CN218089451U - 耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于海洋环境、碳中和、可再生能源等领域，涉及一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，包括气化炉(1)、内燃机(2)，所述的气化炉(1)为气、液、固三相废弃物深度共气化的气化炉，该气化炉(1)产生的气化气替代燃油进入内燃机(2)，同时回收内燃机(2)烟气中的热量和CO2，并通过气化反应转化为CO可燃气体。与现有技术相比，本实用新型能够实现气、液、固三相废弃物的资源化转化，提高了热量利用效率，并实现了CO2的减排和回收。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋环境、碳中和、可再生能源等领域，具体涉及一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统。
背景技术
当前世界需要积极拓展海洋经济发展空间，打造可持续海洋生态环境，强调入海污染物排放的控制，并在海洋环境等领域突破关键核心技术。
在大型舰船航行、海上平台运行过程中，不可避免地会产生各类废弃物。除餐厨废弃物以外，塑料、纸张、竹木等废弃物都不允许在海上投放，尤其是塑料，会严重污染海洋生态环境，危害海洋生物、甚至人类自身。据文献估算，一艘大型舰船上这几类废弃物的产生量就可达1300吨/年。
另一方面，石油是重要的战略性资源，我国70％依靠进口，大型舰船需消耗大量燃油，燃烧过程还会排放大量CO2。塑料等废弃物具有可观的热值，若能实现能源化转化，不仅可以替代部分的燃油，也减少了CO2的排放。
然而，目前这几类废弃物仍以处置为主，缺乏资源化转化的理念。一般通过简单焚烧减量后储存运输至港口，且受限于空间，焚烧烟气的热量回收较为困难，同时还存在NOx排放问题。
如专利申请200910308686.X公开了一种海上船舶生活垃圾热裂解资源化处理工艺，该工艺包括将餐饮废弃物和海上设施生活垃圾分别粉碎、脱水处理后，并添加适量的NaY型分子筛催化剂经裂解反应、冷凝收集，再将处理后的垃圾转化为可燃烧的生物油和用于污水处理的残炭等。该处理方法需要额外添加催化剂、增加了垃圾处理成本；同时，生活垃圾复杂的构成使生物油的组成亦非常复杂，为后续的利用带来了困难，且还需额外占用舰船空间用于储存；此外，该方法缺乏能量的回收利用方法，热裂解过程需要额外消耗舰船上的能源。
专利申请202120068997.X公开了一种卧式热等离子体船舶废弃物处理系统，包括破碎输送装置、等离子体裂解气化燃烧装置和余热回收装置；等离子体裂解气化燃烧装置沿水平方向布置，设置在破碎输送装置的下方，并连接至破碎输送装置；余热回收装置包括均沿水平方向布置的烟气余热回收单元和冷却单元，烟气余热回收单元连接至等离子体裂解气化燃烧装置，且和等离子体裂解气化燃烧装置均设置在冷却单元中。该处理系统中需要使用等离子炬，维护和运行成本较高，同时巨大的能耗也不适宜于船舶的应用场景。
实用新型内容
本实用新型针对大型舰船与海上平台产生的废弃物，提出一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，替代传统船用焚烧炉，实现固体废弃物的彻底减量化，兼顾气相和液相废弃物的协同无害化转化，并产生高品质的可燃气体。同时，通过气化炉与舰船现有内燃机的耦合，用气化气替代燃油以减少CO2的排放，并将高温烟气用作气化介质以回收利用CO2，实现低碳化的目标。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，包括气化炉、内燃机，所述的气化炉为气、液、固三相废弃物深度共气化的气化炉，该气化炉产生的气化气替代燃油进入内燃机，同时回收内燃机烟气中的热量和CO2，并通过气化反应转化为CO可燃气体。
进一步地，所述的气化炉包括干燥热解区、部分氧化区和焦炭气化区，所述的部分氧化区连接内燃机的燃料入口，所述的内燃气的烟气出口分别通过热量回收管道a连接干燥热解区，通过热量回收管道b连接蒸汽发生器，通过CO2回收管道连接焦炭气化区。
进一步地，所述的蒸汽发生器的蒸汽出口连接焦炭气化区。
