CN111763523A

CN111763523A - 熔盐换热的旋转式连续热解反应炉和热解方法

Info

Publication number: CN111763523A
Application number: CN202010519384.3A
Authority: CN
Inventors: 曹承阳; 胡红云; 刘金鑫; 陈思懿; 邬凡; 李爱军; 王琳玲; 姚洪
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明实施例提供了一种熔盐换热的旋转式连续热解反应炉，包括反应炉主体、熔盐储罐和熔盐泵。所述反应炉主体包括用于物料的破碎与热解的旋转热解单元，用于反应炉固定与姿态控制的支撑台架单元，用于为物料供热的熔盐换热单元，用于送入物料的进料单元，用于热解产物的收集与分离的出料单元，以及用于监测调控热解反应过程的控制单元。通过熔盐换热为热解反应提供热源，借助传热球使炉内物料受热更均匀、充分，提高了换热效率，并同步破碎物料，使热解更为彻底，产物组分更可控；利用结构设计实现了持续的物料进料和产物出料，大幅提升了装置的日处理能力。本发明实施例还提供了使用所述热解反应炉热解固废的热解方法。

Description

熔盐换热的旋转式连续热解反应炉和热解方法

技术领域

本发明属于固废处理及热解反应技术领域，特别涉及一种熔盐换热的旋转式连续热解反应炉。本发明还提供了使用该熔盐换热的旋转式连续热解反应炉实现的热解方法。

背景技术

随着近年来环保意识的逐步增强，无害化、资源化处置已成为固体废弃物处理的重要准则之一，低能耗、低污染的热解处理方法逐渐取代填埋或燃烧成为最受关注的固体废弃物处理方法。在当前使用的各种热解设备中，外热式回转热解反应炉是目前最常用的慢速热分解反应器，其具有调节灵活、物料适应性广等优点，对于粒径较小、分布均匀的物料有着很好的热解效果。但因多数固体废弃物粒径较大，在常用的外热式回转热解反应炉内传热性能差，且物料在进入热解反应炉前需要进行破碎处理，既增加了热解过程的工艺复杂性，也降低了热能利用率，影响了实际的热解效果，从而限制了外热式回转热解反应炉的进一步推广应用。

为解决当前外热式回转热解反应炉存在的缺陷，一种新颖的改进方案为采用内热式和外热式相结合的混合供热方式加热物料，如中国专利文献CN1863606A和CN107676799A中均公开了热解时混入高温能量球供热的方案，该方案可有效提升固体废弃物的热解效率，然而由于热解过程中能量球随物料持续更替，存在物料热解温度不可控、产物组分复杂的问题，降低了实际工程应用的可行性。有鉴于此，开发固体废弃物物料加热更均匀、热解效率更高且热解产物组分更加可控的热解设备和工艺，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中的固体废弃物热解反应炉存在的传热效率低、热解不彻底及热解产物组分复杂的技术问题，提供了熔盐换热的旋转式连续热解反应炉和热解方法，具有热能利用率更高、热解效率明显提升、热解产物组分更为集中的优点。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种熔盐换热的旋转式连续热解反应炉，包括反应炉主体、熔盐储罐和熔盐泵，其中：

所述反应炉主体包括旋转热解单元、支撑台架单元、熔盐换热单元、进料单元、出料单元和控制单元；所述旋转热解单元包括炉体、若干传热球、旋转滚轮和旋转驱动装置，所述支撑台架单元包括固定台架和液压抬升装置；所述炉体通过所述旋转滚轮连接在所述固定台架上，所述炉体随所述旋转滚轮同步旋转，所述旋转驱动装置驱动所述旋转滚轮转动；所述炉体一端设置有用于进料的所述进料单元，另一端设置有用于出料的所述出料单元，所述传热球放置于所述炉体的炉膛内；所述固定台架在外部固定支撑所述炉体，所述固定台架下方连接所述液压抬升装置，所述液压抬升装置可调整所述炉体姿态使其保持倾斜；所述熔盐换热单元包括熔盐换热腔，所述熔盐换热腔包覆于所述炉体外，其内熔盐与所述炉体进行换热，其外包裹保温层；所述熔盐换热腔具有熔盐进口和熔盐出口，所述熔盐进口和所述熔盐出口之间连接有所述熔盐储罐和所述熔盐泵，所述熔盐泵驱动熔盐由所述熔盐出口流入所述熔盐储罐中加热，加热后的熔盐经所述熔盐进口流回所述熔盐换热腔中；所述控制单元连接各单元对热解反应进行监测调控。

