CN104479743B - 一种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉，包括上部的垃圾气化室与下部的高温水蒸气发生室，垃圾气化室与高温水蒸气发生室之间设置有间隔排列的水冷炉拱，水冷炉拱将垃圾气化室与高温水蒸气发生室分开；所述高温水蒸气发生室的内壁周向布置两个等离子体炬，采用低温水蒸气作为等离子体炬的工作气体；本发明采用蒸汽等离子体气化垃圾，为气化反应提供了一个高温、高能环境，物料加热速率快，反应速率快，具有很高的处理效率，还能发生一些在普通气化条件下不能发生的反应。
Description
技术领域
本发明涉及城市垃圾的气化处理设备，特别是种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉。
背景技术
目前我国城市生活垃圾无害化处理设施以卫生填埋为主，堆肥与焚烧为辅。垃圾填埋由于占用大量空间和污染地下水而被公认为是垃圾处理的最后选择，而堆肥成本高、肥效低、产品市场性差、存在安全隐患，发展仍然受限。焚烧处理可以一定程度上实现垃圾的减量化、无害化、资源化的综合处理，在环境保护和资源利用方面具有明显的优势，因而在国内得到了较快的发展。然而，直接焚烧导致烟气超标、臭气扰民，且焚烧工艺容易产生二噁英和重金属等二次污染，引起居民的恐慌，其带来的邻避难题不容小视。因此，焚烧发电一直在争议中前行，发展垃圾焚烧发电的替代技术势在必行。
等离子气化技术最早起源于20世纪60年代，美国NASA用其进行材料的抗热实验，70年代开始用于冶金和材料热处理行业，80年代开始处理医学等固体废弃物，近年来开始尝试用于处理城市和工业垃圾。不同于传统的垃圾焚烧方式，等离子气化技术几乎可将垃圾100％转化为可回收的副产品，其中的有机物转化为洁净燃气（主要是CO和H2），可以直接燃烧或用于提炼成更高等级的燃料和化学品，而无机物熔融产生的无害的玻璃态熔渣冷却后可用作建筑材料，从而实现真正的垃圾无害化处理和资源化应用，是垃圾焚烧最具潜力的一种替代技术。随着等离子发生器技术的不断完善（寿命长、运行稳定）和等离子体自耗电的不断下降，利用等离子气化技术将我国城市生活垃圾转化为能源的时机已经成熟。
然而，现有的垃圾等离子体气化炉大多采用等离子体炬对垃圾进行直接的高温气化，通过电弧放电产生高达7000℃的等离子体，从而使垃圾彻底热解，如卡尔特的美国专利US005280757A和卡马乔的美国专利US005634414A，电弧等离子体是唯一的热源，没有利用垃圾本身的热值，能量消耗高，等离子体炬耗电率可达其产电能力的30%-45%，导致运营成本大大增加，加上等离子体炬功率有限，难以扩大规模实现商业化应用。此外，由于只输入电能，依靠等离子体射流直接气化垃圾，使气化炉内温度场和流场很不均匀，使垃圾不能完全被高温处理，从而使废渣中含有二噁英等有害物质，给废渣处理带来更大的难题。
同时，垃圾气化采用的气化剂通常为空气、富氧或水蒸气，当以空气为气化剂时，由于存在大量不发生反应的N2成份，会导致合成气中的N2含量偏高，H2/CO比例下降，合成气热值偏低且不稳定，难以满足后续的工业利用；当以富氧为气化剂时，虽然可以减少合成气中的N2含量，提高合成气品质，但需要附设体积庞大且能耗较大的空气分离装置，这样将增加整个气化设备的成本；而常规的水蒸气气化需要关键设备蒸汽发生器，由于垃圾中的焦炭与水蒸气的反应要求较高的温度，因此只有水蒸气的温度达到700℃以上，气化效果才比较理想，这对蒸汽发生器性能提出了较高的要求。通常情况下，由于水蒸气气化难以达到较高的温度，因此气体产率较低，气化效果较差，目前工业上已经较少应用，主要用于实验室研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉，采用低温水蒸气（150℃-250℃）作为等离子体炬的工作气体，同时从气化炉侧面引入一部分水蒸气，即采用水蒸气作为垃圾气化介质，经等离子体炬加热后的水蒸气，平均温度高达5000℃，与常规的水蒸气气化相比，蒸汽等离子体气化为气化反应提供了一个高温、高能环境，物料加热速率快，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不能发生的反应，且通过高温水蒸气间接气化垃圾能使垃圾流场温度场分布更为均匀；同时垃圾等离子体气化炉利用废物本身的部分热值降低电耗，从气化炉侧面引入一定量的空气（过量空气系数小于0.3），从而避免现有的垃圾等离子体直接气化时空气只作为等离子体炬工作气体进入气化炉（过量空气系数小于0.02），使等离子体炬能耗降低，垃圾等离子体气化的运营成本降低。
