专利名称：气化法处理废物的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过气化法处理废物的方法及装置，更具体地说涉及一种处理废物的方法及装置，该方法及装置通过两段气化法回收废物中的金属或灰分和气体，并且得到的金属或灰分处于可重新利用状态，气体主要由一氧化碳(CO)和氢气(H2)组成，可用作氢气或氨(NH3)的合成气。
背景技术：
为了生产硝酸、包括硝酸氨、硫酸氨及尿素在内的化肥、丙烯腈、己内酰胺等，氨是一种大量生产的基本原料。氨是在高压条件下由氮气(N2)和氢气(H2)催化合成的。可以通过天然气或石脑油的蒸汽重整或通过部分燃烧，即通过烃类如原油、重油、油脚、煤、沥青或石油焦的气化来生产氢气。
由于生产氢气的大部分原料要从国外进口，致使石油危机之后由氨得到的化学产品在世界市场上已经失去了竞争力。因此急需获得在国内廉价易得的原料。
直到现在，在处理有机废物如城市垃圾、包括纤维增强塑料(FRP)在内的塑料废物、生物废物以及汽车废物时，已经习惯于通过焚烧来减小其回收体积，或者是不加处理将其弃置在垃圾填埋场。
因此在不考虑直接利用还是间接利用的情况下，只有少量资源从有机废物中得到回收以重新利用。
另一方面，由于以下原因，有机废物的焚烧存在一些缺点直到现在焚烧有机废物时所使用的还是自动加煤的炉子或流化床炉。但这种焚烧在环境保护方面或资源或能量的回收利用方面是有问题的。更具体地说，会排放大量的废气，废气中含有较多的空气以及有毒的二噁英(dioxins)。另外从炉中排出的金属已经被严重氧化，不适于重新利用，并且垃圾填埋场也逐年减少。最近，与灰分熔化设备相结合的废物处理设备的数目正在增多，但在增加这些废物处理设备建造成本和/或操作成本时遇到了问题。另外最近形成一种更有效地利用废物能量的趋势。
由于垃圾填埋场的缺乏，不加处理地在所需要的场地填埋垃圾变得更困难了，并且从环境保护的角度来说也是不允许的。因此，有害废物如废弃汽车的碎屑的填埋问题变得越来越糟。
另外，当大量的蒸汽与氧气(O2)一起用作流化床反应器中的气化剂时，操作成本就增加了。即使用作气化剂的空气容易得到，但由于合成氨的氮气量是有限的，从而空气量也是有限的。
发明描述因此，本发明的一个目的是提供一种通过两段气化法处理废物的方法及装置，该方法及装置能够回收废物中的资源以重新利用，通过部分燃烧法生产可以合成氨的合成气，解决了由焚烧或填埋有机废物所引起的各种问题，并且得到低成本的氢气或氨合成气。
为了达到以上目的，按照本发明的一个方面，提供了一种通过气化法处理废物的方法，该方法包括在相对较低的温度下在流化床反应器中使废物气化；将流化床反应器中所产生的气体原料和木炭引入高温燃烧器；在相对较高的温度下在高温燃烧器中生产合成气；在淋洗除去酸性组分以后通过CO变换反应转化合成气；通过气体分离过程生产氢气；以及将剩余气体供给流化床反应器中的流化床。
气体分离过程可以通过变压吸附(pressure swing adsorption)或氢气分离膜进行。
按照本发明的另一方面，提供一种通过气化法处理废物的方法，该方法包括在相对较低的温度下在流化床反应器中使废物气化；将流化床反应器中所产生的气体原料和木炭引入高温燃烧器；在相对较高的温度下在高温燃烧器中生产合成气；通过CO变换反应转化合成气；从CO变换反应得到的气体中除去酸性组分得到氢气；将除去酸性组分的部分气体供给流化床反应器。上述CO变换反应也可以在除去合成气中的酸性组分后进行。
按照本发明的另一方面，提供一种通过气化法处理废物的装置，该装置包括在相对较低的温度下使废物气化以生产气体原料和木炭的流化床反应器；在相对较高的温度下生产合成气的高温燃烧器；用于冷却合成气的有水冷却室；从来自冷却室的气体中除去酸性组分的水淋洗室；进行CO变换反应、使来自水淋洗室的气体中的CO和H2O转化成CO2、H2的CO变换转化器；使气体分离成氢气和剩余气体的气体分离器；将剩余气体供给流化床反应器的管路。
按照本发明的又一方面，提供一种通过气化法处理废物的装置，该装置包括在相对较低的温度下使废物气化以生产气体原料和木炭的流化床反应器；在相对较高的温度下引入合成气的高温燃烧器；用于冷却所述合成气的有水冷却室；进行CO变换反应、使来自所述冷却室的气体中的CO和H2O转化成CO2、H2的CO变换转化器；从CO变换反应完成后的气体中除去酸性组分的酸性气体去除器；以及将部分所述酸性组分供给流化床反应器的管路。
酸性气体去除室可以设在冷却室和CO变换转化器之间。
在本发明中两段气化过程可以在常压下进行，但比较经济的是在5-90atm、优选为10-40atm的压力范围内进行。作为气化剂，可以使用空气和/或通过空气分离得到的氧气。另外，也可以将蒸汽或二氧化碳(CO2)加入其中。
流化床反应器的流化床层温度优选在450-950℃的温度范围内。废物的平均热值下限优选为3500kcal/kg或更大。如果废物的平均热值下限为3500kcal/kg或更小，则可以向废物中加入补偿燃料使其平均热值下限为3500kcal/kg或更大。作为补偿燃料，通常使用的化石燃料如煤或石油焦均可使用。
对于本发明中所使用的流化床反应器，优选为循环流型(revolvingflow-type)的流化床反应器。在循环流型的流化床反应器中，通过控制流化气体的线速度，在流化床中形成流化介质的循环流。在对木炭的分散和破碎功能方面，循环流型的流化床要优于流化气体线速度均匀的鼓泡型流化床。另外，同外循环的流化床反应器相比，循环流型的流化床反应器结构简单、尺寸较小。由于要在加压条件下操作，循环流型的流化床反应器优选为垂直圆筒形。
在高温燃烧器中，在流化床反应器中生产的含有灰分和木炭的气体原料在高于灰分熔点的温度下气化。高温燃烧器中的温度为1200℃或更高。
