專利名稱：通過氣化處理廢物的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，更具體地說，涉及這樣一種處理廢物的方法和裝置，即通過在較低溫度下氣化，然后在較高溫度下回收廢物中處于可循環(huán)的狀態(tài)下的金屬或灰分(ash content)，以及可用于合成氨(NH3)的含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體。
氨(NH3)是一種化學工業(yè)的基本原料，它是大量生產(chǎn)硝酸和多種化肥的原料；包括硝酸銨、硫酸銨和尿素；丙烯腈，己內(nèi)酰胺等。氨是在催化劑的存在下，由氮氣(N2)和氫氣(H2)在高壓下合成的。氫氣(H2)既可以通過天然氣或石腦油的蒸汽重整，也可以通過部分燃燒，即烴類，如石油、煤或石油焦的氣化來得到。
迄今，通常采用焚燒方法來處理包括城市垃圾的有機廢物，包括纖維增強塑料(FRP)的塑料廢物、生物廢物以及汽車廢物，從而減少其體積，或者將有機廢物以未經(jīng)處理的狀態(tài)拋棄在掩埋場地中。
然而，少量有用的資源已經(jīng)從有機廢物中得到回收，并且用于重復使用——無論是用于直接的還是間接的應用。
作為氨(NH3)的一種原料的氫氣是從天然氣、石腦油、石油、煤、石油焦中獲得的。由于這些原料中的大多數(shù)依賴于從國外進口，因此，渴望能獲取廉價的且在我們自己國家中能得到的原料。
另一方面，固體廢物的焚燒已經(jīng)成為有害，理由如下迄今，采用一臺加煤加熱爐或者是一臺流化床加熱爐來進行廢物焚燒。然而，就環(huán)境保護或者就資源或能源的重復使用而言，這種焚燒是有問題的。更具體一些，由于高氣率(air ratio)，大量廢氣被排出了，而有毒的二惡英(dioxins)包含在廢氣之中。另外，從加熱爐中排出的金屬不適于重復使用，因為它們被氧化了，而掩埋場地變得一年比一年缺乏。最近，采用灰熔設備的廢物處理設備的數(shù)目在增加，然而，所碰到的問題是這些廢物處理設施的建設費用和/或操作費用。再有，目前正在發(fā)展一種有效地利用固體廢物能量的趨勢。
由于缺乏掩埋場地，將固體廢物以未經(jīng)處理的狀態(tài)傾倒在場地上已經(jīng)變得更加困難，從環(huán)保的觀點來講，這也已經(jīng)不能允許。因此，象報廢汽車的粉碎機粉塵這樣的固體廢物，已沒有場地可用來將它們處理掉。
因此；本發(fā)明的目的是提供一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，該方法和裝置能回收廢物中的資源，為資源的分離和再使用開辟了一條道路，能通過部分燃燒產(chǎn)生具有用作氨合成氣體所要求組分的合成氣體，能解決由于焚燒或傾倒有機廢物所造成的種種問題，還能獲得用于氨合成的低成本氫氣(H2)。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將在流化床反應器中生成的氣態(tài)物質(zhì)和焦炭引入高溫焚燒爐；且在較高的溫度下，在高溫焚燒爐中生產(chǎn)合成氣體；冷卻(quenching)在高溫焚燒爐中生成的合成氣體；將合成氣體中的CO和H2O轉(zhuǎn)化為CO2和H2；且通過去除CO2從而回收H2。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在較低的溫度下，氣化廢物以生成氣態(tài)物質(zhì)和焦炭的流化床反應器；在較高的溫度下，由氣態(tài)物質(zhì)和焦炭生產(chǎn)合成氣體的高溫焚燒爐；裝有水且用于冷卻合成氣體的冷卻腔；用于將合成氣體中的CO和H2O轉(zhuǎn)化為CO2和H2的轉(zhuǎn)化器；以及一個用于吸收CO2從而回收H2的吸收器。
在流化床反應器和高溫焚燒爐中的氣化步驟可以在10至40atm的壓力范圍下來進行。被回收的H2可以被用來生產(chǎn)氨。
該方法可以包括將空氣分離成氧氣和氮氣的步驟，被分離出來的氧氣被用來作為在流化床反應器和高溫焚燒爐中的氣化劑，而被分離出來的氮氣則被用來生產(chǎn)氨。
在流化床反應器的流化床中，較低的溫度在450-650℃的溫度范圍內(nèi)，而在流化床反應器的凈空(freeboard)中的溫度在600至800℃的范圍內(nèi)。
在高溫焚燒爐中，較高的溫度是1300℃或更高。
在氣化過程中，通過分離空氣所獲得的氧氣以及蒸汽的一種混合物被用來作為生產(chǎn)氫氣的一種氣化劑。通過分離空氣所獲得的氮氣被用來進行氨合成。將空氣分離成氧和氮是通過采用一種低溫分離法(PSA)，一種吸收方法(TSA)或一種膜分離方法來實施的。通過采用富氧空氣作為一種氣化劑，能夠生成氫氣(H2)、氮氣(N2)比率為3∶1的混合氣體，而所生成的氣體能夠用來進行氨(NH3)合成。
該裝置還進一步包括一個設置在冷卻腔下游的一個滌氣器，用來去除在所生成氣體中的塵埃以及如HCl這樣的有毒氣體；一個用來將所生成氣體中的CO和H2O轉(zhuǎn)化為H2和CO2的轉(zhuǎn)化器；一個酸性氣體去除設備，用來在CO的變換(shift)轉(zhuǎn)化之后去除CO2和H2O；以及一個使提純后的H2與提純后的N2反應從而合成NH3的反應器。
