CN201144219Y - 一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备 - Google Patents

Abstract

一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，涉及一种垃圾、生物质的气化设备。主要由转化反应炉、循环风管、循环风机、等离子体燃烧器和螺旋进料器组成，转化反应炉内有布风板，布风板把转化反应炉内分隔为反应室和风室；反应室的最上部有水蒸汽混合物出口接出，水蒸汽混合物出口通过循环风管和循环风机连接到反应炉下部的风室；等离子体燃烧器安装在反应室底部的侧墙上。本设备应用等离子体技术，在无氧供给的情况下实现炉内的燃烧反应，通过循环风管和循环风机把炉内产生的水蒸汽、烟气和分解物从反应炉的上部抽出送回反应炉下部的燃烧区，进行循环气化，彻底瓦解二恶英。应用本设备可以实现把垃圾生物质转化为高热值的合成气产品。

Description

一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备

所属技术领域

本实用新型涉及垃圾焚烧处理的设备，特别涉及到一种垃圾、生物质的气化设备。

背景技术

当前，能源紧张，环保形势严峻，垃圾泛滥成灾。垃圾随着我国国民经济的发展及城市规模的不断扩大正以10％的速度迅速增加，并且其有害成分的含量也越来越高，如处理不好，将会污染环境，威胁人民的身体健康，这不仅会制约社会的进步，也会影响到国民经济的可持续发展。当前，我国大部分地区采用填埋法处理城市生活垃圾，这不但需占用大量的土地、浪费资源，而且有害物容易泄漏造成二次污染；焚烧法可以做到减量化、无害化、资源化处理生活垃圾，但焚烧法处理生活垃圾所追求的主要目标是能把垃圾在焚烧炉内充分燃烧，其次才是能量的回收，由于生活垃圾焚烧烟气具有含水量大、氯化氢浓度高，对材料有较大的腐蚀性，不能把热能回收装置设置在强辐射区而使热能回收率受到影响，所以焚烧法处理生活垃圾的资源化应用程度有限；有些地区用垃圾焚烧发电来处理城市生活垃圾，但垃圾焚烧发电的能量利用率仅为20％左右，有近80％的能量被浪费掉了，并且因产生的烟气和污水量大而需庞大的处理设备、昂贵的运行费用来处理焚烧后的三废，还容易发生二次污染。

生物质能在使用过程中几乎不产生污染，没有SO₂排放，产生的CO₂气体与植物生长过程中需要吸收的大量CO₂在数量上保持平衡，被称之为CO₂中性的燃料。用生物质能代替化石燃料，不仅可永续利用，而且环保和生态效果突出，对改善大气酸雨环境，减少大气中二氧化碳含量，从而减轻温室效应都有极大的好处。我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、芦苇、竹子等非木材纤维就年产超过10亿吨，加上大量木材加工剩余物，都是巨大的能源“仓库”。然而，我国目前的农林剩余物质资源浪费惊人，除小部分农村用来发酵生产沼气外，大部分都被直接燃烧、填埋、腐烂掉了。把垃圾、生物质通过气化或液化的方法转化为清洁的二次能源，可以取得双重的有益效果，一是可以解决环境污染问题，二是可以摆脱对石油煤炭资源的依赖。由于生活垃圾的特点是含水含氧高、热值低、含氯物多易生成剧毒物二恶英，因此，对生活垃圾的焚烧处理技术要求高，工艺及设备复杂，而生物质同样存在含水含氧高、热值低的特点，用一般的工艺设备只能生产热值不高的合成气或生物油，再把这种低热值的合成气或生物油进行提炼成满足使用要求的产品，将会使生产成本大幅提高，过高的生产成本限制了垃圾生物质转化项目的商业化应用。

经检索专利文献，国家知识产权局2006年12月6日公开了申请号为200610054403.X的《城市生活垃圾气化熔融焚烧处理方法及其系统》发明专利，其特征在于回收垃圾气化熔融焚烧的烟气余热获取的高温空气，再引入气化炉、熔融焚烧炉，作为垃圾气化所需的空气和熔融焚烧垃圾所需的助燃空气。该发明是以焚烧处理垃圾为主要目的，对城市生活垃圾能处理得彻底，可以达到无害化和减量化的处理目标，但资源化利用程度不高。

