使用热解和气化的废物淤浆焚化装置和相关方法
【专利说明】使用热解和气化的废物淤浆焚化装置和相关方法
[0001 ]本发明落入设备例如精炼厂和石化厂的废物处置领域。
[0002] 具体的，本发明涉及用于处理废物的反应设备，其能够使用来自于精炼厂或者石 化厂的废物的热和能量，优选有机和/或无机废物和相关处理方法。本发明还涉及处理所述 废物产物的设备，所述的设备优选使用所述的反应设备。
[0003] 在本专利申请中，上下文中所示的全部运行条件应当认为是优选的条件，即使没 有明确宣布。
[0004] 对于本发明目的，术语"包含"或者"包括"还包含术语"组成为"或者"基本组成 为"。
[0005] 对于本发明目的，范围的定义总是包括端值，除非另有规定。
[0006] 根据2003第36号法律法令规定（执行指令1999/31/EC，涉及到在官方公报12-3-2003第59号-第40号一般补充所公开的废物填埋场），在精炼厂和石化厂中所产生的，具有 高于13000kJ/kg的低热卡值(LCV)(或者低加热值(LHV)，（PCI)，意大利）的废物产物不能排 入填埋场。实际上，所述法令第6条要求使用废物的高残留能量含量来产生热和/或电能。此 外，如果所产生的废物没有通过随后执行的2005年8月3日的法令规定的严格特性(填埋场 中废物材料的允许标准的定义，2005年8月30日公布的官方公报第201条，2005年8月3日执 行法令第8条，表6)，这种废物必须在丢弃之前，"使用能够利用的最佳可能技术"进行处理， 可能获得该处理的能量自效率。
[0007]这些废物产物与占优的有机基质（可能含有许多惰性材料）的总量目前是大约几 千吨/年。所以需要开发一种方法，其能够以热和能量的方式使用工厂废物产物例如精炼厂 的那些，例如油状和生物淤浆，具有有限量的最终残留物，其在任何情况中变成惰性的。
[0008] 已经开发了不同的技术来处理具有高含碳量(含有有机物质，并且LHV>13MJ/kg的 废物)或者危险的有机废物，因为它在需要定义它们的目的浸出测试中具有高D0C(洗脱液 中溶解的有机碳)值。
[0009] 机械处理是最广泛使用的技术之一，例如研磨和均化，化学处理，通过加入合适的 试剂(氧化钙和其他具体类型的具有高吸收能力的材料)来稳定化和生物处理。
[0010] 但是，用添加剂稳定化和全部上述处理通常需要复杂的操作次序，其在处理结束 时经常产生大量已经变成惰性的废物，高于初始量。
[0011] 它们因此是极其昂贵的技术（它们成本至少500千欧元/吨（keuro/t))，并且与使 得最终废物最小化(零废物)的政策相反。
[0012] -种技术(其另一方面确实降低了入口处废物的量)是共燃烧。在这种情况中，废 物的处置是在预先存在的废物焚化设备(例如市政焚化装置）中进行的，其必须根据2005年 5月11日法律法令第133号的规定（"执行指令2007/76/EC，涉及废物焚化"，在2005年7月15 日第163号-一般补充第122号官方公报中公开），经批准用于处理特定类型的危险废物。
[0013] 用于共燃烧的焚化设备必须具有一定处理能力，其例如对设备的投资和管理成本 是有利的。具体的，焚化设备(其具有来自于危险材料处理(共焚化）的明显经济收益)必须 具有成百上千吨/年量级的处理能力，即，使得所引入的"危险废物"相对于设备入口处的常 规基质是小的百分比，所以其量例如不干扰焚化装置的正常功能。
[0014] 目前在意大利有50个焚化设备，其中45个是可运行和能够回收能量的，并且仅仅8 个还可以处理特定的废物材料。目前和根据官方来源，还不存在类似于精炼厂淤浆的特定 危险废物产物的共焚化设备:根据官方数据，小于500吨/年的危险废物产物可以在墨西拿 的共焚化装置中处理。
[0015] 这是因为，即使理论上是可能的，但是意大利的精炼厂淤浆的共焚化(在所生产的 量中）是如下技术，其尚未以工业规模开发，并且在具有高技术发展的焚化装置的情况中， 例如诸如高压焚化装置(高到lobar)，其在反应器中具有"无火焰氧燃料"燃烧器(在其中可 以达到甚至高于2000°C的温度）。
[0016] 具有"无火焰氧燃料"燃烧器的焚化装置的革新存在于在反应器内产生无火焰燃 烧状态中，其是通过与燃烧烟气(其在反应器外再循环)混合来稀释燃烧性试剂(氧气)来获 得的。
[0017] 这种技术具有与加工前处理废物以及加工本身二者有关的技术难题，因为这种废 物是非均相材料(元素化学组成的湿度可变性，高热卡值(PCS，）的可变性，物理性能例如粘 度的可变性）。
[0018] 如果与焚化装置的成本相比，这些困难需要甚至更高的投资，管理和维护成本。
[0019] 焚化装置另外的关键方面归因于燃烧方法的选择和废物产物的特别属性。单位质 量废物本身的发热量经常是相当有限的，这归因于存在着不可燃烧的物质(水和无机物质， 甚至部分氧化的）。高湿度使得在实际的燃烧方法之前必需进行初步干燥作业。相对于化学 计量比所需的空气来说，大的空气过量助长了复杂和减慢的动力学:这在主燃烧室中产生 了高湍流，其可导致轻灰和未燃烧燃料的一部分微细部分二者的夹带。
