CN113025383B - 热解气化焦油转化利用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热解气化焦油转化利用装置及方法。所述装置包括反应腔体（1）、气流混合器（2）、换热单元（15）和出渣单元（16）；反应腔体为截面渐扩式并内设孔板（11），孔板沿着反应腔体管壁向下延伸；反应腔体的一侧上端设置布朗气通道（12）和布朗气喷嘴（13）；气流混合器设置在布朗气通道下方，气流混合器包括待处理气体入口、氧化剂入口和混合气体出口；所述孔板后端设置折流板（14），折流板随着孔板向下延伸；所述折流板和反应腔体的另一侧侧壁之间设置换热单元（15）；反应腔体的另一侧下端连接出渣单元（16）。本发明能克服热解气化气中焦油不易脱除净化的问题，并能降低热解气化气的焦油含量并提高能量利用率。

Description

热解气化焦油转化利用装置及方法

技术领域

本发明涉及工业气体净化装置，特别涉及一种热解气化焦油转化利用装置及方法。

背景技术

热解气化（Pyrogasification）技术是继填埋、堆肥和焚烧之后的新一代固体废弃物处置技术。热解（Pyrolysis）是指在缺氧或无氧条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素间的化学键，使各种含碳化合物分解或者进行化学重组的过程，热解过程中有机物会析出大量气态可燃气体成分，诸如一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、氢气（H₂）等小分子或者分子量稍大的C_mH_n等。气化（Gasification）是指在还原性气氛下，固体或液体燃料通过与气化剂发生化学反应从而转化为气体燃料的化学过程。气化过程中游离氧或结合态氧与燃料中的炭、碳进行一系列热化学反应，生成可燃气体，主要成分包括CO、H₂、CH₄等气态小分子物质。由于热解和气化有很多相似之处，两者常混淆在一起使用，但实际上两者最本质不同在于：气化需要供氧，物料发生部分燃烧，是一个“自热维持”的热分解过程；而热解不需要氧，物料不发生燃烧，但需外界供给分解过程中所需热量。目前对“热解”和“气化”的概念一般不作严格区分，因而可把两者综合起来作如下定义：热解气化是指在无氧或缺氧条件下，使物料中的有机成分在高温下分解、氧化，最终转化为可燃气、液态油、固体炭的热化学过程。

通过热解气化过程，可把固体废弃物中蕴藏的能量以可燃气、液态油、固体炭等形式贮留起来，从而把固体废物转化成可贮藏、便于运输的有价值燃料。可供热解气化的原料有很多，如城市生活垃圾、污泥、工业固体废弃物（如塑料、废旧轮胎）以及农业加工过程中的剩余物（如作物秸秆、畜禽粪便）等。然而实际应用中热解气化面临的关键问题是处理过程中残存的焦油容易导致管路堵塞，影响下游设备的正常运行，而且焦油和飞灰（包括碳粒、粉尘）中含有相当一部分能量物质，由此能量转化效率损失可达10%以上，降低了固体原料（燃料）碳的转化利用率，并且焦油问题如果处理不当，会带来严重的二次污染问题。

焦油是热解气化过程中产生的一种大分子多核芳香类化合物，固体废弃物受热达到分解温度时，有机物分子中部分化学键发生断裂，产生小的分子为非凝性气体（永久气体），而大一些的可凝性气态分子为初次焦油（或称一次焦油）。初次焦油一般都是原始原料结构中的一些片段，在热解气化温度条件下，初次焦油并不稳定，会进一步发生聚合或裂解反应成为二次焦油。随着温度进一步升高，部分焦油还会向三次焦油转化。焦油的成分相当复杂，其中含有的有机物质估计有1000种以上。据研究，基于分子量和沸程可将焦油分为5类：（1）重焦油；（2）杂环芳烃类焦油，含有N和O等杂原子，通常为吡啶、酚、甲酚、喹啉和异喹啉等；（3）轻芳香烃（单环）类焦油，一般为甲苯、乙苯、二甲苯和苯乙烯等；（4）轻多环芳烃（2～3环）类焦油，通常为茚、萘、甲基萘、联苯、苊烯、芴、菲和蒽等；（5）重多环芳烃(（4～7环）类焦油。其中，第1、2、5类属于重焦油范畴，危害很大，但易去除；第4类属于中度焦油，不能通过冷却法去除（室温下不凝结），这类物质是焦油净化的重点和难点；第3类属于轻焦油，危害小，但一般方法无法去除，需深度处理。焦油的危害包括：温度低于200℃时逐渐凝结成粘稠状液体，与水、飞灰颗粒等杂质结合形成难以清理的混合物，附着在设备及管道内壁，堵塞管道并损害设备；焦油中酸性成分易对用气设备及输气管道造成腐蚀；焦油成分中含量较高的酚、醛、多环芳香烃具有毒性，易对接触人员造成危害。

