CN114857586A - 一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉，包括：炉体、炉排、集烟管、热解气输出管、二次燃烧室、集渣斗。本发明还提供一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法。本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉及其热解气化方法，可使得生活垃圾在炉内能够更好地发生连续的热解反应，并在热解反应过程中所需的外部输入能量少、炉膛反应状态的波动性更小、热解气成分及温度更稳定、灰渣热灼减率更低，从而有利于提高焚烧炉的运行效率、更有利于二次燃烧室的平稳运行、降低下游烟气处理系统负荷冲击，降低综合运行成本。

Description

一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法

技术领域

本发明涉及生活垃圾处理技术领域，特别是指一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法。

背景技术

相对于其它的生活垃圾处理方式来说，焚烧处理具有减量化快速、无害化彻底、污染总排放量少、资源化程度高、环境风险小等明显优势，是国内外生活垃圾处理的主流发展方向。生活垃圾焚烧处理主要有两种模式：一种是大规模集中后，采用大型焚烧系统进行焚烧发电的处理模式，另一种是根据生活垃圾的分布特征，因地制宜地采取分散式焚烧的处理模式，两种方式各有优势。

相对于大型焚烧系统来说，小型焚烧系统具有炉膛热熔小、每天只运行1 个或者2个班次而不连续运行、待处理垃圾未经堆酵、因破碎匀质及磁选等预处理工艺含水率更高、热值更低、进入炉膛后的垃圾层更加不均匀等明显特征，导致垃圾焚烧烟气温度偏低、有害污染物大量生成之外，炉膛内的温度、出炉烟气的成分及温度波动极大，不仅给下游的烟气处理系统造成巨大的负荷冲击，还会导致烟气排放时一些污染因子，尤其是一氧化碳及二噁英类物质超标。

为了解决小型生活垃圾焚烧系统的排放问题，热解气化焚烧炉受到关注和重视，其基本思路是：先将生活垃圾在炉膛内进行加热，促进垃圾发生热解反应，生成含有可燃组分，也即环保意义上的有害污染物的热解气，然后将热解气送入补充新鲜空气的二次燃烧室，热解气中的可燃组分在二次燃烧室内发生氧化反应并放出热量，一方面有害污染物被氧化分解而使得从二次燃烧室出来的烟气具有较低的有害污染物浓度，另一方面使得从二次燃烧室排出的烟气达到较高的温度而反过来促进有害污染物分解。所以这种热解气化焚烧炉的最大优点在于外排烟气中的一氧化碳及二噁英类物质浓度较低，具有较好的环保性。

但是这种热解气化焚烧炉能够稳定运行必须满足以下三个条件：

条件一，垃圾的温度必须处于能够发生热解反应的温度区间；

条件二，由于热解反应是吸热反应，所以垃圾发生热解反应时，必须持续地提供足够能量以维持热解反应的进行；

条件三，热解反应必须在密封性良好，也即无氧的环境下进行。否则垃圾受热并接触氧气之后会发生氧化反应而不是热解反应。氧化反应的产物是二氧化碳、水等不具备可燃性的物质。

为了满足上述条件一及条件二，必须向炉膛输入辅助能量以维持垃圾热解反应过程的能量平衡；为了满足上述条件三，要么将垃圾放于密封性良好的特别反应釜中，要么大幅加强炉膛的密封性设计防止外部空气进入干扰热解反应进行。即使满足上述三个必要条件仍会存在下列实际工程问题：

1)外部向炉膛输入的辅助能量要么将电能转化为热能，要么通过燃烧机燃用石化燃料产生的热能，这两种能量输入方式会造成运行成本很高而难以承受，尤其是垃圾含水率很高的情况下，需要外部输入的能量更多，运行成本更高；

2)设备的制造成本有所增加，系统运行的可靠性及稳定性不足；

3)垃圾的热解反应只能序批式地进行，也即上一批垃圾热解反应完成之后才能投入下一批垃圾，所以垃圾的综合处理速度很慢，单炉的处理能力一般难以超过2吨/天；

4)由于热解炉的运行是序批式的，热解气的成分及温度始终在波动，并时有时无，造成二次燃烧室运行不稳定并需要反复点火，不仅增加了运行成本，还会给下游的烟气处理系统造成巨大的负荷冲击；

5)操作人员的工作强度及难度大幅增加，难以实现“按键”式运行或自动化运行；

6)垃圾热解反应之后的残渣没有足够的氧化反应环节，导致灰渣中含炭含量有较高，且水果等高含水率部位形成反应不彻底的有机物核，从而灰渣的热灼减率难以达标。

基于上述问题，研究一种既能让垃圾在炉膛稳定连续地发生热解反应、热解气物的物性稳定、辅助能量小、灰渣热灼减率达标，还能降低操作人员工作强度和操作难度的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，对分散式生活垃圾焚烧处理模式发展具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法，解决现有技术中的垃圾热解气化焚烧炉无法实现垃圾在炉膛稳定连续地发生热解反应、热解气物的物性稳定差、辅助能量大、灰渣热灼减率不达标、操作人员工作强度和操作难度较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉，包括：

