CN103205279A - 一种废轮胎固定床气化炉及气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于废轮胎固定床气化炉及气化方法，本发明的固定床气化炉主要由进料系统、出料系统、电弧式焦油分解器和炉体组成；气化方法主要流程为：轮胎料块在固定床气化炉内与气化剂反应产生的可燃气，经过气化炉内顶部的电弧式焦油分解器初步净化除去大部分焦油之后，被引出气化炉外，然后经过除尘、冷凝、喷淋、脱硫、干燥和稳压等后续净化与处理工序后成为中等热值可燃气，后续净化工序中分离出的焦油被重新引入气化炉内进行二次分解。本发明气化方法无需外加热源，整个系统为微负压运行，过程中无有害气体泄漏，并通过固定床气化炉独特的进料和出料结构设计使整套工艺设备实现连续化运行，是一种高效的废轮胎资源化利用方法。

Description

一种废轮胎固定床气化炉及气化方法

技术领域

本发明属废弃高分子有机物气化领域，涉及一种用于废轮胎连续处理的环保型固定床气炉及气化方法，可实现废轮胎的高效资源化利用。

背景技术

随着我国国民经济和汽车工业的发展，大型载重车及私家小轿车的数量逐年快速增长。与此同时，我国废轮胎年产生量已超过一千万吨，而国内现有的废轮胎回收及综合利用能力远不能适应当前严峻的废轮胎增长趋势和资源环境要求。废轮胎的处理方式主要包括以下四种：填埋、原形改制（如翻新、做防护垫）、再生利用（如制造胶粉、胶块或室内地板）和热转化（如焚烧、高温分解）。但是目前国内废轮胎的翻新利用率和再生利用率都很低，简单的填埋、焚烧又极易造成土壤、地下水和空气的二次污染。因此废轮胎的高温分解利用方式备受关注，其高温分解后的产物一般包括炭黑、钢丝、矿物油及可燃气。可燃气主要成分为CO、H₂、CO₂、N₂以及小分子的烷类和烯烃类，可用作工业窑炉用气，或者进一步催化重整进行费托合成，是一种常用的化工类气体产品。

现有的废轮胎高温分解技术大部分以生产燃油或矿物油为主要目的（如申请号200680015682.7、02158705.1、200620134911.4、201020111260.3等专利），有些高温分解废轮胎技术，几乎全部利用电能进行热解，需要消耗大量外部电能（如申请号200710065762.X、200710004524.8的专利），或者将炭黑燃烧掉（如申请号200680054973.7的专利），用于维持其系统的能量平衡。有些废轮胎热转化利用方式需要周期性启动、停炉（如申请号200610053685.1的专利，由于其炉体结构设计，进料、排料时需要停炉并且等待炉体温度逐渐冷却下来，然后打开炉顶的椭圆盖板和炉底的平底板进行进料、排料），只能间歇式运行，系统生产效率有待进一步提高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种可以连续运行、无需外部热源的废轮胎固定床气化装置及工艺，利用固定床气化炉装置内部的连续进料和排料结构设计实现废轮胎气化过程的连续运行，用于废轮胎的综合利用，同时生产清洁、稳定的中等热值可燃气和副产品炭黑。

本发明将废轮胎气化过程和燃气中大分子焦油分解净化过程集成在了同一套气化炉内，既节约了工程造价和工艺成本，在可燃气高温状态时对其进行净化，又提高了可燃气净化效率。

本发明气化过程的全部能量由气化剂空气和废轮胎的不完全燃烧反应来提供，电能主要用于可燃气中焦油的分解，因此电耗较低。

技术方案

本发明所述的固定床气化炉的典型特征如下：

1. 固定床气化炉用于废轮胎的连续气化反应，处理废轮胎，生产中热值可燃气和炭黑。

2. 气化炉主要由进料系统、出料系统、电弧式焦油分解器和炉体组成。电弧式焦油分解器位于气化炉顶部；进料系统位于气化炉的中上部，并且布置在电弧式焦油分解器的下面；出料系统位于气化炉的底部。气化炉外壳为圆柱形结构，材质可以选用Q235碳钢板进行焊接，内附高铝耐火砖内衬，用于炉体保温，减少气化炉散热损失。气化炉外壳和耐火砖之间采用硅酸铝耐火纤维毡进行填充。

3. 气化炉顶部设置有电弧式焦油分解器，可以在气化炉内将大部分可燃气中的大分子链结构焦油蒸汽进一步分解成小分子链的烷类和烯烃类不凝可燃成分，达到除焦油净化燃气的目的。

废轮胎的气化过程和燃气中焦油分解净化过程被集成在一套气化炉内完成，简化了燃气后续处理流程，节约了设备投资。此外，气化炉顶部可燃气温度约为350℃~450℃，在高温状态下进行电弧式分解，进一步提高了燃气净化效率。

4. 电弧式焦油分解器主要由一个电极阴极、一个阴极保护套管、四个电极阳极、四个冷却通道外壳组成。每个冷却通道外壳上均设置有一个冷却介质入口和冷却介质出口。冷却介质（空气）由冷气介质入口流入阳极冷却通道，对阳极进行冷却。电极阴极和电极阳极间的电弧放电采用线性高压直流电源供电，供电电压800V~1200V，供电电流5A~8A。

