废物处理技术领域
本发明涉及废物处理且特别涉及用于从废物材料产生能量的系统和
方法。
本发明涉及用于处理包括有机废物和城市固体废物(MSW)的废物材
料的设备。特别地，本发明涉及用于从材料热移除涂层和/或杂质的设备
和方法，所述设备和方法特别适合材料的批量处理。
背景技术
气化是通过将反应原料与受控量的氧气在高温下反应而将含碳材料，
例如生物质，转换为一氧化碳和氢气的处理过程。所得气体混合物被称为
合成气体或合成气。合成气体主要由CO(一氧化碳)和氢气组成。这两种
成分都是醇类(甲醇、乙醇、丙醇等)的基本构建物。
气化是用于从多种类型的有机物质提取能量的有效方法，并提供清洁
的废物处置。气化比原始燃料的直接燃烧更有效率，具体是因为包含在所
处理的材料中更多的有机物被转换为能量(较高的热效率)。
热解是与气化相似的过程且其也产生合成气体，但其中氧气成分为零
或基本上为零。
可以在内燃机中直接燃烧合成气或用其制造醇类例如甲醇、乙醇和丙
醇，也可以制造氢气。通过化石燃料的气化和热解制造的合成气目前被广
泛地以工业规模用于产生电力。
回收例如铝、镁和其他金属和非金属之类的材料的需求日益增加。通
常这些材料用涂料、油、水、油漆、塑料或其他挥发性有机化合物(V.O.C.)
涂覆，在再溶解这些材料之前必需移除前述的涂料、油、水、油漆、塑料
或其他挥发性有机化合物(V.O.C.)。对于能够在相对较高的温度下处理而
不熔化的材料，通常通过使用热处理移除这些杂质，有时将这种热处理称
为去涂层。这样的热法去涂层处理也可以在再熔化之前用作干燥和/或消
毒物质。
例如，铝常用于饮料罐的生产，而饮料罐通常涂覆以涂层、油漆和/
或其他V.O.C.。在将使用过的饮料罐(U.B.C.)或在饮料罐制造中生产的废
料物质熔融进行回收前，必须移除任何涂覆物或其他杂质以尽量减少金属
损失。
然而，热法去涂层不仅局限于铝的应用，也能用于清洁或纯化任何能
够承受存在于所述热法去涂层处理中的温度的金属或非金属材料。例如热
法去涂层可用于去涂层或纯化镁或镁合金。特别是用所述处理过程处理城
市废物以便从其中回收金属。
已知的热法去涂层处理包括将被处理的材料暴露给热气体以氧化将
被移除的所述涂层和/或杂质。这一暴露发生在热气体的温度和氧含量可
控的封闭环境中。需要超过300℃的温度以移除大部分有机化合物并且
通常需要6％到12％范围内的氧气水平。
如果所述热气体的温度和氧水平没有被小心控制，则由于在热剥离过
程中被释放出来的这些V.O.C.被燃烧，所述处理能自动进行。这能导致热
气体温度失控的增加，是非常危险的。
在处理之前通常将所述材料撕碎，对于有效的去涂层而言，所述粉碎
材料的所有表面暴露于热气体中是很重要的。如果情况不是这样，则处理
就变得不太有效，特别是在使用过的U.B.C.的情况下，黑色的污点可能
会留在处理过的材料的表面上。也期望在处理阶段搅动所述材料以物理上
移除来自物质的松散的涂层或杂质。
目前有两种已知类型的热法去涂层，它们是连续处理和批量处理。
连续处理对大量基本恒定的物质是有益的，其可以达到稳定状态的处
理条件，批量处理在少量处理或具有大量的不同种类的被处理的物质的情
况下是有利的，例如热含量、水分含量等。
批量处理的一个问题是，当所述方法通过允许批量间的处理变化使处
理周期中达到极大的灵活性时，所述批量处理不产生稳定速率的合成气，
特别是在周期开始或结束时，存在合成气生产的增加和减少的情况。
有几个与此相关的问题。第一，通常在制备之后在热氧化器中处理合
