CN105419878B - 一种固体废弃物两段热解气化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固体废弃物两段热解气化系统，具有固体废弃物物料进料系统、热解器、循环流化床氧化气化器系统、氧化气化器旋风分离器和旋风分离式反应器。本发明使用气提管和沉降管相结合的循环流化床氧化气化器、移动床和流化床相结合的热解反应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；且通过氧化气化器和热解反应器结构的优化设计、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以及进料系统的改进，能够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和热解气热值、减少了合成气和热解气焦油含量，制备出高品质的清洁热解气和合成气。

Description

一种固体废弃物两段热解气化系统
技术领域
本发明涉及生物质气化炉系统，尤其是涉及一种固体废弃物两段热解气化系统。
背景技术
在生物质能源的利用技术中，生物质热解气化技术是一种通过热化学反应将固态生物质转换为气体燃料的过程，其气体产物既可以用于发电、供气，也可以用于集中供暖。但是传统的气化技术存在着燃气热值低、焦油含量高、废水难于处理等问题，特别是燃气热值低、焦油含量高更是目前生物质气化技术面临的主要问题。由于现有的生物质气化技术采用使部分生物质物料低氧燃烧，然后利用其烟气具有的热量和剩余氧气对其余生物质物料进行热解和气化的方法，会产生大量焦油，无论是用于发电或供气，都存在燃气热值低和焦油含量高的问题。而焦油会堵塞管路、火花塞、污染气缸或燃气孔，使得发电和供气都无法正常运行，造成设备清理和维修工作的成本增加，严重的阻碍了生物质热解气化技术的推广应用。
目前无论是固定床、移动床还是流化床热解和气化器均不能很好的同时满足焦油含量少、热值高、成本较低的要求。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，但也面临着焦油含量高、反应器结构优化、床料选用、颗粒循环流动系统以及过程控制等各方面的问题，急需开发新型的热解气固体废弃物输送机化技术从而有效降低焦油和污染物含量、提高热解气化效率和热解气热值。
发明内容
本发明的目的是解决上述提出的问题，提供一种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以及进一步减少热解气和合成气中焦油与污染物的含量的固体废弃物两段热解气化系统。
实现本发明目的的技术方案是：本发明一种固体废弃物两段热解气化系统，具有固体废弃物物料进料系统、热解器、循环流化床氧化气化器系统、氧化气化器旋风分离器和旋风分离式反应器，所述固体废弃物进料系统与热解器连通连接；所述热解器的输出口通过管道与循环流化床氧化气化器系统连接；所述循环流化床氧化气化器系统的输出端与氧化气化器旋风分离器的输入端连接，所述氧化气化器旋风分离器的输出端与旋风分离式反应器的输入端连接，所述旋风分离式反应器与热解器连通连接。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述氧化气化器旋风分离器包括氧化气化器一级旋风分离器和氧化气化器二级旋风分离器，所述旋风分离式反应器包括一级旋风分离式反应器和二级旋风分离式反应器，所述氧化气化器一级旋风分离器的输出端连接一级旋风分离式反应器，所述氧化气化器二级旋风分离器的输出端连接二级旋风分离式反应器后，再与物料下降管的输入端连接。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述一级旋风分离式反应器设置在热解器的外部或内部，当一级旋风分离式反应器设置在热解器外部时，一级旋风分离式反应器的输出端与热解器连通连接。一级旋风分离式反应器置于热解器里面时可以提高传热效率。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述循环流化床氧化气化器系统依次包括沉降管、提升管、熔渣排出口、位于其底部的进气系统和设置在循环流化床氧化气化器系统管壁外的蒸汽发生器，所述提升管和沉降管为非对称布置，所述沉降管的输出口通过下料管与热解器的输入口连接。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述循环流化床氧化气化器系统依次包括沉降管、提升管、熔渣排出口、位于其底部的进气系统和设置在循环氧化气化器系统管壁外的蒸汽发生器，所述提升管和沉降管直径不同，并且设置为非对称布置，即提升管偏向设置在沉降管的一侧，所述沉降管的输出口通过下料管与热解器的输入口连接。循环流化床氧化气化器系统采用提升管和沉降管相结合的流化床结构形式，提升管和沉降管采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和下料管实现有效的料封，这些大颗粒直接被输送到热解器，避免了在旋风分离器和中的磨损。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述循环流化床氧化气化器系统采用相同直径的单管反应器，其依次包括提升管、熔渣排出口、位于其底部的进气系统和设置在循环流化床氧化气化器系统管壁外的蒸汽发生器。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述热解器的物料进料端为水平的螺杆进料器，所述热解器的主体为底板具有坡度的流化床反应器，所述底板上具有孔，所述热解器的加热方式可为微波加热或电加热。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述物料下降管的输入端连接固体废弃物输送机，固体废弃物通过输送机输送到物料下降管内，并最终进入热解器中。物料下降管里的物料有料封作用。
