CN102459516B - 裂解气化有机废物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于裂解气化有机废物的新方法。根据本发明的方法采用填充以金属环状线圈(2)形状的金属块和待裂解的有机物质(3)的竖炉(1)，所述金属块预先被升温至高温(500至1100℃)。其还采用用于加热由被齿轮电动机(19)驱动的阿基米德螺旋(18)输送的环状线圈(2)的熔炉(9)，以及用于回收矿物残渣(12)的分离器(11)，由此借助于筛网(14)和被齿轮电动机(16)驱动的阿基米德螺旋(15)实现环状线圈(2)和残渣(12)的分离。对包括来自生物质并且因此被认为是可再生能源或非来自生物质的有机物质的所有产品施加处理。

Description

裂解气化有机废物的方法
技术领域
本发明涉及裂解气化有机废物的新方法。 
背景技术
裂解气化是处理有机物质和从有机物质回收能量的方法。 
在本说明书中，“有机物质”和“有机废物”被理解为意指包含在废物以及农用和生物质产品和副产品中的物质。 
从废物和生物质中回收能量是当今最感兴趣的，原因在于其致力于有效对抗温室效应和未来化石燃料的短缺。 
根据本发明的方法利用有机物质的裂解气化。 
存在几种途径从有机物质回收能量： 
-焚化，一种众所周知和广泛使用的方法，目前由于其安装费用且特别是其高的尾气（二恶英、呋喃、重金属等）治理费用而备受指责； 
-甲烷化，不严格地说其是一种采用裂解气化的并行法，因为其仅用于湿产品。 
裂解包括在不接触有机物并因此不接触空气的条件下通过热（500至1100℃）分解有机物质。其分解产物是不凝气体（CO、H2、CO2）、不凝烃类（CH4、C2H6、C3H8、C4H10）、重烃、在油中可冷凝的焦油、水（H2O）和焦炭（碳）。这些成分的性质取决于裂解反应条件。 
如果反应在低温（400至500℃）下进行且停留时间长（几十分钟），则焦炭将是此有机物质分解的主要产物。 
如果反应在高温（700至1000℃）下进行，且升温迅速和停留时间短（几秒钟或几分钟），则大多数产物将是可燃气体。 
在两种反应中，如上所述，产生的气体由不凝气体（CO、H2、CO2）和不凝烃类（CH4、C2H6、C3H8、C4H10）组成，这些反应产生的其他化合物是重烃、在油中可冷凝的焦油和可凝蒸汽形式的水（H2O）。 
清除这些焦油以形成焦油含量小于0.1mg/m3（使得此气体可以在稀薄燃烧气体发电机（lean burn gas generator）中回收）的合成气（CO+H2）是主要问题，因为产生电力是从生物质和有机废物中回收能量的主要方法之一。与使用有机朗肯循环（ORC）通过汽轮机驱动的发电机相比，通过热机发电机回收至少增加发电一倍。 
目前可以用于能量回收的方法仅通过燃烧器生产气体，因此称为蒸汽或ORC法。 
当前用于实现裂解的主要方法为： 
-依照第一种方法，物质在密封的炉膛（熔炉）中借助于双炉膛的方式加热，来自燃烧器的燃烧气体在所述双炉膛中循环。由于其不良的热交换（仅通过壁），此方法需要大的表面和大的体积。其可用于在低温（400至500°C）下进行的慢反应。该方法的缺点是物质的温度和混合不能处于良好的控制中并且生产不能根据用户选择或需求切换至气体或油的生产。可以考虑通过燃烧器仅回收气体。大量的焦炭也是该方法的一个缺点，对于某些经裂解的物质而言，焦炭是废物； 
-依照另一种方法，使用由火焰释放的热气体直接加热待裂解的物质。采用这种方法，传热较好但在与裂解反应相同的炉膛中的燃烧需要的供氧大（过量的燃烧空气），这危害废气的质量（可能有含氯产物）且也危害能量生成。 
存在其他方法，它们使用加热管、流化床和将物质喷雾至高温反应器上，以将能量转移至待裂解的物质。这些方法或是不耐用，或是在工业生产中存在工程问题。 
此策略中要被强调的一种方法是这样一种方法，该方法使用在熔炉外加热的钢珠，然后所述钢珠通过气锁系统进入熔炉中，在此它们与待裂解的物质在 卧式或稍稍倾斜的熔炉中混合。此类方法记述在国际专利申请WO2005/018841和WO2006087310中；此方法是有效的，因为其通过控制熔炉转速来充分地控制停留时间，并且通过控制钢珠温度来控制温度。另一方面，该系统使用卧式熔炉并且钢珠-物质混合物被阿基米德螺旋或熔炉旋转装置（其仅为熔炉的约三分之一）纵向地驱动，使得其可以填充以所述混合物。由于当珠子被引入时一接触所述物质就产生裂解气，因此该方法不能充分裂解可凝气体和焦油，因为从它们产生的时间至它们被抽出的时间，这些气体都不再与热珠床和残留的物质接触。这样小的接触表面使得裂解不佳并且不完全。此方法的另一缺点是，当处于簇的形式时，珠子往往团聚在一起，尤其是在高温下，然后它们变得难以处理和运输。这尤其适用于第二个专利（WO200608710），其中在圆锥体或烟道中标记为40的珠子不循环或难以循环。 
