CN106167713A - 一种低温连续热处理固定床反应器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温连续热处理固定床反应器及方法。本发明所述反应器具有进料口、壳体、反应室、出料口，进料口位于出料口之上，反应室中具有进料螺旋、出料螺旋、料板，料板包括进料端和出料端，进料螺旋在进料口之下、进料端上部，出料螺旋在出料端上部，出料端在出料口之上；进料螺旋包括中心螺杆和左、右螺旋叶片，中心螺杆横穿左、右螺旋叶片，左、右螺旋叶片垂直于中心螺杆的中心线成轴对称，间距为进料口口径的1/3～1/2。本发明可在热态条件下实现连续进出料，设备故障率低，经济效益高。

Description

一种低温连续热处理固定床反应器及方法

技术领域

本发明涉及热处理反应器领域，尤其涉及一种低温连续热处理固定床反应器，以及利用该固定床反应器对物料进行热解的方法。

背景技术

煤炭和其它含碳有机组分物料(如生活垃圾、生物质、污泥、油泥、废轮胎、废塑料)，经过热处理可产生固态、液态和气态产物，这些产物被制成可回收、易利用、易运输及易储存的能源形态，可供热发电或用作化工及其它产业的原料。上述热处理工艺包括碳化、气化、热解、液化或者其他相关工艺。

其中，热解作为热处理工艺的一种，所使用的反应器有多种，包括工业生产常用的移动床、固定床、回转窑、流化床，还包括烧蚀床和悬浮炉等，主要用于回收热解产物中的某一种或两种物质。

移动床热解工艺属于慢速热解工艺，适用于处理大块废轮胎且不需除去钢丝和纤维帘线，可减少中间产物的二次反应，提高热解油的产率。该工艺中低压条件可减少热解炭上附着的含碳残留物，提高其作为炭黑重新使用的可能性，所得热解油中轻质石脑油和芳香化合物含量较高，经济效益高且可提高燃料油的辛烷值。但是采用的外热式供热方式，传热效率较低，导致整个系统不能满负荷工作。

流化床热解工艺属于快速热解工艺，加热速率快、气相停留时间短，热利用效率高，可降低二次反应的发生，热解油产率较高。但是物料热解过程中处于硫化态，导致热解液中含尘量高，较难处理。

烧蚀床热解工艺是将反应物料与灼热的金属表面直接接触换热，使物料迅速升温并裂解。该工艺热解时间短，反应速度快，油收率高，但是无法实现物料热解的连续性，只能进行批量间歇式热解。

回转窑热解工艺几乎适用于任何固体废物料，而含油含水较高的物料，如污泥、油泥等粘稠类物质，则无法直接采用该方式热解。

常规固定床热解系统为批量给料，不能长期连续运行，而且热解条件不易长期保持。

针对上述问题，现有技术CN104774628A公开了一种立式粉煤热解炉。该方法在炉体内壁上安装有多组热辐射管，在炉体内呈周向分布。因此，本发明的热解炉传热面积大幅度提高，相比于同样截面积的直立炉，传热面积增加了2～10倍，产量成倍增加。并且，粉煤热解导气顺利，不易憋气，便于控制。但是，预处理成本较高，热解炉易堵塞，热解炉的高度难以确定。

现有技术CN103980926A公开了含碳物质热解装置及热解方法。该方法在炉膛内设置了传热性能好的实心隔板和多孔隔板，提高热解气体流动速度，使热解气体在炉膛内进行强制对流传热。强化了传热效果，降低了热解气体的二次裂解几率，提高了焦油产率。但是，无法实现物料在热态条件下连续进出料，需人工布料和出料。并且，出料后需等待装置降温再进料，增加了设备故障率，降低了处理能力。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明旨在提供一种新型的低温连续热处理固定床反应器，以及利用该固定床反应器热解处理物料的方法。该反应器运行稳定，易操作，既能对物料进行批量的热处理，又可以在热态条件下连续进料和出料。

