CN104593080A - 一种高效等离子炉气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效等离子炉气化系统，该系统包括设有气体入口、垃圾入口、高温合成气出口和液态渣出口的等离子气化单元，等离子气化单元同与换热单元连接的旋风除尘单元连接。本发明提供的技术方案它几乎能分解所有的垃圾，将其转换成清洁的燃气和无机残渣。合成气热值高、气化炉气化效率高、合成气体积小、炉子出力高、无需制氧设备、成本低、系统相对简单、故障率低。

Description

一种高效等离子炉气化系统

技术领域

本发明涉及一种垃圾等离子气化处理装置，具体讲涉及一种低热值城市垃圾等离子气化处理系统。

背景技术

节约资源与保护环境是二十一世纪的两大课题，城市生活垃圾的处理便是这两大课中的一种体现。随着人们生活水平的提高，对环境资源意识的增强，对垃圾处理技术标准的提高，传统的垃圾处理模式因占用土地量大、处理量小、效率低或因产生诸如二噁英这样的二次污染，填埋、堆肥、焚烧已逐渐淘汰。

二十世纪末，垃圾洁净焚烧处理技术之一的气化热解技术有了长足进步。芬兰推出了生物质、煤、天然气混合燃料的发电供热设备以降低燃料成本；挪威发展的小规模气化和燃烧装置，每年可处理上千吨固废物，将多种垃圾转换成电能和热能，而烟气污染物排放量降低到很低的水准，达到欧盟环保法规要求。

此种技术可处理各种垃圾，包括生物质废料，如木屑、树皮，来自城市或工业区的垃圾及衍生物，也适用液态废料如油类、溶剂等，废料的含水率可达60％左右。

气化热解方式对生物质、各类垃圾有着很好的适应性。秸秆、薪柴、谷壳等生物质是广大农村居民的主要生活燃料，也是实施农村现代化的动力资源。随着农村城镇现代化发展，农村经济可持续发展与环保的矛盾同样也相当突出。产生的大量城镇生活垃圾以及工业垃圾积满为患，必须予以处理。为了尽快缓解这一矛盾，在城镇地区建设生物质、固体废弃物的小容量热电站已经成为农村城镇现代化发展的必然。垃圾热解气化技术具有二次污染小，无害化彻底，资源化程度高的特点，是处理垃圾的重要技术之一，正引起世界各国研究者的广泛重视。

垃圾热解气化技术过程中，将原生生活垃圾前处理后，进入气化炉反应，产生气化气。与煤等矿物燃料的气化不同，鉴于生活垃圾挥发分含量高、固定碳含量少、热值低的特点，热解气化技一般采用空气作为气化剂，并且气化温度在500℃～700℃的范围内。在这一温度区间内，可以使迅速析出的挥发组分，形成可燃气，固定碳与气化剂中的氧反应，生成CO、H2、CH4、CnHm、焦油、污染物(二噁英、重金属、HCl、H2S)以及碱性物质等。

实验证明二噁英有毒，可以损害多种器官和系统，因为其本身具有化学稳定性并易于被脂肪组织吸收，一旦进入人体，就会长久驻留，并长期积蓄在体内，在体内的半衰期估计为7至11年。

在气化过程中的副产物焦油在高温下可以发生裂解，与气化气一起呈气体状态，但在低于200℃的情况下，就开始凝结为液体，成为黑色黏稠油状物，影响气化设备稳定、安全运行，造成能量浪费，降低气化效率；而且焦油成分中的多核芳香族在净化及燃烧时对环境及人类健康构成严重危害。

由于垃圾气化气成分中含有上述有毒、有害物质，故在合成气综合利用前需对垃圾气化炉产生的气化气进行净化处理。传统的气化气净化方法有水洗法、镍基催化剂法、热裂解法等，但是每种方法都有其自身难以克服的缺点，尤其是难以去除合成气中的二噁英等有毒物质。如何能创设一种简单、可靠、高效，而且具有明显经济效益、环境效益的环保型气化气精制重整装置及方法，实属当前本领域极需改进创新的目标。

申请号为201280012949.2、名称为“用于产生合成气的增强型等离子体气化器”。该反应器顶段的上部部分内的骤冷区，穿过反应器中段的侧壁的进料口，将进料供给到中段的进料床的进料口进料床处。骤冷区设有喷嘴，用于引入流体以充分降低熔融实心块的温度从而使在外部管道系统内的粘附最小化。中段进料口的设置有助于进料中的轻颗粒更加彻底地反应。对于进料口，其可位于进料床之上并且向上倾斜以能够紧挨着进料床上表面而没有严重的辐射加热，或者其可位于某一高度处以将物料侧向直接供送到进料床中，在这种情况下，可提供冷却装置和进料机构，以有利于进料的通过。

