CN102449123B - 有机废物的气化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

气化器运行，将启动热源与用于驱动废物气化的粗合成气燃烧结合。燃烧烟道气可以被保持高于650℃直至达到骤冷以防止形成二恶英。过量热通过热回收单元释放。气化器可以以分批模式运行，以有效处理小型设施(例如船舶、公寓大楼、医院和住宅)的小批量废物。

Description

有机废物的气化方法和装置
技术领域
本发明涉及废物处理和有机材料的气化。更具体地，本发明涉及在小规模设施中将有机废物气化的改进的方法和装置。
背景技术
市政废物最常被送往垃圾填埋场或焚化。对许多市政当局而言，垃圾填埋场优于焚化，因为基础设施成本较低，且对来自焚化的即时空气污染的担忧较少。来自焚化的热可用于发电。
多氯化二苯并二恶英（PCDDs），或简称为二恶英，是重要的一类多卤化化合物，因为它们是环境污染物。在氯存在下燃烧有机材料时，无论氯是以氯离子还是有机氯化合物形式存在，都以小浓度产生二恶英。在含氯物质（例如PVC，聚氯乙烯）的市政焚化中作为副产物生成二恶英。在焚化中，在废气冷却经过650℃至250℃的温度范围时，在烟囱上方的气氛中也可形成二恶英。通过将废气快速骤冷经过该400℃范围，可实现二恶英量的降低。因此，在常规气化系统中避免了二恶英的形成问题。
市政废物气化设施并未如焚化炉那样广泛使用。气化设施常用于将煤转化成燃料气。在气化中，在减少的氧气或空气供应的存在下加热废物，以产生氢气和一氧化碳的合成气。
该合成气含有焦油，可以使用第二气化器将焦油转化成合成气。在燃烧合成气之前，可将其洗涤以除去污染物。该合成气可然后用作发电或其它能量需求的燃料供应。在2008年4月17日的PCT公开WO2008/044216中，本申请的申请人描述了将小批量废物气化以制造洁净合成燃料气的废物处置系统。通过燃烧燃料源以及少量引入的空气将主气化室加热，以产生粗合成气（含有焦油），然后将其送往第二气化室，第二气化室由燃烧或电燃料源加热至最佳气化温度，以产生基本不含焦油的合成气。可以将该合成气骤冷和清除其它污染物（例如酸性气体），其然后在可得时可替代驱动气化法的常规燃料源。合成气是净化的，由合成气产生的燃烧气体是洁净的，并可作为烟道气直接送入大气。当该分批法完成时，留下少量碳质残留物，通常少于原始体积的10％，和少量各种滤出的污染物。
发明概述
已经发现，可以控制粗合成气的生产，以便能有效洗涤含有粗合成气的燃烧产物的烟道气。可由此省去第二气化系统。在一些实施方案中，将粗合成气送入合适的配有常规热源（通常是烃燃料燃烧器）的高温燃烧区，在此使合成气燃烧，并使用热燃烧产物将气化室加热。烟道气的洗涤使用可处理预定流速的气体的设备。控制气化器的加热以及控制可进入该气化器的工艺空气的量可确保生成的粗合成气的量处在该洗涤设备的能力之内。
还已经发现，可以控制粗合成气的燃烧以及任何附加燃料的燃烧，以在与气化室的热交换全程中使烟道气的温度保持高于650℃（优选地高于700℃）直至将烟道气骤冷和洗涤。通过控制烟道气避免降至低于650℃，大大地减少了二恶英的形成。这种发现在小型分批模式气化器的情况中以及在较大的连续进料气化器的情况中是有用的。
气化器运行，将启动热源与用于驱动废物气化的粗合成气燃烧结合。燃烧烟道气可以被保持高于650℃直至达到骤冷以防止形成二恶英。过量热通过热回收单元释放。气化器可以以分批模式运行，以有效处理小型设施（例如船舶、公寓大楼、医院和住宅）的小批量废物。
附图简述
通过对本发明实施方案的下述详细描述并参照附图更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的第一实施方案的气化器的框图；
图2是根据第二实施方案的用于产生燃烧气体的燃烧室的截面正视图，该燃烧气体与气化室的热交换器连通；且
