CN113860302A - 一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大件垃圾类废木自热式热解‑活化制备活性炭的工艺及系统，首先将大件垃圾类废木破碎，随后进行干燥，干燥颗粒给入热解炉，热解炉采用间接加热式回转窑，热解产品分为两路：气态的热解挥发分给入气体燃烧器，燃烧产生的热烟气通过小型蒸发器产生水蒸气后一路给入活化炉，一路给入热解炉；固态的热解焦给入活化炉，由水蒸气和空气耦合活化产生活性炭，活化后的尾气作为热解挥发分燃烧器再燃脱硝的燃料，其在燃烧器后段给入通过构筑还原性气氛实现NOx的还原，达到低氮燃烧的目的。整个工艺路线可实现能量平衡，无需外供热源，并且耦合活化过程与热解挥发分燃烧过程，实现绿色低氮燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及大件垃圾类废木处理技术领域，特别是一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺及系统。
背景技术
在我国，随着房地产与家装行业的蓬勃发展，出现了大量的废木材，每年产生废木材超过9000万吨。其中，大件垃圾类废木是人类日常生活和生产中产生的大型固体废弃物，也是城市木质固体废物的主要组成部分。尤其是家装行业产生的大件垃圾类废木，其中含有大量的三聚氰胺和脲醛树脂等成分，直接燃烧过程中会产生大量的含氮污染物。
近年来，废弃物质的处理问题日益受到国家重视，将废弃物质堆埋或焚烧的处理方法已经不适宜我国的国情。同时，传统活性炭制备材料日益短缺，优质木材价格高昂问题也日益突出。
发明内容
针对上述情况，为弥补现有技术所存在的不足，本发明提供一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺及系统。
本发明解决问题的技术方案如下：
为了解决上述大件垃圾类废木处理的技术问题，本发明开发出一种高效化、环保化处理处置大件垃圾类废木并制备活性炭的工艺方法，整个工艺路线可实现能量平衡，无需外供热源，并且耦合活化过程与热解挥发份燃烧过程，实现绿色低氮燃烧，不仅将大件垃圾类废木变为有用物质，同时生产活性炭的成本也降低，又可以减少环境污染。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，包括以下步骤：
步骤一、大件垃圾类废木破碎、干燥，得到干燥颗粒物料；
步骤二、将干燥颗粒物料给入热解炉，进行热解，热解得到气态热解挥发分和固态热解焦；
步骤三、将气态热解挥发分给入燃烧器，燃烧产生的热烟气部分给入活化炉，其余经蒸汽发生器后返回热解炉；固态热解焦给入活化炉，在活化炉内进行活化生成活性炭，活化后的尾气返回燃烧器。
在本发明的一些实施方式中，所述破碎为将大件垃圾类废木破碎成适于给入热解炉的颗粒。
在本发明的一些实施方式中，所述热解温度为550～650℃。
在本发明的一些实施方式中，所述燃烧器为旋流式分段低氮燃烧。
在本发明的一些实施方式中，所述活化温度为825～875℃。
在本发明的一些实施方式中，所述活化时间为2h。
在本发明的一些实施方式中，所述活化过程中向活化炉通入水蒸气和助燃气体的混合物。
本发明第二方面提供一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，包括破碎机、干燥机、热解炉、燃烧器、蒸汽发生器、活化炉；
所述破碎机，设有颗粒物料出口，用于将大件垃圾类废木破碎成颗粒物料；
所述干燥机，设有颗粒物料进口和干燥颗粒物料出口，用于将破碎物料干燥；所述颗粒物料进口与所述破碎机的颗粒物料出口连通；
所述热解炉，设有干燥颗粒物料入口、烟气入口、热解挥发分出口和热解焦出口，用于将干燥颗粒物料热解；所述干燥颗粒物料入口与所述干燥机的干燥颗粒物料出口连通；
所述燃烧器，设有热解挥发分入口、活化尾气入口、第一烟气出口和第二烟气出口，用于实现热解挥发分低氮燃烧；所述热解挥发分入口与所述热解炉的热解挥发分出口连通；
所述蒸汽发生器，设有蒸汽发生器烟气入口、第一蒸汽出口和蒸汽发生器烟气出口，用于产生水蒸气；所述蒸汽发生器烟气入口与所述燃烧器的第二烟气出口连通；所述蒸汽发生器烟气出口与热解炉的烟气入口连通；
