CN1218141C - 固体物料热处理的方法 - Google Patents

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Abstract

对固体物料(3)，尤其是对垃圾进行热处理的一种方法。此处，使固体物料(3)在第一阶段(5)缺氧情况下燃烧/气化或者热解，并紧接着使第一阶段(5)产生的废气(6)在一个次级燃烧室(14)里与一种含氧的气体状介质(15)混合并充分地燃尽。由第一阶段(5)产生的废气(6)在它与含氧介质(15)混合之前首先主动地添入气体状的无氧或贫氧的介质(8)在混合区(7)实现均匀化。接着使均匀化的废气流过一个稳定区(13)，至少要在此稳定区里停留0.5秒，直到使得保证废气充分燃完的介质(15)在一个次级燃烧阶段(14)内进行混合。按本发明方法的特点是工艺步骤简单，而且相对于目前已有技术来说减少了环境污染物，尤其是氮氧化物(NOx)。

Description

固体物料热处理的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对固体物料，尤其是对垃圾如家庭垃圾和城市垃圾进行热处理的方法。采用这种方法时，使固体物料在第一阶段缺氧的情况下燃烧/气化或者热解，并将第一阶段产生的废气接着在一个次级燃烧室内与含氧的气体状介质混合并充分燃烧尽。
技术现状
目前已知的技术现状是：使块状的固体物料，例如垃圾，在一个输给一级空气的燃烧室内并在一个后续的输给二级空气的次级燃烧室内燃烧。通常固体物料就在燃烧工作炉栅上实现转换。一级空气就在炉栅下输入并流经炉栅层里的孔进入位于炉栅上的固体物料层。
燃烧时在料层里和料层上所产生的废气的成份和温度都随位置和时间有很大的波动。因此对传统的系统来说，随后就借助于二级空气或者说二级空气和再循环的烟气使这些废气混合。二级空气满足以下功能：
-使由燃烧室流出的气体混合；
-输给氧气以保证气体燃尽；
-使流出的气体冷却。
在第一阶段所加入的一级空气大多数足够使燃料充分燃烧，使用二级空气的目的是使排出废气达到横向混合(含CO的气束与含O2的气束混合)。为了确保充分的混合，输入的二级空气量必须选得相应地多些。但由于空气过量，其缺点是使排出废气量也增加了。
为了消除这种缺点，在EP0607210B1里叙述了一种燃烧固体物料的方法，采用这种方法时除了一级空气之外并不向燃烧炉输入其它的燃烧空气。由于在次级燃烧室内混合得不充分而引起气体燃烧不佳并且导致废气中的环境污染物含量较高，为了改善气体燃烧不佳的这种情况，在EP 0607210B1中就建议，一方面在第一阶段就输给足够的一级空气，以使氧过剩，而另一方面在火焰腔上方和次级燃烧室的下部将水蒸汽喷入燃烧炉内，该水蒸汽由于过压而产生了一个超音速的速度。该方法的缺点是，当第一燃烧阶段空气过多时就在很大程度上使得燃料中所含的氮氧化成NO，而且因此就不能达到较低的氮氧化物(NOx)污染了。
此外还已知有一种对垃圾进行热处理的方法(贝克曼，M和R，索尔茨(Beckmann，M和R.Scholz)：“废物排除的气化方法”中的“垃圾的气化”，斯泼林-德国工程师协会-出版社公司，多塞尔夫，1998，80-109页)，采用这种方法时将炉栅下的一级空气量一直减少，直到使燃料产生气化并形成富含CO的排出废气。该排出废气在一个紧接着的完全分隔开的次级燃烧室里与空气一起燃烧。与传统的炉栅燃烧系统相比第一阶段内添入的空气要显著减小，作为其后果来说，比较有利的是使氮氧化物(NOx)的污染明显减少。但至今这种方法仅处于试验阶段。次级燃烧室与燃烧室完全地隔开并通过一个管子相连接。由于排出气体流过该管子时的紊流而使排出气体实现均匀化。由于设备尺寸较小，而且由于有了连接管使一级燃烧室里排出的废气流有了导向，因此可以不要对一级燃烧室里排出的气流进行混合的装置了，而不会使次级燃烧室之后的排出废气中环境污染物的浓度增高。但是使用一根管子作为次级燃烧室与次级燃烧室的连接在大规模实施时是有不足的(磨损、粘结)。
对本发明的说明
本发明试图避免这些缺点。本发明的任务在于，开发一种对固体物料，尤其是对垃圾进行热处理的方法，采用此方法使固体物料在第一阶段缺氧情况下燃烧/气化或热解，并随后使排出的气体与用来保证完全燃烧所需的含氧介质混合并燃烧，此外排除了第一阶段废气的局部浓度和温度的变化，而且因此使环境污染物，尤其是NOx污染物的浓度减到最小。
