CN113122295A - 自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其属于可再生能源利用技术领域。包括回转窑、组合下降管、热解产物仓和冷凝装置，回转窑的出口连通组合下降管，组合下降管的下端出口连接热解产物仓，冷凝装置与热解产物仓的出口连通。热解产物仓的下侧设有热解残碳箱，回转窑和组合下降管之间还设有喂料装置，热解残碳箱与喂料装置连接。本发明的有益效果是：能够充分利用高温烟气余热，热解效率高，生产成本低。可以实现大规模的含碳有机物的热解，含碳有机物和热载体混合均匀，含碳有机物使完全热解。太阳能聚焦装置实现外部均匀加热，有效节约能源。实现了热量的回收利用和热载体、热解产物的循环使用，可极大降低运行成本。

Description

自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置
技术领域
本发明涉及一种热解装置，尤其涉及一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其属于可再生能源利用技术领域。
背景技术
资源和能源是人类赖以生存的物质基础，传统的经济发展模式造成煤炭、石油和天然气等不可再生资源的快速消耗，同时给生态环境带来了难以修复的破坏，因此节能环保和新材料的开发是未来社会发展的重要需求。含碳有机物主要来自人类活动和自然过程，在自然界中的储量十分丰富。随着化石能源的枯竭，开发利用含碳有机物，尤其是生物质能，替代传统化石能源已成为国内外众多学者研究和关注的热点。目前，含碳有机物转化利用的主要途径是：热化学高效转化利用中的热解气化、快速热解制备液体燃料、气化合成燃料以及生物转化技术等。
CN201911386635.9公开了一种太阳能光化学生物质热解装置，包括透射型聚光系统和吸热热解单元，透射型聚光系统包括菲涅尔透镜和透镜支架，菲涅尔透镜安装在透镜支架上部，当太阳光照射时，吸热热解单元通过菲涅尔透镜获取太阳光热，用于生物质的光化学热解。该发明充分利用了太阳能的光热，提高了生物质资源的产品价值，但热解效率不高，光热条件易受环境变化影响。
CN201721706224.X公开了一种双回转窑热解系统，该系统包括：蓄热体传送器、一级回转窑、筛分装置、蓄热器、二级回转窑、热解油气收集器和热解炭储存器，该系统用于处理高含水率的有机废物，利用自身的废热完成干燥过程，然后再利用燃料燃烧放热完成高含水率有机废物的热解过程。该发明采用回转窑作为热解装置，降低了系统总能耗，但每次热解过程所能处理的有机废物量有限，经济效益不高。
CN201320555342.0公开了一种热载体自循环加热式农林废弃物裂解液化系统,包括提升管燃烧器,气固分离器,热载体和碳粉储仓,V型下降管反应器,热载体分离器和热载体喂料器,各部件依次循环连接，以固体颗粒为热载体，提升管为燃烧器，V型下降管为热解反应器，实现农林废弃物的热解过程。该发明充分利用了提升管燃烧器燃烧的热量,热解过程运行稳定，但在单一V型下降管热解反应器中物料和热载体无法充分混合，且下降速度快，导致物料热解不充分。
尽管国内外在含碳有机物热化学转化技术与设备方面已经取得了较大进展，然而含碳有机物在综合利用过程中，还存在转化效率低、产品品质差、能源消耗高等瓶颈性问题，其中合理科学的反应装置是关键环节。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，包括回转窑、组合下降管、热解产物仓和冷凝装置，所述回转窑的出口连通组合下降管，所述组合下降管的下端出口连接热解产物仓，所述冷凝装置与热解产物仓的出口连通。
优选地，所述热解产物仓的下侧设有热解残碳箱，所述回转窑和组合下降管之间还设有喂料装置，所述热解残碳箱与喂料装置连接。
优选地，所述冷凝装置的出口还连接有储气罐，所述储气罐通过文丘里管与回转窑连接。所述文丘里管与储气罐、高温引风机和回转窑相连接，通过文丘里管将外部补充空气与来自储气罐中的不可冷凝热解气进行预混，预混气在高温引风机的作用下输送至回转窑，避免了由于两种气体因压力不同造成管道破坏。
优选地，所述回转窑上设有排烟管道，所述排烟管道连接有斯特林发动机，所述组合下降管的旁侧还设有太阳能聚焦装置。所述太阳能聚焦装置具有太阳跟踪系统，能够使聚光镜的轴线对准太阳，聚光镜始终与太阳保持一个最佳角度，能够更加高效的收集太阳能。太阳能聚焦装置根据所用聚光镜的不同，可以为槽式抛物面聚光镜式聚焦装置、菲涅尔原理聚光镜式聚焦装置或碟式旋转抛物面聚光镜式聚焦装置中的一种或多种组合。太阳能聚焦装置能够将太阳光聚焦到组合下降管的表面，实现外部加热，加热温度可达到550℃以上，使含碳有机物热解更加充分。
