CN112608769A - 有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉及气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉及气化方法，所述气化炉包括进料装置、包括上段炉体和下段炉体的反应区炉体、炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口、炉底气化剂进气口、煤气出气口和排渣装置，上段炉体与下段炉体重合的部分形成外延环形空腔，煤气出气口设置在外延环形空腔对应的下段炉体的侧壁上且与外延环形空腔连通，排渣装置设置在水中且位于下段炉体的下方。该有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉可应用于各类含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及固废处理处置与资源化领域，具体而言，本发明涉及有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉及气化方法。
背景技术
目前国内具有较高热值或处理后有较高热值的有机固废常采用热化学转化的方式进行处理，通过热化学转化的方式能够实现有机固废的减量化、资源化和无害化。主要的热化学转化方式有焚烧、热解和气化，焚烧是指通入过量的空气让有机固废在高温下完全氧化成烟气和不可燃固体产物灰渣及飞灰，把高温烟气中的热能转化成电能进行利用，有机固废中含有的氮、硫、氯元素在完全氧化气氛下会转化为氮氧化物、硫氧化物、氯化氢等污染性气体；同时重金属在高温氧化气氛下会发生迁移部分进入烟气中。热解采用外加热的方式使固废中的有机组分裂解生成热解气、热解油和热解炭炭，由于有机固废组份复杂，大量氮、硫、氯、氧元素转移至热解油中，使热解油品质较低而难以经济利用；同时有机固废原料中灰分会富集在热解炭中。
目前有机固废气化炉主要为料层中煤气与料层同方向移动的顺流式气化炉和料层中煤气与料层反方向移动的逆流式气化炉，顺流式气化炉中，物料和气化剂同时从上端进入炉体，可燃气从下端导出炉体，这种气化装置存在固相炉渣含碳量过高的问题；逆流式气化炉中，物料从上端进入炉体，气化剂从下端进入炉体，可燃气从上端导出炉体，逆流式气化装置存在焦油含量高、进料口煤气泄漏的问题。
国内有机固废常用的气化炉采用负压状态来实现炉内燃气的排出和炉内反应条件的控制，可能会导致装置的可燃气中混入空气从而达到爆炸条件产生安全隐患，同时负压状态难以提升气体参与的一系列气化反应的反应速率从而限制气化炉处理量。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉及气化方法。该有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉。根据本发明的实施例，该有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉包括：
进料装置；
反应区炉体，所述反应区炉体设置在所述进料装置下方，所述反应区炉体包括上段炉体和下段炉体，所述上段炉体的外径小于所述下段炉体的内径，所述上段炉体部分套设在所述下段炉体内，所述上段炉体与所述下段炉体重合的部分形成外延环形空腔，所述外延环形空腔顶部设有密封件；所述下段炉体内的底部设有炉篦；
炉顶气化剂进气口，所述炉顶气化剂进气口设置在所述上段炉体顶部的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内；
中段气化剂进气口，所述中段气化剂进气口设置在所述炉顶气化剂进气口下方，所述中段气化剂进气口设置在所述上段炉体的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内；
炉底气化剂进气口，所述炉底气化剂进气口与所述炉篦的下部连通；
煤气出气口，所述煤气出气口设置在所述外延环形空腔对应的所述下段炉体的侧壁上，所述煤气出气口与所述外延环形空腔连通；
排渣装置，所述排渣装置设置在水中且位于所述下段炉体的下方。
根据本发明上述实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口，实现气化剂多级供应，通过精准稳定的多级氧化实现氧化层的稳定控制，让燃气中的焦油充分裂解，从而既提高了产出可燃气的品质，又保证了炉渣较低的含碳量。本发明实施例的上段顺流和下段逆流的气体流动方式能有效避免传统逆流式气化炉顶部进料口燃气泄漏造成的环境污染，采用外延出气的方式减少了炉内高温区构件，避免了结渣问题发生，同时竖直向上的外延环形空腔能有效减少燃气中颗粒物。另外采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。由此，该有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述外延环形空腔的高度为所述反应区炉体总高度的10％～30％。