更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，所述氧化气化器旋风分离器的输出端与产热发电系统的输入端连接。所述旋风分离式反应器的输出端与气体冷却和净化系统的输入端连接。
本发明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，流化床和移动床相互作用实现燃烧、部分氧化和气化过程制备合成气以及通过热解反应器制备高品质热解气。本发明使用循环流化床氧化气化器、移动床和流化床相结合的热解器实现两段式热解气化，利用旋风分离式反应器实现热床料和热解气的充分混合以充分裂解重整焦油、脱除污染物。
循环流化床氧化气化器系统下游的两个旋风分离器实现气固分离后，热床料分别进入热解器的两个旋风分离式反应器，然后热床料由两个旋风分离式反应器分别进入热解器里面和物料进料系统的下降管，螺杆进料器将固体废弃物和床料混合物输送到热解器。循环流化床氧化气化器的沉降管下端的下料管可将较大颗粒的床料直接输送到热解器。从旋风分离器出来的合成气去下游，或返回到循环流化床氧化气化器系统的进气系统作燃料用；从旋风分离式反应器出来的热解气可去下游或返回到循环流化床氧化气化器系统的进气系统作燃料用。循环流化床氧化气化器系统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，熔渣冷却后落下由氧化气化器底部排出，氧化气化器里面有燃烧、部分氧化和气化反应发生，其气体产物是合成气；热解器的物料进料端是水平的螺杆进料器，热解器主体可以是底板有坡度的流化床和移动床结合的反应器，底板上有孔，流化介质是水蒸气或其它气体。
本发明采用压力传感和控制阀，通过下游燃烧器烟气或氧化气化反应器入口空气流量及空气燃料比来调整氧化气化器和热解器的压力使之均衡，有效确保两个反应器之间物料循环系统的稳定操作。
本发明具有积极的效果：(1)本发明的系统可以将热解气和合成气在同一装置两个反应器内同时生成，不仅提高了热解气化效率，而且减少了焦油和污染物排放。合成气和热解气不含二恶英等污染物，载热体、催化剂和生物炭等的协同作用以最大程度的减少焦油和污染物排放含量。
(2)热解器采用流化床和移动床结合的结构设计，采用螺杆输送、重力输送和流化相结合的颗粒流动模式，增加了热解系统稳定性和操作的灵活性，提高了对灰分熔融粘结的适应性。
(3)从循环流化床氧化气化器系统来的热床料分别在两处加入到热解器形成二段式热解器，热床料不仅和原料充分混合，而且在旋风分离式反应器内和含有焦油的热解气充分混合从而最大程度地减少了热解气焦油含量，利于热解器系统脱硫脱氯，提高了热解气化效率。
其中循环流化床氧化气化器系统可采用直径一致的单管反应器，也可采用提升管和沉降管相结合的流化床结构形式，流化床提升管和沉降管采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和下料管实现有效的料封，这些大颗粒直接被输送到热解器，避免了在旋风分离器中的磨损。
(4)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。
(5)循环流化床氧化气化器系统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)，混合燃烧在氧化气化器底部的径向中间区域产生高温使灰分熔融，熔渣冷却后落下由氧化气化器底部排出，熔渣具有再利用价值。氧化气化反应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。氧化气化反应器里面有燃烧、部分氧化和气化反应发生，其气体产物是合成气。
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为本发明的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
附图标记：1、固体废弃物物料进料系统，2、热解器，3、一级旋风分离式反应器，4、下料管，5、循环流化床氧化气化器系统，6、进气系统，7、提升管，8、沉降管，9、蒸汽发生器，10、氧化气化器一级旋风分离器，11、氧化气化器二级旋风分离器，12、二级旋风分离式反应器，13、螺杆进料器，14、物料下降管，15、固体废弃物输送机，16、固体废弃物，17、合成气，18、产热发电系统，19、热解气，20、气体冷却和净化系统、21熔渣排出口。
