主要反应：

A：C+CO₂→2CO                        (还原反应)

B：C+H₂O→CO+H₂                      (还原反应)

C：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂          (氧化反应)

该层为无氧反应区，这些反应将炉床的温度降至750-800℃，任何在炉床上方生成，并残余的焦油在此将会被热解，并进一步增加混合气体的产气量，

CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

部分在火焰热解中生成的二氧化碳在此同焦结发生碳溶损反应，并增加产出混合气体的能量密度

C+CO₂→2CO

部分在干燥和火焰热解过程中生成的水蒸气又同焦结反应，使混合气体中氢气含量增加

C+H₂O→CO+H₂。

④灰烬层

在还原层之下，就是灰烬收集区。每隔一段时间，灰烬就通过炉篦，聚集到气化炉底部。

等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，送至等离子二级细化区，由三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，配合蒸汽对炉渣进行高温裂解，利用6000℃以上的高温将炉渣中未反应完全的有机物再次气化，产生CO和H₂，并除掉炉渣中的二噁英和呋喃，最后剩余1/125-1/100的炉渣，其成分为熔融状态的无机物和金属，通过排渣系统排出，二级细化所产生的气体进入等离子气体精炼区进行气体精炼；

在此过程中，主要发生了如下反应：

少量的混合气化介质从炉蓖下方被注进混合气体当中，并进一步降低气体中焦油的含量，增加氢气含量和总的气体产量。

C+O₂→CO₂

C+H₂O→CO+H₂

2CO+O₂→2CO₂

C+CO₂→2CO

等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，被分别送至等离子气体精炼区，精炼区底部通过缩径处理，使燃气由于其惯性作用形成一条直径100-200mm的烟柱，三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，均匀分布于烟柱周围，形成直径150-300mm的焰心区域，对气体进行高温精炼，利用6000℃以上的高温热能破坏气体中二噁英、呋喃和木焦油等有害物质的化学键，使其完全分解，并在降温后不能重新聚合，之后气体进入过滤装置；

(b)气化介质预热：将所生成混合气经输气管道送入蒸汽热交换器和内外双旋风换热除尘器分别获得200℃以上的蒸汽和160℃以上的热空气，两者分别经蒸汽缓冲器和空气缓冲器，并在管道中混合后送入气化反应室中作为气化介质，或选择其中一种作为气化介质；

(c)燃气净化过滤：在水环压缩机的抽力作用下，生成的包括燃气的混合气经输气管道进入蒸汽换热器中，自动进行热量交换获得蒸汽并以输气管路送至气化反应室作为气化介质，同时发生杂质的沉降；继而进入内外双旋风换热除尘器，混合气中的颗粒物和木焦油等杂质进一步沉降的同时进行热量交换，即给冷空气预热获得热空气并经输气管道送至气化反应室作为气化介质；混合气紧接再依次进入冷却塔和除硫化氢喷淋器中进一步脱除杂质，并去除H₂S及HCl，最后进入气水分离器进行气水分离；

(d)燃气压缩储存：净化后的燃气在水环压缩机的作用下被压缩存入储气罐中，所述水环压缩机的排量范围是：90m³/h-1800m³/h，最大工作压力0.6MPa。

更具体的，所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经碎焦装置打碎后变为小颗粒炉渣经由星型卸料器送入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

或者，所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经挫动式炉蓖的挫动和挤压作用变为小颗粒炉渣被排放至链式炉调上，并被输送至初级气化区的排渣口经由星型卸料器进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

或者，所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经振动炉蓖的振动和挤压作用变为小颗粒炉渣经排渣口进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是显而易见的：

(1)本发明利用垃圾本身的热值进行缺氧燃烧，之后对其产生的燃气和炉渣进行等离子高温处理，大大降低了耗电功率，使本设备的耗电率仅为产能的10％，使其具有更高的运营价值。

(2)本发明利用等离子体炬高温处理所产的燃气，可安全稳定的去除其中的二噁英等有害物质，无需在后续工艺中增加二噁英处理设备，大大降低了一次性的先期投入，使其具有更高的市场竞争力。