進一步，要求該裝置再包括一個用來將空氣分離成N2和O2的分離器，將分離后的N2引導進入反應器從而合成氨NH3的裝置，以及將分離后的O2引導進入流化床反應器和/或高溫焚燒爐的裝置。
附圖用實例描述了本發(fā)明的最佳實施例，通過下列參照附圖的描述，將會使本發(fā)明的上述和其它目的、特性和優(yōu)點更清楚。


圖1為用于實施本發(fā)明處理方法的裝置的第一實施方案的示意圖。
圖2為用于實施本發(fā)明處理方法的裝置的第二實施方案的示意圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方案，表示從廢物到合成氨(NH3)的過程的一個流程圖；及圖4為在RDF的氮氣氛中，表示熱解特征的一個圖。
下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的通過氣化處理廢物的方法和裝置。
用于本發(fā)明的廢物可以是城市垃圾、生物廢物、包括纖維增強塑料在內(nèi)的塑料廢物(FRP)、汽車廢物、低級煤、廢油，以及通過凝固或灌漿(slurring)上述廢物而生成的替代燃料。
替代燃料包括從垃圾得到的燃料(RDF)。它是通過對城市垃圾進行粉碎和分類，在分類后的城市垃圾中加生石灰且壓成一個的形狀來生成，而固體-水混合物是通過粉碎城市垃圾，用水將其轉(zhuǎn)化為稀漿，且通過熱液反應將稀漿轉(zhuǎn)化為油性燃料來生成的。生物廢物包括來自供水或污水處理廠(混合物(admixture)，污泥等)的廢物，農(nóng)業(yè)廢物(稻殼，稻桿，剩余產(chǎn)品等)，林業(yè)廢物(鋸末，樹皮，切削的碎屑等)，工業(yè)廢物(紙漿碎片粉塵等)，以及來自建筑的廢木料。低質(zhì)煤包括具有低熱值的泥煤，或是在煤的精選中產(chǎn)生的煤廢物。
本發(fā)明還適用于包括油頁巖在內(nèi)的有機物質(zhì)，垃圾，畜牲的尸體，廢服裝，廢紙，和任何其他物質(zhì)。
首先將這些廢物輸送到流化床反應器中并在其中對廢物進行熱解。尤其是，當采用回轉(zhuǎn)式流化床反應器作反應器時，廢物通過預處理粗粉碎，就可以輸送到流化床反應器中。其原因是通過流化介質(zhì)的強烈旋轉(zhuǎn)流動，對輸送廢物有良好的傳熱效果，并能從流化床爐子中排走大顆粒的不能焚燒物。下文還要詳細描述流化介質(zhì)回轉(zhuǎn)流動的效果。
因此，在這些廢物中，將城市垃圾、生物廢物、塑料廢物和汽車廢物粗粉碎到大約30cm的粒徑。通過離心分離機或類似的專用處理設備使水分含量高的污泥和糞便脫水，成為泥餅，然后再將脫水后的泥餅輸送到本發(fā)明的處理裝置的現(xiàn)場。從垃圾得來的燃料、固體和水的混合物以及高度濃縮的廢液可按它們本來的狀況使用。如果將煤粉碎成40mm或更小的粒徑，加入并用于調(diào)整熱值的煤可以直接使用。
根據(jù)它們各自的熱量和水分含量，將上述廢物粗分成高熱量廢物和低熱量廢物。通常，城市垃圾、垃圾得來的燃料、固體-水的混合物、塑料廢物、汽車廢物和電器廢物屬于高熱量廢物。生物廢物、如醫(yī)院廢物的特殊廢物、污泥和糞便的脫水泥餅、以及高度濃縮的廢液屬于低熱量廢物。
將這些廢物裝入高熱量廢物坑、低熱量廢物坑和池中，并在坑和池中進行充分攪拌和混合。此后，將它們輸送到流化床反應器中。如果輸送到流化床反應器的廢物中所含的金屬的熔點高于流化床反應器中流化床的溫度，則可在不熔蝕條件下回收這些金屬。因此，根據(jù)金屬的種類，回收的金屬可用作金屬鑄塊。
如果輸送到流化床反應器的廢物量是恒定的，則廢物量與輸送到流化床反應器中的用于氣化的氣體量的比也應是恒定的。然而，如果在輸送的廢物中，低熱量廢物的比例增加，或在輸送的廢物中，總水分增加了，則流化床的溫度會低于所要求的值。當流化床的溫度下降時，從后一階段的氣體利用設施來看，最好調(diào)整所輸送廢物中低熱量廢物與高熱量廢物的比例，以使所輸送廢物的熱量保持恒定。另一方面，可以加入高熱值的煤，以調(diào)整所輸送廢物的熱量。偶爾，用油焦來取代煤，從而調(diào)整所輸送的廢物的熱量。
接下來，將在下面描述根據(jù)本發(fā)明的在較低溫度下氣化廢物的流化床反應器。采用這種流化床在較低溫度下氣化廢物是本發(fā)明的特征之一。
已知，流化床反應器本身即為焚燒爐或氣化爐。然而，本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)的新特點是將流化床反應器和高溫焚燒爐聯(lián)合起來使用，生產(chǎn)可燃氣體。將煤以粉煤或煤漿的形式輸送到高溫氣化爐已是已知技術(shù)。然而，與煤相比，對于廢物來說，不容易將它們粉碎。尤其是，如果廢物含有不可燃物，如金屬、粗砂或石頭，幾乎不可能將廢物粉碎或使廢物成漿。然而，在使用流化床反應器的情況下，粗粉碎狀態(tài)的廢物能被熱解，從而生成可燃氣體原料和細小的焦炭。將生成的氣體原料和焦炭輸送到后續(xù)高溫焚燒爐，在高溫焚燒爐中對廢物進行在相對高溫條件下的氣化。在流化床反應器中，唯一必需的工作是通過一個熱分解和氣化的低速反應將廢物轉(zhuǎn)化成可燃氣體和焦炭，因此，在流化床反應器中的流化床能保持較低的溫度?？紤]到待處理廢物的特性，本發(fā)明使用的流化床反應器可以是已知的包括鼓泡式流化床爐在內(nèi)的常壓或加壓流化床反應器。然而，尤其優(yōu)選的是采用一種回轉(zhuǎn)流動式流化床反應器，該反應器也由本發(fā)明的發(fā)明者開發(fā)了。
