固体废弃物分级气化系统的制作方法

本发明涉及固体废弃物热化学处理领域，特别是涉及一种将城市生活垃圾、农作物秸秆、废轮胎、废塑料、医疗废弃物、危险废弃物等高挥发份固体废弃物重整净化，以空气、水蒸汽或它们的混合物作为气化剂制取清洁燃气并用来发电、供热的系统。

背景技术：

随着中国经济的快速增长及城镇化水平的不断提高，固体废弃物尤其是城市生活垃圾的产生量也迅速上升，各地纷纷出现垃圾围城的困境。虽然卫生填埋和垃圾焚烧技术在一定程度上缓解了生活垃圾的围城现状，但采用卫生填埋不仅占用大量宝贵的土地资源、浪费垃圾自身的能量，而且会对水、大气、土壤构成长久的污染威胁；尽管采用焚烧法可以实现垃圾处理的减量化、无害化和资源化利用。但焚烧处理过程中释放的燃烧烟气中常含有氯化氢(HCl)、硫氮氧化物(SO_x，NO_x)和二噁英类(PCDDs/PCDFs)有毒有害物质，固体灰渣尤其是飞灰中含有大量的重金属和二噁英，如果处理不当，极易造成二次污染。同时，为保障垃圾中所含有机质得到充分燃烧，过量的空气会造成下游烟气净化的负荷加大，增加了设备的制造和运行成本。

垃圾气化技术被称为第三代固体废弃物处理技术。九十年代初，法、美、英、德、瑞士、日本和瑞典共同参与了这项技术的开发，并在九十年代中后期开始在发达国家推广应用。(空气)气化过程是指废弃物在绝氧或缺氧的条件下，高温发生热化学反应，制取可燃气体的过程。它所需的空气量小于完全燃烧所需的量，因此系统产生的气体量远低于焚烧过程，更利于节能环保。作为一种全新的废物处理方法，气化技术的最大优点是克服了用焚烧方法会产生二噁英(Dioxin)的缺点。目前，世界最先进的焚烧设施的二噁英排放标准约为0.1nmg/m3，而热解气化技术的二噁英排放标准已经达到0.01nmg/m3。

当前处理固体废弃物的各种气化工艺中多数采用一段气化加上水洗或催化气体净化技术，通常存在焦油和二噁英等物质含量高、难以清除或工艺特别复杂等缺陷。采用水洗工艺容易产生二次水污染，并且难以彻底清除气体中所含的有害物质；采用金属催化裂解二噁英、焦油等有害物质会因催化剂寿命短、催化剂材料成本高昂、工艺路线复杂等缺陷，难以在工业实践中推广应用。就气化技术采用的反应器类型而言，固定床(包括回转窑、机械炉排炉)、流化床或等离子体炉居于主导地位，中国专利CN103267293(申请号：201310197237.9)公开了一种具有特殊结构的垃圾气化炉，它采用结构复杂的机械炉排控制和调节固体物料在炉内的停留时间及停留时间分布。在高温、腐蚀性气氛的环境条件下难以保障气化炉的可靠性，增加了运行和维护成本。流化床气化难以同时适应水份含量高、形状不规则、原料成份复杂多变、容易熔融或结块的未经分拣等预处理的生活垃圾等物料。近年来，高温等离子气化技术具备普遍的原料适应性，能够大规模快速处理城市生活垃圾等固体废弃物，在国内外固体废弃物处理行业中有了长足的发展。但等离子体直接气化需要大功率等离子体喷枪(等离子体炬)，其耗电率高达其发电量的30％～40％。中国专利CN103013568(申请号：201210539110.6)公开了一种等离子体气化固体废弃物的处理系统，该技术在气化炉和合成气净化装置中均采用了等离子体喷枪。相关的试验和研究工作尚在概念论证和技术示范阶段。中国专利CN104976622(申请号：201510471085.6)公开了一种回转窑气化、等离子体熔融的生活垃圾分级气化系统。该技术尽管抛弃了耗电巨大的一级等离子体炬，但该工艺需要将全部的一级回转窑产生的固体残渣送入后续的等离子体反应炉内进行气化熔融，依然难以有效提高设备的可靠性，也未能有效降低能耗。

技术实现要素：

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种固体废弃物分级气化系统，能将高挥发份固体废弃物重整净化，以空气、水蒸汽或它们的混合物作为气化剂制取清洁燃气并用来发电、供热，提高能量的综合利用效率，避免二噁英、气化焦油和(或)重金属等造成的二次污染或堵塞问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种固体废弃物分级气化系统，包括：

