专利名称：流化床气化和熔融燃烧的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可燃性物质在流化床熔炉中气化、所产生的可燃性气体和细粒在熔融燃烧炉中在高温下燃烧和所产生的灰分在其中熔融的一种方法和一套装置。
近年来，业已要求通过焚烧来减小大量产生的废物如城市废物、废塑料等的体积，并有效地利用从焚烧回收的热量。因为废物焚烧所产生的灰分通常含有有害的重金属，因此必须采取某些方法如重金属组分的固化来回收处理燃烧过的灰分。为了处理这些问题，JP-B2-62-35004(日本专利申请审后公开，KOKOKU)提出了一种燃烧固体物质的方法和装置。在该燃烧法中，固体物质在流化床热解炉中热分解，而热解产品，即可燃性气体和颗粒被导入旋风燃烧炉，在这里可燃性组分因加压空气彻底燃烧，灰分通过涡流而与壁表面发生碰撞，因而熔融。熔融的灰分落到壁表面上，而产生的熔融炉渣通过一个卸料口落入水箱，在水箱中固化。
但是，JP-B2-62-35004中公开的方法具有如下缺点因为整个流化床处于活性流化状态，大量未反应的可燃性组分在该炉中产生可燃性气体时被带到炉外，因此不可能达到高气化效率。此外，流化床熔炉中有用的气化物质至此还是粒径为0.5-3mm的小块和尺寸为几个毫米的细碎的废物。尺寸大于上述范围的气化物质将妨碍流化;尺寸小于上述范围的气化物质将在作为未反应的可燃性组分的可燃性气体未彻底气化时被带到炉外。因此，常规流化床熔炉需要在气化物质注入该炉前进行预处理，即通过使用粉碎机或类似设备预先把气化物质粉碎并使产生的颗粒尺寸均一。这样，预定粒径范围之外的气化物质不能使用，在某种程度上必然使产率受损。
为了解决上述问题，JP-A-2-147692(日本专利申请公开，KOKAI)提出了一种流化床气化方法和流化床气化炉。在该公开中所公开的流化床气化方法中，熔炉具有矩形水平横截面结构，流化气体从熔炉底部的中心部分向上喷入炉中的质量速度设置在低于流化气体从该炉底部的两侧部分供入的质量速度。流化气体的上向流在炉底各侧边部分之上某一位置偏转到炉中部。这样，在炉的中部形成一个流化介质沉降的移动床，而在炉的各侧边部分形成一个流化介质被活性流化的流化床。将可燃性物质供入移动床。流化气体或是空气与蒸汽的混合物，或是氧气和蒸汽的混合物，而流化介质为硅质砂。
但是，JP-A-2-147692的方法具有如下缺点(1)在所有移动床和流化床中同时发生气化吸热反应和燃烧反应。因此易气化的挥发性组分在气化的同时燃烧，而难于气化的固定碳(炭)和焦油在炉中产生可燃性气体时以未反应物质带到炉外。因此不能达到高气化效率。
(2)在将熔炉中产生的可燃性气体燃烧以用于蒸汽和燃气轮机联合循环发电设备时，该流化床熔炉必须是加压型熔炉。但是，在这种情况下因为熔炉为矩形水平横截面结构，所以难以将该炉造成加压炉形式。优选的气化炉压力由所产生的可燃性气体的用途决定。当将气体用作普通燃烧气体时，炉压可为几千mmAq数量级。然而，当将产生的可燃性气体用作燃气轮机的燃料时，炉压必须高达几个Kgf/cm2。当气体用作高效气化联合循环发电的燃料时，合适的是使用高于十几个kgf/cm2的炉压。
在废物如城市废物的处理中，通过燃烧可燃性废物而减小体积仍起重要作用。相对于焚烧，近来日益需要环境保护型废物处理技术(例如二恶英控制方法)，使烟尘无害的技术及改进能量回收效率等。在日本，城市废物的焚烧速度约为100，000吨/天，而从整个城市废物回收的能量相当于日本所耗电能的约4%。现在，城市废物能量利用率低至约10%。然而，如果能增加能量利用率，相应地就能降低矿物燃料的耗费率，从而有可能对防止全球变暖有利。
然而，现有的焚烧系统涉及如下问题①由于HCl的腐蚀问题发电效率不可能增加。
②控制HCl，NOx，SOx，汞，二恶英等的环境污染防止设备复杂化，导致成本和场地增加。
③由于规定的严格及获得最终处理的场地的困难等，安装燃烧过的灰分熔融设备呈上升趋势。然而，为了这个目的必须建造额外的设备，并耗费大量电能。
④需要昂贵的设备来除去二恶英。
⑤难以回收有用金属。
本发明的一个目的是解决相关技术领域的上述问题，并高效率地由可燃性物质如废物(例如城市废物、废塑料等)或可燃性物质如煤生产含有大量可燃性组分的可燃性气体。
本发明的另一个目的是提供一种用于气化可燃性物质的方法和装置，该方法和装置适于能量的回收，且能容易地产生高压可燃性气体。
本发明的还一目的是提供一种能产生含有大量可燃性组分的可燃性气体并能用产生的可燃性气体的热量熔融燃烧过的灰分的气化和熔融燃烧方法和装置。
本发明的又一目的是提供含有炭(char)和焦油的均匀可燃性气体，它具有足够高的热值，以由其自身的热量产生1300℃或更高的高温。
本发明的又一目的是提供一种不燃性物质可毫无问题地从中平稳排出的气化装置。
本发明的又一目的是提供一种能使含于废物中的有用金属从具有还原性气氛的流化床熔炉中得到回收而不被氧化的气化方法和装置。
