固體廢棄物分級氣化系統的製作方法
2023-05-10 11:35:36 1
本發明涉及固體廢棄物熱化學處理領域，特別是涉及一種將城市生活垃圾、農作物秸稈、廢輪胎、廢塑料、醫療廢棄物、危險廢棄物等高揮發份固體廢棄物重整淨化，以空氣、水蒸汽或它們的混合物作為氣化劑製取清潔燃氣並用來發電、供熱的系統。
背景技術：
隨著中國經濟的快速增長及城鎮化水平的不斷提高，固體廢棄物尤其是城市生活垃圾的產生量也迅速上升，各地紛紛出現垃圾圍城的困境。雖然衛生填埋和垃圾焚燒技術在一定程度上緩解了生活垃圾的圍城現狀，但採用衛生填埋不僅佔用大量寶貴的土地資源、浪費垃圾自身的能量，而且會對水、大氣、土壤構成長久的汙染威脅；儘管採用焚燒法可以實現垃圾處理的減量化、無害化和資源化利用。但焚燒處理過程中釋放的燃燒煙氣中常含有氯化氫(HCl)、硫氮氧化物(SOx，NOx)和二噁英類(PCDDs/PCDFs)有毒有害物質，固體灰渣尤其是飛灰中含有大量的重金屬和二噁英，如果處理不當，極易造成二次汙染。同時，為保障垃圾中所含有機質得到充分燃燒，過量的空氣會造成下遊煙氣淨化的負荷加大，增加了設備的製造和運行成本。
垃圾氣化技術被稱為第三代固體廢棄物處理技術。九十年代初，法、美、英、德、瑞士、日本和瑞典共同參與了這項技術的開發，並在九十年代中後期開始在發達國家推廣應用。(空氣)氣化過程是指廢棄物在絕氧或缺氧的條件下，高溫發生熱化學反應，製取可燃氣體的過程。它所需的空氣量小於完全燃燒所需的量，因此系統產生的氣體量遠低於焚燒過程，更利於節能環保。作為一種全新的廢物處理方法，氣化技術的最大優點是克服了用焚燒方法會產生二噁英(Dioxin)的缺點。目前，世界最先進的焚燒設施的二噁英排放標準約為0.1nmg/m3，而熱解氣化技術的二噁英排放標準已經達到0.01nmg/m3。
當前處理固體廢棄物的各種氣化工藝中多數採用一段氣化加上水洗或催化氣體淨化技術，通常存在焦油和二噁英等物質含量高、難以清除或工藝特別複雜等缺陷。採用水洗工藝容易產生二次水汙染，並且難以徹底清除氣體中所含的有害物質；採用金屬催化裂解二噁英、焦油等有害物質會因催化劑壽命短、催化劑材料成本高昂、工藝路線複雜等缺陷，難以在工業實踐中推廣應用。就氣化技術採用的反應器類型而言，固定床(包括迴轉窯、機械爐排爐)、流化床或等離子體爐居於主導地位，中國專利CN103267293(申請號：201310197237.9)公開了一種具有特殊結構的垃圾氣化爐，它採用結構複雜的機械爐排控制和調節固體物料在爐內的停留時間及停留時間分布。在高溫、腐蝕性氣氛的環境條件下難以保障氣化爐的可靠性，增加了運行和維護成本。流化床氣化難以同時適應水份含量高、形狀不規則、原料成份複雜多變、容易熔融或結塊的未經分揀等預處理的生活垃圾等物料。近年來，高溫等離子氣化技術具備普遍的原料適應性，能夠大規模快速處理城市生活垃圾等固體廢棄物，在國內外固體廢棄物處理行業中有了長足的發展。但等離子體直接氣化需要大功率等離子體噴槍(等離子體炬)，其耗電率高達其發電量的30％～40％。中國專利CN103013568(申請號：201210539110.6)公開了一種等離子體氣化固體廢棄物的處理系統，該技術在氣化爐和合成氣淨化裝置中均採用了等離子體噴槍。相關的試驗和研究工作尚在概念論證和技術示範階段。中國專利CN104976622(申請號：201510471085.6)公開了一種迴轉窯氣化、等離子體熔融的生活垃圾分級氣化系統。該技術儘管拋棄了耗電巨大的一級等離子體炬，但該工藝需要將全部的一級迴轉窯產生的固體殘渣送入後續的等離子體反應爐內進行氣化熔融，依然難以有效提高設備的可靠性，也未能有效降低能耗。
