一种固废气化系统的制作方法

本实用新型涉及一种固废气化系统，尤其是涉及一种基于高温过热蒸汽强化反应的固废气化系统。

背景技术：

固体废弃物，简称固废，是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物质，通俗地说，就是“垃圾”，主要包括固体颗粒、垃圾、炉渣、污泥、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、人畜粪便等。有些国家把废酸、废碱、废油、废有机溶剂等高浓度的液体也归为固体废弃物。

通常按照固体废弃物的来源分为城市生活固体废弃物、工业固体废弃物和农业废弃物；按其组成可分为有机废物和无机废物；按其污染特性可分为有害废物和一般废物等；在我国《固体废弃物污染环境防治法》中将其分为城市固体废弃物、工业固体废物和有害废物。

固废处理的目的是达到无害化、减量化和资源化，目前比较成熟的技术为焚烧技术。

固废焚烧是使固废中的可燃成分在高温下氧化分解成为灰渣。焚烧法具有减容和减重率高、处理速度快和余热利用等优点，但也存在如下不足：

(1)二噁英排放问题：固废焚烧产生二噁英的认知和事实，是引起“邻避主义”的主要因素之一，也由此造成了固废焚烧厂选址难、群体冲突事件不断；世界各国的固废焚烧污染控制标准也有进一步提高的趋势，目前我国的二噁英排放限值已经由1ngTEQ/Nm³提升到0.1ngTEQ/Nm³；二噁英在废气净化处理过程中，一部分经活性炭和飞灰吸附被除尘器捕集下来，少部分随着烟囱排放，造成二次污染；

(2)恶臭排放问题：固废送入焚烧炉焚化，由于固废的含水率波动、性状多样性、含有恶臭类物质等特性，造成部分有机挥发性气体焚化不彻底，烟气排放含有臭味，特别是在低气压的阴雨天，厂区周围弥漫着难闻的臭味，时常引起周边居民的投诉，也是引起“邻避主义”的主要因素之一；

(3)飞灰处置问题：被除尘器捕集下来的飞灰，是二噁英和重金属的“汇”，明确纳入2016年版的《国家危险废物名录》中的HW18焚烧处置残渣废物类别；具体包含：废物代码772-002-18的“生活垃圾焚烧飞灰”；废物代码772-003-18的“危险废物焚烧、热解等处置过程产生的底渣、飞灰和废水处理污泥(医疗废物焚烧处置产生的底渣除外)”；废物代码772-004-18的“危险废物等离子体、高温熔融等处置过程产生的非玻璃态物质和飞灰”；废物代码772-005-18的“固体废物焚烧过程中废气处理产生的废活性炭”。飞灰的无害化处理目前常用技术为固化填埋、水泥窑协同处置和熔融固化等，各种方法成本均极其高昂。

常压移动床(又叫固定床)气化技术是以空气、空气-水蒸气、氧气-水蒸气等作为气化剂，将固体燃料转化成煤气的过程，固体燃料主要有褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤、焦炭等。整个气化过程是在常压下进行的；燃料由移动床上部的加煤装置加入，当炉料装好进行气化时，炉内料层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层；向底部通入气化剂，燃料与气化剂逆向流动，在气化炉内，固体燃料随着反应时间的延长，燃料逐渐下移，经过前述的干燥、干馏、还原和氧化等各个阶段，最后以灰渣的形式不断排出；操作方法有间歇法和连续气化法；气化剂中的空气或富氧空气，用来和碳反应提供热量，水蒸气则利用该热量和碳反应，自身分解为氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷等气体；气化生成煤气的有效成分主要有H2、CO和少量CH4，工业煤气一般分为空气煤气、混合煤气(发生炉煤气)、水煤气、半水煤气和中热值煤气。

由于常压移动床气化技术的炉内呈还原性气氛，有助于二噁英的抑制，以及高温氧化层的存在，有助于重金属的烧结固化，该工艺特点越来越引起环保专家们的注意，并不断在固废处置行业尝试，但问题很多：

(1)固废含水率往往高于煤和焦炭，仅仅依靠干馏层、还原层和氧化层的上升热燃气的显热往往不够，导致氧化层不稳定，燃气热值低，在燃气锅炉中难以稳焰燃烧；

(2)常压移动床气化技术，氧化层温度高达1000～1200℃，还原层、干馏层和干燥层温度逐层递减，导致气化炉还原反应和氧化反应速度快于干燥反应和干馏反应，从而导致固废在干馏层未及充分干馏就下移到还原层和氧化层，破坏还原层和氧化层的床层结构稳定性，燃气热值下降；