最好回轉(zhuǎn)流動式流化床反應器有一個環(huán)形的水平截面，在中間區(qū)域是一個較輕緩的流化床，流化氣體的流動速率低，而在周邊區(qū)域是一個較劇烈的流化床，流化氣體的流動速率高?；剞D(zhuǎn)流動式流化床反應器有一個沿內(nèi)壁安裝的傾斜壁，它與流化床的表面相垂直，用來使流動的流化介質(zhì)從周邊區(qū)域偏向中心區(qū)域，使得流化介質(zhì)以在輕緩流化床中下降，而在劇烈流化床中上升的方式形成回轉(zhuǎn)流動，流化介質(zhì)在流化床的下部從中心區(qū)域流向周邊區(qū)域，而在流化床的上部區(qū)域從周邊區(qū)域流向中心區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明，具有特定結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)流動式流化床反應器具有下列優(yōu)點1、由于生成的焦炭不積聚在流化床上，而是均勻地分散在流化床中，因此可在流化床中有效地對焦炭進行氧化，尤其是在劇烈的流化床中。氧化焦炭產(chǎn)生的熱量可傳導到流化介質(zhì)上，所傳導的熱量可有效地用作流化床反應器內(nèi)流化床中心區(qū)域進行熱分解和氣化的熱源。
2、由于被傾斜壁偏轉(zhuǎn)的向上流動的流化介質(zhì)在流化床反應器的流化床中心區(qū)域會相互碰撞，故可將焦炭粉碎。如果用硬硅砂作為流化介質(zhì)，可進一步加速焦炭的破碎。
3、由于流化介質(zhì)的向下流動，廢物會下落到流化床中，所以只有粗粉碎的固體廢物才能輸送到流化床反應器中。因此，能夠省去粉碎設備，顯著地降低用于粉碎的電能。
4、盡管對廢物只進行粗粉碎，會產(chǎn)生大顆粒的不可燃物，但這種大顆粒的不可燃物很容易通過流化介質(zhì)的回轉(zhuǎn)流動從流化床反應器中排出。
5、由于生成的熱量可通過在流化床整個區(qū)域形成的流化介質(zhì)的回轉(zhuǎn)流動而分散開，因此可避免生成的結(jié)塊或渣塊引起的麻煩。
在使用通常的鼓泡型流化床的情況下，盡管流化介質(zhì)在流化床中能均勻流化，但流化介質(zhì)在水平方向上的分布仍不好。因此，本發(fā)明的回轉(zhuǎn)流動式流化床反應器在上述1-5個優(yōu)點方面優(yōu)于通常使用的鼓泡型流化床反應器。
本發(fā)明的流化床反應器有溫度在450-800℃范圍內(nèi)的流化床。如果流化床的溫度低于450℃，由于廢物熱分解和氣化反應的速度相當?shù)?，不可分解物會積聚在流化床中，增加了氧化速率低的焦炭的生成量。如果升高流化床的溫度，會加速廢物的熱解反應，由此解決了不可分解物在流化床中的積聚問題。然而，廢物進料速度的波動會導致生成氣體量的波動，這會損害后續(xù)旋流式高溫焚燒爐的運行。這是因為不可能根據(jù)流化床反應器中生成的含氧氣體量，細微地調(diào)節(jié)輸送到旋流式高溫焚燒爐中的氣體的量。由此，流化床溫度的上限設定為650℃，以使熱解反應比較緩慢。流化床反應器在流化床的上部有一個被稱作“凈空”的大直徑部分。通過向凈空輸送含氧氣體，如大體上純的氧氣或富氧空氣，可降低后續(xù)高溫焚燒爐的負荷，在凈空中，可加速焦油和焦炭在生成氣體中的氣化。
根據(jù)本發(fā)明，在450-650℃的溫度范圍內(nèi)，在流化床中對廢物進行初級焚燒，然后，在600-800℃的溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在650-750℃的溫度范圍內(nèi)，在凈空中對廢物進行次級焚燒。
輸送到流化床反應器中的用于對廢物進行氣化的流化氣體選自空氣、富氧空氣、空氣和蒸汽的混合物、富氧空氣和蒸汽的混合物、以及氧氣和蒸汽混合物。作為流化介質(zhì)，可使用如硅砂或橄欖石砂這類的砂子、礬土、鐵粉、石灰石、白云石或類似物。
在流化床反應器中生成的氣體含有大量的焦油和含碳物質(zhì)。在流化床中，將含碳物質(zhì)粉碎成粉末焦炭，然后將粉末焦炭和氣體輸送到旋流式高溫焚燒爐中。由于流化床已降低到常壓，所以廢物中的金屬可在不熔蝕的情況下從流化床反應器中排出。
可被回收的金屬是那些熔點低于氣化溫度的金屬。由此為了回收熔點為660℃的鋁，必須將流化床的溫度設定在650℃或更低。
接著，下面將描述為什么流化床反應器中的流化床被保持在一個溫度范圍450至650℃的原因。
圖4所示為在RDF的一個氮氣氛中的熱解特征。在流化床反應器中所進行的一個初級氣化過程中，希望生成盡可能多的氣體組分，包括氣體(gas)和焦油(tar)，生成盡可能少的固體組分，包括可燃物質(zhì)和灰分一即含碳物質(zhì)。由在流化床反應器中的含碳物質(zhì)生成且具有較小直徑的焦炭隨著在流化床反應器中生成的氣體的一個向上的氣流被傳輸?shù)礁邷胤贌隣t，而在流化床中沒有被很好粉碎、具有較大直徑的含碳物質(zhì)隨著不可燃物質(zhì)在反應器的底部被排走了。