本发明提出了一种低温连续热处理固定床反应器，所述反应器具有进料口、壳体、反应室、出料口，所述进料口的水平位置比所述出料口的水平位置高；

所述反应室中具有进料螺旋、出料螺旋、料板，所述料板包括进料端和出料端，所述进料螺旋设置在所述进料口之下，位于所述进料端上部；所述出料螺旋设置在所述出料端上部，所述出料端位于所述出料口之上；

所述进料螺旋包括中心螺杆、左螺旋叶片、右螺旋叶片；所述中心螺杆横穿所述左螺旋叶片和右螺旋叶片，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片垂直于所述中心螺杆的中心线成轴对称，两者之间的距离为所述进料口口径的1/3～1/2。

进一步的，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片的下边缘与所述料板的垂直距离为50～150㎜，优选为80㎜；所述左螺旋叶片间隙和右螺旋叶片间隙等距设置或变距设置。

进一步的，所述料板的进料端和出料端设置有传动轴承，用于带动所述料板连续转动；所述传动轴承的数量为两个或多个。

进一步的，所述反应室中包括辐射管，所述辐射管为蓄热式辐射管；

所述辐射管位于所述料板上部、与所述料板平行；

所述辐射管与所述料板的垂直距离为400～550㎜，优选450㎜。

上述的反应器中，还包括进料仓、插板阀、固体收集仓；

所述进料仓设置在所述进料螺旋上部，所述插板阀设置在所述进料仓下部；

所述固体收集仓连接所述料板的出料端；

所述进料仓和所述固体收集仓具有一个或多个；

所述插板阀和所述进料螺旋之间设置有料位计。

进一步的，所述壳体包括反应器壁、支撑平台、支架；

所述反应器壁包括炉顶、侧壁、炉底，用于密封所述反应室；

所述支撑平台设置在所述料板之下；

所述支架固定在所述支撑平台上，用于连接所述传动轴承。

进一步的，所述反应室中包括油气出口；

所述油气出口设置在所述反应器的炉顶或侧壁；

所述侧壁上的油气出口位于所述辐射管与所述料板之间。

本发明还提出了一种利用上述反应器处理物料的方法，所述方法包括以下步骤：

将物料由所述进料口运送至所述进料螺旋的中间段；

所述物料沿所述连续转动的料板两侧均匀的分布，同时开启出料螺旋运出反应后固体残渣，保证进料和出料的连续性。

上述处理物料的方法中，所述物料从进料到出料的时间为1.5～5h；所述物料在所述料板上的高度为150～300㎜。

上述处理物料的方法中，所述反应室中温度为350～1200℃，压力为-2～5kPa。

本发明尤其适合于小型分布式能源站的建设需要，占地面积小，经济效益显著，可满足处理能力从0.1吨/天～50吨/天的处理量要求。

本发明反应器的布料和出料无需人工操作，可在不停炉的情况下实现连续的进料和出料，也可以满足固定床间歇式处理物料的需要。进料和出料均在热态条件下进行，无需对反应器进行降温，在工业上大大的提高了装置的处理能力和效率。并且，物料相对于料板静止不动，避免了因物料翻动所导致的反应器内结焦、堵塞的问题。

本发明可产生含尘量较低的热解气，并自带保温和储存功能，可直接用于反应器的供热，热利用效率高，设备故障率低。

附图说明

图1是低温连续热处理固定床反应器的左视图。

图2是低温连续热处理固定床反应器的俯视图。

图3是低温连续热处理固定床反应器的主视图。

图4是料板的结构示意图。

附图中的附图标记如下：

1-壳体；

2、2a、2b、2c-辐射管；

3-中心螺杆；3a-出料螺旋；3b-进料螺旋；

4-料板；

5-进料仓；5a-进料口；

6-插板阀；

7-支架；

8-反应室；

9-传动轴承；

10-基底；

11-支撑平台；

12-油气出口；

13-固体收集仓；13a-出料口。

14-活动接头；

15-不锈钢板。

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。

该固定床反应器既可用于煤提质和梯级，也可资源化回收利用有机化合物，又可用于无害化处理废弃物。本发明所述反应器包括四个部分：进料系统、反应系统、出料系统、壳体。以下结合图1、图2、图3分别显示的固定床反应器的左视图、俯视图、主视图，对该四个部分之间的结构及其关系进行说明。

