CN102718383A - 使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，包括微波辅助热解反应器，反应器的固体出口连接热解炭冷却器的入口，热解炭冷却器的出口经排渣器连接储渣器；反应器的气体出口通过管线连接冷凝器的入口，冷凝器设置有气液分离器；所述冷凝器气体出口连接气体净化装置，气体净化装置的出口连接气体压缩机；所述冷凝器液体出口连接热解液体循环泵后，一路连接储油罐，另一路经冷却介质循环系统返回冷凝器。本发明能够将各种低品位含碳资源进行经济规模的收集、储存和连续化生产。本发明还公开了一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法。

Description

使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置及方法

技术领域

本发明涉及一种废弃物的资源化利用设备，具体涉及一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置。本发明还涉及一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法。

背景技术

热解技术是含碳资源热化学转化方式中的一种，同时也是各种气化和燃烧技术中的起始步骤，因而有关热解的研究在过去几十年里受到了全世界广泛的关注。热解是指在隔绝氧气或有少量氧气的条件下，通过控制加热速率、产物停留时间及裂解温度(200～800℃)，使含碳资源中的有机高聚物分子断裂为短链分子，最终生成热解炭、热解焦油(亦即初级油)和不可冷凝气体的过程。一般，低温低速热解产物以热解炭为主；高温快速热解产物以不可冷凝气体为主；中温闪速热解产物中热解焦油的含量较高，适宜热解温度控制在350～650℃。热解焦油为棕黑色黏性液体，热值达20～22MJ/kg，产率可达到50～70％。为了最大限度获得液体产品，需要控制反应条件，使热解炭和不可冷凝气体降至最低限度。近年来发展起来的快速热解技术能够将低品位的含碳物质(热值大约为12～15MJ/kg)转化成易储存、易运输、能量密度高的燃料油。该技术具有明显的优点：1、热解产物为燃气、热解焦油和热解炭(即半焦)，各产物收率可以根据不同的需要加以调控；2、可以简化污染控制，热解原料在无氧或缺氧条件下时，NOx、SOx等污染物排放少，而且热解烟气中灰量小；3、含碳物质中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在焦炭中，可以从中回收金属，进一步减少环境污染；4、可以处理不适于焚烧的物质，如有毒有害医疗垃圾等。

微波加热具有无需传热、内外同时加热、没有热传递过程的散热损失等特点，与传统加热方式相比，微波加热的选择性强、热效率更高。因此，在生活垃圾、高湿含量褐煤或藻泥的处理过程中，可以采用微波加热来代替传统加热方式使其脱水和干燥。有研究表明，微波加热可用于机械脱水后的污水污泥处理，而且效果尤为显著。傅大放等报道，将污水厂未经消化的污泥放入微波炉中加热45分钟，直接的效应是污泥的含水率降低。经过机械脱水后的污泥用微波进行干燥，含水率由75％降低至50％以下，处理成本低，而且时间短，设备简单。因此，将微波加热用于对污泥的干燥处理，在技术上是可行的。经济上与传统方法也有可比性，利用微波加热处理机械脱水后的污水污泥，不但可以实现污泥农肥化、袋装化，而且也为污水厂污泥的资源化利用探索出便捷、高效的新途径。

目前常用的处理污水中有机污染物的方法是活性炭吸附法，但吸附在活性炭表面的有机物却难以处理。而微波辐射能够有效解吸活性炭表面的有机物，使活性炭再生并有利于有机物的消解和回收再利用。有研究表明，利用微波加热解吸可以消解污水中的有机物。如G.Chih等采用低能度的微波辐射，可以对污水中及附在粒状活性炭表面的有机毒物三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳氢化合物等进行解吸和消解，其最终分解率达100％，处理后的水质能够长期保持稳定。此外，微波加热解吸还可回收有机物。如A.Hamer和P.A.Puschner研制了一种固定床式的微波加热解吸装置，用该装置能够从活性炭高分子和沸石中解吸回收乙醇和有机脂。因此，采用微波解吸处理污水中的有机物，不仅可以消解有机物，还可以获得高质量的回收产物。

微波加热是利用介质的介电损耗而发热，在极短的时间内使介质分子达到极化状态，加剧分子的运行与碰撞。由于电磁能量是以波的形式辐射到介质内部，内外同时加热，加热无滞后效应，体系受热均匀，因此利用微波加热可以合成某些分子量均匀的物质。由于加热无滞后效应，可以大大加快反应速度，缩短反应周期。据报道，李万捷等利用微波辐射制备聚丙烯酰胺(PAM)，即采用微波加热丙烯酰胺溶液，只需5分钟就可合成PAM，而且PAM对洗煤废水的处理效果与常规加热方式相比，煤粉微粒的絮凝吸附能力强，絮团沉降速度快，清水回收率高，利用微波辐射法制备PAM絮凝剂，不仅时间短、效率高、反应灵敏，而且加热均匀，分子量分布均一，对洗煤废水的处理效果好。因此，通过微波加热可以替代常规加热方式来制备污水处理所需的有机絮凝剂。

采用微波技术能够用废物制备活性炭。据报道，利用微波内部加热，在微波辐照下用氯化锌法(将废物锯末及烤胶废料分别与氯化锌溶液混合浸渍12小时)，只需8分钟就可生产出锯末活性炭及烤胶废料活性炭，其操作性能、吸附容量超过市售一级活性炭，比工业用活性炭更加优越。微波辐照下用氯化锌法生产活性炭，解决了传统氯化锌法的热能利用率低、劳动强度大的问题，具有节能快速、加热易控制、产物性能好等优点。因此，采用微波技术可以高效地用废物制取活性炭，变废为宝。

