CN108375073A - 一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法，包括垃圾热解气化系统、核电系统及蒸汽发电系统，其中，垃圾热解气化子系统包括垃圾输送室、初级汽化室、高温气化室、过滤塔、洗涤塔及脱硫塔，其中，垃圾输送室的出口与初级汽化室的吸热侧入口相连通，初级汽化室的吸热侧出口与高温气化室的吸热侧入口相连通，高温气化室的吸热侧出口依次经过滤塔及洗涤塔与脱硫塔的入口相连通，该系统及方法以核电为热源实现对垃圾的热解气化处理，并且能耗及成本较低，同时热解处理过程中不产生有害物质。

Description

一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法
技术领域
本发明属于核电技术领域，涉及一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法。
背景技术
目前我国城市生活垃圾处理方法主要有卫生填埋、堆肥法和直接焚烧法，其中卫生填埋和堆肥法存在污染土壤和需占用大量土地的直接弊端，直接焚烧法虽有利于垃圾减量化，但焚烧过程中会产生二噁英等剧毒有机物，对人类赖以生存的自然环境会造成不可逆转的破坏，对当地人类生活有一定的影响。针对以上几种处理方法的弊端，国外研发机构提出了一种垃圾气化处理方案，其原理是在密闭室内(缺氧条件下)利用高温热能加热垃圾，使其有机化合物的化合键断裂，由大分子量的有机物转变为小分子量的C0、H2、CH4等可燃气体，这些高温热解气体经过净化处理后可用于生产液体燃料或者发电。该高温热解过程可以有效避免二噁英等有毒物质的产生。垃圾高温热解的温度需达到600-1000℃，国外开展了等离子体气化垃圾处理技术，该技术是在充满氮气等惰性气体的密闭室内通过高压电流产生等离子弧，从而产生900-1600℃的高温环境来达到垃圾热解气化的条件，但等离子体气化技术存在工艺不稳定和等离子体电耗较昂贵的弊端，目前仅处于试验或小型商业化摸索阶段，大型商业化存在能耗较高的问题。由于等离子体气化技术成本较高，同时国内与国外城市生活垃圾成份差异性较大，因此无法单纯地引进国外等离子体气化技术来实现垃圾处理的商业化，噬待寻求一种新的能源供应体系。
核能作为清洁能源已得到了广泛应用。目前，世界各国开展了第四代核电技术的研究，如高温气冷堆、气冷快堆、熔盐堆、铅冷快堆、钠冷快堆和超临界水堆等先进反应堆，其特点之一为该类堆型冷却剂出口温度较高(550-1100℃)，除了传统的用于发电外，这些高热品质能量可以高效地应用于工业生产中，因此需要设计出一种系统及方法，该系统及方法能够以核能作为热源，以实现对垃圾的热解气化处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法，该系统及方法以核电为热源实现对垃圾的热解气化处理，并且能耗及成本较低，同时热解处理过程中不产生有害物质。
为达到上述目的，本发明所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统包括垃圾热解气化系统、核电系统及蒸汽发电系统，其中，垃圾热解气化子系统包括垃圾输送室、初级汽化室、高温气化室、过滤塔、洗涤塔及脱硫塔，其中，垃圾输送室的出口与初级汽化室的吸热侧入口相连通，初级汽化室的吸热侧出口与高温气化室的吸热侧入口相连通，高温气化室的吸热侧出口依次经过滤塔及洗涤塔与脱硫塔的入口相连通；
初级汽化室的放热侧入口及放热侧出口分别与蒸汽发电系统中低温换热器的吸热侧出口及吸热侧入口相连通，高温气化室的放热侧入口及放热侧出口分别与核电系统中高温换热器的吸热侧出口及吸热侧入口相连通。
所述核电系统包括反应堆、高温换热器及驱动装置，其中，反应堆的出口与高温换热器的放热侧入口相连通，高温换热器的放热侧出口与蒸汽发电系统中蒸汽发生器的放热侧入口相连通，蒸汽发电系统中蒸汽发生器的放热侧出口经驱动装置与反应堆的入口相连通。
