CN1212487C - 气化和/或熔化物质的反应器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反应器，用于气化和/或熔化填料，包括：进料部分(1)，经此部分投入填料；热解部分(8)，该热解部分与前述进料部分相邻，并在邻接处其横截面扩大；进气装置(10)，所述进气装置在大约所述扩大横截面的高度通向热解部分(8)，并且经所述进气装置把热气体引到柱(9)上；熔化和过热部分(14)，所述熔化和过热部分(14)邻接热解部分(8)；上喷入装置(15)，用于把富能的介质带入熔化和过热部分(14)中；还原部分(20)，包括排气装置(21)，经排气装置(21)排出剩余燃气；燃炉(25)，设在还原部分(20)下方；用于收集并转移熔融金属和炉渣；和下喷入装置(26)，通过所述装置，富能介质被直接引到熔融物的上方及排气装置(21)的下方。本发明还涉及一种气化和/或熔化填料的方法。

Description

气化和/或熔化物质的反应器及方法
技术领域
本发明涉及一种气化和/或熔化物质的反应器及方法，尤其是本发明涉及物质上和能量上利用任何垃圾，例如主要是有机组分的垃圾，但是也涉及特殊垃圾的物质利用和能量利用。根据本发明的反应器和方法也适用于任意组成的填料，或者说也适用于通过投入有机物获取能量。
背景技术
长久以来人们就尝试热清除各种垃圾及其它的物质。除了燃烧法之外，还公知各种气化方法，所有这些方法都旨在达到对环境有较少的有害物质污染，并且降低处理填料的成本及处理流程产生的气体的成本。然而公知的方法的特征却是高成本和难于掌握的技术，因而处理填料或垃圾的清除成本较高。
在德国专利DE43 17 145C1中说明了基于脱气的清除各种组成的方法。根据所述的方法，应当把产生的含尘气体作为循环气体全部抽出然后在熔化区或者说过热区用氧气焚烧。然而研究表明，所述的循环气体引导及接着说明的在循环气体排出口和熔化及过热区之间排出剩余燃气却不能达到所追求的目标，也就是包括少量有害气体的剩余燃气的目标。如果采用同样在此文中提出的循环气体高炉实施该方法，仅剩余燃气的有害物载量就多得使清洁剩余燃气所需要的气体处理费用高到不可能经济地清除相应的垃圾材料。
在德国专利DE196 40 497 C2中说明了一种利用垃圾材料并用焦炭加热的循环气体高炉。这种循环气体高炉的特征是，在加料装置的下面安装了附加的排气装置。在该位置排出的热解气体通过循环气体引导装置重新引入炉的下部分，以在此焚烧所述气体。因为在加热区安设了剩余燃气的排气区，所述不仅排出了剩余燃气还排出了大部分的热解气体，从而在该气体混和物中包括难于分开的炭氢化合物。从而后续的气体处理特别高成本并且加重环境污染。
对此在DE 198 16 864 A1中提出了一种焦炭加热循环气体高炉，其中，剩余燃气排气安排在熔化及过热区下面。尽管由于流过过热区排出的气体在很大程度上减少，从而可以提高剩余燃气的质量，但是过热区的空间距离太近使剩余燃气非常热，必须高成本地加以冷却。问题还在于，通过所选的安排在后续的气体通路一系列构造部分中出现炉渣和灰尘的烧结。另一方面，排气装置下面的炉区中的温度不再高到足以把各种投料条件下出现在该处的金属熔化物及炉渣熔化物保持成液态。由此干扰了所必须的排渣，甚至使之完全不可能。
上述现有技术公知的方案总是以形成气体的一部分导入成循环气体的基本原则，其中，在炉的上部区域排出气体然后再从下部重新导入。迄今业内还是从必须利用气流原理用气体引导装置加热垃圾堆着手。然而这种循环原则却带有下列的缺点：在高炉中上升的气体在垃圾堆中冷却，从而在排气区域、在循环气体管路中及引回循环气体所需要的气体射流压缩器中出现热解产物凝结的现象，因而干扰循环气体炉的功能。在现有技术的循环气体排气时必然地排出尘埃以及小的垃圾颗粒，它们与凝结的热解产物一起在共同的循环引导装置内部导致难于清除的沉积物。另外，垃圾堆只能由上升的循环气体相对缓慢地加热，从而在气化塑料成分较多的垃圾时会粘住和附着在炉壁上，这有可能导致完全地堵塞炉膛。
