CN106430891A - 一种高湿污泥的热解方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高湿污泥的热解方法和装置，由空心轴(1)、外壳(2)、刮泥刀(3)、一组中空圆盘(4)、热媒引流管(5)、膨胀节(6)、推进器(7)、热媒输送管(8)、搅拌器(9)、滑动支撑(10)、密封进料系统(11)、密封出料系统(12)、生物质微粉燃烧器(13)、物料进口(A)、物料出口(B)和燃气出口(C)组成；高温烟气通过热媒输送管上的引流管稳定的流入圆盘内对圆盘进行热传导，物料则通过圆盘、外壳和空心轴被间接加热来实现热解。本发明具有处理量大、运行稳定、流程简单、不存在二次污染和资源化等特点，既经济又环保。可以实现对高湿污泥，食品残渣，药渣，酒渣，树脂等有机废弃物的高温热解，达到废弃物处置及资源化利用的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种高湿污泥的热解方法和装置，属于工程热物理及环境科学与技术领域，可以用于处理污泥(市政，化工，石油，造纸，油漆等)，食品残渣，药渣，酒渣，树脂等，利用高温热解的方法，达到对其高效处置和资源化利用。
背景技术
污泥的含水量一般都较高，普通污泥含水率高达80％，即便经过加药、压滤等消化技术处理后，含水率仍高达60％以上，这大大影响了其能量密度和品质。目前较先进的热化学转化方法，一般要求将含水率降低至20％以下，造成前期干燥处理费用较高，而物料在水蒸气气化过程中又需要水蒸气输入，这导致了能量的巨大浪费。中国专利文件CN103074093A公开了一种褐煤直接干燥和热解一体化工艺和系统，该方法将原料本身固有的水份应用于后续的催化重整反应中，提高了自发蒸汽的利用效率和合成气的品质。但是干燥和气化裂解工艺仍然是分开进行，导致了整个系统设备较多，结构复杂，总体效率偏低，成本较高，除此之外，进入气化裂解炉的水蒸气分布不够均匀，且利用率偏低。中国专利文件CN205045973U给出了一种新型的污泥热解装置，它属于螺旋推进型，结构比较简单，但是对于大批量的连续处理工艺来说，该装置在外壳部采用电加热方式，耗能太大，不适合工艺生产；在外部加热传热面积小，传热传质效率低，几乎没有反应空间。基于以上特点，开发一种能结合干燥、气化裂解一体化、可连续工作、处理量大、传热面积大、结构紧凑等特点的热解方法和装置是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种高湿污泥的热解装置，本发明的另一目的是提供了利用上述针热解装置的高湿污泥的热解方法。
本发明的技术方案为：本发明提出的一种高湿污泥热解装置，包括热解主体部分、密封进料系统、密封出料系统和生物质微粉燃烧器。其中热解主体部分由外壳、空心轴、一组中空圆盘、热媒引流管、热媒输送管、搅拌器、刮泥刀、推进器、膨胀节和滑动支撑组成。外壳固定不动，空心轴与焊接在空心轴上的一组中空圆盘围绕同心轴线发生旋转运动，与外壳采用动密封连接；热媒输送管嵌套在空心轴内部，用来输送由生物质微粉燃烧器产生的高温烟气；在热媒输送管上对应每个圆盘的位置设置热媒引流管，热媒引流管穿过空心轴后，深入到圆盘径向边缘处，将高温烟气引入圆盘内部对其进行加热，经换热后的烟气通过空心轴上的出口流入空心轴和热媒输送管之间的空间内，从装置的另一端流出；在靠近物料进口一端的每两个圆盘中间，将刮泥刀焊接在外壳顶部处；在靠近物料进口端方向一侧的每个圆盘壁面上焊接个搅拌器，和每个圆盘径向边缘处的推进器共同配合，实现物料的搅拌和推进；靠近物料进口端的外壳上和靠近物料出口端的外壳上分别安装一个固定支撑和一个滑动支撑，用于补偿高温下装置变形产生的轴向滑动，同时在两个支撑之间的外壳上设置一个膨胀节，来补偿高温热变形；物料通过密封进料系统连续进入外壳与圆盘之间的反应腔内，被圆盘、空心轴和外壳间接加热，同时在圆盘、搅拌器、推进器的轴向推进下，物料移动到物料出口处，通过密封出料系统被连续排出，物料热解产生的燃气则通过燃气出口排出。