在本发明中，供给流化床反应器和高温燃烧器的氧气总量范围可以是燃烧理论需氧量的0.1-0.6倍。供给流化床反应器的氧气量范围可以是燃烧理论需氧量的0.1-0.3倍。
流化床反应器为减压操作，因此废物中的金属可以在未被腐蚀的状态下从流化床反应器的底部回收。另外，将高温燃烧器内的温度设定为1200℃或更高，从而使高温燃烧器内的温度比灰分熔点高50-100℃，因此灰分以熔渣形式从燃烧器的底部排出。
在本发明中，设有将空气分离成氮气和氧气的气体分离装置。在生产氨时，可以设有向氨合成反应器提供分离得到的氮气的装置、向流化床反应器和/或高温燃烧器提供分离得到的氧气的装置。
用于本发明的废物可以是城市垃圾、包括纤维增强塑料(FRP)在内的塑料废物、生物废物、汽车废物、低级煤、废油以及其它燃料如RDF(由弃渣提取的燃料)和由以上废物制得的SWM(固体-水混合物)。
其它燃料包括通过将城市垃圾粉碎和分级、加入生石灰并压实造粒得到的由弃渣提取的燃料，和通过将城市垃圾压碎、加水混合、然后通过热水反应转化成油状燃料而制得的固体-水混合物。生物废物包括来自自来水厂或污水处理厂的废物(误放的材料、筛上的残余物、污水淤渣等)、农业废物(稻壳、稻杆、过剩产品等)、林业废物(锯末、树皮、削薄的木料等)、工业废物(纸浆—碎片等)以及建筑废物。低级煤包括具有低度热值的泥煤或选煤时的废弃物。
本发明也适用于包括油页岩、食用下脚、动物尸体、废衣服、废纸及其它材料在内的有机物。
通过阅读下面的说明书，并结合附图，本发明的上述及其它的目的、特征和优点将更加清楚，，附图通过实施例描述了本发明的优选实施方案。
附图的简要说明
图1为实施本发明第一实施方案的处理方法的装置简图；图2为实施本发明第二实施方案的处理方法的装置简图；图3为实施本发明第三实施方案的处理方法的装置简图；图4为按照本发明的实施方案由废物合成氨(NH3)的流程图；图5为按照本发明的另一实施方案由废物生产氨(NH3)的过程框图；图6为按照本发明的实施方案由废物生产氢气(H2)的另一过程框图；图7为气化和燃烧废物的已知装置简图；图8为表明RDF在氮气氛中热解特性的图形。
实施本发明的最佳方式下面将参照附图描述本发明通过气化法处理废物的方法及装置。
在本发明中，可以使用的有机废物有一种或多种城市垃圾、由弃渣提取的燃料、固体-水混合物、塑料废物、纤维增强塑料的废物、生物废物、汽车废物、低级煤以及废油。依据有机废物的性质，化石燃料如煤或石油焦可以加入到有机废物中作为补偿燃料。
本发明的两段气化法为在相对较低温度下的气化与相对较高温度下的气化的结合，使用流化床反应器进行相对较低温度下的气化，使用高温燃烧器进行相对较高温度下的气化。在用于低温气化的流化床反应器中，流化床保持在450-950℃的温度范围内以进行部分燃烧，也就是使所加入的废物气化。废物中的金属如铁或铜可以在未被腐蚀的状态下从流化床反应器回收。金属未被氧化的原因在于流化床反应器内形成了低压。典型的金属和塑料的组合原料是电缆，在流化床反应器中覆盖在铜丝表面的塑料被热解，并被完全除去，只有铜丝在可重新利用的、未被腐蚀的状态下得到回收。在用于高温气化的高温燃烧器中，来自流化床反应器的含有木炭和焦油的气体进行部分燃烧，即在1200℃或更高的温度下瞬时气化，灰分以熔渣形式从高温燃烧器底部排出。
在使用涡流型燃烧器作为高温燃烧器的情况下，可以进行高负荷的燃烧，从而可以减小燃烧器的尺寸。由于涡流产生离心力，木炭燃烧所产生的渣烟附着在燃烧器的内壁上，形成熔渣相，因此可达到80-90％的较高的熔渣回收范围。这一点减小了设置在燃烧器下游的热回收装置及烟尘收集器的负荷。因此优选使用涡流型燃烧器。
在合成氨时，对用于流化床反应器中的气化剂，用的是蒸汽和空气分离所得到氧气的混合物，而空气分离所得到的氮气可用于合成氨。低温分离过程、吸附过程如PSA或TSA、以及使用分离膜的方法均可用于空气分离。
另外，使用空气作为部分气化剂，所生产的气体中H2与N2的摩尔比为3∶1，从而所生产的气体可用于合成氨。即，对于供给流化床反应器的气化剂，为了避免烧结或结块，必须将氧气含量减少到20-30％的范围内。如果使用氧气和蒸汽的混合物作为气化剂，则需要较大量的蒸汽。但在生产氨作为最终产品的情况下，可以使用空气。这是由于如果氮气存在于所生产的气体中，并且H2与N2的摩尔比为3∶1，则所生产的气体恰好可用于合成氨。
在本发明中，该装置包括用于部分燃烧有机废物的流化床反应器、用于在高温条件下使来自于流化床反应器的气体原料和木炭部分燃烧的高温燃烧器内的气化室、用于冷却来自气化室的气体的冷却室。为了冷却气体，优选直接与水接触冷激气体。通过直接冷激，1300℃或更高的高温气体瞬间冷却到200℃左右，因此阻止了在下游过程中二噁英再合成，因为高温气体迅速通过了适合二噁英再合成的温度范围300-500℃，并且用于二噁英再合成的催化剂如CuCl2也通过直接冷激从气体中完全回收(revolved)。该装置还包括设置在冷却室下游用于除去气体中的HCl和烟尘的淋洗室、用于将气体中的CO和H2O转化成CO2和H2的CO转化器、用于吸收酸性气体如CO2、H2S和COS的酸性气体去除室、用于除去对合成氨催化剂有害的CO和CO2或者使CO和CO2变成无害物质的气体精制室、以及使精制后的H2与N2反应合成NH3的反应器。
另外，该装置优选包括空气分离器、以及将分离得到的氧气引入到流化床反应器和/或高温燃烧器内的装置。
作为一种适合于环境保护的代替焚烧法的新型废物处理技术，开发了一种气化和高温燃烧系统，并且，本发明的装置主要使用这一系统。如果用于废物处理，该系统具有下列优点1.由于气体燃烧代替了传统的固体燃烧，实现了在大约1.3的低空气比下进行燃烧，并且废气量大大减少。