图3是根据一个实施方案的骤冷和洗涤器系统的更详细的图。
发明详述
该方法始于通过加载口14将废物（例如废物的标准垃圾袋）加载到气化室12（见图1）中。启动真空泵13并点燃柴油燃烧器18。尽管在本实施方案中选择了柴油燃料，但要认识到，可以采用能够提供所需热能和温度的任何热源。通过O2传感器48测量最终废气流的氧含量。O2传感器48使所述方法能够将燃烧区21中的氧控制在调节的限度内，通常在烟道气中6％-12％。使气化室12的压力保持在固定设定点，略低于大气压。通过内部相对负压将工艺空气26吸入气化室12。通过穿过燃烧区21中的小的热交换通道将工艺空气26加热。通过比例阀（源22的一部分）控制流速，并通过流量传送器24监测流速。通过流量传送器24测量流速，并调节阀以相应地降低或提高流速。在运行中，将工艺空气进料速率控制在0至20scfm之间，并用于将气化过程加速或减速，由此控制生成的合成气的量。当合成气的燃烧在烟道气中产生太高温度时，可能需要降低合成气产量。
在启动后，随着该方法加热气化室12，气化室12内的废物开始分解成合成气。经开口将通过被加热的废物产生的粗合成气20送入燃烧区21。合成气开始燃烧，导致燃烧区21中提高的O2需求；这触发使燃烧空气进料28进入燃烧区21的回路。通过使用传感器34测量废气流的O2含量和燃烧区温度，确保所有合成气20充分燃烧。使废气流O2含量保持等于或高于为完全燃烧而确立的设定点。合适的设定点可以为6％至12％O2含量。通过流量传送器30监测燃烧空气流速，通过源28中的配量阀控制燃烧空气流速。
当燃烧区21中的温度达到大约1100℃的设定点且燃烧空气进料29超过一定进料速率（大约25立方英尺/分钟）时，关闭柴油燃烧器18；这意味着生成足以维持燃烧的合成气而不需要柴油。通过使用用于加热的两级柴油燃烧器18和通过控制气化室12中的条件，包括工艺空气22进料速率、加热速率和使用混合器16混合，使燃烧区21中的温度保持恒定，以控制生成的合成气20的量。在高能合成气生产的情况下，可以使用水喷嘴32将水喷到气化室12上和/或喷到燃烧区21中以控制温度。喷洒的水蒸发并从气体中吸收热；其再冷凝和收集在洗涤器44中。
如果合成气品质下降和温度下降，则柴油燃烧器18可以再点火，以维持对运行而言充足的温度。为防止在烟道气中形成二恶英，使用传感器38，优选刚在骤冷40前的位置，测量烟道气的温度，如果温度降至低于650℃，则重要的是使烟道气的温度再升高以避免可能的二恶英形成。为此目的，重启柴油燃烧器18。因此，在燃烧区21中使用传感器34和在烟道气废气中使用在骤冷40前的传感器38测量温度。
在烟道气为560℃至610℃时，测得二恶英含量为0.11纳克/立方米。在一些市政当局，法定限额低至0.1纳克/立方米，使用高于610℃的温度预计可满足这种限额。
尽管在上述实施方案中监测烟道气温度，但要认识到，这可以通过测量气化室12温度来间接测量。
水喷嘴32用于在停工过程中将气化室12冷却和“冷冻”底部灰分以防止灰分中的碳的过度气化；如果发现燃烧室21中的温度太高，则水喷嘴32还用于喷水，以降低离开主室的合成气的品质。任何室中的温度不应超过1250℃。气化系统内的主导温度为气化室12底部的不锈钢温度。该温度不能超过材料的工作温度范围。这通常设为775℃。
通过三个参数测量粗合成气20生产速率。首先，测量确保合成气燃烧所需的空气22、26的量（加上固定量的过量空气）；通过化学计算推导，评估合成气生产速率。第二个参数是真空旁通控制阀50的位置。如果燃烧区21和气化室12保持在恒定压力，可以通过真空旁通控制阀50的位置测量粗合成气生产速率（例如，不依赖于控制工艺空气源22）。通过液体环真空泵42保持燃烧室12中的负压（例如90kPa绝对值）。通过真空旁通阀50控制真空度。要认识到，可以提供其它布置以控制压力。
