CN108359499A - 用于垃圾气化的固定床气化炉、工艺系统及垃圾气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于垃圾气化的固定床气化炉、工艺系统及垃圾气化方法。该用于垃圾气化的固定床气化炉包括炉体；炉体上部设有进料口；炉体下部设有至少一排气化剂喷嘴，每排内的气化剂喷嘴对置均布；炉体的侧壁设有第一燃气出口，第一燃气出口的中心线距炉体的底面的距离为炉体高度的1/2‑5/6；第一燃气出口与燃气管道相连通，燃气管道远离第一燃气出口的一端为第二燃气出口；燃气管道上设有至少一排等离子炬，等离子炬对置均布。该用于垃圾气化的固定床气化炉，将等离子炬集成在气化炉上部，等离子炬所处位置的条件更温和，可延长其寿命。该垃圾气化方法，能大大提高处理效率，获得无污染物的燃气。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于垃圾气化的固定床气化炉、工艺系统及垃圾气化方法。
背景技术
垃圾是生活和生产中产生的固体废弃物，其排出量大、成分复杂，且会污染环境。当今广泛应用的垃圾处理方法有：填埋、堆肥、焚烧和气化等。
填埋法大量占用土地，存在着污染地下水的隐患，许多发达国家已明令禁止填埋垃圾。
堆肥法耗时长，有机物降解不彻底，残留物和重金属等仍会造成污染。
焚烧法是目前的主流垃圾处理方法，其优点是处理彻底快捷，实现了垃圾的资源化处理，但焚烧法最大的缺点是污染空气，飞灰量大，产生大量二氧化硫、氮氧化物和二恶英等有毒气体，且处理上述有毒气体的工艺复杂，投资和运行成本昂贵。
垃圾气化是指在密闭的容器中，将垃圾进行缺氧燃烧，利用空气、蒸汽、富氧或纯氧等作为气化剂，使垃圾释放出一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气，经过过滤和清洗后，将该燃气可转化为电能进行利用。
与焚烧相比，垃圾气化，没有飞灰和二噁英排放等问题，是新兴的处理技术，代表了未来的发展方向。
现有技术中已有采用等离子炬进行垃圾气化的工艺，然而，由于等离子炬的位置设置不合理，会导致等离子炬的寿命大大缩短，同时会使得处理效率低、所得燃气的污染物含量高等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中垃圾气化工艺的等离子炬寿命短、处理效率低、所得燃气的污染物含量高等缺陷，而提供一种用于垃圾气化的固定床气化炉、工艺系统及垃圾气化方法。该用于垃圾气化的固定床气化炉，将等离子炬集成在气化炉上部，等离子炬所处位置的条件更温和，可延长其寿命。将该垃圾气化工艺系统用于垃圾的气化，能大大提高处理效率，获得无污染物的燃气。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种用于垃圾气化的固定床气化炉，所述用于垃圾气化的固定床气化炉包括炉体；所述炉体的上部设有进料口；所述炉体的下部设有至少一排气化剂喷嘴，每排内的所述气化剂喷嘴对置均布；所述炉体的侧壁设有第一燃气出口，所述第一燃气出口的中心线距所述炉体的底面的距离为所述炉体高度的1/2-5/6；所述第一燃气出口与燃气管道相连通，所述燃气管道远离所述第一燃气出口的一端为第二燃气出口；所述燃气管道上设有至少一排等离子炬，所述等离子炬对置均布。
需要说明的是，“气化剂喷嘴对置均布”指的是，所述气化喷嘴均匀分布在所述炉体的周面上，且所述气化剂喷嘴的轴线处于同一水平面内，所述气化剂喷嘴的轴线与所述炉体的轴线垂直。
需要说明的是，“等离子炬对置均布”指的是，所述等离子炬均匀分布在所述燃气管道的周面上，且所述等离子炬的轴线处于同一水平面内，所述等离子炬的轴线与所述燃气管道的轴线垂直。
