CN110305676A - 一种含碳固体原料自维持热解系统 - Google Patents

一种含碳固体原料自维持热解系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于含碳固体原料处理领域，并具体公开了一种含碳固体原料自维持热解系统。该系统中热解反应器的反应室设置在加热室内部，工作时利用加热室内的烟气对反应室进行加热，反应室的前端设置有进料口，其后端设置有热解焦出口和挥发分出口，螺旋推进杆水平安装在反应室的内部，该螺旋推进杆的一端与电动机连接，其另一端与反应室的内壳连接；冷凝装置与挥发分出口连接，用于对挥发分进行冷凝；燃烧装置一端与冷凝装置连接，其另一端与外部烟气入口连接。本发明仅利用热解反应生成的不凝热解气燃烧产生的热量便可维持系统的运转，从而实现了能量完全自给，同时热解过程中能够保证含碳固体原料受热均匀，避免出现结焦。

Description

一种含碳固体原料自维持热解系统
技术领域
本发明属于含碳固体原料处理领域，更具体地，涉及一种含碳固体原料自维持热解系统。
背景技术
随着世界经济的快速发展，传统化石能源的消耗与日俱增，人类迫切需要开发可再生的能源资源用以补充与替代现有的化石能源。同时，农林废弃物、废弃塑料和废弃轮胎等含碳固体原料一方面作为废弃物，其合理处置已经成为全球性问题，另一方面这些含碳固体原料蕴含极高的经济回收价值，这些含碳固体原料的合理处置具有环境保护和节能减排的双重效益。
国内外对这些固体废弃物的回收利用方式主要有燃烧、热解与气化方式。其中，热解技术可以将含碳固体原料中的挥发分转化为热解油和热解气等产品，且热解技术能量消耗相对较低，对环境污染小，是含碳固体原料利用的重要技术之一。目前固体废弃物热解回收技术在国内发展十分迅速，但由于起步较晚，各种应用技术研究与回收体系均尚不完善，且传统热解回收技术由于炉型限制，物料受热不均，热解效果差且结焦问题严重，最终导致综合热解效率偏低，设备折损率高，影响焦油等产品的回收效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含碳固体原料自维持热解系统，其中利用产物中挥发分燃烧产生的热量进行供热，能够实现系统的自维持，同时通过设置螺旋推进杆还能保证原料受热均匀，因而尤其适用于含碳固体原料处理的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种含碳固体原料自维持热解系统，该系统包括热解反应器、冷凝装置、燃烧装置，其中：
所述热解反应器包括加热室、反应室、螺旋推进杆和电动机，所述加热室设置有外部烟气入口和外部烟气出口，用于保证该加热室内充满烟气，所述反应室设置在所述加热室的内部，工作时利用所述加热室内的烟气对该反应室进行加热，以此为含碳固体燃料的热解提供热量，所述反应室的前端设置有进料口，用于通入待热解的所述含碳固体原料，同时该反应室的后端设置有热解焦出口和挥发分出口，分别用于将所述含碳固体原料热解生成的热解焦和挥发分排出，所述螺旋推进杆水平安装在所述反应室的内部，该螺旋推进杆的一端与所述电动机连接，其另一端与所述反应室的内壳连接，工作时利用所述电动机带动所述螺旋推进杆进行旋转，从而推动所述含碳固体原料沿水平方向移动，最终将所述热解焦和挥发分分别从所述热解焦出口和挥发分出口排出；
所述冷凝装置与所述挥发分出口连接，用于对所述挥发分进行冷凝从而获得液态产物和不凝热解气，收集所述液态产物并将所述不凝热解气通入所述燃烧装置；
所述燃烧装置一端与所述冷凝装置连接，其另一端与所述外部烟气入口连接，工作时所述不凝热解气在所述燃烧装置中燃烧产生烟气，所述烟气通过所述外部烟气入口进入所述加热室，从而为所述含碳固体燃料的热解提供热量。
作为进一步优选地，所述螺旋推进杆采用中空设计，并且该螺旋推进杆的前端和后端分别设置有烟气出口和烟气入口，同时所述反应室从前至后依次被分割为相互独立的内部烟气出气区、热解区和内部烟气进气区，所述内部烟气出气区设置有内部烟气出口，所述内部烟气进气区设置有内部烟气入口，工作时，所述燃烧装置产生的烟气通过所述内部烟气入口进入所述内部烟气进气区，并通过所述烟气入口进入所述螺旋推进杆，沿该螺旋推进杆的内部管道流动，从而对所述含碳固体原料进行加热，最终从所述烟气出口排出进入所述内部烟气出气区，并通过所述内部烟气出口排出。