2.由于是高温燃烧，废气中的二噁英及其前体可以被分解。
3.废物中的灰分可以作为无害熔渣被回收，其中的有害材料不必洗脱除去。因此回收场地(reclaimed land)的使用寿命可以延长，并且回收的熔渣可以用作铺路材料。
4.由于将二噁英的分解功能和灰分的熔化功能结合进了该系统，使设备的总体尺寸减小，并且其建造成本要比加上上述两种功能后的传统焚烧设备低。废气量的减少使废气处理设备的成本降低。
5.由于在流化床反应器中所生产的气体、木炭和焦油的能量可以被有效地用于生成熔渣，从而可以节约灰分熔化设备所必须的电能，因此显著降低了操作成本。
6.该系统可以用于高效发电系统中。
7.金属如铁和铜可以在适于重新利用的、未被腐蚀的状态下回收。
8.由于通过直接冷激冷却高温气化所产生的气体，在精制后的合成气中不含二噁英。
尽管使用空气作为焚烧过程的氧源，但本发明中，将纯氧或富氧空气用于部分燃烧废物，因此回收得到的可燃气体主要由CO和H2组成。按照本发明，气化和高温燃烧系统可以与氢气生产设备及氨生产设备结合起来，从而使包括城市垃圾、塑料废物、纤维增强塑料的废物、低级煤及废油在内的有机废物被大量气化，因此解决了焚烧或掩埋有机废物所引起的问题，有效地利用了有机废物。
优选使用与流化床反应器和高温燃烧器联合的气化和高温燃烧系统。在流化床反应器中，作为流化介质，沙子如二氧化硅或橄榄石沙、氧化铝、铁颗粒、石灰石、白云石等均可使用。
在这些废物中，城市垃圾、生物废物、塑料废物及汽车废物被粗略粉碎成30cm左右的粒度。由弃渣提取的燃料及固体-水混合物不加处理地加以使用。低级煤被粉碎成40mm或更小的粒度。
上述废物是分开的，被放入到几个槽中，并在每个槽中进行良好的搅拌和混合，然后将其供给流化床反应器。可以将槽中的废物分别供给流化床反应器，也可以混合后供给流化床反应器。
可以按照所要气化的有机废物的质量(热值和湿度)，向废物中加入煤或石油焦作为补偿燃料，来抑制废物热值的波动。所加入的补偿燃料的量按照废物质量来确定。按照一个试验性的计算，从节约角度而言，作为原材料的有机废物的平均热值下限为3500kcal/kg或更高。
有机废物被加入到流化床反应器中，在450-950℃的温度范围内在流化床内气化，并在高温燃烧器中在1200℃或更高的温度下进一步气化。作为气化剂，氧气、空气和蒸气被混合，如果必要的话可以进行预热。另外可使用二氧化碳代替蒸汽。在各气化阶段所必需的热量可以通过废物的部分燃烧获得。这称为“内部取热型”。在流化床中通过气化产生气体、焦油和木炭。在流化床温度较低的情况下，随着产生的焦油和木炭比率的增加，所产生的气体比率下降。熔点高于流化床温度的金属未被汽化，与流化介质及碎石一起从流化床反应器的底部排出。所排放的物质供给分级器，被分级成筛子上面的大尺寸的、含有金属的不可燃物和筛子下面的小尺寸的流化介质。有价值的如金属被从不可燃物中分离出去，流化介质返回流化床反应器。流化床反应器在其流化床层上部有一个直径较大的部位，称为“稀相区(freeboard)”。稀相区可以阻止流化介质和木炭的夹带作用，从而抑制压力波动。在本发明中，可以将部分气化剂加入到稀相区，使稀相区的气体和木炭在600-950℃的温度范围内气化，而流化床保持在450-650℃的温度范围内以回收熔点相对较低的金属如铝。在后续的高温燃烧器中，物质的气化是在1200℃或更高的温度下进行的，因此产品气体主要由H2、CO、CO2、N2和H2O组成。如果不用空气作为气化剂，则在产品气体中不含N2。灰分转化成熔渣，依次从气化室的底部排放，并在冷却室中与水接触进行冷激，造粒后的熔渣可用作集料或其它建筑材料。
另外，下面将描述使流化床反应器内的流化床保持在450-950℃的温度范围的原因。
图8表明了RDF在氮气氛中的热解特性。在流化床反应器内进行的第一阶段气化过程中，希望生成尽可能多的包括气体和焦油的气体组分以及尽可能少的包括可燃材料及灰分的固体组分。固体组分即直径较小的木炭，在流化床反应器中与向上流动的产品气体一起被输送到高温燃烧器中，但直径较大的固体组分与不可燃物一起从反应器底部排出。
随着热解温度的降低，所产生的固体组分的比率增大。如果所产生的固体组分的比率较高，则为了防止固体组分在流化床内部积累，从反应器底部排放的固体组分的量也相应增大。从反应器排出的固体组分在除去其中的沙子和不可燃物之后可重新利用，但希望减少从反应器排放的固体组分的量。另外，在450℃或更低的温度下，热解反应速率极低，未分解的原料倾向于在流化床内积累，因此流化床反应器的操作变得困难了。相反，随着流化床温度的上升，所产生的固体组分的比率下降，利于废物气化。
但是，热解的温度上升会导致流化床产生特殊的问题，如聚结或烧成渣块。因此，不会引起上述现象的临界温度取决于废物及流化介质的种类，为950℃左右。因此，流化床温度的最大值设为950℃。
大多数废物都含有金属，并且在适合于重新利用的未被腐蚀的状态下回收金属是重要的。在金属中，为回收熔点为660℃的铝，要求流化床的温度低于铝的熔点。
但在加压条件下进行气化时，在某些情况下要升高流化床反应器内的气化温度，以保证一定的反应速度，甚至以回收铝为代价。
通常，在生产用作化工原料的合成气时，气化是在5-90atm的压力范围内进行的。但可以认为气化是在常压下进行的，并且产品气体的精制是在CO变换之后在30-40atm的压力范围内进行的。作为流化床反应器的气化剂，通常使用低温空气分离得到的纯氧气(O2)与蒸汽的混合物，但通过除去酸性气体回收得到的CO2可以加入到氧气中。通过低温空气分离得到的氮气可用于合成氨(NH3)。另外，空气可以用作气化剂的一部分。通过控制气化剂的组合比例，使在CO变换之后所生产的气体中H2和N2的比为3∶1，从而有可能将产品气体直接用于合成氨。但该方法的缺点是产品气体的流率增大时，会导致气体精制设备的尺寸增大。
