專利名稱：高溫下處理固體物料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在高溫下處理固體物料例如廢物和生物污泥、從上述過程中回收熱量以及冷卻產生的生產廢氣(process gas)的方法。
由于固體物料例如城市固體廢物量的增加，通過燃燒來處理它們已經成為利用廢物中的能量，例如用于產生蒸汽的越來越有意義的方法，在此，城市廢料除了實際的市政廢物外，還指工業(yè)的、生物的和其它的污泥等。廢物量不斷增加，并且無限制地增加填埋場地的容量在經濟方面是不合理的。另外，例如大量的對環(huán)境有害的物質可從廢物中釋放出來。因此通過焚燒(incineration)處理廢物的方法已被證明是在處理的同時又盡可能有效利用產生的廢物的一種有意義的方法。由于所涉及的物料極不純，因此廢物焚燒就產生難以處理的煙氣，并且煙氣還可釋放出一些限制和/或使得難以有效地回收焚燒過程中產生的熱量的物質。
在通過焚燒處理廢物過程中，可將焚燒過程中產生的能量回收到換熱介質中。但是，由于存在的各種物質，例如含氯化合物引起換熱表面腐蝕的危險，導致氣體的冷卻中問題復雜化。當換熱表面與含腐蝕物質的冷卻氣體接觸時就陷入很困難的狀態(tài)，在這種情況下其耐用性可能很差。
已經建議以焚燒毀掉城市廢物的過程在利用流化床技術的焚燒裝置中進行。但是，流化床焚燒要求在焚燒前對廢物進行預處理，這是因為使用流化床技術時，廢物至少要磨得足夠細。但是在多種情況下這還不夠，例如廢物在焚燒前還必須分類，這是因為未處理的廢物的含量及大小分布都可能很不均勻。同樣，在流化床焚燒過程中，由于其特征的緣故煙氣最高溫度達到約1000℃。當溫度更高時，床的物料例如可熔化，干擾操作，因此，通常采用低于所述溫度的溫度。
FI專利86471建議使用流化床沸騰爐(flui dized bedboiler)處理廢物，在爐中焚燒的是在單獨的廢物預處理過程中產生的焚燒部分(incineration fraction)。在同一預處理過程中得到的生物部分(biological fraction)因處理而生成沼氣，已建議利用沼氣提高流化床沸騰爐后的煙氣通道的溫度。根據上述專利，通過進行這種補充燃燒(afterburning)能夠降低對環(huán)境有害的聚芳烴的產生。上述的補充燃燒和使蒸汽過熱一樣在燃燒室后的煙氣通道中進行。
但是，在這種裝置中，問題是煙氣中氯化合物引起腐蝕危險，特別是當蒸汽的過熱溫度提高時更是如此。在廢物焚燒過程中幾乎總是產生氯化合物，實際上，氯化合物的存在阻止了將過熱溫度提高到某一預定的溫度之上的足夠高溫。
廢物焚燒也可以爐篦式焚燒(grate incineration)進行。由于能夠在爐篦上焚燒未處理的廢物，因此這是一種有利的方法。廢物的預處理通常是復雜的多步驟過程，因而完全不要該過程使爐篦式焚燒較之流化床焚燒在經濟方面具有明顯的優(yōu)點。在爐篦式焚燒中，溫度甚至可提高到1200℃，這樣就保證了有效焚燒。但是，在這種情況下，由于煙氣也含腐蝕化合物，例如氯，故僅通過爐篦式焚燒，蒸汽的過熱溫度也不能提高到約400℃以上，更精確地不能提高到300-420℃，這是因為過熱表面的腐蝕將過分地增加，而設備操作安全性大大降低。
事實上，對焚燒未處理廢物的容量來說，雖然爐篦式焚燒裝置很靈活，但是在生產過熱蒸汽過程中，將過熱溫度提高到420℃以上時，該裝置在已知的技術范圍內是不可能的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在高溫下處理廢物和其它的固體物料的簡單而有效的方法，它易于使用且在該過程中產生的熱量主要用于生產蒸汽。
本發(fā)明的目的還在于提供以廢物的爐篦式焚燒回收熱量的方法，其中與用現有技術的方法相比，得到了更高溫度的過熱蒸汽。
