СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ORGANIC WASTE GASIFICATION AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к переработке отходов и газификации органического материала. Более определенно оно относится к улучшенному способу и устройству газификации органических отходов в небольшой установке.
Уровень техники
Бытовые отходы обычно отправляют на свалку мусора или сжигают. Для многих муниципалитетов предпочтительной является отправка мусора на свалку, а не сжигание из-за более низкой стоимости инфраструктуры и меньшего числа проблем непосредственного загрязнения воздуха при сжигании. Тепло, получаемое при сжигании, может быть использовано для производства электричества.
Полихлорированные дибензодиоксины (PCDDs) или просто диоксины являются группой полигалогенированных соединений, которые являются значимыми, потому что они действуют как экологические загрязнители. Диоксины образуются в небольших концентрациях при сжигании органического материала в присутствии хлора вне зависимости от того, присутствует ли хлор в виде хлорид-ионов или в виде хлорорганических соединений. Диоксины получаются как побочные продукты при сжигании хлорсодержащих веществ, таких как ПВХ (поливинилхлорид). При сжигании диоксины также могут образовываться в атмосфере над выводной трубой при охлаждении выхлопных газов в интервале температур 650-250°С. Сокращение количества диоксинов может быть достигнуто посредством быстрого охлаждения выхлопных газов в указанном 400-градусном интервале. Таким образом, проблемы образования диоксина исключены в обычных системах газификации.
Установки газификации бытовых отходов не используются так широко, как установки для сжигания отходов. Установки газификации обычно используются для превращения угля в топливный газ. При газификации отходы нагревают в присутствии пониженного содержания кислорода или воздуха так, чтобы получать синтез-газ, состоящий из водорода и монооксида углерода. Синтез-газ может содержать смолы, и может быть использован вторичный газогенератор для превращения смол в синтез-газ. До сжигания синтез-газа он может быть промыт для удаления загрязнителей. Затем синтез-газ может быть использован в качестве топлива для производства электроэнергии или для других потребностей в энергии. В WО 2008/044216, датированной 17 апреля 2008, заявителем настоящей заявки описана система утилизации отходов, которая газифицирует небольшие партии отходов для производства чистого синтетического топливного газа. Камеру первичного газогенератора нагревают сжиганием топлива с небольшим количеством введенного воздуха для получения сырого синтез-газа (содержащего смолы), который затем подают в камеру вторичного газогенератора, которую нагревают сжиганием топлива или электрическим нагревом до оптимальной температуры газификации для получения синтез-газа, по существу, не содержащего смол. Синтез-газ может быть охлажден и очищен от других загрязнителей, таких как кислотные газы, и затем он может заменить обычный источник топлива, на котором ведут процесс газификации, по его получению. Синтез-газ является очищенным и газы сжигания, получаемые из синтез-газа, являются чистыми и могут быть выброшены непосредственно в атмосферу как отработавшие газы. По завершению периодического процесса остается небольшое количество остатка, содержащего углерод, обычно менее 10% исходного объема и небольшое количество различных отфильтрованных загрязнителей.
Раскрытие изобретения
Было установлено, что получение сырого синтез-газа можно регулировать так, чтобы позволять эффективно отмывать отработавшие газы, которые содержат продукты сжигания сырого синтез-газа. Таким образом может быть исключена вторичная система газификации. В некоторых осуществлениях сырой синтез-газ подают в подходящую высокотемпературную зону сжигания, которая оборудована обычным тепловым источником, обычно горелкой на углеводородном топливе, где сжигают синтез-газ, и горячие продукты сжигания используют для нагрева камеры газификации. Для мокрой газоочистки (промывания) используют оборудование, которое может переработать заданный расход газа. Регулированием нагрева газогенератора, а также регулированием количества технологического воздуха, подаваемого в газогенератор, можно обеспечить количество полученного сырого синтез-газа, которое будет соответствовать производительности оборудования мокрой газоочистки.
Также было установлено, что можно контролировать сжигание сырого синтез-газа наряду со сжиганием любого дополнительного топлива можно регулировать так, чтобы поддержать температуру отработавшего газа теплообменом с камерой газификации выше 650°С (предпочтительно выше 700°С), до охлаждения отработавшего газа и мокрой очистки. Регулированием температуры отработавшего газа, препятствующим снижение до менее 650°С, образование диоксинов значительно уменьшается. Это открытие полезно в контексте небольшого периодического газогенератора, так же как в контексте большего газогенератора с непрерывной загрузкой.