微波技术还可以使建筑垃圾回收再利用。据报道，美国的Cyclean公司采用微波技术可以100％地回收利用建筑垃圾，再生旧沥青路面料，其质量与新拌沥青路面料相同，而成本可降低1/3，同时节约了垃圾清运和处理等费用，大大减轻了城市的环境污染。利用微波技术回收建筑垃圾，不仅解决了常规处理垃圾采用的堆肥、焚烧、填埋所造成的二次污染、投资大、占地面积大等问题，还能够使废物资源化。

微波辐射还能够对某些固体废弃物进行干燥和杀菌处理。丁迎伟等利用微波辐射干燥动物粪便作为农业肥料，并可杀灭病原体，既增加了养殖业的收入，又减少了农业污染。Alschuler把下水道排出的粪便放入微波炉内，经过微波辐射干燥燃烧45分钟后，一堆糊状的污物就变成一堆干净的、粉状的灰。Ikawa等把一块受污染的棉布放入微波炉内，只需1分钟，微波杀菌率就能达到99％。因此，微波技术用于固体废弃物的干燥和杀菌处理，不仅方便、省时，而且污染小，效率高。

由于医疗垃圾具有毒性，难以用常规方法进行处理。有研究表明，微波技术既可用于现场医疗垃圾的处理，又可用于废物转移处理。Werner Curt等发现，许多医院在对有毒废物处理之前，采用微波对其进行消毒。在一定的条件下，将医疗废物浸湿粉碎之后，用微波对废物进行消毒，毒素会被彻底地消灭，废物体积也减小了60～90％。微波处理医疗垃圾时间短，见效快，比当地烧尽废物更好。这种方法虽然一次性投资大，但却能获得长期的效益。

在微波辅助热解农林废物制取燃料气和油方面，西班牙研究人员Dominguez等和葡萄牙人Valente Nabais等利用热解污泥的单模腔试验系统对咖啡果壳进行了不同温度下的热解试验，采用占试样质量分数20％的焦炭作为吸收剂，试样质量15g，氮气为保护气，并与常规电热炉进行了比较。研究结果表明：无论是微波热解还是常规热解，咖啡果壳热解产物按照质量分数计，气体最大，固体次之，油份最少。随着热解温度的升高，气体产物增加，固体产物减少，而油产率几乎不受温度的影响。在所研究的温度范围内，与常规热解相比，微波热解的气体产率高而油的产率低，表明微波加热促进了油的二次裂解，使得小分子产物增多。由于在微波加热时，甲烷的干重整反应和碳与CO₂的气化反应更易进行，使得微波热解气中H₂和合成气(CO+H₂)的含量(最高分别为40vol％，72vol％)远高于常规热解(最高分别为30vol％，53vol％)，而CO₂含量低于常规热解。合成气的含量随热解温度的升高而增加。比较热解三相产物的热值发现：微波热解焦炭热值约为24MJ/kg，与常规热解相当，并与褐煤接近；热解油的热值约为34MJ/kg，略高于常规热解，高于甲醇或乙醇，但低于汽油或柴油；热解气的热值最高时为15.5MJ/kg，远低于天然气，但与高炉气或合成煤气相当。尽管油的热值最高，但是折算成相对于原材料的产物能量储存分布为：气体＞焦炭＞油。

美国明尼苏达大学Roger Ruan等开展了微波热解生物质的研究，他们系统地研究了微波功率及添加剂对玉米秸秆热解产物及产率的影响，试样质量50g，颗粒大小200目，微波最大功率为900w。其研究结果表明：玉米秸秆热解的最终产物为热解气、生物油和固体焦炭；玉米秸杆的分解随微波功率的增大而增强，大功率更易于热解气的生成；添加1％的热解焦炭可以提高液体产物的产率，添加NaOH作为催化剂可以大幅提高热解气的产率；热解气的主要成份为H₂、CH₄、CO、CO₂和其他小分子碳氢化合物；热解油中含氧量高，碳氢化合物含量较少。文章最后指出，微波热解可以用于生产热解气、液体燃料和活性炭，具有良好的商业前景。

挪威生命科学大学(UMB)设计建造了一个微波热解试验工厂，热解松木、白杨、菜籽饼、城市固体废弃物和汽车轮胎获取技术经验。该工厂建造了一套间歇式和一套连续性系统。该连续性系统的基本运行参数为：最大微波输入功率3×1.5kw；设计温度最大550℃；处理能力最大10kg/h(很大程度上取决于进料的特性和含水量)；反应器尺寸直径25cm，长2.5m；热解时间30～90分钟，投资25万欧元。

潘子荣、马春元等分别公开了一种微波热解制备生物质油的方法，但只局限于制备液体生物油，而且系统没有优化，必须使用外部能源，无法实现能源自足。当然也就谈不上移动式生产。陈汉平等及加拿大西安大略大学等提出了移动式生物质热解液化系统，但他们都采用流化床反应器，需要载气和细小颗粒原料，增加了能耗并且稀释了气体产物，而且需要较长时间预热，开停车不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，它可以将各种低品位含碳资源在原料产地附近就地热解，实现回收利用。