在合成气20生产开始时，气化室12中的压力升高，真空旁通控制阀50关闭以保持足以使压力保持恒定的吸力，真空旁通控制阀50的位置与合成气生产速率相称。第三个参数是气化室12的温度（通过传感器36测得）；气化可估计在高于350℃的室温度开始。
一旦确定产生了合成气，立即喷射燃烧空气28、29以确保出口46处的恒定废气排放。基于上述参数通过工艺控制器15来计算确定空气的正确量。工艺控制器15可包括固定电路、微控制器、FPGA、DSP或被编程以发挥控制回路功能的更完整的计算机。另外，控制器15也可记录在运行过程中测得的值并提供运行报告或日志。现在描述这一步骤的控制回路。
借助燃烧柴油燃料的小型引燃器（燃烧器18的一部分）进行从燃烧柴油燃料到燃烧合成气的过渡。小型燃烧器在燃烧区21中位于合成气20进入燃烧区21的入口处。在合成气品质未到最佳时，使用引燃火焰确保合成气在合成气生产的早期阶段充分燃烧。“差”合成气的这种区间持续大约10分钟。
在一个实施方案中，燃烧区21具有两个燃烧器，一个主燃烧器，一个引燃器。或者，可以使用两级燃烧器。在温度如上所述升高时，关闭主燃烧器。混合器16缓慢翻转气化室12中的废物，与废物不动时的情况相比，这使得较多的废物与热的底和工艺空气22、26接触，由此使气化反应更快更稳定地发生。通过使废物保持运动还避免了工艺空气引导问题。提供发动机（未显示）以使混合器16翻转。在气化室12内的温度达到350℃时，通过控制器15启动混合器发动机。混合器16应始终保持开动，但是在合成气产量太高的情况下可以停止混合器16以降低合成气产量。
自动化回路控制发动机的抗堵塞性。如果发动机和轴受到气化室12中障碍物的抗力，则传送到发动机的电流达到峰值。监测这种峰值并使发动机反向。如果发动机在一分钟内反向三次，它就关闭，并可以手动重启。
洗涤器44是湿式洗涤器。由于燃烧废气经过洗涤器，洗涤器44中的水变成酸性的。通过将液态苛性钠添加到再循环线路中，中和该酸度。可以使用pH计监测洗涤器中的酸度并打开通往苛性碱罐的阀，苛性碱可基于设定的pH值（例如7）通过重力加入再循环线路中。
图3显示了骤冷40、泵42和洗涤器44布置的一个实施方案的细节，还显示了水循环泵43、苛性碱储器45和排气过滤器49。骤冷40和洗涤器44中所用的水利用泵43循环经过热交换器47，即50kW热回收单元，即相当于将水以45升/分钟的速率从40℃冷却至25℃。被冷却的水然后用在骤冷40中并用于洗涤塔44的洗涤器喷淋器。尽管可以以0.5升/批废物的量添加来自苛性碱储器45的10％NaOH，但要认识到，其可以作为测量pH的结果在控制器15的控制下手动或自动添加。当气化器以连续模式运行并在加工进行时添加废物时，最好以连续方式进行再循环回路的pH的平衡。经由排泄阀和过滤器49排空再循环回路中的过量水。排出的水量可以为大约10至20升/批。可以响应洗涤器44中的水位传感器由控制器15自动控制排泄阀。
在一些实施方案中，洗涤器44中的水位应保持恒定。液体环真空泵42控制系统的真空，依赖于来自再循环线路（其又由洗涤器水储器供料）的恒定流量。该方法生成水，一些水以蒸气形式排出，确切量可变，因此洗涤器44配有由水位传感器控制的自动填充和排泄装置。例如，在洗涤器中可以使用两个振动叉式水位传感器。当它们在水下或在空气中时，它们发出信号。这两个分叉相距2英寸，一个在另一个上方。理想的水位在两个传感器之间，因此下方传感器始终在水下，上方传感器始终在水上。如果下方传感器由于水位降低而暴露，填充阀启动并向洗涤器填充新鲜水直至浸没下方传感器。如果由于水位升高而浸没上方传感器，则排泄阀打开直至上方传感器在水上。
洗涤器水温是影响液体环真空泵42的抽吸能力的重要参数。洗涤器水不应超过50℃。使洗涤器水再循环至骤冷40。骤冷混合温度不应当超过60℃。所述“混合温度”是骤冷40与环泵42之间的废气和骤冷水的流的温度。系统中的所有水是闭环，并使用热交换器47除去积聚在再循环水中的任何过量热。
