无焦油低温气化系统及方法与流程

1.本发明涉及一种无焦油低温气化系统及方法，尤其涉及一种适用于生活垃圾及危险废物的无焦油气化系统及气化方法，属于气化领域。


背景技术：

2.生活垃圾往往成分复杂多变，且受到诸如城市发展水平、居民生活习惯等因素影响而存在较大差异。中国的生活垃圾包括厨余垃圾、塑料、纸张、玻璃等，而且通常因其含水率较高，影响其在焚烧炉中的燃烧稳定性，造成燃烧不充分或者爆燃等问题，而水分蒸发到烟气中使得烟气水分含量偏高，容易造成受热面和后续设备的腐蚀。气化则可以有效避免这些问题，还可以获得合成气，但由于生活垃圾里往往都含有一定量的低熔点碱金属和玻璃等，难以直接使用高温气化，因此普遍存在气化效率较低、气化炉稳定性较差、合成气中污染物含量较高等问题。现有的垃圾气化技术所产生合成气热值较低，经济性较差；且通常含有较高浓度的焦油组分，对气化主体设备与烟道造成腐蚀，增加气化装置的维护成本，同时影响气化效率。固定床气化炉的操作和设计简单，但通常具有较弱的传热传质能力，同时会产生较高含量的焦油和热解焦炭产品。传统的流化床和气流床气化器具有高反应速率和转化效率，但存在焦油和粉尘含量高的问题，不仅降低了合成气品质，还会导致包括堵塞管路、受热面腐蚀或灰渣粘连等设备故障问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种无焦油低温气化系统和方法，尤其适用于成分复杂的城市生活垃圾、可燃工业废弃物、医疗废物。
4.本发明是通过以下技术方案来实现的：无焦油低温气化系统，包括气化装置、合成气净化装置、气柜和热烟气发生装置。
5.气化装置，配置为产生合成气，包括气化炉和进料装置，所述气化炉下部设置有进料口与所述进料装置连通；所述气化炉顶部一侧设置有气化气出口。
6.所述气化炉从下往上依次包括一次气化区、二次气化区和气化冷却区；所述一次气化区按变截面结构设置，包括设置在下部的锥形渐扩段和设置在上部的锥形渐缩段；所述二次气化区设置在所述渐缩段顶部，且所述二次气化区和气化冷却区为等截面设置，使得一次气化区与二次气化区的连接处形成喉口；所述一次气化区底部设置有一次气化剂配送装置，用于喷入第一气化剂，所述第一气化剂选用热烟气；所述第一气化区还设置有二次气化剂配送装置，包括若干二次气化剂喷口，用于喷入第二气化剂；所述二次气化区设置有三次气化剂配送装置，包括若干三次风喷口，用于喷入第二气化剂；所述第二气化剂选用高温空气。
7.所述气化炉内设置有若干级降温装置，每级降温装置包括若干蒸汽喷口，能够用于喷入蒸汽；所述气化炉底部一侧设置有排渣管。
8.合成气净化装置，配置为净化来自所述气化装置产生的合成气。
9.气柜，配置为存储来自所述合成气净化装置的合成气。
10.热烟气发生装置，配置为以合成气作为燃料产生热烟气，包括合成气燃烧室和烟风换热器，所述合成气燃烧室被配置为以来自气柜的合成气作为燃料燃烧产生高温烟气；所述烟风换热器被配置为分别以高温烟气为热介质、空气为冷介质进行热交换产生热烟气和高温空气，分别作为所述气化装置的第一气化剂和第二气化剂。
11.上述技术方案中，所述气化装置还包括分离器和尾部烟道，所述分离器和尾部烟道依次连接在所述气化炉与所述合成气净化装置之间；所述尾部烟道内还设置有余热利用装置；所述合成气净化装置包括脱硫装置和除尘装置。
12.进一步的，所述二次气化剂配送装置包括下二次气化剂配送装置和上二次气化剂配送装置，分别布置在所述一次气化区的中部以下和中部以上。
13.进一步的，所述气化炉设置有若干温度传感器，所述温度传感器包括分别设置在所述一次气化区下部、中部和顶部的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，以及设置在二次气化区顶部的第四温度传感器。
