CN105135434A - 生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，包括：上吸式气化炉：由从上至下依次连接的连续进料装置、气化炉体和旋转除灰装置组成；均相转化反应器：入口直接密封连接所述的上吸式气化炉上部的产气出口；气化产气燃烧器：入口直接密封连接所述的均相转化反应器的产物出口；生活垃圾原料通过连续进料装置进入气化炉体，经过等离子气化反应转化为气化气，随后进入均相转化反应器，发生均相转化反应，均相转化产物进入气化产气燃烧器，进行分级燃烧，等离子气化反应过程产生的灰渣由旋转除灰装置去除。与现有技术相比，本发明在有效控制了二噁英污染物的同时，显著降低了等离子能耗，提高了系统的经济性。

Description

生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置

技术领域

本发明涉及生活垃圾转化装置，尤其涉及一种低二噁英排放的生活垃圾等离子气化-燃烧一体化转化装置。

背景技术

我国生活垃圾清运量至2013年已达17238.6万吨，受限于昂贵的土地资源，填埋技术处理压力巨大。以焚烧为首的热化学转化技术由于占地小、减量化程度高、能量可回收等特点逐渐受到重视，至2013年焚烧技术的垃圾处理量比重已达26.88％，但其应用和推广受制于二噁英污染物的排放。二噁英污染物(PCDD/F)在焚烧过程中的生成主要有2个途径：燃烧区后部的高温气相合成和炉膛尾部的低温催化异相合成。

针对焚烧过程中的二噁英生成途径，研究人员提出了“3T技术”以促进燃烧区域的充分氧化裂解，控制燃烧烟气中的烃类组分，同时在炉膛尾部利用“急冷技术”快速通过二噁英异相催化合成的温度窗口。但在气固异相反应条件下，完全的氧化裂解较难实现，烟气中未燃尽的烃类组分不可避免，且炉膛尾部氧气充裕的情况下，易发生迪肯反应大量生成活性氯，通过氯化烃类形成C-Cl，并进一步合成二噁英。因此在实际工程中，仍需通过活性炭吸附来满足环保要求，投资和运行成本高昂。

鉴于氧对迪肯反应和从头合成等二噁英合成关键反应的促进作用，欠氧条件下的热化学转化技术逐渐受到重视，而等离子气化技术凭借高度无害化的特点引起了广泛关注。目前应用较多的等离子气化工艺中，多为借助等离子炬产生的高温、高反应性的气化介质，在气化炉内形成局部超高温，使整个料床呈熔融状，从而保障二噁英的完全裂解，同时熔融后的灰渣以玻璃渣的形式排出炉膛，不具有反应性和污染性。这种方式尽管能保障产物的清洁，但以巨大的能耗作为代价，目前情况下仍不是一个可持续的解决方案。另一方面，有研究机构提出仅将等离子用于气化灰渣的处理，这种方式在保障灰渣玻璃化的同时有效降低了等离子炬的能耗，但对于料床上层析出的挥发分中的二噁英及其前驱物缺乏有效的控制。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷，在保障二噁英控制效果的前提下，提供了一种能耗低、经济性好的生活垃圾等离子气化-燃烧一体化转化装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，包括：上吸式气化炉：包括从上至下依次连接的连续进料装置、气化炉体和旋转除灰装置；均相转化反应器：入口直接密封连接所述的上吸式气化炉上部的产气出口；气化产气燃烧器：入口直接密封连接所述的均相转化反应器的产气出口。

生活垃圾原料通过连续进料装置进入气化炉体，发生等离子气化反应，气化产气进入均相转化反应器，发生均相转化反应，均相转化产物进入气化产气燃烧器，进行分级供氧燃烧，等离子气化反应过程产生的灰渣由旋转除灰装置去除。

所述的连续进料装置包括密封料仓、锁气器和进料电机，所述的锁气器设置在密封料仓下部，防止等离子气化反应产生的气体进入密封料仓。锁气器连接进料电机，通过进料电机调节锁气器的转速以控制进料速率。

所述的旋转除灰装置包括旋转炉蓖和除灰电机，所述的旋转炉蓖设置在气化炉体的底部、灰仓的上方，并连接除灰电机，通过除灰电机调节旋转炉蓖的转速以控制气化灰渣落入灰仓的速率。灰仓一侧设有气化介质入口，等离子态的气化介质从该气化介质入口进入灰仓，使其中的气化灰渣熔融并玻璃化，随后气化介质从底部进入气化炉体参与气化反应。

