一种可进行生活垃圾气化熔融处理的装置的制作方法

本实用新型涉及垃圾处理生产中所使用的一种装置。

背景技术：

生活垃圾是人类生活中产生的固体废弃物。生活垃圾在输送、储存或抛弃的过程中均会对大气、土壤、水源造成污染，不仅恶化了环境，还会严重危害国民健康。

焚烧处理生活垃圾(以下简称垃圾)是实现垃圾减量化，资源化的最有效手段。目前国内成功运行的垃圾焚烧发电厂大多数利用的是直接焚烧法。即把垃圾送入机械炉排炉中直接焚烧，再利用余热锅炉回收高温烟气中的热能产生水蒸汽，推动汽轮机发电。余渣和飞灰另行处理。重庆大学出版社出版，胡桂川等编著的《垃圾焚烧发电与二次污染控制技术》一书中对各种机械炉排炉垃圾焚烧发电有较详细介绍。采用直接焚烧工艺时，为了促进垃圾中的有机物燃烧，必须提供较高的助燃空气系数，将产生大量烟尘。由于烟尘中含有大量多种有害气体、重金属微粒和有机毒物，须投入复杂庞大的烟尘、灰渣无害化处理系统。动辄上亿元人民币的巨额投资和高额运行费用严重限制了其发展。

近几年来随着环保日趋严格，国内外又出现了垃圾气化熔融焚烧发电技术，即把垃圾置于乏氧、还原气氛中加热(400～600℃)，使其中有机物热解气化成可燃气体，再进入旋风炉中高温(1300℃以上)燃烧。烟气经余热锅炉产生蒸汽发电。剩余不燃无机物和未燃尽的碳渣经1300℃以上高温处理，变成无害的熔渣可作建材使用。其中典型代表之一是日本首先采用的高炉型内燃式垃圾高温气化熔融炉。其特点是把垃圾低温热解气化和余渣高温熔融处理组合到一个容器，垃圾气化燃烧后烟尘中有害物质大幅降低，余渣不需另行处理，有利环保和降低投资。但该工艺需消耗大量焦炭、石灰石和氧气，对垃圾的水分、块度、热值都有较高要求，运行成本高。

我国的垃圾绝大多数是没有经过有效分选的混合垃圾，其水分可高达40～60％。热值低，约为1000～3000KJ/kg。我国普遍采用的内燃式焚烧、热解炉，在垃圾处理过程中没有外部热能输入，维持反应的热能全凭垃圾自身提供，在不添加辅助燃料的情况下，为保证燃烧反应顺利进行，一般要求入炉垃圾热值＞8000KJ/kg，所以我国垃圾焚烧发电多数需掺入垃圾总量20～40％的煤。大量掺煤既加大了运行成本又增加了垃圾焚烧的灰渣量和烟尘中的二氧化硫，重金属微粒等有害物质含量，增加了垃圾焚烧无害化处理的难度。

垃圾焚烧热解处理面临的最大难题不是垃圾的减容和资源化，而是消除垃圾焚烧、热解过程中所产生的二次污染。特别是我国的混合垃圾成分复杂，其中混有许多含氯有机物如聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料和含氯无机物，如厨余中的氯化钠。还含有废橡胶、废电池等，以致在焚烧产生的烟尘中含有大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、氯化氢等有害气体和未燃尽的残碳、重金属微粒等构成的飞灰以及未分解或重新合成的二恶英(PCDDS)、呋喃(PCDFS)类有机毒物。垃圾焚烧后的余渣和飞灰中也含有有害重金属化合物和二恶英。这些有害物质造成的二次污染的危害性远远超过了垃圾本身对环境的危害。特别是二恶英、呋喃类有机毒物，其毒性比氧化砷(砒霜)大1000倍，能在人体内长期积累致畸，被联合国卫生组织列为一级致癌物，令国人谈虎色变。

目前国内外的垃圾焚烧装置，不论是直接焚烧还是气化熔融，都是在容器的空间中进行。垃圾在空间燃烧或热解气化时，由于气体的流动性和助燃气体如压缩空气的搅动，不可能长时间停留在原处充分燃烧，在燃烧过程中产生的细小颗粒如残炭、氯化物、重金属化合物等粉尘和各种气体会被上升气流携带一起进入烟尘中。众所周知，垃圾焚烧烟尘中的残炭和氯化物在氧化铜、氧化铁等微粉催化下，于200～400℃的温度区间会重新合成二恶英、呋喃类有机毒物。只要烟尘中同时存在残碳、氯化物和重金属化合物的微粒，就不可能杜绝二恶英、呋喃产生。

