CN112745876B - 一种固体废物热解及油气催化重整系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体废物热解及油气催化重整系统，属于固体废物处理技术领域。本发明在外热式热解炉1的热解腔6内进行热解反应，所得热解油气进入催化重整反应器2中进行催化重整反应，所得燃气能够进行内燃发电、锅炉发电、生产高附加值产品等资源化利用；热解产生的热解炭进入燃烧区17进行燃烧，产生的热量能够用于支撑催化重整反应；燃烧产生的烟气为高温烟气，经除尘处理后，进入外热式热解炉1的换热腔7为热解反应提供热量；换热后的烟气进入换热器4与空气进行第二换热，所得热空气进入燃烧炉3，为热解炭的燃烧提供热空气。

Description

一种固体废物热解及油气催化重整系统
技术领域
本发明涉及固体废物处理技术领域，特别涉及一种固体废物热解及油气催化重整系统。
背景技术
固体废弃物广泛产生于人类生活与生产活动中，随着经济的发展和生活的改善，固体废弃物产量日益增加，若处理不当会对大气、土壤、水体造成污染。可燃固体废弃物在固体废弃物中占比较高，包括生活垃圾、可燃污泥、废旧塑料、包装废物、工业皮革肥料及木质加工过程废料等，其具有极高的资源化利用潜力。热解技术是一种新兴的热处理技术，其是利用固体废弃物中有机成分的不稳定性，在绝氧高温条件下，将固体废弃物转化为成分更为稳定的气、液、固三类产品，有效解决直接焚烧存在的燃烧不充分、温度分布不均匀等问题，因此备受关注并广泛应用于固体废物处理。
热解过程会产生10～40％的热解油，包括芳烃类物质及少量脂肪烃类物质，如甲苯、二甲苯、萘。由于固体废物组分复杂，热解油组分波动大，不能被直接燃烧或回收用，造成其应用困难。在传统工艺中，该部分热解油会与热解气一起通过管路进入喷淋塔、油水分离、电捕焦等设备，进行分离回收。但热解油易冷凝、结焦堵塞管道及设备，使得热解系统运行不稳定，对处理设备的长期高效稳定运行产生影响。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种固体废物热解及油气催化重整系统。本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统能够对热解油进行资源化处理，且本发明能够对处理过程中产生的热量进行回收利用，实现能量自供给。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种固体废物热解及油气催化重整系统，包括外热式热解炉1、催化重整反应器2、燃烧炉3、除尘器4和换热器5；
所述外热式热解炉1包括热解腔6和位于所述热解腔6外层的换热腔7；所述热解腔6包括进料口8、热解油气出口9和热解炭出口10；
所述换热腔7设有第一烟气入口11和第一烟气出口12；
所述催化重整反应器2嵌套设置于燃烧炉3内腔上部，所述催化重整反应器设有油气入口13、气化剂入口14和燃气出口15；所述催化重整反应器2内部设有催化剂层16；所述油气入口13与热解油气出口9连通；
所述燃烧炉3内腔中部设有“倒圆台”形状的燃烧区17；
所述燃烧炉3设有第一进气口18、第二进气口19、热解炭入口20和高温烟气出口21，所述第一进气口18位于催化重整反应器2下方，所述第二进气口19位于燃烧区17下方；所述热解炭入口20位于燃烧区17上方，所述热解炭入口20与热解炭出口10连通；
所述燃烧炉3底部设有旋转炉排22和炉渣出口23；
所述除尘器4的入口与第一高温烟气出口21连通，出口与第一烟气入口11连通；
所述换热器5设有空气入口、热空气出口、第二烟气入口24和第二烟气出口25；所述第二烟气入口24与第一烟气出口12连通，所述热空气出口与第一进气口18和第二进气口19连通。
优选的，所述催化剂层16的催化剂为镍基催化剂。
优选的，所述油气入口13和气化剂入口14位于催化重整反应器2顶部，燃气出口15位于催化重整反应器2底部。
优选的，所述燃气出口15与第一烟气入口11连通。
本发明提供了基于上述固体废物热解及油气催化重整系统对可燃固体废物进行处理的方法，包括以下步骤：
