一种固废垃圾气化熔融系统及方法与流程

本发明涉及一种固废垃圾气化熔融系统及方法，属于环保技术领域。

背景技术：

随着日益严苛的环保政策与法规的实施，如何实现炼油与化工、冶金、造纸与印染等行业产生的工业固废，以及社会居民产生的生活垃圾或固废的减量化、资源化、无害化的处理目标，是近年来环保技术领域的重要研究内容。

传统的固废垃圾处理方法有填埋法和焚烧法。填埋法由于占地大，极易对地下水和土壤造成二次污染，不能实现固废垃圾的减量化、资源化、无害化处理目标，已逐步淘汰。焚烧法对固废垃圾的热值要求高，热值较低或热值不稳定易导致焚烧不彻底，产生二噁英等强致癌物；焚烧后的残留物仍需进一步处理，特别是对于危险固体废物，焚烧后的残留物一般仍属于危险废物，不能达到彻底无害化处理的目标，传统的固废焚烧法也越来越不被采用。

高温熔融法是固废垃圾处理技术的发展方向，极具前景。高温熔融法是通过加热固废垃圾达到其熔点以上温度，固废中的可燃组分被高温气化，产生的烟气或气化气可进一步回收利用，实现资源化处理；而固废残渣则形成熔融液态，然后快速冷却使形成无定型结构的固态玻璃体，可作为建筑材料，从而彻底实现无害化处理。加热固废垃圾使其高温熔融主要有电阻式熔融、等离子体熔融、气化熔融三种方式。电阻式熔融法是通过电极使固废内部产生电阻，利用焦耳热加热固废垃圾使其熔融，该方法熔融温度在1200-1600℃，可形成固废熔渣玻璃体，实现无害处理，可回收高温烟气的热量副产蒸汽，但该方法电极消耗量大，能耗高，固废处理成本高；等离子体熔融法是利用等离子炬加热固废垃圾表面使其熔融，同样可实现固废熔渣无害化处理，该方法电极消耗量比电阻式熔融法略低，但热损失大，能耗高，且等离子炬使用寿命有限，难以形成大型工业化处理规模。气化熔融法是利用气化剂使固废垃圾在气化炉内进行高温氧化还原气化反应，反应温度在1200-1600℃，固废熔渣熔融后冷却固化形成玻璃体，反应产生的高温气化气组分以co、h2为主，除通过副产蒸汽回收热量外，还可进一步作为化工合成气或燃料气使用，该方法能耗低，热效率高，所基于的气化反应技术机理在煤气化技术领域已成功运用，在固废垃圾处理行业具有大型工业化前景。

中国发明专利申请号201711221720.0，授权公开号cn107957069b，授权公开日2019-06-04的专利文件公开了一种垃圾热解气化系统。该垃圾热解气化系统包括热解气化炉、裂解气燃烧室、除尘单元、脱酸单元、烟囱和余热回用单元，所述的热解气化炉下端出口与裂解气燃烧室的进气口连通，热解气化炉与裂解气燃烧室之间还通过余热回用单元连通；裂解气燃烧室出口与除尘单元进口连接，除尘单元出口与脱酸单元进口连接，脱酸单元出口与烟囱连接。该发明适用于垃圾热解气化技术领域，能够不经分类、干燥等预处理过程处理垃圾，能够避免垃圾在热解气化炉内堆积搭棚，使装置连续、稳定运行，提高运行效率，延长炉排使用寿命，降低运行成本，能够实现设备的模块化、小型化设计，提高装备灵活性，满足不同规模的垃圾处理需求。但该发明存在以下不足：热解气化炉采用固定床型式，气化效率低，该炉型决定了热解气化炉的温度较低(必需低于入炉垃圾的熔融温度)，垃圾热解后的裂解渣无法进行高温熔融进而形成玻璃体，难以实现彻底的无害化处理；热解气化炉只能对熔点较高的垃圾进行热解，原料适应性较差；由于热解反应温度低，裂解气中含有焦油、酚类、二噁英等组分，裂解气必需进入裂解气燃烧室充分燃烧后才能排放，燃烧过程使含有co、h2等组分的裂解气全部燃烧生成以co2、h2o为主的烟气，未能充分利用裂解气的有效组分；裂解气燃烧室采用耐火砖层隔热，热损失大，热量回用效果低；系统以小型化设备设计为主，难以满足大规模处理要求。

