CN1863606B - 在球式炉中的有机废料的热解 - Google Patents

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Abstract

本发明方法的特征在于在无空气存在下热解废料所需的热能是由钢球(9)所组成的加热物质来提供的,所述钢球在炉(1)中与废料一起并流缓慢移动。本发明方法可适用于生活废料、净化站废料、医疗废料、农产品加工业的危险性废料,并且更一般地无论是城市、农业或者工业来源的任何含有有机物质的废料。

Description

在球式炉中的有机废料的热解
技术领域
[0001] 本发明涉及有机废料的处理,所述有机废料是工业废料、农业废料或者生活废料。 本发明涉及这些废料通过热解进行的转化,并且尤其是通过在配有固定或者旋转炉的装置 中的热解而进行的转化。
背景技术
[0002] 废料消除操作被纳入到同时进行再利用和环境保护的范畴当中。热解法是一 种替代焚烧法的废料消除方法,相对于焚烧法,热解法具有许多优点(不排放二卩恶英、
不产生被有机化合物污染的灰、优良的操作灵活性)。对该问题的充分陈述见于下面 的文献:“Rapport surles nouvelles technologies de valorisation des dechets menagerset des dechets industriels banals,,(关于生活废料和普通工业废料的再利 用新技术白勺J艮告),Office Parlementaire d' evaluation deschoix scientifiques et teChn0l0giqueS(科技选择评估的国会办公室),法国,国民议会No. 1693/上议院No. 415, G. Mi quel 和 S. Poignant (第 lie 部分:处理方式,III :热解),以及 G. Poulleau 的“Les dechets menagers"(生夕舌废料),Air Eau Conseil 版,2001。
[0003] 热解是在不存在空气的情况下,通过加热无论什么形式(液体、糊或者固体)的 有机物质进行的热分解。在不存在空气的情况下,通过在固定或者旋转容器中将有机物质 加热至400°C _700°C的温度,甚至高达1100°C (当涉及到危险性废料时)来连续或者不连 续地进行热解。(术语“危险性废料”应当理解为具有立法者所限定的含义,包括牛身体部 分,尤其是可能含有朊病毒(prion)、BSE传播剂的身体部分)。通常被称作高温分解的木 炭的生产是一种热解。将高温分解处理用于生活垃圾的再利用已经有很长的时间了(DE 29040324,Berghoff)。
[0004] 无论采用什么样的实施方式,热解作用将有机物质转化成可再利用的各种不同产 物:
[0005]-在生产场所燃烧的气体,例如作为热解本身的热源;
[0006]-冷凝物,其油质部分可输出作为燃料;
[0007]-固体残渣,其首先包含可输出的在进行再处理后作为燃料的焦炭,以及无机部 分,根据被处理的有机物质的种类和特性,该无机部分可按照现行的法规被再利用或者被 消除。
[0008] 待热解物料的加热是通过各种方式来实现的,其中包括通过容器内部的辐射火 焰的直接作用,通过燃烧气体或者蒸气经过待热解废物料的循环,通过与内部管道的接 触,通过容器的外部加热。关于热解装置的描述有很多,例如在专利FR 2654112 (CGS), FR2725643(Traidec)中的描述。
[0009] 利用高温燃烧气体直接加热物料是一项具有较多缺陷的技术。与燃烧气体通常一 起产生含有大量氧气的气体。在希望热解废料的容器中产生火焰需要增加火焰中的空气 量,以便恰当地保持这种火焰及其温度,该温度在还原介质中不可避免地要下降。在这种情况下,通常观察到100% -200%过量的空气,因而过量的空气,尤其是这种空气中所含的氧 气将与(例如)含氯的分子结合,从而产生二卩恶英以及使热解产品变质的其它所有种类的 结合产物。还应当提到其它的缺陷,即热解容器中输出的气 体的净热值(NCV)的降低,以及 必须要处理未再循环的蒸气,以便尤其是除去由含蒸气气体的燃烧所引起的未充分燃烧的 产物。对于存在空气的所有废料消除方法来说,情况均是如此,例如在美国专利5762010中 描述的De Muynck法,该方法类似于一种流化床燃烧法,在该方法中,在同一个容器中,由陶 瓷球夹带的废料在由这种燃烧所释放的热的作用下部分热解后被完全燃烧。
