CN211952778U - 等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及利用等离子体气化炉处理固体废物，并公开了一种等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，包括等离子气化单元，等离子气化单元包括等离子体气化炉，还包括向等离子气化单元供电的离网发电单元和依次连接在等离子气化单元之后的二次燃烧单元和烟气处理单元，所述离网发电单元包括发电模块、功率控制器、蓄电池组和DC/DC转换器。烟气处理单元包括与二次燃烧单元连接的混风室，混风室后依次连接有半干法脱酸装置、除尘器、引风机和烟囱。通过等离子体炬以气化、熔融方式处理固体废物，过程中产生的合成气经二次燃烧后无害化处理，有效解决了垃圾焚烧导致的烟气污染问题，拓宽了离网发电单元的利用范围，节省网内电耗。

Description

等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统

技术领域

本实用新型涉及固体废物处理，尤其是一种利用等离子体气化炉处理固体废物的系统。

背景技术

目前，固体废物常用的处理技术包括填埋、焚烧、堆肥三种。填理或堆肥都不能完全实现垃圾处理的无害化和减量化，且填埋仍需占用大量土地。由于焚烧处理可以实现垃圾热能回收、减容减重、高温灭菌等目的，在环境保护和资源利用方面具有明显的优势，因而近几年在我国得到较快的发展。但现阶段主流的直接焚烧法存在烟气超标、排放二噁英、重金属等二次污染问题。气化技术被认为是直接焚烧之后的下一代垃圾热化学处理技术，在德国、日本、美国等发达国家的发展势头迅猛。

等离子气化技术是一种新型的垃圾处理技术，与常规的垃圾处理方法相比，具有分解彻底、二次污染小、烟气量小、后处理设备简单的特点。所谓等离子气化技术，是利用等离子体炬作为热源加热等离子体气化炉内的气化介质(空气、水蒸气等)，使之成为高度电离或充电的气体即等离子体，为气化反应提供了一个高温、高能环境。物料进入后加热速率快、反应速率快，有很高的处理效率，还能发生一些在普通气化条件下无法进行的反应。

然而现阶段的等离子气化技术尚有许多不足之处，并直接影响到它的推广应用：一方面，等离子体气化炉运行能耗较大，平均处理1kg高灰分的固体废物会消耗约0.7-0.9度的电能，由于耗电过高导致运营成本大大增加，使其不具备商业运行的价值。另一方面，合成气的产出和品质受限，整体能量的利用效率偏低，同时存在操控不便等问题。

在“低碳化、清洁化”的要求下，我国能源结构加速调整。在此前提下，太阳能以普遍性、易获取、储量大、利用过程安全无污染、使用时间长等优点，在众多的可再生能源利用中表现突出。但是太阳能的缺点也是显而易见的，能流密度低导致太阳能的收集利用效率过低，天气变化可以直接影响太阳辐射强度进而影响发电系统运行。

在现有的太阳能利用方式中，光伏发电是一个很有潜力的方向，利用光伏效应把太阳能转换成电能，整个过程安全高效，但是由于能流密度的不稳定，产生的电流并不是恒定的，直接并网供电对电网冲击巨大，导致目前弃光现象严重，已经投用的发电装置闲置造成较大的浪费。如果能够想办法利用这些未并入电网的离网发电单元所产生的电能，就可以节省电网内常规用电。

实用新型内容

等离子体气化炉耗能高，同时，风能发明、太阳能发电方式获得的电能有电流波动较大，能流密度较低的缺陷，难于直接并网使用。考虑到以上的问题，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，利用离网发电单元产出的电能来处理废物，以充分利用能源，并优化生活环境。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，包括等离子气化单元，还包括向等离子气化单元供电的离网发电单元和依次连接在等离子气化单元之后的二次燃烧单元和烟气处理单元，所述离网发电单元包括发电模块、功率控制器、蓄电池组和DC/DC转换器。

所述烟气处理单元包括与二次燃烧单元连接的混风室，混风室后依次连接有半干法脱酸装置、除尘器、引风机和烟囱。

所述等离子气化单元包括等离子体气化炉，等离子体气化炉包括上部的热解气化反应室和下部的灰渣熔融室，灰渣熔融室内部配备有等离子体炬，炉的顶部设置有进料口，炉的底部设置有排渣口，炉的侧面开设有辅料进口、合成气出口和电源接口，其中合成气出口设置在远离辅料进口的另一侧。