作为传热球的优选，其为实心或多孔结构，其材质为石英、钢铁、氧化铝和碳化硅中的任一种或任意多种组合。

作为传热球的优选，其具有直径分别为50mm、20mm和10mm，数量比为5:3:2的三种尺寸；优选地，所述传热球总体积与所述炉体容积比例为0.1～0.5。

优选地，所述熔盐换热单元和所述熔盐储罐中的熔盐为碳酸盐、硝酸盐、氯盐、硫酸盐、氟盐中的任一种或任意多种组合，所述熔盐储罐与所述熔盐换热腔的容积比为5～20。

作为保温层的优选，其厚度不小于2cm，其材质为聚碳酸酯、岩棉、玻璃纤维、硅酸铝陶瓷纤维或硅基气凝胶材料。

作为进料单元的优选，所述进料单元包括送料管、螺旋进料杆、电机、进料口和滤液出口，其中：所述送料管为中空的双层管件，其内层管件为多孔管，所述内层管件一端上部开有所述进料口供物料投入，另一端连通所述炉体的炉膛；所述螺旋进料杆轴向设置于所述内层管件内，在所述电机驱动下旋转以推动物料移动；所述滤液出口设置于所述送料管外层管件靠近所述炉体一侧底部，供物料渗出的滤液流出。

作为出料单元的优选，所述出料单元包括多孔结构阀、过滤网和抽吸泵，其中：所述多孔结构阀可开闭，直接连通所述炉体的炉膛；所述抽吸泵连接在所述多孔结构阀后端；所述多孔结构阀和所述抽吸泵之间设置有所述过滤网。

本发明实施例还提供了一种使用前述熔盐换热的旋转式连续热解反应炉进行的固体废弃的热解方法，其步骤包括：

S1.将待热解的固体废弃物物料在氮气卷携下送入进料口，物料由螺旋进样杆推入炉膛内，物料渗出滤液自滤液出口流出；

S2.将熔盐在熔盐储罐中加热熔融后送入熔盐换热腔内换热，将换热后的熔盐送入熔盐储罐重新加热完成熔盐循环；

S3.持续旋转炉体使炉膛内的物料和传热球混合，由熔盐换热腔炉膛内熔盐加热物料和传热球，物料破碎并受热发生热解反应；

S4.用抽吸泵将炉膛内物料热解反应的气相产物抽出；

S5.物料发生热解反应达到预定时间后，通过液压抬升装置调整炉体姿态，使炉体自进料端向出料端整体向下倾斜，打开多孔结构阀并降低炉体转速，倒出固相及液相产物；

S6.重复步骤S1，开始下一周期热解反应。

优选地，所述物料为沼渣、污泥和/或餐厨垃圾，送入炉膛内的物料体积小于炉体容积的50％。

优选地，控制熔盐换热腔内熔盐温度不低于400℃，熔盐换热完成后温差不大于50℃，加热后的熔盐从熔盐储罐流入熔盐换热腔温差不大于20℃。

本发明实施例的上述技术方案，通过熔盐换热方式为热解反应供热，借助传热球使物料受且同步破碎，热解反应炉采用旋转式，其上设置了持续进料与出料的结构且反应炉炉体转速与旋转方向可调，技术方案的有益效果如下：

1.通过热熔盐与热解反应炉换热作为热源，并通过被加热后的传热球进一步接触固相物料进行传热，相较于现有的外热式回转热解炉而言，具有更高的热能利用率；

2.热解反应炉内的传热球与物料共混热解，物料在热解同时完成破碎，解决了现有技术热解过程中物料热解不充分的问题，提升了热解效率，使热解产物组分更为集中；

3.旋转式连续热解反应炉通过调节炉体转速与旋转方向实现持续进料与出料，且传热球不会与物料一同倒出，避免造成大量热损，相较于现有的混合供热型热解技术，日处理物料量大幅提升，降低了成本，具有更高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的熔盐换热的旋转式连续热解反应炉的单元图；

图2为图1所示反应炉主体的结构示意图。

[主要元件符号说明]

1-反应炉主体；11-旋转热解单元；111-炉体；112-传热球；113-旋转滚轮；114-旋转驱动装置；12-支撑台架单元；121-固定台架；122-液压抬升装置；13-熔盐换热单元；131-熔盐换热腔；132-保温层；133-熔盐进口；134-熔盐出口；14-进料单元；141-送料管；142-螺旋进料杆；143-电机；144-进料口；145-滤液出口；15-出料单元；151-多孔结构阀；152-过滤网；153-抽吸泵；

