CN103111453B

CN103111453B - 一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置及方法

Info

Publication number: CN103111453B
Application number: CN201310025128.9A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 钟文琪; 金保昇
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103111453A

Abstract

本发明公开了一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，原料通过破碎系统形成异质异径多组分混合物，在可调节引流板和辅助风的作用下，斜向进入多床分离单元；从干燥风预热单元水平进入的热空气对颗粒进行干燥，并提供横向曳力，但重质粗颗粒在重力作用下进入一床分离单元，并经过倾斜流化床的二次分选从侧面排出；重质细颗粒和轻质粗颗粒在水平气流、斜向气流及自身重力的共同作用下，进入二床分离单元，并经过喷动床喷泉的分离作用，轻质粗颗粒进入三床分离单元，重质细颗粒则从侧面排料口排出；轻质细颗粒主要受水平气流的作用直接进入三床分离单元，并经过流化床的浮选作用，从侧面溢料口排出，而轻质粗颗粒则从底部排出。

Description

一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置及方法，属于生物质能利用技术和固体废弃物处置技术的前处理领域。

背景技术

直接燃烧(直燃)是目前生物质能利用和固体废弃物处置最基本的利用方式，它是将燃料直接放入炉内，在高温的环境下发生氧化还原反应，释放出的热量由布置在炉内的工质吸收，固体残渣通过炉底排渣管或除尘器收集，气体废物经过净化后由烟囱排放至大气。通过这种利用方式，可以实现对原料的无害化、减量化、资源化处理。但不管是对于生物质能利用，还是对于固体废弃物处置，这种利用方式的一个最大特点是燃料成分复杂。例如，在生物质秸秆直燃发电过程中，秸秆原料通常是从农户手中收购的，而农户往往是通过人工或者机械化装置直接从地里收割，这样，这些秸秆具有原生态特性，呈现整体性特征，秸秆本身具有完整的叶、支、秆、茎和根部位，同时，收割后的秸秆根部往往会携带有一部分泥土，秸秆支部也常会缠绕一些在农作物养护过程中带入的薄膜、塑料袋等，更为严重的是，一些无良农户为了增加秸秆的重量，会人为在秸秆物料里掺杂金属、石块、土块等增重物质，有时还会往秸秆上洒水，增加湿度。这样，实际到达生物质电厂的秸秆原料里会含有一部分金属、石块、土块、薄膜、塑料等杂质。在垃圾焚烧发电过程中，垃圾原料来源于环卫部门，目前，虽然政府部门有明文规定需对垃圾分类收集，但很多地方垃圾分类主要由市场自发运行，由群众和企业自发形成的利益链驱动实施，缺乏政府的主导推动和有效指导，对垃圾分类投入严重不足，垃圾分类设施缺乏，这样就出现了“分类收集、混合运输、处理”问题，最终到达垃圾焚烧电厂的垃圾还是原生态的垃圾，里面不仅含有废纸、塑料、玻璃、金属和布料等可回收垃圾，而且含有剩饭、骨头、菜根菜叶、果皮等含湿量高达70％的厨余垃圾，这些垃圾在形状、比重、尺寸和含湿量上都相差很大。

对于这些成分复杂的原料，电厂往往会对其进行简单的前处理，包括破碎和分离过程，以便于输送原料。破碎通常采用机械破碎，通过大功率电机带动旋转构件，利用离心力直接撞击物料，从而达到破碎物料的目的。由于破碎过程需要消耗大量电力，而且破碎的物料越小，消耗电量越大，同时，由于原始物料中不可避免含有金属、石块等质地坚硬物质，这些物质的存在会导致旋转部件磨损严重，经过一段时间的运行就需跟换这些转动部件，因此，为了降低设备跟换成本和电力消耗成本，电厂往往仅对原始物料进行简单破碎，这样破碎后的物料往往呈现异形状、多尺度特征。破碎过程只是使部分物料减少了尺寸，成分基本没变，仍然含有原始物料带入的各种杂质，在这种情况下，就需要对二次物料进行分离处理。常规的分离过程采用水力浮选的机理来分离杂质，即把物料放在水里，比重大的物料会沉到水下，而比重小的物料会漂浮在水面上，分别收集这些物料就能达到分离物料的目的。但水力浮选受制于物料密度的限制，也就是只能简单分离比重大于水的物料和比重小于水的物料，而且，分离过程由于浸泡于水，所以会大大增加物料的湿度。而一些单位为了简化过程，降低成本，采用人工分拣的办法来分离杂质，但这样会导致工作量巨大，而且人工分拣效率低下，通常只能分离一些大件杂质。