现有的等离子气化炉在处理生活垃圾等低热值燃料时，用空气作为气化剂，此时气化炉产生的合成气的热值非常低，后期合成气无法在燃气炉稳定燃烧，所以改用氧气作为气化剂。但用氧气作为气化剂须要投入高昂的制氧设备及增加电能消耗，并增加系统运行不稳定因素。

发明内容

本发明的目的在于提高处理高水分、低热值的垃圾气化中的合成气的热值、垃圾处理量及设备出力。

本发明的上述目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供的一种高效等离子炉气化系统，所述系统包括：设有气体入口、垃圾入口、高温合成气出口和液态渣出口的等离子气化单元，旋风除尘单元以及换热单元，其改进之处在于：所述等离子气化单元同与换热单元连接的旋风除尘单元连接。

本发明提供的第一优选技术方案为，所述等离子气化单元的气体入口为热空气入口。

本发明提供的第二优选技术方案为，所述热空气温度在250℃-750℃。

本发明提供的第三优选技术方案为，所述热空气为所述换热单元的空预器部分的出口气体。

本发明提供的第四优选技术方案为，所述换热单元包括从上至下依次设置的空预器段和余热锅炉段。

本发明提供的第五优选技术方案为，所述等离子气化单元的进料为城市生活垃圾、城市污泥、飞灰或医药固废。

本发明提供的第六优选技术方案为，所述等离子体气化单元，包括：带耐火材料衬里的反应器容器，该反应器容器包括底段、中段和顶段，所述底段包含碳床，所述中段包含沉积进料床，所述顶段包括稀相区域和所述稀相区域上方的顶盖；所述顶盖除设置除与旋风除尘单元的入口连接的管道外不设置其他管道；所述中段包括与所述除尘单元出口连接的管道。

本发明提供的第七优选技术方案为，所述中段的倒置截头圆锥体部分设有与所述换热单元的空预器部分的出气口连接的管道。

本发明还提供了一种处理城市垃圾城市污泥、飞灰或医药固废的方法，所述方法包括以下步骤：

在等离子气化单元的底段中提供等离子加热碳床；

将进料供送到所述反应器容器的中段中，以在底段中的所述碳床的顶部上形成沉积进料床；

使进料与从所述底段上升的热气和引入的250～750℃热空气反应；

在所述中段形成合成气混合物，所述合成气混合物含有未完全气化的进料颗粒；

使所述合成气混合物朝着位于所述顶段的顶部的一个或多个合成气出口上升到所述反应器容器的顶段中；

保持所述容器中的环境，使得来自所述中段的未完全气化的颗粒在位于所述顶段中进一步气化反应；以及将所述气化反应的高温合成气从所述顶段送入旋风除尘单元；经所述旋风除尘单元除尘处理后的高温合成气送入换热单元进行显热利用，高温合成气先通过空预器将部分显热传递给空气，在通过余热锅炉继续利用剩余显热后排出。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果：

本发明提供的等离子气化单元1中，将垃圾进行电离气化处理，产生可燃合成气和液态渣。这里的电离气化利用强大的电场能量使空气电离，从空气中剥离出的电子，将气体转化成为等离子体。从等离子弧中辐射出的能量巨大，温度可高达足以撕裂分子键的5,500℃，此温度下垃圾被粉碎成组成它们的基本元素。它几乎能分解所有的垃圾，将其转换成清洁的燃气和无机残渣。

本发明提供的技术方案合成气的热值高、垃圾处理量大及设备出力高。无需制氧设备，成本低。系统相对简单，故障率低。

本发明提供的等离子气化单元1中，底段为圆柱形，设有碳床、液态排渣口9、等离子炬风口10；圆锥形部分中段设有250～750℃热空气进口9和旋风除尘单元2的排尘入口11，所述中段的侧向进料口7，将处理物料送到所述碳床13上方或所述碳床13的正上方，并且使处理物料在所述中段的内部具有良好的分布；所述中段5上方的顶段6，所述顶段6具有稀相区域，其为圆锥形结构，其角度可小于所述中段和位于所述稀相区域上方，或为圆柱形。本发明提供的技术方案将合成气体的热值提高了41.4％，垃圾处理量提高了23.3％，设备出力提高了10.6％。

附图说明

图1：本发明所述的高效等离子炉气化系统的流程框图；

图2：本发明所述的高效等离子炉气化系统的结构示意图；

图3：本发明所述的高效等离子炉气化系统热平衡图；

图4：常规等离子炉气化系统热平衡图；

其中：1.等离子气化单元2.旋风除尘单元3.换热单元4.底段5.中段6.顶段7.进料口8.气体入口9.液态渣口10.等离子炬风口11.排尘入口12.进料床13.碳床14.空预器15.余热锅炉段16.合成气出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的技术方案及其各种实施例进行说明。