本发明提供了一种在流化床熔炉中气化可燃性物质以生产可燃性气体的方法。在本发明的该方法中，流化床熔炉具有近似圆形水平横截面结构。供入流化床熔炉中的流化气体包括作为上向流从炉底的中心部分供入炉内的中心流化气体和作为上向流从炉底的周边部分供入炉内的周边流化气体。中心流化气体的质量速度比周边流化气体的质量速度低。炉中周边部分上部的流化气体和流化介质的上向流由一个斜壁偏转或折转到炉的中心部分，从而在炉的中心部分形成一个移动床，在移动床中流化介质(一般为硅质砂)沉降并扩散，而还在炉的周边部分形成一个流化床，在流化床中流化介质被活性流化，这样，供入炉中的可燃性物质在与流化介质一起从移动床底部循环到流化床并由流化床顶部循环到移动床的同时气化形成可燃性气体。将中心流化气体的氧含量设置在不高于周边流化气体的氧含量，且流化床的温度保持在450℃-650℃的范围内。
在本发明中，中心流化气体为选自三种气体，即蒸汽，蒸汽和空气的气体混合物以及空气中的一种。周边流化气体为选自三种气体，即氧气，氧气和空气的气体混合物及空气中的一种。因此如表1所示有9种组合中心流化气体和周边流化气体的方式。合适的组合方式可根据气化效率和经济性何者重要来选择。
在表1中，组合方式1提供了最高的气化效率。但是因为耗氧量大，所以成本高。气化效率首先随着耗氧量降低而降低，其次随蒸汽消耗量降低而降低。在这种情况下成本也降低。在本发明中有用的氧可以是高纯氧。还可以使用通过使用富氧膜而得到的低纯氧。组合方式9为空气与空气的组合，通称为常规焚烧炉用燃烧空气。在本发明中，流化床熔炉具有圆形水平横截面结构，因此装在该炉周边部分上侧的斜壁的下层投影面积(lower projected area)大于在流化床熔炉具有矩形水平横截面时所使用的斜壁的下层投影面积。因此，可增加周边流化气体的流速，并因此增加氧的供应。所以气化效率能提高。
在本发明方法中，流化气体优选进一步包括中间流化气体，它从炉底的中心部分和周边部分之间的炉底的中间部分供入炉内。中间流化气体的质量速度位于中心流化气体的质量速度和周边流化气体的质量速度之间。中间流化气体为两种气体，即蒸汽和空气的气体混合物及空气中的一种。因此，有18种组合中心流化气体、中间流化气体和周边流化气体的方式。氧含量优选的设置是从炉的中心部分到周边部分逐渐增加。如表2所示有15种优选的气体组合法。
适当的组合可根据气化效率和经济性何者重要而从表2所示组合中选择。在表2中，组合1提供了最高的气化效率。然而，因为耗氧量大，所以成本高。气化效率首先随耗氧量降低而降低，其次随耗蒸汽量降低而降低。此时成本也降低。在表1和表2中有用的氧可以是高纯氧。还可以使用通过使用富氧膜得到的低纯氧。
当流化床熔炉尺寸大时，中间流化气体优选包括由大量由设置在炉底的中心部分和周边部分之间的许多同心中间部分供入的流化气体。在这种情况下，流化气体的氧气密度的优选设置是炉的中心部分氧气密度最低，并朝炉的周边部分逐渐升高。
在本发明的该方法中，供入流化床熔炉的流化气体含有的氧气量为不高于可燃性物质燃烧所要求的燃烧空气理论量的30%的空气中所含的氧气量。不燃性物质由炉底的周边部分从流化床熔炉取出并分级，分级得到的砂返回流化床熔炉内部。流化床熔炉中产生的可燃性气体和细粒在熔融燃烧炉，即熔融炉中于1300℃或更高的高温下燃烧，而灰分在其中熔融。来自熔融燃烧炉的废气用来驱动燃气轮机。根据其用途，流化床熔炉中的压力保持在不低于或高于大气压力的水平。可燃性物质可以是废物块等。
此外，本发明提供了一种用于在流化床熔炉中气化可燃性物质以生产可燃性气体的装置。流化床熔炉包括如下组成部件一个具有近似圆形的水平横截面结构的侧壁;一个设置在熔炉底部的流化气体分散装置;一个设置在流化气体分散装置外周的不燃性物质出口;一个用来从流化气体分散装置的中心部分向熔炉内部供入流化气体以使流化气体垂直向上流动的中心供气装置;一个用来从流化气体分散装置的周边部分向熔炉内部供入流化气体以使流化气体垂直向上流动的周边供气装置;一个使垂直向上流动的流化气体和流化介质在周边供气装置以上某一位置偏转到熔炉中部的斜壁;和一个设置在斜壁之上的自由板。中心供气装置提供质量速度较低和氧气密度较低的流化气体。周边供气装置提供质量速度较高和氧气密度较高的流化气体。
在本发明的装置中，流化床熔炉可进一步包括一个用来将流化气体从流化气体分散装置的中心部分和周边部分之间的环形中间部分供入熔炉内部以使流化气体垂直向上流动的中间供气装置。中间供气装置提供的流化气体的质量速度在由中心供气装置和周边供气装置供入的流化气体的质量速度之间，而其氧气密度在由中心供气装置和周边供气装置供入的流化气体的氧气密度之间。周边供气装置可以是环形供气盒。流化床熔炉可进一步包括一个配置于流化床熔炉上部的可燃性物质入口。可安装该可燃性物质入口以使可燃性物质落入中心供气装置之上的空间。流化气体分散装置的构成可以是其周边部分低于其中心部分。
不燃性物质出口可以具有一个配置于流化气体分散装置外周边的环形部分和一个从环形部分向下延伸以便在向下远离环形部分时收缩的锥形部分。不燃性物质出口可以具有串联排列的一个体积调节排放装置，一个封闭用第一旋流阀(swirl valve)，一个旋流切断阀，一个封闭用第二旋流阀。
