CN106045806A - 一种热解垃圾制备苯的系统及方法 - Google Patents

一种热解垃圾制备苯的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热解垃圾制备苯的系统和方法。该系统包括旋转床热解反应器、乙炔存储装置、冷却装置和苯分离装置；旋转床热解反应器包括进料区、预热区、反应区和出料区，进料区设有进料口，反应区设有乙炔入口和热解油气出口，出料区设有出料口；乙炔存储装置设有乙炔出口，乙炔出口与乙炔入口相连；冷却装置设有热解油气入口和热解油出口，热解油气入口与热解油气出口相连；苯分离装置设有热解油入口和苯出口，热解油入口与热解油出口相连。本发明所提供的系统及方法具有投资小、工艺流程简单、经济效益好等优点。

Description

一种热解垃圾制备苯的系统及方法
技术领域
本发明属于垃圾资源化处理技术领域，具体涉及一种热解垃圾制备苯的系统及方法。
背景技术
当前，我国垃圾围城的程度日趋严重，传统垃圾处理方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧发电等，这些方法虽然各有特点，但都存在一定不足，无法满足当今社会对垃圾处理减量化、无害化和资源化的要求。
垃圾热解技术是在无氧条件下，利用高温使生活垃圾中有机高分子的化学键发生断裂，释放出各种挥发份的反应过程，其产物为固体炭、热解气和热解油，垃圾热解过程不会产生二次污染，并且其中的热解油可作为产品出售。因此，相对于其他处理方式，将垃圾进行热解能够满足现阶段垃圾处理要求，并可带来一定的经济性，具有广阔的发展前景。
苯是一种重要的有机化工原料，具有十分广泛的工业用途。随着我国有机化工工业的迅速发展，市场对苯的需求量增大。用乙炔制苯是一种制备苯的方法。乙炔在高温和催化剂存在的条件下，自身能发生加成反应生成苯。
垃圾热解时，其反应器内部正好是高温环境，而且垃圾热解后产生的热解炭可以作为乙炔反应生成苯的催化剂。因此，垃圾热解时的环境非常适合乙炔发生反应生成苯。
发明内容
本发明旨在提供一种热解垃圾制备苯的系统及方法。
根据本发明的一个方面，一种热解垃圾制备苯的系统，其包括旋转床热解反应器、乙炔存储装置、冷却装置和苯分离装置；
所述旋转床热解反应器包括进料区、预热区、反应区和出料区，所述进料区设有进料口，所述反应区设有乙炔入口和热解油气出口，所述出料区设有出料口；
所述乙炔存储装置设有乙炔出口，所述乙炔出口与所述乙炔入口相连；
所述冷却装置设有热解油气入口和热解油出口，所述热解油气入口与所述热解油气出口相连；
所述苯分离装置设有热解油入口和苯出口，所述热解油入口与所述热解油出口相连。
在本发明的一个实施方案中，所述乙炔入口设置在所述反应区底面上。
在本发明的一个实施方案中，所述热解油气出口设置在所述反应区的侧壁上，且位于所述反应区的加热装置的下方。
在本发明的一个实施方案中，所述预热区和所述反应区的加热装置为蓄热式辐射管燃烧器，所述蓄热式辐射管燃烧器设置在所述旋转床热解反应器的外侧壁上，其高度在料层高度以上，且辐射管燃烧器表面喷涂陶瓷涂层。
在本发明的一个实施方案中，所述反应区的料板采用气体分布板。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用上述系统热解垃圾制备苯的方法，所述方法包括如下步骤：
将垃圾送入所述旋转床热解反应器进行热解，制得热解油气和热解炭,所述热解油气包括不凝气体和热解油；
将所述乙炔存储装置中的乙炔送入所述旋转床热解反应器中，所述乙炔在所述不凝气体气氛中以及在所述热解炭的催化作用下反应生成苯；
将包含苯的热解油气送入所述冷却装置进行冷却，制得热解油；
将所述热解油送入所述苯分离装置中进行分离，制得苯。
在本发明的一个实施方案中，所述反应区的反应温度为600-850℃。
在本发明的一个实施方案中，所述垃圾的粒径为10-30mm。
在本发明的一个实施方案中，所述垃圾的水分含量为5-15wt％。
在本发明的一个实施方案中，所述乙炔的用量为所述不凝气体体积的10-15％。