发明内容
因此本发明的一个目的在于提供改进了的气化和熔化填料的反应器及方法，所述的反应器及方法避免了现有技术的缺点。一个特殊的目的在于，使之可能简单地、成本效益高并且有利于环境地对垃圾进行物质利用和能量利用。特别致力于提高相应反应器的功能可靠性，其中进一步地避免随着循环气体引导装置而来的工作不可靠性。本发明的另一个目的在于，显著地避免排出的剩余燃气中有害物载量，从而能够使后续的气体处理成本最小化。
这些目的以及其它目的由权利要求1提出的反应器解决。根据本发明，放弃了现有技术长期沿用的接入循环气体的方法，代之使用按直流原则工作的高炉作为反应器。通过完全取消现有的技术循环气体引导装置，彻底地避免随着现有技术产生的热解产物凝结问题，并且避免出现令人失望的沉积问题。另外，由于急剧地加热垃圾堆，在反应器的上部就已经达到填料的部分结聚，从而在很大程度上排除了粘连反应器内壁。双重喷入氧气或者燃气(混合气体)，在一方面使热解气体能够燃烧，另一方面在反应器的下部能够保持足够的高温，从而把聚集在那里的熔化物保持为流体。在两个喷入装置之间构成一个反应部分，所述的气体在排出前都要流经该反应部分，并且因此在该反应部分中很大的程度上被还原。
在一个特别适于气化垃圾的实施形式中，在入料部分上附加了一个预热部分，在此部分中把垃圾在例如100℃的温度下预干燥。在一个变形的实施形式中可以在此部分中视情况进行填料的冷却，只要冷却对整个流程有利。
反应器的一个有利的实施形式的特征是，进料部分和预加热部分的总长度大型入料部分直径的数倍。通过这样的构形放在进料部分和预热部分的垃圾堆起向上封闭的塞子的作用，阻止向反应器中吸入过多的环境空气。
在一个改变的实施形式中，可以把反应器在上端通过气闸、双活门系统或者类似的装置封闭。从而可以更好地避免环境空气不受控制地进入，并且防止垃圾中的产生的废气不受控制地逸出。
优选地，反应器基本上构成为圆柱形，并且气体引入室和气体排放室构成为环形，从而在共同的周边进行气体引入和气体排出垃圾堆。这种实施形式特别适于用在主要是有机的填料。另外的实施形式，例如适于其它填料的实施形式，可以有非圆柱形的基本形状，以及其它位置和其它形状的气体排出和气体引入装置。
如果反应器的热解部分也构成为夹层壁的并且在壁内空间中引入传热的媒介，是特别有利的。一方面可以由此冷却反应器壁，从而降低材料要求，另一方面可以根据使用填料及由此产生的热量需求输入热或者导出热量。
上述的本发明的目的还通过权利要求12指出的气化和/或熔化填料的方法解决，所述方法包括适于物质上和/或能量上利用垃圾和其它填料。
根据本发明的方法步骤可以有利地扩展，其中进行急剧加热的高度以上通过加热垃圾堆至100℃对填料预干燥。在此在很大程度上蒸发填料中的水分，由此改善所需要的入料自行向下运动。在一个变通的方法修正中不进行填料的预加热，间或进行填料的冷却，在此后者可以按目的进行以避免热的原料粘在输入壁上。
另外，如果可调节排出剩余燃气的低压是特别有利的，其中排气这样地进行：一方面不让气体向上逸出反应器，另一方面只让最小量的附加环境空气经过垃圾堆进入。在反应器中存在最少量的漏入空气的目的是降低剩余燃气中氧化氮的组分也保持总气体量较少，以能够简单地进行续后的气体处理。
其它的优点、细节和扩展由下面参照附图对本发明的优选实施例给出。
附图说明
附图1示出根据本发明的反应器的简化截面图。
具体实施方式
下面参照图1说明反应器的优选实施形式。说明反应器的细节的同时还说明处理包括机成分的垃圾填料时进行的方法步骤。如所附权利要求书可见，根据本发明的方法不一定与所述反应器相关联，而是视情况可以使用其它的设备。在使用其它填料时可以适当地改变反应器和/或方法(例如灵活地安排和配置气体输入和输出、加热或冷却反应器壁等等的技术实施)。总体上还可以联合不同的填料，例如在氧化/熔化非有机填料时添加高能量值的入料(例如加有木料等的有机垃圾)。