本发明的装置可包括一个熔融燃烧炉，即熔融炉，在其中流化床熔炉中产生的可燃性气体和细粒高温燃烧，而产生的灰分熔融。该熔融燃烧炉具有一个圆柱形第一燃烧室，其轴近似垂直，和一个将流化床熔炉中产生的可燃性气体及细粒供入圆柱形第一燃烧室以使可燃性气体和细粒绕第一燃烧室的轴循环的可燃性气体入口。该熔融燃烧炉进一步具有一个与圆柱形第一燃烧室相连通的第二燃烧室和一个位于第二燃烧室下部的卸料口，以使熔融的灰分能从该卸料口排出。将从熔融燃烧炉的第二燃烧室出来的废气导入废热锅炉和空气预热器中，从而回收废热。从熔融燃烧炉的第二燃烧室出来的废气可用来驱动燃气轮机。可将废气导入集尘器中以在排入大气之前除去粉尘。
在本发明的方法或装置中，流化床熔炉具有近似圆形水平横截面结构，因此可形成耐压熔炉结构。这样，流化床熔炉中的压力可保持在不低于大气压力的水平，而且容易提高由供入该炉中的可燃性物质产生的可燃性气体的压力。高压可燃性气体可用作可高效运转的燃气轮机或锅炉燃气轮机联合循环发电厂的燃料。因此在这样的工厂使用可燃性气体可提高能量从可燃性物质的回收效率。
在本发明的方法和装置中，当其目的是处理废物时，流化床熔炉中的压力优选维持在不高于大气压的水平，以防止令人讨厌的气味或有害的燃烧气体从炉中泄露。这时炉壁还可很好地抵抗炉壁内外的压差，因为该炉具有近似圆形的水平横截面结构。
在本发明中，供入流化床熔炉的中心流化气体的质量速度设置在低于周边流化气体的质量速度，而熔炉中周边部分上部的流化气体的上向流化偏转到该炉的中心部分，从而在炉的中心部分形成一个移动床，流化床介质在移动床中沉降和扩散，还在炉的周边部分形成一个流化床，流化介质在其中被活性流化。因此，供入炉中的可燃性物质在与流化介质一起从移动床底部循环至流化床并从流化床顶部循环到移动床的同时气化形成可燃性气体。首先，主要是可燃性物质的挥发性组分在移动床中受流化介质(通常为硅质砂)的热而气化，该移动床在熔炉中心向下移动。因为形成移动床的中心流化气体的氧含量较低，在移动床中产生的可燃性气体实际上不燃烧，但它与中心流化气体一起向上流到自由板，从而形成具有良好质量的高热值可燃性气体。
然后将在移动床中失去其挥发性组分并受热的可燃性物质，即固定碳(炭)和焦油循环到流化床中并通过与氧含量较高的周边流化气体接触而在流化床中燃烧，从而变成燃烧气体和灰分，还产生燃烧热，该燃烧热使熔炉内部温度保持在450℃-650℃。流化介质因燃烧热而受热，受热的流化介质偏转到炉的周边部分上部的炉的中心部分，然后在移动床中向下流动，从而使移动床中的温度保持在挥发性组分气化所要求的水平。因为整个熔炉，尤其是炉的中心部分处于低氧条件，所以有可能生产出可燃性组分含量高的可燃性气体。此外，可燃性物质中所含的金属可以未氧化的有用物质从不燃性物质出口回收。
在本发明中，流化床熔炉中产生的可燃性气体和灰分可与其他细粒一起在熔融燃烧炉中燃烧。此时，因为可燃性气体含有大量可燃性组分，所以熔融燃烧炉中的温度可升到高水平，即1300℃或更高，而无需用燃料加热。因此，灰分可在熔融燃烧炉中充分熔融。熔融的灰分可从熔融燃烧炉中取出，并可以容易地用已知方法如水冷却而使之固化。因此，灰分的体积明显减小，而且灰分中所含的有害金属固化。因此，灰分可转变成能够回收处理的形式。
从对本发明的优选实施方案的如下描述并结合附图将更明了本发明的以上和其他目的，特征及优点，附图中的相同参考数字表示相同部件。
图1是显示本发明的第一实施方案的气化装置的主要部分的垂直截面示意图。
图2是图1所示气化装置中流化床熔炉的水平截面示意图。
图3是本发明的第二实施方案的气化装置的主要部分的垂直截面示意图。
图4是图3所示的气化装置中流化床熔炉的水平截面示意图。
图5是本发明第三实施方案的气化装置的垂直截面示意图。
图6是本发明第四实施方案的气化装置的垂直截面示意图。
图7是显示用于精制本发明的气化装置所生产的气体的方法的一个实施例的流程图。
图8是显示灰分熔融方法中一个实施例的流程图。
图9是本发明第五实施方案的气化和熔融燃烧装置的截面透视图。
图10显示与废热锅炉和汽轮机联用的本发明的一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。
图11显示与气体冷却器联用的本发明一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。
图12显示与废热锅炉和反应塔联用的本发明一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。
图13显示本发明一个实施方案的利用废热(co-generation)型流化床气化和熔融燃烧装置的排列。
图14是显示本发明的一个实施方案的加压气化联合循环发电型流化床气化和熔融燃烧方法的工艺流程图。
本发明的实施方案将参照附图详细描述如下。然而，应当注意本发明不一定局限于这些实施方案。此外，在图1-14中，由相同参考数字表示的部件是相同或相应的部件，并省略了对它们的重复说明。