在使用有机废物作为H2或氨合成气的原料时，必须保证废物量并使废物质量稳定。另外，必须处理好系统操作过程中废物质量的变化。
为了解决上述问题，按照本发明，当只使用废物系统不能稳定操作时或者系统处于开车阶段时，可以将固体燃料如具有较高热值和稳定性能的、实际上用于生产H2的煤和石油焦加到废物中。即通过向废物中添加煤、石油焦或重油使其总体含量为20-40％，可以使气化原料具有稳定的质量和数量。当由于操作过程中的某些原因使废物质量下降，所生产的气体中H2或CO的浓度降低时，可以通过增加固体燃料的混合比来稳定气体性质。用于系统中的煤不是属于废物的低级煤，而是具有较高热值的低烟煤或烟煤。
图7给出了用于焚烧即彻底燃烧废物过程的气化和高温燃烧系统的参考实施例。
图7所示的装置包括进料斗1、用于废物进料的稳态加料器2和其中具有流化床4的流化床反应器3。流化床反应器3具有稀相区5和燃烧器6，并与转筒筛7相连，转筒筛7与斗式输送器8相连。该装置还包括涡流型高温燃烧器9，燃烧器9具有一级燃烧室10、二级燃烧室11和熔渣分离室12。涡流型高温燃烧器9具有燃烧器13。在图7中，“a”代表有机废物，“b”代表流化空气，“b’”代表供给稀相区的空气，“b″”代表用于高温燃烧器9的空气，“c”代表尺寸较大的不可燃物，“d”代表二氧化硅沙，“e”代表所产生的气体，“e1”代表废气，“f”代表熔渣。
如有必要的话，可以将有机废物“a”粉碎后加入进料斗1，然后通过稳态加料器2供给流化床反应器3。作为气化剂的空气“b”由流化床反应器3的底部引入反应器，在流化床反应器3内部分布器上方形成二氧化硅沙的流化床4。
有机废物“a”被加入到流化床4中，在流化床4的内部与空气中的氧气接触，迅速热解和气化，流化床4保持在450-650℃的温度范围内。流化介质和不可燃物从流化床反应器3底部排出，并进入到转筒筛7中，通过转筒筛7除去不可燃物“c”。分离得到的二氧化硅沙“d”通过斗式输送器8由流化床反应器3的上端返回流化床反应器。所排放的不可燃物“c”含有金属。流化床4保持在500-600℃的温度范围内，从而可以在未被腐蚀的状态下回收铁、铜和铝。
当废物“a”在流化床4中气化时，产生气体、焦油和木炭。气体和焦油在流化床反应器3中上升。木炭通过流化床4的搅动作用被磨成粉末。由于木炭有孔并且较轻，可以被向上流动的气体夹带。由于流化床3的流化介质是硬的二氧化硅沙，从而促进了木炭的粉末化作用。空气“b′”鼓风进入到稀相区5，在600-950℃的温度范围内使气体、焦油和木炭气化，从而使气体、焦油和木炭转化成低分子量的组分。
从流化床反应器3排出的产品气体“e”进入涡流型高温燃烧器9的第一燃烧室10，在涡流中与预热过的空气“b″”混合，在1200℃或更高的高温下燃烧。在第二燃烧室11中完成燃烧，所产生的废气“e1”由熔渣分离室12排出。由于涡流型高温燃烧室9内温度较高，木炭中的灰分转化成渣烟，通过涡流的离心力作用被第一燃烧室10内壁上的熔渣相所截留。内壁上的熔渣向下流动进入第二燃烧室11，其中熔渣“f”从熔渣分离室12的底部排出。第一和第二燃烧室1O和11均设有开车用的燃烧器13。以此方式，燃烧是在大约1.3的空气比下进行的，同时灰分转化成熔渣。
下面将参照附图详细描述本发明。
图1为本发明的两段气化系统。图1所示的系统用于生产氨合成气，压力范围为5-90atm。
在下文的说明中，与图7中相同或类似的元件或部位将使用相同的参考数字来表示。该系统包括流化床反应器3和涡流型高温燃烧器17。流化床反应器3与岩石进料斗14相连，而进料斗14与筛子15相连。涡流型高温燃烧器17也与一个岩石进料斗14’相连。筛子15通过流化介质循环管路16与流化床反应器3相连。涡流型高温燃烧器17内部具有高温气化室18和冷却室19。在图1中，“a’”代表用作补偿燃料的煤或石油焦，“g”代表用作气化剂的氧气和空气的混合物，“g’”代表氧气。
已被粉碎的废物“a”经岩石进料斗(未示出)以定常的速率供给流化床反应器3。氧气和空气的混合物作为气化剂“g”从流化床反应器3的底部引入，在流化床反应器3内的分布器上方形成二氧化硅沙的流化床4。废物“a”进入流化床4，在保持为750-850℃的温度范围的流化床4内与气化剂“g”接触，在40atm的压力下迅速热解和气化。
流化介质和不可燃物从流化床反应器3的底部排出，通过岩石进料斗14，然后加入到筛15中分离出不可燃物“c”。筛子15下面的二氧化硅沙“d”由包括斗式输送器在内的流化介质循环管路16输送，然后经岩石进料斗(未示出)返回流化床反应器3。所排放的不可燃物“c”含有金属，铁、铜等可以在未被腐蚀的状态下得到回收。
当废物“a”在流化床4中气化时，产生气体、焦油和木炭。气体和焦油被汽化，在流化床反应器3中上升。木炭被流化床4剧烈的搅动作用磨成粉末，然后被向上流动的产品气体夹带。由于使用了硬的二氧化硅沙作为流化介质，促进了木炭的粉末化作用。
从流化床反应器3排出的产品气体“e2”进入涡流型高温燃烧器17的高温气化室18，在其内部的涡流中与气化剂“g’”接触，在1300℃或更高的高温下气化。由于涡流型高温燃烧器17内的温度较高，所产生的气体内的灰分转化成渣烟与气体一起进入冷却室19。在冷却室19内，熔渣“f”被冷激成粒状熔渣，粒状熔渣经岩石进料斗14’从高温燃烧器17排出。
图2为本发明的一个实施方案的简图，其中包括流化床反应器、涡流型高温燃烧器及其外围设备。图2所示的装置用于生产压力为大约40atm的合成气。