本发明的具体技术方案为：一种高湿污泥的热解装置，其特征在于：由空心轴1、外壳2、刮泥刀3、一组中空圆盘4、热媒引流管5、膨胀节6、推进器7、热媒输送管8、搅拌器9、滑动支撑10、密封进料系统11、密封出料系统12、生物质微粉燃烧器13、物料进口A、物料出口B和燃气出口C组成；其中空心轴1靠近生物质微粉燃烧器13的一端连接热媒进口G1，另一端连接热媒出口G2，其中外壳2靠近热媒出口G2的一端上部设有物料进口A，连接密封进料系统11，外壳2靠近热媒进口G1的一端上部设有燃气出口C，下部设有物料出口B，连接密封出料系统12；膨胀节6位于外壳2中间部位；刮泥刀3焊接在靠近物料进口A的外壳2内壁上部；滑动支撑设置在靠近物料出口B的外壳2底部；外壳2内部嵌套一个空心轴1，空心轴1与焊接在空心轴上的一组中空圆盘4围绕同心轴线发生旋转运动；每个空心圆盘4的单个壁面上焊接搅拌器9，圆盘的径向边缘处设置推进器7；空心轴1内部嵌套一个热媒输送管8，热媒输送管8靠近物料进口A的一端封闭，另一端连接生物质微粉燃烧器13；在热媒输送管8上设置热媒引流管5深入到空心圆盘4内部。
优选中空圆盘数定于20～60个之间；靠近物料进口(A)一端的两个圆盘之间的间距为15～20cm，靠近物料出口(B)一端的两个圆盘之间的间距为10～15cm；圆盘转速为1～3rpm。
优选外壳的中心线高于转子的中心线，从而外壳底部空间较小，有助于推进器对物料的轴向推进，顶部空间较大，可为气化和高温裂解过程提供反应空间，同时为产生的燃气提供流动空间。
优选在每个圆盘靠近热媒出口G2的一侧焊接4～6个搅拌器，搅拌器为弯曲的圆弧状叶片。在低转速下，可以实现松散物料的径向移动，同时增大了传热面积，使得圆盘与物料之间的传热更加充分。
优选刮泥刀的外形是一个弓形平面，高度为圆盘直径的1/4～1/2，厚度为3～5cm，数量为圆盘个数的1/4～1/2。焊接在外壳上的刮泥刀置于两圆盘之间，在圆盘转动时可将圆盘上粘附的物料刮下来，同时也可起到拦截水蒸气轴向窜动的作用，为气化和裂解过程增加反应时间，避免了在用外力抽取燃气时，中间反应气发生短路的现象，从而也可以让更多的水蒸气参与到气化裂解重整反应中。
在外壳上安装一个膨胀节来补偿高温下产生的热变形，同时在靠近物料出口B的外壳下部安装一个滑动支撑，为高温热变形产生的移动提供滑动空间。
本发明还提供了一种利用上述的热解装置的高湿污泥的热解方法，其特征在于：生物质微粉燃烧器13产生的高温烟气通过热媒输送管8和热媒输送管上的热媒引流管5引入中空圆盘4内，对圆盘4进行热传导，物料通过密封进料系统11连续进入外壳2与圆盘4之间的反应腔内，被圆盘4、空心轴1和外壳2间接加热，并在在圆盘4、搅拌器9、推进器7的共同作用下实现轴向推进，逐渐实现物料的干燥、气化和裂解，热解后的残渣被移动至物料出口B，通过密封出料系统12被连续排出，物料热解产生的燃气则通过燃气出口C排出。
优选进口高温烟气的温度为1000～1400℃，烟气流速为8～10m/s；出口烟气温度为100～200℃，流速为2～5m/s。
本发明可连续对高湿污泥进行干燥、气化和裂解，并实现了干燥、气化和裂解处理处置工艺的一体化。
污泥中的水份可作为气化剂参与气化反应，增大产气中的氢气比例，提升燃气品质。
整个反应腔被柔性分隔成若干个反应区间，包括干燥、气化和裂解，各个区间彼此之间既分开又相接，各自独立又相互促进，推动整个反应的连续进行。
本装置的特征在于：
1.随着热解过程的进行，物料会逐渐失去水分和挥发分，体积和质量都会相应减少，为了保证物料与圆盘充分接触换热，圆盘之间的间距从装置的物料进口端到物料出口端逐渐减小。
2.高温烟气通过热媒输送管上的引流管稳定的流入圆盘内对圆盘进行热传导，在每个圆盘内设有2～4个引流管，并将管子伸到靠近圆盘径向边缘处，尽可能地将高温烟气均匀地布满整个圆盘。