图1为显示用于进行本发明气化方法的第一实施方案的气化装置主要部分的垂直截面示意图。图2是图1所示气化装置中流化床熔炉的水平截面示意图。现参照图1，气化装置带有一个流化床熔炉2。流化气体通过设置在熔炉2底部的流化气体分散装置106供入流化床熔炉2中。流化气体实质上由从炉底的中心部分4以上向流供入熔炉2内部的中心流化气体7和从炉底的周边部分3以上向流供入熔炉2内部的周边流化气体8组成。
如表1所示，中心流化气体7为三种气体即，蒸汽，蒸汽和空气的气体混合物及空气中的一种，而周边流化气体8为三种气体，即氧气，氧气和空气的气体混合物及空气中的一种。将中心流化气体7的氧含量设置在低于周边流化气体8的氧含量。整个流化气体中氧气的含量设置得与不高于可燃烧性物质11燃烧所需的燃烧空气理论量的30%的空气中的氧含量相同。熔炉2的内部保持在还原气氛下。
将中心流化气体7的质量速度设置在低于周边流化气体8的质量速度，并通过挡板6的作用使炉2的周边部分上部的流化气体的上向流偏转到炉2的中心部分。这样，在炉2的中心部分形成流化介质(通常为硅质砂)沉降和扩散的移动床9，而在流化床熔炉2的周边部分形成流化介质活性流化的流化床10。流化介质在熔炉周边部分的流化床10中按箭头118所示向上流动。然后，该流化介质由挡板6偏转，流入移动床9的上部，并在移动床9中向下流动。然后，流化介质如箭头112所示沿气体分散装置106移动，流入流化床10的下部。这样，流化介质如箭头118和112所示绕流化床10和移动床9循环。
从可燃性物质供料口104将可燃性物质11供入移动床9的上部。可燃性物质11与流化介质一起在移动床9中向下流动，同时由受热的流化介质加热可燃性物质11，从而使可燃性物质11中的挥发性组分大部分气化。因移动床9中没有或仅有少量氧气，所以产生的主要由气化的挥发性组分组成的气体不燃烧，而是按箭头116所示通过移动床9。因此，移动床9形成一个气化区G。然后产生的气体按箭头120所示流向自由板102，在这里向上流动，然后从气体出口108以可燃性气体29排出。
在移动床9中未被气化的物质主要为炭(固定碳组分)和焦油114，它与流化介质一道按箭头112所示从移动床9的下部流到熔炉2的周边部分中的流化床10的下部，并被具有较高氧含量的周边流化气体8燃烧，从而被部分氧化。流化床10形成一个可燃性物质氧化区S。在流化床10中，流化介质被流化床10中的燃烧热加热到高温。加热到高温的流化介质由斜壁6转向，按箭头118所示流入移动床9，从而再用作气化热源。流化床10的温度保持在450℃-650℃，从而使有效控制的燃烧反应继续。
根据图1和2所示的气化装置1，气化区G和氧化区S在流化床熔炉2中形成，流化介质在两个区G和S中起传热介质的作用。因此，在气化区G中产生质量好的高热值可燃性气体，而难于气化的炭和焦油114可在氧化区S中有效燃烧。因此，可增加可燃性物质的气化效率，并可生产质量好的可燃性气体。
如流化床熔炉2的水平截面2所示，形成气化区G的移动床9在熔炉中部以圆形形成，而形成氧化区S的流化床10绕移动床9以环形形成。环形不燃性物质卸料口5围绕流化床10的周边。通过形成圆柱结构的气化装置1，可容易地产生高的炉压。还可以在气化装置1外部单独配置一个压力容器(未示出)，以替代炉压由气化炉本身产生的结构。
图3为实施本发明的气化方法的第二实施方案的气化装置主要部分的垂直截面示意图。图4为图3所示气化装置中流化床熔炉的水平截面示意图。在图3所示的第二实施方案的气化装置中，除中心流化气体7和周边流化气体8之外，流化气体包括一个中间流化气体7′，该气体从炉底中心部分和周边部分之间的炉底中间部分供入流化床熔炉2。中间流化气体7′的质量速度选择在中心流化气体7和周边流化气体8的质量速度之间。中间流化气体7′为三种气体，即蒸汽，蒸汽和空气的气体混合物及空气中的一种。
在图3所示的气化装置中，与图1所示的气化装置相同，中心流化气体7为三种气体，即蒸汽，蒸汽和空气的气体混合物及空气中的一种，而周边流化气体8为三种气体，即氧气、氧气和空气的气体混合物及空气中的一种。中间流化气体7′的氧含量选择在中心流化气体7和周边流化气体8的氧含量之间。因此，如表2所示有15种流化气体的优选组合。对每一种组合来说，重要的是氧含量应随着流化床熔炉2的中心到其周边部分的距离增加而增加。整个流化气体中氧含量应设置得与不高于可燃性物质11燃烧所需燃烧空气理论量的30%的空气中氧含量相同。熔炉2的内部保持在还原性气氛下。
在图3所示的气化装置中，按与图1所示的气化装置相同方法，在炉2的中心部分形成流化介质沉降和扩散的移动床9，而在流化床熔炉2的周边部分形成流化介质活性流化的流化床10。流化介质按箭头118和112所示绕移动床9和流化床10循环。流化介质主要沿水平方向扩散的中间床9′在移动床9和流化床10之间形成。移动床9和中间床9′形成气化区G，而流化床10形成氧化区S。
注入移动床9上部的可燃性物质11在与流化介质一起在移动床9中向下移动的同时被加热，从而使可燃性物质11中的挥发性与组分气化。未在移动床9中气化的炭和焦油及一部分挥发性组分与流化介质一起流到中间床9′和流化床10，从而部分气化和部分燃烧。在中间床9′中未被气化的物质主要是炭和焦油，它与流化介质一起流入熔炉周边部分的流化床10中，并在氧含量较高的周边流化气体8中燃烧。流化介质在流化床10中受热，然后循环到移动床9中加热其中的可燃性物质。中间床9′中氧气密度根据可燃性物质的类型(即挥发分含量高还是炭和焦油含量高)来选择。也就是说，根据可燃性物质类型来决定氧气密度是低至主要完成气化还是高至主要完成氧化燃烧。