[0010] 容器的外部加热需要大的换热表面积以及有机物质在容器中相对长的停留时间; 热效率受到蒸气中热量损失的影响;器壁的过热导致其较快速地内部积垢,为克服该积垢 则需要催化或者机械清洗系统在强制停工期间较有效地除去它们。
[0011] 在炉内部的加热管对在废料处理的时候或者其它时候不可避免带来的严重碎裂 的废铁所导致的损坏非常敏感。所有的废料热解方法均无法达到大于700°c的温度,除非使 用直接接触的火焰,如在焚烧法中的情况一样。因此不可能为某些废料提供令人满意的解 决方案,这些废料例如是牛屠宰场的危险性废料或者医疗废料。
发明内容
[0012] 本发明利用一种有机废料热解方法来克服这些缺点,该方法在于使用预先过热的 钢球为这些废料的热处理提供所需的热量。
[0013] 在本发明的意义上,术语“有机废料”指的是含有一定比例的有机物质的不同固 体、半糊状体或者糊状体。以下是非限制性列出的这类物质:
[0014] 生活废料的易腐烂部分,
[0015] 工业和城市净化站的污泥,
[0016] 农业废料,堆肥残料,
[0017] 来源于农产品加工业的有机物质(脂肪,包括危险性废料的
[0018] 屠宰场废料,动物粉等),
[0019] 不可回收利用的工业有机物,
[0020] 无法上胶翻新的碎裂的旧轮胎,
[0021] 医疗废料,
[0022] 总之是按照法规无法再原样掩埋或者焚烧的所有含有有机物质的废料。应当指 出,现有的法规不允许掩埋特殊的工业废料,除非其总的有机碳含量小于3g/kg ;这显示出 了诸如本发明这样的方法的优点,该方法能够完全地消除具有低有机含量的废料(如被烃 或者苯酚污染的砂)中的有机碳。
[0023] 这个定义还扩展到有机液体,该有机液体可作为涂层而分布到球上,或者在需要 时与诸如蔬菜废料或者锯屑的吸收性有机载体预先混合。
[0024] 同样在本发明的意义上,“热解”指的是无空气存在时的热处理,其导致经受这种 处理的物质的物理和化学转化,同时释放可冷凝或者不可冷凝的挥发性产物并且形成固体 含碳残渣(焦炭)。这是一种真正的热解,因为其进行的条件是在完全不存在空气的条件下 实施的。这是该方法与燃烧或者部分热解废料处理法的不同之处。
[0025] 在这些定义下,本发明在于一种用于在无氧的气氛下热处理有机废料的方法,其中该废料在固定或者旋转炉中被加热,其特征在于加热所述废料的装置(moyen)由预先过 热的钢球组成,并且该钢球与其所密切混合的所述废料同时在炉中缓慢移动。本发明还在 于一种用于热处理有机废料的设备,它包括废料在处理过程中在其中缓慢移动的至少一个 固定或者旋转炉、用于向炉供应废料的装置、用于回收处理过的废料的装置、用于回收由这 种处理产生的挥发性产物的装置、以及用于加热废料物料的装置,其特征在于该用于加热 废料物料的装置由下述装置组成:与待处理废料一起在炉中缓慢移动的预先过热的钢球物 料,以及用于向炉中供应过热球,用于在处理炉的出口处回收它们以用于使这些球循环的 装置,以及用于加热这些球的装置。
附图说明
[0026] 本发明的热解设备组的一般结构在图1中示出,其中:
[0027] (1)热解炉;
[0028] (2)被加热到高温的球的进口管;
[0029] (3)待热解的废料的进口管;
[0030] (4)已经释放出其热能的球的出口转鼓或闸;
[0031] (5)蜗杆;
[0032] (6)用于将球与热解残渣分离的振动格栅;
[0033] (7)球与热解残渣的混合物的出口管
[0034] (8)用于使钢球再循环的管;
[0035] (9)钢球;
[0036] (10)钢球加热炉;
[0037] (11)钢球入口转鼓或闸;
[0038] (12)待处理材料的入口转鼓或闸;
[0039] (13)用于吸入热解气体并保护炉中轻微负压的抽气扇或者真空泵;
[0040] (14)收集器(用于能量再利用的热解气体;用于冷凝的水汽和要燃烧的不可冷凝 物的提取)
[0041] (15)热解残渣回收料斗;
[0042] (16)热解残渣传送螺杆;
[0043] (17)热解残渣排出转鼓或闸;
[0044] (18)热解残渣排出管;
