CN115287098B - 一种等离子体气化固体废物处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体气化固体废物处理装置，其包括生物质破碎机、压料机、气化炉、喷淋塔、气液分离装置、燃气储气罐、木醋液储罐、液体精馏装置、废水池，生物质破碎机通过压料机与气化炉相连，气化炉通过出气管与喷淋塔连接，喷淋塔通过气液分离装置与燃气储气罐连接，气液分离装置通过液体精馏装置与木醋液储罐连接，液体精馏装置与废水池连接，废水池通过喷淋液池与喷淋塔连通；本发明利用等离子体气化生物质，极大程度上减少了焦油的产生，环形等离子体的布置方式使得温度场更加均匀，避免了传统电弧等离子体由于温度梯度大，处理物料过程中易导致局部结渣的问题，提高了气化效率。

Description

一种等离子体气化固体废物处理装置

技术领域

本发明属于生物质气化炉领域，具体涉及一种等离子体气化固体废物处理装置。

背景技术

生物质气化是以生物质为原料与气化介质在气化装置内产生与天然气热值和成分相似的可燃气体。

生物质燃料挥发分含量高，实际应用中，如果只应用生物质气化技术，气化气中携带的少量挥发性焦油，导致气化气粘稠，易结焦，腐蚀高温管壁，导致气化气的输送管道易发生堵塞，使焦油更难排放，造成气化气的二次污染。

等离子体气化就是利用等离子火炬或火炉将废物加热至超高温，由于粒子的运动能量远大于分子间化学键的能量，使得原有的物质被破坏变成原子状态，复杂的物质就转化为简单的物质。而等离子气化炉的气化效率很高，等离子点火器产生等离子制造高温电弧，燃料与气化剂发生气化反应，生物质燃料中的有机物气化产生不含焦油的气化气，其他矿物被熔化以确保液态排渣，从而基本实现垃圾处理的零污染物排放。

发明专利CN 110396432 A公开了一种卧式水冷壁式等离子体气化炉，气化炉为卧式结构，炉膛分为三段，从进料端至出口端方向依次为热解气化段、二次燃烧段、合成气重整段；气化炉进料侧的顶端偏心布置一根等离子炬。但传统等离子体会导致温度高，能量集中，又带来了局部热负荷超温，炉内温度不均匀，加剧了局部结焦等问题。

发明专利CN 214735575 U公开了一种生物质气化炉结构，设计由燃气净化装置对燃气中过量的焦油沉积，降低燃气中的焦油含量，因此减小焦油的燃烧对环境造成的危害，并且还能有效的防止过多的焦油吸附在燃气的输送管道上，但除焦仍然存在不完全的问题，以及对其他有害物质和合成气未进行有效处理，无法达到清洁生产的目的。

发明内容

本发明提供了一种等离子体气化固体废物处理装置，旨在解决现有的气化炉气化不完全、合成气热值低、容易产生污染、合成气不能综合有效利用等问题，以及过多的焦油会吸附在管道内壁的问题。通过等离子体供热，有效控制炉内温度，从而使得物料经预热、热解、气化处理后得到的燃气中焦油含量较低，且燃气中只有CO、H₂、CH₄等可燃性气体。

本发明等离子体气化固体废物处理装置包括生物质破碎机、压料机、气化炉、喷淋塔、气液分离装置、燃气储气罐、木醋液储罐、液体精馏装置、废水池，生物质破碎机通过压料机与气化炉相连，气化炉通过出气管与喷淋塔连接，喷淋塔通过气液分离装置与燃气储气罐连接，气液分离装置通过液体精馏装置与木醋液储罐连接，液体精馏装置与废水池连接，废水池通过喷淋液池与喷淋塔连通；其中气化炉包括立式圆柱罐体，罐体内壁覆盖有耐火材料层，气化炉顶部设置有进料口且进料口上设置有炉顶盖，炉顶盖上设置有进料斗，气化炉底部设置有储灰仓，气化炉内上部倾斜设置有圆环挡板，圆环挡板下方倾斜设置有2个以上电弧等离子体发生器，炉排Ⅰ、炉排Ⅱ依次设置在储灰仓内，储灰仓底部开有出灰口，未燃尽生物质循环管一端与炉排Ⅰ、炉排Ⅱ之间的腔体连通，未燃尽生物质循环管另一端通过螺旋输送装置与气化炉上部连通且入口位于圆环挡板上方，气化炉上部一侧设置有出气口且其通过出气管与喷淋塔连接，气化炉下部设置有一个以上的进气口且进气口通过进气管与风机连通，进气口采用切向进气的方式，出灰口上设置有法兰阀门，螺旋输送装置与电机连接。

