CN104981658B - 气化燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可含有诸如推进器、第一和第二气化器、气体调控器和后燃烧器的特征。另外，公开了用于通过两级废料气化燃烧系统而调控气体并推进废料的方法。

Description

气化燃烧系统
引文引入
本申请要求2012年12月21日提交的美国申请No.:13/725,110的优先权，所述申请以全文引用方式并入本文。
技术领域
本发明通常涉及气化或燃烧系统。更具体地，本发明涉及用于调控通过气化器或燃烧器系统的气体和废料的流动的方法和系统。
背景技术
城市固体废物(“MSW”)为市民和政府收集和处理的总的产品。MSW包括耐用品和非耐用品、容器和包装、食品和庭院废物，以及来自居住、商业和工业来源的各种无机废物。例子包括作为一次性或用完即弃产品的开放式列表的部分的新闻用纸、电气用具、服装、废弃食品、容器和包装、一次性尿布、所有类型的塑料(包括一次性餐具和发泡包装材料)、橡胶和木质产品、盆栽土、庭院剪枝和消费性电子产品。一种废物处理的常规方法是垃圾填埋，这在一些区域中仍然是惯常做法。然而，许多地方当局发现难以建立新的垃圾填埋地。在那些区域中，必须输送固体废物以处理，这导致更加昂贵。
作为垃圾填埋地的替代方式，显著量的MSW可通过在城市固体废物燃烧器(“MWC”)处燃烧而处理，以协助从废物回收能量。废物向能量的转化通常在垃圾能源厂(“WTE”)处进行。与MSW和其他固体燃料的常规燃烧相关的问题之一为，其产生少量不希望的可能有害的副产物，如氮氧化物(NOx)、一氧化碳和二噁英。例如，NOx通过两个主要机理而在燃烧过程中形成。首先，燃料NOx通过存在于MSW和其他燃料中的有机键合的氮(N)的氧化而形成。当燃烧室中的O2的量低时，N2为主要的反应产物。然而，当可得到显著量的O2时，燃料键合的N的增加的部分转化为NOx。第二，热NOx通过在高温下大气N2的氧化而形成。由于所需的高活化能，热NOx形成不显著，直至火焰温度达到1,100℃(2,000°F)。
尽管在降低常规燃烧系统的有害排放方面的改进，但仍然需要将MSW或其他固体燃料有效转化为能量，并同时产生最少量的不希望的排放物的可选择的方法和系统。
发明内容
本发明涉及一种控制气化或燃烧速率的气化燃烧系统和方法。通过控制氧化剂供应和气化或燃烧的温度，所述系统可更有效地燃烧废料，并降低有害产物(气体和/或固体)排放至大气中。另外，通过控制气化或燃烧的速率和温度，可产生更耐久的系统，所述系统就能量转化和在MSW热处理之后的烟道气加工而言更有效。
本发明的实施方案可使用活动炉排，所述活动炉排能够使废料移动通过燃烧室，并因此允许废料的完全燃烧。另外，可使用主要空气来源和次要空气来源。主要空气可从炉排下方供应，并被强制通过炉排以沿着废料床依次干燥(产生水)、脱挥发(产生挥发性烃类)和燃尽(氧化非挥发性烃类)。可调节主要空气的量，以使废料床中的碳质材料的燃尽达到最大，并同时使过量空气达到最小。次要空气可通过位于炉排上方的喷嘴供应，并用于产生湍流混合，所述湍流混合破坏由废料床产生的烃类。体系中所用的空气(主要和次要)的总量可比实现化学计量条件所需的空气量(即理论上完全燃烧燃料的最少空气量)多大约30％至100％。
本发明可使用用于降低由常规MSW燃烧系统所产生的有害排放物的不同技术。例如，可使用燃烧控制和后燃烧控制。燃烧控制通过降低火焰内O2的可得性并通过降低燃烧区温度而限制燃烧过程中NOx的形成，而后燃烧控制涉及去除在燃烧过程中产生的NOx排放物(例如选择性非催化还原(SNCR)系统和选择性催化还原(SCR)系统)。
在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器(advancer)、第一和第二气化器、第一气体调控器和后燃烧器。后燃烧器可含有连接至第一和第二气化器的连接件，和设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器。集灰器可含有用于将飞灰和重质粒子导入第二气化器中的连接至第二气化器的连接件。第一气体调控器可含有用于接收气体的入口、用于输出气体的出口、用于调控气体流的阀门，和使调控器控制阀门的打开和关闭的控制软件，所述阀门调控多少气体流入入口以及多少气体流出出口。
在本发明的一个实施方案中，所述系统可包括推进器和两个气化器室。所述气化器可由例如下滑槽(drop chute)连接，来自一个气化器的残余物通过所述下滑槽流入另一气化器。在一个实施例中，第二气化器可完成从第一气化器传送至第二气化器的残余物中的未反应的碳的燃烧。可使用另外的气体源进料第二气化器。例如，可使用新鲜主要空气进料第二气化器，所述新鲜主要空气的量超过完成进入第二气化器室的材料的碳含量的燃烧所需的量。可控制新鲜主要空气在第二气化器中的分布，以获得碳的高燃尽率，从而在离开第二气化器的灰分中留下低的残余碳含量。