炉体，所述炉体内部为空腔，顶部设有进料口以及与进料口能够密封配合的进料门；

炉排，所述炉排位于所述炉体内，并将所述炉体的空腔分隔为上方的炉膛与下方的灰渣腔；所述炉排处设有布风系统；

集烟管，所述集烟管设于所述炉体的侧内壁上，通过聚气通道与所述炉膛相通；

热解气输出管，所述热解气输出管设于所述炉体的侧外壁上，且与所述集烟管相通；

二次燃烧室，所述二次燃烧室的入口与所述热解气输出管相通，出口设有烟气管；

集渣斗，所述集渣斗设于所述炉体的底部，且设有排渣口及与所述排渣口能够密封配合的排渣门。

优选地，所述进料门与所述炉体的顶部之间设有进料门驱动机构；和/或，所述排渣门与所述集渣斗之间设有排渣门驱动机构。

优选地，所述热解气输出管上设有热解温度传感器；和/或，所述烟气管上设有二燃温度传感器。根据所述热解温度传感器的数据，可以判断垃圾在炉膛发生化学反应的速度，从而为改善炉膛能量平衡关系提供决策依据。根据所述二燃温度传感器，并结合热解温度传感器的数据，可以判断热解气中可燃气体组分的热值，进而判断垃圾在所述炉膛内的化学反应状态，从而为优化炉内反应过程提供决策依据。

优选地，所述进料口的几何中心与所述炉体顶部的几何中心重合。这样设置，可使垃圾进入所述炉膛后的垃圾层在炉膛中心线上的对称性更好，以防止垃圾层向所述炉体的某一侧汇聚而造成炉膛流场，进而不利于各类反应的进行。

优选地，所述炉体的侧壁从外至内，依次设有外壳、绝热层及耐火层。这样的三层结构设置，不仅增加了所述炉体的耐久性，还减少了所述炉体散热量、增加了所述炉体的强度，炉体的外壁温度更低，发生操作人员烫伤的可能性也会降低，从而安全性更好。

优选地，所述耐火层与所述外壳之间设有拉锚，所述拉锚的一端固定在所述外壳上，另一端嵌入所述耐火层内。所述拉锚的设置，可有效防止所述耐火层的脱落，使得炉体耐火层更加坚固。

优选地，所述拉锚嵌入所述耐火层的一端为“L”形或者“T”形。

优选地，所述集渣斗内部设有拦渣条。每次外排灰渣时，由于所述拦渣条的阻拦作用，所述灰渣腔中还有一些剩余的灰渣，保留的冷态灰渣可将后续落下的炽热灰渣与集渣斗的内壁隔开，或者可减少炽热灰渣与所述集渣斗内壁接触的可能性，由于灰渣属于热的不良导体，因此可以降低集渣斗的外壁表面温度，提高焚烧炉的运行安全、降低灰渣的散热量，更有利于垃圾在炉内进行理想的反应。

优选地，所述炉膛内的垃圾层从上到下依次包括无氧氛围的预热干燥区、无氧氛围的热解气化区、贫氧氛围的深烧区、富氧氛围的燃尽区，垃圾层的物料在炉膛内从上到下运动。

本发明所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的工作过程如下：

通过所述进料门驱动机构打开所述进料门，一次性将待处理的垃圾从所述进料口进至所述炉膛，然后关闭所述进料门，使得炉外空气不能进入炉内；一燃掺烧空气经过所述布风系统进至所述炉膛，维持垃圾在所述炉膛的系列反应；垃圾在炉膛内经过预热、干燥、热解、深烧、燃尽等一系列反应之后形成灰渣及含有有机可燃组分的热解气，所述灰渣从所述炉排的缝隙落入所述灰渣腔；

所述热解气从所述聚气通道进至所述集烟管，然后通过所述热解气输出管进至所述二次燃烧室，所述热解气与同步进入所述二次燃烧室的二燃掺烧空气混合，在所述二次燃烧室内形成富氧氛围，其中的可燃组分发生氧化反应，消除烟气中的可燃组分，也即有机有害污染物的同时放出热量，将所述的热解气转化为温度更高、有机污染物浓度很低的高温烟气进入高温烟气管排出或者排入下游；其中，所述高温烟气的温度为850℃-930℃。

本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，采用所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉实现，包括如下步骤：垃圾在所述炉膛内从上向下运动，并在所述炉膛内从上到下形成无氧氛围的预热干燥区、无氧氛围的热解气化区、贫氧氛围的深烧区、富氧氛围的燃尽区。

垃圾进入所述炉膛内，首先，进入位于所述炉膛的上部的无氧氛围(这里的“无氧”是指近乎无氧的极度贫氧状态)的预热干燥区，垃圾在所述预热干燥区被预热、干燥，在预热、干燥的过程中逐渐向无氧氛围的所述热解气化区运动，并进一步吸热升温至110℃以上，使垃圾中的水分进一步蒸发，部分有机高分子组分接近裂解状态；

然后，垃圾进入所述热解气化区，在所述热解气化区中，垃圾进一步吸热、升温至热解反应可发生的温度范围内，并开始发生热解反应；所述热解反应包括垃圾中的有机高分子组分发生裂解反应、生物质组分发生干馏反应。具体而言，垃圾中的有机高分子材料组分，如各种塑料、橡胶等，在无氧氛围下受热会发生裂解反应，生成C₂H₄、C₂H₆、CH₄、H₂等可燃气体及炭黑，也即所谓的气化反应。不同的温度下的生成物成分不同，裂解温度越高产物分子越小，裂解反应一般在280℃-650℃的温度范围内进行；同时，垃圾中的生物质材料组分，如树叶、木头等，在无氧的氛围下会发生干馏反应，生成炉内呈气态的木焦油，含有CH₄、H₂、CH₃OH等可燃组分的木煤气，以及固态碳，也即所谓的炭化反应。碳化反应的温度一般在250℃-600℃的温度范围内进行，与常见的木材制炭原理相似。上述反应十分复杂，各类反应交织在一起，并没有明确的温度、时间、物理空间界限。无论裂解反应，还是干馏反应，都属于吸热反应，也即需要外部提供热量方能使得反应持续进行。使反应持续进行的热量包括从下而上、与垃圾运动方向相反的高温烟气。虽然垃圾是热的不良导体，但由于所述高温烟气从垃圾层的空隙中渗流通过，与垃圾直接充分接触，所以垃圾的吸热速度很快，热解反应得以快速地进行。

