CN113351619B - 一种可控气氛复合动态热解装置及基于该装置的废物料无害化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工、资源利用和环境领域，具体涉及一种可控气氛复合动态热解装置及基于该装置的废物料无害化处理方法，所述热解装置包括炉体(1)、加热器(2)、搅拌器(3)、进料管(4)、卸料口(5)、进气管(6)、排气口(7)、回气口(8)和弹性伸缩刮板(10)。本发明充分利用热源和深海微生物源高效活性菌群，实现对来源广泛物料的全组分综合利用，全过程无三废产生，经济和环境价值显著。
Description
技术领域
本发明属于化工和环保领域，具体涉及一种可控气氛复合动态热解装置及利用该装置废物料无害化处理方法，尤其是综合回收工业副产盐的方法。
背景技术
矿山、钢铁冶炼、化工等工业生产过程中往往会产生大量的固废、废水和废气，通常含有工业原料、产品及副产物，成分复杂。大量高炉渣、钢渣、低品位铁矿石等固废长期堆存。肥料、农药、焦化等行业的三废中往往含有结构复杂的苯的同系物、卤代烃等重要污染物。这些三废的排放对土壤、空气、地下水产生严重污染，严重破坏生态环境和人的生命安全与健康。随着国家环保政策的不断收紧，以往粗放式的处理手段已不能满足工业废物的巨大需求，亟需拓宽其全流程整量处理的综合装置与工艺。
热解法指将原料在一定温度、气氛下对物料进行高温热分解，经过复杂的化学反应改变物料原有性质，或使有机物发生裂解等热转化反应，生成简单小分子碳氢化合物，从而达到对物料进行无害化处理、产品生产等目的。许多低品位铁矿石需要通过磁化焙烧等手段进行选别，高炉渣、钢渣等固废利用过程中也会采用烧结等热处理手段。因此，为了达到上述目的，选择合适的热解装置和工艺参数十分重要。
中国发明专利CN201710640884.0公开了一种用于气、液、固三种状态物料的热解系统及热解方法，但其对物料流变性能要求严格、处理量小、炉体温区分布不均、磨损检修困难，并易产生二次污染。中国发明专利CN201310672595.0公开了一种基于高温热管的工业废盐综合处理装置，但其适用物料局限于工业废盐中的有机物。
总之，各种利用方法仍存在利用率不高和处置方式不合理等问题有待进一步解决。
发明内容
本发明目的在于，提供一种可控气氛复合动态热解装置及其应用，广泛适应原料性质，综合回收物料中有用组分及保护环境。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种可控气氛复合动态热解装置，所述热解装置包括炉体、加热器、搅拌器、进料管、卸料口、进气管、排气口、回气口和弹性伸缩刮板；
所述炉体的下部设置搅拌器，搅拌器的轴连接弹性伸缩刮板，弹性伸缩刮板在随搅拌器转动时，可将炉体内壁上粘附的物料去除；
所述炉体的中部设置进气管，进气管连接布气管，布气管上设置若干布气风帽；
所述炉体的上部设置加热器，同时设置进料管，进料管的出料口设置在加热器的下部；
所述炉体上还设置排气口、回气口和卸料口。
优选地，所述搅拌器由上下两层搅拌叶片组成。
优选地，所述加热器包括若干热管，热管设置在物料层之上。
优选地，所述弹性伸缩刮板包括伸缩杆和内壁刮板，内壁刮板贴合于炉体的内壁上，伸缩杆连接内壁刮板和搅拌器的轴。
进一步地，所述热解装置还包括支撑架和检修孔，支撑架设置在炉体的底部，检修孔设置在炉体上。
本发明所述加热器可包括数根位于料层之上的均匀布置的热管，可根据加热温度需求的实际情况调整安装数量。加热温度调节范围为200～1200℃，为料层提供均匀稳定的热辐射。根据所处理物料需求的加热温度调整安装数量、炉内管长度、距离物料层的高度、加热管形状、外加保温层，亦可通过风热、水热、或改变加热位置等手段满足不同物料的实际加热需求。
本发明所述进料管将物料给入加热区的底部，充分利用大功率加热器在炉内形成的温度梯度完成预热、物料热分解，烟气上浮高温热解(或氧化还原分解)，二次热分解，在炉中不同空间同步完成废料及烟气的初步及深度降解。