该装置包括循环流型的流化床反应器3和涡流型高温燃烧器17。图2所示的装置与图1所示装置的区别在于其流化床反应器3是内部循环型的，从流化床反应器3底部排出的物质利用筛子15进行分离，位于筛子上面的大尺寸的不可燃物“c”和位于筛子下面的流化介质d各自独立地通过岩石进料斗14降压。这一实施方案具有下列优点即使当粗略粉碎的废物供给流化床时，这些废物也会在床层中被消耗掉，而不会积累在床层中。由于木炭均匀分散在流化床中，因而促进了木炭的气化作用。形成粉末的木炭被流化介质的循环流所夹带。大尺寸的不可燃物“c”从流化床中顺利排出。由于在流化床中不会产生热点，从而阻止了如聚结或烧成渣块问题的发生。这里在排放大尺寸的不可燃物时可能会发生问题，但通过首先从流化介质中分离出不可燃物，使大尺寸的不可燃物通过特殊的可以阻止不可燃物架桥的岩石进料斗排放，而细的流化介质则通过通常用于高温细颗粒的岩石进料斗排放，因此改善了系统的可靠性。
图3为按照本发明另一实施方案的两段气化系统的简图，其中包括流化床反应器、涡流型高温燃烧器及其外围设备。图3所示的装置用于生产压力为大约40atm的合成气。
图3所示的装置包括循环流型的流化床反应器3和涡流型高温燃烧器9。图3所示的装置与图2所示的装置区别在于其中从流化床反应器3排放的物质在经岩石进料斗14降压后利用筛15进行分离，并且涡流型高温燃烧器有两个高温气化室10和11。在这一实施方案中，由于估计在废物中不含大尺寸的不可燃物“c”，因而从流化床反应器底部排放的物质经通常用于高温细颗粒的岩石进料斗14降压后，利用筛15分离成不可燃物“c”和流化介质“d”。其高温燃烧器不是一个单一的垂直圆筒室，而是由垂直室10和外侧室11组合而成。因此熔渣可以在燃烧器内停留较长时间，这就可能减少未燃烧的碳并促进低熔点金属如锌和铅的蒸发。
图4为按照本发明的实施方案从有机废物生产氨(NH3)的流程图。
如图4所示，该过程包括气化步骤100、CO变换步骤200、酸性气体去除步骤300、使用液氮的气体精制步骤400、氨合成步骤500和硫回收步骤600。在图4中，供给流化床反应器的气化剂为氧气和蒸汽的混合物。进行上述过程的装置包括气体淋洗器21、低温空气分离器23、对有机废物进行第一阶段气化的流化床反应器24、在高温下进行第二阶段气化的高温燃烧器25、CO转化器36、吸收塔40、冷凝罐41、CO2汽提塔44、H2S汽提塔50、吸收塔53、液氮淋洗器56、冷却器57。该装置还包括氮气压缩机58、氧气压缩机59、合成气压缩机60、氨合成塔62、氨冷冻机68、氨分离器70、氨贮存罐72。该装置进一步包括热交换器38、39、48、52、64及66、泵30、46及54。在图4中，符号i、j和q分别代表空气、氧气(O2)和硫(S)。
利用空气分离器23将空气“i”分离成氧气“j”和氮气“k”。分离得到的氧气经压缩机59压缩后，作为气化剂供给流化床反应器24和高温燃烧器25。氮气“k”经压缩机58压缩后用于合成氨。通常使用低温分离方法分离空气。
在气化步骤100中，有机废物“a”和补偿燃料“a，”在流化床反应器24中在40atm的压力下及750-850℃的温度范围内进行气化，然后在高温燃烧器25中在1200℃或更高的温度下与氧气“j”和蒸汽“m”反应进行气化，产生主要成分为包括CO、H2、H2O和CO2的气体。高温燃烧器25内的温度主要通过控制氧气的进料速率进行调节。高温燃烧器25为直接冷激型，在其上部为高温气化室18，下部为冷却室19。产品气体在冷却室19内直接与水接触冷激后从高温燃烧器25排出。通过冷激，产生大量蒸汽与产品气体混合。在高温气化室18中所产生的大部分熔渣被除去。熔渣和水的浆态混合物被送到熔渣处理过程(未示出)。伴有大量蒸汽的产品气体由冷却室19排出后，在文丘里淋洗器(未示出)中进行清洗，然后在气体淋洗室21中除去其中的烟尘。然后，气体进入CO变换步骤200。水淋洗器21底部的淋洗水由循环泵30打回冷却室19，部分淋洗水供给熔渣处理过程(未示出)。
来自气化步骤100的含有蒸汽的气体进入CO变换步骤200。通过热交换器38来自水淋洗器21的气体与来自第一段催化剂床的气体进行热交换而被预热到适合进行CO变换的温度，然后进入CO转化器36。在CO转化器36中，在催化剂存在的条件下，气体中的一氧化碳(CO)与伴随蒸汽(H2O)反应生成氢气(H2)和二氧化碳(CO2)。CO转化器36具有两段催化剂床层。作为例子，第一段催化剂床层的入口气体温度为300℃，出口气体温度为480℃。
作为例子，第二段催化剂床层的入口气体温度为300℃。在第一段和第二段催化剂床层中的总转化率为90％或更大，出自CO转化器36的干燥气体中的CO浓度为1-2％。CO变换反应可以由下式表示
这是一个放热反应，来自第一段催化剂床层的高温气体通过热交换被进入CO转化器36的气体冷却，然后进入第二段催化剂床层。在第二段催化剂床层中，继续进行CO变换反应。
通过CO转化器36的气体被热交换器39冷却到大约40℃，接着在冷凝罐41中分离成冷凝水和气体，然后与来自于液氮淋洗器56顶部的净化气体的一部分进行热交换，被冷却到-17℃。然后冷却气体进入酸性气体去除步骤300，在这一步中进行一个物理吸收过程，即甲醇吸收过程(Rectisol process)，从来自CO变换步骤200的气体中除去包括硫化氢(H2S)、氧硫化碳(COS)和二氧化碳(CO2)在内的杂质。
被冷却到-17℃的气体被引入吸收塔40，在吸收塔40中酸性气体与大约-60℃的液体甲醇逆流接触而被吸收。从而由吸收塔40排出的气体所含有的二氧化碳(CO2)范围为10-20ppm、硫化氢(H2S)为大约0.1ppm。在用作吸收剂的甲醇除去酸性气体后，甲醇的温度上升，其吸收能力下降。因此从吸收塔40中采出甲醇，利用氨冷却剂和冷却后的甲醇冷却，然后返回吸收塔40。
