CN105295967B - 一种高湿碳基原料外热式热解反应器 - Google Patents

一种高湿碳基原料外热式热解反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高湿碳基原料外热式热解反应器，包括热解室；热解室上部设有进料口，热解室下部设有连续出灰机构和燃气出口，热解室内壁封堵有底部管板，底部管板的最低点与连续出灰机构的进灰口的底部平齐，底部管板与烟气列管下端相连，烟气列管上端与顶部管板相连，顶部管板上方罩有烟气室封头，顶部管板与烟气室封头构成烟气室，与烟气室封头连接的排烟管伸出热解室；燃烧后的烟气从热解室底部进入，通过烟气列管送至烟气室，再由排烟管排出。本发明增大了传热面积，提高了传热传质效率。

Description

一种高湿碳基原料外热式热解反应器
技术领域
本发明涉及热解反应器，特别是涉及一种高湿碳基原料外热式热解反应器。
背景技术
21世纪以来，随着中国经济迅速发展，工业化和城市化进程进一步加快，能源短缺与环境污染问题日益严重。我国传统的高品质碳基能源面临着资源枯竭的问题。因此，寻找合适的后备能源原料以及提高能源的利用效率显得尤为紧迫。
我国高湿碳基原料(例如褐煤、污泥等)的年产量较大，但由于含水率高、利用困难等因素降低了其经济性，尚未得到有效利用。如果能够找到一种合理有效的途径对这些高含水率的碳基原料进行加工转化，既能缓解我国能源紧张的局势，还可以减少利用过程中的环境污染问题。高湿碳基原料(褐煤、污泥等)由于含水率高，大大降影响了其能量密度和品质，尽管其储存量和产量都较大，但尚未能得到有效开发和合理利用。
目前有关高湿碳基原料热解制气的研究，都是基于气化剂条件下的干化污泥的气化反应。由于污泥含水率较高，传统的气化方式要求污泥在进入气化炉前需利用干燥设备对其进行预干燥处理，所消耗的能源成本太高。现有的热解装置对原料进入气化炉的含水率有较高的要求，一般要求将原料含水率降低至20％以下，传热面积小，反应温度低，传热传质效率低。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种传热面积大、传热传质效率高的干燥与热解一体化的高湿碳基原料外热式热解反应器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种高湿碳基原料外热式热解反应器，包括热解室；热解室上部设有进料口，热解室下部设有连续出灰机构和燃气出口，热解室内壁封堵有底部管板，底部管板的最低点与连续出灰机构的进灰口的底部平齐，底部管板与烟气列管下端相连，烟气列管上端与顶部管板相连，顶部管板上方罩有烟气室封头，顶部管板与烟气室封头构成烟气室，与烟气室封头连接的排烟管伸出热解室；燃烧后的烟气从热解室底部进入，通过烟气列管送至烟气室，再由排烟管排出。
所述热解反应器还包括原料防堆装置；原料防堆装置包括驱动杆连接架，驱动杆连接架下方设有多根驱动杆，驱动杆连接架上方设有悬挂机构，悬挂机构连接可驱动驱动杆上下振动的驱动机构。在驱动机构的驱动下，原料防堆装置可以上下抖动，带动原料的流动，避免原料堆积，增大传热面积。
进一步，所述驱动杆连接架包括与热解室内壁形状相适配的外框，以及设于外框内部的多根驱动杆连杆，各个驱动杆的上端与外框或者驱动杆连杆相连。外框与热解室内壁形状相适配，从而使得驱动杆连接架能够更顺畅地上下抖动，避免在上下抖动过程中与热解室内壁之间产生较大的摩擦或者发生卡壳的现象。
进一步，所述悬挂机构包括直拉杆，直拉杆的上端活动连接驱动机构，其下端活动连接多根斜拉杆的上端，斜拉杆的下端活动连接驱动杆连接架。直拉杆与斜拉杆之间、斜拉杆与驱动杆连接架之间均为活动连接，从而使得整个原料防堆装置的上下抖动更加自由、顺畅。
进一步，所述驱动机构包括动力源和通过设置于热解室外壁的轴承座支撑的驱动轴，驱动轴位于热解室内部的一端连接第二转轴，第二转轴的轴线与驱动轴的轴线偏离，第二转轴与悬挂机构活动连接，动力源驱动驱动轴转动，驱动轴带动第二转轴转动，第二转轴带动悬挂机构上下振动。
进一步，所述连续出灰机构包括壳体、位于壳体内部的第一转轴、与热解室连接的进灰口、设于第一转轴上的螺旋绞龙以及位于螺旋绞龙一端的出灰口，第一转轴端部设有驱动第一转轴转动的机构。
为了降低原料的温度梯度，进一步提高传热传质效率和单位时间的原料处理量，将所述烟气列管均匀分布。
为了减小所述烟气列管因膨胀而产生的热应力，增大烟气列管内部的传热面积和对流换热系数，在烟气列管的内壁设有波纹。
为了使原料顺利下落，热解后的剩余物能够顺利进入连续出灰机构，将顶部管板与水平面的夹角、底部管板与水平面的夹角设置为40°～60°。此外，为了使各个烟气列管的长度相等，热膨胀程度相同，消除热应力，将所述顶部管板与底部管板设置成平行状态。
进一步，所述热解反应器还包括与热解室相连的燃烧器，燃烧器设有燃料进口和烟气出口，燃料从燃料进口进入燃烧器，燃烧后的烟气从烟气出口进入热解室。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：
(1)将燃烧后的烟气通过烟气列管送入热解室，增大了传热面积，提高了传热传质效率，使得本发明的热化学转化率比现有技术中的套筒式热解反应器高50％—80％，传热效率是现有技术中的套筒式热解反应器的5-20倍；
(2)原料防堆装置在驱动机构的带动下能够上下抖动，从而辅助原料流动，避免原料堆积，增大传热面积；外框与热解室内壁形状相适配，从而使得驱动杆连接架能够更顺畅地上下抖动，避免在上下抖动过程中与热解室内壁之间产生较大的摩擦或者发生卡壳的现象；直拉杆与斜拉杆之间、斜拉杆与驱动杆连接架之间均为活动连接，从而使得整个原料防堆装置的上下抖动更加自由、顺畅；