本发明所述搅拌器由两层搅拌叶片组成，在电机的带动下绕轴旋转，以适应不同料层厚度、密度、粘度的变化，将物料充分混匀，及时释放热解产生的烟气，还能对凝固、结块的物料起到粉碎作用。
本发明所处理的物料来源广泛，包括矿石、矸石、粉煤灰、副产盐、污泥、垃圾焚烧飞灰等工业固废、生物质、有机废水、烟气等，可实现固、液、气态物料的协同处理。
优选地，基于所处理物料的性质，通过调控炉体高度、废料进料流量、加热管数量、下料口位置、进气流量、搅拌浆转速，以形成合理的料层厚度、废料炉内停留时间、将废料的流态热解及(或)氧化还原热解，与固定热解相集成。
优选地，搅拌器的轴上安装有弹性伸缩刮板，适应炉内壁长期处于高温环境产生的形状变化，在生产运行过程中及时刮除器壁附着的物料。防止物料过程烧结，附于炉内壁难于清除，导致空间减少，停产大修，所述刮板的制作材料可采用聚氨酯、不锈钢等本专业技术人员常用的材料，可采用长条形、弧形等几何外形。伸缩杆在转动过程中，可以进行伸缩，以使其在内壁刮板在内壁上运动时，根据内壁上所粘附物料的厚度进行调整。
本发明可以通过进气管提供保护气、氧化还原气等原料气氛。此外，进气经均布在装置内的布气风帽充分分散，对物料初步加热释放出来的烟气进行气力搅拌与分散，为其进一步热解提供动态过程，使其充分接触气体并反应。根据不同物料所产生烟气成分确定气体流量，保证烟气在炉内停留反应时间。
本发明的排气口用于排出物料热分解过程中产生的少量有害烟气，并送入烟气处理装置进行无害化处理，烟气处理可采用喷淋塔等本领域技术人员熟知的技术设备。
本发明的回气口可将排气口及烟气处理装置处理不充分的气体返回装置中二次处理，充分利用能源。
本发明还提供了一种废物料的无害化处理方法，所述无害化处理方法包括以下步骤：
1)预处理；
废物料经破碎筛分、过滤除杂得到进炉物料；
2)热转化处理：
进炉物料通过进料管给入加热器的下部；在降落过程中以及在物料层被搅拌器搅拌过程中，进炉物料被加热，同时在进气管通入保护气和/或反应气；在搅拌、气力联合作用下，进行热解反应；热解产生的烟气由排气口排出，进行烟气喷淋处理或由回气口再次进入炉内进行反应；热解反应剩余渣由卸料口排出；剩余渣经过滤、结晶干燥得到回收产品；
3)烟气喷淋处理：
热解产生的烟气经喷淋处理后，处理达标的气体直接排放，未达标的气体经回气口返回炉体中循环处理直至达标；喷淋处理产生的废水进行固定化生物反应处理；
4)固定化生物反应处理：
废水在深海微生物的作用下进行生物净化，达标后回用或排放。
具体地，一种废物料的无害化处理方法，具体实施步骤如下：
1)预处理：
废物料在送入热解装置前可经过破碎筛分、过滤除杂等工段，获得几何尺寸合适、无大块杂质的进炉物料，便于反应充分。
2)热转化处理：
进炉物料通过进料管给入热解装置，在加热器，机械、气力联合搅拌，保护气或反应气的参与下充分反应，在一定的停留时间充分反应后，由卸料口排出；
3)烟气喷淋处理：
热解装置产生的少量烟气，处理达标的烟气直接排放，未达标的烟气经回气口返回热解装置中循环处理直至达标；
4)废水生物处理：
烟气处理的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现废水回用或排放指标达标。
优选地，所述废物料包括矿石、矸石、粉煤灰、工业副产盐、污泥、垃圾焚烧飞灰中的一种或多种。
优选地，所述热解的热解温度为200～1200℃。
优选地，所述深海微生物分离自西太平洋深海热液沉积物，培养液菌体浓度为109～1012个/mL。
优选地，所述步骤4)中，深海微生物分离自西太平洋深度为5812m热液喷口的沉积物，富集得到的以异化还原菌为主的混菌，在废水生物处理时，以异化还原菌为主的混菌能以不同的群落结构自驯化以适应废水特性，兼具高生物活性、耐盐性和重金属离子耐受性及温度梯度耐受性，能高效降解重金属离子和有机物，抗击水质波动的特性极强等特点。