[0045] (19)用于补偿炉损失或者在起动阶段提供能量的辅助加热装置;
[0046] (20)炉、管道、料斗等组件的隔热;
[0047] (21)热解的可冷凝物的负压冷凝、回收的组件;
[0048] (22)用于提升加热物质的装置(螺杆、带等)
[0049] (M)是发动机。
[0050] 图2所示为具体的热解单元;可以看到下面的元件,它们是图1中一般性示出的元 件的补充:
[0051] (31)热解残渣保存料斗;
[0052] (32)热解残渣洗涤槽;[0053] (33)固体残渣排出管;
[0054] (34)焦炭浙水带;
[0055] (35)焦炭浙出的水的保存和回收槽;
[0056] (36)所有的液体流出液、冷凝物、焦炭浙出的水、来自热解残渣洗涤和分离槽的被 污染的水的保存槽;
[0057] (37)热解气体的使用。
[0058] 图3所示为可收集具有可变湿度的废料的设备,它包括串联的干燥炉和热解单 元。它包括在上述图周围所指出的元件。
[0059] (S)干燥炉;
[0060] (T)热解炉;
[0061] (24)用于保存干燥的废料的缓冲料斗;
[0062] (38)料斗(24)和热解炉进口管(3)之间的提升机。
具体实施方式
[0063] 以特性表示地,该方法的加热物质由大量的钢球组成,通常是直径为20-50毫米 的球。还可以使用更大直径的球来处理特殊进料,例如使用直径60毫米的球来热解轮胎粉 碎物或者具有长纤维的废料。钢球的选择为某些技术上的迫切需要提供了解决方案,这些 技术上的迫切需要尤其是在高温下的热量的快速传送,热解炉所形成的减小的空间中的交 换表面积的优化,有机材料从其进入炉中开始以及焦炭在行程结束时的机械粉碎。球在其 质量和直径方面的量是根据所采用的功率、在加热物质中的自由体积来决定的;还涉及到 其它的标准,如它们在再循环过程中并且尤其是在转鼓中通过时的操作或者运送,并且要 考虑到当它们在设备入口下降时避免在热解容器中的变形。实施例1包含了用于估计它们 的量的信息。它们的表观密度与待处理物质相比是高的,并且约为4000kg/m3-4500kg/m3。 加热物质的展开表面积与其体积相比是非常高的,使得保证了其在与待处理物质混合时热 量在废料物质中的均勻分布的扩散。这个特征在涉及到危险性废料的热处理时是相当重要 的:只有在热解温度的均勻性不足的设备中,高达1100°C的温度对于蛋白质物质以及因此 的朊病毒的完全破坏才是必不可少的。
[0064] 进行废料热处理的炉是卧式炉或者略微倾斜的炉。当所采用的功率是相对适度的 并且要处理的物料比500kg/小时大不了多少时,进行废料热处理的炉优选是固定炉,在其 中球+废料在配有混合装置(例如型杆)的蜗杆(5)的作用下向前移动。这是一种已经在 附图中作为说明性实例示出的实施方案,但其并不意味着限制本发明的范围。对于大容量 来说,所述炉更通常地是在球和废料入口处配有球和废料预混合装置的传统炉。
[0065] 还配备了辅助加热装置(19),这只是为了保证在设备起动时的炉的预热;它偶尔 地执行各种不同的功能:保持钢球出口温度,改变条件时(物料流量、热解温度的升高、干 燥等)的辅助加热。
[0066] 所有的材料入口和出口转鼓和闸均是通过结构而气密的。实际上,它们配有抵消 转鼓的内部体积的压力平衡单元,并且废料的供料或者热解的固体产物的排出是通过一系 列自动装料的料斗来实现的。所有的旋转部件、旋转炉的支架、Archin^de螺杆和球及固体 产物的提升和传送螺杆的轴也是被制成气密性的,例如,通过配备在密封罩中安装的发动机和支架来实现。
[0067] 该工艺如下运行(参考图1和2)。废料通过入口管(3)和转鼓(12)进入到热解 炉⑴中并且其与通过管⑵和转鼓(11)先行引入的来自加热炉(10)的钢球接触,在加 热炉(10)中,这些钢球被加热至大约600-1100°C的高温。
[0068] 热解发生在物料在炉(7)中前进时废料与球的混合过程中。由炉中出来的物料目 前由冷却的球和热解残渣构成。它们的温度此时是500-850°C。热解残渣通过格栅(6)提 取,在回收料斗(15)中收集并且通过提取系统(16)和闸(17)以及管(18)排出。球通过 转鼓(4)回收,通过提升机(22)升高并通过管(8)送到炉(10)中,这些球在炉(10)中重 新开始它们的循环。
