通過氣化處理廢物的方法和裝置的製作方法
2023-11-01 05:35:37
專利名稱：通過氣化處理廢物的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，更具體地說，涉及這樣一種處理廢物的方法和裝置，即通過在較低溫度下氣化，然後在較高溫度下回收包括能量、有價值材料如金屬，以及用作化工原料或燃料的氣體的有用資源。
迄今為止，通常都是用專用焚化爐處理大量的城市垃圾、廢輪胎、汙泥和工業殘渣。而且也用專用的廢水處理設施處理糞便和高度濃縮的廢物。然而，仍然有大量的工業廢物被廢棄掉了，造成了環境汙染。
已經研製出了一種適於環境保護的、可代替傳統焚化爐系統的廢物處理技術，將氣化與焚燒相結合的氣化與焚燒系統，一些這種系統即將投入實際使用。
在已研製出的氣化和焚燒系統中，有的系統用立式爐作為氣化爐(下文稱作「系統S」)，還有的系統用迴轉爐作為氣化爐(下文稱作「系統R」)。這種系統S，在氣化爐中有多層結構，包括溫度在200-300℃範圍內的乾燥/預熱區，溫度在300-1000℃範圍內的熱分解區，以及溫度在1500℃或更高的焚燒/熔融區。在爐中，當與下部區域產生的氣體進行熱交換時，從其上部裝入爐中的廢物和焦炭會下落。從爐中排出向上流動的氣體，然後，在大約900℃的溫度下，在後續焚燒爐中進行焚燒。在熱分解區產生的含碳物質和裝填的焦炭會下落，然後進入焚燒/熔融區，通過從風口提供富氧空氣，在高溫下進行焚燒，以將全部灰分和無機物熔融。
在系統R中，將廢物粉碎並輸送到滾筒式旋轉爐中，用高溫空氣進行加熱。在這種滾筒式旋轉爐中，在大約450℃的溫度下對廢物進行緩慢熱解。將在該溫度下生成的含碳物質從滾筒式旋轉爐中排出，將其冷卻到它們不能燃燒的溫度。然後，將這些含碳物質粉碎，並輸送到後續旋流式高溫焚燒爐中，在旋流式高溫焚燒爐中，在大約1300℃的溫度下，焚燒粉碎後的含碳物質和來自旋轉爐的氣體，將灰分熔融成液態熔渣。
如下所述，系統S和R各自都有缺點。在系統S中，由於為了將爐底部熔融區的溫度維持在1700-1800℃的範圍內，需要如焦炭和富氧空氣這類的補充材料，所以，立式爐的運行費用很高。使用焦炭又帶來了新問題，即增加了從爐中排放的二氧化碳的量。由於廢物中含有的所有金屬都已被熔融，因此不能根據金屬的種類回收金屬鑄塊。由於形狀各異的各種廢物堆積在爐的各層中，而且焚燒/熔融區位於爐的最下端，因此對固定床類型的爐子來說，很難進行穩定的運行。這是因為，儘管對固定床型的爐子來說，重要的點是使氣體在各層中均勻流動，即保持氣體的滲透性，但是，各種不同形狀的廢物會阻礙氣體在各層中的均勻流動，會使氣體穿過床層或偏離床層。添加用作補充燃料的焦炭是為了保持氣體的滲透性，但是，這一作用不夠明顯，因而改變了氣體的流動速度，使爐內的壓力不能保持恆定。由於不是所有生成的氣體都穿過高於1000℃的高溫區域，因此不能完全防止生成二惡英(dioxins)和呋喃。
在系統R中，由於氣化爐包括一個用高溫空氣外部加熱的旋轉爐，所以它的導熱率很小，爐的體積不可避免地要增大。此外，熱分解產生的焦油和未分解物質覆蓋在爐的傳熱表面，使得導熱率更低。由於按照熱交換器的物料，用排氣進行熱交換，很難得到加熱到600℃的高溫空氣。從旋轉爐中排出生成的含碳物質，然後粉碎並輸送到焚燒爐中，在焚燒爐中，將這些物質與從旋轉爐直接輸送的氣體相混合，並在高溫下進行焚燒。因此，系統R需要排放、冷卻、粉碎、儲存和輸送含碳物質的設備。從有效地利用能量來看，不希望在處理含碳物質的過程中，含碳物質的冷卻或散熱造成熱損耗。如果不進行冷卻就將含碳物質排放，它們會通過與空氣接觸而燃燒。
如上所述，已經提出了各種新的通過氣化焚燒廢物的方法，在高溫下焚燒生成的物質，分解二惡英，將灰分熔融成液態熔渣。然而，從化學物質迴轉的觀點來看，還沒有通過氣化所回收可燃氣體的切實可行的技術。
另一方面，CO(一氧化碳)和H2(氫氣)被廣泛用作化學合成的氣體原料。一氧化碳可用於汽油、酒精、有機酸和酯的化學合成。氫氣可於氨(NH3)或甲烷的化學合成、氫化脫硫、氫解、脂肪氫化和焊接中。通常通過氫化煤或焦炭來生產一氧化碳，而通過天然氣或石腦油的精製，或石油、煤或石油焦炭的氣化來生產氫氣。由於生產CO或H2的大多數原料都依賴於從國外進口，所以非常渴望在自己國家內得到廉價而可用的生產CO或H2的原料。
因此，本發明的目的是提供一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，該方法和裝置能夠容易而安全地運行，熱效率高，並能生產用於發電的低熱量氣體或中熱量氣體、工業氣體燃料和化學工業原料。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將在流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入高溫焚燒爐；在較高的溫度下，在高溫焚燒爐中生產低熱量氣體或中熱量氣體。