可燃固体废物从进料口8进入热解腔6，进行热解反应，得到热解油气和热解炭；
所述热解油气从油气入口13进入催化重整反应器2，从气化剂入口14加入气化剂，进行催化重整反应，得到燃气，所得燃气从燃气出口15排出；
所述热解炭从热解炭入口20进入燃烧区17，在第一进气口18和第二进气口19通入热空气的情况下进行燃烧，得到烟气和炉渣，所得炉渣经炉渣出口23排出，所得烟气经高温烟气出口21进入除尘器4进行除尘处理，得到除尘烟气；
所述除尘烟气从第一烟气入口11进入换热腔7，与热解腔6进行第一换热，得到第一换热烟气；
所述第一换热烟气经第二烟气入口24进入换热器5，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到第二换热烟气和热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口25排出，所述热空气经第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3。
优选的，所述热解反应的温度为450～650℃；所述催化重整反应的温度为650～950℃。
优选的，所述气化剂为水蒸气、二氧化碳、氧气和空气中的一种或几种；所述气化剂的通入量为油气质量的20～50％。
优选的，所述燃气包括CH4、H2、CO、CO2、C2H4和C2H6。
优选的，所述烟气的温度为850～1350℃。
优选的，所述热空气的温度为50～300℃；所述第一进气口18热空气的进气量为热空气总量的30～50％。
本发明提供了一种固体废物热解及油气催化重整系统，包括外热式热解炉1、催化重整反应器2、燃烧炉3、除尘器4和换热器5。本发明在外热式热解炉1的热解腔6内进行热解反应，所得热解油气进入催化重整反应器2中进行催化重整反应，所得燃气能够进行内燃发电、锅炉发电、生产高附加值产品等资源化利用；热解产生的热解炭进入燃烧区17进行燃烧，产生的热量能够用于支撑催化重整反应；燃烧产生的烟气为高温烟气，经除尘处理后，进入外热式热解炉1的换热腔7为热解反应提供热量；换热后的烟气进入换热器4与空气进行第二换热，所得热空气通过第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3，为热解炭的燃烧提供热空气。本发明将整个固体废弃物处理过程分解为热解、催化重整、焚烧三个单独单元，每个步骤均在相对独立空间中进行，工艺衔接紧密，同时减小了设备需要占用的空间；本发明利用催化重整反应将热解油气转化为燃气，解决了固体废物热解产生的复杂热解油组分在系统传输与利用方面的问题，防止因热解油性质不稳定、易冷凝而堵塞管道及设备，产生的系统难稳定运行的问题，促进固体废物热解系统安全稳定经济运行，同时燃气能够进行资源化利用，创造经济价值；本发明能够对处理过程中产生的热量进行回收利用，提高能量的利用率，实现能量自供给。
附图说明
图1是本发明固体废物热解及油气催化重整系统的结构示意图，其中，1-外热式热解炉，2-催化重整反应器，3-燃烧炉，4-除尘器，5-换热器，6-热解腔，7-换热腔，8-进料口，9-热解油气出口，10-热解炭出口，11-第一烟气入口，12-第一烟气出口，13-油气入口，14-气化剂入口，15-燃气出口，16-催化剂层，17-燃烧区，18-第一进气口，19-第二进气口，20-热解炭入口，21-高温烟气出口，22-旋转炉排，23-炉渣出口，24-第二烟气入口，25-第二烟气出口。
具体实施方式
本发明提供了一种固体废物热解及油气催化重整系统，包括外热式热解炉1、催化重整反应器2、燃烧炉3、除尘器4和换热器5；
所述外热式热解炉1包括热解腔6和位于所述热解腔6外层的换热腔7；所述热解腔6包括进料口8、热解油气出口9和热解炭出口10；
所述换热腔7设有第一烟气入口11和第一烟气出口12；
所述催化重整反应器2嵌套设置于燃烧炉3内腔上部，所述催化重整反应器2设有油气入口13、气化剂入口14和燃气出口15；所述催化重整反应器2内部设有催化剂层16；所述油气入口13与热解油气出口9连通；