(3)由于炉底布风不匀，结焦现象时有发生，运行人员打焦操作强度大，影响正常生产甚至停炉，炉渣热灼减率高，不符合固废行业规范低于5％的要求；

(4)常压移动床气化技术对燃料的粒度分布要求较高，由于固废的组分复杂、形状各异，尤其是高料层设计的固废气化，各床层反应均匀性差，运行人员调整床层温度分布的工作负荷大，燃气热值波动大，影响炉后燃气锅炉的稳定燃烧。

将常压移动床气化技术应用于固废处置，弥补固废直接焚烧造成的二次污染，急需对固废气化系统及其气化方法进行创新。

技术实现要素：

本实用新型目的是针对目前固废处置技术以焚烧为主，易引起二噁英、恶臭、重金属和飞灰排放等二次环境污染，提供一种基于高温过热蒸汽强化反应的固废气化系统。本实用新型由于其显著的环境友好型特征，不但能应用于城市固体废弃物和工业固体废物，还能适用于有害废物的无害化、减量化和资源化处置。

本实用新型包括顶盖、炉体、水套、炉裙、密封进料机构、布风机构、出渣机构、干馏气出口、还原气出口、一次风进口、二次风进口、下降管接口、蒸汽上升管接口、干馏筒、炉墙、高温蒸汽出口和高温蒸汽进口；所述的炉墙砌筑在炉体内部；炉体顶部设有顶盖，底部与出渣机构的灰盘构成转动副；顶盖上布置有密封进料机构；出渣机构上方布置布风机构，布风机构的一次风进口通过风管路与气化风总管连通，气化风总管与单向混合器的出气口连通，单向混合器的空气进口通过风管路与气化风机连通；单向混合器的混合蒸汽进口与高温蒸汽出口通过蒸汽管路连通；所述的水套位于炉体下部；布风机构的二次风进口一端连通位于水套内的环形风道，另一端通过二次风总管与气化风总管连通；环形风道连通炉体内腔；炉体中部的炉墙设有内凸块，内凸块与干馏筒固定；干馏筒为顶部和底部均开放的圆筒；内凸块顶面、干馏筒顶面、顶盖内表面和炉墙内表面形成的空腔划分为上空层和干燥腔，上空层位于干燥腔上部；上空层靠上部位置布置干馏气出口；干馏筒内腔为干馏腔；内凸块底面、炉体内表面、干馏筒外表面和灰盘顶面形成的空腔划分为从上到下排布的下空层、还原腔、氧化腔和灰渣腔；下空层靠上部位置布置还原气出口。所述的干燥腔布置有若干个干燥蒸汽喷嘴，干燥蒸汽喷嘴通过蒸汽管路与高温蒸汽进口连通；所述的干馏腔布置有若干个干馏蒸汽喷嘴，干馏蒸汽喷嘴通过蒸汽管路与高温蒸汽进口连通；高温蒸汽盘管布置在干燥腔和干馏腔内，通过蒸汽管路连通高温蒸汽进口和高温蒸汽出口，高温蒸汽进口通过蒸汽管路连通炉体外设置的高温过热蒸汽设备。

所述的高温过热蒸汽设备、高温蒸汽盘管、干燥蒸汽喷嘴、干馏蒸汽喷嘴、单向混合器和蒸汽管路构成高温过热蒸汽强化反应系统。

所述的高温过热蒸汽设备采用燃气锅炉、余热锅炉或换热器。所述的布风机构选用炉箅或风帽。

所述的出渣机构包括出灰传动机构以及出灰传动机构驱动的灰盘；出灰传动机构选用液压式传动、蜗轮蜗杆式传动或齿轮式传动；灰盘由协助出灰的小灰刀和直接出灰的大灰刀组成。

所述的密封进料机构为钟罩加料器、液压推料机构、锁气器或螺旋输送机。

所述的单向混合器由单向阀和混合器组成；单向阀设置在风机出口处；所述单向混合器的混合蒸汽进口设有控制阀。

所述的水套上、下部分别设有蒸汽上升管接口和下降管接口；下降管接口通过水管路连通蒸汽汇集器；蒸汽上升管接口通过蒸汽管路连通蒸汽汇集器；蒸汽汇集器通过蒸汽管路连通高温过热蒸汽设备。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型在干燥层布置干燥蒸汽喷嘴，干燥蒸汽喷嘴喷出的高温过热蒸汽直接加热固废，含有水分的固废得到迅速升温、脱水，部分发生干馏反应，能适应入炉固废含水率更高的波动。

(2)本实用新型在干馏层布置干馏蒸汽喷嘴，经干燥层干燥后的固废与干馏蒸汽喷嘴喷出的高温过热蒸汽直接发生化学反应，生成可燃气体，强化了干馏反应，能适应更低含碳量的固废稳定气化。

