CN117980441A - 一种实现含碳物料高碳转化率的高温洁净气化装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种无害化处置含碳物料的两段式熔融气化炉(100)和方法，该炉包括流体连通的卧式反应段(100A)和立式反应段(100B)，后者位于前者上方并通过衔接口(E)与前者连接。卧式反应段从下到上依次包括低碳熔渣段(A)、高碳熔渣段(B)、气相反应段(C)，立式反应段包括降温还原段(D)。低碳熔渣段(A)包括第一气化剂入口(121、122、123)、第一熔渣助燃气入口(1)、第二熔渣助燃气入口(11)和液渣排出口(10)，在正常运行工况下，落入低碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量低于一阈值而具有粘结性或可流动性。高碳熔渣段(B)包括第二气化剂入口(2)，在正常运行工况下，落入高碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量高于阈值而不具有粘结性或可流动性。气相反应段(C)包括含碳物料入口(3)、第三气化剂入口(9)、以及含碳细粉入口(8)，在正常运行工况下，送入气相反应段的含碳物料发生热解，热解的部分产物发生氧化还原反应，生成气相通过衔接口(E)进入降温还原段(D)。降温还原段(D)包括构造成用于使该段内部的温度降低的冷却装置、以及高温粗合成气出口(6)，在正常运行工况下，进入降温还原段的气体中的CO2、H2O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H2。

Description

一种实现含碳物料高碳转化率的高温洁净气化装置和方法 技术领域

本申请涉及无害化处置含碳物料的技术领域，尤其是涉及一种实现含碳物料高碳转化率的高温洁净气化装置和方法。

背景技术

含碳物料在自然界中广泛存在，既包括自然形成的煤炭、石油、树木，也包括人工合成的各种塑料、橡胶、生活垃圾、有机危险废弃物等等。经过人类使用过失去使用价值的废弃物往往需要采取适当的处置方式，避免危害环境，特别是危险废弃物往往具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性和感染性等危险特性，随意倾倒或利用处置不当会严重危害人体健康，甚至对生态环境造成难以恢复的损害。当前，危险废弃物的利用处置设施的运营和技术水平有待提高，存在超标排放现象，含重金属的危险废弃物的污染问题尤为突出。

当前危险废弃物的处置方式包括填埋、焚烧、水泥炉窑协同处置及等离子熔融等手段，其中，填埋需要占用大量土地，且容易造成土地污染；焚烧存在处置不彻底、烟气二次污染等问题；水泥炉窑协同处置由于温度高、停留时间长等具有一定的技术优势性，但是要求处置物料不能影响水泥质量，处置量受到限制；等离子熔融是近年新兴的一种危险废弃物处置技术，具有无害化彻底，减量化明显等优势，基本解决了固体物质的二次污染问题，但是也存在烟气处理系统复杂，容易引起二次污染的问题，还有处置费用高等问题。

固体废弃物处置后实现无害化最重要的就是要解决处置后的固相渣和气相的无害化问题。由于固相渣中存在重金属等有害物质，使其玻璃态化是实现无害化的重要途径。气相中的有害物质主要包括NO _x、SO ₂、HCl、H ₂S以及二噁英等有机物、含重金属的飞灰等等，消除气相污染的最佳途径就是在处置过程中避免产生，其次是通过净化 手段捕集，避免排放到环境中。中国专利CN104053949B和CN105605581B公开的技术方案，基本上实现了固相渣的玻璃化问题，但由于存在中低温热解，仍然存在气相处置不彻底，容易产生焦油类物质的问题。中国专利申请CN109210541A公开的技术方案，解决了固相渣的玻璃化问题，也基本上解决了焦油类物质的问题，但是合成气中有效气含量低，同时由于气化温度较低(900～1000℃)，特别是在炉况波动的情况下，依然存在部分毒性有机物分解不彻底的问题。

发明内容

本申请的一个目的是使含碳物料在处置后所生成的产物均具有洁净无害化的特点。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种无害化处置含碳物料的两段式熔融气化炉，该炉包括流体连通的卧式反应段和立式反应段，立式反应段位于所述卧式反应段上方并通过衔接口与所述卧式反应段连接。所述卧式反应段从下到上依次包括低碳熔渣段、高碳熔渣段、气相反应段，所述立式反应段包括降温还原段。所述低碳熔渣段包括第一气化剂入口、第一熔渣助燃气入口、第二熔渣助燃气入口和液渣排出口，在正常运行工况下，落入所述低碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量低于一阈值而具有粘结性或可流动性。所述高碳熔渣段包括第二气化剂入口，在正常运行工况下，落入所述高碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量高于所述阈值而不具有粘结性或可流动性。所述气相反应段包括含碳物料入口、第三气化剂入口、以及含碳细粉入口，在正常运行工况下，送入所述气相反应段的含碳物料发生热解，热解的部分产物发生氧化还原反应，生成气相通过所述衔接口进入所述降温还原段。所述降温还原段包括构造成用于使该段内部的温度降低的冷却装置、以及高温粗合成气出口，在正常运行工况下，进入所述降温还原段的气体中的CO2、H2O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H2。

根据一些实施例，所述第一气化剂入口、所述第二气化剂入口和所述第三气化剂入口构造成用于喷入纯氧或富氧空气且均设置有流量调节装置，这些流量调节装置能够根据所述高温粗合成气出口排出的气体中CO2的含量、排渣温度和炉内温度来调节第一、第二和第三气化剂的喷入量。

根据一些实施例，所述第一熔渣助燃气入口和所述第二熔渣助燃气入口构造成用于喷入助燃气或惰性气体，并且设有流量调节装置，该流量调节装置能够根据排渣情况和炉内温度来调节助燃气或惰性气体的喷入量。

