CN102329655A - 侧吸式等离子垃圾气化反应室及其气化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧吸式等离子垃圾气化反应室及其气化工艺，所述气化反应室包括自动上料装置、初级气化区和等离子反应区、自动整平-碎焦装置、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，等离子反应区是由二级细化区和气体精炼区两部分组成的一体结构，气体精炼区位于二级细化区上部；所述气化工艺，包括如下步骤：自动上料；初级气化；等离子二级细化；等离子气体精炼。本发明利用垃圾本身的热值产生燃气，再使用等离子体炬对所产生的燃气和炉渣进一步加工，去除其内所含的有害物质，加大气体产量，减少废渣排放，降低了垃圾气化的一次性投入成本及运营成本，并使燃气更加纯净。

Description

侧吸式等离子垃圾气化反应室及其气化工艺

技术领域

本发明涉及生活垃圾等离子气化发电技术，尤其涉及一种侧吸式等离子垃圾气化反应室及其气化工艺。

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，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问题，本发明旨在公开一种侧吸式等离子垃圾气化反应室及其气化工艺，利用垃圾本身的热值产生燃气，再使用等离子体炬对所产生的燃气和炉渣进一步加工，去除其内所含的有害物质，并加大气体产量，减少废渣排放，降低了垃圾气化的一次性投入成本及运营成本，并使燃气更加纯净，从而更具使用意义和推广价值。

本发明技术的解决方案是这样实现的：

一种侧吸式等离子垃圾气化反应室，包括上料装置、初级气化区、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，其特征在于：

还包括自动整平-碎焦装置和等离子反应区；

所述上料装置为自动上料装置，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；

所述初级气化区，下部设置星型卸料器；

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；

所述点火装置为自动点火装置，位于所述初级气化区的中部，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的一体结构，内径为800～2000mm，气体精炼区位于二级细化区上部；所述二级细化区顶部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。

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。

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，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。

进一步的，所述炉温监测系统包括4-16个热电偶，均匀分布于所述初级气化区内。

所述等离子垃圾气化反应室的产气范围是：90m³/h～21600m³/h，工作压力范围为0～0.8Mpa(表压)。

所述的气化反应室的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)自动上料：经过预处理的垃圾原料进入自动上料系统，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；

(b)初级气化：经过预处理的垃圾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，由自动整平-碎焦装置进行整平，之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-碎焦装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整；所述整平-碎焦装置对结焦炉渣或大颗粒炉渣进行打碎；炉渣通过星型卸料器送入等离子二级细化区；所产生的混合气经输送管路送到等离子气体精炼区进行气体精炼；

(c)等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，通过输送管道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经输送管路送至等离子气体精炼区进行气体精炼；

(d)等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，通过输送管道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。

所述等离子垃圾气化反应室的产气范围是：90m³/h～21600m³/h，工作压力范围为0～0.8Mpa(表压)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是显而易见的：

首先，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，这样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。

其次，本发明利用等离子体炬高温处理所产的燃气，可安全稳定的去处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。

第三，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。

第四，本发明利用侧吸式原理处理垃圾产生可燃气体，采用中心供风，使风力供给更加均匀，使大炉径气体发生器的气化效率、气化强度更高，炉内温度和火层更易控制。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是上料装置的结构示意图。图中，

111  自动上料装置    1111，1113  一级、二级闸板阀    1113  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

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

具体实施方式

一种侧吸式等离子垃圾气化反应室，如图1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，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1112位于两级闸板阀1111和1113之间，高低位料位检测器位于其料仓1112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111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，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1133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的排渣口，三支等离子体131炬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12底部缩径口上方同一水平面绕所述气体精炼区12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。

所述的气化反应室的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)自动上料：经过预处理的垃圾原料进入自动上料系统，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；

(b)初级气化：经过预处理的垃圾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，由自动整平-碎焦装置进行整平，之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30％，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-碎焦装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整，形成混合气；所述整平-碎焦装置对结焦炉渣或大颗粒炉渣进行打碎；

炉渣通过星型卸料器送入等离子二级细化区；所产生的混合气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。

(c)等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，通过输送管道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1/120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经输送管路送至等离子气体精炼区进行气体精炼；

在此过程中，发生如下反应：

少量的辅助氧化剂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

(d)等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，分别通过输送管道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。

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 (5)

1.一种侧吸式等离子垃圾气化反应室，包括上料装置、初级气化区、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，其特征在于：

还包括自动整平-碎焦装置和等离子反应区；

所述上料装置为自动上料装置，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；

所述初级气化区，下部设置星型卸料器；

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；

所述点火装置为自动点火装置，位于所述初级气化区的中部，包括油枪、点火器和推进系统；

所述等离子反应区是由二级细化区和气体精炼区两部分组成的一体结构，内径为800～2000mm，气体精炼区位于二级细化区上部；所述二级细化区顶部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。

2.根据权利要求1所述的气化反应室，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，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。

3.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

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。

4.根据权利要求1所述的生物质气化反应室，其特征在于：

所述炉温监测系统包括4-16个热电偶，均匀分布于所述初级气化区内。

5.一种如权利要求1所述的气化反应室的垃圾气化工艺，包括如下步骤：

(a)自动上料：经过预处理的垃圾原料进入自动上料系统，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；

(b)初级气化：经过预处理的垃圾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，由自动整平-碎焦装置进行整平，之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-碎焦装置的动作对炉内的5个层面进行控制和调整；所述整平-碎焦装置对结焦炉灰渣或大颗粒炉渣进行打碎；炉渣通过星型卸料器送入等离子二级细化区；所产生的混合气经输送管路送到等离子气体精炼区进行气体精炼；

(c)等离子二级细化：初级气化产生的炉渣，通过输送管道以星型卸料器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经输送管路送至等离子气体精炼区进行气体精炼；

(d)等离子气体精炼：初级气化和二级细化所产生的混合气，通过输送管道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。

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