CN106369610A - 一种等离子体旋转窑气化系统及其热解气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体旋转窑气化系统，气化系统包括通过管道连通旋转窑式气化炉、旋风分离器与等离子体辅助气化熔渣炉，等离子体辅助气化熔渣炉用于对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣以及旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化。本发明还提供等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法。本发明提供的等离子体旋转窑气化系统及其热解气化方法，采用等离子体辅助气化技术对旋转窑的含碳飞灰和含碳炉渣进行燃烧气化处理，熔融成无害的玻璃体，从而降低二噁英等污染物的排放；残炭气化产生高温合成气送入旋转窑气化炉，为含碳原料的热解和还原补充热量，达到传统气化方法达不到的高温，从而提高碳转化率。

Description

一种等离子体旋转窑气化系统及其热解气化方法
技术领域
本发明涉及含碳固体原料气化技术领域，具体涉及一种等离子体旋转窑气化系统及其热解气化方法。
背景技术
旋转窑气化炉采用一种类似于水泥、石灰、危废处理行业的旋转窑，燃料从上游一端进入慢慢旋转的窑炉，沿程控制空气的供入，当燃料沿窑炉长度方向运动时，翻转促使燃料与空气混合并进行气化。旋转窑炉的诸多优势尤其适用于处理生物质、危废、市政垃圾等，并尤其适用于分布式能源，具有广阔的应用前景，相关企业和研究人员在提高空气供给控制能力、促进原料与气相混合并达到深度气化方面做了大量工作，期望找到最佳平衡，使燃烧最少、合成气最优、操作简便、维护量低、可预测和高可靠性。
含碳原料包括垃圾、生物质、煤炭等。
有代表性的有凯勒特旋转气化炉技术(Callidus Technologies)和HTI旋转窑气化技术。
凯特勒气化系统技术始于1999～2002年，用工厂废料生产蒸汽，用于产品干燥，其可用率达到94.2％，采用的松树皮原料含水量达48％，用量550吨/小时，为控制氧和空气的分配，安装了提升物料促进物料与空气混合的装置，使物料充分气化。
HTI旋转窑气化技术已经应用40多年，新一代旋转窑炉气化技术能够精确控制空气的分配，从而降低排气温度和床温，提高合成气品质，并能处理更宽泛的原料，包含低灰熔点原料。
主要技术点是采用透气的陶瓷耐火材料让空气从床层下部进入窑炉并沿炉长方向分配，而传统上从上部引入空气，将加剧热解气和合成气的燃烧，而不能用于深度气化，这一改变使旋转气化窑炉能够用于深度气化。
此外，美国公开号US 20130119315A1的专利(GAS DISTRIBUTOR FOR A ROTARYKILN)设计了一种旋转空气分配器，能有效提高原料与空气的混合，提高了碳转化率，空气分配喷嘴以不同的角度沿长度和周向进行布置，并在主轴内配有活塞调节装置，使空气可以分布到需要的位置，不需要的位置也不让空气进入。
美国专利号为4647020的(GAS-PERMEABLE ELEMENT OF A REFRACTORY MATERIAL)设计了一种气体分布单元模块，在耐火材料上嵌入金属分配通道，达到均匀布气的效果。
韩国先进科学技术学院机械工程分部的Hookyung Lee和Sangmin Choi发明了一种安装于旋转窑炉壳体上的物料搅动提升装置，使物料不断的被搅起再落下，使物料与气相组分充分接触，增强传热、传质效果。
以上各种技术改进均是围绕着优化空气分配进行的，或者通过优化空气分配满足各段反应的需求，或者通过搅动物料促进气固相的传热传质。但都还存在着各种不足，旋转空气分配器在一定程度上优化了空气分配，但与主床层物料的混合仍不够充分，还是优先与气相空间组分发生反应，提升碳转化率不足，且又额外增加了旋转部件，使密封问题更加突出。耐火材料上嵌入金属分配通道的空气分配技术也在一定程度上促进了混合。现有的气化系统存在以下问题：
(1)用旋转窑炉处理垃圾，则会造成二噁英等污染物的排放；
(2)旋转窑气化炉的还原区域是吸热反应，由于窑炉较长，还原区温度逐渐降低，降低碳转化率；
(3)对于旋转窑气化炉、流化床气化炉等，其飞灰和炉渣含碳量普遍较高，且由于反应活性低，难于处理。
发明内容
旋转窑气化炉的还原区域是吸热反应，由于窑炉较长，还原区温度逐渐降低，影响碳转化率，如果提高还原区的温度，就能够提高碳转化率，并有效分解二噁英等污染物质，从而降低二噁英等污染物的排放。
鉴于现有旋转窑气化技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种等离子体旋转窑气化系统，结合旋转窑式气化炉技术与等离子体辅助气化技术，采用等离子体辅助气化技术对旋转窑的含碳飞灰和含碳炉渣进行燃烧气化处理，熔融成无害的玻璃体，从而降低二噁英等污染物的排放；残炭气化产生合成气，高温的合成气送入旋转窑气化炉，为含碳原料的热解和还原补充热量，达到传统气化方法达不到的高温，能够气化普通气化方法难于气化的原料，从而提高碳转化率；同时充分利用飞灰和炉渣中的碳。
