CN105567264A

CN105567264A - 一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备

Info

Publication number: CN105567264A
Application number: CN201510963870.3A
Authority: CN
Inventors: 徐建; 曲永水; 李莉; 黄博; 李宏强; 王学志
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2016-05-11

Abstract

本发明公开了一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备，其结构包括：控制模块、预处理模块、热解模块、二次催化模块、冷凝模块、净化吸收模块、液体收集模块以及气体收集模块。本发明根据处理物料性状及处理要求，启用选用相应模块工作，使用控制模块对系统进行控制，将反应装置温度、气体压力及流速、多级冷却系统温度、吸收液流速及回流比等调整在所需的温度、压力及流速范围内，并使其传热、传质均匀，最后将气体与液体产物存储在相应的存储模块中，实现固体废弃物催化热解制备高值燃气。本设备采用触摸屏操作，动态显示温度、压力、流速、时间等参数，自动、智能化程度高，人机交流简易、方便，可根据原料的性状以及处理程度、产品品质要求对生产过程进行模块化设计与组合，提高固体废弃物处理过程的效率与经济性。

Description

一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备

技术领域

本发明属于生物化工领域，特别涉及一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，生活垃圾、餐厨垃圾以及污泥等有机废弃物呈现出直线增长的态势，而另一方面，随着化石能源的枯竭以及空气污染的日益严重，包括核桃壳、椰壳、扁桃壳等坚果壳，玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、稻草秸秆、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、树枝、木屑和杂草、稻壳等农林废弃物的无害化、资源化利用受到了前所未有的重视。目前这些固体废弃物通常采用填埋、焚烧和堆肥处置等方式进行处理，但直接填埋除了会产生大量恶臭、高浓度渗滤液等污染物以外，填埋有机物降解过程产生的甲烷作为重要的温室气体排放源也成为关注的热点。而在焚烧过程中燃烧不充分而产生二噁英，尤其是农林废弃物的就地焚烧成为空气污染的重要因素之一。由此，随着人们对资源再生利用重要性认识的提高，固体废弃物处理的方式从单纯的消纳处置，逐渐向资源回收利用的方式转化，以资源回收为目的的固体废弃物处理技术也得到迅速发展。而热解气化技术成为具有发展潜力的固体废弃物利用技术。以日本为例，随着《食品废物循环法》、《新能源法实施令》等行政法规的颁布实施，以有机废弃物为对象的能量资源化技术在日本得到广泛的开发和应用。目前，日本生物质废物的能量利用率约为23.3％，达到294PJ/a(1PJ＝1015J)，生物制气占到其中的18.8％。虽然固体废气物气化作为固体废气物综合利用的有效途径，具有良好的发展前景，但由于气化燃气中所含焦油占粗燃气总能量的5-15％，且在低温时凝结为液态，容易和水、焦炭等结合在一起，堵送气管道，造成使气化设备运行困难。另外，凝结为细小液滴的焦油比气体难以燃烬，在燃烧时容易产生炭黑等颗粒，对燃气利用设备等损害相当严重，这就大大降低了气化燃气的利用价值。但又缺少有效得焦油去除方法，已成为该技术在我国推广的主要障碍。因此，有必要进一步开发经济高效、集成化程度高、智能化并适合工业放大的固体废弃物热解及定向催化设备。

发明内容

【发明目的】本发明的目的是设计一台模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备，为探究固体废弃物气化工艺的工业放大，奠定基础。

【本发明的构思】针对固体废弃物气化技术，现有的气化设备不能很好解决焦油净化进而提高气体热值的问题，本专利提出了一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备，可以根据处理物料性状及处理要求，启用选用相应模块工作，使用控制模块对系统进行控制，将反应装置温度、气体压力及流速、多级冷却系统温度、吸收液流速及回流比等调整在所需的温度、压力及流速范围内，并使其传热、传质均匀，最后将气体与液体产物存储在相应的存储模块中，实现固体废弃物催化热解制备高值燃气。

【本发明技术方案】

一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备，包括控制模块、预处理模块、热解模块、二次催化模块、冷凝模块、净化吸收模块、液体收集模块以及气体收集模块：