5. 电弧式焦油分解器采用成品燃气回流冷却技术，将一小部分本发明工艺生产的可燃气E返回通入阴极保护套管中，用于冷却电极阴极），并和气化炉内产生的热燃气混合后，经由流动通道，从燃气出口被高温引风机引出气化炉。

6. 电极阴极布置在气化炉的中心轴线位置，四个电极阳极围绕电极阴极中下端均匀分布在气化炉周向上，并呈上窄下宽布置，与水平线夹角保持50°~75°，用于增加气流速度，增强电极之间的气流扰动，强化电弧对焦油的分解效果。四个电极阳极板的总面积占其所在炉体内壁圆周侧面积（同等高度下）的20%~35%。试验证明四个均匀分布的电极阳极板对焦油分解效果已经满足气化炉系统配套装置的运行要求，过多会增加设备制造成本。

电极阴极材料为钨铜合金，电极阳极材料为黄铜。电极阴极的上半部分包绕着阴极保护套管，套管材料为绝缘陶瓷，保护套管内部为空心结构，与阴极共同形成了阴极冷却通道。在每个电极阳极外层都设有冷却通道外壳，材料为绝缘陶瓷，它们和四个电极阳极共同形成了四个阳极冷却通道。电极阳极和冷却通道外壳间采用耐高温密封胶进行密和。

7. 进料系统设置在气化炉的中上部，位于电弧式焦油分解器以下，主要由梁式进料管、进料活塞、一个横向布置的上电动插板阀、立式布置的外电动插板阀和内电动插板阀组成。进料之前，进料活塞首先运动至左端初始位置，然后外电动插板阀和内电动插板阀关闭，上电动插板阀开启，这样两个立式电动插板阀、和梁式进料管形成了一个敞口式料仓，来自上料皮带机的废轮胎碎块在此堆积。待废轮胎碎块料位堆积至料仓高度的2/3后，上电动插板阀关闭，外电动插板阀和内电动插板阀开启，来自上料皮带机的料块暂时堆积在上电动插板阀之上。此时进料活塞启动，将敞口式料仓内堆积的物料全部推入气化炉内。之后，进料活塞返程至左端初始位置，准备下次进料，外电动插板阀和内电动插板阀关闭，防止空气由此漏入气化炉内。由于气化炉内是微负压运行，因此进料过程没有有毒气体外泄。上电动插板阀、外电动插板阀和内电动插板阀之间启闭过程的配合以及进料活塞的往复运动，满足了整个工艺连续进料的要求。

8. 出料系统位于气化炉底部，主要由密封罩、链条炉排、上电动密封阀和下电动密封阀组成。密封罩设置有竖直落料段，并和上电动密封阀组成了一个出料储仓。位于气化炉底部的链条炉排将完成气化反应后的高温炉渣运输至出料储仓，炉渣在上电动密封阀上堆积。出料时，首先开启上电动密封阀，关闭下电动密封阀，出料储仓中堆积的炉渣全部落在了下电动密封阀上，待炉渣料位堆积至出料储仓高度的2/3后，关闭上电动密封阀，开启下电动密封阀，炉渣依靠重力被运出气化炉外，进入冷渣机。依靠竖直落料段内上电动密封阀和下电动密封阀的启闭配合，可以实现炉渣被连续送出气化炉，并有效防止空气漏入与高温炉渣反应。

应用本发明所述的固定床气化炉进行废轮胎气化的工艺路线和操作方法的典型特征如下：

1. 废轮胎A经过切圈、切条和切块三道切割工序后，以尺寸约5cm×5cm的碎块形式被上料皮带机运输至气化炉上部，由进料活塞送入气化炉内。气化炉内的气化温度在350℃~1000℃，压力为-50Pa~-200Pa的微负压，沿气化炉高度逐渐降低的方向，根据气体温度范围不同可以划分为干燥区（350℃~450℃，位于炉内料层上部）、热解区和还原区（450℃~650℃，位于炉内料层中上部）、氧化区（650℃~1000℃，位于炉内料层中下部）以及灰渣区（50℃~650℃，位于炉内料层底部）；轮胎碎块在气化炉内由高到低依次经过各个区域，与来自气化炉底外部送风机鼓入的气化剂（空气）逆向接触发生气化反应，生成可燃气及一部分焦油蒸汽，气体温度沿气化炉高度增加的方向先迅速增加然后又逐渐降低。气化剂的流量由进气调节阀控制。

按照气体在气化炉的流程，主要发生如下过程及反应：

（a）灰渣区：刚进入炉内的气化剂（空气）与高温炉渣逆向接触换热，空气被迅速加热，为下一步燃烧氧化反应做准备，同时炉渣被空气初步冷却，改善链条炉排的工作状况，并降低排渣的显热损失。

（b）氧化区：预热后的空气与轮胎中的高分子有机成分发生氧化反应，生成高温烟气，主要反应包括：

（c）热解区和还原区：轮胎料块在高温烟气的加热作用下，主要挥发分析出，同时氧化区产生的CO、CO₂、H₂O等气体成分在高温状态下与轮胎及炭黑发生还原反应，由于大部分反应是吸热反应，气体平均温度要低于氧化区温度。主要反应包括：