成气以将其燃烧，以及热废气随后用于发电，例如给锅炉提供动力。由于
合成气生产速度有周期性波动，所以热氧化器必须改变其尺寸以适应最大
合成气生产，并因此其尺寸低于对周期的大部分所使用的尺寸。此外，为
了环境目的，在周期中较低合成气的生产部分里，需要原始燃料(通常天
然气)来维持所述氧化器处于所需的温度，以破坏所述合成气。原始燃料
的这种使用减少了所述处理的总效率和成本效益。
在替代的方法中，加热合成气以移除其中任何的碳氢化合物，清洁合
成气并随后在合成气引擎中燃烧合成气以直接驱动发电机。上述合成气引
擎不适用于循环使用，其在稳定工艺参数运行时是最有效率的。
本发明旨在提供一种用于处理废物材料的改进的设备。
因此，本发明提供用于从废物材料产生能量的系统，其包括：第一批
处理炉，用于产生合成气；第二批处理炉，用于产生合成气；热处理腔室，
用于加热所述合成气；和能量转换器，用于将能量从所述合成气转换为电
能。
在一个实施方案中，所述热处理腔室包括一个或多个燃烧器，用于燃
烧所述合成气，所述能量转换器包括热回收装置，用于回收来自燃烧气体
的热量。在另一个布置中，所述热处理腔室包括一个或多个燃烧器，用于
加热所述合成气但不燃烧它，且所述能量转换器包括合成气引擎。
在本发明的一个优选实施方案中，所述系统进一步包括第三和任选的
第四批处理炉，用于产生合成气。
在本发明的一个优选实施方案中，所述的系统进一步包括控制装置，
用于依靠所述设备的至少一个运行参数，控制合成气从所述第一和第二批
处理炉到所述热处理腔室的供应，从而确保合成气到所述热处理腔室的基
本上恒定的供应。
每个批处理炉可以在热处理腔室中提供本身的燃烧器。
有利地是，所述运行参数或所述运行参数之一是所述合成气中一氧化
碳含量。
所述控制装置优选可操作的以控制所述合成气从一个批处理炉到所
述热处理腔室的供应，而清空和再填充其它批处理炉中的至少一个。
所述控制装置是可操作的以控制所述批处理炉，以便随着一个炉的所
述合成气产生速率开始向其周期结尾减少，通过从另一个炉产生的合成气
可以补充合成气到所述热处理腔室的流动，以得到合成气到所述热处理腔
室的基本上恒定的流量。更优选地，在一个周期结尾的合成气的减少通过
来自另一个炉的周期开始的合成气的增加来补充。更优选地，随着一个炉
的周期基本进入结尾，另一个炉的周期基本上达到最大产量。
通过用于供应所述合成气到所述热处理腔室的管道装置，可以将第一
和第二，以及任选的第三和第四批处理炉连接到所述热处理腔室；以及在
所述管道装置中提供阀装置以控制合成气到所述热处理腔室的流动。
所述合成气在所述热处理腔室中燃烧的情况下，合成气可以通过燃烧
器进入所述热处理腔室，与足够的氧气混合以燃烧所述合成气。
所述合成气在热处理腔室中加热但不燃烧的情况下，可以在所述热处
理腔室中提供化学计量比的燃料和氧气源，使得燃烧后热处理腔室内没有
过量的氧气，从而避免合成气体在其中燃烧。
所述热处理腔室可以是热氧化器，并且所述热回收装置可以方便地是
用于产生干饱和蒸汽的废热回收锅炉。所述产生的蒸汽可以驱动涡轮。
本发明还提供了用于从废物材料产生能量的方法，所述方法包括：提
供用于加热所述合成气的热处理腔室；以及提供用于将能量从所述合成气
转换到电能的能量转换器；所述方法进一步包括：在第一批处理炉中产生
合成气；在至少第二批处理炉产生合成气；以及依靠至少一个运行参数，
控制合成气从所述第一和至少第二批处理炉到所述热处理腔室的流动，从
而确保合成气到所述热处理腔室的基本上恒定的供应。