14.进一步的，所述气化炉的壁面选用水冷壁式结构，且一次气化区和二次气化区的内壁面均敷设耐火材料。
15.上述技术方案中，所述合成气燃烧室选用绝热燃烧室，一端设有燃烧器，配置为能够按照所述气化装置所需第一气化剂量产生高温烟气。
16.无焦油低温气化方法，包括：使可燃废弃物作为气化燃料进入气化装置，使热烟气发生装置产生的热烟气通过气化炉底部进入气化炉，使气化燃料流态化，并作为第一气化剂与气化燃料发生初步气化反应；所述热烟气温度为600~700℃、含氧量为8%~15%；使空气通过热烟气发生装置换热形成400~500℃的高温空气作为第二气化剂，通过二次气化剂配送装置配置给入一次气化区，在一次气化区内形成湍流状态，并形成多级配风依次与气化燃料发生气化反应，形成多级气化，生成一次气化气，所述气化气含有包括焦油的大分子成分；一次气化气夹带着固体颗粒上行通过喉口，固体颗粒在惯性分离作用下被截留回到一次气化区并最终从排渣管排出；作为第二气化剂的高温空气进一步通过三次气化剂配送装置给入二次气化区，与一次气化气发生反应，使得焦油成分裂解、大分子发生二次气化反应生成合成气；所述合成气经过气化冷却区降温后从气化气出口排出气化炉；气化冷却区通过换热产生蒸汽，能够供降温装置所用；所述合成气进入合成气净化装置进行净化后作为产品气存储在气柜中；根据气化装置所需第一气化剂量，使部分合成气作为燃料进入合成气燃烧室燃烧生成高温烟气，所述高温烟气与空气进行热交换，分别获得作为第一气化剂的热烟气和作为第二气化剂的高温空气；所述高温烟气含氧量为8%~15%。
17.进一步的，所述温度传感器能够获得实时温度t
实
，并能够与预设温度t
预
比较，在预设温度调控区间t
实
= [t
预-20℃, t
预
+20℃]进行气化温度调控。
[0018]
根据其中一个实施例，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器的预设温度依次为700℃、750℃、850℃和950℃。
[0019]
上述技术方案中，所述可燃废弃物包括城市生活垃圾、可燃工业废弃物、医疗废
物。
[0020]
与现有技术相比，本发明包括以下优点及有益效果：（1）以部分合成气作为燃料产生热烟气，并以热烟气作为第一气化剂进行气化，相当于为气化燃料提高了热值，可以获得更高热值的气化气（合成气）作为产品。
[0021]
（2）以热烟气作为第一气化剂，独立作为一次气化剂从底部给入，同时以高温空气作为第二气化剂，通过二、三次气化剂的方式供入，在使气化炉内呈湍流流态化以获得快速的传热传质效果强化气化反应的气化同时，也使得气化进程以多级气化方式进行，并且在每一级气化设置温度调控（通过调控入炉氧量和蒸汽喷入量）使得进程更精准可控，气化气品质更高。
[0022]
（3）采用tfb气化炉，湍流流态化气化效率高，而且能够实现下部低温（700℃~750℃）气化，避免了还原性气氛下低熔点物质（玻璃等杂质）的熔结；同时其变截面结构设置也减少了向上携带的粉尘量，大大减少其对焦油裂解及二次气化的影响，从而显著提高气化气品质。
附图说明
[0023]
图1为本发明所涉及的其中一种实施方式的示意图。
[0024]
图中：1－气化装置；101－气化炉；102－排渣管；103－进料口；2－合成气净化装置；3－气柜；4－热烟气发生装置。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0026]
本技术文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在以下各实施例的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0027]