中国发明专利申请号201810763719.9，公开号cn108826318a，公开日2018-11-16的专利文件公开了一种生活垃圾处理系统和生活垃圾处理方法。该系统包括预处理装置、焚烧炉、烟气分离装置、烟气净化装置和等离子体气化裂解熔融装置。预处理装置的预处理垃圾出口与焚烧炉的预处理垃圾进口相连；焚烧炉的高温烟气出口与烟气分离装置的气固分离器的烟气进口相连；气固分离器的第一废气出口和烟气净化装置的第一废气入口相连；等离子体气化裂解熔融装置包括相互连通的等离子体气化裂解熔融炉和液态熔渣排放急冷装置，气固分离器的飞灰出口和焚烧炉的第一固体残渣出口与等离子体气化裂解熔融炉的等离子体炉固废进料口相连。生成的气体排放物成分清洁，不会对大气造成二次污染；生成的固体产物能够被二次利用。但该发明存在以下不足：为提高焚烧炉温度，将等离子体气化裂解熔融炉出口的还原性气体(以co、h2为主)送入焚烧炉用于助燃后进入烟气排放系统，未能该还原性气体的实现资源化利用；当焚烧炉入炉生活垃圾热值低或者热值不稳定时，易导致焚烧炉产生的高温烟气中夹带焦油、酚、二噁英等有害物质进入后续系统；熔融过程采用等离子体法，能耗高，生活垃圾处理成本高，且难以实现大型工业化。

技术实现要素：

1.本发明要解决的技术问题

针对现有固废垃圾处理方法存在的能耗高、热效率低、气化效率低、原料适应性差、灰渣无害化处理不彻底、烟气中易夹带有害物质(焦油、酚、二噁英等)、难以实现大型工业化处理规模的问题，本发明提供一种固废垃圾气化熔融系统及方法。

2.技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种固废垃圾气化熔融系统，包括依次连接的固废垃圾给料单元、循环流化床气化单元、气流床气化熔融单元、余热回收及除尘单元和气化气净化单元，所述余热回收及除尘单元包括依次连接的气化剂预热器、余热锅炉、除尘器和气体冷却器，所述除尘器底部连接有飞灰循环管道，所述飞灰循环管路上设有返料单元，所述循环流化床气化单元包括循环流化床气化炉和循环流化床气固分离器，所述返料单元与所述循环流化床气化炉的返料口连接。

进一步的技术方案，所述固废垃圾给料单元包括依次连接的给料仓、给料锁和给料机，所述给料仓连接有固废垃圾输送管道和辅助物料输送管道，所述给料机的输出管道与所述循环流化床气化炉的给料口连接；所述气化剂预热器为一台为多台，所述余热锅炉为一台或多台，所述余热回收及除尘单元设有一级或多级除尘器。

进一步的技术方案，所述循环流化床气固分离器通过返料器与循环流化床气化炉的底部相连。

进一步的技术方案，所述气流床气化熔融单元包括气流床气化炉，所述气流床气化炉为上行辐射废锅型式气化炉；所述气流床气化炉内从上至下包括依次相连的辐射废锅、气化熔融室和冷渣室，所述冷渣室的输出管道与渣锁斗连接，所述渣锁斗的输出管道通入渣池内；所述气化熔融室的中下部安装一个或多个燃烧器，所述燃烧器与所述循环流化床气固分离器顶部的气化气输出管道连接。

进一步的技术方案，还包括气化剂输送管道，所述气化剂输送管道通过所述气化剂预热器后分为第一支路和第二支路，所述第一支路与所述燃烧器连接，所述第二支路通入所述循环流化床气化炉的底部。