(3)热解室与烟气室完全隔离，从而使得原料热解后产生的燃气不会被烟气稀释，提高了燃气的热值；
(4)依靠原料自身重力实现原料的流动，在流动过程中逐渐完成干燥、热解和气化等过程，降低了成本和能耗；
(5)烟气列管均匀分布，从而降低原料的温度梯度，进一步提高传热传质效率和单位时间的原料处理量；
(6)烟气列管的内壁设有波纹，从而减小烟气列管因膨胀而产生的热应力，增大烟气列管内部的传热面积和对流换热系数；
(7)顶部管板与底部管板与水平面的夹角设置为40°～60°，从而使原料顺利下落，热解后的剩余物能够顺利进入连续出灰机构；顶部管板与底部管板设置成平行状态，从而使各个烟气列管的长度相等，热膨胀程度相同，消除热应力。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的原料防堆装置的示意图；
图4为本发明的连续出灰机构的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明提供了一种高湿碳基原料外热式热解反应器，如图1和图2所示。该热解反应器包括热解室1。热解室1上部设有进料口11、顶部封头14和防暴口113，热解室1下部设有连续出灰机构12和燃气出口13。热解室1内壁封堵有底部管板110，底部管板110的最低点与连续出灰机构12的进灰口127的底部平齐，底部管板110与烟气列管18下端相连，烟气列管18上端与顶部管板19相连，顶部管板19上方罩有烟气室封头111，顶部管板19与烟气室封头111构成烟气室1111，与烟气室封头111连接的排烟管112伸出热解室1，排烟管112伸出热解室1的部位设有膨胀节114，热解室1外壁上还设有检测口17。此外，热解室1底部还连接有燃烧器2，燃烧器2设有燃料进口21和烟气出口22，燃料从燃料进口21进入燃烧器2，燃烧后的烟气从烟气出口22进入热解室1。其中，烟气列管18具有吸热的内管壁和放热的外管壁。连续出灰机构12包括壳体121、位于壳体121内部的第一转轴122、与热解室1连接的进灰口127、设于第一转轴122上的螺旋绞龙123以及位于螺旋绞龙123一端的出灰口124，第一转轴122端部设有驱动第一转轴122转动的机构，如图4所示。燃烧器2也可做成与热解室1分离的形式。
为了辅助原料流动，避免原料堆积，该热解反应器还包括原料防堆装置15。如图3(a)所示，原料防堆装置15包括驱动杆连接架152，驱动杆连接架152下方设有多根驱动杆153，驱动杆连接架152上方设有悬挂机构151，悬挂机构151连接可驱动驱动杆153上下振动的驱动机构16。在驱动机构16的驱动下，原料防堆装置15可以上下抖动，带动原料的流动，避免原料堆积。如图3(b)所示，驱动杆连接架152包括与热解室1内壁形状相适配的外框1521，以及设于外框1521内部的多根驱动杆连杆1522，各个驱动杆153的上端与外框1521或者驱动杆连杆1522相连。外框1521与热解室1内壁形状相适配，从而使得驱动杆连接架152能够更顺畅地上下抖动，避免在上下抖动过程中与热解室1内壁之间产生较大的摩擦或者发生卡壳现象。如图3(a)所示，悬挂机构151包括直拉杆1511，直拉杆1511的上端活动连接驱动机构16，其下端活动连接多根斜拉杆1512的上端，斜拉杆1512的下端活动连接驱动杆连接架152。直拉杆1511与斜拉杆1512之间、斜拉杆1512与驱动杆连接架152之间均为活动连接，从而使得整个原料防堆装置15的上下抖动更加自由、顺畅。驱动机构16包括动力源和通过设置于热解室1外壁的轴承座支撑的驱动轴，驱动轴位于热解室1内部的一端连接第二转轴，第二转轴的轴线与驱动轴的轴线偏离，第二转轴与悬挂机构151活动连接，动力源驱动驱动轴转动，驱动轴带动第二转轴转动，第二转轴带动悬挂机构151上下振动。
为了降低原料的温度梯度，进一步提高传热传质效率和单位时间的原料处理量，将烟气列管18均匀分布。
为了减小烟气列管18因膨胀而产生的热应力，增大烟气列管18内部的传热面积和对流换热系数，在烟气列管18的内壁设有波纹。
为了加工方便，将烟气列管18在顶部管板19和底部管板110上按三角形或者正方形排列，相邻两个烟气列管18的中心距范围为3-30cm。
为了使原料顺利下落，热解后的剩余物能够顺利进入连续出灰机构12，将顶部管板19与水平面的夹角、底部管板110与水平面的夹角设置为40°～60°。此外，为了使各个烟气列管18的长度相等，热膨胀程度相同，消除热应力，将顶部管板19与底部管板110设置成平行状态。
下面介绍一下本发明的工作过程：
将高湿碳基原料从进料口11送入热解室1，原料在原料防堆装置15的带动下流动，直至热解室1内充满原料。将燃料从燃料进口21送入燃烧器2进行燃烧，产生的高温烟气由烟气出口22进入热解室1内的烟气列管18，烟气列管18被加热至800-1100℃，将烟气携带的热量传递给高湿碳基原料，高湿碳基原料受热后脱去自身的水分，在热解室1内形成水蒸气，并发生一系列化学反应，产生燃气和焦炭，燃气从燃起出口13排出，焦炭从连续出灰机构12排出。
如果采用的高湿碳基原料为高湿污泥，那么它在热解室1中受热之后会产生富氢可燃气体，富氢可燃气体在高温和水蒸气条件下进一步分解为小分子气体，污泥中的水分挥发分析后剩余少量的半焦，部分半焦与高温水蒸气产生了气化反应，得到CO和H2，使得热解室1内的气体最终变为富氢燃气，未来得及反应的半焦经过连续出灰机构12输排出。
本发明中涉及的高湿碳基原料为高湿生物质、褐煤、高湿污泥或者生活垃圾，燃烧器中使用的燃料为生物质粉末、天然气、生物质燃气或者煤气。