从单元47中回收的热可用于建筑物空气加热用途（直接热水散热器或在强制空气炉中）、用于储热、用于将热水预热、作为热泵的热源或其它工业用途。
要认识到，在将所得废气冷却至大约40℃时，热交换器47除去整个气化系统生成的大多数热。这种低温废气有助于气化系统的安装，因为可以使用常规加热或厨用通风道将废气排放到建筑物外而不使用高温烟囱管道。单点热回收也比在使用第二气化器并净化合成气的气化系统中回收热简单，因为然后在合成气洗涤器中和然后单独在烟道气中都可回收热。
要认识到，可以对上述实施方案做出许多变动。例如，可以将燃烧器换成各种热源，在一些情况下，丙烷或天然气比柴油优选作为可燃燃料。
燃烧区21可以换成如图2中所示的燃烧室21'。这可用于提高系统在合成气燃烧方面的能力，并因此提高系统的废物加工能力。燃烧室21'从气化室12接收合成气20。合成气20由于燃烧室21'的压力低于气化室12而被吸入燃烧室21'中。燃烧室21'具有圆柱形混合区21a，混合区21a切向接收合成气流20，合成气流20螺旋并且流入燃烧区21b，来自口29的燃烧空气在此注入点燃区中。燃烧室21'具有耐火衬里21c和合适的绝热材料21d。混合区21a是合成气进入室中并与引燃器（即柴油燃烧器18的一部分）接触的地方。在混合区中将合成气20加热和混合。然后迫使合成气与燃烧空气29接触，在此将其点燃并燃烧。将来自燃烧室21'的废气21e导入围绕气化室12的热交换区中，在此将来自废气的热送回该方法。
气化器系统的额外细节可见于2009年4月13日提交的共同待审的美国专利申请序号12/445,455中，其内容经此引用并入本文。
上述实施方案中所示的气化系统是作用于分批废物（例如废物的单个大的家用垃圾袋）的小规模装置。借助这种规模的系统，生成的合成气的量足以驱动大部分分批周期的气化法，但是，对大多数家庭垃圾而言，没有显著过量的合成气供其它用途使用。本发明可用于较大设施或连续气化系统。在这些情况下，可产生显著过量的合成气。可认识到，除了与向气化室提供热的燃烧分开地使用粗合成气作为燃料外，要用于除驱动气化法外的用途的粗合成气可以由第二气化器处理和洗涤，以产生洁净的合成气供应。
当将废物连续进给到气化室12中时，如使用斜槽或进料螺杆机制那样，可以控制置于气化室12中的废物的量，以使该室的温度保持例如高于650℃，以使烟道气保持足够高。或者，可以先将固体燃料源（例如合适的煤）添加到气化室12中，以使启动阶段可低于600℃而不产生二恶英。一旦气化室12中的温度达到大约650℃，可以进行废物添加而不在烟道气中产生二恶英。
可以认识到，本发明的燃烧室与气化室的外表面可以是直接热交换的关系。在一些实施方案中，气化室基本处于燃烧室内。
已参照优选实施方案描述本发明。按照附图的描述意在帮助理解本发明，而非限制其范围。本领域技术人员显而易见的是，可以在不背离如本文所述的本发明范围的情况下对本发明作出各种修改，本说明书意在涵盖此类修改。

Claims (30)

1.气化废物处理器，包括：
气化室，其具有受控的工艺空气输入和粗合成气输出；
向主气化室提供工艺热的燃烧室，所述燃烧室具有主燃烧器、粗合成气进料和受控的燃烧空气输入，以燃烧所述粗合成气；
洗涤器，用于净化被骤冷的来自所述燃烧室的烟道气，该烟道气被直接送入大气；
温度传感器，用于测量所述烟道气在骤冷之前的温度；和
控制器，用于当所述烟道气温度指示有形成二恶英的危险的温度时使所述主燃烧器运行。
2.如权利要求1中所述的处理器，其中所述控制器控制所述主燃烧器的运行，以在由所述燃烧室中粗合成气的燃烧提供热时减少所述主燃烧器的热贡献。
3.如权利要求1中所述的处理器，进一步包括用于感测所述烟道气中的氧含量的氧传感器，其中所述工艺控制器根据在所述烟道气中感测的氧含量控制所述燃烧空气输入。
4.如权利要求2中所述的处理器，进一步包括用于感测所述烟道气中的氧含量的氧传感器，其中所述工艺控制器根据在所述烟道气中感测的氧含量控制所述燃烧空气输入。