根據本發明的另一方面，提供了一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在較低的溫度下，氣化廢物以生成氣態物質和焦炭的流化床反應器；在較高的溫度下，由氣態物質和焦炭生產低熱量氣體或中熱量氣體的高溫焚燒爐。
流化床反應器包括迴轉流動式流化床反應器。高溫焚燒爐包括旋流式高溫焚燒爐。
在流化床反應器中，較低的溫度在450-800℃的溫度範圍內。在流化床反應器的流化床中，較低的溫度在450-650℃的溫度範圍內。在高溫焚燒爐中，較高的溫度是1300℃或更高。
通入流化床反應器中的用於氣化的氣體是空氣、富氧空氣、空氣和蒸汽的混合物、富氧空氣和蒸汽的混合物、以及氧氣和蒸汽的混合物中的一種。通入高溫焚燒爐中的用於氣化的氣體是富氧空氣和氧氣中的一種。
通入流化床反應器和高溫焚燒爐的氧氣總量在燃燒用氧氣理論量的0.1-0.6倍的範圍內。通入流化床反應器的氧氣量在燃燒用氧氣理論量的0.1-0.3倍的範圍內。
廢物中的灰分作為熔渣回收，而二惡英和其產物母體基本上在高溫焚燒爐中被分解。
低熱量氣體或中熱量氣體是常壓或高壓的，它們可用於發電，或用作氣體燃料或化學工業的合成氣。
流化床反應器是高壓型流化床反應器。高溫焚燒爐是高壓型高溫焚燒爐。
將流化床反應器中流化床的壓力降低到大氣壓，廢物中的金屬在不熔蝕條件下從流化床反應器中排放。
根據流化床的溫度控制低熱量廢物與高熱量廢物的混合比。低熱量氣體或中熱量氣體含有一氧化碳和氫氣。
此外，根據本發明的另一方面，提供了一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入高溫焚燒爐；在較高的溫度下，在高溫焚燒爐中生產熱氣。
將熱氣限定為主要包括可燃氣體組分一氧化碳和氫氣的氣體。
附圖用實例描述了本發明的最佳實施例，通過下列參照附圖的描述，將會更清楚本發明的上述和其它目的、特性和優點。
圖1是顯示本發明的通過氣化處理廢物方法的原理的流程圖。
圖2為用於實施本發明處理方法的裝置的第一實施方案的示意圖。
圖3為用於實施本發明處理方法的裝置的第二實施方案的示意圖。
圖4為用於實施本發明處理方法的裝置的第三實施方案的示意圖。
圖5為用於實施本發明處理方法的裝置的第四實施方案的示意圖。
圖6為用於實施本發明處理方法的裝置的第五實施方案的示意圖。
圖7為用於實施本發明處理方法的裝置的第六實施方案的示意圖。
下面參照附圖描述本發明的通過氣化處理廢物的方法和裝置。
用於本發明的廢物可以是城市垃圾、由垃圾得到的燃料(RDF)、固體和水的混合物(SWM)、生物廢物、包括纖維增強塑料(FRP)在內的塑料廢物、汽車廢物(粉碎機粉塵、廢輪胎等等)、電器廢物、特殊廢物(醫院廢物等等)、汙泥、糞便、高度濃縮的廢液、工業殘渣，它們有各種不同的熱值、水分含量和形狀。這些廢物可聯合起來使用。
可通過對城市垃圾進行粉碎和分類，在分類後的城市垃圾中添加生石灰，並把它們擠壓成一定的形狀來製備垃圾得來的燃料(RDF)。可通過粉碎城市垃圾，用水將它們轉變成稀漿，並通過熱液反應在高壓下將稀漿轉變成油燃料，來製備固體和水的混合物。劣等煤可以是低熱值的次煤、褐煤、泥煤，或在煤分選過程產生的煤廢物。
首先將廢物輸送到流化床反應器中並在其中對廢物進行熱解。尤其是，當採用迴轉式流化床反應器作反應器時，無需將廢物粉碎成細微的粒度，而是通過預處理粉碎成小顆粒，就可以輸送到流化床反應器中。其原因是通過流化介質的劇烈旋轉流動，對輸送廢物有良好的傳熱效果，並能從流化床爐子中排走大顆粒的不可燃物。下文還要詳細描述流化介質迴轉流動的效果。
因此，在這些廢物中，將城市垃圾、生物廢物、塑料廢物和汽車廢物粗粉碎到大約30cm的粒徑。通過離心分離機或類似的專用處理設備使水分含量高的汙泥和糞便脫水，成為泥餅，然後再將泥餅輸送到本發明的處理裝置的現場。垃圾得來的燃料、固體和水的混合物以及高度濃縮的廢液可按它們本來的狀況使用。如果將煤粉碎成40mm或更小的粒徑，加入煤用於調整熱量。
根據它們各自的熱量和水分含量，將上述廢物粗分成高熱量廢物和低熱量廢物。通常，城市垃圾、垃圾得來的燃料、固體和水的混合物、塑料廢物、汽車廢物和電器廢物屬於高熱量廢物。生物廢物、如醫院廢物的特殊廢物、汙泥和糞便的脫水泥餅、以及高度濃縮的廢液屬於低熱量廢物。
將這些廢物裝入高熱量廢物坑、低熱量廢物坑和池中，並在坑和池中進行充分攪拌和混合。此後，將它們輸送到流化床反應器中。如果輸送到流化床反應器的廢物中所含的金屬的熔點高於流化床反應器中流化床的溫度，則可在不熔蝕條件下回收這些金屬。因此，根據金屬的種類，回收的金屬可用作金屬鑄塊。
如果輸送到流化床反應器的廢物量是恆定的，則廢物量與輸送到流化床反應器中的用於氣化的氣體量的比也應是恆定的。然而，如果在輸送的廢物中，低熱量廢物的比例增加，或在輸送的廢物中，總水分增加了，則流化床的溫度會低於設定值。當流化床的溫度下降時，從後一階段的氣體利用設施來看，最好調整輸送廢物中低熱量廢物與高熱量廢物的比例，以使輸送廢物的熱量保持恆定。另一方面，可以加入高熱值的煤，以調整輸送廢物的熱量。