本发明提供一种等离子体旋转窑气化系统，包括通过管道连通旋转窑式气化炉、旋风分离器与等离子体辅助气化熔渣炉，等离子体辅助气化熔渣炉用于对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化
进一步地，等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气被送入旋转窑式气化炉。
进一步地，旋转窑式气化炉包括窑头、筒体与窑尾，筒体能够旋转。
进一步地，旋转窑式气化炉设置有气化剂腔室，气化剂腔室在旋转窑式气化炉的下部设置开口。
进一步地，窑尾设置有合成气进口，用于将等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气送入旋转窑式气化炉。
进一步地，筒体内衬耐火材料，在耐火材料内设置多个布气单元。
进一步地，布气单元包括沿周向设置的多个布气通道。
本发明还提供一种上述等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法，包括以下步骤：
(1)固体含碳原料通过含碳原料进口进入旋转窑式气化炉，从窑头向窑尾移动；
(2)气化剂进入旋转窑式气化炉，与固体含碳原料混合、燃烧；
(3)等离子体辅助气化熔渣炉对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化。
进一步地，等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法还包括以下步骤：
(4)等离子体辅助气化熔渣炉将生成的合成气送入旋转窑式气化炉。
与现有技术相比，本发明提供的等离子体旋转窑气化系统及其热解气化方法，具有以下有益效果：
(1)旋转窑式气化炉产生的含碳炉渣进入等离子体辅助气化熔渣炉，充分回收残炭的同时，将渣转变为熔融的玻璃体，做到了无害化；
(2)等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气被送入旋转窑式气化炉，提高还原区的温度，就能够提高碳转化率；
(3)通过设置窑头气化剂腔室与旋转筒体内布置的连通通道的局部连通，气化剂能够可控的从旋转窑式气化炉床层的底部进入炉内，优先与床料进行充分混合反应，使得精细优化布气成为可能；
(4)本发明中结合旋转窑式气化炉技术与等离子体辅助气化技术，作为高耗电技术等离子体辅助气化技术，仅仅使用它处理含有残炭的含碳炉渣与含碳飞尘，与目前采用等离子体技术直接处理垃圾、生物质等含碳原料的技术相比，节能效果显著，使得等离子体旋转窑气化系统应用前景更加广阔，可用于生物质气化，污泥、市政垃圾、医疗垃圾等处理、煤炭梯级利用、分布式能源、合成氨、制甲醇以及制天然气等等。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的等离子体旋转窑气化系统的结构示意图；
图2是本发明的另一个实施例的等离子体旋转窑气化系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个实施例的等离子体旋转窑气化系统，包括旋转窑式气化炉1、旋风分离器2与等离子体辅助气化熔渣炉3，并通过若干管道相连通。
等离子体辅助气化熔渣炉3用于对旋转窑式气化炉1排出的含碳炉渣以及所旋风分离器2捕集的含碳飞尘进行熔渣气化，采用等离子体辅助气化技术，进行燃烧气化处理，熔融成无害的玻璃体，从而降低二噁英等污染物的排放。
旋转窑式气化炉1包括旋转的筒体4、窑头5、窑尾6，筒体4能够旋转，推动含碳固体原料从旋转窑式气化炉1的窑头5向窑尾6移动。
筒体4内衬耐火材料，在耐火材料内设置若干的布气单元10，并沿轴向和周向分割成若干独立的布气通道。
窑头5设置有含碳原料进口7和气化剂进口8，窑头5的气化剂进口8固定不动，并设置有气化剂腔室9。
筒体4的布气单元10通过若干管道与气化剂腔室9连通，气化剂腔室9仅在下部开口，筒体4旋转过程中，保证气化剂仅能够进入筒体4的下部布气通道，从而保证气化剂始终从筒体4底部进入旋转窑式气化炉1内，使得旋转窑式气化炉1内的床料与气化剂充分混合接触。
采用上述结构，优化旋转窑式气化炉1的布气，进一步提高碳转化率。
旋转的筒体4与窑尾6保持传统的密封连接方式，窑尾6上设置有排渣口12和粗合成气出口11。
粗合成气进入旋风分离器2除尘后进入后续工艺，捕集的含碳飞尘送入等离子体辅助气化熔渣炉3，旋转窑式气化炉1的排渣口12的含碳炉渣也送入等离子体辅助气化熔渣炉3，进行熔渣气化，熔渣从渣池出口20排出。
等离子辅助气化熔渣炉3侧壁设有灰渣进口16和17、气化剂进口18、等离子枪19与熔渣出口20等。