技術實現要素：
基於上述現有技術所存在的問題，本發明提供一種固體廢棄物分級氣化系統，能將高揮發份固體廢棄物重整淨化，以空氣、水蒸汽或它們的混合物作為氣化劑製取清潔燃氣並用來發電、供熱，提高能量的綜合利用效率，避免二噁英、氣化焦油和(或)重金屬等造成的二次汙染或堵塞問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種固體廢棄物分級氣化系統，包括：
給料系統、自流式移動床氣化爐、高溫等離子體炬、高溫重整淨化爐、一次風機、二次風機一、二次風機二、潔淨燃氣引風機、熱量回收系統、氣體洗滌塔、洗滌乾燥塔、脫氣塔、第一除沫除霧器、第二除沫除霧器、第三除沫除霧器和燃氣發電供熱系統；其中，
所述給料系統的出料口與所述自流式移動床氣化爐的進料口連接；
所述熱量回收系統的高溫段多組換熱器設在所述高溫重整淨化爐內，所述熱量回收系統的低溫段多組換熱器設在所述高溫重整淨化爐外；
所述自流式移動床氣化爐設有排渣口、熱解氣出口、含溼氣體出口、第一一次風入口和第二一次風入口和二次風入口，所述熱解氣出口與所述高溫重整淨化爐連接，所述含溼氣體出口與所述洗滌乾燥塔連接，所述洗滌乾燥塔依次經所述第三除沫除霧器、二次風機二和所述熱量回收系統的低溫段多組換熱器分別與所述自流式移動床氣化爐的第一一次風入口和第二一次風入口連接；
所述脫氣塔設有一次空氣入口和空氣出口，所述空氣出口經第二除沫除霧器與所述一次風機和所述二次風機一連接，所述一次風機一經所述熱量回收系統的高溫段多組換熱器與所述自流式移動床氣化爐的二次風入口連接，所述二次風機一經所述熱量回收系統的高溫段多組換熱器與所述高溫重整淨化爐連接；
所述高溫重整淨化爐設有出渣口和潔淨燃氣出口，所述潔淨燃氣出口經所述熱量回收系統的低溫段多組換熱器、氣體洗滌塔連接、第一除沫除霧器和潔淨燃氣引風機連接至所述燃氣發電供熱系統。
本發明的有益效果如下：
(1)本發明的分級氣化系統中採用自流式移動床氣化爐與高溫等離子體炬和高溫重整淨化爐配合，形成氣化爐和高溫等離子體輔助高溫重整淨化相結合的分級氣化方式，顯著降低了氣體負荷，有效減少了氣化合成氣處理費用；高溫重整淨化爐內產生的高溫氣體為自流式移動床氣化爐的乾燥和熱解氣化階段提供部分熱能，同時預熱自流式移動床氣化爐底部一次風及重整淨化爐內的補充空氣，回收了廢棄物氣化後合成氣氣體中的大部分顯熱；降溫後的潔淨燃氣(合成氣)通過燃氣發電或供熱系統進行後續梯級利用。該系統通過分級氣化及梯級利用垃圾等廢棄物氣化過程中產生的氣體熱量，提高了系統能量的轉化效率。
(2)固體廢棄物，特別是城市生活垃圾在自流式移動床氣化爐內生成大量的一氧化碳、氫氣等還原性氣體，能夠有效抑制廢棄物中的金屬成分(如銅、鐵、鋅)的氧化，減少這類金屬經氣相遷移，並作為催化劑活性中心導致二噁英的合成。在高溫煙氣淨化階段，二噁英、氣化焦油等被徹底清除。固體飛灰等粒子經等離子體的高溫作用發生熔融、金屬離子或粒子固定在玻璃化的殘渣粒子之中。該系統沒有液體排放，不會形成水的二次汙染。