接下來，描述本發明的在較低溫度下氣化廢物的流化床反應器。採用這種流化床在較低溫度下氣化廢物是本發明的特徵之一。
流化床反應器本身已知被作為焚燒爐或氣化爐。然而，本發明不同於現有技術的新特點是將流化床反應器和高溫焚燒爐聯合起來使用，生產可燃氣體。
將煤以粉煤或煤水稀漿的形式輸送到高溫氣化爐已是已有技術。然而，與煤相比，對於廢物來說，不容易將它們粉碎。尤其是，如果廢物含有不可燃物，如金屬、粗砂或石頭，幾乎不可能將廢物象煤那樣粉碎到100μ以下。然而，在使用流化床反應器的情況下，粗粉碎的廢物能被熱解，生成可燃氣體和細小的焦炭。將生成的氣體物質和焦炭輸送到後續高溫焚燒爐，在高溫焚燒爐中對廢物進行在相對高溫下的氣化。對於流化床反應器來說，唯一必需的工作是通過熱解反應將廢物轉化成可燃氣體和焦炭，因此，在流化床反應器中的流化床能保持較低的溫度。考慮到待處理廢物的特性，本發明使用的流化床反應器可以是已知的包括鼓泡式流化床爐在內的常壓或加壓流化床反應器。然而，尤其優選的是回流式流化床反應器，該反應器也已經由本發明的發明人開發了。
最好迴轉流動式流化床反應器有一個環形的水平截面，在中間區域是一個較輕緩的流化床，流化氣體的流動速率低，而在周邊區域是一個較劇烈的流化床，流化氣體的流動速率高。迴轉流動式流化床反應器有一個沿內壁安裝的傾斜壁，它與流化床的表面相垂直，用來使流動的流化介質從周邊區域偏向中心區域，使得流化介質以在輕緩流化床中下降，而在劇烈流化床中上升的方式形成迴轉流動，流化介質在流化床的下部從中心區域流向周邊區域，而在流化床的上部區域從周邊區域流向中心區域。
根據本發明，具有特定結構的迴轉流動式流化床反應器具有下列優點1、由於生成的焦炭不積聚在流化床上，而是均勻地分散在流化床中，因此可在流化床中有效地對焦炭進行氧化，尤其是在劇烈的流化床中。氧化焦炭產生的熱量可傳導到流化介質上，所傳導的熱量可有效地用作流化床反應器內流化床中心區域進行熱分解和氣化的熱源。
2、由於被傾斜壁偏轉的向上流動的流化介質在流化床反應器的流化床中心區域會相互碰撞，故可將焦炭粉碎。如果用硬矽砂作為流化介質，可進一步加速焦炭的破碎。
3、由於流化介質的向下流動，廢物會下落到流化床中，所以只有粗粉碎的固體廢物才能輸送到流化床反應器中。因此，能夠省去粉碎設備，顯著地降低用於粉碎的電能。
4、儘管對廢物只進行粗粉碎，會產生大顆粒的不可燃物，但這種大顆粒的不可燃物很容易通過流化介質的迴轉流動從流化床反應器中排出。
5、由於生成的熱量可通過在流化床整個區域形成的流化介質的迴轉流動而分散開，因此可避免生成的結塊或渣塊引起的麻煩。
在使用通常的鼓泡型流化床的情況下，儘管流化介質在流化床中能均勻流化，但流化介質在水平方向上的分布仍不好。因此，本發明的迴轉流動式流化床反應器在上述1-5個優點方面優於通常使用的鼓泡型流化床反應器。
本發明的流化床反應器有溫度在450-800℃範圍內的流化床。如果流化床的溫度低於450℃，由於廢物熱分解和氣化反應的速度相當低，不可分解物會積聚在流化床中，增加了氧化速率低的焦炭的生成量。如果升高流化床的溫度，會加速廢物的熱解反應，由此解決了不可分解物在流化床中的積聚問題。然而，廢物進料速度的波動會導致生成氣體量的波動，這會損害後續旋流式高溫焚燒爐的運行。這是因為不可能根據流化床反應器中生成的氣體量，細微地調節輸送到旋流式高溫焚燒爐中的含氧氣體的量。由此，流化床溫度的上限設定為650℃，以使熱解反應比較緩慢。流化床反應器在流化床的上部有一個被稱作「淨空」的大直徑部分。通過向淨空輸送含氧氣體，如大體上純的氧氣或富氧空氣，可降低後續高溫焚燒爐的負荷，在淨空中，可加速焦油和焦炭在生成氣體中的氣化。
根據本發明，在450-650℃的溫度範圍內，在流化床中對廢物進行初級焚燒，然後，在600-800℃的溫度範圍內，優選的是在650-750℃的溫度範圍內，在淨空中對廢物進行次級焚燒。
輸送到流化床反應器中的用於對廢物進行氣化的流化氣體選自空氣、富氧空氣、空氣和蒸汽的混合物、富氧空氣和蒸汽的混合物、以及氧氣和蒸汽混合物。作為流化介質，可使用如矽砂或橄欖石砂這類的砂子、礬土、鐵粉、石灰石、白雲石或諸如此類。
在流化床反應器中生成的氣體含有大量的焦油和含碳物質。在流化床中，將含碳物質粉碎成粉末焦炭，然後將粉末焦炭和氣體輸送到旋流式高溫焚燒爐中。由於流化床已降低到常壓，所以廢物中的金屬可在不熔蝕的情況下從流化床反應器中排出。
可被回收的金屬是那些熔點低於氣化溫度的金屬。由此為了回收熔點為660℃的鋁，必須將流化床的溫度設定在650℃或更低。
由於流化床反應器用於在較低的溫度下氣化廢物，因此能夠處理粒徑在幾毫米到幾釐米範圍的各種廢物。流化床反應器的處理能力很高，並能容易地按比例加大。流化床反應器沒有運動部件，由此運行時容易調節溫度和其它參數，它對加熱介質有良好的導熱率，可使流化床的溫度保持均勻。
如果流化床反應器是迴轉流動式的流化床反應器，則在將廢物輸送到流化床反應器之前，無需將廢物粉碎。在這種流化床中，可有效地將含碳物質粉碎成在流化床中均勻分散的焦炭，由此使流化床反應器有很高的廢物容積，使流化床的溫度保持均勻，並有很高的氣化效率。