在从吸收塔40采出的甲醇中，除了二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)外，还溶有氢气(H2)和一氧化碳(CO)。为了从甲醇中回收氢气(H2)和一氧化碳(CO)，解除甲醇的压力，使其中的氢气(H2)和一氧化碳(CO)蒸发。蒸发了的氢气和一氧化碳由循环压缩机压缩。另一方面，为了回收被甲醇吸收的高纯度的二氧化碳(CO2)，甲醇被加入到CO2汽提塔44中，然后在其中降压并利用氮气进行汽提，从而甲醇中的二氧化碳(CO2)大部分被蒸发，如有必要的话还要进行回收。回收得到的二氧化碳可用于合成尿素或生产液体二氧化碳。
从CO2汽提塔44的底部采出的含有冷凝硫化氢(H2S)的甲醇由泵46送入热交换器48。经热交换器48预热后，甲醇进入到H2S汽提塔50，在塔50中利用蒸汽间接再生甲醇。从H2S汽提塔50顶部排出的富含硫化氢的气体由热交换器52冷却，然后供给硫回收步骤600，在其中回收硫“q”。从H2S汽提塔50底部采出的甲醇被冷却，然后由循环泵54送到吸收塔40的顶部。
来自吸收塔40的富含氢气的气体含有少量一氧化碳(CO)和微量二氧化碳(CO2)，该气体通过吸收塔53除去其中的甲醇和二氧化碳，并被冷却器57冷却到大约-190℃，然后被加入液氮淋洗器56。在使用液氮的气体精制步骤400中，利用过冷液氮清洗含有痕量一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氩(Ar)和甲烷(CH4)的进料气体，以除去这些气体成分。氢气不被液氮吸收，因为氢气的沸点比氮气低。因此从液氮淋洗器56顶部得到的纯化后的富含氢气的气体中含有氮气。
从液氮淋洗器56顶部得到的纯化后的气体在通过冷却器57之后，与经压缩机58压缩后的高压氮气混合，从而将氢气与氮气的摩尔比调整到3左右以适合于合成氨，并将混合后的气体供给氨合成步骤500。经压缩机58压缩的部分氮气被冷却器57冷却并液化，然后供给液氮淋洗器56，在液氮淋洗器56中，所加入的氮气与从液氮淋洗器56底部加入的气体逆流接触，并且气体中包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氩(Ar)和甲烷(CH4)在内的杂质被液氮吸收除去。吸收了杂质如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氩(Ar)和甲烷(CH4)的液氮从液氮淋洗器56的底部采出，降压后用作锅炉燃料。作为例子，由气体精制步骤400提供的气体在压缩机60的第一段中被压缩至150atm，然后压缩气体与来自氨分离器70的循环气体混合。然后混合气体在压缩机60的第二段中被压缩至165atm，然后供给氨合成塔62。氨合成塔有两段由铁基催化剂构成的催化剂床层。氨合成塔62的入口气体压力为164atm，温度为250℃。在合成气通过催化剂床层时进行氨合成反应。该反应由下式表示
在气体通过催化剂床层的同时，其温度会超过500℃，但它又被引入到氨合成塔62中的冷循环气体所冷却。
来自氨合成塔62的氨压力为160atm，温度为450℃。氨被热交换器64和66冷却到室温左右，然后进一步被氨冷冻机68冷却，从而大部分的氨被冷凝。冷凝后的氨在氨分离器70中被分离成液氨和气体，液氨进入氨贮存罐72。分离得到的气体进入压缩机60的第二段，被压缩至165atm的压力，然后加入到氨合成塔62中循环使用。
在上述过程中，使用氧气和蒸汽的混合物作为气化剂。但气化剂并不限于上述种类，也可以使用空气与氧气的混合物。在这种情况下，空气量取决于合成氨所需要的氮气量。由于产品气体包括合成氨所需要的氮气，对于使用液氮的气体精制过程来说，甲烷化作用是优选的。
图5的方框图表示了一个过程，其中通过废物两段气化所得到的产品气体被分离成氢气和剩余气体，并且所得到的剩余气体被重新用作流化床反应器110的流化气体。如图5所示，该过程包括在流化床反应器110中的第一气化段、在涡流型高温燃烧器112中的第二气化段、水淋洗器114、酸性气体去除步骤116、CO变换步骤118、氢气分离步骤120、循环气体压缩机122。在图5中，“a”代表废物，“g’”代表氧气。
在低温流化床反应器110中，被粉碎成所要求的粒度的废物在硬的二氧化硅沙流化床的上方加入。作为气化剂，氧气“g’”和流化气体(详见下文)加入到流化床反应器110的下部。流化床保持在450-950℃的温度范围内。在这些条件下，通过部分氧化，废物被迅速热解和气化。
在流化床反应器110中，通过废物“a”的气化产生气体、焦油和木炭。大部分的焦油和木炭被向上流动的产品气体夹带进入涡流型高温燃烧器112，然后在1350℃的温度和40atm的压力下，通过部分氧化被分解成未精制的气体，该气体主要由一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和水(H2O)组成。在涡流型高温燃烧器112下部的冷却室中，高温未精制气体被冷激，然后在水淋洗器114中淋洗除去杂质如氯化氢(HCl)和灰尘。
在酸性气体去除步骤116中，从气体中除去酸性气体如二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)和氧硫化碳(COS)。在后续的CO变换步骤118中，在催化剂存在的条件下，通过CO变换反应，CO和H2O转化成H2和CO2。如果必要的话，在CO变换步骤118中，在饱和器(未示出)中将用于CO变换的蒸汽加入到气体中。
