CN1128200C - 用于废物热解和气化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于废弃物质热解和气化的方法，尤其是用于特殊和/或危险的废弃物质，其包括气化和熔化步骤、得到的气体混合物的处理步骤、和玻璃化步骤，其中所述步骤具有以下过程：a)在1300-1500℃的温度下，将要被处理的物质气化，气化时间为3-15秒，并且在5-30分钟的时间内熔化，在整个过程中不存在空气，得到易燃气体、不易燃气体和惰性气体的混合物，通过至少两个依次进行的气化步骤，其中在任何一个气化步骤中通过使用至少一个热喷管来使温度保持稳定；b)将这样得到的易燃和不易燃气体的混合物进行纯化和能量回收处理；c)在玻璃化状态下，将惰性气体、或无机和矿物部分抽出。另外，还公开了实现该方法的装置。

Description

用于废物热解和气化的方法和装置
本发明涉及一种用于废弃物质的热解和气化的方法和装置，尤其是用于特殊和/或危险的废弃物质。
废弃物质的处理问题，特别是分类为特殊和/或危险的固体、液体和/或泥浆状废物的废物处理问题，早已是公知的，并且由于不但在工业上而且在非工业上产生的废物的数量不断增长，以及由于法律越来越多地对同类物质的处理强加的限制条件，这些问题的重要性不断增加。
现有技术已经试图通过在一定的温度条件下，使用热解、或气化、或通常的燃烧处理的不同类型装置，然后接着对所产生的气体采取适当的处理方法，来解决所述的问题。术语“气化”是指固体、液体或气态物质的部分非催化氧化过程，它的最终目的是产生一种由主要CO、H2，以及次要由轻质烃、如甲烷组成的气态燃料。水和二氧化碳被用作氧化剂。
另一方面，术语“热解和气化”是指分解有机物质分子的过程，它们的热分解不需要氧化剂。
EP-B1-0292987描述了一种将污染的燃料和废弃物质转化为清洁能源和有用产品的方法和装置。该方法提供了一种废弃物质的处理，它是在至少1600℃的温度和不存在空气的情况下进行的，以致得到一种基于H2和CO的易燃气体、不易燃的和惰性的气体，然后突然冷却，以便将惰性气体与水分离，生成蒸汽并将该气体引入不低于1200℃的温度下，接着通过该蒸汽和气体穿过净化煤层的通路，并且最终将来自净化煤层的气体冷却。
然而，EP’987中描述的方法和装置没有达到预期的效果，即，固体、液体和气态废物完全转化为清洁的能源和有用的产品。事实上，根据EP’987的方法和装置得到的产品含有大量的未燃产品和空气，并有高比例的煤残留物。而且，由于燃烧室内部生成的难熔物质的连续冲刷，反应器的使用寿命相当有限，它的寿命甚至达不到两年(这是该类型装置的最短寿命)。此外，净化煤层非常容易被未燃残留物和煤馏分阻塞，并且这将导致整个方法和装置的堵塞。本发明将克服该现有技术中存在的这种缺陷。
具体地说，本发明的目的是一种废弃物质热解和气化的方法，尤其是特殊和/或危险的废弃物质，包括气化和熔化步骤、得到的气体混合物的处理步骤、玻璃化步骤，其特征在于，上述步骤具有以下过程：
a)在1300-1500℃的温度下，将要被处理的物质气化，气化时间为3-15秒，并且在5-30分钟的时间内熔化，在整个过程中不存在空气，得到易燃气体、不易燃气体和惰性气体的混合物，通过至少两个依次进行的气化步骤，其中在任何一个气化步骤中通过使用至少一个热喷管来使温度保持稳定；
b)将这样得到的易燃和不易燃气体的混合物进行纯化和能量回收处理；
C)在玻璃化状态下，将惰性气体、或无机和矿物部分抽出。
特别地，来自步骤a)的气体混合物的处理步骤b)可选择地具有以下过程：
b1)以蒸汽状态，将全部气体混合物送入一个用于热量回收和产生热能的二次燃烧室，然后回收热能并转化为电能；
b2)通过冷却、过滤、中和、CO2的吸附以及压缩，将部分气体混合物纯化，并且，将这样处理的气体混合物送入热喷管，以便保持进入气化室的预定温度，可选择地和/或并联地将传统燃料送入热喷管，而气体的剩余部分被送入到b1)项提供的处理中；