(3)本实用新型在干燥层和干馏层布置蒸汽盘管，间接加热干燥层和干馏层，燃气组分的一氧化碳、氢气和甲烷含量进一步增高，燃气热值高，在燃气锅炉中能达到稳焰燃烧。

(4)本实用新型在干燥层和干馏层布置蒸汽盘管，由高温蒸汽出口排出的高温过热蒸汽尾气，温度大于150℃，仍然具有较高的焓值，通过蒸汽管路连通位于单向混合器的混合蒸汽进口作为气化剂被系统消耗，热能利用率得到了显著提升。

(5)本实用新型设置二次风进口并在水套内布置环形风道，炉内的固废在氧化层不但接受来自底部布风机构的轴向布风，也接受来自环形风道的纵向布风，有效解决了气化炉的均匀布风问题，也有效克服了炉内氧化层和灰渣层的结焦问题，炉渣热灼减率低于5％，符合行业规范要求。

(6)本实用新型在炉体的上部和中部分别设置干馏气出口和还原气出口，系统阻力少，各床层反应均匀，气化风机耗电少，增加系统节能效果；由此解决了固废燃料的粒度分布广、床层阻力大和布风不匀的矛盾，原料适应性进一步增强。

(7)本实用新型解决了气化炉还原反应和氧化反应速度快于干燥反应和干馏反应的矛盾问题，在炉体的中部设置干馏筒，增高了干燥层和干馏层的厚度，并辅助高温过热蒸汽的进一步加热，延长了干燥和干馏的反应停留时间，使其更能符合固废气化的特征，系统反应平稳性好。

(8)本实用新型参与干燥层和干馏层强化反应的介质为高温过热蒸汽，由于蒸汽对气化炉内还原性气氛的融合性，系统安全可靠性高。

(9)本实用新型将固废通过密封进料机构连续送入气化炉内，炉内形成常压移动床气化炉所特有的干燥层、干馏层、还原层、氧化层和灰渣层，气化剂中的氧气在氧化层高温反应完毕，氧化层上方的干燥层、干馏层和还原层处于还原性氛围，有效抑制了二噁英的产生。

(10)本实用新型解决了固废炉渣的恶臭问题。氧化层温度达到1000～ 1200℃，炉渣为没有挥发分的高温烧结固化炉渣，解决了常规焚烧技术的炉渣“夹生”造成的恶臭问题。

(11)本实用新型解决了烟气的恶臭排放问题。固废中的挥发分在干燥层、干馏层和还原层彻底挥发和分解成为燃气的组分之一，固废气化产生的少量恶臭成分为可燃气加臭，加臭也是燃气行业的安全措施之一；燃气送往后续配套的燃气锅炉中高温焚烧，按照行业规范要求设计炉膛温度和烟气停留时间，能彻底焚化燃气中的各种可燃组分成为烟气；烟气送往后续的烟气净化设施除去粉尘、二氧化硫和氮氧化物后达标排放。

(12)本实用新型解决了固废处置的飞灰排放问题。固体在气化炉内经过干燥层、干馏层和还原层的三阶段反应成为半焦，产生的少量粉尘被来自上方干馏层和干燥层的物料裹挟、料层阻挡沉降并缓慢下移到氧化层，氧化层温度达到1000～1200℃，飞灰被迅速高温烧结固化成为粗粒子的炉渣；气化炉设置有空层，燃气在排出气化炉之前先经过上空层和下空层的沉降，能进一步减少燃气粉尘夹带，空层沉降的粉尘重新参与炉内气化反应；随燃气排出气化炉的少量粉尘，经燃气锅炉高温焚烧后成为飞灰，被后续的烟气净化设施捕集，作为固废原料返回系统，达到无灰排放。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本实用新型中高温蒸汽盘管与高温蒸汽出口和高温蒸汽进口的连接示意图。