所述蒸汽发电系统包括蒸汽发生器、低温换热器、汽轮机、发电机、凝汽器、低压加热器及高压加热器，蒸汽发生器的吸热侧出口依次经低温换热器的放热侧、汽轮机、凝汽器、低压加热器及高压加热器与蒸汽发生器的吸热侧入口相连通，汽轮机的输出轴与发电机的驱动轴相连接。
凝汽器与低压加热器之间通过凝结水泵相连通。
低压加热器依次经除氧器及二回路给水泵与高压加热器相连通。
高温气化室的放热侧出口经耐高温鼓风机与高温换热器的吸热侧入口相连通。
初级汽化室的放热侧出口经鼓风机与低温换热器的吸热侧入口相连通。
反应堆为高温气冷堆、熔盐堆、气冷快堆或钠冷快堆；
当反应堆为高温气冷堆或气冷快堆时，驱动装置为主风机；当反应堆为熔盐堆或钠冷快堆时，驱动装置为主泵；
低温换热器为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；
高温换热器为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；
过滤塔为采用水喷淋过滤方式的过滤塔或活性炭吸附过滤方式的过滤塔；
洗涤塔为酸雾洗涤塔、酸碱废气洗涤塔或PP洗涤塔；
脱硫塔采用湿法脱硫塔、半干法脱硫塔或干法脱硫塔。
高温气化室包括自上到下依次分布的热解层、氧化层、还原层及灰渣层。
本发明所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的方法包括以下步骤：
反应堆产生的高温气体在高温换热器的放热侧中放热及蒸汽发生器的放热侧中放热后经驱动装置进入到反应堆中进行吸热；
蒸汽发生器吸热侧输出的高温过热蒸汽经低温换热器的放热侧放热后进入到汽轮机中，并驱动汽轮机工作，汽轮机带动发电机发电，汽轮机的排汽进入到凝汽器中冷凝，凝汽器输出的冷凝水依次经低压加热器及高压加热器后进入到蒸汽发生器的吸热侧中吸收热量并转变为高温过热蒸汽；
垃圾输送室输出的垃圾进入到初级汽化室中，低温换热器吸热侧输出的热空气进入到初级汽化室中，在初级汽化室中，垃圾经低温换热器输出的热空气进行加热热解，初级汽化室输出的热空气进入低温换热器的吸热侧中进行吸热，初级汽化室输出初级热解产物进入到高温气化室中，高温换热器吸热侧输出的热空气进入到高温气化室中，在高温气化室中，初级热解产物吸收高温换热器吸热侧输出的热空气的热量进行热解，得最终热解产物，所述最终热解产物再依次经过滤塔过滤、洗涤塔洗涤及脱硫塔脱硫处理后作为发电燃料或液体燃料。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统及方法在具体操作时，有机的融合垃圾热解气化系统、核电系统及蒸汽发电系统，从而实现垃圾的热解气化处理，具体的，通过核电系统为蒸汽发电系统及垃圾热解气化系统的高温气化室提供热量，通过蒸汽发电系统中的低温换热器为垃圾热解气化系统中的初级汽化室提供热量，从而使垃圾在初级汽化室及高温气化室中进行热解气化处理，工艺稳定性及可靠性较高，并且成本及能耗较低，另外，热解气化的产物再依次经过滤塔、洗涤塔及脱硫塔处理后转变为较高能量价值的混合气体，从而避免产生有害气体。同时需要说明的是，本发明变废为宝，能够满足社会对于能量的需求，同时能够实现能量的合理分配及选择，具有较好的经济性和广泛的应用前景。
进一步，反应堆输出的高温气体现在高温换热器中进行换热，再在蒸汽发生器中进行换热，蒸汽发生器输出的过热蒸汽先在低温换热器中进行换热，然后再进入到汽轮机中，实现热量的阶梯利用，从而有效的提高能量的热效率。
附图说明
图1为本发明的原理图。