所述二次燃烧单元包括二次燃烧室，二次燃烧室内设置有燃油燃烧器，并配置有用以引入助燃空气的配风装置。

通过混风室的介质均以折流方式通过，混风室的冷却空气由压缩空气源供应。

所述二次燃烧单元、混风室、半干法脱酸装置、除尘器的底部皆设有飞灰、废液收集孔。

各飞灰、废液收集孔通过管路汇流并回接至等离子气化单元。

所述离网发电单元为光伏发电装置，所述发电模块为光伏阵列，所述功率控制器为最大功率控制器。

所述离网发电单元为光热发电系统。

所述离网发电单元为风力发电系统。

本实用新型的有益效果是：通过等离子体炬以气化、熔融方式处理固体废物，过程中产生的合成气经二次燃烧后无害化处理，有效解决了垃圾焚烧导致的烟气污染问题，拓宽了离网发电单元的利用范围，节省网内电耗。

附图说明

图1是本实用新型固体废物处理系统的结构示意图。

图2是实施例固体废物处理系统的结构示意图。

图中标记为：1-离网发电单元，2-等离子气化单元，3-二次燃烧单元，4-烟气处理单元，5-飞灰、废液收集孔，101-发电模块，102-功率控制器，103-蓄电池组，104-DC/DC转换器，201-等离子体气化炉，202-进料口，203-辅料进口，204-电源接口，205-合成气出口，206-排渣口，301-二次燃烧室，401-混风室，402-半干法脱酸装置，403-除尘器，404-引风机，405-烟囱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型的离网发电耦合等离子气化的固体废物处理系统，该系统主要包括相互联合工作的离网发电单元1、等离子气化单元2、二次燃烧单元3、烟气处理单元4等四个工作单元。离网发电单元1包括发电模块101、功率控制器102、蓄电池组103和DC/DC转换器104。发电模块101将热能、风能、光能等转换为电能，通过功率控制器102、蓄电池组103和DC/DC转换器104调节其功率状态后输出，等离子气化单元2的电源依靠离网发电单元1提供，在等离子气化单元2的等离子气化反应炉201内，固定废物受热分别被转化成由炉体底部排出的玻璃体渣和由炉体上部排出的高温可燃合成气体，高温可燃合成气体在二次燃烧单元3的二次燃烧室301内同氧气充分接触燃烧，被转变为安全稳定的烟气，同时释放热量，燃烧后产生的烟气进入烟气处理单元4处理至达到排放标准后最终由烟囱405排放，燃烧过程中产生的飞灰、废液返回到等离子气化反应炉201进行再次处理。

本实用新型的方案能较好地利用离网电能，形成相对独立运行的固定废物处理系统，其运行过程中排放的有害物大大减少，环保性能较优。

实施例：

如图2所示，离网型发电系统由发电模块101、最大功率控制器102、蓄电池组103、DC/DC转换器104组成。

发电模块101为光伏阵列，其吸收入射的太阳光转换成为电能，产生的电量被蓄电池组103吸收，然后通过DC/DC转换器104调节整合以稳定的电压输出，供给等离子体气化反应炉201使用。这种连接方式使得发电模块101所产生的电量能平稳释放，既可以避免电流波动对等离子体炬产生影响，也可储存一部分电能，保证系统在阴雨天等不利气象条件下正常工作。

在光伏发电系统中，光伏阵列只有工作在最大功率点附近，才能使系统获得最大的能量输出，而系统的最大功率点随光照强度和环境温度的变化而变化。最大功率控制器102的作用是使发电模块101始终工作在最大功率点附近，保证发电模块101始终在高转换效率下工作。

发电模块101发出的电能随光照强度和环境温度的变化存在较大的波动，不断变化的电流对等离子体炬性能会产生较大影响，为了削弱这种影响，采用蓄电池组103进行缓冲储能。对于一定型号的等离子体炬，其工作电压、电流都会有一定的范围，超过这个范围会损坏等离子体炬。