Газогенератор работает для смешивания исходного источника нагрева с сырым синтез-газом при сжигании для проведения газификации отходов. Температура отработавшего газа сжигания может поддерживаться выше 650°С до охлаждения для предотвращения образования диоксинов. Избыток тепла отводится в установке рекуперации тепла. Газогенератор может работать эффективно в периодическом режиме для переработки небольших партий отходов на небольших установках, таких как суда, многоквартирные дома, больницы и жилые помещения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понято из последующего детального описания осуществлений изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, в которых:
фиг.1 представляет собой технологическую схему газогенератора согласно основному осуществлению изобретения;
фиг.2 представляет собой сечение вертикальной плоскостью камеры сжигания для получения газов сжигания, которая соединена с теплообменником камеры газификации согласно второму осуществлению; и
фиг.3 представляет собой более детальную технологическую схему системы охлаждения и мокрой очистки согласно одному осуществлению.
Осуществление изобретения
2
2
Способ начинается с загрузки отходов, например стандартного мешка для мусора, в камеру 12 газификации (см. фиг.1) через загрузочный люк 14. Включают вакуумный насос 13 и зажигают дизельную горелку 18. Хотя в настоящем осуществлении выбрано дизельное топливо, следует понимать, что может быть использован любой источник тепла, способный обеспечить необходимую тепловую энергию и температуру. Содержание кислорода в конечном выхлопном потоке измеряют датчиком 48 О. Датчик 48 О позволяет регулировать содержание кислорода в зоне 21 сжигания в заданных пределах; обычно 6-12% в отработавшем газе. Давление в камере 12 газификации сохраняют на заданном уровне, несколько ниже атмосферного. Технологический воздух 26 втягивается в камеру 12 отрицательным относительным внутренним давлением. Технологический воздух 26 предварительно подогревают пропусканием через небольшой канал для теплообмена в зоне 21 сжигания. Расход газа регулируют пропорциональным клапаном (часть источника 22) и контролируют датчиком 24 расхода. Расход газа измеряют датчиком 24 расхода и регулируют клапаном для снижения или увеличения расхода соответственно. При работе скорость подачи технологического воздуха устанавливают равной 0-20 scfm (станд. куб. фут в минуту) и используют или для ускорения или для замедления процесса газификации и таким образом регулируют количество получаемого синтез-газа. Сокращение получения синтез-газа может потребоваться, когда сжигание синтез-газа приводит к слишком высоким температурам отработавшего газа.
2
2
2
2
После запуска, когда процесс нагревает камеру 12 газификации, отходы внутри камеры 12 начинают разрушаться до синтез-газа (сингаз). Сырой сингаз 20, полученный из нагретых отходов, подают в зону 21 сжигания через отверстие. Сингаз начинает гореть, приводя к увеличению потребности в О в зоне 21 сжигания; это включает цикл, который открывает подачу воздуха 28 сжигания в зону 21 сжигания. Измерением содержания О в выхлопном потоке и температуры зоны сжигания, используя датчики 34, обеспечивается полнота сжигания всего сингаза 20. Содержание О в выхлопном потоке сохраняется равным или выше заданной величины, установленной для полного сжигания. Подходящая заданная величина может составлять 6-12% содержания О. Скорость потока воздуха сжигания контролируют датчиком 30 потока и регулируют пропорциональным клапаном в источнике 28.
Дизельная горелка 18 отключается, когда температура в зоне 21 сжигания превышает заданную величину около 1100 градусов Цельсия, и подача воздуха 29 сжигания превышает заданную скорость подачи около 25 кубических футов в минуту; что указывает на получение достаточного количества сингаза для поддержания сжигания без дизельного топлива. Температуру в зоне 21 сжигания сохраняют постоянной при помощи двухступенчатой дизельной горелки 18 для нагрева и контролем условий в камере 12, включая скорость подачи технологического воздуха 22, скорость нагрева и смешивание с использованием смесителя 16 для регулирования количества получаемого сингаза 20. В случае очень энергичного получения сингаза может быть распылена вода с использованием распылителя 32 в камеру 12 и или в зону 21 сжигания для регулирования температуры. Распыляемая вода испаряется и поглощает тепло газов; она повторно конденсируется и собирается в скруббере 44.