(3)本发明利用等离子体炬高温处理排出的炉渣，一是可以大幅增加了减容比，减少废渣排放量，二是可以稳定高效的去除炉渣中所含的二噁英等有害物质，使炉渣变废为宝，可用作高性能的耐火材料。

(4)充分回收利用了整个流程中所产生的热能，其中，余热蒸汽发生器所换出的160-200℃的蒸汽一部分可送回等离子二次细化区作为介质参加反应，另一部分可送至垃圾预处理部分，对垃圾进行预处理；内外双旋风换热除尘器所换出的热空气可送入初级气化室做为介质参加反应。

(5)原料添加与排渣可同时连续进行，不会产生空气倒流入气化装备内的情况，操作更安全可控，同时实现了连续无间断气化；

(6)自动整平装置及自动整平-碎焦装置可控的旋转下压动作，实现了更有效可控的整平及整平碎焦操作，更有利于所述气化反应室的在氧化过程中的密封和连接气化。

(7)振动炉蓖及挫动式炉蓖通过振动和挤压或挫动和挤压的作用完全解决了结焦和大颗粒炉渣无法排出的问题；

(8)点火装置实现完全自动化控制，使用寿命延长；

(9)气化反应室的初级气化区内均布的热电偶监控各料层温度，气化反应稳定可控。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2是上料装置的结构示意图；

图3是内外双旋风换热除尘器的结构示意图；

图4是侧吸式等离子垃圾气化反应室的结构示意图；

图5是下吸式等离子垃圾气化反应室的结构示意图；

图6是振动炉蓖的结构示意图。

图7是卧式等离子垃圾气化反应室的结构示意图；

图8是挫动式炉蓖的结构示意图。图中，

11初级气化室  12等离子气体精炼区  121等离子气体精炼区的等离子体炬  13等离子二级细化区  131等离子二级细化区的等离子体炬  2空气缓冲罐  3蒸汽缓冲罐  4蒸汽换热器  5内外双旋风换热除尘器  6冷却塔  7除硫化氢喷淋器  8气水分离器  9储气罐100气体分析仪

111自动上料装置  1111，1113一级、二级闸板阀  1112料仓

112初级气化区

113自动整平-碎焦装置  1131动力部分  1132整平部分  1133中心轴  1134碎焦部分

114星型卸料器

115挫动式炉蓖  1151上层炉蓖  1152下层炉蓖

116链式炉调

117自动整平装置  1171动力部分  1172中心轴  1173整平器

118振动炉蓖  1181上层炉蓖  1182下层炉蓖

501旋风分离仓  5011混合气进气口  5012混合气出气口

502旋风换热仓  5021导流板  5022冷空气进气口  5023热空气出气口

503双球阀排尘结构  5031，5033一级、二级球阀  5032储尘室

具体实施方式

实施例1

一种等离子垃圾气化装备，如图1所示，包括由输气管道相连接的气化反应室，蒸汽换热器4和蒸汽缓冲罐3，空气缓冲罐2，内外双旋风换热除尘器5，冷却塔6，除硫化氢喷淋器7，水环压缩机，气水分离器8，(燃气)储气罐9，以及装备的控制系统；

所述内外双旋风换热除尘器5，如图3所示，为内外双层立式筒状的一体结构，上部为圆筒状，下部为倒圆台筒状，里层为旋风分离仓501，外层为旋风换热仓502；所述旋风分离仓501自下而上分为集液区、旋风分离区和净化区，其燃气进气口5011和出气口5012分别经输气管道与蒸汽换热器4的出气口及冷却塔6的入气口相连接；所述旋风换热仓502设置导流板5021，所述导流板5021为不锈钢板呈螺旋状焊接于所述旋风换热仓502的内壁上，其水平宽度与所述换热仓的宽度相当；所述旋风换热仓502下部设置冷空气进气口5022，上部设置热空气出气口5023；

