CN112432178A - 一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置及其方法，装置包括依次连接的气化反应器、燃料反应器和空气反应器，以及分别设置在气化反应器、燃料反应器和空气反应器上的第一分离器、第二分离器和第三分离器；空气反应器内设有若干载氧体，其固体出口经载氧体通道连接燃料反应器；第一分离器入口与气化反应器热解气出口连通，第一分离器气体出口与燃料反应器气体入口连通；第二分离器入口与燃料反应器出口连通，第二分离器气体出口连接电站锅炉烟道，第二分离器固体出口与空气反应器第一固体入口连通；第三反应器气体出口连通电站锅炉烟道，第三反应器入口与空气反应器气体出口连通，第三反应器固体出口与空气反应器侧壁第二固体入口连通。

Description

一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置及其方法
技术领域
本发明涉及生活垃圾焚烧技术，具体为一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电 的装置及其方法。
背景技术
城市生活垃圾是人类日常生活中不可避免的一部分。与工业固体垃圾、 医疗垃圾和建筑垃圾相比，城市生活垃圾具有非点源污染的特点，如果管理 不善，会严重危害生态环境和人类健康。因此，现阶段我国城市生活垃圾处 理的目标是在实现其减量化、无害化、资源化处理，减少环境污染的同时， 还能回收其中所蕴含的能量。
目前，城市生活垃圾处理处置的方式主要有填埋、堆肥和热处置。卫生 填埋作为城市垃圾的最终处置手段，是应用最广泛的一项技术，其在我国城 市垃圾处理中占主要地位。虽然卫生填埋处理操作简单，资金投入少，但由 于其占地面积大，资源化低等缺点，并不适合我国未来的城市垃圾处理。相 对于卫生填埋而言，尽管堆肥是一种较符合生态学要求的垃圾处理技术，其 在处理垃圾的同时还实现了资源化利用的目标，但该技术存在处理周期长， 减容效果差、肥料养分含量低，肥效一般、处理量小等问题，而且长期使用 易造成土壤中重金属富集、土壤板结和污染地下水。
垃圾热处置包括焚烧、热解、气化。垃圾焚烧是目前最广泛采用的热处 置手段，它可使垃圾中的毒性有机物和致病微生物经过高温分解而失去毒性， 具有减容、减重率高，处理方法快等优点，同时通过回收焚烧过程中产生的 热量实现垃圾的能源化利用。2019年全国新建约430个垃圾焚烧发电厂， 处理能力达到45万吨/日。预计到2021年，我国垃圾发电装机容量将达到 1347万千瓦。但是，我国生活垃圾水分高、热值低，垃圾焚烧发电效率低， 垃圾发电成本高于火力发电，同时垃圾焚烧设备投资大、焚烧废气处理费用 高、难度大，不适用于城镇小规模生活垃圾的一体化处理。
但是，现有的垃圾焚烧设备投资大、焚烧废气处理费用高，发电效率低， 一般用于大规模生活垃圾的集中处置；同时采用燃煤锅炉直接焚烧垃圾在技 术上还不成熟，特别是二噁英、渗滤液等问题还有待解决。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发 电的装置及其方法，能够实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化处理，避 免垃圾焚烧站的重复建设并改善燃煤电厂未来的生存和发展环境。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，包括依次连接的气化反应器、 燃料反应器和空气反应器，以及分别设置在气化反应器、燃料反应器和空气 反应器上的第一分离器、第二分离器和第三分离器；
所述的气化反应器用于热解生活垃圾；所述的空气反应器内设置有若干 载氧体，其固体出口经载氧体通道连接燃料反应器；
所述的第一分离器的入口与气化反应器的热解气出口连通，第一分离器 的气体出口与燃料反应器的气体入口连通；
所述的第二分离器的入口与燃料反应器的出口连通，第二分离器的气体 出口连接电站锅炉的烟道，第二分离器的固体出口与空气反应器的第一固体 入口连通；
所述的第三反应器的气体出口连通电站锅炉的烟道，第三反应器的入口 与空气反应器的气体出口连通，第三反应器的固体出口与空气反应器侧壁的 第二固体入口连通。
