CN211570552U - 一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，适用于农林废弃物、煤、各种城镇和工业有机固废等。系统包括三段式热解气化反应器、一、二级旋风分离器、冷凝器、引风机、固体回收罐及卸料罐、螺杆进料器、添加剂进料器等。三段式反应器结构、电磁加热和添加剂联用实现强化热解气化，促进焦油裂解，减少污染物排放，热床料和产品气的循环利用极大提高了系统热效率和产品气品质，通过反应器结构型式优化、进料系统改进和产品气回流的侧面切向布置，改善了系统的流体动力学特性和温度分布，充分利用喷动、流化和气固旋动剧烈混合的原理，改善了热解气化强度和深度，提高了系统灵活性和稳定性。

Description

一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统

技术领域

本实用新型涉及一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，特别涉及一种基于喷动床与流化床机理和电磁加热的强化热解气化系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，中国目前能源供给形势严峻，环境问题严重，清洁能源(如清洁煤技术和化石燃料的清洁利用)近年来发展迅速，尤其清洁可再生能源已成为紧迫的课题。我国有丰富的农林废弃物、城乡垃圾、市政污泥和各种工业固废资源，其不当处置或任意排放，已经对生态环境和公共卫生造成了严重危害，急需高效清洁的处置技术，实现固废减量化、无害化、稳定化和资源化利用。由于传统方法存在能耗高、处理效率低、建设成本高、二次污染等不足，各国都在竞相研究新的处置技术。

热解气化是在无氧或少氧环境和封闭条件下对固废进行热处理，减容量大，基本不会生成二噁英等污染物，大多数重金属残留或固化在泥炭中；流化床热解气化技术具有反应速度快、结构紧凑、高效灵活的特点，是固体废物处置的重要技术手段。电磁加热辅助热解气化技术，结合了电磁加热快速高效易控的独特性和热解气化技术的优势，正在成为固废处置的重要发展方向。

与传统热解相比，电磁加热具有独特的传热传质规律，转化过程及预期最终产物容易调控，污染少；国内外有不少文献研究了微波热解，但大都是采用间歇操作的固定床实验装置，目前尚没有连续进料流化床电磁加热(含微波)热解气化装置的报导和记载。清洁能源的有效利用对于改善我国的能源结构、提高我国的能源独立性、减少污染物排放和改善生态环境、促进就业和循环经济的发展有重要的战略和现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的一是：开发一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统与方法，提高热解深度、产品气热值与整体热解气化效率；目的二是：进一步减少产品气中焦油与污染物的含量。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，包括依次连通连接的原料进料密封单元、螺杆进料器、加料管、热解气化反应器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、冷凝器、引风机、固体回收罐、固体卸料罐，系统生成产品气(燃气)、热解液和炭基固体产物，所述热解气化反应器采用三段结构型式和电磁加热，通过产品气和热床料循环、流化热气体的利用、吸波剂与催化剂的使用，实现气固混合接触和高效转化。

上述一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，原料进料系统包括原料进料密封单元、螺杆进料器和加料管；热解气化反应器包括加热段、锥形段和沉降段，热解气化反应器通过加料管和原料进料系统连通连接；

热解气化反应器通过管道与添加剂进料器连通连接，通过管道与一级旋风分离器和二级旋风分离器连通连接，二级旋风分离器和冷凝器通过管道连通连接，冷凝器和引风机通过管道连通连接，一级旋风分离器与二级旋风分离器通过管道和下料管与固体回收罐连通连接，旋风分离器气固分离后，分离的固体床料进入固体回收罐，固体回收罐里面的固体床料和由引风机来的回流产品气汇合，形成气固混合回流产品气，分别从热解气化反应器的锥形段的底部和侧面切向进入热解气化反应器，热气体(如热烟气、水蒸气、热空气等)也在锥形段的底部进入热解气化反应器，和其中一路气固混合回流产品气混合后，在热解气化反应器底部形成了由下而上的喷动气流，侧面切向进入的气固混合回流产品气则形成回旋状气流，和喷动气流相互作用，促进了气固混合和湍动程度；热产品气和热床料的循环使用，提高了系统热效率、改善了温度分布、提高了热解气化深度和转化率、提高了产品气品质。锥形段和固体卸料罐通过管道连通连接，炭基固体产物由固体卸料罐收集。