等离子体被列为物质固态、液态、气态三种基本形态之外的第四态，等离子体的电离程度不同而分为低温、中温、高温等离子体，中温等离子体广泛用于切割、焊接、熔炼、喷涂以及火力发电等领域，一般自由弧心温度可高应用范围随着现代工业产业结构的调整和节能环保要求的提高而迅速扩大，以等离子体为热源的真空冶金设备或其它反应器正在越来越受到重视。
等离子辅助气化熔渣炉3是一种采用等离子技术对含碳炉渣或含碳飞尘进行气化处理的设备，等离子枪19是等离子辅助气化熔渣炉3的关键部件，直接向旋转窑式气化炉1排出的含碳炉渣和/或所旋风分离器2捕集的含碳飞尘提供热源(高温等离子弧)。
本实施例中的等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法，包括以下步骤：
(1)固体含碳原料通过含碳原料进口进入旋转窑式气化炉，从窑头向窑尾移动；
(2)气化剂进入旋转窑式气化炉，与固体含碳原料混合、燃烧；
(3)等离子体辅助气化熔渣炉对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化。
如图2所示，在另一个实施例中，等离子辅助气化熔渣炉3设置有合成气出口21，合成气从旋转窑式气化炉1的窑尾6的合成气进口13，进入并参与旋转窑式气化炉1的气化过程。
等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气送入旋转窑式气化炉1，残炭气化产生合成气，高温的合成气送入旋转窑气化炉1，为含碳原料的热解和还原补充热量，达到传统气化方法达不到的高温，能够气化普通气化方法难于气化的原料，从而提高碳转化率。
本实施例中的等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法，包括以下步骤：
(1)固体含碳原料通过含碳原料进口进入旋转窑式气化炉，从窑头向窑尾移动；
(2)气化剂进入旋转窑式气化炉，与固体含碳原料混合、燃烧；
(3)等离子体辅助气化熔渣炉对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化；
(4)等离子体辅助气化熔渣炉将生成的合成气送入旋转窑式气化炉。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述等离子体旋转窑气化系统包括通过管道连通旋转窑式气化炉、旋风分离器与等离子体辅助气化熔渣炉，所述等离子体辅助气化熔渣炉用于对所述旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或所述旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化。
2.如权利要求1所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气被送入所述旋转窑式气化炉。
3.如权利要求1所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述旋转窑式气化炉包括窑头、筒体与窑尾，所述筒体能够旋转。
4.如权利要求3所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述旋转窑式气化炉设置有气化剂腔室，所述气化剂腔室在所述旋转窑式气化炉的下部设置开口。
5.如权利要求3所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述窑尾设置有合成气进口，用于将所述等离子体辅助气化熔渣炉生成的合成气送入所述旋转窑式气化炉。
6.如权利要求3所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述筒体内衬耐火材料，在耐火材料内设置多个布气单元。
7.如权利要求6所述的等离子体旋转窑气化系统，其特征在于，所述布气单元包括沿周向设置的多个布气通道。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法，其特征在于，所述等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法包括以下步骤：
(1)固体含碳原料通过含碳原料进口进入旋转窑式气化炉，从窑头向窑尾移动；
(2)气化剂进入所述旋转窑式气化炉，与所述固体含碳原料混合、燃烧；
(3)等离子体辅助气化熔渣炉对旋转窑式气化炉排出的含碳炉渣和/或旋风分离器捕集的含碳飞尘进行熔渣气化。
9.如权利要求8所述的等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法，其特征在于，所述等离子体旋转窑气化系统的热解气化方法还包括以下步骤：
(4)等离子体辅助气化熔渣炉将生成的合成气送入所述旋转窑式气化炉。
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