用于生物质污泥销毁的气化器和焚化炉的制作方法

专利名称：用于生物质污泥销毁的气化器和焚化炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于处理生物质废料、具体来说是生物质污泥和例如 动物粪便或其它污水软泥等的泥状物质的焚化炉等。
背景技术：
必要的是，各种生物质污泥、具体是例如来自其中也许饲养了成 千上万头动物供屠宰的工厂化农场的动物粪便应当经过适当处理，使 得它们变成惰性无菌材料。可能发生这些形式的生物质及其它相关挥 发性固体中可具有必须销毁的传染性或者甚至致命细菌或病毒的情 况。动物粪便可具有相当多的水，但还可包含大百分比的氢、碳以及 例如氮、硫磺、铁、氯、镁、锰、钠和钾等大量微量元素。希望加热 所有这些材料，使得有机物质转换为气体和残余二氧化碳以及残余化 合物和元素，其中气体优选地为无害气体，例如氧化成水蒸汽的元素 氬和氧等。在周围室温或环境温度通常为固体的残余物应当作为惰性 矿物材料结束。
为了实现将这类生物质废料及相关挥发性固体变成相对惰性气 体和矿物盐、合金或其它化合物，需要充分加热这些材料，以便中断 分子结构之间的化学键。需要强加热来中断各种化学键，例如氢-碳 键。必要的是，基本上中断所有氢-碳键，因为键通常存在于有机材 料，这些有机材料必须被销毁。以这种方式对这类材料的这种极端加 热称作热解，它被定义为通过热作用的化学分解。这种热解通常在大
约850。C至1000。C的温度执行。理想地产生的粉灰(ash)材料在 1000°C时将发橙红色，而在冷却时最终将为白灰，其中粉灰材料主 要由矿物盐组成。有机材料的主要成分、即氢和碳经过气化以便主要形成二氧化碳和水。
作为最终产物不希望的并且甚至是不可接受的是黑色粉灰。这种
黑色粉灰指明粉灰没有完全化掉(reduce)，以及在粉灰中仍然存在 碳和烃材料等等。因此，粉灰中可能包含有机材料，其中有机材料甚 至可能釆取细菌或病毒的形式，或者可能是化合物，包括毒性材料， 例如二恶英(dioxin)、呋喃和其它有机氯化物。
基本上，热使废料自行处理，其中处理主要包括例如氢-碳键等 各种化学键的热解中断，以便准许所有可能的材料的气化。
简言之，生物质的焚化包括两个阶段，即气化阶段和碳处理阶段。 在第一气化阶段中，当生物质被加热时-也就是说当它吸收热量时 -从其中驱散气体，以及这类气体包括水、例如曱烷等烃类气体和其 它挥发性有机化合物(VOC)。当气化阶段结束时，剩余污泥通常将变 成具体包含碳和其它矿物的干粉状物质。在焚化的碳处理阶段中，通 常通过提供附加气流来使碳氧化，并且从剩余粉灰中驱散二氧化碳。
此外，应当注意，根据本发明的生物质污泥的二阶段焚化仅在热 炉膛系统中进行，正面进行论述；以及第一气化阶段通常在无需附加 氧的情况下以略低于第二碳处理阶段的温度进行。通常还将通常为空 气的附加氧提供到其中发生碳处理阶段焚化的焚化炉的侧面。
其中使数千头牛相互保持在近距离而不允许在草地上放牧以及 从饲料槽喂养牛的德克萨斯州的大规模育肥场牛运营研究表明，可每 天例如以200吨的数量产生牛粪。显然，掩埋或筑池存放那种数量的 生物泥状物质只能是短期解决方案。即使这样做，也可能对周围区域 以及对当地环境形成废物或其它污染。
然而，来自所谓的在那里废物进入市政给水的"工厂化农场"的废 物的众所周知的示例于2000年5月在加拿大的安大略的沃克顿镇发 生。七人死亡，主要是由于存在大肠杆菌(e-Coli);以及超过2300 人染病。发生所有这一切都是因为来自其中铜养肉牛供屠宰一个或多 个工厂化农场的废物，以及在那里污染雨水进入市政给水或者市政水供应从其中抽取的其它地下水源。市政供水系统得到不适当监测和监
管；但值得怀疑的是，如果没有适当控制以防止这种废物，则会发生悲剧。
本发明人出乎意料地发现，如上所述，例如牛粪或其它动物粪便 等生物质污泥或者甚至人类排泄物能够在下面所述的连续过程中并
且通过下列方式有效地燃烧或者通过热解(如上所述的)来焚化一 旦已经建立热解过程，则需要极少附加能量输入。生物质污泥是有效 的单一燃料，它起作用以便确保它自己的通过热解或气化的销毁。
优选地具有小于1 cm的颗粒大小，并且更通常在1至5mm范围内。 此外，污泥可包含高达100%的细分度的固体含量，但是，生物质污 泥、如动物粪便通常具有从20%直到大约80%的固体范围，其余为 液体。下面将会论述，生物质污泥必须使得它能由螺旋钻来移动。
下面还会强调，本发明包括所谓的"热炉膛系统"，表示待焚化的 生物质污泥的装入料将驻留在按照以下所述方式从下面加热的极热 炉膛上。
此外，下面进行论述，本发明提供一种用于生物质污泥的焚化的 连续操作，而不是通过需要焚化炉的冷却和加热循环的分批过程。显