(3)在高溫重整淨化爐內，高溫氣氛的形成不僅僅來自於高溫等離子體炬消耗的電能，大量可燃行組份(包括大分子焦油、殘炭粒子及合成氣等)在氧的作用下發生劇烈的氧化反應，放出大量熱能。因此，和其它等離子體氣化工藝相比，本發明中高溫等離子體炬的功耗相對較低，能夠有效降低氣化工藝運行成本，同時降低系統的建造和維護成本。
(4)本發明的分級氣化系統以空氣、水蒸汽或它們的混合物作為氣化劑，無需複雜的制氧系統，可以大幅度地降低投資和小型化生產。所採用的單元設備易於製造和組裝，對廢棄物的前處理要求不高，甚至能夠處理未經分揀的生活垃圾等物料，各單元設備佔地面積相對較小，生成的合成氣不含焦油、二噁英、重金屬等有毒有害物質，可有多種潛在用途，可以作為燃氣、發電、對外供熱或制氫、化學合成等使用。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
圖1是本發明實施例提供的固體廢棄物分級氣化系統構成示意圖；
圖2是本發明實施例提供的自流式移動床氣化爐局部示意圖；
圖3是本發明實施例提供的等離子體炬及高溫氣體淨化爐示意圖；
圖中：F1-固體廢棄物，F2-等離子體氣(或空氣)，F3-一次空氣，1-固體物料儲存區，2-氣化爐，2A-乾燥區，2B-熱解氣化區，2C-炭渣燃燒區，2D-灰渣冷卻池，3-螺旋出渣機，4-等離子體炬，5-高溫重整淨化爐，6-熱量回收系統，7-氣體洗滌器，8-第一除沫除霧器，9-脫氣塔，10-第二除沫除霧器，11-二次風機一，12-一次風機，13-二次風機二，14-洗滌乾燥塔，15-第三除沫除霧器，16-合成氣引風機，17-燃氣發電供熱系統，18-煙氣排出系統，19-第一推料裝置，20-第二推料裝置，21-冷卻排渣裝置，22-高溫氣體淨化爐內折流板，Out1-氣化爐底部灰渣，Out2-高溫飛灰熔渣，Out3-燃氣尾氣。
具體實施方式
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
如圖1所示，本發明實施例提供一種固體廢棄物分級氣化系統，用於對固體廢棄物處理，實現分級氣化，該系統包括：
給料系統、自流式移動床氣化爐、高溫等離子體炬、高溫重整淨化爐、一次風機、二次風機一、二次風機二、潔淨燃氣引風機、熱量回收系統、氣體洗滌塔、洗滌乾燥塔、脫氣塔、第一除沫除霧器、第二除沫除霧器、第三除沫除霧器和燃氣發電供熱系統；其中，
給料系統的出料口與自流式移動床氣化爐的進料口連接；
熱量回收系統的高溫段多組換熱器設在高溫重整淨化爐內，熱量回收系統的低溫段多組換熱器設在高溫重整淨化爐外；
自流式移動床氣化爐設有排渣口、熱解氣出口、含溼氣體出口、第一一次風入口和第二一次風入口和二次風入口，熱解氣出口與高溫重整淨化爐連接，含溼氣體出口與洗滌乾燥塔連接，洗滌乾燥塔依次經第三除沫除霧器、二次風機二和熱量回收系統的低溫段多組換熱器分別與自流式移動床氣化爐的第一一次風入口和第二一次風入口連接；
