CN113020215A - 从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统及其工作方法，属于资源回收技术领域。包括破碎粉碎系统、循环流化床锅炉系统、流化床热解炉、非接触式换热器、热解气气固分离系统和裂解油分离系统。该系统可有效裂解废旧叶片中的复合材料并回收玻璃纤维与裂解油，裂解气被抽送至炉膛有效焚烧，所含热值被有效利用，燃烧产生的污染物借助原有锅炉系统配备的环保装置可实现达标排放，流化床热解炉内缺氧氛围下的热解反应有效避免了废旧叶片直接焚烧潜在的二噁英生成与排放等问题，实现了风机废旧叶片的无害化与资源化处理。在叶片材料综合回收利用技术成熟并大规模利用前，能够有效解决废旧叶片对环境的影响，产生良好的环保与经济效益。
Description
技术领域
本发明属于资源回收技术领域，具体涉及一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统及其工作方法。
背景技术
风电行业进入快速发展期近20年，每年新增装机量不断增加，而另一方面，由于设计寿命等原因，每年都有大量风机面临淘汰，加上风电机组非正常运行导致的叶片折损和叶片企业的边角废料与残次品，共同构成了每年日益增加的大量需要综合处置的废弃/废旧叶片(统称废旧叶片)。对废旧叶片进行有效的资源化回收处理，满足建设环境友好型社会的预期，废旧叶片的无害化资源化处置值得深入探索。
从材料构成上，风机叶片主要由复合材料(环氧树脂等)、纤维增强材料(如玻璃纤维等)、胶粘剂(如环氧胶粘剂、聚氨酯胶粘剂等)和涂层等组成。在重量上，现有叶片的有机复合材料占叶片重量比例已超过90％，剩下的主要为玻璃纤维等。热固型复合材料很难降解，若无回收利用，会造成资源的浪费，对环境也将形成巨大的压力。
叶片材料回收利用包括能量利用和原料利用。能量利用指的是焚烧叶片以利用复合材料等的热值，比如华能清能院设计的焚烧废旧叶片的循环流化床锅炉(CFB)系统及工作方法(发明专利申请号：202011304148.6)；原料利用指将废旧叶片的复合材料参与到相似的资源流中，比如将叶片切碎用于不同产品和过程的重复使用等。
原料利用的更高级形式是物理/化学分离废旧叶片中的不同成分并做针对性利用。例如，废旧叶片中含～10％的玻璃纤维(氧化钙、氧化铝和氧化硅等成分)，提取后可用于水泥生产等用途。而环氧树脂与粘胶剂等复合材料，属于热固性塑料。热固性塑料具有不熔不溶的性质，但在高温下将出现热分解，温度控制决定了热解程度，控制热解温度使其更多得转变为裂解油，回收后可作为化工原料。但是目前还没有针对废旧叶片的处理回收技术。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统及其工作方法，能够分离回收废旧叶片中的玻璃纤维和裂解油，并妥善处置裂解气，实现了风机废弃叶片的无害化与资源化处理。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，包括破碎粉碎系统、循环流化床锅炉系统、流化床热解炉、非接触式换热器、热解气气固分离系统和裂解油分离系统；
流化床热解炉内部包括热解腔室和风室，风室设在热解腔室下方，风室的底部连接有热解器烟气入口，风室与热解腔室之间设有布风板，布风板上设有若干风帽，布风板和风帽上覆盖有石英砂床料；流化床热解炉上分别设有叶片颗粒入口和出气口；
破碎粉碎系统与叶片颗粒入口连接；
循环流化床锅炉系统包括依次连接的炉膛和水平烟道，水平烟道上设有抽气口，抽气口与流化床热解炉的热解器烟气入口连接；
流化床热解炉的出气口与热解气气固分离系统连接，热解气气固分离系统的固体出口连接有玻璃纤维收集系统；热解气气固分离系统的气体出口与非接触式换热器的热侧入口连接，热侧出口与裂解油分离系统连接；
裂解油分离系统的裂解油出口连接有裂解油储仓，裂解油分离系统的气体出口与炉膛连接。
优选地，流化床热解炉内石英砂床料的厚度为300～600mm，石英砂颗粒的粒度为0.5～5mm，中位径为2.5mm。
优选地，热解腔室为圆筒状，风室的截面积沿热解器烟气入口至布风板渐扩；热解器烟气入口设在风室底部的中心处。