（d）干燥区：刚进入气化炉内的轮胎料块与来自热解区和还原区的高温可燃气发生逆流式接触换热，对轮胎料块进行干燥和预热，同时伴有少量的挥发分气体析出，同时高温可燃气体温度进一步降低至350℃~450℃。

2. 高温可燃气在气化炉顶部燃气出口被高温引风机引出气化炉外，经过旋风分离器除尘、填料塔后进入冷凝器降温至40℃~80℃，同时将一小部分未完全分解的焦油蒸汽冷凝收集，与可燃气分离。然后可燃气进入喷淋塔，进一步清洗除去其中携带的少量焦油液滴，随后进入含有氧化铁和熟石灰成分的干式脱硫塔，脱除气体中的H₂S和SO₂，最后经过干燥塔干燥后，一部分气体进入气柜稳压后送至最终燃气用户，成为清洁的成品可燃气D，另一部分E送回至气化炉顶的阴极保护套管，用于冷却电弧式焦油分解器。可燃气D主要成分为CO、H₂、CO₂、N₂以及小分子烷类和烯烃类（其中CH₄、C₂H₂、C₂H₄等总体积比约为21%~26%，CO和H₂总体积比约为14%~22%），热值约为10~14MJ/Nm³。

3. 气化反应完毕的高温炉渣排出气化炉之后，进入冷渣机进行间接式冷却，然后进入对辊破碎机，将包覆在炭黑中的钢丝剥离出来，最后炉渣进入磁选机，利用电磁场将炭黑和钢丝进行分离。

4. 从冷凝器和喷淋塔捕获的焦油及水的混合物送入油水分离器，将焦油和水进行分离，分离后的焦油被回油泵送至回油管，进入气化炉内，再次分解为小分子链不凝可燃气成分。分离后的水送至冷却塔进行降温，冷却塔同时为冷凝器和冷渣机提供间接换热用的循环冷却水。

与回转式废轮胎热解工艺相比，本发明工艺的优势在于无转动设备，从根本上解决了回转炉工艺动静结合处易漏气、热解矿物油炭黑含量高的缺陷，而且与现有常规的轮胎固定床裂解炉相比，本发明装置由于在设计上采用了内外电动插板阀和敞口式料仓相配合、上下电动密封阀和出料储仓相配合的中间过渡式结构，解决了进料和出料时大量空气无组织的漏入气化炉内的关键问题，实现了在气化炉高温生产状态下进料系统和出料系统的连续运行，避免了设备周期性加热冷却过程（常规的轮胎固定床裂解炉只采用单一的盖板或者阀门来封闭炉体，无法解决加料和出料时的气体泄漏问题，因此需要等待设备停炉冷却之后，再进行出料和加料），生产效率和系统热效率大大提高。此外，本发明的工艺无需外加热源，气化炉将废轮胎气化过程和焦油分解净化过程集成在一套装置内，是一种高效环保的废轮胎热处理工艺。

本发明工艺可用于处理载重车胎、轿车胎、摩托车胎、自行车胎等类型的废旧轮胎。

附图说明

附图1为本发明工艺流程示意图；

1.切圈机，2.切条机，3.切块机，4.上料皮带机，5.固定床气化炉，6.回油截止阀，

7.高温引风机，8.旋风分离器，9.回油泵，10.填料塔，11.冷凝器，12.喷淋塔，

13.干式脱硫塔，14.干燥塔，15.送风机，16.进气调节阀，17.冷渣机，

18.对辊破碎机，19.磁选机，20.循环水加压泵，21.冷却塔，22.回水泵，

23.油水分离器，24.气柜。

附图2为本发明工艺固定床气化炉装置示意图；

101.梁式进料管，102.上电动插板阀，103.阳极冷却通道，104.电极阳极，105.耐火水泥，106.电极阴极，107.阴极保护套管，108.燃气出口，109.回油管，110.进料活塞，111.外电动插板阀，112.内电动插板阀，113.气化炉外壳，114.耐火砖，115.气化剂入口管，116.密封罩，117.链条炉排，118.出料储仓，119.上电动密封阀，120.下电动密封阀

附图3为附图2气化炉顶部焦油分解器的局部放大示意图；

103.阳极冷却通道，104.电极阳极，105.耐火水泥，106.电极阴极，107.阴极保护套管，113.气化炉外壳，114.耐火砖，121.冷却介质出口，122.阴极冷却通道，123.冷却通道外壳，124.冷却介质入口，125.流动通道

附图4为附图2的A-A向剖面图；

103.阳极冷却通道，104.电极阳极，105.耐火水泥，106.电极阴极，107.阴极保护套管，113.气化炉外壳， 122.阴极冷却通道，123.冷却通道外壳，125.流动通道。