为解决上述技术问题，本发明使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置的技术解决方案为：

包括料仓、微波辅助热解反应器；料仓的出口通过固体输送装置连接微波辅助热解反应器；所述微波辅助热解反应器设置有两个出口，一个为气体出口，另一个为固体出口；所述反应器固体出口连接热解炭冷却器的入口，热解炭冷却器的出口经排渣器连接储渣器；所述反应器气体出口处设置有气固分离器，气固分离器用于分离热解蒸汽与固体颗粒；所述反应器气体出口通过管线连接冷凝器的入口，冷凝器设置有气液分离器；冷凝器设置有两个出口，一个为气体出口，另一个为液体出口；所述冷凝器气体出口连接气体净化装置，气体净化装置的出口连接非凝性气体压缩机；所述冷凝器液体出口连接热解液体循环泵后，一路连接储油罐，另一路经冷却介质循环系统返回冷凝器。

所述料仓的储存能力为15～60分钟，存储体积不大于1.0m³；所述料仓是敞开式料仓或者是密闭式料仓，密闭式料仓的顶部设置进气口；所述料仓是一个或者是多个，多个料仓之间设置有固体输送装置。

所述固体输送装置是斗式提升机，或者是螺旋进料器，或者是真空吸送装置；所述固体输送装置通过变频电机控制，能够调节加料速率。

所述微波辅助热解反应器是多级多段微波辅助热解反应器，包括多个相互串联的反应器，每个反应器设置有多段微波照射区；每个反应器内设置有多个并列的螺旋管，螺旋管的作用在于物料翻转、搅拌和固体物料输送。所述反应器是卧式螺旋反应器或者是立式螺旋反应器。所述每段微波照射区的微波磁控管的发射功率是1.0KW，或者是2.0KW，或者5.0KW；所述微波磁控管的工作频率是2450MHz，或者是915MHz。

所述气固分离器是旋风分离器；或者是高温过滤器。

所述反应器的固体出口设置有高温锁气阀。

所述热解炭冷却器采用间壁式换热冷却；或者直接喷入液态水进行冷却；或者就地取材，将高温热解炭加入土壤后进行机械搅拌。

所述冷凝器是喷雾冷凝器，喷雾冷凝器内所喷入的液体是水，或者是甲醇，或者是乙醇，或者是经冷却介质循环系统返回的液体热解油；或者所述冷凝器是间接换热式冷凝器；或者所述冷凝器是平板式换热器。所述喷雾冷凝器的出口处设置有静电除雾器或捕沫器。

所述反应器气体出口与冷凝器的入口之间的管线设置有保温或缠以电加热带；所述冷凝器的入口处设置有管道清洁装置。所述管道清洁装置是脉冲式冲击机械。

所述气体净化装置是捕沫器、静电除雾器、电捕焦油器、二氧化碳洗气槽中的一种。

所述冷凝器是喷雾冷凝器，喷雾冷凝器连接热解液体循环泵后，与储油罐及冷却介质循环系统的连接结构如下：所述喷雾冷凝器通过一路管线连接储油罐，管线上设置有液位调节阀门；所述喷雾冷凝器通过另一路管线连接冷却介质循环泵，冷却介质循环泵的出口连接空冷器的入口，空冷器的出口经液体分配器返回所述喷雾冷凝器；所述喷雾冷凝器与冷却介质循环泵之间的管线上设置有过滤装置；所述液体分配器通过两路返回所述喷雾冷凝器，一股液体作为初级预冷喷嘴循环液，经预冷喷嘴喷入喷雾冷凝器的中部；另一股液体流经喷雾冷凝器的顶部喷嘴作为冷却剂循环；在冷凝器内形成的热解油，经过热解液体循环泵的加压后，一路进入储油罐；另一路经过滤装置的过滤后，通过空冷器返回所述喷雾冷凝器实现循环。所述过滤装置为相互的并联两支路，一开一备；每个支路上分别设置有过滤器。

本发明还提供一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：

第一步，将安装于拖车上的权利要求1所述的热解装置移动至含碳资源产地的附近；对原料进行预处理；将预处理之后的原料贮存于热解装置的料仓内；

所述原料是低品位含碳资源，包括生物质、废旧轮胎、废弃塑料、褐煤、油田或生活淤泥。

所述对原料进行预处理的方法是破碎机粗碎，或者是颗粒成型；如果原料的含水量大于20wt％，则进一步进行除湿；除湿的方法是晾晒、加压过滤或者烘烤；除湿的热量来源是太阳能、压缩气体或者尾气余热；如果原料是固体垃圾，包括废旧轮胎、废塑料，则进行金属或砂石的分拣。

所述预处理之后的原料满足以下要求：

a、物料颗粒均匀，最大颗粒粒度的直径小于8厘米；

b、物料的形状是球状、圆柱状，或者是块状；

c、物料的含水量不大于20wt％。

第二步，将原料输送至微波辅助热解反应器中；

第三步，使原料在微波辅助热解反应器中进行热解转化反应，生成反应产物；

第四步，使热解蒸汽冷凝，形成液态热解油和非凝性永久气体；

反应产物中的热解蒸汽经过气固分离器的净化除去固体粒子以后，进入冷凝器进行冷凝，绝大部分热解蒸汽经过循环液体的冷却作用进入液相形成液态热解油，同时释放出冷凝潜热，使循环液体温度升高；剩余的热解蒸汽则为非凝性永久气体；

所形成的液态热解油经过空冷器移出废热，经过热解液体循环泵推动液体循环；然后分流出部分液体作为产品进入储油罐，另一部分返回所述冷凝器进行液体的循环利用；

第五步，使热解炭冷却并排出；

反应产物中的固体成份汇入微波辅助热解反应器的固体出口，进入热解炭冷却器冷却，一部分热解炭经储渣器移出系统作为副产品或就地成型，制成块炭产品；另一部分热解炭作为微波吸收剂与新鲜的原料混合后再次进入微波辅助热解反应器，并如此循环不已；