发明内容
鉴于所有这些困难，本发明使用高温不锈钢环状线圈克服了所述问题。 
优选地，这些环状线圈由包含镍和钴的合金制成以促进裂解时的催化作用。附图说明 
将通过参照附图阅读说明书来更好地理解本发明，在附图中： 
-图1示意性地显示实施根据本发明的裂解气化方法的装置，和 
-图2显示所述装置的一个实施方案的细节。 
具体实施方式
这些环状线圈以与待裂解物质相同的方向在固定式竖炉行进。 
在本发明中选择环状线圈而非珠子是至关重要的：所述环状线圈具有热交换表面积与重量之间的最高比率，这是重要的，因为在所述环状线圈在加热炉中被加热时和在此能量被回收和转移至待裂解物质时其均提供可能最好的收率。例如，传统的耐热钢珠（即具有40mm直径的球形）重达261.4克并具有5026.55mm2的交换表面。对于基本上等于262克的重量来说，有可能使用外径 为60mm和内径为24mm的环状线圈，得到18mm的横截面。此环状线圈的交换表面将为7461.42mm2。对于相当重量的钢，环状线圈和球体之间的交换表面积比因此为约1.5。加热速率和传热因此较现有方法得到改善。 
环状线圈（2）有可能具有其他尺寸，但似乎对于15-100mm的内径和50-150mm的外径获得最佳结果。 
此外，就冷却剂（即将热量带给待裂解物质的金属块）的循环而言，使用环状线圈而非珠子具有重要的优势。如上所述，珠子往往团聚使得其难以循环，与珠子相反，环状线圈不会彼此妨碍并且它们的循环被极大地促进，进一步提高了根据本发明的方法的效率。 
本发明能处理包含有机物质的所有产品，不管它们来自生物质并且因此被认为是可再生能源或是不来自生物质。 
可以举出下列产品作为生物质产品的非限制性实例： 
-木材、木屑和锯末， 
-稻草， 
-葡萄栽培废物， 
-农用副产品和废物（液体和固体肥料、糖浆、骨粉）， 
-甘蔗渣， 
-生物燃料（细叶芒等）， 
-水净化污泥， 
-造纸废液， 
-纸张、硬纸板、纤维素， 
-家庭废物， 
-固体工业废物。 
在非来源于生物质的产品的情况下，可以举出下列的非限制性产品实例： 
-煤和木炭废物， 
-石油工业废物， 
-污染的木材废料， 
-有机化学废物， 
-废油漆， 
-塑料废物（聚乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、PVC）， 
-旧轮胎。 
此列举不是穷尽的，因为含有有机物质的任何物质可以通过根据本发明的方法进行处理，不管用于热回收、用于破坏，或用于清除污染。 
通过根据本发明的方法处理的物质可以为固体、糊状物或液体形式。固体产品必须被预先碾碎成测量为大约50mm的成分。 
通过根据本发明的方法处理的产品可以包含大量（30至100%）的有机物质，并且在此情况下，所述反应对于废物破坏是能量自给的，或能量-过剩的，产生电和蒸汽或热水形式的能量。被处理的产品也可以是含有很少有机物质的被污染的物质。在此情况下，该方法可以用来清洁被污染的土地，例如，使用另一种能量来活化裂解反应（来自掩埋场所或水处理站的生物气或来自化石能源的甲烷化气体）。 
根据本发明的方法可以实现每年50-10,000吨的有机物质的裂解和气化。对于更大的量，需要并行地运转几个机组。 