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，设备采用PLC自动化控制，触摸屏操作，即时显示温度、压力、时间、流速、液体输送泵功率、气体流速及液体产物体积等参数。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，在预处理模块中可选择使用微波或水热预处理方式对原料进行预处理，当模块中微波方式工作时，在设备的进出料装置与传送系统的配合下，物料可以连续进出微波反应系统，实现物料的连续预处理；切换到水热预处理方式时，使用间歇操作方式对物料进行预处理，并使用惰性气体对其进行加压操作。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，热解模块主体设备内部可实现分段式温度控制，根据物料性质不同，可实现二次热解与催化热解过程切换。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，二次催化模块主体设备含有多级塔板并使用法兰固定，塔板上放置整体化催化剂，载体为分级错流结构，活性组分为硝酸盐、尖晶石类氧化物以及杂多酸盐等；二次催化模块根据热解物料种类及数量可调整催化剂种类及数量，催化剂在使用完毕后整体卸载与活化。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，冷凝模块使用板式、管束型与翼型管式冷凝器采用多级串联的方式对热解所得气体进行冷凝，所得液体，有机相部分进入液体收集模块。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，吸收净化模块使用喷淋与多塔板结合的方式对燃气中的小分子有机物进行吸附，经三级净化后的燃气进入气体收集模块。

上述模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备中，分别使用压力流量控制对气体与液体收集进行控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施方式提供的模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备集成化、功能化程度高，方便实用。

本发明的基本构造如下：

物料首先安置在预处理模块2，可以根据要求选用水热或者微波预处理方式，预处理反应器上端设有补水的进水喷头、湿度探头，可以对物料进行水份调节，并检测箱体内的湿度变化。在反应器进料口、中间、出料口处分别安装热电偶、红外测温仪，实时检测反应器内的温度并反馈至控制模块1，进行显示与控制。此外，预处理反应器底端留有进气口，顶端留有出气口与安全阀，必要时可通入惰性气体对预处理过程进行保护。经预处理后的物料放置于热解模块3，热解炉采取分段加热的方式分别进行控温，根据需要，本热解炉可装填催化剂进行催化热解，热解炉上端装有安全阀与出气口，通过阀门控制部分进行回流热解。热解的粗燃气进入二次催化模块4，二次催化主体设备含有多级塔板并使用法兰固定，塔板上放置整体化催化剂，载体为分级错流结构，活性组分为硝酸盐、钙钛矿类氧化物、尖晶石类氧化物以及杂多酸盐等，二次催化模块根据热解物料种类及数量可调整催化剂种类及数量，催化剂在使用完毕后整体卸载与活化。冷凝模块5使用板式、管束型与翼型管式冷凝器采用多级串联的方式对热解所得气体进行冷凝。经冷凝后燃气进入净化吸收模块6，净化吸收模块使用喷淋与多塔板结合的方式对燃气中的小分子有机物进行吸附，经三级净化后的燃气进入气体收集模块7所得液体，有机相部分进入液体收集模块8。气体与液体收集模块上端具有安全阀与流量计，控制收集气体与液体的流速与回流量。

本发明具有以下特点和优势：

1.反应模块可以根据需要进行调节，可满足不同强度实验的需要；

2.设备智能化程度较高，控制面板可控参数多，如湿度，温度，压力，流速，回流比，微波功率，工作时间等；

3.多级催化耦合，提高了热解气化效率与燃气的热值；

4.结构简单，结合紧凑，设备造价低；

5.可适用于多种固体废弃物的处理，设备适用性强；

尾气处理完善，减免污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的集成式生物质燃气催化合成及净化装置示意图；

图中各标号对应的部件为：1-控制模块；2-预处理模块；3-热解模块；4-二次催化模块；5-冷凝模块；6-净化吸收模块；7-液体收集模块；8-气体收集模块。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

处理1kg玉米秸秆的模块式固体废弃物催化热解设备。

如附图1，固液比为40％(m/v)物料首先安置在预处理模块2，选用微波预处理方式，微波功率4KW，反应时间为10min，而后脱水烘干，控制含水量为95％，而后放置于热解模块3，开启双温控制模式，上次放置的催化剂50g，活性组分为硝酸镍，负载量为5％，载体为氧化铝上，温度为700℃；下层热解温度为500℃，阀门回流比为2:8，热解完燃气经由冷凝模块5后进入净化模块6，净化采用1％的NaOH溶液进行喷淋，喷淋流速为10ml/min，吸收液回流比为4:6，经三级净化后的燃气进入气体收集模块7所得液体，有机相部分进入液体收集模块8。

反应结束后，可得燃气0.35m³，燃气含水量为5.2％，CO、CO₂、H₂、CH₄相对百分含量分别约为32.16％、24.10％、17.95％、23.96％，液体产品含量为0.3kg，固体产物0.42kg。