检索的另一例是，国家知识产权局2007年1月3日公开的申请号为200610019351.2的《一种裂解气化重整炉》发明专利，这种裂解气化重整炉主要包括粉尘云燃烧室、裂解气化室和催化重整室。微米燃料进入粉尘云燃烧室高效燃烧，裂解气化和催化重整所需的热源由粉尘云燃烧室提供，裂解气化的原料在裂解气化室自上而下的过程中吸收热量而裂解气化，裂解气化产物在气化压力下，进入催化重整室得到重整，从而得到CO和H₂含量占80％左右的中热值燃气。该裂解气化重整炉利用由农业秸秆和林业固废加工破碎的微米燃料作为裂解气化的外加热源，用于城市垃圾、农林废弃物等裂解气化制取燃气。该发明对城市垃圾、农林废弃物的资源化利用程度较高，但存在下列缺点：原料处理得不彻底，用城市垃圾为原料时，缺少抑制剧毒物二恶英生成的措施；制得的中热值燃气不能普及应用；裂解气化和催化重整所需的热源需由粉尘云燃烧室提供，而粉尘云燃烧室的燃料要求为微米级的粉料，需增加设备投资及提高运行成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是要克服现有技术和设备的缺点，在彻底处理生活垃圾的同时，实现低成本的把垃圾、生物质转化为高热值的合成气产品，从而使垃圾、生物质转化项目能得到商业化的应用。

为了达到上述的实用新型目的，本实用新型采取的措施是：设计一逆流式的集烘干、热解、气化、燃烧为一体的转化反应炉，应用等离子体燃烧技术，在无氧供给的情况下实现炉内的燃烧反应；用炉内燃烧产生的热能把进入到炉内的原料进行烘干和热解；把炉内产生的水蒸汽、烟气、分解物从炉的上部抽出，然后送回炉底部的燃烧区进行循环气化，以提高合成气的品质，同时把燃烧区的运行温度控制在1000℃以上，彻底瓦解剧毒物二恶英；不使用空气、氧气做氧化剂，以降低合成产物的含氧量，用氢气做气化剂，使合成产物达到高热值的水平。通过以上措施，实现把垃圾、生物质转化为高热值的合成燃气。

本实用新型的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备主要由转化反应炉(25)、循环风管(3)、循环风机(11)、等离子体燃烧器(19)、螺旋进料器(22)组成，其中：转化反应炉(25)内有布风板(14)，布风板(14)在炉内的下部，布风板(14)把转化反应炉(25)内分隔为二个空间，布风板(14)的上面为反应室(21)，布风板(14)的底下为风室(13)；反应室(21)的最上部有水蒸汽混合物出口(2)接出，水蒸汽混合物出口(2)通过循环风管(3)及循环风机(11)连接到反应炉(25)下部的风室(13)；等离子体燃烧器(19)安装在反应室(21)底部的侧墙上，还可安装在布风板(14)上；螺旋进料器(22)的出料口从转化反应炉(25)的2/3以上部位伸进反应室(21)内。所述的转化反应炉(25)围护体由外壳(1)、保温层(4)、隔热层(5)、耐火层(6)构成，其中耐火层(6)在最里层，耐火层(6)的外层为隔热层(5)，隔热层(5)的外层为保温层(4)，保温层(4)的外层为外壳(1)。

上述的设备中，所述的等离子体燃烧器(19)为一只以上，至少一只；在反应室(21)内还有搅拌器(10)，搅拌器(10)由搅拌器变速箱(26)驱动，搅拌器起拌匀垃圾生物质及防止炉内原料搭桥的作用；在反应室(21)中部的侧面炉墙上还有温度传感器(7)，在反应室(21)的下部的侧面炉墙上还有温度传感器(7b)，通过检测炉内的温度来调节运行参数；产物出口(9)从反应室(21)的中下部位接出，在产物出口(9)上还有挡灰器(8)，把固体颗粒物挡回炉内；在反应室(21)的中部还有石英电热管(27)，石英电热管(27)与等离子体燃烧器(19)进行电气连接，连接形式为串联接法；所述的螺旋进料器(22)还可以用其它形式的进料装置代替。