优选地，所述文丘里管与回转窑未连接的一端连接有高温引风机，所述热解产物仓的底部连接有输送装置并和回转窑连接。所述输送装置，可以为气力输送装置、螺旋输送装置、刮板输送装置或料斗提升装置中的一种或多种组合。所述热解产物仓内设置热载体分离器，含碳有机物经由组合下降管热解反应后，进入热解产物仓内，热解残炭、热解气和热载体完成分离工作，热解产物仓与热解残炭箱连接，热解残炭进入热解残炭箱，热解气进入冷凝装置得到液体燃油，不可冷凝的热解气进入回转窑进行燃烧加热热载体。
优选地，所述组合下降管由2～50个下降管并排组成，每个下降管由2～20个“﹤”型管首尾连接组成，具体排列方式详见图1。每个“<”型管的长度及倾斜角度为相同或不同，长度范围为15～2000cm，倾斜角度范围为45°～90°，“<”型管为单层管或管径一致的筒状管或管径变化的变径筒状管。
优选地，“﹤”型管的转角处内部设有阻挡区，所述阻挡区是由不同大小不同形状的阻挡颗粒组成，阻挡颗粒分布情况详见图2。设置阻挡区可以使含碳有机物和热载体混合更加均匀，降低热载体与含碳有机物的运动速度，延长在下降管热解反应器的停留时间，实现含碳有机物更完全热解。所述阻挡颗粒为圆柱体、圆锥体、棱台体、棱锥体、球体、半球体、长柱体、扇体、菱形体、星体、花瓶体、鹰嘴体或山体形的其中一种形体结构，所述阻挡区呈现出柱形、锥形、棱台形、山形、半月形、鱼鳍形、锯齿形、米粒形、扇形、菱形、星形、花瓶形或鹰嘴形的其中一种形状，所述阻挡颗粒高度为0.1～50mm之间。在一定区域内，阻挡颗粒为上述单一形体结构或多种形体结构的组合，阻挡颗粒的高度一致或不一致。
优选地，回转窑内部的热载体为负载金属催化剂的分子筛、多孔陶瓷或天然矿石的一种或多种组合，热载体形状为球体、半球体、圆柱体、正方体、长方体、棱台体或星体中的一种或多种组合，等效粒度分布为1-5mm。热载体具有耐高温、耐磨损和强度高的优点，与经负载金属处理后的热解残炭组成双催化剂，对含碳有机物热解过程具有共同促进作用，对提高热解产物的产率、改善液体燃油的品质、降低生产成本具有积极意义。
优选地，负载金属为镁、铝、铁、锌、钼、银、钴、镍、铜、锡、铬、钒、硼、钾、钛、硒的单体、氧化物、碳酸盐、硝酸盐、氯化物或氟化物中的一种或多种组合。
所述回转窑转动部分由钢管和圆柱形绝缘外套组成，且钢管上固定有螺旋转动叶片，以保证热载体受热更加均匀，所述回转窑上侧连接有排烟管道，由排烟阀控制排烟量，保证了整个热解装置内的压力适中，防止因压力过大造成回转窑破坏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用回转窑作为热载体加热装置，能够充分利用高温烟气余热，为热解反应器提供充足热量，实现了含碳有机物快速热解连续稳定运行，热解效率高，生产成本低。回转窑转动部分由钢管和圆柱形内绝缘外套组成，且内部设置螺旋转动叶片，保证热载体受热更加均匀。
2、“﹤”型管采用并列排布组成组合下降管，可以实现更大规模的含碳有机物的热解，下降管热解反应器中设有阻挡区，由大小不同的阻挡颗粒组合形成，可以使含碳有机物和热载体混合更加均匀，降低热载体与含碳有机物的运动速度，延长在下降管热解反应器的停留时间，实现含碳有机物更完全热解。
3、太阳能聚焦装置具有太阳跟踪系统以及温度调节系统，聚光镜始终与太阳光线保持一个最佳角度，能够更加直接高效的收集太阳光热。太阳能聚焦装置能够将太阳光聚焦到组合下降管热解反应器表面，实现外部均匀加热，加热温度达到550℃以上，使含碳有机物热解更加充分，有效节约能源、降低运作成本。
4、热解气经冷凝装置进行回收，不可冷凝热解气在高温引风机的输送下进入回转窑中进行循环利用，热载体在输送装置的输送下再次进入回转窑进行循环加热，热解残炭经负载金属处理后作为催化剂进入组合下降管热解反应器进行再利用。回转窑内产生的高温烟气余热可为斯特林发动机提供动力热源，使斯特林发动机运作，带动发电机发电，为回转窑、喂料装置、输送装置、冷凝装置、高温引风机、压力泵、控制系统等设备提供所需电力。有效实现了热量的回收利用和热载体、热解产物的循环使用，可极大降低运行成本。
附图说明
图1为下降管的结构示意图。
图2为下降管内阻挡区的结构示意图。
图3为本发明的结构示意图。
图4为组合下降管的结构示意图。
