CN115261080B - 一种三段式固废城市生活垃圾气化炉及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉及使用方法，包括固废垃圾进料装置、干燥热解段、残碳气化段和残渣熔融段，其中，所述固废垃圾进料装置上设置有垃圾进料口和垃圾出料口，所述垃圾出料口连接干燥热解段上的垃圾入口，所述干燥热解段上设置的热解气体出口连接残碳气化段上设置有气体入口，所述残碳气化段上设置的飞灰出口连接残渣熔融段，所述残渣熔融段上设置有玻化出渣口；本发明采用可分段安装布置的三段式炉体结构，方便拆卸安装；各段气化炉内热负荷分布合理，垃圾按照热解气化熔融的顺序逐段减量，熔融区能保持高温，使液态排渣顺利进行，达到固废垃圾的无害化处理。

Description

一种三段式固废城市生活垃圾气化炉及使用方法

技术领域

本发明属于固废减量化资源化无害化处理技术领域，具体涉及一种三段式固废城市生活垃圾气化炉及使用方法。

背景技术

我国增长中的人口数量和经济、社会的发展，带来区域内垃圾产生量的迅速增加，由此产生很大的环境压力,固废及城市生活垃圾处理“减量化、资源化、无害化”已成为城市可持续发展战略的重要组成部分。

固废和生活垃圾的焚烧、热解、气化均可实现城市生活垃圾的减量化资源化和无害化,但焚烧飞灰含有二恶英及重金属等有害物,必须进行必要的稳定化固化处理,填埋处理仍然存在占用宝贵的土地资源和污染的风险；固废与垃圾热解产生合成气焦油和还原碳等混合物,热解产物中仍有二恶英和重金属以及飞灰造成的污染；高温气化能够将固废和生活垃圾在高温下彻底分解为含氢和一氧化碳的合成气,气化残渣在高温环境下被熔融为玻璃态渣,重金属及灰分完全被封存在玻璃体中,不会对环境造成影响.因此,固废和垃圾高温气化技术是目前最安全最环保的固废垃圾处理技术。

然而现阶段的固废垃圾气化技术尚有许多不足之处，首先，用等离子体炬直接高温气化垃圾需要消耗大量电力，其耗电率可达其产电能力的30％～45％，由于耗电过高导致运营成本大大增加，使其不具备商业运行的价值。其二，使用等离子体炬直接气化垃圾，由于其温度场分布不均，使垃圾不能完全被高温处理，排出的废渣中仍会存在二噁英和其他有害物质,导致废渣不能完全无害化,而需进一步处理。第三，后续气体净化过程产生的飞灰未继续处理,仍存在潜在的污染；第四，固废垃圾的干燥、气化、残渣熔融、气体净化在一个气化炉内发生反应，造成合成气出口温度过高，携带大量的粉尘，造成下游管道设备的堵塞和腐蚀。第五，现有固废垃圾气化炉设计中未充分考虑固废垃圾热值低、易热解、含水量高、体积密度小的特点，炉膛结构大多为单一的圆柱体或圆锥体，固废垃圾在热解气化阶段在炉内没有足够的停留时间，尚未完全热解的垃圾及碳化渣进入熔融段，导致的垃圾中含碳成分转化率偏低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三段式固废城市生活垃圾气化炉及使用方法，解决了现有技术中存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，包括固废垃圾进料装置、干燥热解段、残碳气化段和残渣熔融段，其中，所述固废垃圾进料装置上设置有垃圾进料口和垃圾出料口，所述垃圾出料口连接干燥热解段上的垃圾入口，所述干燥热解段上设置的热解气体出口连接残碳气化段上设置有气体入口，所述残碳气化段上设置的飞灰出口连接残渣熔融段，所述残渣熔融段上设置有玻化出渣口。

