高温下处理固体物料的方法 本发明涉及在高温下处理固体物料例如废物和生物污泥、从上述过程中回收热量以及冷却产生的生产废气(process gas)的方法。
由于固体物料例如城市固体废物量的增加，通过燃烧来处理它们已经成为利用废物中的能量，例如用于产生蒸汽的越来越有意义的方法，在此，城市废料除了实际的市政废物外，还指工业的、生物的和其它的污泥等。废物量不断增加，并且无限制地增加填埋场地的容量在经济方面是不合理的。另外，例如大量的对环境有害的物质可从废物中释放出来。因此通过焚烧(incineration)处理废物的方法已被证明是在处理的同时又尽可能有效利用产生的废物的一种有意义的方法。由于所涉及地物料极不纯，因此废物焚烧就产生难以处理的烟气，并且烟气还可释放出一些限制和/或使得难以有效地回收焚烧过程中产生的热量的物质。
在通过焚烧处理废物过程中，可将焚烧过程中产生的能量回收到换热介质中。但是，由于存在的各种物质，例如含氯化合物引起换热表面腐蚀的危险，导致气体的冷却中问题复杂化。当换热表面与含腐蚀物质的冷却气体接触时就陷入很困难的状态，在这种情况下其耐用性可能很差。
已经建议以焚烧毁掉城市废物的过程在利用流化床技术的焚烧装置中进行。但是，流化床焚烧要求在焚烧前对废物进行预处理，这是因为使用流化床技术时，废物至少要磨得足够细。但是在多种情况下这还不够，例如废物在焚烧前还必须分类，这是因为未处理的废物的含量及大小分布都可能很不均匀。同样，在流化床焚烧过程中，由于其特征的缘故烟气最高温度达到约1000℃。当温度更高时，床的物料例如可熔化，干扰操作，因此，通常采用低于所述温度的温度。
FI专利86471建议使用流化床沸腾炉(flui dized bedboiler)处理废物，在炉中焚烧的是在单独的废物预处理过程中产生的焚烧部分(incineration fraction)。在同一预处理过程中得到的生物部分(biological fraction)因处理而生成沼气，已建议利用沼气提高流化床沸腾炉后的烟气通道的温度。根据上述专利，通过进行这种补充燃烧(afterburning)能够降低对环境有害的聚芳烃的产生。上述的补充燃烧和使蒸汽过热一样在燃烧室后的烟气通道中进行。
但是，在这种装置中，问题是烟气中氯化合物引起腐蚀危险，特别是当蒸汽的过热温度提高时更是如此。在废物焚烧过程中几乎总是产生氯化合物，实际上，氯化合物的存在阻止了将过热温度提高到某一预定的温度之上的足够高温。
废物焚烧也可以炉篦式焚烧(grate incineration)进行。由于能够在炉篦上焚烧未处理的废物，因此这是一种有利的方法。废物的预处理通常是复杂的多步骤过程，因而完全不要该过程使炉篦式焚烧较之流化床焚烧在经济方面具有明显的优点。在炉篦式焚烧中，温度甚至可提高到1200℃，这样就保证了有效焚烧。但是，在这种情况下，由于烟气也含腐蚀化合物，例如氯，故仅通过炉篦式焚烧，蒸汽的过热温度也不能提高到约400℃以上，更精确地不能提高到300-420℃，这是因为过热表面的腐蚀将过分地增加，而设备操作安全性大大降低。
事实上，对焚烧未处理废物的容量来说，虽然炉篦式焚烧装置很灵活，但是在生产过热蒸汽过程中，将过热温度提高到420℃以上时，该装置在已知的技术范围内是不可能的。
因此，本发明的目的是提供一种在高温下处理废物和其它的固体物料的简单而有效的方法，它易于使用且在该过程中产生的热量主要用于生产蒸汽。
本发明的目的还在于提供以废物的炉篦式焚烧回收热量的方法，其中与用现有技术的方法相比，得到了更高温度的过热蒸汽。