然，如果生物质污泥的焚化可使用连续过程来实现，由此避免焚化炉 的冷却和加热，则可实现所引起的能量节省。
附图概述
现在通过示例、结合附图来描述本发明的实施例，附图包括:
图l是第一现有技术焚化炉的截面侧视图2是第二现有技术焚化炉的截面侧视图3是第三现有技术焚化炉的截面侧视图4是第三现有技术焚化炉的平面图5是根据本发明的生物质气化器和焚化炉的简化正视图；图6是才艮据本发明的生物质气化器和焚化炉的简化平面图； 图7是根据本发明的备选生物质气化器和焚化炉的简化正视图； 图8是根据本发明的另一个备选生物质气化器和焚化炉的简化 正视图9是与图3相似的截面侧视图，但示出根据本发明的生物质气 化器和焚化炉的结合细节；以及
图IO是与图4相似的平面图，但示出根据本发明的生物质气化 器和焚化炉的结合细节。
现有技术说明
几乎所有生物质焚化均在焚化炉中发生，焚化炉包括至少两个腔 室主室，生物质装入料放入其中以便焚化；以及与主室有热传递关 系的辅助室或热传递室，或者通向焚化炉的排烟道的补燃器室。
为了获得主室中的所有生物质材料的挥发，需要断开各个分子之 间的键-主要是氢-碳键。键的这种断开基本上是化学反应、 一般是 吸热化学反应，并且要求将外部热能量引入材料，以便发生各种反应 发生。氧化反应是放热的，这些反应提供从反应材料释放热能。补燃 器室中的这种释放热能趋向于引起主室中的温度的增加，其中温度的 增加因此趋向于将那些材料推向其挥发温度。
如果引入生物质材料的外部热能处于极高温度或者特别是在集 中区域很突然地施加，则趋向于发生两种情况第一，发生的任何反 应趋向于相当激烈，因而使飞灰(fly-ash)产生挥发生物质的烟雾； 第二，突然且集中的反应产生大量热能，它又会引起周围材料的突然 挥发，挥发可能有些激烈。此外，如果大量材料按照紧挨的上文所述 方式在较短时间段挥发，则主室的环境温度将趋向于相当大地升高， 因而使其余生物质更迅速地挥发，但不是以受控速率挥发。换言之， 反应至少在某种程度上不受控制。
为了具有一种一般是可控的、在热生成速率和反应速率方面没有
9突然变化并且因此相对地没有突然的物理扰动的连续挥发反应，需要 施加外部热能，以便实现生物质材料的温度连续緩慢地上升到其挥发 点。
所有已知的现有技术焚化炉和焚化器均设计成在向生物质材料 施加热量方面使用比较强烈的技术，以便使生物质材料挥发。基本上， 根据更大热能输入将引起更大化学反应和挥发的假设，所有已知的现 有技术焚化炉均使用"强力"来引起所需挥发。
传统焚化炉和焚化器的一个示例如现有技术的

图1所示并且用 一般参考标号l来表示，它釆用两个或更多燃烧器，其中第一燃烧器
2处于焚化炉1的主室3中-主室是用于焚化的生物质装入料或其 它材料所放置的位置-以及位于排烟口 6的第二燃烧器5。主室3 中的第一燃烧器2针对生物质4,并且预计用于最初点燃生物质4。 但是已经发现，驱散的烟雾包含例如飞灰等具有氢-碳键的大量材料 以及其它未焚化材料。因此包含第二燃烧器5，以便充当补燃器，进 一步燃烧烟雾中存在的材料。但是，较大体的材料、如飞灰可包含数 百万或数十亿分子；因此，烟雾携带的这种体的材料在它们开始经过 补燃器室7时可能没有完全被焚化。
主室3中的第一燃烧器2直接针对生物质4或者待焚化的其它材 料，以便引起生物质4的直接燃烧。火焰趋向于使生物质废料燃烧， 并且还趋向于在物理上搅动生物质4。因此，不希望的大量飞灰包含 在来自燃烧生物质4的烟雾中。烟雾和飞灰包含未燃烧材料，它们可 能是有机材料，并且还可能包含例如二恶英、呋喃和有机氯化物等不 希望的危险化学 品。
此外，这种类型的常规现有技术焚化炉1没有整体地提供充分热 强度以便适当焚化所有废料。只有局部热量通过主室3中的第一燃烧 器2以及还通过主室1的底部8来提供，其中第一燃烧器2焚化生物 质4的表面，以及底部8最终充分加热，以便引起与其直接接触的生 物质4的燃烧。往往没有足够的热强度来引起甚至确实燃烧的材料的完全气化，并且肯定没有足够的热强度来引起生物质中心的废料的完 全气化。实际上，已经发现，生物质装入料4的中心的废料根本没有 燃烧多少。所产生的粉灰仍然为黑色，这指明粉灰主要由碳组成。已 经发现，通常还存在例如二恶英、呋喃和有机氯化物等不希望的材料 以及其它有机物质。通常，这种黑色粉灰按体积大约为原始废料的
10%至15%(以及按重量大约为15%至25%)。