所述气化反应室，为侧吸式等离子垃圾气化反应室，如图4所示，包括自动上料装置111、初级气化区112、自动整平-碎焦装置113、等离子反应区、自动点火装置及炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统；炉内料位监测系统由2个微波料位探测仪组成，安装于初级气化区内的料层顶部；进出口温度检测系统安装于气体进口输送管和出口输送管口处；进出口压力监测系统安装于气体进口输送管和出口输送管处；炉温监测系统包括12个热电偶，均匀分布于所述初级气化区内。

所述自动上料装置111，位于初级气化区112的顶部，如图2所示，包括两级闸板阀1111和1113、一个料仓1112以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级闸板阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

所述初级气化区112，下部设置星型卸料器114；初级气化区112的耐火层由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成，其进气口位于初级气化区顶部；其出气口位于初级气化区的侧面；

所述整平-碎焦装置113，如图4所示，包括动力部分1131、整平部分1132和碎焦部分1134；动力部分1131位于初级气化区112的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；整平部分1132和碎焦部分1134位于初级气化区112的内部，分别套装固定于中心轴1133上，所述整平部分1132由十字型整平转臂组成，由中心轴1133带动，作上下动作和旋转运动对原料表面进行整平；所述碎焦部分1134由两组以上的搅动杆组成，每组4个搅动杆呈十字分布，由中心轴带动，作上下动作和旋转运动，以打碎结焦体、防止炉渣支架。所述自动整平-碎焦装置的所述液压推动装置的行程为50-500mm，所述减速电机的转速为5-20rpm。

所述自动点火装置，位于所述初级气化区的中部，包括3套由油枪、点火器和推进系统组成的自动点火装置；

所述等离子反应区是由二级细化区13和气体精炼区12两部分组成的一体结构，内径为1000mm，气体精炼区12位于二级细化区13上部，气体精炼区12的耐火层由碳纤维耐火混凝土浇筑而成，外围由不锈钢和陶瓷纤维保温层包裹；所述二级细化区13顶部进渣口通过输送管路连接于初级气化区112的排渣口，三支等离子体炬131安装于二极细化区底部同一水平面绕所述二极细化区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，底部设置排渣口；所述气体精炼区12底部的进气口通过输送管路连接于初级气化区的出气口，三支等离子体炬121安装于所述气体精炼区底部缩径口上方同一水平面绕所述气体精炼区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，所述缩径口直径为200mm。

所述气体精炼区12的出气口经输气管路连接于蒸汽换热器4的进气口；蒸汽换热器4的蒸汽出口通过输气管路经蒸汽缓冲罐3及其气动调节阀分别连接至初级气化区112和等离子二级细化区13的进气口；所述内外双旋风换热除尘器5的热空气出气口通过输气管路经空气缓冲罐及其气动调节阀分别连接至初级气化区112和等离子二级细化区13的进气口。

所述冷却塔6、除硫化氢喷淋器7、水环压缩机、气水分离器8和储气罐9依次通过输气管路依次相连，储气罐则9减压阀与用户端输气管网相连接。

所述的等离子垃圾气化装备的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)燃气生成：

上料和进气：生活垃圾经预处理作为原料通过自动上料系统进入气化反应室，第一道闸板阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，第一道闸板阀关闭，之后第二道闸板阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，第二道闸板阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入温度在200℃以上的蒸汽和/或160℃热空气组成的气化介质；

初级气化：原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，经整平后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，开始气化；气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-35％，其中初级气化区内的原料分为5层，分别为干燥层、热解层、氧化层、还原层、灰烬层，炉温监测系统不间断向控制台传输各个料层的温度，通过对进气量控制和整平装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整；形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经碎焦装置打碎后变为小颗粒炉渣经由星型卸料器送入等离子二级细化区；所产生的包括燃气的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，经输送管路送到等离子气体精炼区进行气体精炼；