在一个实施方案中，来自第二气化器室的热的燃烧烟道气可与另外的气体源混合。例如，来自第二气化器室的热的燃烧烟道气可与另外的新鲜空气混合，以控制气体的温度。此外，热的燃烧烟道气可通过颗粒去除装置，以去除夹带的颗粒。热的燃烧气体可用于将主要和次要空气提供至第一气化器室。除了通过混合热的燃烧气体与另外的气体源而控制温度之外，也可控制气体的流速。例如，可调节热的燃烧气体的气体流速，以控制第一气化器室中的温度，从而有效促进进入废物的干燥和气化。所需温度将取决于废物进料的热值而不同，但举例而言，可在大约1600至大约1800°F之间。来自第二气化器的热的燃烧烟道气的高温有利地增加第一气化器室中的废物的干燥和气化速率，所述高温由通过燃烧进入第二气化器室的残余物中的残余碳含量而释放的能量导致。这减少了必须在第一气化器室中氧化的废物中的有机物含量的部分，并转而降低了可能需要的进入第一气化器室的含氧空气的亚化学计量流的体积。如本文所述控制气体参数(包括温度、组成、混合和流速)具有许多优点，包括更有效的能量集成。所述能量集成相比于现有技术具有显著改进，包括增加由第一气化器室产生的合成气的热值，如通过例如其氢和一氧化碳含量所测得。这表示相比于现有技术的效率的显著改进。
在一个实施方案中，离开第一气化器室的合成气可被传送至合成气燃烧器，合成气可在所述合成气燃烧器处燃烧。另外的气体可包含于该燃烧中。例如，可将热的燃烧气体进料至合成气燃烧室。如上，可使用颗粒去除装置。如果例如需要完成合成气的燃烧，则也可包括一定量的新鲜空气。也可将其他气体添加至燃烧中。可控制包括合成气的任意气体在合成气燃烧器中的分布、流速等。该控制具有许多优点，包括在离开合成气燃烧器的烟道气中获得低量的NOx和CO。
通常，第一室中的反应(如气化反应)可与第二室中的反应(如燃烧反应)分别控制，由第二室中的反应释放的能量可被有效回收并用于促进第一室中的反应。如上在本文描述的过程集成能够使进入第一室的所需空气流达到最小，除了其他优点之外，这增加了由第一室产生的合成气的热值。
在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器、一个或多个气化器、第一气体调控器和后燃烧器。所述后燃烧器可含有连接至一个或多个气化器的连接件，来自一个或多个气化器的残余物通过所述连接件流入后燃烧器中。所述残余物可包含气体残余物、非气体残余物(包括未在一个或多个气化器中氧化的有机物含量)，或气体和非气体残余物的组合。所述系统还可包括设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器。集灰器可含有用于将飞灰和重质粒子导入气化器中的连接至一个或多个气化器的连接件。或者，集灰器可连接至后燃烧器。后燃烧器和一个或多个气化器可通过例如下滑槽连接，来自一个或多个气化器的残余物通过所述下滑槽流入后燃烧器。第一气体调控器可含有用于接收气体的入口、用于输出气体的出口、用于调控气体流的阀门，和使调控器控制阀门的打开和关闭的控制软件，所述阀门调控多少气体流入入口以及多少气体流出出口。
在本文描述的系统和方法的一个实施方案中，后燃烧器可包括燃尽室，其中使用过量的氧来氧化来自气化器的残余物。例如，供应的氧的量可超过后燃烧器中的剩余有机物含量的完全燃烧的化学计量要求。作为另一例子，氧浓度可为大约4至大约10％O2之间，如在后燃烧器中的炉排上方的蒸气空间中所测得。在一个实施方案中，过量的氧的温度可为环境温度。过量的氧可作为空气供应。
分开的室中的反应可与在其他室中的反应分开控制。例如，由在一个室中的燃烧所释放的能量可被有效回收并用于促进在另一个室中的反应(如气化)。该过程集成使得进入气化室的所需空气流达到最小，从而增加所产生的合成气的热值。
在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器、一个或多个气化器、第一气体调控器和一个或多个后燃烧器。一个后燃烧器可含有连接至气化器的一个或多个的连接件，来自气化器的某些气体残余物可通过所述连接件流入后燃烧器中。例如，气体残余物可为合成气或类似的气体，或者合成气和其他气体的组合，以用于燃烧。第二后燃烧器也可连接至气化器中的一个或多个。第二后燃烧器也可收集来自气化器中的一个或多个的残余物。第二后燃烧器中的残余物可包含气体残余物、非气体残余物(包括未在气化器中氧化的有机物含量)，或气体和非气体残余物的组合。在一个实施方案中，第二后燃烧器可包括燃尽室，来自气化器中的一个或多个的残余物可在所述燃尽室中用过量的氧来氧化。例如，供应的氧的量可超过第二后燃烧器中的剩余有机物含量的完全燃烧的化学计量要求。作为另一例子，氧浓度可为大约4％至大约10％O2之间，如在后燃烧器中的炉排上方的蒸气空间中所测得。在一个实施方案中，过量的氧的温度可为环境温度。过量的氧可作为空气(如环境空气)供应。
所述系统还可包括设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器。集灰器可含有用于将飞灰和重质粒子导入气化器中的连接至气化器的连接件。或者，集灰器可连接至后燃烧器。后燃烧器和气化器可通过例如下滑槽连接，来自气化器的残余物通过所述下滑槽流入后燃烧器。第一气体调控器可含有用于接收气体的入口、用于输出气体的出口、用于调控气体流的阀门，和使调控器控制阀门的打开和关闭的控制软件，所述阀门调控多少气体流入入口以及多少气体流出出口。
在分开的室中的反应可与在其他室中的反应分开控制。例如，由在一个室中的燃烧所释放的能量可被有效回收并用于促进在另一个室中的反应(如气化)。该过程集成使得进入气化室的所需空气流达到最小，从而增加所产生的合成气的热值。