所述活化炉，设有热解焦入口、活化炉烟气入口、活化炉蒸汽入口、尾气出口和活性炭出口，用于对热解焦进行活化制备活性炭；所述热解焦入口与所述热解炉的热解焦出口连通；所述活化炉烟气入口与燃烧器的第一烟气出口连通；所述活化炉蒸汽入口与所述蒸汽发生器的第一蒸汽出口连通；所述尾气出口与所述热解器的活化尾气入口连通；所述活性炭出口用于排出制得的活性炭。
本发明的主要处理对象为大件垃圾类废木，首先对其进行破碎，随后干燥(热源为经过热解炉排出的热烟气)，得到干燥颗粒物料，然后给入热解炉进行热解，热解产品分为两路，一路气态的热解挥发分给入气体燃烧器，燃烧器采用旋流式分段低氮燃烧技术，降低NOx的排放，燃烧产生的热烟气通过小型蒸发器(产生一定量水蒸气)后一路给入活化炉(作为活化炉热源)，一路给入热解炉(作为热解炉热源)；固态的热解焦给入活化炉，活化后的尾气再次回到燃烧器作为热解挥发分燃烧器再燃脱硝的燃料，具有良好的环保和经济效益。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，适用于各类大件垃圾类废木的处理，由于采用自热式热解-活化，燃烧产生的热烟气通过蒸汽发生器产生一定量水蒸气后，一路给入活化炉，作为活化炉热源；一路给入热解炉，作为热解炉热源，无需外供热源，更加节能环保，并且耦合活化过程与热解挥发分燃烧过程均实现了绿色低氮燃烧。
2、本发明提供的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统控制简单，可实现能量平衡，运行成本低，将大件垃圾类废木制备成活性炭，得到的活性炭收益率大于17％(基于原料)，碘值大于900mg/g，BET比表面积大于550m2/g，不仅减少了环境污染，还产生了良好的经济效益，便于推广。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统示意图。
图2为家具类废木垃圾制备活性炭的N2脱吸附曲线(a)和孔径分布图(b)。
图3为园林废弃物类废木垃圾制备活性炭的N2脱吸附曲线(a)和孔径分布图(b)。
其中，1-破碎机；2-干燥机；3-热解炉；4-燃烧器；5-蒸汽发生器；6-活化炉；7-第一循环风机；8-第二循环风机；9-第三循环风机；10-第一鼓风机；11-第二鼓风机；101-颗粒物料出口；201-颗粒物料进口；202-干燥颗粒物料出口；301-干燥颗粒物料入口；302-烟气入口；303-热解挥发分出口；304-热解焦出口；401-热解挥发分入口；402-活化尾气入口；403-第一烟气出口；404-第二烟气出口；405-燃烧器助燃气体入口；501-蒸汽发生器烟气入口；503-第一蒸汽出口；504-蒸汽发生器烟气出口；505-加水口；601-热解焦入口；602-活化炉烟气入口；603-活化炉蒸汽入口；604-尾气出口；605-活性炭出口；606-活化炉助燃气体入口。
具体实施方式
下面详细说明本发明大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺及系统。
一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，包括如下步骤：
步骤一、大件垃圾类废木破碎、干燥，得到干燥颗粒物料；
步骤二、将干燥颗粒物料给入热解炉，进行热解，热解得到气态热解挥发分和固态热解焦；
步骤三、将气态热解挥发分给入燃烧器，燃烧产生的烟气部分给入活化炉，其余经蒸汽发生器后产生蒸汽，所产生的蒸汽一路给入活化炉，另一路返回热解炉；固态热解焦给入活化炉，在活化炉内进行活化生成活性炭，活化后的尾气返回燃烧器。
本发明的工艺可处理大件垃圾类废木，例如，家具类废木垃圾、园林废弃物类废木垃圾、建筑工地废木垃圾等其他工业、农业、林业及其生产过程中产生的废木类垃圾。在本发明中，所述破碎为将大件垃圾类废木破碎成适于给入热解炉的颗粒。在本发明的一些优选实施例中，所述颗粒的粒径范围为5～10cm。
在本发明的一些实施例中，所述干燥为将破碎后颗粒的含水率降低至10％以下。本发明的一些优选实施例中，所述干燥为采用干燥设备对颗粒进行干燥。
在本发明的一些实施例中，所述热解温度为550～650℃；在本发明的一些优选实施例中，所述热解温度的升温控制方式：先升温到300℃左右保持30min，再升温至550～650℃，能够提高热解焦收益率。在本发明的更优实施例中，所述热解温度为600℃。