本發(fā)明的目的是提供一種在高溫下通過在爐篦上焚燒廢物的處理廢物的方法，由此以過熱蒸汽的形式回收產生的熱量，且在該方法中，當用于發(fā)電時，所得到的裝置的發(fā)電效率高于現有技術。
本發(fā)明的方法的基本構思是廢物可以通過爐篦式焚燒在高溫下處理，由此復雜的廢物預處理過程不再必要，但是基本上未處理的廢物可以被焚燒并且產生的熱量可以用于生產高溫過熱蒸汽，且高溫過熱蒸汽又可以進一步用于例如發(fā)電。
更具體地說，本發(fā)明方法的特征是，所述方法包括至少如下的步驟將基本上未預處理的固體物料加入在高溫下處理固體物料的焚燒室；在高于1000℃的溫度及在含氧氣體存在下，加熱或焚燒固體物料；以使煙氣與循環(huán)物料(circulating material)有效地相互混合的方式供入循環(huán)物料，與產生的煙氣接觸；在該過程中，繼續(xù)傳送煙氣和循環(huán)物料的混合物，同時從中回收熱量；從煙氣中分離循環(huán)物料；傳送煙氣以進一步處理；和將從煙氣中分離的循環(huán)物料傳送到冷卻過程，其中循環(huán)物料的熱量用于提高在爐篦式焚燒裝置中產生的蒸汽的溫度。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，可在焚燒過程中進行廢物處理，其中廢物，例如市政廢物通過爐篦式焚燒進行焚燒，從而廢物可以基本上未分類和未進行任何預處理的方式被焚燒。此外，可維持保證用過的廢物焚燒的焚燒溫度。如果需要，可將產生的生產廢氣(process gas)加熱到1000℃以上的溫度，甚至1200℃以上的溫度，例如用于破壞對環(huán)境有害的化合物，如氯代烴類。在爐篦式焚燒過程中產生的生產廢氣與循環(huán)物料接觸，后者吸收煙氣的至少一部分熱量并同時升溫。與生產廢氣接觸的循環(huán)物料與生產廢氣有效地相互混合送入一分離器，該分離器優(yōu)選為旋風分離器。至少一部分固體物料與生產廢氣分離，并再由上述分離的部分中將至少一部分導入冷卻器中進行循環(huán)物料的冷卻過程，該冷卻器優(yōu)選為流化床冷卻器。如果需要，分離的循環(huán)物料的一部分可以直接返回工藝過程，并與爐篦式焚燒過程中所產生的氣體接觸。而分離的循環(huán)物料的另一部分可以從工藝過程完全排出。
循環(huán)物料的分離器優(yōu)選為旋風分離器，其中產生很有效的氣體渦流。由于所述氣體渦流的作用，能夠將加入的空氣調節(jié)到很接近于化學計量值，這是因為由于旋風分離器的有效混合作用，煙氣中的未燃燒物料，主要是一氧化碳有效地與未反應的氧接觸，并因此可由于精確調節(jié)了燃燒空氣，而減少了由空氣中的氮產生的不必要的排放，同時幾乎沒有任何未燃燒的氧保留在煙氣中。并且由于有效的混合作用導致發(fā)生了完全焚燒，故能夠縮短爐篦式焚燒過程之后的爐體，這是因為爐體后的分離器保證了有效而完全的焚燒。
在循環(huán)物料的冷卻器中設置換熱裝置，優(yōu)選用于過熱蒸汽。待過熱的蒸汽優(yōu)選通過排列成與爐篦式焚燒裝置相連接的蒸汽發(fā)生裝置產生。導入冷卻器的換熱裝置的蒸汽可以是已經被預過熱(presuperheated)或飽和的蒸汽。對于冷卻器，如果需要也可設置中間過熱蒸汽的加熱面，例如，如果裝置連至兩級汽輪機的話。在冷卻器中，循環(huán)物料冷卻，同時過熱在換熱裝置中流動的蒸汽。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，當循環(huán)物料的冷卻器是流化床型冷卻器時，能夠將循環(huán)物料的流化氣供入冷卻器，這樣排列成蒸汽過熱器運行的換熱裝置即與循環(huán)物料處于換熱接觸。這樣，循環(huán)物料中的熱量就可以以高于420℃的高溫過熱蒸汽的形式回收，而在過熱表面上沒有明顯的腐蝕危險。導入循環(huán)物料冷卻器的流化氣可從流化床冷卻器導出，例如，再返回爐體或返回爐篦附近，用作廢物焚燒過程的一次、二次或三次空氣。
