CN117264644B - 一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺及装置，所述热转化包括烘焙和热解两种方式，所述有机固废热转化制备粉状提质燃料工艺包括热转化破碎步骤、振动热转化筛分步骤、流化热转化分选步骤、螺杆提升球磨热转化步骤。本发明能够实现对有机固废物料的边热转化、边破碎、边分离处理，热转化与破碎分离过程耦合协同，相互强化，可以显著提高有机固废热转化反应速率和转化效率，得到粉状热转化提质燃料，并且当有机固废中含有较多金属或非金属无机物时，还可同时回收得到包括金属和非金属无机物在内的多种分选产品，尤其是所得提质燃料具有粉状性态，适合用作粉料锅炉和/或气流床气化原料，具有突出的资源化高值化利用价值。

Description

一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺及装置

技术领域

本发明涉及有机固废热转化和资源化利用领域，具体的涉及一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺及装置。

背景技术

随着城镇化、工业化进程不断推进，近年来有机固体废弃物大量产生，主要包括：垃圾类物料，如城市有机固废、农村有机固废、陈腐垃圾；生物质类物料，如秸秆、稻草、果壳、果皮、木屑；污泥类物料，如市政污泥、印染污泥、油泥；有机聚合物类物料，如废塑料、废橡胶。有机固体废弃物的清洁处置成为人类社会可持续发展的巨大负担，因此高效的有机固废处理技术开发具有重要意义。

比较而言，垃圾类物料最难处理，原因在于垃圾成分复杂且因地域和来源不同而变化，其主要成分可能包括餐厨垃圾、纸张、塑料制品、玻璃制品、金属等多种组分。目前，有机固废主要通过填埋、厌氧发酵、焚烧等方式进行处理（如中国专利CN219036642U、CN102897972A），然而，可供填埋的土地资源有限，厌氧发酵周期长、效率低，直接焚烧则会对环境造成二次污染及产生大量温室气体。近年来，由于能源的巨大需求，包括气化、烘焙、热解和水热碳化在内的热化学转化与高值化利用技术受到广泛关注。

生活垃圾类有机固废的含水率高、均一性差及能量密度低等缺点使其并不适合进行直接焚烧或直接气化，通常需对原生垃圾进行干燥、破碎等预处理之后方可进行焚烧或气化处置。市政污泥类有机固废，同样存在水含量高和热值低的问题。废塑料、废橡胶等有机聚合物类固体废弃物的含水率较低，热值较高，但质地较软，难以破碎。生物质类物料的水分含量、热值、灰分含量和可破碎性基本处于中等状况。不同类别有机固废的物性差异较大，应用过程中，或存在热值较低问题或存在粘性较强问题，均可导致转化效率较低和利用效果较差，因此有必要对有机固废进行烘焙和/或热解处理，以提升有机固废的燃料性能。

烘焙和热解，是一种在惰性气氛下的燃料热转化提质技术，能够显著改善有机固废的燃料特性，如提高能量密度、可磨性及均一性等，并可在后续燃烧或气化反应中，有效改善燃料的燃烧稳定性，或提升气化反应的冷媒气效率（CGE）及合成气品质。

然而，现有烘焙及热解技术仍面临以下几方面主要问题。首先，与气化和燃烧相比，烘焙或热解处理的操作温度较低，导致物料表面升温较慢，而未破碎物料的体积较大，内部升温更慢，尤其是已经转化的表面产物附着于物料外侧，同时多孔的产物层结构导致表面产物的导热速率较低，进一步限制了热量向物料内部的传递，不利于物料的内部升温，导致热转化效果欠佳，生产效率较低，操作时间较长。第二，有机固废的组成和体积分布不均，某确定温度下，可能出现小颗粒易反应物料已经完全转化，而大体积难反应物料尚未充分反应的状况，导致烘焙或热解效率低下。

鉴于此，本发明提出一种能够边热转化、边破碎、边分离，即热转化与破碎分离过程耦合协同，相互强化的技术方案，可在热转化和破碎过程中快速剥离物料表面形成的多孔产物壳，将物料内部暴露于热转化温度中，显著提高有机固废热转化反应速率和转化效率，并可同时回收除热转化提质燃料之外的多种分选产品，尤其是所得提质燃料具有粉状性态，适合用作粉料锅炉和/或气流床气化原料，具有突出的资源化高值化利用价值。

发明内容

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

如无特殊说明，本发明中所述的含量均指质量含量；本发明中所述的操作温度均指固体物料从某一装置排出时的温度。

本发明首先提供一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，包括主线三单元，所述主线三单元指依次连通的热转化破碎单元、振动热转化筛分单元和流化热转化分选单元；所述主线三单元的每一单元均配设对应的气体热载体，为便于区分，将热转化破碎单元配设的气体热载体记为第一气体热载体、将振动热转化筛分单元配设的气体热载体记为第二气体热载体，将流化热转化分选单元配设的气体热载体记为第三气体热载体；所述第一、二、三气体热载体分别用于对经过所述主线三单元的有机固废物料进行热转化处理和/或夹带出从所述有机固废物料表面剥离的燃料颗粒；还包括气固分离单元，其用于接受从所述主线三单元中排出的夹带有燃料颗粒的气体热载体，并使所述燃料颗粒从所述气体热载体中分离。还包括球磨热转化单元。

优选的，自所述主线三单元的每一单元排出的夹带燃料颗粒的气体热载体分别连通至一个独立的气固分离单元；各气固分离单元的颗粒物出口共同连通于一螺旋球磨热转化单元；所述螺旋球磨热转化单元配设有第四气体热载体。

所述热转化破碎单元用于对有机固废物料进行边破碎边热转化处理，其中，所述热转化处理至少包括使第一气体热载体从待破碎的有机固废物料表面顺流流过。所述破碎处理借助设在热转化破碎单元内的破碎部对通过所述热转化破碎单元的待破碎有机固废物料进行剪切和/或锤击来实现。