5.如权利要求1中所述的处理器，进一步包括用于冷却所述燃烧室中的温度的喷水系统。
6.如权利要求2中所述的处理器，进一步包括用于冷却所述燃烧室中的温度的喷水系统。
7.如权利要求3中所述的处理器，进一步包括用于冷却所述燃烧室中的温度的喷水系统。
8.如权利要求4中所述的处理器，进一步包括用于冷却所述燃烧室中的温度的喷水系统。
9.如权利要求5中所述的处理器，进一步包括至少一个用于感测所述燃烧室中的温度的温度传感器，所述工艺控制器在粗合成气的燃烧造成所述燃烧室中的高温时激活所述喷水系统。
10.如权利要求6中所述的处理器，进一步包括至少一个用于感测所述燃烧室中的温度的温度传感器，所述工艺控制器在粗合成气的燃烧造成所述燃烧室中的高温时激活所述喷水系统。
11.如权利要求7中所述的处理器，进一步包括至少一个用于感测所述燃烧室中的温度的温度传感器，所述工艺控制器在粗合成气的燃烧造成所述燃烧室中的高温时激活所述喷水系统。
12.如权利要求8中所述的处理器，进一步包括至少一个用于感测所述燃烧室中的温度的温度传感器，所述工艺控制器在粗合成气的燃烧造成所述燃烧室中的高温时激活所述喷水系统。
13.如权利要求1至12任一项中所述的处理器，其中当所述烟道气温度指示有形成二恶英的危险的温度时，工艺控制器使合成气产量提高。
14.如权利要求13中所述的处理器，其中当所述烟道气温度指示650℃的温度时，工艺控制器使合成气产量提高。
15.如权利要求1至12和14任一项中所述的处理器，其中通过增加所述气化室中的工艺空气流来提高合成气产量。
16.如权利要求1至12和14任一项中所述的处理器，进一步包括在所述气化室内运行的用于混合所述废物的混合器，其中通过所述混合器的运行提高合成气产量。
17.如权利要求1至12和14任一项中所述的处理器，其中所述气化室包括适合在气化前将所述废物置于所述室中的锁闭舱口。
18.如权利要求1至12和14任一项中所述的处理器，其中所述气化室包括适合在气化前将所述废物置于所述室中的锁闭舱口，所述控制器适合控制至少所述主燃烧器的运行以在相当于单批的工艺周期中处理所述废物。
19.如权利要求1至12和14任一项中所述的处理器，其中所述洗涤器包括热回收系统。
20.如权利要求19中所述的处理器，其中所述洗涤器是湿式洗涤器，且所述热回收系统是从在所述洗涤器中循环的水中移除热的热交换器。
21.气化方法，包括：
将物质加热至足以产生粗合成气的温度；
燃烧所述粗合成气以生成热的燃烧气体；
在所述燃烧气体和热吸收器之间交换热，以产生较冷的烟道气；
将所述烟道气骤冷和洗涤，该烟道气被直接送入大气；
监测在所述交换热之后但在所述骤冷和洗涤之前的烟道气温度，和控制工艺参数，以使所述烟道气温度保持高于可形成二恶英的水平。
22.如权利要求21中所述的方法，其中所述热吸收器是气化室。
23.如权利要求22中所述的方法，其中在与粗合成气共用的燃烧区中燃烧外来的燃烧燃料。
24.如权利要求23中所述的方法，其中根据可得的粗合成气控制所述外来燃料的燃烧。
25.如权利要求21至24任一项中所述的方法，其中从所述骤冷和洗涤中回收热。
26.如权利要求21至24任一项中所述的方法，其中以分批模式对一定量的所述物质进行所述方法。
27.如权利要求25中所述的方法，其中以分批模式对一定量的所述物质进行所述方法。
28.如权利要求21至24和27任一项中所述的方法，进一步包括通过与所述骤冷和洗涤中所用的水低温热交换，从所述烟道气中移除热。
29.如权利要求25中所述的方法，进一步包括通过与所述骤冷和洗涤中所用的水低温热交换，从所述烟道气中移除热。
30.如权利要求26中所述的方法，进一步包括通过与所述骤冷和洗涤中所用的水低温热交换，从所述烟道气中移除热。
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