根据一些实施例，所述含碳物料入口与连续送料装置相连通，所述连续送料装置构造成用于将含碳物料经由所述含碳物料入口连续地送入所述气相反应段。

根据一些实施例，所述含碳细粉入口构造成用于喷入含碳细粉并设置有流量调节装置，该流量调节装置能够根据所述高温粗合成气出口排出的气体中CO2的含量及所述降温还原段的入口温度来调节含碳细粉的喷入量。

根据一些实施例，所述冷却装置包括构造成用于向所述降温还原段的内部空间中喷入冷却介质的冷却介质喷入口和/或设置在所述降温还原段的炉壁内的循环冷却系统。

根据一些实施例，所述卧式反应段的轴线大致沿水平方向延伸，所述立式反应段的轴线大致沿竖直方向延伸，并且其中所述卧式反应段包括第一纵向端和第二纵向端，所述含碳物料入口与所述衔接口分别位于所述第一纵向端和所述第二纵向端。

根据一些实施例，所述第一熔渣助燃气入口位于所述第一纵向端，所述第二熔渣助燃气入口位于所述第二纵向端且设置在所述液渣排出口附近。

根据一些实施例，所述第二气化剂入口位于所述第一纵向端且在所述第一熔渣助燃气入口的上方。

根据一些实施例，所述第三气化剂入口和所述含碳细粉入口位于所述第二纵向端且设置在所述衔接口附近。

根据一些实施例，所述第一气化剂入口的数量至少为2个，并且相互间隔地分布在所述卧式反应段的整个长度上。

根据本申请实施例的另一个方面，提供了一种利用如前所述的两段式熔融气化炉对含碳物料进行熔融气化的方法，包括以下步骤：

-将含碳物料通过所述含碳物料入口连续送入所述气相反应段并通过所述第三气化剂入口和所述含碳细粉入口分别喷入第三气化剂和含碳细粉，使含碳物料发生热解，生成热解气、热解炭、以及含碳飞灰，热解气和含碳飞灰与第三气化剂和含碳细粉快速反应生成以CO、CO2、H2和H2O为主的小分子气体并夹带含碳飞灰和可能残留的大分子有机物经由所述衔接口进入所述降温还原段，热解炭在重力作用下落入所述高碳熔渣段；

-从所述气相反应段进入所述降温还原段的气体中的CO2、H2O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H2，且可能残留的大分子有机物继续分解；

-通过所述第二气化剂入口向所述高碳熔渣段喷入第二气化剂，该第二气化剂吹散并搅动下落的热解炭使其分解破碎并发生放热的氧化还原反应，生成的高温气夹带破碎产生的含碳飞灰进入所述气相反应段，同时，热解炭随着其中碳含量的不断降低而变成低碳熔融渣下落至所述低碳熔渣段；以及

-通过所述第一气化剂入口向所述低碳熔渣段喷入第一气化剂，该第一气化剂搅动熔渣并与熔渣中的可燃物质反应放热，进一步降低 熔渣中的残碳并使其均质玻璃化，完成玻璃化的液渣从所述液渣排出口排出。

根据一些实施例，在所述送入含碳物料的步骤之前还包括对含碳物料进行预处理的步骤，预处理之后的含碳物料满足均质化要求。

根据一些实施例，在所述送入含碳物料的步骤之前还包括以下步骤：向所述熔融气化炉内投入产渣物料，通过所述第一熔渣助燃气入口、所述第二熔渣助燃气入口和所述第一气化剂入口分别喷入第一熔渣助燃气、第二熔渣助燃气和第一气化剂，使第一熔渣助燃气、第二熔渣助燃气和第一气化剂发生燃烧反应，加热熔融产渣物料直至建立稳定熔池、炉内各段达到预定温度，且具备排渣条件。

根据一些实施例，该方法还包括以下步骤：通过调节从所述第二熔渣助燃气入口喷入的第二熔渣助燃气或惰性气体的量以及从所述第一气化剂入口喷入的第一气化剂的量，使得正常运行工况下所述低碳熔渣段的温度至少高于灰的熔点50℃至200℃。

根据一些实施例，在正常运行工况下，所述高碳熔渣段内的温度为1350℃至2500℃，所述气相反应段内的温度为1250℃至2500℃，所述降温还原段的入口温度为1150℃至2500℃。

根据一些实施例，所述冷却装置包括构造成用于向所述降温还原段的内部空间中喷入冷却介质的冷却介质喷入口和/或设置在所述降温还原段的炉壁内的循环冷却系统，通过调节所述冷却装置使得正常运行工况下所述降温还原段的出口温度低于灰的变形温度。

根据一些实施例，所述含碳细粉的粒度小于200微米，优选小于100微米。

根据一些实施例，所述第一气化剂、第二气化剂、第三气化剂均为纯氧或富氧空气。

根据一些实施例，通过调节各种入炉物料的量，使得入炉物料中碳与氧的总摩尔比为0.9至1.3，优选为0.95至1.2，更优选为1。

根据一些实施例，通过所述第二气化剂入口向所述高碳熔渣段喷入第二气化剂的速度超过80m/s。

在本申请中，术语“熔融气化炉”是指用于使送入其中的物料内的可燃物燃烧及气化并对灰分和不燃物进行加热熔融的炉子。

在本申请中，术语“含碳物料”是指至少部分地包括含碳可燃物的物料，例如煤炭、石油、焦炭、生物质、塑料、橡胶、生活垃圾、医药残渣、油泥等。

在本申请中，术语“粘结性”是指颗粒具有团聚长大的倾向并会与液渣互相粘附。

在本申请中，术语“可流动性”是指颗粒已经变为液态，与液渣合为一体，能够像液体那样流动，但其中的碳含量仍然高于1％而尚不构成合格的液渣。

在本申请中，术语“纯氧”是指氧气的体积含量大于或等于90％的气体，“富氧空气”是指氧气的体积含量大于或等于22％的空气。

在本申请中，术语“均质化要求”是指在物料输送过程中，在某一截面处前一分钟通过的物料和后一分钟通过的物料的特性指标(如热值、灰成分、含水量)变化不超过6％，更佳地是不超过3％。