所述振动热转化筛分单元与热转化破碎单元的物料出口连通，其用于对破碎后物料进行初步筛选，并在筛选过程中继续热转化进程。具体的，所述热转化筛分单元包括上下设置的两层倾斜筛板和一倾斜的底板，且三者的最低一侧分别设有物料排出通道；其中，上层筛板截留的物料返回热转化破碎单元继续执行边热转化、边破碎处理；下层筛板拦截的物料送球磨热转化单元或流化热转化单元。底板承接的物料通过气体输送机构输送至气固分离装置。

所述流化热转化分选单元包括流化床，其与振动筛分热转化装置的下层筛板出口连通，用于对该部分物料进行流化热转化分选处理；通过从流化床的布风板通入第三气体热载体作为流化气体，并结合机械振动促进颗粒物流化，从而实现对颗粒物的流化热转化分选处理；其中，细小的燃料颗粒随流化气进入气固分离单元；无机颗粒作为沸腾床料从流化床的溢流口排出；金属及部分大颗粒无法流化并作为底渣汇集在流化床底部，然后在机械振动作用下沿流化床底部的斜板进入螺杆气流双向输送机构，在所述螺杆气流双向输送机构中引入另一股第三气体热载体对颗粒物进行吹扫，密度较小的燃料颗粒被吹起并沿返料路径返回流化床内，密度较大的金属则滞留在螺杆气流双向输送机构内，并被螺杆输送排出，从而在热转化的同时实现对燃料颗粒、无机颗粒和金属颗粒的分选。

所述球磨热转化单元与各气固分离单元的颗粒物出口及振动筛分热转化单元的下层筛板出料口连通，用于对输入的颗粒物进行球磨热转化处理并制得粉末状提质燃料。

本发明还提供一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺，所述工艺依托于上文所述的装置执行。具体的所述工艺包括依次或断续执行的热转化破碎步骤、振动热转化筛分步骤、流化热转化分选步骤；还包括球磨热转化步骤，其中：

所述热转化破碎步骤的操作温度为180-550℃，通过向待破碎物料提供第一气体热载体对待破碎物料进行边破碎、边热转化处理；所述第一气体热载体至少包括从待破碎物料表面顺流流过的吹扫气；所述吹扫气向待破碎物料提供热转化所需热量，并夹带走挥发和热分解产生的水分及从有机固废表面剥落的细小的燃料颗粒；破碎所得的大颗粒固相物料通过物料出口送入振动热转化筛分单元。

所述振动热转化筛分步骤的操作温度为180-550℃，该处的操作温度通过向筛分热转化反应器的壳体夹层内通入第二气体热载体以使筛分反应器内部维持在上述操作温度区间内。

来自于热转化破碎单元的固体物料首先进入上层大孔筛板并在机械振动和重力作用下向下移动，下移过程中不断发生热转化反应，表面产物在机械振动和颗粒摩擦作用下不断剥落，产生粉状热转化提质燃料，较小颗粒落入下层小孔振动筛板，更小粒径的粉状物料落入反应器底部并被底板承接。

其中，上层产物返回热转化破碎单元；底板物料经气流输送机构送入气固分离单元；下层筛板物料进入下游流化热转化分选单元（以垃圾为原料时）或球磨热转化单元（其他有机固废）。

所述流化热转化分选步骤的操作温度为300-600℃，用于对振动热转化筛分所得物料进行流化热转化分选处理。

本发明中所述有机固废包括：垃圾类物料，如城市有机固废、农村有机固废、陈腐垃圾；生物质类物所述流化热转化分选步骤的操作温度为300-600℃，用于对振动热转化筛分所得物料进行流化热转化分选处理。

料，如秸秆、稻草、果壳、果皮、木屑；污泥类物料，如市政污泥、印染污泥、油泥；有机聚合物类物料，如废塑料、废橡胶。

优选的，所述有机固废，当以生物质、污泥、有机聚合物为处理对象时，物料依次通过热转化破碎单元、振动热转化筛分单元和球磨热转化单元进行处理；而当以垃圾为处理对象时，物料依次通过热转化破碎单元、振动热转化筛分单元、流化热转化分选单元和球磨热转化单元进行处理，其中流化热转化分选单元主要用于金属和非金属无机物的分选回收。

为节约篇幅，上述各单元的具体结构、运作方式及各操作步骤的具体细节将在具体实施方式部分阐述，此处不作具体说明。

相比于现有技术，本发明至少能够取得如下有益效果：采用热转化破碎单元实现对有机固废的边破碎、边热转化处理，其中热转化过程可以迅速在破碎形成的新断面处形成脆性产物壳，降低物料黏性，同时，破碎过程则可以持续的击碎物料表面的产物壳，使有机固废物料的内部暴露于热转化氛围下，破除物料表面的产物壳对热量向物料内部传递的阻碍；也即，在本发明的热转化破碎步骤中，热转化过程和破碎过程可以相互促进，且客观上实现了更良好的热转化和破碎效果，并且可以使干燥及热转化物料不经降温而直接进行破碎，大幅减少了热量损失；采用同轴反向旋转的破碎部实现了对物料的高效破碎，能够有效避免因破碎不足导致大块物料进入流化床内，进而堵塞流化气通道的技术问题；通过对流化条件的合理调控，可以实现对物料颗粒中夹杂的金属块体和非金属无机物的流化筛选。

