CN114525154A - 一种玻璃体熔融气化炉、气化系统及气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃体熔融气化炉、气化系统及气化方法，属于固废、危废处理技术领域。本发明的气化炉包括壳体，所述的壳体的底部设有渣池，顶部开设有煤气出口，该壳体的空腔内设有气化反应室以及气渣分离段，所述气化反应室包括由上至下依次设置的主气化反应段、旋流反应段、激冷段，其中，主气化反应段的端面开设有烧嘴通道，且主气化反应段呈螺旋渐缩式向下连通旋流反应段。本发明可将固废完全转变成纯净的玻璃体，且生产过程中无废水、废气、废渣外排，并能副产一定热值的煤气以及饱和蒸汽，同时降低钢结构框架高度，节省成本，设备体积小、结构简单，适用性更广。

Description

一种玻璃体熔融气化炉、气化系统及气化方法
技术领域
本发明涉及固废、危废处理技术领域，更具体地说，涉及一种玻璃体熔融气化炉、气化系统及气化方法。
背景技术
我国是世界上资源消耗大国，也是固体废物产生的大国。当前，我国面临着资源赋存紧张、环境污染严重的双重压力。同时，我国每年产生大量的固废，造成严重的环境和地质危害，并占用了大量的土地，固废尤其是危险废物处理一直是制约我国生态文明建设的关键。
当前广泛采用的技术是将固废进行焚烧处理，但是焚烧处理并不能一次性解决无害化问题，而且一般焚烧温度都低于900℃，还会产生二噁英等高危害物质。玻璃化处理是目前国内外一种对固废进行无害化处理的方法，它利用高温手段将固废高温熔融转化为具有无定形结构的玻璃态物质，特别适用于含有重金属等有害物质的危险废物，可处置包括POPs在内的各种类型和各种形态的危险废物。玻璃体渣具有较高的稳定性，浸出毒性低，在发达国家通常作为一般固废填埋，或者作为建筑、铺路材料进行综合利用，有利于减少危废的填埋量，提高危废高温热处理设施的环境经济效益，实现危废的减量化、无害化和资源化。
目前，我国已有部分企业采用已有的水煤浆气化或者工业窑炉协同处置固废，取得了较好的经济、社会和环境效益，而且国家政策现在也在大力鼓励企业采用玻璃化处理固废。但是，现有的技术无法做到完全无害化处理固废，只能做到减量化。且采用气流床协同处理固废，只能适用于厂内已有大中型气化炉的企业，并不适用于厂内无气化炉而又有固废危废处理需求的企业。
经检索，中国专利申请号为201921974521.1的申请案，公开了一种有机固废气化熔融无害化处理系统。该申请案采用循环流化床和气流床组合的方式对有机固废进行分级气化，先使有机固废中的粗物料和易反应物料(有机物)在循环流化床气化炉中气化，再让流化床煤气中夹带的细物料和难反应物料(含碳飞灰)在气流床中气化，实现循环流化床和高温气流床的协同处理固废。但是由于循环流化床燃烧温度较低(900～1000℃)，固废不能变成玻璃体态，且只能有一部分被燃烧，大部分固废还是随着流化床的排渣系统排出。所以该申请案只是一种固废的减量化处理，无法做到完全无害化。
