CN109593535A - 固体废物热解气化--等离子体重整的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体废物热解气化‑‑等离子体重整的装置与方法，包括热解炉和等离子体重整装置；热解炉出气口与等离子体重整装置进气口由导气管连接。热解炉在炉顶设置有进料口，在炉体侧壁上部设置有出气口；热解炉侧壁由外到内设有热解炉炉壁、热解炉外层耐火材料、热解炉内层耐火材料和物料钢瓶；等离子体重整装置的进气口位于装置一侧壁的中心位置，出气口位于进气口对面的侧壁的中心位置；在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬安装点，布置1‑4个等离子体炬；采用等离子体技术，可同时高效去除烟气中的多种复合污染物，包括气态污染物、固态及液态微粒，且该重整技术不会产生二次污染。设备体积小，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体废物热解气化--等离子体重整的装置与方法，尤其是提供一种等离子体技术的复合污染物净化设备及方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
热解是生活垃圾、农林废弃物、工业活动中产生的有机废物和石油污泥等固体废物在无氧条件下，转化为可燃气的过程，应用前景十分广泛。固体废物通过热解过程，得到的可燃气体可用于燃气轮机或煤气发动机中直接燃烧，用于燃料电池，作为工业燃气，用于其他工业生产等。
经过热解产生的气态物质，组成成分十分复杂，是一种集固、液、气态污染物于一体的复合污染物。固态成分主要包括炭黑、炉渣等固体颗粒物，液态成分主要包括焦油、芳香烃等有机液体，气态成分主要包括小分子可燃气体(如H2、CH4、CO等)及恶臭类物质(如H2S、NH3等)。固体废物热解产生的气体，还具有所含污染物各组分浓度波动较大的特点。该类复合污染物如不经有效净化，不仅会对后续设备造成危害，对城市空气质量也构成了严重的威胁。
针对上述低浓度复合气态污染物，传统处理方法有吸附法、催化燃烧法或生物法等。催化燃烧法净化效率高，但缺点是催化剂易受热解烟气中焦油及炭黑类固态物质影响而失效，设备体积较大，一次性投资及设备运行能耗较大，且气态污染物与热解气混流在一起，不可用燃烧法去除污染物。吸附法、吸收法净化效果理想，但吸附或吸收后的污染物仍需处置，再生能耗较大。冷凝法应用范围受限，仅对中、高浓度易挥发性有机气体处理效果较好。生物法投资和运行费用较低，但运行操作复杂、占地面积较大，存在二次污染的可能性。
因此，目前热解技术存在以下问题：热解产生的气体，组分复杂，含焦油等大分子物质，需净化后才可后续使用；吸附法、催化燃烧法或生物法等常规净化方法，存在诸多不足。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能稳定输出可燃气、可控性强的固体废物热解气化-等离子体重整的装置与方法。
具体技术方案如下：
一种固体废物热解气化-等离子体重整的装置：包括热解炉和等离子体重整装置；热解炉出气口与等离子体重整装置进气口由导气管连接。
所述的热解炉在炉顶设置有进料口，在炉体侧壁上部设置有出气口；热解炉侧壁由外到内设有热解炉炉壁、热解炉外层耐火材料、热解炉内层耐火材料和物料钢瓶；其中，热解炉内层耐火材料与物料钢瓶之间设有热电偶，热电偶采用三段式或多段式布置方式；在物料钢瓶下方，设有炉栅；炉栅下方设有储灰室；载气管穿过储灰室，与炉栅相接，可将载气导入到物料钢瓶内，即热解炉内物料反应区。
所述的等离子体重整装置，外形为圆柱体或长方体，或其他形状；进气口位于装置一侧壁的中心位置，出气口位于进气口对面的侧壁的中心位置；在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬安装点，布置等离子体炬，数量为1-4个，功率为5-30KW；
布置1个或3个等离子体炬时，在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，均匀布置等离子体炬，使得相邻的等离子体炬距离相等；
布置2个或4个等离子体炬时，在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，使得等离子体炬对称分布。
