CN105062566B - 一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，包括从上至下依次连接的上部封头、中间的热解气化反应室、下部的灰渣熔融室和底部封头，所述热解气化反应室的侧壁处设有垃圾入口；灰渣熔融室布置有等离子体炬安装口和空气入口，通过空气入口通入的空气配合等离子体炬加热进行二次气化；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重整反应室去除掉、热解气化后产生的灰渣经气化熔融室被等离子炬产生的高温熔融变成无害的玻璃态熔渣，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。
Description
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气化制气装置及工艺，具体地说是一种可以防止二噁英产生和重金属二次污染的用于城市生活垃圾的等离子气化反应器。
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，在环境保护和资源利用方面具有明显的优势，因而近几年在我国得到较快的发展。然而垃圾焚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，例如：公开号为CN104449854A，公开日为2015年3月25日的中国专利文献，公开了一种带水冷壁的一体式垃圾等离子体气化炉，气化炉炉膛分为上部的合成气重整区、中部的气化区和下部的废渣熔融区；合成气重整区内在同一水平面上均匀设有三支等离子体炬一；气化区的侧面与进料系统相连，侧面还设有进气口，底面设有用于承载垃圾的炉排；废渣熔融区的侧面中间设置有三个环绕的等离子体炬二。该方案的气化炉可使常规气化、合成气重整与废渣熔融在一个气化炉内完成，利用垃圾自身热值先进行常规气化。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。第四，现有垃圾等离子气化炉炉型相对简单，由于等离子气化炉中温度分布极为不均，等离子炬所在区域温度较高，使得炉膛受热不均，易发生破裂。而且耐火材料整体浇注，也使气化室炉膛更换极为困难。此外，现有炉膛结构不利于反应过程的优化，使气化炉膛空间利用率低。
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，提供一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，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：
一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：包括从上至下依次连接的上部封头、中间的热解气化反应室、下部的灰渣熔融室和底部封头，整体呈一段式结构，水平方向的截面呈圆形；所述热解气化反应室的侧壁上端位置处设置有一垃圾入口；所述灰渣熔融室的侧壁上均匀布置有处于同一水平面的多个等离子体炬安装口，等离子体炬安装口均安装有等离子体炬，等离子体炬安装口的中心线与灰渣熔融室的垂直中心线之间的夹角为β角，β角的范围为50-70°，等离子体炬安装口的中心线与灰渣熔融室的水平中心线之间的夹角为γ角，γ角的范围为30-50°；所述灰渣熔融室的侧壁上还均匀布置有处于另同一水平面的多个空气入口，空气入口的中心线与灰渣熔融室的垂直中心线之间的夹角为ε角，ε角的范围为50-70°，空气入口的中心线与灰渣熔融室的水平中心线平行；所述空气入口在垂直方向上高于等离子体炬安装口。
所述上部封头为锥形封头，顶部开有合成气出口，合成气出口安装于上部封头的顶部中心处；所述上部封头的锥角为α，α的范围为80-90°，上部封头的内壁为整体浇筑的耐火衬里。
所述热解气化反应室的垃圾入口为一窄长的喉部通道，垃圾入口的内壁为耐火衬里。
所述热解气化反应室的侧壁上还安装有一系列的温度测口和压力测口，温度测口的中心线、压力测口的中心线均与中间热解气化反应室的垂直中心线垂直。
所述热解气化反应室从内至外依次包括内壁、壳体和保温层，内壁为整体浇注的耐火衬里，保温层位于内壁和壳体之间。