①壳体：由图1所示，固定床反应器的壳体1包括反应器壁、支架7、基底10、支撑平台11。

反应器壁包括炉顶、侧壁、炉底，用于密封整个反应室8，使得反应室8内的反应气氛与外界气氛充分隔开。

②进料系统：由图1所示，进料系统自上而下依次包括进料仓5、插板阀6、进料口5a。进料仓5的数量可为一个或多个。

③出料系统：由图1所示，出料系统由出料口13a和固体收集仓13构成，固体收集仓13的数量可为一个或多个。出料口13a在进料口5a之下，且都设置有下料溜槽。

④反应系统：反应系统包括反应室8，用于物料的热解。

由图3所示，在反应室8的底部设置有料板4，位于支撑平台11之上。为了便于描述，将料板4的两端分别命名为进料端和出料端。由图1，出料端通过出料口13a与固体收集仓13连接。在料板4的进料端和出料端分别设置一个传动轴承9，支架7的一端固定在支撑平台11上，另一端连接传动轴承9。

料板4两端的传动轴承9中一个是驱动轴承，一个是从动轴承，用于带动料板4的连续转动。根据需要，可在料板4的中间段设置若干个从动轴承，从动轴承上端与料板4接触起到支撑作用，下端固定在支撑平台11上。

由图4所示，料板4由多个等宽的不锈钢板15构成。其中，不锈钢板15通过连接板固定在活动接头14上。由于活动接头14设置在环绕轴承9的输送链条上，可随输送链条循环转动，因此，可实现料板4的连续循环转动。并且，两个相邻的不锈钢板15之间的边缘通过凹凸槽连接，达到密封的作用，避免了物料洒落到料板4的下方。

由图1所示，进料螺旋3b位于进料口5a之下、料板4进料端的上部；出料螺旋3a位于料板4出料端的上部，且出料端位于出料口13a之上。在进料螺旋3b和插板阀6之间设置有料位计。

由图2和图3所示，进料螺旋3b和出料螺旋3a均由螺旋叶片和中心螺杆3组成，中心螺杆3横穿螺旋叶片。本发明实施例中，螺旋叶片之间的间隙等距设置，其下边缘与料板4的距离为50～150㎜，其中优选距离为80㎜。

在其它实施例中，螺旋叶片之间的间隙可采用变距设置的方式，且靠近中间部分螺旋叶片间隙比中心螺杆两端螺旋叶片间隙要小，使得物料在料板4上的分布更加均匀。

由图2，进料螺旋3b的螺旋叶片包括左螺旋叶片和右螺旋叶片。中心螺杆3横穿左螺旋叶和右螺旋叶片。左螺旋叶片和右螺旋叶片垂直于中心螺杆3的中心线成轴对称。本发明实施例中，左螺旋叶片和右螺旋叶片之间的距离为进料口5a口径的1/3～1/2。

本发明实施例中，进料螺旋3b的特殊构造，使得物料从进料螺旋3b的中间部分向两端运动，可以减少物料随进料螺旋3b的运转距离，并且实现较宽料板4上物料的均匀分布，优选实施方式为采用单根进料螺旋。

在其它实施例中，在进料口5a的下料溜槽处可增设导流板，有助于物料的进料分布，尤其适用于粒度较大的块状煤和粒径较小的粉煤。

由图2所示，反应室8中设置有3个辐射管，分别为2a、2b、2c，在图1和图3中标示为辐射管2。在其它实施例中，辐射管2的数量可以为除3个以外的任一数量。本发明实施例中，辐射管2在反应室8中均匀布置，且与料板4平行。

