CN110373217A - 裂解还原反应控制方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
一种裂解还原反应控制方法，用于监测裂解还原反应进行的程度，所述裂解还原反应在干馏反应阶段产生的气相产物经冷凝分离为气体产物和液体产物，在所述裂解还原反应在干燥阶段产生的气相产物经冷凝得到产物水，对反应釜中的压力进行恒压控制，在干燥阶段，监测所述产物水的流量；以及在干馏反应阶段，监测所述气体产物和/或所述液体产物的流量。以及一种裂解还原反应控制系统，及其应用。本发明能够准确识别干燥和干馏反应的程度，从而能够在合适的时机调整反应釜加热温度。由于反应釜内压力能够得到平稳的控制，复杂成分的生活垃圾也可以充分反应，从而可以应用于分类之前的混合生活垃圾，使垃圾处理更加方便、社会垃圾处理成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及生活垃圾裂解处理技术领域，尤其是针对裂解还原反应的过程控制技术。
背景技术
随着城市化发展，生活垃圾的处理成为重要的课题，在众多的垃圾处理方式中，裂解处理在理论层面一直是公认最为理想的处理方式。理论上，这种处理方式能够将生活垃圾分解成资源物质并且处理过程不会为大气环境造成二次污染或过度的能源消耗。
然而长期以来，这种处理方式仅仅存在于理论层面，在垃圾处理应用方面往往无法进行理想的裂解处理，条件控制不当，所谓的裂解处理设备实际上就成了焖烧设备或焚烧设备。这样的话，虽然设备运行过程中会伴随一些裂解反应的发生，然而更多的则是焖烧或焚烧的处理方式主导，往往出现产生恶臭、有异味、过量碳排放、效能低、甚至产生二噁英等技术缺陷。
发明人本人申请的专利公开号CN109937096A和CN109890943A披露了一种针对生活垃圾的裂解反应处理装置和方法，采用卧式的旋转密封筒体(反应釜)进行裂解处理，能够使反应稳定、充分地进行，此外，通过对筒体内温度的控制，能够对各阶段的反应过程进行有效控制，获得理想的天然气、焦油和有机质碳等资源产物。
上述现有技术中，生活有机垃圾的裂解还原反应处理方法中通过监测反应釜的压力来判断干馏反应阶段是否完成，具体而言，反应过程中压力逐渐增大，反应尾声压力逐渐减小。
然而，为了准确监测反应釜的压力，需要对反应釜的压力进行复杂的控制，首先，需要使压力处于系统可接受的范围之内，避免过大的压力造成的系统安全隐患，也就是需要持续泄压；同时也需要使反应釜的压力不要排出过快，排出过快将会造成反应釜内压力变化无法真实反映出反应的程度。如何方便有效地监测反应进行的程度，成为上述技术急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种裂解还原反应控制方法和系统，解决反应程度的监测问题。
本发明的技术方案如下：
一种裂解还原反应控制方法，用于监测裂解还原反应进行的程度，所述裂解还原反应在干馏反应阶段产生的气相产物经冷凝分离为气体产物和液体产物，在所述裂解还原反应在干燥阶段产生的气相产物经冷凝得到产物水，对反应釜中的压力进行恒压控制，在干燥阶段，监测所述产物水的流量；以及在干馏反应阶段，监测所述气体产物和/或所述液体产物的流量。
优选地，所述恒压控制包括在所述气体产物收集管道中的压力大于第一阈值时释放所述气体产物。
优选地，所述释放所述气体产物包括根据气体产物收集管路中的气压控制气体产物泵送装置启动。
优选地，所述气体产物收集管路中的气压通过压力传感器检测。
优选地，所述气体产物收集管路中的气压控制在负压0.001千帕～正压0.002千帕之间。
优选地，所述产物水、所述气体产物和/或所述液体产物的流量用于控制反应釜内温度。
优选地，所述产物水的流量低于第一产物水流量阈值的时长超过第一时长时，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第一气体/液体流量阈值的时长超过第二时长时，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。
优选地，所述产物水的流量低于第二产物水流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第二气体/液体流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。