优选地，包括干燥热解炉本体，所述干燥热解炉本体的内顶部转动安装有垃圾抛洒分配装置；

所述干燥热解炉本体的底部侧壁上设置有两个氧气蒸汽混合喷嘴，两个氧气蒸汽混合喷嘴对称布置。

优选地，所述垃圾抛洒分配装置为伞状结构。

优选地，所述干燥热解炉本体的底部侧壁上安装有两个垃圾热解残渣推杆，两个垃圾热解残渣推杆对称布置。

优选地，所述垃圾抛洒分配装置的表面为多孔透气表面。

优选地，所述残碳气化段包括残碳气化炉，所述残碳气化炉的同一侧面上设置第一氧气喷嘴和蒸汽喷嘴；

所述残碳气化炉与该同一侧面对称的另一侧面上设置有合成气出口，所述合成气出口设置在残碳气化炉的顶部；

所述合成气出口连接有高温旋风分离器，所述高温旋风分离器的飞灰出口连接有残渣熔融段。

优选地，所述残渣熔融段包括残渣熔融炉，所述残渣熔融炉的一侧壁上设置有第二氧气喷嘴和天然气喷嘴；

所述残渣熔融炉与该一侧壁对称的一侧壁上设置有等离子体柜；

所述残渣熔融炉的顶部侧壁上设置有飞灰循环入口，所述飞灰循环入口连接残碳气化段的飞灰出口；

所述残渣熔融炉的底部开设有玻化出渣口。

一种三段式固废城市生活垃圾气化炉的使用方法，包括以下步骤：

固废垃圾物料从垃圾进料装置的垃圾进料口进入送至干燥热解段进行干燥、热解，得到气液固三相产物；

得到的气液固三相产物之后进入残碳气化段进行气化，气化后的气化进行分离，得到的飞灰进入残渣熔融段进行熔融，得到包裹有重金属的玻态渣排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，根据固废垃圾随温度的物态变化转化过程，将固废垃圾的气化过程分解为三段，分别是干燥热解段、残碳气化段、残渣熔融段三段，根据每段物料的体积大小和温度相应布置炉膛的大小尺寸，干燥热解段直径最大，顶盖上悬吊可转动的伞形垃圾抛洒装置，入炉垃圾在转动的伞形斜面干燥后甩落至水平倾斜炉排，干燥垃圾在水平倾斜炉排上热解减量，残碳沿斜面下行滑落至残碳气化段；残碳气化段直径和体积大大小于干燥热解段，下部的锥形喉部直径小于上部的喉径直径，热解的残碳滑落至下部斜面继续气化，气化后的残渣滑落入入残渣熔融段，热解和残碳气化产生的合成气由残碳气化段的上部流入旋风分离器，气体进入后续应用，飞灰循环至残渣熔融段；残渣熔融段的直径和体积最小，两侧设置等离子炬和天然气及氧气喷嘴维持1500℃的高温环境，熔融的玻态渣经下部的渣口流出冷却为玻璃态渣；本发明采用可分段安装布置的三段式炉体结构，方便拆卸安装；各段气化炉内热负荷分布合理，垃圾按照热解气化熔融的顺序逐段减量，熔融区能保持高温，使液态排渣顺利进行，达到固废垃圾的无害化处理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1垃圾进料口，2垃圾输送推杆，3进料挡板，4伞状垃圾抛洒装置，5干燥热解炉，6炉内垃圾推杆，7蒸汽氧气混合喷嘴，8蒸汽喷嘴，9氧气喷嘴，10残碳气化炉，11等离子炬12旋风分离器，13天然气喷嘴，14氧气喷嘴，15残渣熔融炉，16玻化渣出口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，适用于任何碳氢可燃物固废垃圾气化处理装置，液态排渣，实现垃圾的无害化处理。与传统垃圾气化炉炉膛相比，区别在于将固废垃圾的气化分为干燥热解、残碳气化、残渣熔融三个阶段，针对三个阶段需要的不同温度和气氛环境，采用不同的结构、不同尺寸的炉膛，保证炉内温度的均匀性和稳定性，使固废垃圾在每一阶段均得到充分的热解和气化，达到减量化无害化处理。

本发明充分考虑了固废垃圾热值低、含水量高、体积密度小的特点，提供一种热解、残碳气化、残渣熔融集成的三段式固废垃圾气化炉，主要解决现有等离子气化炉存在的如下问题：(1)采用从上到下依次为热解、残碳气化、残渣熔融的三段式结构，热解段采用大尺寸水平倾斜的炉膛结构，固废垃圾在此充分干燥热解，实现固废垃圾的减量化，解决现有圆柱式或圆锥体炉膛垃圾停留时间短不能充分热解气化的问题。(2)残碳气化段通入氧气及水蒸汽，将热解段产生的残余碳继续气化，残碳气化段形成850℃以上的高温环境，解决热解段产生的焦油等液体的气化，以及二噁英等污染物的气化分解。(3)残碳气化段的上部出口连接高温旋风分离器，可将固废垃圾气化后合成气中的粉尘颗粒依靠离心力分离下来，得到含尘量低的合成气。(4)残渣熔融段设置等离子体、氧气、天然气等，形成1500℃的高温环境，残碳气化段生成的残渣和旋风分离器分离的飞灰在此气化熔融形成玻璃态渣，将重金属等污染物包裹在玻璃体中，实现固废垃圾的无害化处理。