Claims (9)

1.一种高湿碳基原料外热式热解反应器，包括热解室(1)；热解室(1)上部设有进料口(11)，热解室(1)下部设有连续出灰机构(12)和燃气出口(13)，其特征在于：热解室(1)内壁封堵有底部管板(110)，底部管板(110)的最低点与连续出灰机构(12)的进灰口(127)的底部平齐，底部管板(110)与烟气列管(18)下端相连，烟气列管(18)上端与顶部管板(19)相连，顶部管板(19)上方罩有烟气室封头(111)，顶部管板(19)与烟气室封头(111)构成烟气室(1111)，与烟气室封头(111)连接的排烟管(112)伸出热解室(1)；燃烧后的烟气从热解室(1)底部进入，通过烟气列管(18)送至烟气室(1111)，再由排烟管(112)排出；该热解反应器还包括原料防堆装置(15)；原料防堆装置(15)包括驱动杆连接架(152)，驱动杆连接架(152)下方设有多根驱动杆(153)，驱动杆连接架(152)上方设有悬挂机构(151)，悬挂机构(151)连接可驱动驱动杆(153)上下振动的驱动机构(16)。
2.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述驱动杆连接架(152)包括与热解室(1)内壁形状相适配的外框(1521)，以及设于外框(1521)内部的多根驱动杆连杆(1522)，各个驱动杆(153)的上端与外框(1521)或者驱动杆连杆(1522)相连。
3.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述悬挂机构(151)包括直拉杆(1511)，直拉杆(1511)的上端活动连接驱动机构(16)，其下端活动连接多根斜拉杆(1512)的上端，斜拉杆(1512)的下端活动连接驱动杆连接架(152)。
4.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述驱动机构(16)包括动力源和通过设置于热解室(1)外壁的轴承座支撑的驱动轴，驱动轴位于热解室(1)内部的一端连接第二转轴，第二转轴的轴线与驱动轴的轴线偏离，第二转轴与悬挂机构(151)活动连接，动力源驱动驱动轴转动，驱动轴带动第二转轴转动，第二转轴带动悬挂机构(151)上下振动。
5.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述连续出灰机构(12)包括壳体(121)、位于壳体(121)内部的第一转轴(122)、与热解室(1)连接的进灰口(127)、设于第一转轴(122)上的螺旋绞龙(123)以及位于螺旋绞龙(123)一端的出灰口(124)，第一转轴(122)端部设有驱动第一转轴(122)转动的机构。
6.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述烟气列管(18)均匀分布。
7.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述烟气列管(18)的内壁设有波纹。
8.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述顶部管板(19)与底部管板(110)平行，且均与水平面呈40°～60°夹角。
9.根据权利要求1所述的高湿碳基原料外热式热解反应器，其特征在于：所述热解反应器还包括与热解室(1)相连的燃烧器(2)，燃烧器(2)设有燃料进口(21)和烟气出口(22)，燃料从燃料进口(21)进入燃烧器(2)，燃烧后的烟气从烟气出口(22)进入热解室(1)。
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