等离子体炬的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬与所在侧壁垂直；等离子体炬的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外；等离子体炬的工作气体选择氮气或氩气，气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器；测温孔和测压孔位于装置进气口所在壁面，采用双铂铑传感器测温；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁和等离子体重整装置保温层；设有等离子体炬工作气供气瓶；气瓶供气的气路中间，设有等离子体炬工作气过滤器，用于净化工作气体；净化后的工作气体，与等离子体炬工作气软管相接；等离子体炬工作气软管，与炬尾相接，通入等离子体炬内；在重整装置内，设有测温孔和测压孔，测温孔和测压孔位于装置进气口所在壁面，紧邻装置进气口；设有水蒸气进气孔，位于装置顶部壁面，该孔距进气口所在壁面10-20cm处；从装置进气口到出气口连线的中点处，到出气口所在壁面，装置内部设有挡板，挡板等距间隔20-30cm，使气体以折流方式通过装置；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁和等离子体重整装置保温层。
所述等离子体重整装置外形为长方体时，等离子体炬的安装方式如下：重整装置的进气口位于装置一侧壁的中心位置，出气口位于进气口对面的侧壁的中心位置；在除去进气口和出气口所在壁面的其他四个壁面，选取等离子体炬安装点，布置等离子体炬，数量为1-4个，功率为5-30KW；布置1个等离子体炬时，任选一壁面，并在该壁面选取一点，该点距进气口所在壁面40-50cm；当布置2个等离子体炬时，在四个壁面，任选两个相对壁面，并在两个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，对称布置等离子体炬；当布置3个等离子体炬时，在四个侧壁内，任选三个壁面，并在三个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，均匀布置等离子体炬；当布置4个等离子体炬时，在四个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，对称布置等离子体炬。等离子体炬的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬与所在侧壁垂直；等离子体炬的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外。
所述等离子体重整装置外形为圆柱体时，等离子体炬的安装方式如下：重整装置的进气口位于装置一底面的中心位置，出气口位于进气口对面的壁面的中心位置；在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬安装点，布置等离子体炬，数量为1-4个，功率为5-30KW；布置1-4个等离子体炬时，均匀选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm；均匀布置等离子体炬，使得相邻的等离子体炬之间距离相等。等离子体炬的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬与所在侧壁垂直；等离子体炬的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外。
利用本发明的装置进行固体废物热解气化-等离子体重整处理的方法，其步骤如下：
1)固体废物经初步破碎后，通过进料装置，经进料口，进入热解炉；通过热电偶加热，控制炉内温度在200-1000℃，固体废物进行热解反应；热解产生的无机灰渣通过炉栅进入储灰室，被定期清理出炉；热解产生的可燃气，在载气的推动下，经上部出气口，离开热解炉；热解所需的载气选择氮气，由钢瓶供气；
2)热解产生的合成气体经导气管，进入等离子体重整装置；等离子体重整装置的进气口和出气口在水平方向上；气体在载气的推动作用下，以水平推流方式经过重整装置；气体进入重整装置后，在等离子体炬的作用下，气体温度1000-1200℃；通过水蒸气进气孔，向重整装置通入水蒸气，增强重整效果；装置内设有挡板，使气体停留时间为2-5s。
优选热解炉通过热电偶加热，升温速率控制在10-20℃/min。
优选等离子体重整装置中的工艺条件为：等离子体炬功率为5-30KW，等离子炬入口的工作气体压力范围为0.4～0.7MPa，压力波动范围小于20kPa；工作气体选择氮气或氩气，气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器，过滤精度不低于0.1mm；测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃；气体水平流速控制在0.1m/s～2m/s之间，停留时间为2-5s。
本发明主要有如下优点：
1、采用等离子体技术，可同时高效去除烟气中的多种复合污染物，包括气态污染物、固态及液态微粒，且该重整技术不会产生二次污染。
2、设备体积小，结构紧凑，操作简单，去除效率高。
3、该发明系统，获得高品质的合成气的过程包括固体废物热解和气体重整，每个步骤在相对独立的空间内完成，两步骤相对分开又紧密进行，使每一步都较为充分，从而获得较高品质的合成气。
附图说明
图1为本发明设备的整体结构示意图；
图2为图1的热解炉剖面图A-A；
图3为图1的等离子体重整装置为长方体形状的示意图；
图4为图1的等离子体重整装置为圆柱体形状的示意图；