本文描述的系统和方法也可含有如下另外的特征。所述系统可包括用于接收所述废料的具有由外壳形成的开口的入口。所述系统可包括流体连接至第一气体分流器和第一气化器的第一气体料斗。所述第一气体分流器可连接至气体源以用于接收系统外部的气体。而且，第一和第二气化器可包括倾斜顶部以用于将气体导入后燃烧器。所述系统可包括流体连接至第二气体分流器和第二气化器的第二气体料斗。所述第二气体分流器可连接至气体源以用于接收系统外部的气体。后燃烧器的集灰器可包括锥形或旋风形形状。第一调控器可包括：含有压缩气体或气体移动装置的气体源；用于测定后燃烧器或导入后燃烧器中的端口中的气体温度的传感器；和用于调节流入后燃烧器的气体的量的调节器。所述调节器也可允许调控器调节端口将气体排放至后燃烧器中的角度。所述系统也可包括连接至后燃烧器的烟道。所述烟道可包括阀门，所述阀门可操作为在所述阀门在第一位置时允许气体离开系统，在第二位置时使气体再循环。所述系统也可包括用于将气体引导通过系统的第二气体调控器。所述第二气体调控器可含有用以接收来自烟道的经再循环的气体的与烟道的连接件和用以控制烟道阀门的位置的阀门控制器。例如，气体调控器(如第二气体调控器)可将来自后燃烧器的热气体再引导至气化器。该热气体可用作气化器中的主要空气，其作为主要空气的唯一来源或与另外的气体源混合。第二气体调控器也可包括用以使第二气体调控器接收系统外部的气体的连接至气体源的连接件；用以将气体导入第一气体调控器的连接至第一气体调控器的气体出口；和用以控制多少来自烟道和气体源的气体流动通过气体出口的阀门和阀门控制器。第一气体调控器可包括用于接收来自第二气化器的气体的入口和用于接收来自第二气体调控器的气体的入口，和用于将气体引导至后燃烧器中的至少三个出口。第一出口可连接至后燃烧器的侧壁的下部，以用于将气体水平引导至后燃烧器中。第二出口可连接至后燃烧器的侧壁的上部，以用于将气体水平引导至后燃烧器中。第三出口可连接至后燃烧器的侧壁的顶部，以用于将气体向下引导至后燃烧器中。第一气体调控器可含有调节器，所述调节器用于操纵三个出口将气体引导至后燃烧器中的角度。
所述系统可包括中央控制器和微处理器，所述中央控制器可含有储存于计算机可读介质(如RAM或光学介质)中的软件，所述微处理器用于使控制器调控含氧流在整个系统中的流动。例如，所述软件可使控制器增加推进器的速度；控制气体通过第一和第二气体分流器的流速；以及控制第一气体调控器中的阀门的定位。所述软件也可使控制器控制某些系统构件(如气体分流器、烟道气分流器、第一和第二气体调控器、气化器和推进器)的各种功能。在一些实施方案中，这些构件也可包括微处理器、内存，以及它们本身的指令组。控制器(或调控器或两者)的软件可含有一组或多组指令，以用于调控和控制进入系统的各个构件(如第一气化器、第二气化器和后燃烧器)的端口中的氧量，由此控制气化的温度和速度以及废料和气体的燃烧，从而使系统降低NOx或其他不希望的副产物的产生，且同时也在废料进入底灰收集器之前完成废料的有机物含量的气化和燃烧。例如，该指令组的第一指令可使控制器指示气体分流器将具有低氧含量(如大约5重量％-20重量％O2，优选大约5％-10％)的气体通过气体分流器传送至第一气化器。为此，控制器(或气体分流器)可指示调控器将经再循环的气体传送通过端口。为了获得经再循环的气体，调控器(或控制器)可使烟道中的阀门部分打开，以允许烟道气进入端口。该指令组的第二指令可使控制器指示气体分流器将富氧气体(如大约20-100重量％O2)通过第二气体分流器传送至第二气化器。为此，控制器(或气体分流器)可指示气体源将气体引导至气体分流器(或者例如气体分流器可打开阀门，从而允许气体从气体源进入气体分流器)。控制器(或气体分流器)也可关闭连接至端口的阀门，以防止来自调控器的经再循环的气体的流动(或者例如调控器可关闭烟道中的适当阀门)。该指令组的第三指令可使控制器指示调控器监测后燃烧器中的气体的温度(调控器也可监测后燃烧器中的气体的氧含量。或者，控制器可配备传感器，并可直接进行监测。)如果后燃烧器中的气体的温度变得高于预定值(如大约1000℃)(或者后燃烧器气体的氧含量变得高于预定值，如大约10体积％，则调控器可要求调控器将经再循环的(低氧含量)气体传送至后燃烧器。如果温度变得低于预定值(如大约800℃)(或者后燃烧器气体的氧含量变得低于预定值，如大约1体积％，则控制器可要求富氧气体从气体源发送通过端口通过调控器进入后燃烧器。(或者，如果调控器包括它们自身的气体源，则调控器可使用该气体源来提供富氧气体。)另外，控制器也可监测后燃烧器的各个位置中的气体的温度或氧含量。如果后燃烧器的某个部段具有在过高或过低温度下(或过高或过低氧百分比)的气体，则调控器可引导气体通过特定端口以调节在后燃烧器的该部段中的气体的温度(或氧含量)。在一些实施方案中，调控器也可能够调节端口与后燃烧器形成的角度，以增加调控器控制后燃烧器中的气体的温度(或氧含量)的能力。而且，中央控制器可能够控制废料通过废料推进器的前进速率。
除了如上实施方案和它们的变体之外，公开了用于调控气体和废料通过两级废料气化燃烧系统的方法。在一个实施方案中，所述方法包括如下步骤：将废料推进至第一气化器中；通过将气体引导通过废料而在第一气化器处加工废料，以在第一气化器中产生挥发物；将气体和挥发物引导至后燃烧器中；在后燃烧器中燃烧气体和挥发物混合物；将废料推进至第二气化器中；在第二气化器中加工废料；将气体从第二气化器引导至第一气体调控器；以及接收来自第一气体调控器的气体，并燃烧所述气体，由此产生热和燃烧器气体。