本发明的目的是提供一种在高温下通过在炉篦上焚烧废物的处理废物的方法，由此以过热蒸汽的形式回收产生的热量，且在该方法中，当用于发电时，所得到的装置的发电效率高于现有技术。
本发明的方法的基本构思是：废物可以通过炉篦式焚烧在高温下处理，由此复杂的废物预处理过程不再必要，但是基本上未处理的废物可以被焚烧并且产生的热量可以用于生产高温过热蒸汽，且高温过热蒸汽又可以进一步用于例如发电。
更具体地说，本发明方法的特征是，所述方法包括至少如下的步骤：将基本上未预处理的固体物料加入在高温下处理固体物料的焚烧室；在高于1000℃的温度及在含氧气体存在下，加热或焚烧固体物料；以使烟气与循环物料(circulating material)有效地相互混合的方式供入循环物料，与产生的烟气接触；在该过程中，继续传送烟气和循环物料的混合物，同时从中回收热量；从烟气中分离循环物料；传送烟气以进一步处理；和将从烟气中分离的循环物料传送到冷却过程，其中循环物料的热量用于提高在炉篦式焚烧装置中产生的蒸汽的温度。
按照本发明的一个优选实施方案，可在焚烧过程中进行废物处理，其中废物，例如市政废物通过炉篦式焚烧进行焚烧，从而废物可以基本上未分类和未进行任何预处理的方式被焚烧。此外，可维持保证用过的废物焚烧的焚烧温度。如果需要，可将产生的生产废气(process gas)加热到1000℃以上的温度，甚至1200℃以上的温度，例如用于破坏对环境有害的化合物，如氯代烃类。在炉篦式焚烧过程中产生的生产废气与循环物料接触，后者吸收烟气的至少一部分热量并同时升温。与生产废气接触的循环物料与生产废气有效地相互混合送入一分离器，该分离器优选为旋风分离器。至少一部分固体物料与生产废气分离，并再由上述分离的部分中将至少一部分导入冷却器中进行循环物料的冷却过程，该冷却器优选为流化床冷却器。如果需要，分离的循环物料的一部分可以直接返回工艺过程，并与炉篦式焚烧过程中所产生的气体接触。而分离的循环物料的另一部分可以从工艺过程完全排出。
循环物料的分离器优选为旋风分离器，其中产生很有效的气体涡流。由于所述气体涡流的作用，能够将加入的空气调节到很接近于化学计量值，这是因为由于旋风分离器的有效混合作用，烟气中的未燃烧物料，主要是一氧化碳有效地与未反应的氧接触，并因此可由于精确调节了燃烧空气，而减少了由空气中的氮产生的不必要的排放，同时几乎没有任何未燃烧的氧保留在烟气中。并且由于有效的混合作用导致发生了完全焚烧，故能够缩短炉篦式焚烧过程之后的炉体，这是因为炉体后的分离器保证了有效而完全的焚烧。
在循环物料的冷却器中设置换热装置，优选用于过热蒸汽。待过热的蒸汽优选通过排列成与炉篦式焚烧装置相连接的蒸汽发生装置产生。导入冷却器的换热装置的蒸汽可以是已经被预过热(presuperheated)或饱和的蒸汽。对于冷却器，如果需要也可设置中间过热蒸汽的加热面，例如，如果装置连至两级汽轮机的话。在冷却器中，循环物料冷却，同时过热在换热装置中流动的蒸汽。
按照本发明的一个优选实施方案，当循环物料的冷却器是流化床型冷却器时，能够将循环物料的流化气供入冷却器，这样排列成蒸汽过热器运行的换热装置即与循环物料处于换热接触。这样，循环物料中的热量就可以以高于420℃的高温过热蒸汽的形式回收，而在过热表面上没有明显的腐蚀危险。导入循环物料冷却器的流化气可从流化床冷却器导出，例如，再返回炉体或返回炉篦附近，用作废物焚烧过程的一次、二次或三次空气。