接下來描述高溫焚燒爐。向高溫焚燒爐輸送來自流化床反應器的氣態物質和焦炭，通過使氣態物質和焦炭與輸送到高溫焚燒爐中的氣體相接觸，在1300℃或更高的溫度下，對氣態物質和焦炭進行氣化。焦油和焦炭被完全氣化，其中的灰分作為熔渣(melten slag)從高溫焚燒爐的底部排放。
該高溫焚燒爐可包括Texaco爐，只從爐的上部通入氣態物質和焦炭，但最好包括旋流式高溫焚燒爐。在該旋流式高溫焚燒爐中，隨著用來氣化的氣體的旋轉流動，在較高的溫度下對氣態物質和焦炭進行氣化，使灰分熔融，然後分離出液態熔渣，並從這裡排走。
通過使用旋流式高溫焚燒爐可進行高負荷和高速焚燒，氣體停留時間的分布很窄小，碳轉化百分比和渣霧的收集效率都很高，焚燒爐很緊湊。
通入高溫焚燒爐用於氣化的氣體可選自富氧空氣和氧氣。通入流化床反應器和高溫焚燒爐的用於氣化的氧氣總量可在焚燒廢物用氧氣理論量的0.1-0.6倍的範圍內。通入流化床反應器的氧氣量可在焚燒廢物用氧氣理論量的O.1-0.3倍的範圍內。用這種方式，可從高溫焚燒爐中得到熱值在1000-1500kcal/Nm3(幹)的低熱值氣體燃料，或熱值在2500-4500kcal/Nm3(幹)的中熱值氣體燃料。根據本發明，由這些廢物可生產以一氧化碳和氫氣為主要組分的氣體，生成的氣體可用作工業氣體燃料或化學工業的合成氣體。
由於在高溫焚燒爐中，可將從流化床反應器引入後續高溫焚燒爐的焦炭中的灰分轉變成熔渣，有害金屬被熔封在渣中，不能浸出。在高溫焚燒爐中，通過高溫焚燒可將二惡英和其前體，以及PCB(多氯聯苯)完全分解掉。
下面參照圖1描述根據氣體的性質利用生成氣體的方法。可將該方法分成兩種回收方法，利用氣體能量的熱回收和利用氣體作為化學工業合成氣體的化學物質的回收。如果生成的氣體是常壓高溫廢氣，則可將蒸汽發生器中生成的蒸汽輸送到驅動發電機的汽輪機中，以回收電力。如果生成的氣體是常壓氣體燃料，可通過驅動發電機的燃氣發動機或柴油發動機燃燒這些氣體，以回收電力，或將它們用於工業氣體燃料。工業氣體燃料可用於煉鐵或煉鋼過程。
如果生成的氣體是壓力在20-40atm的高壓氣體，可將其用於一個包括燃氣輪機的聯合循環發電系統，或用作工業氣體燃料。如果生成的氣體是不含N2的高壓中熱量氣體燃料，可將其用作生產氫氣、甲烷(SNG)、醇類如甲醇、以及汽油的合成氣體。
可通過將合成氣體中的CO和H2O轉化成CO2和H2，再除去CO2來生產氫氣。可通過CO的變化轉化，調節一氧化碳與氫氣的比，並進行甲烷化來生產甲烷。可通過CO的變化轉化和甲醇合成反應來生產甲醇。可通過醇合成反應生產比甲醇和乙醇高的高醇混合物。可通過象在南非共和國的Sasol進行的Fischer-Tropsch反應來合成汽油。
最好根據待處理廢物的質量和數量、建造處理系統現場的條件和要生產的產品來選擇最佳方法。
接下來，簡要描述渣的利用方法。由於從廢物中產生的和從高溫焚燒爐回收的渣含有一定量的氯，最好將回收的渣用作所謂的「生態水泥」。生態水泥可通過用燃燒後的灰、汙泥和添加物以各自4∶3∶3的比例混合在一起來製備，生態水泥可用作無鋼筋的混凝土製品和硬化劑。回收的渣可以是粒狀渣或退火渣(annealed slag)，可用作建築材料，包括路基材料、粒料、滲水材料或園藝材料。
下面根據本發明描述實施通過氣化處理廢物方法的各種裝置。
在這些附圖中，相同或相應的部件用相同或相應的標號表示。
圖2是本發明用於實施通過氣化來處理廢物的方法的裝置第一實施例的示意圖。
如圖2所示，該裝置用於生產壓力在20-40atm範圍的高壓合成氣體。該裝置包括一個活底料鬥系統1、一個料鬥2、一個螺旋加料器3和一個其中有流化床5的流化床反應器4。該裝置進一步還包括一個帶有初級焚燒室7、次級焚燒室8和渣分離室9的旋流式高溫焚燒爐6，一個廢物加熱鍋爐10以及一個滌氣器11。在圖2中，符號a、b、c、和d分別表示廢物、氧氣、蒸汽和不可燃物。此外，符號e、e』、f、f』和g分別表示在流化床反應器4中生成的氣體、在旋流式高溫焚燒爐6中生成的氣體、渣、灰和生成的氣體。
已經均勻混合過的廢物「a」穿過活底料鬥系統1進入料鬥2，從這裡用螺旋加料器3以恆定的速率將廢物「a」輸送到流化床反應器4中。氧氣「b」和蒸汽「c」的混合物作為流化氣體輸送到流化床反應器4的底部。下落到流化床反應器4中流化床5的廢物「a」與輸送到流化床反應器4的氣體相接觸，在流化床中進行氣化，流化床的溫度保持在450-650℃的範圍內。準備在流化床5中對廢物「a」進行快速熱解。當對廢物「a」進行熱解時，生成了氣體、焦油、含碳物質和H2O。通過流化床5的強烈作用將含碳物質粉碎成焦炭。
然後將氣體、焦油、H2O和焦炭一起輸送到旋流式高溫焚燒爐6的初級焚燒室7中，在這裡使它們與輸送到高溫焚燒爐中的氣化用的迴旋流動的氧氣「b」相混合，並迅速在1300℃或更高的溫度下進行氧化。因此，可將焦炭中的灰分轉化成渣霧，在迴旋流離心力的作用下，渣霧被焚燒爐內壁上的渣相(slag phase)捕集。然後捕集到的渣霧在內壁上向下流動，並進入次級焚燒室8，渣「f」從這裡穿過渣分離室9的底部排到焚燒爐6的外面。在次級焚燒室8中，在較高的溫度下進行氣化，生成了中熱量氣體，它含有H2、CO、CO2和H2O，其熱值在2500-4500kcal/Nm3的範圍內。