在一个实施方案中，所述方法可包括任意顺序的如下步骤：将废料推进至第一气化器中；通过将气体引导通过废料而在第一气化器处加工废料，以在第一气化器中产生挥发物；将气体和挥发物引导至后燃烧器中；在后燃烧器中燃烧气体和挥发物混合物；将来自第一气化器的残余物(包括未反应的碳含量)推进至第二气化器中；使用过量空气在第二气化器中加工残余物，以完成碳含量的燃烧；将气体从第二气化器引导至引导和控制气体(包括添加另外的气体，如果需要的话)的气体调控器；部分使用来自第二气化器的气体以加热第一气化器；以及燃烧来自第二气化器的气体中的一些。当然，所述方法可包括或多或少的上述步骤。
如上方法可包括另外的步骤，或者步骤中的一些可具有另外的特征。例如，如上方法可包括如下步骤：在入口处接收废料；使用推进器将废料从入口推进至第一气化器；在第一气体分流器处接收气体；将气体从第一气体分流器引导通过第一气体料斗至第一气化器；在第二气体分流器处接收气体；以及将气体从第二气体分流器引导通过第二气体料斗至第二气化器。所述方法也可包括如下步骤：使用集灰器收集残余飞灰和粒子，并将残余飞灰和粒子引导至第二气化器中。而且，在第二气化器处加工废料的步骤可将废料转化为底灰、热量和气体。所述方法可引入沿着推进器将底灰推进至底灰收集器中，并将热量和气体引导至第一气体调控器中。此外，所述方法可包括将一个或多个气流传送通过颗粒去除装置。在另一配置中，所述方法可能需要如下步骤：在第一气体调控器处接收来自第二气化器的气体；在第一气体调控器处接收来自第二气体调控器的气体；以及通过调节一个或多个内部阀门而控制来自第二气化器和第二气体调控器的气体的接收。而且，所述方法可能需要：将燃烧器气体引导至烟道中；控制阀门控制器以引导阀门允许燃烧器气体离开系统或将所述气体再循环回到系统中；在第二气体调控器处接收来自烟道的气体和来自气体源的气体；操纵阀门以控制多少来自烟道和来自气体源的气体流动通过出口；或者通过打开第二气体调控器的出口中的阀门而将气体引导至第一气体调控器中。
附图说明
图1为本发明的一个实施方案的前视图，其中气化器含有门端口。
图2为本发明的一个实施方案的前视图，其示出了通过系统的气体流动。
图3为本发明的一个实施方案的前视图，其中气化器含有排气罩风扇，且不含门端口。
图4为具有一个调控器的本发明的一个实施方案的前视图。
图5为本发明的一个实施方案的前视图，其示出了通过系统的气体流动的某些方面。
图5a为本发明的另一实施方案的示意图。
图6为本发明的另一实施方案。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施方案。燃烧气化系统(广义称为元件50)包括用于接收废料1的入口101、第一气化器102、第二气化器103和后燃烧器104。废料1、垃圾或废物可通过含有外壳的输入导管100而置于入口101中。入口101可包括用于接收废料的由外壳形成的开口。废料1的加工通常在第一气化器102中开始。加工可包括如下功能中的一种或多种：干燥、脱挥发份、气化或燃烧。在一些实施方案中，可将油或其他可燃物质添加至废料1中以促进燃烧。
一旦废料1在输入100内部，则其可通过废料推进器700而被推进通过系统50。废料推进器700可采用液压油缸300和炉排701的形式，如图1所示，或者可使用自前进推进器。在其他实施方案中，推进器700可采用例如塞钻推进器(cork screw advancer)或加煤机(stoker)的形式。另外，可使用例如重力或磁力来推进废料1。废料推进器700可延伸通过第一气化器102、第二气化器103，并进入底灰收集器107。废料推进器700可以向下的角度设置，以促进废料向前移动通过第一气化器102和第二气化器103，在所述第一气化器102和第二气化器103中废料将被加工。在优选的实施方案中，在废料1到达底灰收集器107之时，废料1被完全或接近完全加工。
存在延伸至气化器以及从气化器延伸的大量端口、管道或导管。这些端口(600-615)在整个系统50中输送各种气体和粒子。在一些实施方案中，可使用连接件(600’-615’和600”-615”)将端口600-615连接至系统的各个构件(如第一气化器102或后燃烧器104)。
第一气化器102具有第一气化器气体端口600和气体连接件600’和气体料斗610和气体料斗连接件610’。在一些实施方案中，每个气化器可含有少至1个气体料斗或多至10个或更多个气体料斗，优选3或4个气体料斗。气体端口600设计为接收在废料1气化时所释放的挥发性气体。诸如双原子氮、甲烷、双原子氢、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、各种其他金属和非金属化合物的分子可取决于废料1的组成而释放。端口600中的气体通常称为合成气体“合成气”，因为其为在废料的气化过程中产生的包含一氧化碳和氢气的气体。
气体料斗610将来自气体源501的气体提供至第一气化器102，以控制废料1的气化或燃烧速率。在一些实施方案中，所述气体可采用大气空气的形式，但诸如O2、CO2和水蒸气的其他气体可单独使用或彼此组合使用或与其他气体组合使用。阀门408和409可调控多少气体进入每个料斗610和611。气体分流器406和407接收来自气体端口603和602的气体。在一些实施方案中，调控器401可调控气体的温度、组成和湿度。另外，气体分流器401可调控气体通过气体端口602和603的流速。气体源501可含有加压气体，或可为气体递送机器，例如风扇。气体源501可接收来自未显示的供应的气体，或者可将大气气体循环至气体端口604中。调控器中的一个或多个(403&400)可含有空气入口，所述空气入口允许调控器插入来自气体供应或大气气体的气体以进入系统50中。整个气体源组件广义称为元件1000。