又如，中国专利申请号为202022212861.X的申请案，公开了一种流化床气化熔融处理固废危废的设备。该设备先对固废危废进行气化反应，将固废危废中的有机质和碳变成可燃气体，利用气-气反应剧烈、容易产生高温的特性来实现灰分的熔融，产生高温灼烧的炉渣和玻璃体。众所周知，由于流化床气化需入炉粒径较大(3～10mm)，且气化反应温度低(900～1000℃)，要想将大颗粒的固废熔融成液态需要的时间也较长，而且流化床不能实现液态排渣，固废只能有一小部分能转化成玻璃体，转化率较低。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有固废熔融处理技术只能做到减量化，无法完全无害化处理的问题，本发明提出一种玻璃体熔融气化炉、气化系统及气化方法，可将固废完全转变成纯净的玻璃体，且生产过程中无废水、废气、废渣外排，并能副产一定热值的煤气以及饱和蒸汽，同时降低钢结构框架高度，节省成本，设备体积小、结构简单，适用性更广。
2、技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种玻璃体熔融气化炉，包括壳体，所述的壳体的底部设有渣池，顶部开设有煤气出口，该壳体的空腔内设有气化反应室以及气渣分离段，所述气化反应室包括由上至下依次设置的主气化反应段、旋流反应段、激冷段，其中，主气化反应段的端面开设有烧嘴通道，且主气化反应段呈螺旋渐缩式向下连通旋流反应段。
进一步地，所述的气渣分离段为由膜式水冷壁围成的两端开口的中空结构，该膜式水冷壁的上端与壳体固定连接；所述膜式水冷壁与壳体之间的间隙由上至下组成主气化反应段、旋流反应段、激冷段；所述的气渣分离段一端与激冷段相连通，另一端与煤气出口相连通。
进一步地，所述的膜式水冷壁内部是由多根U型管和扁钢交替焊接形成的密封圆筒，每根U型管两端分别与进水集箱和出水集箱连接；所述进水集箱和出水集箱设置在壳体上端，膜式水冷壁外部紧贴一层耐磨耐火的内衬。
进一步地，所述激冷段的侧壁设有激冷环，该激冷环是由管道两端环绕对接形成的第一密封圆环，圆环上均布多根竖直向下或与竖直方向有一定夹角的支管。
进一步地，所述膜式水冷壁的下部设置有喷水环，该喷水环是由管道两端环绕对接形成的第二密封圆环，圆环上均布多个孔。
进一步地，所述激冷段的直径大于旋流反应段，激冷环设置在壳体变直径段的下方。
进一步地，所述渣池为上部开口、周向密封的筒体，其内部保持一定的水位高度。
本发明还提供了一种玻璃体熔融气化系统，包括干燥磨粉系统、渣筛分系统、换热系统、净化系统、水汽系统以及上述的气化炉，所述的干燥磨粉系统的输出通道连接气化炉，气化炉的渣输出端连接渣筛分系统，渣筛分系统连接干燥磨粉系统；气化炉的煤气输出端依次连接换热系统、净化系统；气化炉与水汽系统形成循环通路，水汽系统与换热系统形成循环通路。
利用上述的气化系统进行玻璃体熔融气化的方法，包括以下步骤：
步骤一：氧气、蒸汽、以及经干燥磨粉后的原煤和固废的混合粉体通过烧嘴通道进入气化炉中进行不完全燃烧，生成高温煤气和熔融状的渣；
步骤二：高温煤气在气化炉经过三次气渣分离后，干净的煤气从顶部的煤气出口进入换热系统；
步骤三：熔渣落入下方带水位的渣池中，水淬后成为玻璃体态渣，随后进入渣筛分系统中分离出纯净的玻璃体，筛选出的废渣经干燥、研磨后与粉状固废混合再次进入气化炉中熔融；
步骤四：煤气经换热系统降温，再进入净化系统除尘后成为洁净煤气；在此过程中，换热系统通过与水汽系统的循环水换热产生蒸汽，净化系统产生的飞灰再返回气化炉内熔融。
进一步的，在气化炉中，高温煤气和熔渣首先沿着主气化反应段的旋流式炉膛旋转前进，进入旋流反应段后继续进行气化反应，熔渣在惯性和重力的作用下沿着壁面向下流淌，高温煤气进入激冷段后与激冷环中喷入的低温煤气混合，混合后的煤气温度降至渣的灰熔点以下，熔渣凝固为固态渣，并在此处进行第一次气渣分离；