所述燃烧炉3内腔中部设有“倒圆台”形状的燃烧区17；
所述燃烧炉3设有第一进气口18、第二进气口19、热解炭入口20和高温烟气出口21，所述第一进气口18位于催化重整反应器2下方，所述第二进气口19位于燃烧区17下方；所述热解炭入口20位于燃烧区17上方，所述热解炭入口20与热解炭出口10连通；
所述燃烧炉3底部设有旋转炉排22和炉渣出口23；
所述除尘器4的入口与第一高温烟气出口21连通，出口与第一烟气入口11连通；
所述换热器4设有空气入口、热空气出口、第二烟气入口24和第二烟气出口25；所述第二烟气入口24与第一烟气出口12连通，所述热空气出口与第一进气口18和第二进气口19连通。
本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统包括外热式热解炉1。所述外热式热解炉1包括热解腔6和位于所述热解腔6外层的换热腔7。在本发明中，所述换热腔7的内壁设有耐火材料层。在本发明中，所述热解腔6包括进料口8、热解油气出口9和热解炭出口10；本发明对所述进料口8、热解油气出口9和热解炭出口10的具体设置位置没有特殊的要求，根据实际情况进行相应的设计即可。
在本发明中，所述换热腔7设有第一烟气入口11和第一烟气出口12；本发明通过向换热腔7中通入高温烟气实现对热解腔6的加热。在本发明中，所述换热腔7的的内壁设有耐火材料层，对外热式热解炉1起到着隔热、保温的作用。
本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统包括催化重整反应器2，所述催化重整反应器2嵌套设置于燃烧炉3内腔上部。在本发明中，所述催化重整反应器2设有油气入口13、气化剂入口14和燃气出口15；在本发明中，所述油气入口13和气化剂入口14优选位于催化重整反应器2顶部，燃气出口15优选位于催化重整反应器2底部。
在本发明中，所述催化重整反应器2内部设有催化剂层16；所述催化剂层16中的催化剂优选为镍基催化剂，所述镍基催化剂优选为沸石分子筛负载镍基催化剂、氧化铝负载镍基催化剂、堇青石负载镍基催化剂、橄榄石负载镍基催化剂和生物炭负载镍基催化剂中的一种或几种。
在本发明中，所述催化重整反应器2的油气入口13与热解腔6的热解油气出口9连通。
本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统包括燃烧炉3。在本发明中，所述燃烧炉3内腔中部设有“倒圆台”形状的燃烧区17；在本发明中，所述“倒圆台”形状的燃烧区17指的是燃烧区17的上部内径大于底部内径。本发明通过设置“倒圆台”形状的燃烧区17，能够使得燃烧反应温度合适、物料燃烧更充分。
在本发明中，所述燃烧炉3设有第一进气口18、第二进气口19、热解炭入口20和高温烟气出口21，所述第一进气口18位于催化重整反应器2下方，所述第二进气口19位于燃烧区17下方；本发明通过设置第一进气口18和第二进气口19，能够使热解炭燃烧更充分。在本发明中，所述热解炭入口20位于燃烧区17上方、燃烧炉中部，所述热解炭入口20与热解炭出口10连通。在本发明中，所述高温烟气出口21优选设置于燃烧炉3的顶部。
在本发明中，所述燃烧炉3底部设有旋转炉排22和炉渣出口23；在本发明中，所述旋转炉排22用于承接燃烧后的炉渣，通过旋转炉排22的转动，炉渣从炉渣出口23排出。
本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统包括除尘器4。在本发明中，所述除尘器4的入口与第一高温烟气出口21连通，出口与第一烟气入口11连通。本发明通过除尘器把粉尘从烟气中分离出来，防止对后端热解炉1及各烟气管道造成堵塞。在本发明中，除尘烟气的热量实现热解反应的热量供给。
在本发明中，当除尘烟气的热量不足以供给热解反应时，本发明优选将部分燃气导入到燃烧炉3燃烧补充能量，实现对热解反应热量的供给。