图2公开一种改进的焚化炉和焚化器，它克服了常规的现有技术 焚化炉和焚化器所遇到一部分问题。这种焚化炉基本上如1986年8 月5日公布的本发明人的美国专利No.4603644中所教导。那个专利 中所教导的并且由通用参考标号10所表示的焚化炉和焚化器在主室 13的后壁12中具有排放口 11,其中排放口 ll通向垂直设置的火焰 室14。火焰室14包括起初的混合室15和补燃器室17,其中，在混 合室15中把来自单一燃烧器构件16的火焰与来自主室13的烟雾混 合，以及在补燃器室17中，来自混合室15的烟雾起反应-以断开 氬_碳4建—以及气化烟雾中的材料。这个过程称作"裂化(cracking )"。 补燃器室弯曲90。拐角，其中发生"裂化"的大部分。补燃器室17较短 的水平设置部分通向大致水平设置的热传递室18。来自补燃器室17 的氢-碳—睫的"裂化"的热量使热传递室的温度升高到大约1000°C。热 传递室中的热量通过又作为主室的底部的热传递室的顶部19上升， 以便加热主室和主室13中的生物质9。这样，生物质9接收来自热 传递室18的传导和对流热量，其中传导和对流热量帮助加热主室13 中的生物质9。燃烧器构件16位于混合室15的顶部，接近地位于来 自主室13的排放口 11旁边。因此，来自燃烧器构件16的火焰通过 排放口 11将直接辐射热量提供到主室13中。这种直接辐射热量到达 被焚化的生物质，并且帮助加热生物质9(称作"直接辐射热挥发")。 通过直接辐射热的这种焚化趋向于引起生物质9的燃烧，使得引起先 期点火，其导致过程的早期阶段中的不完全燃烧。还包含点火燃烧器 19以便帮助废料物质的燃烧。这个燃烧器的起火可引起主室中的不稳定性，并且引起飞灰材料的散发。飞灰的一部分在补燃器室17中
被气化；但是，完全有可能的是，飞灰的一部分可能经过补燃器室 17但没有完全气化。这种不完全气化一般是不可接受的，因为这种 材料可能包含氢碳、二恶英、呋喃以及例如细菌、病毒和其它微生物 等的其它不希望的有机物质。
所有已知的现有技术焚化炉和焚化器使用 一个或多个以及可能 甚至若干控制系统，以便设法稳定主室中的温度。已经发现，这类多 个控制系统的使用趋向于产生其中主室的温度可改变、因而不能认为 是稳定的整体系统。稳定性的这种缺少是由基本上相互阻碍的多个控 制系统引起的。
已经发现，由于发生的焚化过程的固有性质，如上所述的这类现 有技术焚化炉和焚化器产生不可接受的最终产物。所产生的烟雾具有 较高等级的氢-碳、二恶英、呋喃及其它材料和物质，并且还可包含 飞灰，而焚化炉中剩余的所得粉灰可具有不希望的有机物质，例如细 菌、病毒和其它微生物。因此可以看到，生物质废料及相关挥发性固 体的焚化一般是不可接受的，因为它没有使可能的传染性废料完全是 安全的。
另一种现有技术方法如图3和图4所示，其中示出由通用参考标 号20所表示的气化器。这个气化器20如本发明人1997年3月18日 发布的美国专利5611289以及2000年9月12日发布的6116168所示。 气化器20包括主室30，它成形为在其中接收待气化的废料22的装 入料。主室30包括主门32,它准许有选择地进入主室。小容量空气 入口 34可包含在门构件32中，用于准许少量空气或氧流入主室30。 主室30的底部36由适当的耐火材料制成，使得足够强到支承置于其 中的可能为数千磅的任何材料的重量。底部36还是热传导的，以便 允许热量从下面进入主室30。
烟雾移出口 38位于主室30的后侧并且设置在主室顶部附近。烟 雾移出口 38与主室30流体连通，以便当废料22的装入料在主室30中气化时准许烟雾从主室30逸出。来自烟雾移出口 38的烟雾包括气 体以及还包括其中具有氬、碳和氧原子的分子，其中有氢和碳一起成 键(因此具有氢-碳键)的许多成分。
垂直设置的混合室40与烟雾移出口 38流体连通，因而接受来自 主室30的烟雾。补燃器室42与混合室40流体连通。在优选实施例 中，补燃器室具有如双箭头"A，，所示以90。拐角连接到水平设置的第 二部分46的垂直设置的第一部分。90。拐角的"角对角"宽度大于补燃 器室42的宽度，以便使补燃器室42的效果为最大，下面更详细地进 行论述。因此补燃器室成形和确定尺寸为准许加热火焰完全氧化来自 主室的火焰的基本上所有成分。
采取辅助热输入燃烧器48的形式的燃烧器构件位于混合室的顶 部，并且取向为使得通过混合室40向下射出加热火焰并且进入补燃 器室42的第一垂直设置部分。来自辅助热输入燃烧器48的加热火焰 引起烟雾成分的附加氧化，以便将这些组分的主要部分分解为二氧化 碳和水蒸汽-水蒸汽是在大约100。C或更高的温度的气体。
混合室准许在混合室中来自主室30的烟雾的成分与周围空气在 混合室内进行混合以及还与来自与辅助热输入燃烧器48并列设置的 氧入口 49的氧进行混合。
辅助热输入燃烧器48具有燃料入口和空气入口 ，以准许分别向 输入燃烧器48供应燃料和氧气。控制部件通过电线57在与输入燃烧 器48工作连接，并且用于控制向输入燃烧器48供应燃料。通常需要 调整最初到辅助热输入燃烧器48的燃料的流量，以便产生伸到补燃 器室42的相当大的加热火焰。由于补燃器室42通常增加温度，到辅 助热输入燃烧器48的燃料的流量通常减小，因为一旦气化过程在进 行中，则需要较小输入使补燃器室46保持为大致恒定温度。