进一步地，固体废弃物进入所述的干燥热解区，干燥热解区侧壁设有夹套，通过热量回收管道a回收的高温烟气进入夹套内，为废弃物的干燥和热解反应提供热量，通过多级布氧产生原位放热效应，促进热解反应过程，以降低对废弃物热值的要求。
进一步地，所述的干燥热解区上还设有氧化剂入口，控制引入干燥热解区的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的8-12％。
进一步地，气相和液相废弃物进入所述的部分氧化区，部分氧化区还设有氧化剂入口，控制进入部分氧化区的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的20～30％，利用部分挥发分的氧化放热创造高温环境，促进气化焦油及气相和液相废弃物的分解，并利用其中所含热量，实现多相废弃物的协同转化。
进一步地，所述的焦炭气化区还设有氧化剂入口，控制进入焦炭气化区的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的8-12％。
进一步地，所述的干燥热解区位于气化炉的上部，该干燥热解区顶部设有料斗，底部设有格栅，原料从顶部料斗进入该区域后堆积在格栅上，形成原料床层。料斗与气化炉密封安装，一方面避免额外的空气参与热解反应，另一方面使得热解气体产物析出后向下经过格栅进入部分氧化区，而热解固体产物焦炭可以在重力或旋转刮板等机械外力的作用下下落，经过部分氧化区进入焦炭气化区。
所述的部分氧化区位于气化炉的中部，该区域中主要是来自上方干燥热解区的气相可燃组分在控制氧量的条件下部分氧化放热，以促进热解焦油及其他气、液相废弃物的高温分解。其结构可以采用圆柱形的喉口结构，并布置单层或多层的环状空气入口，使空气与可燃组分充分均匀混合，保障区域内的均匀高温，避免局部冷区的形成，促进大分子组分的充分裂解。
所述的焦炭气化区位于气化炉的下部，焦炭气化区底部设有炉蓖，干燥热解区产生的焦炭落入该区域后堆积在炉蓖上，形成焦炭床层。空气从底部进入，使底部焦炭燃烧转化为灰渣，并释放热量使焦炭床层温度上升至900℃以上，燃烧产物CO2和H2O流经上方的焦炭床层时发生气化反应，转化为CO等可燃组分。
进一步地，利用内燃机高温烟气，提升气化炉反应温度促进废弃物的减量，同时在气化炉内将烟气中的CO2回收并转化为CO可燃气体，结合分级布氧，促进焦炭的充分燃烧和气化，保障减量程度。
进一步地，利用内燃机烟气的高温产生蒸汽，并作为气化介质进入焦炭气化区，提升气化气中的H2含量(H2O+C→H2+CO)，以适应更多应用场景。
本实用新型基于资源化转化理念，气化工艺可以在实现废弃物高度减量化的同时，产生的可燃气体可以作为燃料送入舰船内燃机，部分替代燃油，且内燃机的高温烟气还可作为气化介质返回气化炉，实现CO2的减排和回收。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本系统的核心装置是气化炉，可实现气、液、固三相废弃物的深度共气化，为了保障废弃物的彻底减量，在气化炉上部的干燥热解区及下部的焦炭气化区布置氧化剂入口，并引入内燃机出口的高温富CO2烟气作为气化介质，以保障固相中碳的充分转化，并实现内燃机烟气中CO2的系统内循环。
(2)在气化炉的中部布置部分氧化区域，喷入氧化剂以促进固相废弃物热解产生的焦油污染物、以及气相和液相废弃物的氧化裂解，实现无害化处置的同时，还可以充分利用各相废弃物所含的热值，实现气化焦油与废气废油在紧凑化设计下的高效协同转化。
(3)由于分级布氧和部分氧化的引入，气化产气的焦油含量可小于50mg/Nm3，高品质的可燃气体能够作为燃料进入内燃机，替代部分的燃油。据估算，一艘大型舰船上，废弃物的气化气可替代约900吨/年的燃油，不仅可以带来可观的经济收益，同时还能够减少近3000吨/年的CO2排放。同时，内燃机的高温烟气可作为气化介质返回气化炉，进一步回收利用CO2，实现低碳化的目标。
附图说明
图1为本实用新型耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
本实用新型系统中采用的可用于气液固三相废弃物协同气化的气化炉，气化气可以进入内燃机，替代燃油减少CO2排放，并进一步回收利用内燃机烟气中的余热和CO2，如图1所示。
