利用铁液进行生活垃圾气化熔融的方法及装置与流程

本发明涉及垃圾处理生产中所使用的一种方法及装置。

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气，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，其水分高，一般达40～60％。热值低，一般为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一般需掺入垃圾总量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的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，由于处理费用高昂，一般企业承受不了，以至一些企业将灰渣无序排放，对周边居民建康造成威胁。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供了一种利用铁液进行垃圾气化熔融处理的方法及实现该方法的装置。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杜绝二恶英、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，本发明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方法及实现该方法的装置。该方法是准备一个铁液熔池，该熔池装在一个封闭的炉体中。铁液熔池的表面覆盖着一层富含氧化镁、氧化钙或碳酸钙、具有适当碱度的熔渣。同时准备一些预先压制成条状的垃圾块或粉碎成的碎粉状垃圾，再准备好水蒸气、氧气等气化剂。由炼铁、炼钢原理得知铁液可以容纳大量的碳，当往炽热的铁液中吹入一定量的气化剂，如氧气、水蒸气、二氧化碳时，铁液中的氧可以和铁液中的碳起反应，生成不溶于铁液的co而排出铁液。进入铁液中的非金属物质比重较轻且不溶于铁液，会上浮成熔渣排出铁液。根据上述原理，可以利用铁液熔池对垃圾进行气化熔融处理。其步骤是：(1)把长条状垃圾块连续浸入铁液里，或把碎粉状的垃圾连续喷入铁液里。由于铁液和熔渣的覆盖封闭，垃圾浸在铁液中充分地分解、溶化。垃圾中的有机物分解成碳和氢进入铁液中，垃圾中的铁、铜、镍、铬等金属可作为合金元素与铁结合在一起，留在了铁液熔池中。垃圾中的砂石、玻璃等无机物在铁液中熔化成熔渣，漂浮到铁液表面的渣层中。(2)在垃圾分解的同时，向铁液里连续喷入水蒸气和氧气，水蒸气在铁液中迅速分解成氧气和氢气，铁液中的氧气和溶入铁液中的碳结合，生成co穿过铁液和渣层进入炉体上部空间。铁液中的氢也和一氧化碳一样排出铁液，成可燃气体一部分。由于碳的氧化是放热反应，铁液中大量碳氧化会引起铁液温度升高，往铁液中吹入适当的水蒸气，一方面可以增加燃气中的氢含量，另一方面利用水蒸气分解需要吸热，能控制炉温过度升高，保证反应顺利进行。(3)及时地把生成的燃气抽入储气罐或引入燃烧装置。(4)在垃圾气化熔融期间定期排出一些老熔渣，并补充适量的白云石、生石灰或石灰石。(5)设置电磁搅拌器，加强铁液熔池的搅拌，可加速反应进行。

当垃圾在铁液中分解时，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。垃圾带入的低熔点金属如铝、锌、镉、铅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、铅、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可能同时存在残碳，氯化物和金属氧化物，所以燃气燃烧后烟气、飞灰中也不会产生二恶英、呋喃类有机毒物。铁液熔池溶碳能力很强，不断喷入的氧能不断地把垃圾分解溶入铁液中的碳消耗掉变成co排出铁液熔池，熔池又可以继续溶纳垃圾中的碳，同时垃圾中的非金属化合物等也不断地变成熔渣排出铁液。如此周而复始持续进行，铁液熔池成为高效的垃圾气化熔融反应介质，开辟了一种新的垃圾气化熔融途径。

上述利用铁液进行垃圾气化熔融处理的装置包括炉体、出铁口、排渣口、支架、炉盖。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耐火材料炉衬，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。炉体底部或侧壁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。

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，水蒸气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，通往喷嘴的水蒸汽可另设锅炉提供。炉盖吊装在旋转架的悬臂上，旋转架安装在液压缸上，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的夹紧和放松。夹持器也可以采用螺旋压紧等方式控制卡头的夹紧放松。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。

本发明的特点：

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。

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，燃气的成分和产量都很稳定。

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、由于铁液和渣层双重“过滤”和高温分解，所产生的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可以直接在炉中熔融成无害的熔融渣，作为建材使用。

6、可简化或取消烟尘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，可以喷入以水蒸气为主，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。

以下结合附图对本发明的实施例进行具体的描述。

附图说明

附图1是本发明的实施例简图，局部剖开。

附图2是本发明的另一实施例简图，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耐火材料炉衬。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。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，炉顶上方设有水蒸气包11，水蒸气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分别与水蒸气包11连通。水蒸气包11顶部的出汽管12通过蒸气加压装置(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的悬臂上，旋转架安装在液压缸24上，液压缸固定在支架21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的顶部设有和炉体内相通的排气管9，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，进料口设有密封装置(图中未画出)。每个进料口8的上方都相应地设有夹持器1，夹持器1由气缸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。立柱27安装在旋转架25上，可沿着旋转架上的导轨上下运动。立柱27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。卷扬机可以通过滑轮上的钢丝绳带动立柱27及夹持器1上升或下降。立柱27和旋转架25之间也可以采用电动机、齿轮、齿条传动或液压传动。

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，生石灰或石灰石后形成的具有适当碱度的碱性熔渣。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，直到垃圾块被压入铁液熔池17内。当垃圾块浸入铁液后，立即在熔池中发生分解。垃圾中的有机物分解成碳和氢溶于铁液中。无机物形成熔渣进入渣层中。此时立即开启控制喷嘴23进气的阀门往铁液熔池内喷吹水蒸气和氧气。水蒸气、氧气进入铁液后和碳反应生成一氧化碳和氢气进入炉体16上部空间成为燃气。随着铁液熔池17中的垃圾气化熔融持续进行，炉体16上部空间中的燃气越积越多，熔池上面的熔渣也逐渐增多。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。接着及时往熔池中补充白云石、生石灰等碱性渣料，保持熔渣去除有害非金属酸性化合物和两性金属化合物的旺盛能力。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。

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。并且去除了水蒸气包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里。(3)夹持器1夹持的是喷嘴23，喷嘴进气管22的外管与蒸气锅炉(图中未画出)连通。喷嘴进气管22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18设在炉体16的底部外壁。

操作时开启水蒸气管道、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，水蒸气从喷嘴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，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。

以上所述是本发明的优选实例，在不脱离本发明原理的前提下还可做若干变形和改造，都应视属于本发明的保护范围。