进一步的，所述的气化反应器的底部设置有气化剂入口，侧壁上设置有 物料入口和灰渣入口。
更进一步的，所述的气化反应器的物料入口上依次连接设置有储料仓和 螺旋给料机。
更进一步的，所述的气化反应器的灰渣入口与第一分离器底部的灰渣出 口连接。
进一步的，所述的空气反应器的底部设置有空气入口，侧壁由高到低依 次设置气体出口、第一固体入口、固体出口和第二固体入口。
进一步的，燃料反应器的底部设置气体入口，顶部一侧设置出口，侧壁 连接载氧体通道。
一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的方法，包括如下步骤，
步骤1，生活垃圾送入气化反应器中，与气化剂发生气化反应后生成热 解气和灰渣的混合物，并在第一分离器中进行气固分离，分离得到的热解气 通入燃料反应器中；
步骤2，载氧体通过载氧体通道送入燃料反应器中，在燃料反应器中， 载氧体与热解气发生还原反应，反应产物进入第二分离器；在第二分离器中， 被还原的载氧体与烟气发生气固分离，烟气通入尾气中，被还原的载氧体进 入空气反应器上部；
步骤3，空气反应器上部被还原的载氧体与空气中的氮气混合后进入第 三分离器；在第三分离器中，被还原的载氧体与氮气发生气固分离，氮气通 入尾气中，被还原的载氧体进入空气反应器下部；空气反应器下部被还原的 载氧体与空气中的氧气发生氧化反应后得到载氧体，重复步骤进行循环；
步骤4，尾气通入电站锅炉的尾气入口中，利用电站锅炉的脱硫脱硝装 置脱除尾气中的污染物；尾气中的热量用于发电。
进一步的，步骤1中，所述的气化剂为空气或水蒸气中的一种。
进一步的，步骤1中，分离得到的灰渣一部分进入气化反应器中继续气 化反应，另一部分进入灰渣场回收处理。
进一步的，步骤2中，所述的载氧体为过渡金属氧化物。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统通过依次连接设置的气化反应器、燃料反应器、空气反应器 和相应的分离器来进行生活垃圾的处理，经过气化反应器对生活垃圾进行热 解，同时通过燃料反应器进行热解气还原反应，而且配合空气反应器中的载 氧体进行重复循环作业，既能够利用生活垃圾的热值发电，又能够利用燃煤 火电机组的脱硫脱硝装置脱除垃圾焚烧产生的污染物，从而实现生活垃圾的 就近、低成本、高清洁地综合处置，避免垃圾焚烧站的重复建设；其次，采 用载氧体与热解气反应的方式能够显著降低燃烧过程中N/S/Cl等污染物的排放，空气反应器温度较低，不产生热力型和快速型NOx，燃料反应器中 没有氮气参与反应，进一步降低了燃烧过程中NOx的生成，同时由于燃料 反应器内没有气相氧的存在，从而生成气体产物中二噁英含量显著降低；再 次，采用的气化反应器、燃料反应器和空气反应器结构简单，成本低，规模 可以灵活调整，适用于小城市、县域或村镇等小规模生活垃圾的处置。
本发明方法中生活垃圾的飞灰在电站锅炉外处置，不会影响燃煤飞灰的 品质，有效避免了因生活垃圾焚烧产生的飞灰重金属含量高，如果与燃煤飞 灰混合会影响灰渣的再利用情况的发生；同时，本发明方法中热解气在燃料 反应器中燃烧，载氧体一般为过渡金属氧化物，载氧体的某些还原产物如金 属Fe或其低价氧化物、金属Ni等均能催化裂解焦油，降低焦油含量，并生 成清洁的二氧化碳和水，从而保证电站锅炉的运行安全，有效避免了因生活 垃圾热解气化过程中会产生大量焦油直接通入锅炉会沾污水冷壁现象的发生。
附图说明
图1为本发明实施例中所述的系统结构示意图。
图中：1为储料仓，2为螺旋给料机，3为气化反应器，4为气化剂入口， 5为第一分离器，6为灰渣出口，7为热解气，8为燃料反应器，9为载氧体， 10为空气反应器，11为载氧体通道，12为第二分离器，13为空气入口，14 为第三分离器，15为尾气入口，16为电站锅炉。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。