进一步的技术方案，所述返料单元包括依次连接的灰渣仓、灰渣斗、灰渣锁和灰渣输送机，所述灰渣仓与所述飞灰循环管路连接，所述灰渣输送机的输出管道与所述循环流化床气化炉的给料口连接；所述循环流化床气化炉的底部设有气化渣出口，所述气化渣出口与所述灰渣仓连接。

一种固废垃圾气化熔融方法，包括以下步骤：

步骤一、循环流化反应：将固废垃圾和气化剂送入循环流化床气化炉，进行氧化还原反应；循环流化床气化炉产生的气化气和飞灰颗粒经循环流化床气固分离器分离出大部分飞灰颗粒，分离的飞灰颗粒经返料器送回循环流化床气化炉继续反应，分离后的气化气夹带少量飞灰进入气流床气化熔融单元；反应产生的循环流化床气化渣从炉底排出；

步骤二、气流床气化熔融反应：循环流化床气固分离器出口的气化气夹带少量飞灰经燃烧器与气化剂一起进入气流床气化炉的气化熔融室，进行气化熔融反应；反应产生的高温气化气以还原性组分co、h2为主，上行进入辐射废锅副产高压蒸汽回收热量后进入余热回收及除尘单元，反应产生的液态熔融灰渣下行进入冷渣室，冷却固化后形成玻璃体灰渣，经渣锁斗排至渣池；

步骤三、余热回收及除尘净化：辐射废锅出口的气化气经余热回收和除尘器后，进入气化气净化单元，得到的净化后的气化气以还原性组分co、h2为主，送至后工段；

步骤四、飞灰循环反应：除尘器分离收集的循环飞灰，经返料单元送入循环流化床气化炉进一步反应。

进一步的技术方案，所述循环流化床气化炉的循环倍率在20-100倍，反应温度在700-1100，反应压力在0-1.2mpa；所述气流床气化炉的气化熔融室反应温度在1200-1650℃，反应压力在0-1.2mpa；所述辐射废锅副产蒸汽压力在4-10mpa，辐射废锅出口气化气温度在600-800℃。

进一步的技术方案，所述固废垃圾给料系统将辅助物料一起送入循环流化床气化炉；所述循环流化床气化渣排至灰渣仓，再通过灰渣返料系统进入循环流化床气化炉；所述冷渣室用水淬冷液态熔融灰渣，使其固化成无害化的玻璃体形态。

进一步的技术方案，所述固废垃圾规定的粒径为0-10mm；所述固废垃圾的热值高于2000kcal/kg；所述固废垃圾为生物质、含油污泥、工业炉灰渣、生活垃圾、固体危废中的一种或多种；所述气化剂为水蒸气和含氧气体的混合气体，所述含氧气体为空气、富氧空气、纯氧中的一种或多种。

3.有益效果

本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明将固废垃圾先送入循环流化床气化单元进行氧化还原反应，循环流化床气化炉反应温度高，循环倍率高，提高了固废垃圾气化效率，且产生的气化气中基本不含焦油、酚、二噁英等有害物质；

(2)本发明将循环流化床气化产生的气化气及其夹带的未气化的飞灰送入气流床气化熔融炉进一步反应，气化熔融温度高，彻底消除了气化气中的微量焦油、酚、二噁英等有害物质，并在冷渣室冷却固化为无害化的玻璃体，经渣锁斗和渣池最终排出，可作为建筑材料使用，实现了固废垃圾的无害化和资源化处理；

(3)本发明气流床气化炉采用上行辐射废锅型式，气化熔融室产生的高温气化气上行进行辐射废锅，产生的液态熔融灰渣下行进入冷渣室，气化气和熔融灰渣的流向正好相反，使气化气和熔融灰渣高效分离，提高了气流床气化熔融单元的运行稳定性，易于实现固废垃圾处理的大型工业化；