在本发明的一些实施例中，所述外延环形空腔的宽度与反应区炉体内径的比值为(0.1～0.3):1。
在本发明的一些实施例中，所述排渣装置包括灰盘、碎渣圈、炉篦支撑件和第一灰刀，所述灰盘设置在所述炉篦的下方，所述碎渣圈呈环状且套设在所述灰盘内水封里，且碎渣圈与上部炉体夹套焊接在一起，所述炉篦支撑件设置在所述炉篦的下方且位于所述碎渣圈内，所述第一灰刀呈犁刀形设置所述灰盘的内侧壁上。由此，灰盘与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。
在本发明的一些实施例中，所述排渣装置还包括第二灰刀和破渣块，所述第二灰刀设置在所述炉篦支撑件的底部，所述破渣块设置在所述炉篦支撑件的侧壁上。
在本发明的一些实施例中，所述气化炉还包括气化剂分布调节器，所述气化剂分布调节器可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口的出口端，且位于所述炉篦内。由此，气化剂分布调节器能够更好地适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气。
在本发明的一些实施例中，所述气化炉还包括布料装置，所述布料装置设置在所述上段炉体内的上方。由此，布料装置能够更好地实现物料在干燥层的均匀布料。
在本发明的一些实施例中，所述炉顶气化剂进气口为多个，多个所述炉顶气化剂进气口沿周向对称设置。
在本发明的一些实施例中，所述中段气化剂进气口为多个，多个所述中段气化剂进气口沿周向对称设置。
在本发明的一些实施例中，所述煤气出气口为多个，多个所述煤气出气口沿周向对称设置。
在本发明的一些实施例中，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口、进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀、惰性气体吹扫进气口，所述进料缓冲仓的侧部设有进料缓冲仓充泄压口。由此，惰性气体吹扫进气口、进料缓冲仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性。
在本发明的一些实施例中，所述上段炉体和所述下段炉体的外侧为膜式水冷壁或夹套水冷壁。由此，通过膜式水冷壁降低炉体向外辐射热量同时有效避免炉内因为高温产生的结渣现象，还能使煤气出气口燃气温度降低，同时较传统采用水夹套的方式可以有效避免鼓包造成的夹套爆炸的安全问题。
在本发明的一些实施例中，所述膜式水冷壁为列管式膜式水冷壁或盘管式膜式水冷壁。
在本发明的一些实施例中，所述上段炉体的内径为0.3～8.0m，所述下段炉体的内径为0.4～8.0m。
在本发明的一些实施例中，所述上段炉体的高度为所述反应区炉体总高度的40％～80％。
在本发明的一些实施例中，所述上段炉体距所述炉篦的高度为所述反应区炉体总高度的20％～60％。由此，使氧化层产生的二氧化碳与还原段的碳层反应生成所需要的一氧化碳，上段炉体与炉篦之间的距离设置为上述范围，可以使二氧化碳和碳层具有合理的反应接触时间。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉进行气化的方法。根据本发明的实施例，该有机固废气化方法包括：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体；
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层；
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，将所述可燃气通过煤气出气口排出所述反应区炉体；
(4)采用水中的排渣装置将所述灰渣排出所述反应区炉体。
由此，该有机固废气化方法可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有机固废气化方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述反应区炉体内存在压力，压力范围为0～20.0kPa。由此，通过控制炉内维持正压状态避免负压运行过程中的安全隐患，同时炉内为正压反应条件时，较负压状态相比气化反应速率更快，气化炉处理量更大。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧(氧气浓度21v％～100v％)中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3，由此，可以使不同灰熔点的物料气化温度维持在灰渣的软化点温度以下，防止灰渣结渣影响气化炉正常运行。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃，由此，可以使空气带入适量的水蒸汽进入气化炉的氧化还原层发生碳与水蒸汽的水煤气反应，生成一氧化碳和氢气。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3。由此，可以使二氧化碳和碳发生还原反应生成一氧化碳，并吸收反应层热量，使反应层温度维持在合理范围内，保持煤气品质及灰渣不结渣。