如果含碳物質(zhì)的比率很高，那么從反應器底部排出的含碳物質(zhì)的量必須增加，從而防止固體組分在流化床中的積累。在從中除去砂子和不可燃物質(zhì)之后，焦炭被再次使用，但是希望減少從反應器排出的焦炭量。
如圖4所示，如果熱分解溫度下降，所生成的固體組分的量增加。再有，如果在450℃或更低的溫度下，熱分解速度變得極慢，且未分解的物質(zhì)趨于在流化床上積累，從而使流化床反應器的操作變得困難。相反，當流化床中的溫度增加時，所生成的固體組分的量下將，從而加速廢物的熱解。
然而，由于輸送到流化床反應器的廢物幾乎處于未粉碎狀態(tài)，如果可能，當流化床溫度過度地上升時，反應速度應增加。因此，廢物輸送速率的變化造成氣體生成速率和爐內(nèi)壓力的變化，而這一點會削弱后續(xù)高溫焚燒爐的運作。用汽車廢物的粉碎機粉塵所做的實驗證實，如果氣化溫度是650℃或更低，在排出氣體中的CO含量被扼制在10ppm或更低。大多數(shù)廢物含有金屬，且重要的是在未被氧化、適合于再次使用的狀態(tài)下回收廢物中的金屬。在金屬中，鋁的回收是重要的，為了回收熔點為660℃的鋁，就必須將流化床中的溫度設定在650℃或更低。
由于流化床反應器在較低的溫度下進行氣化，因此能夠處理粒徑在幾毫米到幾厘米范圍的各種廢物。流化床反應器具有很高的容量，并能容易地按比例加大。流化床反應器沒有運動部件，由此運行時容易調(diào)節(jié)溫度和其它參數(shù)，它對加熱介質(zhì)有良好的導熱率，可使流化床的溫度保持均勻。
如果流化床反應器是回轉(zhuǎn)流動式的流化床反應器，則在將廢物輸送到流化床反應器之前，無需將廢物粉碎。在這種流化床中，可有效地將含碳物質(zhì)粉碎成在流化床中均勻分散的焦炭，由此使流化床反應器有很高的廢物容積，使流化床的溫度保持均勻，并有很高的氣化效率。
接下來描述高溫焚燒爐。向高溫焚燒爐輸送來自流化床反應器的氣態(tài)物質(zhì)和焦炭，通過使氣態(tài)物質(zhì)和焦炭與輸送到高溫焚燒爐中的氣體相接觸，在1300℃或更高的溫度下，對氣態(tài)物質(zhì)和焦炭進行氣化。焦油和焦炭被完全氣化，其中的灰分作為熔渣(melten slag)從高溫焚燒爐的底部排放。
該高溫焚燒爐可以包括Texaco爐，只從爐的上部通入氣態(tài)物質(zhì)和焦炭，但最好包括旋流式高溫焚燒爐。在該旋流式高溫焚燒爐中，隨著用來氣化的氣體的旋轉(zhuǎn)流動，在較高的溫度下對氣態(tài)物質(zhì)和焦炭進行氣化，使灰分熔融，然后分離出熔渣，并從這里排走。
通過使用旋流式高溫焚燒爐可進行高負荷和高速焚燒，氣體停留時間的分布很窄小，碳轉(zhuǎn)化效率和渣霧的收集效率部很高，焚燒爐的體積可以很小。
通入高溫焚燒爐用于氣化的氣體可選自富氧空氣和氧氣。通入流化床反應器和高溫焚燒爐的氧氣總量可在焚燒廢物用氧氣理論量的0.1-0.6倍的范圍內(nèi)。通入流化床反應器的氧氣量可在焚燒廢物用氧氣理論量的0.1-0.3倍的范圍內(nèi)。用這種方式，可從高溫焚燒爐中得到熱值在1000-1500kcal/Nm3(干)的低熱值氣體燃料，或熱值在2500-4500kcal/Nm3(干)的中熱值氣體燃料。根據(jù)本發(fā)明，由這些廢物可生產(chǎn)以一氧化碳和氫氣為主要組分的氣體，生成的氣體可用作工業(yè)氣體燃料或化學工業(yè)的合成氣體。
由于在高溫焚燒爐中，可將從流化床反應器通入后續(xù)高溫焚燒爐的焦炭中的灰分熔化成熔渣，有害重金屬被熔封在熔渣中，不能浸出。在高溫焚燒爐中，通過高溫焚燒可將二惡英和其前體，以及PCB(多氯聯(lián)苯)幾乎完全分解掉。
通常，在生產(chǎn)用于化學工業(yè)合成中所用的合成氣體的情況下，氣化在10-40atm下進行。然而，氣化可以在大氣壓力下進行，而所生產(chǎn)的氣體的提純是在CO轉(zhuǎn)化后在30-40atm下進行的。作為流化床反應器中的氣化劑，通?？墒褂糜煽諝夂驼羝牡蜏胤蛛x所得到的純氧氣(O2)的混合物，但通過除去酸性氣體的方法回收的CO2也被加入O2中。在氨(NH3)合成中使用由空氣低溫分離獲得的氮氣。另外，富氧空氣也可作為氣化劑。在CO轉(zhuǎn)化之后，通過調(diào)整氧濃度使比率H2∶N2＝3∶1，使用生成的氣體作為氨合成氣體是可能的。但是，該方法的缺點是氣體流速增大，導致大尺寸的氣體處理裝置。
在使用廢物作為氨合成氣體的情況下，必須保證廢物的量并使廢物的質(zhì)量穩(wěn)定。進一步地，必須在系統(tǒng)操作過程中處理廢物質(zhì)量的變化。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明，當系統(tǒng)僅使用廢物不能穩(wěn)定操作或系統(tǒng)在開工時，可向廢物中加入具有高熱值并且具有穩(wěn)定性的固體燃料，如煤或油焦，這樣的固體燃料實際上是用于生產(chǎn)H2的。這樣，通過向廢物中加入煤或油焦，使得其在廢物中以20-40％的比率包含在廢物中，氣化的物質(zhì)就能變得既在質(zhì)量上穩(wěn)定又在數(shù)量上穩(wěn)定。當由于在操作過程中某些原因而降低了廢物的質(zhì)量，且氣體中H2或CO的濃度變低時，氣體的質(zhì)量可以通過增大固體燃料的供應率而變得穩(wěn)定。順便說一下，系統(tǒng)中使用的煤不是屬于廢物的低級煤而是具有高煤化度的次煙煤或煙煤。