Если качество сингаза колеблется и температура снижается, то дизельная горелка 18 может быть вновь зажжена для поддержания достаточной температуры для работы. Для предотвращения образования диоксинов в отработавшем газе измеряют температуру отработавшего газа, используя датчик 38, предпочтительно в точке непосредственно перед охлаждением 40, и если температура понижается ниже 650°С, то важно привести температуру отработавшего газа до прежнего значения, чтобы избежать потенциального образования диоксинов. С этой целью повторно включают дизельную горелку 18. Таким образом, температуру измеряют в зоне 21 сжигания, используя датчик 34 и в выхлопном газе, используя датчик 38 перед охлаждением 40.
3
3
Содержание диоксина определяют равным 0,11 нг/м, когда температура отработавшего газа составляет 560-610°С. В некоторых муниципалитетах установленное законом ограничение составляет менее 0,1 нг/м и, как ожидают, этот предел будет соблюдаться при использовании температур выше 610°С.
Хотя в осуществлении, описанном выше, температура отработавшего газа контролируется, следует понимать, что она может быть измерена косвенно, определением температуры в камере 12.
Форсунка 32 распыления воды служит для охлаждения камеры 12 при отключении и «замораживания» пепла в нижней части для предотвращения избыточной газификации углерода в пепле; также форсунка 32 служит для ввода воды, чтобы снизить качество сингаза, выходящего из первичной установки, если температуру находят слишком высокой в камере 21 сжигания. Температура в любой камере не должна превышать 1250°С. Регулируемая температура в системе газификации является температурой нержавеющей стали в нижней части камеры 12 газификации. Эта температура не должна превышать диапазон рабочих температуры материала. Номинально она установлена равной 775 градусов Цельсия.
Производительность по сырому сингазу 20 измеряют по трем параметрам. Во-первых, измеряют количество воздуха 22, 26, необходимого для обеспечения сжигания сингаза (плюс фиксированное количество избытка воздуха); оценивают по стехиометрии производительность по сингазу. Второй параметр является положением вакуумного перепускного клапана 50. Учитывая, что в зоне 21 сжигания и камере 12 поддерживается постоянное давление, производительность по сырому сингазу может быть измерена по положению вакуумного перепускного клапана 50 (например, без учета контроля источника 22 технологического воздуха). Отрицательное давление (например, 90 кПа абсолютное) поддерживают в камере 12 сжигания жидкостным кольцевым вакуумным насосом 42. Вакуум регулирует перепускной вакуумный клапан 50. Следует понимать, что могут быть использованы другие устройства для контроля давления.
После начала получения сингаза 20 давление в камере 12 повышается и вакуумный перепускной клапан 50 закрывается для поддержания достаточного разрежения, чтобы сохранять давление постоянным, положение клапана 50 пропорционально производительности по сингазу. Третий параметр является температурой камеры 12 (измеряемой датчиком 36); начало газификации может фиксироваться по температуре в камере выше 350 градусов Цельсия.
После определения начала получения сингаза немедленно вводят воздух сжигания 28, 29 для обеспечения постоянного выброса отработавших газов по выводу 46. Определение корректного количества воздуха вычисляют регулятором 15 технологического процесса на основании параметров, описанных выше. Регулятор 15 технологического процесса может включать установленную схему, микроконтроллер, программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), цифровой процессор сигналов (DSP) или более полный компьютер, запрограммированный для выполнения функции контура регулирования. Кроме того, регулятор 15 также может регистрировать измеренные величины во время работы и проводить запись рабочих характеристик. Теперь будет описан контур регулирования этой стадии.
Переход от сжигания дизельного топлива к сжиганию сингаза выполняют при помощи небольшой вспомогательной горелки (часть горелки 18), которая сжигает дизельное топливо. Небольшая горелка расположена в области сжигания 21 на входе сингаза 20 в зону 21 сжигания. Пламя вспомогательной горелки используется для обеспечения полного сжигания сингаза на начальных стадиях получения сингаза, когда качество сингаза менее оптимального. Интервал «бедного» сингаза длится около 10 минут.
В одном осуществлении в зоне 21 сжигания имеется две горелки: одна - основная и одна - вспомогательная. Альтернативно может быть использована двухстадийная горелка. Основная горелка отключается, когда температура повышается, как указано выше. Смеситель 16 медленно поворачивает отходы в камере 12, обеспечивая более быструю и устойчивую реакцию газификации, приводя в контакт больше отходов с горячим основанием и технологическим воздухом 22, 26, чем в случае неподвижных отходов. Также исключаются проблемы с движением технологического воздуха по каналам постоянным движением отходов. Двигатель (не показан) установлен для вращения смесителя 16. Двигатель смесителя включается регулятором 15, когда температура в камере 12 достигает 350°С. Смеситель 16 следует оставлять всегда включенным, хотя его можно остановить для снижения производительности по сингазу в случае, когда производительность по сингазу является слишком высокой.