接着，垃圾经过热解反应之后，体积大幅缩小，经过热解反应之后的垃圾剩余物及固态生成物在所述炉膛内向下运动，进入中度贫氧氛围的所述深烧区，接触一次掺烧空气，在所述深烧区中发生不充分的氧化反应，生成CO、H₂等可燃组分及CO₂等不可燃组分，并放出热量；

最后，经过深烧后的垃圾剩余物及固态生成物，例如垃圾中的耐烧组分、惰性物质、固态碳等，在所述炉膛内向下运动，进入富氧的燃尽区，在所述燃尽区与含氧浓度的一燃掺烧空气接触，发生充分的氧化反应，放出热量，并形成热灼减率极低的灰渣，所述灰渣通过所述炉排的缝隙进至所述灰渣腔。

垃圾在所述炉膛内发生反应时，将一燃掺烧空气通过所述布风系统送入所述炉膛内，使部分所述一燃掺烧空气进入灰渣腔，吸收所述灰渣的部分热量后向上透过所述炉排，进入所述燃尽区、所述深烧区与其它进入所述炉膛的一燃掺烧空气掺烧，维持所述燃尽区、所述深烧区的各类反应的持续进行，所述一燃掺烧空气中的氧气组分逐渐消耗殆尽，并升高温度；然后所述一燃掺烧空气进入所述热解气化区，使垃圾在所述热解气化区内发生热解反应，形成含有可燃组分的热解气；最后，所述一燃掺烧空气进入所述预热干燥区，对垃圾进行预热、干燥，并降低温度。

优选地，所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，还包括如下步骤：

当热解温度传感器的数值高于设定范围时，减少一燃掺烧空气的流量，缩小深烧区的范围，使垃圾在炉内直接燃烧，并降低一燃掺烧空气入炉时的初始温度；

当热解温度传感器的数值在设定范围内时，维持一燃掺烧空气的流量，并提高一燃掺烧空气入炉时的初始温度；

当热解温度传感器的数值低于设定范围时，增加一燃掺烧空气的流量，扩大深烧区的范围，使部分垃圾在炉内直接燃烧，并提高一燃掺烧空气入炉时的初始温度。

优选地，所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，还包括如下步骤：

当所述一燃掺烧空气入炉时的初始温度达到最大值、所述热解温度传感器的数值低于设定范围，且与二燃温度传感器的数值之差小于设定值时，增加一燃掺烧空气的流量，并关闭二次掺烧空气，停止二次燃烧室的运行；或者，

当所述一燃掺烧空气入炉时的初始温度达到最大值、所述热解温度传感器的数值低于设定范围、且与二燃温度传感器的数值之差小于设定值时，增加一燃掺烧空气的流量，并向二次燃烧室内供入辅助燃料以维持所述二次燃烧室的运行。

垃圾在所述炉膛中发生热解反应的能量平衡关系如下：

垃圾在所述深烧区放出的热量Q_深烧、所述燃尽区放出的热量Q_燃尽之和，应与垃圾升温所需的显热Q_升温、垃圾中水分蒸发所需的潜热Q_蒸发、垃圾热解反应所需吸收的热量Q_热解、排出所述炉膛的烟气带走的能量Q_烟气、灰渣带走的热量 Q_灰渣以及所述炉体散发的热量Q_散失之和达成平衡，也即如式(1)所示的平衡。

Q_深烧+Q_燃尽＝Q_升温+Q_蒸发+Q_热解+Q_烟气+Q_灰渣+Q_散失 (1)

但是某些情况下，例如垃圾的含水率较高、Q_蒸发的值较大，或者深烧后的剩余物中含碳量较少、Q_燃尽的值较小时，式(1)所示的平衡会被打破，也就是所述深烧区与所述燃尽区放出的热量不足以平衡所述热解气化区吸收的热量，垃圾发生热解反应将向着Q_热解、Q_烟气减小以维持能量平衡的方向发展，这样就导致垃圾发生热解反应的比例逐渐降低、炉温下降，直至垃圾在炉内转化为不充分的氧化反应，也即闷烧，所述炉体排出的烟气的可燃组分大幅下降、所述二次燃烧室不能运行，烟气中的有害污染物剧增而排放超标。

为了克服这种现象发生，本发明采取提高一燃掺烧空气的温度，向炉膛输入能量Q_输入，并且通过将一部分一次掺烧空气加强与炽热的灰渣的换热，从灰渣中回收部分能量Q_灰渣回收输入，以达到如式(2)所示的平衡，促进垃圾在炉膛的热解反应的持续进行。

Q_输入+Q_灰渣回收+Q_深烧+Q_燃尽＝Q_升温+Q_蒸发+Q_热解+Q_烟气+Q_灰渣+Q_散失 (2)