隔墙50设置在混合室40与主室30之间以及设置在补燃器室42 的垂直设置的第一部分44与主室30之间。隔墙50定位并且确定尺 寸为阻止辅助热输入燃烧器48所产生的加热火焰进入主室30,以及还阻止加热火焰的辐射直接进入主室30。这样，加热火焰没有直接 加热主室中的废料22，因此没有使材料的局部区域突然过热。具体 来说，隔墙50阻止来自辅助热输入燃烧器48的加热火焰物理搅动材 料22，由此当材料22被加热和气化时阻止从废料22产生飞灰。
隔墙50的高度通过对其减少或增加砖51而可变，以便允许烟雾 移出口 38的横截面面积的"微调"。通常使烟雾移出口 38保持为尽合 理性可能的大，以便允许烟雾易于从主室30逸出。在补燃器室42中， 各种材料中的氢-碳键以及其他键分裂和氧化，使得产生纯放热反应。 本行业称作"裂化"的氢-碳键的断裂主要在补燃器室42的垂直设置的 第一部分44与水平设置的第二部分46之间的90。拐角处发生。这个 拐角称作"裂化区域"。
当烟雾离开补燃器室的水平设置的第二部分46时，它们进入热 传递室52。来自这些放热反应的热量使热传递室52加热到极高温度， 最后加热到大约1000。C。这个温度当然通过辅助热输入燃烧器48的 控制部件是可调的。当来自氢-碳键的"裂化"的热量加上来自辅助热 输入燃烧器48的残余热量增加热传递室52中的温度时，控制部件 52可用于减小从辅助热输入燃烧器48所射出的加热火焰。这个控制 部件56可与感测热传递室52中的温度的热电偶58连4妄。热电偶58 通过电线59与控制部件56电连接，以便向控制部件提供反馈信号， 从而允许自动调整来自辅助热输入燃烧器48的加热火焰。热传递室 52分为两部分，以便增加热传递室52的有效长度，因而增加热传递 室中的热气体暴露于上方的主室30的底部36的时间量，并且由此准 许更大热量从热传递室52传递到主室30。
主室30叠加在热传递室52之上，其中热传导底部36以分隔关 系设置在它们之间，使得来自热传递室52的热量经过热传导底部36, 以i"更准i午主室30的传导和对流加热，由此增加主室30的温度。
热传递室52与位于主室30的后部垂直设置的排气口 54流体连 通。排气口 54允许氧化烟雾安全地排放到周围环境。
14主室中的温度可通过两种方式来控制第一，辅助热输入燃烧器
48通过控制部件56从热传递室52中的热电偶58接收反馈来调制。 燃料输入、因此来自辅助热输入燃烧器48的火焰的大小按照热电偶 58经受的温度来选择。第二，可准许少量空气通过主室30的主门32 中的小容量空气入口 34进入主室30。准许极少量空气进入主室30 可升高主室30中的温度。
当启动辅助热输入燃烧器48时，来自辅助热输入燃烧器48的热 量对热传递室52加热，由此緩慢且稳定地引起主室30的温度的升高。 当主室30中的温度升高时，废料22的低焓部分的挥发开始发生，因 为低焓材料22根据定义具有较低键能。在主室30中以及在补燃器室 42的"裂化区域，，中发生的低焓材料22的放热反应与来自辅助热输入 燃烧器的热量结合，以便继续对热传递室52加热，以便引起主室30 中的温度的稳定且连续升高。当主室30中的温度增加时，使废料22 的高焓部分挥发，因而从所得放热反应产生甚至更大的热能。这种增 加的热能继续与来自辅助热输入燃烧器48的热能结合，以便继续将 热量加入热传输室52，因此增加主室30的温度。因此，存在通过废 料22的放热反应所发出的热能量随时间的稳定且连续增加。主室30 中的热电偶58始终允许监测热传递室52的温度，并且准许辅助热输 入燃烧器48自行调制，以便阻止热传递室52中的热量过度升高。基 本上，主室30中的温度的增加基于来自材料22的连续放热反应的热 能的緩慢升高。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种气化器和焚化炉，用于气化采 取颗粒大小不大于1 cm并且具有20%至100%固体含量、其余为液体 的污泥形式的生物质废料。
本发明的气化器和焚化炉包括适合于在其中接收生物质污泥以 便对其进行气化和焚化的主室。烟雾移出口设置在主室的顶部附近，并且与主室流体连通，以便 准许烟雾从主室逸出。
混合室与烟雾移出口流体连通，以便接受来自主室的烟雾。 存在与混合室流体连通的补燃器室。
辅助燃烧器构件位于一个气化器中，以便在补燃器室的第一垂直 设置部分中产生初始加热火焰，并且辅助燃烧器构件具有准许分别向 燃烧器构件供应燃料和氧气的燃料入口和空气入口以及控制向燃烧 器构件供应燃料和氧气的控制部件。
隔墙设置在混合室与主室之间，并且隔墙限定移出口的底部界限。