在此过程中，各个层面的反应如下

⑤干燥层，温度约达100℃

该层通过200℃的空气和水蒸气对物料进行干燥，提取出物料中的H₂O，生成水蒸气。

⑥热解层和燃烧层，温度约500℃～1000℃

主要反应：

A：CH_1.4O_0.6+0.6O₂+1.6N₂→0.7CO+0.6H₂+0.3CO₂+0.1H₂O+1.6N₂

B：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

C：C+O₂→CO₂

D：C+CO→CO₂

该层通过生物质原料和脱挥反应的生成物部分氧化，并释放大量的热量，将区域温度提升至1000摄氏度以上，生成CO，H₂，CO₂，H₂O。

⑦还原层，温度约850℃

主要反应：

A：C+CO₂→2CO                  (还原反应)

B：C+H₂O→CO+H₂                (还原反应)

C：CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂  (氧化反应)

该层为无氧反应区，这些反应将炉床的温度降至750-800℃，任何在炉床上方生成，并残余的焦油在此将会被热解，并进一步增加混合气体的产气量，

CH_1.6O_0.6+0.4H₂O→CO+1.1H₂

部分在火焰热解中生成的二氧化碳在此同焦结发生碳溶损反应，并增加产出混合气体的能量密度

C+CO₂→2CO

部分在干燥和火焰热解过程中生成的水蒸气又同焦结反应，使混合气体中氢气含量增加

C+H₂O→CO+H₂。

⑧灰烬层

在还原层之下，就是灰烬收集区。每隔一段时间，灰烬就通过炉篦，聚集到气化炉底部。

等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，送至等离子二级细化区，由三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，配合蒸汽对炉渣进行高温裂解，利用6000℃以上的高温将炉渣中未反应完全的有机物再次气化，产生CO和H₂，并除掉炉渣中的二噁英和呋喃，最后剩余1/125-1/100的炉渣，其成分为熔融状态的无机物和金属，通过排渣系统排出，二级细化所产生的气体进入等离子气体精炼区进行气体精炼；

在此过程中，主要发生了如下反应：

少量的混合气化介质从炉蓖下方被注进混合气体当中，并进一步降低气体中焦油的含量，增加氢气含量和总的气体产量。

C+O₂→CO₂

C+H₂O→CO+H₂

2CO+O₂→2CO₂

C+CO₂→2CO

等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，被分别送至等离子气体精炼区，精炼区底部通过缩径处理，使燃气由于其惯性作用形成一条直径100-200mm的烟柱，三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，均匀分布于烟柱周围，形成直径150-300mm的焰心区域，对气体进行高温精炼，利用6000℃以上的高温热能破坏气体中二噁英、呋喃和木焦油等有害物质的化学键，使其完全分解，并在降温后不能重新聚合，之后气体进入过滤装置；

(b)气化介质预热：将所生成混合气经输气管道送入蒸汽热交换器和内外双旋风换热除尘器分别获得200℃以上的蒸汽和160℃以上的热空气，两者分别经蒸汽缓冲器和空气缓冲器，并在管道中混合后送入气化反应室中作为气化介质，或选择其中一种作为气化介质；

(c)燃气净化过滤：在水环压缩机的抽力作用下，生成的包括燃气的混合气经输气管道进入蒸汽换热器中，自动进行热量交换获得蒸汽并以输气管路送至气化反应室作为气化介质，同时发生杂质的沉降；继而进入内外双旋风换热除尘器，混合气中的颗粒物和木焦油等杂质进一步沉降的同时进行热量交换，即给冷空气预热获得热空气并经输气管道送至气化反应室作为气化介质；混合气紧接再依次进入冷却塔和除硫化氢喷淋器中进一步脱除杂质，并去除H₂S及HCl，最后进入气水分离器进行气水分离；

(d)燃气压缩储存：净化后的燃气在水环压缩机的作用下被压缩存入储气罐中，所述水环压缩机的排量范围是：90m³/h-1800m³/h，最大工作压力0.6MPa。

洁净的燃气进入储气罐中储存，以备用作发电或用能的储备燃气。

实施例2

另一种等离子垃圾气化装备，如图1所示，其装备的构成与实施例1相同，其不同之处主要在于其气化反应室，为下吸式等离子垃圾气化反应室，如图5所示，包括自动上料装置111、初级气化区112、自动点火装置、等离子反应区及炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统；