现在参照图1，图1显示了熔炉（1），其是其中发生裂解的小体积立式炉膛（1.5m3，用于处理1吨/小时，高度为约2.5m）。与现有装置相反，其中发生裂解气化的此熔炉充满了高温环状线圈（2）（根据需要500至1100℃）和待裂解的有机物质（3）的混合物；在环状线圈（2）和待裂解物质（3）之间的比例将以产生最佳裂解气化反应的方式来确定。有机物质（3）当是固体时通过气锁（4）被引入，如图1中的情况那样，或当是液体时通过气锁（5）引入。在此没有显示用于搅拌环状线圈（2）和有机物质（3）的装置，其设置在熔炉（1）内部，能够充分地混合所述环状线圈（2）和所述有机物质（3），由此提高后者的裂解。该反应非常迅速，并且当物质（3）一被引入至熔炉（1）中就产生包 含不凝以及可凝烃类和焦炭的裂解气体。通过熔炉（1）的顶部在高温下传送环状线圈（2）和有机物质（3）的混合物的意图是，由于与过热环状线圈（2）和有机物质（3）的非常大的交换表面积的密切接触，导致沿此路径发生烃类的高温裂解和残留焦炭的气化。优选地，为了进一步改善此反应，选择了包含镍和钴的合金形式的高温不锈钢环状线圈，其具有催化性改善气化的作用，由此此环状线圈组合物促进了焦油裂解。此反应还可以通过在混合路径上的一些点处添加CO2或水蒸气以便将残余的碳化颗粒气化成CO和H2来改进。 
上面提及的混合路径在熔炉（1）的底部处终止，在所述底部处气体通过设置有可调节抽吸系统（在此未显示）的出口（6）被抽出，所述可调节抽吸系统在熔炉（1）中产生轻微的负压。优选将出口（6）定位在熔炉（1）的下部，因为其能使物质3）裂解持续最大的时间量，因为它们在最大的路径上，因此改善了所述裂解的结果。然后这些气体直接加料以进行热回收（燃烧器和锅炉，在此未显示），或冷却和洗涤以在发电机（7）中实现最佳能量回收。 
提供燃烧器（8）以使再加热炉（9）内部的环状线圈（2）再加热，在说明书中将进一步对再加热炉进行解释，要理解这些燃烧气体中的一些，10%至100%（在具有低百分比的有机产物的待裂解物质被破坏的情况下）被引向再加热环状线圈（2）的熔炉（9），在此熔炉（9）的上部具有最高温度，由此使得环状线圈（2）在最高温度下被引入熔炉（1）。 
环状线圈（2）以及被裂解的固体颗粒在熔炉的下方被流动控制系统（1）回收，所述流动控制系统（1）能够调节环状线圈（2）和有机物质（3）的混合物在熔炉（1）中循环的速率。然后此混合物被引入分离器（11）中，所述分离器（11）将环状线圈（2）与被裂解的残渣，即由所述被裂解的固体颗粒形成的矿物质（12）分离；此分离器（11）包含具有底部筛网（14）的筒体（13），并且如果其接纳处于高温的产物（400-700℃），则由耐热钢制成。在此筒体（13）中，环状线圈（2）和矿物质（12）（可以包含金属）的混合物被由齿轮电动机（16）驱动的阿基米德螺旋（15）推动；当所述混合物前进时，尺寸比环状线 圈（2）小得多的矿物质颗粒（12）通过筛网（14）（优选地沿着螺旋(15)的大部分被布置）被分离出，并且在容器（17）中回收，所述容器（17）被设计成抽吸所述颗粒并且设置有气锁以防止空气在此抽吸过程中进入根据本发明的装置中。颗粒因此被抽吸以便用作能量回收或被处理，取决于被裂解气化的产物是否被归类为“废物”。 
在此分离器（11）中路径的末端处，环状线圈（2）和矿物质（12）被全部分离，并且仅环状线圈（2）被加料至再加热炉（9）。此熔炉（9）的功能是加热环状线圈（2）至对于在裂解气化炉（1）中进行裂解反应所确定的必需温度，所述裂解反应可能处于连续的循环中。其还起提升环状线圈（2）从而将它们从分离器（11）带到裂解气化炉（1）顶部处的较高水平的作用。环状线圈（2）通过阿基米德螺旋（18）移动至再加热炉（9），如在分离器（11）中那样。驱动轴的齿轮电动机（19）使螺旋（18）旋转，根据分离器（11）和熔炉（1）之间待提升的程度将所述组件斜置。环状线圈（2）通过与燃烧器（8）燃烧气体接触而直接被加热，为了不引入在燃烧气体中小量存在的氧，需要调节在此未显示的提取器和烟雾流动以便在再加热炉（9）和裂解气化炉（1）之间建立中性压力点。此再加热炉（9）必须经得起高达1100℃的温度，其由高温耐热钢制成。在这些温度下，金属的膨胀是非常明显的，并且此熔炉的设计是优选实施方案的主题，所述优选实施方案较好地反映在图2中。 
在此图2中图示的实施方案中，螺旋（18）的螺线不直接与驱动它们旋转的轴（20）连接，而是与围绕轴（20）的套筒（21）连接；根据图2中图示的实施方案，此套筒是中空的并且填充以绝热体（22），但根据另一个实施方案，所述套筒本身由绝热材料制成。不管哪个实施方案，套筒（21）的存在相当大地限制了热量向轴（20）的传输使得所述轴（20）保留其初始的机械特性。由此被保护的轴（20）可以在在此未显示的轴承的水平上被安全地冷却。 
高温（1000℃）燃烧气体一旦被检查出符合排放规定并且在传统的交换器中冷却以便回收它们所包含的能量（例如干燥待裂解的产品）后就被抽出。 