在图中，1、回转窑；2、冷凝装置；3、喂料装置；4、组合下降管；4.1、下降管；4.1.1、“﹤”型管；5、热解产物仓；6、输送装置；7、热解残炭箱；8、文丘里管；9、高温引风机；10、储气罐；11、太阳能聚焦装置；12、斯特林发动机；13、排烟管道；14、阻挡区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
工作原理：
热载体经回转窑1加热后进入组合下降管4内，同时含碳有机物由喂料装置3进入组合下降管4内，含碳有机物与热载体混合，在组合下降管4内进行热解反应，热解产物(热解气、热解残炭)及热载体进入热解产物仓5。热解气经冷凝装置2得到液体燃油，不可冷凝的热解气在高温引风机9的输送下进入回转窑1中，作为燃料燃烧来加热热载体。热解产物仓5内的热载体在输送装置6的输送下进入回转窑1进行循环加热。热解残炭经负载金属处理后进入组合下降管4内，作为含碳有机物热解的催化剂。回转窑1内产生的高温烟气为斯特林发动机12提供动力热源，使斯特林发动机12运作带动发电机发电，为回转窑1、喂料装置3、输送装置6、冷凝装置2和高温引风机9等设备提供所需电力。
实施例1
如图1所示，一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，包括回转窑1、冷凝装置2、喂料装置3、组合下降管4、热解产物仓5、输送装置6、热解残炭箱7、文丘里管8、高温引风机9、储气罐10、太阳能聚焦装置11、斯特林发动机12、排烟管道13和阻挡区14。热载体经回转窑1加热后进入组合下降管4内，含碳有机物由喂料装置3进入组合下降管4内，含碳有机物与热载体混合，在组合下降管4内进行热解反应，热解产物(热解气、热解残炭)及热载体进入热解产物仓5。热解气经冷凝装置得到液体燃油，不可冷凝的热解气在高温引风机9的输送下进入回转窑1中，作为燃料燃烧以加热热载体。热解产物仓5内的热载体在输送装置6的输送下进入回转窑1进行循环加热。热解残炭经负载金属处理后进入组合下降管4内，作为含碳有机物热解的催化剂。回转窑1内产生的高温烟气为斯特林发动机12提供动力热源，使斯特林发动机12运作带动发电机发电，为回转窑1、喂料装置3、输送装置6、冷凝装置2、高温引风机9、压力泵、控制系统等设备提供所需电力。
在本实施例中，组合下降管4由4个下降管4.1组成，喂料装置3中的含碳有机物经由螺杆转速控制含碳有机物流量，然后进入组合下降管4内，实现大规模的含碳有机物热解利用。
组合下降管4中的阻挡区14，由30个大小不同的半球状光滑凸面组合形成，可以使含碳有机物和热载体混合更加均匀，且半球状光滑凸面角度可调，通过改变凸面的角度，可以控制热载体流量和运动速度，实现热载体加热温度的精确可控，使系统稳定连续运行。
热解产物仓5内有热载体分离器，含碳有机物经由组合下降管4后，在热解产物仓5实现热解残炭、热解气、热载体的分离，热解产物仓5与热解残炭箱7连接，热解残炭进入热解残炭箱7，热解气进入冷凝装置2进行冷凝回收，热载体在输送装置6的输送下再次进入回转窑1进行循环加热。
文丘里管8与储气罐10、高温引风机9和回转窑1相连接。文丘里管8能够将外部补充气与来自储气罐中10的不可冷凝热解气进行预混，预混气在高温引风机9的作用下输送至回转窑1，避免了由于两种气体因压力不同造成管道破坏等。为更好利用热载体加热含碳有机物后产生的高温烟气余热，热解装置还包括热解气的冷凝装置2、高温引风机9、储气罐10；所述冷凝装置2采用管路依次连接储气罐10、文丘里管8。所述高温引风机9的出口通过管路经由文丘里管8为回转窑1供风，此装置能充分利用热载体反应器尾部烟气热量为回转窑1进行供热。
实施例2
负载金属催化剂的热载体经回转窑1进行充分加热后进入组合下降管4，热解残炭经负载金属处理后作为催化剂进入组合下降管4进行再利用，含碳有机物后经喂料装置3进入组合下降管4，负载金属催化剂的热载体、热解残炭与含碳有机物均匀混合，进行热解过程，经负载金属处理后的热载体和热解残炭组成双催化剂，对含碳有机物热解过程具有共同促进作用。本发明中组合下降管4的热解温度设定为550℃，太阳能聚焦装置实现组合下降管4的外部均匀加热，加热温度为550℃。采用负载金属催化剂的多孔陶瓷作为热载体，负载金属选用镁、铁、银、硝酸盐和氧化物按不同比例组成的混合物，热载体形状选用球体、半球体、星体和圆柱体的组合式，热载体颗粒等效粒度分布为1-5mm，有利于提高升温速率、减少散热，降低能耗，使含碳有机物热解更充分。