然后，煤气进入气渣分离段，喷水环喷出的水形成一层均匀的水幕，将煤气中小颗粒的灰渣捕集下来，在此处进行第二次气渣分离；
最后，煤气在气渣分离段中以较低的流速缓慢上升，在此过程中大部分飞灰会沉降下来，进行第三次气渣分离。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种玻璃体熔融气化炉，气化炉采用螺旋式的气化反应室，可实现气渣的高效分流，液态渣旋流的过程中在离心力的作用下会紧贴壁面向下流淌，而液态渣流动的速度要比煤气的前进速度慢得多，这就大大提高了煤粉和固废在炉膛的停留时间，增加煤粉转化率的同时还使固废得到彻底的熔融；另外，螺旋式炉膛在增加反应时间的基础上可大大降低炉膛的竖直高度，从而降低钢结构框架高度，节省成本；
(2)本发明的一种玻璃体熔融气化炉，所述膜式水冷壁围成的空间组成了气渣分离段，不仅简化了汽化炉的结构、减少了体积，同时，膜式水冷壁具有良好的降温效果；另外，所述气化炉采用带耐火内衬的绝热炉膛可降低气化反应的热损失，减少氧耗和煤耗；
(3)本发明的一种玻璃体熔融气化炉，气化炉中产生的高温煤气和固态渣经过激冷段、喷水环、气渣分离段进行三次气渣分离，固态渣落入带一定水位的渣池中水淬为玻璃体态渣，再经渣筛分系统分离出纯净的玻璃体渣，废渣则返回干燥磨粉系统与入炉物料混合；煤气从气化炉底部向中间竖直布置的由水冷壁构成的气渣分离段内部折返向上，通过顶部的煤气出口去往换热系统降温，降温后的低温煤气再通过净化系统除尘，将煤气中细颗粒的飞灰捕集下来，三次气渣分离可有效减少煤气中飞灰夹带量，提高煤气的纯度，减少后续系统的磨损；
(4)本发明的一种玻璃体熔融气化炉系统的气化方法，采用纯氧气流床气化，与燃烧技术相比烟气中无氮氧化物、二噁英等产物；与流化床气化技术相比气化温度更高，固废粉末粒径小更容易熔融，整个系统可以产出纯净的玻璃体渣、煤气和蒸汽，无废水、废气、废渣外排。
附图说明
图1为本发明的一种玻璃体熔融气化炉主视剖面图；
图2为本发明的气化炉沿烧嘴通道横截面向下的剖视图；
图3为本发明的气化方法的工艺流程图；
图4为本发明的膜式水冷壁的主视图；
图5为本发明的膜式水冷壁的俯视图；
图6为图5中A出的放大图；
图7为本发明的激冷环的主视图；
图8为本发明的激冷环的局部放大图；
图9为本发明的喷水环的主视图；
图10为本发明的喷水环的剖视图。
图中：1、主气化反应段；2、旋流反应段；3、激冷段；4、气渣分离段；5、渣池；6、烧嘴通道；7、壳体；8、耐火材料；9、煤气出口；
10、膜式水冷壁；101、U型管；102、扁钢；
11、进水集箱；12、出水集箱；13、内衬；
14、激冷环；141、第一密封圆环；142、支管；
15、喷水环；151、第二密封圆环；152、通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例的一种玻璃体熔融气化炉，包括壳体7，所述的壳体7的底部设有渣池5，顶部开设有煤气出口9，该壳体7的空腔内设有气化反应室以及气渣分离段4，所述气化反应室包括由上至下依次设置的主气化反应段1、旋流反应段2、激冷段3，其中，主气化反应段1的端面开设有烧嘴通道6，且主气化反应段1呈螺旋渐缩式向下连通旋流反应段2。本实施例的气化炉采用螺旋式的气化反应室，可实现气渣的高效分流，液态渣旋流的过程中在离心力的作用下会紧贴壁面向下流淌，而液态渣流动的速度要比煤气的前进速度慢得多，这就大大提高了煤粉和固废在炉膛的停留时间，增加煤粉转化率的同时还使固废得到彻底的熔融；另外，螺旋式炉膛在增加反应时间的基础上可大大降低炉膛的竖直高度，从而降低钢结构框架高度，节省成本。
