CN1179149C - 通过气化处理废物的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过气化处理废物的方法，该方法能回收包括能量、有价值材料如金属的有用资源，以及用作化工原料或燃料的气体。在较低的温度下，在流化床反应器中气化废物，将在流化床反应器中生成的气态物质和焦炭引入高温焚烧炉中，以及在较高的温度下，在高温焚烧炉中生产低热量气体或中热量气体。流化床反应器包括一个回转流动式流化床反应器，高温焚烧炉包括一个旋流式高温焚烧炉。

Description

通过气化处理废物的方法

本发明涉及一种通过气化处理废物的方法和装置，更具体地说，涉及这样一种处理废物的方法和装置，即通过在较低温度下气化，然后在较高温度下回收包括能量、有价值材料如金属，以及用作化工原料或燃料的气体的有用资源。

迄今为止，通常都是用专用焚化炉处理大量的城市垃圾、废轮胎、污泥和工业残渣。而且也用专用的废水处理设施处理粪便和高度浓缩的废物。然而，仍然有大量的工业废物被废弃掉了，造成了环境污染。

已经研制出了一种适于环境保护的、可代替传统焚化炉系统的废物处理技术，将气化与焚烧相结合的气化与焚烧系统，一些这种系统即将投入实际使用。

在已研制出的气化和焚烧系统中，有的系统用立式炉作为气化炉(下文称作“系统S”)，还有的系统用回转炉作为气化炉(下文称作“系统R”)。这种系统S，在气化炉中有多层结构，包括温度在200-300℃范围内的干燥/预热区，温度在300-1000℃范围内的热分解区，以及温度在1500℃或更高的焚烧/熔融区。在炉中，当与下部区域产生的气体进行热交换时，从其上部装入炉中的废物和焦炭会下落。从炉中排出向上流动的气体，然后，在大约900℃的温度下，在后续焚烧炉中进行焚烧。在热分解区产生的含碳物质和装填的焦炭会下落，然后进入焚烧/熔融区，通过从风口提供富氧空气，在高温下进行焚烧，以将全部灰分和无机物熔融。

在系统R中，将废物粉碎并输送到滚筒式旋转炉中，用高温空气进行加热。在这种滚筒式旋转炉中，在大约450℃的温度下对废物进行缓慢热解。将在该温度下生成的含碳物质从滚筒式旋转炉中排出，将其冷却到它们不能燃烧的温度。然后，将这些含碳物质粉碎，并输送到后续旋流式高温焚烧炉中，在旋流式高温焚烧炉中，在大约1300℃的温度下，焚烧粉碎后的含碳物质和来自旋转炉的气体，将灰分熔融成液态熔渣。

如下所述，系统S和R各自都有缺点。在系统S中，由于为了将炉底部熔融区的温度维持在1700-1800℃的范围内，需要如焦炭和富氧空气这类的补充材料，所以，立式炉的运行费用很高。使用焦炭又带来了新问题，即增加了从炉中排放的二氧化碳的量。由于废物中含有的所有金属都已被熔融，因此不能根据金属的种类回收金属铸块。由于形状各异的各种废物堆积在炉的各层中，而且焚烧/熔融区位于炉的最下端，因此对固定床类型的炉子来说，很难进行稳定的运行。这是因为，尽管对固定床型的炉子来说，重要的一点是使气体在各层中均匀流动，即保持气体的渗透性，但是，各种不同形状的废物会阻碍气体在各层中的均匀流动，会使气体穿过床层或偏离床层。添加用作补充燃料的焦炭是为了保持气体的渗透性，但是，这一作用不够明显，因而改变了气体的流动速度，使炉内的压力不能保持恒定。由于不是所有生成的气体都穿过高于1000℃的高温区域，因此不能完全防止生成二恶英(dioxins)和呋喃。

在系统R中，由于气化炉包括一个用高温空气外部加热的旋转炉，所以它的导热率很小，炉的体积不可避免地要增大。此外，热分解产生的焦油和未分解物质覆盖在炉的传热表面，使得导热率更低。由于按照热交换器的物料，用排气进行热交换，很难得到加热到600℃的高温空气。从旋转炉中排出生成的含碳物质，然后粉碎并输送到焚烧炉中，在焚烧炉中，将这些物质与从旋转炉直接输送的气体相混合，并在高温下进行焚烧。因此，系统R需要排放、冷却、粉碎、储存和输送含碳物质的设备。从有效地利用能量来看，不希望在处理含碳物质的过程中，含碳物质的冷却或散热造成热损耗。如果不进行冷却就将含碳物质排放，它们会通过与空气接触而燃烧。

如上所述，已经提出了各种新的通过气化焚烧废物的方法，在高温下焚烧生成的物质，分解二恶英，将灰分熔融成液态熔渣。然而，从化学物质回转的观点来看，还没有通过气化所回收可燃气体的切实可行的技术。

另一方面，CO(一氧化碳)和H₂(氢气)被广泛用作化学合成的气体原料。一氧化碳可用于汽油、酒精、有机酸和酯的化学合成。氢气可于氨(NH₃)或甲烷的化学合成、氢化脱硫、氢解、脂肪氢化和焊接中。通常通过氢化煤或焦炭来生产一氧化碳，而通过天然气或石脑油的精制，或石油、煤或石油焦炭的气化来生产氢气。由于生产CO或H₂的大多数原料都依赖于从国外进口，所以非常渴望在自己国家内得到廉价而可用的生产CO或H₂的原料。

因此，本发明的目的是提供一种通过气化处理废物的方法和装置，该方法和装置能够容易而安全地运行，热效率高，并能生产用于发电的低热量气体或中热量气体、工业气体燃料和化学工业原料。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种通过气化处理废物的方法，该方法包括以下步骤：在较低的温度下，在流化床反应器中气化废物；将在流化床反应器中生成的气态物质和焦炭引入高温焚烧炉；在较高的温度下，在高温焚烧炉中生产低热量气体或中热量气体。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过气化处理废物的装置，该装置包括：在较低的温度下，气化废物以生成气态物质和焦炭的流化床反应器；在较高的温度下，由气态物质和焦炭生产低热量气体或中热量气体的高温焚烧炉。