优选地，非接触式换热器的热侧出口与裂解油分离系统之间设有静电除尘器。
优选地，破碎粉碎系统包括依次连接的破碎机、除铁器、皮带输送器和粉碎机，粉碎机通过绞龙与叶片颗粒入口。
优选地，抽气口分别设在水平烟道的省煤器和空预器的上游处，两个抽气口连接的管路上分别设有第一截止阀和第二截止阀，第一截止阀和第二截止阀与热解器烟气入口之间的连接管路上设有第一引风机。
优选地，热解气气固分离系统包括两级串联的第二旋风分离器和第三旋风分离器，第二旋风分离器的气体出口与第三旋风分离器的入口连接，第二旋风分离器的底部出口和第三旋风分离器的底部出口均与玻璃纤维收集系统连接，第三旋风分离器的气体出口与非接触式换热器的热侧入口连接。
优选地，裂解油分离系统包括喷淋冷却器，喷淋冷却器内部设有若干喷淋喷嘴，喷淋冷却器上设有第二冷却水出口、裂解油出口和裂解气出口，裂解油出口与裂解油储仓连接，裂解气出口与炉膛连接。
进一步优选地，裂解气出口处设有除雾器，裂解气出口与炉膛之间的连接管路上设有第二引风机和第三截止阀。
本发明公开的上述从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统的工作方法，包括：
尾部烟道上的抽气口抽取烟气由热解器烟气入口进入流化床热解炉流经风室和风帽进入热解腔室内；废旧叶片经破碎粉碎系统处理后成为叶片颗粒输送至叶片颗粒入口，叶片颗粒落入石英砂床料层内，完成受热、裂解、破碎，并被气流裹挟由出气口排出，经热解气气固分离系统后，玻璃纤维颗粒由固体出口进入玻璃纤维收集系统，热解气由气体出口进入非接触式换热器热侧进行降温后进入裂解油分离系统，分离出的裂解油进入裂解油储仓内，供下一步集中处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，结构独立灵活，可以实现CFB锅炉与热解回收系统协同运行或是CFB锅炉的单独运行，同时还可进行其它热固性废弃塑料的综合处置。本系统使用CFB锅炉尾部烟道烟气为热源与气源，实现废旧叶片颗粒的热解与资源成分回收。基于流化床热解炉的设计与运行，可有效裂解废旧叶片中的复合材料并分别回收玻璃纤维与裂解油，玻璃纤维可用于重复生产叶片或是其他用途(如生产水泥等)，裂解油可用于生产燃料油或作为合成环氧树脂等原料，可循环利用制作风机叶片，而裂解气被抽送至炉膛有效焚烧，所含热值被有效利用，并且燃烧过程中产生的污染物借助原有锅炉系统配备的环保装置(如脱硫脱硝装置等)可实现达标排放，流化床热解炉内缺氧氛围下的热解反应有效避免了废旧叶片直接焚烧潜在的二噁英生成与排放等问题，总体上实现了风机废旧叶片的无害化与资源化处理。在叶片材料综合回收利用技术成熟并大规模利用前，能够有效解决废旧叶片对环境的危害等影响，能够产生良好的环保效益与经济效益。
进一步地，流化床热解炉内石英砂床料的厚度为300～600mm，经烟气流化并加热后充当蓄热层，废旧叶片颗粒落入后能快速完成传热并分解；石英砂颗粒的粒度为0.5～5mm，中位径为2.5mm，叶片颗粒与石英砂间碰撞摩擦促进叶片颗粒快速破裂，有利于颗粒热解程度的提升。
进一步地，热解腔室为圆筒状，热解颗粒停留时间长，有利于颗粒中未分解复合材料的彻底分解，提高分解效率，同时，有利于热解烟气对热解颗粒进行气力分选，即在设计流速的气流环境中，完成分解和破裂的小颗粒可以被气流携带离开，重力较大的大颗粒则停留在热解炉内进行更为彻底的分解、碰撞与破碎，最终变成小颗粒被被气流携带离开流化床热解炉。
进一步地，静电除尘器除去裂解气中携带的细小颗粒，降低后续捕集到的裂解油中的尘含量。
进一步地，破碎粉碎系统通过破碎机和粉碎机逐级将叶片处理成粒径较小的颗粒，有利于充分热解；同时，除铁器出去原料内夹带的金属件(如小型螺栓等)，避免金属器件流入流化床热解炉与锅炉系统产生不利影响。
进一步地，省煤器上游的抽气温度一般在500～550℃，空预器上游的抽气温度一般在300～350℃，通过调节第一截止阀和第二截止阀的开度控制抽气量，两股烟气混合后温度在350～450℃，可作为流化床热解炉内的流化烟气。