附图说明

图1为本发明工艺的流程示意图；

图2为热转化破碎装置示意图；

图3为破碎部与通过固定盘与短轴固定连接的示意图；

图4为破碎部通过行星齿轮组与短轴驱动连接的示意图；

图5为筛分热转化反应器示意图；

图6为流化床示意图；

图7为球磨热转化单元示意图；

图8为图7中的A-A视图；

图9为图7的俯视图；

图10为螺杆示意图。

图中，1为热转化破碎单元，2为破碎筒，3为外筒体，4为保温层，5为物料进口，6为物料出口，7为吹扫气进口，8为吹扫气出口，9为电机，10为滚筒齿轮，11为支腿，12为短轴，13为换向锥齿轮组，14为剪切刀组，15为旋转锤组，16为链球组，17为固定盘，18为中心齿轮，19为传动齿轮，20为齿圈，21为筛分热转化反应器，22为热转化内腔，23为夹层，24为上层筛板，25为下层筛板，26为底板，27为上层筛分出料口，28为下层筛分出料口，29为底板筛分出料口，30为振动组件，31为筛分进料口，32为第二气体热载体进口，33为第二气体热载体出口33，34为流化床，35为布风板，36为斜板，37为流化床进料口，38为流化气出口，39为溢流口，40为隔板，41为返料路径，42为螺杆气流双向输送机构，43为研磨箱体，44为中空壁，45为提升螺杆，46为蓄热研磨球，47为螺旋进料器，48为溢流出口，49为第四气体热载体进口，50为第四气体热载体出口，51为蜗杆，52为齿轮，53为内、外双层气体夹套，54为产物气出口，55为旋转接头进气口，56为旋转接头出气口，57为双通道旋转接头，58为输送气进口，59为阀门。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，如图1所示，包括依次连通的热转化破碎单元1、振动热转化筛分单元和流化热转化分选单元；所述热转化破碎单元配设有第一气体热载体，所述振动热转化筛分单元配设有第二气体热载体，所述流化热转化分选单元配设有第三气体热载体；还包括气固分离单元，其用于接受从所述主线三单元中排出的夹带有燃料颗粒的气体热载体，并使所述燃料颗粒从所述气体热载体中分离。

所述气固分离单元的颗粒物出口连通于球磨热转化单元；所述球磨热转化单元配设有第四气体热载体。

如图2-4所示，所述热转化破碎单元1包括外筒体3和破碎筒2，所述外筒体3底部通过支腿10支撑固定；所述破碎筒2可转动的套设在外筒体3中，且所述破碎筒2的左右两端超出外筒体3并与所述外筒体3转动密封，所述内、外筒体之间形成加热夹套。所述第一气体热载体被分为两股，其中一股作为单纯的加热气体进入加热夹套对破碎筒2的筒壁进行加热；另一股作为吹扫气被通入破碎筒2的内腔，并从待破碎物料表面顺流流过。所述外筒体3的外侧设有保温层4。

所述破碎筒2超出外筒体3的两端底部分别设有一对托轮，所述托轮用于对破碎筒2进行滚动支撑；所述破碎筒2的一端的外表面还设置有滚筒齿轮10，所述滚筒齿轮10与驱动装置配合以驱动破碎筒2转动。

所述破碎筒2的两端分别设置有进料端帽和出料端帽，所述进料端帽和出料端帽均与破碎筒2转动密封，且不跟随破碎筒2转动。其中，所述进料端帽上设置有物料进口5，其用于向破碎筒2中引入有机固废，还设置有吹扫气进口7；所述出料端帽的底部设有物料出口6，其用于排出经热转化破碎处理后的物料，所述出料端帽的顶部设有吹扫气出口8；所述吹扫气出口8连接气固分离装置。

所述破碎筒2内部设有破碎组件，所述破碎组件包括双向转轴及设置在所述双向转轴上的破碎部，所述破碎部包括剪切刀组14和/或旋转锤组15和/或链球组16。其中，所述双向转轴由多段短轴12及换向锥齿轮组13组成，所述换向锥齿轮组13通过依次啮合的三个锥齿轮使得相邻两根短轴12反向旋转；各短轴12上分别设置有破碎部，从而使得相邻短轴12上的破碎部反向旋转。至少一根短轴12的一端伸出破碎筒2的进料端帽或出料端帽并与动力部件驱动连接。

为进一步提高破碎效果，本发明的每一根短轴12上均设置有多个破碎部，且同一根短轴12上的多个破碎部具有两种相反的旋转方向。具体的，在同一根短轴12上的多个破碎部中的一部分通过固定套接在该短轴12上的固定盘17或直接与该短轴12固定连接，从而具有与该转轴相同的第一旋转方向；剩余的破碎部则通过行星齿轮组件与该短轴12旋转连接，从而具有与该短轴12相反的第二旋转方向。所述的行星齿轮组件包括与该短轴12固定套接的中心齿轮18、与所述中心齿轮18啮合的传动齿轮19、与所述传动齿轮19啮合的齿圈20及用于固定和/或支撑所述中心齿轮18、传动齿轮19及齿圈20的框架（图中未示出）；所述剩余的破碎部固定在所述齿圈20的外周壁，因而具有与该短轴12相反的第二旋转方向。

优选的，同一根短轴12上具有相反旋转方向的破碎部相互间隔设置。

所述破碎筒2倾斜设置以利用物料自身重力将待破碎物料向物料出口6处输送。或者，所述破碎筒2内设有输送部件。所述输送部件可以是两端分别固定在进出料帽罩内，且位于破碎筒2下部的输送带；或者所述输送部件可以是固定在所述破碎筒2内壁面上的螺旋叶片，当所述破碎筒2旋转时，所述螺旋叶片推动物料向物料出口6移动。