脫氣塔設有一次空氣入口和空氣出口，空氣出口經第二除沫除霧器與一次風機和二次風機一連接，一次風機一經熱量回收系統的高溫段多組換熱器與自流式移動床氣化爐的二次風入口連接，二次風機一經熱量回收系統的高溫段多組換熱器與高溫重整淨化爐連接；
高溫重整淨化爐設有出渣口和潔淨燃氣出口，潔淨燃氣出口經熱量回收系統的低溫段多組換熱器、氣體洗滌塔連接、第一除沫除霧器和潔淨燃氣引風機連接至燃氣發電供熱系統。
上述分級氣化系統中，自流式移動床氣化爐如圖2所示，包括：
爐體，為具有傾斜角度的二維移動床結構，爐體內從上之下設置依次連通並呈階梯狀布置的儲料區、乾燥區、熱解氣化區、炭渣燃燒區和熔渣冷卻池，儲料區、乾燥區、熱解氣化區、炭渣燃燒區和熔渣冷卻池之間形成自流式物料通道；
儲料區設有進料口；
儲料區與乾燥區之間設有第一推料裝置；乾燥區與熱解氣化區之間設有第二推料裝置；
乾燥區對應的爐體上設置第一一次風入口，第一一次風入口內的乾燥區設有第一布氣室，第一布氣室內設有第一折流板；
乾燥區對應上部爐體設置含溼氣體出口；
熱解氣化區對應的爐體上設置第二一次風入口，第二一次風入口內的熱解氣化區設有第二布氣室，第二布氣室內設有第二折流板；
熱解氣化區對應上部爐體設置熱解氣出口；
炭渣燃燒區對應的爐體上設置二次風入口，二次風入口內的炭渣燃燒區設有第三布氣室，第二布氣室內設有第三折流板；
熔渣冷卻池底部設有排渣口，排渣口下方設有冷卻排渣機構，該冷卻排渣機構由冷卻排渣裝置和設在該冷卻排渣裝置下方的螺旋排渣機構成。
具體的，上述自流式移動床氣化爐是一具有特殊傾斜角度二維移動床，固體物料在自身重力及氣流推動的作用下從儲料區分別流經乾燥區、熱解氣化區、炭渣燃燒區、熔渣冷卻區，高溫熔融態的灰渣被水冷盤管不斷冷卻，最後經由固體排渣器落入灰渣池進一步冷卻，一部分冷卻水瞬間汽化變成水蒸汽回流至氣化爐內。冷卻後的固體灰渣最後經由螺旋排渣器排除氣化爐。其中，儲料區儲存來自無軸螺旋輸送機或抓斗機輸送過來的廢棄物(或垃圾)物料。儲料區和乾燥區之間設有第一推料裝置。乾燥區的物料經過循環的高溫乾燥氣的升溫、乾燥脫水，水分降低，熱值升高。乾燥區和熱解氣化區之間有第二推料裝置。熱解氣化區的底部通入設有斜向下方的氣體分布結構，循環的高溫氣體一方面為這一區域提供熱量，另一方面還有及時移走熱解氣化階段析出氣體(包括氣態焦油)的作用；第三，循環的高溫氣體還能起到不斷攪拌、強化傳熱傳質的作用；第四，循環的高溫氣體還能強化固體物料在氣化爐內下行移動。
上述自流式移動床氣化爐內的乾燥區操作溫度範圍在200℃～300℃，最優操作溫度為250℃左右；熱解氣化區操作溫度範圍在800℃～900℃，最優操作溫度為850℃左右；燃燒區操作溫度範圍在1200℃～1400℃，最優操作溫度為1300℃左右；
上述這種自流式移動床氣化爐不像普通的機械爐排一樣包括許許多多的運動部件，僅僅包含兩處推料裝置及一處爐底部的排渣裝置，提高了系統的可靠性、穩定性。
上述分級氣化系統中，熔渣冷卻池的排渣口處設有固體排渣器；冷卻排渣裝置採用螺旋排渣裝置，用於排出玻璃體灰渣，並對氣化爐底部實行水封。
上述分級氣化系統中，自流式移動床氣化爐的乾燥區操作溫度範圍為200℃～300℃，熱解氣化區操作溫度範圍為800℃～900℃，炭渣燃燒區操作溫度範圍為1200℃～1400℃。