在本发明的一些实施例中，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％。由此，通过控制气化炉各进气口的进气量在上述范围内，可以使上氧化层中产生焦油的挥发分直接被气化剂中的氧气氧化成煤气，避免焦油的产生，同时下氧化层中的碳被气化剂中的氧气氧化生成煤气。
在本发明的一些实施例中，所述干燥层的温度为20～200℃，所述干馏层的温度为200～600℃，所述上氧化层的温度为600～1200℃，所述还原层的温度为600～1100℃，所述下氧化层的温度为600～1100℃，所述灰渣层的温度为200～600℃。由此，通过控制气化炉中各反应区域的温度在上述范围内，可以使氧化层反应层维持合理的反应温度，保证煤气品质，同时使灰渣反应温度低于软化点，不发生结渣。
另外，需要说明的是，本发明中针对有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉所描述的全部特征和优点，同样适用于该有机固废气化方法，在此不再一一赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的排渣装置的主视图。
图3是根据本发明实施例的排渣装置的俯视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，参考附图1，所述气化炉包括进料装置、反应区炉体、炉顶气化剂进气口6、中段气化剂进气口17、炉底气化剂进气口14、煤气出气口10和排渣装置。下面进一步对根据本发明实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉进行详细描述。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口1、进料缓冲仓上阀2、进料缓冲仓3、进料缓冲仓下阀4、惰性气体吹扫进气口18，具体地，进料口1为上宽下窄的圆锥形进料口，下部焊接有圆形法兰。所述进料口1下部为进料缓冲仓上阀2，通过法兰进行连接，所述进料缓冲仓上阀2下部炉体为进料缓冲仓3，所述进料缓冲仓3下部为进料缓冲仓下阀4，进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀之间通过法兰连接，所述进料缓冲仓3是上下窄中间宽的圆柱形结构，所述进料缓冲仓侧边设有进料缓冲仓充泄压口5，进料缓冲仓充泄压口水平布置。由此，惰性气体吹扫进气口、进料缓冲仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述反应区炉体设置在所述进料装置下方，所述反应区炉体包括上段炉体8和下段炉体9，所述上段炉体的外径小于所述下段炉体的内径，所述上段炉体部分套设在所述下段炉体内，所述上段炉体与所述下段炉体重合的部分形成外延环形空腔15，所述外延环形空腔15顶部设有密封件(例如法兰)；所述下段炉体9内的底部设有炉篦12。具体地，下段炉体内径超出上段炉体外径的部分设置有外延环形空腔和煤气出气口，外延环形空腔位于上段炉体膜式水冷壁外和下段炉体内径超出上段炉体顶部区域，外延环形空腔外采用耐火砖材料进行隔热，煤气出气口位于外延环形空腔顶部水平放置。
进一步地，所述外延环形空腔15的高度为所述反应区炉体总高度的10％～30％，由此，可以保证外延环形空腔具有足够的高度，进一步有利于对可燃气产品进行降温，并给可燃气中的颗粒物提供了充足的沉降空间，减少可燃气中的颗粒物。
在本发明的实施例中，上述上段炉体的内径以及下段炉体的内径的具体数值并不受特别限制，本领域人员可根据实际情况随意选择，作为一种优选的方案，所述上段炉体的内径为0.3～8.0m，所述下段炉体的内径为0.4～8.0m。
进一步地，所述外延环形空腔的宽度与反应区炉体内径的比值为(0.1～0.3):1，例如0.1:1、0.2:1、0.3:1等。发明人发现，若外延环形空腔的宽度过大，会降低炉内的反应空间，导致气化炉处理能力显著降低，而若外延环形空腔的宽度过小，既不利于颗粒物的沉降，也不利于工作人员对外延环形空腔进行检修，而通过控制外延环形空腔为上述宽度范围，既能同时兼顾气化炉的处理能力与燃气中颗粒物的沉降效果，避免出现因气流量较大时灰渣上浮影响燃气品质的问题，还便于实现外延环形空腔的安装及检修。需要说明的是，所述外延环形空腔的宽度指的是单侧外延环形空腔水平方向的宽度。