图中所示的反应器上端具有带有至少一个进料口2的进料部分1，通过进料口2投入要加以物质利用和/或能量利用的填料。优选地填料主要是有机成分，从而反应器和所述方法首先适于处理寻常的家庭垃圾及与家庭垃圾类似的有机垃圾。假如一定的填料组合下可燃成分不足以进行焚烧和气化，可以在填料中添加可燃烧的辅料或者说载能体。在此可以用现有的方式添加一定量的焦炭或者通过添加木材提高总燃烧值。在某些情况下投入其它添加剂可能也是有用的，例如为了影响pH值调节等。这样的措施是专业人士公知，因此不作详细说明了。
通过合适的输送装置3把填料及一定情况下的添加料经进料口2送进反应器。由此构成垃圾堆4。用一个没有特别示出的填充状态测量装置监测垃圾堆4的高度。把所述的高度保持在一个最大值和一个最小值之间。选择最小值要使得反应器上部分中的垃圾堆4起到封闭层的作用，阻止大量环境空气进入反应器。
在反应器的进料部分1的下部有预热部分5，在所示的实施例中起预干燥填料的作用。进料部分和预热部分优选地构成为圆柱形或者直径略向下增加的圆锥形。预热部分5具有夹层壁，在此构成壁间空间6，在该空间6中引入传热媒介。可以借助于所述传热媒介可以向设有夹层壁的预干燥部分5的区域中引入热量，从而对填料预热或者预干燥。有的情况下可以取消壁间空间，然后例如通过导热管路直接在反应器输入热量。所述的热量输入的量确定得要在很大的程度上避免一定的填料粘在反应器壁上。此外可以通过预干燥带出水分，从而不对进一步的气化处理造成负担。在预热部分5中，可以把垃圾堆4加热至约100℃。
有的情况下，如果由于填料的成分而不需要预干燥时可以完全取消预热部分，在特殊情况下预加热部分还可以用于冷却填料。
在预加热部分5的下面接着是一个热解部分8，其中在预加热部分(取消预加热部分时为进料部分)与热解部分之间的过渡中直径扩大而成为隆起。优选地在此过渡区中该游离的炉壁至少扩大一倍，由此一方面降低填料的下降速度另一方面构成垃圾柱9。所述垃圾柱9从预加热部分中的垃圾堆4的中心馈入。垃圾柱在呈缓坡逐渐与边缘区平齐，从而在边缘区出现一个未占据的空间。在此热解部分8的上部边缘区有一个进气装置10，在所示的实施例中，进气装置10用环形的进气空间10构成，它大致在直径扩张的高度开口在热解部分8内。进气空间10旨在向垃圾柱9引入热气体。进气装置还可以用喷嘴、炉壁孔或者其它能向垃圾柱输进热气体的装置构成。另外，在所示实施例中进气空间汇入了至少一个燃烧室11，所述燃烧室11至少设有一个燃烧器12。燃烧器12产生必须的热气体，热气体优选切线地经燃烧室和进气空间引入到柱9上。在变通地实施形式中，如果值得要求很均匀地加热柱，可以使用多个燃烧室或者多个燃烧器。
燃烧器12内的燃烧12适当地在据缺氧条件下进行，从而通过近于化学计算法的燃烧准备约1000℃的温度的钝燃气。至少在开始运行时燃烧器需要并非从反应器中得到的外来的燃料。例如使用天然气、油、以前的气化过程中产生的储存在中间储存罐中的剩余燃气、气体混合物、液气混合物、尘气混合物，或者其它在能量方面适合的介质。反应器处于下面说明的运行状态以后，燃烧器12还可以由有时是预先纯化了的剩余燃气工作。通过输入经适当调节后在很大的程度上由一氧化碳和水蒸汽组成的燃气，急剧地加热柱区域内的填料。非常快地把材料加热至800℃至1000℃之间起非常快地干燥这些材料的作用，由此避免粘着和胶着在炉壁上。确切地说，至少部分地把填料聚结起来。此外在反应器的这个上部区域中已经开始出现热解产物。因为引入的气体在很大程度上是惰性的，热解产物在只有空气能够通过堆积在柱上部的垃圾堆进入及与填料一起混入的范畴内的很小规模引起燃烧。此外由于快速而强烈地加热填料把细尘和小的颗粒快速地气化或者焚烧，从而避免了迄今现有技术出现的灰尘处理问题。相反现在可以在填料中按一定的关系适当加入灰尘和细颗粒。
