CN212357156U

CN212357156U - 一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉

Info

Publication number: CN212357156U
Application number: CN202021899150.8U
Authority: CN
Inventors: 李先春; 林建廷; 王晴; 王焕然
Original assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Current assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2030-09-03

Abstract

本实用新型涉及一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，包括热解气化炉本体、物料输送螺杆及燃烧室套管；所述热解气化炉本体由炉本体、热解物料进料口、催化剂进料口、多孔碳收集口、催化剂收集口、循环烟气入口、合成气出口及合成气支路组成；炉本体的内部空间按功能划分为热解区域、气化区域；对应合成气出口管一端的炉本体外端与燃烧室套管之间通过隔气挡板分隔为燃烧区域，燃烧室套管与炉本体之间的其余部分形成夹套换热结构。本实用新型可实现连续供料，且热解过程受热更均匀、合成气品质更高、有害污染物及焦油含量更低。

Description

一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉

技术领域

本实用新型涉及垃圾处理技术领域，尤其涉及一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉。

背景技术

热解技术是解决城市垃圾焚烧技术弊病、实现固废高效无害化处理的一项新兴技术。由于垃圾热解技术的加热过程是在贫氧气氛中进行的，所以产生的含氧有毒污染物较少，生成的合成气热值较高，体积较小，还能副产出附加值较高的多孔碳材料，有利于满足不同的能源需求。但是，同样由于热解过程是在贫氧气氛和高温条件下进行的，所以在热解合成气中会存在大量的热解焦油，成为阻碍固废热解技术大规模应用的难题之一。热解焦油不仅会影响合成气的气体品质，降低合成气的热值，还会在下游设备中冷凝而影响其正常运行。目前，热解技术在垃圾处理上的应用仍然存在焦油处理成本高、合成气热值较低、热解过程受热不均匀等问题。

发明内容

本实用新型提供了一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，可实现连续供料，且热解过程受热更均匀、合成气品质更高、有害污染物及焦油含量更低。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，包括热解气化炉本体、物料输送螺杆及燃烧室套管；所述热解气化炉本体由炉本体、热解物料进料口、催化剂进料口、多孔碳收集口、催化剂收集口、循环烟气入口、合成气出口及合成气支路组成；所述炉本体水平设置，炉本体一端的顶部设热解物料进料口，炉本体另一端的顶部设催化剂进料口；靠近炉本体中心位置的炉本体底部设多孔碳收集口及催化剂收集口；炉本体的内部空间按功能划分为热解区域、气化区域；热解物料进料口的出料端与多孔碳收集口的入料端之间的炉本体内为热解区域，催化剂进料口的出料端与催化剂收集口的入端料之间的炉本体内为气化区域；炉本体的炉膛内沿纵向通长设有物料输送螺杆，物料输送螺杆的一端由设于燃烧室套管外部的电机驱动，物料输送螺杆上对应热解区域、气化区域分别设置1段旋向相反的螺旋叶片；对应热解区域的螺旋叶片的输送方向为自热解物料进料口一端向多孔碳收集口一端；对应气化区域的螺旋叶片的输送方向为自催化剂进料口一端向催化剂收集口一端；对应气化区域外端的炉本体上部设合成气出口管；所述燃烧室套管套设在炉本体外侧且两者之间留有间隙，对应合成气出口管一端的炉本体外端与燃烧室套管之间通过隔气挡板分隔为燃烧区域，燃烧室套管与炉本体之间的其余部分形成夹套换热结构；隔气挡板上设有多个烧嘴，所述烧嘴通过氧气入口管与外部的氧气输送管道相连，通过合成气支管连接合成气出口管；对应热解区域外端的炉本体上部设循环烟气入口与夹套换热结构连通。

