一种氧载体辅助燃烧装置及使用

本发明属于废弃物处理装置，更具体地，涉及一种氧载体辅助燃烧装置及使用。

背景技术：

1、城市生产与生活过程中产生的垃圾废物一般可分为四大类：可回收垃圾、餐厨垃圾、有害垃圾和其它垃圾。近年来，多个城市的垃圾填埋场出现了库容告急的困境，过多的垃圾无处安放或有效处置；长期堆放的垃圾地，垃圾渗滤液的cod高达十几万，渗入地下水中后致使地下水中的硝酸盐、氨氮、细菌总数等项目均超标；堆放产生的厌氧环境成为垃圾堆肥的场所，可能产生的氨气、硫化氢、甲烷等气体会污染周边的环境空气，严重的还会引发火灾、爆炸等灾害性事故。

2、生活垃圾焚烧由于其“无害化、减量化、资源化”的优势，是当前我国垃圾处理的最优方式。垃圾焚烧处置装置一般只有达到相当规模才能实现正收益，分散式、小型化焚烧处理设施仍有较大困难，小型化垃圾处置起步较晚，处置能力和占比均明显低于发达城市，因此亟须弥补当前垃圾处置的短板。常规生活垃圾复杂多元、成分多变，当前装置对固态、液态、气态垃圾燃烧处置很难实现较好的兼容性，需要控制燃烧炉中停留和反应温度，尾部大量加装尾气处理装置才能同时实现飞灰酌减率和二噁英去除的要求。

3、目前常规焚烧炉分两种，一种是直接焚烧炉(炉排炉、流化床)，另一种是固体废弃物热解气化焚烧炉。将废弃物直接或气化后通入燃烧炉中直接空气燃烧，一方面会产生大量污染物气体尾气需额外安装处理尾气，另一方面低品位废弃物热值时空不稳定会导致流化床等直接焚烧炉炉温变动较大，需通入大量高热值燃气燃烧确保炉温稳定且不宕机，成本较高。将固体颗粒填充燃烧炉中可以起到保温、催化的作用，一定程度上避开了上述这些问题，然而当前主流技术是将固体废弃物直接通入反应炉中，产生的灰分无法排除，固体颗粒和废弃物分离问题难以处理。

4、氧载体辅助燃烧(oxygen-carrier-aided combustion,ocac)指化学链燃烧中氧载体颗粒能够交替地吸收和释放氧气的特性可以改善整个反应床内氧气的分布，提高燃烧效率，降低nox排放，抑制二噁英产生。

5、本发明的装置将有机废弃物热解气化结合固定床氧载体辅助燃烧技术，能够解决了上述问题，避开了低品位燃料的热值波动性或投料阶段性导致反应器炉温剧烈变化及其灰分处置问题。同时可以灵活处理不同规模、不同形态的有机废弃物及其衍生产物处置方法，能够低成本地保证气固液三态废弃物的完全转化及极低浓度nox和二噁英等污染物的释放。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氧载体辅助燃烧装置。该装置中包括进出料系统和固定床反应单元，通过在进出料系统中设置固相废料的气化单元，使得固相废料在进入固定床反应单元之前气化适应氧载体辅助燃烧；同时通过使用氧载体固体颗粒部分或全部充满固定床，减小低品味燃料的热值波动性或投料阶段性导致反应器炉温剧烈变化，实现均质作用改善整个床中的反应环境，以及通过氧载体与气体介质进行催化燃烧反应，实现载氧及催化作用来改善反应器内综合燃烧状况。本发明涉及的装置具备气液固兼容性处置、低热值废弃物自热处置、装置自启动及控温稳定运行等特点，最终实现不同来源、形态、负载量废弃物的高效处置、二噁英等污染物的低成本处置。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种氧载体辅助燃烧装置，所述装置包括：进出料系统和固定床反应单元；

3、所述进出料系统包括固体燃料进口，气化单元，混合气腔室，补燃气进口和气体进出管路；其中，所述气化单元用于将所述固体燃料进口中的固体燃料气化，并传输至所述混合气腔室中；所述混合气腔室连通所述补燃气进口和所述气体进出管路；

4、所述固定床反应单元包括多个固定床，所述固定床反应单元包括至少一个固定床；所述固定床包括液态燃料喷口，空气进口，多孔风板，氧载体板；其中，所述液态燃料喷口和所述空气进口均连接在所述固定床上；所述氧载体板布置在所述多孔风板上，所述多孔风板设置在所述固定床内的底部；