上述分級氣化系統中，給料系統由行車抓斗機、板式給料機、帶式輸送機和無軸螺旋輸送機組成。
上述分級氣化系統中，高溫重整淨化爐如圖3所示，包括：
爐體，爐體內設置依次連通的氣體混合區、裂解氣化燃燒區和固體粒子沉降區；
氣體混合區與裂解氣化燃燒區並列設置，裂解氣化燃燒區設置潔淨燃氣出口，固體粒子沉降區處於裂解氣化燃燒區下方，固體粒子沉降區底部設置出渣口；用於排出玻璃體灰渣，並對氣化爐底部實行水封
氣體混合區與高溫等離子體炬連接；
裂解氣化燃燒區內設置熱量回收系統的高溫段換熱器；
固體粒子沉降區設有折流板，排渣口處設有排渣器。
上述分級氣化系統的主要作用是將大分子焦油裂解為小分子氣體，徹底分解二噁英等有毒有害物質，高溫析出的殘炭(soot)或原生含碳粒子在水蒸汽、氧氣或二氧化碳等氣化劑的作用下進一步氣化。等離子體炬(plasma torch)產生的高溫等離子體與高溫二次風和氣化爐出來的粗合成氣一起在這一區域內進行劇烈地非完全燃燒，形成溫度分布均勻的高溫氣體(1200℃～1400℃左右)。同時無機固體粒子吸附著重金屬，發生融化和團聚，形成玻璃化的惰性顆粒。在沉降室區氣流截面積不斷增大，氣體的速度降低，大顆粒在重力和折流板的作用下發生沉降後被除去。
上述分級氣化系統中，熱量回收系統包括：高溫段多組換熱器和低溫段多組換熱器；其中，
高溫段換熱器分別與一次風機和二次風機一連接，能將加入自流式移動床氣化爐內的一次空氣和進入高溫重整淨化爐內的二次空氣加熱至700℃；
低溫段多組換熱器與高溫重整淨化爐的潔淨燃氣出口連接，能將輸出的合成氣加熱至300℃。
上述分級氣化系統中，燃氣發電供熱系統為中低熱值燃氣電機、汽輪機、燃氣鍋爐或聯合循環發電機組中的至少一種。
上述分級氣化系統還包括：煙氣排出系統，與燃氣發電供熱系統的排煙口連接。
上述分級氣化系統針對現有固體廢棄物，特別是城市生活垃圾等離子體分級氣化技術存在的缺陷和不足，提供了一種自流式移動床氣化和等離子體輔助高溫重整淨化相結合的氣化處理系統，以空氣、水蒸汽或它們的混合物作為氣化劑，通過安裝在等離子體輔助高溫重整淨化爐尾部的換熱系統儘可能多地回收移動床氣化爐反應所需的熱量，提高能量的綜合利用效率，避免二噁英、氣化焦油和(或)重金屬等造成的二次汙染或堵塞問題
上述分級氣化系統中的氣體洗滌塔和脫氣塔包括洗滌水循環泵、噴淋器、除霧器和塔體。主要用於降低氣體的溫度，脫除氣體中的酸性氣體和顆粒物，降低氣體中的溼含量(水分)。洗滌塔的入口氣體溫度在200℃左右，脫氣塔的入口氣體溫度在100℃以內。其中的洗滌水處理系統包括加藥泵、加藥罐、緩衝罐、中和罐等設備，主要用於處理洗滌塔和脫氣塔的洗滌水以及垃圾滲濾液。
上述分級氣化系統中的一次風機、二次風機一、二次風機二、合成氣引風機、乾燥氣風機用於克服氣體流動過程中遇到的阻力。從自流式移動床氣化爐到合成氣引風機前的各單元設備均在低於大氣壓(負壓或微負壓)下操作。
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明
如圖1至3所示，本實施例提供一種自流式移動床氣化和等離子體輔助高溫煙氣重整淨化的分級氣化系統，固體廢棄物(生活垃圾)F1首先經給料機或抓斗機送入氣化爐的入口處，然後通過無軸螺旋輸送機將垃圾均勻的存放到氣化爐2的儲料區1內。通過推料裝置將儲料區1的物料推送至乾燥區2A。乾燥氣體(二次風)通過乾燥區2A下方的布風斜板均勻地送入乾燥區2A，對物料進行乾燥，降低物料中所含的水分，提高物料的熱值。
