等离子体固定床气化固体废物的加压气化工艺及系统

摘要

本发明公开了一种等离子体固定床气化固体废物的加压气化工艺及其系统，本发明系统包括加压气化系统、熔渣激冷及排渣系统、粗合成气激冷及洗涤系统，其特征在于，所述加压气化系统为等离子体固定床气化炉，所述等离子体固定床气化炉包括中部设有原料进口、顶部设有粗合成气出口、底部设有熔渣出口的炉体，所述炉体的上部和下部均设有等离子炬。本发明工艺包括将固体废物送入等离子体固定床气化炉内，在等离子炬的作用下与气化剂反应生成粗合成气及熔渣，并对粗合成气及熔渣进行进一步处理。本发明工艺简单、操作简便、处理量大、原料适用性广、气化温度场分布均匀、节能降耗、对环境友好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气化工艺及系统，具体的说是等离子体固定床气 化固体废物的加压气化工艺及系统。

背景技术

目前，针对固体废物（城市垃圾、工业垃圾、医疗废物、其他有 毒有害废物等）的处理原则是无害化、减量化和资源化，处理方式主 要有三种：卫生填埋、堆肥和焚烧发电，这三种方式除了存在其固有 的缺点和不足之外，对环境均有严重影响。因此，研究开发出一种针 对固体废物处理的绿色环保新技术，尽可能减少和消除其处理过程中 造成的环境污染问题，已成为当前固体废物处理领域一个新的研究课 题。

等离子体气化技术是近几年发展起来的一种全新技术。和一般焚 烧技术不同，采用等离子气化技术处理固体废物，是利用等离子炬产 生的高强度热源（5500℃以上）作为气化炉的热源之一，由于其高温 和高热密度，几乎能将固体废物中的有机物完全气化并转化成合成气 （主要为CO和H₂），而无机物则可变成无害的玻璃体灰渣，可以实现 固体废物处理过程污染物的“零排放”。将等离子体气化技术用于处理 各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点，具体如下： ①可以处理有毒、有害危险及非危险废物，包括有机的、无机的、气 体、液体及固体；②能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒且有 使用价值的产品；③符合最严格的排放标准，绿色达标排放（二英、 重金属远低于欧盟标准）；④处理得到合成气经过净化处理，可用于 生产化工产品或用于发电和供热等。

目前，等离子体气化技术应用于固体废物的处理在国外已有工业 化运行装置，但处理能力偏低，最大处理量不到300t/d，且近几年 发展缓慢。国内对等离子体气化技术的研究主要侧重于材料加工工艺 技术，在处理固体废物方面，中科院力学所进行了应用性的基础研究， 在实验室建成了一条3t/d的等离子处理医疗垃圾的实验线，并与企 业合作建成了2条5-10t/d的等离子处理危险废物的生产线。此外， 太原理工大学、清华大学、大连理工大学等主要侧重于煤的等离子体 气化技术研究，武汉凯迪电力公司侧重于生物质的等离子体气化技术 开发，武汉华电天和公司则侧重于等离子炬的研究与开发。

国内外目前在等离子体气化技术的开发与应用方面主要存在以 下几个方面的缺点和不足：①由于气化压力为微正压，处理能力普遍 偏低；②处理物料种类偏单一，原料适应性不广；③气化温度场分布 不均匀，焦油和二英难以完全消除；④等离子炬利用效率低，耗电 量大，能耗较高；⑤投资较高，系统可靠性不高，经济性差。

发明内容

本发明目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作 简便、处理量大、原料适用性广、气化温度场分布均匀，对环境友好 的等离子体固定床气化固体废物的加压气化工艺。

本发明还提供一种用于上述工艺的系统，具有结构简单、能耗低、 设备投资和运行成本低、气化温度场分布均匀的优点。

本发明系统包括加压气化系统、熔渣激冷及排渣系统、粗合成气 激冷及洗涤系统，所述加压气化系统为等离子体固定床气化炉，所述 等离子体固定床气化炉包括中部设有原料进口、顶部设有粗合成气出 口、底部设有熔渣出口的炉体，所述炉体的上部和下部均设有等离子 炬。

所述等离子体固定床气化炉上部设置1～3个等离子炬，在炉体 截面上成环形均布排列（如呈单一或正对或正三角形排列），其喷口 倾斜向下，与炉体中轴线成60～90°；所述等离子体固定床气化炉 下部设置3～6个等离子炬，在炉体截面上成环形均布排列（如呈正 三角形或正四边形或正五边形或正六边形排列），其喷口倾斜向下， 与炉体中轴线成45～60°。