所述生物质原料包括秸秆、木材、树枝、花生壳、稻壳、动物粪便、废旧家具。

所述电弧等离子体发生器向下倾斜角度为30°~60°。

气化炉中的电弧等离子体发生器所在的等离子体电弧区腔体底部直径大于电弧等离子体发生器下方的气化区的腔体顶部直径；电弧等离子体发生器产生稳定、大范围、高温的等离子体电弧，高温电弧等离子体均匀性更好，高温区覆盖范围更广，投入的生物质在气化区内混合电弧等离子体产生的活性基团进行气化，可有效提高气化效率和合成气的品质。气化区内产生的气体焦油在高温环境下结合等离子体作用裂解转化为小分子不凝性气体，此过程中，大部分焦油被去除。

所述气化区内设有温度传感器和氧气传感器，气化炉上设置有观察窗。

所述气化炉上设有泄压管，泄压管上设有泄压调节阀和压力监控表。

本装置还包括控制器，控制器分别与氧气传感器、温度传感器、电机、风机、电弧等离子体发生装置分别连接，所述控制器为常规市售控制器，按常规方法控制上述组件的开闭，以及接收氧气、温度检测信号。

本发明中生物质破碎机将生物质破碎成一定粒径的颗粒，避免生物质投料时架空的情况出现，随后压料器将物料压实，压实后的生物质块投入进料斗中，解决蓬松原料气化时容易出现物料架桥、床层烧穿及炉内结渣的难题；风机通过进气管将气化剂沿气化炉壁切向送入气化炉内，在气化区内部形成涡旋的贴壁风，一个以上的进气口布置在气化炉的侧下方且位于气化炉壁的同一高度，贴壁送风既可以用来保护壁面耐火材料的安全性，同时还能控制炉内温度和流场，增加被处理物在炉内停留时间，进一步彻底气化，降低底渣酌减率。所述气化剂包括水蒸气、空气、水蒸汽-空气、水蒸汽-氧气中的一种。

进一步的，炉腔内部设有向下倾斜的圆环挡板，当合成气流向上运动与圆环挡板发生碰撞时，气流中的大颗粒尘粒被拦截，同时圆环挡板还具备气体缓冲整流、分隔等离子体电弧区与进料区的作用，圆环挡板下方设有多个向下倾斜的电弧等离子体发生装置，倾斜角度为30°~60°。

所述电弧等离子体发生器为可在电离区将工作介质气体电离产生高温等离子体的常规装置，例如参照“一种阳极自冷却式等离子体点火器”（CN 110107406 A）中制得的装置。

所述出灰口、未燃尽生物质循环管用于直接排渣和未燃尽生物质循环气化，出灰口管道管道上设有法兰阀，未完全燃烧生物质可通过螺旋输送装置循环进入炉体二次燃烧，确保生物质全部碳化。

喷淋塔内设雾化喷头，喷淋液为尿素溶液，当燃烧烟气进入喷淋塔时，烟气中的氮氧化物与喷淋液发生反应从而去被去除，大大降低了烟气中氮氧化物(NOx)的含量，使排放更环保。同时，喷淋塔还可去除合成气中极少量的焦油、小分子灰尘，实现同步净化脱硝；经喷淋塔冷却降温、净化后的气体进入气液分离装置，进行气液分离，分离出的燃气储存在燃气储罐中，液体物质流入液体精馏装置提取木醋液并储存在木醋液储罐中，提取后余液进入废水池再循环进入到喷淋液池中循环利用。