具体实施方式

实施例1

以废轮胎处理能力为140kg/小时的工艺系统为例，气化炉5内径为0.5m，高度为3.8m（从炉顶至下电动密封阀120的高度）。

载重汽车废轮胎A经过切圈机1将轮胎切割成胎冠和侧胎圈，然后将胎冠及侧胎圈送至切条机2，二者被切割成宽约5cm的狭长轮胎条，轮胎条经切块机3后，被进一步切割成尺寸约5cm×5cm的轮胎碎块。然后轮胎碎块被上料皮带机4运输至气化炉5上部的进料系统。此时进料活塞110位于外电动插板阀111左端的初始位置，外电动插板阀111和内电动插板阀112为关闭状态，上电动插板阀102为开启状态，这样外电动插板阀111、内电动插板阀112和梁式进料管101形成了一个敞口式料仓，来自上料皮带机4的废轮胎碎块在此堆积。

待料仓内碎块的料位堆积至料仓高度的2/3时，关闭上电动插板阀102，开启外电动插板阀111和内电动插板阀112，此时来自上料皮带机4的碎块暂时堆积在上电动插板阀102之上。启动进料活塞110，将料仓内堆积的轮胎碎块全部推入气化炉内。之后，进料活塞110返程至外电动插板阀111左端的初始位置，准备下次进料，关闭外电动插板阀111和内电动插板阀112，防止空气由此漏入气化炉5内。开启上电动插板阀102，使堆积在它上面的轮胎碎块落在料仓内。如此反复，完成气化炉5的连续循环进料。

气化炉燃气出口108处安装有高温引风机7，使气化炉5上部气体的压力维持-50Pa的微负压，保证没有气体外泄。从梁式进料管101落入气化炉5内的轮胎碎块，与来自气化炉底外部送风机15鼓入的气化剂（空气）逆向接触发生气化反应，气化剂流量由进气调节阀16控制为400Nm³/h，在气化炉5底部的截面流速约为0.6m/s。沿气化炉高度降低的方向，气化炉5内的温度逐渐增加，按照温度区间可以分为干燥区、热解区和还原区、氧化区以及灰渣区。在气化炉5最底层的灰渣区气化剂与反应完毕的高温炉渣逆流接触换热，空气被预热至平均温度约300℃。氧化区为空气和炭黑、部分未反应的轮胎发生燃烧反应，产生CO、CO₂、H₂O、H₂S等并释放大量热能，提供整个气化过程所需的能量，氧化区平均温度约为980℃。氧化区产生的高温烟气在气化炉顶部负压的抽吸作用下，向上流动，同时和轮胎碎块发生还原反应，消耗一部分氧化区产生的CO₂、H₂O等，并产生H₂、CH₄等，轮胎碎块自身在高温烟气的加热下也发生自身热解反应，挥发分气体大量析出，产生大量可燃气以及焦油蒸汽。热解区和还原区的平均温度约为550℃。最上层的轮胎碎块处在干燥区，平均温度约为420℃，是刚落入气化炉5的物料接受预热的过程，并产生少量的挥发性可燃气体。

可燃气体离开干燥区后，进入位于气化炉5顶内部的电弧式焦油分解器，将大部分可燃气中的大分子链结构焦油蒸汽进一步分解成小分子链的烷类和烯烃类不凝可燃成分，达到除焦油净化燃气的目的。电弧式焦油分解器主要由一个电极阴极106、一个阴极保护套管107、四个电极阳极104、四个冷却通道外壳123组成。每个冷却通道外壳123上均设置有一个冷却介质入口124和冷却介质出口121。冷却介质采用空气，用鼓风机供应，由冷气介质入口124流入阳极冷却通道103，对阳极进行冷却，冷气通道103内的空气流速为8m/s。

电极阴极106布置在气化炉5顶的中心轴线位置，四个电极阳极104围绕电极阴极106中下端均匀分布在气化炉5周向上，并呈上窄下宽布置，与水平面夹角保持75°，用于增加气流速度，增强电极之间的气流扰动，强化电弧对焦油的分解效果。电极阴极106和电极阳极104间的电弧放电采用线性高压直流电源供电，供电电压1200V，供电电流5A。

电极阳极104材料为黄铜，横截面尺寸为8cm×30cm，四个电极阳极板的总面积占其所在炉体内壁圆周侧面积（同等高度下）的20%。在每个电极阳极104外层都设有冷却通道外壳123，它们和四个电极阳极104共同形成了四个阳极冷却通道103。冷却通道外壳123材料为绝缘陶瓷，它与电极阳极104间采用耐高温密封胶进行密和。

电极阴极106材料为钨铜合金，长度40cm，它上半部分包绕着阴极保护套管107，套管材料为绝缘陶瓷，保护套管107内部为空心结构，与阴极共同形成了阴极冷却通道122。将一小部分常温洁净可燃气通入阴极保护套管107，用于冷却电极阴极106，并和气化炉5内产生的热燃气混合。阴极保护套管107内通入常温可燃气的流速为10m/s。与热燃气混合后，经由流动通道125，从燃气出口108被高温引风机7引出气化炉5，出口处可燃气平均温度为380℃。