其中：包括热解炉、等离子体重整装置，1、进料装置；2、热解炉进料口；3、热解炉炉壁；4、热解炉外层耐火材料；5、热解炉内层耐火材料；6、物料钢瓶；7、炉栅；8、载气管；9、热解炉出气口；10、热电偶；11、储灰室；12、出灰口；13、测温孔；14、测压孔；15、等离子体重整装置保温层；16、挡板；17、等离子体炬；18、等离子体重整装置炉壁；19、等离子体重整装置出气口；20、水蒸气进气孔；21、导气管；22、等离子体重整装置进气口；23、等离子体炬工作气供气瓶；24、等离子体炬工作气过滤器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1、2、3、4所示，按照本发明所构建的固体废物热解气化-等离子体重整系统，包括热解炉(1—1)和等离子体重整装置(1—2)。
具体内容如下：
热解炉(1—1)：在炉顶设置有热解炉进料口(2)，在炉体侧壁上部设置有热解炉出气口(9)；热解炉侧壁由外到内设有热解炉炉壁(3)、热解炉保温层(包括外层耐火材料(4)和内层耐火材料(5))和物料钢瓶(6)；其中，热解炉保温层与物料钢瓶(6)之间设有热电偶装置(10)，采用三段式或多段式热电偶；在物料钢瓶(6)下方，设有炉栅(7)；炉栅(7)下方设有储灰室(11)；设有载气管(8)穿过储灰室(11)，将载气导入物料钢瓶(6)中，即热解炉内的物料反应区。
等离子体重整装置(1—2)：外形为圆柱体或长方体，或其他形状；进气口(22)位于装置一侧壁的中心位置，出气口(19)位于进气口(22)对面的侧壁的中心位置；在除去进气口(22)和出气口(19)所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬(17)安装点，布置等离子体炬(17)，数量为1-4个，功率为5-30KW；布置1个或3个等离子体炬(17)时，在除去进气口(22)和出气口(19)所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，均匀布置等离子体炬(17)，使得相邻的等离子体炬(17)距离相等；布置2个或4个等离子体炬(17)时，在除去进气口(22)和出气口(19)所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口(22)所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，使得等离子体炬(17)对称分布；等离子体炬(17)的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬与所在侧壁垂直；等离子体炬(17)的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外；等离子体炬(17)的工作气体选择氮气或氩气，气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器(24)；测温孔(13)和测压孔(14)位于装置进气口所在壁面，采用双铂铑传感器测温；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁(18)和等离子体重整装置保温层(15)。设有等离子体炬工作气供气瓶(23)；气瓶供气的气路中间，设有等离子体炬工作气过滤器(24)，用于净化工作气体；净化后的工作气体，与等离子体炬工作气软管相接；等离子体炬工作气软管的设置，便于与等离子体炬(17)相接，软管与其尾部相接，通入等离子体炬(17)内；在重整装置内，设有测温孔(13)和测压孔(14)，测温孔(13)和测压孔(14)位于装置进气口所在壁面，紧邻装置进气口；设有水蒸气进气孔(20)，位于装置顶部壁面，该孔距进气口所在壁面10-20cm处；从装置进气口(22)到出气口(19)连线的中点处，到出气口所在壁面的装置之间，装置内部设有挡板(16)，挡板等距间隔20-30cm，使气体折流通过装置；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁(18)和等离子体重整装置保温层(15)。
等离子体重整装置(1—2)：所述等离子体重整装置外形为长方体时，等离子体炬的安装方式如下：重整装置的进气口(22)位于装置一侧壁的中心位置，出气口(19)位于进气口(22)对面的侧壁的中心位置；在除去进气口(22)和出气口(19)所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬(17)安装点，布置等离子体炬(17)，数量为1-4个，功率为5-30KW；布置1个等离子体炬(17)时，任选一壁面，并在该壁面选取一点，该点距进气口(22)所在壁面40-50cm；当布置2个等离子体炬(17)时，在四个壁面，任选两个相对壁面，并在两个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口(22)所在壁面的距离相等，均为40-50cm，对称布置等离子体炬(17)；当布置3个等离子体炬(17)时，在四个侧壁内，任选三个壁面，并在三个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口(22)所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，均匀布置等离子体炬(17)；当布置4个等离子体炬(17)时，在四个壁面分别选取一点，且所有安装点到进气口(22)所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，对称布置等离子体炬(17)。