与实施例1所述的侧吸式等离子垃圾气化反应室不同处主要在于：

所述初级气化区112内设置振动炉蓖118和自动整平装置117；初级气化区112的出气口位于所述振动炉蓖118下方；

所述振动炉蓖118，如图6所示，设置于初级气化区112的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖1182是固定炉蓖，由多个截面为梯型不锈钢齿条呈正梯型放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖圈内侧形成，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖1181是活动炉蓖，由多个截面为梯型不锈钢齿条呈倒梯型放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖圈内侧形成，所述上层炉蓖与液压动力装置连接并连动；所述下层炉蓖的齿条与上层炉蓖的齿条对应咬合，并设定相邻的上下两层炉蓖的齿条咬合处的横向间隙为5-80mm；所述不锈钢齿条的上底宽约20mm，下底的宽约40mm，厚度为20-150mm。通过PLC自动控制系统控制所述液压动力装置带动所述上层炉蓖以不大于200次/分钟的频率振动；

所述自动整平装置117包括动力部分1171和整平器1173，如图5所示；所述动力部分1171位于初级气化区112的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器1173位于初级气化区112内部，包括套装固定于中心轴1172上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴1172、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合；所述自动整平装置117的液压推动装置的行程为50-500mm，所述减速电机的转速为5-20rpm。

所述等离子反应区由二级细化区13和气体精炼区12两部分组成的一体结构，内径为1000mm，气体精炼区12位于二级细化区13顶部；所述二级细化区13顶部进渣口通过输送管路连接于初级气化区112的排渣口，三支等离子体炬131安装于二极细化区底部料层上方并位于同一水平面绕所述二极细化区13相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，底部设置排渣口；所述气体精炼区12底部的进气口通过输送管路连接于初级气化区的出气口，另有三支等离子体炬121安装于所述气体精炼区12底部缩径口上方并位于同一水平面绕所述气体精炼区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，所述缩径口直径为200mm；所述气体精炼区12的耐火层由碳纤维耐火混凝土浇筑而成，外围由不锈钢和陶瓷纤维保温层包裹。

所述气化装置的垃圾气化工艺，与实施例1基本相同，所不同处仅在于：

所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经振动炉蓖的振动和挤压作用变为小颗粒炉渣经排渣口进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

实施例3

第三种等离子垃圾气化装备，如图1所示，其装备的构成与实施例1相同，其不同之处主要在于其气化反应室，为卧式等离子垃圾气化反应室，如图7所示，包括自动上料装置111、初级气化区112、自动点火装置、等离子反应区及炉温监测系统、炉内料位监测系统、进出口气体温度监测系统、进出口压力监测系统和火焰监测系统；

与实施例1所述的等离子垃圾气化反应室不同处主要在于：所述初级气化区内设置挫动式炉蓖115、链式炉调116和自动整平装置117，初级气化区112的进气口设置于所述炉蓖115和炉调116之间，出气口位于初级气化区112的顶部；

所述挫动式炉蓖115呈长方体结构，如图8所示，设置于初级气化区112的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖1152是固定炉蓖，由多个不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖挡板上形成，所述齿条的横截面为侧边为圆弧，上下边为直线的弧边平行四边形，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖1151是活动炉蓖，由多个横截面为三角形的不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖挡板上形成，所述上层炉蓖1151与液压推动装置连接并在后者的作用下左右挫动；在未发生挫动状态下，所述上下炉蓖的齿条的尖端相抵，整个炉蓖没有缝隙；上层炉蓖1151在液压推动装置作用下向下层炉蓖齿条方向挫动状态下，挫动的反方面形成20-500mm空隙；即所述挫动炉蓖工作时，活动炉篦动作在液压推动装置带动下，根据原料大小，向左推动20-500mm距离，再向右推动相同距离，即使原料碎裂并从空隙中排至下个系统。