本实施例的气化炉壳体7上部呈渐缩式的蜗壳状，下部是带有变直径的密封圆筒状，四周密封，壳体7内部为空腔结构，腔体内部紧贴一层耐火材料8。所述的气渣分离段4为由膜式水冷壁10围成的两端开口的中空结构，该膜式水冷壁10的上端与壳体7固定连接；所述膜式水冷壁10与壳体7之间的间隙由上至下组成主气化反应段1、旋流反应段2、激冷段3；所述的气渣分离段4一端与激冷段3相连通，另一端与煤气出口9相连通。参考图4、图5、图6，所述的膜式水冷壁10内部是由多根U型管101和扁钢102交替焊接形成的密封圆筒，每根U型管两端分别与进水集箱11和出水集箱12连接；所述进水集箱11和出水集箱12设置在壳体7上端，膜式水冷壁10外部紧贴一层耐磨耐火的内衬13。膜式水冷壁10围成的空间组成了气渣分离段4，不仅简化了汽化炉的结构、减少了体积，同时，膜式水冷壁10具有良好的降温效果；另外，所述气化炉采用带耐火内衬的绝热炉膛可降低气化反应的热损失，减少氧耗和煤耗。
所述激冷段3的侧壁设有激冷环14，参考图7、图8，该激冷环14是由管道两端环绕对接形成的第一密封圆环141，圆环上均布多根竖直向下或与竖直方向有一定夹角的支管142。当高温煤气进入激冷段3后与激冷环14中喷入的低温煤气混合，混合后的煤气温度降至渣的灰熔点以下，熔渣凝固为固态渣，并在此处进行第一次气渣分离。其中，激冷段3的直径大于旋流反应段2，激冷环14设置在壳体7变直径段的下方。这种设计使得，高温煤气从旋流反应段2进入激冷段3后，具有更大的流动空间，有助于高温煤气与低温煤气的充分混合，从而进一步提高了高温煤气的降温效率。
所述膜式水冷壁10的下部设置有喷水环15，参考图9、图10，该喷水环15是由管道两端环绕对接形成的第二密封圆环151，圆环上均布多个通孔152。其中，喷水方向水平向内或者与水平方向有一定夹角。当煤气从气渣分离段4的底部进入时，喷水环15喷出的水形成一层均匀的水幕，将煤气中小颗粒的灰渣捕集下来，在此处进行第二次气渣分离；煤气在气渣分离段4中继续以较低的流速缓慢上升，在此过程中大部分飞灰会沉降下来，进行第三次气渣分离。在整个气渣分离过程中，固态渣落入下方的渣池5中大部分会水淬后成为玻璃体态渣，该渣池5为上部开口、周向密封的筒体，其内部保持一定的水位高度。
实施例2
本实施例的一种玻璃体熔融气化系统，包括干燥磨粉系统、渣筛分系统、换热系统、净化系统、水汽系统以及上述的气化炉，所述的干燥磨粉系统的输出通道连接气化炉，气化炉的渣输出端连接渣筛分系统，渣筛分系统连接干燥磨粉系统；气化炉的煤气输出端依次连接换热系统、净化系统；气化炉与水汽系统形成循环通路，水汽系统与换热系统形成循环通路。其中，干燥磨粉系统功能是将粒径大的原料研磨成符合气化要求的小粒径粉末，并在此过程中干燥水分；气化炉是进行气化反应和熔融玻璃体的主要设备；渣筛分系统可将纯净玻璃体和废渣分选开来；换热系统通过水循环将煤气温度降到设定值，并副产饱和蒸汽；净化系统可将煤气中小粒径的飞灰捕集下来；水汽系统可为气化炉水冷壁和换热系统提供循环水，并向外输出饱和蒸汽。