离开气化炉5后的高温燃气，首先进入旋风分离器8除去其中携带的大颗粒炭黑，离开旋风分离器8后的可燃气中焦油含量为417mg/Nm³。接着可燃气进入填料塔10，填料塔中放置活性炭，吸附燃气中的微细炭黑粉尘。之后，可燃气进入冷凝器11降温至约80℃，同时将一小部分未完全分解的焦油蒸汽冷凝收集，与可燃气分离，冷凝器11形式为列管式间接换热冷凝器。随后可燃气进入喷淋塔12，塔顶部设置有雾化水的喷头，将水以小液滴的形式自上而下喷淋，与可燃气逆向接触，进一步清洗除去气体中从冷凝器11携带出的少量焦油液滴。从喷淋塔12流出后，可燃气进入含有氧化铁和熟石灰成分的干式脱硫塔13，脱除气体中的H₂S和SO₂。最后流经干燥塔14，干燥塔中放置无水氯化钙，用于脱除气体中从喷淋塔12携带出的少量水蒸汽。从干燥塔13流出后，一部分气体进入气柜24，进行稳压，而后送至最终燃气用户，成为清洁的成品可燃气D，另一部分气体E送回至气化炉5顶的阴极保护套管107作为冷却介质，用于冷却电极阴极106。干燥塔14与气柜24间管道中主要可燃成分为：CO和H₂约占14%，CH₄、C₂H₂和C₂H₄约占21%，其它气体成分主要为CO₂和N₂，可燃气的热值为10.4MJ/Nm³，测得焦油含量为8mg/Nm³。

在气化炉5内完成气化反应的高温炉渣被位于炉内底部的链条炉排117运输至出料储仓118，出料储仓由带有竖直落料段的密封罩116和上电动密封阀119组成。高温炉渣在重力作用下，经过密封罩116的竖直落料段堆积在上电动密封阀119之上。出料时首先开启上电动密封阀119，关闭下电动密封阀120，出料储仓中堆积的炉渣全部落在了下电动密封阀120上，待炉渣料位堆积至出料储仓高度的2/3后，关闭上电动密封阀119，开启下电动密封阀120，炉渣依靠重力被运出气化炉5外，进入冷渣机17。依靠竖直落料段内上电动密封阀119和下电动密封阀120的启闭配合，可以实现炉渣被连续送出气化炉5，并有效防止空气漏入与高温炉渣反应。

冷渣机17为间壁式间接接触换热装置，采用冷却水对装置内的高温炉渣进行间接接触冷却。炉渣在冷渣机17中被冷却至约65℃后，被输送至对辊破碎机18，把炉渣进行轻微破碎，将包覆在炭黑中的钢丝剥离出来。最后炭黑和钢丝的混合物进入磁选机19，利用电磁场将钢丝收集起来，实现炭黑和钢丝的分离。对辊破碎机18和磁选机19都采用自带密封罩结构，防止炭黑粉尘外溢。

从冷凝器11和喷淋塔12捕获的焦油及水的混合物送入油水分离器23，将焦油和水进行分离，油水分离器采用技术成熟的气浮式油水分离器，分离后的焦油被回油泵9送至回油管109，进入气化炉5内，再次分解为小分子链不凝可燃气成分。回油管109前设置有回油截止阀6，防止倒流。在油水分离器23中分离得到的水以及冷渣机17和冷凝器11中吸收热量的循环水，经回水泵22加压后送至冷却塔21进行降温，冷却塔21采用机械通风逆流式冷却塔。冷却塔21冷却之后的循环水经过循环水加压泵20加压之后，同时为冷凝器11和冷渣机17提供间接换热用的循环冷却水。

实施例2

以废轮胎处理能力为100kg/小时的工艺系统为例，气化炉5尺寸与实施例1相同，内径为0.5m，高度为3.8m（从炉顶至下电动密封阀120的高度）。调节气化剂进气调节阀16的开度，控制气化剂（空气）的流量为250Nm³/h，气化剂在气化炉5底部的截面流速约为0.4m/s。气化炉5的进料与排料过程与实施例1相同，不再赘述。其中完成气化反应后的高温炉渣在冷渣机17中被冷却至约45℃。

气化炉5内顶部电弧式焦油分解器的电极阳极104与水平面夹角保持50°，横截面尺寸为14cm×14cm，四个阳极板的总面积占其所在炉体内壁圆周侧面积（同等高度下）的35%，电极阴极长度20cm。线性高压直流电源采用供电电压800V，供电电流8A，对电极阴极107和电极阳极104供电。阴极保护套管107内通入的可燃气流速约为7m/s，冷却通道103内空气流速为10m/s。空气在气化炉5内的灰渣区被预热至平均温度约400℃，在氧化区与部分轮胎料块、炭黑发生氧化反应，气体平均温度约830℃，气流经过热解区和还原区反应、干燥区降温之后，可燃气在气化炉5出口平均温度约为360℃，气化炉5内上部气体压力为-200Pa。

在旋风分离器8和填料塔10之间管道内可燃气中测得焦油含量为231mg/Nm³。可燃气在冷凝器11内被冷却至约50℃，在干燥塔14与气柜24间管道内气体主要可燃成分为：CO和H₂约占22%，CH₄、C₂H₂和C₂H₄约占26%，气体热值为13.9MJ/Nm³，焦油含量为5 mg/Nm³。

实施例3 

以废轮胎处理能力为100kg/小时的工艺系统为例，气化炉5尺寸以及进料、出料过程与实施例1相同。控制气化剂（空气）的流量为250Nm³/h，气化炉5上部气体压力维持在约-150Pa。