2-熔盐储罐；3-熔盐泵。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的问题，提供熔盐换热的旋转式连续热解反应炉和热解方法，具有热能利用率及热解效率高、热解产物组分集中等优点。

为了实现上述技术方案，如图1和图2所示，本实施例提供的熔盐换热的旋转式连续热解反应炉，包括反应炉主体1、熔盐储罐2和熔盐泵3，反应炉主体1包括用于完成物料的破碎与热解的旋转热解单元11，用于反应炉的固定与姿态控制的支撑台架单元12，用于为物料热解反应供热的熔盐换热单元13，用于送入物料的进料单元14，用于物料热解反应的气相和固相产物的收集与分离的出料单元15，以及用于监测熔盐流速、炉体温度等参数及调控反应过程的控制单元。如图2所示，旋转热解单元11包括炉体111、传热球112、旋转滚轮113和旋转驱动装置114；支撑台架单元12包括固定台架121和液压抬升装置122；熔盐换热单元13包括熔盐换热腔131、保温层132、熔盐进口133和熔盐出口134；进料单元14包括送料管141、螺旋进料杆142、电机143、进料口144和滤液出口145；出料单元15包括多孔结构阀151、过滤网152和抽吸泵153。具体结构如下：

炉体111通过旋转滚轮113连接在固定台架121上，炉体111随旋转滚轮113同步旋转，由旋转驱动装置114驱动旋转滚轮113转动，旋转驱动装置114可选用电机与传动带配合，由电机通过传动带旋转滚轮113转动，使炉体111与旋转滚轮113同步旋转；传热球112放置于炉体111的炉膛内，当物料送入炉膛后，随炉体111旋转传热球112和物料在炉膛内混合翻滚，完成物料的加热与破碎；传热球112可以是实心或多孔结构，其材质为石英、钢铁、氧化铝和碳化硅中的任一种或任意多种组合，作为更佳的实施方式，选用直径分别为50mm、20mm和10mm三种尺寸的传热球112，前述三种尺寸传热球112为数量比保持为5:3:2，在炉膛内放置的传热球112总体积与炉体111容积比例为0.1～0.5，以0.1～0.3为佳。

如图2所示，炉体111左端为进料端，右端为出料端，固定台架121在外部固定支撑炉体111，固定台架121下方设置液压抬升装置122，液压抬升装置122可调整炉体111姿态使其保持倾斜；本实施例中，液压抬升装置122分别连接炉体111左右两端的固定台架121，通过左右两端的液压抬升装置122配合动作，如左端的液压抬升装置122顶起，可使炉体111整体形成左端高右端低的倾斜姿态；通常通过液压抬升装置122使炉体111整体倾斜±20°即可满足需求。

熔盐换热腔131包覆于炉体111外，其内熔盐与炉体111进行换热，因熔盐换热腔131与熔盐直接接触，材质可选用347H不锈钢；熔盐换热腔131外侧包裹保温层132，保温层132厚度不低于2cm，以不低于5cm为佳，其材质为聚碳酸酯、岩棉、玻璃纤维、硅酸铝陶瓷纤维或硅基气凝胶材料中的一种，以使用硅基气凝胶材料为更佳；熔盐换热腔131具有熔盐进口133和熔盐出口134，熔盐进口133和熔盐出口134之间连接有熔盐储罐2和熔盐泵3，熔盐换热腔131中的熔盐在熔盐泵3驱动下由熔盐出口134流入熔盐储罐2中，加热至熔融状的熔盐再由熔盐储罐2经熔盐进口133流回熔盐换热腔131中与炉体111换热，完成熔盐换热循环；熔盐储罐2与熔盐换热腔131的容积比保持在5～20，以5～10更佳；为降低能源成本，熔盐储罐2的加热能源优先选用低谷电、太阳能、风能、地热能等一种或多种，以低谷电和太阳能为佳。熔盐换热单元13和熔盐储罐2中的熔盐可为碳酸盐、硝酸盐、氯盐、硫酸盐、氟盐中的任一种或任意多种组合。

进料单元14中，如图2所示，送料管141为中空的双层管件，其内层管件为多孔管，孔径以200目为佳；内层管件左端上部开有进料口144供物料投入，右端连通炉体111的炉膛；螺旋进料杆142轴向设置于内层管件内，在电机143驱动下旋转以推动物料向炉体111内移动；滤液出口145设置于送料管141外层管件靠近炉体111一侧底部，供物料渗出的滤液流出；进料管形状可选择空心圆台或空心圆柱。