本实用新型耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，包括气化炉1、内燃机2，所述的气化炉1为气、液、固三相废弃物深度共气化的气化炉，该气化炉1产生的气化气替代燃油进入内燃机2，同时回收内燃机2烟气中的热量和CO2，并通过气化反应转化为CO可燃气体。
其中，所述的气化炉1包括干燥热解区11、部分氧化区12和焦炭气化区13，所述的部分氧化区12连接内燃机2的燃料入口，所述的内燃气2的烟气出口分别通过热量回收管道a31连接干燥热解区11，通过热量回收管道b32连接蒸汽发生器4，通过CO2回收管道33连接焦炭气化区13。所述的蒸汽发生器4的蒸汽出口连接焦炭气化区13。干燥热解区11侧壁设有夹套，通过热量回收管道a31回收的高温烟气进入夹套内。
干燥热解区11、部分氧化区12和焦炭气化区13侧壁均设有氧化剂入口，各氧化剂入口分别连接鼓风机或空气压缩泵，向气化炉的不同区域提供不同的氧气，形成分级氧化，具体来说，控制引入干燥热解区11的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的10％，控制进入部分氧化区12的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的25％，控制进入焦炭气化区13的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的10％。
所述的干燥热解区11位于气化炉1的上部，该干燥热解区11顶部设有料斗，底部设有格栅，原料从顶部料斗进入该区域后堆积在格栅上，形成原料床层。料斗与气化炉密封安装，一方面避免额外的空气参与热解反应，另一方面使得热解气体产物析出后向下经过格栅进入部分氧化区12，而热解固体产物焦炭可以在重力或旋转刮板等机械外力的作用下下落，经过部分氧化区12进入焦炭气化区13。
所述的部分氧化区12位于气化炉1的中部，该区域中主要是来自上方干燥热解区11的气相可燃组分在控制氧量的条件下部分氧化放热，以促进热解焦油及其他气、液相废弃物的高温分解。其结构可以采用圆柱形的喉口结构，并布置单层或多层的环状空气入口，使空气与可燃组分充分均匀混合，保障区域内的均匀高温，避免局部冷区的形成，促进大分子组分的充分裂解。
所述的焦炭气化区13位于气化炉1的下部，焦炭气化区13底部设有炉蓖，干燥热解区11产生的焦炭落入该区域后堆积在炉蓖上，形成焦炭床层。空气从底部进入，使底部焦炭燃烧转化为灰渣，并释放热量使焦炭床层温度上升至900℃以上，燃烧产物CO2和H2O流经上方的焦炭床层时发生气化反应，转化为CO等可燃组分。
舰船上产生的固体废弃物5分成三类：餐厨固体废弃物53可在海上投放，可回收固体废弃物52进行储存回收，其他固体废弃物51从顶部进入干燥热解区11，在干燥热解区11内，固体废弃物51中的水分和挥发分析出，挥发分向下流动进入部分氧化区12，舰船上产生的气相和液相废弃物6也进入部分氧化区12，通过部分挥发分的氧化放热，创造高温反应环境，促进挥发分中的焦油组分以及气相和液相废弃物的分解，脱出挥发分后的焦炭落入焦炭气化区13，与喷入的氧气以及来自内燃机2烟气中的CO2发生异相氧化和气化反应，实现彻底的减量化，并生成高品质的可燃气。
废弃物气化获得的可燃气可进入内燃机2，替代部分燃油减少CO2排放。而内燃机2的高温烟气，可以通过热量回收管道a31进入气化炉干燥热解区11的外层夹套，回收热量用于废弃物的干燥和热解，从而降低系统对废弃物热值的要求；同时，也可通过CO2回收管道33、作为气化介质返回气化炉焦炭气化区13，一方面可以提升反应温度促进废弃物的减量，另一方面也可以将烟气中的CO2回收并转化为CO可燃气体；此外，内燃机2烟气的高温还可以通过蒸汽发生器4产生蒸汽，并作为气化介质进入焦炭气化区13，能够显著提升气化气中的H2含量，以适应制氢等更多应用场景。
例如在一艘大型游轮上，据报道生活垃圾的产生量约为4.1吨/天，上述系统借助分级布氧技术，可适应低热值的垃圾原料，且转化率高、产气清洁，生产的气化产气的焦油含量低于50mg/Nm3(采用洗气瓶捕集与称重定量)，高品质的可燃气体能够作为燃料进入内燃机，替代部分的燃油。据估算，在上述舰船上，废弃物的气化气可替代约900吨/年的燃油，不仅可以带来可观的经济收益，同时还能够减少近3000吨/年的CO2排放。同时，内燃机的高温烟气可作为气化介质返回气化炉，进一步回收利用CO2，实现低碳化的目标。