如流化床熔炉2的水平截面4所示，形成气化区的移动床9在熔炉2的中心部分以圆形形成，而中间床9′由中间流化气体7′沿移动床9的外周边形成。形成氧化区的流化床10绕中间床9′以环形形成。环形不燃性物质卸料口5设置在环绕流化床10的周边。通过形成圆柱形结构的气化装置1，可容易地产生高的炉压。炉压可由气化装置本身产生，或由单独设置在气化装置外部的压力容器产生。
图5为本发明第三实施方案的气化装置的垂直截面示意图。在图5所示气化装置1中，气化物质11，即可燃性物质，如废物由双层气闸12，压缩进料器13和废渣进料器14供入流化床熔炉2中。压缩进料器13将气化物质11压缩成塞形，从而使炉压封闭。压成塞形的废渣由粉碎机(未示出)粉碎并由废渣进料器14供入流化床熔炉2中。
在图5所示的气化装置中，中心流化气体7和周边流化气体8按与图1所示实施方案相同的方式供入。因此，在流化床熔炉2中按与图1所示的实施方案相同的方式形成还原性气氛的气化区和氧化区。流化介质在这两个区中起传热介质的作用。在气化区中，产生质量好的高热值可燃性气体;在氧化区中，难以气化的炭和焦油有效燃烧。这样，有可能获得高气化效率和质量好的可燃性气体。在图5所示的实施方案中，装有一个罗茨鼓风机15与气化装置1中的双层气闸12和自由板102相连通，以使在废渣压缩不充分时经压缩进料器13从炉2漏入双层气闸12的气体通过罗茨鼓风机15的作用返回炉2。罗茨鼓风机15优选从双层气闸12吸入适量空气和气体并使之返回炉2，以使双层气闸12的上段压力等于大气压。
此外，图5所示的气化装置具有一个不燃性物质卸料口5，一个锥形斜槽16，一个体积调节排料装置17，一个密封用第一旋流阀18，一个旋流切断阀19，一个密封用第二旋流阀20和一个装有转筒筛的排料装置23，以上部件按上述顺序排列，按如下方式操作(1)在密封用第一旋流阀18开通，同时第二旋流阀20关闭，而炉压由第二旋流阀20封闭的状态下，操作体积调节排料装置17，以使不燃性物质(包括作流化介质的砂)从锥形斜槽16排入旋流切断阀19中。
(2)当旋流切断阀19接收到预定量的不燃性物质时，关闭体积调节排料装置17，并关闭第一旋流阀18，以使炉压由第一旋流阀18封闭。此外，开通卸料阀22，以使旋流切断阀19中的压力回到大气压。接着彻底开通第二旋流阀20，并开通旋流切断阀19，从而使不燃性物质排入排料装置23。
(3)第二旋流阀20完全关闭后，开通平衡阀21。在第一旋流阀18中的压力和锥形斜槽16中的压力相互平衡后，开通第一旋流阀18。这样，该过程又返回第一步(1)。
自动重复步骤(1)-(3)。
连续运转装有转筒筛的排料装置23。这样，大尺寸的不燃性物质27经转筒筛排到该系统外，而砂和小尺寸不燃性物质则由砂循环提升机24输送。在用粒度分级器25除去细碎的不燃性物质28之后，通过活底料斗26使砂返回气化装置1。在这个不燃性物质排放装置中，两个旋流阀18和20不接收不燃性物质，而仅具有压力封闭功能。因此，有可能避免不燃性物质在第一和第二旋流阀18和20的封闭部分发生粘着(biting)。在炉压可稍呈负压时，不要求封闭功能。
图6为本发明第四实施方案的气化装置的垂直截面示意图。在图6所示的气化装置中，气化物质11的进料和与其相关的炉压封闭操作按与图5所示的不燃性物质排放装置相同的方式，通过联合使用一对旋流切断阀19和19′及一对第一和第二旋流阀18和20而进行。省去了图5所示的实施方案中所使用的压缩进料器13。在图6所示实施方案中，从熔炉泄露到第一旋流阀18的气体经排料阀22和鼓风机(未示出)返回熔炉中。此外，在第一旋流阀18完全关闭之后，开通平衡阀21以使旋流切断阀19中的压力与炉中压力平衡。
图7为显示本发明的气化装置所生产的气体的精制方法的一个实施例的流程图。在图7所示的精制方法中，气化装置1中供入气化物质11和流化气体7和8。在气化装置1中产生的可燃性气体送入废热锅炉31中回收热量，然后将如此冷却过的气体送入旋风分离器32中分离固态物质37和38。然后，在水洗塔33中洗涤并冷却可燃性气体，在碱性溶液将洗气塔34中从可燃性气体中除去硫化氢。然后，将可燃性气体储存于储气器35中。在旋风分离器32中分离的固态物质中的未反应炭37返回气化装置1，而剩下的固态物质38排到系统外。按与图5所示实施方案相同的方式，从气化装置1排出的不燃性物质中的大尺寸不燃性物质27排放到系统外，而不燃性物质中的砂返回气化装置1中。将来自洗气塔33和34的废水供入废水处理装置36中，使其无害化。