等离子体炬(17)的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬(17)与所在侧壁垂直；等离子体炬(17)的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外。
等离子体重整装置(1—2)：所述等离子体重整装置外形为圆柱体时，等离子体炬的安装方式如下：重整装置的进气口(22)位于装置一侧壁的中心位置，出气口(19)位于进气口(22)对面的侧壁的中心位置；在除去进气口(22)和出气口(19)所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬(17)安装点，布置等离子体炬(17)，数量为1-4个，功率为5-30KW；布置1-4个等离子体炬(17)时，均匀选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm；均匀布置等离子体炬(17)，使得相邻的等离子体炬(17)之间距离相等。等离子体炬(17)的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬(17)与所在侧壁垂直；等离子体炬(17)的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外。
本发明的工作过程主要包括以下步骤：
固体废物废弃物，经初步破碎后，通过进料装置(1)，经热解炉进料口(2)，进入热解炉。通过热电偶(10)加热，控制炉内温度在200-1000℃，固体废物进行热解反应。热解产生的无机灰渣通过炉栅(7)进入储灰室(11)，被定期清理出炉；热解产生的气体与载气混合，在载气的推动下，经热解炉出气口(9)，离开热解炉。热解产生的气体经导气管(21)，进入等离子体重整装置。圆柱体形状的等离子体重整装置水平放置，使气体以水平推流方式经过装置。气体进入重整装置后，在等离子体炬(17)的作用下，使气体温度达到1000-1200℃，会发生一系列的裂解反应，焦油和气态有机污染物会裂解为小分子可燃物(由于温度较高，主要为H2和CO)，特别是气体流经等离子体炬(17)附近时，反应更加剧烈。通过增设水蒸气进气孔(20)，向重整装置通入水蒸气；装置内设有挡板(16)，气体停留时间为2-5s。在重整装置内，设有测温孔(13)和测压孔(14)。根据温度和压力数值，对等离子体炬(17)的功率进行调整，选择合适的运行工况，使合成气重整效果最佳。
利用这一套装置，可将固体废物转化为可燃气，方便后续利用。
以下举例说明：
处理对象为生活垃圾，热解反应的温度为500-650℃；等离子体重整反应的气体温度为800-1100℃。
(1)原料元素分析表
表1原料元素分析表
| 元素 | C | H | O | N | S | Cl |
| 含量(％) | 51.0 | 9.7 | 37.5 | 1.2 | 0.2 | 0.4 |
(2)热解炉处理后的合成气成分及含量：
表2热解后的合成气成分及含量
| 成分 | H<sub>2</sub> | CO | CO<sub>2</sub> | H<sub>2</sub>O | VOC |
| 含量(摩尔分数) | 18 | 14 | 19 | 38 | 11 |
(3)等离子体重整后的合成气成分及含量：
表3等离子体重整后的合成气成分及含量
| 成分 | H<sub>2</sub> | CO | CO<sub>2</sub> | H<sub>2</sub>O | VOC |
| 含量(摩尔分数) | 33 | 27 | 10 | 29 | 1 |
(4)以下对比气体中焦油的含量：
因焦油是一种极其复杂的混合物，现列出几种含量较高的成分做对比。分别将热解炉产生的气体和等离子体重整后的气体冷凝，收集焦油并分析成分及浓度。
表4：等离子体重整前后的合成气中焦油的主要成分及含量
对比表4数据，可发现经等离子体重整后的合成气，其焦油含量会明显降低，方便后续合成气的多方面利用。
(5)对比表2和表3，可看出，等离子体重整后的气体中，CO和H2的含量较之前提升，则表示重整后的气体热值会明显增加；另一方面，对比看出，经重整后的气体，其VOC含量也会明显降低，说明重整反应对有机污染物处理有明显效果。
(6)因水蒸气可与以下物质发生反应：
CH4+H2O→CO+3H2
