專利名稱:一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的方法和裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及生活垃圾或生物質處置與資源化再利用領域,尤其是一種等離子體氣 化生活垃圾與生物質發電的方法和裝置。
背景技術:
生活垃圾無害化、減容化和資源化處理是政府高度重視和公眾熱切關注的主要議 題之一。目前廣泛采用的垃圾處理技術包括堆肥、填埋和焚燒。堆肥減容比低、肥料養分含 量低、長期使用后造成土壤板結。填埋會侵占大量土地,還污染地下水,是不得已而為之的 選擇。盡管如此,對于經濟發達和人口密集的地區來說,土地資源非常緊張,已沒有多少場 地可用于填埋。焚燒尾氣流量大、二次污染物(如SOx、NOx、飛灰、二噁英和呋喃等)濃度較 高,為滿足相關環保標準,必須配套龐大的脫酸除塵設備。另外,垃圾焚燒飛灰含有較高濃 度的重金屬,屬于危險廢物,還需要進一步處理。為能更加潔凈地處理垃圾,同時綜合有效地回收利用垃圾能量,發展了等離子體 氣化技術。該技術一般是采用等離子體作為外加熱源,通入一定量的氣化劑(如水蒸氣、二 氧化碳、空氣、富氧氣體或它們的組合),將垃圾的有機組份裂解氣化,轉化成合成氣(主要 可燃成分是co+H2),無機組份經高溫熔融處理后成為無害的渣體。合成氣可利用內燃機發 電,其發電效率可高達39%,而蒸汽輪機難以超過23%。該技術的環保效果遠優于焚燒,污染 物排放比焚燒低2-3個數量級。等離子體技術最初主要用于處理危險廢物,包括低放射性廢物(如美國專利 US005188649A 和 US005637127A)、多氯聯苯(如美國專利 No. 4644877 和 No. 4431612)、 廢農藥(如中國專利No. 93103682. 8)、醫療廢物(如中國專利No. 01206033. X)及其它 種類的危險廢物(如美國專利No. 5541386和No. 6552295,中國專利No. 89105527. 4、 No. 200480004183. 9和No. 00128708. 7等)。上述技術均是針對不同種類的危險廢物而發 展起來的,是以徹底摧毀廢物毒性為首要目的,不注重能量回收,并且處理規模小、運行成 本高。但生活垃圾的成分與熱值、處理規模與危險廢物相差很大,且要充分回收利用垃圾熱 值,因此這些專利技術并不適合用來處理城市生活垃圾。卡爾特的美國專利US005280757A和卡馬喬的美國專利US005634414A都是將水蒸 氣或水通入反應器中,在等離子體炬的加熱作用下氣化垃圾。空氣只作為等離子體炬的工 作氣體進入或通過進料系統漏入反應器,但進入空氣量很少(過量空氣系數小于0. 02)。電 弧等離子體是唯一熱源,沒有利用廢物本身熱值,能量消耗高,并且限于等離子體炬的功率 能力,其處理規模難以達到實用規模的程度。此外,為保證反應器內部溫度場較為均勻,反 應器壁必須相對靠近電弧等離子體,這使爐膛結構和進料器的設計受到很大限制。泰特斯和蘇爾瑪的美國專利US006215678B1公開了一種熔融氣化生活垃圾的技 術,外加熱源采用直流等離子體炬與交流焦耳熱相結合的辦法。垃圾中的灰分在反應器底 部熔融后是良導體,石墨電極埋入熔體中,通入交流電利用焦耳熱效應進行加熱。有機組分 熱解生成合成氣。反應器主要的工作模式是熱解(無氧),而對于含碳量高的物料,也可工作在部分氧化氣氛(用空氣)。但石墨電極不耐氧化,在有氧氣存在的條件下消耗過快。Shyam V. Dighe和hgo Krieg的美國專利US20090307974A1是在等離子體反應 器底部布置炭床,從炭床底部通入(X)2 (來自純氧燒煤的火電廠)和水蒸氣,用炬直接加熱 炭床,得到CO和H2。生物質或其它可燃固態材料從側面送入反應器,落在炭床之上。