因此，为了在燃料价格高涨的当下降低电厂成本，提高燃烧炉的热效率和使用效率，迫切需要开发出一种新的能耗低、效率高的分离装置和方法，对原料进行全方位分离。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置及分离方法，实现了多组分混合物的全方位分离，并能对物料进行间接干燥，该装置操作简单，安装方便。

为实现上述发明目的，本发明多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置可采用如下技术方案：

一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，包括破碎系统、干燥风预热单元、多床分离单元、旋风分离器；

破碎系统包括原料入口、位于原料入口之后的破碎装置、位于破碎装置下方的引流板、位于引流板下方的辅助风风室，所述引流板倾斜设置，且该引流板一端连接铰链并可绕铰链旋转；

所述干燥风预热单元包括干燥风室及多床分离单元之间的干燥风室用以将干燥风引入多床分离单元中的干燥风布风板；

所述多床分离单元位于引流板下方，多床分离单元包括依次横向排列的一床分离单元、二床分离单元及三床分离单元；所述一床分离单元与二床分离单元之间以一/二床隔板分隔开，二床分离单元与三床分离单元之间以二/三床隔板分隔开，一床分离单元底部设有出料口、一床风室及覆盖于一床风室上的倾斜布风板，所述倾斜布风板向二床风室侧倾斜；所述二床分离单元的侧面设有二床排料口，二床分离单元的底部设有两侧设置的锥形板及位于两侧锥形板之间的二床喷动风入口；所述三床分离单元的侧面设有三床排料口，三床分离单元的底部设有三床风室、覆盖三床风室上的三床布风板及三床溢料口；

所述旋风分离器包括旋风分离器出料口及出气口。

与背景技术相比，本发明的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置的有益效果为：

1、本发明将机械破碎、气体干燥和气力分离三种过程有机结合，改进了传统单一的机械破碎方法，避免了传统机械分离过程中出现的物料缠绕、架桥现象，并实现了物料破碎和分离过程中的干燥功能，使该装置具有多功能性。

2、颗粒在通过多床分离单元时，不仅受到竖直向上的气流作用，而且受到水平气流和斜向气流的共同作用，这种交互式气流布置方式，减弱了颗粒间的相互作用，延长了颗粒在空间的停留时间，使颗粒尽可能根据下落轨迹实现自分离。

3、通过导流板的倾角调节，使物料能在无水平气流的情况下直接引流至二床分离单元，这样可以避免来料量大时物料直接进入一床分离单元，同时，在倾斜导流板上布置小孔并将辅助风水平引入，避免了复杂物料在下料口喉部的堆积，而且有利于物料呈抛物线轨迹下落。

4、本发明将喷动床和流化床两种床型相互耦合，一方面借助二床喷动风入口喷出的气流的分离作用分离异重颗粒，另一方面利用过三床布风板射出的流化风的气力浮选作用操作气速保持在介于两种物料临界流化速度时具有的分离功能分离异径颗粒，实现了对不同密度、不同粒径颗粒的全方位分离。

优选的，所述破碎装置为双螺旋拨轮机，该双螺旋拨轮机包括两个实心钢轮，沿圆周焊接梯形钢牙，两轮相向旋转对物料进行破碎；引流板一端与软连接相连，另一端与活动铰链相连，呈倾斜布置，可绕活动铰链旋转，保证倾斜角arctan(H1-H2)/(W1+1/4W2)<α1<arctan(H1-H2)/(W1+3/4W2)，其中，H1为干燥风布风板的高度，H2为一/二床隔板的高度，W1为一床分离单元的宽度，W2为二床分离单元的宽度，在引流板上均匀开设小孔，孔径D1＝1～2mm，开孔率η1＝7～10％，开孔方向为水平，与引流板呈α1夹角。

优选的，干燥风预热单元还包括设置在干燥风室一侧下部的干燥风入口、布置在干燥风室内的导热管、隔板，整个风室被隔板分割成三个回程；干燥风布风板仅在上部均匀开设小孔，孔径D₂＝1～2mm，开孔率η₂＝3～7％，开孔方向为水平，与干燥风布风板垂直。