温度是气化过程的重要影响参数，直接影响气化强度和合成气组分、热值。研究文献表明，生活垃圾的热值较高时，更高的温度改善了垃圾的气化状况，从而产生了大量组分多样的合成气。较高的床层温度也会促进碳转化和大分子化合物的裂解，从而减少焦炭和焦油的形成。然而还原性气氛下，废弃物中的玻璃、碱金属等往往在800℃以下就出现熔融状态，不但影响气化反应，还影响到气化炉的稳定性。因此，为了兼顾低温防止灰渣熔融和高温使焦油充分分解的要求，在灰浓度比较高的下部采用低温气化，灰浓度很低的中上部通过二次、三次气化剂实现高温二次气化和焦油分解，可以充分有效地满足上述要求。
[0028]
本发明所提供的无焦油低温气化方法，基于第一气化剂全部采用热烟气的烟气循环利用技术和能够精准控制反应进程的多级气化技术。本发明所提供的无焦油低温气化系统和方法尤其适用于城市生活垃圾（简称生活垃圾）、可燃工业废弃物（也叫可燃工业垃
[t
预-20℃, t
预
+20℃]进行气化温度调控。
[0037]
二次气化区设置有三次气化剂配送装置，包括若干三次风喷口，用于喷入第二气化剂。第二气化剂选用400~500℃的高温空气，分级给入气化炉。为方便描述，下二次气化剂配送装置、上二次气化剂配送装置、三次气化剂配送装置依次记为a1、a2、a3。
[0038]
通过二次气化剂喷口与底部的风帽一起，向炉内喷入的第一气化剂和多级第二气化剂，使得气化炉内形成多级气化，同时也通过风帽和喷口喷入调节使得气化炉内呈湍流流态化。
[0039]
气化气出口温度t
15
按设计温度550℃设置。气化炉出口连接有分离器（优选旋风分离器）和尾部烟道，尾部烟道内的余热利用装置（包括省煤器、空预器等）能够使得从尾部烟道出口进入合成气净化装置的合成气温度约为260℃（设计温度）。
[0040]
气化炉内设置有若干级降温装置，每级降温装置包括若干蒸汽喷口，用于喷入蒸汽，蒸汽来自于气化炉副产物。通常而言，每一个气化分区（包括底部密相区、中部一次气化区、上部一次气化区和二次气化区）内均布置有一级降温装置。为方便描述，从下往上，降温装置也依次计为w1、w2、w3、w4。
[0041]
膜式壁内以水为工质，产生蒸汽，一方面供气化炉内喷入降温用，另一方面富余的蒸汽外供或用于入炉垃圾预热。
[0042]
合成气净化装置，配置为净化来自气化装置产生的合成气。通常包括脱硫装置和除尘装置。脱硫装置不仅仅用于脱硫，还能吸附脱除合成气中的其它诸如hcl、nh3气体，如气化气中携带有残余焦油，也一并在脱硫装置中吸附脱除。脱硫装置通常选用湿法或半干法脱硫，后续连接的除尘装置往往还带有除雾功能。
[0043]
经过合成气净化装置净化的合成气存储在气柜，可供其它用户使用。此外，按需产出，根据第一气化剂的需量，一部分合成气通过增压气泵送往热烟气发生装置作为热烟气发生装置的燃料燃烧产生热烟气。热烟气发生装置包括合成气燃烧室和烟风换热器。合成气燃烧室选用绝热燃烧室，一端设有燃烧器，能够以合成气作为燃料燃烧产生高温烟气，并能够根据气化炉的第一气化剂调控需求，调节烟气中的氧含量。从合成气燃烧室出来的高温烟气约为900℃，在烟风换热器中作为热介质，与空气冷介质进行热交换，产生约600-700℃的热烟气和400-500℃的高温空气，分别作为气化装置的第一气化剂和第二气化剂。
[0044]
使包括城市生活垃圾、可燃工业废弃物、医疗废物等气化燃料从进料口进入气化炉的底部密相区。
[0045]
使热烟气发生装置产生的热烟气通过气化炉底部进入气化炉，使气化燃料湍流流态化，并作为第一气化剂与气化燃料发生初步气化反应。热烟气温度为600~700℃、含氧量为8%~15%。
[0046]