进一步地，热解气气固分离系统采用两级旋风分离器，分离效率高、效果好。
本发明公开的上述从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统的工作方法，结合废弃叶片热解处置的需求，可灵活控制CFB锅炉的单独运行或CFB锅炉与废弃叶片热解回收装置的协同运行。热解的叶片颗粒总量相比机组燃煤量较小，热解系统对锅炉运行的影响较小，可有效提取绝大多数的热解后玻璃纤维颗粒，冷却后可直接作为原材料，同时，回收的裂解油可用于生产燃料油或作为合成环氧树脂等原料，而裂解气被送回炉膛焚烧实现无害化排放，总体上实现了风机废旧叶片成分的有效分离与回收，可产生良好的环保效益与经济效益。
附图说明
图1为本发明的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统的整体结构示意图；
图2为本发明的破碎粉碎系统的结构示意图。
图中：1-炉膛；2-水平烟道；3-第一旋风分离器；4-尾部烟道；5-省煤器；6-空预器；9-热解反应器；10-第一截止阀；11-第二截止阀；12-第一引风机；13-风室；14-风帽；15-第二旋风分离器；16-第三旋风分离器；17-非接触式换热器；18-第一冷却水入口；19-第一冷却水出口；20-静电除尘器；21-喷淋冷却器；22-第二冷却水入口；23-第二冷却水出口；24-布风板；25-喷淋喷嘴；26-除雾器；27-裂解油储仓；28-第二引风机；29-第三截止阀；30-破碎机；31-除铁器；32-皮带输送器；33-粉碎机；34-绞龙；35-叶片颗粒入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，主要由4部分组成：
第1部分是常规的CFB锅炉，包括炉膛1、水平烟道2、第一旋风分离器3、尾部烟道4、省煤器5、空预器6以及在图1中未呈现的CFB锅炉的其他设备装置，如一次风/二次风系统、受热面、除尘器与烟囱等。这些装置构成了一座完整的CFB锅炉系统，可产生高温高压的蒸汽用于汽轮机发电。作为常规的燃煤发电装置，叶片热解回收系统运行与否并不影响该CFB锅炉系统的正常运行。
第2部分是废旧叶片的破碎粉碎装置。如图2所示，废旧叶片在风电场/叶片企业分割成2～3米长的段状后集中运输至CFB锅炉所在地临时存放。热解系统运行时，将段状叶片送入破碎机30，通过破碎机30内相互咬合切割的机械结构，将叶片初步破碎成长度2～3cm的块状原料，完成破碎后从破碎机30的出口排出并直接掉入下游的除铁器31，除铁器31内设电磁吸附系统，可吸附原料内夹带的金属件(如小型螺栓等)，避免金属器件流入热解系统影响正常运行。在除铁器31出口的下方布置具有一定角度的皮带输送器32，将块状原料提升至与流化床热解炉9安装在同等高度的粉碎机33入口处，粉碎机33进一步将块状原料粉碎为平均粒度在～2mm的叶片颗粒。叶片颗粒经绞龙34从粉碎机33中卸出并输送至布置于流化床热解炉9的炉体中下部位置的叶片颗粒入口36。废旧叶片的破碎处理量在100～1000kg/h。
第3部分是叶片颗粒的流化床热解炉9。流化床热解炉9底部设置圆锥台形的风室13，其中心设置直径30cm的热解烟气入口，风室13顶部为不锈钢材质的布风板24，其上均匀布置以特殊设计的风帽14。布风板24及风帽14上覆盖以300～600mm厚的石英砂作为床料，石英砂的粒度在0.5～5mm，中位径为2.5mm。布风板24上部是一个直径0.6m、高度～6m的圆筒，在距离布风板24约1m的位置布置叶片颗粒入口35，叶片颗粒落入流化床热解炉9后，完成受热、裂解、破碎并被气流裹挟着经带离流化床热解炉9顶部的出气口，进入后续流程。
第4部分是废旧叶片热解回收系统。在图1中，在CFB锅炉的尾部烟道4的省煤器5和空预器6上游的合适位置各设置直径～20cm的抽气口，连接直径30cm的抽气管道，由第一引风机12提供动力抽取不同温度的尾部烟道烟气，第一引风机12的压头为3000～4000Pa，流量为～3000Nm3/h。省煤器5上游抽气温度在500～550℃，空预器6上游抽气温度在300～350℃之间。通过调节第一截止阀10和第二截止阀11的开度控制抽气量，两股烟气混合后温度控制在400～450℃，作为热解反应器9内的流化烟气和石英砂/叶片颗粒的热源。混合烟气在连接管道内的流速在30m/s左右。混合烟气经风帽14作用，以较高流速冲击石英砂并将其加热，在布风板24上形成悬浮流动的蓄热床料层。