当本发明反应器用于资源化回收利用有机化合物时，为实现回收效率最大化，反应室8在高度设计上要尽量低，辐射管2与料板4上物料的间距要尽量小；当本发明反应器用于无害化处理废弃物时，反应室8在高度设计上要尽量高，以增加气体在反应器中的停留时间并降低气体流速。综上所述，本发明实施例中，选择辐射管2与料板4的垂直距离为400～550㎜，优选450㎜。

由图1所示，反应室8的炉顶和侧壁上设置有多个油气出口12。其中，设置在侧壁上的油气出口12位于辐射管2之下、料板4之上。设置在炉顶上的油气出口12位于辐射管2上部。油气出口12用于引出反应室8中热解产生的热解气，其位置直接影响反应室8中热解油气的流动方向和停留时间。

本发明实施例优选四方形反应器，也可设计为圆柱形反应器或是其它形状的反应器。采用四方形反应器的结构更加有利于辐射管2的设置，从而使物料受热均匀，保证热解油气的均匀产生和流动。

本发明实施例的工艺方法流程如下：

①原料要求

本发明实施例的固定床反应器对原料无严格要求，可选用粒径为120㎜以下的块状物料，长宽均小于200㎜的片状物料、粉状物料，含水率不超过95wt％(wt％为质量百分比)的粘性物料作为原料。可满足各种废弃物包括生活垃圾、医疗垃圾、化工垃圾、制药厂废弃物、造纸厂废弃物、废弃电路板的处理，也可满足废旧轮胎、废塑料、生物质、煤、油页岩等资源化回收利用，还可满足油田油性污泥、含矿尘泥、生活污泥、危险废液等的处理。

②进料过程

在插板阀6关闭的情况下，向进料仓5中加入物料。可在进料仓5中设置搅拌棒，用于防止物料的蓬料现象。物料首先储存在进料仓5中，打开插板阀6，物料在重力作用下，从进料口5a下端设置的下料溜槽中向下滑落到反应室8前段的中部。

物料被连续运送至进料螺旋3b的中间部分。在进料螺旋3b运转的同时，料板4接受物料并带动物料向前输送，使整个固定床反应器均匀的布满物料。

料位计可用于检测进入反应室8的物料高度，从而控制单次进料量，也可通过调节进料螺旋3b，改变料板4上物料的分布效果。

在插板阀6处可设置惰性气体接入口，在打开插板阀6向反应器中进料时，物料可在惰性气体形成的气流的协助下被送至进料螺旋。该惰性气体可选择氮气，或为其它非氧化性气体，满足反应室8中热解反应的绝氧性要求。

本发明固定床反应器可采用单次进料的方式，也可采用连续进料的方式。当所需处理的物料量较小时，可采用本发明实施例中的固定床反应器进行操作。如果处理的物料量较大，可增加料板4的面积，在热解反应过程中保持料板4的连续转动，使物料在料板4上从进料端到出料端完成热解反应，保证进料和出料的连续性。

③进料高度

在物料的处理过程中，为了保证热解反应的连续性，通过进料仓5的单次物料储存量不得小于料板4的单次物料布料量。在热解反应过程中，在进料仓5中储存一定量的物料，保证反应室8中料板4上的物料高度为150～300㎜。

④热解反应条件

该固定床反应器中发生的热解反应是在350～1200℃的范围内进行的。物料由进料口5a进入反应室8之后，在辐射管2的作用下逐步升温。首先进行干燥，脱除物料中的水分，然后再脱除挥发分，经过热解反应形成热解油气产物和热态固体残渣产物。

在固体残渣产物中还含有一定量的未被加热挥发的有机物成分，通过对其进行工业分析，可测得固体残渣中的挥发分含量不超过10wt％。

热解反应过程中要控制反应室8处于绝氧气氛，并维持压力在-2～5kPa的范围内。

⑤加热方式

该固定床反应器的加热方式可选择电加热方式、燃料加热方式、高温等离子体加热方式等，本发明实施例优选蓄热式辐射管加热方式，满足装置中燃烧加热系统与物料热解系统的隔绝。