流化床反应器包括回转流动式流化床反应器。高温焚烧炉包括旋流式高温焚烧炉。

在流化床反应器中，较低的温度在450-800℃的温度范围内。在流化床反应器的流化床中，较低的温度在450-650℃的温度范围内。在高温焚烧炉中，较高的温度是1300℃或更高。

通入流化床反应器中的用于气化的气体是空气、富氧空气、空气和蒸汽的混合物、富氧空气和蒸汽的混合物、以及氧气和蒸汽的混合物中的一种。通入高温焚烧炉中的用于气化的气体是富氧空气和氧气中的一种。

通入流化床反应器和高温焚烧炉的氧气总量在燃烧用氧气理论量的0.1-0.6倍的范围内。通入流化床反应器的氧气量在燃烧用氧气理论量的0.1-0.3倍的范围内。

废物中的灰分作为熔渣回收，而二恶英和其产物母体基本上在高温焚烧炉中被分解。

低热量气体或中热量气体是常压或高压的，它们可用于发电，或用作气体燃料或化学工业的合成气。

流化床反应器是高压型流化床反应器。高温焚烧炉是高压型高温焚烧炉。

将流化床反应器中流化床的压力降低到大气压，废物中的金属在不熔蚀条件下从流化床反应器中排放。

根据流化床的温度控制低热量废物与高热量废物的混合比。低热量气体或中热量气体含有一氧化碳和氢气。

此外，根据本发明的另一方面，提供了一种通过气化处理废物的方法，该方法包括以下步骤：在较低的温度下，在流化床反应器中气化废物；将流化床反应器中生成的气态物质和焦炭引入高温焚烧炉；在较高的温度下，在高温焚烧炉中生产热气。

将热气限定为主要包括可燃气体组分一氧化碳和氢气的气体。

附图用实例描述了本发明的最佳实施例，通过下列参照附图的描述，将会更清楚本发明的上述和其它目的、特性和优点。

图1是显示本发明的通过气化处理废物方法的原理的流程图。

图2为用于实施本发明处理方法的装置的第一实施方案的示意图。

图3为用于实施本发明处理方法的装置的第二实施方案的示意图。

图4为用于实施本发明处理方法的装置的第三实施方案的示意图。

图5为用于实施本发明处理方法的装置的第四实施方案的示意图。

图6为用于实施本发明处理方法的装置的第五实施方案的示意图。

图7为用于实施本发明处理方法的装置的第六实施方案的示意图。

下面参照附图描述本发明的通过气化处理废物的方法和装置。

用于本发明的废物可以是城市垃圾、由垃圾得到的燃料(RDF)、固体和水的混合物(SWM)、生物废物、包括纤维增强塑料(FRP)在内的塑料废物、汽车废物(粉碎机粉尘、废轮胎等等)、电器废物、特殊废物(医院废物等等)、污泥、粪便、高度浓缩的废液、工业残渣，它们有各种不同的热值、水分含量和形状。这些废物可联合起来使用。

可通过对城市垃圾进行粉碎和分类，在分类后的城市垃圾中添加生石灰，并把它们挤压成一定的形状来制备垃圾得来的燃料(RDF)。可通过粉碎城市垃圾，用水将它们转变成稀浆，并通过热液反应在高压下将稀浆转变成油燃料，来制备固体和水的混合物。劣等煤可以是低热值的次煤、褐煤、泥煤，或在煤分选过程产生的煤废物。

首先将废物输送到流化床反应器中并在其中对废物进行热解。尤其是，当采用回转式流化床反应器作反应器时，无需将废物粉碎成细微的粒度，而是通过预处理粉碎成小颗粒，就可以输送到流化床反应器中。其原因是通过流化介质的剧烈旋转流动，对输送废物有良好的传热效果，并能从流化床炉子中排走大颗粒的不可燃物。下文还要详细描述流化介质回转流动的效果。

因此，在这些废物中，将城市垃圾、生物废物、塑料废物和汽车废物粗粉碎到大约30cm的粒径。通过离心分离机或类似的专用处理设备使水分含量高的污泥和粪便脱水，成为泥饼，然后再将泥饼输送到本发明的处理装置的现场。垃圾得来的燃料、固体和水的混合物以及高度浓缩的废液可按它们本来的状况使用。如果将煤粉碎成40mm或更小的粒径，加入煤用于调整热量。

根据它们各自的热量和水分含量，将上述废物粗分成高热量废物和低热量废物。通常，城市垃圾、垃圾得来的燃料、固体和水的混合物、塑料废物、汽车废物和电器废物属于高热量废物。生物废物、如医院废物的特殊废物、污泥和粪便的脱水泥饼、以及高度浓缩的废液属于低热量废物。

将这些废物装入高热量废物坑、低热量废物坑和池中，并在坑和池中进行充分搅拌和混合。此后，将它们输送到流化床反应器中。如果输送到流化床反应器的废物中所含的金属的熔点高于流化床反应器中流化床的温度，则可在不熔蚀条件下回收这些金属。因此，根据金属的种类，回收的金属可用作金属铸块。

如果输送到流化床反应器的废物量是恒定的，则废物量与输送到流化床反应器中的用于气化的气体量的比也应是恒定的。然而，如果在输送的废物中，低热量废物的比例增加，或在输送的废物中，总水分增加了，则流化床的温度会低于设定值。当流化床的温度下降时，从后一阶段的气体利用设施来看，最好调整输送废物中低热量废物与高热量废物的比例，以使输送废物的热量保持恒定。另一方面，可以加入高热值的煤，以调整输送废物的热量。