由于将脱硫后的气体提供给CO变换步骤，高温转化催化剂(Fe基)或低温催化剂(Cu基)均可用作CO变换的催化剂，因此改进了CO变换速率。来自CO变换步骤118的精制气体由H2、CO2、H2O和少量CO组成，利用变压吸附法或氢气分离膜将该气体分离成高纯度的H2和剩余气体，剩余气体主要由CO2和CO组成。剩余气体由循环气体压缩机122压缩，然后与来自流化床反应器110底部作为流化气体一部分的氧气g’一起进入流化床反应器110。
如果使用大量的蒸汽作为气化剂，装置的操作成本就会增加。相反，如果使用空气作为气化剂，产品气体就会含有大量氮气。为了避免上述缺点，优选将剩余气体重新用作气化剂的一部分。将来自空气分离装置(未示出)的N2加入到由氢气分离步骤120分离出来的氢气中，并且输送到氨合成步骤。另外也可以在未加入N2时从氢气分离步骤120采出H2。
在上述任一实施方案中，希望除了N2和H2外，惰性气体的含量尽可能小，从而减少净化气的用量。在本发明的两段气化法中，当在低温流化床反应器110中使废物“a”热解和气化时，产品气体含有大量的烃。在涡流型高温燃烧器112中，产品气体部分燃烧并与蒸汽反应转化成CO、CO2、H2和H2O。当涡流型高温燃烧器112内的气化温度不够高时，从涡流型高温燃烧器112排出的产品气体含有未反应的烃如CH4或C2H4。当在后续步骤中进行甲烷化过程时，未反应的烃作为氨合成步骤的惰性气体。因此，为了减少未反应的烃量，涡流型高温燃烧器112内的气化温度优选为1300℃或更高。
图6的方框为本发明的图5的另一实施方案。在从来自气体净化步骤的产品气体中分离出氢气之后，剩余的酸性气体主要是CO2，该气体作为流化气体被重新用于流化床反应器。如图6所示，该过程包括流化床反应器110内的第一段气化、涡流型高温燃烧器112内的第二段气化、水淋洗器114、酸性气体去除步骤(第一个)116、CO变换步骤118、酸性气体去除步骤(第二个)121、循环气体压缩机122。在图6中，“a”代表废物、“g’”代表氧气。
已粉碎成所要求的粒度的废物“a”被加入到流化床反应器110内硬的二氧化硅沙流化床的上方。流化床反应器110的内部压力为40atm左右。
作为气化剂，氧气“g’”和由循环气体压缩机122供给的流化气体(详见下文)一起加入流化床反应器110的下部。流化床的温度保持在450-950℃的温度范围内。在这些条件下，通过部分氧化，废物迅速热解和气化。
在流化床反应器110内，通过废物“a”的气化，产生气体、焦油和木炭。大部分木炭被磨成粉末，被向上流动的气体夹带进入高温燃烧器112，并在高温燃烧器中在1350℃的温度下及40atm的压力下通过部分氧化被分解成未精制的气体，该气体主要由CO、CO2、H2和H2O组成。在涡流型燃烧器112下部的冷却室中高温未精制气体被冷激，然后在水淋洗器中淋洗除去杂质如氯化氢(HCl)和灰尘。
在酸性气体去除步骤(第一个)116中，从气体中除去酸性气体如CO2、H2S和COS。在后续的CO变换步骤118中，在催化剂存在的条件下，通过CO变换反应，CO2和H2O转化成H2和CO2。在CO变换步骤118中，在饱和器(未示出)中将用于CO变换的蒸汽被加入到气体中。
在CO变换步骤118中所生产的精制气体中含有H2、CO2、H2O和少量CO，在酸性气体去除步骤(第二个)121中，除去其中的CO2，从而得到主要含有H2的气体。在酸性气体去除步骤121中所除去的CO2由循环气体压缩机122压缩，然后与作为流化气体的一部分的氧气“g’”一起加入到流化床反应器110的底部。所得到的气体主要含有H2，可以在未加入N2的情况下采出。另外，加入N2后，H2被送入到氨合成步骤生产氨。对所得到的H2的用途及应用没有限制。
如上文所述，按照本发明通过两段气化法处理废物的方法和装置具有下列优点1.可以利用我们国家廉价易得的有机废物生产合成氨(NH3)的原料氢气。因此氢气的生产成本显著降低。
2.通过气化有机废物生产氢气，可以解决传统的焚烧处理法所带来的各种问题。即废气量大大减少，二噁英及其前休不再产生。另外，由于废物中的灰分转化成无害的熔渣，可以延长回收场地的使用寿命，并且回收得到的熔渣可以用作铺路材料。
3.金属如铁或铜可以在适于重新利用的、未被腐蚀的状态下得到回收。
从有效利用废物以及环境保护的角度来看，气化设备、氢气生产设备以及氨合成设备相互邻接设置，在利用原料方面有机结合，从而强化了所有设备作为整个系统的功能。
4.通过对废物使用补偿燃料如煤或石油焦，可能解决废物质量和数量的波动问题。具体来说，通过增大补偿燃料的混合比例，气化设备可以稳态操作，产品气体的性质不会变坏。
5.在两段气化过程中所生产的气体被精制和分离成氢气和剩余气体，剩余气体含有一氧化碳和二氧化碳，因此所获得的剩余气体可以重新用作流化床反应器内的流化气体。因此，可以解决装置放大所引起的流化气体短缺问题。
尽管已经详细描述了本发明的一些优选实施方案，应当理解的是，在不偏离所附的权利要求的范围时，可以对本发明进行各种变化及改进。
工业实用性本发明适用于废物处理系统，其中通过两段气化法处理废物如城市垃圾、塑料废物或生物废物，回收废物中的金属或灰分以及气体，并且金属或灰分处于可重新利用状态，气体主要由一氧化碳(CO)和氢气(H2)组成，可以用作氢气或氨(NH3)的合成气。
权利要求
1.一种通过气化法处理废物的方法，该方法包括在低温条件下在流化床反应器中使废物气化；将所述流化床反应器中所产生的气体原料和木炭引入到高温燃烧器中；在高温条件下在所述高温燃烧器中生产气体；在除去酸性组分之后，使所述气体进行CO变换反应；将通过CO变换反应所得到的气体分离成H2和剩余气体；以及将所述剩余气体作为流化气体供给流化床反应器。
2.如权利要求1的方法，其中所述的分离过程是通过变压吸附或氢气分离膜进行的。