进一步地，所述上段炉体的高度为所述反应区炉体总高度的40％～80％，例如40％、60％、80％等，由此，所述上段炉体的高度比例在上述范围内，使得高挥发分物料经过裂解产生的大分子有机物在较高的料层内停留时间长，大分子有机物裂解成无机小分子的几率提高，最大程度地减少了煤气中的焦油，从而提高了煤气洁净程度。
进一步地，所述上段炉体距所述炉篦的高度为所述反应区炉体总高度的20％～60％，例如20％、40％、60％等，由此，使氧化层产生的二氧化碳与还原段的碳层反应生成所需要的一氧化碳，上段炉体与炉篦之间的距离设置为上述范围，可以使二氧化碳和碳层具有合理的反应接触时间。
进一步地，所述上段炉体和所述下段炉体的外侧为膜式水冷壁11，所述膜式水冷壁可以为列管式或盘管式，也可以替换为水夹套。上段炉体、下段炉体和膜式水冷壁通过法兰固定。由此，通过膜式水冷壁11降低炉体向外辐射热量同时有效避免炉内因为高温产生的结渣现象，还能使煤气出气口燃气温度降低，同时较传统采用水夹套的方式可以有效避免鼓包问题。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述炉顶气化剂进气口6水平设置在所述上段炉体顶部的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内。进一步地，所述炉顶气化剂进气口6为多个，多个所述炉顶气化剂进气口沿周向水平均匀布置。由此，多个炉顶气化剂进气口环形均匀布置，通过多个炉顶气化剂进气口和炉顶内空腔区实现均匀布风。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述中段气化剂进气口17水平设置在所述炉顶气化剂进气口下方，所述中段气化剂进气口设置在所述上段炉体的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内。进一步地，所述中段气化剂进气口为多个，多个所述中段气化剂进气口沿周向对称设置，由此实现均匀布风。
进一步地，所述煤气出气口为多个，考虑到煤气出气口较多时会导致气化炉的结构更加复杂，可以优选设置一个煤气出气口；为避免炉型结构过于复杂，当设置多个煤气出气口时，可优选煤气出气口的个数为2或3，此时可使多个煤气出气口沿炉壁的周向均匀、水平布置，由此能够有效实现均匀出气，避免单侧出气口造成的炉层反应不均匀问题。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述炉底气化剂进气口14与所述炉篦12的下部连通。炉底气化剂进气口通过位于下方管道与外部气源连接，炉篦上分布有布风口实现炉底进风的均匀布风，所通气体为水蒸气、二氧化碳、空气、富氧(氧气浓度21％～100％)以及这四种气体不同比例的混合气体。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述煤气出气口10水平设置在所述外延环形空腔对应的所述下段炉体的侧壁上，所述煤气出气口与所述外延环形空腔连通。
根据本发明的实施例，炉篦偏心布置在灰盘上，灰盘与碎渣圈共同组成灰盘水封，同时还有灰刀焊接在炉体及碎渣圈上，旋转过程对灰渣进行破碎并进行排渣。具体地，参考附图2，所述排渣装置设置在水中且位于所述下段炉体9的下方，所述排渣装置包括灰盘13、碎渣圈19、炉篦支撑件21和第一灰刀20，所述灰盘13设置在所述炉篦12的下方，所述碎渣圈19呈环状与上部膜式壁焊接在一起且套设在所述灰盘13内，所述炉篦支撑件21设置在所述炉篦12的下方且位于所述碎渣圈19内，所述第一灰刀20设置所述灰盘的内侧壁上，所述第一灰刀20呈犁形。进一步地，参考附图2和3，所述排渣装置还包括第二灰刀22和破渣块23，所述第二灰刀22设置在所述炉篦支撑件21的底部，所述破渣块23设置在所述炉篦支撑件21的侧壁上，由此，更好地破碎灰渣。需要说明的是，所述第一灰刀指的是大灰刀，所述第二灰刀指的是小灰刀。具体地，灰渣由反应区炉体排出进入灰盘13中，灰盘13中的灰渣在碎渣圈19、炉篦支撑件21、第二灰刀22以及破渣块23的挤压作用下同时伴随着炉篦支撑件21的旋转对灰渣进行破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。由此，灰盘与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。
进一步地，参考附图1，所述气化炉还包括气化剂分布调节器16，所述气化剂分布调节器16可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口14的出口端，且位于所述炉篦12内，通过气化剂分布调节器16的上下移动来调节炉篦内气化剂分布，更好地适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气。