较佳地，所述炉体具有圆柱形的炉身和自上而下的向所述炉体的中心线收缩的炉底，所述气化剂喷嘴分布于所述炉身和所述炉底。
更佳地，所述炉底和所述炉身的气化喷嘴的数量比值为(2-3):1。当气化剂由炉底和炉身的多个喷嘴进入气化炉，炉内温度分布更均匀，有利于消除炉内热点，提高转化率和燃气产率，降低灰渣中的残炭含量。
较佳地，当所述炉体的下部设有两排所述气化剂喷嘴时，相邻两排的所述气化剂喷嘴的中心线的距离小于炉体高度的1/4。
较佳地，所述气化喷嘴的数量为4-16。可根据气化炉的大小，合理设置气化喷嘴的排数，以及每排气化喷嘴的数量。
较佳地，所述燃气管道上设有一排所述等离子炬，所述等离子炬的数量为2-6。
较佳地，所述燃气管道包括第一燃气管道和第二燃气管道，所述第二燃气管道的内径大于所述第一燃气管道的内径，所述第一燃气出口依次与所述第一燃气管道和所述第二燃气管道相连通，且所述第二燃气管道竖直设置。发明人在研究过程中发现，这样的设置，可以使得等离子炬所处位置的条件更加温和，进而延长其寿命。
较佳地，所述炉底还与渣斗相连通，所述渣斗用于收集气化后的灰渣。
本发明还提供一种用于垃圾气化的工艺系统，所述工艺系统包括前述的用于垃圾气化的固定床气化炉、间壁式换热器、急冷室和除尘净化系统；所述间壁式换热器设有第一热流体入口和第一热流体出口，所述第一热流体入口和所述第二热流体出口经热流体通道相连通，所述间壁式换热器还设有第一冷流体入口和第一冷流体出口，所述第一冷流体入口和所述第一冷流体出口经冷流体通道相连通；所述激冷室设有第二热流体入口及第二热流体出口；所述除尘净化系统设有第三热流体入口和第三热流体出口；所述第二燃气入口与所述第一热流体入口相连通；所述第一热流体出口与所述第二热流体入口相连通；所述第二热流体出口与所述第三热流体入口相连通。
较佳地，所述工艺系统还包括气化剂管道，所述气化剂管道与所述第一冷流体入口相连通，所述气化剂管道用于向所述第一冷流体入口输送气化剂，所述第一冷流体出口与所述气化剂喷嘴相连通。
本发明中，所述间壁式换热器可替换为余热锅炉。较佳地，所述余热锅炉的冷流体入口与输水管相连通，该输水管用于向所述冷流体入口输送水，所述余热锅炉的冷流体出口与蒸汽管道相连通，所述蒸汽管道将蒸汽排出所述余热锅炉。
本发明中，所述急冷室可为本领域常规使用的任何型式的急冷室。
本发明中，所述除尘净化系统可为本领域常规使用的任何可以实现除尘净化的工艺系统，一般根据燃气中的组分进行选择。所述净化单元包括中和反应塔、旋风除尘器、陶瓷过滤器、布袋除尘器和洗涤塔中的一种或多种组合。
本发明中，所述第三热流体出口还可与发电系统相连通。
本发明还提供一种采用前述的用于垃圾气化的工艺系统的垃圾气化方法，其包括如下步骤：
(1)在所述用于垃圾气化的固定床气化炉中，气化剂与垃圾发生气化反应，得燃气；
(2)所述燃气经所述等离子炬加热后，再进入所述间壁式换热器，初步冷却后，再进入所述急冷室，进一步冷却再进入所述除尘净化系统，净化后，即可；其中，所述垃圾的干基热值大于4.2MJ/kg。
本发明中，所述垃圾气化方法所处理的垃圾，一般指含有机物的生活垃圾和工业垃圾，主要包括塑料、树脂、橡胶、纸制品、衣物布料、厨余垃圾、过期药品、医疗废弃物、建筑垃圾、城市污泥和生物质中的一种或多种。所说的医疗废弃物是指医疗卫生机构在医疗、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或者间接感染性、毒性以及其他危害性的垃圾。医疗废物中含有大量的病菌、病毒及化学药剂，是病源微生物富集和传播的媒介，对环境和人体能造成极大危害的废弃物，是一种典型的危险废物。所说的生物质例如可为水葫芦。