在根据本发明的一个优选方法中，所述运行参数或所述运行参数之一
是所述合成气中一氧化碳的含量。
在根据本发明的一个优选方法中，所述控制装置控制合成气从一个批
处理炉的供应，同时清空和再填充其他批处理炉中的至少一个。
所述方法可以包括控制所述批处理炉，以使得随着一个炉的所述合成
气产生速率开始向其周期结尾减少，所述热处理腔室的合成气的流动通过
从另一个炉产生的合成气补充，以便产生合成气到所述热处理腔室的基本
上恒定的流量。
所述方法优选包括控制不同炉的周期的开始时间，以使得通过来自另
一个炉的周期开始的合成气的增加来补充在一个周期结束的合成气的减
少。更优选地，所述方法包括控制不同炉的周期的开始时间，以使得随着
一个炉的周期基本结束，另一个的炉的周期基本上达到最大产量。
有利的是，提供蒸汽产生装置用于生产驱动涡轮用的蒸汽。
附图说明
通过实例的方式以及参照附图，在下文中进一步描述本发明，其中：
图1是根据本发明的系统的一种优选形式的示意图；和
图2是示出传统系统的能量产生与时间关系的图；
图3示出图1的系统的能量产生与时间的关系；和
图4是根据本发明的系统的第二实施方案的示意图。
图5是根据本发明的系统的第三实施方案的示意图。
具体实施方式
首先参照图1，其示出了用于从废物材料产生能量的系统10。所述能
量方便地用于驱动例如涡轮24发电。
所述系统10包括第一和第二批处理炉12，14。这些炉中的每一个都
是用于处理废物材料的批处理炉，所述废物材料包括有机废物和城市固体
废物(MCW)，并且用于从特别适合用于批量处理的材料中热移除涂层和/
或杂质。
所述炉通过使在高温下反应原料与受控量的氧气反应而将含碳材料，
例如生物质，转换为一氧化碳(CO)和氢气。所得合成气体混合物(合成
气)主要由CO和氢气组成。炉的这些类型是已知的，在此不再描述。
每个所述炉通过管道装置16，18以管道的形式连接到热处理腔室20，
所述热处理腔室包括燃烧器，在这一实施方案中所述燃烧器是热氧化器。
热氧化器将所述合成气燃烧以产生二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氧气
(O2)，传送氧气到热回收装置22，所述热回收装置22将产生的热转化为
蒸汽。所述热回收装置22方便地是废弃热量回收锅炉，其优选产生用于
进一步处理的干燥饱和的蒸汽。在优选的实施方案中，施加蒸汽到涡轮
24以发电。但是，应理解的是，可以将热氧化器20所产生的能量用于任
何合适的目的，包括但不限于，热水供应或建筑物供暖。
通过在管道16、18内的阀26、28控制合成气从所述炉12、14到所
述热氧化器20的流动。进而通过控制单元30控制这些阀以控制合成气从
每个所述炉12、14到所述热氧化器20的流动。所述控制单元构成包括所
述阀26、28的控制系统32的部分。
所述控制单元30监测所述系统的一个或多个参数并依靠测得参数来
控制所述阀26、28。其还优选依靠一个或多个测得参数来控制所述热氧
化器20的燃烧器。
控制系统32包括一个或多个用于监测所述系统运行参数的传感器。
通过所述控制系统监测的参数可以包括在所述炉12、14、所述管道16、
18和所述热氧化器20以及它们的出口的一个或多个中的合成气的温度、
质量和气体含量(例如CO含量)。所述控制系统32还测量在来自所述热
回收锅炉22的输出量处的能量水平。
在已知的系统中，使用单独的批处理炉，图2的曲线示出了由已知系
统产生的能量对时间的图。可以从图2中看出，在所述炉的初始燃烧阶段，