本发明所提供的系统及方法，将乙炔通入旋转床热解反应器中，在垃圾热解产生的甲烷、氢气和二氧化碳气氛中，以及在垃圾热解产生的热解炭的催化作用下，乙炔反应生成苯。本发明所提供的系统及方法将垃圾热解和乙炔制苯的反应结合在一起，垃圾热解为乙炔制苯的反应提供了所需的条件，节约了能耗也节省了投资和运行成本，而且工艺流程也非常简单。
此外，本发明所提供的系统及方法也提高了垃圾热解油中芳烃的含量，使所得的垃圾热解油的品质得到提升，明显的提高了垃圾热解油的经济价值。
附图说明
图1为本发明实施例的一种热解垃圾制备苯的系统的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种旋转床热解反应器的结构示意图。
图3为本发明实施例的一种热解垃圾制备苯的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明首先提供了一种热解垃圾制备苯的系统，该系统包括旋转床热解反应器、乙炔存储装置、冷却装置和苯分离装置。
旋转床热解反应器是本系统的核心装置，是垃圾热解、乙炔反应的反应器。如图2所示，旋转床热解反应器的外形为圆形，其包括进料区、预热区、反应区和出料区。其中，进料区设有进料口，反应区设有乙炔(C2H2)入口和热解油气出口，出料区设有出料口。
乙炔入口可以设置在反应区的任何位置，其最优的位置为反应区的底面上。在相同的压力下，乙炔的密度小于空气的密度，乙炔从下往上进入反应区，能与垃圾热解产生热解炭(C)充分的接触，并在垃圾热解产生的不凝气体(甲烷(CH4)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)等)的氛围中反应生成苯。
热解油气的出口可以设置在反应区的任意位置，其最优的位置为反应区的侧壁上，且位于反应区的加热装置的下方。这样热解油气不经过加热装置所在的高温区，避免油气发生二次裂解，有利于提高热解油收率。
预热区和反应区的加热装置不需要特别限定，其最优的选择为蓄热式辐射管燃烧器。蓄热式辐射管燃烧器能够产生均匀分布的温度场，使热解物料均匀受热，并能实现热解气与加热装置产生烟气的隔绝，简化了后续工艺流程。蓄热式辐射管燃烧器设置在旋转床热解反应器的外侧壁上，其高度在料层高度以上，且蓄热式辐射管燃烧器的表面喷涂有陶瓷涂层。蓄热式辐射管燃烧器的数量不限，需要根据不同区域所需要的温度进行设置。
反应区的料板不需要特别限定，其最优的选择为气体分布板。选用气体分布板可以让乙炔在反应区内分布更加均匀，有利于提高其反应效果。
反应区的数量可以设置多个，以控制不同的反应温度。图2所示的旋转床热解反应器设有两个反应区。
旋转床热解反应器的底部设有转动机械，转动机械带动环形底面转动，位于底面上的物料随之转动，经过各个区域受热发生热解。
乙炔存储装置设有乙炔出口，乙炔出口与乙炔入口相连。乙炔存储装置用于为旋转床热解反应器提供乙炔。
冷却装置设有热解油气入口和热解油出口，热解油气入口与热解油气出口相连。冷却装置用于分离热解油和热解气。
苯分离装置设有热解油入口和苯出口，热解油入口与热解油出口相连。苯分离装置用于从热解油中将苯提取出来。
本发明还提供了一种利用上述系统热解垃圾制备苯的方法。如图3所示，本方法包括如下步骤：
热解：首先，将垃圾送入旋转床热解反应器进行热解，制得热解油气和热解炭，热解油气包括不凝气体(如甲烷、氢气、二氧化碳等)和热解油。然后，将乙炔存储装置中的乙炔送入旋转床热解反应器中，乙炔在不凝气体气氛中以及在热解炭的催化作用下反应生成苯。
所用垃圾的粒径不需要特别限定。垃圾热解后的产生热解炭在本发明中是乙炔反应的催化剂，垃圾的粒径越小，热解所得的热解炭粒径也越小，其比表面积越大，催化效果越好。但将垃圾加工得越小，所需工艺越复杂。发明人经过大量实验发现，垃圾的粒径为10-30mm时为最优条件。
所用垃圾的水分含量不用特别限定。垃圾水分含量越多，热解时所需的热量越多。发明人经过大量实验发现，垃圾的水分含量为5-15wt％时能满足本发明的要求。
从乙炔入口通入的乙炔经气体分布板进入旋转床热解反应器后向上流动，与生成的热解炭接触，在热解炭的催化作用下，乙炔发生反应，生成苯。
乙炔生成苯的反应需要在高温和催化剂存在的条件下才能进行，旋转床热解反应器在热解垃圾时，其内部正好是高温环境，而且垃圾热解后产生的热解炭可以作为乙炔反应生成苯的催化剂。