本实用新型设备的工作流程是：把有机质垃圾、生物质送入反应室(21)内，在反应室(21)内进行烘干、挥发物逸出、热解气化、反应气化、燃烬，从而完成垃圾生物质的转化；在反应室(21)内，由运行工况自然形成水蒸汽混合物区(I)、烘干区(II)、热解区(III)、燃烧区(IV)；原料由螺旋进料器(22)推送进入反应室(21)，然后依自身的重力由上往下运行，在烘干区(II)进行烘干和挥发物逸出，在热解区(III)继续进行挥发物逸出及分解气化，在燃烧区(IV)进行反应气化和燃烬，燃烬的灰渣排入渣仓；把氢气作为工作气体送入等离子体燃烧器(19)，产生1200℃以上的高温弧焰喷入燃烧区(IV)，与垃圾生物质分解后的残炭进行气化反应，把残炭燃烬并生成甲烷；在反应室(21)产生的水蒸汽、烟气、挥发物、热解反应和气化反应产生的气态物及燃烧区(IV)产生的热量由下往上运行，原料烘干及热解所需的热能由燃烧区(IV)产生的热量提供，把燃烧区(IV)的温度控制在1000℃以上，把热解区(III)的温度控制在800℃以上；反应室(21)内产生的水蒸汽及由挥发物、热解气化物和反应气化物组成的混合物集聚在水蒸汽混合物区(I)，通过循环风管(3)及循环风机(11)把水蒸汽混合物从反应室(21)的上部抽出送回转化反应炉内的风室(13)，再通过布风板(14)进入到燃烧区(IV)，作为气化剂与燃烧区(IV)的垃圾生物质炭进行气化反应，转化成高热值的合成燃气，同时在1000℃以上的环境中彻底瓦解剧毒物二恶英；反应室(21)内生成的合成燃气作为粗制产物由产物出口(9)抽出，送入后续工序处理；后续工序将通过余热锅炉回收热能，把粗制产物进行迅速降温至200℃以下，防止二恶英重新生成，再进行除尘、脱氯/脱硫、分离净化工序，制成高热值的合成气产品。

上述的工作流程中，不使用空气或氧气来焚烧垃圾生物质热解过后的残炭，而是使用1200℃以上的氢气等离子体弧焰来与垃圾生物质残炭进行气化反应，把垃圾生物质残炭燃烬，同时生成甲烷，从而使转化反应炉能够生产出含氧量很低的高热值的气化产物。不用空气或氧气来把垃圾生物质炭燃烬，用一般的燃烧方式难以达到，而应用等离子体燃烧器就很容易达到。等离子体加热的方法有：欧姆加热，它是利用等离子体的阻抗来加热的，这种加热方式一般能达到几百万度；磁压缩加热，外磁场加到等离子体上会对它产生压缩作用，因而引起升温，这种方法加在已加热的等离子体上可使它继续升温；中性原子注入法加热，将高能中性原子注入磁场中，用这种方法加热使磁镜系统中获得2亿度高温；利用等离子体的某些性质来加热，比如，等离子体中存在静波、等离子体波、磁声波、磁流体力学波、电磁波，这些性质造成等离子体不稳定，则可利用来加温。另外，还有磁泵加热、离子回旋共振波加热、电子回旋共振波加热等，利用激光束、强的高能粒子束、微波辐射，利用激震波产生等离子体，同时加热。本实用新型应用的1200℃以上的氢气等离子体弧只要利用等离子体的某些性质就可以很容易获得。

把氢气作为等离子体发生器的工作气体，同时又是转化反应的气化剂。用制氢装置就地制取氢气，可以降低生产成本，用电解水的方法制氢，不消耗有限的化石能源，本人的200720151121.1《水分子活化、分解装置》实用新型专利，提出了用水为原料实现廉价制氢的方案。

本实用新型的转化反应炉内运行压力为接近常压的微负压或微正压，也可以是常压。用垃圾或垃圾与生物质混合的原料时，热解区(III)的运行温度控制在800℃以上、燃烧区(IV)的运行温度控制在1000℃以上，就可以彻底瓦解剧毒物二恶英。由于二恶英再合成的温度为250～500℃，后续工序中把从反应炉内抽出的粗制产物进行迅速降温至200℃以下，以避免二恶英的重新生成。用不含氯、硫的农林废弃物之类的生物质原料生产生物油时，把热解区(III)的运行温度控制在500～800℃之间，从反应炉内抽出的粗制产物可不必进行迅速降温处理。

本实用新型的有益效果是：把垃圾、农林废弃物转化为高热值的二次清洁能源，变废为宝，不但消除了垃圾的污染，而且可以缓解能源紧张的局面。本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：对城市生活垃圾能达到彻底的处理，对炉内产生的水蒸汽、烟气进行循环气化，全部转化为合成燃气，能量转化率高，而且没有烟气排放；由于不用空气和氧气助燃，转化的产品热值高，应用范围广；设备结构简单，投资费用低，易于普及。

附图说明

本实用新型提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下的具体实施方式均不构成对本实用新型的限制：