垃圾焚烧后未燃余渣和从烟尘中回收的飞灰中也存在大量的有害重金属化合物和二恶英。我国《国家危险废物名录》中已把垃圾焚烧飞灰定为危险品。对于飞灰一般是采用水泥固化后填埋，也可以采用燃料或电能把飞灰高温熔融，处理费用高昂，一般企业承受不了，以至一些企业将灰渣无序排放，对周边居民健康造成威胁。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的上述问题，提供了一种可进行垃圾气化熔融处理的装置。其目的是既能低成本高效率地对垃圾进行减容化、资源化处理，还能在垃圾处理过程中防止二恶英、呋喃类有机毒物产生，消除或基本消除其他有害气体和重金属化合物对环境的危害，使垃圾成为一种清洁的绿色能源造福人类。

为了达到上述目的，本实用新型采用的解决方案是提供一种利用铁液进行垃圾气化熔融处理的装置。该装置包括炉体、出铁口、排渣口、支架、炉盖、铁水、垃圾块。炉体固定在支架上，支架固定在混凝土基础上，出铁口设在炉体下部的侧壁上，排渣口设在出铁口上方的炉壁上。出铁口、排渣口均和炉体内部相通，炉内的铁水和多余的熔渣可分别从出铁口、排渣口流出炉外。炉体内的底部和侧壁及炉盖内壁都设有适当厚度的耐火材料炉衬，炉衬采用耐火度可达1800℃的镁砂制作，也可采用耐火度大于1600℃的其它耐火材料如白云石、焦宝石等制作。出铁口、排渣口等凡是与铁水、熔渣接触的部位均设有上述耐火材料制作的保护层。炉体内部予装有适当深度的铁液熔池。炉体下部的侧壁外设有电磁搅拌器，可对铁液熔池进行搅拌，中小型炉也可以不装电磁搅拌器。炉体底部或侧壁或顶部设有一个或多个喷嘴，喷嘴为双层同心圆结构，可用不锈钢制作，通过喷嘴可往铁液熔池中喷吹两种不同的气体。氧气可通过喷嘴的内管吹入铁液熔池中，为了防止喷嘴被高温铁水烧坏，通过喷嘴内、外管之间的夹缝同时向铁液中喷吹水蒸汽。水蒸汽在高温下分解成氢气和一氧化碳气，此过程需吸收大量热量在喷嘴附近形成低温区从而保护了喷嘴，也可不用水蒸汽而改用柴油作冷却剂。

炉体上部炉壁上设有水套，水套通过出汽管和回水管与固定在炉体外侧的水蒸汽包连通，水套的进水管与炉外的软化水供应装置连通。水蒸汽包顶部的出汽管通过蒸汽加压装置与喷嘴的外层进汽管连通。喷嘴的中心管和氧气源连通，或者与压缩空气源接通。也可以不设水套和水蒸汽包，通往喷嘴的水蒸汽另设锅炉提供。炉盖吊装在旋转架的悬臂上，旋转架安装在旋转提升液压缸上，液压缸固定在支架上，液压缸通过管道和液压站连通。液压缸通过旋转架可以带动炉盖升降及旋转。炉盖顶部设有与炉内相通的排气管，排气管与储气罐或燃烧装置连通。炉盖顶部还设有一个或多个垃圾进料口，进料口设有硅酸铝耐火纤维等材料组成的密封装置，能防止气体外泄。每个进料口的上方均相应设有夹持器，夹持器固定在立柱上，立柱设在旋转架上，可以沿旋转架上的导轨上下运动。立柱与旋转架之间设有由卷扬机、滑轮、钢丝绳组成的传动机构。卷扬机可通过滑轮上的钢丝绳带动立柱及夹持器上下运动。立柱和旋转架之间也可以采用电动机、齿轮、齿条传动或液压传动。夹持器由横臂、气缸、弹簧、连杆和卡头组成。气缸通过管道与空压机连通。控制气缸的进出气就可控制夹持器卡头夹紧和放松。夹持器也可以采用螺旋压紧等方式控制卡头的夹紧放松。每个夹持器的卡头间均装夹有一根预先压制成型的长条状垃圾块。上述管道上均设有阀门及检测、安全装置。对于大中型垃圾气化熔融装置可设多个夹持器，可设多个喷嘴。对于小型垃圾气化熔融装置可设一个或二个夹持器，可设一个或二个喷嘴。炉盖开启也可采用旋转架固定，炉体开出的方式。