给料系统、自流式移动床气化炉、高温等离子体炬、高温重整净化炉、一次风机、二次风机一、二次风机二、洁净燃气引风机、热量回收系统、气体洗涤塔、洗涤干燥塔、脱气塔、第一除沫除雾器、第二除沫除雾器、第三除沫除雾器和燃气发电供热系统；其中，

所述给料系统的出料口与所述自流式移动床气化炉的进料口连接；

所述热量回收系统的高温段多组换热器设在所述高温重整净化炉内，所述热量回收系统的低温段多组换热器设在所述高温重整净化炉外；

所述自流式移动床气化炉设有排渣口、热解气出口、含湿气体出口、第一一次风入口和第二一次风入口和二次风入口，所述热解气出口与所述高温重整净化炉连接，所述含湿气体出口与所述洗涤干燥塔连接，所述洗涤干燥塔依次经所述第三除沫除雾器、二次风机二和所述热量回收系统的低温段多组换热器分别与所述自流式移动床气化炉的第一一次风入口和第二一次风入口连接；

所述脱气塔设有一次空气入口和空气出口，所述空气出口经第二除沫除雾器与所述一次风机和所述二次风机一连接，所述一次风机一经所述热量回收系统的高温段多组换热器与所述自流式移动床气化炉的二次风入口连接，所述二次风机一经所述热量回收系统的高温段多组换热器与所述高温重整净化炉连接；

所述高温重整净化炉设有出渣口和洁净燃气出口，所述洁净燃气出口经所述热量回收系统的低温段多组换热器、气体洗涤塔连接、第一除沫除雾器和洁净燃气引风机连接至所述燃气发电供热系统。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的分级气化系统中采用自流式移动床气化炉与高温等离子体炬和高温重整净化炉配合，形成气化炉和高温等离子体辅助高温重整净化相结合的分级气化方式，显著降低了气体负荷，有效减少了气化合成气处理费用；高温重整净化炉内产生的高温气体为自流式移动床气化炉的干燥和热解气化阶段提供部分热能，同时预热自流式移动床气化炉底部一次风及重整净化炉内的补充空气，回收了废弃物气化后合成气气体中的大部分显热；降温后的洁净燃气(合成气)通过燃气发电或供热系统进行后续梯级利用。该系统通过分级气化及梯级利用垃圾等废弃物气化过程中产生的气体热量，提高了系统能量的转化效率。

(2)固体废弃物，特别是城市生活垃圾在自流式移动床气化炉内生成大量的一氧化碳、氢气等还原性气体，能够有效抑制废弃物中的金属成分(如铜、铁、锌)的氧化，减少这类金属经气相迁移，并作为催化剂活性中心导致二噁英的合成。在高温烟气净化阶段，二噁英、气化焦油等被彻底清除。固体飞灰等粒子经等离子体的高温作用发生熔融、金属离子或粒子固定在玻璃化的残渣粒子之中。该系统没有液体排放，不会形成水的二次污染。

(3)在高温重整净化炉内，高温气氛的形成不仅仅来自于高温等离子体炬消耗的电能，大量可燃行组份(包括大分子焦油、残炭粒子及合成气等)在氧的作用下发生剧烈的氧化反应，放出大量热能。因此，和其它等离子体气化工艺相比，本发明中高温等离子体炬的功耗相对较低，能够有效降低气化工艺运行成本，同时降低系统的建造和维护成本。

(4)本发明的分级气化系统以空气、水蒸汽或它们的混合物作为气化剂，无需复杂的制氧系统，可以大幅度地降低投资和小型化生产。所采用的单元设备易于制造和组装，对废弃物的前处理要求不高，甚至能够处理未经分拣的生活垃圾等物料，各单元设备占地面积相对较小，生成的合成气不含焦油、二噁英、重金属等有毒有害物质，可有多种潜在用途，可以作为燃气、发电、对外供热或制氢、化学合成等使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的固体废弃物分级气化系统构成示意图；