在本申请中，术语“产渣物料”是指在熔融气化炉进入正常运行工况之前投入炉内帮助建立稳定熔池的物料，包括但不限于焦炭、木柴、煤炭、灰渣。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。本发明的其它特征、目的和优点将从 说明书、附图和权利要求书变得明显。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅展示了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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请一些实施例的两段式熔融气化炉的示意性结构图。

图2是根据本申请一些实施例的对含碳物料进行熔融气化的方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的 连接，不管是直接的还是间接的。“多个”包括两个，相当于至少两个。应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

下面参照图1对根据本申请实施例的两段式熔融气化炉100进行描述，该图示意性地示出了该炉的结构。熔融气化炉用于对各种含碳物料，尤其是含碳废弃物，进行无害化处置。该熔融气化炉包括流体连通的卧式反应段100A和立式反应段100B，立式反应段100B位于卧式反应段100A上方并通过衔接口E与卧式反应段100A连接。卧式反应段100A从下到上依次包括低碳熔渣段A、高碳熔渣段B、气相反应段C，立式反应段100B包括降温还原段D。低碳熔渣段A包括第一气化剂入口121、122、123、第一熔渣助燃气入口1、第二熔渣助燃气入口11和液渣排出口10。在正常运行工况下，落入低碳熔渣段A的热解炭颗粒因碳含量低于一阈值而具有粘结性或可流动性。高碳熔渣段B包括第二气化剂入口2。在正常运行工况下，落入高碳熔渣段B的热解炭颗粒因碳含量高于阈值而不具有粘结性或可流动性。所述阈值取决于待处理物料的具体成分，通常介于10wt％和35wt％之间。气相反应段C包括含碳物料入口3、第三气化剂入口9、以及含碳细粉入口8。在正常运行工况下，送入气相反应段C的含碳物料在下落过程中发生热解，热解的部分产物发生氧化还原反应，生成的气相通过衔接口E进入降温还原段D。降温还原段D包括用于使该段内部的温度降低的冷却装置、以及高温粗合成气出口6。在正常运行工况下，进入降温还原段D的气体中的CO ₂、H ₂O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H ₂。

在上述熔融气化炉中，通过设置相互配合、协同工作的低碳熔渣段A、高碳熔渣段B、气相反应段C和降温还原段D，使得送入炉内的含碳物料能够最终转化为玻璃化的液渣和不含有大分子有机物的 以CO和H ₂为主的气相产物，从而达到洁净、无害化的要求。此外，由于被玻璃化的渣密度高且可以用作建筑材料，因此实现了减量化和资源化的目的。而且，从上述熔融气化炉排出的渣中残留的碳含量能达到极低的水平，例如低于1％，因而能实现高的碳转化率，即，含碳物料中高比率的碳转化为CO、CO ₂等小分子含碳气体。另外，对于一般常见的含碳物料,经本申请的熔融气化炉处置后，气相产物中有效气(CO和H ₂)的体积含量可达80％以上(相对于现有技术有大幅提高)，且不含有大分子有机物，后续可方便地、无污染地进一步处理后成为有工业利用价值的原料气(CO+H ₂)或者使其中的CO进一步反应而生成H ₂，灌装成为产品对外销售，从而大大减少了向环境中的气体排放，实现了排放的减量化和产品的资源化。

在图1所示的实施例中，第一气化剂入口121、122、123、第二气化剂入口2和第三气化剂入口9用于喷入气化剂，其中第一气化剂入口121、122、123的位置设置成使得其能够向熔池的中下部喷入气化剂。在一些实施例中，所使用的气化剂为氧气的体积含量大于或等于90％的气体(下称纯氧)，例如氧气含量为92％、95％、98％、99％的气体。在另一些实施例中，所使用的气化剂为氧气的体积含量大于或等于22％的空气(下称富氧空气)。使用纯氧或富氧空气作为气化剂有利于促进可燃物的燃烧反应，产生高温气体，快速建立高温环境，同时有利于提高有效气含量。但应当理解的是，其它的气化剂也可以使用。在图1所示的实施例中，第一气化剂入口121、122、123、第二气化剂入口2和第三气化剂入口9分别设置有流量调节装置12101、12201、12301、201、901，这些流量调节装置能够根据从高温粗合成气出口6排出的气体中CO ₂的含量、排渣温度和炉内温度来调节第一、第二和第三气化剂的喷入量。根据一种可能的实施方式，这些流量调节装置与一控制器通讯连接，该控制器接收气体成分分析传感器、温度传感器的信号并根据该信号对这些流量调节装置发出调节流量指令。

在图1所示的实施例中，第一熔渣助燃气入口1和第二熔渣助燃 气入口11用于喷入助燃气或惰性气体，其中助燃气可以是任何可以燃烧的气体(即燃料气)，例如天然气、液化气、丙烷，也可以是雾化后的燃料油；惰性气体可以是任何不与液渣发生反应的气体，例如CO ₂、N ₂。如图1所示，第一熔渣助燃气入口1和第二熔渣助燃气入口11分别设有流量调节装置101、1101，这些流量调节装置能够根据排渣情况和炉内温度来调节助燃气或惰性气体的喷入量。

在图1所示的实施例中，含碳细粉入口8用于喷入含碳细粉并设置有流量调节装置801，该流量调节装置能够根据高温粗合成气出口6排出的气体中CO ₂的含量及降温还原段D的入口温度来调节含碳细粉的喷入量。有利地，含碳细粉的粒度小于200微米，优选小于100微米。粒度小的含碳细粉具有更大的残碳表面积，因此更容易与CO ₂、H ₂O发生反应，导致更快的升温速度，确保含碳物料的彻底分解。