所述灰渣熔融室从内至外依次包括刚玉内衬、内壁、壳体和保温层，刚玉内衬为多块可拆卸的刚玉内衬块拼接而成，内壁为整体浇注的耐火衬里，保温层位于内壁和壳体之间。刚玉内衬由分块组成，以便于拆卸更换，还可有效解决整体浇注导致的受热不均，易破裂等问题。
所述底部封头的底部开有一排渣口，排渣口为一窄长的喉部通道，排渣口的内壁为耐火刚玉衬里，排渣口的外壁为耐火衬里和钢板，喉部通道为一锥形管，锥形管的锥角α为6-10°。
所述排渣口的上部安装有排液盖，排液盖用耐高温的高玉整体制作；排液盖上对称的开有若干孔径为10-20mm的排液孔。
所述上部封头与热解气化反应室的壳体之间通过法兰连接，热解气化反应室的壳体与灰渣熔融室的壳体之间通过焊接连接，灰渣熔融室的壳体下部与底部封头的壳体通过法兰连接。
所述等离子气化反应器的壳体均为钢板材质。
其气化工艺过程如下：
1、生活垃圾自热解气化反应室的侧壁上的垃圾入口进入到热解气化反应室内，与自灰渣熔融室内反应来的高温合成气进行换热；生活垃圾垃圾在热解气化反应室内自上而下依次进行干燥、热解气化反应；
其中，干燥、热解气化反应所需要的热源由灰渣熔融室内的灰渣及部分垃圾热解气化、燃烧产生的高温合成气体提供；
2、经热解气化后产生的固体残渣和未完全反应的生活垃圾进入到灰渣熔融室；在灰渣熔融室内固体残渣和未完全反应的生活垃圾在等离子体炬提供的高温热源下进一步发生热解气化反应；
在灰渣熔融室未反应的残炭的燃尽所需要的空气通过空气入口补充；燃尽后剩余的炉渣经熔融等离子炬提供的高温进行熔融，并通过高温将炉渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉炉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口上的排液孔排出等离子气化反应器。
灰渣熔融室二次气化及燃尽产生的合成气与中间热解气化反应室产生的合成气通过合成气出口排出反应器进入到后续的合成气利用系统。
本发明的有益效果和优点如下：
（1）本发明采用一段式整体炉膛结构，炉膛内壁由耐火材料分段浇筑成形，其中灰渣熔融室还设置有可更换的高密度的刚玉内衬，刚玉内衬由分块组成，以便于拆卸更换，还可有效解决整体浇注导致的炉膛受热不均、易破裂的问题，而且便于更换气化室底部炉膛。
（2）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重整反应室去除掉、热解气化后产生的灰渣经气化熔融室被等离子炬产生的高温熔融变成无害的玻璃态熔渣，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。
（3）本发明利用垃圾自身的热值进行缺氧燃烧热解气化，之后对其产生的炉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为本发明的纵向剖面结构示意图；
图2为图1中的A-A截面剖视示意图；
图3为图1中的B-B截面剖视示意图；
图4为图1中的I局部放大意图。
其中，附图标记为：1垃圾入口，2中间热解气化反应室，2-1耐火衬里，2-2壳体， 2-3保温层，2-4温度测口，2-5压力测口，3下部灰渣熔融室，3-1刚玉内衬，3-2耐火衬里，3-3保温层，3-4壳体，3-5等离子体炬安装口，3-6空气入口，4排渣口，4-1耐火刚玉衬里， 4-2耐火衬里，4-3钢板，4-4排液盖，4-5排液孔，5上部封头，5-1合成气出口，5-2耐火衬里，6法兰，7底部封头，8法兰。
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1-4所示，一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，包括从上至下依次连接的上部封头5、中间的热解气化反应室2、下部的灰渣熔融室3和底部封头7，整体呈一段式结构，水平方向的截面呈圆形；所述热解气化反应室2的侧壁上端位置处设置有一垃圾入口1；所述灰渣熔融室3的侧壁上均匀布置有处于同一水平面的多个等离子体炬安装口3-5，等离子体炬安装口3-5均安装有等离子体炬，等离子体炬安装口3-5的中心线与灰渣熔融室3的垂直中心线之间的夹角为β角，β角的范围为50-70°，等离子体炬安装口3-5的中心线与灰渣熔融室3的水平中心线之间的夹角为γ角，γ角的范围为30-50°；所述灰渣熔融室3的侧壁上还均匀布置有处于另同一水平面的多个空气入口3-6，空气入口3-6的中心线与灰渣熔融室3的垂直中心线之间的夹角为β角，β角的范围为50-70°，空气入口3-6的中心线与灰渣熔融室3的水平中心线平行；所述空气入口3-6在垂直方向上高于等离子体炬安装口3-5。