优选的，一床分离单元还包括与一床风室连通的一床流化风入口、一床出料口连，倾斜布风板与水平夹角为α₂＝10～18°，均匀开设小孔，孔径D₃＝1.5～2.5mm，开孔率η₂＝3～5％，开孔方向与布风板垂直；一/二床隔板上沿与干燥风布风板布小孔区域下沿等高，一/二床隔板上沿弯曲成三角形喉口，一/二床隔板下沿与一床出料口相连；床内流化风速保持为v₁>v_1mf，其中，v_1mf为重质粗颗粒的最小流化速度。

优选的，所述二床分离单元的锥形板倾角为α₃＝10～18°，所述二/三床隔板上沿比一/二床隔板上沿低1/2W₂；二床喷动风入口喷入的喷动风速v₂保持在喷动风外围刚好接触到二/三床隔板上沿。

优选的，三床分离单元还包括与三床风室相连的三床流化风入口以及与连接于三床布风板中间并连通外界的三床出料管，所述三床出料管通过整个风室，三床布风板水平布置，并均匀开设小孔，孔径D₃＝2～2.5mm，开孔率η₂＝5～7％，开孔方向与布风板垂直；三床布风板射出的流化风速保持在v_3mf<v₃<v_4mf，其中，v_3mf为轻质细颗粒的最小流化速度，v_4mf为轻质粗颗粒的最小流化速度。

优选的，所述导热管的两端分别连接有热烟气进口及冷烟气出口，干燥过程不需要外加热源，而采用电厂锅炉排烟作为热源，通过导热管加热空气并间接加热物料，因而在节约能源的过程中实现了能量的梯级利用。

为实现上述发明目的，使用上述多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置的分离方法可采用如下技术方案：

物料通过破碎系统形成重质粗颗粒、重质细颗粒、轻质粗颗粒、轻质细颗粒和超细颗粒等多组分混合物，在可调节引流板和辅助风的作用下，斜向进入多床分离单元；然后，从干燥风预热单元水平进入的热空气对颗粒进行干燥，并提供横向曳力，重质粗颗粒在重力作用下进入一床分离单元，并经过倾斜流化床的二次分选从侧面排出；重质细颗粒和轻质粗颗粒在水平气流、斜向气流及自身重力的共同作用下，进入二床分离单元，并经过二床喷动风入口喷入的喷动风的分离作用，轻质粗颗粒进入三床分离单元，重质细颗粒则从二床排料口排出；轻质细颗粒受水平气流的作用直接进入三床分离单元，并经过三床布风板射出的流化风的气力浮选作用，从三床溢料口排出，而轻质粗颗粒则从三床分离单元底部排出；最后，超细颗粒被气流夹带进入旋风分离器，在气流的旋转分离作用下，从旋风分离器出料口排出。

附图说明

图1是本发明多床耦合配合交互式气流分离多组分混合物的装置示意图。

图2是本发明多床耦合配合交互式气流分离多组分混合物的装置左视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1中各标号为：原料入口1、双螺旋拨轮机2、辅助风入口3、辅助风风室4、软连接5、引流板6、活动铰链7、干燥风入口8、导热管9、隔板10、干燥风室11、干燥风布风板12、一床流化风入口13、一床风室14、倾斜布风板15、一/二床隔板16、一床出料口17、二床喷动风入口18、锥形板19、二/三床隔板20、二床排料口21、三床流化风入口22、三床风室23、三床布风板24、三床出料管25、三床溢料口26、旋风分离器27、旋风分离器出料口28、出气口29。

图2中各标号为：原料入口1、辅助风入口3、导热管9、一床出料口17、二床喷动风入口18、二床排料口21、三床溢料口26、热烟气进口30、冷烟气出口31。

请参阅图1及图2所示，为本实施例采用矩形床体，每个床体尺寸都为：宽度1500mm，深度1000mm。导流板倾角α1在32～45°之间调节，导流板6上均匀开孔，孔径D1＝1.5mm，开孔率η1＝8％。干燥风布风板12高2000mm，均匀开孔，孔径D2＝2mm，开孔率η1＝5％。一床分离单元采用倾斜流化床，倾斜布风板15倾角α2＝15°，均匀开设小孔，孔径D3＝2.5mm，开孔率η2＝5％，一/二床隔板高1500mm。二床分离单元采用喷动床，锥形板19倾角α2＝17°。三床分离单元采用鼓泡流化床，三床布风板24均匀开孔，孔径D3＝2.2mm，开孔率η2＝6％。实例的被分离物料为生物质棉秆，带有叶片和根须，棉秆里夹杂着金属、石块、玻璃、土块、细土以及一些塑料薄膜。

