CN109210541A - 一种两段式垃圾熔融气化炉及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两段式垃圾熔融气化炉，包括上段的气化室和下段的熔融焚烧室，熔融焚烧室与气化室通过喉口连接；气化室和熔融焚烧室上分别设有垃圾进料入口，熔融焚烧室上设有氧气喷嘴；垃圾熔融室底部设有排渣口，气化室顶部的燃气出口通过导管与旋风分离器相连，旋风分离器底部的回料器通过回料腿与熔融焚烧室连通。本发明还提供了一种两段式垃圾熔融气化方法，通过两段式设计实现垃圾熔融焚烧与气化有限分割，彻底分离垃圾中有毒有害物质，垃圾底渣以玻璃渣形式可被回收利用，不造成二次污染，可以与电厂进行匹配后实现垃圾间接燃烧发电，实现垃圾的资源化、无害化、减量化和稳定化处理，同时解决了垃圾中重金属和二噁英污染等问题。

Description

一种两段式垃圾熔融气化炉及方法

技术领域

本发明涉及一种两段式垃圾熔融气化炉，属于固体废弃物处理技术领域。

背景技术

当前，由于城市化进程加剧、居民生活水平不断提高以及商品消费量的迅速增加，国内外城市垃圾的排放量也随之增加，生活垃圾处理目标是实现“减量化、资源化、无害化”。采用直接焚烧处理生活垃圾不可避免地带来一些二次污染物，特别是二噁英、重金属等。二噁英是最毒的一类化合物，其毒性是氰化钾KCN的1000倍，是迄今为止发现的最具致癌潜力的物质；灰渣中的重金属如铅、汞、铬、砷、镉等经过淋滤后进入水中，逐步通过生物链的富集最终对人体产生危害。这些毒害污染物的排放不仅引起人们对垃圾焚烧处理技术的担忧，甚至影响社会的健康发展。国内已出现较多当地居民集体抵制垃圾焚烧电厂的事件，其推广和应用受到限制。

我国是垃圾包袱最重的国家，2017年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示，2017年，国内214个大、中城市生活垃圾产生量18850.5万吨，多地造成“垃圾围城”的现象，造成了“白色污染”。历年全国无序堆放的垃圾总量多达160亿吨，占用土地9亿平方米，严重污染大气和地下水资源，更有引发气体爆炸事故的发生，严重阻碍了城市经济与环境间的快速和谐发展。此外，我国是一个资源和能源短缺的国家，如何实现城市垃圾资源化、能源化利用，在解决城市垃圾出路的同时，发展循环经济，是实现经济发展方式转变的一个有效途径。

为解决上述严重问题，国内外在垃圾处理上提出了许多解决方案，如垃圾经过分选后填埋、制肥、裂解制油、生化处理等。其中已经付诸实施的焚烧处理、卫生填埋、高温堆肥都存在着一定的不足。如卫生填埋，相对焚烧处理，投资和运行费用较低，但填埋场占地相当大，大量有机物和电池等物质的填埋，使卫生填埋场渗滤液防渗透、收集处理系统负荷和技术难度大，投资高，填埋操作复杂，管理困难，处理后污水也难以达标排放。此外，填埋场的甲烷、硫化氢等废气也必须处理好，以确保防爆和环保要求。焚烧技术在实现垃圾减量化的同时，获得热能，但最容易生成二噁英，灰渣需特殊处理；热解技术对抑制二噁英最有利，但需要外加热源，热解产物产生的焦炭和灰渣需要特殊处理，后续利用设备复杂；气化技术可将垃圾彻底转化为用途广泛的燃气，但常规的气化设备仍有二噁英产生，且灰渣也需特殊处理。总之，上述垃圾转化处理技术还不能实现彻底的无害化和资源化。

欧美、日本等发达国家正在积极开展垃圾气化技术应用，该技术直接将垃圾在贫氧气氛或少量水蒸气气氛下高温热处理生成具有一定热值的合成气，用于后期的发电或化工用途。相比于传统的垃圾直接焚烧处理，气化技术将垃圾直接转化为可燃气，能源利用效率高，不产生二噁英等有害物质，因此被认为是一种更为环保高效的处理途径。