气化炉5内顶部电弧式焦油分解器的电极阳极104与水平面夹角保持50°，横截面尺寸为6cm×14cm，四个阳极板的总面积占其所在炉体内壁圆周侧面积（同等高度下）的15%，电极阴极长度20cm。线性高压直流电源采用供电电压800V，供电电流4.5A。电弧式焦油分解器冷却通道103内空气流速约6m/s，阴极保护套管107内可燃气流速为5m/s，可燃气在气化炉5出口平均温度约为390℃。

在旋风分离器8和填料塔10之间管道内可燃气中测得焦油含量约为1430mg/Nm³。在干燥塔14与气柜24间管道内气体主要可燃成分为：CO和H₂约占19%，CH₄、C₂H₂和C₂H₄约占23%，气体热值为12.1MJ/Nm³，焦油含量约62 mg/Nm³。由于燃气中焦油含量偏高，气柜不能长时间运行，以防止结焦。

实施例4

本实施例为本发明工艺的气化炉装置从点火开车到正常运行的启动过程。仍然以废轮胎处理能力为140kg/小时的工艺系统为例，气化炉5内径为0.5m，高度为3.8m（从炉顶至下电动密封阀120的高度）。

系统启动前，先关闭气化炉5底部的上电动密封阀119和下电动密封阀120，关闭回油截止阀6。向气化炉5内加入1.9吨轮胎料块，进料过程与实施例1中的进料过程完全相同，不再赘述。进料完成后，进料活塞110返程至外电动插板阀111左端的初始位置，关闭上电动插板阀102、外电动插板阀111以及内电动插板阀112。在气化剂进气调节阀16与气化炉5之间的管道上连接一个旁路支管，通过该旁路支管，用于向气化炉5底通入温度850℃、流量为1510m³/h的高温烟气，同时开启高温引风机7，使气化炉5内的压力维持在-100Pa。高温烟气由外部能源系统供应，只用于气化炉5的启动过程，待气化炉5正常运行后，无需提供额外的高温烟气。

开启气化炉5内顶部的电弧式焦油分解器直流供电系统的直流电源，调节供电电压为1000V，电流为5A，然后开启循环水加压泵20、回水泵22，保证冷凝器11的安全运行。气化炉5内的轮胎料块在高温烟气加热作用下，迅速发生热解反应，大量挥发分气体析出，在流经气化炉5顶部的电弧式焦油分解器流动通道125时，高温气体中的大部分焦油蒸汽被高压电弧分解净化，并在高温引风机7的作用下被引出气化炉5。之后，高温可燃气与烟气的混合气体经过旋风分离器8和填料塔10除尘、冷凝器11冷却、喷淋塔12除去残余焦油、干式脱硫塔13脱硫、干燥塔14干燥后，一部分气体被送入气化炉5内顶部电弧式焦油分解器的阴极保护套管107，冷却电极阴极106，剩余气体经过气柜24稳压后，送去放散火炬放散。

气化炉5启动约20min后，待油水分离器23中的液位达到要求之后，开启回油泵9和回油截止阀6，将启动过程中产生的焦油重新送入气化炉5。调整气化炉5内顶部的电弧式焦油分解器直流供电系统的直流电源，调节供电电压为1200V，电流为5A。

气化炉5启动约60min后，首批加入炉内的轮胎料块已经基本热解反应完毕，成为高温炉渣底料，同时整个气化炉5在高温烟气的加热作用下，完成了升温和蓄热，炉内整体温度维持在400℃~850℃的高温水平。此时，关闭气化剂进气调节阀16与气化炉5之间的管道上旁路支管的阀门，停止供应高温烟气，同时开启进气调节阀16和送风机15，正式向气化炉5送入气化剂空气。然后开启上料皮带机4，向气化炉5内送入料块，进料量维持140kg/小时。之后，开启气化炉5底部的链条炉排117和上电动密封阀119，并启动冷渣机17、对辊破碎机18和磁选机19，准备出料。气化炉5进料以及出料过程与实施例1相同，不再赘述。

至此，气化炉5已经完成从点火开车到正常运行的全部启动过程。

对比例

仍然以废轮胎处理能力为140kg/小时的工艺系统为例，气化炉5内径为0.5m，高度为3.8m（从炉顶至下电动密封阀120的高度）。气化剂流量为400Nm³/h，气化炉5上部气体压力维持在约-50Pa。。

气化炉5正常启动之后，电极阴极107和电极阳极104不供电，即气化炉5顶的电弧式焦油分解器不运行。在旋风分离器8和填料塔10之间管路内可燃气中焦油含量为15.5g/Nm³。由于可燃气中焦油含量过高，气化炉5运行6小时后，填料塔10中的活性炭被可燃气中的焦油糊住而失效，进而导致大量的炭黑粉尘和焦油蒸汽进入冷凝器11，并形成坚硬厚实的渣块包覆在冷凝器11的换热管壁上。由于渣块的热阻很大，冷凝器11的换热效率大大降低，其出口气温甚至达到150℃。未能及时冷却的焦油蒸汽随后进入喷淋塔12，使其过负荷运行，最终造成干燥塔14后的可燃气中测得焦油含量为143 mg/Nm³，由于焦油含量过高，不能进入气柜24，需要再增加可燃气的净化工序。因此严重影响到工艺的连续性和稳定性，同时大大增加了系统设备投资。