进一步地，参考附图1，所述气化炉还包括布料装置7，所述布料装置7设置在所述上段炉体内的上方。由此，布料装置7实现物料在干燥层的均匀布料。
与现有技术相比，本发明实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉具有的优点主要体现在：通过炉顶进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口实现气化剂的多级供应，通过精准稳定的多级氧化实现氧化层的稳定控制，从而使燃气中的焦油充分裂解提高可燃气品质，同时又保证了炉渣较低的含碳量。通过调节不同位置气化剂供应量以及中段气化剂进气口位置可以应对不同挥发份含量和固定碳含量的含碳有机固体的气化需求，气化剂分布调节器能够更好的适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气。上段顺流和下段逆流的气体流动方式能够避免顶部进料口燃气泄漏，采用外延出气的方式减少了炉内高温区构件，避免了结渣问题的发生，同时竖直向上的外延环形空腔能减少燃气中颗粒物，炉内为正压反应条件，较负压状态相比，气化反应速率更快，气化炉处理量更大。同时采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效地控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。膜式水冷壁用于炉体降温，使运行更稳定，避免出现水夹套的鼓包现象。吹扫进气口、进料缓冲仓和渣仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉进行气化的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体。
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层。
在该步骤中，通过鼓风机把气化剂输送进入炉内，使炉内变为正压状态，上述反应区炉体所述反应区炉体内的压力为0～20.0kPa(例如0.1kPa、1kPa、4kPa、8kPa、12kPa、14kPa、20kPa等)，进气口的气化剂压力为0-20kPa，所述压力为压力仪表测量得到的表压。由此，通过控制炉内维持正压状态，避免负压运行过程中的安全隐患，同时炉内为正压反应条件时，较负压状态相比气化反应速率更快，气化炉处理量更大。
进一步地，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧(氧气浓度21v％～100v％)中的至少之一。
进一步地，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3，例如0.1kg/Nm3、1.0kg/Nm3、3.0kg/Nm3、5.0kg/Nm3、7.0kg/Nm3、8.0kg/Nm3等。发明人发现，当气化剂采用水蒸气和富氧的混合气时，通过控制水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比在上述范围，可以使不同灰熔点的物料气化温度维持在灰渣的软化点温度以下，防止灰渣结渣影响气化炉正常运行。优选地，水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比设置为1.0～6.0kg/Nm3。如果水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比过大，则可能使气化反应温度降低，造成煤气中有效组分一氧化碳和氢气等组分含量降低，煤气热值降低。如果水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比过小，则可能使气化反应温度升高使氧化层温度高于灰渣的软化点温度，使灰渣结渣气化炉不能正常运行。
进一步地，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃，例如40℃、50℃、60℃、70℃等。发明人发现，当气化剂采用水蒸气和空气的混合气时，通过控制气化剂的温度在上述范围，可以使空气带入适量的水蒸汽进入气化炉的氧化还原层发生碳与水蒸汽的水煤气反应，生成一氧化碳和氢气。如果气化剂的温度过低，则可能带入的水蒸汽量较少，使氧化层温度过高，若高于灰渣的软化点温度，会造成严重的结渣现象，影响气化炉正常运行；如果气化剂的温度过高，则可能带入的水蒸汽量过多，反应温度过低，导致煤气品质降低。