所述链式炉调116位于初级气化区112的底部；

所述自动整平装置，与实施例2相同，包括动力部分和整平器；

所述等离子反应区是由二级细化区13和气体精炼区12两部分组成的分体结构，内径均为1000mm；

所述二级细化区13顶部进渣口经由星型卸料器114连接于初级气化区112底部的排渣口，三支等离子体炬131安装于二极细化区13底部料层上方并位于同一水平面绕所述二极细化区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，底部设置排渣口，中部设置出气口并通过输气管路经初级气化区的出气口连接气体精炼区12的进气口；

所述气体精炼区12放置于初级气化区112的顶部，气体精炼区12的进气口与初级气化区112的出气口相连通，三支等离子体炬121安装于所述气体精炼区12底部缩径口上方并位于同一水平面绕所述气体精炼区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，所述缩径口直径为200mm。气体精炼区12的耐火层由碳纤维耐火混凝土浇筑而成，外围由不锈钢和陶瓷纤维保温层包裹。

所述气化装置的垃圾气化工艺，与实施例1基本相同，所不同处仅在于：

所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经挫动式炉蓖的挫动和挤压作用变为小颗粒炉渣被排放至链式炉调上，并被输送至初级气化区的排渣口经由星型卸料器进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

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本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子垃圾气化装备，包括由输气管道相连接的气化反应室，蒸汽换热器和蒸汽缓冲罐，空气缓冲罐，冷却塔，除硫化氢喷淋器，水环压缩机，气水分离器，燃气储存罐，以及装备的控制系统，其特征在于：

还包括内外双旋风换热除尘器，所述内外双旋风换热除尘器为内外双层立式筒状的一体结构，上部为圆筒状，下部为倒圆台筒状，里层为旋风分离仓，外层为旋风换热仓；所述旋风分离仓自下而上分为集液区、旋风分离区和净化区，其燃气进气口和出气口分别经输气管道与蒸汽换热器的出气口及冷却塔的入气口相连接；所述旋风换热仓设置导流板，所述导流板为不锈钢板呈螺旋状焊接于所述旋风换热仓的内壁上，其水平宽度与所述换热仓的宽度相当；所述旋风换热仓下部设置冷空气进气口，上部设置热空气出气口；

所述气化反应室包括自动上料装置、自动点火装置、初级气化区和等离子反应区；

所述自动上料装置，位于初级气化区的顶部，包括两级闸板阀、一个料仓以及一个高低位料位监测器，所述料仓位于两级闸板阀之间，高低位料位检测器位于其料仓内部；

所述自动点火装置，位于所述初级气化区的反应室侧壁处，包括油枪、点火器和推进系统；

所述等离子反应区由二级细化区和气体精炼区两部分组成，内径为800～2000mm，气体精炼区在上，二级细化区在下；所述二级细化区的进渣口通过输送管路连接于初级气化区的排渣口，三支等离子体炬安装于二极细化区底部料层上方并位于同一水平面绕所述二极细化区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，底部设置排渣口；所述气体精炼区的进气管路分别与所述初级气化区和二级细化区相连接，并三支等离子体炬安装于所述气体精炼区底部缩径口上方并位于同一水平面绕所述气体精炼区相互之间呈120°夹角并与地面呈45°夹角，所述缩径口直径为100-200mm；

所述气体精炼区的出气口经输气管路连接于蒸汽换热器的进气口；蒸汽换热器的蒸汽出口通过输气管路经蒸汽缓冲罐及其气动调节阀分别连接至初级气化区和等离子二级细化区的进气口；所述内外双旋风换热除尘器的热空气出气口通过输气管路经空气缓冲罐及其气动调节阀分别连接至初级气化区和等离子二级细化区的进气口。

2.根据权利要求1所述的等离子垃圾气化装备，其特征在于：

所述等离子反应区是一体结构，气体精炼区位于二级细化区上部，所述气体精炼区的进气管路连接于初级气化区的上部侧壁的出气口；

所述初级气化区内设置整平-碎焦装置和星型卸料器；

所述整平-碎焦装置包括动力部分、整平部分和碎焦部分；动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；整平部分和碎焦部分位于初级气化区的内部，分别套装固定于中心轴上，所述整平部分由整平转臂组成，所述碎焦部分由两组以上的搅动杆组成；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述初级气化区的中心线重合；