如图5所示，所述振动热转化筛分单元包括底部设有若干振动组件30的筛分热转化反应器21，所述筛分热转化反应器21包括热转化内腔22、包裹所述热转化内腔22的夹层23和倾斜设在所述热转化内腔22中的上层筛板24、下层筛板25，所述热转化内腔22具有倾斜的底板26；所述夹层23上相对的两侧分别设置有第二气体热载体进口32和第二气体热载体出口33。所述上层筛板24的孔径大于下层筛板25从而对物料进行梯度筛分；所述热转化内腔22顶部对应于上层筛板24较高一侧的位置设有连通物料出口6的筛分进料口31；所述上层筛板24、下层筛板25和底板26在其较低一侧分别连通有上层筛分出料口27、下层筛分出料口28和底板筛分出料口29；各筛分出料口并排放置，并分别连接一倒梯形罐体，所述倒梯形罐体的缩口处设有阀门，分别用于导出上层筛板24、下层筛板25和底板26表面的固体物料；其中底板筛分出料口29的倒梯形罐体上，在阀门59外侧设有输送气入口58，所述输送气入口58连通第二气体热载体，以引入第二气体热载体作为输送气，将底板26排出的细小颗粒吹入气固分离单元；上层和下层筛板的筛分出料口的倒梯形罐体阀门外侧设有螺旋输送机。其中，所述上层筛分出料口27连通于热转化破碎装置的物料进口5；下层筛分出料口28通过两根带阀管道分别连通于流化床进料口37和球磨热转化单元螺旋进料器47。

优选的，上、下层筛板均采用方形筛孔，所述上层筛板24的方孔尺寸为5mm*5mm，下层筛板25的方孔尺寸为1mm*1mm，底板26为表面完整无孔的光滑金属板。

优选的，上、下层筛板和底板26与水平面均呈5~10°夹角。

优选的，所述振动热转化筛分装置的水平截面为长方形，其长宽比均为5:1~10:1；所述振动组件30可采用本领域常规的振动形式，例如由布置在筛分装置底部的多个弹簧支腿和对称布置的多个偏心轮电机组成。

如图6所示，所述流化热转化分选单元包括流化床34，其具有由横纵交叉的气体管路排列而成的格栅状布风板35，且所述布风板35水平放置；所述气体管路的交叉点处设有风帽，经由所述布风板35向流化床34内通入第三气体热载体以用作流化气；所述交叉的气体管路构成的间隙尺寸为15~20mm。

优选的，所述布风板35下部空间的底面为与所述流化床34主体固定连接的斜板36，所述斜板36与水平面夹角为5~10°，通过布置于流化床34四个底角的振动组件30对流化床34施加振动作用。

在所述斜板36最低位置一侧设置有与所述斜板36上表面物料连通的螺杆气流双向输送机构42；所述螺杆气流双向输送机构42上方设有隔板40，所述隔板40在流化床34内构建出连通其气相空间上部的返料路径41；所述隔板40的底部与斜板36之间留有间隙，该间隙形成底料进入螺杆气流双向输送机构42的通道。

所述螺杆气流双向输送机构42，包括一个水平输送螺杆，其下部设有沿所述输送螺杆轴向布置的气体分布器，所述气体分布器接入第三气体热载体作为反吹气，将螺杆内的轻小物料吹离螺杆并经前述返料路径41返回流化床34上部空间，螺杆气流双向输送机构42内的较大较重物料在螺杆推送作用下从其一端排出。

流化床进料口37与振动热转化筛分单元的下层筛分出料口28连通；所述流化床34的中上部设置有溢流口39，顶部设有流化气出口38。

优选的，所述流化床34的水平截面为长方形，长宽比为8:1~12:1，其中，所述溢流口39设在沿流化床34长度方向上的中间部位。

如图7-10所示，所述球磨热转化单元包括具有中空壁44的研磨箱体43，所述研磨箱体43的内腔为提质制粉区，且设有至少一个提升螺杆45并装填有级配的蓄热研磨球46；所述中空壁44的底部设有第四气体热载体进口49，上部设有第四气体热载体出口50；所述研磨箱体43的一侧底部连接有螺旋进料器47；在所述研磨箱体43与螺旋进料器47相对的另一侧上部设有溢流出口48；所述研磨箱体43的上部设有用于驱动所述提升螺杆45旋转的动力组件；所述动力组件包括电机9、减速机、与所述减速机连接的蜗杆51、及设在所述提升螺杆45顶部并与所述蜗杆51配合的齿轮52。

所述提升螺杆45为双层空心结构，形成内、外双层气体夹套53，在提升螺杆45的底部安转双通道旋转接头57，旋转接头进气口55与外层气体夹套的下端相连；旋转接头出气口56与内层气体夹套的下端相连；旋转接头进气口55与第四气体热载体连接，第四气体热载体在螺杆内先沿外层气体夹套上行，到顶后再沿内层夹套下行排出。

每个提升螺杆45外壁均包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片。

所述研磨箱体43外壁设有保温材料，所述研磨箱体43还设有产物气出口54，所述产物气出口54还用作装球口。

所述蓄热研磨球为金属球，其级配直径为10mm、30mm、60mm，且各尺寸金属球的数量相同；

所述螺杆外缘直径范围为300~500mm；所述螺杆的螺距为螺杆外缘直径的0.5~0.7倍。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺，所述工艺依托于实施例1所述的装置执行。具体的所述工艺包括如下步骤：

S1、热转化破碎步骤，通过向加热夹套和吹扫气进口7供应第一气体热载体，将热转化破碎步骤的操作温度维持在180-550℃；其中吹扫气从待破碎物料表面顺流流过并从吹扫气出口8排出；所述吹扫气向待破碎物料提供热转化所需热量，并夹带走物料挥发和热分解产生的水分及从物料表面剥落的细小的燃料颗粒，燃料颗粒随吹扫气进入气固分离单元，分离所得固体物料送入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；在吹扫气氛围下，若干破碎部队待破碎物料进行破碎处理，破碎所得的大颗粒固相物料通过物料出口6送入振动热转化筛分单元。所述第一气体热载体包括热解气和/或气化气和/或氧气体积含量不超过1%的烟气。

S2、振动热转化筛分步骤，通过向夹层23内通入第二气体热载体以使筛分热转化反应器21的操作温度维持在180-550℃；在振动条件下，所述筛分热转化反应器21内的两层筛板对来自热转化破碎单元的固体物料进行热转化筛分处理，固体物料首先接触上层筛板24并在机械振动和重力作用下向下移动，下移过程中不断发生热转化反应，表面产物在机械振动和颗粒摩擦作用下不断剥落，产生粉状热转化提质燃料，同时大颗粒物料不断变小，移动过程中较小颗粒不断落入下层筛板25，下层筛板25上更小粒径的粉状物料落入反应器底部并被底板26承接，形成沿倾斜表面向下移动的上、中、下三股物流。