3.如权利要求1的方法，其中所述的高温燃烧器包括一个涡流型高温燃烧器。
4.如权利要求1的方法，其中所述的流化床反应器包括一个循环流型的流化床反应器。
5.如权利要求1的方法，其中在所述流化床反应器中的所述气化阶段和在所述高温燃烧器中的所述气化阶段均是在5-90atm的压力范围内进行的。
6.如权利要求1的方法，其中在所述流化床反应器内的所述低温处于450-950℃的范围内。
7.如权利要求1的方法，其中在所述高温燃烧器内的所述高温为1200℃或更高。
8.如权利要求1的方法，其中所述废物的平均热值下限为3500kcal/kg或更大。
9.如权利要求1的方法，其中当所述废物的所述平均热值下限为3500kcal/kg或更低时，向所述废物中加入补偿燃料，使所述的平均热值下限为3500kcal/kg或更大。
10.如权利要求1的方法，其中氧气或氧气与蒸汽的混合物用作所述流化床反应器的气化剂，氧气或氧气与蒸汽的混合物用作所述高温燃烧器的气化剂。
11.一种通过气化法处理废物的方法，该方法包括在低温条件下在流化床反应器中使废物气化；将所述流化床反应器中所产生的气体原料和木炭引入到高温燃烧器中；在高温条件下在所述高温燃烧器中生产气体；使所述气体进行CO变换反应；从来自CO变换反应的气体中除去酸性组分以得到H2；将除去的部分酸性组分作为流化气体供给所述流化床反应器。
12.如权利要求11的方法，其中所述的高温燃烧器包括一个涡流型高温燃烧器。
13.如权利要求11的方法，其中所述的流化床反应器包括一个循环流型的流化床反应器。
14.如权利要求11的方法，其中在所述流化床反应器中的所述气化阶段和在所述高温燃烧器中的气化阶段均是在5-90atm的压力范围内进行的。
15.如权利要求11的方法，其中在所述流化床反应器内的所述低温处于450-950℃的范围内。
16.如权利要求11的方法，其中在所述高温燃烧器内的所述高温为1200℃或更高。
17.如权利要求11的方法，其中所述废物的平均热值下限为3500kcal/kg或更大。
18.如权利要求11的方法，其中当所述废物的所述平均热值下限为3500kcal/kg或更低时，向所述废物中加入补偿燃料，使所述的平均热值下限为3500kcal/kg或更大。
19.如权利要求11的方法，其中氧气或氧气与蒸汽的混合物用作所述流化床反应器的气化剂，氧气或氧气与蒸汽的混合物用作所述高温燃烧器的气化剂。
20.如权利要求11的方法，其中氧气和空气的混合物或氧气、空气与蒸汽的混合物用作所述流化床反应器的气化剂，氧气或氧气与蒸汽的混合物用作所述高温燃烧器的气化剂，从而在所述高温燃烧器中产生的所述气体含有CO、H2和N2，并且CO和H2的加和与N2的摩尔比约为3。
21.一种通过气化法处理废物的方法，该方法包括通过两段气化法，将已经粉碎成所要求的粒度范围的废物气化，产生气体；以及通过CO变换反应使所产生的气体转化成氢气。
22.如权利要求21的方法，其中所述的废物包括一种或多种城市垃圾、由弃渣提取的燃料、固体-水混合物、塑料废物、生物废物、汽车废物和低级煤。
23.如权利要求21的方法，其中所述的两段气化是低温气化与高温气化的结合，并且所述的低温气化是利用循环流型的流化床层进行的，所述的高温气化是利用涡流型高温燃烧器进行的。
24.一种通过气化法处理废物的装置，该装置包括在低温下使废物气化以生产气体原料和木炭的流化床反应器；在高温燃烧器中，在高温下使所述气体原料和木炭气化的高温气化室；在高温燃烧器中，用于冷激所述气体的有水的冷却室；从来自所述冷却室的所述气体中除去酸性组分的设备；进行CO变换反应、变换来自除酸设备的气体的CO变换反应器；将来自所述CO变换反应的气体分离成氢气和剩余气体的分离设备；将所述剩余气体作为流化气体供给所述流化床反应器的供给管路。
25.如权利要求24的装置，其中所述的高温燃烧器包括一个涡流型高温燃烧器。
26.如权利要求24的装置，其中所述的流化床反应器包括一个循环流型的流化床反应器。
27.如权利要求24的装置，其中在所述流化床反应器内的所述低温处于450-950℃的范围内。
28.如权利要求24的装置，其中在高温燃烧器内的高温为1200℃或更高。
29.一种通过气化法处理废物的装置，该装置包括在低温下使废物气化以生产气体原料和木炭的流化床反应器；在高温燃烧器中，在高温下生产气体的高温气化室；在高温燃烧器中，用于冷激所述气体的有水的冷却室；进行CO变换反应、变换来自所述冷却室的气体的CO变换反应器；从来自所述CO变换反应的所述气体中除去酸性组分的设备；以及将所述酸性组分的一部分作为流化气体供给所述流化床反应器的供给管路。
30.如权利要求29的装置，其中所述的除酸设备设置在所述冷却室和所述CO变换反应器之间。
31.如权利要求29的装置，其中所述的高温燃烧器包括一个涡流型高温燃烧器。
32.如权利要求29的装置，其中所述的流化床反应器包括一个循环流型的流化床反应器。
33.如权利要求29的装置，其中在所述流化床反应器内的所述低温处于450-950℃的范围内。
34.如权利要求29的装置，其中在所述高温燃烧器内的所述高温为1200℃或更高。
全文摘要
一种处理废物的方法及装置,该方法及装置通过两段气化法回收废物中的金属或灰分和气体,并且得到的金属或灰分处于可重新利用状态,且气体含有一氧化碳(CO)和氢气(H
文档编号C10J3/66GK1253577SQ97182129
公开日2000年5月17日 申请日期1997年10月22日 优先权日1997年4月22日
发明者藤村宏幸, 平山详郎, 藤并晶作, 高野和夫, 入江正昭, 广势哲久, 永东秀一, 大下孝裕, 福田俊男 申请人:株式会社荏原制作所, 宇部兴产株式会社