CN104449875A - 一种等离子辅助加热熔融气化反应器 - Google Patents

一种等离子辅助加热熔融气化反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子辅助加热熔融气化反应器，包括给料器、反应腔室，给料器与反应腔室连接，所述反应腔室按照反应顺序沿水平方向依次包括有干燥区、热解气化区、燃尽区、灰渣熔融区，干燥区通过进料口与给料器连接，热解气化区底部低于干燥区底部，燃尽区底部低于热解气化区底部，灰渣熔融区底部低于燃尽区底部，燃尽区顶部通过喉口连接有合成气重整区；灰渣熔融区和合成气重整区内均设置有等离子炬；本发明利用等离子体炬作为高品质外热源将生活垃圾热解气化后产生的灰渣熔融，并将气化后的合成气重整，去除了生活垃圾在热解气化过程中可能产生的所有有害物质，降低了垃圾等离子气化的一次性投入成本及运营成本，并使合成气更加纯净。

Description

一种等离子辅助加热熔融气化反应器
技术领域
本发明涉及以城市生活垃圾为主的固态废弃物的处理技术，具体地说是一种可以防止二噁英产生的等离子辅助加热熔融气化反应器。
背景技术
伴随着全球经济的持续增长和城市化进程的加速，生活垃圾的产生已成为一个日益严重的环境问题。城市垃圾产量的不断增加及其造成的环境污染已成为各国所共同面临的问题，城市生活垃圾的无害化处理是促进经济和生态环境达到可持续发展的重要措施之一。
目前，城市生活垃圾无害化处理技术有堆肥技术、填埋技术、焚烧技术和气化技术等。填埋或堆肥都不能完全实现垃圾处理的无害化和减量化，且填埋仍需占用大量土地。由于焚烧处理可以实现城市垃圾热能回收、减容、减重、高温灭菌等目的，在环境保
烧导致的二噁英及重金属等二次污染问题不容忽视，制约了垃圾焚烧技术的大规模应用。
气化技术是一种新型的垃圾处理技术，与常规的垃圾处理方法相比，气化处理技术具有能源回收利用率高、二次污染小、烟气量小、后处理设备简单，而且气化与等离子熔融处理技术的结合使得在对垃圾的有机成分加以利用的同时，可以对无机成分进行稳定化无害化处理和资源化利用，从而根本上解决了二噁英和重金属等二次污染问题，有着广阔的发展前景。
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，其耗电率可到其产电力的30%～40%，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
本发明针对现有等离子气化技术存在的缺陷和不足，提供一种带等离子重整与熔融的气化反应炉及其气化工艺，利用等离子体炬作为高品质外热源将生活垃圾热解气化后产生的灰渣熔融，并将气化后的合成气重整，去除了生活垃圾在热解气化过程中可能产生的所有有害物质，降低了垃圾等离子气化的一次性投入成本及运营成本，并使合成气更加纯净。
本发明的技术方案如下：
一种等离子辅助加热熔融气化反应器，包括给料器、反应腔室，给料器与反应腔室连接，其特征在于：所述反应腔室按照反应顺序沿水平方向依次包括有干燥区、热解气化区、燃尽区、灰渣熔融区，干燥区通过气化反应器的进料口与给料器连接，热解气化区的底部低于干燥区的底部，燃尽区的的底部低于热解气化区的底部，灰渣熔融区的底部低于燃尽区的底部，燃尽区的顶部通过一喉口连接有合成气重整区；所述灰渣熔融区的底部设置有至少两个等离子炬一，等离子炬一的中心线与反应炉截面中心线呈β角，β角为40°-60°，以提供经燃尽区来的灰渣转化为无害的惰性玻璃熔渣所需要的能量；所述合成气重整区内设置有等离子炬二，等离子炬二的中心线与合成气重整区纵向的中心线垂直，以提供经气化区和熔融区来的合成气转化为无害的气体。
所述反应腔室的截面可以呈L型，或者矩形，或者圆形，反应腔室的内壁设有耐火材料保护衬和保温层，外壁为钢板。
所述干燥区底部的炉壁设有经高温热解气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾干燥的部分热源；所述干燥区的循环热合成气进口为8-12个，在炉壁上均匀布置，与炉膛中心线呈α角度，α为40°-60°；所述干燥区的循环热合成气进口均连接一次合成气管。
所述热解气化区底部的炉壁上均匀布置有经高温气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾气化的部分热源；所述热解气化区的循环热合成气进口为10-15个，循环热合成气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40-60°；所述热解气化区的循环热合成气进口均连接二次合成气管。