进一步地，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3，例如0.10kg/Nm3、1.0kg/Nm3、3.0kg/Nm3、5.0kg/Nm3、8.0kg/Nm3、10.0kg/Nm3、13.0kg/Nm3、16.0kg/Nm3、19.5.0kg/Nm3等，由此，可以使二氧化碳和碳发生还原反应生成一氧化碳，并吸收反应层热量，使反应层温度维持在合理范围内，保持煤气品质及灰渣不结渣。优选地，二氧化碳的质量与富氧中氧气的体积之比设置为1.0～15.0kg/Nm3。发明人发现，如果二氧化碳的质量与富氧中氧气的体积之比过大，则可能导致反应层温度降低过大，从而导致煤气品质较差。
进一步地，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％(例如30％、50％、70％、90％等)，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％(例如70％、80％、90％等)，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％(例如10％、20％、30％等)；所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％(例如10％、30％、50％、70％等)。由此，通过控制气化炉各进气口的进气量在上述范围内，可以使上氧化层中产生焦油的挥发分直接被气化剂中的氧气氧化成煤气，避免焦油的产生，同时下氧化层中的碳被气化剂中的氧气氧化生成煤气。
进一步地，所述干燥层的温度为20～200℃(例如20℃、60℃、100℃、140℃、180℃、200℃等)，所述干馏层的温度为200～600℃(例如200℃、300℃、400℃、500℃、600℃等)，所述上氧化层的温度为600～1200℃(例如600℃、800℃、1000℃、1200℃等)，所述还原层的温度为600～1100℃(例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃等)，所述下氧化层的温度为600～1100℃(例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃等)，所述灰渣层的温度为200～600℃(例如200℃、300℃、400℃、500℃、600℃等)。由此，通过控制气化炉中各反应区域的温度在上述范围，可以使氧化层反应层维持合理的反应温度，保证煤气品质，同时使灰渣反应温度低于软化点，不发生结渣。
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，将所述可燃气通过煤气出气口排出所述反应区炉体。
(4)采用水中的排渣装置将所述灰渣排出所述反应区炉体。
在该步骤中，将所述灰渣排至灰盘内，通过炉篦支撑件与碎渣圈的挤压以及炉篦支撑件旋转将所述灰渣破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。
由此，该有机固废气化方法可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉的结构如图1-3所示，图1-3中：1-进料口，2-进料缓冲仓上阀，3-进料缓冲仓，4-进料缓冲仓下阀，5-进料缓冲仓充泄压口，6-炉顶气化剂进气口，7-布料装置，8-上段炉体，9-下段炉体，10-煤气出气口，11-膜式水冷壁，12-炉篦，13-灰盘，14-炉底气化剂进气口，15-外延环形空腔，16-气化剂分布调节器，17-中段气化剂进气口，18-惰性气体吹扫进气口，19-碎渣圈，20-第一灰刀，21-炉篦支撑件，22-第二灰刀，23-破渣块。
(1)进料
本发明的有机固废气化炉为进料装置、气化装置和排渣装置三部分构成。进料装置由进料口1、进料缓冲仓上阀2、进料缓冲仓3、进料缓冲仓下阀4和进料缓冲仓充泄压口5、惰性气体吹扫进气口18构成。进料口1位于气化炉最顶端，与进料缓冲仓3之间安装有进料缓冲仓上阀2，并通过法兰连接。进料缓冲仓3和上段炉体8之间安装有进料缓冲仓下阀4，并通过法兰连接，进料缓冲仓3侧边设有水平布置的进料缓冲仓充泄压口5。物料从进料口1进入气化炉，此时炉内存在一定压力，进料缓冲仓下阀4保持密闭状态，打开进料缓冲仓上阀2使进料口中的物料进入到进料缓冲仓3中，进料缓冲仓3处于常压状态，待进料缓冲仓3中加入物料后关闭进料缓冲仓上阀2，实现进料缓冲仓3的密封，此时通过进料缓冲仓充泄压口5进行充压，使进料缓冲仓3中压力与反应炉内压力一致，通过进料缓冲仓下阀4下部的惰性气体吹扫进气口18通入氮气、水蒸气或二氧化碳，使进料缓冲仓下阀4下部气氛为不可燃气体，打开进料缓冲仓下阀4，使进料缓冲仓3内物料在重力作用下进入上段炉体8进行气化。进料缓冲仓3内物料完全进入上段炉体8后关闭进料缓冲仓下阀4，通过进料缓冲仓充泄压口5进行泄压，达到常压状态，打开进料缓冲仓上阀2开启新一轮进料。
(2)进气