在图1所示的实施例中，降温还原段D的冷却装置包括用于向该段的内部空间中喷入冷却介质的冷却介质喷入口7以及设置在该段的炉壁内的循环冷却系统。冷却介质喷入口7和循环冷却系统的冷却介质通道设置在高温粗合成气出口6附近，以便对该出口附近的气体降温。冷却介质喷入口7设有流量调节装置701，该流量调节装置能够调节冷却介质的喷入量。从冷却介质喷入口7喷入的冷却介质可以是达到预定温度的水雾、水蒸气、降温后的合成气、二氧化碳气或它们中的一种或几种。图1仅示出了该循环冷却系统的循环冷却介质入口4和循环冷却介质出口5，但本领域技术人员可以理解，在炉壁内还设有与入口4和出口5流体连通的冷却介质通道。循环冷却介质可以是水、油等低温流体。通过从冷却介质喷入口7向降温还原段D的内部空间喷入冷却介质以及让循环冷却介质在炉壁内的通道内循环流通，能够使降温还原段D的出口温度低于灰的变形温度(不同的灰有不同的变形温度，可通过标准测试方法测量，一般常见灰的变形温度为900℃至1200℃)，从而使灰失去粘性，避免在高温粗合成气出口6及后续管道中粘结导致堵塞。这样，熔融气化炉能够长时间运行，而无需频繁停机进行清理。由于循环冷却系统也能够起到给降温还原 段D内的气体降温的作用，因而可减少从冷却介质喷入口7喷入的冷却介质的量。除此之外，设置循环冷却系统还有个优点，即能够通过循环冷却介质与高温气的热交换而回收高品质余热，提高系统的热效率。应当理解，冷却介质喷入口7和循环冷却系统可以相互替代，而不是必须同时设置的。在一些实施例中，仅仅设置了冷却介质喷入口7而未在该段的炉壁内设置循环冷却系统。在另一些实施例中则刚好相反。

如图1所示，卧式反应段100A的轴线大致沿水平方向延伸且包括在水平方向上的第一纵向端100A1和第二纵向端100A2，立式反应段100B的轴线则大致沿竖直方向延伸并通过设置在卧式反应段100A的第二纵向端100A2上部的衔接口E与卧式反应段100A以流体连通的方式连接，而含碳物料入口3位于卧式反应段100A的第一纵向端100A1上部，远离衔接口E。这样，从含碳物料入口3到衔接口E(也是气相反应段C产生的气相产物通往降温还原段D的出口)的水平距离长，从含碳物料入口3进入的物料热解所产生的热解气、少量的大分子有机物和可能由于入口3处热解温度不够高而产生的少量焦油类物质在高温的气相反应段C有足够的停留时间去充分地发生反应，在到达衔接口E时焦油类物质和大分子有机物基本都已反应生成了小分子物质。此外，液渣排出口10位于卧式反应段100A的第二纵向端100A2下部，远离含碳物料入口3。这样，含碳物料入口3与液渣排出口10之间的水平距离长，从含碳物料入口3进入的物料热解所产生的热解炭在炉内有足够的停留时间去充分地发生反应，使其中的大部分碳最终转化成CO、CO ₂等小分子含碳气体，且渣中残留的碳含量不足1wt％，从而实现高的碳转化率。另外，在该实施例中，第一熔渣助燃气入口1位于卧式反应段100A的第一纵向端100A1，而第二熔渣助燃气入口11则位于第二纵向端100A2且设置在液渣排出口10附近。这样，在启动炉子时，可通过位于卧式反应段100A两端的第一熔渣助燃气入口1和第二熔渣助燃气入口11同时喷入助燃气，并通过第一气化剂入口121、122、123喷入第一气化剂，来加热熔融 产渣物料，快速地建立稳定熔池且具备排渣条件，并使炉内各段尽快达到预定温度，满足正常运行的条件。此外，在设备运行过程中，可通过调节从第二熔渣助燃气入口11喷入的助燃气的量来调整排渣温度，满足不同的排渣需求。具体如何调节将在下文中介绍。在图1所示的实施例中，第二气化剂入口2位于卧式反应段100A的第一纵向端100A1且在第一熔渣助燃气入口1的上方。这样，从同在第一纵向端100A1的含碳物料入口3进入的物料在下落过程中热解产生的热解炭下落时会很快被第二气化剂入口2高速喷入的气化剂(以及从低碳熔渣段A上升的高温气)吹散、进一步分解破碎并与该气化剂发生放热反应，生成的高温气返回气相反应段C，为含碳物料的持续热解提供热量补给，使气相反应段C的温度始终满足热解的要求。此外，如图1所示，第三气化剂入口9和含碳细粉入口8位于卧式反应段100A的第二纵向端100A2且设置在衔接口E附近。这样，可以通过调节从第三气化剂入口9和含碳细粉入口8喷入的第三气化剂和含碳细粉的量来控制通过衔接口E进入降温还原段D的气相的温度，使其满足1150℃以上的要求，同时第三气化剂中的氧气与上升的大分子有机物快速反应，有利于尽快消除大分子有机物。

在图1所示的实施例中，含碳物料入口3与连续送料装置302(例如，螺旋送料装置)相连通。这样，经过预处理满足均质化要求的含碳物料(例如煤炭、石油、焦炭、生物质、塑料、橡胶、生活垃圾、医药残渣、油泥中的几种按照指标进行配比后得到的混合物)能够被连续不断地送入熔融气化炉的气相反应段，确保炉内温度和所产出的高温粗合成气的成分稳定。