所述星型卸料器设置于所述初级气化区的下部排渣口上方。

3.根据权利要求1所述的等离子垃圾气化装备，其特征在于：

所述等离子区是分体结构；

所述二级细化区顶部进渣口经由星型卸料器连接于初级气化区底部的排渣口，中部设置出气口并通过输气管路连接于气体精炼区的进气口；所述气体精炼区放置于初级气化区的顶部，气体精炼区的进气口与初级气化区的出气口相连通；

所述初级气化区内设置挫动式炉蓖、链式炉调和自动整平装置，初级气化区的进气口设置于所述炉蓖和炉调之间，出气口位于初级气化区的顶部；

所述挫动式炉蓖呈长方体结构，设置于初级气化区的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖是固定炉蓖，由多个不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖挡板上形成，所述齿条的横截面为侧边为圆弧，上下边为直线的弧边平行四边形，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖是活动炉蓖，由多个横截面为三角形的不锈钢齿条均匀平行放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖挡板上形成，所述上层炉蓖与液压推动装置连接并在后者的作用下左右挫动；在未发生挫动状态下，所述上下炉蓖的齿条的尖端相抵，整个炉蓖没有缝隙；上层炉蓖在液压推动装置作用下向下层炉蓖齿条方向挫动状态下，挫动的反方面形成空隙；

所述链式炉调位于初级气化区的底部；

所述自动整平装置包括动力部分和整平器；所述动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器位于初级气化区内部，包括套装固定于中心轴上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合。

4.根据权利要求1所述的等离子垃圾气化装备，其特征在于：

所述初级气化区内设置振动炉蓖和自动整平装置；

所述振动炉蓖，设置于初级气化区的中部，是上下两层分体结构；下层炉蓖是固定炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈正梯型放置并通过其两端固定连接于下层炉蓖圈内侧形成，所述固定炉蓖固定于所述初级气化区的耐火材料壁上；上层炉蓖是活动炉蓖，由多个梯型不锈钢齿条呈倒梯型放置并通过其两端固定连接于上层炉蓖圈内侧形成，所述上层炉蓖与液压动力装置连接并连动；所述下层炉蓖的齿条与上层炉蓖的齿条对应咬合，并设定相邻的上下两层炉蓖的齿条咬合处的横向间隙为5-80mm；通过PLC自动控制系统控制所述液压动力装置带动所述上层炉蓖以不大于200次/分钟的频率振动；

所述自动整平装置包括动力部分和整平器；所述动力部分位于初级气化区的顶部，由液压推动装置和减速电机组成；所述整平器位于初级气化区内部，包括套装固定于中心轴上的整平转臂；所述液压推动装置的缸头与减速电机相连接，减速电机的输出端与中心轴相连接，所述中心轴、减速电机的输出轴及缸头的中心线与所述气化区的中心线重合；

所述等离子反应区是一体结构，气体精炼区位于二级细化区上部，所述气体精炼区的进气管路连接于初级气化区位于所述振动炉蓖下方的出气口。

5.根据权利要求2-4任一所述的等到离子垃圾气化装备，其特征在于：

所述初级气化区的耐火层由硅酸铝耐火混凝土浇筑形成，保温层由陶瓷纤维包裹而成；所述气体精炼区的耐火层由碳纤维耐火混凝土浇筑而成，外围由不锈钢和陶瓷纤维保温层包裹。

6.根据权利要求2-4任一所述的等到离子垃圾气化装备，其特征在于：

所述自动整平-碎焦装置和自动整平装置的液压推动装置的行程为50-500mm，其减速电机的转速为5-20rpm。

7.一种如权利要求1所述的等离子垃圾气化装备的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)燃气生成：