在图1的实施方案中，当废料到达第一气化器102的端部时，第一气化器门端口200将打开，从而允许废料离开第一气化器102并进入第二气化器103。如所示，第二气化器也连接至一系列的气体料斗611和气体料斗连接件611’。另外，第二气化器连接至灰分端口601和第二气化器气体端口605。来自后燃烧器104的灰分可通过含有连接件601”和601’的灰分端口601进入第二气化器。含氧气体可通过第二气化器气体端口605离开第二气化器，所述第二气化器气体端口605可经由气体端口605’附接至第二气化器103。在一段时间之后，废料1通过第二气化器门端口202离开气化器，其中废料将传输至底灰收集器107。图3显示了系统50的可选择的实施方案，其中气化器不含门端口200和202。为了协助将气体向上引导至后燃烧器，气化器可使用倾斜顶部102’和103’，所述倾斜顶部102’和103’可结合任选的排气罩风扇800和801起作用。(第一和第二气化器也可包括诸如侧壁、前壁、后壁和底部的面。)气化器的顶部可为部分倾斜的，从而形成顶部102”和103”，或者倾斜顶部102’和103’可直接连接(未显示)。排气罩风扇800和801可从气化器102和103吸取气体，并将气体引导至端口600和605中。尽管图1中未显示，但图1所示的实施方案可任选地用排气罩风扇构建，以有助于将来自气化器的气体传递至后燃烧器104中。
返回至图1，底灰收集器107负责收集仍然在推进器700上的任意材料。这些材料可包括在第一和第二气化器中未气化或燃烧的任意材料。底灰收集器107可含有储存收集的材料的贮库108。在一些实施方案中，贮库108可与底灰收集器107集成，或者在如所示的其他实施方案中，贮库108可为通过集灰器端口612和连接件612’连接的单独的部件。
后燃烧器104可通过第一气化器端口600接收来自第一气化器102的挥发物和合成气。后燃烧器104可混合这些挥发物与来自上端口609和侧端口607和608的含氧气体。从第一气化器102进入后燃烧器104的气体可处于极高温度下，这在燃烧时可增加氮氧化物“NOx”的形成。通过控制后燃烧器中各种气体的混合，第一气体调控器400可降低燃烧的温度，由此产生更少的NOx。降低NOx的产生是所需的，因为NOx是高度毒性的，并可潜在地损害人类健康。气体调控器400可通过控制各种内部阀门而调控多少气体流入端口608、609和607，以及多少气体从端口605和615流动。结构上，后燃烧器104可包括基本上矩形的形状(如矩形棱柱)，或者可包括更圆柱体的形状。后燃烧器可包括六个或更多个面：如侧壁、前壁、后壁、底部和顶部。第一气体调控器的一个或多个出口可附接至这些面中的一个。在图3所示的实施方案中，出口608附接至燃烧器104的侧壁的下部，出口607附接至燃烧器104的侧壁的上部，且出口609附接至后燃烧器104的顶部。
气体调控器400和403可包括能够使调控器控制内部阀门的打开和关闭的微处理器和控制软件。在一些实施方案中，调控器可能够部分打开和关闭阀门。气体调控器400和403可包括类似于气体源501的气体源，所述气体源可包括压缩气体或诸如风扇的气体移动装置。该气体源可为空气、水蒸气、O2、CO2、N2和其他气体的来源。调控器400和403可具有传感器，所述传感器可测定后燃烧室104、端口605、615和600中的气体的温度。调控器400可含有用于调节流入后燃烧器104中的气体的量的调节器，并可能够调节端口将气体排出至后燃烧器中的角度。例如，端口中的任意者可配备可调节喷嘴，所述可调节喷嘴可影响气流的方向。
中央控制器402可含有储存于计算机可读介质(如RAM或光学介质)上的软件，和用于使控制器调控含氧流在整个系统中的流动的微处理器。所述软件可使控制器402控制某些系统构件(如气体分流器401、406和407、烟道气分流器405、第一和第二气体调控器400和403、气化器102和103，和推进器700)的各种功能。在一些实施方案中，这些构件也可包括微处理器、内存，以及它们本身的指令系统。控制器(或调控器或两者)的软件可含有一组或多组指令，以用于调控和控制进入系统的各个构件(如第一气化器102、第二气化器103和后燃烧器104)的端口中的氧量，由此控制气化的温度和速度以及废料和气体的燃烧，从而使系统降低NOx或其他不希望的副产物的产生，且同时也在废料进入底部集灰器107之前完成废料的有机物含量的气化和燃烧。例如，该指令组的第一指令可使控制器402指示气体分流器401将具有低氧含量(如大约5重量％-20重量％O2，优选大约5％-10％)的气体通过气体分流器406传送至第一气化器。为此，控制器402(或气体分流器401)可指示调控器403将经再循环的气体传送通过端口606A。为了获得经再循环的气体，调控器403(或控制器402)可使烟道109中的阀门405部分打开，以允许烟道气进入端口614。该指令组的第二指令可使控制器402指示气体分流器401将富氧气体(如大约20-100重量％O2)通过第二气体分流器407传送至第二气化器103。为此，控制器402(或气体分流器401)可指示气体源501将气体引导至气体分流器401(或者例如气体分流器401可打开阀门，从而允许气体从气体源501进入气体分流器401)。控制器402(或气体分流器401)也可关闭连接至端口606A的阀门，以防止来自调控器403的经再循环的气体的流动(或者例如调控器403可关闭烟道109中的适当阀门)。该指令组的第三指令可使控制器402指示调控器400监测后燃烧器104中的气体的温度(调控器400也可监测后燃烧器104中的气体的氧含量。