应当理解的是，图1仅仅示意性地示出了根据一些实施例的熔融气化炉的一种可能的构造。在该图所示的实施例中，该熔融气化炉的立式反应段100B具有纵向轴线大致沿竖直方向延伸的圆筒的形状，卧式反应段100A具有纵向轴线大致沿水平方向延伸的圆筒的形状，但应当理解，它们还可以具有其它形状。在一些实施例中，卧式反应段和立式反应段均具有横截面为多边形(如四边形、五边形、六边形) 的筒状。在另一些实施例中，立式反应段具有横截面的面积在竖直方向上逐渐变化的圆台状而卧式反应段为筒状。在又一些实施例中，熔融气化炉的各个段中的一些或全部具有互不相同的形状。而且应当理解，上述的低碳熔渣段A、高碳熔渣段B、气相反应段C和降温还原段D只是一个大致的功能分区，并没有严格的物理界限，甚至存在相邻段之间有至少部分重叠的情况。此外，上述各段的高度及高度所占的比例等，本领域技术人员可以例如根据待处理物料的性质、量来决定，本申请中不做限定。

还应当理解的是，图1仅仅示意性地示出了各个入口、出口的大致位置和数量，但本领域技术人员可以根据实际需要来调整每个入口、出口的位置和数量。例如，图1示出了三个第一气化剂入口121、122、123，但本领域技术人员可以根据卧式反应段100A的长度(即水平方向的尺寸)来设置更多或更少的第一气化剂入口。具体而言，如果卧式反应段100A很短，则设置一个或两个第一气化剂入口即可满足需求；如果卧式反应段100A很长，则不同截面处渣的特性会有较大差别，需要喷入不同量的第一气化剂，因此就需要在卧式反应段100A的整个长度上设置多个第一气化剂入口，例如4个、5个甚至更多。又例如，虽然有的入口、出口在图1中只示出了一个，但本领域技术人员可以根据炉子的大小在合适的位置设置多个入口、出口，而且具有不同功能的入口甚至可以重合，例如，含碳细粉入口8和第三气化剂入口9可以是同一个口，借助具有双通道的管子从该口同时喷入含碳细粉和第三气化剂。

还应当理解的是，虽然图中没有示出，但根据本申请各实施例的熔融气化炉还可以在适当位置包括各种传感器，例如温度传感器、气体成分分析传感器、流量传感器等，用于将信号传递给控制器，由控制器根据这些信号来控制各个入口处的流量调节装置，使喷入炉内的各种物质的喷入量和喷入时机尽可能最优，从而使熔融气化炉在最佳状态下运行。

下面参照图1和图2来描述利用上述熔融气化炉来对含碳物料进行熔融气化的方法。图2是根据本申请一些实施例的方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，否则这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，而是可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段,这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在图2所示的实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤S1：将含碳物料通过含碳物料入口3连续送入气相反应段C并通过第三气化剂入口9和含碳细粉入口8分别喷入第三气化剂和含碳细粉，使含碳物料发生热解，生成热解气(成分随送入的含碳物料而变化，可包括CO、H ₂、CO ₂、CH ₄、H ₂S等中的的一种或多种)、热解炭、以及含碳飞灰，热解气和含碳飞灰与第三气化剂和含碳细粉快速反应生成以CO、CO ₂、H ₂和H ₂O为主的小分子气体并夹带含碳飞灰和可能残留的大分子有机物进入降温还原段D，热解炭在重力作用下落入高碳熔渣段B；

步骤S2：从气相反应段C进入降温还原段D的气体中的CO ₂、H ₂O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H ₂，且可能残留的大分子有机物继续分解；

步骤S3：通过第二气化剂入口2向高碳熔渣段B喷入第二气化剂(优选地，喷入第二气化剂的速度超过80m/s)，该第二气化剂搅动下落的热解炭使其分解破碎并发生放热的氧化还原反应，生成的高温气夹带破碎产生的含碳飞灰进入气相反应段C，同时，热解炭随着其中碳含量的不断降低而变成低碳熔融渣下落至低碳熔渣段A；以及

步骤S4：通过第一气化剂入口121、122、123向低碳熔渣段A喷入第一气化剂，该第一气化剂搅动熔渣并与熔渣中的可燃物质反应放热，进一步降低熔渣中的残碳并使其均质玻璃化，完成玻璃化的液渣从液渣排出口10排出。