其中，上层筛板24的产物粒径最大，将其返回热转化破碎单元；底板26拦截的物料粒径最小，经气流输送机构送入气固分离单元；下层筛板25拦截的物料进入下游流化热转化分选单元（以垃圾为原料时）或球磨热转化单元（其他有机固废）。所述第二气体热载体包括热解气、气化气、氧气含量不超过1%的烟气。

S3、流化热转化分选步骤，通过向布风板35供应第三气体热载体将流化床34的操作温度维持在300-600℃，所述第三气体热载体同时还作为流化气体；下层筛板25排出的物料中的无机颗粒在所述流化床34内形成研磨床料，所述研磨床料的密度小于金属铝但大于细小有机质和细小燃料颗粒；通过调节所述第三气体热载体的供应量和气速，使得研磨床料在流化床34内呈沸腾流化状态，并通过机械振动改善不均匀颗粒的流化效果；粉状热转化提质燃料随流化气进入气相，并去往气固分离单元；所述气固分离单元所得固体物料送入球磨热转化单元；流化床34中的沸腾床料通过溢流口39排出系统，该部分物料中以玻璃渣和沙粒为主要组分的非金属无机物含量不低于95%（只针对垃圾物料）；流化床34中的重质组分及部分大颗粒有机质处于非流化状态并沉积于床底形成底料，所述底料在机械振动作用下进入螺杆气流双向输送机构42；底料中的轻质物料在所述螺杆气流双向输送机构42中被反吹回流化床34气相空间，其中未充分反应的大颗粒有机质再次沉降并与气体热载体和研磨床料充分接触，继续转化并不断破碎，得到粉状热转化提质燃料；所述底料中未被吹回流化床34的重质物料通过螺杆气流双向输送机构42排出系统，该部分底料的金属含量不低于90%（只针对垃圾物料）。

所述第三气体热载体包括热解气和/或气化气和/或氧气体积含量不超过0.5%的烟气。

S4、球磨热转化步骤，通过向中空壁44和提升螺杆45的空心结构供给第四气体热载体将球磨热转化步骤的操作温度维持在300-600℃，以对气固分离单元和/或振动热转化筛分单元所得提质燃料进行研磨热转化处理。待研磨物料通过螺旋进料器47进入球磨热转化单元；待研磨物料在螺杆、螺旋叶片及蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热作用下，进一步发生热转化反应，同时，螺杆转动带动蓄热研磨球和提质燃料自下而上、由内向外循环运动，待研磨物料在蓄热球和螺旋叶片的挤压、剪切和摩擦作用下，产物层不断剥落粉化，内部物料不断暴露、快速转化。研磨所得的小颗粒物料由出口48溢流而出，得到粉状提质燃料，大颗粒物料通过上下循环往复逐渐趋小，最终全部转化为粉状提质燃料。

球磨热转化单元的进料粒度不超过5mm。所得所述粉状提质燃料的粒度不超过0.09mm。

本发明中所述有机固废包括：垃圾类物料，如城市有机固废、农村有机固废、陈腐垃圾；生物质类物料，如秸秆、稻草、果壳、果皮、木屑；污泥类物料，如市政污泥、印染污泥、油泥；有机聚合物类物料，如废塑料、废橡胶。

优选的，所述有机固废，当以生物质、污泥、有机聚合物为处理对象时，物料依次通过热转化破碎单元、振动热转化筛分单元和球磨热转化单元进行处理，即三步骤工艺；而当以垃圾为处理对象时，物料依次通过热转化破碎单元、振动热转化筛分单元、流化热转化分选单元和球磨热转化单元进行处理，即四步骤工艺，其中流化热转化分选单元主要用于金属分选回收。所述三步骤工艺和四步骤工艺可以通过调整下层筛分出料口连通的两带阀管道的阀门通断来切换，当下层筛分出料口连通球磨热转化单元时，执行三步骤工艺，此时流化热转化分选单元闲置；当下层筛分出料口连通流化热转化分选单元时，执行四步骤工艺。

应用实例1

原料：原生生活垃圾，初始含水率53%，进料量2000kg/h，进料温度30℃。

工艺类型：四步骤工艺。

处理流程：将原料送入出料温度为230℃的热转化破碎装置，该装置采用的第一气体热载体为氧含量1%的热烟气，处理后气相物流进入气固分离装置，气固分离所得固体物料通入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；破碎所得大颗粒固相物料通过物料出口送入振动热转化筛分装置。来自于热转化破碎装置的固体物料进入出料温度为230℃的振动热转化筛分装置，经两层筛板的振动热转化筛分处理后，上层筛板24拦截的大粒径物料返回热转化破碎单元；粒径最小物料被底板26承接，并在气流输送机构中经第二气体热载体吹扫进入气固分离装置，所述第二气体热载体为氧气含量不超过1%的烟气，气固分离所得气相物流进入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；下层筛板25拦截的物料送入流化热转化分选单元。来自下层筛板25的固体物料进入出料温度为600℃的流化热转化分选装置，该装置采用的第三气体热载体（流化气）为氧含量0.5%的热烟气，处理后流化气夹带燃料颗粒进入气固分离装置，气固分离所得气相物流通入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；沸腾的流化床料从溢流口排出，收集待用；不流化的底渣通过流化床34底部螺杆气流双向输送机构排出，收集待用。将来自于热转化破碎、振动热转化筛分、流化热转化分选三单元对应的气固分离装置的固相物料，通入出料温度为600℃的球磨热转化装置，向提升螺杆内部和研磨箱体的中空壁内通入第四气体热载体，所述第四气体热载体为氧含量0.5%的热烟气，研磨箱体内的物料在螺杆、螺旋叶片、蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热和挤压作用下，进一步发生热转化反应和破碎粉化，所得粉状提质燃料由溢流出口排出，收集待用。