或者，控制器402可配备传感器，并可直接进行监测。)如果后燃烧器104中的气体的温度变得高于预定值(如大约1000℃)(或者后燃烧器气体的氧含量变得高于预定值，如大约10体积％，则调控器400可要求调控器403将经再循环的(低氧含量)气体传送至后燃烧器104。如果温度变得低于预定值(如大约800℃)(或者后燃烧器气体的氧含量变得低于预定值，如大约1体积％，则控制器402可要求富氧气体从气体源501发送通过端口606A通过调控器403和400进入后燃烧器。(或者，如果调控器400或403包括它们自身的气体源，则调控器可使用该气体源来提供富氧气体。)另外，控制器402也可监测后燃烧器104的各个位置中的气体的温度或氧含量。如果后燃烧器104的某个部段具有在过高或过低温度下(或过高或过低氧百分比)的气体，则调控器400可引导气体通过特定端口607、608或609以调节在后燃烧器的该部段中的气体的温度(或氧含量)。在一些实施方案中，调控器400也可能够调节端口607、608和609与后燃烧器104形成的角度，以增加调控器控制后燃烧器中的气体的温度(或氧含量)的能力。而且，中央控制器402可能够控制废料1通过废料推进器700的前进速率。
在一些实施方案中，集灰器105可附接至后燃烧器104的底部。集灰器105可用于收集在气化或燃烧过程中产生的飞灰或重质粒子。集灰器105可由来自顶部气体端口609的空气的向下流动而协助。向下空气流可使飞灰或其他重质粒子向下通过后燃烧器104而进入集灰器105。集灰器105可为锥形或旋风形。集灰器可设计用以在收集器105的中心收集飞灰和其他粒子并向下流动，或者在收集器105的壁上形成炉渣并向下流动。集灰器105可通过第二气化器端口601连接至第二气化器103，并可具有连接件601”和601’。
后燃烧器104也可包括烟道109，所述烟道109允许气体通过烟道出口617离开后燃烧器104。或者，气体可通过烟道气返回调控器403再运送通过系统50，所述烟道气返回调控器403可将气体传送至调控器400或气体源501。另外，烟道109可具有阀门405和阀门控制器，所述阀门控制器控制端口617和614之间的气流分布。阀门405可由伺服磁力控制器或可使阀门打开或关闭的另一机械、液压、磁力或电控制器进行控制。在一些实施方案中，阀门405可部分打开或关闭。阀门可操作为允许离开后燃烧器104的所有气体离开系统，或将所述气体中的一些再循环至调控器403。如所示，端口615将气体传递至调控器400，端口606A将来自气体分流器401的气体传递至调控器403，且端口606B将来自调控器403的气体传递至气体分流器401。每个端口614、615和606也可具有它们自身的连接件614’、615’、615”、606A’、606B’、606A”和606B”。调控器400和403也可能够打开和关闭在这些端口中的任选的阀门。烟道气调控器403也可与控制器402和调控器400连接。气体调控器403可包括控制器以控制烟道阀门的位置，以调控多少来自烟道和气体源的气体流动通过气体端口615。如图4所示，一个调控器401可行使调控器403和400的功能。
图2示出了气体通过系统50的过程流动。尽管依次标记，但如下步骤中的许多可以以不同的顺序进行，或者可与另一步骤同时进行。步骤1，气体通过气体源501进入系统，其中气体通过气体端口604，所述气体端口604通过连接件604’和604”连接至气体分流器401。步骤2，气体分流器401可将气体分流或分配至气体分流器406和407。如步骤13中所示，气体分流器401也可接收来自调控器403的气体，并可如步骤12中所示将气体传送至调控器403。调控器403和400或控制器402可能够改变气体在气体分流器之间的分配。步骤3，阀门408和409可改变多少气体进入气体料斗610和611中。阀门408和409可由气体分流器或由调控器或控制器中的任意者控制。步骤4，一旦在第一气化器102内部，则气体与第一气化器中的气体混合。另外，气体将废料气化，由此产生流动通过气化端口600的气体。步骤5，来自气体料斗611的气体流入第二气化器中，其中所述气体气化，并燃烧第二燃烧器103中的废料。所得气体向上流动通过第二气化器端口605。步骤6，来自集灰器105的灰分可流动通过端口601进入第二气化器103。步骤7，第二气化器气体端口605中的气体可与来自调控器400的气体源的新的气体混合。调控器400可含有其自身的气体，或具有到达系统50外部的气体的通路。步骤8，气体源也可接收来自端口615的经再循环的烟道气。步骤9，气体源可将气体传送通过气体端口606，在所述气体端口606处，气体进入调控器403。调控器400可选择将多少气体传送至顶部或侧面气体端口607、608和609。顶部气体端口609和侧面气体端口607、608将气体传送至后燃烧器104。步骤10，气体向上释放通过烟道端口613进入烟道109，更重质的粒子沉降于集灰器105中。烟道可通过阀门405控制，所述阀门405也可由调控器或控制器中的任意者控制。阀门405允许烟道气通过烟道气出口617离开，和/或其可引导烟道气通过烟道气返回端口614，步骤11。烟道气返回调控器403可通过气体端口615(步骤8)或606B(步骤13)将气体传送至调控器400或气体源501。