作为进一步优选地，所述含碳固体原料自维持热解系统还包括余热回收装置，所述余热回收装置的入口与所述内部烟气出口和外部烟气出口连接，其出口与所述燃烧装置连接，工作时利用该余热回收装置将烟气携带的热量传递给空气，从而对其进行预热，并将预热后的空气通入所述燃烧装置中，促进所述不凝热解气燃烧。
作为进一步优选地，所述含碳固体原料自维持热解系统还包括设置在所述冷凝系统出口的油水分离装置，所述油水分离装置用于将所述液态产物进行油水分离，从而获得净化后的热解油。
作为进一步优选地，所述进料口的加料速率为100kg/h～1000kg/h。
作为进一步优选地，所述螺旋推进杆的转速为5r/min～30r/min。
作为进一步优选地，进入所述加热室和内部烟气进气区的烟气温度优选为500℃～1200℃。
作为进一步优选地，所述反应室的温度为400℃～900℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供的含碳固体原料自维持热解系统一旦稳定工作后便不需要额外添加能量，仅利用热解反应生成的不凝热解气燃烧产生的热量便可维持该系统的运转，从而实现了能量完全自给，极大地提高了系统的热效率，同时热解过程中含碳固体原料随着螺旋推进杆在反应室内翻动，能够保证受热均匀、反应完全，并且在螺旋推进杆转动的机械力作用下，可以避免热解过程中物料结焦，进而避免了出料不畅、出料口堵塞等问题；
2.尤其是，本发明采用空心设计的螺旋推进杆，并将烟气通入该螺旋推进杆的内部，从而对含碳固体原料进行内外加热，使其受热更加均匀，并且更易控制热解工况，与传统热解炉相比显著提高了原料的受热均匀度，进一步提高了热解效率；
3.此外，本发明通过设置余热回收装置，能够将烟气中的热量传递给空气进行预热，并将预热空气通入燃烧装置中促进不凝热解气燃烧，从而进一步提高了系统的热效率，将热解过程的能耗最小化；
4.同时，本发明通过对热解过程中的参数进行优化，能够保证反应室内的含碳固体原料受热均匀并且能够反应完全，避免造成热量浪费或热解不完全。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的含碳固体原料自维持热解系统的结构示意图；
图2是按照本发明优选实施例构建的热解反应器1的内部结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-热解反应器，2-燃烧装置，3-冷凝装置，4-油水分离装置，5-余热回收装置，101-进料口，102-挥发分排出口，103-内部烟气入口，104-内部烟气出口，105-热解焦出口，106-螺旋推进杆，107-热解区，108-内部烟气进气区，109-内部烟气出气区，110-电动机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～2所示，本发明优选实施例提出一种含碳固体原料自维持热解系统，该系统包括热解反应器1、冷凝装置3、燃烧装置2，其中：
热解反应器1包括加热室、反应室、螺旋推进杆106和电动机110，加热室设置有外部烟气入口和外部烟气出口，用于保证该加热室内充满烟气，反应室设置在加热室的内部，工作时利用加热室内的烟气对该反应室进行加热，以此为含碳固体燃料的热解提供热量，反应室的前端设置有进料口101，用于通入待热解的含碳固体原料，同时该反应室的后端设置有热解焦出口105和挥发分出口102，分别用于将含碳固体原料热解产生的热解焦和挥发分排出，螺旋推进杆106水平安装在反应室的内部，该螺旋推进杆106的一端与电动机110连接，其另一端与反应室的内壳连接，工作时利用电动机110带动螺旋推进杆106进行旋转，从而推动含碳固体原料沿水平方向移动，最终将热解生成的热解焦和挥发分分别从热解焦出口105和挥发分出口102排出；
冷凝装置3与挥发分出口102连接，用于对挥发分进行冷凝从而获得液态产物和不凝热解气，同时将液态产物进行收集并将不凝热解气通入燃烧装置2；
燃烧装置2一端与冷凝装置3连接，其另一端与外部烟气入口连接，工作时不凝热解气在燃烧装置2中燃烧产生烟气，烟气通过外部烟气入口进入加热室，从而为含碳固体燃料的热解提供热量。
进一步，螺旋推进杆106采用中空设计，并且该螺旋推进杆106的前端和后端分别设置有烟气出口和烟气入口，同时反应室从前至后依次被分割为相互独立的内部烟气出气区109、热解区107和内部烟气进气区108，内部烟气出气区109设置有内部烟气出口104，内部烟气进气区108设置有内部烟气入口103，工作时，燃烧装置2产生的烟气通过内部烟气入口103进入内部烟气进气区108，并通过烟气入口进入螺旋推进杆106，沿该螺旋推进杆106的内部管道流动，从而对含碳固体原料进行加热，最终从烟气出口排出进入内部烟气出气区109，并通过内部烟气出口104排出。