所述的均相转化反应器用于创造一个气化产物均相转化的反应空间，均相转化反应的温度不低于700℃，停留时间不少于2秒。等离子气化反应产生的气体中含有充裕的H₂，在均相转化反应过程中，气化产气中的C-Cl和可能生成C-Cl的活性氯中的Cl在所设计的反应条件下都将与H结合成稳定的HCl分子，从而实现对C-Cl的抑制。考虑到C-Cl是二噁英分子中能量最低的键，也是二噁英与一般烃类分子的区别所在，这种Cl向HCl的定向转移可以从源头控制二噁英的生成。同时，产气中的焦油也会由于加氢裂解反应而大量转化为小分子烃类。均相转化反应器外壁布置有夹套，气化产气燃烧产生的高温烟气可通过夹套为均相转化反应提供所需的热量。

所述的气化产气燃烧器中，燃烧所需的氧气采用分级供给的方式，即在气化产气燃烧器上不同位置设置至少两个氧气入口分级供氧，目的是为了避免燃烧过程中的富氧气氛(空气过量系数大于0.7)和高温条件(温度高于900℃)的同时满足。一方面，高温条件下O会夺取HCl分子中的H，使均相转化中被固定的Cl重新成为活性氯，有机会形成C-Cl并转化为二噁英相关物质；另一方面，高温富氧条件下，有利于热力型和燃料型氮氧化物的生成。气化产气燃烧产生的高温烟气通过均相转化反应器的夹套，为均相转化反应提供所需的热量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用均相转化反应器，通过气化产气均相转化的方法，利用其中充裕的H₂将Cl都固定在稳定的HCl分子中，避免C-Cl的形成，从源头抑制二噁英的生成，抑制效果显著；

(2)气化产气的燃烧采用分级供氧的方式，能有效避免高温条件下HCl中的Cl重新转化为活性氯、从而形成C-Cl。同时，该燃烧方式还能有效抑制氮氧化物的生成。

(3)由于均相转化方法对气体产物中二噁英的有效控制，等离子仅需用于气化灰渣的玻璃化处理，能耗显著降低，经济性明显提高。另一方面，均相转化所需热量来源于产气燃烧生成的高温烟气，进一步提高了系统的热效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明基础实验中得到的H₂对C-Cl形成抑制作用的实验结果；

图中标识为：1密封料仓，2锁气器，3进料电机，4气化炉体，5旋转炉蓖，6除灰电机，7气化介质入口，8灰仓，9产气出口，10均相转化反应器，11气化产气燃烧器，12第一氧气入口，13第二氧气入口，14烟气管道。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，包括：上吸式气化炉：包括从上至下依次连接的连续进料装置、气化炉体4和旋转除灰装置；均相转化反应器10：入口直接密封连接上吸式气化炉上部的产气出口9；气化产气燃烧器11：入口直接密封连接均相转化反应器10的产气出口；

连续进料装置包括密封料仓1、锁气器2和进料电机3，锁气器2设置在密封料仓1下部，防止等离子气化反应产生的气体进入密封料仓1。锁气器2连接进料电机3，通过进料电机3调节锁气器2的转速以控制进料速率。

旋转除灰装置包括旋转炉蓖5和除灰电机6，旋转炉蓖5设置在气化炉体4底部、灰仓8上方，并连接除灰电机6，通过除灰电机6调节旋转炉蓖5的转速以控制气化灰渣落入灰仓8的速率。灰仓8一侧设有气化介质入口7，等离子态的气化介质从该气化介质入口7进入灰仓8，使其中的气化灰渣熔融并玻璃化，随后气化介质从底部进入气化炉体4参与气化反应。

均相转化反应器10布置有换热夹套，利用气化产气燃烧产生的高温烟气为均相转化反应提供所需的热量。

气化产气燃烧器11中设有至少两个氧气入口，形成分级供氧的气体燃烧方式。燃烧产生的高温烟气通过烟气管道14进入均相转化反应器10的夹套。

本装置的具体工作流程如下：

(1)等离子气化反应

生活垃圾原料通过连续进料装置进入气化炉体4，发生等离子气化反应，产生的灰渣进入灰仓8后，借助等离子炬产生的高温气化介质进行熔融处理，形成惰性的玻璃渣排出炉膛；等离子气化反应产生的气体产物则由产气出口9进入均相转化反应器10。