优选地，一种裂解还原反应控制系统，用于监测裂解还原反应进行的程度，所述裂解还原反应在干馏反应阶段产生的气相产物经冷凝分离为气体产物和液体产物，在所述裂解还原反应在干燥阶段产生的气相产物经冷凝得到产物水，包括设置在气体产物收集路中的压力传感器；以及检测产物水、所述气体产物和/或所述液体产物的流量的装置。
前述任一种裂解还原反应控制方法及裂解还原反应控制系统的应用，用于未经分类处理的混合生活垃圾。
本发明具有的有益效果：
本发明能够无需监测反应釜内压力的变化，也可以使系统识别干燥和干馏反应的程度，从而能够在合适的时机调整反应釜加热温度，进入碳化阶段。
附加地，由于反应釜内压力能够得到平稳的控制，对复杂成分的生活垃圾也可以充分进行反应，从而使方法和系统可以应用于分类之前的混合生活垃圾，使垃圾处理更加方便、社会垃圾处理成本大大降低。
附图说明
图1为本发明实施例的反应控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
专利公开号CN109937096A和CN109890943A披露了针对生活垃圾的裂解反应处理装置和方法，此两份专利公开所披露的技术内容整体上在此结合作为参考。本申请实施例重点描述基于上述公开进一步改进的技术内容。
图1显示了本发明的实施例的反应控制系统的结构示意图。
如图所示，从反应釜中产生的气相产物沿箭头A1方向，经过尘降装置200除尘处理获得洁净的气相产物并进入冷凝分离装置400。在冷凝分离装置中，气相产物至少部分被液化。在干燥阶段，所述气相产物成分为水，因此冷凝液化后得到产物水，沿箭头A7方向被导出；在干馏反应阶段，所述气相产物主要成分为可燃气体、焦油和少量水，因此冷凝后分离为气体产物(可燃气体)、和液体产物(焦油和水)，气体产物沿箭头A2方向被导出进入酸碱中和装置109、吸附装置110和缓冲装置101；液体产物沿箭头A4方向进入焦油收集装置300。
设置在液体产物管路或产物水管路中的流量计600产生标定产物水、液体产物和/或气体产物的流量和/或流速的信号并将信号传递至反应釜加热装置的控制器700，以控制燃烧器(烧嘴)的开度和/或鼓风装置的功率，从而控制反应釜内温度变化。
设置在气体产物管道中的压力传感器102检测气体产物管道中的气体压力并控制泵送装置105、105’启动或停止启动，使反应釜及气体产物管路中的气体压力保持恒定。
下面将分别陈述压力控制系统和温度控制系统。
压力控制系统
缓冲容器101用于暂存从裂解还原反应的反应釜中排出的气体产物。所述缓冲容器101为具有多个端口的储气罐。所述气体产物指在裂解还原反应的过程中产生的可燃气体产物，例如天然气。箭头A2显示了气体产物的流向。
压力传感器102设置在所述缓冲容器101上用于检测暂存在所述缓冲容器内部的气体产物的压力，下称缓冲气压。
在图示的所述缓冲容器101上，包括一个进气端口103和两个排气端口104、104’，所述进气端口103与反应釜排气端口连接，所述排气端口104、104’分别与两个泵送装置105、105’连接。
第一泵送装置105通过气体管道与一烧嘴连接。为了使反应釜中发生裂解还原反应，需要对反应釜进行间接加热，因此反应釜的外部设置有燃烧室。所述烧嘴用于将可燃气体通向燃烧室进行燃烧而向反应釜供热。所述泵送装置105与烧嘴800连接，从而在反应釜中反应相对充分时，将缓冲容器101中的可燃气体泵送至烧嘴用于向反应釜供热。
第二泵送装置105’通过气体管道与一安全装置(未示出)连接。所述安全装置可以是固定或活动的大型储气装置，例如压力罐。这样当反应釜中产生的气体产物过多并且超过向反应釜供热所需要的量时，能够及时把多余的气体产物从系统中疏导出去并储存起来，待用于其他用途。可选地，泵送装置105’通过气体管路连接二燃室或其他设备的燃烧室用于将多余的气体产物进行燃烧处理。优选地，所述燃烧处理后的气体经由尾气净化后排放。
泵送装置105、105’通过一压力变送器与所述压力传感器102连接，这样，压力变送器将压力传感器102检测到的缓冲容器101中的压力转变为电信号，所述泵送装置的控制器根据该电信号控制所述泵送装置的启动或停止。压力传感器可以有一个或多个，例如第一压力传感器102和第二压力传感器102’，分别与泵送装置105和105’连接。