其中，1为反应堆、2为高温换热器、3为蒸汽发生器、4为驱动装置、5为低温换热器、6为汽轮机、7为发电机、8为凝汽器、9为凝结水泵、10为低压加热器、11为除氧器、12为二回路给水泵、13为高压加热器、14为垃圾输送室、15为初级汽化室、16为鼓风机、17为高温气化室、18为耐高温鼓风机、19为过滤塔、20为洗涤塔、21为脱硫塔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统包括垃圾热解气化系统、核电系统及蒸汽发电系统，其中，垃圾热解气化子系统包括垃圾输送室14、初级汽化室15、高温气化室17、过滤塔19、洗涤塔20及脱硫塔21，其中，垃圾输送室14的出口与初级汽化室15的吸热侧入口相连通，初级汽化室15的吸热侧出口与高温气化室17的吸热侧入口相连通，高温气化室17的吸热侧出口依次经过滤塔19及洗涤塔20与脱硫塔21的入口相连通；初级汽化室15的放热侧入口及放热侧出口分别与蒸汽发电系统中低温换热器5的吸热侧出口及吸热侧入口相连通，高温气化室17的放热侧入口及放热侧出口分别与核电系统中高温换热器2的吸热侧出口及吸热侧入口相连通，其中，高温气化室17包括自上到下依次分布的热解层、氧化层、还原层及灰渣层。
所述核电系统包括反应堆1、高温换热器2及驱动装置4，其中，反应堆1的出口与高温换热器2的放热侧入口相连通，高温换热器2的放热侧出口与蒸汽发电系统中蒸汽发生器3的放热侧入口相连通，蒸汽发电系统中蒸汽发生器3的放热侧出口经驱动装置4与反应堆1的入口相连通。
所述蒸汽发电系统包括蒸汽发生器3、低温换热器5、汽轮机6、发电机7、凝汽器8、低压加热器10及高压加热器13，蒸汽发生器3的吸热侧出口依次经低温换热器5的放热侧、汽轮机6、凝汽器8、低压加热器10及高压加热器13与蒸汽发生器3的吸热侧入口相连通，汽轮机6的输出轴与发电机7的驱动轴相连接。
凝汽器8与低压加热器10之间通过凝结水泵9相连通；低压加热器10依次经除氧器11及二回路给水泵12与高压加热器13相连通；高温气化室17的放热侧出口经耐高温鼓风机18与高温换热器2的吸热侧入口相连通；初级汽化室15的放热侧出口经鼓风机16与低温换热器5的吸热侧入口相连通。
反应堆1为高温气冷堆、熔盐堆、气冷快堆或钠冷快堆；当反应堆1为高温气冷堆或气冷快堆时，驱动装置4为主风机；当反应堆1为熔盐堆或钠冷快堆时，驱动装置4为主泵；低温换热器5为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；高温换热器2为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；过滤塔19为采用水喷淋过滤方式的过滤塔或活性炭吸附过滤方式的过滤塔；洗涤塔20为酸雾洗涤塔、酸碱废气洗涤塔或PP洗涤塔；脱硫塔21采用湿法脱硫塔、半干法脱硫塔或干法脱硫塔。
本发明所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的方法包括以下步骤：
反应堆1产生的高温气体在高温换热器2的放热侧中放热及蒸汽发生器3的放热侧中放热后经驱动装置4进入到反应堆1中进行吸热；
蒸汽发生器3吸热侧输出的高温过热蒸汽经低温换热器5的放热侧放热后进入到汽轮机6中，并驱动汽轮机6工作，汽轮机6带动发电机7发电，汽轮机6的排汽进入到凝汽器8中冷凝，凝汽器8输出的冷凝水依次经低压加热器10及高压加热器13后进入到蒸汽发生器3的吸热侧中吸收热量并转变为高温过热蒸汽；
垃圾输送室14输出的垃圾进入到初级汽化室15中，低温换热器5吸热侧输出的热空气进入到初级汽化室15中，在初级汽化室15中，垃圾经低温换热器5输出的热空气进行加热热解，初级汽化室15输出的热空气进入低温换热器5的吸热侧中进行吸热，初级汽化室15输出初级热解产物进入到高温气化室17中，高温换热器2吸热侧输出的热空气进入到高温气化室17中，在高温气化室17中，初级热解产物吸收高温换热器2吸热侧输出的热空气的热量进行热解，得最终热解产物，所述最终热解产物再依次经过滤塔19过滤、洗涤塔20洗涤及脱硫塔21脱硫处理后作为发电燃料或液体燃料。
需要说明的是，垃圾输送室14由上料装置、碎焦装置及抓斗装置组成；低温换热器5输出的热空气温度为150-200℃；高温换热器2输出的热空气的温度为550-1000℃。
热解层、氧化层、还原层及灰渣层发生的化学反应为：
热解层及氧化层(温度为550-1000℃)：
A:CH1.400.6+0.6O2+1.6N2→0.7CO+0.6H2+0.3CO2+0.1H2O+1.6N2