由於流化床反應器4中流化床5的壓力降到了常壓，因此，那些含在廢物「a」中的，熔點高於流化床溫度的金屬保持不熔蝕狀況，它們可與廢物碎塊、石頭、玻璃等等一起，作為不可燃物「d」從流化床反應器4的底部排走。根據金屬的種類，排放的金屬可作為金屬鑄塊重新使用。
將從旋流式高溫焚燒爐6排放的氣體輸送到生產蒸汽「c」的廢熱鍋爐10中。在滌氣器11中，對來自廢熱鍋爐10的氣體進行冷卻，然後用NaOH的水溶液進行洗滌，以除去灰塵和對CO的轉化催化劑有害的HCl，從而得到了淨化氣體「g」。淨化後的氣體「g」可用作工業氣體燃料。在這種情況下，無需轉化CO，由此可有效地簡化滌氣器11的結構。含有H2、CO、CO2和H2O的生成氣體「g」可用作化學工業的合成氣體。
圖3是本發明用於實施通過氣化來處理廢物的方法的裝置的第二實施例的示意圖。該裝置包括一個在常壓下迴轉流動式流化床反應器，以生產低熱量氣體。
如圖3所示，流化床反應器4有一個淨空12和燃燒口13，它與一個和鬥式運輸機15關聯的轉筒篩14相連。旋流式高溫焚燒爐6有一個燃燒口16。圖3所示裝置的其它細節與圖2所示的裝置基本相同。
將廢物「a」和煤「j」輸送到料鬥2中，然後再以恆定的流速通過螺旋加料器3輸送到流化床反應器4中。預熱後的空氣「b」作為流化氣體從流化床反應器4的底部通入流化床反應器4，在流化床反應器4分布板的上方形成矽砂(silica sand)的流化床5。
將較低流速的流化氣體通入流化床5的中心部分，較高流速的流化氣體通入流化床5的周邊部分，由此在圖3所示的流化床反應器4中，形成流化介質的迴轉流動。
將廢物「a」和煤「j」輸入流化床5，並使它們與流化床5內空氣中的氧氣相接觸，將流化床的溫度保持在450-650℃的範圍內。通過與氧氣的接觸，廢物「a」和煤「j」被迅速熱解。從流化床反應器4的底部排放流化介質矽砂和不可燃物質，並進入轉筒篩14。用轉筒篩14將大顆粒的不可燃物「d」與矽砂分離開，並將大顆粒的不可燃物「d」排放到裝置的外面，將矽砂「h」輸送到鬥式運輸機15中。鬥式運輸機15向上輸送矽砂「h」，並從流化床反應器4的上部送回流化床反應器4。排放的不可燃物「d」中含有金屬。由於將流化床5的溫度保持在500-600℃的範圍內，所以能在適於回收的不熔蝕條件下，回收鐵、銅和鋁。
當在流化床5中在較低的溫度下氣化廢物「a」時，生成了氣體、焦油、含碳物質和水。將氣體、焦油和水汽化，使其在流化床反應器4中上升。通過流化床5的攪拌作用將含碳物質粉碎成焦炭。由於焦炭是多孔的並很輕，它被生成氣體的上升氣流所攜帶。由於流化床5的流化介質是很硬的矽砂「h」，可加速含碳物質的粉碎。將空氣「b」通入淨空12中，以在600-800℃的溫度範圍內，再次氣化氣體、焦油和焦炭，由此可加速氣體組分向低分子組分轉化，以及焦油和焦炭的氣化。將從流化床反應器4排放的生成氣體「e」輸送到旋流式高溫焚燒爐6的初級焚燒室7中，隨著與預熱的富氧空氣「b』」在迴轉流中的混合，在1300℃或更高的溫度下進行焚燒。在次級焚燒室8中完全焚燒，從熔渣分離室9排放生成的廢氣「e』」。由於旋流式高溫焚燒爐6中的溫度很高，焦炭中的灰分被轉化成渣霧，在旋轉流離心力的作用下，初級焚燒室內壁上的熔渣相捕集渣霧。熔渣在內壁上向下流動，並進入次級焚燒室8，穿過渣分離室9的底部排放熔渣「f」。初級焚燒室7和次級焚燒室8都分別裝有燃燒口16以啟動焚燒爐。用這種方式，可生產熱量在1000-1500kcal/Nm3範圍內的低熱量可燃氣體。
圖4是本發明用於實施通過氣化來處理廢物的方法的裝置第三實施例的示意圖。該裝置包括一個另一種類型的旋流式高溫焚燒爐，以便在10-40atm的壓力範圍內生成合成氣體。
如圖4所示，流化床反應器4包括一個迴轉式流化床反應器4和一個旋流式高溫焚燒爐6，旋流式高溫焚燒爐6有一個其下端帶有水池20的旋流式高溫焚燒爐。
流化床反應器4與一個和篩網14』關聯的活底料鬥17相連。流化床反應器4有一個傾斜壁18，以便在其中迴轉流化介質。旋流式高溫焚燒爐6又與一個與一個與儲水池22相連的活底料鬥17』相連。旋流式高溫焚燒爐6還與一個滌氣器11和儲水池22』相連。
在圖4中，流化床反應器4是一個迴轉流動式流化床反應器，其中含碳物質不會積聚在流化床上，而是均勻分布在流化床中，由此加速了粉碎作用和氣化作用。隨後，在將廢物「a」輸送到流化床反應器4之前，將其粗粉碎，從流化床反應器4中排放較大顆粒的不可燃物。由於流化床反應器4能高效地分散所產生的熱量，所以可避免熔塊問題。