当式(2)所示的方式仍不能平衡时，例如，垃圾含水量非常高时，则加大供入的一燃掺烧空气量，使得部分未充分热解的垃圾以直接燃烧，也即以发生氧化反应的方式放出热量Q_直燃，达到如式(3)所示的平衡，促进垃圾在炉膛的热解反应的持续进行。

Q_直燃+Q_输入+Q_灰渣回热+Q_深烧+Q_燃尽＝Q_升温+Q_蒸发+Q_热解+Q_烟气+Q_灰渣+Q_散失 (3)

也即在以上三种情况下，采用如下方式维持垃圾在炉膛的热解反应的持续进行：

1)当垃圾含水率较低、Q_蒸发较小时，使Q_直燃≈0、Q_输入＝0，也即无需垃圾直接燃烧放热、无需外部输入能量即可保证垃圾在炉膛的热解反应持续进行；

2)当垃圾含水率较高、Q_蒸发较大时，使Q_直燃≈0、Q_输入＞0，也即无需垃圾直接燃烧放热，仅需外部输入能量即可保证垃圾在炉膛的热解反应持续进行；

3)当垃圾含水率很高、Q_蒸发非常大时，使Q_直燃＞0、Q_输入＞0，也即垃圾直接燃烧放热与外部输入能量同时进行，以保证垃圾在炉膛的热解反应顺利进行。

优选地，优选地，所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，还包括如下步骤：

当灰渣腔中收集的所述灰渣达到设定的量，并需要外排所述灰渣时，先降低所述一燃掺烧空气及所述二燃掺烧空气的流量，通过所述排渣门驱动机构打开所述排渣门，使所述灰渣腔中收集的灰渣从所述排渣口排出炉外，然后关闭所述排渣门，恢复所述一燃掺烧空气的流量；

当垃圾在所述炉膛内发生各类反应，并由此减少至设定的量，需要补充垃圾时，先降低所述一燃掺烧空气及所述二燃掺烧空气的流量，通过所述进料门驱动机构打开所述进料门，使补充的垃圾从所述进料口进入所述炉膛，然后关闭所述进料门，恢复所述一燃掺烧空气及所述二燃掺烧空气的流量，从而实现垃圾在炉内的热解反应持续运行。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法，可使得生活垃圾在炉内能够更好地发生连续的热解反应，并在热解反应过程中所需的外部输入能量少、炉膛反应状态的波动性更小、热解气成分及温度更稳定、灰渣热灼减率更低，从而有利于提高焚烧炉的运行效率、更有利于二次燃烧室的平稳运行、降低下游烟气处理系统负荷冲击，降低综合运行成本。具体而言，

第一，所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉在运行时，绝大多时候进料门与排渣门处于关闭状态，可保证炉膛具有良好的密闭性，更有利于垃圾的热解反应进行，

第二，所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉在所述炉膛内从上到下形成无氧氛围的预热干燥区、无氧氛围的热解气化区、贫氧氛围的深烧区、富氧氛围的燃尽区，通过深烧环节、燃尽环节、一燃掺烧空气回收灰渣热量、降低炉体散热等多措施的综合运用，不仅有利于降低垃圾在炉膛维持热解反应所需的外部输入能量而降低运行成本，还有利于降低灰渣的热灼减率，从而具有更好的经济性和环保性；

第三，垃圾在所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉的炉膛的反应可维持在连续进行的状态，克服了一般小型生活垃圾热解气化焚烧炉只能序批式地运行的模式，且垃圾在热解气化区与高温的深烧后的烟气直接接触，换热速度很快，热解反应速度很大程度上取决垃圾的吸热速度，所以垃圾发生热解反应更加迅速，从而在相同时间内能够处理更多的垃圾，更有利于发展处理能力更大的炉型，或者处理设备体积小型化；

第四，垃圾在所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉的炉膛的反应波动幅度很小，热解气的成分相对更加稳定，所以二次燃烧室内的火焰更加稳定，大大降低了二次燃烧室点火的次数，不仅有利于节省成本，还降低了下游高温烟气的净化处理的负荷冲击；

第五，垃圾在所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉的炉膛的反应中，预热干燥、热解气化、深烧、燃尽不同环节在不同区域进行，垃圾入炉后依次经过预热干燥区、热解区、深烧区、燃尽区，可达到更好的反应效果和质量。垃圾热解后的灰渣热灼减率可低至3％以下，而普通的热解气化工艺的灰渣热灼减率尚难以达到5％的水平；

第六，所述小型生活垃圾热解气化焚烧炉不仅增加了所述炉体的耐久性，还减少了所述炉体散热量、增加了所述炉体的强度，炉体的外壁温度更低，发生操作人员烫伤的可能性也会降低，从而安全性更好。

附图说明

图1是本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的结构示意图；

图2是图1的A方向上的示意图；

图3是图1的Ⅰ处的局部放大图；

图4是图3的B-B方向上的局部剖视图；

图5是图1的Ⅱ处在灰渣腔未排渣之前的状态下的局部放大图；

图6是图1的Ⅱ处在灰渣腔未排渣之后的状态下的局部放大图；

图7是本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的炉体的结构示意图；

图8是本发明的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的布风系统的结构示意图；

图9是图8的I处的局部放大图；

图10是图8的布风系统的第二路风管、竖向管及向外吹风口组合件的轴测图；

图11是图8的Ⅱ处的局部放大图；

其中，1、炉体；2、炉膛；3、集烟管；4、布风系统；41、环形风管；42、供风总管；421、第一路风管；422、第二路风管；423、第三路风管；424、竖向管；43、向内吹风口；44、向外吹风口；45、第一路风；46、第二路风；47、第三路风；5、炉排；6、灰渣腔；7、集渣斗；8、排渣门；9、进料口；10、进料门；11、进料门驱动机构；12、热解温度传感器；13、热解气输出管；14、二燃温度传感器；15、烟气管；16、高温烟气；17、二次燃烧室；18、二燃掺烧空气；19、一燃掺烧空气；20、排渣口；21、排渣门驱动机构；22、外壳； 23、绝热层；24、热解气；25、拉锚；26、耐火层；27、聚气通道；271、第一聚气通道板；272、第二聚气通道板；28、灰渣；29、拦渣条；30、预热干燥区；31、热解气化区；32、深烧区；33、燃尽区。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