本发明中，所述垃圾气化方法也可以处理含水量很高的固体垃圾原料，例如，屠宰场垃圾。当垃圾原料的热值低于4.2MJ/kg时，需要补充燃料，使之达到4.2MJ/kg以上，进而将其进行气化。
本发明中，所述垃圾的干基热值较佳地大于4.6MJ/kg。更佳地，所述垃圾的干基热值为12-22MJ/kg，例如可为12.7MJ/kg、13.7MJ/kg、15.6MJ/kg和21.9MJ/kg。
本发明中，所述气化剂可为本领域常规使用的气化剂，例如可为空气、蒸汽、富氧和纯氧的一种或多种，例如可为含氧量为30wt％-50wt％的富氧。
本发明中，所述气化反应的温度可为本领域常规使用的温度，较佳地为850℃～1800℃，更佳地为900℃～1600℃，例如可为1000℃或1100℃。
本发明中，所述气化反应的压力可为本领域常规使用的压力，较佳地为-500kPa～10MPa，例如可为0.1MPa或1MPa。
本发明中，所述气化反应的平均停留时间可为本领域常规的停留时间，较佳地为0.5h～30h。
本发明中，较佳地，设有所述等离子炬的所述燃气管道内所述燃气的流速小于25m/s。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于垃圾气化的固定床气化炉、工艺系统及垃圾气化方法。该用于垃圾气化的固定床气化炉，将等离子炬集成在气化炉上部，等离子炬所处位置的条件更温和，可延长其寿命。采用该工艺系统进行垃圾气化，无需预先处理原料，可连续生产，进而使得整个系统适用范围广，且装置简单，操作灵活，经济性好。垃圾在高温和还原性气氛下进行反应，不会生成SO2、NOx和二恶英等污染物，洁净环保。气化所得燃气经等离子炬加热，可完全去除其中的焦油、含碳细颗粒物等污染物，燃气热值更高，飞灰量少，进而使得除尘净化系统的处理更简单，且除尘净化后的燃气可直接用于发电。气化所得灰渣性质稳定，重金属等污染物没有浸出风险，可用作筑路、建筑材料等。
附图说明
图1为本发明实施例1-4的用于垃圾气化的固定床气化炉沿其中心轴线剖视图。
图2为本发明实施例1-4的用于垃圾气化的工艺系统的示意图。
附图标记说明：
炉体1
渣斗2
进料口3
气化剂喷嘴4
第一燃气出口5
燃气管道6
第二燃气出口7
等离子炬8
间壁式换热器9
急冷室10
除尘净化系统11
发电系统12
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述各实施例中，垃圾的成分分析采用的标准号为：GB/T 30732-2014煤的工业分析方法仪器法；元素分析采用的标准号为：GB/T 31391-2015煤的元素分析；灰渣性质及重金属等污染物的浸出风险测试所采用的标准号为：固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法HJ/T299-2007、城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质GB/T24602-2009。
如图1所示的用于垃圾气化的固定床气化炉，该用于垃圾气化的固定床气化炉，包括炉体1和渣斗2；炉体1的上部设有进料口3；炉体1具有圆柱形的炉身和自上而下的向炉体1的中心线收缩的炉底；气化剂喷嘴4分布于炉身和炉底，气化喷嘴的数量为4-16；相邻两排的气化剂喷嘴4的中心线的距离小于炉体1高度的1/4；每排内的气化剂喷嘴4对置均布；炉底还与渣斗2相连通，渣斗2用于收集气化后的灰渣。炉体1的侧壁设有第一燃气出口5，第一燃气出口5的中心线距炉体1的底面的距离为炉体1高度的1/2-5/6，第一燃气出口5与燃气管道6相连通，燃气管道6远离第一燃气出口5的一端为第二燃气出口7；燃气管道6包括第一燃气管道和第二燃气管道，第二燃气管道的内径大于第一燃气管道的内径，第一燃气出口5依次与第一燃气管道和第二燃气管道相连通，且第二燃气管道竖直设置。第二燃气管道上设有一排等离子炬8，等离子炬8的数量为2-6；等离子炬8对置均布。