本发明所述混菌的富集过程如下：取少量深海热液沉积物接种至液体增殖培养基中，30℃培养7～14天至微生物菌体浓度为109～1012个/mL。
优选地，液体增殖培养基的主要成分及含量为：(NH4)2SO4 2g/L，NaCl 35g/L，K2HPO4 2g/L，酵母粉5g/L，葡萄糖10g/L，蛋白胨5g/L。
优选地，所述热解装置的应用不局限于本方法，根据实际情况对本方法步骤进行增减、排序等修改仍属于本热解装置的应用范围。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中所述的复合动态热解装置物料适应性广，能协同处理固、液、气态或混合物料，可通过调控炉体高度、废料进料流量、加热管数量、下料口位置、进气流量、搅拌浆转速，以形成合理的料层厚度、废料炉内停留时间、将废料的流态热解及(或)氧化还原热解，与固定热解相集成；单套系统能够适应实际生产中多样副产物的热解处理，应用场景多样。
(2)炉体加热器的上热式结构能产生梯度热辐射，在机械和气力搅拌的作用下实现对物料及烟气的热解。固体生成上浮烟气、流态化热解及(或)氧化还原热解、高温热解相集成，在空间、温度、时间上的有效协同，直接在装置内完成无害化处理，能量利用完全，经济与环境效益显著。
(3)本发明所述热解装置产生的废气及处理废气产生的废水采用生物处理系统进行无害化利用，深海微生物源高效活性菌群兼具高生物活性、耐盐性和重金属离子耐受性及温度梯度耐受性，能高效降解重金属离子和有机物，抗击水质波动的特性极强等特点。
附图说明
图1为可控气氛复合动态热解装置的结构示意图；
图2为本发明无害化处理方法流程图；
附图标记：1炉体；2加热器；3搅拌器；4进料管；5卸料口；6进气管；7排气口；8回气口；9检修孔；10弹性伸缩刮板；11支撑架。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，一种可控气氛复合动态热解装置，所述热解装置包括炉体1、加热器2、搅拌器3、进料管4、卸料口5、进气管6、排气口7、回气口8和弹性伸缩刮板10；
所述炉体1的下部设置搅拌器3，搅拌器3的轴连接弹性伸缩刮板10，弹性伸缩刮板10在随搅拌器3转动时，可将炉体1内壁上粘附的物料去除；
所述炉体1的中部设置进气管6，进气管6连接布气管，布气管上设置若干布气风帽；
所述炉体1的上部设置加热器2，同时设置进料管4，进料管4的出料口设置在加热器2的下部；
所述炉体1上还设置排气口7、回气口8和卸料口5。
所述搅拌器3由上下两层搅拌叶片组成。
所述加热器2包括若干热管，热管设置在物料层之上。
所述弹性伸缩刮板10包括伸缩杆和内壁刮板，内壁刮板贴合于炉体1的内壁上，伸缩杆连接内壁刮板和搅拌器的轴。
所述热解装置还包括支撑架11和检修孔9，支撑架11设置在炉体1的底部，检修孔9设置在炉体上。
如图2所示，一种废物料的无害化处理方法，所述方法的具体实施步骤如下：
S1：破碎预处理。将某化肥生产过程中产生的工业副产盐，经过对辊破碎级和振动筛的一段闭路处理，获得-20mm粒级物料。
S2：热转化处理。预处理物料通螺旋给料机给入上述热解装置，在炉温650℃、富氧空气流量0.5L/min，停留时间为20min的条件下热转化处理。
S3：蒸发结晶一体化处理。热解产物经过卸料口排出，在溶解槽中重新溶解，获得高盐母液。母液在蒸发结晶干燥一体化装置中重结晶、干燥，获得合格产品。
S4：烟气喷淋处理。热解装置产生的少量烟气，处理达标的气体直接排放，未达标的气体经二次进气管返回装置中循环处理直至达标。
S5：废水生物处理。烟气处理的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现废水回用或排放指标达标；所述深海微生物分离自西太平洋深海热液沉积物，培养液菌体浓度为109～1012个/mL。