按照本发明，达到此目的的方法是使由第一阶段排出的废气在其与含氧介质在一个混合区里混合之前主动加入一种气体状的无氧的或缺氧的介质实现均匀化，其目的是为了减少氮氧化物(NOx)，同时使由混合区流出的已均匀化了的缺氧废气流在添加入对于完全燃烧所必需的含氧介质之前就流过一个稳定区，其中在稳定区内的停留时间至少应达0.5秒。
本发明的优点在于，由第一阶段流出的气体由于紧接着进行了均匀化，所以当它与燃烧完的空气混合时，其浓度和温度就不再有变化了。若使均匀化的气流在稳定区里缺少空气的情况下(亚化学计量的空气比)附加地停留，那么就可能由于存在的NHx，HCN和CO而使已经形成的NO还原成N2。因此在按本发明对固体物料进行热处理时所产生的环境污染物最少。
如果应用水蒸汽、缺氧的空气或者惰性气体，例如氮气，作为气体状的无氧的或缺氧的介质使再循环的废气实现均匀化，那就尤其有利。将这些气体喷入混合区最好垂直于废气的流动方向，或者为了进一步改善均匀化效果和混合效果，成某一个角度与从第一阶段排出废气的气流方向相反或相同。
此外，有利的是使从第一阶段排出的废气借助于安设在混合区内的装置(静力混合器)来进行。这些装入的装置使废气气流换向并因而使混合更加有效。合适的是使这些装入的装置具有空腔，这样就可以流过冷却介质，例如水、水蒸汽或者空气。
最后，具有优点的是通过流动通道横断面的变窄或加宽来使从第一阶段排出的废气实现均匀化。
此外，有利的是通过输入混合区内的无氧或缺氧的气体状介质的数量来调节在喷入含氧介质的范围内废气的温度。这是使温度保持恒定的一种很简单的措施。
有利的是应用一种具有中间流燃烧或者逆流燃烧的炉栅系统作为第一阶段。
此外，有利的是使用一个沸腾层作为第一阶段，因为这样就实现了很好的物质材料的交换和热量的交换。可以阻止温度产生局部峰值的炉衬局部磨损的增加。此外，垃圾中所含的铁和非铁金属能以很好的质量从灰烬中回收。
同样合适的是使次级燃烧阶段是一个沸腾层，并将含氧的气体状介质在入口处输入沸腾层，或者直接输入沸腾层。作为优点，那么由于存在颗粒使热传导提高而避免了局部炽热区和高温生成NOx。此外阻止了在热交换器壁上的粘附，这就使热交换器表面上的腐蚀减小了。可以调定到较高的蒸汽压力和蒸汽温度，它们能够提高燃烧设备的热效率。
最后，有利的是使稳定区是一个沸腾层，并使气体状的无氧或者缺氧介质在入口处输入沸腾层或者直接输入沸腾层。
附图的简要说明
在附图中简要表示了本发明的几种实施例。以下所示为：
图1：在本发明的第一个实施方案中用于对垃圾进行热处理的一个设备的局部纵向断面，此外，燃烧炉栅被用作为第一阶段；
图2：在本发明的第二个实施方案中用于对垃圾进行热处理的一个设备的局部纵向断面，此外，沸腾层被用作为第一阶段；
图3：在本发明的第三个实施方案中用于对垃圾进行热处理的一个设备的局部纵向断面，此外，燃烧炉栅被用作为第一阶段，沸腾层被用作为次级燃烧区；
图4：在本发明的第四个实施方案中用于对垃圾进行热处理的一个设备的局部纵向断面，此外，燃烧炉栅被用作为第一阶段，沸腾层被用作为稳定区；
图5：类似于图3的一个设备的局部纵向断面，此外，次级燃烧区是一个循环的沸腾层。仅表示了对于理解本发明来说本质的一些要素。介质的流动方向用箭头表示。
实施本发明的方法
以下按照多个实施例和图1至5对本发明进行详细说明。
图1示意表示了用于在本发明的第一个实施方案中对固体物料，例如垃圾或煤炭进行热处理的设备的一部分。本发明实施例中是垃圾。
此处仅画出了燃炉1下部的第一个烟道，而该燃炉的其它的辐射烟道和对流部分在图1中没有表示。燃炉下部有一个炉栅2。在所示垃圾燃烧设备中实现了一种中间流-炉栅燃烧，也就是次级燃烧室14位于炉栅2的上部中间。
将固体物料3，在此情况下为垃圾，装入燃炉1内并置于炉栅2上面。使一级空气从下面通过炉栅2而输入。由于仅输入了一小部分一级空气4，所以因缺少空气或者说氧气在这方法的第一个阶段5只发生了垃圾的部分燃烧，或者说气化。其中第一阶段5就产生了含有CO而缺O2的废气6，这种气体随后就流入混合区7。在混合区7内主动地使这从第一阶段5排出的废气6均匀化。
为了实现均匀化，至少将一种几乎无氧的或者缺氧的气体状介质8输入混合区7里。在本实施例中，作为介质8一方面将水蒸汽9，另一方面将再循环的烟气10输入。氮气或其它惰性气体以及含氧量降低的空气同样都适合于使第一阶段5的废气6实现均匀化。若使其中一种介质8进入混合区7，那就足够了，但是在这些不同介质8之间的混合物当然也适合。如图1所示对于该实施例来说就将气体状介质8大致垂直于废气6的流动方向喷入混合区7。
若使介质8与从第一工艺阶段5出来的废气6的流动方向相反的角度输入，那就进一步加强了混合和均匀化。同样也可以使介质8与从第一阶段5出来的废气6的流动方向相同的角度输入。提高介质8的过压也可改善均匀化效果。