炉体内设有三处气化剂进气口，一是炉顶进气口6，位于惰性气体吹扫进气口18下方上段炉体8的顶部与上段炉体8连通，沿周向对称设置有多个，通过对称布置实现顶部均匀布风。二是中段气化剂进气口17位于上段炉体8中段位置，沿周向水平布置，与上段炉体8连通。三为炉底气化剂进气口14，该进气口与底部炉篦12连通，通过炉篦12的布气口实现底部均匀布风，炉篦12内部布置有气化剂分布调节器16。上段炉体8顶部侧边均匀布置的沿周向进气口6和炉篦12的均匀布风能够确保物料在气化反应区内形成均匀稳定的反应层，避免出现不均匀反应的现象。中段气化剂进气口17用于控制上氧化层位置，避免出现上氧化层过高或者过低问题，当气化原料为低热值或固定碳含量较低时，炉底气化剂进气口14气化剂供入量需求量较少，通过降低调节气化剂分布调节器16的高度，实现小流量的均匀布气。三个气化剂进气口通入的气化剂为空气+水蒸气。
(3)气化过程
本发明的有机固废气化炉气化反应区域主要位于上段炉体8和下段炉体9内，自上而下可以分为干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层、灰渣层。干燥层、干馏层、上氧化层位于上段炉体8内，下氧化层、灰渣层位于下段炉体9内，还原层位于上段炉体8和下段炉体9交界处。物料从进料缓冲仓3进入上段炉体8内，由布料装置7实现物料在干燥层的均匀布料，干燥层温度在20～200℃范围内，物料中的水分受热蒸发进入到气相，经过干燥的物料进入干馏层释放挥发分，生成焦油和焦炭，干馏层的温度在200～600℃范围。焦油和焦炭进入到上氧化层内，焦油和焦炭与气化剂中的氧气发生氧化反应释放热量使上氧化层温度能达到600～1200℃，同时部分焦油也在高温区发生裂解，焦炭由于气固接触较不充分仅部分发生氧化反应，以焦炭为主的物料重力作用下进入到还原层，上氧化层氧化生成的二氧化碳、水与还原层的焦炭发生气化反应，从而提高产气品质。还原层未反应完的焦炭进入到下氧化层与炉底气化剂进气口14通入的气化剂发生进一步氧化反应释放热量。还原层的热量来源于上氧化层和下氧化层的热辐射，温度范围在600～1100℃之间，下氧化层的温度范围在600～1100℃内。焦炭在下氧化层发生完全氧化反应后变为灰渣进入炉篦12上方的灰渣层，灰渣层温度范围在200～600℃内。炉底气化剂进气口通入的气化剂经由炉篦补气孔进入灰渣层与灰渣进行换热实现气化剂的加热以及灰渣的冷却。
(4)排渣
炉篦12和灰盘13可以通过电机带动旋转，灰盘13与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘13内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，避免炉内压强过大产生爆炸的安全隐患。固定不动的大灰刀焊接在炉体及碎渣圈上，下端插入灰盘水中，通过炉篦12、灰盘13的旋转以及碎渣圈和灰刀实现灰渣的破碎以及排出，灰渣通过灰刀对应的通道排出收集。
(5)出气
上段炉体8和下段炉体9外层为膜式水冷壁11，通过膜式水冷壁11避免炉体产生较高温度向外辐射热量同时有效避免炉壁因为高温产生的结渣现象，同时较传统采用水夹套的方式可以有效避免鼓包问题。下段炉体9顶部超出上段炉体8区域顶部安置有外延环形空腔15与下段炉体连通，外延环形空腔15外为耐火砖材料，煤气出气口10位于外延环形空腔15顶部，水平放置，外延环形空腔15能够有效实现均匀出气，同时能够使燃气中的颗粒物实现沉降，减少燃气中的颗粒物。煤气出气口10对应的为还原层出气，由于在高温区没有安装套筒结构，避免了套筒产生结渣问题。最终由煤气出气口10得到低焦油、低颗粒物、高热值的可燃气。
以下为具体的气化炉运行实施案例：
该气化炉的炉底内径为3.6m，处理物料为生活垃圾，处理量为4100kg/h。主要操作条件及气化结果如下：
(1)物料工业分析如下表所示：
(2)操作条件：
气化压力：7kPa；
气化剂：空气+水蒸气；
空气量：4600Nm3/h；
水蒸气量：500kg/h。
(3)气化结果：
产气量：7200Nm3/h；
燃气组成：H2：16.17％，CO：24.80％，CH4：1.50％，CO2：6.89％，N2：50.44％，O2：0.10％，CnHm：0.10％；
气化效率：69％；
灰渣含碳量：2.8％；
燃气焦油含量：<1g/Nm3。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，包括：
进料装置；
反应区炉体，所述反应区炉体设置在所述进料装置下方，所述反应区炉体包括上段炉体和下段炉体，所述上段炉体的外径小于所述下段炉体的内径，所述上段炉体部分套设在所述下段炉体内，所述上段炉体与所述下段炉体重合的部分形成外延环形空腔，所述外延环形空腔顶部设有密封件；所述下段炉体内的底部设有炉篦；
炉顶气化剂进气口，所述炉顶气化剂进气口设置在所述上段炉体顶部的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内；
中段气化剂进气口，所述中段气化剂进气口设置在所述炉顶气化剂进气口下方，所述中段气化剂进气口设置在所述上段炉体的侧壁上，并延伸至所述上段炉体内；