本发明的技术方案如下：
一种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉，其特征在于：包括上部的垃圾气化室与下部的高温水蒸气发生室，垃圾气化室与高温水蒸气发生室之间设置有间隔排列的水冷炉拱，水冷炉拱将垃圾气化室与高温水蒸气发生室分开；所述高温水蒸气发生室的内壁周向布置两个等离子体炬，两个等离子体炬之间呈α角度，α为120°-150°；采用低温水蒸气（150℃-250℃）作为等离子体炬的工作气体。
所述气化炉的内壁浇注有耐火材料。
所述垃圾气化室顶部设有投料口，侧面较高处设有合成气出口，侧面较低处设有供气口。
所述水冷炉拱的一端为进水口，另一端为出水口。
水冷炉拱的主体为钢管，水从一侧进水口引入，在气化炉内交叉排列，通过冷却水在管内流动带走热量，冷却炉拱，从而延长炉拱的使用寿命，降低维护成本。
所述高温水蒸气发生室的底部为出渣口，侧面设有水蒸气进口，水蒸气进口与水冷炉拱的出水口连接，被炉拱加热的水再通过等离子体炬变成高温水蒸气，从而作为垃圾的气化介质。垃圾气化后体积与尺寸缩小，形成的废渣通过炉拱的间隙落入下部的高温水蒸气发生室，在高温下废渣里含的二噁英等污染物进一步完全分解，然后通过底部的排渣口排出，从而实现废渣的彻底无害化处理，无需填埋，可用作建材。
从高温水蒸气发生室侧面引入一部分水蒸气，即采用水蒸气作为垃圾气化介质，经等离子体炬加热后的水蒸气，平均温度高达5000℃，向上流动至垃圾气化室从而使垃圾热解气化，通过水蒸气间接加热垃圾能使垃圾气化室内的流场与温度场更为均匀。同时垃圾气化室供气口引入一部分空气（过量空气系数小于0.3），使垃圾在高温下发生部分氧化反应，从而利用一部分垃圾自身热值，降低等离子体电耗。
本发明的操作方法为：
将垃圾从投料口投入到上部的垃圾气化室内，在有一定间距排列的水冷炉拱上堆积一定的高度，启动下部高温水蒸气发生室的等离子体炬，产生恒定温度，同时将水从水冷炉排中通入；水在水冷炉拱中预热后进入高温水蒸气发生室后，形成稳定向上流动的高温水蒸气，使垃圾温度升高，发生热解气化；同时，从上部的供气口鼓入一定量的过量空气系数小于0.3的空气，使垃圾实现部分氧化，利用一部分自身热值，降低下部的等离子体耗电，生成的合成气从上部的合成气出口引出，可用作供热或发电，垃圾气化后废渣通过下部的高温水蒸气发生室落入底部排渣口，在高温下实现废渣的彻底无害化处理。
本发明的有益效果如下：
（1）采用蒸汽等离子体气化垃圾，为气化反应提供了一个高温、高能环境，物料加热速率快，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不能发生的反应；
（2）在垃圾气化室通入一定量空气（过量空气系数小于0.3），能利用垃圾一部分热值发生部分氧化，从而降低等离子体炬的电耗，降低垃圾等离子气化的运行成本；
（3）采用等离子体炬加热的高温水蒸气间接气化垃圾，能使垃圾气化室内的流场与温度场更为均匀，使垃圾完全被高温处理，产生的废渣通过下部的高温水蒸气发生室进一步处理，从而使废渣中含有的二噁英等有害物质得到彻底消除，排出的熔融金属可回收再利用，而熔融的无机物类似于玻璃体结构，实验表明，它具有不浸出性，可作为建筑材料；
（4）蒸汽等离子体气化产物中不含焦油成份，气化燃气质量高，几乎完全由H2和CO组成，占气体组分的99％，便于气体进一步处理，可直接用于燃气轮机发电。而且H2 和CO的比例，可通过控制蒸汽和废物的量来达到调节，这样可以直接满足某些化学合成的需要。例如合成甲醇，将H2 和CO 的比例控制在2 比1 最为合适。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记为：1垃圾气化室，2高温水蒸气发生室，3水冷炉拱，4投料口，5合成气出口，6供气口，7出渣口，8等离子体炬，9进水口，10出水口，11水蒸气进口。