第六步，对非凝性永久气体进行净化并回收利用；

挟带有少量液滴或雾沫的非凝性永久气体在气体净化装置内得到净化、干燥，经燃气发电机构输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用；燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明采用微波加热，将各种低品位含碳资源(包括生物质、废旧轮胎、废弃塑料、高湿高灰含量褐煤、油田或生活淤泥等)在原料产地附近就地热解，转化为液态原油(或称初级油)及热解炭(或称半焦)。

本发明能够将各种低品位含碳资源，特别是能量密度不高、形状和组成等理化性质差异较大的生物质资源，或者是高水份高灰份的褐煤资源以及不便于远距离运输和集中储存的油田污泥等废弃物，进行经济规模的收集、储存和连续化生产，解决了低品位含碳资源难以大规模收集、储存运输不方便、转化过程开停车时间长以及操作维护成本高的问题。

本发明采用以全体积加热为特征的微波加热方式，替代以由表及里的热传导为特征的普通加热方式，在原料产地(供应地)附近就地处理，可以灵活组织生产，能够实现资源的有效利用，同时减轻这类资源在转化利用过程中对环境的负面影响。

本发明能够提高产品品质和能量密度，并改善转化过程的经济性。

本发明的原料适应性广；加热启动快、反应迅速，设备开停车简单方便；结构紧凑、便于移动；设备结构紧凑、操作可靠、维护简单、易于模块化生产；系统维持能量自足，无需使用外在能源，对动力燃料、水源要求低并且环境污染小。

本发明的技术优势具体表现在以下几点：

1、为分布式的资源转化技术，不要求原料高度集中，能够有效减少资源的收集半径、节省运输成本、减少环境污染；并且对原料的适应性广；

2、为工艺耗能自足的转化系统，能够利用工艺过程中产生的燃气发电和供热，无需外在能源供应(如网电)，尤其适合于野外或偏远地区；

3、为采用模块化设计的资源转化装置，各单元相对独立，设备结构紧凑，占地面积小，移动方便；

4、为多功能、多用途的资源转化装置，产品可以液体热解油为主(可达60wt％)，也可以热解炭为主(可达35wt％)，或者是它们混合物热解油浆(可达70wt％)；

5、既可以单独实现资源热解，也可以单独实现气化，或者是同时实现热解和气化操作；

6、是一种界面友好、开停车方便，响应迅速的资源就地转化装置；

7、为移动式的含碳资源热解装置，无需使用载气，无需使用特别微小的颗粒原料，并且可利用热解产生的非凝性可燃气体就地发电，实现能量自足，无需使用外部能源。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置的工艺流程图；

图2是本发明车载卧式微波辅助热解装置的示意图；

图3是本发明车载立式微波辅助热解装置的示意图；

图4是本发明的喷雾冷凝器对热解蒸汽进行冷却的示意图；

图5是本发明的微波辅助热解反应器的结构示意图；

图6是图5中A-A剖视图。

图中附图标记说明：

1为料仓，                    2为固体输送装置，

3为二级微波辅助热解反应器，  4为气固分离器，

5为冷凝器，                  6为气液分离器，

7为热解液体循环泵，          8为换热器，

9为热解炭冷却器，            10为排渣器，

11为储渣器，                 12为冷却介质循环泵，

13为储油罐，                 14为空冷器，

15为气体净化装置，        16为非凝性气体压缩机，

17为燃气发电系统，

19为拖车轮胎，            20为拖车平板，

21为管线，                22为电加热带，

23为脉冲式管道清洁装置，  24为循环冷却介质，

25为冷凝器入口，          26为预冷喷嘴，

28为热解油液位，          29为液位调节阀门，

30为控制阀，              31为过滤器，

32为二级控制阀，          35为阀门，

36为液体分配器，          38为顶部喷嘴。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，包括料仓1、微波辅助热解反应器；料仓1的出口通过固体输送装置(即加料系统2)连接微波辅助热解反应器；

为保证整套设备能够连续化组织生产，料仓的储存能力为15～60分钟，存储体积不大于1.0m³；料仓可以是敞开式；也可以是密闭式，密闭式料仓的顶部设置进气口，根据条件或需要可以加入不含氧化性气氛的(隔绝空气)载气或者非凝性循环热解气；料仓1可以是一个或多个；多个料仓之间也设置有固体输送装置；

固体输送装置可以是斗式提升机，也可以是螺旋(或绞龙)输送机构(如螺旋进料器)，还可以是真空吸送装置；固体输送装置通过变频电机控制，能够调节加料速率；

微波辅助热解反应器可以是多级多段微波辅助热解反应器；微波辅助热解反应器由燃气发电系统17提供动力；

由于包括各种含碳资源在内的大多数材料对微波能的吸收能力一般随着温度的升高而增强，待处理的物料中所含主要组分(如半纤维素、纤维素及木质素)在不同的温度区间其降解或热分解的行为也不尽相同。为有效控制产物分布，提高特定产物成份的选择性和收率，本发明采用多级多段微波辅助热解反应器。

微波辅助热解反应器包括两个相互串联的反应器，形成二级微波辅助热解反应器3；反应器可以是卧式螺旋反应器或者是立式螺旋反应器(如图5、图6所示)；每个反应器可以设置2～4段微波照射区；

每段微波照射区的微波磁控管的发射功率可以是1.0KW，也可以是2.0KW，甚至是高达5.0KW；微波磁控管的工作频率可以是2450MHz，也可以是915MHz。微波磁控管工作频率的选择一般与装置的处理能力相关，如果单套系统的处理能力在300Kg/h以上，优先采用915MHz工作频率的微波磁控管。