(4)本发明气流床气化炉采用上行辐射废锅型式，气化熔融室产生的高温气化气上行进行辐射废锅，副产4-10mpa蒸汽，热量回收充分，提高了气化熔融系统的热效率，提高了处理固废垃圾的经济性；

(5)本发明气化气净化单元产生的净化后的气化气以还原性组分co、h2为主，可作为化工合成气或燃料气使用，实现了固废垃圾资源化处理；

(6)本发明余热回收及除尘单元分离收集的飞灰进入循环流化床气化单元进一步气化，理论上实现了飞灰零排放，避免造成二次污染；

(7)本发明余热回收及除尘单元设有一台或多台气化剂预热器和余热锅炉，降低了气化剂消耗，提高了蒸汽副产量，也进一步降低了能耗；

(8)本发明余热回收及除尘单元出口的气化气中飞灰含量低于10mg/nm³，清洁程度高；

(9)本发明可将循环流化床气化渣通过灰渣仓和灰渣返料系统送回循环流化床气化炉，使固废垃圾在气化反应过程中产生的灰渣全部通过气流床气化熔融单元以玻璃体形态排出，可作为建筑材料使用，实现固废垃圾的彻底无害化和资源化处理；

(10)本发明可将辅助物料与固废垃圾一起送入循环流化床气化单元，提高了固废垃圾熔渣的玻璃化程度，实现了固废垃圾的无害化处理；

(11)本发明适应的固废垃圾粒径范围广(0-10mm)；适应的固废垃圾的热值要求低(高于2000kcal/kg)，并且，根据所加入的辅助物料热值，可进一步降低固废垃圾的热值要求；可处理的固废垃圾种类广泛(生物质、含油污泥、工业炉灰渣、生活垃圾、固体危废中的一种或多种)，解决了原料适应性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的固废垃圾气化熔融系统及方法的流程示意图；

图中，1、循环流化床气化单元；2、气流床气化熔融单元；3、余热回收及除尘单元；4、气化气净化单元；5、固废垃圾给料单元，6.返料单元；101、循环流化床气化炉；102、循环流化床气固分离器；103、返料器；104、固废垃圾输送管道；105、辅助物料输送管道；106、气化剂输送管道；201、辐射废锅；202、气化熔融室；203、冷渣室；204、渣锁斗；205、渣池；206、燃烧器；207、气流床气化炉；301、气化剂预热器；302、余热锅炉；303、除尘器；304、气体冷却器；501、给料仓；502、给料锁；503、给料机；601、灰渣仓；602、灰渣斗；603、灰渣锁；604、灰渣输送机

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种固废垃圾气化熔融系统，包括依次连接的固废垃圾给料单元5、循环流化床气化单元1、气流床气化熔融单元2、余热回收及除尘单元3和气化气净化单元4，余热回收及除尘单元3包括依次连接的气化剂预热器301、余热锅炉302、除尘器303和气体冷却器304，除尘器303底部连接有飞灰循环管道，飞灰循环管路上设有返料单元6，循环流化床气化单元1包括循环流化床气化炉101和循环流化床气固分离器102，所述返料单元6与循环流化床气化炉101的返料口连接。

其中，固废垃圾给料单元5包括依次连接的给料仓501、给料锁502和给料机503，给料机503的输出管道与循环流化床气化炉101的给料口连接，给料仓501连接有固废垃圾输送管道104和辅助物料输送管道105。在本发明中，所述辅助物料指有助于促进固废垃圾在气流床气化炉形成无害化玻璃体的物质，特别地，指气化后的煤渣、河沙或石灰石中的一种或几种。根据所述辅助物料的热值，可进一步降低固废垃圾的热值要求，拓宽固废垃圾的原料适应性。

在本发明中，余热回收及除尘单元3可设有一台或多台气化剂预热器301，将气化剂预热至400-700℃；也可设有一台或多台余热锅炉302，通过副产蒸汽回收气化气热量。余热回收及除尘单元3设有一级或多级除尘器303，使余热回收及除尘单元出口的气化气中飞灰含量低于10mg/nm³。