综上所述，垃圾处理量的逐年增加和垃圾处理技术的不成熟已经严重不匹配，垃圾的清洁高效处理已经摆成为全球性的环境和技术问题，成为城市化建设进程摆在眼前的一道坎。如何实现垃圾的减量化、无害化、资源化和稳定化，是本领域技术人员致力于解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现垃圾的减量化、无害化、资源化和稳定化。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：包括上段的气化室和下段的熔融焚烧室，熔融焚烧室与气化室通过喉口连接；气化室和熔融焚烧室上分别设有垃圾进料入口，熔融焚烧室上设有氧气喷嘴；垃圾熔融室的底部设有排渣口，气化室顶部的燃气出口通过导管与旋风分离器相连，旋风分离器底部设有回料器，回料器通过回料腿与熔融焚烧室连通。

优选地，所述气化室的轴线为竖直设置，所述熔融焚烧室的轴线为向下倾斜设置，气化室的轴线与熔融焚烧室径向形成的夹角为15°～30°。

优选地，所述气化室上的垃圾进料入口处设有第一入口导管，所述熔融焚烧室上的垃圾进料入口处设有第二入口导管；第一入口导管与气化室轴线的夹角为15°～60°，第二入口导管与熔融焚烧室轴线的夹角为15°～60°。

优选地，所述气化室的垃圾进料入口设于气化室的中上段，所述气化室和熔融焚烧室的垃圾进料量比例在2～5之间。

更优选地，第一螺旋进料装置通过第一入口导管与气化室连接，第二螺旋进料装置通过第二入口导管与熔融焚烧室连接。

优选地，所述气化室底部为锥形段，锥形段的锥形角度为15°～75°，锥形段底部通过喉口与熔融焚烧室相连；喉口直径为1000mm～1500mm，烟气流速为10～15m/s，通过控制喉口的直径控制气体流速。

优选地，所述回料腿与熔融焚烧室径向形成的夹角为30°～75°。

优选地，所述氧气喷嘴采用旋风式结构布置，其中，一个氧气喷嘴设置在熔融焚烧室的垃圾进料入口下方，且与熔融焚烧室轴线平行；一个氧气喷嘴设置在熔融焚烧室下端的排渣口上方，且与气化室轴线垂直；另外的氧气喷嘴设置在回料腿周边且与熔融焚烧室径向垂直相切。

本发明还提供了一种两段式垃圾熔融气化方法，采用上述的两段式垃圾熔融气化炉，步骤为：

步骤1：破碎干燥后的垃圾通过垃圾进料入口分别送至上段的气化室和下段的熔融焚烧室；气化所用的气化剂全部由下段的熔融焚烧室的各个氧气喷嘴喷入，在熔融焚烧室内形成旋流，产生温度高于垃圾灰熔点的焚烧环境；

步骤2：在熔融焚烧室内，小部分垃圾和大部分灰渣完全熔融焚烧，所产生的烟气经过喉口进入气化室，与气化室内的垃圾进行热交换，热解气化生成可燃气体和炉渣；可燃气体和烟气通过导管进入旋风分离器，炉渣由于自身重力进入熔融焚烧室；

步骤3：可燃气体和烟气经旋风分离器除尘后去余热回收，所分离下来的灰渣回下段的熔融焚烧室，与气化室的炉渣进一步熔融焚烧，产生的熔融底渣从排渣口排出进入渣池激冷形成玻璃渣。

优选地，气化所用的气化剂为纯氧或者富氧空气；气化室出口的燃气温度为900～1000℃。

本发明提供的两段式垃圾熔融气化炉结构可靠，运行稳定，灰渣可回收利用，易于大型化放大，环保节能。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)两段式高温气化炉设计，实现垃圾熔融焚烧与气化有限分割，熔融焚烧为气化提供热量创造条件，同时将操作温度控制在出口900℃以上，利用垃圾挥发分分解产生可燃气，同时有效分解焦油，排出的燃气中的重金属和二噁英含量很少，大大降低了燃气处理系统的投资和运行成本，减少了环境污染；