以上实施例仅用于说明本实用新型技术方案，并非是对本实用新型的限制，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本实用新型的宗旨，也应属于本实用新型的权利要求保护范围。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，包括气化炉(1)、内燃机(2)，其特征在于，所述的气化炉(1)为气、液、固三相废弃物深度共气化的气化炉，所述的气化炉(1)包括干燥热解区(11)、部分氧化区(12)和焦炭气化区(13)，所述的部分氧化区(12)连接内燃机(2)的燃料入口，所述的内燃机(2)的烟气出口分别通过热量回收管道a(31)连接干燥热解区(11)，通过热量回收管道b(32)连接蒸汽发生器(4)，通过CO2回收管道(33)连接焦炭气化区(13)。
2.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，所述的蒸汽发生器(4)的蒸汽出口连接焦炭气化区(13)。
3.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，固体废弃物进入所述的干燥热解区(11)，干燥热解区(11)侧壁设有夹套，通过热量回收管道a(31)回收的高温烟气进入夹套内。
4.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，所述的干燥热解区(11)上还设有氧化剂入口，控制引入干燥热解区(11)的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的8-12％。
5.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，气相和液相废弃物进入所述的部分氧化区(12)，部分氧化区(12)还设有氧化剂入口，控制进入部分氧化区(12)的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的20～30％。
6.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，所述的焦炭气化区(13)还设有氧化剂入口，控制进入焦炭气化区(13)的氧气量为燃料当量燃烧所需氧量的8-12％。
7.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，所述的干燥热解区(11)位于气化炉(1)的上部，该干燥热解区(11)顶部设有料斗，底部设有格栅，原料从顶部料斗进入该干燥热解区后堆积在格栅上，形成原料床层，料斗与气化炉密封安装，避免额外的空气参与热解反应，使得热解气体产物析出后向下经过格栅进入部分氧化区(12)，而热解固体产物焦炭在机械外力的作用下下落，经过部分氧化区(12)进入焦炭气化区(13)；
所述的部分氧化区(12)位于气化炉(1)的中部，该部分氧化区中主要是来自上方干燥热解区(11)的气相可燃组分在控制氧量的条件下部分氧化放热，以促进热解焦油及其他气、液相废弃物的高温分解；
所述的焦炭气化区(13)位于气化炉(1)的下部，焦炭气化区(13)底部设有炉蓖，干燥热解区(11)产生的焦炭落入该焦炭气化区后堆积在炉蓖上，形成焦炭床层；空气从底部进入，使底部焦炭燃烧转化为灰渣，并释放热量使焦炭床层温度上升至900℃以上，燃烧产物CO2和H2O流经上方的焦炭床层时发生气化反应，转化为可燃组分。
8.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，利用内燃机(2)高温烟气，提升气化炉(1)反应温度促进废弃物的减量，同时在气化炉(1)内将烟气中的CO2回收并转化为CO可燃气体，结合分级布氧，促进焦炭的充分燃烧和气化，保障减量程度。
9.根据权利要求1所述的一种耦合舰船动力系统的低碳化多相废弃物深度共气化系统，其特征在于，利用内燃机(2)烟气的高温产生蒸汽，作为气化介质进入焦炭气化区(13)。
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