其中，循环流化床气固分离器102通过返料器103与循环流化床气化炉101的底部相连。

其中，气流床气化熔融单元2包括气流床气化炉207，气流床气化炉207为上行辐射废锅201型式气化炉；气流床气化炉207内从上至下包括依次相连的辐射废锅201、气化熔融室202和冷渣室203，冷渣室203的输出管道与渣锁斗204连接，渣锁斗204的输出管道通入渣池205内；气化熔融室202的中下部安装一个或多个燃烧器206，燃烧器206与循环流化床气固分离器102顶部的气化气输出管道连接。

其中，还包括气化剂输送管道106，气化剂输送管道106通过所述气化剂预热器301后分为第一支路和第二支路，第一支路与燃烧器206连接，第二支路通入循环流化床气化炉101的底部。

其中，返料单元6包括依次连接的灰渣仓601、灰渣斗602、灰渣锁603和灰渣输送机604，灰渣仓601与飞灰循环管路连接，灰渣输送机604的输出管道与循环流化床气化炉101的给料口连接；循环流化床气化炉101的底部设有气化渣出口，气化渣出口与灰渣仓601连接。

本实施例并提供了采用上述固废垃圾气化熔融系统进行固废垃圾气化熔融方法，包括下述步骤：

步骤一、循环流化反应：粒度为0-10mm的回转窑炉渣作为固废垃圾原料，通过固废垃圾给料系统进入循环流化床气化炉101底部，与预热后的气化剂(90％的富氧空气和水蒸气)在炉内进行氧化还原反应，反应压力0.5mpa，反应温度900℃；产生的气化气和固体颗粒进入循环流化床气固分离器102，将大部分固体颗粒分离下来并通过返料器103进入循环流化床气化炉101循环气化；

步骤二、气流床气化熔融反应：气固分离器出口的气化气及其夹带的未气化的飞灰与预热后的气化剂(90％的富氧空气和水蒸气，富氧空气和水蒸气的重量比为2：1)一起经燃烧器206进入气流床气化炉207气化熔融室202进行气化熔融反应，反应温度在1500℃，反应压力在0.35mpa，产生的高温气化气上行进入辐射废锅201，副产4mpa饱和蒸汽，气化气自身温度降低至700℃，产生的液态熔融灰渣下行进入冷渣室203，灰渣被水淬冷固化，形成玻璃体灰渣，经渣锁斗204排至渣池205，收集后作外送作为建筑材料使用；

步骤三、余热回收及除尘净化：辐射废锅201出口的气化气进入气化剂预热器301，将气化剂(90％富氧空气和水蒸气，富氧空气和水蒸气的重量比为2：1)预热至650℃后，气化气降温至300℃进入余热锅炉302副产0.5mpa饱和蒸汽进一步回收热量，余热锅炉302出口气化气温度在约180℃；然后经气体冷却器304和气化气净化单元4，得到的净化后的气化气以还原性组分co、h2为主，送至后工段；

步骤四、飞灰循环反应：经除尘器303将飞灰分离收集，除尘后的气化气飞灰含量低于10mg/nm³，收集的循环飞灰送回循环流化床气化炉101循环气化，无需外排。并且，循环流化床气化渣排至灰渣仓503，再通过灰渣返料系统也一起进入循环流化床气化炉101；

本实施例循环流化床气化炉101底排出的气化渣属于一般固废，无需重新送入循环流化床，直接外送。

实施例2

本实施例的固废垃圾气化熔融系统及方法，采用含油污泥作为固废垃圾原料，基本生产流程同实施例1，不同和改进之处在于，通过加入辅助物料(本实施例采用石灰石和河沙的混合物，配比30:70)，提高含油污泥气化后废渣的玻璃化程度，使其经气化熔融反应后形成稳定的玻璃体。另外，气化剂为纯氧和水蒸气的混合气体，纯氧和水蒸气的重量比为1.5：1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。