具体实施方式
(实施例1)
见图1所示，本发明具有的固体废弃物两段热解气化系统，具有固体废弃物物料进料系统1、热解器2、循环流化床氧化气化器系统5、氧化气化器旋风分离器和旋风分离式反应器，其中固体废弃物进料系统1与热解器2连通连接；热解器2的输出口通过管道与循环流化床氧化气化器系统5连接；循环流化床氧化气化器系统5的输出端与氧化气化器旋风分离器的输入端连接，氧化气化器旋风分离器的输出端与旋风分离式反应器连接，旋风分离式反应器与热解器2连通连接。
其中氧化气化器旋风分离器包括氧化气化器一级旋风分离器10和氧化气化器二级旋风分离器11。旋风分离式反应器包括一级旋风分离式反应器3和二级旋风分离式反应器12，氧化气化器一级旋风分离器10的输出端连接一级旋风分离式反应器3，氧化气化器二级旋风分离器11的输出端连接二级旋风分离式反应器12后，再与物料下降管14的输入端连接。
一级旋风分离式反应器3设置在热解器2的外部或内部。所述循环流化床氧化气化器系统5依次包括沉降管8、提升管7、位于其底部的进气系统6和设置在循环流化床氧化气化器系统5管壁外的蒸汽发生器9，、以及熔渣排出口21，提升管7和沉降管8为直径不相同的两个管件，沉降管8套设在提升管7之上，且非对称布置，即提升管7偏向沉降管8一侧，沉降管8的底部具有输出口，较大的床料颗粒通过下料管4，经过热解器2的输入口，进入热解器2中。
其中热解器2的物料进料端为水平的螺杆进料器13，螺杆进料器13深入到热解器2中部热解部分的腔体内，所述热解器2的主体腔体为底板具有坡度的流化床和移动床结合的反应器，所述底板上具有孔，所述热解器2的加热方式可为微波加热或电加热。固体废弃物进料系统1的物料下降管14的输入端连接固体废弃物输送机15，固体废弃物16通过固体废弃物输送机15输送到物料下降管14内。补充床料可在固体废弃物输送机15处加入。氧化气化器旋风分离器的输出端与产热发电系统18的输入端连接，氧化气化器旋风分离器内产生的合成气17可以被传输到产热发电系统18中。旋风分离式反应器内的输出端与气体冷却和净化系统20的输入端连接，旋风分离式反应器产生的热解气19可以被传输到气体冷却和净化系统20中。
其工作过程为：在循环流化床氧化气化器系统5的进气系统6通入空气和下游循环来的合成气或热解气(或粉末状固体燃料)从而发生氧化和部分氧化反应(完全燃烧和部分燃烧)，燃烧产生的高温使灰分融化形成熔渣由底部排出，循环流化床氧化气化器系统5的外部设有蒸汽发生器9；氧化产生的气体主要是高温的CO2、H2O和CO(CO是不完全燃烧产物)，这些气体和床层中的生物炭发生气化反应生成CO和H2，产生的产品气主要是CO2、H2O、CO、H2和CH4，我们这里称其为合成气。此合成气可用于产生蒸汽，部分蒸汽返回热解器2和循环流化床氧化气化器系统5作为流化介质。
循环流化床氧化气化器系统5采用提升管7和沉降管8相结合的流化床结构形式，提升管7和沉降管8采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管8下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和下料管4实现有效的料封，这些大颗粒直接被输送到热解器2中，避免了在氧化气化器一级旋风分离器10和氧化气化器二级旋风分离器11中的磨损。循环流化床氧化气化器系统5来的热床料经过氧化气化器一级旋风分离器10和氧化气化器二级旋风分离器11的气固分离后进入一级旋风分离式反应器3和二级旋风分离式反应器12内，热床料和含有焦油的热解气充分混合从而最大程度的减少了热解气焦油含量，利于热解器系统脱硫脱氯，也提高了系统热解气化效率。从一级旋风分离式反应器3和二级旋风分离式反应器12分离出来的热床料分别进入热解器2和物料进料系统的物料下降管14中形成二段式热解器(含干燥段和热解段)，一级旋风分离式反应器3置于热解器2里面以提高传热效率，一级旋风分离式反应器3分离出的固体床料经过一个弯管进入热解器2里面；气固分离后的热解气19进入下游的气体冷却和净化系统20。固体废弃物由固体废弃物物料进料系统进入热解器2，进料系统采用螺杆输送挤压和星型阀结合的密封方式，螺杆进料器13深入到热解器2里面，深入的螺杆可以进一步搅拌和分配床层物料，同时被热解器2内部高温加热，螺杆和从循环流化床氧化气化器系统5来的热床料将热量传递给固体废弃物起到对其预热和干燥的作用；进入热解器2内部的螺杆部分也和从下料管4来的热床料相互接触与摩擦，避免了螺杆上焦油的粘结和积碳。经过预热和干燥处理后的固体废弃物和从下料管4与一级旋风分离式反应器3加入的热床料混合发生热解反应。
热解器2采用流化床和移动床结合的结构设计，采用螺杆输送、重力输送(底板有斜坡)和流化(底板有孔)相结合的颗粒流动模式，增加了热解系统稳定性和操作的灵活性，提高了对灰分熔融粘结的适应性。通过热解反应器结构设计的改善和床料循环系统的改进，床料中的生物炭和催化剂可以将大部分焦油裂解，从而大幅度降低热解气中焦油含量。热解器2产生的生物炭和其它床料溢流至循环流化床氧化气化器系统5。其中热解器2用微波加热或电加热的方式提高热解温度，从而改善热解产品分布和组成，采用微波加热，热解器需用陶瓷或石英管反应器并以生物炭和床料为微波吸收剂。