炉底气化剂进气口，所述炉底气化剂进气口与所述炉篦的下部连通；
煤气出气口，所述煤气出气口设置在所述外延环形空腔对应的所述下段炉体的侧壁上，所述煤气出气口与所述外延环形空腔连通；
排渣装置，所述排渣装置设置在水中且位于所述下段炉体的下方。
2.根据权利要求1所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，所述外延环形空腔的高度为所述反应区炉体直径的10％～30％；
任选地，所述外延环形空腔的宽度与反应区炉体内径的比值为(0.1～0.3):1。
3.根据权利要求1所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，所述排渣装置包括灰盘、碎渣圈、炉篦支撑件和第一灰刀，所述灰盘设置在所述炉篦的下方，所述碎渣圈呈环状且套设在所述灰盘内，所述炉篦支撑件设置在所述炉篦的下方且位于所述碎渣圈内，所述第一灰刀设置所述灰盘的内侧壁上；
任选地，所述排渣装置还包括第二灰刀和破渣块，所述第二灰刀设置在所述炉篦支撑件的底部，所述破渣块设置在所述炉篦支撑件的侧壁上。
4.根据权利要求1所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，还包括气化剂分布调节器，所述气化剂分布调节器可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口的出口端，且位于所述炉篦内；
任选地，还包括布料装置，所述布料装置设置在所述上段炉体内的上方。
5.根据权利要求1所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，所述炉顶气化剂进气口为多个，多个所述炉顶气化剂进气口沿周向对称设置；
任选地，所述中段气化剂进气口为多个，多个所述中段气化剂进气口沿周向对称设置；
任选地，所述煤气出气口为多个，多个所述煤气出气口沿周向对称设置。
6.根据权利要求1所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口、进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀、惰性气体吹扫进气口，所述进料缓冲仓的侧部设有进料缓冲仓充泄压口。
7.根据权利要求1-6任一项所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉，其特征在于，所述上段炉体和所述下段炉体的外侧为膜式水冷壁或夹套水冷壁；
任选地，所述膜式水冷壁为列管式膜式水冷壁或盘管式膜式水冷壁；
任选地，所述上段炉体的内径为0.3～8.0m，所述下段炉体的内径为0.4～8.0m；
任选地，所述上段炉体的高度为所述反应区炉体总高度的40％～80％；
任选地，所述上段炉体距所述炉篦的高度为所述反应区炉体总高度的20％～60％。
8.一种采用权利要求1～7任一项所述的有机固废外延环形空腔导气固定床气化炉进行气化的方法，其特征在于，包括：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体；
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层；
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，将所述可燃气通过煤气出气口排出所述反应区炉体；
(4)采用水中的排渣装置将所述灰渣排出所述反应区炉体。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应区炉体内的压力为0～20.0kPa；
任选地，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧中的至少之一；
任选地，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3；
任选地，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃；
任选地，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％；所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％；
任选地，所述干燥层的温度为20～200℃，所述干馏层的温度为200～600℃，所述上氧化层的温度为600～1200℃，所述还原层的温度为600～1100℃，所述下氧化层的温度为600～1100℃，所述灰渣层的温度为200～600℃。
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