CN110184095A - 一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法及装置，属于污染物排放控制技术领域。本发明装置是将三相交流电弧等离子体炬应用于固体废弃物热解气化等处理过程产生的合成气进行净化处理，在该装置内待处理气体通过扩张降速、增加反应停留时间、增加待处理气体在反应室内与高温等离子体的充分混合，并且利用三相交流等离子体的圆周均布方式形成的一个均匀的高温区域和可控气氛，在高温等离子体的作用下将待处理气体中含有的焦油、二噁英类、以及其他大分子有机物等物质不经过燃烧直接分解成小分子链的碳氢化合物，从而在不燃烧掉合成气中可燃成分的情况下达到净化合成气的功能。

Description

一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法及装置，属于污染物排放控制技术领域。
背景技术
随着“绿水青山就是金山银山”的环保理念为全民所共识，保护环境、减少污染排放已经成为全民关注的焦点和议题，当前我国对于固体废弃物的处理，逐渐从传统的填埋转向以固体废弃物热解气化、焚烧等处理技术为主，这些技术在垃圾的“减量化、无害化、资源化”处置中发挥着重要的作用。但这些处理技术或多或少地存在污染物排放的二次污染风险问题，这些技术的缺陷日益为政府、专家和公众所关注。近年来，热等离子体技术已经开始在固体废弃物的无害化处理领域崭露头角，尤其是在二噁英等持久性有机污染物的控制方面具有独特的优势和潜力，吸引了众多科研院所和公司企业的关注。
热解气化是将物料中有机成分在隔绝空气条件下加热，或在少量氧气存在的条件下部分燃烧，使之转化成有用的燃料或化工原料的基本热化学过程。不论是高温裂解还是中、低温裂解，以及固体废弃物的气化过程都会产生焦油、以及未完全裂解的大分子有机污染物，甚至存在多环芳烃、多氯联苯以及二噁英等持久性有毒有害物质。热解气化过程是一种热化学工程，将固态的原料转变成C、H、O等元素组成的碳水化合物的混合气体的过程，该混合气体通常被称为合成气。气化的目标在于尽量减少原料和气化剂的消耗量以及合成气中的焦油及其他高分子化合物的含量，同时最大化系统的气化效率、碳转化率以及合成气中有效成分(CO和H2)的含量。
以往，热解气化生产的合成气中的焦油一般需通过冷凝的方式进行收集，可设置列管式换热器，逆流热交换，合成气走管外，冷介质走管内，焦油冷凝后沿管壁流入焦油收集装置。然而许多油类物质含有产生酸性气体的氯元素，系统中又需设计额外的设施用来去除其中的氯元素。在焦油冷凝流程中设置填料式过滤器，设置多个抽屉柜，柜内放入类似催化剂物质的多孔填料，对合成气进一步过滤焦油。而对于合成气中其他污染物成分，如产生的二噁英、多环芳烃等有毒有害物质，需要增设其他辅助燃烧室进一步燃烧分解掉。这就造成了在固体废弃物热解气化处理后续较为繁琐的净化处理程序，而且，通过设置附加的燃烧室这种方式，在去除掉合成气中的二噁英、多环芳烃、多氯联苯等大分子有机物的同时，也将合成气中CH4、CO等有效成分燃烧掉了。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法及装置，
本发明的技术解决方案是：
一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，该装置包括前端法兰、后端法兰、壳体、挡板、若干个震动装置和等离子体喷枪；
所述的壳体为一合成气重整反应室，是由一个具有扩张段、核心段和收缩段三段式结构的一体成型的腔体；
所述的壳体包括一体成型的第一空心圆台、空心圆柱和第二空心圆台，第一空心圆台的小端面与前端法兰焊接固定连接，第一空心圆台的大端面与空心圆柱的一端连接，空心圆柱的另一端与第二空心圆台的大端面连接，第二空心圆台的小端面与后端法兰焊接固定连接；
第一空心圆台的外壁面固定安装有若干个震动装置；
第二空心圆台的外壁面固定安装有若干个震动装置；
空心圆柱上沿周向均布有三个等离子体喷枪，三个等离子体喷枪的喷口方向与壳体的中心轴线的夹角均为α，α为30°-90°；
所述的震动装置为振动电机；
所述的等离子体喷枪为三相交流电弧等离子体喷枪、或同等大小的三个管式直流电弧等离子喷枪、或三个同轴直流电弧等离子喷枪中的一种；
壳体的底端开有灰渣卸料口，挡板与灰渣卸料口相匹配，当将挡板安装在灰渣卸料口处时，挡板能够对壳体内部进行密封，当将挡板从灰渣卸料口处取下时用于放出壳体内部的灰渣；
当使用该装置进行固体废弃物热解气化合成气净化处理时，前端法兰与热解气化炉等固体废弃物处理炉固定连接，后端法兰与后端烟道连接；
所述的第一空心圆台作为扩张段用于对进入该装置中的合成气进行减速；
所述的空心圆柱作为核心段用于对进入该装置中的合成气进行高温处理；
所述合成气重整反应室的特殊结构加上等离子体的周向进入掺混，使得进入该装置内的待处理气体，增加反应停留时间、增加待处理气体在反应室内与高温等离子体的充分混合；
所述的等离子体喷枪的介质气体为Ar、N2等惰性气体或者他们的混合物，也可以是H2、CO等还原性气体中的一种或两种以上的混合物。
一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法，该方法的步骤包括：