存在与补燃器室流体连通的热传递室，其中从补燃器室流动的加 热气体引起热传递室的加热。
主室具有热传导底部，并且叠加在热传递室上，其中热传导底部 以分隔关系设置在它们之间，以便准许主室的传导和对流加热。
排气口与热传递室流体连通，以便将烟雾排放到周围环境。
还存在至少一个主螺旋钻，它横跨设置在主室中，并且在第一端 与污泥进料斗相连，以及在第二端与灰斗相连。
提供驱动部件以旋转至少 一个主螺旋钻，以^便驱动生物质污泥通 过主室经过热传导底部从污泥进料斗到灰斗。
要注意，热传递室位于至少一个主螺旋钻之下靠近其第二端。
生物质污泥在经过主室从污泥进料斗流通到灰斗时的停留时间
通常在范围20分钟至3小时之内。
在位于热传递室上方一侧向主室提供空气或氧的附加供应。 本发明的气化器和焚化炉还可包括位于主室上方并且与其具有
热传递关系的第 一液体提取室。
在那种情况下，辅助螺旋钻横跨设置在第一液体提取室中，并且
具有在污泥进料斗与中间污泥进料斗之间驱动生物质污泥的驱动部
件，它与至少一个主螺旋钻的第一端相连。因此，当待气化和焚化的生物质污泥具有高液体含量时，液体的 至少 一部分在第 一液体提取室中通过从主室传递到其中的热量被分离。
此外，根据本发明的气化器和焚化炉还可包括分隔墙，它纵向设 置在主室中，并且具有低于主室的高度。分隔墙中存在螺旋钻通过其 中的开口 ，以便将生物质污泥从污泥进料斗驱动到灰斗。
混合室通常一般垂直设置。
另外，燃烧器构件通常设置在所述混合室的顶部。 要注意，隔墙的高度可以是可变的。
根据本发明的气化器和焚化炉的结构使得补燃器室通常具有垂 直设置的第一部分和水平设置的第二部分。
另外，补燃器室的垂直设置的第一部分以流体连通方式通过90。 拐角连接到补燃器室的水平设置的第二部分。
要注意，90。拐角具有大于补燃器室的宽度的"角对角"距离，由 此有效地增加那个点处的补燃器室的截面面积。
本发明还提供一种连续气化和焚化采取颗粒大小不大于1 cm并 且具有20%至100%固体含量、其余为液体的污泥形式的生物质废料 的方法，其中该方法包括以下步骤。
首先，将一定量的生物质污泥放入污泥进料斗，并且通过采用螺 旋钻驱动生物质污泥经过主室，将一部分生物质污泥引入气化器和焚 化炉的主室。
启动设置在所述气化器中的燃烧器构件，以便产生通过混合室引 导并且仅垂直设置在补燃器室中的初始加热火焰。
热传递室最初通过初始加热火焰来加热，由此阻止来自火焰的辐 射直接进入主室。
生物质污泥在主室中通过仅来自热传导室的传导和对流加热来 加热，以便阻止所述生物质污泥除了螺旋钻所引起的之外的物理扰 动。烟雾从生物质污泥导入混合室。
仅来自烟雾的氧化的热量才用于进一步对热传递室加热。 烟雾然后从热传递室取出。
将更多生物质污泥连续进给到螺旋钻的第一端，以及从位于螺旋 钻的第二端的灰斗连续移走粉灰。
初始加热火焰通常通过大致垂直设置的混合室来引导。 此外，燃烧器构件位于气化器和焚化炉中，以便设置在混合室的 顶部。
最后，将初始加热火焰引导到具有垂直设置的第一部分和水平设 置的第二部分的补燃器室。
优选实施例详细il明
关于其结构、组织、用途和操作方法连同它的其它目标和优点。
首先来看图5和图6，示出根据本发明的生物质污泥气化器和焚 化炉的简化图。生物质污泥气化器和焚化炉一般用标号100来标识， 并且包括主室102、辅助室或补燃器室104以及至少一个主螺旋钻 106。将生物质污泥从污泥进料斗108馈入生物质污泥气化器和焚化 炉100,以便连同在灰斗110中所收集的产生的焚化粉灰被至少一个 主螺旋钻106携带经过主室102。
如上所述，要根据本发明气化和焚化的生物质污泥可包含动物粪 便、污水废料和其它泥状生物质，只要没有颗粒大小大于1 cm的颗 粒物质。生物质污泥可包含从20%—直到100%固体，其余是液体。
包含具有高能成分(content)的生物质废料。例如，例如肉和骨等具 有较高脂肪含量的碾碎的动物组成部分将包含高能成分。这种高能生 物质废料的气化和焚化在例如处置取自其中存在或怀疑禽流感的农 场的大量腐烂物等的一些情况下非常重要。同样，在牛有时可能被屠宰和切碎的地方发现或怀疑疯牛病的存在。重要的是，这种生物质废 料完全被气化和焚化，以便排除携带或引起那些疾病的病毒或蛋白质 材料进入无论是人类还是动物的任何食物链的可能性。
在任何情况下，气化器和焚化炉100使用通常由其制成这类装置
的、作为耐受在范围850。C至1000。C、以及在一些情况下高达1300。C 的温度的结构用材料的典型耐火材料来构成。螺旋钻通常由不锈钢制 成，同样以便耐受它们所受到的高温而没有损失结构完整性。但是可 能要注意，在操作中，螺旋钻可能以发热砖红色出现。但是，这种现 象是预期的，因为它确保将热量传递到被气化和焚化的生物质污泥。 气化器和焚化炉100的基本结构和操作与参照图3和图4所述的 现有技术装置20没有不同。因此会看到，回流室112与烟道(stack) 114相连；并且大家会理解，流入回流室112的气体一^:处于比流入 辅助室104的气体更低的温度，因为这些气体会向热传导炉膛116排 放热量。