图2是本发明实施例提供的自流式移动床气化炉局部示意图；

图3是本发明实施例提供的等离子体炬及高温气体净化炉示意图；

图中：F1-固体废弃物，F2-等离子体气(或空气)，F3-一次空气，1-固体物料储存区，2-气化炉，2A-干燥区，2B-热解气化区，2C-炭渣燃烧区，2D-灰渣冷却池，3-螺旋出渣机，4-等离子体炬，5-高温重整净化炉，6-热量回收系统，7-气体洗涤器，8-第一除沫除雾器，9-脱气塔，10-第二除沫除雾器，11-二次风机一，12-一次风机，13-二次风机二，14-洗涤干燥塔，15-第三除沫除雾器，16-合成气引风机，17-燃气发电供热系统，18-烟气排出系统，19-第一推料装置，20-第二推料装置，21-冷却排渣装置，22-高温气体净化炉内折流板，Out1-气化炉底部灰渣，Out2-高温飞灰熔渣，Out3-燃气尾气。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种固体废弃物分级气化系统，用于对固体废弃物处理，实现分级气化，该系统包括：

给料系统、自流式移动床气化炉、高温等离子体炬、高温重整净化炉、一次风机、二次风机一、二次风机二、洁净燃气引风机、热量回收系统、气体洗涤塔、洗涤干燥塔、脱气塔、第一除沫除雾器、第二除沫除雾器、第三除沫除雾器和燃气发电供热系统；其中，

给料系统的出料口与自流式移动床气化炉的进料口连接；

热量回收系统的高温段多组换热器设在高温重整净化炉内，热量回收系统的低温段多组换热器设在高温重整净化炉外；

自流式移动床气化炉设有排渣口、热解气出口、含湿气体出口、第一一次风入口和第二一次风入口和二次风入口，热解气出口与高温重整净化炉连接，含湿气体出口与洗涤干燥塔连接，洗涤干燥塔依次经第三除沫除雾器、二次风机二和热量回收系统的低温段多组换热器分别与自流式移动床气化炉的第一一次风入口和第二一次风入口连接；

脱气塔设有一次空气入口和空气出口，空气出口经第二除沫除雾器与一次风机和二次风机一连接，一次风机一经热量回收系统的高温段多组换热器与自流式移动床气化炉的二次风入口连接，二次风机一经热量回收系统的高温段多组换热器与高温重整净化炉连接；

高温重整净化炉设有出渣口和洁净燃气出口，洁净燃气出口经热量回收系统的低温段多组换热器、气体洗涤塔连接、第一除沫除雾器和洁净燃气引风机连接至燃气发电供热系统。

上述分级气化系统中，自流式移动床气化炉如图2所示，包括：

炉体，为具有倾斜角度的二维移动床结构，炉体内从上之下设置依次连通并呈阶梯状布置的储料区、干燥区、热解气化区、炭渣燃烧区和熔渣冷却池，储料区、干燥区、热解气化区、炭渣燃烧区和熔渣冷却池之间形成自流式物料通道；

储料区设有进料口；

储料区与干燥区之间设有第一推料装置；干燥区与热解气化区之间设有第二推料装置；

干燥区对应的炉体上设置第一一次风入口，第一一次风入口内的干燥区设有第一布气室，第一布气室内设有第一折流板；

干燥区对应上部炉体设置含湿气体出口；

热解气化区对应的炉体上设置第二一次风入口，第二一次风入口内的热解气化区设有第二布气室，第二布气室内设有第二折流板；

热解气化区对应上部炉体设置热解气出口；

炭渣燃烧区对应的炉体上设置二次风入口，二次风入口内的炭渣燃烧区设有第三布气室，第二布气室内设有第三折流板；

熔渣冷却池底部设有排渣口，排渣口下方设有冷却排渣机构，该冷却排渣机构由冷却排渣装置和设在该冷却排渣装置下方的螺旋排渣机构成。

具体的，上述自流式移动床气化炉是一具有特殊倾斜角度二维移动床，固体物料在自身重力及气流推动的作用下从储料区分别流经干燥区、热解气化区、炭渣燃烧区、熔渣冷却区，高温熔融态的灰渣被水冷盘管不断冷却，最后经由固体排渣器落入灰渣池进一步冷却，一部分冷却水瞬间汽化变成水蒸汽回流至气化炉内。冷却后的固体灰渣最后经由螺旋排渣器排除气化炉。其中，储料区储存来自无轴螺旋输送机或抓斗机输送过来的废弃物(或垃圾)物料。储料区和干燥区之间设有第一推料装置。干燥区的物料经过循环的高温干燥气的升温、干燥脱水，水分降低，热值升高。干燥区和热解气化区之间有第二推料装置。热解气化区的底部通入设有斜向下方的气体分布结构，循环的高温气体一方面为这一区域提供热量，另一方面还有及时移走热解气化阶段析出气体(包括气态焦油)的作用；第三，循环的高温气体还能起到不断搅拌、强化传热传质的作用；第四，循环的高温气体还能强化固体物料在气化炉内下行移动。