填料然后进一步下降到热解部分8，在此继续热解，还有在引入到中心的材料等也通过热传导在此受到加热。热解部分的壁优选地构成为热绝缘的和/或夹层壁的，从而按需要在构成的夹壁空间中也可以引入传热介质。热绝缘或借助于传热材料附加引入的热量的量确定得要使在热解部分8下部区域中的填料有优选地约为500℃的温度。在此位置上所要求的温度可以取决于特定的填料加以调整。
接在热解部分8下面的是熔化和过热部分14。此部分有横截面缩窄，由于此横截面缩窄改变了填料的下降速度。以主要是有机垃圾的处理为例，横截面缩窄至少约10％，这是例如通过在相应的炉膛内以对水平方向约60℃角锥形地回缩产生的。此外，在熔化和过热部分14有上喷入装置15，在所示实施例中上喷入装置由多个在周边分布的氧气枪16构成。为了保护氧气枪16不受到过热，例如对氧气枪加以水冷。其它实施例中使用喷嘴、燃烧器或者类似物，通过它们可以引入各种燃气，目的是，把熔化和过热区的温度调节到希望的值。假如为此输入的氧气不足(原文如此)(例如短期在此位置上没有提供足够高能值的填料)，还可以经喷入装置引入外来燃气或者引入反应器得到的剩余燃气。在特殊实施例中借助于上喷入装置直接在在横截面缩窄的下方有目的、定量地添加氧气。由此在熔化和过热部分14的区域内构成优选地1500℃至2000℃温度为主的热区17，所述温度要按相应的填料确定。
通过进气空间10输入的(惰性的)燃气和在热解部分8构成的热解气体穿过这个热区17。把对此热区的输氧控制使燃烧在导致温度进一步提高并且把填料在很大的程度上炭化的缺氧条件下进行。把热区17的温度调节得使成渣的矿物质组分和金属组分在此区内熔化，其中含在填料中的有害物质(例如重金属)的一定的部分分解进熔化物中。然后金属熔化物和渣熔化物向下滴。尽可能大程度的炭化残余同样进一步下降。
在熔化和过热部分14的下面构成还原部分20，在此部分中炭化的残余物以足够的逗留时间进一步下降。还原部分20包括排气空间21，剩余燃气经排气空间21排出。从而所述的排出的气体不但要流过热区17还要流过由残余物构成的还原区22。在还原区22通过此处的碳把气体还原。特别是把二氧化碳转变成一氧化碳，在此把还留在垃圾料中的碳带出并且从而进一步气化。此外流过还原区22时还把气体冷却了，从而能够以可技术上控制的温度，优选地8000℃至1000℃的温度排出。把排出的剩余燃气输送至后续的冷却和/或净化级(未示)以及适当的输送装置(压缩机或者鼓风机)。然后，在气化以有机组分为主的垃圾时，80％至90％的剩余燃气作为燃气供物质和/或能量利用。其中可以把约10％至20％的分流作为原气输入至上述的燃烧器12和/或喷入装置，在此可以把对此分流的冷却/净化限制到最小的规模。把排气空间21构成为环形的还是有利的(但不是必须的)，在此接续的输送装置起排出气体的作用。
在排气空间21的下面接一个耐火地衬里的燃炉膛25，在燃炉膛25中收集金属熔化物和渣熔化物。为了使这些熔化物保持为流体，紧靠熔化物上面和排气空间21的下喷入装置26，在所述的实施例中下喷入装置26还是多个氧气枪16(视情况水冷)。下喷入装置可以变通地构成和工作，如前面对上喷入装置15所述。适量的氧气、燃气等经过此喷入装置把熔化物的温度调节得高至足以保持为流体，并且在相应的收集后经排出口27排出反应器。例如所述温度在1500°是适宜的。在上喷入装置15和下喷入装置16这样的燃烧室11中投入的氧/燃气总量的比例依采用的填料和其它的工艺参数加以优化，以在很大的程度上利用填料，并且把残余物中的有害成分降到最低。
