CN103471104B - 一种内循环流化床富氧气化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内循环流化床富氧气化装置，包括气化炉本体、富氧发生装置、多风室布风装置、进料装置和出渣装置；所述气化炉本体包括位于下部的密相区和位于上部的稀相区，密相区和稀相区通过一个喉部区域相连；在密相区的底部布置有配备定向风帽的多风室布风装置，并与富氧发生装置相连接；在密相段和稀相段的交界处为进料装置的出口，在密相段底部多风室布风装置与气化炉本体的间隙处为出渣口，出渣口下布置有出渣装置。本系统可高效的实现垃圾、生物质等废弃固体有机质的热解气化，并且具有气化速度快、转化效率高、排渣残碳少、污染物易于控制等优点。

Description

一种内循环流化床富氧气化装置

技术领域

本发明涉及固体有机废弃物的热解气化领域，特别涉及一种内循环流化床富氧气化装置。

技术背景

随着国家经济快速发展，以城市生活垃圾为首的有机固体废弃物产生量急剧增长，处理问题迫在眉睫。

目前我国垃圾处理主要采用填埋法、堆肥法和焚烧法。填埋场极易产生富含甲烷的填埋气，引起爆炸，还会产生大量垃圾渗滤液，其中含有重金属、有毒有害的有机化学污染物及大量病毒病原菌。堆肥法由于垃圾分类不精细，造成肥料品质较低难以销售。焚烧法处理城市生活垃圾时，由于生活垃圾中含有大量含氯塑料及重金属物质，燃烧时极易造成剧毒性致癌物质“二噁英”污染。“二噁英”难以在线监测且累积效应严重，随着空气吸入及食物链进入人体且极难被排出，具有强烈的致癌、致畸作用，同时还具有生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性。

由于垃圾成分的多样性、易变性、焚烧过程影响因素的复杂性等，现阶段垃圾焚烧技术不可避免的容易对环境造成的二噁英、重金属等二次污染，因此国外学者提出垃圾热解气化熔融技术，该技术可以有效地防止垃圾焚烧过程中的二恶英和重金属污染物生成。垃圾进入流化床气化炉之后，通过外部热源加热或者部分燃烧放热使其温度升高，其中的有机可燃物质分解为可燃气体和灰渣，之后可燃气体进入后续工艺燃烧放热，实现其能量的资源化利用，而灰渣通过高温熔融成液态，之后冷却形成玻璃态的固体熔渣，实现其无害化。

虽然垃圾气化熔融技术在环保性上相比传统的垃圾焚烧拥有巨大的优势，但是垃圾气化熔融技术需要垃圾的热值较高才能保证足够的气化炉温度及合成气热值。一旦气化炉达不到合适的温度则无法保证足够的气化率，导致底渣含碳量过高，造成能量浪费；而合成气热值不够则会导致在无辅助燃料的情况下后续的熔融炉温较低，难以实现飞灰熔融，从而导致飞灰的捕集率下降，造成系统的环保性下降。目前我国垃圾含水率较高，热值较低，尚无法满足当前垃圾气化熔融工艺的需要。因此，将气化熔融技术用于我国垃圾，必须解决如下问题：

1、如何低成本地提高低热值物料在气化炉内的气化温度；

2、如何低成本地提高低热值物料气化合成气的热值；

3、如何降低底渣中的含碳量，从而实现最佳的能量转化效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内循环流化床富氧气化装置，适用于垃圾、生物质等固体有机废弃物的资源化利用领域。可以实现固体有机废弃物高效、快速、稳定地热解气化，从而最大限度的产生高热值的可燃气体。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种内循环流化床富氧气化装置，包括气化炉本体、富氧发生装置、多风室布风装置、进料装置和出渣装置；所述气化炉本体包括位于下部的密相区和位于上部的稀相区，密相区和稀相区通过一个喉部区域相连；在密相区的底部布置有配备定向风帽的多风室布风装置，并与富氧发生装置相连接；在密相段和稀相段的交界处为进料装置的出口，在密相段底部多风室布风装置与气化炉本体的间隙处为出渣口，出渣口下布置有出渣装置。

本发明进一步的改进在于：多风室布风装置由两个或多个紧密连接且内部空间相互独立的风室组成；风室为环形且互相嵌套；在每个风室的上部是布风板，布风板与风室的大小相匹配，为圆锥形，在布风板最高位置的风室出口的流化风速相对于布风板最低位置的风室出口的流化风速较低，供风为空气；而在布风板最低位置的风室出口的流化风速相对于布风板最高位置的风室出口的流化风速较高，供风为富氧。

本发明进一步的改进在于：所述定向风帽由一个一端封闭的圆管加工而成，在靠近封闭端的管壁侧面有两个出风孔，在同一水平面内，两个出风孔相互呈40～120°夹角布置；定向风帽在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿布风板圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线沿布风板圆周切线外侧方向有10～40°的夹角，使流化床底层床料能够沿螺旋线由中心向外侧运动。