在上述方法中，在正常运行工况下，气相反应段C具有高温环境(在一些实施例中，可达1250℃至2500℃)，使得送入的含碳物料发生高温热解，生成热解气、热解炭和含碳飞灰(含碳物料入口3附近的温度较低，此处热解可能还产生少量的焦油类物质和大分子有机物)。一方面，热解气和含碳飞灰以及少量的焦油类物质和大分子有机物向卧式反应段100A的第二纵向端100A2移动，与从第三气化剂入口9喷入的第三气化剂、从含碳细粉入口8喷入的少量含碳细粉、以及在高碳熔渣段B生成的高温气在气相反应段C的高温环境下快速混合并发生反应，生成以CO、CO ₂、H ₂和H ₂O为主的小分子气体，该气体夹带含碳飞灰和可能残留的大分子有机物进入同样具有高温环境(在一些实施例中，该段的入口温度为1150℃至2500℃，出口温度低于灰的变形温度)的降温还原段D，其中的CO ₂、H ₂O与含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H ₂，且可能残留的大分子有机物在高温下继续分解为小分子气体，使得飞灰中残留的碳含量大大降低且最终从高温粗合成气出口6排出的气体含有80％(体积比)以上的CO和H ₂，少量的CO ₂(体积含量低于10％，工况稳定时低于5％)和H ₂O、极少量的CH ₄、H ₂S、N ₂等小分子气体、以及少量的飞灰，而不含有任何大分子有机物，从而有效避免了常规燃烧、中低温热解过程中焦油类物质的产生，从源头上避免了苯类、酚类、二噁英类物质的产生，实现了气相的无害化。而且，与现有技术相比，从高温粗合成气出口6排出的气体中有效气(即CO和H ₂)的含量明显提高，使得其可以经后续处理(本申请的附图中未示出后续处理设备)成为有工业利用价值的原料气(CO+H2)或者使其中的CO进一步反应而生成H ₂，灌装成为产品对外销售，实现了产品的资源化。最终排放到大气中的仅有极少量的CO ₂和H ₂O，由此，大大降低了对环境的影响。另一方面，热解 生成的热解炭(固相)在重力作用下落入同样具有高温环境(在一些实施例中，可达1350℃至2500℃)的高碳熔渣段B，在该段中，热解炭在从第二气化剂入口2高速喷入的第二气化剂的搅动作用下散开并在高温环境下进一步地分解破碎并发生氧化还原反应，大量地放热，生成的高温气(以CO、CO ₂为主，温度可达1500℃～3000℃)夹带破碎产生的含碳飞灰进入气相反应段C，同时，热解炭随着其中碳含量的不断降低而变成低碳熔融渣下落至低碳熔渣段A(此处温度变化较大，但最低温度高于灰的熔点50℃至200℃，最高温度可能超过2500℃)。在低碳熔渣段A，热解炭熔融变为液态，与熔渣熔合到一起，从第一气化剂入口121、122、123喷入的第一气化剂搅动熔渣并与熔渣中的碳等可燃物质反应放热，进一步降低熔渣中的残碳并使其均质玻璃化，有效地固化了重金属，从而实现了固相渣的无害化。而且，由于玻璃化的渣密度高且可用作建筑材料，因此实现了减量化和资源化。此外，由于固相在炉内的高温环境下的停留时间长(先后经过气相反应段C、高碳熔渣段B、低碳熔渣段A)且在气化剂的搅动下掺混充分、反应彻底，因此其中的碳大部分都最终转化成了CO、CO ₂等小分子含碳气体，渣中残留的碳含量不足1wt％，从而实现了高的碳转化率。即使是反应活性差的物料，也能实现这一目标。另外，由于灰渣在炉内的高温环境下的停留时间长，炉内温度场分布均匀，在气体搅拌作用下反应速度快且碳与氧反应充分，因此渣均质化彻底，实现了更好的玻璃化，更有利于重金属的固化。

当待处理的含碳物料不符合要求时，在投入炉内之前需要对其进行预处理。因此，在一些实施例中，上述方法还包括对含碳物料进行预处理的步骤，例如将几种不同的物料干燥后按照指标进行配比后混合，使得预处理之后的含碳物料满足均质化要求，即在物料输送过程中，在某一截面处前一分钟通过的物料和后一分钟通过的物料的特性指标(如热值、灰成分、含水量)变化不超过6％，更佳地是不超过3％。通过物料的预处理，使得进入熔融气化炉内的物料的性质相对稳定，无需频繁地调整该炉的预先设定好的各个运行参数，炉子能够长 时间地稳定运行。另外，通过预处理，还使得熔融气化炉能够处置更多种类的含碳物料，具有很宽的适应范围。

在根据图2所示实施例的方法中，在S1步骤之前还包括S0步骤，在S0步骤中，向熔融气化炉内投入产渣物料(例如焦炭、木柴、煤炭、灰渣等)，通过第一熔渣助燃气入口1、第二熔渣助燃气入口11和第一气化剂入口121、122、123分别喷入第一熔渣助燃气、第二熔渣助燃气(例如天然气、液化气、丙烷等任何可燃烧的气体或者雾化后的燃料油)和第一气化剂(例如纯氧、富氧空气)，使助燃气和第一气化剂发生燃烧反应，加热熔融产渣物料直至建立稳定熔池、炉内各段达到预定温度，且具备排渣条件。随后，向炉内送入待处置的含碳物料并经由上述各个入口喷入预定量的相应物质，使其发生如上所述的各种反应，由于这些反应大多是放热反应，会产生大量的热，因此在正常运行工况下，气相反应段C内的平均温度能维持在1250℃至2500℃，高碳熔渣段B内的温度能维持在1350℃至2500℃，低碳熔渣段A内的温度至少高于灰的熔点50℃至200℃(通过第二熔渣助燃气入口11喷入的熔渣助燃气来调整排渣温度)，且降温还原段D的入口温度为1150℃至2500℃，出口温度低于灰的变形温度(通过冷却装置来实现)。一般正常运行时只需要喷入少量的第一、第二助燃气或通入惰性气体维持管口畅通即可。当需要加大排渣量或者堵渣时，可适当增加从第二熔渣助燃气入口11喷入的第二助燃气的量，使其与第一气化剂达到合适的化学当量比(例如完全燃烧化学当量比)，从而提高排渣温度。当需要减少排渣或者不排渣时，可减少从第二熔渣助燃气入口11喷入的第二助燃气的量或将第二助燃气切换成惰性气体，保持该入口畅通即可。此外，当送入熔融气化炉的含碳物料的热值偏低时或炉内工况波动导致温度达不到要求时，可以通过增加从第一熔渣助燃气入口1、第二熔渣助燃气入口11喷入的助燃气的量来确保炉内的高温环境。

在一些实施例中，上述方法还包括以下步骤：通过调节各种入炉物料(即所有进入炉子的物质，包括助燃气、气化剂、含碳物料、含 碳细粉)的量，使得入炉物料中碳与氧的总摩尔比为0.9至1.3，优选为0.95至1.2，更优选为1。这样，能够获得更高的冷气效率(即等量入炉物料所产的有效气热值与入炉物料热值的比)，提高经济性。

下面以根据一些实施例的熔融气化炉为例，来说明本申请所实现的效果。

实施例1：能够日处理固体物料240吨的熔融气化炉，其中卧式反应段的内径为2200mm，长度为4500mm，立式反应段的内径为2800mm，高度为6500mm，送入炉内的物料为经预处理的生活垃圾与焦油渣的混合物，发热量为25634Kj/kg，具体成分如表1所示：