5、且，所述气体进出管路用于将所述混合气腔室和所述固定床连通。

6、作为本发明优选，所述进出料系统还包括气体输运管道和气态燃料进口；所述气体输运管道和所述气态燃料进口依次设置在所述气化单元和所述混合气腔室之间。

7、作为本发明优选，所述气体进出管路包括第一气体进出管路和第二气体进出管路；所述第一气体进出管路的一端连接所述混合气腔室，另一端连接至所述固定床的顶部；所述第二气体进出管路的一端连接所述混合气腔室，另一端连接至所述固定床的底部；

8、所述进出料系统还包括下进口气开关阀门、下出口气开关阀门、高温尾气出口、上出口气开关阀门、上进口气开关阀门；

9、其中，所述下进口气开关阀门连接在所述第二气体进出管路上，用于控制所述混合气腔室内的气体进入所述固定床内；所述下出口气开关阀门连接在所述固定床与所述高温尾气出口的管路上，用于控制所述固定床内的气体排出；

10、其中，所述上进口气开关阀门连接在所述第一气体进出管路上，用于控制所述混合气腔室内的气体进入所述固定床内；所述下出口气开关阀门连接在所述固定床与所述高温尾气出口的管路上，用于控制所述固定床内的气体排出。

11、作为本发明优选，所述液态燃料喷口的设置在所述固定床床高的1/5～2/3处；所述液态燃料喷口多层布置、沿轴心阵列布置。

12、作为本发明优选，多个所述固定床并联布置；所述反应固定床的底部设置为多气体入口，并阵列式布置。

13、作为本发明优选，所述氧载体板的布置形式为水平横置、网状布置、多孔介质或自然堆积型，使所述氧载体板至少填充所述固定床的一半容积。

14、作为本发明优选，所述氧载体板的透气率大于或等于1cfm且小于1000cfm；所述氧载体板的孔径为0.01～1mm。

15、在本发明的另一方面，基于本发明第一方面装置的使用，通过从所述固体燃料进口中加入固态燃料，以及从所述液态燃料喷口通入液态燃料，对固态燃料和液态燃料进行处理。

16、作为本发明优选，通过从所述固体燃料进口中加入固态燃料，从所述液态燃料喷口通入液态燃料，以及从所述气态燃料进口中通入气态燃料，对固态燃料，液态燃料和气态燃料进行处理。

17、作为本发明优选，通过打开所述下进口气开关阀门和所述上出口气开关阀门，关闭所述下出口气开关阀门和所述上进口气开关阀门，使所述混合气腔室的气体从所述固定床的底部进入，燃烧的尾气从所述固定床的顶部排出；或，

18、通过打开所述下出口气开关阀门和所述上进口气开关阀门，关闭所述下进口气开关阀门和所述上出口气开关阀门，使反应系统进入使所述混合气腔室的气体从所述固定床的顶部进入，燃烧的尾气从所述固定床的底部排出。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

20、(1)本发明借助氧载体辅助燃烧方式，通过氧载体实现储热、载氧、催化作用来改善反应器内燃烧状况。

21、利用在氧载体板内分布氧载体颗粒，使得固定床内全部或部分填充大量固体氧载体颗粒，实现热值释放/储存的削峰填谷，平稳化低品位有机废弃物的热值波动性；通过掺混氧载体颗粒提升低品质燃料的低位热值，实现中小型工业装置的自热启动及自稳定运行。

22、同时，利用氧载体板内分布氧载体颗粒，使得固定床内填充的氧载体颗粒交替地吸收和释放氧气的特性，改善整个反应床内氧气等气体介质的浓度分布，实现燃料组分在全炉域上与气体介质均匀且充分的接触，可以保证有机固体废弃物及其衍生产物的完全转化及极低浓度氮氧化合物和二噁英等污染物的释放，实现含硫含氯燃料的低碳燃烧和源头二氧化碳尾气捕集。