已冷卻的循環(huán)物料或返回與爐篦式焚燒過程產生的煙氣接觸，或完全或部分從工藝過程中除去。在現有技術上的主要改進是，通過利用本發(fā)明的方法，可用爐篦式焚燒過程焚燒未預處理的廢物，并同時產生過熱蒸汽，其中過熱蒸汽的過熱溫度可高于用現有技術的方法得到的過熱溫度。通過利用本發(fā)明的方法，蒸汽溫度甚至可提高到420-550℃，優(yōu)選500-550℃，而過熱面上沒有任何腐蝕的危險。利用這種裝置，與現有技術相比，能顯著地提高過熱蒸汽的溫度。
通過使用循環(huán)物料的冷卻器，可以在實際的工藝過程之外，在爐篦式焚燒過程產生的腐蝕性煙氣所及范圍之外，冷卻循環(huán)物料，因而也同時使蒸汽過熱，從而外部處理裝置中的條件并不取決于實際的廢物處理過程的條件，因此蒸汽的過熱溫度可提高到420℃以上，甚至420-550℃的溫度，優(yōu)選500-550℃，因為在廢物處理過程中釋放的腐蝕物質如氯并不存在。在冷卻器(優(yōu)選流化床冷卻器)中，可以選擇非腐蝕性物質作為流化氣。可能的流化氣例如是惰氣，如氮氣，或如果需要，也可以使用氧氣作為流化氣。但是，空氣是優(yōu)選使用的流化氣。將要用循環(huán)物料過熱的蒸汽溫度可用這種方式提高，而沒有腐蝕加熱面(例如由于氯)的危險。
來自循環(huán)物料分離器的氣體輸送至進一步處理過程，根據本發(fā)明第一個實施方案，這可包括按照現有技術在廢熱鍋爐中冷卻氣體，設置在鍋爐上的加熱面使介質加熱或汽化。根據本發(fā)明方法的第二個實施方案，進一步處理過程還可包括在流化床反應器中冷卻氣體。
例如，與現有技術比較，用本發(fā)明的方法可獲得如下的優(yōu)點—廢物的預處理階段被簡化或變得不再需要；—在蒸汽生產中得到更高的過熱溫度，而沒有腐蝕危險；—可燃燒物料有效而完全地焚燒；—排放更清潔的氣體。
按照本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施方案，所使用的循環(huán)物料可包含一種或幾種下述物質基本上是惰性的固體物料，與硫氧化物結合的物質，催化分解氮氧化物的物質。
本發(fā)明通過實例的方式，參考附圖進行更詳細的描述，其中

圖1圖示地描述實施本發(fā)明方法的裝置。
圖1示出了廢物焚燒裝置1。未預處理的廢物優(yōu)選經開口3加入焚燒裝置的焚燒器的爐2。廢物沿爐篦4流到爐的下部，并焚燒生成煙氣?？諝饨洜t篦供入爐內。煙氣在爐體5中上升，如果需要，在5中例如可以安裝一輔助燃燒器，以保證對環(huán)境有害的物質完全焚燒和/或分散。另外，附加量的空氣例如二次空氣可以引入爐體，這樣在爐體5中通過分段加入空氣而發(fā)生焚燒，從而從焚燒的觀點來說，氧氣量可以有效地最優(yōu)化。爐體優(yōu)選由可以冷卻的壁構成，例如所謂的膜壁(membrane wall)構成，且優(yōu)選是加襯的，例如用碳化硅襯層。
爐體設置在爐篦與裝置6、17之間，利用裝置6、17使循環(huán)物料與爐篦式焚燒過程釋放出的氣體接觸，因此，氣體與循環(huán)物料有效地相互混合，并在氣體和循環(huán)物料之間發(fā)生熱交換，氣體被冷卻，而循環(huán)物料被加熱。也可發(fā)生物料交換。按照本發(fā)明，部件17有利于維持循環(huán)物料所形成的懸浮體的裝置，優(yōu)選至少包括爐體區(qū)域，其中流通截面積減小。通過在結構之上設置循環(huán)物料的噴射床(spoutedbed)可提供有效的混合。