本发明进一步的改进在于：出渣口位于多风室布风装置通入富氧的最低一侧与气化炉本体之间。

所述含有密相区和稀相区的两段式流化床气化炉本体；气化炉本体采用密相区和稀相区两段式布置，在密相区和稀相区之间有一个喉部区域，物料进入气化炉炉膛后首先进入该区域，由于受到炉内高温缺氧环境的加热，物料进行热解阶段，伴随着大量挥发分析出，物料逐渐向下运动，越来越接近位于气化炉底部的多布风装置，并且此时氧气浓度逐渐增大，将物料热解后的残余焦炭燃烧放热，为气化炉连续运行提供热源，残余的焦炭随着倾斜的多风室布风板运动到炉膛边缘成为底渣，一部分底渣从排渣口排出，另一部分被多风室布风板边缘的高风速的流化风吹起，并碰撞到密相区顶部喉部附近的折流板，返回炉膛中央，与新入炉的物料相混合，可提高新入炉物料的加热热解速率。

所述多风室布风装置；由于物料进入炉膛后先在炉膛中央区域进行热解气化反应，此时主要是挥发分析出的反应，并不需要太多氧气参与反应，因此在多风室布风装置的中央区域所用的载气为空气，空气中含有的氧气与床层中央底部的热解残渣发生燃烧反应，放出热量供床层中央上部的物料热解；而由于多风室布风装置为倾斜布置，床层中央底部的物料会逐渐向床层边缘运动，当进入到多风室布风装置的富氧布风区以后，热解残渣中的焦炭将与富氧发生反应，由于在富氧条件下焦炭的燃烧速度更快，放出的热量更大，因此可以有效地降低排渣中的含碳量，提高系统总体的燃料转化率。

所述定向风帽；在气化炉中，为了实现高的气化效率，既需要延长底层物料在流化床内的停留时间以确保碳的转化率，又需要控制底层物料在床内的运动方向，使得燃尽的底渣及时排出炉膛，因此本方案中采用两个出风孔的定向风帽，并且沿圆周方向顺时针或逆时针布置，从而使得流化床底层物料在向炉膛边缘运动的同时，在圆周方向做旋转运动，这样既延长了底层物料的停留时间，又较好的控制了其运动方向，从而在气化炉中实现较高的气化效率。另外，由于垃圾属于复杂宽筛分燃料，易于结焦结渣，且在气化炉中由于风量较低更易导致布风不均，而本装置中的定向风帽开孔率较小，出口风速较高，且出风方向互相交叉，易于实现均匀布风，从而可有效的防止结焦结渣。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)由于我国的垃圾含水量较高、热值较低，采用空气作为气化介质会有大量的氮气进入气化反应器，从而增大系统热损失，并且降低了合成气的热值，而采用富氧作为气化介质，比采用空气作为气化介质的气化炉更能达到较高的气化温度，并且可以提高燃料的碳转化率，产生的合成气也具有更高的热值，产生的便于后续利用。并且由于本发明中，通过多风室布风装置将富氧完全供给燃尽阶段，使得富氧的利用效果达到优化，降低了运行的成本，提高了系统经济性。

(2)由于多风室布风装置给流化床内提供了不均匀的布风，从而使得床内的物料在宏观上存在一个内循环，刚刚进入炉内的物料在床层上部，处于高温还原性气氛下，从而使得物料中的挥发分充分的析出，使得物料中容易气化的部分先完成热解气化反应；经过热解气化后的物料半焦逐渐运动到床层下部，与从多风室布风装置中进入炉膛的空气及富氧发生不完全燃烧，产生二氧化碳及一氧化碳，并放出热量，加热上升的载气为上层入炉物料的热解气化反应提供能量。物料的内循环可以将物料在炉内不同温区、不同气氛中的运动过程与物料本身受热分解的特性相匹配，从而实现物料的高效气化。

(3)灰渣含碳量是影响气化炉气化效率的关键因素之一，采用富氧和定向风帽可以提高碳的转化率。在本装置中多风室布风装置实现物料的内部循环，采用定向风帽延长了物料的停留时间并控制了底层物料的宏观运动方向，使得底层物料从中心向边缘缓慢运动，而将富氧在床层下部的外侧位置加入，使得富氧直接与外侧的底层物料接触反应，促进了底层物料燃尽阶段的燃烧效果，从而有效的提高了燃料的碳转化率。此外，如果富氧与物料热解产生的燃气发生反应会降低合成气的热值并增大富氧的消耗量，而本装置中热解产生的可燃气体位于床层上部，而富氧的加入位置位于床层的下部，从而避免了富氧与可燃气体发生反应，实现了富氧的高效利用，提高了富氧气化的经济性。

本发明系统可高效的实现垃圾、生物质等废弃固体有机质的热解气化，并且具有气化速度快、转化效率高、排渣残碳少、污染物易于控制等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为多风室布风装置的示意图；其中图2（a）为多风室布风装置的俯视图，图2（b）为图2（a）所示多风室布风装置的主视图；