连同辅助风扇120—起提供补充或辅助燃烧器118，并且辅助燃 烧器118的目的是当根据本发明的气化器和焚化炉的在不同情况下 的连续操作起始时提供初始或启动火焰。
将燃料提供给辅助燃烧器118，并且操作辅助风扇120，以便在 补燃器室104的垂直部分建立热量，如122所示。该热量当然会使气 体通过辅助室104流入回流室112然后沿烟道114向上。但是，当那 些气体变得更热时，更大热量被传递到驻留在炉膛116上并且由螺旋 钻106移位和驱动的生物质污泥。在相当短的时间中，生物质污泥将 被充分加热，以便开始发出包含水和例如曱烷等挥发性有机化合物的 气体。当越来越多的这些挥发性有机化合物被排放时，它们将进入烟 雾移出口并且进入混合室，或者通过垂直补燃器室部分122移入补燃 器室104中。最后，那些气体足够热，使得它们需要极少(即使有的 话)，来自辅助燃烧器118的附加热输入则可关闭。当然提供充分的 监测和控制部件，以便确保辅助室104中的温度足够高到向位于补燃器室104上方的生物质污泥传递充分热量，以便可进行气化和焚化过
程的碳处理阶段，如上所述。如果需要附加热量，则将根据需要启动
辅助燃烧器118。
当然提供驱动电机或其它驱动部件124,以便驱动螺旋钻106。 螺旋钻旋转的速度可在每三或四分钟一转至高达5 RPM的范围之内。
根据待气化或焚化的生物质污泥的性质，当然可以按相反方向驱 动相邻螺旋钻106。另外，螺旋钻的大小和节距(spacing)取决于待 气化和焚化的生物质污泥的性质。
为了适应偶尔的清洗以及实际上进入气化器和焚化炉100的内 部的必要性，提供了检修门126。
图7示出根据本发明的气化器和焚化炉的备选形式，它的不同之 处仅在于添加位于主室102上方的液体提取室128。在这里，污泥进 料斗108a设置在螺旋钻106a的第一端，以及中间进料斗130设置在 主螺旋钻106的第一端。液体提取室128的目的是准许从待气化和焚 化的生物质污泥中提取过度液体。通过另一个热传送炉膛132从主室 102传递热量，以^_驱动来自生物质污泥的气化液体。气化液体将通 过排放口 134逸出到烟道114。
气化器和焚化炉的另一种备选形式如图8所示。在这里，分隔墙 136纵向设置在气化器和焚化炉中，以便将主室分为两个室102a和 102b。它们通过通风道(vent passage) 138相互气体连通；以及大家 会理解，分隔墙136的高度可根据待气化或焚化的生物质污泥的性质 而改变，但是在任何情况下，它均小于主室102a、 102b的高度。
现在清楚地理解，本发明不仅通过气化器和焚化炉来提供用于生 物质污泥的设备，它还提供用于气化和焚化生物质污泥的方法。在那 个方面，大家会理解，本发明的方法提供连续气化和焚化，而不是先 前使用现有技术装置可得到的分批过程。
将一定量生物质污泥放入污泥进料斗，以及将一部分生物质污泥 引入气化器和焚化炉的主室，并且由螺旋钻驱动经过主室。如上所述，启动燃烧器构件，以便产生引导通过混合室并且仅垂直设置在补燃器
室中的初始加热火焰。传热室最初通过初始加热火焰来加热；并且阻
止来自火焰的辐射直接进入主室。
主室中的生物质污泥通过来自位于主室下方的热传导室的传导 和对流加热来加热，并且阻止生物质污泥除了緩慢移动的螺旋钻所引 起的之外的物理扰动。
把来自加热生物质污泥的烟雾导入混合室，以及来自那些烟雾的 氧化的热量还将对热传递室加热。烟雾则从热传递室取出，以便排放 到环境中。
同时，通过污泥进料斗将更多生物质污泥连续进给到螺旋钻的第 一端供气化和焚化，以及从位于在灰斗处从螺旋钻的第二端移走粉灰。
最后来看图9和图10,示出根据本发明的气化器和焚化炉的略 微更具体的教导。大家会看到，这些附图与图3和图4没有不同，并 且对于大部分，相同的参考标号用来标识相同的结构特征。图9和图 10所示的气化器和焚化炉的机能和操作与以上针对图3和图4所示 的现有技术焚化炉所述的相似。
但是，也采用了图5至图8中所使用的几个参考标号。因此，在 图9和图10的气化器和焚化炉中看到螺旋钻106;并且从箭头150 会注意到，相邻螺旋钻可以或者可以不逆转。大家还会理解，附加空 气或氧气入口 34设置成与位于补燃器室52、 104上方的主室102的 那个位置成一直线。生物质污泥152通过与以上所述相同的方式驱动 经过主室；并且要强调，图9和图10的气化器和焚化炉的操作是连 续的，而不是分批过程。