上述一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，热解气化反应器分为三段，由下至上，反应器直径逐渐增加，加热段直径保持不变，便于加热元件的布置和配置，也利于加热的均匀性；热解气化反应器的加热段外面采用电磁加热(如微波辐照或电磁感应加热等)，微波辐照时，磁控管成对布置，且热解气化反应器里面需配置吸波剂,利用吸波剂的吸波性能，快速高效的调控反应器温度，利于热解气化的高效转化；采用微波加热时，加热段的主体壳体采用陶瓷或石英材质等弱吸波材料，使微波能量被物料吸收，从而提高了转化率和系统效率。

上述一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，热解气化反应器的锥形段不设气体分布板，以保证气路畅通、减少压降、防止颗粒物堵塞通道，气固混合回流产品气含有固体回收罐加入的固体床料，分别从锥形段的底部和侧面切向直接进入锥形段，气固混合回流产品气和热床料温度较高，循环至锥形段并加热了里面的物料，提高了系统热效率，热气体(如热烟气、水蒸气和热空气)和气固混合回流产品气的一路气体混合后，进入锥形段的底部，形成喷动向上的气流，提供了热床料返回锥形段的动力，避免了颗粒物堵塞，锥形段底部进气口直径不大于加热段直径的10％，以保证足够的气速，提高喷动的效果。

上述一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，加料管在热解气化反应器的沉降段顶部进入反应器，加料管末端设置弯管，以防止向上气流对固体物料的阻滞作用、促进原料进料的顺畅性，弯管的开口朝添加剂进料器的进料方向，保证添加剂进料器加入的添加剂和固体原料的预混合，提高固体原料在热解气化反应器加热段的反应速度和转化效率；添加剂进料器采用双阀门闭锁料斗型式，其进料口在气速小的沉降段的内壁，便于添加剂的重力进料，减少了气流对进料速率和进料稳定性的干扰；添加剂进料器在沉降段的进料口和加料管末端弯管的开口之间的水平距离不大于加热段(2)直径的30％，以促进添加剂和固体原料的接触混合，提高热解气化效率。

上述一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，原料进料密封单元包括星型供料器和其下面的挡板，挡板减小了通道面积，可以有效提高料封效果、减少气体泄露，固体原料进料的动力由螺杆进料器提供，螺杆进料器里面可以注入惰性气体以提供气封；

加料管里面的物料提供了进一步料封，从而有效隔离热解气化反应器和原料进料系统，保证系统长期的安全稳定运行。

本实用新型所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，通过热解器结构优化、添加剂的使用、加热元件的配置和有效的能量梯级利用，促进原料的热分解，产生热解气和固体产物，热解气经冷凝器冷凝后，不可凝热解气部分回流到热解气化反应器的锥形段，热解液由冷凝器收集；热解气化反应器采用三段式结构型式和电磁加热(如微波辐照和电磁感应加热)，在中间的加热段区域形成高温区域，并向沉降段和锥形段辐射和对流传递热量，形成原料预热区、核心反应区和炭基固体分离区；原料由螺杆进料器进入加料管，原料进料系统的星型进料器、密封挡板、加料管的料封以及螺杆进料器通入的密封气体，有效隔离了进料系统和热解气化反应器，保证系统的可靠稳定运行；加料管在沉降段预热后，由加热段上部进入核心反应区，添加剂(如吸波剂、热载体、催化剂等)也由沉降段加入，向上的气流、下落的原料和湍动流化的床料剧烈混合，发生热解气化转化，气体产物经一、二级旋风分离器，由冷凝器进行气液分离，冷凝液得以收集，不可凝气体(如CO、CO₂、H₂和CH₄等) 经引风机回流至前段，旋风分离器分离出来的固体床料和回流产品气混合后分别从锥形段的底部和侧面切向进入热解气化反应器，汇同锥形段底部通入的热气体(如热烟气、水蒸气和热空气)，在热解气化反应器内部形成喷动气流和旋转气流，极大地促进了气固混合和热解气化强度、提高了系统热效率；炭基固体产物在锥形段侧面排出，由固体卸料罐收集。