從炭 床上升的熱氣流CO和吐加熱生物質,并與之反應,生成更多的CO和H2,以及其它小分子量 的化合物,形成合成氣從頂部流出。該反應器最大特點是底部布置了炭床,通過炬加熱還原 CO2,又加入水蒸氣,同時達到CO2減排和制合成氣的目的。但該工藝比較復雜、技術難度高, 同時由于只采用外加熱源,輸入的電功率很高。現有的這些等離子體生活垃圾處理工藝缺少垃圾預處理系統,不適合處理廚余等 含量高、含水率高、熱值低的原生混合垃圾。在反應器中只輸入電能,采用水蒸氣或水做氣 化劑,不利用垃圾熱值,導致單位質量垃圾消耗電能很高。由于現有等離子體炬功率有限, 先前工藝的處理規模難以擴大到實用規模的程度。此外,只有電能輸入,依靠等離子體射流 加熱熱解或氣化垃圾,造成反應器內溫度場和流場很不均勻,導致對某些局部區域的廢物 沒有加熱到合適的溫度和停留足夠長的時間。
發明內容
針對現有技術存在的問題,本發明的目的在于提供一種等離子體氣化生活垃圾與 生物質發電的方法和裝置,其克服先前等離子體技術的缺點和不足,在部分氧化性氣氛下 將生活垃圾或生物質的有機成分或轉化成可資利用的有價值的合成氣,將無機成分轉化成 物理化學性質穩定的玻璃體,實現垃圾的高效潔凈處理,同時充分回收利用垃圾熱值,降低 單位質量垃圾電耗。為實現上述目的,本發明一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的方法,具體 為
1)對待處理的物料進行預處理,將其連續地加入到等離子體反應器內;
2)在等離子體反應器內采用若干支等離子體炬產生等離子體射流來加熱物 料,加入設定比例的經過預熱的氣化劑將有機成分轉化成合成氣,加入設定比例的造渣劑 將無機成分轉化成玻璃體;
3)合成氣流出等離子體反應器后進入冷卻凈化系統,經過氣水換熱器降溫和 脫酸除塵處理,和經過除霧后貯存到儲氣罐;
4)潔凈的合成氣供給發電機發電,尾氣先經余熱鍋爐降溫回收余熱,再脫除 酸性氣體和飛灰后排出。進一步,所述步驟1)中所述物料包括生活垃圾或生物質。進一步,所述步驟1)中采用螺旋進料或液壓進料系統進行進料。進一步,所述步驟1)中預處理包括分類收集垃圾和生物質進行常規的破碎和烘干 的工藝,或者對原生混合垃圾進行人工分選、濕解、篩分、破碎和烘干的工藝;所述物料破碎 之后粒徑小于50mm,烘干之后含水率為10 40% ;濕解或烘干的能量來自合成氣及發電機 尾氣的余熱。進一步,所述步驟2)中的氣化劑中的氧氣含量相當于按照化學當量比計算的物料 完全燃燒需要的氧氣量的0. 25 0. 4,氣化溫度為1000 2000K。
進一步,所述氣化劑為富氧氣體、空氣、水蒸氣或水。進一步,所述步驟2)中等離子體炬采用直流或交流電源,功率為100 3000kW,等 離子體工作氣體為氬氣、氮氣、水蒸氣、空氣或富氧氣體;富氧氣體的氧氣濃度可高達95%。進一步,所述等離子體工作氣體為富氧氣體,所述等離子體炬中加入保護電極的 氣體,該氣體為氬氣或氮氣。進一步,所述造渣劑為氧化鈣、二氧化硅和碳酸鈉,其加入的份量為保證使所述玻 璃體的氧硅摩爾比在2 3之間。進一步,所述步驟3)中氣水換熱器設計為能夠抵抗HCl的高溫與低溫腐蝕,不采 用噴水急冷,回收合成氣余熱產生蒸汽,同時實現對合成氣的快速降溫,使合成氣在氣水換 熱器內停留的時間不足Is。進一步,所述冷卻凈化系統內設置有多級水封和阻燃器,所述余熱鍋爐后采用水 環壓縮機增壓,使所述合成氣凈化系統在正壓狀態下運行。進一步,所述步驟3)的脫酸除塵工藝中,脫酸處理采用常規干法、半干法和/或濕 法脫酸,除塵處理采用袋式除塵器,或者采用小型強化濕法噴淋脫酸設備,之后布置活性炭 吸附床,吸附重金屬和二噁英類有機污染物。進一步,所述脫酸處理中加入用于中和合成氣中酸性物質的堿性物質,該堿性物 質包括氧化鈣、氫氧化鈉或氫氧化鉀。進一步,所述步驟4)中潔凈的合成氣采用合成工藝合成液體燃料。