3.对于比较松散的物料，本发明在每个圆盘右侧焊接4～6个弯曲圆弧状叶片，来径向推进和搅拌物料，叶片做成弯曲圆弧状，背向圆弧圆心的方向与空心轴旋转方向一致，在离心力和叶片对物料的反作用力下，物料会被甩向圆盘边缘，通过圆盘边缘推进器来轴向推进物料。
4.本发明中刮泥刀的形状为弓形平面，将其焊接在外壳上的刮泥刀置于两圆盘之间，一部分深入到物料中，在圆盘转动时可将圆盘上粘附的物料刮下来，同时也可起到拦截水蒸气轴向窜动的作用，为气化和裂解过程增加反应时间，避免了在用外力抽取燃气时，中间反应气发生短路的现象，从而也可以让更多的水蒸气参与到气化重整反应中。
5.微米燃料燃烧产生的高温烟气在1000～1400℃左右，装置在此温度下会发生热变形，故在外壳上安装一个膨胀节来补偿高温热变形，并在一端安装一个滑动支撑，为高温热变形产生的移动提供滑动空间。
基于本发明中热解装置提出的高湿污泥热解方法利用燃烧微米燃烧产生的高温烟气作为热媒对高湿污泥进行间接加热。污泥中的水份作为气化剂，通过气化和高温裂解制取富氢燃气。其特征在于可连续对高湿污泥进行干燥、气化和裂解，并实现了干燥、气化和裂解处理处置工艺的一体化，整个反应腔被柔性的分隔成干燥、气化和裂解等区间，彼此之间既分开又相接，各自独立又相互促进，推动整个反应的连续进行。干燥段主要实现对污泥的干燥，产生大量的水蒸气，温度区间为100～200℃；气化段中，C和初步裂解产生的CO、CH4及CnHm等与水蒸气进行共气化重整反应，产生大量的H2和CO，温度区间为200～600℃；裂解段主要为焦油和半焦在高温下二次裂解，产生大量的H2、CO、和CH4等，温度区间为600～1000℃。
有益效果：
1、本发明可连续对高湿污泥进行干燥、气化和裂解，并实现了干燥、气化和裂解处理处置工艺的一体化；
2、利用污泥自有的水份作为气化剂，通过气化和裂解，制取富氢燃气；
3、整个反应腔被柔性分隔成若干个反应区间，包括干燥、气化和裂解等，彼此之间既分开又相接，各自独立又相互促进，推动整个反应的连续进行；
4、本发明装置具有处理量大、持续性好、传热面积大、结构紧凑、处理彻底和经济性好等特点；
5、本发明适用于各种类型的污泥，对含水率和来源特性等不作特别要求。
附图说明
图1为本发明的一种高湿污泥热解装置结构图；其中1-空心轴；2-外壳；3-刮泥刀；4-空心原盘；5-热媒引流管；6-膨胀节；7-推进器；8-热媒输送管；10-滑动支撑；11-密封进料系统；12-密封出料系统；13-生物质微粉燃烧器；A-物料进口；B-物料出口；C-燃气出口；G1-热媒进口；G2-热媒出口；a,b,c-高温动密封。
图2为装置的径向剖视图；
图3为高温烟气在圆盘内的流向图；
图4为圆盘上搅拌器9的主视图；其中9-搅拌器；
图5为圆盘上搅拌器9的侧视图；
图6实施例2中装置各个温度测试点的升温曲线。
具体实施方式
实施例1
结合图1～5对本发明作进一步说明。
一种高湿污泥的热解装置，由空心轴1、外壳2、刮泥刀3、一组中空圆盘4、热媒引流管5、膨胀节6、推进器7、热媒输送管8、搅拌器9、滑动支撑10、密封进料系统11、密封出料系统12、生物质微粉燃烧器13、物料进口A、物料出口B和燃气出口C组成；其中空心轴1靠近生物质微粉燃烧器13的一端连接热媒进口G1，另一端连接热媒出口G2，其中外壳2靠近热媒出口G2的一端上部设有物料进口A，连接密封进料系统11，外壳2靠近热媒进口G1的一端上部设有燃气出口C，下部设有物料出口B，连接密封出料系统12；膨胀节6位于外壳2中间部位；刮泥刀3焊接在靠近物料进口A的外壳2内壁上部；滑动支撑设置在靠近物料出口B的外壳2底部；外壳2内部嵌套一个空心轴1，空心轴1与焊接在空心轴上的一组中空圆盘4围绕同心轴线发生旋转运动；每个空心圆盘4的单个壁面上焊接搅拌器9，圆盘的径向边缘处设置推进器7；空心轴1内部嵌套一个热媒输送管8，热媒输送管8靠近物料进口A的一端封闭，另一端连接生物质微粉燃烧器13；在热媒输送管8上设置热媒引流管5深入到空心圆盘4内部。