已冷却的循环物料或返回与炉篦式焚烧过程产生的烟气接触，或完全或部分从工艺过程中除去。在现有技术上的主要改进是，通过利用本发明的方法，可用炉篦式焚烧过程焚烧未预处理的废物，并同时产生过热蒸汽，其中过热蒸汽的过热温度可高于用现有技术的方法得到的过热温度。通过利用本发明的方法，蒸汽温度甚至可提高到420-550℃，优选500-550℃，而过热面上没有任何腐蚀的危险。利用这种装置，与现有技术相比，能显著地提高过热蒸汽的温度。
通过使用循环物料的冷却器，可以在实际的工艺过程之外，在炉篦式焚烧过程产生的腐蚀性烟气所及范围之外，冷却循环物料，因而也同时使蒸汽过热，从而外部处理装置中的条件并不取决于实际的废物处理过程的条件，因此蒸汽的过热温度可提高到420℃以上，甚至420-550℃的温度，优选500-550℃，因为在废物处理过程中释放的腐蚀物质如氯并不存在。在冷却器(优选流化床冷却器)中，可以选择非腐蚀性物质作为流化气。可能的流化气例如是惰气，如氮气，或如果需要，也可以使用氧气作为流化气。但是，空气是优选使用的流化气。将要用循环物料过热的蒸汽温度可用这种方式提高，而没有腐蚀加热面(例如由于氯)的危险。
来自循环物料分离器的气体输送至进一步处理过程，根据本发明第一个实施方案，这可包括按照现有技术在废热锅炉中冷却气体，设置在锅炉上的加热面使介质加热或汽化。根据本发明方法的第二个实施方案，进一步处理过程还可包括在流化床反应器中冷却气体。
例如，与现有技术比较，用本发明的方法可获得如下的优点：—废物的预处理阶段被简化或变得不再需要；—在蒸汽生产中得到更高的过热温度，而没有腐蚀危险；—可燃烧物料有效而完全地焚烧；—排放更清洁的气体。
按照本发明方法的一个优选实施方案，所使用的循环物料可包含一种或几种下述物质：基本上是惰性的固体物料，与硫氧化物结合的物质，催化分解氮氧化物的物质。
本发明通过实例的方式，参考附图进行更详细的描述，其中
图1图示地描述实施本发明方法的装置。
图1示出了废物焚烧装置1。未预处理的废物优选经开口3加入焚烧装置的焚烧器的炉2。废物沿炉篦4流到炉的下部，并焚烧生成烟气。空气经炉篦供入炉内。烟气在炉体5中上升，如果需要，在5中例如可以安装一辅助燃烧器，以保证对环境有害的物质完全焚烧和/或分散。另外，附加量的空气例如二次空气可以引入炉体，这样在炉体5中通过分段加入空气而发生焚烧，从而从焚烧的观点来说，氧气量可以有效地最优化。炉体优选由可以冷却的壁构成，例如所谓的膜壁(membrane wall)构成，且优选是加衬的，例如用碳化硅衬层。
炉体设置在炉篦与装置6、17之间，利用装置6、17使循环物料与炉篦式焚烧过程释放出的气体接触，因此，气体与循环物料有效地相互混合，并在气体和循环物料之间发生热交换，气体被冷却，而循环物料被加热。也可发生物料交换。按照本发明，部件17有利于维持循环物料所形成的悬浮体的装置，优选至少包括炉体区域，其中流通截面积减小。通过在结构之上设置循环物料的喷射床(spoutedbed)可提供有效的混合。
气体与循环物料的混合物在炉体中向上流动，同时它可释放热量以蒸发在炉体壁上流动的介质。但为了清楚起见，这在附图中没有示出。炉体的上部与分离器7连接，固体物料在其中与气体分离。循环物料的分离器优选为旋风分离器，在其中产生很有效的气体涡流。由于上述的气体涡流作用，供入焚烧炉篦和炉体的空气可以调节到非常接近化学计量值，这是因为由于旋风分离器的有效混合作用，气体中的未燃烧物料，主要是一氧化碳有效地与未反应氧气接触，因此由于精确地调节燃烧空气，就能够降低由空气中的氮引起的不需要的排放物，同时几乎没有未燃烧的氧保留在气体中。并且由于上述的有效混合作用发生完全焚烧，就能够缩减炉后的炉体，这是因为炉体后的分离器保证有效而完全地焚烧。