一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的裝置,包括,預處理系統、等離子體處 理系統、合成氣冷卻凈化系統、發電系統,其中,等離子體處理系統包括若干支離子體炬,該 離子體炬產生等離子體射流加熱物料,使物料中的有機成分轉化成合成氣,合成氣經由合 成氣冷卻凈化系統處理后輸送入發電系統進行發電。進一步,若干支所述等離子體炬沿圓周方向均布設置,各支等離子體炬均與法線 方向形成設定角度,以形成高溫氣體環流。進一步,所述發電系統中的發電機為內燃式氣體發動機或小型燃氣輪機。本發明適用于處理城市固體廢物或生物質,可生成有價值的合成氣。本發明的減 容比高,最高可達99. 7%。合成氣流量僅為焚燒法尾氣量的5 10%,后處理凈化設備小巧緊 湊,整套工藝系統占地面積少。進入反應器的垃圾的處理耗電約為0. 3 0. 6 kWh/kg,而發 電約為0.8 1.25 kWh/kg,凈發電量約為0.2 0.95 kWh/kg,并可提供大量蒸汽,蒸汽可 供給預處理工藝、除霧和氣化劑預熱等使用,還可對外供熱、或用于處理污水和海水淡化等 多種用途,經濟效益好。
圖1是本發明的工藝流程圖。
具體實施例方式如圖1所示,本發明等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的方法,本實施例的方 法步驟按以下順序進行
1)首先將待處理的分類收集垃圾進行破碎處理,物料破碎之后粒徑小于50mm,使其大小適合于等離子體反應器處理的形態。之后再進行烘干,使其含水率降至10 40%之間, 其含水率最優質為20% 30%,以提高其熱值。然后再通過螺旋進料系統連續地將垃圾送到 本發明的等離子體反應器內。烘干所用能量來自所回收的合成氣和內燃機發電機排氣的熱 能,烘出的氣體經過冷凝分離出水,剩余氣體抽入等離子體反應器內或氣體發動機中;
2)在等離子體反應器內進行氣化處理,通過加入設定比例的經過預熱的氣化劑將有 機成分轉化成合成氣,其中氣化劑可采用富氧氣體、空氣、水蒸氣或水,氣化劑中的氧氣含 量相當于按照化學當量比計算的物料完全燃燒需要的氧氣量的0. 25 0. 4,氣化溫度為 1000 2000K,本實施例中氣化劑為空氣。等離子體反應器是直立式的,處理能力為50t/ d (含水率30%),等離子體工作氣體為氬氣、氮氣、水蒸氣、空氣或富氧氣體;富氧氣體的氧 氣濃度可高達95%。反應器從上到下分充分反應區、快速反應區和底渣區三個區域,合成氣 排氣口在頂部,物料口在充分反應區下方,等離子體炬在下部,底部有溢渣口和一次風口, 在等離子體炬上方,進料口下方安排有補風口。物料在充分反應區下方進入反應器,避免物 料隨上升氣流直接從排氣口流出,造成裂解不徹底。尾氣離開反應器時溫度為1000攝氏 度。為利用廢物本身的部分熱值減少電耗,加入一定量的空氣(過量空氣系數0. 3),一部分 從等離子體炬進入反應器,另一部分空氣經空氣預熱器由反應器下部送入。等離子體炬采 用直流或交流電源,功率為100 3000kW,本實施例中采用3支等離子體炬的方案,每支炬 200kW。當等離子體炬電極燒蝕后,可輪流更換等離子體炬的電極,不需要停止反應器的工 作。多支等離子體炬沿圓周均布設置,各支等離子體炬與法線方向形成一定角度,以造成高 溫氣體環流,確保裂解效果。無機成分在反應器底部熔融,加入造渣劑,兩者充分反應后經溢渣口排出,急冷形 成玻璃體。加入的造渣劑為二氧化硅、氧化鈣和碳酸鈉,加入比例保證使玻璃體的氧硅比為 2.8。玻璃體物理化學性質穩定,浸出率極低,能有效固定化安定化重金屬,為無害的物質, 可用于建筑材料或鋪路基石。少量的金屬氧化物會被還原,沉聚到熔體底部,經溢渣口排出 后冷卻成金屬塊。合成氣從反應器出氣口進入冷卻脫酸除塵系統,進行凈化處理。