穿過活底料鬥或類似部件以恆定的速度向流化床反應器4輸送廢物「a」。從流化床反應器4的底部向流化床反應器4輸送作為氣化劑的氧氣「b」和蒸汽的混合物，在流化床反應器4分布板的上方形成以矽砂作為流化介質的流化床5。在流化床5中，分布板上的流化介質迴轉流動，形成流化介質的迴轉流。將廢物「a」輸送到流化床5中，並在流化床5內與氣化劑相接觸，將流化床保持在450-650℃的溫度範圍內，10-40atm的壓力範圍內。隨著與氣化劑的相接觸，使廢物「a」迅速熱解。從流化床反應器4的底部排放流化床5中矽砂「h」和不可燃物「d」，穿過活底料鬥17，然後輸送到篩網14』中，用篩網14』分離不可燃物「d」。通過流化介質迴轉通道15將矽砂「h」送回流化床反應器4。排放的不可燃物「d」含有金屬。由於流化床5的溫度保持在500-600℃的範圍內，所以能在適於回收的不熔蝕條件下，回收鐵、銅和鋁。
當在流化床5中氣化廢物「a」時，生成了氣體、焦油和含碳物質。將氣體和焦油汽化，使其在流化床反應器4中上升。通過流化床5的迴轉作用將含碳物質粉碎成焦炭。由於焦炭是多孔的並很輕，它可被生成氣體的上升流動所攜帶。由於流化床5的流化介質包含很硬的矽砂「h」，可加速含碳物質的粉碎。
將從流化床反應器4排放的生成氣體「e」輸送到旋流式高溫焚燒爐6的初級焚燒室7中，在該旋流式高溫焚燒爐6中，氣體「e」與預熱氧氣「b」在迴轉流中的混合，並在1300℃或更高的溫度下氣化。由於旋流式高溫焚燒爐6中的溫度很高，焦炭中的灰分被轉化成渣霧，渣在高溫焚燒爐6的內壁上向下流動，並進入水池20。當渣在水池20變成粒狀之後，將粒狀熔渣穿過活底料鬥17』輸送到蓄水池22中，從這裡作為粗渣「f」排放掉。用水池20中的水冷卻溫度較高的生成氣體，通過滌氣器11冷卻和洗滌後，排放氣體「e』」。因此，可生產淨化氣體「g」。
圖5是本發明用於實施通過氣化來處理廢物的方法的裝置第四實施例的示意圖。該裝置包括一個另一種類型的旋流式高溫焚燒爐。
如圖5所示，輻射式鍋爐19設置在旋流式高溫焚燒爐6的渣分離室9中，水池20設置在輻射式鍋爐19的下面，使得下降的氣體貼近水池20的水面，然後在輻射式鍋爐19的後面上升。
在輻射式鍋爐19中，由於氣體的流動方向與重力方向相同，附著在焚燒爐6內壁上的渣會向下流動，不會發生堵塞。通過輻射式鍋爐19回收向下流動的渣的熱量，從而能提高熱回收效率。
此外，由於在靠近水池20的水面處，氣體的流動方向急劇改變，由於慣性力的作用，氣體中的大多數渣霧被水池20中的水回收。
將從旋流式高溫焚燒爐6排放的氣體「e』」輸送到對流式鍋爐21中，在該對流式鍋爐21中從氣體「e』」回收熱量。
可以省去旋流式高溫焚燒爐6中的次級焚燒室8。圖5所示的工藝作為發電工藝是最佳的。
圖3所示系統的典型實驗數據如下所示。
表1給出了待氣化廢物的性質。該廢物主要含有城市垃圾，並添加了一些煤以調節熱值。
表1(廢物性質)
在500-600℃的較低溫度範圍內通過流化床反應器對廢物進行氣化，然後再在1350℃的較高溫度下，用旋流式高溫焚燒爐進行氣化。下表2-4給出了氣化過程的數據。表2表示總氣化過程的物料平衡，其中廢物用100表示。
表2(物料平衡)
如表2所示，燒掉了作為氣化廢物的氣化劑的46份氧氣和36份的蒸汽。氣化系統產生了112份氣體，由於氧氣作為氣化劑加到了生成氣體中，所以生成的氣體量大於廢物量。
表3表示氣化系統的熱平衡，其中廢物的燃燒熱用100表示。
表3(熱平衡)
注1)熱平衡是根據較高熱值作出的。
2)Q燃燒熱，H焓由於生成氣體的燃燒熱是60，氣體冷卻效率是60％。冷卻氣體效率表示生成氣體的燃燒熱(高基)被輸送廢物的燃燒熱(高基)除的比例。
從表中可以看到，對於回收可燃氣體，可用3500kcal/kg作為低熱量廢物的下限。如果廢物的低熱值超過3500kcal/kg，冷卻氣體效率會大於60％。爐壁的熱損耗是5.9。如果降低熱損耗，會進一步增加冷卻氣體效率。
表4表示的是生成氣體的幹氣體組分。不計算氣體中的水分含量。
表4(生成氣體的幹氣體組分)可燃組分H2和CO佔77％。因此，在CO變化轉化之後，可得到體積佔77％的H2。
圖6是根據本發明的第五實施例，用於實施通過氣化處理廢物方法的另一種系統。
在圖6中，在大約20atm的高壓下，生產低熱量氣體燃料，然後將生成的氣體輸送到一個帶有發電用燃氣發動機的複合發電系統。如圖6所示，除了增加了陶瓷過濾器32、燃氣輪機33和汽輪機34以外，該系統與圖2所示的系統相似。
在圖6中，標號k和m分別表示電力和廢氣。將廢物「a」和煤「j」穿過活底料鬥系統1送入料鬥2，由此通過螺旋加料器3將廢物「a」和煤「j」輸送到流化床反應器4中。將空氣「b」輸送到流化床反應器4，將富氧空氣「b』」輸送到高溫焚燒爐6中。因此，來自高溫焚燒爐6排出的生成氣體是含有H2、CO、CO2、N2和H2O低熱量氣體，其熱值在1000-1500kcal/Nm3(幹)的範圍內。流化床反應器4和高溫焚燒爐6中的溫度與圖2所示的實施本發明方法的第一實施例系統中的溫度相同。
通過廢熱鍋爐10從氣體中回收蒸汽「c」，用陶瓷過濾器32分離氣體中的飛灰「f」。然後，將氣體輸送到燃氣輪機33中，生產電力「k」。之後，用另一個廢熱鍋爐10從氣體中回收蒸汽「c」，然後將氣體作為排放氣「m」排放到大氣中。將收集到的蒸汽「c」輸送到汽輪機
