CN105419877A - 基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统 - Google Patents

基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统。系统包括循环流化床气化器和其二级旋风分离器、热解器和其旋风分离式反应器、生物炭收集器、固体废弃物进料系统等。使用循环流化床气化器、移动床热解器实现两段式热解气化，并利用旋风分离式反应器实现热床料和热解气的充分混合从而极大地促进了焦油裂解和气体净化；本发明通过气化器和热解器结构型式的优化设计、不同床料混合使用、床料循环流动系统和气固混合水平的提高及进料系统的改进，同时生产合成气和热解气，极大地提高了整体热解气化效率及热解气热值、减少了合成气和热解气焦油含量，合成气和热解气不含二恶英等污染物，从而有效地制备高品质的清洁热解气和合成气。

Description

基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统
技术领域
本发明涉及一种固体废弃物热解气化装置，特别涉及一种基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统。
背景技术
能源是现代社会赖以生存和发展的基础，中国目前能源供给形势严峻，环境问题严重，发展清洁可再生能源已成为紧迫的课题。农林和垃圾等废弃物属于低碳能源，中国有丰富的农林和垃圾等废弃物的资源，其研发、推广和普及有助于减少污染物排放和改善生态环境。工业污泥也是急需处理的固体废弃物，热解气化将是行之有效的有前途的处理方式。垃圾等废弃物的焚烧易产生二恶英等污染物，这个问题一直困扰着垃圾处理行业。热解气化技术是较直燃更清洁和高效的一种转化方式，在根本上抑制了二恶英等污染物的产生，热解气和合成气既可以用于产热发电、合成燃料和化学品，也可以制氢。
间接加热热解技术可以有效实现空气中氮气和热解气的自然分离从而提高了热解气的热值，近年来在国内外发展较快，但均不能很好的同时满足焦油和污染物含量少、热值高、成本较低的要求。与传统热解相比，微波加热具有独特的传热传质规律，不仅加热均匀、速率快、温度可调控，而且热解过程及预期最终产物容易控制，安全无害，其主要的优势在于无污染。热解得到的气体富含氢气、一氧化碳、甲烷；生物油中高附加值的组分含量高；固体生物炭比表面积大，吸附能力强。国内外有不少文献研究了微波热解，但大都是采用间歇操作的固定床实验装置，目前尚没有连续进料移动床微波热解装置的报导和记载。国内外目前也没有将间接加热热解技术和微波加热有效地结合起来的技术和装置。
发明内容
本发明的目的一是：开发一种基于流化床和移动床与微波加热的固体废弃物两段热解气化系统以同时制备热解气和合成气，并提高热解气热值与整体热解气化效率；目的二是：进一步减少热解气和合成气中焦油与污染物的含量。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，该系统包括依次连通连接的固体废弃物进料系统、热解器、生物炭收集器、循环流化床气化器、气化器旋风分离器、旋风分离式反应器，系统生成合成气和热解气，所述循环流化床气化器采用循环回料装置，例如循环回料管，使得部分生物炭和床料又循环至循环流化床气化器内；热解器采用螺杆移动床的结构设计，螺杆为水平螺杆。热解器与气化器旋风分离器连通连接，其外部可设有微波加热装置，使得热解器可采用循环热床料加热和微波加热相结合的热解方式。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，固体废弃物进料系统包括输送机、进料下降管，输送机将固体废弃物输送至进料下降管内，进料下降管位于热解器上方，其顶部为补充床料加入口，进料下降管管身伸入热解器内部深处，至螺杆上方。进料下降管里面的物料起到料封作用。
热解器包括内部的水平螺杆反应器、外部的微波加热器，热解器尾部的上方设有出气管，下方设有出料管；
生物炭收集器位于热解器尾部下方，出料管伸入至生物炭收集器内；