本发明装置的各组件之间连接的管道上均设置有阀门。

气化炉外排炉渣可以全部回收再利用，是良好的活性炭或制造钾肥的主要原料之一。

所述气化炉中获得的高温合成气可利用负压抽吸的方式从所述竖式气化炉中抽出。

通过调整气化剂的种类及进气量，多弧等离子体的运行，可间接控制反应区温度和反应深度，实现定向气化，产生CO、H₂、CH₄等高品质清洁燃气及少量生物质炭、木醋液。

本发明的优点：

（1）采用电弧等离子体发生器产生高温等离子体进行生物质热分解，设置多个电弧等离子体发生器，相比同功率的单个等离子体发生装置而言，产生的等离子体均匀性更好，活性粒子浓度更高，温度场更均匀，避免了单个等离子体发生器由于温度梯度过大，处理物料过程中导致局部结渣的情况，更好的利用等离子体活性高的优势和提高能量效率，同时还能很大程度上减少焦油的产量；气化炉内的未燃尽生物质通过循环装置回到气化炉二次气化，实现气化完全；

（2）采用切向进风的方式，在炉内形成螺旋风，可以提高炉内气氛的均匀性，有助于物料气化反应的一致性和均匀性；同时还可以调控炉内温度和流场,延长生物质在炉内停留时间，气化更完全，降低出口烟气中的氮氧化物；

（3）气化炉设计有温度检测仪，可实时监控炉内燃烧状况，并通过控制器调节电弧等离子体发生器功率和进风量间接调节炉内温度和流场，在高效气化的基础上实现了气化炉半智能化控制，降低了能耗；

（4）燃烧产生的微量焦油和颗粒物通过圆环挡板和喷淋塔进行净化，合成气中的氮氧化物与喷淋液进行充分接触被去除，最终合成了高热值燃气和高纯度木醋液，实现生物质气化清洁生产，无污染排放。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图中：图中1-生物质破碎机，2-压料机，3-进料斗，4-炉顶盖，5-气化炉，6-耐火材料层，7-压力监控表，8-泄压管，9-螺旋输送装置，10-等离子体电弧区，11-气化区，12-电机，13-未燃尽生物质循环管，14-出灰口，15-法兰阀门，16-储灰仓，17-炉排Ⅰ，18-进气管，19-风机，20-炉排Ⅱ；21-流量计，22-温度传感器；23-观察窗，24-电弧等离子体发生器，25-圆环挡板，26-出气管，27-喷淋塔，28-气液分离装置，29-燃气储气罐，30-木醋液储罐，31-液体精馏装置，32-废水池，33-喷淋液池。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1所示，本实施例等离子体气化固体废物处理装置包括生物质破碎机1、压料机2、气化炉5、喷淋塔27、气液分离装置28、燃气储气罐29、木醋液储罐30、液体精馏装置31、废水池32，生物质破碎机1通过压料机2与气化炉5相连，气化炉5包括立式钢制圆柱罐体，罐体内壁覆盖有耐火材料层6，气化炉顶部设置有进料口且进料口上设置有炉顶盖4，炉顶盖4上设置有进料斗3，气化炉底部设置有储灰仓16，气化炉内上部倾斜设置有圆环挡板25，圆环挡板25下方倾斜设置有4个电弧等离子体发生器24，电弧等离子体发生器向下倾斜角度为45°，电弧等离子体发生器24所在区域为等离子体电弧区10，等离子体电弧区10下方为气化区11，等离子体电弧区腔体底部直径大于气化区11腔体顶部直径；炉排Ⅰ17、炉排Ⅱ20依次设置在储灰仓16内，储灰仓16底部开有出灰口14，出灰口14上设置有法兰阀门15，未燃尽生物质循环管13一端与炉排Ⅰ17、炉排Ⅱ20之间的腔体连通，未燃尽生物质循环管13另一端通过螺旋输送装置9与气化炉上部连通且入口位于圆环挡板25上方，螺旋输送装置9为带进料螺旋叶片的管道，进料螺旋叶片与电机12连接，气化炉上部一侧设置有出气口且其通过出气管26与喷淋塔连接，喷淋塔27通过气液分离装置28与燃气储气罐29连接，气液分离装置28通过液体精馏装置31与木醋液储罐30连接，液体精馏装置31与废水池32连接，废水池32通过喷淋液池33与喷淋塔27连通；气化炉下部炉壁上设置有处于同一平面上的3个进气口且进气口通过进气管18与风机19连通，进气口采用切向进气的方式；气化炉上设有泄压管8，泄压管8上设有压力监控表7，气化区11内设有温度传感器22，进气管上设置有流量计21；