34中以生產電力」k「。在所述系統中，在高溫下從生成的氣體中除去粉塵，然後將氣體輸送到燃氣發動機33中。然而，儘管這種工藝降低了電力生產的效率，但是，仍可在常溫下淨化生成的氣體，然後用與圖2相同的方式輸送到燃氣發動機33中。
圖7是根據本發明的第六實施例，用於實施通過氣化處理廢物方法的另一種系統。
在圖7中，在常壓下，生產低熱量氣體燃料，然後將生成的氣體輸送到一個帶有發電用燃氣發動機的複合發電系統。如圖7所示，除了採用滌氣器11和燃氣發動機35代替陶瓷過濾器32和燃氣輪機33以外，該系統與圖6所示的系統相似。圖7所示的系統還沒有任何將廢物「a」和煤「j」輸送到料鬥2的活底料鬥。
將空氣「b」輸送到流化床反應器4，將富氧空氣「b」輸送到高溫焚燒爐6中。因此，來自高溫焚燒爐6的生成氣體是含有N2、H2、CO、CO2和H2O的低熱量氣體，其熱值在1000-1500kcal/Nm3(幹)的範圍內。流化床反應器4和高溫焚燒爐6中的溫度與圖2所示的實施本發明方法的第一實施例系統中的溫度相同。
用廢熱鍋爐10從生成的氣體中回收蒸汽「c」，用滌氣器11冷卻和洗滌氣體。然後，將常溫下生成的氣體輸送到燃氣發動機35中，生產電力「k」。之後，用另一個廢熱鍋爐10從氣體中回收蒸汽「c」，然後將氣體作為排放氣「m」排放到大氣中。將收集到的蒸汽「c」輸送到汽輪機34中以產生電力」k「。為了降低造價可省去燃氣發動機35後的廢熱鍋爐10，但這會降低電力生產的效率。
本發明的方法用於將廢物轉變成可燃氣體和化學工業的合成氣體，為達到保護環境的目的，回收有用資源。該方法通過回收熱量、物料和化學物質可有效地將廢物作為新的資源。
一般來說，本發明的方法具有下列優點1、在低溫和高溫聯合氣化過程的基礎上，通過氣化將廢物轉變成中熱量合成氣體，該中熱量合成氣體可用於化學工業生產例如氨、甲醇等的合成氣體，從而實現了化學物質的回收。
2、在生產合成氣體的過程中，將灰分轉變成無害的熔渣。生成的熔渣可用作建築材料，從而實現了物料回收。
3、在不熔蝕狀態下，可回收廢物中的有用金屬，包括鐵、銅、鋁等等，從而實現了物料回收。
4、回收低熱量可燃氣體，用作燃氣發動機等的燃料，或工業氣體燃料，從而實現了熱回收。
5、在高溫焚燒爐中，在1300℃或更高的溫度下，通過高溫焚燒幾乎能徹底分解了有毒的二惡英。
儘管詳細展示和描述了本發明的某些最佳實施例，但應當理解，在不背離後附權利要求書的精神和範圍內，可作多種改變和改進。
權利要求
1.一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將在流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入高溫焚燒爐；和在較高的溫度下，在所述的高溫焚燒爐中生產低熱量氣體或中熱量氣體。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述流化床反應器包括一個迴轉流動式流化床反應器。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述高溫焚燒爐包括一個旋流式高溫焚燒爐。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在上述流化床反應器中，上述較低的溫度在450-800℃的溫度範圍內。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在上述流化床反應器的流化床中，上述較低的溫度在450-650℃的溫度範圍內。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在上述高溫焚燒爐中，上述較高的溫度是1300℃或更高。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於通入上述流化床反應器中的用於氣化的氣體是空氣、富氧空氣、空氣和蒸汽的混合物、富氧空氣和蒸汽的混合物、以及氧氣和蒸汽混合物中的一種。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於通入上述高溫焚燒爐中用於氣化的氣體是富氧空氣和氧氣中的一種。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於通入上述流化床反應器和上述高溫焚燒爐的氧氣總量在燃燒用氧氣理論量的0.1-0.6倍的範圍內。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於通入上述流化床反應器的氧氣量在燃燒用氧氣理論量的0.1-0.3倍的範圍內。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述廢物中的灰分作為渣回收，而二惡英和其前體在高溫焚燒爐中被基本分解。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述低熱量氣體或中熱量氣體是常壓或高壓的，可用於發電，或用作氣體燃料或化學工業的合成氣。