所述多个烧嘴沿炉本体的周向均匀设置，烧嘴另外通过外部燃料入口管与外部燃料输送管道相连。

所述燃烧室套管的外壁设保温层。

所述物料输送螺杆通过螺杆支架支撑在炉本体的炉膛内。

所述热解物料进料口、催化剂进料口、多孔碳收集口、催化剂收集口处分别设控制阀门。

对应热解区域的炉本体内、对应气化区域的炉本体内、合成气出口管上、夹套换热结构中及循环烟气入口处分别设有热电偶。

所述合成气出口管、合成气支管、氧气入口管、循环烟气入口处分别设有调节阀。

所述物料输送螺杆及其上的螺旋叶片均采用陶瓷或石英材料制作。

所述隔气挡板由设于燃烧室套管内侧的隔气挡板一及设于炉本体外侧的隔气挡板二共同组成，隔气挡板一与隔气挡板二之间铆接或通过螺栓连接固定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)热解气化炉包含热解区域和气化区域，热解过程产生的油气、水汽、焦油等生成物通过高温的气化区域可以进一步进行提质和催化裂化，同时，产生的有毒污染物也可以经过高温气化区域在催化剂的作用下进一步分解。

2)热解气化炉炉膛内设物料输送螺杆，且物料输送螺杆上对应热解区域、气化区域分别设有一段螺旋叶片，两段螺旋叶片的旋向相反，输送方向为相对输送，物料输送输料螺杆采用一台电机驱动，就可实现设备运行过程中不间断地供应、排出热解物料及催化剂。

3)合成气出口管通过合成气支管连接隔气挡板上设置的多个烧嘴，烧嘴分别与合成气支管及氧气入口管相连，可直接对热解和气化过程产生的高品质合成气进行利用，热解气化炉正常运行后，只需向热解气化炉内供入氧气即可进行燃烧反应。

4)由于气化过程产生的合成气温度较高(可达900℃以上)，而供入的氧气较少，所以产生的富CO₂贫氧烟气可以快速升温至900℃以上，相较于传统热解技术利用低温的贫氧空气与氮气作为热解过程的保护气，本实用新型使用较少的合成气就可以达到维持其自身稳定运行的供热温度。

5)本实用新型所述垃圾热解气化体设有夹套换热结构，合成气燃烧产生的高温烟气可以依次流经气化区域和热解区域的炉本体外壁向对应区域进行供热，使气化区域中的催化剂和热解区域中的热解物料保持在一个相对稳定且理想的温度范围，实现对高温尾气温度的梯级利用。

6)夹套换热结构通过循环烟气入口与热解区域的炉膛相连，对气化区域及热解区域供热后降温的烟气(约500℃)可以回流至炉本体内作为热解过程的惰性载气；气体热载体的温度较为均匀，可以直接流经物料周围对其进行加热，相较于传统的单一外部供热或固体介质供热方法，本实用新型具有传热高效、供热均匀等特点。

7)本实用新型燃烧后的烟气可以作为气化过程的气化剂，相较于传统热解过程以N₂为主的热解气氛，烟气中的高浓度CO₂/H₂O不仅可以不断与焦炭进行气化反应，使得由于焦油裂解反应被积碳包覆的催化剂活性位点重新显露，还有利于气化反应朝向生成还原性气体的方向进行，显著提高H₂、CO的收率。

8)热解物料及催化剂在炉膛内分别进出，互不相扰，有利于对热解后生成的多孔碳及使用后的催化剂分别进行回收和利用。

9)物料输送螺杆在输料过程中不断转动，带动热解物料及催化剂翻转及前进，相较于传统的固定床热解炉有利于物料及催化剂的均匀受热，可防止结焦。

附图说明

图1是本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉的俯视图。

图2是本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉的正视图。

图3是本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉的右视图。

图4是图3中的A-A视图。

图5是图3中的B-B视图。

图6是图2中的C-C视图。

图7是图2中的D-D视图。

图中：1.物料输送螺杆 2.热解气化炉本体 3.燃烧室套管 4.热解物料进料口 5.多孔碳收集口 6.催化剂进料口 7.催化剂收集口 8.合成气出口管 9.合成气支管 10.氧气入口管 11.隔气挡板一 12.隔气挡板二 13.烧嘴 14.夹套换热结构 15.循环烟气入口16.热解区域 17.气化区域