工艺效果：通过处理，累计制得粉状热转化提质燃料，相对于干基原料的总体质量收率为43%，粒径范围小于0.09mm，热值23.9MJ/kg；流化热转化分选装置回收所得不流化底渣质量收率为7%，粒径范围为1mm~5mm，其中金属含量为92%；流化热转化分选装置溢流口所得固体物料收率为17%，粒径范围为0.5mm~2mm，其中非金属无机物含量为95%。

应用实例2

原料：废塑料，初始含水率5%，进料量1100kg/h，进料温度30℃。

工艺类型：三步骤工艺。

处理流程：将原料送入出料温度为550℃的热转化破碎装置，该装置采用的第一气体热载体为提质燃料经热解转化所得热解气，处理后气相物流进入气固分离装置，气固分离所得固体物料通入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；大颗粒固相物料通过后端下部出料口送入振动热转化筛分装置。来自于热转化破碎装置的固体物料进入出料温度为550℃的振动热转化筛分装置，经两层筛板的振动热转化筛分处理后，其中上层筛板24拦截的大粒径物料返回热转化破碎单元；粒径最小物料被底板26承接后进入气流输送机构，在第二气体热载体的吹扫作用下进入气固分离装置，所述第二气体热载体为提质燃料经热解转化所得热解气，气固分离所得气相物流进入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；下层筛板25拦截的物料也一并通入球磨热转化装置。将来自于热转化破碎和振动热转化筛分单元气固分离装置的固相物料，以及振动热转化筛分单元的下层筛板25拦截的物料，通入出料温度为550℃的螺杆提升球磨热转化装置，向提升螺杆45内部和研磨箱体的中空壁44内通入第四气体热载体，所述第四气体热载体为提质燃料经热解转化所得热解气，反应器内物料在提升螺杆44、螺旋叶片、蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热和挤压作用下，进一步发生热转化反应和破碎粉化，所得粉状提质燃料由溢流出口48排出，收集待用。

工艺效果：通过处理，累计制得粉状热转化提质燃料，相对于干基原料的总体质量收率为52%，粒径范围小于0.07mm，热值31.5MJ/kg。

应用实例3

原料：市政污泥，初始含水率65%，进料量2200kg/h，进料温度30℃。

工艺类型：三步骤工艺。

处理流程：将原料送入出料温度为180℃的热转化破碎装置，该装置采用的第一气体热载体为氧含量1%的热烟气，处理后气相物流进入气固分离装置，气固分离所得固体物料通入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；大颗粒固相物料通过后端下部出料口送入振动热转化筛分装置。来自于热转化破碎装置的固体物料进入出料温度为300℃的振动热转化筛分装置，经两层筛板的振动热转化筛分处理后，其中上层大粒径物料返回热转化破碎单元；粒径最小的底板物料进入气流输送机构，并在第二气体热载体吹扫作用下进入气固分离装置，所述第二气体热载体为氧含量0.5%的热烟气，气固分离所得气相物流进入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；下层筛板物料也一并通入螺杆提升球磨热转化装置。将来自于热转化破碎和振动热转化筛分单元气固分离装置的固相物料，以及振动热转化筛分单元的下层筛板物料，通入出料温度为500℃的螺杆提升球磨热转化装置，向螺杆内部和研磨箱体的中空壁44内通入第四气体热载体，所述第四气体热载体为氧含量0.5%的热烟气，反应器内物料在螺杆、螺旋叶片及蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热和挤压作用下，进一步发生热转化反应和破碎粉化，所得粉状提质燃料由溢流出口48排出，收集待用。

通过处理，累计制得粉状热转化提质燃料，相对于干基原料的总体质量收率为68%，粒径范围小于0.06mm，热值17.2MJ/kg。

应用实例4

原料：成捆的玉米秸秆，初始含水率10%，进料量1200kg/h，进料温度30℃。

工艺类型：三步骤工艺。

处理流程：将原料送入出料温度为180℃的热转化破碎装置，该装置采用的第一气体热载体为提质燃料气化所得气化气，处理后气相物流进入气固分离装置，气固分离所得固体物料通入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；大颗粒固相物料通过后端下部出料口送入振动热转化筛分装置。来自于热转化破碎装置的固体物料进入出料温度为300℃的振动热转化筛分装置，经两层筛板的振动热转化筛分处理后，其中上层筛板24拦截的大粒径物料返回热转化破碎单元；粒径最小的底板物料进入气流输送机构，并在第二气体热载体吹扫作用下进入气固分离装置，所述第二气体热载体为提质燃料气化所得气化气，气固分离所得气相物流进入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；下层筛板物料也一并通入球磨热转化装置。将来自于热转化破碎和振动热转化筛分单元气固分离装置的固相物料，以及振动热转化筛分单元下层筛板的固相物料，通入出料温度为300℃的球磨热转化装置；向提升螺杆45内部和研磨箱体的中空壁44内通入第四气体热载体，所述第四气体热载体为提质燃料气化所得气化气，反应器内物料在螺杆、螺旋叶片及蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热和挤压作用下，进一步发生热转化反应和破碎粉化，所得粉状提质燃料由溢流出口48排出，收集待用。