所述等离子体固定床气化炉为圆锥型结构，顶部截面直径大于底 部截面直径，顶部边缘和底部边缘连线与炉体中轴线的偏锥角度在 5～30°；所述等离子体固定床气化炉体中上部设置1～3个原料进 口，所述原料进口倾斜向下，与气化炉体中轴线成45～60°；所述 等离子体固定床气化炉中下部还设置2～4个气化剂进口，所述气化 剂进口倾斜向下，与炉体中轴线成60～90°。

所述等离子体固定床气化炉上部单个等离子炬功率20～300KW， 下部单个等离子炬功率100～1000KW。

所述熔渣激冷及排渣系统包括与等离子体固定床气化炉的熔渣 出口依次连接的激冷室和渣锁斗；所述粗合成气激冷及洗涤系统包括 与等离子体固定床气化炉的粗合成气出口依次连接的激冷罐、文丘里 洗涤器和洗涤塔。

所述激冷罐的进气口处设有环形激冷喷嘴。

本发明中，等离子体固定床气化炉简称气化炉，所述气化炉上部 设置的1～3个20～300KW等离子炬用于将气化生成的粗合成气中可 能携带的焦油和二英等有机物进行分解，由于等离子炬可产生的高 强度热源，中心温度可达5000℃以上，边缘温度在2000℃以上，粗 合成气流经该区域温度控制在1200℃以上，停留时间控制在≥1s， 可保证将粗合成气中携带的焦油和二英等大分子有机物充分完全 分解除去，对环境友好。

所述气化炉下部设置的3～6个100～1000KW等离子炬用于将固 体废物中的灰渣完全溶解，形成熔融状态，通过气化炉底部熔渣出口 流入到激冷室，将熔融态灰渣激冷成玻璃体渣排出。进一步的，对气 化炉上部及下部的等离子炬的布置和喷口角度进行了进一步的优化， 使其在同一截面上均布，且使喷角倾斜向下。气化炉上部等离子炬倾 斜角度优选与炉体中轴线成60～90°，其目的是为了使合成气在出 气化炉前在等离子炬的高温高能的均匀能量作用下有足够的停留时 间，角度过大或过小都可能使能量分布不均匀，或造成粗合成气停留 时间不充分，二英等有机物无法充分分解，或停留时间过长，造成 不必要的能量浪费；气化炉下部的等离子炬与炉体中轴线成45～ 60°，其目的是为了使进料的固体废物完全熔解，角度过大或过小都 会使能量分布不均匀，或造成固体废物熔解不完全，或造成不必要的 能量浪费。通过气化炉上部和下部的等离子炬的合理设置和安装，最 终保证气化炉内温度场均匀分布，提高气化效率。

优选将气化炉体设计为圆锥型结构，使其顶部截面直径大于底部 截面直径，顶部边缘和底部边缘连线与气化炉体中轴线的偏锥角度在 5～30°，这种圆锥型结构的气化炉除了适应不同状态下物料的体积 特点，合理有效利用气化炉空间之外，将更有利于高温区在炉底集中， 避免炉内底部熔渣区温度的流失，也利于固体废物在熔渣区上方的燃 烧氧化区与氧化剂进行反应，提高反应效率。所述氧化剂可以选用常 用的氧气或富氧空气与水蒸汽的混合物，本领域技术人员可根据实际 需要调节富氧的浓度、以及氧气或富氧空气与水蒸汽的混合比例，在 此不作详述。

由于焦油和二英等大分子有机物的充分分解温度在1100℃以 上，因此所述等离子体固定床气化炉上部单个等离子炬功率无需太 高，在20～300KW即可，而下部单个等离子炬功率应为100～1000KW， 以保证底部熔渣区内的温度足够将固体废物中的灰渣完全溶解，形成 熔融状态。

所述气化炉内壁可以为盘管膜式水冷壁结构，水冷壁上均匀涂抹 一层耐火材料涂层，涂层材料可以是碳化硅或其他同等耐高温材料， 涂层厚度10～150mm。水冷壁向火侧焊接渣钉，优选为耐热耐高温不 锈钢材料，用于固定涂覆的耐火材料，并使耐火材料冷却，运行过程 中，耐火材料表面会形成固渣层和液渣层，实现“以渣抗渣”，保护 水冷壁的目的。