具体地，本发明提供的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，包括从上到下的固废垃圾进料装置、干燥热解段、残碳气化段和残渣熔融段，其中：

所述垃圾进料装置上设置有垃圾进料口1和垃圾出料口，所述垃圾出料口与干燥热解段上部的垃圾入口相连接，所述干燥热解段的热解残渣出口通过第一缩小喉部与残碳气化段的进料口连接；所述残碳气化段上的飞灰出口与残渣熔融段的入口连接；所述残渣熔融段上设置有玻化出渣口16。

所述垃圾进料装置的垃圾出料口与干燥热解段的垃圾入口之间为直角结构。

所述干燥热解段的垃圾入口处设置有进料挡板3，垃圾进料时，垃圾输送推杆2推动垃圾将进料挡板顶起，垃圾落入干燥热解段，进料推杆抽回后进料挡板依靠重力落下挡住垃圾入口，防止热量及热解气体外泄至垃圾进料装置。

所述垃圾输送推杆2水平设置在垃圾进料装置1的底部，垃圾输送推杆2的前端固定有顶板，顶板与垃圾进料装置底部通道形状相同，尺寸略小于进料装置底部通道便于活动不发生卡涩。垃圾从垃圾进料装置的上方进料口落入干燥热解段的进料口水平段，通过垃圾输送推杆2带动顶板将垃圾向干燥热解段的入口。

所述干燥热解段包括干燥热解炉本体5，所述干燥热解炉本体5的外壳为漏斗型结构。

所述干燥热解炉本体5的壳体内顶部设置有垃圾抛洒分配装置4，所述垃圾抛洒分配装置4通过吊杆与安装在顶部的减速驱动结构连接，用以实现垃圾抛洒分配装置4的转动。

所述垃圾抛洒分配装置4为伞状结构，且垃圾抛洒分配装置4的表面为多孔透气表面，该结构使得炉内热空气可穿过多孔透气表面干燥进入干燥热解炉的固废垃圾。

所述干燥热解炉本体5的底部侧壁上设置有两个氧气蒸汽混合喷嘴7，两个氧气蒸汽混合喷嘴7对称布置。

所述干燥热解炉本体5的底部侧壁上安装有两个垃圾热解残渣推杆6，两个垃圾热解残渣推杆6对称布置。

所述垃圾热解残渣推杆6置于干燥热解炉的底部倾斜面上，可沿干燥热解炉的底部倾斜面活动并将垃圾热解后产物沿斜面向下推送落入气化段。

所述水平倾斜炉膛与水平夹角10～20°，便于固废垃圾在炉内的堆积，延长停留时间，利于热解后的残渣受重力作用沿倾角斜面向下移动，炉膛底部对称设置氧气蒸汽混合喷嘴，炉膛侧面两侧沿水平倾斜炉膛表面设置垃圾热解残渣推杆6，将热解残渣沿水平倾斜炉膛表面向下推送。