上述自流式移动床气化炉内的干燥区操作温度范围在200℃～300℃，最优操作温度为250℃左右；热解气化区操作温度范围在800℃～900℃，最优操作温度为850℃左右；燃烧区操作温度范围在1200℃～1400℃，最优操作温度为1300℃左右；

上述这种自流式移动床气化炉不像普通的机械炉排一样包括许许多多的运动部件，仅仅包含两处推料装置及一处炉底部的排渣装置，提高了系统的可靠性、稳定性。

上述分级气化系统中，熔渣冷却池的排渣口处设有固体排渣器；冷却排渣装置采用螺旋排渣装置，用于排出玻璃体灰渣，并对气化炉底部实行水封。

上述分级气化系统中，自流式移动床气化炉的干燥区操作温度范围为200℃～300℃，热解气化区操作温度范围为800℃～900℃，炭渣燃烧区操作温度范围为1200℃～1400℃。

上述分级气化系统中，给料系统由行车抓斗机、板式给料机、带式输送机和无轴螺旋输送机组成。

上述分级气化系统中，高温重整净化炉如图3所示，包括：

炉体，炉体内设置依次连通的气体混合区、裂解气化燃烧区和固体粒子沉降区；

气体混合区与裂解气化燃烧区并列设置，裂解气化燃烧区设置洁净燃气出口，固体粒子沉降区处于裂解气化燃烧区下方，固体粒子沉降区底部设置出渣口；用于排出玻璃体灰渣，并对气化炉底部实行水封

气体混合区与高温等离子体炬连接；

裂解气化燃烧区内设置热量回收系统的高温段换热器；

固体粒子沉降区设有折流板，排渣口处设有排渣器。

上述分级气化系统的主要作用是将大分子焦油裂解为小分子气体，彻底分解二噁英等有毒有害物质，高温析出的残炭(soot)或原生含碳粒子在水蒸汽、氧气或二氧化碳等气化剂的作用下进一步气化。等离子体炬(plasma torch)产生的高温等离子体与高温二次风和气化炉出来的粗合成气一起在这一区域内进行剧烈地非完全燃烧，形成温度分布均匀的高温气体(1200℃～1400℃左右)。同时无机固体粒子吸附着重金属，发生融化和团聚，形成玻璃化的惰性颗粒。在沉降室区气流截面积不断增大，气体的速度降低，大颗粒在重力和折流板的作用下发生沉降后被除去。

上述分级气化系统中，热量回收系统包括：高温段多组换热器和低温段多组换热器；其中，

高温段换热器分别与一次风机和二次风机一连接，能将加入自流式移动床气化炉内的一次空气和进入高温重整净化炉内的二次空气加热至700℃；

低温段多组换热器与高温重整净化炉的洁净燃气出口连接，能将输出的合成气加热至300℃。

上述分级气化系统中，燃气发电供热系统为中低热值燃气电机、汽轮机、燃气锅炉或联合循环发电机组中的至少一种。

上述分级气化系统还包括：烟气排出系统，与燃气发电供热系统的排烟口连接。

上述分级气化系统针对现有固体废弃物，特别是城市生活垃圾等离子体分级气化技术存在的缺陷和不足，提供了一种自流式移动床气化和等离子体辅助高温重整净化相结合的气化处理系统，以空气、水蒸汽或它们的混合物作为气化剂，通过安装在等离子体辅助高温重整净化炉尾部的换热系统尽可能多地回收移动床气化炉反应所需的热量，提高能量的综合利用效率，避免二噁英、气化焦油和(或)重金属等造成的二次污染或堵塞问题

上述分级气化系统中的气体洗涤塔和脱气塔包括洗涤水循环泵、喷淋器、除雾器和塔体。主要用于降低气体的温度，脱除气体中的酸性气体和颗粒物，降低气体中的湿含量(水分)。洗涤塔的入口气体温度在200℃左右，脱气塔的入口气体温度在100℃以内。其中的洗涤水处理系统包括加药泵、加药罐、缓冲罐、中和罐等设备，主要用于处理洗涤塔和脱气塔的洗涤水以及垃圾渗滤液。