得到的产品中，主要成分氯化钠含量高于98.5％，有机物含量少于0.2％，总氮质量分数小于2×10-5，总磷质量分数小于5×10-6，满足工业用盐要求。
实施例2：
一种综合利用炼钢污泥的方法，炼钢污泥中主要化学成分如下表：
| 成分 | FeO | CaO | MgO | ZnO | <![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | C | Cl |
| wt％ | 45.34 | 23.36 | 3.57 | 2.03 | 1.35 | 0.19 | 4.33 | 0.21 |
具体实施步骤如下：
S1：预处理。将某炼钢生产过程中产生的炼钢污泥，经过对辊破碎级和振动筛的一段闭路处理，获得-20mm粒级物料。
S2：热转化处理。预处理物料通螺旋给料机给入热解装置，在炉温1000℃、CO流量1.5L/min，保护气N2流量为3.5L/min，停留时间为35min的条件下处理。
S3：蒸发结晶一体化处理。自排气口采用布袋收尘器收集的固体于溶解槽中重新溶解，获得高盐母液，在蒸发结晶干燥一体化装置中重结晶、干燥，回收Zn、K、Na产品。
S4：废水生物处理。处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。
得到的产品中磁性铁含量mFe＝40.27％，回收率达91.44％，KCl回收率达90.32％。
实施例3：
北京市某污水处理厂二沉池污泥，总COD为1685mg/L。
S1：预处理。将该二沉池污泥，经过球磨和一段闭路湿式筛分，获得-0.074mm占75％的物料。
S2：热转化处理。预处理物料经管道给入热解装置，在热解温度800℃、富氧空气流量0.5L/min，停留时间为20min的条件下处理，产品经卸料口卸出。
S3：废水生物处理。废气经喷淋处理，处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。
活性污泥热解产物比表面积达583～1013m2/g，将其用于吸附城市污水时COD去除率达62.7％，平衡时间60min，吸附容量达45.3mg/g。
实施例4:
某铁矿，全铁品位TFe＝68.13％，磁性铁品位mFe＝2.33％，主要物相为赤铁矿、褐铁矿、含有少量黄铁矿。
S1：预处理。将该铁矿石，经过球磨和一段闭路筛分，获得-0.074mm占85％的物料。
S2：焙烧处理。预处理物料经螺旋给料机给入装置，在焙烧温度600℃，CO流量0.2L/min，保护气N2流量为0.3L/min，焙烧时间为20min的条件下焙烧，产品经卸料口卸出。
S3：废水生物处理。废气经喷淋处理，处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。
焙烧产物磁性铁含量mFe＝41.25％。
实施例5：
某焦化厂有机废水，平均TOC含量为521mg/L。
S1：预处理。将该有机废水通过粗格栅，并经过沉降处理，去除可能会破坏喷雾器的悬浮的固体颗粒杂质。
S2：热转化处理。预处理物料经过喷雾器喷入炉体，在热解温度500℃、富氧空气流量0.6L/min的条件下处理。
S3：废水生物处理。处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。
热解产物TOC含量未检出。
实施例6：
利用秸秆生产有机物吸附剂。
S1：预处理。将秸秆，利用剪切式破碎机将秸秆破碎至-1mm粒级。
S2：热转化处理。预处理物料经螺旋给料机给入热解装置，在热解温度650℃、空气流量0.5L/min，停留时间为2.5h的条件下处理，产品经卸料口卸出。
S3：废水生物处理。废气经喷淋处理，处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。所得产品的秸秆基吸附剂吸附苯(C6H6)的实验数据如下表：