如图1所示，垃圾送入等离子气化单元后被处理后，无机物部分以液态从渣排出，有机物部分在顶部以高温合成气形式排出→经旋风除尘单元处理后→经换热单元+热空气和余热锅炉的水→合成气的形式排出；气化剂空气→经换热单元加热后→去等离子气化单元作为气化剂；余热锅炉水→经换热单元加热后→蒸汽。

下面结合附图2，对本发明提供的技术方案作进一步详细说明。

图2示了给料机将待处理的垃圾等废物料送入具有从下至上的底段4、中段5和顶段6的等离子气化单元1的中段5中，产生的高温合成气从顶段排入旋风除尘单元2除尘后送入换热单元3，高温合成气先后通过换热单元的空预器段14和余热锅炉段15后排出。空气经过换热单元的空预器段14加热后通过气体入口8进入气化单元。水经过余热锅炉15加热后变为蒸汽以进一步利用合成气的剩余显热。

底段4包括碳床、一个或多个等离子体炬风口10、一个或多个渣和熔融金属液态排渣口9；

底段4的碳床可为冶金焦炭或从化石燃料或从非化石源提取的其它碳质材料。在本示例中，等离子炬风口10数量为6，均匀的围绕底段4的圆柱上，从水平面向下倾斜大约20°，并且向中心指向碳床中。等离子炬风口10用于将等离子体注入到所述碳床中。这样，等离子炬、进料和其它反应物的供给在更加安全并具有低爆炸风险的情况下进行。

所述中段5具有穿过所述中段的圆锥形的三个进料口7、多个气体入口8和1个排尘入口11。所述底段4、所述中段5用可拆卸的法兰连接。经给料机的进料口7从水平面向上成大约20°的角，这有助于使来自潮湿进料中的水分的进入最小化并且在如下所述的其它方面也会是有利的。在一些实施例中，水平或向下定向的进料口8也是可接受的。进料是通过螺旋进料器进料的。进料在所述底段碳床上方的中段5中形成进料床。气体入口用于将250～750℃热空气引人等离子气化单元1的中段5。排尘入口11是用来将旋风分离单元收集的飞灰引入等离子气化单元1的中段5。

如图2所示，所述顶段6在所述等离子气化单元1的上壳体内，所述中段5在所述等离子气化单元1的下壳体中。

在图2中的实施例中，所述顶段6的顶盖具有一个与旋风除尘单元的顶部相连接的合成气出口。

等离子体炬风口10设有等离子体炬，该等离子体炬是西屋等离子炬Westinghouse Plasma Corp Gasification市售的。由炬引入的气体可被过热到超过10000℉(大约5500℃)的温度，该温度远远超过传统的燃烧温度。

本发明提供的等离子气化单元1中，将垃圾进行电离气化处理，产生可燃合成气和液态渣。电离气化原理为利用强大的电场能量使空气产生电离，从空气中剥离出的电子，将气体转化成为等离子体。从等离子弧中辐射出的能量相当巨大其温度可高达5,500℃，足以通过撕裂分子键，将垃圾粉碎成组成它们的基本元素它几乎能分解所有的垃圾，将其转换成清洁的燃气和无机残渣。