[0069] 热解气体通过收集器(14)收集,与其可冷凝的组分分离(21)并在(13)中提取以 便进行燃烧或者就地向燃气轮机供料。
[0070] 该设备(图2)用图1所标记出的并且本领域技术人员熟知其运行的组件来补充 完整。(32)是热解残渣的强制处理装置,将热解残渣浸没,以通过浙水分离漂浮的可燃材 料(焦炭),通过沉降(33)分离固体残渣,其中包括了例如可通过磁力分选或者通过傅科电 流分离的金属,并且浸没或者浙下的水(35)被送到了保存槽(36)以进行消除污染的处理。 在(33)沉降的污泥在被排出到特定的掩埋中心之前或者在被用于非必需的再利用(如果 最终的产物可接受的话)之前将进行处理或者调理。
[0071] 热解气体可就地使用(37)。
[0072] 与钢球接触的废料的温度非常突然地上升,这有利于气体而非焦炭的产生。在高 温下释放的气体随后保持与加热物质的足够长时间的接触,以使油脂和在某些类型的废料 中产生的其它重分子裂化:产生具有优化的热值的热解气体,因而减少了设备中的积垢。
[0073] 钢球的加热是在炉(10)中进行的,该炉(10)可以是气体炉、电辐射炉或者感应 炉。如果使用气体炉,则有利地是使用从所产生的气体中提取10% -15%的热解气体,这样 85%-90%的气体将可作为能量进行外部再利用。最简单的工艺是裸火焰炉,该炉的气氛与 上述通过密封转鼓密封的该设备的其余部分的气氛是隔开的,以防止在热解炉中由火焰引 入过量的空气。通过感应加热球是一种特别巧妙的变化方案,并且由于球的金属性质而是 可能的。
[0074] 由于该方法在其连续或者半连续方式实施或者运行时是简单和安全的,因此可将 尺寸非常适中的设备安装在废料产生的地方;其可以使废料生产者消除自己的废料,并且 以热水、蒸汽或者电的形式回收过量的能量以用于其自己的目的。
[0075] 对于其中功率和流量可能会变化的某些应用来说,可在转鼓(11)的上游使用用 于加热的球的保存料斗。而且,这种料斗可被用作热解气体裂化的反应器,例如当废料是液 化的油脂时。
[0076] 一旦待热解废料中的水含量高时,则水的蒸发变成了热解操作过程的限制因素, 并且最好将这种废料预先脱水。至少在初始干燥度(干物质的含量)大于35%时,本发明 特别适合于甚至在该设备内部的这种脱水。(低于35%,热解则需要外部提供热量,并且更 合理地是使富含更多水的这些材料进行需要少得多能量的外部机械处理)。
[0077] 这在图3中被示意性地给出。该设备因而包括两个串联的同类型的炉,热解炉(T) 和干燥炉(S)。同样的钢球加热物质在这两个炉中传送,并且相继地进行干燥废料的热解和湿废料的脱水。湿废料进入到干燥炉(S)中,然后直接经过热解炉(T)。高温加热物质首先 进入到炉(T)中,其在炉(T)中热解其内容物;其温度在热解炉的出口处仍然足够高,以便 在炉(S)中进行废料的初步的部分干燥。提升机(38)在料斗(24)中提取干燥的废料,并 将其送到热解炉废料入口闸(12)处。气体和干燥污泥收集装置在炉(S)上配备,该炉将它 们引导到热解气体燃烧器。
[0078] 显然,本发明的设备可被用作简单的材料干燥设备。这种干燥尽管并不是特别传 统的干燥,但其具有多个优点,也就是说由于其在不存在空气的情况下进行,因此它不形成 任何危险的氧化产物;并且由于其使得待干燥物质和加热物质直接接触,因此所需的能量 被直接传送到待干燥物质的核心,导致其温度快速且均勻的提高,并且防止了其聚结。根据 本发明的热解设备组和干燥设备组之间的差别是微小的并且该差别在于加热物质的入口 和出口温度,例如,
[0079]-在热解时,在入口处为600-1100°C,在气体和残渣出口处为500-850°C,
[0080]-在干燥时,在入口处为500-600°C,在干燥废料出口处为120-140°C,
[0081] 这样,冷凝组件(21)被用于冷凝蒸汽以提取不可冷凝的物质在锅炉中燃烧,或者 使用抽气扇来抽吸干燥的蒸汽。
[0082] 在危险性废料的情况下,在入口处的热冲击不足以消除在蒸汽中夹带朊病毒的风险。
[0083] 可预期具有钢球炉的设备的其它用途(杀菌、烘焙等),它仍然在本发明的范围 内。
[0084] 下面的非限制性实施例用于说明本发明。
[0085] 实施例1