| 初始浓度 | 平衡浓度 | 去除率 | 平衡时间 | 吸附容量 |
| 150.00mg/L | 7.04mg/L | 95.31％ | 4.0h | 132.5mg/g |
实施例7：
某印染厂烟气主要有机污染物如下表：
| 甲醇 | 乙醇 | 苯及同系物 | 其他 | TOC |
| 33.45％ | 27.72％ | 6.43％ | 32.9％ | <![CDATA[75mg/Nm<sup>3</sup>]]> |
S1：热转化处理。将烟气与富氧空气混合气经进气管给入炉体，在热解温度500℃、富氧空气流量0.6L/min的条件下处理。
S2：废水生物处理。处理烟气的废水送入固定化生物反应处理系统，在浅层曝气和固定化深海微生物源高效活性菌群的协同作用下，实现回用。
热解产物TOC含量未检出。
本发明中“％”未作说明时，其为质量百分比含量。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种采用可控气氛复合动态热解装置无害化处理废物料的方法，所述无害化处理废物料的方法包括以下步骤：
1）预处理：
废物料经破碎筛分、过滤除杂得到进炉物料；
2）热转化处理：
进炉物料通过进料管（4）给入加热器（2）的下部；在降落过程中以及在物料层被搅拌器（3）搅拌过程中，进炉物料被加热，同时在进气管（6）通入保护气和/或反应气；在搅拌、气力联合作用下，进行热解反应，热解温度为200~1200℃；热解产生的烟气由排气口（7）排出，进行烟气喷淋处理或由回气口（8）再次进入炉内进行反应；热解反应剩余渣由卸料口（5）排出；剩余渣经过滤、结晶干燥得到回收产品；
3）烟气喷淋处理：
热解产生的烟气经喷淋处理后，处理达标的气体直接排放，未达标的气体经回气口（8）返回炉体中循环处理直至达标；喷淋处理产生的废水进行固定化生物反应处理；
4）固定化生物反应处理：
废水在深海微生物的作用下进行生物净化，达标后回用或排放；所述深海微生物分离自西太平洋深海热液沉积物，培养液菌体浓度为109~1012个/mL；
所述可控气氛复合动态热解装置包括炉体（1）、加热器（2）、搅拌器（3）、进料管（4）、卸料口（5）、进气管（6）、排气口（7）、回气口（8）和弹性伸缩刮板（10）；
所述炉体（1）的下部设置搅拌器（3），搅拌器（3）的轴连接弹性伸缩刮板（10），弹性伸缩刮板（10）在随搅拌器（3）转动时，可将炉体（1）内壁上粘附的物料去除；
所述炉体（1）的中部设置进气管（6），进气管（6）连接布气管，布气管上设置若干布气风帽；
所述炉体（1）的上部设置加热器（2），同时设置进料管（4），进料管（4）的出料口设置在加热器（2）的下部；
所述炉体（1）上还设置排气口（7）、回气口（8）和卸料口（5）；排气口（7）设置在炉体（1）的上部，回气口（8）设置在炉体（1）的中部。
2.根据权利要求1所述的无害化处理废物料的方法，其特征在于，所述废物料包括矿石、矸石、粉煤灰、工业副产盐、污泥、垃圾焚烧飞灰中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的无害化处理废物料的方法，其特征在于，所述搅拌器（3）由上下两层搅拌叶片组成。
4.根据权利要求1所述的无害化处理废物料的方法，其特征在于，所述加热器（2）包括若干热管，热管设置在物料层之上。
5.根据权利要求1所述的无害化处理废物料的方法，其特征在于，所述弹性伸缩刮板（10）包括伸缩杆和内壁刮板，内壁刮板贴合于炉体（1）的内壁上，伸缩杆连接内壁刮板和搅拌器的轴。
6.根据权利要求1所述的无害化处理废物料的方法，其特征在于，所述热解装置还包括支撑架（11）和检修孔（9），支撑架（11）设置在炉体（1）的底部，检修孔（9）设置在炉体上。
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