接下来，描述本发明的在较低温度下气化废物的流化床反应器。采用这种流化床在较低温度下气化废物是本发明的特征之一。

流化床反应器本身已知被作为焚烧炉或气化炉。然而，本发明不同于现有技术的新特点是将流化床反应器和高温焚烧炉联合起来使用，生产可燃气体。

将煤以粉煤或煤水稀浆的形式输送到高温气化炉已是已有技术。然而，与煤相比，对于废物来说，不容易将它们粉碎。尤其是，如果废物含有不可燃物，如金属、粗砂或石头，几乎不可能将废物象煤那样粉碎到100μ以下。然而，在使用流化床反应器的情况下，粗粉碎的废物能被热解，生成可燃气体和细小的焦炭。将生成的气体物质和焦炭输送到后续高温焚烧炉，在高温焚烧炉中对废物进行在相对高温下的气化。对于流化床反应器来说，唯一必需的工作是通过热解反应将废物转化成可燃气体和焦炭，因此，在流化床反应器中的流化床能保持较低的温度。考虑到待处理废物的特性，本发明使用的流化床反应器可以是已知的包括鼓泡式流化床炉在内的常压或加压流化床反应器。然而，尤其优选的是回流式流化床反应器，该反应器也已经由本发明的发明人开发了。

最好回转流动式流化床反应器有一个环形的水平截面，在中间区域是一个较轻缓的流化床，流化气体的流动速率低，而在周边区域是一个较剧烈的流化床，流化气体的流动速率高。回转流动式流化床反应器有一个沿内壁安装的倾斜壁，它与流化床的表面相垂直，用来使流动的流化介质从周边区域偏向中心区域，使得流化介质以在轻缓流化床中下降，而在剧烈流化床中上升的方式形成回转流动，流化介质在流化床的下部从中心区域流向周边区域，而在流化床的上部区域从周边区域流向中心区域。

根据本发明，具有特定结构的回转流动式流化床反应器具有下列优点：

1、由于生成的焦炭不积聚在流化床上，而是均匀地分散在流化床中，因此可在流化床中有效地对焦炭进行氧化，尤其是在剧烈的流化床中。氧化焦炭产生的热量可传导到流化介质上，所传导的热量可有效地用作流化床反应器内流化床中心区域进行热分解和气化的热源。

2、由于被倾斜壁偏转的向上流动的流化介质在流化床反应器的流化床中心区域会相互碰撞，故可将焦炭粉碎。如果用硬硅砂作为流化介质，可进一步加速焦炭的破碎。

3、由于流化介质的向下流动，废物会下落到流化床中，所以只有粗粉碎的固体废物才能输送到流化床反应器中。因此，能够省去粉碎设备，显著地降低用于粉碎的电能。

4、尽管对废物只进行粗粉碎，会产生大颗粒的不可燃物，但这种大颗粒的不可燃物很容易通过流化介质的回转流动从流化床反应器中排出。

5、由于生成的热量可通过在流化床整个区域形成的流化介质的回转流动而分散开，因此可避免生成的结块或渣块引起的麻烦。

在使用通常的鼓泡型流化床的情况下，尽管流化介质在流化床中能均匀流化，但流化介质在水平方向上的分布仍不好。因此，本发明的回转流动式流化床反应器在上述1-5个优点方面优于通常使用的鼓泡型流化床反应器。

本发明的流化床反应器有温度在450-800℃范围内的流化床。如果流化床的温度低于450℃，由于废物热分解和气化反应的速度相当低，不可分解物会积聚在流化床中，增加了氧化速率低的焦炭的生成量。如果升高流化床的温度，会加速废物的热解反应，由此解决了不可分解物在流化床中的积聚问题。然而，废物进料速度的波动会导致生成气体量的波动，这会损害后续旋流式高温焚烧炉的运行。这是因为不可能根据流化床反应器中生成的气体量，细微地调节输送到旋流式高温焚烧炉中的含氧气体的量。由此，流化床温度的上限设定为650℃，以使热解反应比较缓慢。流化床反应器在流化床的上部有一个被称作“净空”的大直径部分。通过向净空输送含氧气体，如大体上纯的氧气或富氧空气，可降低后续高温焚烧炉的负荷，在净空中，可加速焦油和焦炭在生成气体中的气化。

根据本发明，在450-650℃的温度范围内，在流化床中对废物进行初级焚烧，然后，在600-800℃的温度范围内，优选的是在650-750℃的温度范围内，在净空中对废物进行次级焚烧。

输送到流化床反应器中的用于对废物进行气化的流化气体选自空气、富氧空气、空气和蒸汽的混合物、富氧空气和蒸汽的混合物、以及氧气和蒸汽混合物。作为流化介质，可使用如硅砂或橄榄石砂这类的砂子、矾土、铁粉、石灰石、白云石或诸如此类。

在流化床反应器中生成的气体含有大量的焦油和含碳物质。在流化床中，将含碳物质粉碎成粉末焦炭，然后将粉末焦炭和气体输送到旋流式高温焚烧炉中。由于流化床已降低到常压，所以废物中的金属可在不熔蚀的情况下从流化床反应器中排出。

可被回收的金属是那些熔点低于气化温度的金属。由此为了回收熔点为660℃的铝，必须将流化床的温度设定在650℃或更低。

由于流化床反应器用于在较低的温度下气化废物，因此能够处理粒径在几毫米到几厘米范围的各种废物。流化床反应器的处理能力很高，并能容易地按比例加大。流化床反应器没有运动部件，由此运行时容易调节温度和其它参数，它对加热介质有良好的导热率，可使流化床的温度保持均匀。

如果流化床反应器是回转流动式的流化床反应器，则在将废物输送到流化床反应器之前，无需将废物粉碎。在这种流化床中，可有效地将含碳物质粉碎成在流化床中均匀分散的焦炭，由此使流化床反应器有很高的废物容积，使流化床的温度保持均匀，并有很高的气化效率。