23、(2)本发明在进出料系统包括依次设置的固体燃料进口、气化单元、混合气腔室和补燃气进口，在混合气腔室内部实现固体气化热解气、气态燃料与燃气的混合以提升热值，使得当反应体系在低热值时，通过在反应床中填满氧载体固体颗粒实现床层保温，当长时间都是热值很低的燃料时，通过补燃气从而提高释放的能量，维持反应炉不停。并且，将固体废弃物热解气化结合固定床氧载体辅助燃烧技术，解决了灰分分离等处置问题，通过混合气腔室通入可燃气提升热值，避开了低品位固体燃料的热值波动性或投料阶段性导致反应器炉温剧烈变化。

24、(3)在本发明中设置固体燃料进口，气体燃料进口和液体液态燃料喷口以及三相燃料对应的处理单元，通过灵活的使用各个单元完成适用于固液气态燃料的氧载体辅助燃烧，使得本发明装置的适应性更强。面对气体燃料单独燃烧的ocac技术，全程关闭液态燃料喷口，固态物料气化系统等装置。面对液态燃料单独处理的直接ocac技术，全程关闭气态燃料、固态物料气化系统等装置。面对固态物料单独处理的二燃室ocac技术，全程关闭气态燃料进口、液态燃料喷口等装置。

25、(4)在本发明的出料系统中通过改变气开关阀门实现整个装置系统的顶部和底部进出气切换的方式。打开(7)和(11)的开关阀门，关闭(9)和(12)的开关阀门，使反应系统进入“下进气上出气”的顺流式形式；或，打开(9)和(12)的开关阀门，关闭(7)和(11)的开关阀门，使反应系统进入“上进气下出气”的逆流式形式。

26、当处于反应初始阶段或炉温较低时，反应系统应进入“下进气上出气”的顺流式形式，从而实现炉体的升温；当处于反应稳定阶段或炉温较高时，反应系统应进入“上进气下出气”的逆流式形式，从而实现气体的预热和炉温的稳定。

27、(5)本发明中的固定床反应单元内含至少一个反应固定床，若存在多个反应固定床时，将多个固定床并联布置，能够自由实现30kg/h～3000kg/h中不同规模的处置量。且在反应固定床的底部设多气体入口，并阵列式布置，能够提升气流稳定性，使得固体颗粒反应均匀。

28、(6)本发明中，所述多孔风板上布置有负载氧载体颗粒的氧载体板，氧载体板的布置形式可以为水平横置、网状布置、多孔介质或自然堆积型，以部分或全部填充床层。当氧载体板水平放置时，板与板间具有间隙，其表面设置引风风帽等以加强气流扰动；长周期运行后，可仅针对性地更换部分已失活的氧载体板。

29、(7)本发明的装置在使用时，需要配合氧载体辅助燃烧，在氧载板内均匀的分布了氧载颗粒，以实现使用氧载体固体颗粒部分或全部充满固定床，进行氧载体辅助燃烧。优选地，在氧载体板中先装载有氧化钙颗粒后，再分布所述氧载体颗粒，能够实现脱硫脱氯，从而实现固硫固氮固氯的效果，进一步降低尾气中硫氧化物和二噁英的排放。且氧载体板内至少分布有两种催化功能的氧载体颗粒；其中至少一种是针对裂解焦油、轻质烃及挥发性有机物进行催化转化的氧载体材料，以及其中至少一种是针对气体进行高效氧化的氧载体材料。

30、(8)在本发明的氧载体辅助燃烧装置设置有三相燃料的进口和处理单元，可以针对固液气三相的废弃物进行协同处理，不止实现针对生活垃圾及其热解气化衍生物的氧载体辅助燃烧处置，同时可拓展面向垃圾渗透液、固态的工业废渣、气态的高炉煤气及高温尾气等不同形态、不同来源的燃料/废弃物的多态协同一体化处理。

31、综上，本发明的装置通过在进出料系统中设置固相废料的气化单元，使得固相废料在进入固定床反应单元之前气化适应氧载体辅助燃烧；通过使用氧载体固体颗粒填充固定床内改善反应器内燃烧和污染物排放状况；通过灵活切换装置系统的顶部和底部进出气方向，实现气体、液体、固体三态的有机固体废弃物及其衍生物的协同一体化处置；通过反应装置内含多个并联布置的固定床以实现不同规模的自由处置；可同时面向垃圾渗透液、固态的工业废渣、气态的高炉煤气及高温尾气等各形态燃料的多态协同一体化处理，解决了氧载体辅助燃烧概念的实验室规模到工业化规模的拓展问题。