本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统包括换热器4，所述换热器4优选为列板式换热器4。在本发明中，所述换热器4设有空气入口、热空气出口、第二烟气入口24和第二烟气出口25；所述第二烟气入口24与第一烟气出口12连通，所述热空气出口与第一进气口18和第二进气口19连通。本发明通过所述换热器4实现第二烟气与空气的换热，以提高空气的温度。
在本发明中，所述固体废物热解及油气催化重整系统的结构示意图如图1所示。
本发明提供了基于上述固体废物热解及油气催化重整系统对可燃固体废物进行处理的方法，包括以下步骤：
可燃固体废物从进料口8进入热解腔6，进行热解反应，得到热解油气和热解炭；
所述热解油气从油气入口13进入催化重整反应器2，从气化剂入口14加入气化剂，进行催化重整反应，得到燃气，所得燃气从燃气出口15排出；
所述热解炭从热解炭入口20进入燃烧区17，在第一进气口18和第二进气口19通入热空气的情况下进行燃烧，得到烟气和炉渣，所得炉渣经炉渣出口23排出，所得烟气经高温烟气出口21进入除尘器4进行除尘处理，得到除尘烟气；
所述除尘烟气从第一烟气入口11进入换热腔7，与热解腔6进行第一换热，得到第一换热烟气；
所述第一换热烟气经第二烟气入口24进入换热器4，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到第二换热烟气和热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口25排出，所述热空气经第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3。
在本发明中，可燃固体废物从进料口8进入热解腔6，进行热解反应，得到热解油气和热解炭。在本发明中，所述可燃固体废物包括为可燃垃圾组分、厨余垃圾、农业秸秆、可燃污泥、橡胶和塑料。在本发明中，所述热解反应的温度优选为450～650℃，更优选为500～600℃，保证可燃固体废物充分热解。在本发明中，所述热解油气的成分主要为高温热解油、CH4、H2、CO、CO2和少量烃类气体。
得到所述热解油气后，所述热解油气从油气入口13进入催化重整反应器2，从气化剂入口14加入气化剂，进行催化重整反应，得到燃气，所得燃气从燃气出口15排出。
在本发明中，所述气化剂优选为水蒸气、二氧化碳、氧气和空气中的一种或几种；所述气化剂的通入量为油气质量的20～50％，优选为30～40％。在本发明中，所述催化重整反应时催化剂的质量优选为可燃固体废物质量的2～15％，更优选为5～10％。在本发明中，所述催化重整反应的温度优选为650～950℃，更优选为800～900℃。在本发明中，所述燃气优选为包括CH4、H2、CO、CO2、C2H4和C2H6。
在本发明中，所述热解炭从热解炭入口20进入燃烧区17，在第一进气口18和第二进气口19通入热空气的情况下进行燃烧，得到烟气和炉渣，所得炉渣经炉渣出口23排出，所得烟气经高温烟气出口21进入除尘器4进行除尘处理，得到除尘烟气。在本发明中，所述第一进气口18热空气的进气量为热空气总量的30～50％，优选为40％。本发明通过向燃烧炉通入热空气，有利于炉内燃烧温度的提高，燃烧更充分，减少污染物的产生。在本发明中，所述烟气的温度为850～1350℃。在本发明中，所述炉渣可进行制砖、铺路等途径资源化利用。
在本发明中，所述除尘烟气从第一烟气入口11进入换热腔7，与热解腔6进行第一换热，得到第一换热烟气。在本发明中，所述除尘烟气温度为650～850℃，所述第一换热烟气的温度为350～550℃。本发明通过第一次换热，为热解反应提供热量。
在本发明中，所述第一换热烟气经第二烟气入口24进入换热器4，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到第二换热烟气和热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口25排出，所述热空气经第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3。在本发明中，所述第二换热烟气通过第二烟气出口进入尾气处理系统进行后续尾气处理。在本发明中，所述热空气的温度为50～300℃。