出料单元15中，如图2所示，多孔结构阀151可开闭，直接连通炉体111的炉膛；抽吸泵153连接在多孔结构阀151后端；多孔结构阀151和抽吸泵153之间设置有过滤网152；过滤网152后端为集成的气相出口和固(液)相出口，通过连接抽气泵*抽吸使炉膛内热解反应生成的热解气的快速逸出，进一步对气相产物收集处理，在一个热解周期中，通过液压抬升装置122调整炉体111角度使之向固(液)相出口一端下倾，固(液)相产物经过滤网152后从炉膛内倒出，进一步进行固(液)相产物的收集处理；其中，气相出口流量控制在500m³/h以下为宜，可选用孔径60目的过滤网152。

本实施例中，控制单元包括控制终端、温控仪、气体检测设备和紧急制动装置，控制终端设置参数后，实时监控系统运转时温度、压力、CO浓度等特征参数，遇到异常状态时由紧急制动装置停止反应炉工作并停止熔盐循环；其中温控仪精度为1℃，精度为0.5℃为佳。

为了更好地实现上述技术方案，本发明还提供了一种热解方法，使用所述熔盐换热的旋转式连续热解反应炉进行的固体废弃的热解方法，其步骤包括：

S4.用抽吸泵将炉膛内物料热解反应的气相产物抽出；

S6.重复步骤S1，开始下一周期热解反应。

本实施例中，可处理的固体废弃物物料为沼渣、污泥和/或餐厨垃圾，送入炉膛内的物料体积应小于炉体容积的50％；控制熔盐换热腔内熔盐温度不低于400℃，熔盐换热完成后温差不大于50℃，加热后的熔盐从熔盐储罐流入熔盐换热腔温差不大于20℃；熔盐温度、流速、热解反应炉转速等参数均由控制单元设定。

以处理沼渣为例，进一步描述所述熔盐换热的旋转式连续热解反应炉和热解方法：

所述热解反应炉运行时，将待热解的沼渣物料在氮气卷携下自进料口送入进料单元，在螺旋进样杆推动下进入炉体的炉膛内，进料时渗出的沼渣滤液通过滤液出口。

炉体以60rpm转速持续转动，炉膛内实心结构的石英传热球与沼渣物料直接接触并共同受热，使物料的同步破碎与热解，其中传热球直径分别为50mm、20mm和10mm三种，三者比例保持5:3:2；沼渣物料和传热球体积分别占炉体容积的30％和10％。

沼渣物料在热解反应过程中，由出料单元内的抽吸泵持续作用，使气相产物快速逸出；物料在炉内反应10分钟后，启动液压抬升装置，使炉体由进料端向出料端整体向下倾斜15度，打开多孔结构阀，将炉体转速降至20rpm，继续旋转5分钟确保固(液)相残余物料倒出。

熔盐储罐内为作为熔盐的复合硝酸盐，由太阳能和低谷电等低价能源加热熔盐至470℃，所述热解反应炉运行时，热熔盐经熔盐泵加压流入熔盐换热腔中与炉体换热以提供热解反应所需热能，完成换热后熔盐送回熔盐储罐完成循环；其中，熔盐储罐与熔盐换热腔容积比为6:1，熔盐换热腔外包覆8cm厚的硅基气凝胶材料以实现保温，熔盐换热腔内温度为465～480℃，炉体内的炉膛温度为460～470℃。

通过以上装置及运行参数设置，对含水率40％的沼渣物料进行热解处置，沼渣物料在15分钟周期内于460～470℃下完全热解，最终收集到质量百分比25％的热解气，55％的焦油和20％的焦。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不应理解为对本发明的限制；除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种熔盐换热的旋转式连续热解反应炉，包括反应炉主体(1)、熔盐储罐(2)和熔盐泵(3)，其特征在于，所述反应炉主体(1)包括旋转热解单元(11)、支撑台架单元(12)、熔盐换热单元(13)、进料单元(14)、出料单元(15)和控制单元，其中：

所述旋转热解单元(11)包括炉体(111)、若干传热球(112)、旋转滚轮(113)和旋转驱动装置(114)，所述支撑台架单元(12)包括固定台架(121)和液压抬升装置(122)；所述炉体(111)通过所述旋转滚轮(113)连接在所述固定台架(121)上，所述炉体(111)随所述旋转滚轮(113)同步旋转，所述旋转驱动装置(114)驱动所述旋转滚轮(113)转动；所述炉体(111)一端设置有用于进料的所述进料单元(14)，另一端设置有用于出料的所述出料单元(15)，所述传热球(112)放置于所述炉体(111)的炉膛内；所述固定台架(121)在外部固定支撑所述炉体(111)，所述固定台架(121)下方连接所述液压抬升装置(122)，所述液压抬升装置(122)可调整所述炉体(111)姿态使其保持倾斜；