所述残碳气化段包括残碳气化炉10，所述残碳气化炉10的底部为漏斗型结构，且通过第二缩小喉部结构与残渣熔融段连接。

所述第一缩小喉部的直径大于第二缩小喉部的直径。

所述残碳气化炉10的同一侧面上设置第一氧气喷嘴9和蒸汽喷嘴8。

所述残碳气化炉10与该同意侧面对称的另一侧面上设置有合成气出口，所述合成气出口设置在残碳气化炉10的顶部。

所述合成气出口连接有高温旋风分离器12，通过高温旋风分离器将合成气中的飞灰进行旋风分离。

所述残渣熔融段包括残渣熔融炉15，所述残渣熔融炉15的底部为漏斗型结构，所述残渣熔融炉15的底部出口连接有第三缩小喉部。

所述第三缩小喉部的直径与第二缩小喉部的直径相等。

所述残渣熔融炉15的一侧壁上设置有第二氧气喷嘴14和天然气喷嘴13。

所述残渣熔融炉15与该一侧壁对称的一侧壁上设置有等离子体柜11，所述等离子体柜11置于残渣熔融炉15的底部。

所述等离子体柜11用于补充和维持残渣熔融段的1500℃的高温环境。

所述残渣熔融炉15的顶部侧壁上设置有飞灰循环入口，所述飞灰循环入口与高温旋风分离器12的飞灰出口连接，用以从高温旋风分离器分离的飞灰由飞灰循环入口进入残渣熔融段，在高温环境下熔融为液态玻化渣。

所述残渣熔融炉15的底部设置有玻化出渣口16，用以将熔融液态渣进行冷却。

本发明的工作过程：

固废垃圾物料从垃圾进料装置的垃圾进料口1落入垃圾进料水平段，由垃圾输送推杆将垃圾沿水平方向送入干燥热解段入口，固废垃圾落在转动的垃圾抛洒装置上缓慢转动并滑落至干燥热解炉内，在600℃的高温环境下进行干燥、热解，垃圾内的水分以及挥发分受热从垃圾内析出，生成H₂、CH₄、CO、CO₂、H₂O、二噁英等混合气体，有机酸、芳烃、焦油等液体，炭黑等残碳固体，固废及垃圾减量至70～80％。

热解的气液固三相产物下行至残碳气化段，在850℃以上的高温条件下，气态的二噁英完全分解为H₂和CO，CO和CH₄与水蒸气反应部分生成H₂和CO₂。热解过程产生的有机酸、芳烃、焦油等液体完全分解为H₂和CO，热解过程产生的炭黑等残碳在高温及氧气和水蒸气的气氛下气化分解为H₂、CH₄、CO、CO₂等混合物。残碳气化段固废垃圾继续减量至80～85％，产生的混合气体从气化段的上部导出进入旋风分离器进行气固分离，气体进入下一净化工段，分离下来的固体飞灰循环落入残渣熔融段。热解的残碳固体气化后剩余的残渣也落入残渣熔融段进行熔融。

残渣熔融段两侧设置等离子炬和天然气及氧气喷嘴维持1500℃的高温环境，由残碳气化段和旋风分离循环的飞灰在1500℃的高温环境下完全熔融，熔融的玻态渣经下部的渣口流出冷却为玻璃态渣。玻态渣将固废垃圾中的重金属等水溶性有害物完全包裹在其中，完全达到固废垃圾的无害化处理。

残渣熔融段配置的等离子炬11、天然气喷嘴13和第二氧气喷嘴14用于提供灰渣熔融所需的能量，熔融后的灰渣从气化炉底部的排渣口流出，气化产生的气体从残碳气化段的上部侧面导出，除尘后供后续发电或制氢使用。

固废垃圾在所述气化炉下行过程中进行了充分的干燥、热解，热解气体下行在残碳气化段与残渣熔融段上升气流与物料进行充分换热，将热解过程产生的焦油和大分子有机物进一步裂解为小分子气体，提高固废垃圾的能量转化率。

灰渣熔融过程中将固废垃圾中的重金属熔融包裹在玻态渣中，达到固废垃圾的无害化处理。

气化炉设采用三段式的固废垃圾气化炉结构，可以实现:

(1)干燥热解段的直径和体积最大，并设置了伞形固废垃圾抛洒分配装置，以及水平倾斜炉排，增大了固废垃圾在干燥热解段的运转行程和停留时间，能够保证固废垃圾在干燥气化段得到充分的干燥，并在倾角10～20°倾斜炉排上缓慢向下移动，充分热解实现减量减容至70～80％。采用旋转抛洒分配固废垃圾和对称结构，能够实现干燥热解段炉膛内温度的均匀分布。

(2)残碳气化段直径和体积大大减小，侧面配置氧喷嘴和蒸汽喷嘴，与干燥热解段连接的喉部直径小于与残渣熔融段连接的喉部直径，残碳滑落至下部炉膛斜面，能够将热解残碳分解为H2、CO，重量体积进一步降低。