本实用新型具有积极的效果：(1)热解气化反应器采用三段式结构型式，由下至上，依次是锥形段、加热段和沉降段，直径逐渐增加，利于减缓气速、减少物料夹带、延长停留时间、提高热解气化效率和转化率；(2)锥形段有剧烈的气流喷动、旋动和流化，促进了气固混合和热解气化强度，改善了热解气化反应器的温度和流体动力学分布；(3)电磁加热和流化床/喷动床耦合，使快速高效加热和气固喷动流化结合起来，极大的提高了温度均匀性、气固传热传质效率，提高了反应速率和热解气化效率；(4)热产品气和热床料气固回流，分别在锥形段底部和侧面切向进入热解气化反应器，提高了热解气化效率、促进了焦油裂解和污染物脱除、提高了系统效率和产品气品质；(5)加料管深入到沉降段，在沉降段预热后，原料进入热解气化反应器的加热段上部，和加入到沉降段的添加剂(如吸波剂、催化剂等)混合，提高了系统热效率和热解气化深度，引风机的使用，使沉降段压力相对较低，有利于原料和添加剂进入沉降段；(6)原料进料系统的星型进料器、密封挡板、加料管的料封以及螺杆进料器通入的密封气体，有效隔离了进料系统和热解气化反应器，保证系统的可靠稳定运行；

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型系统的结构示意图。

其中

1热解气化反应器，包括2加热段、3锥形段和4沉降段；

5加热元件、6一级旋风分离器、7二级旋风分离器、8冷凝器、9引风机、10固体回收罐、11下料管、12回流产品气、13气固混合回流产品气、14热气体、15添加剂进料器、16 原料进料密封单元、17螺杆进料器、18加料管、19固体卸料罐。

具体实施方式

(实施例1)微波辐照和烟气氛围下CaO催化热解市政污泥

见图1，一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化的系统，包括依次连通连接的原料(市政污泥)进料密封单元16、螺杆进料器17、加料管18、热解气化反应器1、一级旋风分离器 6、二级旋风分离器7、冷凝器8、引风机9、固体回收罐10、固体卸料罐19，系统生成产品气(燃气)、热解液和炭基固体产物，所述热解气化反应器采用三段结构型式和电磁加热，通过产品气和热床料循环、流化热气体的利用、吸波剂与催化剂的使用，实现气固强化混合和高效转化。原料进料系统包括原料进料密封单元16、螺杆进料器17和加料管18；热解气化反应器1包括加热段2、锥形段3和沉降段4，热解气化反应器1通过加料管18和原料进料系统连通连接。

热解气化反应器1通过管道与添加剂进料器15连通连接，通过管道与一级旋风分离器6 与二级旋风分离器7连通连接，二级旋风分离器7和冷凝器8通过管道连通连接，冷凝器8 和引风机9通过管道连通连接，一级旋风分离器6与二级旋风分离器7通过管道和下料管11 与固体回收罐10连通连接，旋风分离器气固分离后，分离的固体床料进入固体回收罐10，固体回收罐10里面的固体床料和由引风机9来的回流产品气汇合，形成气固混合回流产品气 13，分别从热解气化反应器1的锥形段3的底部和侧面切向进入热解气化反应器1，在热解气化反应器1底部形成了由下而上的喷动气流，侧面切向进入形成的回旋状气流并和喷动气流相互作用，热气体14(热烟气)也在锥形段3的底部进入热解气化反应器1，促进了气固混合和湍动程度；热产品气和热床料的循环使用，提高了系统热效率、改善了温度分布、提高了热解气化深度和转化率、提高了产品气品质。锥形段和固体卸料罐19通过管道连通连接，炭基固体产物由固体卸料罐19收集。