Автоматизированный контур контролирует сопротивление двигателя к заеданию. Если двигатель и вал подвергаются воздействию за счет затруднения движения в камере 12, происходит скачок тока двигателя. Этот скачок фиксируется и двигатель меняет направление вращения. Если мотор меняет направление вращения три раза в минуту, он отключается и может быть повторно включен вручную.
Скруббер 44 представляет собой мокрый скруббер. Вода в скруббере 44 становится кислой за счет пропускания через скруббер выхлопных газов сгорания. Кислота может быть нейтрализована добавлением жидкой каустической соды в линию рециркуляции. рН-метр может быть использован для контроля кислотности в скруббере и открытия клапана резервуара с каустиком, который может подаваться под действием силы тяжести в линию рециркуляции на основе заданной величины рН, например 7.
Фиг.3 представляет детали одного осуществления охлаждения 40, насоса 42 и скруббера 44 с компоновкой, иллюстрирующей также водный циркуляционный насос 43, резервуар 45 с каустиком и фильтр 49 с наружным сбором фильтрата. Вода, используемая в охлаждении 40 и скруббере 44, циркулирует через теплообменник 47 с использованием насоса 43, а именно 50 кВт установку рекуперации тепла, то есть соответствующей охлаждению воды с 40°С до 25°С со скоростью 45 л/мин. Затем охлажденную воду используют в охлаждении 40 и для орошения в газопромывной башне скруббера 44. Хотя 10% NaOH из резервуара 45 может быть добавлен в количестве 0,5 литра на загрузку отходов, следует понимать, что он может быть добавлен в результате измерения рН вручную или автоматически при управлении регулятором 15. Когда газогенератор работает в непрерывном режиме с постоянным добавлением отходов, контроль рН в линии рециркуляции лучше всего проводить непрерывным способом. Избыток воды в линии рециркуляции сливают через дренажный клапан и фильтр 49. Количество удаляемой воды может составлять около 10-20 л на загрузку. Дренажный клапан может управляться автоматически регулятором 15 в зависимости от сигнала датчиков уровня воды в скруббере 44.
В некоторых осуществлениях уровень воды в скруббере 44 должен поддерживаться постоянным. Работа жидкостного кольцевого вакуумного насоса 42, который регулирует вакуум в системе, может определяться постоянным потоком в линии рециркуляции, воду в которую в свою очередь подают из водного резервуара скруббера. В процессе получается вода, и незначительная часть воды выбрасывается в виде пара, конкретное количество может меняться, поэтому скруббер 44 оборудован автоматическим заполнением и опорожнением, которыми управляют датчики уровня. Например, два вибрационных вильчатых датчика уровня могут быть использованы в скруббере. Они посылают сигнал, когда они находятся под водой, а не в воздухе. Эти две вилкообразные детали расположены на расстоянии 2 дюймов один над другим. Требуемый уровень воды находится между этими двумя датчиками, таким образом нижний датчик всегда находится под водой, и верхний датчик всегда выше воды. Если нижний датчик будет видимым из-за снижения уровня воды, то активируется клапан заполнения и скруббер заполняется пресной водой до погружения нижнего датчика. Если верхний датчик погрузится из-за повышения уровня воды, то откроется дренаж, пока верхний датчик не будет выше воды.
Температура воды скруббера является важным параметром, который влияет на способность разрежения жидкостным кольцевым вакуумным насосом 42. Температура воды скруббера не должна превышать 50 градусов Цельсия. Воду скруббера повторно направляют на охлаждение 40. Смешанная температура охлаждения не должна превышать 60 градусов Цельсия. «Смешанная температура» является температурой потока выхлопного газа и охлаждающей воды между охлаждением 40 и кольцевым насосом 42. Вся вода в системе представляет собой замкнутый контур, и теплообменник 47 используют для удаления избыточного тепла, получаемого в циркулирующей воде.
Тепло, полученное в теплообменнике 47, может быть использовано для нагрева воздуха зданий (или непосредственно в виде горячей воды в радиаторах или в печи с принудительной циркуляцией воздуха), для запаса тепла, для предварительного подогрева горячей воды, как источник теплоты для тепловых насосов, или другого промышленного применения.