对于本领域的普通技术人员可以理解，例如出于降低成本的原因可以把氧化-空气混合物代替氧化。同样，明显地，举例给出的温度可以依要加工的填料和所希望的处理速度加以调节。还可以理解，填料可以视情况进行机械破碎然后再投入至反应器中，以避免堵塞。取决于填料和所希望的成品可要求一定的添加料稳定热值和提高剩余燃气的利用率，以及改善渣的构成、碱性及渣流动性。
假如在反应器中还要转换液体，可以有利地通过液体喷嘴30输入，所述的液体喷嘴汇合在氧化输入空间10中或者与其它的气体输入装置结合。经液体输入喷嘴30可以输入水、水蒸汽及其它要清除的液体，其中除了所希望的清除之外，还可以调节惰性的燃气、热解气体和/或混合物的温度以及剩余燃气的温度。
另外，在需要时可以适当地把要清除的灰尘经灰尘引导装置31投入处理。优选地灰尘引导装置31是在进料部分1和预加热部分5的中心引入的定量管，该管止于垃圾柱9附近。这样把灰尘直接输送到填料急剧加热的附近，使得灰尘一出定量管立刻就受到高温的作用，所述高温起焚烧或者气化的作用，不使灰尘四处飞扬。
尽管以上特别说明的实施形式特别适于处理(气化和熔化)具有有机组分的垃圾，对于本领域的普通技术人员来说很清楚，使用其它填料需要或者说适宜对反应器加以改变。一般地还可以处理特殊垃圾或者有较高金属组分的填料，在此部分地以气化为主，部分地以熔化为主。也可以把不同的填料结合使用。例如，为了熔化非有机填料适当地加入具有料高能值(例如有机垃圾、污染的酒精)的填料。
除了特定的使用范围之外，也可以对根据本发明的反应器和根据本发明的方法进行其它的改变和扩展。

Claims (21)

1.一种反应器，用于气化和/或熔化填料，包括：
进料部分(1)，具有进料口(2)，经进料口(2)从上方把填料送进反应器；
热解部分(8)，该热解部分在进行横截面扩展之后下接前导部分(1、5)，从而在此可以构成填料垃圾柱(9)；
进气装置(10)，所述进气装置约在所述扩大横截面的高度通向热解部分(8)，并且经所述进气装置把热气体引到柱(9)上；
熔化和过热部分(14)，所述熔化和过热部分(14)在进行横截面缩小后下接热解部分(8)；
上喷入装置(15)，经上喷入装置(15)直接在缩小横截面高度的下方把富能的介质带入熔化和过热部分(14)中；
还原部分(20)，还原部分(20)下接熔化和过热部分(14)并且包括排气装置(21)，经排气装置(21)排出剩余燃气；
燃炉(25)，带有在还原部分(20)下方的出炉口(27)，用于聚集和导出金属熔化物和炉渣熔化物；
下喷入装置(26)，经下喷入装置(26)直接在熔化物上方和排气装置(21)的上方输入富能的介质，以防止熔化物固化。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，在进料部分(1)与热解部分(8)之间安排预加热部分(5)。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，预加热部分(5)至少分部分地构成夹层壁以产生壁空间(6)，这里，在壁空间(6)中引入传热介质。
4.如权利要求1至3中任一项所述的反应器，其特征在于，把进气装置构成为进气空间，在进气空间中至少装备一个燃烧器(12)，在燃烧器(12)中汇入至少一个燃烧室(11)，所述燃烧器(12)经燃烧室和气体空间在垃圾柱(9)上产生约1000℃的温度。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于，进料部分(1)呈圆柱形，预加热部分(5)、热解部分(8)和还原部分(20)也构成圆柱形或者向下稍圆锥形地扩大，从而进料部分(1)和预加热部分(5)的总长度至少是进料部分上端的三倍，并且热解部分(8)的横截面至少是预干燥部分下端的两倍。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，进料装置(10)和排气装置(21)环形地在反应器的周边构成。