如图1-2所示，本发明的实施例提出的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，包括：炉体1、炉排5、集烟管3、热解气输出管13、二次燃烧室17、集渣斗7；

所述炉体1内部为空腔，顶部设有进料口9以及与进料口9能够密封配合的进料门10；为便于控制进料门10的开闭状态，本实施例中，所述进料门10 与所述炉体1的顶部之间设有进料门驱动机构11。

所述炉排5位于所述炉体1内，并将所述炉体1的空腔分隔为上方的炉膛2与下方的灰渣腔6；也就是所述炉排5与所述炉体1的侧壁内表面、顶部、进料门10围成的空间为所述炉膛2，所述炉排5与所述炉体1的侧壁内表面、所述集渣斗7内表面、排渣门8围成的空间为灰渣腔6；所述炉排5处设有布风系统4；

所述集烟管3设于所述炉体1的侧内壁上，通过聚气通道27与所述炉膛 2相通；其中，如图3所示，所述聚气通道27由第一聚气通道板271、第二聚气通道板272构成；所述第一聚气通道板271的一端固定于所述炉体1内壁上，另一端为自由端，并向所述第二聚气通道板272延伸；所述第二聚气通道板 272的一端固定于所述炉体1内壁上，另一端为自由端，并向所述第一聚气通道板271延伸；所述第一聚气通道板271、第二聚气通道板272之间呈锐角，且在所述第一聚气通道板271与第二聚气通道板272的自由端处形成适于气体通过的朝向所述炉体1底部的缝隙。

所述热解气输出管13设于所述炉体1的侧外壁上，且与所述集烟管3相通；

所述二次燃烧室17的入口与所述热解气输出管13相通，出口设有烟气管 15；

所述集渣斗7设于所述炉体1的底部，且设有排渣口20及与所述排渣口 20能够密封配合的排渣门8。为便于控制排渣门8的开闭状态，本实施例中，所述排渣门8与所述集渣斗7之间设有排渣门驱动机构21。

为便于判断垃圾在炉膛发生化学反应的速度，从而为改善炉膛能量平衡关系提供决策依据，本实施例中，所述热解气输出管13上设有热解温度传感器 12。作为本实施例的优选实现方式，所述烟气管15上设有二燃温度传感器14。根据所述二燃温度传感器14，并结合所述热解温度传感器12的数据，可以判断热解气中可燃气体组分的热值，进而判断垃圾在所述炉膛2内的化学反应状态，从而为优化炉内反应过程提供决策依据。

所述进料口9的几何中心与所述炉体1顶部的几何中心重合。这样设置，可使垃圾进入所述炉膛2后的垃圾层在炉膛中心线上的对称性更好，以防止垃圾层向所述炉体1的某一侧汇聚而造成炉膛流场，进而不利于各类反应的进行。

如图4所示，所述炉体1的侧壁从外至内，依次设有外壳22、绝热层23 及耐火层26。三层结构的设置，不仅增加了所述炉体1的耐久性，还减少了所述炉体1的散热量、增加了所述炉体1的强度。

作为本实施的优选实现方式，所述耐火层26与所述外壳22之间设有拉锚 25，所述拉锚25的一端固定在所述外壳22上，另一端嵌入所述耐火层26内。所述拉锚25的设置，可有效防止所述耐火层26的脱落，使得炉体耐火层更加坚固。本实施例中，所述拉锚25嵌入所述耐火层26的一端为“L”形，这样的结构嵌入所述耐火层26中更为稳固，不易脱落。需要说明的是，所述拉锚 25的具体结构设计方式并不唯一，所述拉锚25嵌入所述耐火层26的一端还可以是“T”形。

作为本实施例的优选实现方式，所述集渣斗7内部设有拦渣条29，所述拦渣条29设于所述集渣斗7的内表面上。每次外排灰渣时，由于所述拦渣条 29的阻拦作用，所述灰渣腔6中还有一些剩余的灰渣，如图5-6所示，保留的冷态灰渣可将后续落下的炽热灰渣28与集渣斗7的内壁隔开，或者可减少炽热灰渣与所述集渣斗内壁接触的可能性，由于灰渣属于热的不良导体，因此可以降低集渣斗7的外壁表面温度，提高焚烧炉的运行安全、降低灰渣的散热量，更有利于垃圾在炉内进行理想的反应。