C+H2O→CO+H2
C7H8+2H2O→C6H6+CO+2H2
C6H6+5H2O→5CO+6H2+CH4
可见，适量在重整装置中增加水蒸气，原理上，会存在以上的反应。因此，在等离子体重整装置中增设水蒸气进气孔，理论上，有利于进一步改善合成气重整的效果。
通过对合成气中焦油和有机污染物(VOC)的处理，方便后续利用，如燃气轮机、燃料电池等等；无机污染物的去除，可根据后续利用途径，增设不同的处理工艺，达到标准再排放。
Claims (9)
1.一种固体废物热解气化-等离子体重整的装置：包括热解炉和等离子体重整装置；热解炉出气口与等离子体重整装置进气口由导气管连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是热解炉在炉顶设置有进料口，在炉体侧壁上部设置有出气口；热解炉侧壁由外到内设有热解炉炉壁、热解炉外层耐火材料、热解炉内层耐火材料和物料钢瓶；其中，热解炉内层耐火材料与物料钢瓶之间设有热电偶，热电偶采用三段式或多段式布置方式；在物料钢瓶下方，设有炉栅；炉栅下方设有储灰室；载气管穿过储灰室，与炉栅相接，可将载气导入到物料钢瓶内，即热解炉内物料反应区。
3.如权利要求2所述的装置，其特征是等离子体重整装置，外形为圆柱体或长方体，或其他形状；进气口位于装置一侧壁的中心位置，出气口位于进气口对面的侧壁的中心位置；在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面，选取等离子体炬安装点，布置等离子体炬；数量为1-4个，功率为5-30KW。
4.如权利要求3所述的装置，其特征是布置1个或3个等离子体炬时，在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，均匀布置等离子体炬，使得相邻的等离子体炬距离相等。
5.如权利要求2所述的装置，其特征是布置2个或4个等离子体炬时，在除去进气口和出气口所在壁面的其他壁面分别选取安装点，且所有安装点到进气口所在壁面的距离相等，均为40-50cm，相邻两个安装点之间等距，使得等离子体炬对称分布。
6.如权利要求2所述的装置，其特征是等离子体炬的喷头端均朝向装置内部，等离子体炬与所在侧壁垂直；等离子体炬的安装点位于炬身的1/2高度处，喷头一侧位于重整装置内部，尾部位于重整装置外；等离子体炬的工作气体选择氮气或氩气，气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器；测温孔和测压孔位于装置进气口所在壁面，采用双铂铑传感器测温；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁和等离子体重整装置保温层；设有等离子体炬工作气供气瓶；气瓶供气的气路中间，设有等离子体炬工作气过滤器，用于净化工作气体；净化后的工作气体，与等离子体炬工作气软管相接；等离子体炬工作气软管，与炬尾相接，通入等离子体炬内；在重整装置内，设有测温孔和测压孔，测温孔和测压孔位于装置进气口所在壁面，紧邻装置进气口；设有水蒸气进气孔，位于装置顶部壁面，该孔距进气口所在壁面10-20cm处；从装置进气口到出气口连线的中点处，到出气口所在壁面，装置内部设有挡板，挡板等距间隔20-30cm，使气体以折流方式通过装置；等离子体重整装置的壁面由外到内，依次为等离子体重整装置炉壁和等离子体重整装置保温层。
7.利用权利要求1的装置进行固体废物热解气化-等离子体重整处理的方法，其特征是步骤如下：
1)固体废物经初步破碎后，通过进料装置，经进料口，进入热解炉；通过热电偶加热，控制炉内温度在200-1000℃，固体废物进行热解反应；热解产生的无机灰渣通过炉栅进入储灰室，被定期清理出炉；热解产生的可燃气，在载气的推动下，经上部出气口，离开热解炉；热解所需的载气选择氮气，由钢瓶供气；
2)热解产生的合成气体经导气管，进入等离子体重整装置；等离子体重整装置的进气口和出气口在水平方向上；气体在载气的推动作用下，以水平推流方式经过重整装置；气体进入重整装置后，在等离子体炬的作用下，气体温度1000-1200℃；设有水蒸气进气孔，向重整装置通入水蒸气，增强重整效果；装置内设有挡板，使气体停留时间为2-5s。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是热解炉通过热电偶加热，升温速率控制在10-20℃/min。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是等离子体炬功率为5-30KW，等离子炬入口的工作气体压力范围为0.4～0.7MPa，压力波动范围小于20kPa；工作气体选择氮气或氩气，气体供气管道在连接等离子炬软管之前设置过滤器，过滤精度不低于0.1mm；测温方式采用双铂铑传感器，测温范围可达0-1700℃；气体水平流速控制在0.1m/s～2m/s之间，停留时间为2-5s。
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