几个实施例的统计结果如下表1所示。

表1 统计结果对比

Claims (10)

1.一种废轮胎固定床气化炉，其特征在于，在固定床气化炉（5）内的顶部有电弧式焦油分解器，废轮胎的气化设施和燃气中焦油分解净化设施集成在同一气化炉（5）内。

2.如权利要求1所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的电弧式焦油分解器由一个电极阴极（106）、一个阴极保护套管（107）、四个电极阳极（104）、四个冷却通道外壳（123）组成。

3.如权利要求2所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的电极阴极（106）位于气化炉（5）的中心轴线位置，四个电极阳极（104）围绕电极阴极（106）中下端均匀分布在气化炉（5）周向上，并呈上窄下宽布置，与水平面夹角保持50°~75°。

4.如权利要求2所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的四个电极阳极板的总面积占其所在同等高度下炉体内壁圆周侧面积的20%~35%；电极阴极（106）和电极阳极（104）间的电弧放电采用线性高压直流电源供电，供电电压800V~1200V，供电电流5A~8A。

5.如权利要求4所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的四个电极阳极板的总面积占其所在同等高度下炉体内壁圆周侧面积的20%；电极阴极（106）和电极阳极（104）间的电弧放电采用线性高压直流电源供电，供电电压1200V，供电电流5A。

6.如权利要求4所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的四个电极阳极板的总面积占其所在同等高度下炉体内壁圆周侧面积的35%；电极阴极（106）和电极阳极（104）间的电弧放电采用线性高压直流电源供电，供电电压800V，供电电流8A。

7.如权利要求2所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的每个冷却通道外壳（123）上均设置有一个冷却介质入口（124）和冷却介质出口（121），冷却介质（空气）由冷气介质入口（124）流入阳极冷却通道（103），对阳极进行冷却。

8.如权利要求1所述的废轮胎固定床气化炉，其特征在于，所述的固定床气化炉（5）的中上部、位于电弧式焦油分解器以下，设置进料系统，该进料系统由梁式进料管（101）、进料活塞（110）、一个横向布置的上电动插板阀（102）、立式布置的外电动插板阀（111）和内电动插板阀（112）组成；进料之前，进料活塞（110）首先运动至左端初始位置，然后外电动插板阀（111）和内电动插板阀（112）关闭，上电动插板阀（102）开启，这样两个立式电动插板阀（111）、（112）和梁式进料管（101）形成了一个敞口式料仓，来自上料皮带机（4）的废轮胎碎块在此堆积，待废轮胎碎块料位堆积至料仓高度的2/3后，上电动插板阀（102）关闭，外电动插板阀（111）和内电动插板阀（112）开启，来自上料皮带机（4）的料块暂时堆积在上电动插板阀（102）之上，此时进料活塞（110）启动，将料仓内堆积的物料全部推入气化炉内；之后，进料活塞（110）返程至左端初始位置，准备下次进料，外电动插板阀（111）和内电动插板阀（112）关闭，防止空气由此漏入气化炉（5）内，上电动插板阀（102）开启；

气化炉（5）内是微负压运行进料过程没有有毒气体外泄，上电动插板阀（102）、外电动插板阀（111）和内电动插板阀（112）之间启闭过程的配合以及进料活塞（110）的往复运动；

气化炉（5）底部设置有出料系统，由密封罩（116）、链条炉排（117）、上电动密封阀（119）和下电动密封阀（120）组成，密封罩（116）设置有竖直落料段，并和上电动密封阀（119）组成了一个出料储仓（118）；位于气化炉底部的链条炉排（117）将完成气化反应后的高温炉渣运输至出料储仓（118），炉渣在上电动密封阀（119）上堆积；出料时，首先开启上电动密封阀（119），关闭下电动密封阀（120），出料储仓（118）中堆积的炉渣全部落在了下电动密封阀（120）上，待炉渣料位堆积至出料储仓高度的2/3后，关闭上电动密封阀（119），开启下电动密封阀（120），炉渣依靠重力被运出气化炉（5）外，进入冷渣机（17）；依靠竖直落料段内上电动密封阀（119）和下电动密封阀（120）的启闭配合，可以实现炉渣被连续送出气化炉（5），并有效防止空气漏入与高温炉渣反应。

9.一种如权利要求1所述的废轮胎固定床气化炉其系统配套装置，其特征在于，所述的配套装置包括：气化炉（5）、上料系统、固体分离系统、冷却系统以及燃气后处理系统；上料系统由切圈机（1）、切条机（2）、切块机（3）和上料皮带机（4）组成，废轮胎A依次经过切圈、切条和切块三道切割工序后，以尺寸5cm×5cm的碎块形式被上料皮带机（4）运输至气化炉（5）上部，经由气化炉（5）的进料系统进入气化炉（5）内，与来自气化炉（5）底部的气化剂发生气化反应，气化剂由送风机（15）送入炉内，并依靠进气调节阀（16）调节气化剂流量；气化反应完毕的固体高温炉渣，经由气化炉（5）的出料系统排出气化炉（5），并进入固体分离系统；固体分离系统由冷渣机（17）、对辊破碎机（18）和磁选机（19）组成，高温炉渣首先进入冷渣机（17）进行间接式换热，炉渣得到冷却，然后进入对辊破碎机（18），将包覆在炭黑中的钢丝剥离出来，最后炉渣进入磁选机（19），利用电磁场将炭黑和钢丝进行分离；