在微波辅助热解反应器内，微波磁控管产生微波，波导管将微波传递给原料颗粒；

为保证微波磁控管的工作寿命和安全，需要在反应器微波腔的外围设置冷却系统；冷却系统的介质可以是水，也可以是循环的工艺气体；冷却系统所移出的热量可以用于预处理阶段的原料除湿。

每个反应器内设置有多个并列的螺旋管，螺旋管的作用在于物料翻转、搅拌和固体物料输送；

每个反应器设置有两个出口，一个为气体出口，另一个为固体出口；每个反应器的气体出口处设置有气固分离器4，气固分离器4用于分离热解蒸汽(包括可凝性有机挥发物蒸汽及非凝性永久气体，如CO₂、CO、CH₄、H₂等)与固体颗粒；气固分离器4可以是旋风分离器，也可以是采用带反吹的高温过滤器；

每个反应器的顶部可以引入一部分循环的非凝性气体，富含CO₂或H₂的气体可以作为微波高温气化(或深度裂解)的气化介质(气化剂或还原剂)，能够有效地提高作为燃料气使用的气体产物的热值；

每个反应器的固体出口连接热解炭冷却器9的入口，热解炭冷却器9的出口连接排渣器10的入口，排渣器10的出口连接储渣器11；反应器的固体出口设置高温锁气阀；

热解炭冷却器9用于对高温热解炭进行冷却，热解炭冷却器9可以采用间壁式换热冷却；也可以直接喷入液态水进行冷却；或者干脆就地取材，将高温热解炭加入土壤，机械搅拌、混后排出，排出后的热解炭特别适合用作土壤改良剂或生物肥使用；

反应器的气体出口通过管线连接冷凝器5的入口，冷凝器5设置有气液分离器6；冷凝器5有两个出口，一个为气体出口，另一个为液体出口；气体出口连接气体净化装置15，气体净化装置15的出口连接非凝性气体压缩机16；液体出口连接热解液体循环泵7的入口，热解液体循环泵7的出口分别连接换热器8、储油罐13；换热器8分别连接冷凝器5、冷却介质循环泵12；冷却介质循环泵12的出口连接空冷器14的入口，空冷器14的出口连接换热器8；

冷凝器5可以是喷雾冷凝器，喷雾冷凝器的内腔顶部设置有顶部喷嘴38；所喷入的液体可以是水、甲醇或乙醇，也可以是冷却后循环回来的液体热解油；喷雾冷凝器能够进行直接冷凝；喷雾冷凝器的出口处可以设置静电除雾器或捕沫器，用于回收微小液滴；

冷凝器5也可以是间接换热式冷凝器；间接换热式冷凝器可以采用多级管道(即多级管式换热器)，各级冷却温度可以相同，也可以不同(依据获得热解油的用途及品质要求确定)；

冷凝器5还可以是平板式换热器；

以上各种冷凝方法各有利弊，喷雾冷凝器由于雾滴比表面积大，换热迅速，占地面积和空间比较小，但形成的细小雾滴不易分离，液体收率会有所降低。

反应器的气体出口与冷凝器5之间的管线设置有保温或缠以电加热带(维持温度不低于300℃)，同时在冷凝器5的入口处加装管道清洁装置，管道清洁装置可以是低速脉动冲击机械，通过低速脉动冲击机械以一定频率(0.1～1.0Hz)来回疏通，用于防止从反应器引出的高温蒸汽在进入冷凝器5的管线内冷却挂壁，甚至堵塞管道。

气体净化装置15可以是常规的捕沫器、静电除雾器、电捕焦油器，或者是采用碱石灰法的二氧化碳洗气槽。

空冷器14可以是平板换热器。

气液分离器6可以是初级捕沫器。

本发明的热解装置设置于一台拖车机架上，拖车机架包括拖车轮胎19、拖车平板20、相关控制机构。

本发明使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，包括以下步骤：

第一步，将安装于拖车上的热解装置移动至靠近含碳资源产地的附近；对原料进行预处理；将预处理之后的原料贮存于热解装置的料仓1内；

原料可以是各种低品位含碳资源，包括生物质(如农作物秸秆或林业加工剩余物)、废旧轮胎、废弃塑料、高湿高灰含量褐煤、油田或生活淤泥等；

为保障原料(特别是松散的秸秆类生物质等原料)在输送及微波辅助热解反应器内翻转畅通，需要对原料进行预处理；

对原料进行预处理的方法可以是破碎机粗碎，或者是简单地进行颗粒成型；

如果原料的含水量过大(大于20wt％)，则在预处理阶段还需要进行除湿；除湿的方法可以是晾晒、加压过滤或者烘烤，除湿的热量来源可以是太阳能、压缩气体或者尾气余热；

如果原料是废旧轮胎、废塑料或其它固体垃圾，则在预处理阶段还需要进行金属或砂石等的分拣；

经过预处理之后的物料满足以下要求：

a、物料颗粒均匀、最大颗粒粒度直径小于8厘米；

b、物料的形状可以是球状、圆柱状，也可以是块状；

c、物料的含水量不大于20wt％。

第二步，将原料输送至微波辅助热解反应器中；通过固体输送装置(即加料系统2)，将贮存于料仓1内的原料输送至微波辅助热解反应器中；

第三步，使原料在微波辅助热解反应器中进行热解转化反应，生成反应产物；

在微波辅助热解反应器内，原料颗粒吸收由微波磁控管产生并经波导管传递过来的微波能后快速升温，热解，生成反应产物；

反应产物中包括三大类产物，分别是固态的热解炭(也叫热解半焦)、液态热解油和非凝性永久气体；

第四步，使热解蒸汽冷凝，形成液态热解油和非凝性永久气体；

反应产物中的热解挥发份产物(即热解蒸汽)从微波辅助热解反应器的气体出口经过气固分离器4进入冷凝器5，在冷凝器5中进行直接或间接冷却，可凝性挥发份受冷发生相变形成液体，即为产物液态热解油；而其它非凝性气体即为产物非凝性永久气体；