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於上述流化床反應器包括一個高壓型流化床反應器。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於上述高溫焚燒爐是一個高壓型高溫焚燒爐。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將上述流化床反應器中流化床的壓力降低到大氣壓，上述廢物中的金屬在不熔蝕條件下從流化床反應器中排出。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於調節低熱量廢物與高熱量廢物的混合比。
17.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述低熱量氣體或中熱量氣體含有一氧化碳和氫氣。
18.一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在450-800℃的較低溫度下，在迴轉流動式流化床反應器中氣化廢物；將在上述流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入旋流式高溫焚燒爐；和在1300℃或更高的較高溫度下，在上述高溫焚燒爐中生產低熱量氣體或中熱量氣體。
19.一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將上述流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入高溫焚燒爐；和在較高的溫度下，在上述高溫焚燒爐中生產熱氣。
20.一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在較低的溫度下，氣化廢物以生成氣態物質和焦炭的流化床反應器；和在較高的溫度下，由上述氣態物質和上述焦炭生產低熱量氣體或中熱量氣體的高溫焚燒爐。
21.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於上述流化床反應器包括一個迴轉流動式流化床反應器。
22.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於上述高溫焚燒爐包括一個旋流式高溫焚燒爐。
23.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於在上述流化床反應器中，上述較低的溫度在450-800℃的溫度範圍內。
24.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於在上述流化床反應器的流化床中，上述較低的溫度在450-650℃的溫度範圍內。
25.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於在上述高溫焚燒爐中，上述較高的溫度是1300℃或更高。
26.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於通入上述流化床反應器中的用於氣化的氣體包含空氣、富氧空氣、空氣和蒸汽的混合物、富氧空氣和蒸汽的混合物、以及氧氣和蒸汽混合物中的一種。
27.如權利要求20所述的裝置，其特徵在於通入上述高溫焚燒爐中用於氣化的氣體是富氧空氣和氧氣中的一種。
28.一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在450-800℃的較低溫度下，氣化廢物以生成氣態物質和焦炭的迴轉流動式流化床反應器；和在1300℃或更高的較高溫度下，由上述氣態物質和焦炭生產低熱量氣體或中熱量氣體的旋流式高溫焚燒爐。
29.一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在較低的溫度下，氣化廢物以生成氣態物質和焦炭的流化床反應器；和在較高的溫度下，由上述氣態物質和焦炭生產熱氣的高溫焚燒爐。
全文摘要
一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，該方法和裝置能回收包括能量、有價值材料如金屬的有用資源，以及用作化工原料或燃料的氣體。在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物，將在流化床反應器中生成的氣態物質和焦炭引入高溫焚燒爐中，以及在較高的溫度下，在高溫焚燒爐中生成低熱量氣體或中熱量氣體。流化床反應器包括一個迴轉流動式流化床反應器，高溫焚燒爐包括一個旋流式高溫焚燒爐。
文檔編號C10J3/66GK1155641SQ96120858
公開日1997年7月30日 申請日期1996年11月28日 優先權日1995年11月28日
發明者藤村宏幸, 藤並晶作, 廣勢哲久, 大下孝裕, 入江正昭, 高野和夫 申請人:株式會社荏原製作所