下面结合实施例对本发明提供的固体废物热解及油气催化重整系统及方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
使用图1所示的固体废物热解及油气催化重整系统对农业秸秆进行处理，方法如下：
农业秸秆从进料口8进入热解腔6，进行在550℃下热解反应，得到热解油气和热解炭，其中热解油的成分为高温热解油、CH4、H2、CO、CO2和少量烃类气体；
所述热解油气从油气入口13进入催化重整反应器2，从气化剂入口14加入H2O和O2气化剂，H2O和O2气化剂通入量分别为油气质量的25％和30％，在800℃下进行催化重整反应，得到成分为CH4、H2、CO、CO2的混合燃气，所得燃气从燃气出口15排出；其中催化重整反应器2中的催化剂为沸石分子筛负载镍基催化剂，催化剂的质量为油气质量的2％；
所述热解炭从热解炭入口20进入燃烧区17，在第一进气口18和第二进气口19分别通入150℃的热空气，为热解炭的燃烧提供氧气，第一进气口18热空气通入量占总空气量的30％。热解炭燃烧后得到炉渣和900℃的烟气；所得炉渣经炉渣出口23排出，所得烟气经高温烟气出口21进入除尘器4进行除尘处理，得到温度为780℃除尘烟气；
所述除尘烟气从第一烟气入口11进入换热腔7，与热解腔6进行第一换热，得到温度为500℃的第一换热烟气；
所述第一换热烟气经第二烟气入口24进入换热器4，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到温度为250℃的第二换热烟气和温度为250℃的热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口25排出，所述热空气经第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3。
所得除尘烟气的成分经过后续尾气处理达标排放，所得炉渣经过破碎筛分预处理后可作为改良土壤材料资源化利用。
实施例2
使用图1所示的固体废物热解及油气催化重整系统对塑料废弃物进行处理，方法如下：
塑料废弃物从进料口8进入热解腔6，进行在500℃下热解反应，得到热解油气和热解炭，其中热解油的成分为高温热解油、CH4、H2、CO、CO2和少量烃类气体；
所述热解油气从油气入口13进入催化重整反应器2，从气化剂入口14加入H2O和O2气化剂，H2O和O2气化剂通入量分别为油气质量的35％和35％，在850℃下进行催化重整反应，得到成分为CH4、H2、CO、CO2的燃气，所得燃气从燃气出口15排出；其中催化重整反应器2中的催化剂为氧化铝负载镍基催化剂，催化剂的质量为油气质量的8％；
所述热解炭从热解炭入口20进入燃烧区17，在第一进气口18和第二进气口19分别通入250℃的热空气，为热解炭的燃烧提供氧气，第一进气口18热空气通入量占总空气量的25％。热解炭燃烧后得到炉渣和875℃的烟气；所得炉渣经炉渣出口23排出，所得烟气经高温烟气出口21进入除尘器4进行除尘处理，得到温度为750℃除尘烟气；
所述除尘烟气从第一烟气入口11进入换热腔7，与热解腔6进行第一换热，得到温度为450℃的第一换热烟气；
所述第一换热烟气经第二烟气入口24进入换热器4，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到温度为250℃的第二换热烟气和温度为200℃的热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口25排出，所述热空气经第一进气口18和第二进气口19进入燃烧炉3。
所得除尘烟气的成分经过后续尾气处理达标排放，所得炉渣经过破碎筛分预处理后可作为铺路材料资源化利用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固体废物热解及油气催化重整系统，包括外热式热解炉(1)、催化重整反应器(2)、燃烧炉(3)、除尘器(4)和换热器(5)；