循环流化床气化器包括提升管、下部的进气系统和密封管、底部的熔渣出口、连通提升管与密封管的循环回料管，所述密封管连通连接生物炭收集器的底部；
气化器旋风分离器包括相连接的气化器一级旋风分离器和气化器二级旋风分离器，所述气化器一级旋风分离器连接提升管的顶部，其底部连接热解器的进料侧，气化器二级旋风分离器的底部连接旋风分离式反应器，前述各连接为管道连通连接。
旋风分离式反应器位于气化器旋风分离器下方，其与热解器的出气管连接，且与生物炭收集器连接，其上方的出气管道连接冷却净化系统和引风机。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，旋风分离式反应器可置于热解器的内部或外部，位于内部时更有利于提高热效率。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，更优选的方案是：进料下降管为具有闭锁料斗系统，例如进料下降管为上下两段式，其中上下两段分别安装有阀门，两个阀门交替开闭，保证反应系统的密封并能实现连续进料。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，更优选的方案是：循环流化床气化器的中下段外部可设有蒸汽发生器，以利用其热量产生水蒸气，同时利于熔渣的冷却和排出。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，当热解器采用微波加热时，热解器的螺杆优选采用强化石墨、金属或陶瓷材质，热解器的壳体优选采用陶瓷或石英管材质以适合微波热解的需要。
本发明所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，循环流化床气化器底部的进气系统通入空气和循环的合成气、热解气或者粉状燃料(如生物炭或生物质粉状颗粒)，混合燃烧产生高温区域使灰分熔融，熔渣冷却后落下由循环流化床气化器底部排出。循环流化床气化器里面有燃烧、部分氧化和气化反应发生，燃烧和部分氧化反应产生1200摄氏度的高温气体，主要是CO2和H2O；高温气体(CO2和H2O)在循环流化床气化器底部径向中间的位置进入从而加热生物炭和其它床料，熔渣(含重金属和熔点较低的金属及其化合物)由气化器下面排出，进气系统的燃烧产物CO2和H2O提供了热解热源和气化介质，循环流化床气化器的气体产物是含有CO和H2的合成气；循环回料管延长了生物炭在气化器里的停留时间，从而提高了碳转化率。合成气经气化器旋风分离器气固分离后，热床料分别进入热解器和旋风分离式反应器，合成气则去下游进行进一步的净化，热床料在热解器和循环流化床气化器之间循环流动，这些热床料包含催化剂和微波吸波剂(如生物炭、活性炭、石墨、碳化硅、石灰石、白云石以及某些碱基化合物如钠盐钾盐等)。热解器采用移动床的结构设计，主体是水平的螺杆反应器，螺杆有搅拌和输送的功能，固固混合好，气固混合也较好。生物炭由生物炭收集器收集，热解气由热解器的出气管排出，经旋风分离式反应器气固分离后，热解气去下游进行进一步的净化和冷却，固体进入生物炭收集器。热解器采用微波加热的方式，含有生物炭、催化剂和吸波剂的床料在热解器和循环流化床气化器之间循环流动从而极大地促进了焦油裂解、污染物脱除，提高了热解的深度和效率。固体废弃物由固体废弃物进料系统进入热解器，进料下降管深入到热解器的里面，进料下降管里面的固体废弃物和床料起到料封的作用。下游的引风机使热解器在常压或微负压下操作。