下面參考附圖，描述根據(jù)本發(fā)明實施通過氣化處理廢物方法的各種裝置。
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案，實施其處理方法的裝置的一個示意圖。
如圖1所示，該裝置包括一個料斗1、一個螺旋加料器2和一個其中有流化床4的回轉(zhuǎn)流動型流化床反應器3。流化床反應器3具有一個凈空5和一個燃燒爐6，且流化床反應器與一個轉(zhuǎn)筒篩7相連接，而轉(zhuǎn)筒7與一個斗式輸送機8相配合。該裝置進一步還包括一個帶有初級燃燒室10、次級燃燒室8和熔渣分離室12的旋流式高溫焚燒爐9。旋流式高溫焚燒爐9有一個燃燒器13。在圖1中，符號a，b′，b″和c分別表示有機廢物、用于流化床4的空氣，用于凈空5的空氣，用于高溫焚燒爐9的空氣和大尺寸不可燃物。此外，符號d，e，e′和f分別表示石英砂，生成的氣體，燃燒排出氣體和渣。
廢物“a”提供給料斗1，然后用螺旋加料器2以恒定的速率輸送到流化床反應器3中?？諝狻癰”作為氣化劑輸送到流化床反應器3的底部，在流化床反應器3的分散板上方形成一個由石英砂構(gòu)成的流化介質(zhì)的流化床4。
具有較低流化氣體速率的流化氣體被提供進入流化床4的中部，而具有相對較高流化氣體速率的流化氣體被提供進入流化床4的邊緣部分，由此，如圖1所示，在流化床反應器4中形成流化介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)流。
加料于流化床4中的有機廢物“a”與在流化床4中的O2相接觸，流化床的溫度保持在450-650℃的范圍內(nèi)，且快速進行熱解。在流化床4中的流化介質(zhì)和不可燃物由流化床反應器3的底部排出，進入滾筒7，由此除去不可燃物“c”。經(jīng)分離的石英砂“d”通過斗式輸送機8回過來加入流化床反應器3的頂部。排出的不可燃物“c”含有金屬。由于流化床4的溫度保持在450到650℃的范圍內(nèi)，所以能在適于回收的不熔蝕條件下，回收鐵、銅和鋁。
當廢物“a”在流化床4中被氣化時，生成了氣體、焦油、含碳物質(zhì)。氣體和焦油在流化床反應器3中被霧化并上升。通過流化床4的攪拌作用將含碳物質(zhì)粉碎成焦炭。由于焦炭多孔且輕，它被生成氣體的上升氣流所攜帶。由于流化床3的流化介質(zhì)包含硬質(zhì)的石英砂，含碳物質(zhì)的粉碎化作用被加速了。空氣“b”被吹入凈空5中用于氣化溫度處于600℃至800℃的氣體，焦油，和焦炭，由此，加速了氣體組分向低分子量組分的轉(zhuǎn)化和焦油和焦炭的氣化。
由流化床反應器3排出的生成氣體“e”被輸送到旋流式高溫焚燒爐9的初級燃燒室10中，在1300℃或更高的溫度下被燃燒，同時與經(jīng)預熱的空氣“b”在其旋流中相混合。燃燒是在次級燃燒室11中完成的，所生成的排出氣體“e′”從渣分離室12排出。由于旋流型高溫燃燒器9中的高溫，焦炭中的灰分被轉(zhuǎn)化成為渣霧，該渣霧在旋流的離心力下被初級燃燒室10內(nèi)壁的熔渣相(slag phase)捕集。熔渣在內(nèi)壁上向下流動，并進入次級燃燒室11，渣“f”從這里穿過渣分離室12的底部出。初級和次級燃燒室10和11分別提供有用于啟動的燃燒器13。以這種方式，燃燒在氣率為約1.3下進行，并進行了灰分的熔融及其渣的形成。
圖2為根據(jù)本發(fā)明第二實施方案，實施其廢物處理方法的裝置的一個示意圖。
如圖2所示的裝置是用來在10到40atm的高壓下生產(chǎn)合成氣體的。
該裝置包括一個回轉(zhuǎn)流動式流化床反應器3和旋流式高溫焚燒器17。該流化床反應器3與一個和篩15相配合的石料料斗(rock hopper)14相連接。旋流式高溫焚燒爐17也與一個和篩15’相配合的石料料斗14’相連接。篩15通過流化介質(zhì)循環(huán)管線16與流化床反應器3相連接。旋流式高溫焚燒爐17中有一個高溫氣化室18和一個冷卻室19。旋流式高溫焚燒爐17與一個連接滌氣器21的離心式除塵器20相連接。還提供了與高溫焚燒爐配合的沉淀器22。在圖2中，“a”代表用作補充燃料的煤或油焦，“g”和“g”代表作為氣化劑的O2和H2O的混合物，“g”代表作為氣化劑的O2。
將廢物“a”通過石料料斗等以恒定的速度輸送到流化床反應器3中。O2和H2O的混合物作為氣化劑“g”且從流化床反應器3的底部引入流化床反應器3，在流化床反應器3分布板的上方形成由石英砂構(gòu)成的流化介質(zhì)的的流化床4。廢物“a”輸入流化床4，并使它們與流化床4內(nèi)的氣化劑“g”相接觸，將流化床的溫度保持在450-650℃的范圍內(nèi)并處于10-40atm的壓力的范圍內(nèi)，廢物“a”被迅速熱解。從流化床反應器3的底部排放流化床4的流化介質(zhì)和不可燃物質(zhì)，經(jīng)石料料斗14，然后提供給篩15，通過篩15不可燃物“c”被分離出來。經(jīng)流化介質(zhì)循環(huán)管線16將石英砂“d”回過來加入流化床反應器3中。排放的不可燃物“c”中含有金屬。由于將流化床4的溫度保持在450-650℃的范圍內(nèi)，所以能在適于回收的不銹蝕條件下，回收鐵、銅和鋁。
