CN102816606A - 一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法可用于制备富烃的高品质可燃气，系统由流化床气化反应器、旋风熔融炉、水蒸汽重整反应器、过热器、省煤器、烃类合成反应器、热管换热器、布袋除尘器、气体洗涤塔、脱水塔、引风机、压缩装置、储气罐和空分装置等组成。本发明是一种专门针对可燃固体废弃物能源化高效清洁利用的热转换技术，能制取富含烃类气体的可燃气，并能有效降低燃气中焦油、碳颗粒含量，回收可燃固体废弃物中的金属资源，实现二噁英等污染物的近零排放。系统最大限度地降低了制气成本，实现了资源的有效回收利用，整体热效率高，环境污染小，经济性强且安全可靠。

Description

一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法
技术领域
本发明涉及一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法，属于固体废弃物资源化处置领域。
背景技术
近年来，由于经济发展和气候变化，我国居民城市煤气用量大幅攀升，多个城市出现煤气供应紧张的情况，使得固体燃料气化制取可燃气技术受到广泛关注。传统气化制气以煤气化为主，但针对目前城市生活垃圾、农林废弃物等可燃固体废弃物产量激增、处理能力明显不足的情况，可燃固体废弃物气化制取可燃气、实现废物资源化利用更具吸引力。由于可燃固体废弃物气化特性与煤相差较大，煤气化技术不能直接应用在可燃固体废弃物上。国内外现有的可燃固体废弃物气化技术存在气化结焦、产气热值低、CO和焦油含量高等问题，满足不了国家人工煤气标准，故而制约了可燃固体废弃物气化技术推广使用。因此，如何改善可燃固体废弃物气化可燃气品质，提升气体热值并降低其中CO、焦油含量，获得可替代城市煤气使用的高品质可燃气，已成为我国城市发展中亟需解决的重大问题。
发明内容
技术问题： 针对目前可燃固体废弃物气化系统产气热值低、CO/焦油含量高、系统热效率低等问题，本发明提出了一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法，旨在通过提升可燃气热值，降低CO及焦油浓度，实现可燃固体废弃物气化产物作为城市煤气类燃气直接使用。
技术方案： 本发明的可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法为：流化床气化反应器以富氧为气化剂，可燃固体废弃物原料经加料斗、锁料仓、储料仓由第一给料器送入流化床气化反应器，空分装置分离出的富氧气体预热后由进风口通入流化床气化反应器的底部，经风室和布风板进入流化床气化反应器的气化反应区；脱硫脱氯剂经加料斗由第二给料器送入流化床气化反应器的气化反应区；气化得到的粗质可燃气由流化床气化反应器上部输送至旋风熔融炉，底渣经第一排渣口排出；
富氧气体由旋风熔融炉进风口给入，粗质可燃气在高温环境下实现焦油、碳颗粒二次裂解和灰分熔融，并彻底破坏二噁英及呋喃类有毒物质；高温熔融产生的熔渣由第二排渣口排出，经熔渣急冷室冷却后回收于密封渣斗；
净化后的高温可燃气由旋风熔融炉上部排出，进入水蒸汽重整反应器发生蒸汽重整反应，高温水蒸汽由进汽口喷入，生成的高温富氢可燃气依次流经过热器、省煤器进行余热利用，省煤器出来的富氢可燃气进入烃类合成反应器，反应合成的富烃可燃气进入热管换热器预热富氧气体后，依次流经布袋除尘器、气体洗涤塔和脱水塔进一步净化，净化可燃气再由引风机送至压缩装置压缩后收集在储气罐中；
给水一部分经烃类合成反应器吸收反应放热生成高温水蒸汽用于水蒸汽重整；另一部分给水经省煤器预热后进入过热器，加热产生的水蒸汽通入水蒸汽重整反应器，多余水蒸汽供给系统外用户；
富氧气体流经热管换热器后分别通入流化床气化反应器和旋风熔融炉。
所述的富氧气体中氧气浓度为25~98%；流化床气化反应器温度450~750℃，压力为0.1~2.5MPa，旋风熔融炉温度1100~1450℃，水蒸汽重整反应器温度800~1000℃，烃类合成反应器温度250~600℃。