工作时先往炉中注入铁液，使之在炉体内的下部形成具有适当深度的铁液熔池，熔池表面覆盖着一层富含氧化镁、氧化钙及氟化钙等有着适当碱度的熔渣。由于炉体内表面设有可耐1600℃以上的耐火材料制作的炉衬可有效的抗拒具有1300℃-1450℃左右温度的铁液的侵蚀，从而保证炉体能长期正常工作。同时准备一批预先压制成长条状的垃圾块，再准备好水蒸汽、氧气等气化剂。上述准备工作完成后，把长条状垃圾块的上端装夹到夹持器中其下端穿过炉盖上的进料口伸入炉体内并且浸入铁液中。由炼铁、炼钢原理得知铁液中可以容纳大量的碳元素，当往炽热的铁液中吹入一定量的气化剂如氧气、水蒸汽等时，进入铁液中的氧可以与铁液中的碳起反应，生成不溶于铁液的可燃气体一氧化碳而排出铁液，进入铁液中的水蒸汽在高温下分解成一氧化碳和氢。一氧化碳和氢气排出铁液成为可燃气体。垃圾中主要成份为有机物即碳氢化合物，当垃圾浸入铁液后在高温作用下迅速分解成碳和少量氢，其中氢基本不溶于铁而排出铁液，碳溶于铁液中，铁中的碳又与吹入的氧反应生成一氧化碳而排出铁液。铁液中的碳被氧化成一氧化碳排出后铁液中的碳不断减少，又可溶入垃圾中的碳，如此周而复始，铁液成为垃圾高效气化的转换介质。碳和氧的反应所放出的大量热能传给了铁液，保持了铁液熔池的高温，喷入铁液中水蒸汽分解需吸收热量，可控制熔池温度不至于过度升高，从而保证了反应能顺利进行。从铁液中排出的CO、H2等可燃气体聚集在炉内上部，经由炉盖上的排气管引出炉外作为燃料或化工原料使用。

随着浸入铁液中的垃圾逐步被分解消耗掉，夹持器也不断下降把垃圾块持续浸入铁液中。随垃圾块进入铁液中的泥土、玻璃等非有机物在高温下熔化，由于其比重较轻又不溶于铁，所以成为熔融渣浮出铁液进入渣层而得到排除，同理垃圾中有机物燃不尽的余灰也成为熔融渣进入渣层。熔融渣增加后应及时放出多余的熔渣并补充新渣保持熔渣的碱度。

上述过程持续进行，本实用新型成为利用铁液作为转换介质进行垃圾气化熔融的装置。

本实用新型的特点：

1、垃圾气化熔融在液相中进行，不仅由于对流作用使传热传质加快，而且由于高温溶液介质的作用，使溶质分散，扩大了接触面积和接触机率，扩散及反应速度加快，显著提高物质转换效率，开辟了一种新的垃圾气化熔融途径。

2、由于铁液熔池有很强的溶碳能力，吹入铁液中的氧首先氧化的是已溶入铁液中碳，不会明显地受到垃圾中的碳溶入铁液瞬间数量变化的影响，燃气的成分、产量稳定。

3、铁液熔池本身具有很高的热能和温度，从外部对垃圾燃烧提供了热量，为垃圾创造了非常好的点火和持续热解条件，对入炉垃圾的水份、热值要求较宽松，不掺辅助燃料也能使我国高水份、低热值的垃圾正常气化熔融，可大幅节约燃料，降低运行成本。

4、由于铁液和熔渣的覆盖封闭，垃圾能浸在铁液中充分地分解，垃圾中的含氯有机物、含氯无机物和二恶英、呋喃等非金属化合物在铁液1350℃～1450℃的高温作用下彻底分解。所生成的含氯酸性化合物和垃圾带入的硫化物分别与氧化镁、氧化钙等碱性氧化物结合，进入熔渣层中。垃圾中的铁、铜、铬、镍等金属可作为合金元素与铁结合，成为熔池的组成部分。垃圾带入的低熔点金属如铝、锌、镉等在铁液高温作用下，形成两性化合物并与氧化镁、氧化钙等结合成为熔渣进入渣层。在垃圾气化熔融过程中铁液和渣层实际上起到了“过滤”作用，即把垃圾中的铁、铜、铬等金属截留在铁液中，把硫、氯等非金属酸性物质和铝、锌、镉等两性金属化合物截留在熔渣层中，并定期排出炉外。众所周知垃圾在焚烧过程中重新合成二恶英、呋喃类有机毒物时，烟气中必须同时存在三个条件：残碳，氯源，铁铜等金属氧化物。垃圾在铁液中气化熔融时，经过铁液和渣层重重过滤和高温充分分解，产生的可燃气体中不会同时存在残碳，氯化物和金属氧化物，所以燃气燃烧后烟尘中不存在二恶英、呋喃类有机毒物，消除或基本消除了烟气中的有害气体和有害的金属化合物。

