气化燃烧系统的制作方法
【专利说明】气化燃烧系统
[0001]引文引入
[0002]本申请要求2012年12月21日提交的美国申请N0.: 13/725，110的优先权，所述申请以全文引用方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明通常涉及气化或燃烧系统。更具体地，本发明涉及用于调控通过气化器或燃烧器系统的气体和废料的流动的方法和系统。
【背景技术】
[0004]城市固体废物(“MSW”)为市民和政府收集和处理的总的产品。MSW包括耐用品和非耐用品、容器和包装、食品和庭院废物，以及来自居住、商业和工业来源的各种无机废物。例子包括作为一次性或用完即弃产品的开放式列表的部分的新闻用纸、电气用具、服装、废弃食品、容器和包装、一次性尿布、所有类型的塑料(包括一次性餐具和发泡包装材料)、橡胶和木质产品、盆栽土、庭院剪枝和消费性电子产品。一种废物处理的常规方法是垃圾填埋，这在一些区域中仍然是惯常做法。然而，许多地方当局发现难以建立新的垃圾填埋地。在那些区域中，必须输送固体废物以处理，这导致更加昂贵。
[0005]作为垃圾填埋地的替代方式，显著量的MSW可通过在城市固体废物燃烧器(“MWC”)处燃烧而处理，以协助从废物回收能量。废物向能量的转化通常在垃圾能源厂(“WTE”)处进行。与MSW和其他固体燃料的常规燃烧相关的问题之一为，其产生少量不希望的可能有害的副产物，如氮氧化物(NOx)、一氧化碳和二噁英。例如，NOx通过两个主要机理而在燃烧过程中形成。首先，燃料NOx通过存在于MSW和其他燃料中的有机键合的氮(N)的氧化而形成。当燃烧室中的02的量低时，N2为主要的反应产物。然而，当可得到显著量的02时，燃料键合的N的增加的部分转化为NOx。第二，热NOx通过在高温下大气N2的氧化而形成。由于所需的高活化能，热NOx形成不显著，直至火焰温度达到1，100°C (2，000° F)。
[0006]尽管在降低常规燃烧系统的有害排放方面的改进，但仍然需要将MSW或其他固体燃料有效转化为能量，并同时产生最少量的不希望的排放物的可选择的方法和系统。
【发明内容】
[0007]本发明涉及一种控制气化或燃烧速率的气化燃烧系统和方法。通过控制氧化剂供应和气化或燃烧的温度，所述系统可更有效地燃烧废料，并降低有害产物(气体和/或固体)排放至大气中。另外，通过控制气化或燃烧的速率和温度，可产生更耐久的系统，所述系统就能量转化和在MSW热处理之后的烟道气加工而言更有效。
[0008]本发明的实施方案可使用活动炉排，所述活动炉排能够使废料移动通过燃烧室，并因此允许废料的完全燃烧。另外，可使用主要空气来源和次要空气来源。主要空气可从炉排下方供应，并被强制通过炉排以沿着废料床依次干燥(产生水)、脱挥发(产生挥发性烃类)和燃尽(氧化非挥发性烃类)。可调节主要空气的量，以使废料床中的碳质材料的燃尽达到最大，并同时使过量空气达到最小。次要空气可通过位于炉排上方的喷嘴供应，并用于产生湍流混合，所述湍流混合破坏由废料床产生的烃类。体系中所用的空气(主要和次要)的总量可比实现化学计量条件所需的空气量(即理论上完全燃烧燃料的最少空气量)多大约30%至100%。
[0009]本发明可使用用于降低由常规MSW燃烧系统所产生的有害排放物的不同技术。例如，可使用燃烧控制和后燃烧控制。燃烧控制通过降低火焰内O2的可得性并通过降低燃烧区温度而限制燃烧过程中NOx的形成，而后燃烧控制涉及去除在燃烧过程中产生的NOx排放物(例如选择性非催化还原(SNCR)系统和选择性催化还原(SCR)系统)。
[0010]在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器(advancer)、第一和第二气化器、第一气体调控器和后燃烧器。后燃烧器可含有连接至第一和第二气化器的连接件，和设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器。集灰器可含有用于将飞灰和重质粒子导入第二气化器中的连接至第二气化器的连接件。第一气体调控器可含有用于接收气体的入口、用于输出气体的出口、用于调控气体流的阀门，和使调控器控制阀门的打开和关闭的控制软件，所述阀门调控多少气体流入入口以及多少气体流出出口。