如图2所示的用于垃圾气化的工艺系统，工艺系统包括前述的用于垃圾气化的固定床气化炉、间壁式换热器9、急冷室10和除尘净化系统11；间壁式换热器9设有第一热流体入口和第一热流体出口，第一热流体入口和第二热流体出口经热流体通道相连通，间壁式换热器9还设有第一冷流体入口和第一冷流体出口，第一冷流体入口和第一冷流体出口经冷流体通道相连通；激冷室设有第二热流体入口及第二热流体出口；除尘净化系统11设有第三热流体入口和第三热流体出口；第二燃气入口与第一热流体入口相连通；第一热流体出口与第二热流体入口相连通；第二热流体出口与第三热流体入口相连通。该工艺系统还包括气化剂管道，气化剂管道与第一冷流体入口相连通，气化剂管道用于向第一冷流体入口输送气化剂，第一冷流体出口与气化剂喷嘴4相连通。第三热流体出口还与发电系统12相连通。
下述各实施例中，气化反应的停留时间为0.5h～30h，设有等离子炬8的燃气管道6内燃气的流速小于25m/s。
实施例1
该实施例中，所用垃圾为医疗废弃物，其成分分析见下表：
表1
以日处理百吨医疗废弃物规模为例，其成分如表1所示，干基热值约21.9MJ/kg。气化剂为50％富氧。气化反应的压力为0.1MPa，气化反应的温度为1100℃，气化剂从炉底和炉身的通入量比为2:1。
出口合成气温度1000℃，燃气产量约5.5t/h，其中CO和H2的含量共计42％，整个过程没有焦油、SO2、NOx和二恶英等污染物产生，灰渣中碳含量小于3％，灰渣性质稳定、重金属等污染物低于国家标准的要求，无浸出风险。
实施例2
该实施例中，垃圾为污泥，其成分分析见下表：
表2
以日处理千吨污泥规模为例，其成分如表2所示，干基热值约15.6MJ/kg。气化剂为空气。气化反应的压力为10MPa，气化反应的温度为850℃气化剂从炉底和炉身的通入量比为3:1。
出口合成气温度800℃，燃气产量约15t/h，其中CO和H2的含量共计20％，整个过程没有焦油、SO2、NOx和二恶英等污染物产生，灰渣中碳含量小于5％，灰渣性质稳定、重金属等污染物低于国家标准的要求，无浸出风险。
实施例3
该实施例中，垃圾为生物质(水葫芦)，其成分分析见下表：
表3
以日处理百吨水葫芦规模为例，其成分如表3所示，干基热值约12.7MJ/kg。气化剂为30％富氧，补充35％煤作为燃料。气化反应的压力为1MPa，气化反应的温度为1000℃，气化剂从炉底和炉身的通入量比为2:1。
出口合成气温度950℃，燃气产量约6.2t/h，其中CO和H2的含量共计36％，整个过程没有焦油、SO2、NOx和二恶英等污染物产生，灰渣中碳含量小于3％，灰渣性质稳定、重金属等污染物低于国家标准的要求，无浸出风险。
实施例4
该实施例中，垃圾为皮革碎料，其成分分析见下表：
表4
以日处理百吨皮革碎料规模为例，其成分如表4所示，干基热值约13.7MJ/kg。气化剂为纯氧。气化反应的压力为常压，气化反应的温度为1800℃，气化剂从炉底和炉身的通入量比为2:1。
出口合成气温度1450℃，燃气产量约4.8t/h，其中CO和H2的含量共计52％，整个过程没有焦油、SO2、NOx和二恶英等污染物产生，灰渣中碳含量小于1％，灰渣性质稳定、重金属等污染物低于国家标准的要求，无浸出风险。