进一步，含碳固体原料自维持热解系统还包括余热回收装置5，余热回收装置5的入口与内部烟气出口104和外部烟气出口连接，其出口与燃烧装置2连接，工作时利用该余热回收装置5将烟气携带的热量传递给空气，从而对其进行预热，并将预热后的空气通入燃烧装置2中，促进不凝热解气燃烧。
进一步，含碳固体原料自维持热解系统还包括设置在冷凝装置3出口的油水分离装置4，油水分离装置4用于将液态产物进行油水分离，从而获得净化后的热解油。
进一步，进料口的加料速率优选为100kg/h～1000kg/h，同时螺旋推进杆的转速优选为5r/min～30r/min，从而能够保证反应室内的含碳固体原料受热均匀、充分热解，并且能够避免热解过程中物料结焦，造成出料不畅、出料口堵塞等问题。
进一步，进入加热室和内部烟气进气区108的烟气温度优选为500℃～1200℃，并控制反应室内的温度为400℃～900℃，从而能够为各种物料的热解提供合适的温度工况。
下面对本发明提供的含碳固体原料自维持热解系统的工作过程作具体说明。
含碳固体原料从进料口101进入，在螺旋推进杆106的推动下进行水平移动，同时在高温下进行热解反应生成热解焦和挥发分，热解焦从热解焦出口105排出，挥发分则从挥发分出口102排出并进入冷凝装置3中，在冷凝作用下分离获得不凝热解气和液态产物，其中液态产物进入油水分离装置4中去除水分获得热解油，不凝热解气则进入燃烧装置2中，在预热空气的作用下燃烧产生高温烟气，高温烟气一部分通过外部烟气入口进入加热室对含碳固体原料进行加热，另一部分则通过内部烟气入口103进入内部烟气进气区108，并通过螺旋推进杆106的烟气入口进入其内部管道，从而对含碳固体原料进行加热，最终加热完成的高温烟气分别从外部烟气出口和内部烟气出口104排出进入余热回收装置5，对通入燃烧装置的空气进行预热。
下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将高挥发份烟煤破碎至平均粒径2mm以下，经进料口101进入热解区107，给料速率为600kg/h，高挥发份烟煤随着螺旋推进杆106的推动经过整个热解区107并发生热解，螺旋推进杆106的转速为5r/min，进入加热室和内部烟气进气区的烟气温度为900℃，并控制反应室内的温度为700℃，热解产生的热解焦由热解焦出口105排出，产生的挥发分由挥发分出口102进入冷凝装置3分离后获得热解气和热解油，气、液、固三相产物的产率分别为30％、15％、55％，液相产物经油水分离装置4处理后获得目标热解油的产率为10％以上。
实施例2
将废轮胎破碎至平均粒径3mm以下，经进料口101进入热解区107，给料速率为400kg/h，物料随着螺旋推进杆106的推动经过整个热解区107并发生热解，螺旋推进杆106的转速为10r/min，进入加热室和内部烟气进气区的烟气温度为500℃，并控制反应室内的温度为450℃，热解产生的热解焦由热解焦出口105排出，产生的挥发分由挥发分出口102进入冷凝装置3分离后获得热解气和热解油，气、液、固三相产物的产率分别为25％、37％、38％，液相产物经油水分离装置4处理后获得目标热解油的产率为30％以上。
实施例3
将废塑料破碎至平均粒径3mm以下，经进料口101进入热解区107，给料速率为100kg/h，物料随着螺旋推进杆106的推动经过整个热解区107并发生热解，螺旋推进杆106的转速为15r/min，进入加热室和内部烟气进气区的烟气温度为650℃，并控制反应室内的温度为400℃，热解产生的热解焦由热解焦出口105排出，产生的挥发分由挥发分出口102进入冷凝装置3分离后获得热解气和热解油，气、液、固三相产物的产率分别为32％、43％、25％，液相产物经油水分离装置4处理后获得目标热解油的产率为35％以上。
实施例4
将高挥发份烟煤破碎至平均粒径2mm以下，经进料口101进入热解区107，给料速率为1000kg/h，高挥发份烟煤随着螺旋推进杆106的推动经过整个热解区107并发生热解，螺旋推进杆106的转速为30r/min，进入加热室和内部烟气进气区的烟气温度为1200℃，并控制反应室内的温度为900℃，热解产生的热解焦由热解焦出口105排出，产生的挥发分由挥发分出口102进入冷凝装置3分离后获得热解气和热解油，气、液、固三相产物的产率分别为40％、18％、42％，液相产物经油水分离装置4处理后获得目标热解油的产率为10％以上。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，该系统包括热解反应器(1)、冷凝装置(3)、燃烧装置(2)，其中：