b3)将全部气体混合物进行步骤b2)的处理，并且将这样处理的部分气体混合物送入热喷管，以便保持进入气化室的预定温度，而将剩余部分(超过50％)送去电能回收处理。
来自气化反应的气体混合物由CO、CO2、H2和H2O组成，并且按照装置的规模和预定的能量目标，能够不同地使用这种气体混合物。
在步骤b1)的末端仍然存在的气体混合物被送入到脱除和中和系统，以便按照严格的法律规定释放到空气中。
此外，本发明的另一目的是一种实现按照本发明方法的装置，其特征在于，它包括一个或多个贮存系统，用于要被处理的废物通过输送和进料系统与反应器连接，所述的反应器由至少一个初级气化室组成，其被连接到一个二级和熔化气化室上，每个气化室装有至少一个热喷管，所述的二级和熔化气化室在一端配有一个将气体送入后续步骤的系统，并且在相对端，配有一个将熔化物质排入到玻璃化系统的系统。
具体地说，在初级以及二级和熔化气化室中的热状态是通过使用合适的热喷管来达到的，供给热喷管的是传统燃料，如甲烷、丙烷等，和/或来自按照本发明方法的H2和CO的混合物。在这些室中的操作温度必须保持在1300-1500℃的值，因为这将使实现要被处理的物质中的有机部分以尽可能的最大速度气化，和实现无机矿物部分的熔化，以便随后在玻璃化状态下进行抽出。
事实上，由于金属和无机残留物对该环境显示出的稳定性、不溶性和惰性，在玻璃化状态下的抽出是本发明目的的实质，这归功于这种玻璃化状态和它的高度不活泼性。
此外，所述温度的使用也使在反应器内部的难熔材料的冲刷问题得到解决。
贮存这种要被处理的废物的系统一般由按照该装置的每小时流量来限定规模的筒仓组成，以便保证维持必要的独立性。
贮存容器完全密封，或者被维持在压力等于或低于气化室的操作压力下。
事实上，废物(液体、固体、泥浆状物质)的物理性质不同，所述的条件对避免空气进入初级气化室是必要的。
特别地，液体废物是通过特殊的雾化喷管，凭借带流量控制的平均压头泵(mean-head pump)供给的。
泥浆状废物可以在流量控制下通过螺杆或适当的泵，例如作为实例的单螺杆泵、活塞泵等来供给。
固体废物必须在装入进料筒仓之前被预处理。事实上，它的期望大小约为2-3cm。在任何情况下，预处理取决于固体废物的性质和它的含量。
通过单一或组合的输送系统将废物送入初级气化室。要被处理的物质从筒仓中抽出并被输送到垂直设置在初级气化室入口区上面的关闭阀，该过程一直在完全密封的系统中进行。然后，一直在流量控制下，使用自动星形阀(motorised stellar valve)(或其它等效的装置)将废物送入，而没有进行可增加其密度的压缩，以便从该入口点到初级气化室，它尽可能地为液体。
如前所述，该反应器被分为两个部分：
-一个(或多个)初级气化室；
-一个二级和熔化气化室。
该初级气化室由一个垂直圆柱体组成，该圆柱体配有一个用于装入废物的开孔或开口，其位于所述圆柱体封盖的中心。总是在圆柱体的上部，而且是切向连接，设置了热喷管的引入点。圆柱体的下部逐渐变细，如同截去尖端的圆锥体，以便将圆柱体连接到管线，该管线将该圆柱体连接到二级和熔化气化室。该圆柱体和结合管线的体积和长度决定该废物与热喷管产生的热气体接触的持续时间，以及与保持在所需操作温度(1300-1500℃)下的难熔涂层表面接触的持续时间。圆柱体的体积为0.4-16m3，它的长度为1.5-6m，而连接系统、或者结合管线，具有的体积为0.06-9m3，长度为1.5-5m。
在初级气化室中产生的气流，和仍要被气化或熔化的部分进料废物一起形成切向进入二级和熔化气化室的下降流。
二级和熔化气化室同样由一个垂直圆柱体构成，相对于第一室来说，该圆柱体设置的位置较低。所述圆柱体下部构成废矿物残留物的底部或熔化池。设置所述底部的难熔涂层，以致在最高点(从前一个室来的气体的入口区)和直接相对的最低点(熔渣的出口区)之间得到一个5-30％，优选为20％的倾度或斜度。此外，该底部的长度为1.5-3m。