有益效果： 采用现有的气化技术进行可燃固体废弃物气化时产气热值和系统整体热效率偏低，无法实现投资成本与产气品质的平衡，经济可行性较差。同时，气化产物中焦油和焦炭含量高，不仅带走了大量热量、降低了碳转化率，也容易造成管道堵塞和设备磨损，并引起环境的二次污染。此外，可燃气中毒性气体CO浓度偏高，不符合城市煤气的使用标准，影响了可燃固体废弃物气化的商业化推广应用。本发明结合富氧气化、水蒸汽重整、飞灰熔融及烃类合成等多项技术的优点，提出了一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法，可用于可燃固体废弃物的高值化能量利用。
针对可燃固体废弃物组分复杂、能量密度低、含硫和含氯较多等特点，本技术采用了以富氧为气化剂的低温加压流化床气化方法，并进行炉内喷钙脱硫和脱氯，其主要优势为：①由于富氧气体含氮量较少，富氧气化反应速率高、碳转化率大，产气热值远大于空气气化；②加压可有效提高气化产气能力，增强单位面积的气化强度，并为气体产物的输送提供足够的压力；③低温气化不仅能降低反应器结渣的可能性，还能在未被氧化的纯净状态下直接回收铁、铜、铝等金属，实现资源的合理利用；④炉内喷入CaCO3、CaO、Ca(OH)2和白云石等脱硫脱氯剂，有效阻止炉内H2S、HCl的形成，并限制了下游二噁英的产生，操作简单、成本低、收效好；⑤采用倾斜布风板，加强流化床内部循环，促使大颗粒物料在流化床底部形成定向流动，方便气化灰渣及时排出。                                               气化反应器温度控制在450~750℃左右，这主要是因为：当气化温度低于450℃时，由于热解气化反应过于缓慢，气体发生量受到抑制，未分解物在床内堆积量增大，焦炭、焦油和气化气产量均减少；当气化温度高于750℃时，低熔点灰分逐渐熔化，反应器内容易发生结渣影响流化床气化的正常进行。
本方法所采用的高温旋风熔融炉在提高燃气品质、降低气化污染方面效果显著，主要表现为：①焦油及焦炭在1100℃以上的高温下二次裂解后完全转化为可燃气，避免了焦油堵塞设备的风险，也解决了以往气化技术中碳颗粒流失严重，产气能力低的问题；②灰分高温熔融后与可燃气完全分离，可燃固体废弃物中有毒重金属固定于液态熔渣中，并可作为建筑材料；③采用粗质可燃气与富氧气体燃烧为熔融炉供热，不需添加复杂的供热设备，节约了投资成本，提高了能量利用率；④二噁英及呋喃等有毒物质在1100℃以上的高温下完全裂解破坏，系统可实现二噁英的近零排放。
由于旋风熔融炉出口处可燃气CO含量较高，超出了国家人工煤气标准的要求，不能直接用于城市居民使用。为使气化产物能作为城市煤气类燃气使用，本发明结合了水蒸汽重整与烃类合成反应，实现了以CO为主的高温可燃气向以甲烷为代表的富烃可燃气的转变，主要优点在于：①水蒸汽重整反应可有效提升可燃气H2/CO比例，为后续烃类合成提供足够H2，烃类合成反应中无需额外通入纯氢气，不仅节约了成本也增强了系统安全性；②富氢可燃气进行烃类合成反应后，CO浓度可有效控制在国家人工煤气标准范围内；③富烃可燃气性质稳定、能量密度高，满足国家人工煤气标准对热值的要求，气体的储存输送更加安全；④烃类合成反应器通入给水回收反应放热，生成高温水蒸汽，既保证烃类合成反应中催化剂不会由于温度过高而失活，又提高了系统能量利用率。
系统设有换热单元回收利用高温可燃气显热，采用过热器、省煤器及热管换热器进行热量梯级利用，不仅实现了可燃气的冷却降温，也预热了气化所需的水蒸汽和富氧气体，减少了系统能量损失。在富氧与可燃气换热过程中，由于可燃气和富氧气体容易发生反应爆炸，因此本发明采用两者互不接触的热管换热器，确保了系统的安全性。最后，采用布袋除尘器、气体洗涤塔以及脱水塔进行可燃气的进一步净化除尘，脱除CO2、H2S等酸性气体，提升富烃可燃气的纯度，得到中高热值的清洁可燃气。
附图说明