第五步，使热解炭冷却并排出；

反应产物中的固体产物(热解炭)依靠的重力作用，从微波辅助热解反应器的固体出口经高温锁气阀进入热解炭冷却器9，经过热解炭冷却器9的冷却后落入排渣器10，最后进入储渣器11移出系统作为副产品；或者就地成型，制成块炭产品；

需要说明的是，对于吸波不好的原料，如干燥的微藻藻粉，可以将一部分固体产物(热解炭)作为微波吸收剂返回反应器的入口与新鲜的原料混合后再次进入反应器，如此循环不已。

高温锁气阀用于防止高温热解蒸汽流入排渣系统，造成结块，堵塞管道或损坏排渣螺旋；

第六步，气体净化及回收利用；

经第四步所产生的非凝性永久气体的主要成份包括CO₂、CO、CH₄、H₂等，通常还含有少量的焦油等微小液滴；为保证后续设备的安全及尽可能回收液体产物，需要对冷凝器5后的气态物料加以净化，净化的目的在于脱除焦油和/或脱除一部分二氧化碳，提高燃气热值；

热解蒸汽在冷凝器5中进行冷却之后进入气液分离器6，其中的液态热解油进入热解液体循环泵7；非凝性永久气体经气体净化装置15进入非凝性气体压缩机16；非凝性永久气体在气体净化装置15中进行净化后，在非凝性气体压缩机16中进行压缩；

压缩后的非凝性永久气体可以进入储气罐；也可以一部分先进入微波腔外壁换热后进入二级微波辅助热解反应器3，完成气体回路的循环，实现能量自足，而大部分气体作为产物流入储气罐，经调压后进入小型或微型燃气发电机发电；在有条件的地方，可以结合微型热电联产装置(micro-CHP)，为热解系统本身提供自身动力和能量。

如图4所示，当冷凝器5为喷雾冷凝器时，其工作原理如下：

热解蒸汽以及循环冷却介质24(通常是热解油)通过冷凝器管线21(即反应器的气体出口与冷凝器5之间的管线)，经预冷喷嘴26喷入冷凝器5的中部，热解蒸汽进入冷凝器5后开始接触大量细小的低温液滴迅速蒸发和降温，同时不断与顶部喷嘴38所滴下的二次雾滴换热，冷凝形成的液体从冷凝器5的底部开始集聚，形成热解油；由于换热(接触)面积大，这种直接接触降温冷凝的方法十分有效；

冷凝器5的底部通过管线连接储油罐13，管线上设置有液位调节阀门29，通过控制液位调节阀门29的开度，能够调节冷凝器5内的热解油液位28；

冷凝器5的底部通过过滤管线连接冷却介质循环泵12；过滤管线上串联有控制阀30，并且设置有相互并联的两路(1开1备)过滤装置，过滤装置包括串联的过滤器31、二级控制阀32；过滤管线用于分离移出沉降在冷凝器5下部的少量经气流夹带进入冷凝器5的固体颗粒；

在冷凝器5内形成的热解油，经过热解液体循环泵7的加压后，一路进入储油罐13；另一路经过滤管线的过滤后，通过冷却介质循环泵12进入平板换热器14；由于经过滤管线的过滤净化后的液体介质吸热温度升高，平板换热器14能够通过强制对流空气对热解油进行冷却；

冷却后的液体经阀门35进入液体分配器36分成两路，一股液体24作为初级预冷喷嘴循环液；另一股液体37流经喷雾冷凝器5的顶部喷嘴38作为冷却剂循环；

管线21上设置有保温或缠以电加热带22；

冷凝器5的入口处25设置有脉冲式管道清洁装置23；

热解蒸汽产物中不可冷凝的非凝性气体经设置于冷凝器5顶部的初级捕沫器(即气液分离器)6除去夹带的大液滴后，进入静电除雾器(即气体净化装置)15，挟带有少量液滴或雾沫的气体产物在静电除雾器15的强大电场作用下能够得到净化、干燥；从静电除雾器15出来的非凝性气体经非凝性气体压缩机16送入储气罐，然后经燃气发电系统17输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用，燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。

实施例一：玉米秸秆微波辅助热解

将热解装置置于一台农用拖车上，进入玉米秸秆晾晒现场，将收集到的1200公斤玉米秸秆送入切片机切片，将满足一定粒度条件(颗粒特征直径20毫米以下，尽可能均匀)的颗粒由履带式传送机通过斗式提升机送入料仓，然后进入微波辅助热解反应器；在微波辅助热解反应器内，玉米秸秆颗粒吸收由微波磁控管产生并经波导管传递过来的微波能后快速升温，热解；

产生的可凝性蒸汽随其它气体及固体颗粒(热解半焦)一起经过旋风分离器汇入微波辅助热解反应器的固体出口，进入半焦灰斗(即热解炭冷却器9)冷却，一部分半焦经储渣器11移出系统作为副产品或就地成型，制成块炭产品；另一部分半焦作为微波吸收剂与新鲜的原料混合后再次进入微波辅助热解反应器，并如此循环不已；