(2)均相转化反应

等离子气化反应产生的气体进入均相转化反应器10，发生均相转化反应，均相转化反应的温度不低于700℃，时间不少于2秒。反应物中的C-Cl和可能生成C-Cl的活性氯中的Cl在设计的反应条件下都将与气化产气中充裕的H结合成稳定的HCl分子，从而实现对C-Cl的抑制。考虑到C-Cl是二噁英分子中能量最低的键，也是二噁英与一般烃类分子的区别所在，这种Cl向HCl的定向转移从源头控制了二噁英的生成。同时，产气中的焦油也会由于加氢裂解反应而大量转化为小分子烃类。

针对所描述的Cl向HCl的定向转移过程，发明人团队首先针对具有代表性的烃类分子展开了基础研究，在实验中证实了H₂充裕条件下定向转移过程的可实现性，并在700℃以上成功抑制了C-Cl键的形成，结果如图2所示。在此基础上，发明人进一步搭建了原理样机，并通过含有H₂的气化产物的均相转化，较好地实现了对等离子气化过程二噁英排放的抑制，如表1所示。

(3)气化产气燃烧

均相转化产物进入气化产气燃烧器11，燃烧所需的氧气通过第一氧气入口12和第二氧气入口13分级供给，形成分级供氧方式。一方面，控制燃烧过程中的空气过量系数和反应温度，避免高温条件下O对均相转化反应形成的HCl分子中H的夺取，使均相转化过程中被固定的Cl重新成为活性氯，有机会形成C-Cl并转化为二噁英相关物质；另一方面，抑制热力型和燃料型氮氧化物的生成。同时，燃烧过程产生的高温烟气通过烟气管道14为均相转化反应器10提供热量。

表1为本发明原理样机实验中得到的均相转化对气化产物中二噁英的抑制效果。

表1

注：*根据国际毒性当量因子(I-TEF)计算。

Claims (7)

1.一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，该装置包括：

上吸式气化炉：包括从上至下依次连接的连续进料装置、气化炉体（4）和旋转除灰装置；

均相转化反应器（10）：入口直接密封连接所述的上吸式气化炉上部的产气出口（9）；

气化产气燃烧器（11）：入口直接密封连接所述的均相转化反应器（10）的产气出口；

生活垃圾原料通过连续进料装置进入气化炉体（4），进行等离子气化反应，产生的气体进入均相转化反应器（10），发生均相转化反应，均相转化产物进入气化产气燃烧器（11），进行分级供氧燃烧，等离子气化反应过程产生的灰渣由旋转除灰装置排出。

2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的连续进料装置包括密封料仓（1）、锁气器（2）和进料电机（3），所述的锁气器（2）设置在密封料仓（1）下部，锁气器（2）连接进料电机（3），通过进料电机（3）调节锁气器（2）的转速以控制进料速率。

3.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的旋转除灰装置包括旋转炉蓖（5）和除灰电机（6），旋转炉蓖（5）设置在气化炉体（4）底部和灰仓（8）的上方，并连接除灰电机（6），通过除灰电机（6）调节旋转炉蓖（5）的转速以控制气化灰渣落入灰仓（8）的速率；灰仓（8）一侧设有气化介质入口（7），等离子态的气化介质从该气化介质入口（7）进入灰仓（8），使其中的气化灰渣熔融并玻璃化，随后气化介质从底部进入气化炉体（4）参与气化反应。

4.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的均相转化反应器（10）用于创造一个气化产物均相转化的反应空间，均相转化反应的温度不低于700℃，停留时间不少于2秒，利用等离子气化反应产物中充裕的氢气，使产物中的氯元素都固定在HCl的形态中，避免C-Cl的形成，从而达到脱除二噁英污染物的目的。

5.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的气化产气燃烧器（11）中，燃烧所需的氧气采用分级供给的方式，即在气化产气燃烧器（11）上不同位置设置至少两个氧气入口分级供氧，避免燃烧过程中的富氧气氛和高温条件的同时满足；一方面，高温条件下O会夺取HCl分子中的H，使均相转化中被固定的Cl重新成为活性氯，有机会形成C-Cl并转化为二噁英相关物质；另一方面，高温富氧条件下，有利于热力型和燃料型氮氧化物的生成。

6.根据权利要求5所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的富氧气氛是指空气过量系数大于0.7，所述的高温条件为温度高于900℃。

7.根据权利要求1或4所述的一种生活垃圾的低二噁英等离子气化-燃烧一体化转化装置，其特征在于，所述的均相转化反应器（10）外壁布置有夹套，气化产气燃烧器（11）产生的高温烟气流经烟气管路（14）后进入该夹套，为均相转化反应器（10）提供所需的热量。