氣體與循環(huán)物料的混合物在爐體中向上流動，同時它可釋放熱量以蒸發(fā)在爐體壁上流動的介質。但為了清楚起見，這在附圖中沒有示出。爐體的上部與分離器7連接，固體物料在其中與氣體分離。循環(huán)物料的分離器優(yōu)選為旋風分離器，在其中產生很有效的氣體渦流。由于上述的氣體渦流作用，供入焚燒爐篦和爐體的空氣可以調節(jié)到非常接近化學計量值，這是因為由于旋風分離器的有效混合作用，氣體中的未燃燒物料，主要是一氧化碳有效地與未反應氧氣接觸，因此由于精確地調節(jié)燃燒空氣，就能夠降低由空氣中的氮引起的不需要的排放物，同時幾乎沒有未燃燒的氧保留在氣體中。并且由于上述的有效混合作用發(fā)生完全焚燒，就能夠縮減爐后的爐體，這是因為爐體后的分離器保證有效而完全地焚燒。
在分離器中與氣體分離的循環(huán)物料，或它的至少一部分，經通道10引入冷卻裝置8。如果需要，分離的循環(huán)物料的一部分可以經通道9直接送回，與爐篦式焚燒過程產生的氣體接觸。循環(huán)物料的上述的傳輸路徑圖示為一單獨的通道，但是它也可是冷卻裝置的一組成部分。此外，分離的循環(huán)物料的一部分可以從工藝過程中完全除去。循環(huán)物料的上述流動在附圖中沒有示出，但是循環(huán)物料可以從希望的地方排除，優(yōu)選在冷卻裝置8冷卻后除去。在冷卻裝置的冷卻器中設置換熱裝置11，設置的所述換熱裝置帶引入和排放蒸汽的導管14、15。優(yōu)選將飽和蒸汽引入換熱裝置，以便使其過熱，但是在某些情況下，也可能再加熱已經過熱的蒸汽。
導入冷卻器的循環(huán)物料在其中冷卻，而在換熱裝置中流動的蒸汽被過熱到420℃以上的溫度，優(yōu)選500-550℃。至少一部分冷卻過的循環(huán)物料用裝置12和6返送到爐體，與爐焚燒過程中所產生的氣體接觸。一部分循環(huán)物料還可從工藝過程中排出。此外，用裝置13將流化氣供入冷卻裝置，它優(yōu)選為流化床冷卻器，流化氣可從流化床冷卻器引出，例如，沿通道16返回到爐體到達爐篦附近，用作廢物焚燒操作中的一次、二次或三次空氣。如果需要，上述的流化氣還可引導到裝置6、17的附近。
必須理解的是在這種場合中，裝置6、12、9和10同樣可以是組合在冷卻裝置或爐體中的部分，它們并不象圖1為清楚起見而示出的那樣一定要單獨設置。此外，整個冷卻裝置可以組合在爐篦式焚燒爐中。
來自循環(huán)物料分離器7的氣體用導管14引向進一步處理過程。
當然，在附圖中示出的裝置是示范性的，并且可以用適于各自情況的方式來實現。
下面用實例對本發(fā)明的方法和現有技術的裝置進行比較，在下述實例中，按照本發(fā)明當含腐蝕物質的未處理的生產廢氣覆蓋過熱面時，氣體釋出的熱量用來產生過熱蒸汽。過熱的蒸汽用與凝汽式發(fā)電廠(condense power plant)相同的方式，在一般的蒸汽渦輪過程中僅用于發(fā)電(例1)或用于局部加熱裝置用于發(fā)電和加熱(例2)。例1.單純發(fā)電。情況A說明按照現有技術的方法進行廢物焚燒，其中蒸汽只可過熱到約420℃的溫度，與之相比，情況B是按本發(fā)明的過程，它能夠將蒸汽的過熱溫度提高到例如520℃。
實例的工藝參數列于表1
表1情況A 情況B蒸汽溫度℃420 520蒸汽壓力巴35 80蒸汽量 kg/秒 25 23.4進料水溫℃170 170冷卻水溫度 ℃20 20功率MW63.763.7凈發(fā)電 MW19.221.6在這種凝汽發(fā)電廠中，用本發(fā)明的方法比用常規(guī)的方法冷卻廢物焚燒過程中產生的氣體時由于得到了更高的過熱溫度，凈發(fā)電量要高12％。例2.同時發(fā)電和局部加熱。本實例中各情況與例1相對應。工藝參數列于表2。