所述燃尽区的炉壁上均匀布置有经预热过的高温热空气进口，用于提供热解气化反应未完全的残炭燃烧的所需的氧量，残炭焚烧产生的热量可提供给含碳物质的气化；所述高温热空气进口为8-12个，高温热空气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40°-60°。
所述合成气重整区的顶部设置有合成气出口，合成气重整区侧面的炉壁设置有合成气循环利用出口。
本发明带等离子重整与熔融的气化反应炉的工作过程：
通过给料器将落入到料仓的垃圾从防火门前推入到气化炉内的干燥区，并通过防火门与热解气化区隔离；
在干燥区，垃圾被从一次合成气管输送来的热合成气干燥，水分迅速蒸发；干燥段炉排将经过一次合成气干燥后的垃圾推动送入到热解气化区；
在热解气化区内垃圾在缺氧环境下发生还原反应生成主要成分为H2和CO的合成气，在热解气化区内垃圾热解气化所需要的热源由二次合成气经二次合成气管提供；热解气化段炉排将经过热解气化后的垃圾推动送入到燃尽区，与经高温合成气进口来的热空气进行燃烧，得到热空气和燃尽后剩余的灰渣；
燃尽区残炭燃烧所要的热空气由通入到燃尽段炉排中的中空辊棒里面被加热的空气提供，通入的空气还起到了冷却辊棒的作用，有利于其长时间正常工作，提高其使用寿命；同时被加热的热空气在热解燃尽区参与残炭的燃烧，实现热风助燃，提高了等离子反应炉的热效率；
燃尽后剩余的灰渣经燃尽段炉排推送到灰渣熔融区，经灰渣熔融区的等离子炬提供的高温进行熔融，利用高温将灰渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉灰渣中的二噁英和呋喃，最后成为熔融状态的无机物和金属通过排渣系统排出；
热解气化区和燃尽区产生的混合气通过与燃尽区连接的喉部进入合成气重整区，合成气重整区的等离子炬对混合气进行高温重整，破坏混合气中的二噁英、呋喃等有害物质，之后混合气分两股，一股从合成气重整区侧面炉壁的的合成气循环利用出口引出作为垃圾的干燥与热解气化热源，另一股从合成气重整区顶部的合成气出口引出进入到后续的尾气处理系统。
本发明的有益效果如下：
    （1）本发明采用侧部进料、上部排气、底部排渣结构使垃圾气化过程中的有毒有害气体在合成气重整区去除掉、热解气化后产生的灰渣经灰渣熔融区被等离子炬一产生的高温熔融变成无害的玻璃台熔渣，彻底的解决了垃圾焚烧处理过程中有害气体排放与灰渣需再处理的问题；
（2）本发明带等离子重整与熔融的气化反应器利用经等离子炬重整反应后的高温合成气加热对垃圾进行干燥、预热、实现热合成气干燥；同时采用中空的滚动辊棒支撑的链条循环炉排结构，中空辊棒里面通冷空气，起到了冷却辊棒的作用，有利于其长时间正常工作，提高其使用寿命；同时被加热的空气进入热解气化区参与残炭的燃烧，实现热风助燃，提高了等离子反应炉的热效率；
    （3）本发明带等离子重整与熔融的气化反应炉利用垃圾自身的热值进行缺氧燃烧热解气化，之后对其产生的合成气和灰渣进行等离子高温处理，这样避免了等离子高温直接对垃圾进行热解气化，大大降低了耗电功率。
附图说明
图1为本发明等离子辅助加热熔融气化反应器立体结构示意图；
其中，附图标记为：1给料器，1-1进料口，2反应腔室，2-1干燥段炉排，2-2热解气化段炉排，2-3燃尽段炉排，2-4一次合成气管，2-5二次合成气管，2-6高温热空气进口，2-7气化炉反应腔室炉壁，3-1灰渣熔融区的炉壁，3-2排渣口，3-3等离子炬一，4-1喉口，4-2合成气重整区侧面的炉壁，4-3等离子炬二，4-4合成气出口，4-5合成气循环利用出口，A干燥区，B热解气化区，C燃尽区，D灰渣熔融区，E合成气重整区。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述的用于将城市生活垃圾转化为合成气和惰性熔渣产物的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，包括给料器1、反应腔室2、气化反应腔室炉壁2-7，给料器1与反应腔室2连接，所述反应腔室2按照反应顺序沿水平方向依次包括设置附加循环热合成气的干燥区A、设有附加循环热合成气和加水蒸汽的热解气化区B、设有加热空气的燃尽区C、附有等离子体发生器的灰渣熔融区D，干燥区A通过反应炉的进料口1-1与给料器1连接，热解气化区B的底部低于干燥区A的底部，燃尽区C的的底部低于热解气化区B的底部，灰渣熔融区D的底部低于燃尽区C的底部，燃尽区C的顶部通过一喉口4-1连接有合成气重整区E；所述灰渣熔融区D的底部设置有至少两个等离子炬一3-3，等离子炬一3-3的中心线与灰渣熔融区D纵向截面的中心线呈β角，β角为40°-60°，以提供经燃尽区C来的灰渣转化为无害的惰性玻璃熔渣所需要的能量；所述合成气重整区E内也设置有等离子炬二4-3，等离子炬二4-3的中心线与合成气重整区E纵向的中心线垂直，以提供经热解气化区B和灰渣熔融区D来的合成气转化为无害的气体。