辐射管2的升温速率控制在20～60℃/min，根据不同物料有机组分的比例选择较佳的升温速率。对于同种物料，不同升温阶段选择不同的升温速率，当物料温度低于280℃时，辐射管2的升温速率控制在40～60℃/min，当物料温度在280～450℃时，辐射管2的升温速率控制在20～40℃/min，当物料温度超过450℃时，辐射管2的升温速率控制在20～60℃/min。

处理垃圾、污泥等时，辐射管2采用较慢的升温速率；处理生物质、煤、油页岩、废旧轮胎、废塑料等时，辐射管2采用较快的升温速率。

⑥出料过程以及固体残渣的收集

在启动进料螺旋3b向料板4中布料的同时，启动出料螺旋3a，出料螺旋3a使得固体残渣产物由料板4的出料端向固体收集仓13单向输出。这样可满足料板4在均匀布料的同时，对上一次反应后的固体残渣进行出料，从而保证反应器中进料和出料的连续性。

当本发明实施例的固定床反应器用作煤提质装置时，通过出料螺旋3a排出的热态固体残渣产物为粉末状半焦，其可作为固体热载体直接掺混到原料物料中，用于烘干原料。经过烘干降温的掺混混合料可通过筛分装置进行筛分分离，得到固体产物。该筛分装置可直接安装在进料仓5的上方，也可单独独立放置。

⑦热解油气的回收利用

本发明实施例中产生的热解油气通过油气出口12快速排出，根据热解的需要可以选择开启一个或多个油气出口12。

热解油气被排出至冷凝系统，冷却获得热解油。未冷凝的热解气作为热源通过输送管道可直接引入蓄热式辐射管的燃烧器中，作为辐射管的热源供其燃烧，提供热解所需的热量。

在热解反应过程中，料板4上的表层物料先热解，下层物料后热解。下层物料热解产生的热解油气首先穿过其上层的物料热解反应后产生的残炭，即上层的残炭可对下层穿过的热解油气起到过滤的作用。

通过过滤作用，可除去下层热解油气中的炭粒、液滴、污染物等多种成分。该过滤作用受多种因素的影响，包括热解油气中炭粒和污染物的粒径，反应室8的体积，料板4上物料的高度，热解油气的流速等。

本发明实施例的固定床反应器可用作资源化回收利用有机化合物装置，在提取原料中的油分时，可在热解气排出后段增设气体净化系统，用于提高热解气的品质。

本发明实施例中固定床反应器从进料到物料热解后出料所需时间为1.5～5h，该时间会受到物料的物理性质、单次进料量、升温速率等的影响。

本发明实施例的固定床反应器与传统固定床反应器的其中一个区别在于：本发明中的固定床反应器在处理完单批次的物料后，反应器无需进行降温，便可进行下一批物料的布料和上一批固体产物的出料。因此，本发明反应器中的辐射管2只需在首次进料时进行开工点火，在接下来的整个连续运行过程中，维持辐射管2的正常加热温度即可。由此，在反应器运行过程中，避免了因每一次的进料和出料对反应器的升温和降温，降低设备故障率；区别之二在于：本发明的固定床反应器可通过控制进料螺旋3b、出料螺旋3a和料板4的运转速率，实现热解过程中连续的进料和出料。

实施例

由中石油提供的粒度10mm～20mm的煤粒作为原料(煤质分析数据见表1)。物料先储存于进料仓5中，打开插板阀6，然后物料在重力作用下，从进料仓5处的下料溜槽滑落到反应室8中。

在进料螺旋3b转动下和传动轴承9带动下，煤粒均匀分布在料板4上，同时向出料端水平移动。控制进料螺旋3b和传动轴承9的速率，使整个料板4上物料厚度为200mm，然后关闭插板阀6。开启辐射管燃烧系统，当物料温度低于280℃时，控制辐射管2升温速率为55℃/min；当物料温度高于280℃时，控制辐射管2升温速率为40℃/min。