接下来描述高温焚烧炉。向高温焚烧炉输送来自流化床反应器的气态物质和焦炭，通过使气态物质和焦炭与输送到高温焚烧炉中的气体相接触，在1300℃或更高的温度下，对气态物质和焦炭进行气化。焦油和焦炭被完全气化，其中的灰分作为熔渣(melten slag)从高温焚烧炉的底部排放。

该高温焚烧炉可包括Texaco炉，只从炉的上部通入气态物质和焦炭，但最好包括旋流式高温焚烧炉。在该旋流式高温焚烧炉中，随着用来气化的气体的旋转流动，在较高的温度下对气态物质和焦炭进行气化，使灰分熔融，然后分离出液态熔渣，并从这里排走。

通过使用旋流式高温焚烧炉可进行高负荷和高速焚烧，气体停留时间的分布很窄小，碳转化百分比和渣雾的收集效率都很高，焚烧炉很紧凑。

通入高温焚烧炉用于气化的气体可选自富氧空气和氧气。通入流化床反应器和高温焚烧炉的用于气化的氧气总量可在焚烧废物用氧气理论量的0.1-0.6倍的范围内。通入流化床反应器的氧气量可在焚烧废物用氧气理论量的0.1-0.3倍的范围内。用这种方式，可从高温焚烧炉中得到热值在1000-1500kcal/Nm³(干)的低热值气体燃料，或热值在2500-4500kcal/Nm³(干)的中热值气体燃料。根据本发明，由这些废物可生产以一氧化碳和氢气为主要组分的气体，生成的气体可用作工业气体燃料或化学工业的合成气体。

由于在高温焚烧炉中，可将从流化床反应器引入后续高温焚烧炉的焦炭中的灰分转变成熔渣，有害金属被熔封在渣中，不能浸出。在高温焚烧炉中，通过高温焚烧可将二恶英和其前体，以及PCB(多氯联苯)完全分解掉。

下面参照图1描述根据气体的性质利用生成气体的方法。可将该方法分成两种回收方法，利用气体能量的热回收和利用气体作为化学工业合成气体的化学物质的回收。如果生成的气体是常压高温废气，则可将蒸汽发生器中生成的蒸汽输送到驱动发电机的汽轮机中，以回收电力。如果生成的气体是常压气体燃料，可通过驱动发电机的燃气发动机或柴油发动机燃烧这些气体，以回收电力，或将它们用于工业气体燃料。工业气体燃料可用于炼铁或炼钢过程。

如果生成的气体是压力在20-40atm的高压气体，可将其用于一个包括燃气轮机的联合循环发电系统，或用作工业气体燃料。如果生成的气体是不含N₂的高压中热量气体燃料，可将其用作生产氢气、甲烷(SNG)、醇类如甲醇、以及汽油的合成气体。

可通过将合成气体中的CO和H₂O转化成CO₂和H₂，再除去CO₂来生产氢气。可通过CO的变化转化，调节一氧化碳与氢气的比，并进行甲烷化来生产甲烷。可通过CO的变化转化和甲醇合成反应来生产甲醇。可通过醇合成反应生产比甲醇和乙醇高的高醇混合物。可通过象在南非共和国的Sasol进行的Fischer-Tropsch反应来合成汽油。

最好根据待处理废物的质量和数量、建造处理系统现场的条件和要生产的产品来选择最佳方法。

接下来，简要描述渣的利用方法。由于从废物中产生的和从高温焚烧炉回收的渣含有一定量的氯，最好将回收的渣用作所谓的“生态水泥”。生态水泥可通过用燃烧后的灰、污泥和添加物以各自4∶3∶3的比例混合在一起来制备，生态水泥可用作无钢筋的混凝土制品和硬化剂。回收的渣可以是粒状渣或退火渣(annealed slag)，可用作建筑材料，包括路基材料、粒料、渗水材料或园艺材料。

下面根据本发明描述实施通过气化处理废物方法的各种装置。

在这些附图中，相同或相应的部件用相同或相应的标号表示。

图2是本发明用于实施通过气化来处理废物的方法的装置第一实施例的示意图。

如图2所示，该装置用于生产压力在20-40atm范围的高压合成气体。该装置包括一个活底料斗系统1、一个料斗2、一个螺旋加料器3和一个其中有流化床5的流化床反应器4。该装置进一步还包括一个带有初级焚烧室7、次级焚烧室8和渣分离室9的旋流式高温焚烧炉6，一个废物加热锅炉10以及一个涤气器11。在图2中，符号a、b、c、和d分别表示废物、氧气、蒸汽和不可燃物。此外，符号e、e’、f、f’和g分别表示在流化床反应器4中生成的气体、在旋流式高温焚烧炉6中生成的气体、渣、灰和生成的气体。

已经均匀混合过的废物“a”穿过活底料斗系统1进入料斗2，从这里用螺旋加料器3以恒定的速率将废物“a”输送到流化床反应器4中。氧气“b”和蒸汽“c”的混合物作为流化气体输送到流化床反应器4的底部。下落到流化床反应器4中流化床5的废物“a”与输送到流化床反应器4的气体相接触，在流化床中进行气化，流化床的温度保持在450-650℃的范围内。准备在流化床5中对废物“a”进行快速热解。当对废物“a”进行热解时，生成了气体、焦油、含碳物质和H₂O。通过流化床5的强烈作用将含碳物质粉碎成焦炭。

然后将气体、焦油、H₂O和焦炭一起输送到旋流式高温焚烧炉6的初级焚烧室7中，在这里使它们与输送到高温焚烧炉中的气化用的回旋流动的氧气“b”相混合，并迅速在1300℃或更高的温度下进行氧化。因此，可将焦炭中的灰分转化成渣雾，在回旋流离心力的作用下，渣雾被焚烧炉内壁上的渣相(slag phase)捕集。然后捕集到的渣雾在内壁上向下流动，并进入次级焚烧室8，渣“f”从这里穿过渣分离室9的底部排到焚烧炉6的外面。在次级焚烧室8中，在较高的温度下进行气化，生成了中热量气体，它含有H₂、CO、CO₂和H₂O，其热值在2500-4500kcal/Nm³的范围内。