B:CH1.600.6+0.4H2O→CO+1.1H2
C:C+O2→CO2
D:C+CO→CO2
热解层及氧化层最终的主要生成物为CO、H2、CO2及H2O。
还原层(温度为850℃)：
A：C+CO2→CO
B：C+H2O→CO+H2
C:CH1.600.6+0.4H2O→CO+1.1H2
还原层为无氧反应区，继续生成CO及H2等混合气体。
灰渣层的主要生产物为SiO2、Al、Mg及Fe等氧化物。
实施例一
以国内正在研究开发的高温气冷堆第四代核电机组为例，该核电站主要由两座模块式高温气冷堆与一台汽轮发电机7组构成，每座反应堆1由燃料元件组成的球床堆芯、石墨和碳砖堆内构件、金属堆内构件、控制棒及其驱动机构、吸收球停堆系统和反应堆1压力容器等组成。反应堆1堆芯用氦气作为冷却剂，机组额定发电功率为211MW。以下对本发明具体实施步骤描述如下：
步骤一：高温气冷堆堆芯出口氦气的温度为1000-1100℃，氦气进入高温换热器2中进行换热，换热后氦气的平均温度为850℃，换热后氦气进入蒸汽发生器3一次侧中，并与蒸汽发生器3二次侧中的二回路给水(18MPa、205℃)进行换热，使蒸汽发生器3产生高温过热蒸汽(14.3MPa、670℃)，同时一回路氦气温度降至250℃，再由一回路氦风机加压后返回至反应堆1中继续吸热，完成一回路热力循环；
蒸汽发生器3二次侧输出的高温过热蒸汽经低温换热器5换热后转变为13.9MPa、557℃的蒸汽，该蒸汽推动汽轮机6及发电机7做功发电，汽轮机6的排汽进入凝汽器8中进行冷凝，冷凝水经凝结水泵9输送至低压加热器10中，然后输送至除氧器11中进行热力除氧，除氧后的给水(18MPa、150℃)经二回路给水泵12输送至高压加热器13，并在高压加热器13中加热至205℃，然后输送至蒸汽发生器3二次侧中进行换热，完成二回路热力循环。
步骤二：垃圾输送室14输出的垃圾进入初级汽化室15，鼓风机16入口的干空气为环境温度25℃，干空气被吹入低温换热器5后与低温换热器5中的过热蒸汽换热而加热至150-200℃，然后再通入初级汽化室15中除去垃圾中的水分及低温挥发物质，初级汽化室15输出的产物进入高温气化室17中，耐高温鼓风机18将高温换热器2吸热侧输出的高温热空气(800-1000℃)输送至高温气化室17中，在高温气化室17内垃圾依次经热解层、氧化层、还原层及灰渣层进行处理，高温气化室17输出的混合气体依次经活性炭吸附过滤塔、PP洗涤塔及干式脱硫塔，从而脱去混合气体中的气化杂质及含硫物质，然后用于发电燃料或制作为液化燃料。

Claims (10)

1.一种利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，包括垃圾热解气化系统、核电系统及蒸汽发电系统，其中，垃圾热解气化子系统包括垃圾输送室(14)、初级汽化室(15)、高温气化室(17)、过滤塔(19)、洗涤塔(20)及脱硫塔(21)，其中，垃圾输送室(14)的出口与初级汽化室(15)的吸热侧入口相连通，初级汽化室(15)的吸热侧出口与高温气化室(17)的吸热侧入口相连通，高温气化室(17)的吸热侧出口依次经过滤塔(19)及洗涤塔(20)与脱硫塔(21)的入口相连通；
初级汽化室(15)的放热侧入口及放热侧出口分别与蒸汽发电系统中低温换热器(5)的吸热侧出口及吸热侧入口相连通，高温气化室(17)的放热侧入口及放热侧出口分别与核电系统中高温换热器(2)的吸热侧出口及吸热侧入口相连通。
2.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，所述核电系统包括反应堆(1)、高温换热器(2)及驱动装置(4)，其中，反应堆(1)的出口与高温换热器(2)的放热侧入口相连通，高温换热器(2)的放热侧出口与蒸汽发电系统中蒸汽发生器(3)的放热侧入口相连通，蒸汽发电系统中蒸汽发生器(3)的放热侧出口经驱动装置(4)与反应堆(1)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，所述蒸汽发电系统包括蒸汽发生器(3)、低温换热器(5)、汽轮机(6)、发电机(7)、凝汽器(8)、低压加热器(10)及高压加热器(13)，蒸汽发生器(3)的吸热侧出口依次经低温换热器(5)的放热侧、汽轮机(6)、凝汽器(8)、低压加热器(10)及高压加热器(13)与蒸汽发生器(3)的吸热侧入口相连通，汽轮机(6)的输出轴与发电机(7)的驱动轴相连接。