示出辅助或补充燃烧器118,但是通过以上描述会理解，其目的 是提供初始加热火焰。此后，辅助燃烧器118可以或者可以不起作用， 取决于与热电偶58以及与本领域的技术人员会理解的其它操作控制 进行通信的控制器56的操作。另一方面，空气或氧气通过通风口49
21提供给辅助或补燃器室，并且将连续流动。
要进行的主点在于，本发明的结构和操作提供连续气化和焚化过 程；但必须理解，要将气化和焚化的生物质具有生物质污泥的形式。
由于螺旋钻106的操作限制，已经确定，当生物质污泥使得不存在大 小大于1 cm的颗粒，以及污泥的固体含量在范围20%直到100%之内 时，将会最佳地实现根据本发明的气化器和焚化炉的有效操作。
大家还会理解，由于操作的性质，具体来说因为它是连续操作， 因此一旦气化器和焚化炉完全工作时，则辅助燃烧器可关闭。换言之， 用于气化器和焚化炉的连续操作的燃料正是将要气化和焚化的生物 质污泥。因此， 一旦正在进行，则对根据本发明的气化器和焚化炉的 操作的附加能量输入要求为最小。有效地，唯一的附加能量输入要求 是电气的，以便驱动螺旋钻的电机，以便为在位的任何电子控制以及 为作为可操作的风扇的任何其它电机提供电力。但是，在初始启动火 焰所需之外没有附加燃料要求，因此不需要或不必要贮存例如柴油或 其它燃烧器用油、丙烷或天然气等大量燃料。
实际上，显著的长期有益效果可AU艮据本发明的位于例如养牛场 等位置的气化器和焚化炉的用途及操作来得出。作为一个举例，在每 天产生200吨牛粪的育肥场中，牛粪的气化和焚化每天可产生多达2 兆瓦的能量(采取电力或蒸汽的形式)。那个能量则可用于支持在养 牛场进行的许多其它操作，包括加热、操作用于饲料分配的电力设备等等。
如上所述，根据本发明要气化和焚化的生物质污泥的典型停留时 间可在范围20分钟至3小时之内。如果生物质污泥是例如碾碎的动 物组成部分等，则它比较干燥并且具有高能成分，并且停留时间比如 果生物质污泥具有较高液体含量和较低能成分时要少。此外，例如牛 粪等生物质污泥更易于处理，并且具有比猪粪更低的液体含量。后一 种生物质污泥可能要求在结合例如图7所示等的第一液体提取室的 气化器和焚化炉中的处理。停留时间的确定在某种程度上可以是凭经验的。但是，当经验是 由操作人员获得时，特别是在待气化和焚化的生物质污泥基本上始终 相同的那些情况下，可为根据本发明的气化器和焚化炉的最有效操作 建立螺旋钻的驱动速度的控制。
通过将待气化和焚化的生物质污泥的小样本放入例如坩锅，并且
经受的极高温度时将该生物质污泥变成粉灰所需的时长，还可以能够 粗略确定停留时间。
水道废弃废水。这在一些情况下可具有某些优点，例如为众多人的临 时集会提供可移动卫生间-例如教皇来访、著名乐队的音乐会等-或者在其中可能存在长期市政或军事设施(例如位于发现永冻土并且 污水处置成问题的高炜度北极)的情况下可具有优点。
在根据本发明的气化器和焚化炉的操作中，有可能的是，在主室 中发生焚化的碳处理阶段的主室的区域可能存在火焰。因此，当生物
质污泥在位于辅助或补燃器室104上方的主室102的区域中变成粉灰
时，有时可存在强火焰作用。为了阻止变得非常干燥和粉状的生物质
污泥的不适当扰动，有时可取的是提供如图8所示的附加分隔墙136。 另外，在操作中，气体在通过辅助或补燃器室104流动到室112 的温度之间的典型温度差大约为100。C。此外，虽然通过烟道114离 开本发明的气化器和焚化炉的气体可能相当热，但是它们将包含极少 或者没有包含有害气体或气化化合物，例如二恶英或者在大气中的存 在可能是不希望或者违法的其它挥发性有机化合物。挥发性有机化合 物的典型浓度可显著小于10ppm,这在大多数管辖范围中一般是可接 受的。
其它修改和变更可用于设计和制造本发明的设备，而没有背离所 附权利要求书的精神和范围。
在整个说明书和以下权利要求书中，除非上下文另作要求，否则，词语"包括，，和"包含"等将理解为暗示包含所述整数或步骤或者整数 或步骤组，而不是排除任何其它整数或步骤或者整数或步骤组。
权利要求
1.一种用于气化生物质废料的气化器和焚化炉，所述生物质肥料以颗粒大小不大于1cm并且具有20％至100％固体含量、其余为液体的污泥形式，所述气化器和焚化炉包括主室，适用于在其中接收生物质污泥以对其气化和焚化；烟雾移出口，设置在所述主室的顶部附近，所述烟雾移出口与所述主室流体连通，以准许烟雾从所述主室逸出；混合室，与所述烟雾移出口流体连通，以接受来自所述主室的所述烟雾；补燃器室，与所述混合室流体连通；辅助燃烧器构件，位于所述气化器中，以便在所述补燃器室的第一垂直设置部分内产生初始加热火焰，所述燃烧器构件具有准许分别向所述燃烧器构件供应燃料和氧气的燃料入口和空气入口以及控制向所述燃烧器构件供应燃料和氧的控制部件；隔墙，设置在所述混合室与所述主室之间，其中所述隔墙限定所述移出口的底部界限；与所述补燃器室流体连通的热传递室，其中从所述补燃器室流动的加热气体引起所述热传递室的加热；其中，所述主室具有热传导底部，并且叠加在所述热传递室上，其中所述热传导底部以分隔关系设置在它们之间，以便准许所述主室的传导和对流加热；排气口，与所述热传递室流体连通，以将所述烟雾排放到所述周围环境；至少一个主螺旋钻，横跨设置在所述主室中，并且在第一端与污泥进料斗相连，以及在第二端与灰斗相连；驱动部件，用于旋转所述至少一个主螺旋钻，以便驱动生物质污泥通过所述主室经过所述热传导底部从所述污泥进料斗到所述灰斗；以及其中，所述热传递室位于所述至少一个主螺旋钻之下靠近其第二端。