上述分级气化系统中的一次风机、二次风机一、二次风机二、合成气引风机、干燥气风机用于克服气体流动过程中遇到的阻力。从自流式移动床气化炉到合成气引风机前的各单元设备均在低于大气压(负压或微负压)下操作。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明

如图1至3所示，本实施例提供一种自流式移动床气化和等离子体辅助高温烟气重整净化的分级气化系统，固体废弃物(生活垃圾)F1首先经给料机或抓斗机送入气化炉的入口处，然后通过无轴螺旋输送机将垃圾均匀的存放到气化炉2的储料区1内。通过推料装置将储料区1的物料推送至干燥区2A。干燥气体(二次风)通过干燥区2A下方的布风斜板均匀地送入干燥区2A，对物料进行干燥，降低物料中所含的水分，提高物料的热值。

通过推料装置将干燥区2A的垃圾推送至热解气化区2B。二次风从热解气化区2B底部通过布风板进入热解气化区2B。固体废弃物中的挥发份在此发生热裂解及高温氧、水蒸汽等气化剂参与的剧烈气化反应，一部分可燃气体(包括一氧化碳、氢气等小分子物质)发生燃烧反应，为气化反应提供热量。没有来得及反应的热解或气化含碳残渣进入燃烧区2C，和高温空气(即一次风)密切接触，燃烧反应释放出大量的热能，形成高温层，如果条件控制得当，可以让固体灰渣发生熔融，流入(或落入)冷却排渣器21后温度大幅降低，经由排渣器排出的灰渣落入。气化炉底部的排渣挡板通过周期性的运动，进行排渣。出渣机则连续的将玻璃态的灰渣排出，并对气化炉底部形成液封，避免空气进入灰渣池2D进一步冷却，一部分冷却水瞬间汽化变成水蒸汽回流至气化炉内。冷却后的固体灰渣Out1经由冷却排渣机构排出气化炉。该冷却排渣机构由冷却排渣装置21和设在该冷却排渣装置21下方的螺旋排渣机3构成，冷却排渣装置21将原本是液态的废渣进行冷却，快速将其转移到气化炉炉底，并且转移过程中防止气体窜入，螺旋出渣机3将废渣从气化炉底部渣池中捞出，排出气化炉炉外。

气化炉2生成的粗合成气进入高温重整净化炉5。重整净化炉5包括气体混合区、裂解气化燃烧区和固体粒子沉降区，等离子体炬4产生的高温等离子体与高温二次风和气化炉2出来的粗合成气一起在这一区域内进行剧烈地非完全燃烧、气化、重整及水蒸汽变换等反应。二噁英、焦油类有毒有害物质被完全破坏，变成干净、清洁的小分子类物质(如一氧化碳、氢气、二氧化碳或水分子等)，同时无机固体粒子吸附着重金属，发生融化和团聚，形成玻璃化的惰性颗粒。在沉降室区气体的速度降低，大颗粒在重力和折流板22的作用下发生沉降后被除去，固体熔渣Out2经由排渣器排出重整净化炉5。

二次风机11，一次风机12，二次风机13分别将室温下的空气(一次风)和气化炉上部干燥区2A引出的含湿气体通过脱气塔9、除沫除雾器10，洗涤干燥塔14和除沫除雾器15，引入热回收系统6，其中二次风机11，一次风机12引出的气体通入热回收系统6的高温换热区段，分别将它们加热到700℃左右，二次风机13引出的气体通过热回收系统6的低温换热区段将气化炉干燥区2A和气化炉热解气化区2B的二次风加热到300℃左右。

离开高温烟气净化炉5的合成气进入洗涤塔7的温度约为200℃左右。合成气在洗涤塔7内进一步降温，并脱除夹带残存的细微粒子、所含酸性气体(HCl、CO2等)。

净化后的合成气或燃气经引风机16送入燃气发电供热系统17加以利用，最后形成的尾气Out3经烟气排出系统18排出界区或散入大气。

本发明的分级气化系统通过安装在等离子体辅助高温重整净化炉尾部的换热系统尽可能多地回收移动床气化炉反应所需的热量，提高能量的综合利用效率，避免二噁英、气化焦油和(或)重金属等造成的二次污染或堵塞问题。该系统具有原料适应性广、气化效率高、无污染、安装和维护简单、易推广等特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。