由于流化床反应器4中流化床5的压力降到了常压，因此，那些含在废物“a”中的，熔点高于流化床温度的金属保持不熔蚀状况，它们可与废物碎块、石头、玻璃等等一起，作为不可燃物“d”从流化床反应器4的底部排走。根据金属的种类，排放的金属可作为金属铸块重新使用。

将从旋流式高温焚烧炉6排放的气体输送到生产蒸汽“c”的废热锅炉10中。在涤气器11中，对来自废热锅炉10的气体进行冷却，然后用NaOH的水溶液进行洗涤，以除去灰尘和对CO的转化催化剂有害的HCl，从而得到了净化气体“g”。净化后的气体“g”可用作工业气体燃料。在这种情况下，无需转化CO，由此可有效地简化涤气器11的结构。含有H₂、CO、CO₂和H₂O的生成气体“g”可用作化学工业的合成气体。

图3是本发明用于实施通过气化来处理废物的方法的装置的第二实施例的示意图。该装置包括一个在常压下回转流动式流化床反应器，以生产低热量气体。

如图3所示，流化床反应器4有一个净空12和燃烧口13，它与一个和斗式运输机15关联的转筒筛14相连。旋流式高温焚烧炉6有一个燃烧口16。图3所示装置的其它细节与图2所示的装置基本相同。

将废物“a”和煤“j”输送到料斗2中，然后再以恒定的流速通过螺旋加料器3输送到流化床反应器4中。预热后的空气“b”作为流化气体从流化床反应器4的底部通入流化床反应器4，在流化床反应器4分布板的上方形成硅砂(silica sand)的流化床5。

将较低流速的流化气体通入流化床5的中心部分，较高流速的流化气体通入流化床5的周边部分，由此在图3所示的流化床反应器4中，形成流化介质的回转流动。

将废物“a”和煤“j”输入流化床5，并使它们与流化床5内空气中的氧气相接触，将流化床的温度保持在450-650℃的范围内。通过与氧气的接触，废物“a”和煤“j”被迅速热解。从流化床反应器4的底部排放流化介质硅砂和不可燃物质，并进入转筒筛14。用转筒筛14将大颗粒的不可燃物“d”与硅砂分离开，并将大颗粒的不可燃物“d”排放到装置的外面，将硅砂“h”输送到斗式运输机15中。斗式运输机15向上输送硅砂“h”，并从流化床反应器4的上部送回流化床反应器4。排放的不可燃物“d”中含有金属。由于将流化床5的温度保持在500-600℃的范围内，所以能在适于回收的不熔蚀条件下，回收铁、铜和铝。

当在流化床5中在较低的温度下气化废物“a”时，生成了气体、焦油、含碳物质和水。将气体、焦油和水汽化，使其在流化床反应器4中上升。通过流化床5的搅拌作用将含碳物质粉碎成焦炭。由于焦炭是多孔的并很轻，它被生成气体的上升气流所携带。由于流化床5的流化介质是很硬的硅砂“h”，可加速含碳物质的粉碎。将空气“b”通入净空12中，以在600-800℃的温度范围内，再次气化气体、焦油和焦炭，由此可加速气体组分向低分子组分转化，以及焦油和焦炭的气化。将从流化床反应器4排放的生成气体“e”输送到旋流式高温焚烧炉6的初级焚烧室7中，随着与预热的富氧空气“b’”在回转流中的混合，在1300℃或更高的温度下进行焚烧。在次级焚烧室8中完全焚烧，从熔渣分离室9排放生成的废气“e’”。由于旋流式高温焚烧炉6中的温度很高，焦炭中的灰分被转化成渣雾，在旋转流离心力的作用下，初级焚烧室内壁上的熔渣相捕集渣雾。熔渣在内壁上向下流动，并进入次级焚烧室8，穿过渣分离室9的底部排放熔渣“f”。初级焚烧室7和次级焚烧室8都分别装有燃烧口16以启动焚烧炉。用这种方式，可生产热量在1000-1500kcal/Nm³范围内的低热量可燃气体。

图4是本发明用于实施通过气化来处理废物的方法的装置第三实施例的示意图。该装置包括一个另一种类型的旋流式高温焚烧炉，以便在10-40atm的压力范围内生成合成气体。

如图4所示，流化床反应器4包括一个回转式流化床反应器4和一个旋流式高温焚烧炉6，旋流式高温焚烧炉6有一个其下端带有水池20的旋流式高温焚烧炉。

流化床反应器4与一个和筛网14’关联的活底料斗17相连。流化床反应器4有一个倾斜壁18，以便在其中回转流化介质。旋流式高温焚烧炉6又与一个与一个与储水池22相连的活底料斗17’相连。旋流式高温焚烧炉6还与一个涤气器11和储水池22’相连。

在图4中，流化床反应器4是一个回转流动式流化床反应器，其中含碳物质不会积聚在流化床上，而是均匀分布在流化床中，由此加速了粉碎作用和气化作用。随后，在将废物“a”输送到流化床反应器4之前，将其粗粉碎，从流化床反应器4中排放较大颗粒的不可燃物。由于流化床反应器4能高效地分散所产生的热量，所以可避免熔块问题。