Следует понимать, что теплообменник 47 удаляет большую часть тепла, производимого всей системой газификации, поскольку получаемый выхлопной газ охлаждают до около 40°С. Этот выхлопной газ с низкой температурной может облегчить установку системы газификации, так как обычные отопительные или кухонные вентиляционные каналы могут быть использованы в качестве вентиляционного отверстия для вывода выхлопного газа за пределы здания вместо использования высокотемпературных каналов дымохода. Кроме того, единственный пункт рекуперации тепла является более простым, чем рекуперация тепла в системе газификации, в которой используют вторичный газогенератор и очистку синтез-газа, так как затем рекуперация тепла может быть проведена и в скруббере сингаза и затем отдельно в отработавшем газе.
Следует понимать, что возможны многие модификации вышеописанных осуществлений. Например, горелка может быть заменена различными источниками тепла и в некоторых случаях пропан или природный газ будут предпочтительными в качестве горючего топлива по сравнению с дизелем.
Зону 21 сжигания можно заменить на камеру 21' сжигания, как показано на фиг.2. Это может быть сделано для увеличения производительности системы относительно сжигания сингаза и, следовательно, производительности системы переработки отходов. Камера 21' сжигания получает сингаз 20 из камеры 12 газификации. Сингаз 20 натекает в камеру 21' в силу более низкого давления, чем в камере 12 газификации. В камере 21' имеется цилиндрическая область 21 а смешивания, которая получает поток сингаза 20 по касательной к спирали и поступает в область 21b горения, где воздух сжигания из отверстия 29 вводят в область сжигания. Камера 21' снабжена жаростойкой футеровкой 21с, и подходящей изоляцией 21d. Область 21a смешивания находится там, где сингаз входит в камеру и входит в контакт со вспомогательной горелкой, а именно, с частью дизельной горелки 18. Сингаз 20 нагревается и смешивается в области смешивания. Затем сингаз приводят в контакт с воздухом 29 сжигания, в результате чего он загорается и сжигается. Выхлоп 21е камеры 21' сжигания направляют в область теплообмена, окружающую камеру 12, где тепло выхлопного газа возвращают в процесс.
Дополнительные детали системы газогенератора представлены в совместно рассматриваемой заявке US 12/445,455, поданной 13 апреля 2009, содержание которой включено в заявку ссылкой.
Система газификации, представленная в вышеуказанных осуществлениях, является мелкомасштабным устройством, которое работает с порциями отходов, например единичным, большим, мешком для бытового мусора. В системе этого масштаба количество произведенного сингаза достаточно для проведения процесса газификации для большей части цикла периодического процесса, однако, для большинства бытовых отходов отсутствует избыточный синтез-газ, который будет использоваться в других целях. Настоящее изобретение может быть применено в установках большего масштаба или в непрерывных системах газификации. В этих случаях может быть получен существенный избыток сингаза. Следует понимать, что сырой синтез-газ, который будет использоваться в целях отличных от проведения процесса газификации, может быть переработан вторичным газогенератором и очищен, так чтобы получать запас чистого сингаза в дополнение к использованию сырого сингаза в качестве топлива, отличного от сжигания, обеспечивающего нагрев в камере газификации.
Когда отходы непрерывно подают в камеру 12, что может быть сделано используя желоб или шнековый питатель, можно регулировать количество отходов, помещенных в камеру 12 для поддержания температуры камеры выше, например 650°С, так, чтобы температура отработавшего газа оставалась достаточно высокой. Альтернативно первоначально может быть добавлен источник твердого топлива, такого как подходящий уголь, в камеру 12 так, чтобы фаза запуска могла проходить ниже 600°С без образования диоксинов. По достижению температуры в камере 12 около 650°С добавление отходов может продолжиться без образования диоксинов в отработавшем газе.
Следует понимать, что возможен прямой теплообмен камеры сжигания настоящего изобретения с внешней поверхностью камеры газификации. В некоторых осуществлениях камера газификации находится, по существу, внутри камеры сжигания.
Настоящее изобретение было описано относительно предпочтительных осуществлений. Описание так же, как фигуры, предназначено для помощи в понимании изобретения, а не ограничения его объема притязаний. Специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть выполнены различные модификации изобретения, не выходя за рамки объема притязаний, как описано в заявке, и такие модификации охватываются настоящим описанием.