残碳气化产生的热量以及灰渣熔融段上升的热量将残碳气化段的温度维持在800～1000℃，固废垃圾气化采用下行气化方式，热解产生的焦油、大分子有机物以及二噁英在800～1000℃高温环境下完全分解。合成气在炉外旋风分离器内进行气固分离，分离产生的飞灰循环至残渣熔融段进行熔融玻化处理，实现固废垃圾气化的无害化。

(3)残渣熔融段的体积最小，高度最小，布置天然气氧气喷嘴，以及等离子炬，维持1500℃高温环境，热负荷高，便于灰渣的熔融与液态排渣。残渣熔融段仍会产生少量的合成气，产生的高温合成气上行与热解及残碳气化的合成气混合，提高固废垃圾的气化转化率。

采用三段式炉膛结构，每段直径高度大小不同，采用分段安装。能够避免气化炉炉膛内温度在高度方向上分布不均，可根据温度分布区间选择合适的耐火材料及厚度，节约了耐火材料，保证了每段温度分布的均匀性。

本发明具有以下优点：

1、本发明充分考虑了固废垃圾的低热值、易热解、含水量高、体积密度低的特点，以及固废垃圾热解气化减容减量的变化过程，采用三段式设计结构，将固废垃圾的干燥热解、残碳气化、残渣熔融分别在不同的温度范围和炉膛内进行，利于固废垃圾的减量化无害化处理。

2、本发明根据固废垃圾干燥热解、残碳气化、残渣熔融每一过程的温度需求和物料量的多少，配置炉膛结构炉膛大小，节约了耐火材料，保证了每段温度分布的均匀性。

Claims (3)

1.一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，其特征在于，包括固废垃圾进料装置、干燥热解段、残碳气化段和残渣熔融段，其中，所述固废垃圾进料装置上设置有垃圾进料口和垃圾出料口，所述垃圾出料口连接干燥热解段上的垃圾入口，所述干燥热解段上设置的热解气体出口连接残碳气化段上设置有气体入口，所述残碳气化段上设置的飞灰出口连接残渣熔融段，所述残渣熔融段上设置有玻化出渣口;

所述干燥热解段直径最大，残碳气化段直径和体积小于干燥热解段，残碳气化段下部的锥形喉部直径小于上部的喉径直径，残渣熔融段的直径和体积最小；

包括干燥热解炉本体（5），所述干燥热解炉本体（5）的内顶部转动安装有垃圾抛洒分配装置（4）；

所述干燥热解炉本体（5）的底部侧壁上设置有两个氧气蒸汽混合喷嘴（7），两个氧气蒸汽混合喷嘴（7）对称布置;

所述垃圾抛洒分配装置（4）为伞状结构;

所述垃圾抛洒分配装置（4）的表面为多孔透气表面;

所述残碳气化段包括残碳气化炉（10），所述残碳气化炉（10）的同一侧面上设置第一氧气喷嘴（9）和蒸汽喷嘴（8）；

所述残碳气化炉（10）与该同一侧面对称的另一侧面上设置有合成气出口，所述合成气出口设置在残碳气化炉（10）的顶部；

所述合成气出口连接有高温旋风分离器（12），所述高温旋风分离器（12）的飞灰出口连接有残渣熔融段;

所述残渣熔融段包括残渣熔融炉（15），所述残渣熔融炉（15）的一侧壁上设置有第二氧气喷嘴（14）和天然气喷嘴（13）；

所述残渣熔融炉（15）与该一侧壁对称的一侧壁上设置有等离子体柜（11）；

所述残渣熔融炉（15）的顶部侧壁上设置有飞灰循环入口，所述飞灰循环入口连接残碳气化段的飞灰出口；

所述残渣熔融炉（15）的底部开设有玻化出渣口（16）。

2.根据权利要求1所述的一种三段式固废城市生活垃圾气化炉，其特征在于，所述干燥热解炉本体（5）的底部侧壁上安装有两个垃圾热解残渣推杆（6），两个垃圾热解残渣推杆（6）对称布置。

3.一种三段式固废城市生活垃圾气化炉的使用方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的气化炉,包括以下步骤：

固废垃圾物料从垃圾进料装置的垃圾进料口（1）进入送至干燥热解段进行干燥、热解，得到气液固三相产物；

得到的气液固三相产物之后进入残碳气化段进行气化，气化后的气化进行分离，得到的飞灰进入残渣熔融段进行熔融，得到包裹有重金属的玻态渣排出。