本发明一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，如图1所示，包括依次 连接在气化反应器3物料入口处的储料仓1和螺旋给料机2，位于气化反应 器3底部的气化剂入口4，连接在气化反应器3热解气出口的第一分离器5， 设置在第一分离器5底部的灰渣出口6，连接在第一分离器5上的燃料反应 器8，内部设置有载氧体9且通过载氧体通道11和第二分离器12分别与燃 料反应器8连通的空气反应器10，设置在空气反应器10底部的空气入口13，连接在空气反应器10上的第三分离器14，以及设置在电站锅炉16烟道处 的尾气入口15；
其中，储料仓1中的生活垃圾由螺旋给料机2送入气化反应器3中，与 气化剂发生化学反应。气化剂一般为空气或水蒸气，由气化反应器3底部的 气化剂入口4通入。气化反应器3中一部分垃圾燃烧提供热量，维持气化反 应温度；
其中，生活垃圾气化反应后生成热解气7和灰渣的混合物，其中，产生 热解气7的反应如下2CHxOy+(1-y)O2→2CO+xH2，然后在第一分离器5中 进行气固分离。分离得到的热解气7通入燃料反应器8中；分离得到的灰渣 一部分进入气化反应器3中继续反应，另一部分通过灰渣出口6排出后进入 灰渣场回收处理；
其中，载氧体9一般为过渡金属氧化物，本优选实例中以MeO为例， Me为过渡金属，比如常见的赤泥。载氧体9首先布置在空气反应器10中， 载氧体9通过载氧体通道11送入燃料反应器8中，燃料反应器8中，与热 解气7发生还原反应，CO+H2+2MeO→CO2+H2O+2Me，反应产物进入第二 分离器12。在第二分离器12中，被还原的载氧体9与烟气发生气固分离， 烟气通入尾气入口15中，被还原的载氧体9返回空气反应器10上部；
空气反应器10上部被还原的载氧体9与空气反应器10中的空气中的氮 气混合后进入第三分离器14。在第三分离器14中，被还原的载氧体9与氮 气发生气固分离，氮气通入尾气入口15中，被还原的载氧体9进入空气反 应器10下部，空气由空气反应器10底部的空气入口13通入。空气反应器 10下部被还原的载氧体9继续与空气反应器10中的空气中的氧气发生氧化 反应进行加氧，2Me+O2→2MeO，然后载氧体9重复通过载氧体通道11送 入燃料反应器8与热解气7发生还原反应，如此循环。
其中，尾气入口15通入电站锅炉16中，利用电站锅炉的脱硫脱硝装置 脱除尾气中的污染物；电站锅炉16燃用煤粉，尾气中的热量用于发电。
在以上装置的基础上，本发明还提供一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的 方法，包括如下步骤，
步骤1，生活垃圾送入气化反应器3中，与气化剂发生气化反应后生成 热解气和灰渣的混合物，并在第一分离器5中进行气固分离，分离得到的热 解气7通入燃料反应器8中；
步骤2，载氧体9通过载氧体通道11送入燃料反应器8中，在燃料反 应器8中，载氧体9与热解气7发生还原反应，反应产物进入第二分离器 12；在第二分离器12中，被还原的载氧体9与烟气发生气固分离，烟气通 入尾气中，被还原的载氧体9进入空气反应器10上部；
步骤3，空气反应器10上部被还原的载氧体9与空气中的氮气混合后 进入第三分离器14；在第三分离器14中，被还原的载氧体9与氮气发生气 固分离，氮气通入尾气中，被还原的载氧体9进入空气反应器10下部；空 气反应器10下部被还原的载氧体9与空气中的氧气发生氧化反应后得到载 氧体9，重复步骤2进行循环；
步骤4，尾气通入电站锅炉16的尾气入口15中，利用电站锅炉16的 脱硫脱硝装置脱除尾气中的污染物；尾气中的热量用于发电。
其中，步骤1中，所述的气化剂为空气或水蒸气中的一种。
其中，步骤1中，分离得到的灰渣一部分进入气化反应器3中继续气化 反应，另一部分进入灰渣场回收处理。
其中，步骤2中，所述的载氧体9为过渡金属氧化物。
综上所述，处于中小城市周边的燃煤电厂具有丰富的热、汽、电资源， 可以采用本发明提供的装置及其方法，进行技术改造，实现就近、低成本、 高清洁地综合处置小城市、县域或村镇等小规模生活垃圾。

Claims (10)

1.一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，包括依次连接的气化反应器(3)、燃料反应器(8)和空气反应器(10)，以及分别设置在气化反应器(3)、燃料反应器(8)和空气反应器(10)上的第一分离器(5)、第二分离器(12)和第三分离器(14)；