乙炔在生成苯的同时，自身也会发生分解反应：
上述反应为可逆反应。垃圾热解后产生的不凝气体中含有甲烷、氢气，因此能在一定程度上抑制乙炔发生分解反应。此外，垃圾热解后产生的不凝气体中还含有二氧化碳，二氧化碳不仅能调节甲烷的分压，二氧化碳还具有与分解生成的炭反应消除积碳的功能。。
反应温度并不需要特别限定。温度越高，煤热解的速度越快，乙炔自身发生加成反应生成的苯更多，但能耗越大；温度越低，热解速度越慢，乙炔的反应效果较差。发明人经过大量实验发现，600-850℃为反应区的最佳反应温度。
乙炔的用量并不需要特别限定。通入旋转床热解反应器的乙炔太多，其反应不完全，而若太少，制得的热解油中苯的含量也相应很少，不满足本发明的目的。发明人经过大量实验发现，乙炔的用量为垃圾热解后产生的不凝气体体积的10-15％是最佳的。
冷却：将包含苯的热解油气送入冷却装置进行冷却，制得热解油。
分离：将热解油送入苯分离装置中进行分离，制得苯。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的测试方法均为本行业中常用的测试方法。
实施例1
本实施例提供一种热解垃圾制备苯的系统。
如图1所示，本系统包括进料装置、旋转床热解反应器、出料装置、乙炔存储装置、冷却装置和苯分离装置。
如图2所示，旋转床热解反应器的外形为圆形，其包括进料区、预热区、反应区和出料区。其中，进料区设有进料口，反应区设有乙炔入口和热解油气出口，出料区设有出料口。
乙炔入口设置在反应区底面上。热解油气出口设置在反应区的侧壁上，且位于反应区的加热装置的下方。预热区和反应区的加热装置为蓄热式辐射管燃烧器，蓄热式辐射管燃烧器设置在旋转床热解反应器的外侧壁上，其高度在料层高度以上，且辐射管燃烧器表面喷涂陶瓷涂层。反应区的料板采用气体分布板。旋转床热解反应器的底部设有转动机械。
进料装置与进料口相连，用于将垃圾送入旋转床热解反应器中。
出料装置与出料口相连，用于将垃圾热解后产生的热解炭送出旋转床热解反应器。
乙炔存储装置设有乙炔出口，乙炔出口与乙炔入口相连。乙炔存储装置用于存储乙炔，并将乙炔送入旋转床热解反应器中。
冷却装置设有热解油气入口和热解油出口，热解油气入口与热解油气出口相连。冷却装置用于分离热解油和热解气。
苯分离装置设有热解油入口和苯出口，热解油入口与热解油出口相连。苯分离装置用于提取苯。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1所提供的系统热解垃圾制备苯的方法。所用的垃圾的组成成分如表1所示，该方法如图3所示，具体如下：
垃圾首先经分选、破碎、干燥、成型处理后大部分为可热解的有机物。选取1吨粒径为10-30mm、含水率为13wt％的垃圾，控制反应二区温度为650℃。压制成型的垃圾经进料装置进入旋转床热解反应器，均匀布于旋转床反应器底面上，随底面的转动，经预热区、反应一区和反应二区加热至650℃进行热解反应，生成热解油气(包括不凝气体和热解油)和热解炭。在不通入乙炔气的情况下，垃圾热解得到的热解气(不凝气体)中的甲烷、氢气、二氧化碳和一氧化碳的量如表2所示。生成的不凝气体的体积为946.8m3。
然后，往旋转床热解反应器通入乙炔，通入的乙炔的量为94.68m3。乙炔在向上流动过程中与生成的热解炭接触，在热解炭的催化作用下，进一步促进乙炔反应生成苯。含有苯的热解油气自位于反应二区侧壁的热解油气出口排出，之后经历冷却装置得到热解油、热解气。热解得到的热解炭经出料装置排出，热解气进一步处理后收集备用，将热解油进一步送入苯分离装置中，分离后得到苯。剩下的不含苯的热解油收集后备用。
通入乙炔后，增加的苯量为垃圾自身热解产生的苯的1.95倍。
实施例3
本实施例提供另一种利用实施例1所提供的系统热解垃圾制备苯的方法。所用的垃圾的组成成分与实施例2所用的垃圾一样，该方法如图3所示，具体如下：
垃圾首先经分选、破碎、干燥、成型处理后大部分为可热解的有机物。选取1吨粒径为10-30mm、含水率为5wt％的垃圾，控制反应二区温度为750℃。压制成型的垃圾经进料装置进入旋转床热解反应器，均匀布于旋转床反应器底面上，随底面的转动，经预热区、反应一区和反应二区加热至750℃进行热解反应，生成热解油气(包括不凝气体和热解油)和热解炭。在不通入乙炔气的情况下，垃圾热解得到的热解气(不凝气体)中的甲烷、氢气、二氧化碳和一氧化碳的量如表2所示。生成的不凝气体的体积为1262.6m3。