使空气通过热烟气发生装置换热形成400~500℃的高温空气作为第二气化剂，通过二次气化剂配送装置配置给入一次气化区，在一次气化区内进一步形成湍流状态，并通过多级配风（上、下二次气化剂配送装置）依次与气化燃料发生气化反应，形成多级气化，生成含有焦油成分及其它大分子成分的一次气化气。一次气化气夹带着固体颗粒（粉尘）上行通过喉口，固体颗粒在惯性分离作用下被截留回到一次气化区并最终与气化残渣一起从排渣管排出。
[0047]
作为第二气化剂的高温空气进一步通过三次气化剂配送装置给入二次气化区，与
一次气化气发生反应，使得焦油及其它大分子成分裂解发生二次气化反应生成高温合成气，从而实现无焦油气化过程。高温合成气经过气化冷却区降温后从气化气出口排出气化炉。气化冷却区膜式壁内的工质通过换热产生蒸汽，能够供降温装置使用。通常气化气出口温度约为500℃，经过分离器和尾部烟道降温后进一步降至约260℃，然后进入合成气净化装置，依次进行脱硫脱氨脱氯以及除雾除尘等净化后作为产品气存储在气柜中。
[0048]
根据气化装置所需第一气化剂量，使部分合成气升压后作为燃料进入合成气燃烧室燃烧生成高温烟气，高温烟气约900℃、含氧量为8%~15%，同样是根据气化炉调控需要通过燃烧供气量、燃烧工况等调节。高温烟气在烟风换热器中与空气进行一至两级热交换，分别获得作为第一气化剂的热烟气和作为第二气化剂的高温空气。进入一次气化剂室的热烟气温度t2设计温度为600~700℃。当气化系统启动时，则需要使用天然气作为合成气燃烧室的启动燃料以获得热烟气。
[0049]
以下以气化炉内4级气化分区预设温度曲线形成气化温度调控来进一步阐述如何在多级气化下精确控制气化进程。分区如前所述。
[0050]
底部密相区：通过第一温度传感器获得实测温度值t
11实
，预设温度值t
11预
；当t
11实
《t
11预-20℃时，在8%~15%范围内调高作为第一气化剂的热烟气中的含氧量至其相对高值，直至实测温度提高至预设温度；当t
11实
》t
11预
+20℃时，通过设置在一次气化区下部的降温装置喷入蒸汽，使得实测温度降低至预设温度。
[0051]
中部一次气化区：通过第二温度传感器获得实测温度值t
12实
，预设温度值t
12预
；当t
12实
《t
12预-20℃时，加大通过下二次气化剂配送装置喷入的第二气化剂（高温空气）量；当t
12实
》t
12预
+20℃时，减少通过二次气化配风装置喷入的第二气化剂（高温空气）量，当第二气化剂量已减少到其最小值（一般为设计最大值的20%），此时若t
12实
》》t
12预
+20℃，则启动降温装置w1喷入蒸汽，使温度降至设定值后停止蒸汽喷入。
[0052]
上部一次气化区和二次气化区温度调控同理进行。
[0053]
蒸汽进入到气化炉内一方面会发生物理降温，另一方面水蒸汽本身作为气化剂也会和部分气化燃料发生吸热的气化反应，而在二次气化区蒸汽会参与焦油二次裂解反应，生成co2和h2。
[0054]
根据上述预设温度曲线进行调控气化炉内的温度分布，能够达到精准控制气化进程，使得气化过程产生的焦油能够彻底分解，从而达到无焦油气化的目的。
[0055]
上述温度控制以及烟风（热烟气、空气）调节、蒸汽喷入等都通过整个合成气发生系统所配置的控制系统实现。控制系统通过i/o信号线与温度传感器、风机相连，能够通过预设的逻辑关系进行调控。同时，控制系统还能够根据预设的逻辑关系以及合成气发生系统负荷来调控气化装置的气化燃料量和气化剂给入量等参数，并进一步调节与此关联的热烟气发生装置的合成气（作为燃料）量和气化剂配送参数等，本领域一般技术人员对此均能够理解和想象，在此不再详述。
[0056]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。