这个路径的长度和倾度决定了气化残留物的停留时间，并因此决定了气化残留物的熔化时间。在二级和熔化气化室的圆柱体的壁上，总是在接近该底部处，设置了第二热喷管，它的作用是将操作温度保持在预定状态(1300-1500℃)下。将这种喷管设置为切向入口。这样，除实现熔化外，也完成了气化，并且，由于发生在两个连续的步骤中，其特征是具有很高的效率。
形成二级和熔化气化室尾部的该圆柱体的上部，如同截去尖端的圆锥体，连接到将气体送去随后处理的管线上。从初级室来的下降流，在由切向入口产生的高旋涡状态下，变为上升流进入二级室。
因此，来自第一气化室的气体混合物由下降流组成，该下降流在由切向入口产生的高旋涡状态下，在第二气化步骤中变成了上升流。
熔化物质的排出通过在二级和熔化气化室底部周围部分设置的特殊的开孔来实现。该熔化物质直接排入下面的水池中，该水池中保持一固定的水位。这样同时产生水密封，其防止空气进入二级和熔化气化室。通过特殊的斗式提升机连续地将玻璃化物质从该水池中移出。
具体地说，按照本发明的装置可以配置两个或多个初级气化室，它们会聚到同一个二级和熔化气化室中。
事实上，对于一个必须使单一废物的流量最大化的装置，或者需要同时供给不同性质的废物的装置来说，将具有相同几何形状的两个(或者甚至三个)初级室会聚到相同的二级室中是非常用效的解决方法。
这样，必须向这两个初级室提供一个双重进料系统，以废物的性质和处理要求为基础，这两个初级室具有适当的比例。
在该二级室中，以相同的直径为基础，安装多于一个的热喷管可能是必要的，以便更好地分布由同样的喷管所产生的热量。事实上，具有高能的单个喷管可能使难熔涂层受到太高的热应力(温度峰值)，这将显著地降低它的使用寿命。
通常向热喷管中供给传统燃烧和/或由该装置产生的H2和CO混合物。它们用全自动系统来控制，该系统可通过0-100％的两种类型的燃料。以燃料的数量和它的热值(就混合物来说)为基础，化学计量地控制作为唯一助燃物的氧气的数量。安装的每个喷管都配有控制和调节系统。
在起动和达到操作温度的步骤中，可使用传统燃烧，而从引入废物并且因此开始产生气体混合物的那一刻起，逐渐(0-100％)将这种气体混合物供给喷管，同时按照逐步平稳的方式(100-0％)减少传统燃烧将变得可能。这样将实现该过程的自给。
如前所述，离开二级和熔化气化室的气体混合物，根据打算使用的类型而进行不同的处理。
按照本发明的方法可认为是一种彻底地处理要被处理物质的方法，它具有最高的效率并且绝对安全。
进一步的优点在于热喷管自给的可能性，这一特点使本发明的方法和装置尤其有利。
从以下的描述中，本发明的其它特征和优点将表现得更加清楚。下面是一个参考附图的实施例和非限制性的描述。在这些附图中：
-图1是一个按照本发明方法的方框图；
-图2是一个按照本发明装置的第一实施方案的示意性侧视图；
-图3是一个按照本发明装置的部分侧视图；
-图4是一个按照本发明装置的第二实施方案的示意性侧视图；
-图5是在按照本发明的方法和装置中使用的一个热喷管的实例。
参考图2，附图标记10表示按照本发明的整个装置。它由废物贮存筒仓构成，该废物贮存筒仓通过输送系统(在图2中未示出)连接到反应器11，反应器11包括一个初级气化室12，以及一个二级和熔化气化室13。
所述初级气化室12由圆柱体14构成，配有插入上封盖的开孔15、热喷管17的切向接管16、逐渐变细如同截去尖端的圆锥体的下部18，其被连接到连接系统19上，该连接系统19进入二级和熔化气化室13中。
具体地说，在图2表示的实施方案的规模中，圆柱体14具有的体积等于0.41m3，长度为2m，而连接系统19具有的体积等于0.06m3，长度为1.5m。
所述的二级和熔化气化室13由圆柱体20构成，其设置有一个插入下部22中的开孔21。该下部22具有一个倾度，该倾度为5-30％，且长度为1.5-3m，具体在图2表示的实施方案中，底部22具有的倾度为20％，长度为1.5m。