表1

入炉成分(含助燃气)	质量百分比
水分	8
灰分	18
C	61.46
H	3.56
O	7.21
S	0.9
N	0.87

该熔融气化炉处置上述物料时的主要运行参数和最终产物的参数如表2所示：

表2

项目	单位	数值
气化温度	℃	1350
入炉物料量	t/h	10
入炉氧量	Nm 3/h	5140

合成气流量	Nm 3/h	18109
有效气(CO+H 2)流量	Nm 3/h	16601
蒸汽产量	t/h	15
碳转化率	％	99.9
固渣含碳	％(质量比)	<0.5％
CO	％(体积比)	68.28
H 2	％(体积比)	23.39
CO 2	％(体积比)	3.05
H 2O	％(体积比)	3.29
CH 4	ppm(体积比)	3525.7
H 2S	％(体积比)	0.31
N 2	％(体积比)	1.32

从以上数据可以看出，在该实施例中，含碳物料经熔融气化炉处置后所生成的高温粗合成气中不含任何大分子有机物，且除去H ₂O后有效气(CO和H ₂)的含量高达94.79％，副产蒸汽热效率高，固渣含碳低且为玻璃体，实现了固体废弃物处置无害化的要求，也就是解决了处置后的固相渣和气相的无害化问题。

实施例2：能够日处理固体物料360吨的熔融气化炉，其中卧式反应段的内径为2400mm，长度为6000mm，立式反应段的内径为3000mm，高度为8000mm，送入炉内的物料为预处理后的生活垃圾，发热量为20285Kj/kg，具体成分如表3所示：

表3

入炉成分(含助燃气)	质量百分比
水分	5
灰分	25
C	54

H	2.55
O	12.16
S	0.32
N	0.97

该熔融气化炉处置上述物料时的主要运行参数和最终产物的参数如表4所示：

表4

项目	单位	数值
气化温度	℃	1350
入炉物料量	t/h	15
入炉氧量	Nm 3/h	6570
合成气流量	Nm 3/h	23565
有效气(CO+H 2)流量	Nm 3/h	18975
蒸汽产量	t/h	20
碳转化率	％	99.9
固渣含碳		<0.5％
CO	％(体积比)	62.38
H 2	％(体积比)	18.13
CO 2	％(体积比)	8.15
H 2O	％(体积比)	7.47
CH 4	ppm(体积比)	661.49
H 2S	％(体积比)	0.12
N 2	％(体积比)	3.68

从以上数据可以看出，在该实施例中，含碳物料经熔融气化炉处置后所生成的高温粗合成气中不含任何大分子有机物，且除去H ₂O后有效气(CO和H ₂)的含量高达87.01％，副产蒸汽热效率高，固渣含碳低且为玻璃体，实现了固体废弃物处置无害化的要求，也就是解决了处置后的固相渣和气相的无害化问题。

综上所述，本申请实施例提供的熔融气化炉和利用该炉对含碳物料进行无害化处置的方法，具有众多的优点和广泛的应用前景，尤其是能够实现处置过程的无害化、物料的减量化和资源化。

附图和以上说明描述了本申请的非限制性特定实施例。为了教导发明原理，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。本领域技术人员应该理解上述特征在不冲突的情况下能够以各种方式结合以形成本申请的多个变型。由此，本发明并不局限于上述特定实施例，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

Claims (21)

1. 一种无害化处置含碳物料的两段式熔融气化炉(100)，其特征在于，该熔融气化炉包括流体连通的卧式反应段(100A)和立式反应段(100B)，所述立式反应段位于所述卧式反应段上方并通过衔接口(E)与所述卧式反应段连接，其中，所述卧式反应段从下到上依次包括低碳熔渣段(A)、高碳熔渣段(B)、气相反应段(C)，所述立式反应段包括降温还原段(D)，

   其中，所述低碳熔渣段(A)包括第一气化剂入口(121、122、123)、第一熔渣助燃气入口(1)、第二熔渣助燃气入口(11)和液渣排出口(10)，在正常运行工况下，落入所述低碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量低于一阈值而具有粘结性或可流动性；

   其中，所述高碳熔渣段(B)包括第二气化剂入口(2)，在正常运行工况下，落入所述高碳熔渣段的热解炭颗粒因碳含量高于所述阈值而不具有粘结性或可流动性；

   其中，所述气相反应段(C)包括含碳物料入口(3)、第三气化剂入口(9)、以及含碳细粉入口(8)，在正常运行工况下，送入所述气相反应段的含碳物料发生热解，热解的部分产物发生氧化还原反应，生成的气相通过所述衔接口(E)进入所述降温还原段(D)；并且