图8为显示如下一种方法的一个实施例的流程图，在该方法中，气化装置1中生产的可燃性气体和细粒被导入熔融燃烧炉41中，在该炉中高温燃烧，而所得灰分熔融。在图8所示的方法中，将在气化装置1中产生的、含有大量可燃性组分的可燃性气体29导入熔融燃烧炉41中。熔融燃烧炉41中还供有气体8(该气体为三种气体，即氧气、氧气和空气的气体混合物及空气中的一种)，以使可燃性气体和细粒在1300℃或更高温度下燃烧，并使产生的灰分熔融。此外，有害物质，如二恶英，多氯联苯(PCB)等分解。从熔融燃烧炉41中排出的熔融灰分44迅速冷却形成炉渣，从而达到废物体积缩小。从熔融燃烧炉41中产生的燃烧废气在洗涤器42中迅速冷却，从而防止了二恶英的再合成。将在洗涤器42中迅速冷却的废气送入集尘器43，例如过滤器，以除去气体中的粉尘38。然后将废气经废气塔55排入大气中。
图9为本发明的第五实施方案的气化和熔融燃烧装置的截面透视图。参照图9，气化装置1基本与图1所示实施方案中的气化装置相同。然而，气体出口108与熔融燃烧炉41的燃烧气体入口142相连通。熔融燃烧炉41包括一个具有近似垂直轴的圆柱形第一燃烧室140和一个水平倾斜的第二燃烧室150。将在流化床熔炉2中产生的可燃性气体29和细粒经可燃性气体入口142供入第一燃烧室140，以使之绕第一燃烧室140的轴循环。
第一燃烧室140的上端装有一个起动燃烧嘴132和许多提供燃烧空气的空气喷嘴134，以使空气绕第一燃烧室140的轴循环。第二燃烧室150与第一燃烧室140的底部相连通。第二燃烧室150具有位于其底部的炉渣分离器160和卸料口152，以使它们能排出熔融的灰分，还有一个位于卸料口152上面的排气孔154。第二燃烧室150进一步具有一个位于第二燃烧室150与第一燃烧室140相连通的那部分附近的辅助燃烧嘴136，和一个提供燃烧空气的空气喷嘴134。排放废气46的排气孔154上装有辐射板162以通过辐射减少排气孔154的热量损失。
图10显示了与废热锅炉和汽轮机联用的本发明的一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。参照图10，气化装置1具有一个用来运输排料装置23排出的大尺寸不燃性物质27和粒度分级器25排出的细碎不燃性物质28的运输装置172。空气夹套185位于用来从流化床熔炉2底部取出不燃性物质的锥形斜槽16周围。空气夹套185中的空气被从流化床熔炉2出来的高温砂加热。将辅助燃料F供入熔融燃烧炉41的第一和第二燃烧室140和150中。将从熔融燃烧炉41的卸料口152排出的熔融灰分44收入水箱178中，使其迅速冷却，然后作炉渣176排出。
在图10所示的排列中，从熔融燃烧炉41排出的燃烧气体经废热锅炉31，省热器183，空气预热器186，集尘器43和感应通风扇54排入大气。在气体进入集尘器43之前将中和剂N，如消石灰(氢氧化钙)加到从空气预热器186出来的燃烧气体中。将水W供入省热器183中预热，然后在锅炉31中加热形成蒸汽。蒸汽用来推动蒸汽涡轮ST。将空气A供入空气预热器186中加热，然后进一步在空气夹套185中加热。加热的空气经空气管184供入熔融燃烧炉41中。若有必要，也可将加热的空气供入自由板102。
将在废热锅炉31、省热器183和空气预热器186的底部收集的细粒180和190由砂循环提升机24输送到粒度分级器25，以从中除去细碎的不燃性物质28，然后返回流化床熔炉2。在集尘器43中分离的飘尘38含有高温下挥发的碱金属如Na、K等的盐，因此在处理装置194中用化学药品处理之。
在图10所示的装置中，在低过剩空气比(low excess air ratio)下用低温部分燃烧法在流化床熔炉2中进行燃烧，且使流化床温度保持在450℃-650℃，从而能产生高热值可燃性气体。此外，因为燃烧在还原性气氛中于低过剩空气比下发生，所以铁和铝以未氧化的有用物获得。在流化床熔炉2中产生的高热值可燃性气体和炭可在高温，即1300℃或更高温度下在熔融燃烧炉41中燃烧。这样，可熔融灰分，并分解二恶英。
图11显示了与气体冷却器280联用的本发明的一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。参照图11，气化装置1，熔融燃烧炉41，水箱178，集尘器43，感应通风扇54等与图10中的相同。在图11所示排列中，装备气体冷却器280和独立的空气预热器188替代废热锅炉。来自熔融燃烧炉41的高温燃烧废气经用绝热器包覆的高温导管278导入气体冷却器280中。在气体冷却器280中，通过喷洒细水滴迅速冷却燃烧气体，从而防止二恶英的再合成。高温导管278中的废气流速设置在低水平，即5米/秒或更低。在气体冷却器280的上部设置一个热水产生器283。将在空气预热器188中受热的空气供入气化装置1中的自由板102及熔融燃烧炉41中。
图12显示了与废热锅炉31和反应塔310联用的本发明一个实施方案的流化床气化和熔融燃烧装置的排列。在图12中，气化装置1，熔融燃烧炉41中，水箱178，废热锅炉31，蒸汽涡轮ST，省热器183，空气预热器186，集尘器43，感应通风扇54等与图10中的相同。在图12所示的排列中，反应塔310和过热炉加热燃烧器320配置在废热锅炉31和省热器183之间。在反应塔310中，将中和剂N如消石灰淤浆加到燃烧废气中，从而除去气体中的HCl。反应塔310排出的固态细粒312与从废热锅炉31排出的固态细粒312一起由砂循环提升机24送入粒度分级器25中。在加热燃烧器320中，可燃性气体和辅助燃料F燃烧，使蒸汽温度升至约500℃。在图12所示装置中，蒸汽具有高温高压，且过剩空气比低，因此废气所带走的显热的量小。因此，发电效率可增加到约30%。