在本发明的一个实施方案中，系统可包括推进器和两个气化器室，其中第二气化器可完成从第一气化器传送至第二气化器的固体残余物中的未反应的碳的燃烧(参见步骤5)。可使用新鲜主要空气(流2A)进料第二气化器，所述新鲜主要空气的量超过完成进入第二气化器室的固体材料的碳含量的燃烧所需的量。控制新鲜主要空气在第二气化器中的分布，以获得碳的高燃尽率，从而在离开第二气化器的灰分中留下低的残余碳含量。
来自第二气化器室的热燃烧烟道气(流7)可与另外的新鲜空气(例如流2B)混合以控制气体的温度，并可通过颗粒去除装置以去除夹带的颗粒。离开颗粒去除装置的气体可用于以如下流速将主要和次要空气提供至第一气化器室(例如流3)：所述流速用以将第一气化器室中的温度控制在促进进入的废物的干燥和气化所需的水平上。所述温度将取决于废物进料的热值而不同，但举例而言，可通常在大约1600°F至大约1800°F之间。由燃烧进入第二气化器室中的残余物中的残余碳含量而释放的能量所导致的流3的高温增加了第一气化器室中废物的干燥和气化速率，由此降低了必须在第一气化器室中被氧化的废物中的有机物含量的部分，并转而降低了所需的进入第一气化器室的含氧空气的亚化学计量流。所述能量集成增加了由第一气化器室产生的合成气(流4)的热值，如例如通过其氢和一氧化碳含量所测得。这表示相比于现有技术的显著效率改进。
可将离开第一气化器室的合成气(例如流4)传送至合成气燃烧器，在合成气燃烧器处，所述合成气使用来自颗粒去除装置的剩余热气体(例如流9)燃烧。如果需要完成合成气的燃烧，则也可包括一定量的新鲜空气(流2C)。可控制流4和2C的分布，以在离开合成气燃烧器的烟道气(例如流10)中获得低水平的NOx和CO两者。
第一室中的气化反应可与第二室中的燃烧反应分别控制，由第二室中的燃烧释放的能量可被有效回收并用于促进第一室中的气化反应。所述过程集成能够使进入第一气化室的所需空气流达到最小，除了其他优点之外，这增加了由第一室产生的合成气的热值。
图5A为本发明的另一实施方案的示意图。该实施方案包括一个或多个气化器710，所述一个或多个气化器710通过出口711连接至后燃烧器，并通过连接件714连接至第二后燃烧器713。第二后燃烧器713和气化器可通过例如下滑槽连接。在该实施方案中，如本文所述的其他系统和方法中那样，来自后燃烧器的烟道气可在整个系统中再循环。例如，烟道气可从第二后燃烧器713再循环至一个或多个气化器710，在所述一个或多个气化器710处，所述烟道气可单独地或与其他气体源结合而用作主要气体源。可通过允许离开一个或多个气化器710的残余物在一个或多个气化器710与第二后燃烧器713之间的斜槽中堆积，从而在一个或多个气化器710与第二后燃烧器713之间保持密封。此外，可使用诸如核料位计(nuclear point level detector)的传感器指示何时斜槽是满的。这可引起系统例如通过操作进料活塞而将残余物移动至第二后燃烧器713。第二后燃烧器713可包括燃尽室，来自一个或多个气化器的残余物可在所述燃尽室中用过量的氧来氧化。所述残余物可包含气体残余物、非气体残余物(包括未在一个或多个气化器中氧化的有机含量)，或气体和非气体残余物的组合。例如，在第二后燃烧器713中供应的氧的量可超过第二后燃烧器中的剩余有机物含量的完全燃烧的化学计量要求。作为另一例子，氧浓度可为约4至约10％O2之间，如在第二后燃烧器中的炉排上方的蒸气空间中所测得。在一个实施方案中，过量的氧的温度为环境温度。过量的氧可作为空气(如环境空气)供应。在某些实施方案中，出口711可提供用于燃烧的气体的出口。例如，气体可为合成气、类似的气体，或者合成气和其他气体的混合物。诸如合成气的气体可为第一后燃烧器中的燃烧器。
本文描述的系统和方法也可包括一个或多个红外传感器以监测温度。例如，可监测离开一个或多个气化器的残余物的温度，也可监测离开一个或多个后燃烧器的材料的温度。可使用这些温度信号来控制进入后燃烧器和气化器的空气或燃料的分布。
图6提供了本发明的一个实施方案的另一实施例。该实施方案包括气化器801、出口805和后燃烧器802。在该实施方案中，气化器801在后燃烧器802上方，从而可将来自后燃烧器的热气体引导至气化器中。在一个实施方案中，气化器801在后燃烧器802的顶部，使得热气体直接流入气化器801中。来自后燃烧器的气体可单独地或与其他主要气体源结合用作用于气化器的主要气体源。来自气化器的残余物可流入后燃烧器中。通过允许离开气化器的残余物在气化器801与后燃烧器802之间的连接件中堆积，从而可在气化器801与后燃烧器802之间保持密封807。此外，可使用诸如核料位计的传感器800指示何时连接件是满的。这可引起系统例如通过操作进料活塞而将残余物移动至后燃烧器802。后燃烧器802可包括燃尽室，来自一个或多个气化器的残余物在所述燃尽室中用过量的氧来氧化。
出口805可构造为使得来自气化器的某些气体流出出口805。例如，气体可包括合成气、类似的气体，或者合成气和其他气体的混合物。流出出口805的气体可在第二后燃烧器中燃烧。出口805可包括用于分析通过出口805的气体的含量的传感器。例如，可使用可调二极管激光器806来测定O2、CO2和H2含量。系统可包括一个或多个红外传感器804来监测温度。例如，可监测离开气化器的残余物的温度，也可监测离开后燃烧器的材料的温度。可使用这些温度信号来控制进入后燃烧器和气化器的空气的分布。

Claims (14)

1.一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统，所述系统包括：推进器、第一和第二气化器、第一气体调控器，中央处理器，和后燃烧器，其中