在本发明的一些实施例中，所述燃烧采用旋流式分段低氮燃烧方式，从而降低NOx排放。
在本发明的一些实施例中，所述活化温度控制为825-875℃，时间为1～3h；本发明中活化的机理为：热解焦在活化炉内由水蒸气和空气耦合活化生成活性炭；活化炉的热源由烟气外热和活化过程补充氧气产生的自热两部分组成，即采用部分热烟气外热耦合补充空气自热的技术，实现整个工艺过程的能量平衡。
在本发明的一些实施例中，所述活化过程中向活化炉通入水蒸气和助燃气体的混合物，耦合活化热解焦生成活性炭。在本发明的优选实施例中，所述水蒸气和助燃气体的混合物为水蒸气与空气的体积比3～5∶1，更优选为4:1，促进耦合活化，提高活性炭收益率。
在本发明中，活化后的尾气返回燃烧器，活化后的尾气主要成分为CO和H2，能够作为热解挥发分再燃脱硝的燃料，通过在燃烧器后段给入能够构筑还原性气氛实现NOx的还原，达到低氮燃烧的目的。
一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，如图1所示，包括破碎机1、干燥机2、热解炉3、燃烧器4、蒸汽发生器5、活化炉6；
所述破碎机1，设有颗粒物料出口101，用于将大件垃圾类废木破碎成颗粒物料；
所述干燥机2，设有颗粒物料进口201和干燥颗粒物料出口202，用于将破碎物料干燥；所述颗粒物料进口201与所述破碎机1的颗粒物料出口101连通；
所述热解炉3，设有干燥颗粒物料入口301、蒸汽入口302、热解挥发分出口303和热解焦出口304，用于将干燥颗粒物料热解；所述干燥颗粒物料入口301与所述干燥机2的干燥颗粒物料出口202连通；
所述燃烧器4，设有热解挥发分入口401、活化尾气入口402、第一烟气出口403和第二烟气出口404，用于实现热解挥发分低氮燃烧，产生高温烟气；所述热解挥发分入口401与所述热解炉3的热解挥发分出口303连通；
所述蒸汽发生器5，设有蒸汽发生器烟气入口501、第一蒸汽出口503和蒸汽发生器烟气出口504，用于产生水蒸气；所述蒸汽发生器烟气入口501与所述燃烧器4的第二烟气出口404连通；所述蒸汽发生器烟气出口504与热解炉3的烟气入口302连通；图1中所示蒸汽发生器烟气入口501位于蒸汽发生器的最左侧通道，燃烧器4的第二烟气出口404位于燃烧器的最右侧，两侧通过法兰连接；所述蒸汽发生器烟气出口504与热解炉的烟气入口302连通；
所述活化炉6，设有热解焦入口601、活化炉烟气入口602、活化炉蒸汽入口603、尾气出口604和活性炭出口605，用于对热解焦进行活化制备活性炭；所述热解焦入口601与所述热解炉3的热解焦出口304连通；所述活化炉烟气入口602与燃烧器4的第一烟气出口403连通；所述活化炉蒸汽入口603与所述蒸汽发生器5的第一蒸汽出口503连通；所述尾气出口604与所述热解器4的活化尾气入口402连通；所述活性炭出口605用于排出制得的活性炭。
在本发明的一些实施例中，所述干燥机2上还设有干燥机热烟气入口203和烟气排空口204；所述热解炉3上还设有热解炉烟气出口305，所述热解炉烟气出口305经第一循环风机7与干燥机2的干燥机热烟气入口203连通，所述第一循环风机7为热解炉排出的热烟气提供动力，使得热解炉排出的热烟气可以作为干燥机的热源，无需外供热源，更加环保节能。
在本发明的一些实施例中，所述燃烧器4上还设有燃烧器助燃气体入口405，所述燃烧器助燃气体入口405连接第一鼓风机10或第一氧气罐，为燃烧器内燃烧提供所需空气或氧气。
在本发明的一些实施例中，所述蒸汽发生器5上还设有加水口505，所述加水口连有外接水泵，并与所述水泵的出水口连接，能够使得燃烧器产生的烟气进入蒸汽发生器内与水换热产生蒸汽，为活化炉提供热源。
在本发明的一些实施例中，所述活化炉6上还设有活化炉助燃气体入口606，所述活化炉助燃气体入口605连接第二鼓风机11或第二氧气罐，为活化炉内活化提供所需空气或氧气。
在本发明的一些实施例中，所述蒸汽发生器5的蒸汽发生器烟气出口504与所述热解炉3的烟气入口302连通管路上设有第二循环风机8，为烟气提供动力。