热解气化反应器1分为三段，由下至上，反应器直径逐渐增加，加热段直径保持不变，便于加热元件5的布置和配置，也利于加热的均匀性；热解气化反应器1的加热段2外面采用微波加热，磁控管成对布置，且热解气化反应器1里面配置吸波剂,利用吸波剂的吸波性能，快速高效的调控反应器温度，加热段2的主体壳体采用陶瓷弱吸波材料，使微波能量被物料吸收，利于热解气化的高效转化，提高了转化率和系统效率。

热解气化反应器1的锥形段3不设气体分布板，以保证气路畅通、减少压降、防止颗粒物堵塞通道，气固混合回流产品气13含有固体回收罐10加入的固体床料，分别从锥形段3的底部和侧面切向直接进入锥形段3，气固混合回流产品气13和热床料温度较高，循环至锥形段3并加热市政污泥，提高了系统热效率，热气体14热烟气和气固混合回流产品气13的一路气体混合后，进入锥形段3的底部，形成喷动向上的气流，提供了热床料返回锥形段的动力，避免了颗粒物堵塞，锥形段3底部进气口直径间不大于加热段直径的10％，以保证足够的气速，提高喷动的效果。

加料管18在热解气化反应器1的沉降段4顶部进入反应器，加料管18末端设置弯管，以防止向上气流对市政污泥的阻滞作用、促进市政污泥进料的顺畅性，弯管的开口朝添加剂进料器的进料方向，保证添加剂进料器15加入的CaO和市政污泥的预混合，提高市政污泥在热解气化反应器1的加热段2的反应速率和转化效率；添加剂进料器15采用双阀门闭锁料斗型式，其进料口在气速小的沉降段的内壁，便于CaO的重力进料，减少了气流对进料速率和进料稳定性的干扰；添加剂进料器15在沉降段4的进料口和加料管末端弯管的开口之间的水平距离不大于加热段(2)直径的30％。，以促进CaO和市政污泥的接触混合，提高热解气化效率。

原料进料密封单元16包括星型供料器和其下面的挡板，挡板减小了通道面积，可以有效提高料封效果、减少气体泄露，市政污泥进料的动力由螺杆进料器17提供，螺杆进料器17 里面可以注入CO₂以提供气封；加料管18里面的市政污泥提供了进一步料封，从而有效隔离热解气化反应器和原料进料系统，保证系统长期的安全稳定运行。

其工作过程：通过热解气化反应器1结构优化、添加剂的使用、加热元件5的配置和有效的能量梯级利用，促进市政污泥的热分解，产生热解气和固体产物，热解气经冷凝器8冷凝后，不可凝热解气部分回流到热解气化反应器1的锥形段3，热解液由冷凝器8收集；热解气化反应器1采用三段式结构型式和电磁加热(如微波辐照和电磁感应加热)，在中间的加热段区域形成高温区域，并向沉降段4和锥形段3辐射和对流传递热量，形成原料预热区、核心反应区和炭基固体分离区；市政污泥由螺杆进料器17进入加料管18，原料进料系统的星型进料器、密封挡板、加料管18的料封以及螺杆进料器17通入的CO₂密封气体，有效隔离了进料系统和热解气化反应器1，保证系统的可靠稳定运行；加料管18在沉降段4预热后，由加热段2上部进入核心反应区，添加剂CaO也由沉降段4加入，向上的气流、下落的原料和湍动流化的床料剧烈混合，发生热解气化转化，气体产物经一级旋风分离器6和二级旋风分离器7，由冷凝器进行气液分离，冷凝液得以收集，不可凝气体(如CO、CO₂、H₂和CH₄等) 经引风机9回流至前段，一级旋风分离器6和二级旋风分离器7分离出来的固体床料和回流产品气混合后分别从锥形段3的底部和侧面切向进入热解气化反应器1，汇同锥形段3底部通入的热气体14热烟气，在热解气化反应器1内部形成喷动气流和旋转气流，极大地促进了气固混合和热解气化强度、提高了系统热效率；炭基固体产物在锥形段侧面排出，由固体卸料罐19收集。