图1是以本实用新型设备为基础组成的系统工艺流程方框图。

图2是本实用新型的其中一种气化设备的实施例结构图。

图3是本实用新型的另一种气化设备的实施例结构图。

图4是本实用新型的又另一种气化设备的实施例结构图。

图中：1.外壳，2.水蒸汽混合物出口，3.循环风管，4.保温层，5.隔热层，6.耐火层，7.温度传感器，7b.温度传感器，8.挡灰器，9.产物出口，10.搅拌器，11.循环风机，12.出渣口，13.风室，14.布风板，15.冷却剂回流接口，16.工作气体接口，17.冷却剂输入接口，18.电源线插口，19.等离子体燃烧器，20.检修门，20b.视镜，21.反应室，22.螺旋进料器，23.料斗，24.防爆阀，25.转化反应炉，26.搅拌器变速箱，27.石英电热管，I.水蒸汽混合物区，II.烘干区，III.热解区，IV.燃烧区。

具体实施方式

图1所示的以本实用新型的设备为基础组成的系统工作流程中，转化反应炉内有水蒸汽混合物区、烘干区、热解区、燃烧区、风室，有机质垃圾、生物质作为转化原料进入到转化反应炉内，用等离子体燃烧器对原料进行处理，垃圾生物质完成转化后，固体灰渣从炉底排入水封式渣池；水蒸汽混合物由炉的上部被风机抽出送回炉下部的风室，然后进入燃烧区与垃圾生物质分解过后的残炭进行气化反应，在1000℃以上高温环境中彻底瓦解剧毒物二恶英；炉内反应生成的高热值合成气粗制产物从燃烧区与热解区的结合区域被抽出，通过余热锅炉迅速降温至200℃以下，以消除二恶英重新生成的条件，然后进入后级的处理工序。后级的处理工序可应用成熟的技术工艺来完成，后级的处理工序主要是：除尘、脱氯/脱硫、分离净化，经后级处理工序完成后得到的产品是以甲烷为主的含有CO和H₂的高热值合成气，另外还分离有生物油产品。高热值合成气可直接通过管道供应给用户使用，还可通过合成反应生产甲醇、二甲醚液化产品。后级处理工序还有对整个生产过程中产生的少量废气、废水、废渣进行无害化处理，同时获得副产品建材和肥料，对有害物进行固化、填埋，排放的废气、废水应达到环保要求。本实施例中，等离子体燃烧器的工作气体为氢气，所需氢气就地制取，制氢原料可用水，也可用煤、燃料油、生物质制取氢气，按不同的制氢原料投入相应的制氢设备，如用本人的200720151121.1《水分子活化、分解装置》的技术设备来制氢，可以获得廉价的氢能。