通過推料裝置將乾燥區2A的垃圾推送至熱解氣化區2B。二次風從熱解氣化區2B底部通過布風板進入熱解氣化區2B。固體廢棄物中的揮發份在此發生熱裂解及高溫氧、水蒸汽等氣化劑參與的劇烈氣化反應，一部分可燃氣體(包括一氧化碳、氫氣等小分子物質)發生燃燒反應，為氣化反應提供熱量。沒有來得及反應的熱解或氣化含碳殘渣進入燃燒區2C，和高溫空氣(即一次風)密切接觸，燃燒反應釋放出大量的熱能，形成高溫層，如果條件控制得當，可以讓固體灰渣發生熔融，流入(或落入)冷卻排渣器21後溫度大幅降低，經由排渣器排出的灰渣落入。氣化爐底部的排渣擋板通過周期性的運動，進行排渣。出渣機則連續的將玻璃態的灰渣排出，並對氣化爐底部形成液封，避免空氣進入灰渣池2D進一步冷卻，一部分冷卻水瞬間汽化變成水蒸汽回流至氣化爐內。冷卻後的固體灰渣Out1經由冷卻排渣機構排出氣化爐。該冷卻排渣機構由冷卻排渣裝置21和設在該冷卻排渣裝置21下方的螺旋排渣機3構成，冷卻排渣裝置21將原本是液態的廢渣進行冷卻，快速將其轉移到氣化爐爐底，並且轉移過程中防止氣體竄入，螺旋出渣機3將廢渣從氣化爐底部渣池中撈出，排出氣化爐爐外。
氣化爐2生成的粗合成氣進入高溫重整淨化爐5。重整淨化爐5包括氣體混合區、裂解氣化燃燒區和固體粒子沉降區，等離子體炬4產生的高溫等離子體與高溫二次風和氣化爐2出來的粗合成氣一起在這一區域內進行劇烈地非完全燃燒、氣化、重整及水蒸汽變換等反應。二噁英、焦油類有毒有害物質被完全破壞，變成乾淨、清潔的小分子類物質(如一氧化碳、氫氣、二氧化碳或水分子等)，同時無機固體粒子吸附著重金屬，發生融化和團聚，形成玻璃化的惰性顆粒。在沉降室區氣體的速度降低，大顆粒在重力和折流板22的作用下發生沉降後被除去，固體熔渣Out2經由排渣器排出重整淨化爐5。
二次風機11，一次風機12，二次風機13分別將室溫下的空氣(一次風)和氣化爐上部乾燥區2A引出的含溼氣體通過脫氣塔9、除沫除霧器10，洗滌乾燥塔14和除沫除霧器15，引入熱回收系統6，其中二次風機11，一次風機12引出的氣體通入熱回收系統6的高溫換熱區段，分別將它們加熱到700℃左右，二次風機13引出的氣體通過熱回收系統6的低溫換熱區段將氣化爐乾燥區2A和氣化爐熱解氣化區2B的二次風加熱到300℃左右。
離開高溫煙氣淨化爐5的合成氣進入洗滌塔7的溫度約為200℃左右。合成氣在洗滌塔7內進一步降溫，並脫除夾帶殘存的細微粒子、所含酸性氣體(HCl、CO2等)。
淨化後的合成氣或燃氣經引風機16送入燃氣發電供熱系統17加以利用，最後形成的尾氣Out3經煙氣排出系統18排出界區或散入大氣。
本發明的分級氣化系統通過安裝在等離子體輔助高溫重整淨化爐尾部的換熱系統儘可能多地回收移動床氣化爐反應所需的熱量，提高能量的綜合利用效率，避免二噁英、氣化焦油和(或)重金屬等造成的二次汙染或堵塞問題。該系統具有原料適應性廣、氣化效率高、無汙染、安裝和維護簡單、易推廣等特點。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。