图1为本发明的可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法流程示意图。
图中有：流化床气化反应器1、加料斗1-1、锁料仓1-2、储料仓1-3、第一给料器1-4、加料斗1-5、第二给料器1-6、进风口1-7、风室1-8、布风板1-9、第一排渣口1-10、旋风熔融炉2、旋风熔融炉进风口2-1、第二排渣口2-2、熔渣急冷室2-3、密封渣斗2-4、水蒸汽重整反应器3、进汽口3-1、过热器4、省煤器5、烃类合成反应器6、热管换热器7、布袋除尘器8、气体洗涤塔9、脱水塔10、引风机11、压缩装置12、储气罐13、空分装置14。
可燃固体废弃物原料A、富氧气体B、脱硫脱氯剂C、底渣D、粗质可燃气E、熔渣F、高温可燃气G、富氢可燃气H、水蒸汽I、富烃可燃气J、粉尘K、净化可燃气L、给水M、空气N。
具体实施方式
本发明主要由流化床气化反应器1、旋风熔融炉2、水蒸汽重整反应器3、过热器4、省煤器5、烃类合成反应器6、热管换热器7、布袋除尘器8、气体洗涤塔9、脱水塔10、引风机11、压缩装置12、储气罐13、空分装置14组成。
本发明的可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法为：流化床气化反应器进行可燃固体废弃物的低温富氧加压气化，旋风熔融炉进行焦炭、焦油的二次裂解和飞灰高温熔融，可燃气经水蒸汽重整形成富氢气体。过热器、省煤器和热管换热器回收利用可燃气显热，烃类合成反应器对富氢可燃气进行催化重整，提高单位体积可燃气热值。烃类合成反应器出来的富烃可燃气再经布袋除尘器、气体洗涤塔和脱水塔进一步净化处理，得到的可燃气经压缩后由储气罐收集。
流化床气化反应器由气化反应区和底部的风室两部分组成，风室与气化反应区之间设置有布风板，风室的侧壁和底端分别设置有进风口和排渣口；流化床气化反应器的气化反应区上部与旋风熔融炉的进口连接；旋风熔融炉的侧壁和底部分别设置有进风口和排渣口；旋风熔融炉的可燃气出口与水蒸汽重整反应器的进气口连接；水蒸汽重整反应器的可燃气出口依次与过热器、省煤器连接；省煤器的出口与烃类合成反应器的进气口相连接；烃类合成反应器的出气口依次与热管换热器、布袋除尘器、气体洗涤塔、脱水塔、引风机、压缩装置和储气罐连接。
为了制备富氧气体，本发明系统中还包括空分装置，空分装置的出口分为两条支路，一条支路经过热管换热器后与旋风熔融炉的进风口连接，另一条支路经过热管换热器后与流化床气化反应器的进风口连接。
为充分回收利用旋风熔融炉出口高温可燃气显热，省煤器上设置有进水口，通过进水管道依次经过省煤器和过热器后制得高温水蒸汽。为回收利用烃类合成反应放热，给水通入烃类合成反应器对高温可燃气进行冷却降温，制得高温水蒸汽。高温水蒸汽一路与水蒸汽重整反应器的进汽口连接，一路向系统外提供水蒸汽。
本发明融合了富氧气化、飞灰熔融、水蒸汽重整及烃类合成等多项技术的优势。气化部分的具体特征是：以富氧气体为气化剂的加压流化床低温气化，采用倾斜布风板进行非均匀布风，并在炉内喷钙脱硫和脱氯。加压富氧气化在降低氮气影响的同时增大了气化反应速率，提高了气化处理能力，使得焦炭和焦油裂解转化率提高，可燃气热值增大。富氧气体由空分装置制取，氧浓度为25~98%，并预热至200℃以上送入温度为450~750℃、压力0.1~2.5MPa的流化床气化反应器。可燃固体废弃物在反应器内的低温气化可有效降低反应器结渣的可能性，同时回收铁、铜、铝等金属，实现废弃物的资源化利用。富氧气体由风室侧壁的进风口通入，经倾斜布风板，在流化床下部形成大颗粒定向流动，气化灰渣容易顺利排出。CaCO3、CaO、Ca(OH)2和白云石等脱硫脱氯剂由气化反应区加入，在炉内脱除HCl和H2S等，提高气化气的清洁度。