物料首先进入破碎系统。破碎系统主要由双螺旋拨轮机2组成，钢圆直径为600mm，对称螺旋相向旋转，转速可在0～20r/min之间调节。经过破碎后，物料形成多组分混合物，主要包括重质粗颗粒(金属、石块、玻璃)、重质细颗粒(沙子、泥土)、轻质粗颗粒(棉秆支部、根须和叶片)、轻质细颗粒(秸秆木屑)和超细颗粒(极细的粉尘)。破碎后的颗粒直接下落在引流板6上，并顺着导流板快速向下滑移，同时，辅助风从小孔注入，并对颗粒下移起推动作用。

20℃的干燥风从干燥风入口流入，并沿着被隔板10隔成S形的干燥风风室11流动，而150℃的热烟气从热烟气入口30进入导热管9内，直接加热导热管9，导热管9再将热量传递给干燥风，这样，干燥风被加热至100℃，热烟气被冷却到120℃，并从冷烟气出口31排出。当颗粒下落到多床分离室后，即受到从干燥风布风板流出的干燥风的水平曳力作用。此时，对于任何颗粒，都受到竖直向下的重力作用，也受到水平气流的曳力作用，同时，也受到一床分离单元流化风的斜向上的曳力作用。但对于重质粗颗粒，自身重力要远大于其他力，因此，他们顺着轨迹一下落到一床分离单元。当然，下落过程中也会夹杂着少部分其他颗粒，一同进入一床分离单元。一床流化风从一床流化风入口13进入一床风室14，通过倾斜布风板15斜向均匀进入床内，形成顺时针旋转气流，使重质粗颗粒和其他颗粒发生分离，这样，重质粗颗粒通过一床出料口17排出，而其他颗粒随气流流入二床分离单元。

重质细颗粒在水平气流的作用下，刚好沿着轨迹二进入二床分离单元。同时，一部分轻质颗粒也被夹带至二床分离单元。喷动风从二床喷动风入口18进入床内并垂直向上射入，形成喷动区，当颗粒升至一定高度时，由于气流速度突然降低，颗粒像喷泉一样因重力而回落到环隙区表面。这些回落的颗粒沿环隙区缓慢向下移动至床层下部，然后又渗入射流区被喷动气夹带向上运动，从而形成极有规律的颗粒循环。对于不同的颗粒，循环轨迹是不一样的，通常，重质颗粒在内圈循环，轻质颗粒在外圈循环。因此，在喷泉区的轻质颗粒会沿着喷泉外围下落，当喷泉区外围略高于二/三床隔板20时，这些轻质颗粒就被分离到了三床分离单元，而在内圈循环的重质颗粒通过二床排料口21排出床外。

由于受到横向气流的水平作用，大部分轻质颗粒降落到三床分离单元。流化风从三床流化风入口22进入三床风室23，并通过三床布风板24均匀射入三床分离单元内。流化风速始终保持在轻质细颗粒和轻质粗颗粒的最小流化速度之间。这样，在流化过程中，轻质粗颗粒受到的重力大于受到的流体曳力，沉积于床层底部，而轻质细颗粒受到的流体曳力大于自身的重力，漂浮到床层上部，整个床层发生了颗粒分离，轻质粗颗粒通过床底的三床出料管25排出外，而轻质细颗粒通过三床溢流管26排出床外。

一些超细的粉尘颗粒随气流进入旋风分离器27，经过旋风分离器27的分离作用，细颗粒通过旋风分离器出料口28排出，而干净的气体通过出气口29排出。这样，多组分混合物经过多床耦合配合交互式热气流作用，分离并干燥成不同的单组份颗粒。从一床出料口17收集到的颗粒主要为金属、玻璃、石块等杂质，可以回收其中的部分金属再加工。从二床排料口21收集到的颗粒为沙子、泥土等颗粒，可以作为循环流化床锅炉的新鲜床料和置换床料。从三床出料管25收集到的颗粒为棉秆支部、根须和叶片等颗粒，可以用作生物质秸秆直燃的燃料。而从三床溢料口收集到的细颗粒为秸秆木屑，可以用作生物质气化炉的原料。