图2所示的实施例中，气化设备主要由转化反应炉(25)、循环风管(3)、循环风机(11)、等离子体燃烧器(19)、螺旋进料器(22)、料斗(23)、搅拌器(10)、搅拌器变速箱(26)、温度传感器(7)、温度传感器(7b)、挡灰器(8)、防爆阀(24)组成，其中：转化反应炉(25)的围护体由外壳(1)、保温层(4)、隔热层(5)、耐火层(6)构成，转化反应炉(25)的围护体横截面为圆环形，耐火层(6)在最里层，耐火层(6)的外层为隔热层(5)，隔热层(5)的外层为保温层(4)，保温层(4)的外层为外壳(1)；转化反应炉(25)内的下部有布风板(14)，布风板(14)把炉内分隔为反应室(21)和风室(13)，风室(13)在布风板(14)的底下，反应室(21)在布风板(14)的上面；反应室(21)的功能区域有水蒸汽混合物区(I)、烘干区(II)、热解区(III)、燃烧区(IV)，水蒸汽混合物区(I)在炉内的最上部，水蒸汽混合物区(I)的下面是烘干区(II)，烘干区(II)的下面是热解区(III)，热解区(III)的下面是燃烧区(IV)；反应室(21)内有搅拌器(10)，搅拌器(10)由搅拌器变速箱(26)驱动，设备运行时，搅拌器(10)把炉内的垃圾生物质拌匀、消除垃圾生物质搭桥；在反应室(21)最上部的水蒸汽混合物区(I)有水蒸汽混合物出口(2)，水蒸汽混合物出口(2)通过循环风管(3)及循环风机(11)连接到风室(13)，设备运行时，聚集在水蒸汽混合物区(I)的水蒸汽混合物被循环风机(11)抽出送入风室(13)，再通过布风板(14)进入到燃烧区(IV)，与从热解区(III)下来的残炭进行循环气化反应，生成高热值的合成燃气；在热解区(III)的侧面炉墙上有温度传感器(7)，通过检测的温度来调节运行参数；在热解区(III)与燃烧区(IV)交接区域的侧墙上有产物出口(9)，产物出口(9)上有挡灰器(8)，挡灰器(8)可以把固体颗粒物挡回炉内，在产物出口(9)还有取样口(图中未示出)，产物样品由取样口抽取进行化验检测；在反应室(21)底部的燃烧区(IV)炉墙上安装有等离子体燃烧器(19)、温度传感器(7b)及视镜(20b)，等离子体燃烧器(19)上有冷却剂回流接口(15)、工作气体接口(16)、冷却剂输入接口(17)和电源线插口(18)，工作气体接口(16)连接到氢气柜，冷却剂回流接口(15)及冷却剂输入接口(17)连接到冷却系统，电源线插口(18)连接到电源控制柜；在水蒸汽混合物区(I)的侧墙上有防爆阀(24)；螺旋进料器(22)的出料口从水蒸汽混合物区(I)与烘干区(II)的结合区域伸入反应室(21)内，料斗(23)在螺旋进料器(22)的进料口之上，螺旋进料器(22)有破袋和破碎垃圾生物质的功能，利用螺旋进料器(22)和料斗(23)内的原料，可以阻挡外界空气进入炉内，也可防止炉内的气态物外泄；在烘干区(II)侧面的炉墙上还有料位传感器(图中未示出)，以实现进料的自动控制；在燃烧区(IV)的侧面还有检修门(20)，便于设备停炉维护时出料及维修使用。在设备开始运行时，先通过螺旋进料器(22)把干燥的有机质垃圾、生物质送进反应炉，把原料装填至烘干区的高度后，再把氢气输入等离子体燃烧器，然后启动等离子体燃烧器(19)、启动循环风机(11)、启动搅拌器变速箱(26)驱动搅拌器(10)工作；当炉内温度升高达到工艺要求时，从产物出口(9)的取样口抽样检验，当合成气产物达到质量要求时，开始抽取炉内的产物送入后续设备进行处理。当炉内的燃烧及炉温趋于稳定时，就可向炉内输入原生垃圾、生物质，正常运行时，通过温度传感器(7)和温度传感器(7b)检测的温度数据，把燃烧区(IV)的温度控制在1000℃以上，热解区(III)的温度控制在800℃以上，这些运行参数通过调整等离子体燃烧器(19)的工作电流、水蒸汽混合物的循环量及产物的流量来进行调节。当把燃烧区的温度调节在1300℃以上时，就可熔融灰渣，灰渣经水冷后成为玻璃体颗粒，可直接作为建材使用。本实施例在燃烧区(IV)的侧面炉墙上布置4只等离子体燃烧器。

图3所示的实施例中，转化反应炉的各功能区结构及布局与图3所示的实施例相同，不同之处为等离子体燃烧器的安装部位，本实施例中，采用多只等离子体燃烧器(19)安装在燃烧区(IV)下面的布风板(14)上。

图4所示的实施例是在图3实施例的结构上增加了石英电热管(27)，石英电热管(27)安装在热解区(III)，石英电热管(27)的电气连接与等离子体燃烧器(19)进行串联连接，每根石英电热管与一只等离子体燃烧器连接(图中未示出)。石英电热管(27)在电路中起匀流及限流作用，使等离子体燃烧器(19)的工作稳定，在石英电热管(27)中消耗的电能转为热能用来提高热解区(III)的温度。

Claims (8)

1.一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是气化设备主要由转化反应炉(25)、循环风管(3)、循环风机(11)、等离子体燃烧器(19)和螺旋进料器(22)组成，其中：转化反应炉(25)内有布风板(14)，布风板(14)在炉内的下部，布风板(14)把转化反应炉(25)内分隔为反应室(21)和风室(13)，反应室(21)在布风板(14)的上面，风室(13)在布风板(14)的底下；反应室(21)的最上部有水蒸汽混合物出口(2)接出，水蒸汽混合物出口(2)通过循环风管(3)及循环风机(11)连接到反应炉(25)下部的风室(13)；等离子体燃烧器(19)安装在反应室(21)底部的侧墙上；螺旋进料器(22)的出料口从转化反应炉(25)的2/3以上部位伸进反应室(21)内。

2.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是等离子体燃烧器(19)还可安装在布风板(14)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是等离子体燃烧器(19)为一只以上，至少一只。

4.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是反应室(21)内还有搅拌器(10)。

5.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是在反应室(21)中部的侧面炉墙上还有温度传感器(7)。

6.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是在反应室(21)下部的侧面炉墙上还有温度传感器(7b)。

7.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是在反应室(21)的中下部位有产物出口(9)接出。

8.根据权利要求1所述的一种把垃圾、生物质转化为高热值合成气的气化设备，其特征是反应室(21)的中部区域还有石英电热管(27)，石英电热管(27)与等离子体燃烧器(19)进行电气连接，连接形式为串联接法。

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