旋风熔融炉进行焦油、焦炭的二次裂解及灰分的熔融分离，通过粗质可燃气与富氧气体反应放热形成高温还原性熔融气氛，不需要复杂的外供热源，降低了设备成本和复杂程度。携带着焦油、焦炭和大量灰分的粗质可燃气由流化床气化反应器上部直接通入旋风熔融炉，在助燃富氧的作用下发生反应，熔融炉内维持1100~1450℃的高温还原性气氛，保证灰分能充分熔融并与气体分离。粗质可燃气中的焦油和焦炭发生二次高温裂解生成小分子气体，二噁英和呋喃等有毒物质也在高温下彻底分解破坏。裂解产物均随着可燃气由熔融炉上部排出，并进入出口处水蒸汽重整反应器发生水蒸汽重整反应，水蒸汽重整反应器温度控制在800~1000℃。通过水蒸汽重整可有效降低可燃气温度、提升可燃气的H2/CO比例。熔融炉中，灰分高温熔融并在强旋流和离心作用下被炉膛内壁捕获并由排渣口流出，经熔渣急冷室冷却后收集于密封渣斗中。可燃固体废弃物中有毒重金属稳定包裹在熔渣中，熔渣可按照普通固体废弃物填埋，也可作为建筑和路基材料。
由水蒸汽重整反应器出来的富氢可燃气通过过热器、省煤器进行放热后，通入烃类合成反应器进行烃类合成反应，得到以甲烷为代表的富烃可燃气。烃类合成反应器温度在250~600℃，给水通入烃类合成反应器内回收合成反应放热，生成高温水蒸汽。出口富烃可燃气再经热管换热器放热，预热富氧气体。在富氢气氛下，CO参与烃类合成反应后浓度降低，可燃气毒性减小，能够满足城市煤气CO的指标。高温水蒸汽一路用于水蒸汽重整反应，一路可供给系统外用户。
烃类合成反应器中产生的富烃可燃气首先进入布袋除尘器去除残余的细小粉尘，之后进入气体洗涤塔利用冷甲醇等吸收溶剂脱除富烃可燃气中的CO2、H2S、COS等酸性气体，最后经脱水塔脱除水分，得到富烃可燃气。气化产物经引风机送至压缩装置压缩后收集在储气罐中备用，或直接输送至用气场所。

Claims (2)

1. 一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法，其特征在于：流化床气化反应器（1）以富氧为气化剂，可燃固体废弃物原料（A）经加料斗（1-1）、锁料仓（1-2）、储料仓（1-3）由第一给料器（1-4）送入流化床气化反应器（1），空分装置（14）分离出的富氧气体（B）预热后由进风口（1-7）通入流化床气化反应器（1）的底部，经风室（1-8）和布风板（1-9）进入流化床气化反应器（1）的气化反应区；脱硫脱氯剂（C）经加料斗（1-5）由第二给料器（1-6）送入流化床气化反应器（1）的气化反应区；气化得到的粗质可燃气（E）由流化床气化反应器（1）上部输送至旋风熔融炉（2），底渣（D）经第一排渣口（1-10）排出；
富氧气体（B）由旋风熔融炉进风口（2-1）给入，粗质可燃气（E）在高温环境下实现焦油、碳颗粒二次裂解和灰分熔融，并彻底破坏二噁英及呋喃类有毒物质；高温熔融产生的熔渣（F）由第二排渣口（2-2）排出，经熔渣急冷室（2-3）冷却后回收于密封渣斗（2-4）；
净化后的高温可燃气（G）由旋风熔融炉（2）上部排出，进入水蒸汽重整反应器（3）发生蒸汽重整反应，高温水蒸汽（I）由进汽口（3-1）喷入，生成的高温富氢可燃气（H）依次流经过热器（4）、省煤器（5）进行余热利用，省煤器（5）出来的富氢可燃气进入烃类合成反应器（6），反应合成的富烃可燃气（J）进入热管换热器（7）预热富氧气体后，依次流经布袋除尘器（8）、气体洗涤塔（9）和脱水塔（10）进一步净化，净化可燃气L再由引风机（11）送至压缩装置（12）压缩后收集在储气罐（13）中；
给水（M）一部分进入烃类合成反应器（6）吸收反应放热生成高温水蒸汽用于水蒸汽重整；另一部分给水经省煤器（5）预热后进入过热器（4），加热产生的水蒸汽（I）通入水蒸汽重整反应器（3），多余水蒸汽供给系统外用户；
富氧气体（B）经热管换热器（7）后分别通入流化床气化反应器（1）和旋风熔融炉（2）。
2. 根据权利要求1所述的一种可燃固体废弃物气化制取富烃可燃气的方法，其特征在于所述的富氧气体中氧气浓度为25~98%；流化床气化反应器温度450~750℃，压力为0.1~2.5MPa，旋风熔融炉温度1100~1450℃，水蒸汽重整反应器温度800~1000℃，烃类合成反应器温度250~600℃。
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