具体实施方式
本发明是提供一种以水蒸气为气化介质的垃圾等离子体气化炉，由上部的垃圾气化室1与下部的高温水蒸气发生室2组成，上下两部分由间隔排列的水冷炉拱3分开，气化炉内壁浇注有耐火材料。
垃圾气化室1顶部设有投料口4，侧面较高处有合成气出口5，侧面较低处设有供气口6；高温水蒸气发生室2底部为出渣口7，侧面周向布置两个等离子体炬8，两个等离子体炬8之间呈α角度，α为120°-150°；采用温度为150℃-250℃的低温水蒸气作为等离子体炬8的工作气体，同时从高温水蒸气发生室2侧面引入一部分水蒸气，即采用水蒸气作为垃圾气化介质，经等离子体炬8加热后的水蒸气，平均温度高达5000℃，向上流动至垃圾气化室1从而使垃圾热解气化，通过水蒸气间接加热垃圾能使垃圾气化室1内的流场与温度场更为均匀。
同时，圾气化室供气口6引入一部分空气（过量空气系数小于0.3），使垃圾在高温下发生部分氧化反应，从而利用一部分垃圾自身热值，降低等离子体电耗。
水冷炉拱3主体为钢管，水从一侧进水口9引入，在气化炉内交叉排列，通过冷却水在管内流动带走热量，冷却炉拱，从而延长炉拱的使用寿命，降低维护成本。水冷炉拱3的出水口10与下部的水蒸气进口11连接，被炉拱加热的水再通过等离子体炬8变成高温水蒸气，从而作为垃圾的气化介质。垃圾气化后体积与尺寸缩小，形成的废渣通过炉拱的间隙落入下部的高温水蒸气发生室2，在高温下废渣里含的二噁英等污染物进一步完全分解，然后通过底部的排渣口排出，从而实现废渣的彻底无害化处理，无需填埋，可用作建材。
本发明的操作方法为：将垃圾从投料口4投入到上部的垃圾气化室1内，在有一定间距排列的水冷炉拱3上堆积一定的高度，启动下部高温水蒸气发生室2的等离子体炬8，产生恒定高温，同时将水从水冷炉排中通入；水在水冷炉拱3中预热后进入高温水蒸气发生室2后，形成稳定向上流动的高温水蒸气，使垃圾温度升高，发生热解气化；同时，从上部的供气口6鼓入一定量的过量空气系数小于0.3的空气，使垃圾实现部分氧化，利用一部分自身热值，降低下部的等离子体耗电，生成的合成气从上部的合成气出口5引出，可用作供热或发电，垃圾气化后废渣通过下部的高温水蒸气发生室2落入底部排渣口，在高温下实现废渣的彻底无害化处理。
Claims (3)
1.一种以水蒸汽为气化介质的垃圾等离子体气化炉，其特征在于：包括上部的垃圾气化室（1）与下部的高温水蒸汽发生室（2），垃圾气化室（1）与高温水蒸汽发生室（2）之间设置有间隔排列的水冷炉拱（3），水冷炉拱（3）将垃圾气化室（1）与高温水蒸汽发生室（2）分开；所述高温水蒸汽发生室（2）的内壁周向布置两个等离子体炬（8），两个等离子体炬（8）之间呈α角度，α为120°-150°；等离子体炬（8）的工作气体为温度为150℃-250℃的低温水蒸汽；
所述水冷炉拱（3）的主体为钢管，水冷炉拱（3）的一端为进水口（9），另一端为出水口（10）；
所述垃圾气化室（1）顶部设有用于投放垃圾的投料口（4），侧面较高处设有合成气出口（5），侧面较低处设有供气口（6）；
所述高温水蒸汽发生室（2）的底部为出渣口（7），侧面设有水蒸汽进口（11），水蒸汽进口（11）与水冷炉拱（3）的出水口（10）连接。
2.根据权利要求1所述的一种以水蒸汽为气化介质的垃圾等离子体气化炉，其特征在于：所述气化炉的内壁浇注有耐火材料。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种以水蒸汽为气化介质的垃圾等离子体气化炉，其特征在于工作过程为：
将垃圾从投料口（4）投入到上部的垃圾气化室（1）内，在排列设置的水冷炉拱（3）上堆积，启动下部高温水蒸汽发生室（2）的等离子体炬（8），产生恒定温度，同时将水从水冷炉排中通入；水在水冷炉拱（3）中预热后进入高温水蒸汽发生室（2）后，形成稳定向上流动的高温水蒸汽，使垃圾温度升高，发生热解气化；同时，从上部的供气口（6）鼓入一定量的过量空气系数小于0.3的空气用于垃圾实现部分氧化，生成的合成气从上部的合成气出口（5）引出，可用作供热或发电，垃圾气化后废渣通过下部的高温水蒸汽发生室（2）落入底部排渣口，在高温下实现废渣的彻底无害化处理。
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