工艺效果：通过处理，累计制得粉状热转化提质燃料，相对于干基原料的总体质量收率为82%，粒径范围小于0.08mm，热值22.5MJ/kg。

应用实例5

原料：成捆的小麦秸秆，初始含水率8%，进料量1300kg/h，进料温度30℃。

工艺类型：三步骤工艺。

处理流程：将原料送入出料温度为180℃的热转化破碎装置，该装置采用的第一气体热载体为氧含量1%的热烟气，处理后气相物流进入气固分离装置，气固分离所得固体物料通入球磨热转化单元，所得气相物流通入气液分离提质净化单元；大颗粒固相物料通过后端下部出料口送入振动热转化筛分装置。来自于热转化破碎装置的固体物料进入出料温度为300℃的振动热转化筛分装置，经两层筛板的振动热转化筛分处理后，其中上层筛板24拦截的大粒径物料返回热转化破碎单元；粒径最小的底板物料进入气流输送机构，并在第二气体热载体吹扫作用下进入气固分离装置，所述第二气体热载体为氧含量1%的热烟气，气固分离所得气相物流进入气液分离提质净化单元，所得固体物料通入球磨热转化单元；下层筛板物料也一并通入螺杆提升球磨热转化装置。将来自于热转化破碎和振动热转化筛分单元气固分离装置的固相物料，以及振动热转化筛分单元下层筛板的固相物料，通入出料温度为450℃的螺杆提升球磨热转化装置；向提升螺杆45内部和研磨箱体的中空壁44内通入第四气体热载体，所述第四气体热载体为氧含量0.5%的热烟气，反应器内物料在螺杆、螺旋叶片及蓄热球体外壁和研磨箱体内壁的加热和挤压作用下，进一步发生热转化反应和破碎粉化，所得粉状提质燃料由溢流出口48排出，收集待用。

工艺效果：通过处理，累计制得粉状热转化提质燃料，相对于干基原料的总体质量收率为48%，粒径范围小于0.06mm，热值24.8MJ/kg。

需要指出的是，上述实施例仅是对本发明的技术方案的具体实施示例，而不是对本发明技术方案的限制，本发明的保护范围以权利要求的限定为准。

Claims (16)

1.一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，包括依次连通的热转化破碎单元(1)、振动热转化筛分单元和流化热转化分选单元；其特征在于，还包括气固分离单元和球磨热转化单元；所述热转化破碎单元(1)包括转动设置的破碎筒(2)，所述破碎筒(2)内设有破碎组件，且破碎筒(2)接入第一气体热载体作为吹扫气；所述振动热转化筛分单元包括倾斜设置的上层筛板(24)、下层筛板(25)和底板(26)，其中上层筛板(24)拦截的物料返回振动热转化筛分单元；下层筛板(25)拦截的物料通过两根带阀管路分别连通流化热转化分选单元和球磨热转化单元；底板(26)承接的物料经气流输送机构连通气固分离单元，所述气流输送机构接入第二气体热载体作为输送气；所述流化热转化分选单元包括流化床(34)，其具有由交叉的气体管路构成的格栅状的布风板(35)，所述气体管路的交叉点处设有风帽；所述布风板(35)接入第三气体热载体作为流化气；所述气固分离单元用于接收吹扫气、输送气和流化气，并使其夹带的燃料颗粒从气体中分离；所述气固分离单元的颗粒物出口连通球磨热转化单元；所述球磨热转化单元接入第四气体热载体作为加热介质。

2.如权利要求1所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述热转化破碎单元还包括固定设置的外筒体(3)，所述破碎筒(2)转动套设于外筒体(3)内，且两端超出外筒体(3)并与外筒体(3)转动密封，所述内、外筒体之间形成加热夹套；所述第一气体热载体被分为两股，其中一股作为单纯的加热气体进入加热夹套；另一股作为吹扫气被通入破碎筒(2)的内腔，并从待破碎物料表面顺流流过。

3.如权利要求2所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述破碎筒(2)的两端分别设置有进料端帽和出料端帽，所述进料端帽和出料端帽均与破碎筒(2)转动密封，且不跟随破碎筒(2)转动；所述进料端帽上设有物料进口(5)和吹扫气进口(7)；所述出料端帽的底部设有物料出口(6)，顶部设有吹扫气出口(8)。

4.如权利要求1所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述破碎组件包括双向转轴及设置在所述双向转轴上的破碎部，所述破碎部包括剪切刀组(14)和/或旋转锤组(15)和/或链球组(16)；所述双向转轴由多段短轴(12)及换向锥齿轮组(13)组成，相邻两根短轴(12)反向旋转。

5.如权利要求4所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：每一根短轴(12)上均设置有多个破碎部，且同一根短轴(12)上的多个破碎部具有两种相反的旋转方向。

6.如权利要求1所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：振动热转化筛分单元包括底部设有若干振动组件(30)的筛分热转化反应器(21)，所述筛分热转化反应器(21)包括热转化内腔(22)、包裹所述热转化内腔(22)的夹层(23)；所述热转化内腔(22)包括底板，且内部设有上层筛板(24)和下层筛板(25)；所述夹层(23)上相对的两侧分别设置有第二气体热载体进口(32)和第二气体热载体出口(33)；所述上层筛板(24)的孔径大于下层筛板(25)；所述上层筛板(24)较高一侧上方设有筛分进料口(31)。

7.如权利要求6所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述上、下层筛板均采用方形筛孔，所述底板(26)为表面完整无孔的光滑金属板；所述上、下层筛板和底板(26)与水平面均呈5～10°夹角；振动热转化筛分装置的水平截面为长方形，其长宽比均为5:1～10:1。

8.如权利要求1所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述布风板(35)下部空间的底面为与所述流化床(34)主体固定连接的斜板(36)；在所述斜板(36)最低位置一侧设有与所述斜板(36)上表面物料连通的螺杆气流双向输送机构(42)。

9.如权利要求8所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述螺杆气流双向输送机构(42)包括输送螺杆，其下部设有沿所述输送螺杆轴向布置的气体分布器，所述气体分布器接入第三气体热载体作为反吹气，将进入螺杆气流双向输送机构(42)的有机质颗粒反吹回流化床(34)的气相空间通过该气体分布器向上吹入气流，较大较重物料在输送螺杆作用下排出；所述流化床(34)的中上部设有溢流口(39)，顶部设有流化气出口(38)。