4.根据权利要求3所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，凝汽器(8)与低压加热器(10)之间通过凝结水泵(9)相连通。
5.根据权利要求3所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，低压加热器(10)依次经除氧器(11)及二回路给水泵(12)与高压加热器(13)相连通。
6.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，高温气化室(17)的放热侧出口经耐高温鼓风机(18)与高温换热器(2)的吸热侧入口相连通。
7.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，初级汽化室(15)的放热侧出口经鼓风机(16)与低温换热器(5)的吸热侧入口相连通。
8.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，反应堆(1)为高温气冷堆、熔盐堆、气冷快堆或钠冷快堆；
当反应堆(1)为高温气冷堆或气冷快堆时，驱动装置(4)为主风机；当反应堆(1)为熔盐堆或钠冷快堆时，驱动装置(4)为主泵；
低温换热器(5)为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；
高温换热器(2)为板式换热器、管式换热器或翅片式换热器；
过滤塔(19)为采用水喷淋过滤方式的过滤塔或活性炭吸附过滤方式的过滤塔；
洗涤塔(20)为酸雾洗涤塔、酸碱废气洗涤塔或PP洗涤塔；
脱硫塔(21)采用湿法脱硫塔、半干法脱硫塔或干法脱硫塔。
9.根据权利要求1所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，其特征在于，高温气化室(17)包括自上到下依次分布的热解层、氧化层、还原层及灰渣层。
10.一种利用核能进行垃圾热解气化处理的方法，其特征在于，基于权利要求3所述的利用核能进行垃圾热解气化处理的系统，包括以下步骤：
反应堆(1)产生的高温气体在高温换热器(2)的放热侧中放热及蒸汽发生器(3)的放热侧中放热后经驱动装置(4)进入到反应堆(1)中进行吸热；
蒸汽发生器(3)吸热侧输出的高温过热蒸汽经低温换热器(5)的放热侧放热后进入到汽轮机(6)中，并驱动汽轮机(6)工作，汽轮机(6)带动发电机(7)发电，汽轮机(6)的排汽进入到凝汽器(8)中冷凝，凝汽器(8)输出的冷凝水依次经低压加热器(10)及高压加热器(13)后进入到蒸汽发生器(3)的吸热侧中吸收热量并转变为高温过热蒸汽；
垃圾输送室(14)输出的垃圾进入到初级汽化室(15)中，低温换热器(5)吸热侧输出的热空气进入到初级汽化室(15)中，在初级汽化室(15)中，垃圾经低温换热器(5)输出的热空气进行加热热解，初级汽化室(15)输出的热空气进入低温换热器(5)的吸热侧中进行吸热，初级汽化室(15)输出初级热解产物进入到高温气化室(17)中，高温换热器(2)吸热侧输出的热空气进入到高温气化室(17)中，在高温气化室(17)中，初级热解产物吸收高温换热器(2)吸热侧输出的热空气的热量进行热解，得最终热解产物，所述最终热解产物再依次经过滤塔(19)过滤、洗涤塔(20)洗涤及脱硫塔(21)脱硫处理后作为发电燃料或液体燃料。
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