本发明具有积极的效果：(1)热解气和合成气可以在同一装置两个反应器内同时生成，提高了热解气化效率，减少了焦油和污染物排放。物料是在无氧或贫氧的环境下被热解和气化的的，在稳定操作时不会像焚烧那样产生二噁英等有害物质，且不会造成二次污染；载热体/催化剂/微波吸波剂和生物炭等的协同作用可以最大程度的减少焦油和污染物排放含量并调整热解产品分布与其组成；(2)热解器采用螺杆移动床的结构设计，螺杆有搅拌和输送的双重功能，床层孔隙率比较均匀，固-固接触好，便于加入床料(如微波吸收剂和催化剂等)，气-固接触也比较好，这些都有利于微波热解反应的进行；螺杆材质可选择强化石墨、陶瓷或金属螺杆；物料是较均匀贴附在螺杆表面进入反应区，使物料加热更加均匀，不会造成微波无法完全穿透物料，导致物料内部无法加热；微波加热有以下特点：体积加热、选择加热、快速加热和清洁加热，加热均匀，热效率高；具有非热效应，可以改变体系的热力学参数，使物料能在远低于常规加热方式的温度发生热解；(3)微波或加热功率、螺杆转速以及惰性气体种类和气速调整灵活，可灵活地调整反应器温度和气固相停留时间，便于调节热解产品的分布和组成；(4)循环流化床气化器底部的进气系统通入空气和循环的合成气、热解气或者粉状燃料(如回收的生物炭或生物质粉末)混合燃烧，在气化器底部的径向中间区域产生高温使灰分熔融，熔渣冷却后落下由气化器底部排出，熔渣除去了固体废弃物中的重金属而且熔渣具有再利用价值。气化器的燃烧段外面可设有蒸汽发生器以利用其热量产生水蒸气，同时利于熔渣的冷却和排出；(5)旋风分离式反应器用来进一步强化热床料和热解气的混合、减少热解气焦油含量。热解器旋风分离式反应器可置于热解器里面以提高传热效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明系统的结构示意图。图2为本发明实施例2系统的结构示意图
其中
1固体废弃物进料系统、11输送机、12进料下降管、13补充床料加入口；
2热解器、21水平螺杆反应器、22微波加热器、23出料管、24出气管；
3生物炭收集器；
4循环流化床气化器、41提升管、42进气系统、43密封管、44熔渣出口、45循环回料管；
5旋风分离式反应器、6气化器一级旋风分离器、7气化器二级旋风分离器，8冷却净化系统、9引风机。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本系统包括依次连通连接的固体废弃物进料系统1、热解器2、生物炭收集器3、循环流化床气化器4、气化器旋风分离器和旋风分离式反应器5。其中固体废弃物进料系统1包括输送机11和进料下降管12，输送机11连通进料下降管12的中上部，能够将固体废弃物输送至进料下降管12内。进料下降管12位于热解器2的上方，其顶部为补充床料加入口13，进料下降管12伸入至热解器2内部深处，直至螺杆上方，与螺杆之间有一定间隔。进料下降管12里的物料提供了料封。
热解器2包括热解器壳体，其内部有水平螺杆反应器21、外部有微波加热器22，热解器2尾部的上方设有出气管24，下方设有出料管23，螺杆材质为强化石墨，热解器壳体采用陶瓷材质。
生物炭收集器3位于热解器2尾部下方，为一容器，用于收集热解生成的生物炭，出料管23伸入至生物炭收集器3内。
循环流化床气化器4包括提升管41、下部的进气系统42和密封管43、底部的熔渣出口44、连通提升管41与密封管43的循环回料管45，密封管43连通连接生物炭收集器3的底部；还包括与循环流化床气化器4管道连接的水蒸气加入装置。
气化器旋风分离器包括相连接的气化器一级旋风分离器6和气化器二级旋风分离器7，所述气化器一级旋风分离器6连接提升管41的顶部，其底部连接热解器2的进料侧，气化器二级旋风分离器7的底部连接旋风分离式反应器5，前述各个连接是管道连接。
旋风分离式反应器5位于气化器旋风分离器下方热解器2的外部，其与热解器2的出气管24连接，且与生物炭收集器3连接，其上方具有出气管道，出气管道连接冷却净化系统8，冷却净化系统在进一步连接引风机9。
(实施例2)
见图2，本实施例与实施例1的区别之处为：进料下降管为闭锁料斗系统。进料下降管12为上下两段管结构，两段管的底部分别安装有一个阀门，两个阀门交替开闭，保证反应系统的密封并能实现连续进料。气化器二级旋风分离器7的底部分别连接旋风分离式反应器5和气化器一级旋风分离器6下端的出料管。其他系统组成与实施例1相同。
(实施例3)
本实施例与实施例1的区别之处为：旋风分离式反应器5设置在热解器2的内部；热解器2的螺杆材质为陶瓷。其他系统组成与实施例1相同。
(实施例4)