图3为定向风帽的示意图；其中图3（a）为定向风帽的主视图，图3（b）为图3（a）所示定向风帽的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1至图3（b）所示，本发明一种内循环流化床富氧气化装置，包括气化炉本体1、富氧发生装置2、多风室布风装置3、进料装置4和出渣装置5。

气化炉本体1包括密相段和稀相段，其中密相段为炉体的下部，而稀相段在炉体的上部，在密相区和稀相区之间有一个喉部区域；在气化炉的密相段底部，布置有多风室布风装置3，该装置与可产生富氧的富氧发生装置2相连，在密相段和稀相段的交界处为进料装置4的出口，在密相段底部多风室布风装置与炉体的间隙处为炉体的出渣口，出渣口下布置有由冷渣装置和出渣机构成的出渣装置5。

多风室布风装置3由两个或多个紧密连接且内部空间相互独立的风室组成；本实施例包括两个风室：第一风室32和第二风室33。风室为环形互相嵌套；在每个风室的上部是布风板，布风板与风室的大小相匹配，为圆锥形，在布风板最高位置的第一风室32出口的流化风速较低，供风为空气，而在布风板最低位置的第二风室33出口的流化风速较高，供风为富氧。

布风板上安装有多个定向风帽31，定向风帽31由一个管端封闭的圆管加工而成，在靠近管端的管壁侧面有两个出风孔310，在同一水平面内，相互呈40～120°夹角布置。定向风帽31在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线与沿圆周切线外侧方向有10～20°的夹角，从而使得流化床底层床料沿螺旋线由中心向外侧运动，从而既可延长了底层床料的停留时间，又有利于控制底层床料的运动方向。

出渣口位于多风室布风装置3较低一侧（即多风室布风装置通入富氧的风室）与气化炉本体1之间；这样可以保证底层物料在出渣之前与富氧直接接触，从而将其中残余的碳彻底分解，降低排出炉膛的底渣中的含碳量。

使用时，经过预处理后的生活垃圾原料通过进料装置4进入气化炉本体1的炉膛之后，落入流化床气化炉内的密相区上部，与从床层边缘返回的高温床料相混合，并被上升的高温气流加热，开始进行热解气化反应。随着热解气化反应的进行，物料中的挥发分不断析出，物料变成半焦，并逐渐向床层底部开始运动，由于随着物料在床层中位置的降低，床层载气中的氧气浓度逐渐增高，固定碳开始燃烧放热，并将上升的载气加热。随着物料逐渐接近燃尽并进入床料底层，物料直接与从多风室布风装置上的定向风帽中喷出的载气接触，从而加速燃尽过程，并在定向风帽的作用下，从炉膛的中央位置沿着螺旋线逐渐向炉膛外侧运动，在接近多风室布风装置外侧的风室时，接近燃尽的物料与富氧接触，将物料中残余的固定碳充分燃尽。燃尽后的物料进入出渣口附近，其中一部分被外侧风室吹出的高速载气吹到床层上部，与新入炉的物料进行混合换热，另一部分从出渣口排出炉膛，从而保证了炉渣的顺利排出，并且确保排出的炉渣比同类气化炉具有更低的含碳量，从而实现了垃圾在炉内气化反应的高效、稳定。

Claims (2)

1.一种内循环流化床富氧气化装置，其特征在于，包括气化炉本体(1)、富氧发生装置(2)、多风室布风装置(3)、进料装置(4)和出渣装置(5)；所述气化炉本体(1)包括位于下部的密相区和位于上部的稀相区，密相区和稀相区通过一个喉部区域相连；在密相区的底部布置有配备定向风帽(31)的多风室布风装置(3)，并与富氧发生装置(2)相连接；在密相段和稀相段的交界处为进料装置(4)的出口，在密相段底部多风室布风装置(3)与气化炉本体(1)的间隙处为出渣口，出渣口下布置有出渣装置(5)；

多风室布风装置(3)由两个或多个紧密连接且内部空间相互独立的风室组成；风室为环形且互相嵌套；在每个风室的上部是布风板，布风板与风室的大小相匹配，为圆锥形，在布风板最高位置的风室出口的流化风速相对于布风板最低位置的风室出口的流化风速较低，供风为空气；而在布风板最低位置的风室出口的流化风速相对于布风板最高位置的风室出口的流化风速较高，供风为富氧；

所述定向风帽(31)由一个一端封闭的圆管加工而成，在靠近封闭端的管壁侧面有两个出风孔，在同一水平面内，两个出风孔相互呈40～120°夹角布置；定向风帽(31)在布风板上呈中心对称分布，其出风孔沿布风板圆周方向呈顺时针或逆时针布置，其两个出风孔中心线的角平分线与沿布风板圆周切线外侧方向有10～40°的夹角，使流化床底层床料能够沿螺旋线由中心向外侧运动。

2.根据权利要求1所述的一种内循环流化床富氧气化装置，其特征在于，出渣口位于多风室布风装置(3)通入富氧的最低一侧与气化炉本体(1)之间。