所述激冷喷嘴的设置一方面是为了对进入激冷罐的粗合成气进 行初步激冷，另一方面可使激冷罐进口处的壁面上覆盖了一层均匀的 冷水水膜，在激冷合成气的同时，保护局部壁面不被烧损。

本发明等离子体固定床气化固体废物的加压气化工艺为，将固体 废物由原料进口加入到等离子体固定床气化炉底部，由气化剂进口通 入气化剂，在炉体下部等离子炬的高温高能作用下，固体废物与气化 剂反应，生成粗合成气及熔融态灰渣，所述熔融态灰渣由炉体底部的 熔渣出口排出流入熔渣激冷及排渣系统；所述粗合成气上升至炉体上 部，被炉体上部的等离子炬再次作用使粗合成气中携带的焦油和二 英等大分子有机物质分解后，再由粗合成气出口送入合成气激冷及洗 涤系统。

所述等离子体固定床气化炉的气化反应压力0.3～4.5MPaG，物 料在气化炉内停留时间1～15min，控制粗合成气出口的气体温度在 1200～1250℃。

所述炉体底部熔融态灰渣经熔渣出口进入到与气化炉底部相连的 激冷室进行激冷后，再通过渣锁斗进一步冷却降温至60～100℃排出； 所述粗合成气从粗合成气出口送入激冷罐进行水浴式激冷至100～ 250℃，然后经文丘里洗涤器洗涤后再送入洗涤塔进一步洗涤除尘至 含尘量≤1mg/Nm³合成气送下游装置。

所述粗合成气从粗合成气出口送入激冷罐，在激冷罐的进口处被 激冷喷嘴喷出的激冷水降温至400～600℃后送入激冷罐进行水浴式 激冷至100～250℃。

本发明中以等离子炬作为高温热源对固体废物进行处理，具有处 理流程短、效率高、适用范围广等特点，将等离子炬设在气化炉上部 和下部，在炉内产生高温使固体废物在高温下气化并生成熔渣，该反 应过程安全可靠：上部等离子炬可保证气化炉出口合成气不携带焦油 和二英等有害物质，保证产品气体洁净；下部等离子炬可保证入炉 固体废物中的灰渣能完全熔化成熔融状态，便于激冷成玻璃体渣，有 效防止重金属污染。上、下等离子炬的共同作用，使气化炉内由下至 上形成四个区域，即熔渣区、燃烧氧化区、气化还原区和干馏干燥区。 固体废物在燃烧气化区内与氧化剂反应，生成的气体上升经气化还原 区和干馏干燥区最终得到粗合成气，固体废物中的灰渣于熔渣区在等 离子炬的高温下熔融形成液态熔渣。

进一步的，提高气化操作压力为0.3～4.5MpaG，优选1.0～ 4.5MpaG。使得气化处理固体废物能力增大，单台气化炉入炉物料量 公称能力可达到200～1500t/d。

由于本发明气化炉气化效果好，效率高，进料的固体废物仅需破 碎至5～150mm粒径范围即可，原料适应性广，特别是能够处理各种 高灰分高灰熔点固体废物，如冶炼厂的各种冶金废渣等。

进一步的，根据需要可添加助溶剂来降低固体废物的灰熔点和增 加熔渣的流动性，所述助溶剂可以石灰石、氧化硅或具有同等功能的 物质。通过添加助溶剂后，降低进料固体废物灰熔点和增加熔渣流动 性，可降低气化反应温度，进而减少气化炉下部用于熔渣的等离子炬 功率，从而节省电能消耗。

所述物料在气化炉内停留时间1～15min，优选5～10min。时间 过短可能造成物料反应不完全，过长可能导致能量的浪费；进一步的 控制粗合成气出口气体温度在1200～1250℃，从而实现出气化炉的 粗合成气不携带焦油和二英等物质，产品气体洁净的目的。

本发明具体有益效果归纳如下：

1.本发明的方法提高了气化操作压力，使得气化炉处理能力增 加，单炉公称最大处理能力可达1500t/d；

2.本发明的方法气化反应温度高，原料适应性广，特别是能够 处理各种高灰分高灰熔点固体废物。

3.本发明的方法在气化炉上部和下部分别设置了等离子炬，上 部等离子炬可保证气化炉出口合成气不携带焦油和二英等物质，产 品气体洁净；下部等离子炬可保证入炉固体废物中的灰渣能完全熔化 成熔融状态，便于激冷成玻璃体渣，可有效防止重金属污染。