开孔21提供了熔化物质的出口，经排出系统23，排入玻璃化系统24中。
玻璃化系统24包括一个水池25和一个用于玻璃化残留物的抽出系统26。
此外，在下部，圆柱体20在一侧配有来自初级气化室12的连接系统19的切向接管，并且在相对的一侧，配有热喷管28的切向接管27和逐渐变细如同截去尖端的圆锥体的上部29，其被连接到一个用于将气体输送到随后的处理步骤的系统上。
具体地，图3表示了一个贮存筒仓30，它依靠一个凭借星形阀32移动的输送系统31，经关闭阀33进入初级气化室12。
图4表示按照本发明的装置的另一个实施方案，它具有两个初级气化室12和12’，其与两个连接系统19和19’相连，这两个连接系统进入二级和熔化气化室13。
另一方面，图5表示了一个热喷管17，其具有相应的控制和调节系统34，该系统可向热喷管仅供应传统燃料(甲烷)35和氧气36，或者仅供应在该气化和热解过程中产生的气体37、和氧气36，或者供应任何其它传统燃料和按照本发明方法产生的气体的混合物。
以下的实施例表示按照本发明方法的两个应用。
实施例1
向该装置中加入307kg/h的C.D.R.(从废物中得到的燃料)，它的热值低于5184kcal/kg；以完全的方式完成裂解过程，且这是由于产生的气体的组合物和熔渣状态的组合物二者所致，该熔渣被完全玻璃化。
产生的气体组合物介质如下：
H2  CO  CO2 CH4    H2O   流量(Nm3/h)
37    35    12     3        14        530
该过程在约1650K(1377℃)的温度下进行，该装置的能量平衡等于80％。
实施例2
向该装置中加入由轮胎粉碎产生的轮胎胶粒。已装入热值为8114kcal/kg的232kg/h的轮胎胶粒。
产生的气体的组合物介质如下：
H2  CO  CO2 CH4  H2O   流量(Nm3/h)
44.5  35    9      2.7    9          642
该过程在约1600K(1327℃)的温度下进行，该装置的能量平衡等于88％。

Claims (23)

1.一种特殊和/或危险的废弃物质热解和气化的方法，包括气化和熔化步骤、得到的气体混合物的处理步骤、和玻璃化步骤，其特征在于，上述步骤具有以下过程：
a)在1300-1500℃的温度下，将要被处理的物质气化，气化时间为3-15秒，并且在5-30分钟的时间内熔化，在整个过程中不存在空气，得到易燃气体、不易燃气体和惰性气体的混合物，通过至少两个依次进行的气化步骤，其中在任何一个气化步骤中，通过使用至少一个热喷管来使温度保持稳定；
b)将这样得到的易燃和不易燃气体的混合物进行纯化和能量回收处理；
c)在玻璃化状态下，将惰性气体、或无机和矿物部分抽出。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，来自步骤a)的气体混合物的处理步骤b)可选择地具有以下过程：
b1)以蒸汽状态，将全部气体混合物送入一个用于热量回收和产生热能的二次燃烧室，然后回收热能并转化为电能；
b2)通过冷却、过滤、中和、CO2的吸附以及压缩，将部分气体混合物纯化，并且，将这样处理的气体混合物送入热喷管，以便保持进入气化室的预定温度，可选择地和/或并联地将传统燃料送入热喷管，而气体的剩余部分被送入到b1)项提供的处理中；
b3)将全部气体混合物进行步骤b2)的处理，并且将这样处理的部分气体混合物送入热喷管，以便保持进入气化室的预定温度，而将剩余部分送去电能回收处理。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，供给热喷管的是传统燃料，和/或来自步骤b)的H2和CO的混合物。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，供给热喷管的传统燃料为甲烷、丙烷。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，供给热喷管的是来自步骤b)的H2和CO的混合物。