叶片颗粒经绞龙34输运沿叶片颗粒入口35落入流化床热解炉9，炉内烟气自下而上的流速在7～8m/s，由于炉内气流对叶片颗粒的曳力低于颗粒重力，叶片颗粒将落入床料层内，经对流与导热等传热过程被迅速加热，其内所含的复合材料发生热解，由于使用尾部烟道4中烟气作为热源与流化气，其含氧量较低(～3％)，可认为叶片颗粒进入流化床热解炉9后处于低氧氛围，有利于叶片颗粒的裂解。叶片复合材料分解成裂解油和裂解气，裂解油含复合材料原料单体或它的低分子聚合物等，裂解气主要含CO、CO2、C1～C4的烷烃和烯烃等。在400～450℃的缺氧烟气环境中，裂解油占比最高，呈现气态。
叶片颗粒发生热解的同时，在气流作用下与石英砂及其他叶片颗粒间发生碰撞，导致其破碎变小。由于热解产物的析出与粒径的变小，流化床热解炉9气流将携带着热解后的叶片颗粒(主要成分为玻璃纤维)离开流化床热解炉9并分别进入下游的第二旋风分离器15和第三旋风分离器16，第二旋风分离器15主要用以分离较大颗粒(如50～400um)，第三旋风分离器16内部流速更高，用以分离烟气流中携带的更细小的颗粒(5～60um)，由于流化床热解炉9高度较大(～6m)，热解后的产物颗粒在流化床热解炉9及下游的两个分离器内有较长的停留时间，有利于实现更为彻底的热解。
从第二旋风分离器15分离的较粗颗粒和第三旋风分离器16分离的细颗粒，主要成分为玻璃纤维，经冷却后可作为原材料。可抽取颗粒样品，测量其内部可燃物含量，用于调整热解反应参数与叶片处理量等，以实现最佳的热解效率。
从第三旋风分离器16出口流出的裂解气(为流化烟气、叶片颗粒裂解气与细小颗粒的混合物，简称裂解气或热解气)，将其引入非接触式换热器17，其内部设置U型换热管，第一冷却水入口18连接冷却水源并引入冷却水。非接触式换热器17作用是把裂解气适当降温至200～250℃，此时裂解油仍呈现气态，再利用静电除尘器20除去裂解气中携带的细小颗粒，降低后续捕集到的裂解油中的尘含量。
除尘后的裂解气被引入喷淋冷却器21，喷淋冷却器21内部在顶面规则布置有较多数量的喷淋喷嘴25，喷淋喷嘴25连接第二冷却水入口22，用以将冷却水雾化并喷淋而下，雾化水滴与裂解气充分接触换热，冷却水由第二冷却水出口23排出，裂解气内气态裂解油受冷凝结，大部分附着在冷却水滴上，掉入喷淋冷却器21底部的蓄水层。热解气受冷体积缩小，但因为有冷却水滴蒸发成水蒸气，经热交换后的热解气温度可保持在110℃，可使得封闭的喷淋冷却器21内压力不会出现较大变化。
因裂解油重量较大，将沉淀积聚在底部并被抽出至裂解油储仓27内，供下一步集中分离并处理。收集到的裂解油成分比较复杂，可作为化工原料使用，如经高压加氢反应用以生产燃料油或作为合成环氧树脂等的原料。
喷淋冷却后的裂解气经除雾器26作用将携带雾滴/水滴脱除，成分主要为N2、CO2、CO、H2O、C1～C4的烷烃和烯烃，还有低浓度的O2。这些气体在第二引风机28，压头为4500～4000Pa，流量为～3500Nm3/h的作用下，经第三截止阀29被送入炉膛1，可燃成分参与燃烧并释放热值。裂解气中有可能含有少量的有害气态物质，在CFB锅炉的炉膛1高温环境下，将被有效分解燃烧，并基于锅炉配套的烟气污染物脱除装置进行有效清除，最终实现烟气的达标排放。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，包括破碎粉碎系统、循环流化床锅炉系统、流化床热解炉(9)、非接触式换热器(17)、热解气气固分离系统和裂解油分离系统；
流化床热解炉(9)内部包括热解腔室和风室(13)，风室(13)设在热解腔室下方，风室(13)的底部连接有热解器烟气入口，风室(13)与热解腔室之间设有布风板(23)，布风板(23)上设有若干风帽(14)，布风板(23)和风帽(14)上覆盖有石英砂床料；流化床热解炉(9)上分别设有叶片颗粒入口(35)和出气口；