所述热解反应器(1)包括加热室、反应室、螺旋推进杆(106)和电动机(110)，所述加热室设置有外部烟气入口和外部烟气出口，用于保证该加热室内充满烟气，所述反应室设置在所述加热室的内部，工作时利用所述加热室内的烟气对该反应室进行加热，以此为含碳固体燃料的热解提供热量，所述反应室的前端设置有进料口(101)，用于通入待热解的所述含碳固体原料，同时该反应室的后端设置有热解焦出口(105)和挥发分出口(102)，分别用于将所述含碳固体原料热解生成的热解焦和挥发分排出，所述螺旋推进杆(106)水平安装在所述反应室的内部，该螺旋推进杆(106)的一端与所述电动机(110)连接，其另一端与所述反应室的内壳连接，工作时利用所述电动机(110)带动所述螺旋推进杆(106)进行旋转，从而推动所述含碳固体原料沿水平方向移动，最终将所述热解焦和挥发分分别从所述热解焦出口(105)和挥发分出口(102)排出；
所述冷凝装置(3)与所述挥发分出口(102)连接，用于对所述挥发分进行冷凝从而获得液态产物和不凝热解气，收集所述液态产物并将所述不凝热解气通入所述燃烧装置(2)；
所述燃烧装置(2)一端与所述冷凝装置(3)连接，其另一端与所述外部烟气入口连接，工作时所述不凝热解气在所述燃烧装置(2)中燃烧产生烟气，所述烟气通过所述外部烟气入口进入所述加热室，从而为所述含碳固体燃料的热解提供热量。
2.如权利要求1所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述螺旋推进杆(106)采用中空设计，并且该螺旋推进杆(106)的前端和后端分别设置有烟气出口和烟气入口，同时所述反应室从前至后依次被分割为相互独立的内部烟气出气区(109)、热解区(107)和内部烟气进气区(108)，所述内部烟气出气区(109)设置有内部烟气出口(104)，所述内部烟气进气区(108)设置有内部烟气入口(103)，工作时，所述燃烧装置(2)产生的烟气通过所述内部烟气入口(103)进入所述内部烟气进气区(108)，并通过所述烟气入口进入所述螺旋推进杆(106)，沿该螺旋推进杆(106)的内部管道流动，从而对所述含碳固体原料进行加热，最终从所述烟气出口排出进入所述内部烟气出气区(109)，并通过所述内部烟气出口(104)排出。
3.如权利要求2所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述含碳固体原料自维持热解系统还包括余热回收装置(5)，所述余热回收装置(5)的入口与所述内部烟气出口(104)和外部烟气出口连接，其出口与所述燃烧装置(2)连接，工作时利用该余热回收装置(5)将烟气携带的热量传递给空气，从而对其进行预热，并将预热后的空气通入所述燃烧装置(2)中，促进所述不凝热解气燃烧。
4.如权利要求1～3任一项所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述含碳固体原料自维持热解系统还包括设置在所述冷凝装置(3)出口的油水分离装置(4)，所述油水分离装置(4)用于将所述液态产物进行油水分离，从而获得净化后的热解油。
5.如权利要求1所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述进料口(101)的加料速率为100kg/h～1000kg/h。
6.如权利要求1所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述螺旋推进杆(106)的转速为5r/min～30r/min。
7.如权利要求2所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，进入所述加热室和内部烟气进气区(108)的烟气温度优选为500℃～1200℃。
8.如权利要求5～7任一项所述的含碳固体原料自维持热解系统，其特征在于，所述反应室的温度为400℃～900℃。
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