图中：1、顶盖，2、干馏气出口，3、干燥层，4、炉体，5、干燥蒸汽喷嘴，6、下空层，7、干馏筒，8、干馏蒸汽喷嘴，9、干馏层，10、水套，11、氧化层，12、混合蒸汽进口，13、气化风机，14、单向混合器，15、气化风总管，16、一次风进口，17、布风机构，18、出渣机构，19、炉裙，20、灰渣层，21、下降管接口，22、二次风进口，23、蒸汽上升管接口，24、还原层，25、炉墙，26、还原气出口，27、高温蒸汽出口，28、高温蒸汽进口， 29、上空层，30、密封进料机构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1、2和3所示，一种固废气化系统，包括顶盖1、炉体4、水套10、炉裙19、密封进料机构30、布风机构17、出渣机构18、干馏气出口2、还原气出口26、一次风进口16、二次风进口22、下降管接口21、蒸汽上升管接口23、干馏筒7、炉墙25、高温蒸汽出口27和高温蒸汽进口28；炉墙25砌筑在炉体4 内部，属于行业已知技术的筑炉工艺范畴。炉体4顶部设有顶盖1，底部与出渣机构18的灰盘构成转动副；顶盖1上布置有密封进料机构30；出渣机构18上方布置布风机构17，布风机构17的一次风进口16通过风管路与气化风总管15 连通，气化风总管15与单向混合器14的出气口连通，单向混合器14的空气进口通过风管路与气化风机13连通；单向混合器14的混合蒸汽进口12与高温蒸汽出口27通过蒸汽管路连通；一次风进口16处采用密封处理；水套10位于炉体4下部；布风机构17的二次风进口22一端连通位于水套10内的环形风道，另一端通过二次风总管与气化风总管15连通；环形风道连通炉体4内腔；炉体4 中部的炉墙25设有内凸块，内凸块与干馏筒7固定；干馏筒7为顶部和底部均开放的圆筒；内凸块顶面、干馏筒顶面、顶盖1内表面和炉墙25内表面形成的空腔划分为上空层29和干燥腔，上空层29位于干燥腔上部；上空层29靠上部位置布置干馏气出口2；干馏筒7内腔为干馏腔；内凸块底面、炉体4内表面、干馏筒7外表面和灰盘顶面形成的空腔划分为从上到下排布的下空层6、还原腔、氧化腔和灰渣腔；下空层6靠上部位置布置还原气出口26。干燥腔布置有若干个干燥蒸汽喷嘴5，干燥蒸汽喷嘴5通过蒸汽管路与高温蒸汽进口28连通；干馏腔布置有若干个干馏蒸汽喷嘴8，干馏蒸汽喷嘴8通过蒸汽管路与高温蒸汽进口28连通；高温蒸汽盘管布置在干燥腔和干馏腔内，通过蒸汽管路连通高温蒸汽进口28和高温蒸汽出口27，高温蒸汽进口28通过蒸汽管路连通炉体4 外设置的高温过热蒸汽设备；即高温过热蒸汽设备通过高温蒸汽进口28分三路分别输给干燥蒸汽喷嘴5、干馏蒸汽喷嘴8和高温蒸汽出口27；高温过热蒸汽设备、高温蒸汽盘管、干燥蒸汽喷嘴5、干馏蒸汽喷嘴8、单向混合器14、蒸汽管路和阀件构成高温过热蒸汽强化反应系统；高温过热蒸汽设备采用成熟技术，如燃气锅炉、余热锅炉或换热器等。固废通过密封进料机构30送入炉体4内，形成常压移动床气化炉所特有的干燥层3(位于干燥腔)、干馏层9 (位于干馏腔)、还原层24(位于还原腔)、氧化层11(位于氧化腔)和灰渣层20(位于灰渣腔)；

布风机构17选用炉箅、风帽等行业成熟技术的均匀布风装置。

出渣机构18包括出灰传动机构以及出灰传动机构驱动的灰盘；出灰传动机构选用成熟技术，如液压式传动、蜗轮蜗杆式传动或齿轮式传动；承载炉渣用的灰盘为成熟产品，由协助出灰的小灰刀和直接出灰的大灰刀组成；出渣机构18根据物料和工程需要，可以设计成干式出渣或湿式出渣。

密封进料机构30为钟罩加料器、液压推料机构、锁气器和螺旋输送机等加料输送机械的一种。

单向混合器14由单向阀和混合器组成；单向阀设置在风机出口处，防止气化风总管15内的气化剂倒流，具有止回阀功能；单向混合器的混合蒸汽进口设有控制阀；混合器的作用是让蒸汽与空气充分混合。气化风机13控制供给空气或氧气，结合单向混合器14的混合蒸汽进口12水蒸气供应控制，从而控制气化剂为空气、空气与水蒸气混合气体、氧气与水蒸气混合气体中的一种。本实施例的气化剂为空气与水蒸气混合气体。

水套10上、下部分别设有蒸汽上升管接口23和下降管接口21；下降管接口21通过水管路连通蒸汽汇集器；蒸汽上升管接口23通过蒸汽管路连通蒸汽汇集器；蒸汽汇集器的蒸汽通过蒸汽管路连通高温过热蒸汽设备，饱和蒸汽被加热成高温过热蒸汽，通过蒸汽管路连通高温蒸汽进口28；蒸汽汇集器的补水为软化水。