表2情況A 情況B蒸汽溫度℃ 420 520蒸汽壓力巴 35 80蒸汽量 kg/秒 25.023.4進料水溫℃ 170 170冷卻水溫度 ℃ 75 75功率MW 63.763.7凈發(fā)電 MW 14.517.1在同時發(fā)電和局部加熱的情況下，本發(fā)明的方法凈發(fā)電量要比傳統(tǒng)的方法高13％。
從上述的描述可看出，本發(fā)明處理廢物的有利方法比現有技術的方法明顯地更加有效和有利。在可選擇耐受本發(fā)明方法產生的蒸汽的過熱溫度汽輪機情況下，換句話說，在新的廢物處理裝置中，或在現有汽輪機允許使用420℃以上的溫度的情況下，本發(fā)明的方法提供了特別有利的解決方案。
本發(fā)明無意限制在上述的實施方案中，而是可在所附的專利權利要求書內修改和調整，唯有這些權利要求確定本發(fā)明的基本原理和范圍。
權利要求
1.一種在高溫下利用爐篦式焚燒裝置(grate incinerationapparatus)處理固體物料，例如廢物和/或生物污泥并以生產蒸汽的方式回收熱量的方法，其特征在于所述方法至少包括下述步驟—將基本上未預處理的固體物料供入在高溫下處理固體物料的焚燒室；—在高于1000℃及在含氧氣體存在下，加熱或焚燒固體物料；—以使產生的煙氣與循環(huán)物料(circulating material)有效地相互混合的方式，供入循環(huán)物料并與產生的煙氣接觸；—在過程中進一步傳送煙氣和循環(huán)物料的混合物，同時從中回收熱量；—由煙氣中分離循環(huán)物料；—將煙氣送去進一步處理；和—將從煙氣分離的循環(huán)物料送至冷卻過程，其中循環(huán)物料的熱量用于提高爐篦式焚燒裝置中產生的蒸汽的溫度。
2.按權利要求1的方法，其特征在于冷卻過程中，循環(huán)物料用供給的流化氣流化，流化氣的供給方式是使得排列成蒸汽過熱器的熱交換裝置與循環(huán)物料處于熱交換接觸。
3.按權利要求1或2的方法，其特征在于蒸汽溫度提高到420℃以上。
4.按權利要求3的方法，其特征在于蒸汽溫度提高到450℃以上。
5.按權利要求3或4的方法，其特征在于蒸汽溫度提高到500℃以上。
6.按權利要求2的方法，其特征在于冷卻的循環(huán)物料再循環(huán)，與產生的煙氣接觸，由此煙氣與循環(huán)物料有效地相互混合。
7.按權利要求1的方法，其特征在于未燃燒物質的補充燃燒是發(fā)生在循環(huán)物料的分離階段。
8.按權利要求1的方法，其特征在于煙氣的進一步處理包括產生蒸汽或使蒸汽過熱的熱交換過程。
9.按權利要求1的方法，其特征在于循環(huán)物料與煙氣接觸前，所產生的煙氣的流速被提高。
10.按權利要求2的方法，其特征在于引入到冷卻過程的流化氣體從冷卻過程引出，與在爐焚燒過程中產生的煙氣接觸。
11.按權利要求9的方法，其特征在于通過提高速度設置循環(huán)物料的噴射床(spouted bed)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在高溫下處理固體物料例如廢物和生物污泥、從上述處理過程回收熱量及冷卻產生的生產廢氣的方法，在本方法中，通過爐箅式焚燒過程在高溫下處理廢物，產生的熱量用于在單獨的循環(huán)物料冷卻器中產生高溫過熱蒸汽。
文檔編號F23G5/46GK1125980SQ94192577
公開日1996年7月3日 申請日期1994年6月22日 優(yōu)先權日1993年6月24日
發(fā)明者O·阿帕拉蒂, M·希圖倫, K·韋斯特龍 申請人:阿爾斯特羅姆公司