當在流化床4中氣化廢物“a”時，生成了氣體、焦油和含碳物質(zhì)。將氣體和焦油汽化，使其在流化床反應器3中上升。通過流化床4的強烈回轉(zhuǎn)作用將含碳物質(zhì)粉碎成焦炭。由于焦炭是多孔的并很輕，它被生成氣體的上升氣流所攜帶。可帶動生成的氣體向上流動。由于流化床4的流化介質(zhì)是很硬石英砂，可加速含碳物質(zhì)的粉碎。將包含O2和H2O的混合物的氣化劑“g”通入凈空5中，以在600-800℃的溫度范圍內(nèi)，氣化氣體、焦油和焦炭，由此可加速氣體組分向低分子組分轉(zhuǎn)化，以及焦油和焦炭的氣化。
將從流化床反應器3排放的生成氣體“e″”輸送到旋流式高溫焚燒爐17的高溫氣化室18中，隨著與預熱的氣化劑“g″”在旋轉(zhuǎn)流中的混合，在1300℃或更高的溫度下進行焚燒。由于旋流式高溫焚燒爐17中的溫度很高，氣體中的灰分被轉(zhuǎn)化成渣霧，渣霧與該氣體進入冷卻室19直接與水接觸。在冷卻室19中，渣被冷卻成粒狀渣，且粒狀渣從石料料斗14′排到高溫焚燒爐17之外，然后，用篩15′將其分類成為粗粒渣“f′”和細粒渣“f″”。
生成的氣體由高溫焚燒爐17中排出，并通過離心式除塵器20送入滌氣器21。在滌氣器21中，該氣體被洗滌，由此產(chǎn)生提純的氣體。
圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方案，表示從有機廢物到合成氨(NH3)的過程的一個流程圖。
如圖3所示，該方法包括一個氣化步驟100，一個一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟200，一個除去酸性氣體的步驟300，一個用液氮純化氣體的步驟400，一個合成氨的步驟500，和一個回收硫的步驟600。用于實施上述方法的裝置包括一個氣體滌氣器21，一個低溫空氣分離器23，一個用于有機廢物初級氣化的流化床反應器3，一個在相對較高的溫度下進行次級氣化的高溫焚燒爐17，一個一氧化碳轉(zhuǎn)化器36，一個吸收塔40，一個冷凝槽41，一個二氧化碳汽體塔44，一個硫化氫汽體塔50，一個吸收塔53，一個液氮清洗塔56，和一個冷卻器57。該裝置進一步包括用于壓縮氣態(tài)氮的壓縮機58，一個用于壓縮氣態(tài)氧的壓縮機59，一個用于壓縮合成氣體的壓縮機60，一個氨合成塔62，一個氨冷凍機(refrigerator)68，一個氨分離器70，和一個氨儲存槽72。該裝置進一步包括換熱器38，39，48，52，64，和66，泵30，46和54。在圖3中，符號i，j，q和r分別表示空氣，氧氣(O2)，硫(S)和亞硫酸銨。
通過空氣分離器23，空氣“i”被分離成氧“j”和氮“k”。分離的氧被壓縮機59壓縮，并被作為氣化劑提供給流化床反應器3和高溫焚燒爐17。氮“k”被壓縮機58壓縮，并用作合成氨的氣體。低溫分離法是通常用于分離空氣的。
在氣化步驟100，有機廢物“a”和補充原料“a′”在流化床反應器3中的相對較低的溫度下進行處理，然后在高溫焚燒爐17中在溫度在1200-1500℃范圍內(nèi)、壓力在10-40kg/cm2G下進行處理產(chǎn)生含有CO，H2，H2O和CO作為主要組分的氣體。在高溫焚燒爐17中的溫度主要是通過控制氧的量來調(diào)節(jié)的。該高溫焚燒爐17是一種直接-冷卻系統(tǒng)，且在其頂部具有氣化室18，在其底部具有冷卻室19。生成氣體直接接觸冷卻室19中的水而被冷卻，然后從高溫焚燒爐17排出。通過這種冷卻，產(chǎn)生了大量的蒸汽，所產(chǎn)生的蒸汽與生成氣體一起流動，而大多數(shù)在高溫氣化室18中生成的渣被除去了。渣和水的漿液提供至渣處理步驟。所產(chǎn)生的由大量蒸汽所伴隨的氣體，當其從冷卻腔19排出時，在文丘里(venturi)滌氣器(未示出)中得到清洗并被氣體滌氣器21從渣霧中除去。此后，所生成的氣體被輸送至一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟200。在氣體滌氣器21底部的滌氣水主要通過泵30輸送至冷卻腔19用于循環(huán)，部分滌氣水輸送至渣的處理步驟。
在一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟200中，含有蒸汽的和由氣化步驟100提供的生成氣體被用作合成氣。來自氣體滌氣器21的氣體被換熱器加熱，換熱器所用的氣體經(jīng)過第一級催化床達到在換熱器38中適于一氧化碳轉(zhuǎn)化的溫度，然后提供給一氧化碳轉(zhuǎn)化器36。在一氧化碳轉(zhuǎn)化器36中，在一氧化碳轉(zhuǎn)化催化劑的存在下，氣體一氧化碳(CO)與與之伴隨的蒸汽反應，生成氫(H2)。該一氧化碳轉(zhuǎn)化器36包含由Co-Mo催化劑構(gòu)成的兩級催化床。第一級催化床的入口溫度是約300℃。蒸汽與干的生成氣體的摩爾比為約1.5。第一級催化床的出口溫度不得超過480℃。