(1)将该装置的前端法兰与热解气化炉等固体废弃物处理炉固定连接，后端法兰与后端烟道连接，此时灰渣卸料口处挡板阀处于关闭状态，对壳体内部进行密封；
(2)启动等离子体喷枪，使壳体内的温度升至850-1200℃；
(3)将待处理的合成气通入到壳体内；
(4)当合成气处理完毕后启动震动装置，启动时间为10-20min，震动完成后取下挡板，将灰渣从灰渣卸料口处取出。
有益效果
(1)本发明的方法是将三相交流电弧等离子体炬应用于固体废弃物热解气化等处理过程产生的合成气进行净化处理，让待处理的合成气体通过一个由三相交流等离子体炬所形成的一个具有扩张段、等离子体核心段和收缩段组成的合成气重整装置，来实现待处理合成气在反应室内的扩张降速，增加反应停留时间，增加待处理气体在反应室内与高温等离子体的充分混合，并且利用三相交流等离子体的圆周均布方式形成的一个均匀的高温区域和可控气氛，在高温等离子体的作用下将待处理气体中含有的焦油、二噁英类、以及其他苯酚等大分子有机物不经过燃烧直接分解成小分子链的碳氢化合物，从而在不燃烧掉合成气中可燃成分的情况下达到净化合成气的功能。
(2)本发明的三相交流电弧等离子体喷枪的介质气体可以由Ar、N2等惰性气体或者这些气体的混合组成，也可以是具有还原性的H2、CO等气体组成以及它们的混合气体组成。
(3)本方法及其装置除了可以应用于固体废弃物热解气化等处理方式产生的合成气的净化处理，也可以用于其他热解气化以及焚烧装置的烟气出口处作为烟气净化处理，装置简单可靠、安装方便。
(4)本发明的方法对于气化合成气中的焦油在高温环境下，瞬间进行裂解直至碳化，同时对于气化合成气中依然存在的高分子有机物进一步在等离子体介质气体可控的优势下通过高温高能以及组织合适的反应室，进一步裂解为小分子碳氢化合物。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置中三相交流电弧等离子体喷枪的安装位置示意图；
图3为本发明装置中单支等离子体喷枪安装角度示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，该装置包括三相交流等离子体喷枪1、合成气重整反应室2、前端法兰201、后端法兰207、灰渣卸料口206、6个震动装置205；
所述的合成气重整反应室2由一个具有扩张段、核心段和收缩段三段式结构的一体成型的腔体，包括第一空心圆台202、空心圆柱203和第二空心圆台204，第一空心圆台的小端面与前端法兰201焊接固定连接，第一空心圆台的大端面与空心圆柱的一端连接，空心圆柱的另一端与第二空心圆台的大端面连接，第二空心圆台的小端面与后端法兰207焊接固定连接；
所述第一空心圆台的外壁面固定安装有3个震动装置205；
所述第二空心圆台的外壁面固定安装有3个震动装置205；
所述合成气重整反应室2中空心圆柱203的外壁面上沿圆周方向均匀布置有3个等离子体喷枪1，等离子体喷枪1的喷口中心轴线方向与空心圆柱203的中心轴线之间的夹角均为α为90°；
所述的震动装置205为振动电机；
所述的等离子体喷枪1为三相交流电弧等离子体喷枪；
所述合成气重整反应室2中核心段空心圆柱203的底端设置有灰渣卸料口206，并在灰渣卸料口处设置有可以启闭的挡板阀，挡板与灰渣卸料口206相匹配，当将挡板阀关闭时，挡板能够对反应室内部进行密封，当将挡板阀打开时用于放出壳体内部的灰渣；
当使用该装置进行固体废弃物热解气化合成气净化处理时，前端法兰201与热解气化炉固定连接，后端法兰207与后端烟道连接；
所述合成气重整反应室通过设置第一空心圆台、空心圆柱和第二空心圆台这样一种结构构成扩张段、核心段和收缩段三段式反应结构，来实现待处理合成气在反应室内的扩张降速，增加反应停留时间，增加待处理气体在反应室内与高温等离子体的充分混合；
所述的等离子体喷枪1的介质气体为Ar。
一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，该装置的处理方法步骤包括：
(1)将该装置的前端法兰201与热解气化炉等固体废弃物处理炉固定连接，后端法兰207与后端烟道连接，此时位于灰渣卸料口206处的挡板阀处于关闭状态，对反应室内部进行密封；
(2)启动等离子体喷枪1，使重整反应室内的温度升至900℃；
(3)将待处理的合成气通入到重整反应室内；
(4)当合成气处理完毕后启动震动装置205，启动时间为20min，震动完成后打开灰渣卸料口206处的挡板阀，将灰渣从灰渣卸料口206处取出。
本发明装置是将三相交流电弧等离子体炬应用于固体废弃物热解气化等处理过程产生的合成气进行净化处理，让待处理气体从热解炉、气化炉等出来后通过一个由三相交流等离子体炬所形成的一个合成气重整装置，在该装置内通过设置第一空心圆台、空心圆柱和第二空心圆台这样一种结构构成扩张段、核心段和收缩段三段式反应结构，来实现待处理合成气在反应室内的扩张降速，增加反应停留时间，增加待处理气体在反应室内与高温等离子体的充分混合；并且利用三相交流等离子体的圆周均布方式形成一个均匀的高温核心段和可控气氛，将待处理气体中含有的焦油、二噁英类、以及其他苯酚等大分子有机物分解成小分子链的碳氢化合物，从而达到净化合成气的功能。