Claims

1.一种多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：包括破碎系统、干燥风预热单元、多床分离单元、旋风分离器；

所述旋风分离器包括旋风分离器出料口及出气口。

2.根据权利要求1所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：所述破碎装置为双螺旋拨轮机，该双螺旋拨轮机包括两个实心钢轮，沿圆周焊接梯形钢牙，两轮相向旋转对物料进行破碎；引流板一端与软连接相连，另一端与活动铰链相连，呈倾斜布置，可绕活动铰链旋转，保证倾斜角arctan(H₁-H₂)/(W₁+1/4W₂) <α₁<arctan(H₁-H₂)/ (W₁+3/4W₂)，其中，H₁为干燥风布风板的高度，H₂为一/二床隔板的高度，W₁为一床分离单元的宽度，W₂为二床分离单元的宽度，在引流板上均匀开设小孔，孔径D₁=1~2mm，开孔率η₁＝7～10％，开孔方向为水平，与引流板呈α₁夹角。

3.根据权利要求1所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：干燥风预热单元还包括设置在干燥风室一侧下部的干燥风入口、布置在干燥风室内的导热管、隔板，整个风室被隔板分割成三个回程；干燥风布风板仅在上部均匀开设小孔，孔径D₂=1~2mm，开孔率η₂＝3～7％，开孔方向为水平，与干燥风布风板垂直。

4.根据权利要求1所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：一床分离单元还包括与一床风室连通的一床流化风入口、一床出料口，倾斜布风板与水平夹角为α₂=10~18°，均匀开设小孔，孔径D₃=1.5~2.5mm，开孔率η₂＝3～5％，开孔方向与布风板垂直；一/二床隔板上沿与干燥风布风板布小孔区域下沿等高，一/二床隔板上沿弯曲成三角形喉口，一/二床隔板下沿与一床出料口相连；床内流化风速保持为v₁>v_1mf，其中，v_1mf为重质粗颗粒的最小流化速度。

5.根据权利要求1所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：所述二床分离单元的锥形板倾角为α₃=10~18°，所述二/三床隔板上沿比一/二床隔板上沿低1/2 W₂；二床喷动风入口喷入的喷动风速v₂保持在喷动风外围刚好接触到二/三床隔板上沿。

6.根据权利要求1所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：三床分离单元还包括与三床风室相连的三床流化风入口以及与连接于三床布风板中间并连通外界的三床出料管，所述三床出料管通过整个风室，三床布风板水平布置，并均匀开设小孔，孔径D₃=2~2.5mm，开孔率η₂＝5～7％，开孔方向与布风板垂直；三床布风板射出的流化风速保持在v_3mf <v₃< v_4mf，其中，v_3mf为轻质细颗粒的最小流化速度，v_4mf为轻质粗颗粒的最小流化速度。

7.根据权利要求3所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置，其特征在于：所述导热管的两端分别连接有热烟气进口及冷烟气出口。

8.使用权利要求1-7任意一项所述的多床耦合配合交互式热气流分离多组分混合物的装置的分离方法，其特征在于：物料通过破碎系统形成重质粗颗粒、重质细颗粒、轻质粗颗粒、轻质细颗粒和超细颗粒等多组分混合物，在可调节引流板和辅助风的作用下，斜向进入多床分离单元；然后，从干燥风预热单元水平进入的热空气对颗粒进行干燥，并提供横向曳力，重质粗颗粒在重力作用下进入一床分离单元，并经过倾斜流化床的二次分选从侧面排出；重质细颗粒和轻质粗颗粒在水平气流、斜向气流及自身重力的共同作用下，进入二床分离单元，并经过二床喷动风入口喷入的喷动风的分离作用，轻质粗颗粒进入三床分离单元，重质细颗粒则从二床排料口排出；轻质细颗粒受水平气流的作用直接进入三床分离单元，并经过三床布风板射出的流化风的气力浮选作用，从三床溢料口排出，而轻质粗颗粒则从三床分离单元底部排出；最后，超细颗粒被气流夹带进入旋风分离器，在气流的旋转分离作用下，从旋风分离器出料口排出。