本实施例与实施例1的区别之处为：循环流化床气化器4的中下段的外部设有蒸汽发生器，以利用其热量产生水蒸气，同时利于熔渣的冷却和排出；热解器2的螺杆为双金属螺杆。其他系统组成与实施例1相同。
(实施例5)
本实施例与实施例1的区别之处为：热解器2采用电加热，热解器2的壳体和螺杆是金属的，螺杆为双螺杆结构。其他系统组成与实施例1相同。
(实施例6)
本实施例与实施例1的区别之处为：热解器2采用保温材料保温，循环流化床气化器4循环来的热床料加热热解器2里的废弃物实现热解。热解器2的壳体和螺杆是金属的，螺杆为双螺杆。其他系统组成与实施例1相同。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：该系统包括依次连通连接的固体废弃物进料系统(1)、热解器(2)、生物炭收集器(3)、循环流化床气化器(4)、气化器旋风分离器、旋风分离式反应器(5)，系统生成合成气和热解气，所述循环流化床气化器(4)采用循环回料装置，使得部分生物炭和床料又循环至循环流化床气化器(4)内；热解器(2)采用螺杆移动床的结构设计，螺杆为水平螺杆，热解器(2)与气化器旋风分离器连通连接，其外部可设有微波加热装置，使得热解器(2)可采用循环热床料加热和微波加热相结合的热解方式。
2.根据权利要求1所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：
固体废弃物进料系统(1)包括输送机(11)、进料下降管(12)，输送机(11)将固体废弃物输送至进料下降管(12)内，进料下降管(12)位于热解器(2)上方，其顶部为补充床料加入口(13)，进料下降管(12)管身伸入至热解器(2)内部深处，至螺杆上方；
热解器(2)包括内部的水平螺杆反应器(21)、外部的微波加热器(22)，热解器(2)尾部的上方设有出气管(24)，下方设有出料管(23)；
生物炭收集器(3)位于热解器(2)尾部下方，出料管(23)伸入至生物炭收集器(3)内；
循环流化床气化器(4)包括提升管(41)、下部的进气系统(42)和密封管(43)、底部的熔渣出口(44)、连通提升管(41)与密封管(43)的循环回料管(45)，所述密封管(43)连通连接生物炭收集器(3)的底部；
气化器旋风分离器包括相连接的气化器一级旋风分离器(6)和气化器二级旋风分离器(7)，所述气化器一级旋风分离器(6)连接提升管(41)的顶部，其底部连接热解器(2)的进料侧，气化器二级旋风分离器(7)的底部连接旋风分离式反应器(5)；
旋风分离式反应器(5)位于气化器旋风分离器下方，其与热解器(2)的出气管(24)连接，且与生物炭收集器(3)连接，其上方的出气管道连接冷却净化系统(8)和引风机(9)。
3.根据权利要求2所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：旋风分离式反应器(5)可置于热解器(2)的内部或外部。
4.根据权利要求2或3所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：进料下降管(12)是料封管，也可为闭锁料斗系统，保证反应系统的密封并能实现连续进料。
5.根据权利要求2或3所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：循环流化床气化器(4)中下段外部可设有蒸汽发生器，以利用其热量产生水蒸气，同时利于熔渣的冷却和排出。
6.根据权利要求1所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：热解器(2)采用微波加热时，其螺杆采用强化石墨、金属或陶瓷材质，热解器(2)的主体壳体采用陶瓷或石英管材质。
7.根据权利要求1所述的基于流化床和移动床的固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：热解器(2)可采用循环热床料加热和电加热相结合或循环热床料单独加热的型式。
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