图13显示了本发明的一个实施方案的利用废热型流化床气化和熔融燃烧装置的排列。在图13中，气化装置1，熔融燃烧炉41，水箱178，废热锅炉31，集尘器43，感应通风扇54等与图10所示的装置中的相同。参照图13，反应塔310配置在废热锅炉31和集尘器43之间。在反应塔310中，将中和剂N，如消石灰淤浆加入燃烧废气中，由此除去HCl。来自反应塔310的废气经集尘器43供入燃气轮机系统420中使用。在燃气轮机系统420中，空气A由压缩机C压缩，压缩了的空气供入燃烧器CC。在燃烧器CC中，燃料F燃烧，产生的燃烧气体与在压缩机410中压缩并供入燃烧器CC的废气一起用作汽轮机T的工作介质。来自燃气轮机系统420的废气按顺序通过过热锅炉430，省热器440和空气预热器450，然后由感应通风扇54排入大气中。废热锅炉31中产生的蒸汽在过热炉430中被来自燃气轮机系统420的废气加热，而受热的蒸汽供入蒸汽涡轮ST中。
图14为显示本发明一个实施方案的加压气化联合循环发电型流化床气化和熔融燃烧方法的工艺流程图。在加压气化炉1中产生的高温高压可燃性气体29导入废热锅炉31′中产生蒸汽，气体本身冷却。由废热锅炉31′出来的气体分成两股，其一导入熔融燃烧41，而另一股在加入中和剂N中和HCl后导入集尘器43′。在集尘器43′中，可燃性气体中因温度下降而已固化的低熔点物质38′从可燃性气体中分离并送入熔融燃烧炉41中使低熔点物质38′熔融。不含低熔点物质38′的可燃性气体在燃气轮机系统GT中用作可燃性气体。来自燃气轮机系统GT的废气在过热炉SH和省热器Eco中进行热交换，然后在废气处理装置510中处理，再放入大气中。来自熔融燃烧炉41的废气通过热交换器EX和集尘器，导入废气处理装置510。从熔融燃烧炉41排出的熔融灰分44迅速冷却形成炉渣。从集尘器43排出的固态物质38在处理装置194中用化学药品处理。
对图14所示的工艺，从废物产生的气体可在除去其中的HCl和固体物质之后用作燃料。因此，燃气轮机不会受该气体的腐蚀。此外，因为HCl已从该气体中除去，因此可由燃气轮机的废气产生高温蒸汽。
因此，本发明提供了如下有利的效果(1)在本发明的气化装置中，热由流化床熔炉中的循环气流扩散。因此，可实现高度燃烧，且可减小熔炉尺寸。
(2)在本发明中，该流化床熔炉可用较少量的空气保持燃烧。因此，有可能通过在流化床熔炉中温和地实施低过剩空气比和低温(450℃-650℃)燃烧并由此使热量产生达到最小而生产含有大量可燃性组分的均相气体。这样，含于气体中的较大部分可燃性物质，炭和焦油可在后阶段的熔融燃烧炉中有效利用。
(3)在本发明中，即使大尺寸的不燃性物质也能因流化床熔炉中循环气流的作用而轻易排出。此外，含于不燃性物质中的铁和铝可以未氧化的有用物使用。
(4)本发明提供了一种方法或装置，由此可使废物处理无害化，并能达到高能量利用率。
尽管本发明已由具体术语描述，但这里应注意，所描述的实施方案不一定是排除性的，而且在不背离仅由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可对其作各种修改或变化。
权利要求
1.一种在流化床熔炉中气化可燃性物质以生产可燃性气体的方法，所述气化方法包括制造一个具有近似圆形的水平横截面结构的流化床熔炉；将流化气体供入所述流化床熔炉中，所述流化气体包括一个以上向流从炉底的中心部分供入炉内的中心流化气体，和一个以上向流从炉底的周边部分供入炉内的周边流化气体，所述中心流化气体的质量速度比所述周边流化气体的低；用熔炉周边部分上部的斜壁使流化气体和流化介质的上向流偏转，以使所述上向流朝向熔炉的中心部分，从而在熔炉的中心部分形成一个流化介质沉降和扩散的移动床，而还在熔炉周边部分形成一个流化介质活性流化的流化床，以使供入熔炉的可燃性物质在与流化介质一起从移动床底部循环到流化床并由流化床顶部循环到移动床的同时气化形成可燃性气体；和将中心流化气体的氧含量设置在低于周边流化气体的氧含量。
2.根据权利要求1的方法，其中所述流化气体进一步包括从位于炉底中心部分和周边部分之间的炉底中间部分供入炉内的中间流化气体，所述中间流化气体的质量速度在所述中心流化气体的质量速度和所述周边流化气体的质量速度之间。
3.根据权利要求2的方法，其中所述中间流化气体的氧含量在所述中心流化气体的氧含量和所述周边流化气体的氧含量之间。
4.根据权利要求2的方法，其中所述中间流化气体或为蒸汽和空气的气体混合物，或为空气。
5.根据权利要求1的方法，其中所述中心流化气体是选自蒸汽、蒸汽和空气的气体混合物及空气中的一种。
6.根据权利要求1的方法，其中所述周边流化气体是选自氧气、氧气和空气的气体混合物及空气中的一种。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中供入流化床熔炉中的流化气体含有的氧气量为不高于可燃性物质燃烧所需燃烧空气理论量的30%的空气中所含的氧气量。