所述给料器1可以采用气密式给料器。
所述反应腔室2的截面可以呈L型，或者矩形，或者圆形，反应腔室2的内壁设有耐火材料保护衬和保温层，外壁为钢板。
所述干燥区A底部的炉壁上均匀布置有经高温热解气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾干燥的部分热源；所述干燥区A的循环热合成气进口为8-12个，循环热合成气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40°-60°；所述干燥区A的循环热合成气进口均连接一次合成气管2-4。
所述热解气化区B底部的炉壁上也均匀布置有经高温气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾气化的部分热源；所述热解气化区B的循环热合成气进口为10-15个，循环热合成气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40-60°；所述热解气化区B的循环热合成气进口均连接二次合成气管2-5。
所述燃尽区C的炉壁上均匀布置有经预热过的高温热空气进口2-6，用于提供热解气化反应未完全的残炭燃烧的所需的氧量，残炭焚烧产生的热量可提供给含碳物质的气化；所述高温热空气进口2-6为8-12个，高温热空气进口2-6与垂直方向的夹角为α角，α角为40°-60°。
所述灰渣熔融区的底部设置有排渣口3-2。
所述合成气重整区E的顶部设置有合成气出口4-4，合成气重整区E侧面的炉壁4-2设置有合成气循环利用出口4-5。
本发明的工作过程如下：
通过给料器1将落入到料仓1-1的垃圾从防火门1-3前推入到气化反应器内的干燥区A，并通过防火门与热解气化区B隔离；
在干燥区A，垃圾被从一次合成气管2-4的来的热合成气干燥，水分迅速蒸发；干燥段炉排2-1将经过一次合成气干燥后的垃圾按一定顺序推动送入到热解气化区B；
在热解气化区B内垃圾在缺氧环境下发生还原反应生成主要成分为H2和CO的合成气，在热解气化区B内垃圾热解气化所需要的热源由二次合成气经二次合成气管2-5提供；热解气化段炉排2-2将经过热解气化后的垃圾按照一定的顺序推动送入到燃尽区C，与经高温合成气进口2-6来的热空气进行燃烧，得到热空气和燃尽后剩余的灰渣；
燃尽区C残炭燃烧所要的热空气由通入到燃尽段炉排2-3中的中空辊棒里面被加热的空气提供，通入的空气还起到了冷却辊棒的作用，有利于其长时间正常工作，提高其使用寿命；同时被加热的热空气进入燃尽区C参与残炭的燃烧，实现热风助燃，提高了等离子反应炉的热效率；
燃尽后剩余的灰渣经燃尽段炉排2-3推送到灰渣熔融区D，经灰渣熔融区D的等离子炬一3-3提供的高温进行熔融，利用高温将灰渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉灰渣中的二噁英和呋喃，最后成为熔融状态的无机物和金属通过排渣系统排出。热解气化区B和灰渣熔融区D产生的混合气通过与热解气化区B连接的喉部4-1进入合成气重整区E，合成气重整区E的等离子炬二4-3对合成气进行高温重整，破坏气体中的二噁英、呋喃等有害物质，之后合成气分两股，一股从合成气重整区E侧面的炉壁4-2的合成气循环利用出口4-5引出作为垃圾的干燥与热解气化热源，另一股从合成气重整区E顶部的合成气出口4-4引出进入到后续的尾气处理系统。

Claims (7)