整个热解进程可分为两个气路，一个气路是用于加热物料的热媒，通过生物质微粉燃烧器13燃烧微米燃料产生的高温烟气作为热媒进入热媒输送管8，在热媒输送管8上的引流管5将高温烟气输送到圆盘4内部，每个圆盘4内部设有在一条线上的两个引流管，在圆盘4和旋转轴1的旋转下，可使高温烟气在圆盘4内部分布的更加均匀。高温烟气在进入圆盘4与物料换热之后，接下来会通过圆盘4内部与两个烟气进口交叉错开的两个出口直接流入空心旋转轴1内部，最后在空心旋转轴1一端用引风机将其抽出；另一个气路是用于物料热解后产生的可燃气，待热解物料由密封进料系统11和物料进口A进入装置内部，与被加热的圆盘4进行换热，圆盘4上的搅拌器9可径向推进和搅拌物料，搅拌器9做成弯曲圆弧状叶片，背向圆弧圆心的方向与空心轴旋转方向一致，在离心力和叶片对物料的反作用力下，物料会被甩向圆盘4边缘，通过圆盘4边缘的推进器7作用，实现物料的轴向推进。将刮泥刀3焊接在外壳2上，焊接位置在两个圆盘4之间，一部分深入到物料中，在圆盘4转动时可将圆盘4上粘附的物料刮下来，同时也可起到拦截水蒸气轴向窜动的作用，为气化和裂解过程增加反应时间，避免了在用外力抽取燃气时，中间反应气发生短路的现象，从而也可以让更多的水蒸气参与到气化重整反应中。物料在被轴向推进的过程中，随着温度的升高，逐渐被干燥、气化和裂解，靠近物料出口B端的温度最高，裂解更加充分，产生的气体从燃气出口C排出，残渣由物料出口B和密封出料系统12排出。
实施例2
本实施例所提供的高湿污泥热解装置的主要参数如下：圆盘数量为40个，圆盘直径是120cm；靠近物料进口端的两个圆盘之间的间距为17cm，靠近物料出口端的两个圆盘之间的间距为13cm；在每个圆盘壁面上设置了6个搅拌器；刮泥刀个数为15个，高度是40cm，厚度为5cm。
含水率为79.51％的高湿污泥与含水率为12.87％的生物质以6:4进行配比作为热解原料。其中污泥取自于南京市某生活污水处理厂的脱水污泥，生物质微粉来源于武汉某木材加工厂。将混合料搅拌均匀后，通过密封进料系统由物料进口A连续进入圆盘装置内，此时高温烟气进口G1处的温度约为1200℃，烟气流速为10m/s，烟气出口G2处的温度为200℃左右，流速为4m/s。进入装置内的物料通过圆盘、外壳和空心轴进行加热，并在以1rpm进行转动的圆盘、圆盘壁面上的搅拌器和圆盘径向边缘处的推进器的作用下向前推进，逐渐实现物料的干燥、气化和裂解，最终到达物料出口B处，通过密封出料系统被连续排出。整个实验过程中，混合料热解产生的气体通过燃气出口C排出，待产气可点燃后，每隔20min取一次气体样品用于分析。
高湿污泥热解装置上共设了5处测温点，从外壳上的物料进口端到物料出口端分别设有T1、T2、T3和T4共4个测温点，第5个测温点T5设在了高温烟气进口G1处。图6给出了装置运行过程中各个测温点的温升曲线。由图6可知，烟气的进口温度T5最高可达1250℃，实际温度将会更高，并且可以持续保持在1200℃左右。高温裂解区的温度T4也达到了1000℃左右，可以满足热解的温度需求。
表一给出了实验过程中从燃气出口C取得的气体的产物组分，从表中可以看出，整个过程热解比较充分，随着时间的推移，可燃气体组分逐渐增大。其中H2的含量最高，在45％左右，CH4和CO的比重都在10％～20％之间，总的来说，可燃气所占比例较高。其中，H2+CO的总含量达到60％，具有良好应用前景，可经过净化提纯后用作合成气。
表一热解气体产物组分
实施例3
本实施例所提供的高湿污泥热解装置的主要参数如下：圆盘数量为20个，圆盘直径是60cm；靠近物料进口端的两个圆盘之间的间距为15cm，靠近物料出口端的两个圆盘之间的间距为10cm；在每个圆盘壁面上设置了4个搅拌器；刮泥刀个数为5个，高度是15cm，厚度为3cm。