7.如权利要求6所述的反应器，其特征在于，热解部分(8)夹层壁地构成以产生另一个壁空间，在所述另一个壁空间中引入传热介质。
8.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述上和/或下喷入装置(15、26)包括多个环形地安排在反应器的周边上的氧气枪(16)或者喷嘴，经所述氧气枪(16)或者喷嘴引入氧气或者燃气混合物。
9.如权利要求8所述的反应器，其特征在于，进气装置(10)与液体馈入装置(30)连接，经液体馈入装置(30)可以输入液体或者蒸汽样物质。
10.如权利要求9所述的反应器，其特征在于，还设有灰尘输入装置(31)，经此灰尘输入装置(31)可以把灰尘直接输送到进料部分(5)和热解部分(8)之间的横截面扩大的部分中。
11.权利要求10所述的反应器，其特征在于，进料部分(1)向上基本是气体密封的，在此经过闸门装置进行填料的投入。
12.一种气化和/或熔化填料的方法，包括以下的步骤：
在筒式反应器中构成基本上与环境隔绝的垃圾堆(4)；
通过在上部区域中输入热气体迅速加热垃圾堆(4)，以在填料中进行热解；
通过输入富能介质产生温度在1000℃以上的位置较低的热区(17)；
在热区(17)中燃烧热解产物、熔化可能会包括的金属和矿物质组分，并且在很大的程度上碳化填料的残余物；
经垃圾堆(4)、经热区(17)然后经位置较低的还原区(22)向下排出所有的气体；
在还原区(22)从反应器导出还原的剩余燃气；
在反应器的最下部分集聚可能存在的金属和/或炉渣熔化物；
直接在聚集的熔化物上方导入富能的介质，以保持熔化物为液体；
按需要开炉放出熔化物。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，输入氧气、燃气、部分排出的剩余气体、液体燃料或者尘样燃料作为富能介质。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤：
全面地监测反应器，使垃圾堆在高度总在最小值与最大值之间；
把最小值调节得使在急剧加热点以上的垃圾堆借助于较紧密装料的填料与环境隔绝。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括通过在急剧加热点的上方把垃圾堆加热至约100℃预干燥填料的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括调节低压以排出气体的步骤，从而几乎没有气体向上从反应器逸出，并且仅有最少量的环境空气从上方经垃圾堆进入。
17.如权利要求116所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤：
通过在方法的起始阶部分燃烧外来燃料急剧加热垃圾堆；
通过燃烧至少部分地纯化了的从反应器引出的还原了的剩余燃气产生热气体来急剧加热垃圾堆，必要时结合外来燃料进行所述燃烧。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在缺氧的条件下进行燃烧，从而产生基本由一氧化碳和水蒸汽组成的惰性的燃气。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，把导出的剩余燃气输入进后续的气体处理设施以进行冷却和/或清洁。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，直接在急剧加热垃圾堆的附近输入要加以利用的灰尘。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，采用根据权利要求1至11中任一项所述的反应器。
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