[0011]在本发明的一个实施方案中，所述系统可包括推进器和两个气化器室。所述气化器可由例如下滑槽(drop chute)连接，来自一个气化器的残余物通过所述下滑槽流入另一气化器。在一个实施例中，第二气化器可完成从第一气化器传送至第二气化器的残余物中的未反应的碳的燃烧。可使用另外的气体源进料第二气化器。例如，可使用新鲜主要空气进料第二气化器，所述新鲜主要空气的量超过完成进入第二气化器室的材料的碳含量的燃烧所需的量。可控制新鲜主要空气在第二气化器中的分布，以获得碳的高燃尽率，从而在离开第二气化器的灰分中留下低的残余碳含量。
[0012]在一个实施方案中，来自第二气化器室的热的燃烧烟道气可与另外的气体源混合。例如，来自第二气化器室的热的燃烧烟道气可与另外的新鲜空气混合，以控制气体的温度。此外，热的燃烧烟道气可通过颗粒去除装置，以去除夹带的颗粒。热的燃烧气体可用于将主要和次要空气提供至第一气化器室。除了通过混合热的燃烧气体与另外的气体源而控制温度之外，也可控制气体的流速。例如，可调节热的燃烧气体的气体流速，以控制第一气化器室中的温度，从而有效促进进入废物的干燥和气化。所需温度将取决于废物进料的热值而不同，但举例而言，可在大约1600至大约1800° F之间。来自第二气化器的热的燃烧烟道气的高温有利地增加第一气化器室中的废物的干燥和气化速率，所述高温由通过燃烧进入第二气化器室的残余物中的残余碳含量而释放的能量导致。这减少了必须在第一气化器室中氧化的废物中的有机物含量的部分，并转而降低了可能需要的进入第一气化器室的含氧空气的亚化学计量流的体积。如本文所述控制气体参数(包括温度、组成、混合和流速)具有许多优点，包括更有效的能量集成。所述能量集成相比于现有技术具有显著改进，包括增加由第一气化器室产生的合成气的热值，如通过例如其氢和一氧化碳含量所测得。这表示相比于现有技术的效率的显著改进。
[0013]在一个实施方案中，离开第一气化器室的合成气可被传送至合成气燃烧器，合成气可在所述合成气燃烧器处燃烧。另外的气体可包含于该燃烧中。例如，可将热的燃烧气体进料至合成气燃烧室。如上，可使用颗粒去除装置。如果例如需要完成合成气的燃烧，则也可包括一定量的新鲜空气。也可将其他气体添加至燃烧中。可控制包括合成气的任意气体在合成气燃烧器中的分布、流速等。该控制具有许多优点，包括在离开合成气燃烧器的烟道气中获得低量的NOdP CO。
[0014]通常，第一室中的反应(如气化反应)可与第二室中的反应(如燃烧反应)分别控制，由第二室中的反应释放的能量可被有效回收并用于促进第一室中的反应。如上在本文描述的过程集成能够使进入第一室的所需空气流达到最小，除了其他优点之外，这增加了由第一室产生的合成气的热值。
[0015]在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器、一个或多个气化器、第一气体调控器和后燃烧器。所述后燃烧器可含有连接至一个或多个气化器的连接件，来自一个或多个气化器的残余物通过所述连接件流入后燃烧器中。所述残余物可包含气体残余物、非气体残余物(包括未在一个或多个气化器中氧化的有机物含量)，或气体和非气体残余物的组合。所述系统还可包括设计用以接收飞灰和重质粒子的集灰器。集灰器可含有用于将飞灰和重质粒子导入气化器中的连接至一个或多个气化器的连接件。或者，集灰器可连接至后燃烧器。后燃烧器和一个或多个气化器可通过例如下滑槽连接，来自一个或多个气化器的残余物通过所述下滑槽流入后燃烧器。第一气体调控器可含有用于接收气体的入口、用于输出气体的出口、用于调控气体流的阀门，和使调控器控制阀门的打开和关闭的控制软件，所述阀门调控多少气体流入入口以及多少气体流出出口。
[0016]在本文描述的系统和方法的一个实施方案中，后燃烧器可包括燃尽室，其中使用过量的氧来氧化来自气化器的残余物。例如，供应的氧的量可超过后燃烧器中的剩余有机物含量的完全燃烧的化学计量要求。作为另一例子，氧浓度可为大约4至大约10% O2之间，如在后燃烧器中的炉排上方的蒸气空间中所测得。在一个实施方案中，过量的氧的温度可为环境温度。过量的氧可作为空气供应。
[0017]分开的室中的反应可与在其他室中的反应分开控制。例如，由在一个室中的燃烧所释放的能量可被有效回收并用于促进在另一个室中的反应(如气化)。该过程集成使得进入气化室的所需空气流达到最小，从而增加所产生的合成气的热值。
[0018]在本发明的一个实施方案中，公开了一种用于加工废料的两级废料气化燃烧系统。所述系统可包括推进器、一个或多个气化器、第一气体调控器和一个或多个后燃烧器。一个后燃烧器可含有连接至气化器的一个或多个的连接件，来自气化器的某些