在所述炉产生足够量的合成气之前有很明显的时间滞后t1，并且因此能够
使得所需能量的产生。随着所述炉中所述废物材料的处理持续进行且大部
分所述废物材料已被处理时，生成合成气的量和由此产生的能量开始在
t2下滑。这时还有一个显著的时间滞后，而与此同时经处理的废弃物从炉
中移除，在从由新的批量产生的合成气和能量水平于t3达到合理的程度
之前，用新的废物填充所述炉并且处理过程重新开始。
根据本发明的图1的系统使用两个批处理炉12、14，其通常交替地
产生并供应合成气到热氧化器20。当一个炉接近完成它这一批废物材料
的处理且断电以移除废物和重新填充时，另一个炉用来弥补合成气和产生
能量的平衡。
我们现在参照图3。如果我们假设在初始燃烧时使用炉12，则对炉
12而言有相同的初始时间滞后t1，以产生供热氧化器20使用的合成气的
合理水平。从t1之前，合成气从炉12产生，阀28正常关闭。
在申请人的系统中，所述控制系统32可以控制来自所述炉12、14
的合成气的流动(通常交替地，具有一定的重叠)，以确保合成气合理稳定
地供应到所述热氧化器20且产生稳定的能量水平。这减少或消除了图2
的t2和t3之间的停机时间。
在申请人的系统中，在系统的初始调试，让我们假设炉12首先燃烧
以产生合成气。产生气体的量和因而产生的能量将遵循图3的曲线12。
但是，在来自炉12的合成气流动开始减少之前的时间t4，炉14燃烧，以
使得来自炉12的合成气开始下降的时间(t5)之前，炉14完全燃烧并生
产所需要水平的合成气。从而，程序化所述控制系统32以在预先选定的
时间，比如t6，打开阀28，以允许合成气从炉14供应给所述热氧化器20。
随后可以关闭阀26。随着从炉14的合成气的流动开始减少，重复这一周
期。从而保持合成气的水平和因此所产生的能量相对恒定。
控制系统32监测两个炉12、14所产生的合成气的质量并通常监测供
应到所述热氧化器20的合成气中CO的量。当来自炉12的合成气的监测
是指从炉12产生的合成气的量或品质已下降至低于预先选定的程度(t5)
时，可以关闭阀26，可以移除炉12中处理的废物且将另一批用于处理的
废物添加到炉12中。将炉12可以接着燃烧以准备供应合成气到所述热氧
化器20。再一次，在预先选定的时间之后，所述控制系统32可以打开阀
26以允许从炉12供应所述合成气到热氧化器20。一旦从炉14的合成气
的品质或量下降到低于预先选定的程度时，可以关闭阀28并从炉14移除
处理过的废物。然后炉14被补充废物，以准备好接手炉14供应合成气到
热氧化器20。
当一个或多个通过系统32监测的运行参数落到预先选定的范围或值
之外时，控制系统32还可以给操作者提供视觉和/或听觉警示。例如，当
通过所述炉12、14中的一个所产生的合成气的质量和/或品质指示炉中废
物材料的处理接近完成时，所述控制系统32能提供视觉和/或听觉警示。
如将理解的，炉12、14之间的切换使得能够提供基本上恒定的合成
气流量给所述热氧化器20并且由此能够产生基本上恒定量的能量。
燃烧器20还进一步通过管道形式的管道装置34、36连接至每个炉
12、14，以允许从燃烧器20的气体回流到炉12、14中。通过管道装置
34、36中的阀38、40控制气体到所述炉12、14的回流。依靠所述系统
的一个或多个监测的运行参数，这些阀被所述控制系统32依次控制。气
体的这种回流可以有助于在炉内加热气体和废物材料以及控制燃烧器20
内的气体的质量。
现在参考图4，其显示图1系统的改进，相同的部件具有相同的编号。