[0086] 在直径为0. 7m且总长为7. 2m的管式反应器的周围布置一个连续热解设备,该设 备每年处理800吨(即大约100kg/小时)预先干燥以将水含量降至5%的废料,测定出含 有70 %的有机物质(平均组成)。
[0087] 对于100kg废料来说,通过初步试验确定的热解所需能量是50kWh(排除热损失)。 平均热解温度设定在600°C。
[0088] 加热物质由20mm直径的钢球组成,其总量如下估计。
[0089] 当使用等于0. 174W/kg/°C的钢的平均比热时,其热量从700°C降到500°C的加热 物质量是50000/(0. 174X200) = 1437kg,换句话说是44000个直径为20mm的球(32. 65g/ 球)。
[0090] 该装置以大约70kg/小时的速率产生大约600kWh可再利用的气体,以及25kg的 固体残渣。
[0091] 实施例2
[0092] 同样的设备可用于处理屠宰废料。其保证了在700°C的温度下在整个物料中进行 热解,并且如果涉及到危险性废料时温度可以达到900°C,在该温度下所有的蛋白质,包括 可能的朊病毒均被破坏。
[0093] 对屠宰废料直接处理的可能性省去了将废料转化成动物粉的步骤。
[0094] 本发明的废料处理方法是更普遍的热处理原理的一个特殊的应用,换言之就是一 种用于使固体或者糊状的分开的材料进行热处理(加热或者冷却)的方法,以改进其物理状态或者其化学组成,其特征在于在容器中使待处理的材料与预先达到一定温度的钢球物质并流缓慢移动,该温度使得在该容器出口处,处理过的物料和钢球物料处于选择作为热 处理温度的温度下。

Claims (14)

  1. 一种用于在无氧的气氛下热处理有机废料的方法,其中该废料在固定或者旋转热解炉中被加热,其特征在于该处理在无氧的气氛下通过废料加热装置进行,所述废料加热装置由预先加热的钢球组成,并且该钢球与其所密切混合的所述废料同时在该热解炉中缓慢移动。
  2. 2.权利要求1的方法,其特征在于钢球在600°C-1100°C的温度下进入到热解炉中并且 在500°C -850°C的温度下从该热解炉中排出。
  3. 3.权利要求1的方法,其特征在于所述钢球在热解炉外的气体炉中加热。
  4. 4.权利要求3的方法,其特征在于所述钢球在供应有全部或部分热解气体的气体炉中 加热。
  5. 5.权利要求1的方法,其特征在于所述钢球在感应炉中加热。
  6. 6.权利要求1的方法,其特征在于所述钢球通过电炉中的辐射来加热。
  7. 7.权利要求1的方法,其中所述钢球具有20mm-100mm的直径。
  8. 8.权利要求1的方法,其中所述钢球具有20mm-50mm的直径。
  9. 9. 一种用于在无氧的气氛下热处理有机废料的设备,它包括废料在处理过程中在其中 缓慢移动的至少一个固定或者旋转热解炉、用于向所述炉供应废料的装置、用于回收由这 种处理产生的挥发性产物的装置、用于回收处理的固体残渣的装置以及用于加热废料物料 的装置,其特征在于该用于加热废料物料的装置由下述装置组成:与待处理废料一起在热解炉 中缓慢移动的在热解炉外的炉中预先加热的钢球,以及用于向该热解炉中供应所述钢球, 用于在该热解炉的出口处回收它们以使这些钢球循环的装置,并且该设备包括用于加热这 些钢球的装置,所有的物料入口和出口转鼓或者间、所有的旋转部件均是以禁止任何空气 进入到该设备中的方式来实现的。
  10. 10.权利要求9的设备,其特征在于该设备包括钢球入口转鼓或闸(11)。
  11. 11.权利要求9的设备,其特征在于该设备包括待处理材料的入口转鼓或闸(12)。
  12. 12.权利要求9的设备,其特征在于该设备包括热解残渣排出转鼓或闸(17)。
  13. 13.权利要求9的设备,其特征在于该设备包括已经释放出其热能的钢球的出口转鼓 或闸⑷。
  14. 14.权利要求9-13之一的设备,其特征在于它还包括位于热解炉上游的废料干燥炉, 并且所述废料相继地在干燥炉和热解炉中缓慢移动,并且从热解炉中出来的钢球组成用于 初步干燥废料的加热装置,并且该设备还包括用于将干燥废料向热解炉传送的装置,钢球 在500°C -600°C的温度下进入到干燥炉中,并且在120°C _140°C的温度下从该干燥炉中排出o
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