该固废气化系统的工作原理如下：

将固废通过密封进料机构30送入炉体4内，气化所需的空气经气化风机13 加压后，在气化风机13出口管路设置的单向混合器14内与混合蒸汽进口12送进的蒸汽混合均匀后形成气化风，送到气化风总管15，然后分为两路送进炉体4，其中一路经一次风进口16到达位于炉体4底部的布风机构17，另一路经二次风进口22到达位于水套10内的环形风道，然后进入炉体4侧部。气化风吸收了灰渣层20的显热后升温，在氧化层11与还原层24形成的半焦发生剧烈的放热反应；固废中的重金属在反应后得到烧结固化，灰分成为炉渣下移到灰渣层20，反应后产生的气体组分以一氧化碳、二氧化碳和水蒸气为主。由于氧化层11的温度高，为了防止炉渣熔融和保护炉墙25的目的，在高温区的炉体4部位设置水套10，下降管接口21通过水管路连通蒸汽汇集器；蒸汽上升管接口23通过蒸汽管路连通蒸汽汇集器；蒸汽汇集器的蒸汽经过高温过热蒸汽设备加热产生高温过热蒸汽，蒸汽汇集器的补水为软化水。高温炉渣在出渣机构18的动力带动下边冷却边缓慢旋转下移，与炉体4下方的炉裙19内表面不断摩擦，大块的炉渣得到破碎，故炉裙19又称为碎渣圈，破碎冷却后的炉渣由出渣机构18排出炉体4。氧化层11产生的高温气体上升到还原层24，水蒸气与干馏后的固废发生水煤气反应，反应后产生的物质中，固体组分以半焦为主，还原气组分以一氧化碳、二氧化碳、氢气及甲烷为主。还原气一部分上升到下空层6，沉降掉大部分夹带的灰尘后由还原气出口26排出；另一部分上升到干馏层9和干燥层3参与干馏反应和干燥反应。将软化水通过水管路压送进蒸汽汇集器，经水管路流到下降管接口21并流入水套10，水套10内的软化水被炉体传过来的热量加热成汽水混合物，经蒸汽上升管接口23排出，沿蒸汽管路上升到达蒸汽汇集器进行汽水分离，构成水套与蒸汽汇集器汽水自然循环系统；饱和蒸汽排出蒸汽汇集器，经蒸汽管路到达高温过热蒸汽设备，饱和蒸汽被加热成高温过热蒸汽，经蒸汽管路进入高温蒸汽进口28。将高温过热蒸汽由高温蒸汽进口28经蒸汽管路分三路送入炉体4，其中一路通过高温蒸汽盘管，间接加热干燥层3和干馏层9后，由高温蒸汽出口27排出，通过蒸汽管路连通混合蒸汽进口12；另一路通过蒸汽管路经干燥蒸汽喷嘴5喷入干燥层3，含有水分的固废得到迅速升温、脱水，即发生干燥反应，也有部分固废发生干馏反应，干燥尾气组分以水蒸气、甲烷、二氧化碳和氮气为主，干燥反应后的固废离开干燥层3缓慢移动到干馏层9；第三路通过蒸汽管路经干馏蒸汽喷嘴8喷入干馏层9，与经干燥层3干燥后的固废发生干馏反应，气体组分以一氧化碳、二氧化碳、气态烃及焦油为主，干馏反应后的固废离开干馏层9 缓慢移动到还原层24。干馏层9产生的干馏气和干燥层3产生的干燥尾气上升到上空层29，沉降掉大部分夹带的灰尘后由干馏气出口2排出。

由此，固废通过密封进料机构30连续送入炉体4内，炉内形成移动床气化炉所特有的干燥层3、干馏层9、还原层24、氧化层11和灰渣层20，气化剂(空气和蒸汽)一部分沿轴向送进炉体4底部的布风机构17，另一部分经水套10内的环形风道沿纵向送进炉体4，在高温过热蒸汽对干燥层3和干馏层9的直接和间接强化反应作用下，固废被连续转化成可燃气和高温烧结固化的炉渣，达到固废处置的无害化、减量化和资源化。

高温过热蒸汽温度为500～1000℃、压力为0～294KPa。

干馏气出口2的排放温度为100～300℃、压力为100～4000Pa。

还原气出口26的排放温度为300～600℃、压力为500～5000Pa。

干燥层3的温度范围100～300℃，干馏层9的温度范围300～650℃，还原层24的温度范围550～1000℃，氧化层11的温度范围1000～1200℃，灰渣层20 的温度范围100～1000℃。

实施例为本实用新型优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。