作为本实施例优选的实现方式，如图8-11所示，所述布风系统4包括环形风管41与供风总管42，所述环形风管41环设于炉体1的侧壁内部，并周向设有与炉膛2相通的向内吹风口43；所述向内吹风口43的气体出口处指向所述炉膛2的中心线；所述供风总管42设于所述炉体1外部，且设有第一路风管421、第二路风管422、第三路风管423；所述第一路风管421穿过所述炉体1的侧壁，并与所述环形风管41相通；所述第二路风管422穿过所述炉体1的侧壁，并延伸至灰渣腔6；所述第二路风管422上设有与所述灰渣腔6 相通的竖向管424；所述竖向管424穿过炉排5，延伸至所述炉膛2，且设有与所述炉膛2相通的向外吹风口44；所述向外吹风口44的气体出口处指向所述炉膛2的四周侧壁；所述第三路风管423穿过集渣斗7的侧壁，并延伸至所述灰渣腔6。

一燃掺烧空气19进入所述供风总管42中，并分为三条气路：

第一路风45经所述第一路风管421进至所述环形风管41，然后从所述向内吹风口43进至所述炉膛2的深烧区中参与垃圾燃烧；

第二路风46经所述第二路风管422，进至所述竖向管424，再从所述向外吹风口44进至所述炉膛2的深烧区参与垃圾热解剩余物的燃烧，

第三路风47经所述第三路风管423进至所述灰渣腔6，与灰渣发生换热的同时转而向上流动，越过所述炉排5的缝隙进至所述炉膛2的燃尽区，参与垃圾深烧剩余物的燃烧。

将掺烧空气分三路空气主动输送到炉膛不同的反应区以维持垃圾反应，主动控制炉内流场，可根据垃圾在不同反应区的需氧规律而对相应区域进行供氧量主动控制，有利于提高炉膛流场的稳定性、优化垃圾的反应过程、降低垃圾发生各类反应的外部能量消耗及灰渣的热灼减率、提高热解气的成分稳定性及二次燃烧室的运行平稳性，便于热解气的进一步处理，为焚烧炉达到更好的排放水平创造有利条件。

作为本实施例的优选实现方式，所述向外吹风口44的气体出口处与所述炉膛2的中心线之间的距离沿所述竖向管424自上而下均匀增加。这样的设置，使得所述向外吹风口44的气体出口处位置越低，也即越靠近所述炉排5时，其气体出口处距离所述炉膛2的中心线越远，进而使所有的所述向外吹风口 44形成一个大致的“宝塔状”，该结构更有利于垃圾热解剩余物进入深烧区，并使经过深烧区的垃圾深烧剩余物进入燃尽区时更加松散，且第二路风管422 中的气体的分布更加均匀，可加快深烧区及燃尽区的反应速度。

所述向外吹风口44的结构设计并不唯一，本实施例中，提供一种具体的设计方式，所述竖向管44位于所述炉膛2的中心线上，且所述向外吹风口44 为设于所述竖向管424上的吹风管；所述吹风管沿所述竖向管424自上而下周向设置，且水平位置高的所述吹风管的长度小于水平位置低的所述吹风管的长度，使所述吹风管的气体出口处与所述炉膛2的中心线的距离自上而下均匀增加。

为形成理想的流场，所述向内吹风口43的气体出口方向为倾斜向上。也就是所述向内吹风口43的气体出口方向为斜向上指向所述炉膛2的中心线。所述向内吹风口43的气体出口方向与水平面之间具有20°-45°的夹角α。存在上述取值范围内的夹角α有利于所述第一路风管的气体在所述深烧区内分布更加均匀，从而改善垃圾热解剩余物的深烧效果。

本实施例所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的工作过程如下：

通过所述进料门驱动机构11打开所述进料门10，将待处理的垃圾从所述进料口9进至所述炉膛2，然后关闭所述进料门10，使得炉外空气不能进入炉内；一燃掺烧空气19经过所述布风系统4进至所述炉膛2，维持垃圾在所述炉膛2的系列反应；垃圾在炉膛2内经过预热、干燥、热解、深烧、燃尽等一系列反应之后形成灰渣28及含有有机可燃组分的热解气24，所述灰渣28从所述炉排5的缝隙落入所述灰渣腔6；

所述热解气24从所述聚气通道27进至所述集烟管3，然后通过所述热解气输出管13进至所述二次燃烧室17，所述热解气24与同步进入所述二次燃烧室17的二燃掺烧空气18混合，在所述二次燃烧室7内形成富氧氛围，其中的可燃组分发生氧化反应，放出热量，将所述的热解气24转化为温度更高、有机污染物浓度很低的高温烟气16进入高温烟气管15排出或者排入下游；其中，所述高温烟气16的温度为850℃-930℃；

当灰渣腔6中收集的所述灰渣28达到设定的量，并需要外排所述灰渣28 时，先降低所述一燃掺烧空气19及所述二燃掺烧空气18的流量，通过所述排渣门驱动机构21打开所述排渣门8，使所述灰渣腔6中收集的灰渣28从所述排渣口20排出炉外，然后关闭所述排渣门8，恢复所述一燃掺烧空气19的流量；

当垃圾在所述炉膛2内发生各类反应，并由此减少至设定的量，需要补充垃圾时，先降低所述一燃掺烧空气19及所述二燃掺烧空气18的流量，通过所述进料门驱动机构11打开所述进料门10，使补充的垃圾从所述进料口9进入所述炉膛2，然后关闭所述进料门9，恢复所述一燃掺烧空气19及所述二燃掺烧空气18的流量，从而实现垃圾在炉内的热解反应持续运行。

实施例2

本实施例的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，如图7所示，采用实施例1中所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉实现，其包括如下步骤：