在本发明的一些实施例中，所述活化炉6的尾气出口604与所述燃烧器4的活化尾气入口402连通管路上设有第三循环风机9，为活化尾气提供动力。
本发明对破碎机的类型不作限制，能够将大件垃圾类废木破碎成符合粒径要求的颗粒即可，例如，木材削片机等。
在本发明的一些优选实施例中，所述干燥机2选用滚筒式干燥机。
在本发明的一些优选实施例中，所述热解炉3选用间接加热两段式回转窑；系统运行过程中，间接加热两段式回转窑的外隔套为高温烟气通道，内隔套为热解腔，通过调整转速分段加热。
在本发明的一些优选实施例中，所述燃烧器4采用旋流式分段低氮燃烧器，能够降低NOx排放。
本发明中，活化炉6的热源一部分来自燃烧器4产生的烟气经蒸汽发生器5得到的水蒸气，另一部分来自活化过程中第二鼓风机11补充空气或第二氧气罐补充氧气产生的自热，使得固态热解焦与水蒸气和空气耦合活化产生活性炭。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1：采用家具类废木垃圾热解-活化自热式制备活性炭
本实施例以收集的家具类废木垃圾(成分主要为颗粒板)为原料，原料含氮量达到3.2％，原料经过木材削片机1将原料破碎至5-10cm，随后经过干燥机2干燥到含水率为5-10％，经给料机给入间接加热式回转窑3热解，热解温度设置为580-620℃，挥发分相直接进入旋流式分段低氮燃烧器4燃烧，热解焦收益率为27.5％，将得到的热解焦送入活化炉6内活化，水蒸气和空气的混合物分别给入活化炉6，水蒸气和空气的比例设置为4∶1，活化温度设置为825-875℃，活化时间保持为2h，活化后的尾气作为热解挥发分燃烧器再燃脱硝的燃料，其在燃烧器后段给入分段低氮燃烧器4火焰段的后端，流量通过阀门调节，达到低氮燃烧的目的，通过低氮燃烧设置，测量尾气中NOx含量为890mg/m3。得到的活性炭收益率为17.1％(基于原料)，碘值为1100mg/g，BET比表面积为813m2/g，其N2脱吸附曲线和孔径分布如图2所示。
实施例2：采用田园废弃物类废木垃圾热解-活化自热式制备活性炭
本实施例以园林废弃物为原料，原料含氮量达到0.3％，原料经过破碎机1破碎至5-10cm，随后经过干燥机2干燥到含水率为5-10％，经给料机给入间接加热式回转窑3热解，热解温度设置为600-620℃，挥发分相直接进入旋流式分段低氮燃烧器4燃烧，热解焦收益率为25.6％，将得到的热解焦送入活化炉6内活化，水蒸气和空气的混合物分别给入活化炉6，水蒸气和空气的比例设置为4:1，活化温度设置为850-870℃，活化时间保持为2h，活化后的尾气作为热解挥发分燃烧器再燃脱硝的燃料，其在燃烧器后段给入分段低氮燃烧器4火焰段的后端，流量通过阀门调节，达到低氮燃烧的目的，通过低氮燃烧设置，测量尾气中NOx含量为100mg/m3。得到的活性炭收益率为18.4％(基于原料)，碘值为930mg/g，BET比表面积为560m2/g，其N2脱吸附曲线和孔径分布如图3所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、大件垃圾类废木破碎、干燥，得到干燥颗粒物料；
步骤二、将干燥颗粒物料给入热解炉，进行热解，热解得到气态热解挥发分和固态热解焦；
步骤三、将气态热解挥发分给入燃烧器，燃烧产生的热烟气部分给入活化炉，其余经蒸汽发生器后返回热解炉；固态热解焦给入活化炉，在活化炉内进行活化生成活性炭，活化炉的活化尾气返回燃烧器。
2.如权利要求1所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)所述破碎为将大件垃圾类废木破碎成适于给入热解炉的颗粒；
2)所述干燥为将破碎后颗粒的含水率降低至10％以下；
3)所述热解温度为550～650℃；
4)所述燃烧为旋流式分段低氮燃烧；
5)所述活化温度为825～875℃；
6)所述活化时间为1～3h；
7)所述活化过程中向活化炉通入水蒸气和助燃气体的混合物。
3.如权利要求2所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的工艺，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
i.特征1)中，所述颗粒的粒径范围为5～10cm；