该方案中，可以设置两个，或者三个，或者四个，或者更多个等离子体炬安装口3-5；同时可以设置六个，或八个，或十个，或更多个空气入口3-6。
所述上部封头5为锥形封头，顶部开有合成气出口5-1，合成气出口5-1安装于上部封头5的顶部中心处；所述上部封头5的锥角为δ，δ的范围为80-90°，上部封头5的内壁为整体浇筑的耐火衬里5-2。
所述热解气化反应室2的垃圾入口1为一窄长的喉部通道，垃圾入口1的内壁为耐火衬里。
所述热解气化反应室2的侧壁上还安装有一系列的温度测口2-4和压力测口2-5，温度测口2-4的中心线、压力测口2-5的中心线均与中间热解气化反应室2的垂直中心线垂直。
所述热解气化反应室2从内至外依次包括内壁、壳体2-2和保温层2-3，内壁为整体浇注的耐火衬里2-1，保温层2-3位于内壁和壳体2-2之间。
所述灰渣熔融室3从内至外依次包括刚玉内衬3-1、内壁、壳体3-4和保温层3-3，刚玉内衬3-4为多块可拆卸的刚玉内衬块拼接而成，内壁为整体浇注的耐火衬里3-2，保温层3-3位于内壁和壳体3-4之间。刚玉内衬由分块组成，以便于拆卸更换，还可有效解决整体浇注导致的受热不均，易破裂等问题。
所述底部封头的底部开有一排渣口4，排渣口4为一窄长的喉部通道，排渣口4的内壁为耐火刚玉衬里4-1，排渣口4的外壁为耐火衬里4-2和钢板4-3，喉部通道为一锥形管，锥形管的锥角α为6-10°。
所述排渣口4的上部安装有排液盖4-4，排液盖4-4用耐高温的高玉整体制作；排液盖4-4上对称的开有若干孔径为10-20mm的排液孔4-5。
所述上部封头5与热解气化反应室2的壳体2-2之间通过法兰6连接，热解气化反应室2的壳体与灰渣熔融室3的壳体之间通过焊接连接，灰渣熔融室3的壳体3-4下部与底部封头7的壳体通过法兰8连接。
所述等离子气化反应器的壳体均为钢板材质。
本发明的工作过程为：
生活垃圾自热解气化反应室2的侧壁上的垃圾入口1进入到热解气化反应室2内，与自灰渣熔融室3内反应来的高温合成气进行换热；生活垃圾垃圾在热解气化反应室2内自上而下依次进行干燥、热解气化反应；
垃圾干燥、热解气化反应所需要的热源由灰渣熔融室3内灰渣及部分垃圾热解气化、燃烧产生的高温合成气体提供；经热解气化后的生活垃圾产生的固体残渣和未完全反应的生活垃圾进入到灰渣熔融室3；
在灰渣熔融室3内固体残渣和未完全反应的生活垃圾在等离子体炬提供的高温热源下进一步发生热解气化反应；在灰渣熔融室3未反应的残炭的燃尽所需要的空气通过空气入口3-6补充；燃尽后剩余的炉渣经熔融等离子炬提供的高温进行熔融，并通过高温将炉渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉炉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口4上的排液孔排出等离子气化反应器。
灰渣熔融室3二次气化及燃尽产生的合成气与中间热解气化反应室2产生的合成气通过合成气出口5-1排出反应器进入到后续的合成气利用系统。
Claims (9)
1.一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：包括从上至下依次连接的上部封头（5）、中间的热解气化反应室（2）、下部的灰渣熔融室（3）和底部封头，整体呈一段式结构；所述热解气化反应室（2）的侧壁上端位置处设置有一垃圾入口（1）；所述灰渣熔融室（3）的侧壁上均匀布置有处于同一水平面的多个等离子体炬安装口（3-5），等离子体炬安装口（3-5）均安装有等离子体炬，等离子体炬安装口（3-5）的中心线与灰渣熔融室（3）的垂直中心线之间的夹角为β角，β角的范围为50-70°，等离子体炬安装口（3-5）的中心线与灰渣熔融室（3）的水平中心线之间的夹角为γ角，γ角的范围为30-50°；所述灰渣熔融室（3）的侧壁上还均匀布置有处于另同一水平面的多个空气入口（3-6），空气入口（3-6）的中心线与灰渣