第二級催化床的入口溫度約為300℃。轉(zhuǎn)化率為90％或更高，在一氧化碳轉(zhuǎn)化器36出口處于氣體中一氧化碳的濃度為2％或更低。一氧化碳轉(zhuǎn)化反應由下式表示
該反應是放熱反應，且高溫氣體經(jīng)過第一級催化床用帶有來自一氧化碳轉(zhuǎn)化器36入口的氣體的換熱器進行冷卻，然后進入第二級催化床。在第二級催化床中，一氧化碳轉(zhuǎn)化反應進一步進行。
經(jīng)過一氧化碳轉(zhuǎn)化器36的氣體被換熱器39冷卻至約40℃，在冷凝槽41中分離成冷凝水和氣體，然后通過有部分來自氮清洗塔56頂部的純化氣體的換熱器冷卻至-17℃。此后，經(jīng)冷卻的氣體輸送至除去酸性氣體的步驟300中，在該步驟中用物理吸收，即Rectisol法從由一氧化碳轉(zhuǎn)化步驟200提供的轉(zhuǎn)化氣體中除去雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括硫化氫(H2S)，硫化羰(COS)和二氧化碳(CO2)。
冷卻至-17℃的氣體被引入吸收塔40中，在其中，二氧化碳(CO2)通過與約-60℃的液態(tài)甲醇逆向接觸而被吸收。其結(jié)果是，由吸收塔40排出的氣體含有范圍在10到20ppm濃度的二氧化碳和約0.1ppm濃度的硫化氫(H2S)。由于用甲醇作為吸收二氧化碳的吸收液、甲醇的溫度就會升高，且其吸收能力會降低。因此，由吸收塔40抽出的甲醇用氨冷卻劑冷卻，然后返回吸收塔40。
除了二氧化碳(CO2)和硫化氫(H2S)之外，少量的氫(H2)和一氧化碳(CO)溶解在從吸收塔40中抽出的甲醇中。為了從甲醇回收氫(H2)和一氧化碳(CO)，在甲醇再生塔(未示出)中減壓下處理甲醇，以從中釋放氫(H2)和一氧化碳(CO)。所釋放的氫和一氧化碳被壓縮機壓縮，再循環(huán)使用。在另一方面，為了回收被甲醇吸收的高純二氧化碳(CO2)，將甲醇輸送至二氧化碳汽提塔44，在其中減壓，用氣態(tài)氮汽提之，由此，釋放了甲醇中的二氧化碳，并回收了釋放的二氧化碳。
含有冷凝后的硫化氫(H2S)的甲醇從二氧化碳汽提塔44底部取出，并由泵46輸送至換熱器48。在換熱器48中經(jīng)加熱后，甲醇被輸送至硫化氫汽提塔50中，其中，甲醇間接地由蒸汽再生。從硫化氫汽提塔50頂部排出的富含硫化氫的氣體由換熱器52冷卻，然后輸送至回收硫的步驟600中，在其中回收了硫“q”或亞硫酸銨“r”。從硫化氫汽提塔50抽出的甲醇由泵54輸送至吸收塔40的頂部用于再循環(huán)。
由吸收塔40輸送的富含氫的氣體含有少量的一氧化碳(CO)和痕量的二氧化碳(CO2)，該氣體經(jīng)吸收塔53以除去其中的甲醇和二氧化碳，并由冷卻器57冷卻至約-190℃，然后輸送至液氮清洗塔56。在用液氮提純氣體的步驟400中，所提供的含有痕量一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)的氣體用過冷液氮清洗，由此除去一氧化碳和甲烷。氣態(tài)氫不被液氮吸收，這是因為氫的沸點低于氮。因此，含有氮的經(jīng)純化的富含氫的氣體由氮清洗塔56頂部獲得。
由液氮清洗塔56頂部排出的純化氣體與具高壓的氣態(tài)氮混合，該氣態(tài)氮由被冷卻器57冷卻的液氮生成，以致于氫和氮的摩爾比被調(diào)節(jié)至一個合適的值，即約3，適用于氨的合成，混合后的氣體經(jīng)冷卻器57再次加熱，并輸送至合成氨的步驟500中。部分被壓縮機58壓縮的氮被冷卻器57冷卻并液化，輸送至氮清洗塔56，其中，所提供的氮氣與由氮清洗塔56底部輸送的氣體逆向接觸，在所輸送的氣體中的雜質(zhì)，包括一氧化碳(CO)，氬(Ar)和甲烷(CH4)，被液氮吸收，并除去。吸收了雜質(zhì)，如一氧化碳(CO)，氬(Ar)和甲烷(CH4)的液氮從液氮塔56的底部抽出，減壓并作為鍋爐的燃料使用。由清洗步驟400提供的氣體在壓縮機60的第一級被壓縮至例如150kg/cm2G的壓力，然后壓縮氣體與來自氨分離器70的循環(huán)氣體混合。此后，混合氣體在壓縮機60的第二級被壓縮到165kg/cm2G的壓力，然后輸送至氨合成塔62。氨合成塔具有由Fe催化劑構(gòu)成的兩級催化床。氨合成塔62入口處的氣體具有164kg/cm2的壓力和250℃的溫度。當合成氣體通過催化床時，進行氨合成反應。該反應由下式表示
經(jīng)過催化床的氣體的溫度超過500℃，但卻被引入氨合成塔62的冷卻氣體冷卻。
由氨合成塔62排出的氨的壓力為160kg/cm2G，溫度為450℃。通過換熱器64和66，氨被冷卻至室溫左右，并進一步被氨冷凍機68冷卻，由此，冷凝大部分氨。經(jīng)冷凝的氨被分離成液態(tài)氨和氣體，液態(tài)氨入氨儲存槽72。經(jīng)分離的氣體輸送至壓縮機60的第二級，由此被壓縮至165kg/cm2G的壓力，然后被壓縮的氣體輸送至氨合成塔用于再循環(huán)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用氣化法處理廢物的方法和裝置提供了如下的優(yōu)點1.用于氨的原料氫能從在我們自己的國家中能夠得到的有機廢物中生產(chǎn)出來。由此，氨的生產(chǎn)成本大大減低。