上料和进气：生活垃圾经预处理作为原料通过自动上料系统进入气化反应室，第一道闸板阀打开，原料进入料仓，料位监测装置检测到高位信号时，第一道闸板阀关闭，之后第二道闸板阀打开，原料进入初级气化区，料位监测装置检测到低位信号时，第二道闸板阀关闭；同时，用鼓风机向气化反应室吹入温度在200℃以上的蒸汽和/或160℃热空气组成的气化介质；

初级气化：原料进入初级气化区后，在微波料位监测仪检测到高位信号后，停止进料，经整平后由自动点火系统进行点火，火焰监测装置监测火焰达到预定指标后，油枪退出炉膛，大气联通管关闭，开始气化；气化过程为缺氧燃烧，供气量为完全燃烧的28-35％，其中初级气化区内的原料分为5层，分别为干燥层、热解层、氧化层、还原层、灰烬层，炉温监测系统不间断向控制台传输各个料层的温度，通过对进气量控制和整平装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整；炉渣送入等离子二级细化区；所产生的包括燃气的混合气，包括CO、H₂、CH₄、C₂H₆、CnHm、N₂、CO₂，经输送管路送到等离子气体精炼区进行气体精炼；

等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，送至等离子二级细化区，由三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，配合蒸汽对炉渣进行高温裂解，利用6000℃以上的高温将炉渣中未反应完全的有机物再次气化，产生CO和H₂，并除掉炉渣中的二噁英和呋喃，最后剩余1/125-1/100的炉渣，其成分为熔融状态的无机物和金属，通过排渣系统排出，二级细化所产生的气体进入等离子气体精炼区进行气体精炼；

等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，被分别送至等离子气体精炼区，精炼区底部通过缩径处理，使燃气由于其惯性作用形成一条直径100-200mm的烟柱，三支等离子体炬相互呈120°夹角，与地平面呈45°角，均匀分布于烟柱周围，形成直径150-300mm的焰心区域，对气体进行高温精炼，利用6000℃以上的高温热能破坏气体中二噁英、呋喃和木焦油等有害物质的化学键，使其完全分解，并在降温后不能重新聚合，之后气体进入过滤装置；

(b)气化介质预热：将所生成混合气经输气管道送入蒸汽热交换器和内外双旋风换热除尘器分别获得200℃以上的蒸汽和160℃以上的热空气，两者分别经蒸汽缓冲器和空气缓冲器，并在管道中混合后送入气化反应室中作为气化介质，或选择其中一种作为气化介质；

(c)燃气净化过滤：在水环压缩机的抽力作用下，生成的包括燃气的混合气经输气管道进入蒸汽换热器中，自动进行热量交换获得蒸汽并以输气管路送至气化反应室作为气化介质，同时发生杂质的沉降；继而进入内外双旋风换热除尘器，混合气中的颗粒物和木焦油等杂质进一步沉降的同时进行热量交换，即给冷空气预热获得热空气并经输气管道送至气化反应室作为气化介质；混合气紧接再依次进入冷却塔和除硫化氢喷淋器中进一步脱除杂质，并去除H₂S及HCl，最后进入气水分离器进行气水分离；

(d)燃气压缩储存：净化后的燃气在水环压缩机的作用下被压缩存入储气罐中，所述水环压缩机的排量范围是：90m³/h-1800m³/h，最大工作压力0.6MPa。

8.根据权利要求7所述的垃圾气化工艺，其特征在于：

所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经碎焦装置打碎后变为小颗粒炉渣经由星型卸料器送入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

9.根据权利要求7所述的垃圾气化工艺，其特征在于：

所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经挫动式炉蓖的挫动和挤压作用变为小颗粒炉渣被排放至链式炉调上，并被输送至初级气化区的排渣口经由星型卸料器进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

10.根据权利要求7所述的垃圾气化工艺，其特征在于：

所述初级气化过程中形成的结焦灰渣或大颗粒炉渣经振动炉蓖的振动和挤压作用变为小颗粒炉渣经排渣口进入等离子二级细化区进行等离子二级细化。

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