具体地，在所述缓冲气压达到第一阈值时，控制器控制所述第一泵送装置105开启；在所述缓冲气压达到第二阈值时，所述第二泵送装置105’开启；在所述缓冲气压降低到第三阈值时，所述第二泵送装置105’停止工作；在所述缓冲气压降低到第四阈值时，所述第一泵送装置105停止工作。
上述各阈值的数值关系可以根据实际需要进行具体设置，优选地，所述第二阈值≧第一阈值≧第三阈值≧第四阈值。在本发明优选的实施例中，第一阈值和第二阈值均为0.01～0.002千帕，所述第三阈值为0.002～0.0001千帕，所述第四阈值为负压0.01-0.001千帕。
这意味着，反应釜内气体压力始终被控制在负压0.001千帕和正压0.002千帕之间。反应釜内基本处于恒压状态，有效避免了因有机物料成分不均带来突然的压力变化产生的安全隐患。
当然，在可选的实施例中，所述排气端口104、104’和泵送装置105、105’可以只有一个，只要能够保证反应釜中产生的气体产物能够得到妥当地利用、储存及处理即可。
可选的实施例中，所述缓冲装置还包括一检测端口107，所述检测端口包括可用于关闭和打开所述端口的电动阀门，所述检测端口通过气体管线与一检测烧嘴连接，所述检测烧嘴带有状态信号发生装置。
在裂解反应设备开始工作时，即反应釜中加入待处理物料准备开始进行干燥及干馏处理之前，所述检测端口107的电动阀门的初始状态为保持打开，任何反应产生的和/或膨胀的气体将经由检测端口和检测烧嘴进入反应釜的燃烧室，进行二次燃烧处理。当反应釜中开始产生可燃气体并经由检测端口107到达检测烧嘴108，所述检测烧嘴108自动点火，则其状态信号发生装置产生电信号并传送给所述检测端口的电动阀门，控制所述电动阀门关闭，即检测端口关闭，这代表检测到可燃气体产物产生。
当然，该检测端口107并非必需。在反应釜没有产生可燃气体之前，任何反应釜中产生的和/或膨胀的气体将暂存累计在缓冲容器101中，当压力超过第一阈值，所述第一泵送装置105打开，而将这些气体泵入反应釜的燃烧室进行二次燃烧处理。该工作过程中，泵送装置的控制条件可以与泵送气体产物(可燃气体)的条件一致。
所述第一泵送装置105和第二泵送装置105’优选为适于泵送可燃气体的水环泵。
在所述缓冲容器的底部，优选还包括一维护端口106，用于所述缓冲容器的内部清理。从反应釜排出的气体，虽然经过多道处理工序，难免存在固液杂质，设置维护端口106有利于定期清理缓冲容器。
本装置通过对压力的控制，能够自适应地调节反应釜内压力，避免压力过大产生的安全隐患，同时使气体向燃烧室供应的气流更加稳定，有助于裂解还原反应的充分进行。
温度调节系统
冷凝分离器400下方设置液体收集口，与焦油收集装置300之间由排液管路连接，排液管路中设置一个可切换的三通阀500，三通阀500的上游为主排管路，下游包括产物水管路和焦油管路。三通阀500用于在干燥阶段切换为收集产物水以及在干馏阶段切换为收集焦油。
所述主排管路、产物水管路和/或焦油管路设置流量计600或流量观测装置(未示出)，用于检测流经该管路的产物水或焦油的流量。
所述流量计标定产物水或焦油的流量或流速的信号，并反馈给反应釜加热装置的控制器700。所述流量计例如可以包括一个霍尔元件，金属叶片转动到接近所述霍尔元件时触发脉冲信号，也可以包括叶片和线圈，在叶片上安装磁性点，待磁性点接近线圈时触发脉冲信号；还可以包括感光元件，在感知叶片遮光时触发脉冲信号。
所述流量观测装置包括设置在主排管路中的透明视窗，能够直观观察到产物水及焦油的流量变化，作为调节反应釜加热装置的依据。
此外可选地，在冷凝分离器400上方的气体产物通道中，设置有流量计(未示出)，用于检测流经该管路的气体产物的流量。
所述流量计均与反应釜加热装置的控制器700连接，流量数据触发控制信号，调节燃烧器烧嘴800的开度和/或鼓风装置的功率，继而用于调节反应釜内温度。
所述产物水的流量低于第一产物水流量阈值的时长超过第一时长时，例如5分钟，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第一气体/液体流量阈值的时长超过第二时长时，例如5分钟，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。第一产物水流量阈值和/或第一气体/液体流量阈值例如可以为100-500毫升/分钟，该数值可以根据垃圾类型和处理规模进行合理调整。