由此可见，本发明可对垃圾进行高效减容资源化化处理，处理后产生稳定的固化渣和高品质燃气。通过本发明的实施，可以为垃圾的安全处理探索一条新的途径，具有显著的经济和环境效益，符合我国发展循环经济和生态工业的需求。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于垃圾气化的固定床气化炉，其特征在于，所述用于垃圾气化的固定床气化炉包括炉体；所述炉体的上部设有进料口；所述炉体的下部设有至少一排气化剂喷嘴，每排内的所述气化剂喷嘴对置均布；所述炉体的侧壁设有第一燃气出口，所述第一燃气出口的中心线距所述炉体的底面的距离为所述炉体高度的1/2-5/6；所述第一燃气出口与燃气管道相连通，所述燃气管道远离所述第一燃气出口的一端为第二燃气出口；所述燃气管道上设有至少一排等离子炬，所述等离子炬对置均布。
2.如权利要求1所述的用于垃圾气化的固定床气化炉，其特征在于，所述炉体具有圆柱形的炉身和自上而下的向所述炉体的中心线收缩的炉底，所述气化剂喷嘴分布于所述炉身和所述炉底；
和/或，当所述炉体的下部设有两排所述气化剂喷嘴时，相邻两排的所述气化剂喷嘴的中心线的距离小于炉体高度的1/4；
和/或，所述气化喷嘴的数量为4-16。
3.如权利要求2所述的用于垃圾气化的固定床气化炉，其特征在于，所述炉底和所述炉身的气化喷嘴的数量比值为(2-3):1。
4.如权利要求1所述的用于垃圾气化的固定床气化炉，其特征在于，所述燃气管道上设有一排所述等离子炬；
和/或，所述等离子炬的数量为2-6。
5.如权利要求1-4任一项所述的用于垃圾气化的固定床气化炉，其特征在于，所述燃气管道包括第一燃气管道和第二燃气管道，所述第二燃气管道的内径大于所述第一燃气管道的内径，所述第一燃气出口依次与所述第一燃气管道和所述第二燃气管道相连通，且所述第二燃气管道竖直设置。
6.一种用于垃圾气化的工艺系统，其特征在于，所述工艺系统包括如权利要求1-5任一项所述的用于垃圾气化的固定床气化炉、间壁式换热器、急冷室和除尘净化系统；所述间壁式换热器设有第一热流体入口和第一热流体出口，所述第一热流体入口和所述第二热流体出口经热流体通道相连通，所述间壁式换热器还设有第一冷流体入口和第一冷流体出口，所述第一冷流体入口和所述第一冷流体出口经冷流体通道相连通；所述激冷室设有第二热流体入口及第二热流体出口；所述除尘净化系统设有第三热流体入口和第三热流体出口；所述第二燃气入口与所述第一热流体入口相连通；所述第一热流体出口与所述第二热流体入口相连通；所述第二热流体出口与所述第三热流体入口相连通。
7.如权利要求6所述的工艺系统，其特征在于，所述工艺系统还包括气化剂管道，所述气化剂管道与所述第一冷流体入口相连通，所述气化剂管道用于向所述第一冷流体入口输送气化剂，所述第一冷流体出口与所述气化剂喷嘴相连通。
8.如权利要求6或7所述的工艺系统，其特征在于，所述第三热流体出口还可与发电系统相连通。
9.一种垃圾气化方法，其特征在于，所述垃圾气化方法采用如权利要求5-7任一项所述的垃圾气化工艺系统，所述垃圾气化方法包括如下步骤：
(1)在所述用于垃圾气化的固定床气化炉中，气化剂与垃圾发生气化反应，得燃气；
(2)所述燃气经所述等离子炬加热后，再进入所述间壁式换热器，初步冷却后，再进入所述急冷室，进一步冷却再进入所述除尘净化系统，净化后，即可；其中，所述垃圾的干基热值大于4.2MJ/kg。
10.如权利要求9所述的垃圾气化方法，其特征在于，所述垃圾的干基热值大于4.6MJ/kg；
和/或，所述气化反应的温度为850℃～1800℃；
和/或，所述气化反应的压力为-500kPa～10MPa；
和/或，所述气化反应的平均停留时间为0.5h～30h；
和/或，设有所述等离子炬的所述燃气管道内所述燃气的流速小于25m/s。
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