通常，热解气化产物脱除焦油的方法可大致分为两类：物理方法和化学方法。物理方法主要包括湿法去除和干法去除。湿法去除是最常见方法之一，又称水洗法，即以水来清洗含有焦油的工业气体，从而将生成的热解气化焦油溶解到水内。湿法去除虽方法简单且成本低，但只能在低温环境下进行，而且处理后气体中携带有雾滴，还需外接干燥装置以去除水分，且吸收了焦油的废水溶液也需进一步净化处理。干法去除，又称过滤法，是针对湿法去除得到的废水溶液难以处理而提出的，其原理是通过吸附或过滤装置对工业气体进行处理，从而去除其中的焦油。干法去除的缺点是净化效率低，在实际工业生产中较少单独应用，通常与其它净化装置联用。这两种物理方法后续都需要采用其它方法作进一步处理，否则其形成的废液仍将造成环境污染，故实际上并不能从根本上解决问题。化学方法主要包括高温裂解和催化裂解。高温裂解是在高于1000℃高温下进行，将一次裂解生成的大分子焦油蒸汽进一步二次裂解为不凝气体，从而与一次裂解生成的合成气相混合。高温裂解能够有效去除大部分热解气化焦油并提高合成气的质量与产量，气化效率较高，但高温环境条件不仅要求气化设备的制造材料具有耐高温特性，而且设备本身也需具有良好的保温措施，需要使用的材料和设备成本较高，然而固体废弃物一般为低品位能源，故该方法经济性实际上并不高。催化裂解是在反应炉床内设置催化环节，利用能够促进焦油裂解的催化剂，降低其反应活化能，从而加快反应速率，使得焦油在相对较低的温度环境下即可去除。催化裂解能在一定程度上节约设备成本，提高经济性，但是固体废弃物中大多含有对固体催化剂的有毒有害物质，因而常规的固体催化剂难以应用。

综上所述，在热解气化技术的应用场合中，焦油在相当程度上影响了设备及系统运行的稳定性，因此亟需一种能够有效脱除热解气化产物中焦油的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热解气化焦油转化利用装置及方法，基于截面渐扩式反应腔体，利用布朗气燃烧过程中提供的高温环境和水蒸汽及活性物质，能克服热解气化产物中焦油不易脱除净化的问题，有效降低热解气化产物中的焦油含量，并提高固体废弃物处理的能量转化效率。

本发明是这样实现的：

一种热解气化焦油转化利用装置，包括反应腔体、气流混合器、换热单元和出渣单元；

所述反应腔体为截面渐扩式，反应腔体内设置孔板，孔板沿着反应腔体管壁向下延伸，孔板的前端靠近反应腔体的一侧设置，孔板的后端靠近反应腔体的另一侧设置；所述反应腔体的一侧上端设置布朗气通道，布朗气通道的入口外接布朗气发生器，布朗气通道的出口连接布朗气喷嘴，布朗气喷嘴对准孔板前端，布朗气喷嘴处设置电子打火器；

所述气流混合器设置在布朗气通道下方，气流混合器包括待处理气体入口、氧化剂入口和混合气体出口，待处理气体入口外接热解气化炉的气体出口，氧化剂入口用于通入氧化剂，混合气体出口经反应腔体的一侧上端连通至反应腔体内；

所述孔板的后端设置折流板，折流板随着孔板向下延伸并靠近反应腔体的另一侧下端；所述折流板和反应腔体的另一侧侧壁之间设置换热单元，换热单元的入口靠近折流板的下端设置，换热单元的出口设置在反应腔体的另一侧上端侧壁上；所述反应腔体的另一侧下端连接出渣单元，出渣单元设置出渣口。