3)合成氣流出等離子體反應器后進入冷卻凈化系統,經過快速干式換熱器降溫、 循環流化床干法脫氯和脫硫、袋式除塵器除塵、濕式脫酸塔脫氯和脫硫、活性炭吸附床脫重 金屬和二噁英等有機污染物。合成氣凈化系統可以采用循環流化床干法脫酸+袋式除塵+ 濕法脫酸+活性炭床吸附的組合方案,也可采用小型強化濕法噴淋脫酸設備脫酸除塵,可 以減小設備體積,防止可燃性氣體爆炸,環保效果好。潔凈后的合成氣一般包含下列幾種氣 體氫氣、一氧化碳、水蒸氣、二氧化碳和氮氣。等離子體系統輸出的合成氣溫度高達1000° C,含有一定量的HCl和飛灰,需要 進行降溫及尾氣凈化系統處理后提供后端用戶。本發明采用特殊設計的飽和蒸汽余熱 鍋爐作為換熱器(快速干式氣水換熱器)回收合成氣顯熱,可提供溫度183 203° C,壓力 1. (Tl. 3MPa的蒸汽供預熱空氣、烘干和除霧等工藝使用。余熱鍋爐出口合成氣溫度控制在 160-180° C范圍。合成氣在換熱器停留時間小于ls,以防止二噁英再合成。此特殊設計的 飽和蒸汽鍋爐不僅可回收合成氣顯熱,耐HCl的高溫和低溫腐蝕,還可以適應進氣流量大 幅度變化而不會影響出口氣體溫度。在循環流化床和濕法脫酸塔或者小型強化濕法噴淋脫酸設備中,用堿性劑對合成 氣含氯和硫的酸性氣體進行中和,同時利用袋式除塵器脫除合成氣中少量飛灰,然后將其中的固體顆粒物分離回收。潔凈后的合成氣可回收利用,或進入內燃機燃燒發電。內燃發 電機組采用通用電氣顏巴赫的2. 8麗機組,發電效率39%,并采用熱電聯產方式,利用部分 尾氣余熱為濕解提供能量。尾氣先經余熱鍋爐降溫回收余熱,然后再脫硝,之后排入大氣。本發明中潔凈的合成氣也可以采用合成工藝,如F-T間接合成油工藝,來合成汽 油和柴油等液體燃料。本發明合成氣不采用噴水急冷,而采用余熱鍋爐將合成氣及發電機尾氣余熱回 收,用于濕解工藝。采用濕解工藝、小型強化濕法噴淋脫酸設備和內燃機發電等都是新特 點。本發明將生活垃圾當作一種生產合成氣的原料,以回收能量或能源產品為首要目的,實 現生活垃圾“三化”處理,能源回收可以減少二氧化碳排放。為達到本發明目的,必須對生 活垃圾進行預處理,并根據等離子體反應器中輸入的氣化劑含氧量和炬功率調整垃圾含水 率和熱值,以得到高質量的合成氣。
權利要求
1.一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的方法,其特征在于,該方法具體為1)對待處理的物料進行預處理,將其連續地加入到等離子體反應器內;2)在等離子體反應器內采用若干支等離子體炬產生等離子體射流來加熱物料,加入設 定比例的經過預熱的氣化劑將有機成分轉化成合成氣,加入設定比例的造渣劑將無機成分 轉化成玻璃體;3)合成氣流出等離子體反應器后進入冷卻凈化系統,經過氣水換熱器降溫和脫酸除塵 處理,和經過除霧后貯存到儲氣罐;4)潔凈的合成氣供給發電機發電,尾氣先經余熱鍋爐降溫回收余熱,再脫除酸性氣體 和飛灰后排出。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟1)中所述物料包括生活垃圾或 生物質。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟1)中采用螺旋進料系統進行進料。
4.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟1)中預處理包括分類收集垃圾 和生物質進行常規的破碎和烘干的工藝,或者對原生混合垃圾進行人工分選、濕解、篩分、 破碎和烘干的工藝;所述物料破碎之后粒徑小于50mm,烘干之后含水率為10 40% ;濕解 或烘干的能量來自合成氣及發電機尾氣的余熱。
5.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟2)中的氣化劑中的氧氣含量相 當于按照化學當量比計算的物料完全燃燒需要的氧氣量的0. 25 0. 4,氣化溫度為1000 2000K。