本实施例的气化炉本体采用旋流式的干粉气流床纯氧气化方式，氧气、蒸汽、以及经干燥磨粉后的原煤和固废的混合粉体通过气化烧嘴喷入炉膛在高于煤粉和固废的灰熔点下进行气化反应，将粉状固废迅速熔融后再经底部的渣池水淬为玻璃体态，经渣筛分系统分离出纯净的玻璃体渣和废渣，煤气在经过三次气渣分离后再经换热系统降温和净化系统除尘变成洁净煤气，渣筛分系统中分离的废渣和净化系统捕集的飞灰又循环返回气化炉熔融，换热系统通过水循环与煤气换热产生蒸汽；本系统能产出纯净的玻璃体渣，副产煤气和蒸汽，无任何废水、废气、废渣外排；同时螺旋布置的气化反应室能够有效的减少设备高度，相比竖直的气化反应室可大大降低整体的钢结构高度，降低成本。
利用上述的玻璃体熔融气化系统进行玻璃体熔融的气化方法，如图3所示，具体包括以下步骤，
步骤一：氧气、蒸汽、以及经干燥磨粉后的原煤和固废的混合粉体通过烧嘴通道6进入气化炉中进行不完全燃烧，生成高温煤气和熔融状的渣；其中，燃烧温度超过煤粉及固废的灰熔点，气化反应生成主要成分为一氧化碳和氢气的煤气以及熔融态的渣；
步骤二：高温煤气在气化炉经过三次气渣分离后，干净的煤气从顶部的煤气出口9进入换热系统；
步骤三：熔渣落入下方带水位的渣池5中，水淬后成为玻璃体态渣，随后进入渣筛分系统中分离出纯净的玻璃体，筛选出的废渣经干燥、研磨后与粉状固废混合再次进入气化炉中熔融；
步骤四：煤气经换热系统降温，再进入净化系统除尘后成为洁净煤气；在此过程中，换热系统通过与水汽系统的循环水换热产生蒸汽，净化系统产生的飞灰再返回气化炉内熔融。
步骤二中，气化炉中的高温煤气和熔渣首先沿着主气化反应段1的旋流式炉膛旋转前进，进入旋流反应段2后继续进行气化反应，熔渣在惯性和重力的作用下沿着壁面向下流淌，高温煤气进入激冷段3后与激冷环14中喷入的低温煤气混合，混合后的煤气温度降至渣的灰熔点以下，熔渣凝固为固态渣，并在此处进行第一次气渣分离；
然后，煤气进入气渣分离段4，喷水环15喷出的水形成一层均匀的水幕，将煤气中小颗粒的灰渣捕集下来，在此处进行第二次气渣分离；
最后，煤气在气渣分离段4中以较低的流速缓慢上升，在此过程中大部分飞灰会沉降下来，进行第三次气渣分离。
本实施例采用纯氧气流床气化，与燃烧技术相比烟气中无氮氧化物、二噁英等产物；与流化床气化技术相比气化温度更高，固废粉末粒径小更容易熔融，整个系统可以产出纯净的玻璃体渣、煤气和蒸汽，无废水、废气、废渣外排。三次气渣分离可有效减少煤气中飞灰夹带量，提高煤气的纯度，减少后续系统的磨损。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种玻璃体熔融气化炉，包括壳体(7)，所述的壳体(7)的底部设有渣池(5)，顶部开设有煤气出口(9)，其特征在于：该壳体(7)的空腔内设有气化反应室以及气渣分离段(4)，所述气化反应室包括由上至下依次设置的主气化反应段(1)、旋流反应段(2)、激冷段(3)，其中，主气化反应段(1)的端面开设有烧嘴通道(6)，且主气化反应段(1)呈螺旋渐缩式向下连通旋流反应段(2)。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述的气渣分离段(4)为由膜式水冷壁(10)围成的两端开口的中空结构，该膜式水冷壁(10)的上端与壳体(7)固定连接；所述膜式水冷壁(10)与壳体(7)之间的间隙由上至下组成主气化反应段(1)、旋流反应段(2)、激冷段(3)；所述的气渣分离段(4)一端与激冷段(3)相连通，另一端与煤气出口(9)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述的膜式水冷壁(10)内部是由多根U型管和扁钢交替焊接形成的密封圆筒，每根U型管两端分别与进水集箱(11)和出水集箱(12)连接；所述进水集箱(11)和出水集箱(12)设置在壳体(7)上端，膜式水冷壁(10)外部紧贴一层耐磨耐火的内衬(13)。