所述的气化反应器(3)用于热解生活垃圾；所述的空气反应器(10)内设置有若干载氧体(9)，其固体出口经载氧体通道(11)连接燃料反应器(8)；
所述的第一分离器(5)的入口与气化反应器(3)的热解气出口连通，第一分离器(5)的气体出口与燃料反应器(8)的气体入口连通；
所述的第二分离器(12)的入口与燃料反应器(8)的出口连通，第二分离器(12)的气体出口连接电站锅炉(16)的烟道，第二分离器(12)的固体出口与空气反应器(10)的第一固体入口连通；
所述的第三反应器(14)的气体出口连通电站锅炉(16)的烟道，第三反应器(14)的入口与空气反应器(10)的气体出口连通，第三反应器(14)的固体出口与空气反应器侧壁(10)的第二固体入口连通。
2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，所述的气化反应器(3)的底部设置有气化剂入口(4)，侧壁上设置有物料入口和灰渣入口。
3.根据权利要求2所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，所述的气化反应器(3)的物料入口上依次连接设置有储料仓(1)和螺旋给料机(2)。
4.根据权利要求2所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，所述的气化反应器(3)的灰渣入口与第一分离器(5)底部的灰渣出口(6)连接。
5.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，所述的空气反应器(10)的底部设置有空气入口(13)，侧壁由高到低依次设置气体出口、第一固体入口、固体出口和第二固体入口。
6.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的装置，其特征在于，燃料反应器(8)的底部设置气体入口，顶部一侧设置出口，侧壁连接载氧体通道(11)。
7.一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的方法，基于上述权利要求1-6所述的任一项装置，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，生活垃圾送入气化反应器(3)中，与气化剂发生气化反应后生成热解气和灰渣的混合物，并在第一分离器(5)中进行气固分离，分离得到的热解气(7)通入燃料反应器(8)中；
步骤2，载氧体(9)通过载氧体通道(11)送入燃料反应器(8)中，在燃料反应器(8)中，载氧体(9)与热解气(7)发生还原反应，反应产物进入第二分离器(12)；在第二分离器(12)中，被还原的载氧体(9)与烟气发生气固分离，烟气通入尾气中，被还原的载氧体(9)进入空气反应器(10)上部；
步骤3，空气反应器(10)上部被还原的载氧体(9)与空气中的氮气混合后进入第三分离器(14)；在第三分离器(14)中，被还原的载氧体(9)与氮气发生气固分离，氮气通入尾气中，被还原的载氧体(9)进入空气反应器(10)下部；空气反应器(10)下部被还原的载氧体(9)与空气中的氧气发生氧化反应后得到载氧体(9)，重复步骤(2)进行循环；
步骤4，尾气通入电站锅炉(16)的尾气入口(15)中，利用电站锅炉(16)的脱硫脱硝装置脱除尾气中的污染物；尾气中的热量用于发电。
8.根据权利要求7所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的方法，其特征在于，步骤1中，所述的气化剂为空气或水蒸气中的一种。
9.根据权利要求7所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的方法，其特征在于，步骤1中，分离得到的灰渣一部分进入气化反应器(3)中继续气化反应，另一部分进入灰渣场回收处理。
10.根据权利要求7所述的一种生活垃圾焚烧耦合燃煤发电的方法，其特征在于，步骤2中，所述的载氧体(9)为过渡金属氧化物。
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