所述氧化剂入口设置比例调节阀。

所述氧化剂为空气或纯氧。

所述换热单元为省煤器。

所述孔板由耐高温和耐腐蚀的蓄热材料制成。

一种热解气化焦油转化利用方法，采用所述的热解气化焦油转化利用装置，所述方法包括如下步骤：

步骤一，待处理气体进入气流混合器，氧化剂进入气流混合器，待处理气体和氧化剂在气流混合器中进行充分混合后得到混合气体并进入反应腔体内；同时布朗气依次经布朗气通道、布朗气喷嘴进入反应腔体内，启动电子打火器点燃布朗气后产生高温并释放水蒸汽和活性物质；

步骤二，在反应腔体的孔板处，混合气体受高温和活性物质的催化作用生成非凝性气态物质和固体颗粒；

步骤三，非凝性气态物质流动至折流板下端后进入换热单元，非凝性气态物质沿着换热单元的布置空间向上流动并由换热单元的出口排出；固体颗粒移动至折流板下端进入出渣单元并由出渣口排出。

所述步骤二中，混合气体和活性物质均由反应腔体的一侧上端逐步向反应腔体的另一侧下端流动，流动速度逐步减小。

所述步骤一中，待处理气体包括焦油、碳粒和粉尘，活性物质包括活性氢和活性氧；所述步骤二中，非凝性气态物质包括CO和H₂，混合气体中无机质熔融并凝结成固体颗粒。

本发明热解气化焦油转化利用装置，首先，在反应腔体的气体入口处设置气流混合器，使得热解气化生成的待处理气体与氧化剂进行充分混合后进入反应腔体。其次，在氧化剂入口设置比例调节阀，能有效控制加入反应腔体的氧气量，确保焦油反应完全同时避免碳完全氧化为二氧化碳。再者，反应腔体为截面渐扩式并在内部空间相应设置孔板和折流板结构，能保证气相反应在高温区间有足够的停留时间，使得平均停留时间在2s以上，亦能够使混合气体中夹带的飞灰熔融凝聚，从而从气相中得到有效分离。另外，布朗发生器为即开即用设备，将其引入并应用于装置中，简化了工艺流程，减少了下游的气体洗涤、干燥和水处理等设备，而且布朗发生器占地面积小，有益于节省投资成本。

本发明热解气化焦油转化利用方法，利用布朗气燃烧能提供高温、水蒸汽和活性物质，使得混合气体中焦油、小分子烃类、碳粒等转化为合成气（即CO和H₂的混合气）的氧化反应速度加快，处理后得到非凝性气态物质中的焦油含量明显降低，能达到＜50mg/NM³的指标，非凝性气态物质可用于燃气发电或化学合成，有效改善了热解气化过程的经济性。而且，焦油含量得到充分去除，有利于飞灰（包括碳粒、粉尘）捕集，避免下游设备管道堵塞，提高了固体废弃物处理处置系统的能量转化效率。另外，布朗气燃烧后生成水，高温环境中的水蒸汽既是易于脱除的产物，又能作为焦油、小分子烃类（如CH₄）的反应剂，有益于焦油的转化利用，也不会稀释合成气中的有效气体成分浓度。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：能有效降低热解气化气中的焦油含量，能回收能量从而提高固体废弃物的能量转化效率，装置结构简洁，有助于实现热解气化、气体净化系统一体化，方法步骤简化工艺流程并减少下游设备投入。

附图说明

图1为本发明热解气化焦油转化利用装置的结构示意图；

图2为一氧化碳的氧化链锁反应示意图。

图中，1反应腔体，11孔板，12布朗气通道，13布朗气喷嘴，14折流板，15换热单元，16出渣单元，2气流混合器，21比例调节阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种热解气化焦油转化利用装置，包括反应腔体1、气流混合器2、换热单元15和出渣单元16。

反应腔体1为截面渐扩式，反应腔体1内设置孔板11，孔板11由耐高温和耐腐蚀的蓄热材料制成。孔板11沿着反应腔体1管壁向下延伸，孔板11的前端靠近反应腔体1的一侧设置，孔板11的后端靠近反应腔体1的另一侧设置。

反应腔体1的一侧上端设置布朗气通道12，布朗气通道12的入口外接布朗气发生器（图中未示出），布朗气通道12的出口连接布朗气喷嘴13，布朗气喷嘴13对准孔板11前端，布朗气喷嘴13处设置电子打火器，布朗气喷嘴13能自动喷出水电解产生的氢氧混合气体。

气流混合器2设置在布朗气通道12下方，气流混合器2包括待处理气体入口、氧化剂入口和混合气体出口，待处理气体入口外接热解气化炉（图中未示出）的气体出口，氧化剂入口用于通入氧化剂并设置比例调节阀21，混合气体出口经反应腔体的一侧上端连通至反应腔体1内。氧化剂为空气或纯氧。