在本实施例中，混合区7的特征在于燃炉1的壁部横断面变化，也就是说流动通道的横断面的变化11。这种横断面的变化既可能是流动通道的变窄，也可以是流动通道的扩大。横断面的变化11有利于废气的均匀化。
另外，在本实施例中按图1在混合区7里附加设置了静力混合器12，这些静力混合器12保证了废气6的流动转向并因而保证了废气6的进一步混合和主动的均匀化。静力混合器12具有中空腔(图中未示出)，这些中空腔可使冷却介质，例如空气、水或水蒸汽流过。
当然，在其它实施例中也可以应用其它不同的技术措施(输入气体状的几乎无氧的介质，在气流里装入内装件、流动通道的横断面变化)分别用于将从第一阶段5出来的废气6实现均匀化。
由混合区7流出的均匀化了的富含CO的废气紧接着就到达稳定区13，此外同样是缺氧，即存在一种亚化学计量的空气比。在稳定区1 3，来自存在有CO，NHi，和HCN的燃烧中已形成的一部分NO还原成N2。对本发明具有重要意义的是要使均匀化了的废气在稳定区13内的停留时间至少达到0.5秒。对通常的大致4米/秒的排气速度来说这就意味着稳定区至少必需要2米左右长。
此后由稳定区排出的气就流入次级燃烧阶段14里。在此处，含有氧的介质15，例如空气(二级空气)就被混合，以确保废气的完全燃尽。
按本发明的方法对固体物料进行分阶段的热处理，其特点在于工艺步骤比较简单，而且与目前已知的技术相比NOx污染物的含量减少了。由第一阶段5排出的气体6进行混合和均匀化时与现有技术相比并不是借助二级空气在次级燃烧区内进行，而是在真正的次级燃烧之前在一个附加的混合区7里进行，其中在废气6的混合和含氧介质15的输入之间插入了一个缺氧时废气的稳定区13，在该稳定区内气体至少应该停留0.5秒。用这种方式既可减少环境污染的数值，又达到充分燃烧。
此外，采用按本发明的方法就可以很方便地调节在喷入含氧介质15的部位处废气的温度，其方法是只要简单地变化输入混合区7的介质的量，并适应各自的运行条件。
图2表示本发明的另一种实施例，它与第一个实施例的区别仅在于，在第一个工艺阶段5不是使用燃烧炉栅，而是一个沸腾层16。垃圾3在沸腾层16里亚化学计量地被燃烧，其中有利的是进行了物料和热量的很良好的交换，而且阻止了局部温度峰值的形成。由沸腾层16(第一阶段5)排出的气体6与第一个实施例一样是在紧接着的混合区7里进行混合和均匀化，在这混合区7里输入了气体状的几乎无氧的或者缺氧的介质8，例如水蒸汽9或者再循环的废气10，此外在这混合区里还设置了静力混合器12，这些静力装置使排出的废气6转向并因而主动地混合和均匀化。由混合区7排出的均匀化的富含CO的气体接着抵达稳定区13，在这稳定区内同样是缺氧。在稳定区13里，来自伴有CO，NHi和HCN的燃烧中的一部分已形成的NO被还原至N2。然后使来自稳定区13的废气流入次级燃烧室14里。在那里混合入一种含有氧气的介质15，例如空气，以便确保废气充分燃尽。
图3表示了一种实施例，这里与图1所示实例的区别在于将次级燃烧区14设计为沸腾层16。将含氧气的气体状介质15或者直接送入沸腾层16，或者在入口处送入沸腾层16。图3表示了这两种可供选择的方案。由于把次级燃烧区14设计为沸腾层16，因存在有颗粒物而使热传导提高了，这样就避免了局部炽热区和高温生成NOx。此外也可以阻止在热交换器壁上的粘附，并大大减少热交换器表面的腐蚀，也可以调定到较高的蒸汽压力和蒸汽温度，这可以使燃烧设备有较高的热效率。
图4表示了在本发明的第四个实施方案中用于对垃圾进行热处理的设备的部分纵向断面，此处燃烧炉栅2被用作为第一阶段，而沸腾层16被用作为稳定区13。与图1所示相比不同之处在于在本实施例中混合区7的特点是横向断面扩大了。对于以混合区7排出的均匀化的废气来说，有利的是紧接着在沸腾层16(稳定区13)里实现强烈的物料交换和热量交换。
最后，图5表示了另一种实施例，它与图3所示实施例的区别仅在于：在次级燃烧阶段14里的沸腾层16此处是一个循环的沸腾层，此时立管里的空管速度(Leerrohrgeschwindigkeit)提高了。涡流物料被卸入一个旋涡分离器并接着又回到沸腾层里。在循环的沸腾层里气体在立管里的平均垂直速度要比采用传统的沸腾层时要更快，同样在气体和颗粒物之间的平均相对速度也提高了。这就加快了气体和颗粒物之间的热量和物料的交换，并因此减小了温度分布和浓度分布。此外，采用一种外部流化床冷却器就能够改变取自沸腾层的热量，而且这样就使次级燃烧区末端的温度和沸腾层温度被良好地调定。