采用树枝作为生物质气化原料，首先将干燥后的树枝投入生物质破碎机进行破碎，破碎出料进入压料机压实后输送到气化炉进料斗，投入到气化炉内，由风机19向进气口引入空气作为气化剂，引入空气共分为3路沿贴壁风口采用侧壁切向旋流进入方式，在气化炉内对称布置4个电弧等离子体发生器，每个电弧等离子体发生器之间夹角相同，确保4个电弧等离子体发生对冲相互作用，提高等离子体的混合效率，同时保证电弧等离子体速度在轴向的分量，减少等离子体对电弧室内壁的冲击。

每个电弧等离子体发生装置功率均为100kW，气化炉内工作气体（空气）进气流量为240m³/h，电弧等离子体发生器在等离子体电弧区10内形成稳定、大范围、温度约850℃的高温等离子体气氛混合气体，在高温富含活性粒子的等离子体作用下，有机物被气化形成富含合成气(CO+H₂)的高温烟气，气化区内产生的气体焦油在高温环境下结合等离子体作用裂解转化为小分子不凝性气体，此过程中，大部分焦油被去除。气化完成后的残渣落入储灰仓，粒径较小的灰尘直接经出灰口排出，大粒径未燃尽生物质被隔离在炉排20与炉排17之间的空间内，通过未燃尽生物质循环管13由螺旋输送装置9输送至炉内，与新加入物料混合后进行二次气化，为了避免炉体内压力过高，炉体上设有与螺旋输送装置的物料管相连的泄压管8，泄压管上安装有压力监控表、泄压调节阀，当压力监控表的值到预设压力时，打开泄压调节阀，释放部分气体。

合成气从出气管进入到喷淋塔，喷淋塔中喷淋液为尿素溶液，可去除合成气中的微量焦油、细小尘粒和氮氧化物，实现除焦、除尘、脱氮，随后气体流入固液分离装置实现固液分离，以(CO+H₂)为主的合成燃气在燃气储罐存储待用，液体进入液体精馏装置进一步提取木醋液，提取后的废液经过废水池32处理后重新进入喷淋液池使用。

实施例2：本实施例装置结构同实施例1，不同在于：气化炉上设置有观察窗23，装置还包括控制器，控制器分别与流量计、温度传感器、电机、风机、电弧等离子体发生器分别连接；气化炉下部炉壁上设置有处于同一平面上的2个进气口，进气口采用切向进气的方式；圆环挡板25下方倾斜设置有3个电弧等离子体发生器24；

采用稻壳作为生物质气化原料，将干燥后的稻壳投入到压料机压实后被输送到气化炉进料斗，投入到气化炉内，由风机向进气口引入空气-水蒸气作为气化剂，水分解产生大量的OH自由基，进一步提高等离子体活性基团含量，引入气化剂分为2路沿贴壁风口采用侧壁切向旋流进入方式，在气化炉内共对称布置3个电弧等离子体发生装器。

每个电弧等离子体发生装置功率均为100kW，气化炉内工作气体（空气＋水蒸气）进气180m³/h，其中，气化剂中水蒸气/生物质原料质量比控制在1:4.5，电弧等离子体发生器在等离子体电弧区10内形成稳定、大范围、温度约700℃的高温等离子体气氛混合气体，生物质在经过等离子体电弧区，在高温富含活性粒子的等离子体作用下，有机物被气化形成富含合成气(CO+H₂＋CH₄)的高温烟气。气化区内产生的气体焦油在高温环境下结合等离子体作用裂解转化为小分子不凝性气体，此过程中，大部分焦油被去除。气化过程中可直接通过观察窗查看炉内燃烧情况，气化完成后的残渣落入储灰仓，合成气从出气管进入到喷淋塔，喷淋塔中喷淋液为尿素溶液，可去除合成气中的微量焦油、细小尘粒和氮氧化物，实现除焦、除尘、脱氮，随后气体流入固液分离装置实现固液分离，以(CO+H₂＋CH₄)为主的合成燃气在燃气储罐存储待用，余液流入液体精馏装置进一步提取木醋液，提取后的废液经过废水池处理后重新进入喷淋液池使用。