所述产物水的流量低于第二产物水流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第二气体/液体流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。第一产物水流量阈值和/或第一气体/液体流量阈值例如可以为50-200毫升/分钟，该数值可以根据垃圾类型和处理规模进行合理调整。
借助于上述方案，反应釜中的压力可以得到恒压控制，不再需要对垃圾提前进行形态调整或成分调整，例如破碎、分拣等预处理，能够应对反应釜中垃圾原料中突然出现的压力变化，因此，使得裂解反应处理设备能够用于处理自然界天然存在的或人造的任何有机物或有机合成物的垃圾，无需对垃圾进行分类或破碎。对于一些无机物垃圾，也可进入反应釜一起加热，并将随固相产物一起排出，不会对设备造成损害，也不会影响裂解还原反应的正常进行。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种裂解还原反应控制方法，用于监测裂解还原反应进行的程度，所述裂解还原反应在所述裂解还原反应在干燥阶段产生的气相产物经冷凝得到产物水，在干馏反应阶段产生的气相产物经冷凝分离为气体产物和液体产物，其特征在于，
对反应釜中的压力进行恒压控制，
在干燥阶段，监测所述产物水的流量；以及
在干馏反应阶段，监测所述气体产物和/或所述液体产物的流量。
2.根据权利要求1所述裂解还原反应控制方法，其特征在于，
所述恒压控制包括在气体产物的压力大于第一阈值时释放所述气体产物，所述压力小于第二阈值时停止释放所述气体产物。
3.根据权利要求2所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，
所述释放所述气体产物包括根据气体产物的压力控制气体产物泵送装置启动。
4.根据权利要求2所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，所述气体产物的压力通过设置再气体产物收集管路中的压力传感器检测。
5.根据权利要求2所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，所述第一阈值为正压0.002千帕气体，所述第二阈值为负压0.001千帕。
6.根据权利要求1所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，所述产物水、所述气体产物和/或所述液体产物的流量用于控制反应釜内温度。
7.根据权利要求6所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，所述产物水的流量低于第一产物水流量阈值的时长超过第一时长时，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第一气体/液体流量阈值的时长超过第二时长时，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。
8.根据权利要求6所述的裂解还原反应控制方法，其特征在于，所述产物水的流量低于第二产物水流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至350-550℃；所述气体产物和/或所述液体产物的流量低于第二气体/液体流量阈值时，使所述反应釜内温度逐渐升高至580-700℃。
9.一种裂解还原反应控制系统，用于监测裂解还原反应进行的程度，所述裂解还原反应在干馏反应阶段产生的气相产物经冷凝分离为气体产物和液体产物，在所述裂解还原反应在干燥阶段产生的气相产物经冷凝得到产物水，其特征在于，包括
设置在气体产物收集管路中的压力传感器；
以及检测产物水、所述气体产物和/或所述液体产物的流量的装置。
10.一种前述权利要求1-8中任一项所述的裂解还原反应控制方法及前述权利要求9所述裂解还原反应控制系统的应用，用于处理未经分类的混合生活垃圾。
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