玉米秸秆热解蒸汽经过旋风分离器的净化除去固体粒子以后，进入喷雾冷凝器5进行快速冷凝，绝大部分热解蒸汽经过大量循环的液体燃料油的冷却作用进入液相，同时释放出冷凝潜热，使循环液体温度升高；为了保护喷雾冷凝器5中的冷凝喷嘴38，需要用连续操作的过滤器(即并联有两路过滤装置的过滤管线)除去液体中少量的固体残余物；洁净的液体生物质油经过平板换热器14移出废热，经过热解液体循环泵7推动液体循环；同时分流出部分液体作为产品生物质油进入储油罐13；

挟带有少量液滴或雾沫的气体产物在静电除雾器15的强大电场作用下得到净化、干燥，经燃气发电机17输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用；燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。整个过程耗时10小时，热解后的生物油600公斤，热解半焦240公斤。

实施例二：干枯树枝树叶微波辅助热解

将热解装置置于一台小型拖车上，进入成片森林现场，将收集到的1800公斤干枯树枝树叶送入小型颗粒成型机压制成颗粒，颗粒特征满足直径6～8毫米，长度约25毫米；将满足要求的颗粒通过斗式提升机送入料仓，然后进入微波辅助热解反应器；在微波辅助热解反应器内，木质颗粒吸收由微波磁控管产生并经波导管传递过来的微波能后快速升温，热解；

产生的可凝性蒸汽随其它气体及固体颗粒(热解半焦)一起经过气固分离器4汇入微波辅助热解反应器的固体出口，进入半焦灰斗(即热解炭冷却器9)冷却，一部分半焦经储渣器11移出系统作为副产品或就地成型，制成块炭产品；另一部分半焦作为微波吸收剂与新鲜的原料混合后再次进入微波辅助热解反应器，并如此循环不已；

木质颗粒热解蒸汽进入五级管式冷凝器5进行冷凝，获得洁净的液体生物质油，并经过空气冷却器14移出废热；

挟带有少量液滴或雾沫的气体产物在除雾器15中得到净化、干燥，经燃气发电机17输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用；燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。整个过程耗时6小时，热解后的生物油1000公斤，热解生物炭340公斤。

实施例三：废旧轮胎微波辅助热解

将一定数量的废旧轮胎经过切片机、钢丝剥离机进行处理后形成废旧轮胎颗粒，废旧轮胎颗粒的特征尺寸不大于20毫米；将废旧轮胎颗粒送入移动热解装置，控制加料速率及微波辅助热解反应器的功率，收集热解半焦(炭黑)、热解油。试验所得产物收率和使用功率的关系如下表所示：

说明：保持加料速率相同。

实施例四：褐煤微波辅助热解

将热解装置置于一台拖车上，进入褐煤开采现场，将收集到的400公斤褐煤送入150℃干燥机干燥后，将满足一定粒度条件(颗粒特征直径5毫米以下，尽可能均匀)的颗粒由履带式传送机通过斗式提升机送入料仓，然后进入微波辅助热解反应器；在微波辅助热解反应器内，褐煤颗粒吸收由微波磁控管产生并经波导管传递过来的微波能后快速升温，热解；

产生的可凝性蒸汽随其它气体及固体颗粒(热解半焦)一起经过旋风分离器4汇入微波辅助热解反应器的固体出口，进入半焦灰斗(即热解炭冷却器9)冷却，一部分半焦经储渣器11移出系统作为副产品或就地成型，制成块炭产品；另一部分半焦作为微波吸收剂与新鲜的原料混合后再次进入微波辅助热解反应器，并如此循环不已；

褐煤热解蒸汽经过旋风分离器的净化除去固体粒子以后，进入喷雾冷凝器5进行快速冷凝，绝大部分热解蒸汽经过大量循环的液体燃料油的冷却作用进入液相，同时释放出冷凝潜热，使循环液体温度升高；为了保护喷雾冷凝器5中的冷凝喷嘴38，需要用连续操作的过滤器(即并联有两路过滤装置的过滤管线)除去液体中少量的固体残余物；洁净的液体热解油经过平板换热器14移出废热，经过热解液体循环泵7推动液体循环；同时分流出部分液体作为产品油进入储油罐13；

挟带有少量液滴或雾沫的气体产物在静电除雾器15的强大电场作用下得到净化、干燥，经燃气发电机17输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用；燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。整个过程耗时2小时，热解后得到的冷凝水(含部分可溶有机物)180公斤，初级油(焦油)30公斤，热解半焦110公斤。

Claims (20)

1.一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：包括料仓、微波辅助热解反应器；料仓的出口通过固体输送装置连接微波辅助热解反应器；所述微波辅助热解反应器设置有两个出口，一个为气体出口，另一个为固体出口；

所述反应器固体出口连接热解炭冷却器的入口，热解炭冷却器的出口经排渣器连接储渣器；

所述反应器气体出口处设置有气固分离器，气固分离器用于分离热解蒸汽与固体颗粒；所述反应器气体出口通过管线连接冷凝器的入口，冷凝器设置有气液分离器；冷凝器设置有两个出口，一个为气体出口，另一个为液体出口；

所述冷凝器气体出口连接气体净化装置，气体净化装置的出口连接非凝性气体压缩机；

所述冷凝器液体出口连接热解液体循环泵后，一路连接储油罐，另一路经冷却介质循环系统返回冷凝器。

2.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述料仓的储存能力为15～60分钟，存储体积不大于1.0m³；所述料仓是敞开式料仓或者是密闭式料仓，密闭式料仓的顶部设置进气口；所述料仓是一个或者是多个，多个料仓之间设置有固体输送装置。