8.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中不燃性物质由炉底的周边部分从所述流化床熔炉取出并分级，而分级所得到的砂返回所述流化床熔炉内部。
9.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中在所述流化床熔炉中产生的可燃性气体和细粒于1300℃或更高温度的高温下在熔融燃烧炉中燃烧，而灰分在其中熔融。
10.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中来自所述熔融燃烧炉的废气的热由废热锅炉回收。
11.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述流化床熔炉中的压力保持在不低于大气压的水平，而来自所述熔融燃烧炉的废气用来驱动燃气轮机。
12.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述可燃性物质为废物。
13.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中流化床的温度维持在450℃-650℃。
14.一种在流化床熔炉中气化可燃物质以生产可燃性气体的装置，其中所述流化床熔炉包括一个具有近似圆形水平横截面结构的侧壁;一个置于炉底的流化气体分散装置;一个置于所述流化气体散装置外周边的不燃性物质出口;用来从所述流化气体分散装置的中心部分将流化气体供入炉内以使所述流化气体垂直向上流动的中心供气装置;用来从所述流化气体分散装置的周边部分将流化气体供入炉内以使所述流化气体垂直向上流动的周边供气装置;一个用来使垂直向上流动的流化气体和流化介质在所述周边供气装置之上某一位置偏转到熔炉中心部分的斜壁;和一个置于所述斜壁之上的自由板;所述中心供气装置提供具有较低质量速度和较低氧气密度的流化气体;和所述周边供气装置提供具有较高质量速度和较高氧气密度的流化气体。
15.根据权利要求14的装置，其中所述流化床熔炉进一步包括用来从所述流化气体分散装置的中心部分和周边部分之间的环形中间部分将流化气体供入炉内以使所述流化气体垂直向上流动的中间供气装置，所述中间供气装置提供的流化气体的质量速度在由所述中心和周边供气装置提供的流化气体的质量速度之间，而氧气密度在由所述中心和周边供气装置提供的流化气体的氧气密度之间。
16.根据权利要求14的装置，其中所述周边供气装置为环形供气盒。
17.根据权利要求14的装置，其中所述流化床熔炉进一步包括一个位于所述流化床熔炉上部的燃性物质入口，所述可燃性物质入口的装配使得可燃性物质落入所述中心供气装置之上的某一空间，所述流化气体分散装置的周边部分低于其中心部分。
18.根据权利要求14的装置，其中所述不燃性物质出口具有一个设置在所述流化气体分散装置的外周边的环形部分，和一个从所述环形部分向下延伸以便在向下远离所述环形部分时收缩的锥形部分。
19.根据权利要求14的装置，其中所述不燃性物质出口具有一个体积调节排料装置，一个密封用第一旋流阀，一个旋流切断阀，一个密封用第二旋流阀，它们串联排列。
20.根据权利要求14-19中任一项的装置，其包括一个熔融燃烧炉，在所述流化床熔炉中产生的可燃性气体和细粒在该燃烧炉中高温燃烧，而灰分熔融，所述熔融燃烧炉具有一个其轴近似垂直的圆柱形第一燃烧室，一个将在所述流化床熔炉中产生的可燃性气体和细粒供入所述圆柱形第一燃烧室以使可燃性气体和细粒绕所述第一燃烧室的轴循环的可燃性气体入口，一个与所述圆柱形第一燃烧室相连通的第二燃烧室，和一个设在所述第二燃烧室底部的卸料口，以使熔融灰分能从所述卸料口排出。
21.根据权利要求20的装置，其中来自所述熔融燃烧炉的第二燃烧室的废气被导入废热锅炉和空气预热器，从而回收废热。
22.根据权利要求20的装置，其中废气被导入集尘器中除去粉尘，然后将气体排入大气，而从所述集尘器排出的粉尘用化学药品处理。
全文摘要
公开了一种燃烧方法和装置，其中可燃性物质如废物、煤等气化产生含有大量可燃性组分足以用其自身的热熔融灰分的可燃性气体。流化床熔炉(2)具有近似圆形的水平横截面结构。在熔炉的中心部分形成一个流化介质沉降和扩散的移动床(9)，而在炉的周边部分形成一个流化介质活性流化的流化床(10)。将可燃性物质(11)注入移动床(9)的上部并在与流化介质一起循环的同时气化形成可燃性气体。供入流化床熔炉(2)中的氧气量设置得与不高于燃烧空气理论量的30％的空气中所含的氧气量相同。流化床(10)的温度维持在450℃—650℃。
文档编号C10J3/86GK1112662SQ9510246
公开日1995年11月29日 申请日期1995年3月9日 优先权日1994年3月10日
发明者平山详郎, 大下孝裕, 田米智加之, 永东秀一, 广濑哲久, 丰田诚一郎, 细田修吾, 藤並晶作, 高野和夫, 三好敬久 申请人:株式会社荏原制作所