4.本发明对气化炉原料进口、气化剂进口、粗合成气出口、熔 渣出口以及等离子炬的设置，保证了气化炉内温度场分布均匀，有效 提高了气化效率。

5.本发明对气化炉出口高温粗合成气在输气管末端采用喷水激 冷后，再进入激冷罐进行水浴激冷，降温效果好，同时可降低一次性 投资。

6.本发明气化炉内无支撑或传动部件，维护量少，可有效保证 气化炉的长周期运转。

7.本发明的方法绿色环保，气化过程不产生焦油、萘、酚等污 染物，故废水治理简单，易达标排放；高温排出的融渣，激冷固化后 形成玻璃体渣，性质稳定，可用于建筑材料，填埋时对环境也无影响。

8.本发明的工艺流程简单、系统操作灵活简便，运行成本低、 安全可靠、节能降耗。

附图说明

图1为本发明方法工艺流程图暨系统图；

图2为本发明等离子体固定床气化炉结构示意图；

图3为本发明等离子体固定床气化炉俯视图。

其中：1—气化炉，1.1—原料进口、1.2—气化剂进口、1.3— 等离子炬、1.4—等离子炬、1.5—水冷壁、1.6—粗合成气出口、1.7 —熔渣出口、1.8—炉体；2—激冷室；3—渣锁斗；4—渣水循环泵； 5—渣水冷却器；6—激冷罐、6.1-环形激冷喷嘴；7—过滤器；8—文 丘里洗涤器；9—洗涤塔；10—激冷水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参照图1，气化炉1（为等离子体固定床气化炉）底部的熔渣出 口1.7依次与激冷室2和渣锁斗3连接，将冷却减压后的玻璃体渣排 出系统，所述渣锁斗3还经渣水循环泵4和渣水冷却器5与激冷室2 连接，用于为激冷室2供熔渣激冷水的同时，也为渣锁斗3进行有效 集渣；气化炉1顶部的粗合成气出口1.6依次与激冷罐6、文丘里洗 涤器8和洗涤塔9相连，将气化炉1气化生成的粗合成气进行激冷和 洗涤除尘后送下游装置使用；洗涤塔9底部出口依次经激冷水泵10 分别与激冷罐6及过滤器7连接，所述过滤器7与激冷罐6进气口处 的环形激冷喷嘴6.1连接，部分洗涤水直接作为激冷罐的激冷补充 水，另一部分洗涤水则作为激冷喷嘴6.1的激冷喷水，用于预先对出 气化炉1的粗合成气进行预先激冷。此外，为了防止系统内盐类物质 的积聚，造成管道和设备结垢阻塞等问题，洗涤塔9底部余下部分洗 涤水与激冷罐6底部的激冷水一起送往水处理工序进行处理。同时， 为了保持系统内的水平衡，通过在洗涤塔9上部补充工艺水，同时作 为洗涤合成气的洗涤水。

参照图2和图3，所述气化炉1的炉体1.8中部设置倾斜向下的 2个原料进口1.1，所述原料进口1.1与气化炉体中轴线成45～60°； 所述炉体1.8中下部（位于原料进口1.1和下部的离子炬1.3之间） 设置4个气化剂进口1.2，所述气化剂进口1.2倾斜向下，与气化炉 体中轴线成60～90°；所述炉体1.8上部设置3个等离子炬1.3，其 喷口倾斜向下，与气化炉体中轴线成60～90°；炉体1.8下部设置 有3个等离子炬接口1.4，其喷口倾斜向下，与气化炉体中轴线成45～ 60°；所述炉体1.8内壁为盘管膜式水冷壁1.5；所述炉体1.8顶部 为粗合成气出口1.6，底部为熔渣出口1.7。

所述气化炉1上部在同一截面上均匀设置的1～3个20～300KW 等离子炬1.3用于将气化生成的粗合成气中携带的焦油和二英等 有机物进行分解。由于等离子炬可产生的高强度热源，中心温度可达 5000℃以上，边缘温度在2000℃以上，粗合成气流经该区域温度控 制在1200℃以上，停留时间控制在≥1s，可保证将粗合成气中携带 的焦油和二英等大分子有机物充分完全分解除去。