所述推进器包括用于将废料从所述第一气化器移动至所述第二气化器的装置；
所述后燃烧器包括连接至第一和第二气化器的连接件；
所述第一气体调控器包括：用于接收气体的入口、用于输出气体的出口和用于调控系统中的气体流的阀门；
所述第二气化器完成从第一气化器接收的未反应的碳的燃烧；来自所述第二气化器的热燃烧气体被再循环至所述第一气化器；和
所述中央处理器含有用于使控制器进行以下步骤的软件：
控制推进器的速度；
控制气体通过第一和第二气体分流器的流速；和
控制阀门在第一气体调控器中的定位。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述后燃烧器包括设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器，其中所述集灰器连接至所述第二气化器用于将飞灰和重质粒子引导至所述第二气化器中。
3.根据权利要求1所述的系统，其包括用于接收所述废料的具有由外壳形成的开口的入口。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括流体连接至第一气体分流器和第一气化器的第一气体料斗，其中所述第一气体分流器可连接至气体源以用于接收系统外部的气体，和所述第一气化器包括倾斜顶部以用于将气体引导至后燃烧器中。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括流体连接至第二气体分流器和第二气化器的第二气体料斗，其中所述第二气体分流器可连接至气体源以用于接收系统外部的气体，和所述第二气化器包括倾斜顶部以用于将气体引导至后燃烧器中。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述集灰器具有锥形或旋风形。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一气体调控器包括：
含有压缩气体或气体移动装置的气体源；
用于测定在后燃烧器中或在导入所述后燃烧器的端口中的气体的气体温度或氧含量的传感器；和
用于调节流入所述后燃烧器中的气体的量的调节器，所述调节器也允许所述调控器调节端口将气体排出至后燃烧器中的角度。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接至所述后燃烧器的烟道，其中所述烟道包括阀门，所述阀门可操作为在所述阀门在第一位置时允许气体离开系统，或所述阀门在第二位置时使气体的至少一些再循环。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括用于将气体引导通过所述系统的第二气体调控器和控制阀门的位置的阀门控制器，其中所述第二气体调控器连接至烟道以接收来自烟道的经再循环的气体。
10.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：
连接至所述后燃烧器的烟道，其中所述烟道包括阀门，所述阀门可操作为在所述阀门在第一位置时允许气体离开所述系统，或所述阀门在第二位置时使气体的至少一些再循环；和
用于将气体引导通过所述系统的第二气体调控器，其中所述第二气体调控器包括：
与烟道连接以接收来自烟道的经再循环的气体的连接件；
用以控制阀门的位置的控制器；
连接至气体源以允许所述第二气体调控器接收系统外部的气体的连接件；
连接至所述第一气体调控器以将气体引导至所述第一气体调控器的气体出口；和
用以控制多少来自烟道和气体源的气体流动通过气体出口的阀门和阀门控制器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一气体调控器包括用于接收来自第二气化器的气体的入口和用于接收来自第二气体调控器的气体的入口，和用于将气体引导至后燃烧器中的至少三个出口，其中第一出口连接至后燃烧器的侧壁的下部，以用于将气体水平引导至后燃烧器中，第二出口连接至后燃烧器的侧壁的上部，以用于将气体水平引导至后燃烧器中，第三出口连接至后燃烧器的顶部，以用于将气体向下引导至后燃烧器中。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一气体调控器包括调节器，所述调节器用于操纵三个出口将气体引导至后燃烧器中的角度。
13.一种用于通过两级废料气化燃烧系统而调控气体并推进废料的方法：
a.将废料推进至第一气化器中；
b.通过将气体引导通过废料，以在第一气化器处加工废料，从而在第一气化器中产生挥发物；
c.将气体和挥发物引导至后燃烧器中；
d.在后燃烧器中燃烧气体和挥发物混合物；
e.将废料推进至第二气化器中；
f.使用过量的氧而在第二气化器中燃烧废料，以产生含氧气体；
g.在后燃烧器中燃烧所述含氧气体；
h.将来自第二气化器的热气体引导至第一气体调控器；和
i.在第一气化器处接收来自第一气体调控器的气体，并引导所述气体通过废料。
14.根据权利要求13所述的方法，其包括如下步骤：
a.在入口处接收废料；
b.使用推进器将废料从入口推进至第一气化器；
c.在第一气体分流器处接收气体，将来自第一气体分流器的气体引导通过第一气体料斗至第一气化器；和
d.在第二气体分流器处接收气体，将来自第二气体分流器的气体引导通过第二气体料斗至第二气化器。
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