气化炉（5）内由气化反应产生的可燃气经高温引风机（7）引出气化炉（5），进入燃气后处理系统；燃气后处理系统由旋风分离器（8）、填料塔（10）、冷凝器（11）、喷淋塔（12）、干式脱硫塔（13）、干燥塔（14）和气柜（24）组成；可燃气首先进入旋风分离器（8）除去大颗粒粉尘，然后进入填料塔（10）进一步除去微细粉尘，经过冷凝器（11）冷却后进入喷淋塔（12），除去气体中少量未分解的焦油液滴，然后可燃气进入干式脱硫塔（13）除去气体中的H₂S和SO₂，并经干燥塔（14）脱除气体中携带的水蒸汽后，成为洁净的可燃气；其中一小部分送回气化炉（5）内顶部的电弧式焦油分解器的阴极冷却通道（122），冷却电极阴极（106），其余可燃气经过气柜（24）稳定压力之后，送至可燃气用户使用；

工艺过程中冷渣机（17）和冷凝器（11）为间接式换热器，其热量由冷却系统带走；冷却系统由循环水加压泵（20）、冷却塔（21）、回水泵（22）和油水分离器（23）组成，循环水加压泵（20）将循环水分别送至冷渣机（17）、冷凝器（11）及喷淋塔（12），冷凝器（11）中收集到的焦油液滴及喷淋塔（12）收集的油水混合物一起送至油水分离器（23），将焦油和循环水分离，得到的焦油经过回油泵（9）送回气化炉（5）内进行二次分解，分离得到的循环水连同冷凝器（11）和冷渣机（17）换热后的水经由回水泵（22）送至冷却塔（21）进行冷却，以便循环使用。

10.应用如权利要求1-7中任一项所述的废轮胎固定床气化炉，进行废轮胎气化的方法，其特征在于，具体工艺条件和操作方法如下：

废轮胎A经过切圈、切条和切块三道切割工序后，以尺寸约5cm×5cm的碎块形式被上料皮带机（4）运输至气化炉上部，由进料活塞（110）送入气化炉（5）内；气化炉（5）内的气化温度在350℃~1000℃，压力为-50Pa~-200Pa的微负压，沿气化炉（5）高度逐渐降低的方向，根据气体温度范围不同划分为干燥区，所述的干燥区其温度为350℃~450℃，位于炉内料层上部，热解区和还原区，其温度为450℃~650℃，位于炉内料层中上部；氧化区其温度为650℃~1000℃，位于炉内料层中下部；以及灰渣区，其温度为50℃~650℃，位于炉内料层底部；轮胎碎块在气化炉内由高到低依次经过各个区域，与来自气化炉底外部送风机（15）鼓入的气化剂逆向接触发生气化反应，所述的气化剂为空气，生成可燃气及一部分焦油蒸汽，气体温度沿气化炉高度增加的方向先迅速增加然后又逐渐降低，气化剂的流量由进气调节阀（16）控制；

高温可燃气在气化炉（5）顶部燃气出口（108）被高温引风机（7）引出气化炉（5）外，经过旋风分离器（8）除尘、填料塔（10）后进入冷凝器（11）降温至40℃~80℃，同时将一小部分未完全分解的焦油蒸汽冷凝收集，与可燃气分离；然后可燃气进入喷淋塔（12），进一步清洗除去其中携带的少量焦油液滴，随后进入含有氧化铁和熟石灰成分的干式脱硫塔（13），脱除气体中的H₂S和SO₂，最后经过干燥塔（14）干燥后，一部分气体进入气柜（24）稳压后送至最终燃气用户，成为清洁的成品可燃气D，另一部分E送回至气化炉（5）顶的阴极保护套管（107），用于冷却电弧式焦油分解器，可燃气D主要成分为CO、H₂、CO₂、N₂以及小分子烷类和烯烃类，其中CH₄、C₂H₂、C₂H₄等总体积比约为21%~26%，CO和H₂总体积比约为14%~22%，热值约为10~14MJ/Nm³；

气化反应完毕的高温炉渣排出气化炉（5）之后，进入冷渣机（17）进行间接式换热，冷却至40℃~80℃，然后进入对辊破碎机（18），将包覆在炭黑中的钢丝剥离出来，最后炉渣进入磁选机（19），利用电磁场将炭黑和钢丝进行分离；

从冷凝器（11）捕获的焦油和喷淋塔（12）收集的油水混合物送入油水分离器（23），将焦油和水进行分离，分离后的焦油被回油泵（9）送至回油管（109），进入气化炉（5）内，再次分解为小分子链不凝可燃气成分，分离后的水送至冷却塔（21）进行降温，冷却塔同时为冷凝器（11）和冷渣机（17）提供间接换热用的循环冷却水。

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