(实施例2)微波辐照和水蒸气氛围下膨润土催化热解印染污泥

见图1，本实施例与实施例1的区别之处为：原料为印染污泥，热气体14为水蒸气，添加剂进料器15将膨润土送入沉降段4，加热段2采用微波加热热解气化反应器1，加热段2的主体壳体采用石英管材料。

(实施例3)电磁感应加热和空气氛围下橄榄石催化热解气化糠醛渣

见图1，本实施例与实施例1的区别之处为：原料为糠醛渣，热气体14为热空气，添加剂进料器15将橄榄石送入沉降段4，加热段2采用电磁感应加热热解气化反应器1，加热段2的主体壳体采用不锈钢和中碳钢双层材料。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：该系统包括依次连通连接的原料进料密封单元(16)、螺杆进料器(17)、加料管(18)、热解气化反应器(1)、一级旋风分离器(6)、二级旋风分离器(7)、冷凝器(8)、引风机(9)、固体回收罐(10)、固体卸料罐(19)，系统生成产品气、热解液和炭基固体产物，所述热解气化反应器(1)采用三段结构型式，通过产品气和热床料循环、流化热气体的利用、吸波剂与催化剂的使用，实现气固混合接触和高效转化。

2.根据权利要求1所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：

原料进料系统包括原料进料密封单元(16)、螺杆进料器(17)和加料管(18)；

热解气化反应器(1)包括加热段(2)、锥形段(3)和沉降段(4)，热解气化反应器(1)通过加料管(18)和原料进料系统连通连接；

热解气化反应器(1)通过管道与添加剂进料器(15)连通连接，通过管道与一级旋风分离器(6)和二级旋风分离器(7)连通连接，二级旋风分离器(7)和冷凝器(8)通过管道连通连接，冷凝器(8)和引风机(9)通过管道连通连接，一级旋风分离器(6)与二级旋风分离器(7)通过管道和下料管(11)与固体回收罐(10)连通连接，固体回收罐(10)的床料和由引风机(9)来的回流产品气(12)汇合后，形成气固混合回流产品气(13)，气固混合回流产品气(13)分别从锥形段(3)的底部和侧面切向进入热解气化反应器(1)，热气体(14)在锥形段(3)的底部进入热解气化反应器(1)，锥形段(3)和固体卸料罐(19)通过管道连通连接。

3.根据权利要求2所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：热解气化反应器(1)分为三段，由下至上，反应器直径逐渐增加，加热段(2)直径保持不变；热解气化反应器(1)的加热段(2)外面采用微波辐照加热，磁控管对称布置，热解气化反应器(1)里面配置吸波剂,加热段(2)的主体壳体采用陶瓷或石英材质。

4.根据权利要求2所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：热解气化反应器(1)的锥形段(3)不设气体分布板，气固混合回流产品气(13)分别从锥形段(3)的底部和侧面切向直接进入锥形段(3)，热气体(14)和气固混合回流产品气(13)的一路气体混合后，进入锥形段(3)的底部，锥形段(3)底部进气口直径不大于加热段(2)直径的10％。

5.根据权利要求2所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：加料管(18)在热解气化反应器(1)的沉降段(4)顶部进入反应器，加料管(18)末端设置弯管，弯管的开口朝添加剂进料器(15)的进料方向，添加剂进料器(15)采用双阀门闭锁料斗型式，添加剂进料器(15)在沉降段(4)的进料口和加料管(18)末端弯管的开口之间的水平距离不大于加热段(2)直径的30％。

6.根据权利要求2所述的一种喷动与流化结合的三段式强化热解气化系统，其特征在于：原料进料密封单元(16)包括星型供料器和其下面的挡板，加料管(18)里面的物料提供料封，螺杆进料器(17)里面可以注入惰性气体以提供气封。

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