穿过活底料斗或类似部件以恒定的速度向流化床反应器4输送废物“a”。从流化床反应器4的底部向流化床反应器4输送作为气化剂的氧气“b”和蒸汽的混合物，在流化床反应器4分布板的上方形成以硅砂作为流化介质的流化床5。在流化床5中，分布板上的流化介质回转流动，形成流化介质的回转流。将废物“a”输送到流化床5中，并在流化床5内与气化剂相接触，将流化床保持在450-650℃的温度范围内，10-40atm的压力范围内。随着与气化剂的相接触，使废物“a”迅速热解。从流化床反应器4的底部排放流化床5中硅砂“h”和不可燃物“d”，穿过活底料斗17，然后输送到筛网14’中，用筛网14’分离不可燃物“d”。通过流化介质回转通道15将硅砂“h”送回流化床反应器4。排放的不可燃物“d”含有金属。由于流化床5的温度保持在500-600℃的范围内，所以能在适于回收的不熔蚀条件下，回收铁、铜和铝。

当在流化床5中气化废物“a”时，生成了气体、焦油和含碳物质。将气体和焦油汽化，使其在流化床反应器4中上升。通过流化床5的回转作用将含碳物质粉碎成焦炭。由于焦炭是多孔的并很轻，它可被生成气体的上升流动所携带。由于流化床5的流化介质包含很硬的硅砂“h”，可加速含碳物质的粉碎。

将从流化床反应器4排放的生成气体“e”输送到旋流式高温焚烧炉6的初级焚烧室7中，在该旋流式高温焚烧炉6中，气体“e”与预热氧气“b”在回转流中的混合，并在1300℃或更高的温度下气化。由于旋流式高温焚烧炉6中的温度很高，焦炭中的灰分被转化成渣雾，渣在高温焚烧炉6的内壁上向下流动，并进入水池20。当渣在水池20变成粒状之后，将粒状熔渣穿过活底料斗17’输送到蓄水池22中，从这里作为粗渣“f”排放掉。用水池20中的水冷却温度较高的生成气体，通过涤气器11冷却和洗涤后，排放气体“e’”。因此，可生产净化气体“g”。

图5是本发明用于实施通过气化来处理废物的方法的装置第四实施例的示意图。该装置包括一个另一种类型的旋流式高温焚烧炉。

如图5所示，辐射式锅炉19设置在旋流式高温焚烧炉6的渣分离室9中，水池20设置在辐射式锅炉19的下面，使得下降的气体贴近水池20的水面，然后在辐射式锅炉19的后面上升。

在辐射式锅炉19中，由于气体的流动方向与重力方向相同，附着在焚烧炉6内壁上的渣会向下流动，不会发生堵塞。通过辐射式锅炉19回收向下流动的渣的热量，从而能提高热回收效率。

此外，由于在靠近水池20的水面处，气体的流动方向急剧改变，由于惯性力的作用，气体中的大多数渣雾被水池20中的水回收。

将从旋流式高温焚烧炉6排放的气体“e’”输送到对流式锅炉21中，在该对流式锅炉21中从气体“e’”回收热量。

可以省去旋流式高温焚烧炉6中的次级焚烧室8。图5所示的工艺作为发电工艺是最佳的。

图3所示系统的典型实验数据如下所示。

表1给出了待气化废物的性质。该废物主要含有城市垃圾，并添加了一些煤以调节热值。

           表1(废物性质)

水分	25％(湿基)
		可燃物	66％(湿基)
灰分	9％(湿基)
		较低热值	3500kcal/kg(湿基)
较高热值	5034kcal/kg(湿基)

在500-600℃的较低温度范围内通过流化床反应器对废物进行气化，然后再在1350℃的较高温度下，用旋流式高温焚烧炉进行气化。下表2-4给出了气化过程的数据。表2表示总气化过程的物料平衡，其中废物用100表示。

                   表2(物料平衡)

输入物料	废物	100(标准)
			氧气	46
	蒸汽	36
			输出物料	生成的干燥气体	112
水分	61
		不可燃物和炉渣		9

如表2所示，烧掉了作为气化废物的气化剂的46份氧气和36份的蒸汽。气化系统产生了112份气体，由于氧气作为气化剂加到了生成气体中，所以生成的气体量大于废物量。

表3表示气化系统的热平衡，其中废物的燃烧热用100表示。

                   表3(热平衡)

输入热量	废物的Q值	100(标准)
			蒸汽的H值	7.5
	输出热量	生成的干燥气体的Q值			60
生成的干燥气体的H值			16.8
		生成气体中水分的H值		21.1
砂子的热损耗+不可燃物和炉渣的H值			3.7
		炉壁的热损耗		5.9

注：1)热平衡是根据较高热值作出的。

    2)Q：燃烧热，H：焓

由于生成气体的燃烧热是60，气体冷却效率是60％。冷却气体效率表示生成气体的燃烧热(高基)被输送废物的燃烧热(高基)除的比例。

从表中可以看到，对于回收可燃气体，可用3500kcal/kg作为低热量废物的下限。如果废物的低热值超过3500kcal/kg，冷却气体效率会大于60％。炉壁的热损耗是5.9。如果降低热损耗，会进一步增加冷却气体效率。

表4表示的是生成气体的干气体组分。不计算气体中的水分含量。

表4(生成气体的干气体组分)

H2	47％
		CO	30％
CO2	23％

可燃组分H₂和CO占77％。因此，在CO变化转化之后，可得到体积占77％的H₂。

图6是根据本发明的第五实施例，用于实施通过气化处理废物方法的另一种系统。

在图6中，在大约20atm的高压下，生产低热量气体燃料，然后将生成的气体输送到一个带有发电用燃气发动机的复合发电系统。如图6所示，除了增加了陶瓷过滤器32、燃气轮机33和汽轮机34以外，该系统与图2所示的系统相似。

在图6中，标号k和m分别表示电力和废气。将废物“a”和煤“j”穿过活底料斗系统1送入料斗2，由此通过螺旋加料器3将废物“a”和煤“j”输送到流化床反应器4中。将空气“b”输送到流化床反应器4，将富氧空气“b’”输送到高温焚烧炉6中。因此，来自高温焚烧炉6排出的生成气体是含有H₂、CO、CO₂、N₂和H₂O低热量气体，其热值在1000-1500kcal/Nm³(干)的范围内。流化床反应器4和高温焚烧炉6中的温度与图2所示的实施本发明方法的第一实施例系统中的温度相同。