3.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述固体输送装置是斗式提升机，或者是螺旋进料器，或者是真空吸送装置；所述固体输送装置通过变频电机控制，能够调节加料速率。

4.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述微波辅助热解反应器是多级多段微波辅助热解反应器，包括多个相互串联的反应器，每个反应器设置有多段微波照射区；每个反应器内设置有多个并列的螺旋管，螺旋管的作用在于物料翻转、搅拌和固体物料输送。

5.根据权利要求4所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述反应器是卧式螺旋反应器或者是立式螺旋反应器。

6.根据权利要求4所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述每段微波照射区的微波磁控管的发射功率是1.0KW，或者是2.0KW，或者5.0KW；所述微波磁控管的工作频率是2450MHz，或者是915MHz。

7.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述气固分离器是旋风分离器；或者是高温过滤器。

8.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述反应器的固体出口设置有高温锁气阀。

9.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述热解炭冷却器采用间壁式换热冷却；或者直接喷入液态水进行冷却；或者就地取材，将高温热解炭加入土壤后进行机械搅拌。

10.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述冷凝器是喷雾冷凝器，喷雾冷凝器内所喷入的液体是水，或者是甲醇，或者是乙醇，或者是经冷却介质循环系统返回的液体热解油；

或者所述冷凝器是间接换热式冷凝器；

或者所述冷凝器是平板式换热器。

11.根据权利要求10所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述喷雾冷凝器的出口处设置有静电除雾器或捕沫器。

12.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述反应器气体出口与冷凝器的入口之间的管线设置有保温或缠以电加热带；所述冷凝器的入口处设置有管道清洁装置。

13.根据权利要求12所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述管道清洁装置是脉冲式冲击机械。

14.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述气体净化装置是捕沫器、静电除雾器、电捕焦油器、二氧化碳洗气槽中的一种。

15.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述冷凝器是喷雾冷凝器，喷雾冷凝器连接热解液体循环泵后，与储油罐及冷却介质循环系统的连接结构如下：

所述喷雾冷凝器通过一路管线连接储油罐，管线上设置有液位调节阀门；所述喷雾冷凝器通过另一路管线连接冷却介质循环泵，冷却介质循环泵的出口连接空冷器的入口，空冷器的出口经液体分配器返回所述喷雾冷凝器；

所述喷雾冷凝器与冷却介质循环泵之间的管线上设置有过滤装置；

所述液体分配器通过两路返回所述喷雾冷凝器，一股液体作为初级预冷喷嘴循环液，经预冷喷嘴喷入喷雾冷凝器的中部；另一股液体流经喷雾冷凝器的顶部喷嘴作为冷却剂循环；

在冷凝器内形成的热解油，经过热解液体循环泵的加压后，一路进入储油罐；另一路经过滤装置的过滤后，通过空冷器返回所述喷雾冷凝器实现循环。

16.根据权利要求15所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的热解装置，其特征在于：所述过滤装置为相互的并联两支路，一开一备；每个支路上分别设置有过滤器。

17.一种使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，将安装于拖车上的权利要求1所述的热解装置移动至含碳资源产地的附近；对原料进行预处理；将预处理之后的原料贮存于热解装置的料仓内；

第二步，将原料输送至微波辅助热解反应器中；

第三步，使原料在微波辅助热解反应器中进行热解转化反应，生成反应产物；

第四步，使热解蒸汽冷凝，形成液态热解油和非凝性永久气体；

反应产物中的热解蒸汽经过气固分离器的净化除去固体粒子以后，进入冷凝器进行冷凝，绝大部分热解蒸汽经过循环液体的冷却作用进入液相形成液态热解油，同时释放出冷凝潜热，使循环液体温度升高；剩余的热解蒸汽则为非凝性永久气体；

所形成的液态热解油经过空冷器移出废热，经过热解液体循环泵推动液体循环；然后分流出部分液体作为产品进入储油罐，另一部分返回所述冷凝器进行液体的循环利用；

第五步，使热解炭冷却并排出；

反应产物中的固体成份汇入微波辅助热解反应器的固体出口，进入热解炭冷却器冷却，一部分热解炭经储渣器移出系统作为副产品或就地成型，制成块炭产品；另一部分热解炭作为微波吸收剂与新鲜的原料混合后再次进入微波辅助热解反应器，并如此循环不已；

第六步，对非凝性永久气体进行净化并回收利用；

挟带有少量液滴或雾沫的非凝性永久气体在气体净化装置内得到净化、干燥，经燃气发电机构输出电力，变送稳压后供自身耗电系统使用；燃烧发电后的尾气送入火炬烟囱中排放。

18.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，其特征在于：所述第一步中的原料是低品位含碳资源，包括生物质、废旧轮胎、废弃塑料、褐煤、油田或生活淤泥。

19.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，其特征在于：所述第一步中对原料进行预处理的方法是破碎机粗碎，或者是颗粒成型；

如果原料的含水量大于20wt％，则进一步进行除湿；除湿的方法是晾晒、加压过滤或者烘烤；除湿的热量来源是太阳能、压缩气体或者尾气余热；

如果原料是固体垃圾，包括废旧轮胎、废塑料，则进行金属或砂石的分拣。

20.根据权利要求1所述的使用微波辅助热解就地转化含碳资源的方法，其特征在于：所述第一步中预处理之后的原料满足以下要求：

a、物料颗粒均匀，最大颗粒粒度的直径小于8厘米；

b、物料的形状是球状、圆柱状，或者是块状；

c、物料的含水量不大于20wt％。

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