熔融室（3）的垂直中心线之间的夹角为ε角，ε角的范围为50-70°，空气入口（3-6）的中心线与灰渣熔融室（3）的水平中心线平行；所述空气入口（3-6）在垂直方向上高于等离子体炬安装口（3-5）；所述上部封头（5）为锥形封头，顶部开有合成气出口（5-1），合成气出口（5-1）安装于上部封头（5）的顶部中心处；所述上部封头（5）的锥角为α，α的范围为80-90°，上部封头（5）的内壁为整体浇筑的耐火衬里（5-2）；所述底部封头（7）的底部开有一排渣口（4），排渣口（4）为一窄长的喉部通道，排渣口（4）的内壁为耐火刚玉衬里（4-2），排渣口（4）的外壁为耐火衬里（4-2）和钢板（4-3），喉部通道为一锥形管，锥形管的锥角α为6-10°。
2.根据权利要求1所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述热解气化反应室（2）的垃圾入口（1）为一窄长的喉部通道，垃圾入口（1）的内壁为耐火衬里。
3.根据权利要求2所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述热解气化反应室（2）的侧壁上还安装有一系列的温度测口（2-4）和压力测口（2-5），温度测口（2-4）的中心线、压力测口（2-5）的中心线均与中间热解气化反应室（2）的垂直中心线垂直。
4.根据权利要求1所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述热解气化反应室（2）从内至外依次包括内壁、壳体（2-2）和保温层（2-3），内壁为整体浇注的耐火衬里（2-1），保温层（2-3）位于内壁和壳体（2-2）之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述灰渣熔融室（3）从内至外依次包括刚玉内衬（3-1）、内壁、壳体（3-4）和保温层（3-3），刚玉内衬（3-1）为多块可拆卸的刚玉内衬块拼接而成。
6.根据权利要求1所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述排渣口（4）的上部安装有排液盖（4-4），排液盖（4-4）用耐高温的高玉整体制作；排液盖（4-4）上对称的开有若干孔径为10-20mm的排液孔（4-5）。
7.根据权利要求1所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述上部封头（5）与热解气化反应室（2）的壳体之间通过法兰（6）连接，热解气化反应室（2）的壳体与灰渣熔融室（3）的壳体之间通过焊接连接，灰渣熔融室（3）的壳体下部与底部封头（7）的壳体通过法兰（8）连接。
8.根据权利要求7所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其特征在于：所述等离子气化反应器的壳体均为钢板材质。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种用于城市生活垃圾的等离子气化反应器，其气化过程如下：
A、生活垃圾自热解气化反应室的侧壁上的垃圾入口（1）进入到热解气化反应室（2）内，与自灰渣熔融室（3）内反应来的高温合成气进行换热；生活垃圾垃圾在热解气化反应室（2）内自上而下依次进行干燥、热解气化反应；
其中，干燥、热解气化反应所需要的热源由灰渣熔融室（3）内的灰渣及部分垃圾热解气化、燃烧产生的高温合成气体提供；
B、经热解气化后产生的固体残渣和未完全反应的生活垃圾进入到灰渣熔融室（3）；在灰渣熔融室（3）内固体残渣和未完全反应的生活垃圾在等离子体炬提供的高温热源下进一步发生热解气化反应；
在灰渣熔融室（3）未反应的残炭的燃尽所需要的空气通过空气入口（3-6）补充；燃尽后剩余的炉渣经熔融等离子炬提供的高温进行熔融，并通过高温将炉渣中未反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉炉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口（4）上的排液孔（4-5）排出等离子气化反应器。
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