6.如權利要求5所述的方法,其特征在于,所述氣化劑為富氧氣體、空氣、水蒸氣或水。
7.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟2)中等離子體炬采用直流或交 流電源,功率為100 3000kW,等離子體工作氣體為氬氣、氮氣、水蒸氣、空氣或富氧氣體; 富氧氣體的氧氣濃度可高達95%。
8.如權利要求7所述的方法,其特征在于,所述等離子體工作氣體為富氧氣體,所述 等離子體炬中加入保護電極的氣體,該氣體為氬氣或氮氣。
9.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述造渣劑為氧化鈣、二氧化硅和碳酸 鈉,其加入的份量為保證使所述玻璃體的氧硅摩爾比在2 3之間。
10.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟3)中氣水換熱器設計為能夠抵 抗HCl的高溫與低溫腐蝕,不采用噴水急冷,回收合成氣余熱產生蒸汽,同時實現對合成氣 的快速降溫,使合成氣在氣水換熱器內停留的時間不足1 s。
11.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述冷卻凈化系統內設置有多級水封和阻 燃器,所述余熱鍋爐后采用水環壓縮機增壓,使所述合成氣凈化系統在正壓狀態下運行。
12.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟3)的脫酸除塵工藝中,脫酸處理 采用常規干法、半干法和/或濕法脫酸,除塵處理采用袋式除塵器,或者采用小型強化濕法 噴淋脫酸設備,之后布置活性炭吸附床,吸附重金屬和二噁英類有機污染物。
13.如權利要求12所述的方法,其特征在于,所述脫酸處理中加入用于中和合成氣中 酸性物質的堿性物質,該堿性物質包括氧化鈣、氫氧化鈉或氫氧化鉀。
14.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟4)中潔凈的合成氣采用合成工藝 合成液體燃料。
15.一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的裝置,包括,預處理系統、合成氣冷卻 凈化系統、發電系統,其中,預處理系統包括若干支離子體反應器,該離子體反應器產生等 離子體射流加熱物料,使物料中的有機成分轉化成合成氣,合成氣經由合成氣冷卻凈化系 統處理后輸送入發電系統進行發電。
16.如權利要求15所述的裝置,其特征在于,若干支所述等離子體炬沿圓周方向均布 設置,各支等離子體炬均與法線方向形成設定角度,以形成高溫氣體環流。
17.如權利要求15所述的裝置,其特征在于,所述發電系統中的發電機為內燃式氣體 發動機或小型燃氣輪機發電機。
全文摘要
本發明公開了一種等離子體氣化生活垃圾與生物質發電的方法和裝置,包括等離子體炬,工作氣體可采用氮氣、氬氣、水蒸氣和空氣。等離子體反應器將生活垃圾或生物質轉化成合成氣,可供入一定量的空氣或富氧氣體部分釋放有機物熱值。合成氣采用特殊設計的氣水換熱器快速降溫,并生產蒸汽。合成氣的凈化處理可采用干法、半干法或濕法脫酸,配合袋式除塵器除塵,或采用小型強化濕法噴淋脫酸設備在一臺設備中同時完成脫酸和除塵。活性炭吸附床布置在脫酸除塵設備之后,用于吸附重金屬和二噁英類有機污染物。潔凈的合成氣可采用內燃式氣體發動機、小型燃氣輪機、蒸汽輪機或集中發電機的組合進行發電,也可采用熱電聯產的聯合循環,用于生產液體燃料。
文檔編號C10J3/18GK102061196SQ20111002955
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者徐永香, 李要建, 盛宏至 申請人:中國科學院力學研究所