[0020] 未燃烧的产物需要第二后燃烧室来进行烟道气排放物的调控。在燃烧设备中，相 对于投资以及管理和维护二者来说，烟气的处理系统（除尘是其一部分)经常是从经济观点 来说最费力的部分。
[0021] 减慢的燃烧动力学通过带氧气的空气的富集来补偿，直到氧气用作唯一的可燃试 剂。除去与使用这种元素有关的成本(归因于空气分馏单元的必需性），使用氧气可以产生 局部的温度峰，其使得控制所述方法的管理变得困难。
[0022] 必须绝对避免温度失控的时刻，以便不产生局部熔融，腐蚀现象和在灰中所含的 盐和氧化物部分上形成低熔融共晶化合物。另外，高温有利于形成热N0 X，其必须依照用于 燃烧排放物的有效法规来消除。
[0023] 加工温度控制通常通过降低入口处废物流速和/或输入稀释的和冷却的空气流来 进行。在这种后者的情况中，夹带问题可发生。还应当考虑烟气的冷却和稀释操作包括了不 太有效的回收它们的含热量。
[0024]在通过氧化性气氛(S0x，N0x)促进的燃烧过程中，可能存在或者形成的腐蚀性物质 可损害设备能量回收区的金属零件。用于降低酸度的烟气处理区也代表了整个设备的一个 重要区域。强酸度通常存在于烟气中，这使得不可能完全使用其的热焓，因为必须限制在燃 烧器下游的交换器中的酸冷凝(燃烧器的热交换系统内的温度可无法达到低于100°c的出 口温度）。
[0025]通常小尺寸设备(很少超过lOMwe)在所用的常规循环中（蒸汽涡轮机兰金循环）中 不能产生高的电能和/或热能回收产率。在以最大热效率等于65-70%产生蒸汽的情况中， 获得了低于20%的电能产率，不计自消耗(net of self-consumption)。
[0026] 目前存在着另一种方法，其试图处理一些类型的具有有机基质的材料，例如诸如 制革厂淤浆:气化来产生合成气，其是一种尚未工业规模开发的技术。
[0027] 有机废物的气化是一种方法，其能够从有机废物产物开始获得气态燃料。所引入 的反应气体可以是氧气或者空气，其或多或少富含有水或者二氧化碳。如果燃烧试剂是氧 气，则气化预期在反应气氛中存在着低于化学计量比的氧气，不同于传统的完全氧化所需 的那样。
[0028] 低于化学计量比的氧气允许部分氧化所供给的材料。气化通常用连续吸热和放热 步骤来进行，如下文所述：
[0029] ?吸热步骤，用于干燥经常存在于具有有机基质的废物中的湿气；
[0030] ?用于热解的吸热步骤，即，加热直到分子部分或者全部断裂，产生气体和焦油；
[0031] ?用氧气，水和C02气化焦炭(放热和吸热步骤)和在焦油和挥发性产物的气化阶 段中反应。
[0032]获自该气化的合成气主要包含C0，H2和轻质烃。
[0033] 为了维持气化的吸热步骤，可以利用直接加热（通过在同一气化器中燃烧一部分 材料），或者间接加热(如果热通过与待气化的物质物理分离的加热试剂提供的话）。
[0034] 但是，这两种加热形式不是可选择的；具体的，直接加热具有更高的传热效率，但 是所产生的合成气的LHV(PCI，意大利）由于燃烧产物的存在而降低。
[0035]为了改进合成气的LHV(PCI，意大利），必须使用纯氧。但是，这需要使用如下设备 解决方案，其适于耐受局部可达到的高温。用于气化反应器的技术解决方案的多样性归因 于这些矛盾的要求。最广泛使用的是如下的：
[0036]-固定床反应器，具有下降的顺流空气流或者上升的逆流空气流，
[0037]-流化床反应器，
[0038]-悬浮床反应器，
[0039]-转鼓反应器。
[0040] 前面两种类型的反应器已经在煤气化中进行了开发，而悬浮床反应器更适于气化 液体生物质和处理含有碳质颗粒的气体。
[0041] 对于关注废物产物气化来说，首先对于小或者中等尺寸设备(典型的小于lOMWt和 直到lMWt)来说，再循环流体床迄今为止具有某些扩散。但是，即使这种技术允许有效和快 速的热转移，试剂的良好混合和直接加热，它也具有明显缺点例如：
[0042] ?流出物中大量颗粒，这归因于流化床不可避免的粉碎效应，其在加工过程中改 变了它们的特性，降低了起始粒子尺寸；
[0043] ?所述方法必需具有精确和连续的控制来维持流化床，其特别是对于废物产物来 说，快速改变它们的形态和密度特性；
[0044] ?起始材料必需具有特定的粒子尺寸；
[0045] ?必需使用添加剂(床和化学试剂），其由于加工过程中的机械磨损而需要连续重 新整合，来确保床的流化条件。
[0046] -种技术(其潜在的远小于流化床的限制）是转鼓技术。转鼓气化器和/或热解器 实际上允许在类型、粒子尺寸分布、湿度方面处理大范围的废物产物;它需要相对简单的加 工调控;它不需要辅助材料(熔融或者填充剂）；最后，它适于小尺寸和用于高LHV(PCI，意大 利)废物。
[0047] 但是，转鼓气化器仍然具有相当大的缺点，这与入口处材料