然后，往旋转床热解反应器通入乙炔，通入的乙炔的量为189.39m3。乙炔在向上流动过程中与生成的热解炭接触，在热解炭的催化作用下，进一步促进乙炔反应生成苯。含有苯的热解油气自位于反应二区侧壁的热解油气出口排出，之后经历冷却装置得到热解油、热解气。热解得到的热解炭经出料装置排出，热解气进一步处理后收集备用，将热解油进一步送入苯分离装置中，分离后得到苯。剩下的不含苯的热解油收集后备用。
通入乙炔后，增加的苯量为垃圾自身热解产生的苯的3倍。
表1垃圾的组成成分
表2热解气中甲烷、氢气、二氧化碳和一氧化碳的含量
综上，可以得知，本发明所提供的系统及方法，将乙炔通入旋转床热解反应器中，在垃圾热解产生的甲烷、氢气和二氧化碳气氛中，以及在垃圾热解产生的热解炭的催化作用下，乙炔反应生成苯。本发明所提供的系统及方法将垃圾热解和乙炔制苯的反应结合在一起，垃圾热解为乙炔制苯的反应提供了所需的条件，节约了能耗也节省了投资和运行成本，而且工艺流程也非常简单。
此外，本发明所提供的系统及方法也提高了垃圾热解油中芳烃的含量，使所得的垃圾热解油的品质得到提升，从而提高了垃圾热解油的经济价值。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种热解垃圾制备苯的系统，其特征在于，其包括旋转床热解反应器、乙炔存储装置、冷却装置和苯分离装置；
所述旋转床热解反应器包括进料区、预热区、反应区和出料区，所述进料区设有进料口，所述反应区设有乙炔入口和热解油气出口，所述出料区设有出料口；
所述乙炔存储装置设有乙炔出口，所述乙炔出口与所述乙炔入口相连；
所述冷却装置设有热解油气入口和热解油出口，所述热解油气入口与所述热解油气出口相连；
所述苯分离装置设有热解油入口和苯出口，所述热解油入口与所述热解油出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述乙炔入口设置在所述反应区底面上。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热解油气出口设置在所述反应区的侧壁上，且位于所述反应区的加热装置的下方。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预热区和所述反应区的加热装置为蓄热式辐射管燃烧器，所述蓄热式辐射管燃烧器设置在所述旋转床热解反应器的外侧壁上，其高度在料层高度以上，且辐射管燃烧器表面喷涂陶瓷涂层。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应区的料板采用气体分布板。
6.一种利用权利要求1-5中任一所述系统热解垃圾制备苯的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将垃圾送入所述旋转床热解反应器进行热解，制得热解油气和热解炭，所述热解油气包括不凝气体和热解油；
将所述乙炔存储装置中的乙炔送入所述旋转床热解反应器中，所述乙炔在所述不凝气体气氛中以及在所述热解炭的催化作用下反应生成苯；
将包含苯的热解油气送入所述冷却装置进行冷却，制得热解油；
将所述热解油送入所述苯分离装置中进行分离，制得苯。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反应区的反应温度为600-850℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述垃圾的粒径为10-30mm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述垃圾的水分含量为5-15wt％。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述乙炔的用量为所述不凝气体体积的10-15％。
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