当然，本发明并不局限于所述的实施例。因此，例如在另一个实施例中也可以将稳定区13设计为循环的沸腾层，或者可以应用一种具有逆流燃烧的炉栅系统。
                       参照符号表
1.燃炉
2.炉栅
3.固体物料，例如垃圾
4.一级空气
5.第一工艺阶段
6.来自位置5的废气
7.混合区
8.无氧或缺氧的气体状介质
9.水蒸汽
10.再循环的废气
11.气流通道的横断面变化
12.静力混合器
13.稳定区
14.次级燃烧阶段
15.含氧的气体状介质
16.沸腾层

Claims (17)

1.对可燃的固体物料(3)进行热处理的方法，使用这种方法时使固体物料(3)在第一阶段(5)在缺氧的情况下燃烧/气化或者热解，并紧接着使第一阶段(5)排出的废气(6)在一个次级燃烧阶段(14)里与一种含氧的气体状介质(15)混合并充分地燃尽，其中，为使NOx还原，将从第一阶段(5)排出的废气(6)添加气体状无氧或缺氧的介质(8)实现均匀化，该介质是由外部加入的，其特征在于，上述均匀化是在与含氧介质(15)混合之前在一个混合区(7)里主动实现的，并使由混合区(7)排出的均匀化的缺氧气体在加入对充分燃尽所必须的气体状含氧介质(15)之前流过一个稳定区(13)，其中在稳定区(13)内的停留时间至少达到0.5秒。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，再循环的废气(10)被用作为气体状的无氧或缺氧介质(8)。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将水蒸汽(9)用作为气体状无氧或缺氧介质(8)。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将缺氧的空气用作为气体状无氧或缺氧介质(8)。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将惰性气体用作为气体状无氧或缺氧介质(8)。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，主动地对由第一阶段(5)排出的废气(6)进行均匀化是借助于装入在混合区(7)里的静力混合器(12)来实现的。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，静力混合器(12)由冷却介质流过。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，主动地对由第一阶段(5)排出的废气(6)进行均匀化是通过使混合区(7)内流动通道的横断面变窄或者扩大来实现的。
9.按权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在喷入气体状含氧介质(15)的部位处废气的温度通过输入混合区(7)的气体状无氧或缺氧介质(8)的量来调节。
10.按权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在稳定区(13)内废气具有亚化学计量的空气比。
11.按权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，应用一种具有中间流-炉栅燃烧的炉栅系统(2)作为第一阶段(5)。
12.按权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，应用一种具有逆流-炉栅燃烧的炉栅系统(2)作为第一阶段(5)。
13.按权利要求1-8中任何一项所述的方法，其特征在于，应用一个沸腾层(16)作为第一阶段(5)。
14.按权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，次级燃烧阶段(14)是一个沸腾层，而且将含氧的气体状介质(15)或者在进入沸腾层的入口处输入给废气(6)，或者直接输入沸腾层。
15.按权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，稳定区(13)是一个沸腾层，而且将无氧的或缺氧的气体状介质(8)或者在进入沸腾层的入口处输入给废气(6)，或者直接输入沸腾层。
16.按权利要求14所述的方法，其特征在于，应用了一个循环的沸腾层作为沸腾层。
17.按权利要求15所述的方法，其特征在于，应用了一个循环的沸腾层作为沸腾层。
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