实施例3
本实施例中选用变径回转窑作为热载体加热装置，前后直径变化范围为100-300mm，与传统通径回转窑相比，具有节能、高产等优点。回转窑1包括干燥段、加热段和焙烧段，通过旋转和排风实现物料的输送和加热煅烧，热载体在回转窑1内加热的过程是冷热载体从回转窑的冷端喂入，由于回转窑有一定的倾斜度，且不断回转，转速在0.3-1.5r/min之间，因此使冷热载体连续向热端移动，热载体在回转窑1内的停留时间为30-40min。燃料自热端喷入，在空气助燃下燃烧放热并产生高温烟气，高温烟气在风机的驱动下，自热端向冷端流动，而冷热载体和烟气在逆向运动的过程中进行热量交换，实现均匀加热。将窑体以3～6％的倾斜度安装，所以热载体不会落到原来的位置，而是向回转窑1的低端移动了一个距离，落在一个新的点，在该新的点又重新被带到一定高度再落到靠低端的另一点，如此不断前进。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，包括回转窑(1)、组合下降管(4)、热解产物仓(5)和冷凝装置(2)，其特征在于：所述回转窑(1)的出口连通组合下降管(4)，所述组合下降管(4)的下端出口连接热解产物仓(5)，所述冷凝装置(2)与热解产物仓(5)的出口连通。
2.根据权利要求1所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：所述热解产物仓(5)的下侧设有热解残碳箱(7)，所述回转窑(1)和组合下降管(4)之间还设有喂料装置(3)，所述热解残碳箱(7)与喂料装置(3)连接。
3.根据权利要求1所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：所述冷凝装置(2)的出口还连接有储气罐(10)，储气罐(10)通过文丘里管(8)与回转窑(1)连接。
4.根据权利要求1所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：所述回转窑(1)上设有排烟管道(13)，所述排烟管道(13)连接有斯特林发动机(12)，所述组合下降管(4)的旁侧还设有太阳能聚焦装置(11)。
5.根据权利要求3所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：所述文丘里管(8)与回转窑(1)未连接的一端连接有高温引风机(9)，所述热解产物仓(5)的底部连接有输送装置(6)并和回转窑(1)连接。
6.根据权利要求1所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：所述组合下降管(4)由2～50个下降管(4.1)并排组成，每个下降管(4.1)由2～20个“﹤”型管(4.1.1)首尾连接组成，每个“<”型管(4.1.1)的长度及倾斜角度为相同或不同，长度范围为15～2000cm，倾斜角度范围为45°～90°，“<”型管(4.1.1)为单层管或管径一致的筒状管或管径变化的变径筒状管。
7.根据权利要求6所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：“﹤”型管(4.1.1)的转角处内部设有阻挡区(14)，所述阻挡区(14)是由不同大小不同形状的阻挡颗粒组成，所述阻挡颗粒为圆柱体、圆锥体、棱台体、棱锥体、球体、半球体、长柱体、扇体、菱形体、星体、花瓶体、鹰嘴体或山体形的其中一种形体结构，所述阻挡区(14)呈现出柱形、锥形、棱台形、山形、半月形、鱼鳍形、锯齿形、米粒形、扇形、菱形、星形、花瓶形或鹰嘴形的其中一种形状，所述阻挡颗粒高度为0.1～50mm之间。
8.根据权利要求1所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：回转窑(1)内部的热载体为负载金属催化剂的分子筛、多孔陶瓷或天然矿石的一种或多种组合，热载体形状为球体、半球体、圆柱体、正方体、长方体、棱台体或星体中的一种或多种组合，等效粒度分布为1-5mm。
9.根据权利要求8所述的自热式固体热载体循环下降管组合式热解装置，其特征在于：负载金属为镁、铝、铁、锌、钼、银、钴、镍、铜、锡、铬、钒、硼、钾、钛、硒的单体、氧化物、碳酸盐、硝酸盐、氯化物或氟化物中的一种或多种组合。
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