孔板11的后端设置折流板14，折流板14随着孔板11向下延伸并靠近反应腔体1的另一侧下端。折流板14和反应腔体1的另一侧侧壁之间设置换热单元15，换热单元15的入口靠近折流板14的下端设置，换热单元15的出口设置在反应腔体1的另一侧上端侧壁上。优选地，换热单元为省煤器。反应腔体1的另一侧下端连接出渣单元16，出渣单元16设置出渣口。

根据上述热解气化焦油转化利用装置，热解气化焦油转化利用方法包括如下步骤：

步骤一，含有焦油、碳粒和粉尘的待处理气体从热解气化炉排出并由待处理气体入口进入气流混合器2，氧化剂（空气或纯氧）由氧化剂入口进入气流混合器2，待处理气体和氧化剂在气流混合器2中进行充分混合后得到混合气体进入反应腔体1内。同时，布朗气从布朗气发生器排出并依次经布朗气通道12、布朗气喷嘴13进入反应腔体1内，启动电子打火器点燃布朗气后产生高温并释放活性物质，活性物质包括活性氢H和活性氧OH。

本步骤中，将布朗气引入至反应腔体内，利用布朗气快速自燃烧（严格按化学计量比氧化）制造出高温环境和燃烧生成的水蒸汽及活性物质，能使待处理气体中焦油转化成为合成气。

布朗气是严格按照水（H₂O）分子式中氢氧摩尔当量配比，经电解设备产生的，具有活性的氢氧混合气体。布朗气是一种高能燃料，燃烧热值高，燃烧速度快，热量集中，燃烧强度高，热影响区小。布朗气作为燃烧用气体催化剂，气体使用量少，催化燃烧效果显著，且催化剂清洁高效，在生产和使用过程中不会产生二次污染问题。

步骤二，在反应腔体1的孔板11处，混合气体受高温和活性物质的催化作用生成非凝性气态物质和固体颗粒。具体地，由于反应腔体的流道截面逐渐变大，混合气体和活性物质均由反应腔体1的一侧上端逐步向反应腔体1的另一侧下端流动，流动速度逐步减小，使得气相反应能在高温区间有足够的停留时间，高温环境和活性物质能将混合气体中的焦油、碳粒等有效转化为非凝性气态物质，非凝性气态物质包括CO和H₂。同时，混合气体中无机质熔融并随着混合气体的流动发生移动直至反应腔体1的另一侧下端，在移动过程中凝结成固体颗粒且固体颗粒逐渐增大并沉积。

本步骤包括如下几个过程：1）布朗气燃烧产生高温和强氧化性自由基O、OH、HO₂，温度越高意味着分子运动越激烈，则自由基的氧化性越强；2）混合气体中的焦油分子受强氧化性自由基碰撞，分子链及原子键发生断裂并形成有机物分子小碎片基团和原子；3）强氧化性自由基O、OH、HO₂与断裂的有机物分子小碎片基团和原子以及其它自由基等发生反应，有机物分子最终被氧化并降解成为CO、H₂、CH₄、CO₂、H₂O等小分子气体；4）在高温环境下，生成的水分子还可以分别与CH₄、CO发生重整、变换反应，进一步提高合成气产品的质量。

步骤三，非凝性气态物质流动至折流板14下端后进入换热单元15，非凝性气态物质沿着换热单元15的布置空间向上流动并由换热单元15的出口排出。固体颗粒移动至折流板14下端进入出渣单元16并由出渣口排出。由此，混合气体在布朗气作用下反应并分离出固体颗粒后成为洁净气体排出装置。

本发明所采用的技术原理包括：氢气燃烧和一氧化碳燃烧。氢气燃烧属于典型的链锁反应过程，当形成一个分子的水时，就得到2个新的中间活性物质H和OH，即遵循化学反应式：O₂+2H₂→H₂O+H+OH，这两个活性氢可以有效加速一氧化碳的燃烧。一氧化碳燃烧（或称氧化链锁反应）是复杂链锁反应，参见图2。一氧化碳与空气混合物的燃烧速度很小，但有含氢物质存在时，其燃烧速度就会显著提高。而在700℃以下除掉水分和氢的“干燥”一氧化碳和氧接触是不会起反应的。一氧化碳的氧化链锁反应成立条件是必须有H和OH等原子（团）组成的活化中心参与反应。由于OH+CO→CO₂+H反应不断产生新的H，一旦反应启动就会循环下去，即使停止送入布朗气，反应也会维持，即“氢参加了反应但最终回到原态”。另外，氢气及其燃烧产物H₂O对爆燃和火焰的辐射也有很强烈的影响。由此，氢对燃烧中间产物氧化反应的链锁推进提高了CO、烃类（焦油）等的氧化反应速度，可以在保持无焰燃烧性能的前提下，大幅度降低空气过量系数，从而减少排烟热损失，提高燃烧系统的热效率。