所述气化炉1下部在同一截面上均匀设置的3～6个100～1000KW 等离子炬1.4用于将固体废物中的灰渣完全溶解，形成熔融状态，通 过气化炉底部出渣口流入到激冷室2，将熔融态灰渣激冷成玻璃体渣 后排出。

工艺过程与方法：

将进料固体废物破碎至5～150mm粒径后，通过进料装置加压至 0.3～4.5MPaG后，由原料进口1.1送入到气化炉1内，物料在气化炉 内停留时间1～15min，控制粗气化炉1的合成气出口1.6处的气体 温度在1200～1250℃；与此同时，气化剂由气化剂进口1.2送入到 气化炉1内，与固体废物进行气化反应，所述气化剂可以是富氧空气 +水蒸汽或者纯氧气+水蒸汽。气化炉1下部等离子炬1.4可将固体废 物中的灰渣完全熔化成熔融状态，并通过气化炉1底部的熔渣出口 1.7流入至激冷室2，在激冷室2中激冷形成玻璃体渣，再通过渣锁 斗3的排渣系统进一步冷却降温至60～100℃后排出系统。气化炉1 上部的等离子炬1.3可将粗合成气中可能携带的焦油和二英等大 分子有机物质进行彻底分解，并通过气化炉顶部的粗合成气出口1.6 导入到激冷罐6的进口处先经环形激冷喷嘴6.1喷出的激冷水降温至 400～600℃后再送入激冷罐6进行水浴式激冷至100～250℃，然后 经文丘里洗涤器8洗涤后再送入洗涤塔9进一步洗涤除尘至含尘量≤ 1mg/Nm³合成气送下游工序。洗涤塔9底部流出的部分洗涤水经激冷 水泵10送入激冷罐6，另一部分洗涤水经激冷水泵10、过滤器7送 往激冷罐6进气口处的环形激冷喷嘴6.1作为激冷水使用。余下部分 洗涤水与激冷罐6底部的激冷水一起送往水处理工序进行处理。

气化炉水冷壁1.5为盘管膜式水冷壁结构，水冷壁1.5上均匀涂 抹一层碳化硅或其他同等耐高温材料涂层，涂层厚度10～150mm；水 冷壁1.5向火侧焊接渣钉，渣钉材料为耐热耐高温不锈钢，用于固定 涂覆的耐火材料，并对耐火材料冷却，气化炉运行过程中，耐火材料 表面会形成固渣层和液渣层，实现“以渣抗渣”，保护水冷壁1.5不 被高温烧损。

气化炉1内的反应过程：

固体废物于等离子体气化炉1内在等离子炬高温高能的作用下， 与气化剂发生反应生成高温粗合成气，气化炉内气化反应压力0.1～ 4.5MpaG。本发明气化炉为等离子体固定床气化炉，固体废物从下往 上依次经过四个反应床层：①熔渣区：利用等离子体气化炉1下部等 离子炬1.4产生的高温高能将固体废物中的灰渣熔融形成液态熔渣， 经气化炉底部激冷室2激冷后形成玻璃态渣排出气化炉系统，该区域 平均温度可高达1600℃以上；②燃烧氧化区：固体废物与气化剂在 该区域迅速发生氧化反应，生成一氧化碳和二氧化碳，同时放出大量 的热，反应温度可达1400～1600℃；③气化还原区：来自燃烧氧化 区的二氧化碳和水蒸汽，在该区域与固体废物发生一系列吸热性气化 还原反应，生成以CO和H₂为主的粗合成气，该区域温度可达1250～ 1400℃；④干馏干燥区：来自气化炉氧化区和还原区生成的高温气体 与从气化炉中上部加入的固体废物接触，进行干馏和干燥反应，该区 域温度可达1100～1200℃。固体废物在气化炉内经过以上四个反应 床层后，生成了以CO和H₂为主的粗合成气，再经过气化炉1上部时， 借助上部的等离子炬1.3产生的高温高能将气体中可能携带的焦油 和二英等大分子有机物质进行充分分解，控制气化炉顶部粗合成气 出口1.6的粗合成气温度在1200～1250℃，以确保焦油和二英等 物质充分彻底分解。

经本发明洗涤除尘后的合成气可送往下游装置用于燃烧发电或 供热、化工产品生产、制氢和制取液体燃料等。