6.按照权利要求3的方法，其特征在于，热喷管为自动控制的，用于向其供给包括每种燃料数量的变化范围为0-100％的混合物。
7.按照权利要求3的方法，其特征在于，以燃料的数量和它的热值为基础，化学计量地控制供给热喷管的作为唯一助燃物的氧气的数量。
8.按照权利要求2的方法，其特征在于，在步骤b1)末端仍存在的气体混合物被送到脱除和中和系统。
9.按照权利要求1的方法，其特征在于，从由下降流构成的第一气化步骤来的气体混合物，在由切向入口产生的高旋涡状态下，变为上升流进入第二气化步骤。
10.用于实现按照权利要求1或2的特殊和/或危险的废弃物质热解和气化方法的装置，其特征在于，它包括一个或多个贮存系统，该系统用于通过输送和进料系统(31)将要被处理的废弃物质(30)与反应器(11)连接，所述反应器(11)由至少一个初级气化室(12)组成，该初级气化室被连接到一个二级和熔化气化室(13)上，每个气化室装有至少一个热喷管(17，18)，所述二级和熔化气化室(13)在一端配有一个将气体送入后续步骤的系统，并且在它的相对端，配有一个将熔化物质排入到玻璃化系统(24)的系统(23)。
11.按照权利要求10的装置，其特征在于，所述初级气化室(12)由圆柱体(14)构成，配有插入上封盖的开孔(15)、热喷管(17)的切向接管(16)、逐渐变细如同截去尖端的圆锥体的下部(18)，其被连接到连接系统(19)上，该连接系统(19)进入二级和熔化气化室(13)中。
12.按照权利要求11的装置，其特征在于，圆柱体(14)的体积为0.4-16m3，长度为1.5-6m。
13.按照权利要求11的装置，其特征在于，连接系统(19)的体积为0.06-9m3，长度为1.5-5m。
14.按照权利要求10的装置，其特征在于，所述二级和熔化气化室(13)由圆柱体(20)构成，有一个开孔(21)插入其下部(22)，所述圆柱体(20)在其下部一侧装有来自初级气化室(12)的连接系统(19)的切向接管，并且在相对的一侧，装有热喷管(28)的切向接管(27)，并且还装有逐渐变细如同截去尖端的圆锥体的上部(29)，该上部与气体输送系统相连。
15.按照权利要求14的装置，其特征在于，下部(22)涂覆有难熔涂层，这样的设置使得在相应于从前一个室来的气体的入口区的最高点和相应于熔渣的出口区的最低点之间得到一个5-30％的倾度，且长度为1.5-3m。
16.按照权利要求15的装置，其特征在于，难熔涂层的倾度为20％，它的长度为1.5m。
17.按照权利要求14的装置，其特征在于，用于熔化物质出口的开孔(21)通过排出系统(23)与玻璃化系统(24)连接，所述玻璃化系统(24)包括一个水池(25)和一个用于玻璃化残留物的抽出系统(26)。
18.按照权利要求17的装置，其特征在于，水池(25)中保持一固定的水位，其产生水密封，防止空气进入二级和熔化气化室(13)，并且特征在于抽出系统(26)由连续地移除玻璃化物质的斗式提升机组成。
19.按照权利要求10的装置，其特征在于，热喷管(17，28)凭借切向接管(16，27)连接到气化室上(12，13)。
20.按照权利要求10的装置，其特征在于，用于贮存要被处理的废物的系统(30)由按照该装置的每小时流量来限定规模的筒仓组成，并且被完全密封，或者被维持在压力等于或低于气化室的操作压力下。
21.按照权利要求10的装置，其特征在于，设置至少两个初级气化室(12，12’)。
22.按照权利要求10的装置，其特征在于，对于二级和熔化气化室(13)设置至少两个热喷管。
23.按照权利要求10的装置，其特征在于，每个热喷管(17，28)都配有控制和调节系统(34)。
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