实施例2

处理0.8kg餐厨垃圾的模块式固体废弃物催化热解设备。

如附图1，调节固液比为20％(m/v)物料首先安置在预处理模块2，选用水热预处理方式，200℃处理100min，而后脱水烘干，控制含水量为90％，进而放置于热解模块3，开启单温控制模式，热解温度为600℃，粗解燃气经回流比为4:6进入二次催化模块4，本模块分为3级，由下自上依次为瓷石初吸收、沸石吸收、整体型催化剂，催化剂活性组分为尖晶石型氧化铁，催化温度为700℃，经催化后燃气经由冷凝模块5后进入净化模块6，净化采用1％的NaOH溶液进行喷淋，喷淋流速为20ml/min，吸收液回流比为3:7，经三级净化后的燃气进入气体收集模块7所得液体，有机相部分进入液体收集模块8。

反应结束后，可得燃气0.23m³，燃气含水量为7.1％，CO、CO₂、H₂、CH₄相对百分含量分别约为30.28％、34.2％、14.23％、21.43％，液体产品含量为0.14kg，固体产物0.25kg。

实施例3

处理2kg市政污泥的模块式固体废弃物催化热解设备。

如附图1，调节固液比为30％(m/v)物料首先安置在预处理模块2，选用水热预处理方式，220℃处理60min，而后脱水烘干，控制含水量为90％，进而放置于热解模块3，开启双温控制模式，上次放置的催化剂80g，活性组分为磷钨酸镍，负载量为10％，载体为分子筛，温度为800℃；下层热解温度为600℃，阀门回流比为3:7，进入二次催化模块4，本模块分为3级，由下自上依次为瓷石初吸收、沸石吸收、整体型催化剂，催化剂活性组分为尖晶石型氧化铁，催化温度为800℃，经催化后燃气经由冷凝模块5后进入净化模块6，净化采用1％的NaOH溶液进行喷淋，喷淋流速为30ml/min，吸收液回流比为3:7，经三级净化后的燃气进入气体收集模块7所得液体，有机相部分进入液体收集模块8。

反应结束后，可得燃气0.68m³，燃气含水量为6.3％，CO、CO₂、H₂、CH₄相对百分含量分别约为42.7％、28.7％、12.35％、11.64％，液体产品含量为0.78kg，固体产物0.64kg。

Claims

1.一种模块式固体废弃物催化热解制备高值燃气的设备，其特征在于：包括控制模块、预处理模块、热解模块、二次催化模块、冷凝模块、净化吸收模块、液体收集模块以及气体收集模块。

2.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：可使用该设备对包括核桃壳、椰壳、扁桃壳等坚果壳，玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、稻草秸秆、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、树枝、木屑和杂草、稻壳等农林废弃物以及餐厨与果蔬垃圾、污泥等固体废弃物中的一种或多种混合物的催化热解过程。

3.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：设备采用PLC自动化控制，触摸屏操作，即时显示温度、压力、时间、流速、液体输送泵功率、气体流速及液体产物体积等参数。

4.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：在预处理模块中可选择使用微波或水热预处理方式对原料进行预处理，当模块中微波方式工作时，在设备的进出料装置与传送系统的配合下，物料可以连续进出微波反应系统，实现物料的连续预处理；切换到水热预处理方式时，使用间歇操作方式对物料进行预处理，并使用惰性气体对其进行加压操作。

5.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：热解模块主体设备内部可实现分段式温度控制，根据物料性质不同，可实现二次热解与催化热解过程切换。

6.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：二次催化模块主体设备含有多级塔板并使用法兰固定，塔板上放置整体化催化剂，载体为分级错流结构，活性组分为硝酸盐、尖晶石类氧化物以及杂多酸盐等；二次催化模块根据热解物料种类及数量可调整催化剂种类及数量，催化剂在使用完毕后整体卸载与活化。

7.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：冷凝模块使用板式、管束型与翼型管式冷凝器采用多级串联的方式对热解所得气体进行冷凝，所得液体，有机相部分进入液体收集模块。

8.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：吸收净化模块使用喷淋与多塔板结合的方式对燃气中的小分子有机物进行吸附，经三级净化后的燃气进入气体收集模块。

9.如权利要求1所述模块式固体废弃物催化热解设备，其特征在于：分别使用压力流量控制对气体与液体收集进行控制。