除了生物炭外，床料主要包括载热体和催化剂等，这些床料协同作用以最大程度的减少焦油含量和污染物排放。通过热解和氧化气化反应器进料系统的改进、氧化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，本系统可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、提高了热解气热值、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。
(实施例2)
见图2所示，与实施1的区别之处在于所述循环流化床氧化气化器系统5采用相同直径的单管反应器，其依次包括提升管7、位于其底部的进气系统6、熔渣排出口21、和设置在循环流化床氧化气化器系统5管壁外的蒸汽发生器9。
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 (9)

1.一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：具有固体废弃物物料进料系统(1)、热解器(2)、循环流化床氧化气化器系统(5)、氧化气化器旋风分离器和旋风分离式反应器，所述固体废弃物进料系统(1)与热解器(2)连通连接；所述热解器(2)的输出口通过管道与循环流化床氧化气化器系统(5)连接；所述循环流化床氧化气化器系统(5)的输出端与氧化气化器旋风分离器的输入端连接，所述氧化气化器旋风分离器的输出端与旋风分离式反应器的输入端连接，所述旋风分离式反应器与热解器(2)连通连接。
2.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述氧化气化器旋风分离器包括氧化气化器一级旋风分离器(10)和氧化气化器二级旋风分离器(11)，所述旋风分离式反应器包括一级旋风分离式反应器(3)和二级旋风分离式反应器(12)，所述氧化气化器一级旋风分离器(10)的输出端连接一级旋风分离式反应器(3)，所述氧化气化器二级旋风分离器(11)的输出端连接二级旋风分离式反应器(12)后，再与物料下降管(14)的输入端连接，所述氧化气化器二级旋风分离器(11)的输出端也可和热解器(2)直接连接。
3.根据权利要求2所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述一级旋风分离式反应器(3)设置在热解器(2)的外部或内部，当一级旋风分离式反应器(3)设置在热解器(2)外部时，一级旋风分离式反应器(3)的输出端与热解器(2)连通连接。
4.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述循环流化床氧化气化器系统(5)依次包括沉降管(8)、提升管(7)、熔渣排出口(21)、位于其底部的进气系统(6)和设置在循环流化床氧化气化器系统(5)管壁外的蒸汽发生器(9)，所述提升管(7)和沉降管(8)直径不同，并且设置为非对称布置，提升管(7)偏向设置在沉降管(8)的一侧，所述沉降管(8)的输出口通过下料管(4)与热解器(2)的输入口连接。
5.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述循环流化床氧化气化器系统(5)采用相同直径的单管反应器，其依次包括提升管(7)、熔渣排出口(21)、位于其底部的进气系统(6)和设置在循环流化床氧化气化器系统(5)管壁外的蒸汽发生器(9)。
6.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述热解器(2)的物料进料端为水平的螺杆进料器(13)，所述热解器(2)的主体为底板具有坡度的流化床和移动床结合的反应器，所述底板上具有孔，所述热解器(2)的加热方式可为微波加热或电加热。
7.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述物料下降管(14)的输入端连接固体废弃物输送机(15)和二级旋风分离式反应器(12)，固体废弃物(16)通过固体废弃物输送机(15)输送到物料下降管(14)内，并最终进入热解器(2)中，反应器补充床料可由固体废弃物输送机(15)加入，二级旋风分离式反应器(12)的输出端和物料下降管(14)连接，也可直接和螺杆进料器(13)的中间和末端部位连接。
8.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述氧化气化器旋风分离器(11)的输出端与产热发电系统(18)的输入端连接，旋风分离式反应器(12)的输出端与气体冷却和净化系统(20)的输入端连接。
9.根据权利要求1所述的一种固体废弃物两段热解气化系统，其特征在于：所述循环流化床氧化气化器系统(5)底部通入空气和燃气或粉末状固体燃料，发生燃烧和部分氧化反应产生高温；高温气体在循环流化床氧化气化器系统(5)底部径向中间的位置进入，熔渣由其下面的熔渣排出口(21)排出，空气和燃料加入系统通过管道和循环流化床氧化气化器系统(5)连接。
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