DC/DC转换器104用来调节输出电压、电流，使其满足等离子体炬正常运行的需要。

如图2所示，对于等离子气化单元2而言，其主要设备为等离子体气化炉201。等离子体气化炉201包括上下连接的上部的热解气化反应室和下部的灰渣熔融室，整体呈上下两段式缩小的炉膛结构，水平方向的截面呈圆形。灰渣熔融室内部配备有等离子体炬。炉的顶部为进料口202，炉的底部为排渣口206，炉的外部一侧开设有辅料进口203、电源接口204，外部的另外一侧开设有合成气出口205。

正常运行时，固体废物经粉碎等预处理后，自等离子体气化炉201顶部的进料口202进入到热解气化反应室内，与自灰渣熔融室内反应来的高温合成气体进行换热。固体废物在热解气化反应室内自上而下依次进行干燥、热解气化反应，所需要的热源由灰渣熔融室内灰渣及部分固体废物热解气化、燃烧产生的高温合成气体提供。经热解气化后的固体废物产生的固体残渣和未完全反应的固体废物通过热解气化反应室底部锥口进入到灰渣熔融室。在灰渣熔融室内，固体残渣和未完全反应的固体废物在等离子体炬提供的高温热源下进一步发生热解气化反应。在灰渣熔融室内未反应的残炭的燃尽所需要的空气可通过辅料进口203补充。燃尽后剩余的炉渣经等离子炬提供的高温进行熔融，并通过高温将炉渣中末反应的有机物及有害物质再次气化，并除掉炉渣中的二噁英和吠喃，最后成为熔融状态的无机物，经水激冷后形成玻璃体渣，从炉底的排渣口206排出，作为一般固体废弃物贮存。灰渣熔融室二次气化及燃尽产生的合成气与中间热解气化反应室产生的合成气通过合成气出口205排出，进入到后续的处理系统。

简而言之，在等离子体气化炉内，固体废物在气化段发生气化反应和高效的能量转移，有机物分解气化，生成可燃性气体，无机物进入熔融段被等离子体高温熔融，转化成一种玻璃体渣。

如图2所示，二次燃烧单元3内设置一台燃油燃烧器辅助燃烧，配置配风装置，以保证可燃气体在高温下同氧气充分接触燃烧，烟气在二次燃烧单元3内的停留时间大于2s，二次燃烧单元3内的温度控制在850～1100℃左右。

正常运行时，合成气进入二次燃烧单元3，同时配风装置供入空气，二者充分混合，用电打火装置引燃，使合成气在二次燃烧单元3内充分燃烧。二次燃烧单元3内设置挡板，用于延长气体停留时间，可燃物质和气态有机污染物被氧化分解。

二次燃烧单元3的作用是将等离子体气化炉201产生的以CO、H2、CH4为主要成分的合成气完全燃烧，使其转变为安全稳定的烟气，同时释放热量，并进一步破坏气体中的有害成分。

如图2所示，顺着烟气流向，烟气处理单元4依次包括混风室401、半干法脱酸装置402、除尘器403、引风机404、烟囱405。

二次燃烧单元3产生的烟气，以折流方式通过混风室401，由上部排出；冷却空气由压缩空气源供应，由下部管道折流通过混风室401；烟气与冷空气充分接触降温。混风室401将二次燃烧单元3产生的烟气迅速降温，避免二噁英类物质的生成。

半干法脱酸装置402设置在除尘器403前，主要包括给料器、混合器和反应器。脱酸剂CaO在给料器生成粉状Ca(OH)2，然后进入混合器与烟气及少量的水充分混合，最后以喷雾状进入反应器。烟气中的HCL、SOx、HF等酸性成分被吸收，生成中性、干燥的细小固体颗粒，随着烟气进入下一步的净化系统。

除尘器403采用布袋除尘器，用于去除烟气中的颗粒物，避免飞灰中的有价金属被氧化，Cu、Fe等金属不易生成促进二噁英生成的催化剂。烟气通过布袋过程中，气体通过布袋，而颗粒物被拦截。

通过此烟气处理模块4，可达到有效去除污染物的目的，满足气体排放标准。烟气经过净化后由引风机404将其送入烟囱405排放。

在二次燃烧单元3、混风室401、半干法脱酸装置402、除尘器403等装置底部皆设有飞灰、废液收集孔5，系统运行一段时间后可将收集的飞灰、废液返回至等离子气化单元2的原料进口处，与固体废物混合后进入等离子体气化炉内再次熔融处理。