4.根据权利要求3所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述激冷段(3)的侧壁设有激冷环(14)，该激冷环(14)是由管道两端环绕对接形成的第一密封圆环，圆环上均布多根竖直向下或与竖直方向有一定夹角的支管。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述膜式水冷壁(10)的下部设置有喷水环(15)，该喷水环(15)是由管道两端环绕对接形成的第二密封圆环，圆环上均布多个通孔。
6.根据权利要求5所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述激冷段(3)的直径大于旋流反应段(2)，激冷环(14)设置在壳体(7)变直径段的下方。
7.根据权利要求6所述的一种玻璃体熔融气化炉，其特征在于：所述渣池(5)为上部开口、周向密封的筒体，其内部保持一定的水位高度。
8.一种玻璃体熔融气化系统，其特征在于：包括干燥磨粉系统、渣筛分系统、换热系统、净化系统、水汽系统以及权利要求1-7中任一项所述的气化炉，所述的干燥磨粉系统的输出通道连接气化炉，气化炉的渣输出端连接渣筛分系统，渣筛分系统连接干燥磨粉系统；气化炉的煤气输出端依次连接换热系统、净化系统；气化炉与水汽系统形成循环通路，水汽系统与换热系统形成循环通路。
9.利用权利要求8所述的系统进行玻璃体熔融气化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：氧气、蒸汽、以及经干燥磨粉后的原煤和固废的混合粉体通过烧嘴通道(6)进入气化炉中进行不完全燃烧，生成高温煤气和熔融状的渣；
步骤二：高温煤气在气化炉经过三次气渣分离后，干净的煤气从顶部的煤气出口(9)进入换热系统；
步骤三：熔渣落入下方带水位的渣池(5)中，水淬后成为玻璃体态渣，随后进入渣筛分系统中分离出纯净的玻璃体，筛选出的废渣经干燥、研磨后与粉状固废混合再次进入气化炉中熔融；
步骤四：煤气经换热系统降温，再进入净化系统除尘后成为洁净煤气；在此过程中，换热系统通过与水汽系统的循环水换热产生蒸汽，净化系统产生的飞灰再返回气化炉内熔融。
10.根据权利要求9所述的一种玻璃体熔融气化的方法，其特征在于：在气化炉中，高温煤气和熔渣首先沿着主气化反应段(1)的旋流式炉膛旋转前进，进入旋流反应段(2)后继续进行气化反应，熔渣在惯性和重力的作用下沿着壁面向下流淌，高温煤气进入激冷段(3)后与激冷环(14)中喷入的低温煤气混合，混合后的煤气温度降至渣的灰熔点以下，熔渣凝固为固态渣，并在此处进行第一次气渣分离；
然后，煤气进入气渣分离段(4)，喷水环(15)喷出的水形成一层均匀的水幕，将煤气中小颗粒的灰渣捕集下来，在此处进行第二次气渣分离；
最后，煤气在气渣分离段(4)中以较低的流速缓慢上升，在此过程中大部分飞灰会沉降下来，进行第三次气渣分离。
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