旋风除尘单元2将由等离子气化单元产出的含尘粗合成气进行除尘处理，去除90％大颗粒灰尘。

换热单元3经过除尘后的高温合成气通过换热器将热量转移给用作气化剂的空气，并且可以进一步利用合成气剩余的显热。

对于常规工艺系统，参看图3，由能量平衡得：

$Q_r^c+P^c=Q_z^c+Q_f^c+Q_y^c+Q_h^c+Q_s^c---\left(1\right)$

—常规工艺系统输入燃料能量MW；

P^c—常规工艺系统输入电功率MW；

—常规工艺系统排渣损失MW；

—常规工艺系统飞灰损失MW；

—常规工艺系统合成气显热利用MW；

—常规工艺系统合成气化学能MW；

—常规工艺系统散热损失MW；

由于为显热利用，则

$Q_y^c=Q_{x,0}^c---\left(2\right)$

—常规工艺系统合成气在等离子气化炉出口0点的显热MW；可得

$Q_r^c+P^c=Q_z^c+Q_f^c+Q_{x,0}^c+Q_h^c{+Q}_x^c---\left(3\right)$

对于本发明工艺，参看图4，由能量平衡得：

$Q_r^g+P^g=Q_z^g+Q_f^g+Q_y^g+Q_h^g+Q_s^g---\left(4\right)$

—本发明工艺系统输入燃料能量MW；

P^g—本发明工艺系统输入电功率MW；

—本发明工艺系统排渣损失MW；

—本发明工艺系统飞灰损失MW；

—本发明工艺系统合成气显热利用MW；

—本发明工艺系统合成气化学能MW；

—本发明工艺系统散热损失MW；

—本发明工艺系统合成气在等离子气化炉出口0点的显热MW；

由于为显热利用，则

$Q_y^g=Q_{x,0}^g-\mathrm{\ΔQ}---\left(5\right)$

可得

$Q_r^g+P^g=Q_z^g+Q_s^g+(Q_{x,0}^g-\mathrm{\ΔQ})+Q_h^g+Q_f^g---\left(6\right)$

ΔQ—通过换热单元空预器传递给气化剂的部分显热MW；

下面根据上述式(3)和(6)，比较本发明工艺的与常规工艺的合成气化学能，说明本发明的优异效果：

由于气化剂温度可达750℃，所以合成气在换热单元将大量显热ΔQ传递给气化剂。又由于本发明工艺所需燃烧反应减少，减少了所需空气量，使合成气的体积减少，所以等离子炉气化炉出口显热对比式(3)和(6)，说明当进料情况相同时，即本发明工艺系统与常规工艺系统的排渣损失、飞灰损失以及散热损失基本相同，即

$Q_z^g+Q_s^g+Q_f^g=Q_z^c+Q_s^c+Q_f^c.$

式(6)减去式(3)得

$Q_h^g-Q_h^c=\mathrm{\ΔQ}+(Q_{x,0}^c-Q_{x,0}^g)---\left(4\right)$

由于所以本发明较之常规工艺提高了合成气的化学能，提高了合成气的热值。其提高值为空气吸收的显热加上两种工艺在等离子气化单元出口的显热差。

在相同进料情况下，本发明提供的技术方案减少了合成气体积的流量，富余部分为进料提供了空间，进一步提高了进料量，也即提高处理量和出力。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种高效等离子炉气化系统，所述系统包括：设有气体入口、垃圾入口、高温合成气出口和液态渣出口的等离子气化单元，旋风除尘单元以及换热单元，其特征在于：所述等离子气化单元同与换热单元连接的旋风除尘单元连接。

2.根据权利要求1的高效等离子炉气化系统，其特征在于，所述等离子气化单元的气体入口为热空气入口。

3.根据权利要求2的高效等离子炉气化系统，其特征在于，所述热空气温度在250℃-750℃。

4.根据权利要求3的高效等离子炉气化系统，其特征在于，所述热空气为所述换热单元的空预器部分的出口气体。

5.根据权利要求1的高效等离子炉气化系统，其特征在于，所述换热单元包括从上至下依次设置的空预器段和余热锅炉段。

6.根据权利要求1的高效等离子炉气化系统，其特征在于，所述等离子气化单元的进料为城市生活垃圾、城市污泥、飞灰或医药固废。

7.根据上述任一项权利要求的高效等离子气化系统，其特征在于，所述等离子体气化单元，包括：带耐火材料衬里的反应器容器，该反应器容器包括底段、中段和顶段，所述底段包含碳床，所述中段包含沉积进料床，所述顶段包括稀相区域和所述稀相区域上方的顶盖；

所述顶盖除设置除与旋风除尘单元的入口连接的管道外不设置其他管道；所述中段包括与所述除尘单元出口连接的管道。

8.根据权利要求7的高效等离子气化系统，其特征在于，所述中段的倒置截头圆锥体部分设有与所述换热单元的空预器部分的出气口连接的管道。

9.一种处理城市垃圾城市污泥、飞灰或医药固废的方法，所述方法包括以下步骤：

在等离子气化单元的底段中提供等离子体加热碳床；

将进料供送到所述反应器容器的中段中，以在底段中的所述碳床的顶部上形成沉积进料床；

使进料与从所述底段上升的热气和引入的250～750℃热空气反应；

在所述中段形成合成气混合物，所述合成气混合物含有未完全气化的进料颗粒；

使所述合成气混合物朝着位于所述顶段的顶部的一个或多个合成气出口上升到所述反应器容器的顶段中；

保持所述容器中的环境，使得来自所述中段的未完全气化的颗粒在位于所述顶段中进一步气化反应；以及将所述气化反应的高温合成气从所述顶段送入旋风除尘单元；经所述旋风除尘单元除尘处理后的高温合成气送入换热单元进行显热利用，高温合成气先通过空预器将部分显热传递给空气，在通过余热锅炉继续利用剩余显热后排出。