ii.特征3)中，所述热解温度的升温控制方式：先升温到300℃左右保持30min，再升温至550～650℃；
iii.特征4)中，所述活化尾气在燃烧器后段给入；
iv.特征7)中，所述水蒸气和助燃气体的混合物为水蒸气与空气的体积比3～5:1。
4.一种大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，包括破碎机(1)、干燥机(2)、热解炉(3)、燃烧器(4)、蒸汽发生器(5)、活化炉(6)；
所述破碎机(1)，设有颗粒物料出口(101)，用于将大件垃圾类废木破碎成颗粒物料；
所述干燥机(2)，设有颗粒物料进口(201)和干燥颗粒物料出口(202)，用于将破碎物料干燥；所述颗粒物料进口(201)与所述破碎机(1)的颗粒物料出口(101)连通；
所述热解炉(3)，设有干燥颗粒物料入口(301)、烟气入口(302)、热解挥发分出口(303)和热解焦出口(304)，用于将干燥颗粒物料热解；所述干燥颗粒物料入口(301)与所述干燥机(2)的干燥颗粒物料出口(202)连通；
所述燃烧器(4)，设有热解挥发分入口(401)、活化尾气入口(402)、第一烟气出口(403)和第二烟气出口(404)，用于实现热解挥发分低氮燃烧；所述热解挥发分入口(401)与所述热解炉(3)的热解挥发分出口(303)连通；
所述蒸汽发生器(5)，设有蒸汽发生器烟气入口(501)、蒸汽出口(503)和蒸汽发生器烟气出口(504)，用于产生水蒸气；所述蒸汽发生器烟气入口(501)与所述燃烧器(4)的第二烟气出口(404)连通；所述蒸汽发生器烟气出口(504)与热解炉(3)的烟气入口(302)连通；
所述活化炉(6)，设有热解焦入口(601)、活化炉烟气入口(602)、活化炉蒸汽入口(603)、尾气出口(604)和活性炭出口(605)，用于对热解焦进行活化制备活性炭；所述热解焦入口(601)与所述热解炉(3)的热解焦出口(304)连通；所述活化炉烟气入口(602)与燃烧器(4)的第一烟气出口(403)连通；所述活化炉蒸汽入口(603)与所述蒸汽发生器(5)的第一蒸汽出口(503)连通；所述尾气出口(604)与所述热解器(4)的活化尾气入口(402)连通；所述活性炭出口(605)用于排出制得的活性炭。
5.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，所述干燥机(2)上还设有干燥机热烟气入口(203)和烟气排空口(204)；所述热解炉(3)上还设有热解炉烟气出口(305)，所述热解炉烟气出口(305)经第一循环风机(7)与干燥机(2)的干燥机热烟气入口(203)连通。
6.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
(1)所述燃烧器(4)上还设有燃烧器助燃气体入口(405)，所述燃烧器助燃气体入口(405)连接第一鼓风机(10)或第一氧气罐；
(2)所述蒸汽发生器(5)上还设有加水口(505)，所述加水口连有外接水泵，并与所述水泵的出水口连接；
(3)所述活化炉(6)上还设有活化炉助燃气体入口(606)，所述活化炉助燃气体入口(606)连接第二鼓风机(11)或第二氧气罐。
7.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，还包括如下技术特征中的至少一项：
(a)、所述蒸汽发生器(5)的蒸汽发生器烟气出口(504)与所述热解炉(3)的烟气入口(302)连通管路上设有第二循环风机(8)；
(b)、所述活化炉(6)的尾气出口(604)与所述燃烧器(4)的活化尾气入口(402)连通管路上设有第三循环风机(9)。
8.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，所述干燥机(2)选用滚筒式干燥机。
9.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，所述热解炉(3)选用间接加热两段式回转窑。
10.如权利要求4所述的大件垃圾类废木自热式热解-活化制备活性炭的系统，其特征在于，所述燃烧器(4)为旋流式分段低氮燃烧器。
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