本实施例的基本工艺流程如下。

发电模块101吸收入射的太阳光，转换成为电能。产生的电量被蓄电池组103吸收，然后通过DC/DC转换器104调节整合以稳定的电压输出，供给等离子体气化炉201使用。固体废物经破碎等预处理后，通过上料提升机进入进料斗内，由螺旋给料机经进料口202定量将其推入等离子体气化炉201内，在等离子体炬产生的高温射流作用下固体废物中的有机物热解气化成CO、H₂等可燃气体由炉顶合成气出口205排出，进入二次燃烧单元3。无机物则在炉底形成高温熔融物，经水激冷后形成玻璃体渣，从炉底排渣口206排出，作为一般固体废物贮存。进入二次燃烧单元3的气体再次燃烧后形成高温烟气。高温烟气进入混风室401冷却至175℃左右，经半干法脱酸装置402除去酸性气体，然后进入除尘器403除尘。除尘后的烟气由引风机404将其送入烟囱405排放。在二次燃烧单元3、混风室401、半干法脱酸装置402、除尘器403处收集的飞灰、废液返回至进料斗处，与固体废物混合后进入等离子体气化炉201内再次熔融处理。

在系统运行过程中，气化灰渣经等离子体炬提供的高温进行熔融，炉渣中末反应的有机物及有害物质再次气化，完全破坏了二噁英等剧毒物质的生成环境。而烟气经过混风室401的急冷处置，除尘器403除尘，降低了含Cu，Ni，Fe颗粒对二噁英生成的催化作用，避免了二噁英的二次生成，实现了固体废物的无害化处理。

总体而言，该系统具有流程简单、结构紧凑、稳定性好、转化率高的特点。在运行过程中，基本不会产生二噁英、飞灰及HCL等酸性气体，因此环境负荷轻，且避免了盐酸对设备的腐蚀，设备投资少。

Claims (10)

1.等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，包括等离子气化单元(2)，其特征是：还包括向等离子气化单元(2)供电的离网发电单元(1)和依次连接在等离子气化单元(2)之后的二次燃烧单元(3)和烟气处理单元(4)，所述离网发电单元(1)包括发电模块(101)、功率控制器(102)、蓄电池组(103)和DC/DC转换器(104)。

2.如权利要求1所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述烟气处理单元(4)包括与二次燃烧单元(3)连接的混风室(401)，混风室(401)后依次连接有半干法脱酸装置(402)、除尘器(403)、引风机(404)和烟囱(405)。

3.如权利要求1所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述等离子气化单元(2)包括等离子体气化炉(201)，等离子体气化炉(201)包括上部的热解气化反应室和下部的灰渣熔融室，灰渣熔融室内部配备有等离子体炬，炉的顶部设置有进料口(202)，炉的底部设置有排渣口(206)，炉的侧面开设有辅料进口(203)、合成气出口(205)和电源接口(204)，其中合成气出口(205)设置在远离辅料进口(203)的另一侧。

4.如权利要求2所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述二次燃烧单元(3)包括二次燃烧室(301)，二次燃烧室(301)内设置有燃油燃烧器，并配置有用以引入助燃空气的配风装置。

5.如权利要求2所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：通过混风室(401)的介质均以折流方式通过，混风室(401)的冷却空气由压缩空气源供应。

6.如权利要求2所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述二次燃烧单元(3)、混风室(401)、半干法脱酸装置(402)、除尘器(403)的底部皆设有飞灰、废液收集孔(5)。

7.如权利要求6所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：各飞灰、废液收集孔(5)通过管路汇流并回接至等离子气化单元(2)。

8.如权利要求1～6中任意一项权利要求所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述离网发电单元(1)为光伏发电装置，所述发电模块(101)为光伏阵列，所述功率控制器(102)为最大功率控制器。

9.如权利要求1～6中任意一项权利要求所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述离网发电单元(1)为光热发电系统。

10.如权利要求1～6中任意一项权利要求所述的等离子气化耦合离网发电的固体废物处理系统，其特征是：所述离网发电单元(1)为风力发电系统。

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