本发明热解气化焦油转化利用装置及方法，在截面渐扩式反应腔体中引入布朗气并利用其燃烧特性，实现了含焦油热解气化气的高效转化利用，尤其适合处理大流量、高焦油含量的热解气化气。本发明突破了热解气化工艺的应用瓶颈，有助于实现热解气化、气体净化系统一体化。另外，在线监控和控制气相中氧气、氢气、一氧化碳等浓度的仪器以及软硬件系统已发展较成熟，结合本发明的装置和方法也有利于热解气化系统的技术升级、改造和推广应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：包括反应腔体（1）、气流混合器（2）、换热单元（15）和出渣单元（16）；

所述反应腔体（1）为截面渐扩式，反应腔体（1）内设置孔板（11），孔板（11）沿着反应腔体（1）管壁向下延伸，孔板（11）的前端靠近反应腔体（1）的一侧设置，孔板（11）的后端靠近反应腔体（1）的另一侧设置；所述反应腔体（1）的一侧上端设置布朗气通道（12），布朗气通道（12）的入口外接布朗气发生器，布朗气通道（12）的出口连接布朗气喷嘴（13），布朗气喷嘴（13）对准孔板（11）前端，布朗气喷嘴（13）处设置电子打火器；

所述气流混合器（2）设置在布朗气通道（12）下方，气流混合器（2）包括待处理气体入口、氧化剂入口和混合气体出口，待处理气体入口外接热解气化炉的气体出口，氧化剂入口用于通入氧化剂，混合气体出口经反应腔体的一侧上端连通至反应腔体（1）内；

所述孔板（11）的后端设置折流板（14），折流板（14）随着孔板（11）向下延伸并靠近反应腔体（1）的另一侧下端；所述折流板（14）和反应腔体（1）的另一侧侧壁之间设置换热单元（15），换热单元（15）的入口靠近折流板（14）的下端设置，换热单元（15）的出口设置在反应腔体（1）的另一侧上端侧壁上；所述反应腔体（1）的另一侧下端连接出渣单元（16），出渣单元（16）设置出渣口。

2.根据权利要求1所述的热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：所述氧化剂入口设置比例调节阀（21）。

3.根据权利要求1所述的热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：所述氧化剂为空气或纯氧。

4.根据权利要求1所述的热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：所述换热单元为省煤器。

5.根据权利要求1所述的热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：所述孔板（11）由耐高温和耐腐蚀的蓄热材料制成。

6.一种热解气化焦油转化利用方法，采用权利要求1所述的热解气化焦油转化利用装置，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一，待处理气体进入气流混合器（2），氧化剂进入气流混合器（2），待处理气体和氧化剂在气流混合器（2）中进行充分混合后得到混合气体并进入反应腔体（1）内；同时布朗气依次经布朗气通道（12）、布朗气喷嘴（13）进入反应腔体（1）内，启动电子打火器点燃布朗气后产生高温并释放水蒸汽和活性物质；

步骤二，在反应腔体（1）的孔板（11）处，混合气体受高温和活性物质的催化作用生成非凝性气态物质和固体颗粒；

步骤三，非凝性气态物质流动至折流板（14）下端后进入换热单元（15），非凝性气态物质沿着换热单元（15）的布置空间向上流动并由换热单元（15）的出口排出；固体颗粒移动至折流板（14）下端进入出渣单元（16）并由出渣口排出；

所述步骤二中，混合气体和活性物质均由反应腔体（1）的一侧上端逐步向反应腔体（1）的另一侧下端流动，流动速度逐步减小。

7.根据权利要求6所述的热解气化焦油转化利用方法，其特征在于：所述步骤一中，待处理气体包括焦油、碳粒和粉尘，活性物质包括活性氢和活性氧；所述步骤二中，非凝性气态物质包括CO和H₂，混合气体中无机质熔融并凝结成固体颗粒。

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