混合物料参数同实施例2。将混合料搅拌均匀后，通过密封进料系统由物料进料A连续进入圆盘装置内，此时高温烟气进口G1处的温度约为1000℃，烟气流速为8m/s，烟气出口G2处的温度约为150℃左右，流速为2m/s。进入装置内的物料通过圆盘、外壳和空心轴进行加热，并在以2rpm进行转动的圆盘、圆盘壁面上的搅拌器和圆盘径向边缘处的推进器的作用下向前推进，逐渐实现物料的干燥、气化和裂解，最终到达物料出口B处，通过密封出料系统被连续排出。整个实验过程中，混合料热解产生的气体通过燃气出口C排出，待产气可点燃后，每隔20min取一次气体样品用于分析。
表二给出了本实施例中实验取得的气体产物组分，相较于表一可以看出，气体中的可燃气组分比重和热值有所减小，这可能是因为本实施例中的热解温度1000℃相较于实施例1中的1200℃有所降低，物料热解相对不充分导致的，同时也有可能是因为圆盘数较少和圆盘转速增快，物料的停留时间较短，未能为大分子热解气的二次裂解提供充足的时间。但总体来说气体组分中H2的比例依旧呈增长趋势，这也说明随着热解过程的进行，物料热解也愈加充分。
表二热解气体产物组分
Claims (6)
1.一种高湿污泥的热解装置，其特征在于：由空心轴(1)、外壳(2)、刮泥刀(3)、一组中空圆盘(4)、热媒引流管(5)、膨胀节(6)、推进器(7)、热媒输送管(8)、搅拌器(9)、滑动支撑(10)、密封进料系统(11)、密封出料系统(12)、生物质微粉燃烧器(13)、物料进口(A)、物料出口(B)和燃气出口(C)组成；其中空心轴(1)靠近生物质微粉燃烧器(13)的一端连接热媒进口G1，另一端连接热媒出口G2，其中外壳(2)靠近热媒出口G2的一端上部设有物料进口(A)，连接密封进料系统(11)，外壳(2)靠近热媒进口G1的一端上部设有燃气出口(C)，下部设有物料出口(B)，连接密封出料系统(12)；膨胀节(6)位于外壳(2)中间部位；刮泥刀(3)焊接在靠近物料进口(A)的外壳(2)内壁上部；滑动支撑设置在靠近物料出口(B)的外壳(2)底部；外壳(2)内部嵌套一个空心轴(1)，空心轴(1)与焊接在空心轴上的一组中空圆盘(4)围绕同心轴线发生旋转运动；每个空心圆盘(4)的单个壁面上焊接搅拌器(9)，圆盘的径向边缘处设置推进器(7)；空心轴(1)内部嵌套一个热媒输送管(8)，热媒输送管(8)靠近物料进口(A)的一端封闭，另一端连接生物质微粉燃烧器(13)；在热媒输送管(8)上设置热媒引流管(5)深入到空心圆盘(4)内部。
2.根据权利要求1所述的热解装置，其特征在于中空圆盘数定于20～60个之间；靠近物料进口(A)一端的两个圆盘之间的间距为15～20cm，靠近物料出口(B)一端的两个圆盘之间的间距为10～15cm；圆盘转速为1～3rpm。
3.根据权利要求1所述的热解装置，其特征在于在每个圆盘靠近热媒出口G2的一侧焊接4～6个搅拌器，搅拌器为弯曲的圆弧状叶片。
4.根据权利要求1所述的热解装置，其特征在于刮泥刀的外形是一个弓形平面，高度为圆盘直径的1/4～1/2，厚度为3～5cm，数量为圆盘个数的1/4～1/2。
5.一种利用如权利要求1所述的热解装置的高湿污泥的热解方法，其特征在于：生物质微粉燃烧器(13)产生的高温烟气通过热媒输送管(8)和热媒输送管上的热媒引流管(5)引入中空圆盘(4)内，对圆盘(4)进行热传导，物料通过密封进料系统(11)连续进入外壳(2)与圆盘(4)之间的反应腔内，被圆盘(4)、空心轴(1)和外壳(2)间接加热，并在在圆盘(4)、搅拌器(9)、推进器(7)的共同作用下实现轴向推进，逐渐实现物料的干燥、气化和裂解，热解后的残渣被移动至物料出口(B)，通过密封出料系统(12)被连续排出，物料热解产生的燃气则通过燃气出口(C)排出。
6.根据权利要求5所述的热解方法，其特征在于进口高温烟气的温度为1000～1400℃，烟气流速为8～10m/s；出口烟气温度为100～200℃，流速为2～5m/s。
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