垃圾在所述炉膛2内从上向下运动，并在所述炉膛2内从上到下形成无氧氛围的预热干燥区30、无氧氛围的热解气化区31、贫氧氛围的深烧区32、富氧氛围的燃尽区33。

具体而言，垃圾进入所述炉膛2内，首先，进入无氧氛围(这里的“无氧”是指近乎无氧的极度贫氧状态)的预热干燥区30，垃圾在所述预热干燥区30 被预热、干燥，在预热、干燥的过程中逐渐向无氧氛围的所述热解气化区31 运动，并进一步吸热升温至110℃以上，使垃圾中的水分进一步蒸发，部分有机高分子组分接近裂解状态；

然后，垃圾进入所述热解气化区31，在所述热解气化区31中，垃圾进一步吸热、升温至热解反应可发生的温度范围内，并开始发生热解反应；所述热解反应包括垃圾中的有机高分子组分发生裂解反应、生物质组分发生干馏反应。具体而言，垃圾中的有机高分子材料组分，如各种塑料、橡胶等，在无氧氛围下受热会发生裂解反应，生成C₂H₄、C₂H₆、CH₄、H₂等可燃气体及炭黑，也即所谓的气化反应。不同的温度下的生成物成分不同，裂解温度越高产物分子越小，裂解反应一般在280℃-650℃的温度范围内进行；同时，垃圾中的生物质材料组分，如树叶、木头等，在无氧的氛围下会发生干馏反应，生成炉内呈气态的木焦油，含有CH₄、H₂、CH₃OH等可燃组分的木煤气，以及固态碳，也即所谓的炭化反应。碳化反应的温度一般在250℃-600℃的温度范围内进行，与常见的木材制炭原理相似。上述反应十分复杂，各类反应交织在一起，并没有明确的温度、时间、物理空间界限。无论裂解反应，还是干馏反应，都属于吸热反应，也即需要外部提供热量方能使得反应持续进行。使反应持续进行的热量包括从下而上、与垃圾运动方向相反的高温烟气。虽然垃圾是热的不良导体，但由于所述高温烟气从垃圾层的空隙中渗流通过，与垃圾直接充分接触，所以垃圾的吸热速度很快，热解反应得以快速地进行。

接着，经过热解反应之后的垃圾剩余物及固态生成物在所述炉膛2内向下运动，进入中度贫氧氛围的所述深烧区32，接触一次掺烧空气，在所述深烧区32中发生不充分的氧化反应，生成CO、H₂等可燃组分及CO₂等不可燃组分，并放出热量；

最后，经过深烧后的垃圾剩余物及固态生成物，例如垃圾中的耐烧组分、惰性物质、固态碳等，在所述炉膛2内向下运动，进入富氧的燃尽区33，在所述燃尽区33与含氧浓度的一燃掺烧空气接触，发生充分的氧化反应，放出热量，并形成热灼减率极低的灰渣28，所述灰渣28通过所述炉排5的缝隙进至所述灰渣腔6。

可见，垃圾及其各级反应产物、剩余物在所述炉膛2内的运动是逐渐下行的，形态变化过程是从原生垃圾逐渐变为干垃圾、热解剩余物、深烧剩余物、灰渣28。

作为本实施的优选实现方式，垃圾在所述炉膛2内发生反应时，将一燃掺烧空气19通过所述布风系统4送入所述炉膛2内，使部分所述一燃掺烧空气 19进入所述灰渣腔6，吸收所述灰渣28的部分热量后向上透过所述炉排5进入所述燃尽区33、所述深烧区32与其它进入所述炉膛的一燃掺烧空气掺烧，维持所述燃尽区33、所述深烧区32的各类反应的持续进行，所述一燃掺烧空气19中的氧气组分逐渐消耗殆尽，并升高温度；然后所述一燃掺烧空气19 进入所述热解气化区31，使垃圾在所述热解气化区31内发生热解反应，形成含有可燃组分的热解气24；最后，所述一燃掺烧空气19进入所述预热干燥区 30，对垃圾进行预热、干燥，并降低温度。

可见，所述一燃掺烧空气19在所述炉膛2内的运动是逐渐上行的，其温度变化历程是先升高、然后降低，其含氧量的变化历程是逐渐降至零。

作为本实施例的优选实现方式，对垃圾在炉膛2内发生反应进行控制，包括如下步骤：

当热解温度传感器12的数值高于设定范围时，减少一燃掺烧空气19的流量，缩小深烧区32的范围，并降低一燃掺烧空气19入炉时的初始温度；

所述热解温度传感器12的数值高于设定范围时，也就是所述热解气24 的温度过高，所述炉膛2内的垃圾的含水率很低，此时，适当减少所述一燃掺烧空气19的流量，缩小所述深烧区32的范围，防止垃圾发生直接燃烧的情况，同时降低所述一燃掺烧空气19入炉时的初始温度，例如，关闭对所述一燃掺烧空气19加热的辅助升温装置，减少向所述炉膛2的辅助能量输入。

当热解温度传感器12的数值在设定范围内时，维持一燃掺烧空气19的流量，并提高一燃掺烧空气19入炉时的初始温度；

所述热解温度传感器12的数值在设定范围内时，也就是所述热解气24 的温度较高，所述炉膛2内的垃圾的含水率较高，此时，稍微减少所述一燃掺烧空气19的流量，减少垃圾发生直接燃烧的可能，但是应启动所述一燃掺烧空气19的辅助升温装置，向所述炉膛2内输入辅助能量；

当热解温度传感器12的数值低于设定范围时，增加所述一燃掺烧空气19 的流量，扩大深烧区32的范围，使部分垃圾在炉内直接燃烧，并提高一燃掺烧空气19入炉时的初始温度。