2. 如权利要求1所述的气化器和焚化炉，其中，所述生物质污 泥在经过所述主室从所述污泥进料斗流通到所述灰斗时的停留时间 在范围20分钟至3小时之内。
3. 如权利要求1或2所述的气化器和焚化炉，其中，在位于所 述热传递室上方的所述主室侧边上向所述主室提供空气或氧的附加 供应。
4. 如权利要求1至3中的任一项所述的气化器和焚化炉，还包 括位于所述主室上方并且与其具有热传递关系的第一液体提取室；辅助螺旋钻，横跨设置在所述第一液体提取室中，并且具有用于与所述至少 一个主螺旋钻的所述第 一端相连；由此，当待气化和焚化的所述生物质污泥具有高液体含量时，所 述液体的至少一部分在所述第一液体提取室中通过从所述主室传递 到其中的热量被分离。
5. 如权利要求1至4中的任一项所述的气化器和焚化炉，还包 括分隔墙，纵向设置在所述主室中，并且具有小于所述主室的高度， 以及其中具有开口，所述螺旋钻穿过所述开口，以便将生物质污泥从 所述污泥进料斗驱动到所述灰斗。
6. 如权利要求1所述的气化器和焚化炉，其中，所述混合室大 致垂直设置。
7. 如权利要求1所述的气化器和焚化炉，其中，所述燃烧器构 件设置在所述混合室的顶部。
8. 如权利要求1所述的气化器和焚化炉，其中，所述隔墙的高 度是可变的。
9. 如权利要求1所述的气化器和焚化炉，其中，所述补燃器室具有垂直设置的第一部分和水平设置的第二部分。
10. 如权利要求9所述的气化器和焚化炉，其中，所述补燃器室 的所述垂直设置的第 一部分以流体连通方式通过90。拐角连接到所述 补燃器室的所述水平设置的第二部分。
11. 如权利要求IO所述的气化器和焚化炉，其中，所述90。拐角 具有大于所述补燃器室的宽度的"角对角，，距离，由此有效地增加该点 处的所述补燃器室的横截面面积。
12. —种连续气化和焚化生物质废料的方法，所述生物质废料以 颗粒大小不大于1 cm并且具有20%至100%固体含量、其余为液体的 污泥形式，所述方法包括以下步骤将一定量的生物质污泥放入污泥进料斗，并且通过采用螺旋钻驱 动所述生物质污泥经过所述主室，将一部分生物质污泥引入气化器和 焚化炉的主室；启动设置在所述气化器内的燃烧器构件，以便产生初始加热火 焰，所述初始加热火焰被引导通过混合室并且仅垂直设置于补燃器室内；最初通过所述初始加热火焰对热传递室加热，由此阻止来自所述火焰的辐射直接进入所述主室；在所述主室中通过仅来自所述热传递室的传导和对流加热来加 热所述生物质污泥，以便阻止所述生物质污泥除了由所述螺旋钻引起 的之外的物理扰动；将烟雾从所述生物质污泥导入所述混合室；^使用来自所述烟雾的氧化的热量进一步对所述热传递室加热；从所述热传递室取出所述烟雾；以及将更多生物质污泥连续进给到所述螺旋钻的第 一端，以及从位于 所述螺旋钻的第二端的灰斗移走粉灰。
13. 如权利要求12所述的用于气化和焚化生物质污泥的方法， 其中，所述初始加热火焰通过大致垂直设置的混合室来引导。
14. 如权利要求12或13所述的用于气化和焚化生物质污泥的方 法，其中，所述燃烧器构件设置在所述气化器内，以便设置在所述混 合室的顶部。
15. 如权利要求12至14中的任一项所述的用于气化和焚化生物 质污泥的方法，其中，将所述初始加热火焰引导到具有垂直设置的第 一部分和水平设置的第二部分的补燃器室。
全文摘要
用于气化颗粒大小小于1cm、具有20％至100％固体含量的生物质污泥的装置，包括主室、烟雾移出口、接受来自主室的烟雾的混合室以及与混合室流体连通的补燃器室。辅助燃烧器在补燃器室的垂直部分中产生初始加热火焰。热传递室与补燃器室流体连通。来自补燃器室的加热气体引起热传递室的加热。主室具有叠加在热传递室之上的热传导底部，使得发生主室的传导和对流加热。至少一个主螺旋钻交叉设置在污泥进料斗与灰斗之间的主室中。热传递室位于主螺旋钻之下靠近灰斗的一端。
文档编号F23G7/00GK101588845SQ200780042861
公开日2009年11月25日 申请日期2007年9月21日 优先权日2006年9月22日
发明者戴维·R·布鲁克斯 申请人:戴维·R·布鲁克斯