(2)本发明采用两段式熔融气化炉，熔融焚烧室采用旋风设计，氧气切向进入，利用纯氧或者富氧进行高温焚烧，产生局部1400℃以上高温，使垃圾熔融形成液态渣后流入渣池激冷形成玻璃渣，实现无害化，同时在气化室对垃圾进行气化处理，产生可燃气，实现垃圾资源化利用；

(3)垃圾气化过程在900～1000℃条件下进行，彻底分离垃圾中有毒有害物质，包括垃圾中病原体、细菌和寄生物，实现清洁转化利用的目的，解决了垃圾焚烧过程的二噁英排放问题；

(4)本发明采用两段式气化炉设置了两级进料入口，气化室未反应完全的炉渣以及燃气旋风分离后的飞灰进入熔融焚烧室进行高温纯氧熔融，不但提高了垃圾的处理能力，还延长了垃圾在气化炉内的停留时间，从而提高了垃圾的转化率，易于垃圾气化大型化放大。

附图说明

图1为本实施例提供的两段式垃圾熔融气化炉的结构示意图；

图2为图1中的局部示意图；

图3为气化炉熔融焚烧室的截面剖视示意图；

附图标记说明：

1－气化炉壳体；2－气化炉炉壁；3a－第一螺旋进料装置；3b－第二螺旋进料装置；4－气化室；5－熔融焚烧室；6－气化炉喉口；7a－第一入口导管；7b－第二入口导管；8a－第一氧气喷嘴；8b－第二氧气喷嘴；8c－第三氧气喷嘴；8d－第四氧气喷嘴；9－燃气导管；10－排渣口；11－回料腿；12－回料器；13－旋风分离器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1和图2为本实施例提供的两段式垃圾熔融气化炉的结构示意图，所述的两段式垃圾熔融气化炉包括气化炉壳体1，气化炉壳体1内部为气化炉炉壁2，气化炉炉壁2为绝热式耐火材料，气化炉炉壁2的内部为气化炉炉膛。

气化炉包括两个主要组成部分，分别为上段的气化室4和下段的熔融焚烧室5，气化室4底部设有下锥段，且熔融焚烧室5与气化室4底部的下锥段通过喉口6连接。

气化室4和熔融焚烧室5上分别设有垃圾进料入口，气化室4上的垃圾进料入口处设有第一入口导管7a，熔融焚烧室5上的垃圾进料入口处设有第二入口导管7b。第一螺旋进料装置3a通过第一入口导管7a与气化室4连接，第二螺旋进料装置3b通过第二入口导管7b与气熔融焚烧室5连接。

垃圾熔融室5的底部设有排渣口10，气化室4顶部的燃气出口通过燃气导管9与旋风分离器13相连，旋风分离器13底部设有回料器12，回料器12通过回料腿11与熔融焚烧室5连通。

结合图3，熔融焚烧室5设有4个氧气喷嘴。第一氧气喷嘴8a设置在熔融焚烧室5的垃圾进料入口下方，与气化炉熔融焚烧室5轴线平行；第二氧气喷嘴8b、第三氧气喷嘴8c设置在旋风分离器13的回料腿11附近，氧气切向进入熔融焚烧室5，且与熔融焚烧室5径向垂直相切；第四氧气喷嘴8d设置在熔融焚烧室5下端的排渣导管上方，同时与气化室4轴线垂直。

气化采用纯氧或者富氧空气作为气化剂，全部氧气从熔融焚烧室5的不同氧气喷嘴喷入，该段采用旋风设计，在炉内形成旋流，产生1400℃以上高温，使熔融焚烧室5内温度高于垃圾灰熔点下操作。

两段式垃圾熔融气化炉的工艺过程主要分三个过程，分别描述如下：

过程一：破碎干燥后的垃圾由大料仓通过第一螺旋进料装置3a、第二螺旋进料装置3b分别送至上段的气化室4和下段的熔融焚烧室5，气化室4出口温度控制在900～1000℃，气化所用的氧气为纯氧或者富氧空气，全部由下段的熔融焚烧室5的各个氧气喷枪喷入，在熔融焚烧室5内保证达到1400℃以上高温焚烧环境，确保熔渣熔融流动。