5、垃圾中的无机物、重金属化合物和烟气中收集的飞灰直接在炉中熔融成无害的熔融渣，可作为建材使用。

6、可简化或取消庞大复杂的烟尘无害化处理系统和灰渣熔融处理系统，大大降低垃圾焚烧、气化的投资成本及运行费用。

7、铁液熔池富含碳(甚至饱和碳)，在高温和强还原条件下，可以喷入以水蒸汽为主，氧气为辅的气化剂与碳反应，以廉价的方式获得可燃成分大于90％的高热值富氢气体，可替代天然气用于内燃机或制取化工产品，创造更高的价值，也可以用于燃气轮机发电或余热锅炉蒸汽发电。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行具体的描述。

附图说明

附图1是本实用新型的实施例简图，局部剖开。

附图2是本实用新型的另一实施例简图，局部剖开。

具体实施方式

附图1示出炉体16为立式装置，炉体内底部和侧壁都设有适当厚度由镁砂或白云石等耐火材料制作的炉衬30。炉体16底部设有一个或多个喷嘴23，喷嘴23为双层同心圆结构，可选用不锈钢制作，通过喷嘴可以往炉体内喷吹两种不同的气体。炉体16下部的侧壁上设有出铁口20，出铁口上方的炉壁上设有排渣口18，炉内的铁液和熔渣可以分别从出铁口20，排渣口18排出炉外。出铁口、排渣口等与铁水、熔渣接触的部位表面均设有由上述耐火材料制作的保护层30。炉体内部装有适量铁液形成熔池17。炉体16下部的炉壁外侧设有电磁搅拌器19。炉体16固定在支架21上，支架固定在混凝土基础(图中未画出)上。炉体16上部的炉壁上设有水套15，炉顶上方设有水蒸汽包11，水蒸汽包通过支撑固定在炉体16的炉壁外侧。水套15上部的出汽管13和回水管14分别与水蒸汽包11连通，水套15的进水管与软化水供应装置(图中未画出)连通。水蒸汽包11顶部的出汽管12通过蒸汽加压装置(图中未画出)与喷嘴23的进气管22的外管连通，内管与氧气源(图中未画出)连通。炉盖10吊装在旋转架25的悬臂下面，旋转架安装在旋转升降液压缸24上，液压缸固定在支架20上，液压缸通过管道与液压站(图中未画出)连通。液压缸24可以带动旋转架25进而带动炉盖10上升、下降或旋转。炉盖10的内侧设有由镁砂等耐火材料制作的保护层30。炉盖10的顶部设有和炉体内相通的排气管9，排气管内侧衬有能耐1000℃以上的高铝质耐火材料或保温耐火材料如高铝熟料、硅酸铝耐火纤维等。排气管与储气罐或燃烧装置(两者图中均未画出)连通。炉盖10的顶部还设有一个或多垃圾进料口8。每个进料口8的上方都相应地设有夹持器1，夹持器1由立柱27，气缸2，弹簧3，连杆4，横臂5，卡头6组成，气缸通过管道与空压机(图中未画出)连通。气缸2，弹簧3，连杆4，卡头6都装在横臂5上，当弹簧3处于拉紧状态时，弹簧3拉动连杆4，连杆使卡头6处于夹紧状态。每个卡头6均夹持有一根长条状垃圾压块7，其下端穿过进料口8且伸入炉体16内部，垃圾块与进料口之间设有硅酸铝耐火纤维等材料组成的密封装置(图中未画出)，可防止炉内气体外溢。横臂5固定在立柱27上部，立柱安装在旋转架25上，可沿着旋转架上的导轨上下运动。夹持器1和旋转架25之间设有由卷扬机26、滑轮29、钢丝绳28组成的传动机构。卷扬机26可以通过滑轮29上的钢丝绳28带动夹持器1上升或下降。夹持器1和旋转架25之间也可以采用电动机、齿轮、齿条传动机构或液压传动机构。上述装置除保温耐火材料外，其余金属构件均采用钢材制作。