   其中，所述降温还原段(D)包括构造成用于使该段内部的温度降低的冷却装置、以及高温粗合成气出口(6)，在正常运行工况下，进入所述降温还原段的气体中的CO ₂、H ₂O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H ₂。
2. 如前一权利要求所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第一气化剂入口(121、122、123)、所述第二气化剂入口(2)和所述第三气化剂入口(9)构造成用于喷入纯氧或富氧空气且均设置有流量调 节装置(12101、12201、12301、201、901)，这些流量调节装置能够根据所述高温粗合成气出口(6)排出的气体中CO ₂的含量、排渣温度和炉内温度来调节第一、第二和第三气化剂的喷入量。
3. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第一熔渣助燃气入口(1)和所述第二熔渣助燃气入口(11)构造成用于喷入助燃气或惰性气体，并且设有流量调节装置(101、1101)，该流量调节装置能够根据排渣情况和炉内温度来调节助燃气或惰性气体的喷入量。
4. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述含碳物料入口(3)与连续送料装置(302)相连通，所述连续送料装置(302)构造成用于将含碳物料经由所述含碳物料入口(3)连续地送入所述气相反应段(C)。
5. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述含碳细粉入口(8)构造成用于喷入含碳细粉并设置有流量调节装置(801)，该流量调节装置能够根据所述高温粗合成气出口(6)排出的气体中CO ₂的含量及所述降温还原段的入口温度来调节含碳细粉的喷入量。
6. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述冷却装置包括构造成用于向所述降温还原段的内部空间中喷入冷却介质的冷却介质喷入口(7)和/或设置在所述降温还原段的炉壁内的循环冷却系统。
7. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述卧式反应段(100A)的轴线大致沿水平方向延伸，所述立式反应段(100B)的轴线大致沿竖直方向延伸，并且其中，所述卧式反应段(100A)包括第一纵向端(100A1)和第二纵向端(100A2)，所述含碳物料入口(3)与所述衔接口(E)分别位于所述第一纵向端和所述第二纵向端。
8. 如前一权利要求所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第一熔渣助燃气入口(1)位于所述第一纵向端，所述第二熔渣助燃气入口(11)位于所述第二纵向端且设置在所述液渣排出口(10)附近。
9. 如权利要求7-8中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第二气化剂入口(2)位于所述第一纵向端(100A1)且在所述第一熔渣助燃气入口(1)的上方。
10. 如权利要求7-9中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第三气化剂入口(9)和所述含碳细粉入口(8)位于所述第二纵向端且设置在所述衔接口(E)附近。
11. 如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉，其中，所述第一气化剂入口(121、122、123)的数量至少为2个，并且相互间隔地分布在所述卧式反应段(100A)的整个长度上。
12. 一种利用如前述权利要求中任一项所述的两段式熔融气化炉(100)对含碳物料进行熔融气化的方法，包括以下步骤：

    -将含碳物料通过所述含碳物料入口(3)连续送入所述气相反应段(C)并通过所述第三气化剂入口(9)和所述含碳细粉入口(8)分别喷入第三气化剂和含碳细粉，使含碳物料发生热解，生成热解气、热解炭、以及含碳飞灰，热解气和含碳飞灰与第三气化剂和含碳细粉快速反应生成以CO、CO ₂、H ₂和H ₂O为主的小分子气体并夹带含碳飞灰和可能残留的大分子有机物经由所述衔接口(E)进入所述降温还原段(D)，热解炭在重力作用下落入所述高碳熔渣段(B)；

    -从所述气相反应段(C)进入所述降温还原段(D)的气体中的CO ₂、H ₂O和含碳飞灰中的碳发生还原反应生成CO和H ₂，且可能残留的大分子有机物继续分解；

    -通过所述第二气化剂入口(2)向所述高碳熔渣段(B)喷入第二 气化剂，该第二气化剂吹散并搅动下落的热解炭使其分解破碎并发生放热的氧化还原反应，生成的高温气夹带破碎产生的含碳飞灰进入所述气相反应段(C)，同时，热解炭随着其中碳含量的不断降低而变成低碳熔融渣下落至所述低碳熔渣段(A)；以及

    -通过所述第一气化剂入口(121、122、123)向所述低碳熔渣段(A)喷入第一气化剂，该第一气化剂搅动熔渣并与熔渣中的可燃物质反应放热，进一步降低熔渣中的残碳并使其均质玻璃化，完成玻璃化的液渣从所述液渣排出口(10)排出。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，在所述送入含碳物料的步骤之前还包括对含碳物料进行预处理的步骤，预处理之后的含碳物料满足均质化要求。
14. 如权利要求12-13中任一项所述的方法，其中，在所述送入含碳物料的步骤之前还包括以下步骤：向所述熔融气化炉内投入产渣物料，通过所述第一熔渣助燃气入口(1)、所述第二熔渣助燃气入口(11)和所述第一气化剂入口(121、122、123)分别喷入第一熔渣助燃气、第二熔渣助燃气和第一气化剂，使第一熔渣助燃气、第二熔渣助燃气和第一气化剂发生燃烧反应，加热熔融产渣物料直至建立稳定熔池、炉内各段达到预定温度，且具备排渣条件。
15. 如权利要求12-14中任一项所述的方法，还包括以下步骤：通过调节从所述第二熔渣助燃气入口(1)喷入的第二熔渣助燃气或惰性气体的量以及从所述第一气化剂入口(121、122、123)喷入的第一气化剂的量，使得正常运行工况下所述低碳熔渣段(A)的温度至少高于灰的熔点50℃至200℃。
16. 如权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，在正常运行工况下，所述高碳熔渣段(B)内的温度为1350℃至2500℃，所述气相反应段(C)内的温度为1250℃至2500℃，所述降温还原段(D)的入口温度为1150℃至2500℃。
17. 如权利要求12-16中任一项所述的方法，其中，所述冷却装置包括构造成用于向所述降温还原段的内部空间中喷入冷却介质的冷却介质喷入口(7)和/或设置在所述降温还原段的炉壁内的循环冷却系统，通过调节所述冷却装置使得正常运行工况下所述降温还原段的出口温度低于灰的变形温度。
18. 如权利要求12-17中任一项所述的方法，其中，所述含碳细粉的粒度小于200微米，优选小于100微米。
19. 如权利要求12-18中任一项所述的方法，其中，所述第一气化剂、第二气化剂、第三气化剂均为纯氧或富氧空气。
20. 如权利要求12-19中任一项所述的方法，其中，通过调节各种入炉物料的量，使得入炉物料中碳与氧的总摩尔比为0.9至1.3，优选为0.95至1.2，更优选为1。
21. 如权利要求12-20中任一项所述的方法，其中，通过所述第二气化剂入口(2)向所述高碳熔渣段(B)喷入第二气化剂的速度超过80m/s。