10.如权利要求9所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述螺杆气流双向输送机构(42)上方设有隔板(40)，所述隔板(40)在流化床(34)内构建出连通其气相空间上部的返料路径(41)；所述隔板(40)的底部与斜板(36)之间留有间隙，该间隙形成底料进入螺杆气流双向输送机构(42)的通道。

11.如权利要求9所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述斜板(36)与水平面夹角为5～10°，所述流化床(34)的四个底角处设有振动组件(30)；所述流化床(34)的水平截面为长方形，长宽比为8:1～12:1；所述溢流口(39)设在沿流化床(34)长度方向上的中间部位。

12.如权利要求1所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述球磨热转化单元包括具有中空壁(44)的研磨箱体(43)，所述研磨箱体(43)的内腔设有至少一个提升螺杆(45)并装填有级配的蓄热研磨球(46)；所述中空壁(44)设有第四气体热载体进口(49)和第四气体热载体出口(50)；在所述研磨箱体(43)上部设有溢流出口(48)；还包括用于驱动所述提升螺杆(45)旋转的动力组件。

13.如权利要求12所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的装置，其特征在于：所述提升螺杆(45)为双层空心结构，形成内、外双层气体夹套(53)，在提升螺杆(45)的底部安装双通道旋转接头(57)，旋转接头进气口(55)与外层气体夹套的下端相连；旋转接头出气口(56)与内层气体夹套的下端相连；所述旋转接头进气口(55)与第四气体热载体连接，第四气体热载体在提升螺杆(45)内先沿外层气体夹套上行，到顶后再沿内层气体夹套下行排出；每个提升螺杆(45)外壁均包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片。

14.一种有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺，其特征在于：包括如下步骤：

S1、热转化破碎步骤，待破碎物料进入热转化破碎单元，在180-550℃的操作温度下进行边破碎边热转化处理；所述边破碎边热转化处理至少包括对待破碎物料进行机械破碎和使吹扫气从待破碎物料表面顺流流过，所述吹扫气为待破碎物料提供热转化所需热量；排出热转化破碎单元的吹扫气进入气固分离单元；破碎所得固体物料送振动热转化筛分单元；

S2、振动热转化筛分步骤，破碎所得固体物料进入振动热转化筛分单元，在180-550℃的操作温度下经两层倾斜筛板进行振动热转化和梯度筛分处理；所述振动热转化筛分单元具有倾斜底板；其中，上层筛板(24)拦截的物料粒径最大，将其返回热转化破碎单元；底板(26)承接的物料粒径最小，经气流输送机构送气固分离单元；下层筛板(25)拦截的物料送流化热转化破碎单元，此时执行步骤S3；或者送球磨热转化单元，此时不执行步骤S3；

S3、流化热转化分选步骤，下层筛板(25)拦截的物料进入流化热转化分选单元的流化床(34)，在300-600℃的操作温度下进行流化热转化分选处理；所述流化床(34)具有由交叉的气体管路构成的布风板(35)，所述气体管路的交叉点处设有出气用风帽；物料中包含的无机颗粒在所述流化床(34)内形成研磨床料；调节流化气的供应量和气速，使研磨床料在流化床(34)内呈沸腾流化状态，促进热转化产物层从物料颗粒表面剥离形成提质燃料；通过机械振动改善不均匀颗粒的流化效果；流化气夹带提质燃料颗粒去往气固分离单元；沸腾床料从溢流口(39)排出；金属颗粒从布风板(35)空隙处落至流化床(34)底部的斜板(36)后排出；

S4、球磨热转化步骤，物料进入球磨热转化单元，在300-600℃的操作温度下进行边球磨边热转化处理，得到粉状提质燃料；

其中，各步骤经气固分离所得的固体物料均送球磨热转化单元。

15.如权利要求14所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺，其特征在于：所述有机固废包括：城市生活垃圾、农村生活垃圾、陈腐垃圾、秸秆、稻草、果壳、果皮、木屑、市政污泥、印染污泥、油泥、废塑料、废橡胶；其中，当所述有机固废为城市生活垃圾、农村生活垃圾、陈腐垃圾中的一种或多种时，下层筛板(25)拦截的物料进入流化床(34)，并执行步骤S3；当所述有机固废不包含城市生活垃圾、农村生活垃圾、陈腐垃圾中的任意一种时，下层筛板(25)拦截的物料进入球磨热转化单元，且不执行步骤S3。

16.如权利要求15所述的有机固废热转化制备粉状提质燃料的工艺，其特征在于：步骤S1中，通过向热转化破碎单元供应第一气体热载体以控制热转化破碎步骤的操作温度，所述第一气体热载体还被用作吹扫气；所述第一气体热载体包括热解气和/或气化气和/或氧气体积含量不超过1％的烟气；

步骤S2中，通过向振动热转化筛分单元通入第二气体热载体以维持振动热转化筛分步骤的操作温度，所述第二气体热载体还被用作气流输送机构的输送气；所述第二气体热载体包括热解气、气化气、氧气含量不超过1％的烟气；

步骤S3中，通过向布风板(35)供给第三气体热载体以维持流化床(34)的操作温度，且第三气体热载体作为流化气；所述第三气体热载体包括热解气和/或气化气和/或氧气体积含量不超过0.5％的烟气；流化床(34)底部设有与斜板(36)的上表面连通的螺杆气流双向输送机构(42)；所述第三气体热载体还被用作螺杆气流双向输送机构(42)的反吹气，将进入螺杆气流双向输送机构(42)的有机质颗粒反吹回流化床(34)的气相空间，未被吹回的重质物料通过螺杆气流双向输送机构(42)排出，该部分重质物料的金属含量不低于90％；

步骤S4中，通过向球磨热转化单元供给第四气体热载体以维持球磨热转化的操作温度；球磨热转化单元的进料粒度不超过5mm；所得所述粉状提质燃料的粒度不超过0.09mm；研磨所得的粉状提质燃料由溢流出口(48)排出。