过程二：在熔融焚烧室5内1400℃以上高温过氧的焚烧环境中，小部分垃圾和大部分灰渣完全熔融焚烧，所产生的高温烟气经过喉口6进入气化室4，与气化室4内的垃圾进行热交换，热解气化生成可燃气体和炉渣，可燃气体与烟气通过导管9进入旋风分离器13，炉渣由于自身重力进入熔融焚烧室5。

过程三：气化产生900～1000℃的可燃气经旋风分离器13除尘后，所分离下来的灰渣回下段的熔融焚烧室5，与气化室4的炉渣进一步熔融焚烧，产生的熔融底渣从排渣口10排出进入渣池激冷形成玻璃渣，可燃气经过旋风分离器13后续进一步处理。

经以上三个过程，即完成了本发明的完整气化熔融过程。

以上过程中没有垃圾处理过程的二次污染排放，所有垃圾灰经过高温灼烧，底渣形成熔融后以玻璃渣形态排出，确保无二次污染，并将重金属等物质富集于炉渣中，燃气可用于燃烧发热被水冷壁吸收用于发电，达到了垃圾的减量化、稳定化、资源化和无害化的目的。

应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。

下面分别以一套日处理垃圾量600吨(含水量53％)和900吨(含水量53％)的垃圾熔融气化炉为例，说明本发明的气化效果。

实施例1

一套日处理600吨(含水量53％)的垃圾熔融气化炉，气化炉本体气化室4内径为3000mm，气化炉喉口6内径1000mm，熔融焚烧室5内径为2800mm。气化炉熔融焚烧室5分别布置四个氧气喷嘴8a、8b、8c、8d，其中侧面2个喷口与气化室4轴线垂直，熔融焚烧室5径向与气化室4轴线偏斜角度α为20°，四个氧气喷嘴喷入100％的纯氧气。

气化炉气化室4高度为9500mm，喉口6高度1400mm，气化炉熔融焚烧室5长度约8000mm，垂直高度5500mm，气化炉总高度16400mm。

旋风分离器13筒体直径为2200mm，旋风分离器出口800mm，下设有回料器12和回料腿11，回料腿11与熔融焚烧室5径向夹角γ为45°。

气化室4下锥端与中心轴的夹角β为30°。

排渣口10直径为700mm，导管9直径为800mm。

气化炉炉壁2采用浇筑耐火砖设计。

垃圾原料为城市垃圾，含水量～53％。

干燥后垃圾的性质参数如下：

气化后的参数如下：

从以上数据可以得出，本发明采用垃圾熔融气化炉，与现有垃圾焚烧方式相比，排出的燃气中的重金属和二噁英含量很少，大大降低了燃气处理系统的投资和运行成本，减少了环境污染，垃圾熔融形成液态渣后流入渣池激冷形成玻璃渣，在垃圾原料多样化条件下实现了垃圾资源化、稳定化、减量化和无害化处理。

实施例2

一套日处理900吨(含水量53％)的垃圾熔融气化炉，气化炉本体气化室4内径为4000mm，气化炉喉口6内径1300mm，熔融焚烧室5内径为3600mm。气化炉熔融焚烧室分别布置四个氧气喷嘴8a、8b、8c、8d，其中侧面2个喷口与气化室4轴线垂直，熔融焚烧室5径向与气化室4轴线偏斜角度α为25°，四个氧气喷嘴喷入93％的氧气。

气化炉气化室4高度为9800mm，喉口6高度1500mm，气化炉熔融焚烧室5长度约8000mm，垂直高度6500mm，气化炉总高度17800mm。

旋风分离器13筒体直径为2400mm，旋风分离器出口900mm，下设有回料器12和回料腿11，回料腿11与熔融焚烧室5的径向夹角γ为45°。

气化室4下锥端与中心轴的夹角β设为30°。

排渣口10直径为700mm，导管9直径为900mm。

气化炉炉壁2采用浇筑耐火砖设计。

垃圾原料为城市垃圾，含水量～53％。

干燥后垃圾的性质参数如下：

气化后的参数如下：

从以上数据可以得出，本发明采用垃圾熔融气化炉，与现有垃圾焚烧方式相比，排出的燃气中的重金属和二噁英含量很少，大大降低了燃气处理系统的投资和运行成本，减少了环境污染，垃圾熔融形成液态渣后流入渣池激冷形成玻璃渣，在垃圾原料多样化条件下实现了垃圾资源化、稳定化、减量化和无害化处理。