在一个在此未图示的实施方案中，还能够提供高温（1000℃）燃烧气体的回收，所述气体被加料至双炉膛中，所述双炉膛则设置有裂解气化炉（1）以便回收最大能量用于在热或电回收的情况下裂解烃类和焦油，之后这些气体如上所示一旦被检查出符合排放规定并且在传统的交换器中被冷却后就被抽出。 
被加热至所需温度的环状线圈（2）以根据在熔炉（1）中待裂解气化的物质的量和质量所必需的流速引入。待处理的有机物质以由气锁系统调节的速率被引入以便不引入氧。 
在根据本发明的装置的通用设计中，图1图示了优选实施方案，其减小了尺寸并且能够最适地实施根据本发明的方法；因此，所述装置的这三种必要部件，即裂解气化炉（1）、分离系统（11）和再加热炉（9）以直角三角形布置，其中熔炉（9）占据斜边的位置，其他两边对应于熔炉（1），优选立式熔炉，和基本上为卧式的系统（11）。在一个变体中，系统（11）可以稍稍倾斜，其中上述的三角形的直角将是稍微钝角的。 

Claims (11)

1.一种使用下述类型装置裂解气化有机废物的方法：(a)熔炉，在所述熔炉中进行与升温至500至1000℃的高温的金属块混合的所述废物的裂解，所述熔炉具有用于所述废物和所述金属块的入口以及用于裂解气体的出口，(b)分离经裂解的残渣和所述金属块的系统，和(c)用于再加热所述金属块以形成新的裂解气化循环的熔炉，其特征在于所述金属块由不锈钢制成的环状线圈(2)组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述环状线圈(2)包含镍和钴。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述环状线圈(2)的内径为15-100mm且外径为50-150mm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述环状线圈(2)的内径为15-100mm且外径为50-150mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于所述裂解气体出口(6)设置在进行所述裂解的所述熔炉(1)的下部处。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述出口(6)设置有在进行所述裂解的所述熔炉(1)内部产生轻微负压的系统。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于在进行所述裂解的所述熔炉(1)的底部处，是调节所述环状线圈(2)和裂解残渣的卸料速率的装置(10)。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于分离所述经裂解的残渣和所述环状线圈(2)的系统(11)具有阿基米德螺旋(15)，所述阿基米德螺旋将所述残渣和所述环状线圈(2)从熔炉(1)的底部带到能够再加热所述环状线圈(2)的熔炉(9)的底部，所述经裂解的残渣在经过沿着所述螺旋(15)的大部分长度布置在所述螺旋(15)的下方的筛网(14)的同时被回收至容器(17)中。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于能够再加热所述环状线圈(2)的所述熔炉(9)设置有燃烧器(8)和阿基米德螺旋(18)，使得借助于所述燃烧器(8)再加热的所述环状线圈(2)被带到进行所述裂解的所述熔炉(1)顶部处的上部水平。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于设置在能够再加热所述环状线圈(2)的所述熔炉(9)的所述螺旋(18)的螺线与驱动所述螺旋的轴(20)被套筒(21)隔开，所述套筒(21)使所述轴(20)与设置在能够再加热所述环状线圈(2)的所述熔炉(9)的所述螺旋(18)的螺线隔热。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于进行所述裂解的所述熔炉(1)、所述分离系统(11)和能够再加热所述环状线圈(2)的所述熔炉(9)分别形成直角三角形的直角边及其斜边，进行所述裂解的所述熔炉(1)是立式的。
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