图4的系统以类似图1的方式操作。但是，图4中有两个热氧化器
20a、20b和两个(to)热回收装置22a、22b，它们回馈到常用涡轮24。
每个炉12、14都具有管道装置16a、16b、18a、18b，以管道形式连
接到每个热氧化器20a、20b，通过阀26a、26b、28a、28b控制所述管道。
每个热氧化器20a、20b具有返回管道34、36，返回管道34、36通过管
道装置35连接到两个炉12、14。通过信号阀38、40和42控制气体的回
流。将每个热氧化器20a、20b通过管道50、52、54、56的形式通过合适
的装置连接到两个热回收装置22a、22b，通过阀60到66依次控制所述
管道。通过所述控制系统32和控制单元30控制所述系统的所有所述阀，
以确保从涡轮24的能量基本上恒定的供应。
可以理解的是，可以提供热氧化器20和热回收装置22的任何合适的
组合。举例而言，可以提供一个热氧化器和两个或更多个热回收单元22，
或者一个热回收装置22和两个或更多个热氧化器20以及合适的连接管道
和阀来控制气体的流动。
此外，可以提供超过两个的炉12、14并且再次强调系统可以具有炉
12、14，热氧化器20，热回收装置22和涡轮24元件的任意组合。当然，
将可以理解的是可以提供一个以上的涡轮24。
除了炉、热氧化器、热回收装置和涡轮的组合，所述系统将包括管道
和阀的合适布置，以使所述控制系统控制所述炉、热氧化器和热回收装置
之间的气体流动。
还应当理解以上已经描述了热回收装置22是废物热回收锅炉的同
时，应当理解可以在图4的系统中使用各种不同的热回收装置，在图4
中提供了超过一种的热回收装置。
在典型的过程中，所述控制系统监测燃烧器20的各种运转参数，以
与期望数值相比较。如果比较结果表明有特定的燃烧器20的问题，例如
由燃烧器导致的O2数量下降，则所述控制系统调整燃烧器的运转参数和/
或从相关炉传到燃烧器的气体以将所述程度(level)回复至正常状态。但
是，如果所述程度没有回复到正常，则这指示相关的炉中的废物已被完全
处理并且然后用新的废物材料填充所述炉。
控制系统也监测来自所述燃料回收锅炉22或每个燃料回收锅炉22
所输出的能量程度。如果失败了，系统就调整锅炉的运行以将所述程度回
复至所需程度。
图5显示了替代性实施方案，其中热处理腔室20不燃烧合成气而是
将其加热，分解气体中任何长链碳氢化合物或挥发性有机化合物以产生干
净的合成气气源。所述合成气在合成气引擎72中燃烧之前，被传输通过
过滤器70(并任选地冷却)，所述引擎72驱动发电机74产生电力。在这
种情况下，提供具有燃烧器76的所述热处理腔室20，且在以充分供燃料
80燃烧的化学计量配比下供应氧气78和燃料80。以这种方式，合成气在
其中被加热，但在热处理腔室20内没有过量的氧气，从而允许合成气燃
烧。燃烧器76升高了合成气的温度以便分解其中任何的长链碳氢化合物
或VOC。
在进一步的实施方案中使用第三和可能的第四炉。如本领域技术人员
将可以理解的是，关于所述操作的前述讨论，与所用炉的数量无关。使用
第三炉的好处是经常有两个炉在生产合成气(或者三个炉，如果需要，也
还使用第四个炉)，从而增加总生产水平，任何合成气生产速率中小的波
动，例如归因于周期的不同上升和下降曲线，这些波动将代表总瞬时流量
的较小百分比且因此将导致更稳定的合成气生产速率。
应理解的是，上述实施方案的特征亦可以互换的，并且一个实施方案
中的任何特征可以在任何其他的实施方案中使用。