破碎粉碎系统与叶片颗粒入口(35)连接；
循环流化床锅炉系统包括依次连接的炉膛(1)和水平烟道(4)，水平烟道(4)上设有抽气口，抽气口与流化床热解炉(9)的热解器烟气入口连接；
流化床热解炉(9)的出气口与热解气气固分离系统连接，热解气气固分离系统的固体出口连接有玻璃纤维收集系统；热解气气固分离系统的气体出口与非接触式换热器(17)的热侧入口连接，热侧出口与裂解油分离系统连接；
裂解油分离系统的裂解油出口连接有裂解油储仓(27)，裂解油分离系统的气体出口与炉膛(1)连接。
2.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，流化床热解炉(9)内石英砂床料的厚度为300～600mm，石英砂颗粒的粒度为0.5～5mm，中位径为2.5mm。
3.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，热解腔室为圆筒状，风室(13)的截面积沿热解器烟气入口至布风板(23)渐扩；热解器烟气入口设在风室(13)底部的中心处。
4.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，非接触式换热器(17)的热侧出口与裂解油分离系统之间设有静电除尘器(20)。
5.根据权利要求1所述的采用管式布风的流化床工业固废焚烧炉，其特征在于，破碎粉碎系统包括依次连接的破碎机(30)、除铁器(31)、皮带输送器(32)和粉碎机(33)，粉碎机(33)通过绞龙(34)与叶片颗粒入口(35)。
6.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，抽气口分别设在水平烟道(4)的省煤器(5)和空预器(6)的上游处，两个抽气口连接的管路上分别设有第一截止阀(10)和第二截止阀(11)，第一截止阀(10)和第二截止阀(11)与热解器烟气入口(35)之间的连接管路上设有第一引风机(12)。
7.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，热解气气固分离系统包括两级串联的第二旋风分离器(15)和第三旋风分离器(16)，第二旋风分离器(15)的气体出口与第三旋风分离器(16)的入口连接，第二旋风分离器(15)的底部出口和第三旋风分离器(16)的底部出口均与玻璃纤维收集系统连接，第三旋风分离器(16)的气体出口与非接触式换热器(17)的热侧入口连接。
8.根据权利要求1所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，裂解油分离系统包括喷淋冷却器(21)，喷淋冷却器(21)内部设有若干喷淋喷嘴(25)，喷淋冷却器(21)上设有第二冷却水出口(23)、裂解油出口和裂解气出口，裂解油出口与裂解油储仓(27)连接，裂解气出口与炉膛(1)连接。
9.根据权利要求8所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统，其特征在于，裂解气出口处设有除雾器(26)，裂解气出口与炉膛(1)之间的连接管路上设有第二引风机(28)和第三截止阀(29)。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的从风机叶片中提取玻璃纤维和裂解油的系统的工作方法，其特征在于，包括：
尾部烟道(4)上的抽气口抽取烟气由热解器烟气入口进入流化床热解炉(9)流经风室(13)和风帽(14)进入热解腔室内；废旧叶片经破碎粉碎系统处理后成为叶片颗粒输送至叶片颗粒入口(35)，叶片颗粒落入石英砂床料层内，完成受热、裂解、破碎，并被气流裹挟由出气口排出，经热解气气固分离系统后，玻璃纤维颗粒由固体出口进入玻璃纤维收集系统，热解气由气体出口进入非接触式换热器(17)热侧进行降温后进入裂解油分离系统，分离出的裂解油进入裂解油储仓(27)内，供下一步集中处理。
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