热解反应产生的热解油气通过油气出口12排出至冷凝系统，冷却获得热解油。未冷凝的热解气输送至辐射管2中作为燃料燃烧。整个热解过程压力控制在500Pa以内。

当热解过程基本不产生热解气后，进行第二批次煤粒进料，进料的同时对料板4上的上一次反应后的固体残渣进行出料，保持进料和出料的连续性。输送出的残炭送入固体收集仓13中储存。

本发明所述工艺方法可长期平稳操作，所得到比较稳定的热解产物的产率见表2和表3。

表1原煤分析结果

表2数据结果

项目	焦油	净煤气	半焦	热解水
					产率(％)	9.2	12.36	58.7	19.74

表3半焦的组成

项目	挥发分	灰分	固定碳
				产率(％)	6.38	9.51	84.11

(备注：M_t表示全水分，Mad表示空干基水分、A_ad表示空干基灰分、V_ad表示空干基挥发分、FC_ad表示空干基固定碳、S_t,ad表示空干基硫、C_ad表示空干基碳、H_ad表示空干基氢，Q_Net.ar的单位为MJ/kg，％为质量百分比。)

本发明实施例所述工艺方法可长期平稳操作，设备故障率极低。

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，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，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)

1.一种低温连续热处理固定床反应器，所述反应器具有进料口、壳体、反应室、出料口，所述进料口的水平位置比所述出料口的水平位置高；

所述反应室中具有进料螺旋、出料螺旋、料板，所述料板包括进料端和出料端，所述进料螺旋设置在所述进料口之下，位于所述进料端上部；所述出料螺旋设置在所述出料端上部，所述出料端位于所述出料口之上；

所述进料螺旋包括中心螺杆、左螺旋叶片、右螺旋叶片；所述中心螺杆横穿所述左螺旋叶片和右螺旋叶片，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片垂直于所述中心螺杆的中心线成轴对称，两者之间的距离为所述进料口口径的1/3～1/2。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片的下边缘与所述料板的垂直距离为50～150㎜，优选为80㎜；所述左螺旋叶片间隙和右螺旋叶片间隙等距设置或变距设置。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述料板的进料端和出料端设置有传动轴承，用于带动所述料板连续转动；所述传动轴承的数量为两个或多个。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应室中包括辐射管，所述辐射管为蓄热式辐射管；

所述辐射管位于所述料板上部、与所述料板平行；

所述辐射管与所述料板的垂直距离为400～550㎜，优选450㎜。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括进料仓、插板阀、固体收集仓；

所述进料仓设置在所述进料螺旋上部，所述插板阀设置在所述进料仓下部；

所述固体收集仓连接所述料板的出料端；

所述进料仓和所述固体收集仓具有一个或多个；

所述插板阀和所述进料螺旋之间设置有料位计。

6.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述壳体包括反应器壁、支撑平台、支架；

所述反应器壁包括炉顶、侧壁、炉底，用于密封所述反应室；

所述支撑平台设置在所述料板之下；

所述支架固定在所述支撑平台上，用于连接所述传动轴承。

7.根据权利要求4和6所述的反应器，其特征在于，所述反应室中包括油气出口；

所述油气出口设置在所述反应器的炉顶或侧壁；

所述侧壁上的油气出口位于所述辐射管与所述料板之间。

8.一种用权利要求1-7之一所述的反应器处理物料的方法，所述方法包括以下步骤：

将物料由所述进料口运送至所述进料螺旋的中间段；

所述物料沿所述连续转动的料板两侧均匀的分布，同时开启出料螺旋运出反应后固体残渣，保证进料和出料的连续性。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述物料从进料到出料的时间为1.5～5h；所述物料在所述料板上的高度为150～300㎜。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应室中温度为350～1200℃，压力为-2～5kPa。