通过废热锅炉10从气体中回收蒸汽“c”，用陶瓷过滤器32分离气体中的飞灰“f”。然后，将气体输送到燃气轮机33中，生产电力“k”。之后，用另一个废热锅炉10从气体中回收蒸汽“c”，然后将气体作为排放气“m”排放到大气中。将收集到的蒸汽“c”输送到汽轮机34中以生产电力”k“。在所述系统中，在高温下从生成的气体中除去粉尘，然后将气体输送到燃气发动机33中。然而，尽管这种工艺降低了电力生产的效率，但是，仍可在常温下净化生成的气体，然后用与图2相同的方式输送到燃气发动机33中。

图7是根据本发明的第六实施例，用于实施通过气化处理废物方法的另一种系统。

在图7中，在常压下，生产低热量气体燃料，然后将生成的气体输送到一个带有发电用燃气发动机的复合发电系统。如图7所示，除了采用涤气器11和燃气发动机35代替陶瓷过滤器32和燃气轮机33以外，该系统与图6所示的系统相似。图7所示的系统还没有任何将废物“a”和煤“j”输送到料斗2的活底料斗。

将空气“b”输送到流化床反应器4，将富氧空气“b”输送到高温焚烧炉6中。因此，来自高温焚烧炉6的生成气体是含有N₂、H₂、CO、CO₂和H₂O的低热量气体，其热值在1000-1500kcal/Nm³(干)的范围内。流化床反应器4和高温焚烧炉6中的温度与图2所示的实施本发明方法的第一实施例系统中的温度相同。

用废热锅炉10从生成的气体中回收蒸汽“c”，用涤气器11冷却和洗涤气体。然后，将常温下生成的气体输送到燃气发动机35中，生产电力“k”。之后，用另一个废热锅炉10从气体中回收蒸汽“c”，然后将气体作为排放气“m”排放到大气中。将收集到的蒸汽“c”输送到汽轮机34中以产生电力”k“。为了降低造价可省去燃气发动机35后的废热锅炉10，但这会降低电力生产的效率。

本发明的方法用于将废物转变成可燃气体和化学工业的合成气体，为达到保护环境的目的，回收有用资源。该方法通过回收热量、物料和化学物质可有效地将废物作为新的资源。

一般来说，本发明的方法具有下列优点：

1、在低温和高温联合气化过程的基础上，通过气化将废物转变成中热量合成气体，该中热量合成气体可用于化学工业生产例如氨、甲醇等的合成气体，从而实现了化学物质的回收。

2、在生产合成气体的过程中，将灰分转变成无害的熔渣。生成的熔渣可用作建筑材料，从而实现了物料回收。

3、在不熔蚀状态下，可回收废物中的有用金属，包括铁、铜、铝等等，从而实现了物料回收。

4、回收低热量可燃气体，用作燃气发动机等的燃料，或工业气体燃料，从而实现了热回收。

5、在高温焚烧炉中，在1300℃或更高的温度下，通过高温焚烧几乎能彻底分解了有毒的二恶英。

尽管详细展示和描述了本发明的某些最佳实施例，但应当理解，在不背离后附权利要求书的精神和范围内，可作多种改变和改进。

Claims (33)

1、一种气化处理废物的方法，其特征在于，在流化床反应器中气化废物，并把生成的气态物质和焦炭引入高温焚烧炉中进行气化，并生成熔渣，且能制备低热量气体或中热量气体。

2、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，将废物装入所述流化床反应器中，且与通入流化床反应器的气化剂接触，在450℃到800℃的范围内进行气化生成气体和焦炭，该焦炭在以沙子或矾土为流动介质的流化床中被粉碎成为粉末焦炭，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触，在1300℃以上的温度条件下燃烧并生成低热量气体或中热量气体，该焦炭中含有的灰份变成熔渣后被回收。

3、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，在所述流化床反应器中，给使用流动介质的流化床送入氧气和蒸汽，在450℃-800℃的温度范围内进行气化，该废物中的金属在不溶蚀的条件下从该流化床反应器中排放且被回收，另外，该流化床反应器中生成的气态物质和焦炭一起从该流化床反应器排出，从该流化床反应器中排出的该气态物质和焦炭将引入到高温焚烧炉中，该高温焚烧炉是旋流式高温焚烧炉，且炉内温度在1300℃以上，对从该流化床反应器排出的气态物质和焦炭进行气化而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣，对该熔渣进行冷却后回收。

4、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，所述流化床反应器是旋转流动式流化床反应器，在该流化床反应器中，给使用流动介质的流化床送入气化剂，在450℃-650℃的温度下该流化床对废物进行气化处理生成气态物质和焦炭，该废物中的金属从该流化床反应器中排放且被回收，另外，该流化床反应器中生成的气态物质和焦炭一起从该流化床反应器排出，从该流化床反应器中排出的该气态物质和焦炭被引入到高温焚烧炉中，该高温焚烧炉是旋流式高温焚烧炉，且炉内温度在1300℃以上，对从该流化床反应器排出的气态物质和焦炭进行气化而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣。

5、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，废物中加入煤，投放到所述流化床反应器中，且与送入流化床反应器的气化剂接触而进行气化，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触进行燃烧，制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣。

6、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，废物投放到所述流化床反应器中，且与送入流化床反应器的气化剂接触，在450℃-800℃的温度下进行气化，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触，在1300℃以上的温度下进行燃烧而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣。

7、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，混合高热量废物和低热量废物，并调整其比例投放到流化床反应器中，且与送入所述流化床反应器的气化剂接触，在450℃-800℃的温度下进行气化，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触，在1300℃以上的温度下进行燃烧而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣。