上述管道上均设有阀门和相关的检测装置和安全装置。

工作时，先启动旋转提升液压缸24打开炉盖10，往炉体16中注入适当深度的铁液17，铁液熔池上面覆盖着一层加白云石、莹石、生石灰或石灰石后形成的具有适当碱度的熔渣。然后关闭炉盖10，再开启压缩空气管上的阀门，使夹持器1上的气缸2充气，进而压缩弹簧3，推动连杆4，使卡头6松开。在卡头中间放入已压制成形的长条状垃圾块7的一端，并使垃圾块的另一端穿过炉盖10顶部的进料口8伸入炉体内部，随后卡头重新夹紧。接着启动卷扬机使夹持器1下降，垃圾块7也跟着下降，当垃圾块浸入炽热的铁液17后，立即发生分解。由于铁能容纳大量的碳，垃圾中的有机物分解成碳和氢进入铁液中，垃圾中的无机物如泥土、玻璃等在高温下变成熔融渣浮入熔渣层，垃圾中的铁、铜、镍等金属溶入铁液中与铁结合成为铁液中的铁合金元素。此时开启控制喷嘴23进气的阀门往铁液熔池17中喷吹水蒸气和氧气。水蒸汽通过喷嘴23内外两层管之间的缝隙喷入铁液熔池17并在高温下分解成氧和氢，分解过程吸收大量热能，在喷嘴附近形成低温区保护了喷嘴不被铁液烧坏。氧气通过喷嘴23的内管喷入铁液熔池17，氧气进入铁液后和铁液中的碳反应生成一氧化碳。CO和H2在铁液中溶解度很低，它们排出铁液熔池17进入炉体16内上部空间成为燃气。氧气和铁液中的碳反应生成CO排出后，铁液熔池17中的碳大量减少，又可继续接纳来自垃圾中的碳。随着垃圾7不断浸入铁液熔池17中，熔池中的垃圾气化熔融也不断持续进行。随着上述过程的进行，炉体16内上部空间中的燃气越积越多，熔池17上面的熔渣也逐渐增多。应及时打开炉顶上的排气管9，把燃气引入储气罐或燃烧装置。同时打开排渣口，排出多余的熔渣并往熔池中补充新的白云石、生石灰等渣料，保持熔渣去除铁液中有害的非金属酸性化合物和两性金属化合物的旺盛能力。定期适当向铁液熔池17中补充一些铁矿石或氧化铁皮，可防止铁液减少。在垃圾气化熔融过程中开启电磁搅拌器19，加强铁液搅拌。在高温铁液和熔渣的作用下，耐火材料组成的炉衬会逐渐减薄。当需要更换炉衬时，可停止上述操作，随后打开出铁口20，把炉中的铁水放入保温炉中保温，待换好新炉衬后，重新按上述程序，开始新一轮垃圾气化熔融。上述操作过程中由于炉体16、炉盖10、排气管9的内侧壁及出铁口20、排渣口18与铁液、熔渣或高温炉气接触的部位表面均设有耐高温的耐火材料，所以炉体金属外壳不会被高温烧坏，可以确保设备正常运行。

附图2是利用铁液进行垃圾气化熔融装置的另一实施例的简图，局部剖开。

本实施例与图1实施例的不同之处是(1)炉体16上部的炉壁上不设水套，全部采用耐火材料炉衬。并且去除了水蒸汽包11及附属装置。(2)喷嘴23的位置改在炉体16下部的侧壁上和炉盖10的顶部。通过喷嘴23可把气化剂和碎粉状垃圾喷入炉体内部的铁液熔池17里。(3)夹持器1夹持的是喷嘴23。喷嘴进气管的外管22与蒸汽锅炉(图中未画出)连通。喷嘴进气管的中心内管通过碎粉状垃圾的盛料罐的出料口与氧气源或空压机(后三项图中均未画出)连通。(4)电磁搅拌器19设在炉体16的底部外壁。

操作时开启水蒸汽管道、氧气或压缩空气管道及垃圾罐出料口处的阀门，氧气或压缩空气就会携带着碎粉状垃圾从喷嘴23的中心管喷出，水蒸汽从喷嘴23中心管外周的间隙中喷出。气化剂、碎垃圾同时从铁液熔池的上部、侧面喷入铁液，特别是采用粉碎的垃圾，能促进熔池里的垃圾气化熔融更高效、高质量地进行。其他操作程序和图1的实施例相同。

以上所述是本实用新型的优选实例，在不脱离本实用新型原理的前提下还可做若干变形和改造，都应视属于本实用新型的保护范围。