1.一种等离子辅助加热熔融气化反应器，包括给料器（1）、反应腔室（2），给料器（1）与反应腔室（2）连接，其特征在于：所述反应腔室（2）按照反应顺序沿水平方向依次包括有干燥区（A）、热解气化区（B）、燃尽区（C）、灰渣熔融区（D），干燥区（A）通过气化反应器的进料口（1-1）与给料器（1）连接，热解气化区（B）的底部低于干燥区（A）的底部，燃尽区（C）的底部低于热解气化区（B）的底部，灰渣熔融区（D）的底部低于燃尽区（C）的底部，燃尽区（C）的顶部通过一喉口（4-1）连接有合成气重整区（E）；所述灰渣熔融区（D）的底部设置有至少两个等离子炬一（3-3），等离子炬一（3-3）的中心线与灰渣熔融区（D）纵向截面的中心线呈β角，β角为40°-60°；所述合成气重整区（E）内设置有等离子炬二（4-3），等离子炬二（4-3）的中心线与合成气重整区（E）纵向的中心线垂直，以提供经气化区和燃尽区来的合成气转化为无害的气体。
2.根据权利要求1所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于：所述反应腔室（2）的截面呈L型，或者矩形，或者圆形；反应腔室（2）的内壁设有耐火材料保护衬和保温层，外壁为钢板。
3.根据权利要求1所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于：所述干燥区（A）底部的炉壁均匀布置有经高温热解气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾干燥的部分热源；所述干燥区（A）的循环热合成气进口为8-12个，循环热合成气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40°-60°；所述干燥区（A）的循环热合成气进口均连接一次合成气管（2-4）。
4.根据权利要求1所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于：所述热解气化区（B）底部的炉壁上均匀布置有经高温气化反应后的循环热合成气进口，用于提供垃圾气化的部分热源；所述热解气化区（B）的循环热合成气进口为10-15个，循环热合成气进口与垂直方向的夹角为α角，α角为40-60°；所述热解气化区（B）的循环热合成气进口均连接二次合成气管（2-5）。
5.根据权利要求1所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于：所述燃尽区（C）的炉壁上均匀布置有经预热过的高温热空气进口（2-6），用于提供热解气化反应未完全的残炭燃烧的所需的氧量，残炭焚烧产生的热量用于含碳物质的气化；所述高温热空气进口（2-6）为8-12个，高温热空气进口（2-6）与垂直方向的夹角为α角，α角为40°-60°。
6.根据权利要求1所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于：所述重整反应区（E）的顶部设置有合成气出口（4-4），合成气重整区（E）侧面的炉壁（4-2）设置有合成气循环利用出口（4-5）。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种等离子辅助加热熔融气化反应器，其特征在于工作过程为：
通过给料器将落入到料仓的垃圾从防火门前推入到气化反应器内的干燥区（A），并通过防火门与热解气化区（B）隔离；
在干燥区（A），垃圾被从一次合成气管（2-4）输送来的热合成气干燥，水分迅速蒸发；经过一次合成气干燥后的垃圾被推动送入到热解气化区（B）；
在热解气化区（B）内垃圾在缺氧环境下发生还原反应生成主要成分为H2和CO的合成气，在热解气化区（B）内垃圾热解气化所需要的热源为二次合成气；然后将经过热解气化后的垃圾推动送入到燃尽区（C），与外来热空气进行燃烧，得到热空气和燃尽后剩余的灰渣；
热空气在灰渣熔融区（D）参与残炭的燃烧，灰渣被推送到灰渣熔融区（D），经灰渣熔融区（D）的等离子炬一（3-3）提供的高温进行熔融，利用高温将灰渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉灰渣中的二噁英和呋喃，最后成为熔融状态的无机物和金属通过排渣系统排出；
热解气化区（B）和燃尽区（C）产生的混合气通过与热解气化区（B）连接的喉部（4-1）进入合成气重整区（E），合成气重整区（E）的等离子炬二（4-3）对混合气进行高温重整，破坏混合气中的二噁英、呋喃等有害物质，之后混合气分两股，一股从合成气重整区（E）侧面炉壁（4-2）的的合成气循环利用出口（4-5）引出作为垃圾的干燥与热解气化热源，另一股从合成气重整区（E）顶部的合成气出口（4-4）引出进入到后续的尾气处理系统。
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