所述熔盐换热单元(13)包括熔盐换热腔(131)，所述熔盐换热腔(131)包覆于所述炉体(111)外，其内熔盐与所述炉体(111)进行换热，其外包裹保温层(132)；所述熔盐换热腔(131)具有熔盐进口(133)和熔盐出口(134)，所述熔盐进口(133)和所述熔盐出口(134)之间连接有所述熔盐储罐(2)和所述熔盐泵(3)，所述熔盐泵(3)驱动熔盐由所述熔盐出口(134)流入所述熔盐储罐(2)中加热，加热后的熔盐经所述熔盐进口(133)流回所述熔盐换热腔(131)中；

所述控制单元连接各单元对热解反应进行监测调控。

2.根据权利要求1所述的热解反应炉，其特征在于，所述传热球(112)为实心或多孔结构，其材质为石英、钢铁、氧化铝和碳化硅中的任一种或任意多种组合。

3.根据权利要求1所述的热解反应炉，其特征在于，所述传热球(112)具有直径分别为50mm、20mm和10mm，数量比为5:3:2的三种尺寸；所述传热球(112)总体积与所述炉体(111)容积比例为0.1～0.5。

4.根据权利要求1所述的热解反应炉，其特征在于，所述熔盐换热单元(13)和所述熔盐储罐(2)中的熔盐为碳酸盐、硝酸盐、氯盐、硫酸盐、氟盐中的任一种或任意多种组合，所述熔盐储罐(2)与所述熔盐换热腔(131)的容积比为5～20。

5.根据权利要求1所述的热解反应炉，其特征在于，所述保温层(132)厚度不小于2cm，其材质为聚碳酸酯、岩棉、玻璃纤维、硅酸铝陶瓷纤维或硅基气凝胶材料。

6.根据权利要求1至5任一项所述的热解反应炉，其特征在于，所述进料单元(14)包括送料管(141)、螺旋进料杆(142)、电机(143)、进料口(144)和滤液出口(145)，其中：所述送料管(141)为中空的双层管件，其内层管件为多孔管，所述内层管件一端上部开有所述进料口(144)供物料投入，另一端连通所述炉体(111)的炉膛；所述螺旋进料杆(142)轴向设置于所述内层管件内，在所述电机(143)驱动下旋转以推动物料移动；所述滤液出口(145)设置于所述送料管(141)外层管件靠近所述炉体(111)一侧底部，供物料渗出的滤液流出。

7.根据权利要求1至5任一项所述的热解反应炉，其特征在于，所述出料单元(15)包括多孔结构阀(151)、过滤网(152)和抽吸泵(153)，其中：所述多孔结构阀(151)可开闭，直接连通所述炉体(111)的炉膛；所述抽吸泵(153)连接在所述多孔结构阀(151)后端；所述多孔结构阀(151)和所述抽吸泵(153)之间设置有所述过滤网(152)。

8.一种使用权利要求1至7任一项所述的熔盐换热的旋转式连续热解反应炉热解固体废弃物的热解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将待热解的固体废弃物物料在氮气卷携下送入进料口，物料由螺旋进样杆推入炉膛内，物料渗出滤液自滤液出口流出；

步骤2.将熔盐在熔盐储罐中加热熔融后送入熔盐换热腔内换热，将换热后的熔盐送入熔盐储罐重新加热完成熔盐循环；

步骤3.持续旋转炉体使炉膛内的物料和传热球混合，由熔盐换热腔炉膛内熔盐加热物料和传热球，物料破碎并受热发生热解反应；

步骤4.用抽吸泵将炉膛内物料热解反应的气相产物抽出；

步骤5.物料发生热解反应达到预定时间后，通过液压抬升装置调整炉体姿态，使炉体自进料端向出料端整体向下倾斜，打开多孔结构阀并降低炉体转速，倒出固相及液相产物；

步骤6.重复步骤1，开始下一周期热解反应。

9.根据权利要求8所述的热解方法，其特征在于，所述物料为沼渣、污泥和/或餐厨垃圾，送入炉膛内的物料体积小于炉体容积的50％。

10.根据权利要求8所述的热解方法，其特征在于，控制熔盐换热腔内熔盐温度不低于400℃，熔盐换热完成后温差不大于50℃，加热后的熔盐从熔盐储罐流入熔盐换热腔温差不大于20℃。