实施例3：本实施例装置结构同实施例1，不同在于：气化炉上未设置未燃尽生物质循环管、电机和螺旋输送装置，气化炉下部炉壁上设置有处于同一平面上的4个进气口，进气口采用切向进气的方式；圆环挡板25下方倾斜设置有2个电弧等离子体发生器24；

采用玉米杆作为生物质气化原料，首先将玉米杆投入到生物质破碎机进行破碎，破碎出料进入压料机压实后被输送到气化炉进料斗，投入到气化炉内，由风机向进气口引入空气作为气化剂，引入空气分为4路沿贴壁风口采用侧壁切向旋流进入方式，在气化炉内共对称布置2个电弧等离子体发生器，每个电弧等离子体发生装置功率均为100kW，气化炉内工作气体（空气）进气流量为120m³/h，电弧等离子体发生器在等离子体电弧区10内形成稳定、大范围、温度约650℃的高温等离子体气氛混合气体，在高温富含活性粒子的等离子体作用下，有机物被气化形成富含合成气(CO+H₂)的高温烟气，气化区内产生的气体焦油高温环境下结合等离子体作用裂解转化为小分子不凝性气体，此过程中，大部分焦油被去除。气化完全后的残渣直接经出灰口排出。

合成气从出气管进入到喷淋塔，喷淋塔中喷淋液为尿素溶液，可去除合成气中的微量焦油、细小尘粒和氮氧化物，实现除焦、除尘、脱氮，随后气体流入固液分离装置实现固液分离，以(CO+H₂)为主的合成燃气在燃气储罐存储待用，液体进入液体精馏装置进一步提取木醋液，提取后的废液经过废水池32处理后重新进入喷淋液池使用。

Claims (6)

1.一种等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：包括生物质破碎机（1）、压料机（2）、气化炉（5）、喷淋塔（27）、气液分离装置（28）、燃气储气罐（29）、木醋液储罐（30）、液体精馏装置（31）、废水池（32），生物质破碎机（1）通过压料机（2）与气化炉（5）相连，气化炉（5）通过出气管（26）与喷淋塔（27）连接，喷淋塔（27）通过气液分离装置（28）与燃气储气罐（29）连接，气液分离装置（28）通过液体精馏装置（31）与木醋液储罐（30）连接，液体精馏装置（31）与废水池（32）连接，废水池（32）通过喷淋液池（33）与喷淋塔（27）连通；

所述气化炉（5）包括立式圆柱罐体，罐体内壁覆盖有耐火材料层（6），气化炉顶部设置有进料口且进料口上设置有炉顶盖（4），炉顶盖（4）上设置有进料斗（3），气化炉底部设置有储灰仓（16），气化炉内上部倾斜设置有圆环挡板（25），圆环挡板（25）下方倾斜设置有2个以上电弧等离子体发生器（24），炉排Ⅰ（17）、炉排Ⅱ（20）依次设置在储灰仓（16）内，储灰仓（16）底部开有出灰口（14），未燃尽生物质循环管（13）一端与炉排Ⅰ（17）、炉排Ⅱ（20）之间的腔体连通，未燃尽生物质循环管（13）另一端通过螺旋输送装置（9）与气化炉上部连通且入口位于圆环挡板（25）上方，气化炉上部一侧设置有出气口且其通过出气管（26）与喷淋塔连接，气化炉下部设置有一个以上的进气口且进气口通过进气管（18）与风机（19）连通，进气口采用切向进气的方式设置，出灰口（14）上设置有法兰阀门（15），螺旋输送装置（9）与电机（12）连接。

2.根据权利要求1所述的等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：电弧等离子体发生器向下倾斜角度为30°~60°。

3.根据权利要求1所述的等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：气化炉（5）中的电弧等离子体发生器所在的等离子体电弧区（10）腔体底部直径大于电弧等离子体发生器下方的气化区（11）的腔体顶部直径。

4.根据权利要求1所述的等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：气化区（11）内设有温度传感器（22），气化炉上设置有观察窗（23），进气管上设置有流量计（21）。

5.根据权利要求4所述的等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：气化炉上设有泄压管（8），泄压管（8）上设有压力监控表（7）。

6.根据权利要求5所述的等离子体气化固体废物处理装置，其特征在于：本装置还包括控制器，控制器分别与流量计、温度传感器、电机、风机、电弧等离子体发生器连接。

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