所述热解温度传感器12的数值低于设定范围，也就是所述热解气24的温度过低，所述炉膛2内的垃圾的含水量很高，此时，增加所述一燃掺烧空气 19的流量，扩大深烧区32的范围，促进一部分垃圾在炉内直接燃烧，并提高所述一燃掺烧空气19入炉时的初始温度，例如，采用辅助升温装置，并提高辅助升温装置的功率，向炉膛2内输入更多的辅助能量，以促进垃圾进行热解反应。

作为本实施例的优选实现方式，当所述一燃掺烧空气19入炉时的初始温度达到最大值、所述热解温度传感器12的数值低于设定范围，且与二燃温度传感器14的数值之差小于设定值时，增加一燃掺烧空气19的流量，并关闭二次掺烧空气18，停止二次燃烧室17的运行；或者，向二次燃烧室17内供入辅助燃料以维持所述二次燃烧室17的运行。

所述一燃掺烧空气19入炉时的初始温度达到最大值，也就是所述一燃掺烧空气19的辅助升温装置已经达到最大功率，所述热解温度传感器12探测到所述热解气24的温度仍低于设定范围，所述热解温度传感器12与二燃温度传感器14的数值之差小于设定值，例如趋于零时，说明此时垃圾的含水量极高，已无法在所述炉膛2进行热解反应，将所述一燃掺烧空气19进一步加大流量，并关闭二次掺烧空气18或者向二次燃烧室17内供入辅助燃料，使垃圾在炉内的反应全部转化为氧化反应。

还需说明的是，本发明所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉及热解气化方法主要用于小型生活垃圾焚烧炉，但也可用于其它的场合，包括但不限于中型生活垃圾焚烧炉、医疗垃圾焚烧炉、工业固废焚烧炉等等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，包括：

炉体(1)，所述炉体(1)内部为空腔，顶部设有进料口(9)以及与进料口(9)能够密封配合的进料门(10)；

炉排(5)，所述炉排(5)位于所述炉体(1)内，并将所述炉体(1)的空腔分隔为上方的炉膛(2)与下方的灰渣腔(6)；所述炉排(5)处设有布风系统(4)；

集烟管(3)，所述集烟管(3)设于所述炉体(1)的侧内壁上，通过聚气通道(27)与所述炉膛(2)相通；

热解气输出管(13)，所述热解气输出管(13)设于所述炉体(1)的侧外壁上，且与所述集烟管(3)相通；

二次燃烧室(17)，所述二次燃烧室(17)的入口与所述热解气输出管(13)相通，出口设有烟气管(15)；

集渣斗(7)，所述集渣斗(7)设于所述炉体(1)的底部，且设有排渣口(20)及与所述排渣口(20)能够密封配合的排渣门(8)。

2.根据权利要求1所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述进料门(10)与所述炉体(1)的顶部之间设有进料门驱动机构(11)；和/或，所述排渣门(8)与所述集渣斗(7)之间设有排渣门驱动机构(21)。

3.根据权利要求1所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述热解气输出管(13)上设有热解温度传感器(12)；和/或，所述烟气管(15)上设有二燃温度传感器(14)。

4.根据权利要求1所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述炉体(1)的侧壁从外至内，依次设有外壳(22)、绝热层(23)及耐火层(26)。

5.根据权利要求4所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述耐火层(26)与所述外壳(22)之间设有拉锚(25)，所述拉锚(25)的一端固定在所述外壳(22)上，另一端嵌入所述耐火层(26)内。

6.根据权利要求5所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述拉锚(25)嵌入所述耐火层(26)的一端为“L”形或者“T”形。

7.根据权利要求1所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉，其特征在于，所述集渣斗(7)内部设有拦渣条(29)。

8.一种小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，采用权利要求1-7中任意一项所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉实现，其特征在于，包括如下步骤：垃圾在炉膛(2)内从上向下运动，并在所述炉膛(2)内从上到下形成无氧氛围的预热干燥区(30)、无氧氛围的热解气化区(31)、贫氧氛围的深烧区(32)、富氧氛围的燃尽区(33)。

9.根据权利要求8所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当热解温度传感器(12)的数值高于设定范围时，减少一燃掺烧空气(19)的流量，缩小深烧区(32)的范围，并降低一燃掺烧空气(19)入炉时的初始温度；

当热解温度传感器(12)的数值在设定范围内时，维持一燃掺烧空气(19)的流量，并提高一燃掺烧空气(19)入炉时的初始温度；

当热解温度传感器(12)的数值低于设定范围时，增加一燃掺烧空气(19)的流量，扩大深烧区(32)的范围，使部分垃圾在炉内直接燃烧，并提高一燃掺烧空气(19)入炉时的初始温度。

10.根据权利要求9所述的小型生活垃圾热解气化焚烧炉的热解气化方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当所述一燃掺烧空气(19)入炉时的初始温度达到最大值、所述热解温度传感器(12)的数值低于设定范围，且与二燃温度传感器(14)的数值之差小于设定值时，增加一燃掺烧空气(19)的流量，并关闭二次掺烧空气(18)，停止二次燃烧室(17)的运行；或者，

当所述一燃掺烧空气(19)入炉时的初始温度达到最大值、所述热解温度传感器(12)的数值低于设定范围、且与二燃温度传感器(14)的数值之差小于设定值时，增加一燃掺烧空气(19)的流量，并向二次燃烧室(17)内供入辅助燃料以维持所述二次燃烧室(17)的运行。

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