利用这一原理设计的发明装置除了可以应用于固体废弃物热解气化等处理方式产生的合成气的净化处理，也可以用于其他热解气化以及焚烧装置的烟气出口处作为烟气净化处理。
实施例：以某医院医疗垃圾(含输液管、橡胶手套、注射器、棉花、竹签、纱布、纸口罩等混合物)处理为例，热值为27MJ/Kg，处理量为100Kg/h，混合物组成成分为(％wt)：58.9C、8.07H、1.31N、0.45S、0.5Cl、25.51O、5.26Ash、36.8M。等离子体喷枪功率：180KW，以惰性气体Ar作为等离子体喷枪介质气体。
在对医疗垃圾热解气化处理的过程中，经过本发明装置处理后烟气中17种二噁英类物质的含量分析基于美国EPA1613方法对气体中二噁英进行采样、并通过高分辨色谱/高分辨质谱联用仪(HRGC/HRMS)进行检测，发现结果低于0.02ngTEQ/Nm3，排放值低于国际标准的0.1ng ITEQ/Nm3；通过本装置收集到产生的玻璃体灰渣3.68Kg/h，灰渣中重金属浸出毒性检测结果采用标准《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)，发现结果满足国家标准，玻璃体渣实现无害化排放；合成气处理后焦油含量为0，实现医疗垃圾热解气化合成气零焦油含量掺杂；对于合成气中CO等主要可燃成分在经过本装置后的变化情况进行取样分析(％mol)，CO由17.28变为16.96，减少率＜2％，同样测得CH4、C2H4和C2H2等主要成分含量变化率小于3.2％，这说明本装置在去除合成气中有害成分的同时，对于合成气中主要的可燃成分基本没有破坏，具有很好的合成气净化效果。
上面参考附图结合具体的实施例对本发明进行了描述，然而，需要说明的是，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例作出许多改变和修改，这些改变和修改都落在本发明的权利要求限定的范围内。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：该装置包括前端法兰、后端法兰、壳体、挡板、震动装置和等离子体喷枪；
所述的壳体包括一体成型的第一空心圆台、空心圆柱和第二空心圆台，第一空心圆台的小端面与前端法兰固定连接，第一空心圆台的大端面与空心圆柱的一端连接，空心圆柱的另一端与第二空心圆台的大端面连接，第二空心圆台的小端面与后端法兰固定连接；
第一空心圆台的外壁面固定安装震动装置；
第二空心圆台的外壁面固定安装震动装置；
等离子体喷枪安装在空心圆柱上。
2.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：空心圆柱上沿周向均布有三个等离子体喷枪，三个等离子体喷枪的喷口方向与壳体的中心轴线的夹角均为α，α为30°-90°。
3.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：所述的震动装置为振动电机。
4.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：所述的等离子体喷枪为三相交流电弧等离子体喷枪、或同等大小的三个管式直流电弧等离子喷枪、或三个同轴直流电弧等离子喷枪中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：壳体的底端开有灰渣卸料口，挡板与灰渣卸料口相匹配，当将挡板安装在灰渣卸料口处时，挡板能够对壳体内部进行密封，当将挡板从灰渣卸料口处取下时用于放出壳体内部的灰渣。
6.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：当使用该装置进行固体废弃物热解气化合成气净化处理时，前端法兰与热解气化炉等固体废弃物处理炉固定连接，后端法兰207与后端烟道连接。
7.根据权利要求1所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理装置，其特征在于：所述的等离子体喷枪的介质气体为Ar、N2惰性气体或者他们的混合物，或是H2、CO中的一种或两种的混合物。
8.一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)将前端法兰与固体废弃物处理炉固定连接，后端法兰与后端烟道连接，此时灰渣卸料口处挡板阀处于关闭状态，对壳体内部进行密封；
(2)启动等离子体喷枪，使壳体内的温度上升；
(3)将待处理的合成气通入到壳体内；
(4)当合成气处理完毕后启动震动装置，震动完成后取下挡板，将灰渣从灰渣卸料口处取出。
9.根据权利要求8所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，壳体内的温度上升至850-1200℃。
10.根据权利要求8所述的一种固体废弃物热解气化合成气净化处理方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，震动装置震动时间为10-20min。
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