8、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，投放到所述流化床反应器的该废物是高热量废物和低热量废物的混合物，调整其比例，在该流化床反应器中，给使用流动介质的流化床送入氧气和蒸汽的混合气体，在450℃-800℃的温度下进行气化，该流化床反应器中生成的气态物质和焦炭一起从该流化床反应器排出，从该流化床反应器中排出的该气态物质和焦炭引入高温焚烧炉中，给该高温焚烧炉送入富氧空气或者氧气，且炉内温度达到1300℃以上的条件下，从该流化床反应器排出的气态物质和焦炭被气化而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣。

9、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，所述流化床反应器中引入的气化剂是氧气和蒸汽的混合气体，在高温焚烧炉中气化流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时得到熔渣后，得到被冷却的渣以及被冷却的低热量气体或中热量气体。

10、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述废物包括都市垃圾、固体燃料、泥浆化燃料、生物废物、塑料废物、汽车废物、电器废物、下水污泥、粪尿废物、高浓度废液、产业残渣、低质量的煤。

11、如权利要求1、2、5至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，在上述流化床反应器中，回收废物中含有的金属。

12、如权利要求1、2、5至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述高温焚烧炉是旋流式高温焚烧炉。

13、如权利要求1、2、4至7中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述气化剂是氧气和蒸汽的混合气体。

14、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器可以调节流化床的温度，可以调整低热量废物和高热量废物的比例。

15、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，作为补助燃料使用煤炭。

16、如权利要求1至7、9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，送入上述高温焚烧炉中的气体为富氧空气或者氧气。

17、如权利要求7或者8中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述高能量废物有都市垃圾、固体燃料、塑料废物、汽车废物、电器废物。

18、如权利要求7或者8中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述低能量废物有生物废物、下水污泥、粪尿的脱水泥饼、或者是高浓度废液。

19、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器是一种旋转流动式流化床反应器，在上述流化床反应器的底部形成较轻缓的流化床和较剧烈的流化床，在流化床中存在以下运动；在轻缓的流化床中流动介质的流动方向是自上而下，在剧烈的流化床中流动介质的流动方向是自下而上，在流化床下部，流动介质从轻缓的流化床流动到剧烈的流化床，在流化床上部，流动介质从剧烈的流化床流动到轻缓的流化床。

20、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器是通过设定吹入流化床内的流动气体的部分强弱部位，形成循环流的旋转流动式流化床反应器。

21、如权利要求1至9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器是一种高压型流化床反应器。

22、如权利要求1、4、5或9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器的温度在450℃-800℃的范围内。

23、如权利要求1或者5中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述高温焚烧炉的内部温度为1300℃以上。

24、如权利要求1、5、6、7或9中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器中得到的气态物质跟焦炭一起引入到高温焚烧炉中。

25、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，所述流化床反应器是高压型流化床反应器，在该流化床反应器中，给使用流动介质的流化床送入氧气和蒸汽混合气体，在450℃-800℃的温度范围内进行气化，该废物中的金属从该流化床反应器中排放且被回收，另外，该流化床反应器中生成的气态物质和焦炭一起从该流化床反应器排出，从该流化床反应器中排出的该气态物质和焦炭引入到高温焚烧炉中，给该高温焚烧炉送入氧气，且炉内温度在1300℃以上，对从该流化床反应器排出的气态物质和焦炭进行气化而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份成为熔渣，对该熔渣进行冷却后回收。

26、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，所述流化床反应器是高压型流化床反应器，在该流化床反应器中，给使用流动介质的流化床送入空气，在450℃-800℃的温度下气化该废物，该废物中的金属从该流化床反应器中排放且回收，另外，该流化床反应器中生成的气态物质和焦炭一起从该流化床反应器排出，从该流化床反应器中排出的该气态物质和焦炭直接引入高温焚烧炉中，给该高温焚烧炉送入空气或者富氧空气，且炉内温度在1300℃以上，对从该流化床反应器排出的气态物质和焦炭进行气化而制备低热量气体或中热量气体，同时该焦炭中含有的灰份变成熔渣后被回收。

27、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，废物投放到所述流化床反应器中，且与送入该流化床反应器的气化剂接触而进行气化，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触而进行气化，同时该焦炭中含有的灰分被熔融成为熔渣，该生成的气体和熔渣被引入到该高温焚烧炉内的水槽中，且被水槽中的水冷却，得到被冷却的熔渣以及被冷却的低热量气体或中热量气体。

28、如权利要求1记载的气化处理废物方法，其特征在于，废物投放到所述流化床反应器中，且与送入该流化床反应器的气化剂接触而进行气化，并把上述流化床反应器中生成的气态物质和焦炭同时引入高温焚烧炉中与送入的气体接触而气化成气体，同时该焦炭中含有的灰分被熔融成为熔渣，将生成的气体引入到锅炉中回收蒸汽，且得到被冷却的熔渣以及被冷却的低热量气体或中热量气体。

29、如权利要求25至28中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器具有流化床和净空，且该流化床的温度在450℃-650℃的范围内，该净空的温度在600℃-800℃的范围内。

30、如权利要求25至28中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述废物包括都市垃圾、固体燃料、泥浆化燃料、生物废物、塑料废物、汽车废物、电器废物、下水污泥、粪尿废物、高浓度废液、工业残渣、或者低质量煤。

31、如权利要求25至28中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，在洗涤器中进行冷却，洗涤上述高温焚烧炉中排出的低热量气体或中热量气体。

32、如权利要求25至28中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，废物的低热值在3500kcal/kg以上。

33、如权利要求25至28中任意1项记载的一种气化处理废物方法，其特征在于，上述流化床反应器和上述高温焚烧炉中，为了气化废物而送入的气体，它的含氧量在完全燃烧其废物时所需理论燃烧含氧量的0.1-0.6倍，此时，送入流化床反应器的含氧量是理论燃烧含氧量的0.1-0.3倍。

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