所述外热式热解炉(1)包括热解腔(6)和位于所述热解腔(6)外层的换热腔(7)；所述热解腔(6)包括进料口(8)、热解油气出口(9)和热解炭出口(10)；
所述换热腔(7)设有第一烟气入口(11)和第一烟气出口(12)；
所述催化重整反应器(2)嵌套设置于燃烧炉(3)内腔上部，所述催化重整反应器设有油气入口(13)、气化剂入口(14)和燃气出口(15)；所述催化重整反应器(2)内部设有催化剂层(16)；所述油气入口(13)与热解油气出口(9)连通；
所述燃烧炉(3)内腔中部设有“倒圆台”形状的燃烧区(17)；
所述燃烧炉(3)设有第一进气口(18)、第二进气口(19)、热解炭入口(20)和高温烟气出口(21)，所述第一进气口(18)位于催化重整反应器(2)下方，所述第二进气口(19)位于燃烧区(17)下方；所述热解炭入口(20)位于燃烧区(17)上方，所述热解炭入口(20)与热解炭出口(10)连通；
所述燃烧炉(3)底部设有旋转炉排(22)和炉渣出口(23)；
所述除尘器(4)的入口与第一高温烟气出口(21)连通，出口与第一烟气入口(11)连通；
所述换热器(5)设有空气入口、热空气出口、第二烟气入口(24)和第二烟气出口(25)；所述第二烟气入口(24)与第一烟气出口(12)连通，所述热空气出口与第一进气口(18)和第二进气口(19)连通。
2.根据权利要求1所述的固体废物热解及油气催化重整系统，其特征在于，所述催化剂层(16)的催化剂为镍基催化剂。
3.根据权利要求1所述的固体废物热解及油气催化重整系统，其特征在于，所述油气入口(13)和气化剂入口(14)位于催化重整反应器(2)顶部，燃气出口(15)位于催化重整反应器(2)底部。
4.根据权利要求1所述的固体废物热解及油气催化重整系统，其特征在于，所述燃气出口(15)与第一烟气入口(11)连通。
5.基于权利要求1～4任意一项所述固体废物热解及油气催化重整系统对可燃固体废物进行处理的方法，包括以下步骤：
可燃固体废物从进料口(8)进入热解腔(6)，进行热解反应，得到热解油气和热解炭；
所述热解油气从油气入口(13)进入催化重整反应器(2)，从气化剂入口(14)加入气化剂，进行催化重整反应，得到燃气，所得燃气从燃气出口(15)排出；
所述热解炭从热解炭入口(20)进入燃烧区(17)，在第一进气口(18)和第二进气口(19)通入热空气的情况下进行燃烧，得到烟气和炉渣，所得炉渣经炉渣出口(23)排出，所得烟气经高温烟气出口(21)进入除尘器(4)进行除尘处理，得到除尘烟气；
所述除尘烟气从第一烟气入口(11)进入换热腔(7)，与热解腔(6)进行第一换热，得到第一换热烟气；
所述第一换热烟气经第二烟气入口(24)进入换热器(5)，与空气入口进入的空气进行第二换热，得到第二换热烟气和热空气，所述第二换热烟气从第二烟气出口(25)排出，所述热空气经第一进气口(18)和第二进气口(19)进入燃烧炉(3)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热解反应的温度为450～650℃；所述催化重整反应的温度为650～950℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气化剂为水蒸气、二氧化碳、氧气和空气中的一种或几种；所述气化剂的通入量为油气质量的20～50％。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述燃气包括CH4、H2、CO、CO2、C2H4和C2H6。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述烟气的温度为850～1350℃。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热空气的温度为50～300℃；所述第一进气口(18)热空气的进气量为热空气总量的30～50％。
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