在分离器中与气体分离的循环物料，或它的至少一部分，经通道10引入冷却装置8。如果需要，分离的循环物料的一部分可以经通道9直接送回，与炉篦式焚烧过程产生的气体接触。循环物料的上述的传输路径图示为一单独的通道，但是它也可是冷却装置的一组成部分。此外，分离的循环物料的一部分可以从工艺过程中完全除去。循环物料的上述流动在附图中没有示出，但是循环物料可以从希望的地方排除，优选在冷却装置8冷却后除去。在冷却装置的冷却器中设置换热装置11，设置的所述换热装置带引入和排放蒸汽的导管14、15。优选将饱和蒸汽引入换热装置，以便使其过热，但是在某些情况下，也可能再加热已经过热的蒸汽。
导入冷却器的循环物料在其中冷却，而在换热装置中流动的蒸汽被过热到420℃以上的温度，优选500-550℃。至少一部分冷却过的循环物料用装置12和6返送到炉体，与炉焚烧过程中所产生的气体接触。一部分循环物料还可从工艺过程中排出。此外，用装置13将流化气供入冷却装置，它优选为流化床冷却器，流化气可从流化床冷却器引出，例如，沿通道16返回到炉体到达炉篦附近，用作废物焚烧操作中的一次、二次或三次空气。如果需要，上述的流化气还可引导到装置6、17的附近。
必须理解的是在这种场合中，装置6、12、9和10同样可以是组合在冷却装置或炉体中的部分，它们并不象图1为清楚起见而示出的那样一定要单独设置。此外，整个冷却装置可以组合在炉篦式焚烧炉中。
来自循环物料分离器7的气体用导管14引向进一步处理过程。
当然，在附图中示出的装置是示范性的，并且可以用适于各自情况的方式来实现。
下面用实例对本发明的方法和现有技术的装置进行比较，在下述实例中，按照本发明当含腐蚀物质的未处理的生产废气覆盖过热面时，气体释出的热量用来产生过热蒸汽。过热的蒸汽用与凝汽式发电厂(condense power plant)相同的方式，在一般的蒸汽涡轮过程中仅用于发电(例1)或用于局部加热装置用于发电和加热(例2)。例1.单纯发电。情况A说明按照现有技术的方法进行废物焚烧，其中蒸汽只可过热到约420℃的温度，与之相比，情况B是按本发明的过程，它能够将蒸汽的过热温度提高到例如520℃。
实例的工艺参数列于表1
表1
情况A 情况B蒸汽温度 ℃ 420 520蒸汽压力 巴 35 80蒸汽量 kg/秒 25 23.4进料水温 ℃ 170 170冷却水温度 ℃ 20 20功率 MW 63.7 63.7净发电 MW 19.2 21.6在这种凝汽发电厂中，用本发明的方法比用常规的方法冷却废物焚烧过程中产生的气体时由于得到了更高的过热温度，净发电量要高12％。例2.同时发电和局部加热。本实例中各情况与例1相对应。工艺参数列于表2。
表2
情况A 情况B蒸汽温度 ℃ 420 520蒸汽压力 巴 35 80蒸汽量 kg/秒 25.0 23.4进料水温 ℃ 170 170冷却水温度 ℃ 75 75功率 MW 63.7 63.7净发电 MW 14.5 17.1
在同时发电和局部加热的情况下，本发明的方法净发电量要比传统的方法高13％。
从上述的描述可看出，本发明处理废物的有利方法比现有技术的方法明显地更加有效和有利。在可选择耐受本发明方法产生的蒸汽的过热温度汽轮机情况下，换句话说，在新的废物处理装置中，或在现有汽轮机允许使用420℃以上的温度的情况下，本发明的方法提供了特别有利的解决方案。
本发明无意限制在上述的实施方案中，而是可在所附的专利权利要求书内修改和调整，唯有这些权利要求确定本发明的基本原理和范围。