综上所述，本发明提供的气化炉具有明显的技术创新优势，适用于垃圾的集中处理，垃圾底渣以玻璃渣形式可被回收利用，不造成二次污染，可以与电厂进行匹配后实现垃圾间接燃烧发电，实现垃圾的减量化、稳定化、无害化和资源化目标，应用前景十分广阔。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：包括上段的气化室(4)和下段的熔融焚烧室(5)，熔融焚烧室(5)与气化室(4)通过喉口(6)连接；气化室(4)和熔融焚烧室(5)上分别设有垃圾进料入口，熔融焚烧室(5)上设有氧气喷嘴；垃圾熔融室(5)的底部设有排渣口(10)，气化室(4)顶部的燃气出口通过导管(9)与旋风分离器(13)相连，旋风分离器(13)底部设有回料器(12)，回料器(12)通过回料腿(11)与熔融焚烧室(5)连通。

2.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述气化室(4)的轴线为竖直设置，所述熔融焚烧室(5)的轴线为向下倾斜设置，气化室(4)的轴线与熔融焚烧室(5)径向形成的夹角为15°～30°。

3.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述气化室(4)上的垃圾进料入口处设有第一入口导管(7a)，所述熔融焚烧室(5)上的垃圾进料入口处设有第二入口导管(7b)；第一入口导管(7a)与气化室(4)轴线的夹角为15°～60°，第二入口导管(7b)与熔融焚烧室(5)轴线的夹角为15°～60°。

4.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述气化室(4)的垃圾进料入口设于气化室(4)的中上段，所述气化室(4)和熔融焚烧室(5)的垃圾进料量比例在2～5之间。

5.如权利要求3所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：第一螺旋进料装置(3a)通过第一入口导管(7a)与气化室(4)连接，第二螺旋进料装置(3b)通过第二入口导管(7b)与熔融焚烧室(5)连接。

6.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述气化室(4)底部为锥形段，锥形段的锥形角度为15°～75°，锥形段底部通过喉口(6)与熔融焚烧室(5)相连；喉口(6)直径为1000mm～1500mm，烟气流速为10～15m/s，通过控制喉口(6)的直径控制气体流速。

7.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述回料腿(11)与熔融焚烧室(5)径向形成的夹角为30°～75°。

8.如权利要求1所述的一种两段式垃圾熔融气化炉，其特征在于：所述氧气喷嘴采用旋风式结构布置，其中，一个氧气喷嘴设置在熔融焚烧室(5)的垃圾进料入口下方，且与熔融焚烧室(5)轴线平行；一个氧气喷嘴设置在熔融焚烧室(6)下端的排渣口(10)上方，且与气化室(4)轴线垂直；另外的氧气喷嘴设置在回料腿(11)周边且与熔融焚烧室(5)径向垂直相切。

9.一种两段式垃圾熔融气化方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的两段式垃圾熔融气化炉，步骤为：

步骤1：破碎干燥后的垃圾通过垃圾进料入口分别送至上段的气化室(4)和下段的熔融焚烧室(5)；气化所用的气化剂全部由下段的熔融焚烧室(5)的各个氧气喷嘴喷入，在熔融焚烧室(5)内形成旋流，产生温度高于垃圾灰熔点的焚烧环境；

步骤2：在熔融焚烧室(5)内，小部分垃圾和大部分灰渣完全熔融焚烧，所产生的烟气经过喉口(6)进入气化室(4)，与气化室(4)内的垃圾进行热交换，热解气化生成可燃气体和炉渣；可燃气体和烟气通过导管(9)进入旋风分离器(13)，炉渣由于自身重力进入熔融焚烧室(5)；

步骤3：可燃气体和烟气经旋风分离器(13)除尘后去余热回收，所分离下来的灰渣回下段的熔融焚烧室(5)，与气化室(4)的炉渣进一步熔融焚烧，产生的熔融底渣从排渣口(10)排出进入渣池激冷形成玻璃渣。

10.如权利要求9所述的一种两段式垃圾熔融气化方法，其特征在于：气化所用的气化剂为纯氧或者富氧空气；气化室(4)出口的燃气温度为900～1000℃。