2.通過氣化有機廢物生產(chǎn)氫，各種由常規(guī)的焚燒處理引起的問題能得以解決。更特別地，排放氣體的量大大減少，且二惡英及其前體不再產(chǎn)生。進而，由于廢物中的灰分轉(zhuǎn)化成為無害的爐渣，開墾土地的壽命可以延長，而回收的爐渣可用作鋪路的材料。
3.金屬，如鐵、銅或鋁可以以適用于回收的不銹蝕條件下回收。
從有效利用廢物和環(huán)境保護的觀點來看，用于氣化有機廢物的氣化設施和氨合成設施相鄰設置，并且在原料的利用方面有機地結(jié)合起來，以增強兩種設施作為一個整體系統(tǒng)的功能。
4.通過提供補充燃料，如煤或油焦，有可能處理不僅在廢物的質(zhì)量上和而且在其數(shù)量上的變化。特別地，該氣化設施能平穩(wěn)地運作而不會因為固態(tài)燃料混合比率的提高而損害所生產(chǎn)氣體的性能。
盡管詳細展示和描述了本發(fā)明的某些最佳實施例，但應當理解，在不背離后附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)，可作多種改變和改進。
權(quán)利要求
1.一種通過氣化處理廢物的方法，該方法包括以下步驟在較低的溫度下，在流化床反應器中氣化廢物；將在流化床反應器中生成的氣態(tài)物質(zhì)和焦炭引入高溫焚燒爐；在較高的溫度下，在高溫焚燒爐中生產(chǎn)合成氣體；在所述的高溫焚燒爐中冷卻生成的所述的合成氣體；將所述合成氣體中的CO和H2O轉(zhuǎn)化為CO2和H2；以及通過除去CO2回收H2。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在所述流化床中和所述高溫焚燒爐中的所述的氣化步驟在范圍在10至40atm的壓力下進行。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的回收的H2用于生產(chǎn)氨。
4.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于，進一步包含將空氣分離成氧和氮，在所述的流化床反應器和所述的高溫焚燒爐中，分離得到的氧用為氣化劑，分離得到的氮用于生產(chǎn)氨。
5.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在所述流化床反應器的流化床中，所述的較低的溫度在450-650℃的溫度范圍內(nèi)，在所述流化床反應器的凈空中的溫度在600-800℃的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在所述高溫焚燒爐中，所述較高的溫度是1300℃或更高。
7.一種通過氣化處理廢物的裝置，該裝置包括在較低的溫度下，氣化廢物以生成氣態(tài)物質(zhì)和焦炭的流化床反應器；在較高的溫度下，用于生產(chǎn)合成氣體的高溫焚燒爐；用于冷卻所述合成氣體的含有水的冷卻腔；用于將所述合成氣體中的CO和H2O轉(zhuǎn)化為CO2和H2的轉(zhuǎn)化器；以及用于吸收CO2來回收H2的吸收器。
8.如權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，在所述流化床反應器和所述高溫焚燒爐中的氣化是在10到40atm的壓力范圍內(nèi)進行的。
9.如權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，所述的回收的H2用于生產(chǎn)氨。
10.如權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，進一步包含將空氣分離成氧和氮的分離器，在所述的流化床反應器和所述的高溫焚燒爐中，分離得到的氧用為氣化劑，分離得到的氮用于生產(chǎn)氨。
11.如權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，在所述流化床反應器的流化床中，所述的較低的溫度在450-650℃的溫度范圍內(nèi)，在所述流化床反應器的凈空中的溫度在600-800℃的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求7的方法，其特征在于，在所述高溫焚燒爐中，所述較高的溫度是1300℃或更高。
全文摘要
一種通過氣化處理廢物的方法和裝置，該方法和裝置能回收廢物中處于可回收利用的狀態(tài)下的金屬或灰分，以及可用于合成氨(NH
文檔編號C10J3/66GK1163375SQ96120859
公開日1997年10月29日 申請日期1996年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月23日
發(fā)明者藤村宏幸, 平山詳郎, 藤并晶作, 永東秀一, 廣勢哲久, 大下孝裕, 入江正昭, 高野和夫, 福田俊男 申請人:株式會社荏原制作所