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1-图7所示，本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，包括热解气化炉本体1、物料输送螺杆1及燃烧室套管3；所述热解气化炉本体1由炉本体、热解物料进料口4、催化剂进料口6、多孔碳收集口5、催化剂收集口7、循环烟气入口15、合成气出口管8及合成气支管9组成；所述炉本体水平设置，炉本体一端的顶部设热解物料进料口4，炉本体另一端的顶部设催化剂进料口6；靠近炉本体中心位置的炉本体底部设多孔碳收集口5及催化剂收集口7；炉本体的内部空间按功能划分为热解区域16、气化区域17；热解物料进料口4的出料端与多孔碳收集口5的入料端之间的炉本体内为热解区域16，催化剂进料口6的出料端与催化剂收集口7的入端料之间的炉本体内为气化区域17；炉本体的炉膛内沿纵向通长设有物料输送螺杆1，物料输送螺杆1的一端由设于燃烧室套管3外部的电机驱动，物料输送螺杆1上对应热解区域16、气化区域17分别设置1段旋向相反的螺旋叶片；对应热解区域16的螺旋叶片的输送方向为自热解物料进料口4一端向多孔碳收集口5一端；对应气化区域17的螺旋叶片的输送方向为自催化剂进料口6一端向催化剂收集口7一端；对应气化区域17外端的炉本体上部设合成气出口管8；所述燃烧室套管3套设在炉本体外侧且两者之间留有间隙，对应合成气出口管8一端的炉本体外端与燃烧室套管3之间通过隔气挡板分隔为燃烧区域，燃烧室套管3与炉本体之间的其余部分形成夹套换热结构14；隔气挡板上设有多个烧嘴13，所述烧嘴13通过氧气入口管10与外部的氧气输送管道相连，通过合成气支管9连接合成气出口管8；对应热解区域16外端的炉本体上部设循环烟气入口15与夹套换热结构14连通。

所述多个烧嘴13沿炉本体的周向均匀设置，烧嘴13另外通过外部燃料入口管与外部燃料输送管道相连。

所述燃烧室套管3的外壁设保温层。

所述物料输送螺杆1通过螺杆支架支撑在炉本体的炉膛内。

所述热解物料进料口4、催化剂进料口6、多孔碳收集口5、催化剂收集口7处分别设控制阀门。

对应热解区域16的炉本体内、对应气化区域17的炉本体内、合成气出口管8上、夹套换热结构14中及循环烟气入口15处分别设有热电偶。

所述合成气出口管8、合成气支管9、氧气入口管10、循环烟气入口15处分别设有调节阀。

所述物料输送螺杆1及其上的螺旋叶片均采用陶瓷或石英材料制作。

所述隔气挡板由设于燃烧室套管3内侧的隔气挡板一11及设于炉本体外侧的隔气挡板二12共同组成，隔气挡板一11与隔气挡板二12之间铆接或通过螺栓连接固定。

本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉的工作方法如下：

1)包括生活垃圾在内的生物质热解物料贮存在物料进料仓中，在垃圾热解气化炉运行时，通过热解物料进料口4不断供入热解气化炉本体2的炉膛内，在物料输送螺杆1的输送作用下，生物质热解物料在热解区域16内移动同时进行热解反应，热解产生的多孔碳通过多孔碳收集口5被送至多孔碳收集仓中；

2)气化用的催化剂贮存在催化剂进料仓中，在垃圾热解气化炉运行时，通过催化剂进料口6不断供入热解气化炉本体2的炉膛内，在物料输送螺杆1的输送作用下，催化剂在气化区域17内移动同时进行催化气化反应，反应后的催化剂通过催化剂收集口7被送至催化剂收集仓中；

3)垃圾热解气化炉运行初期，向热解气化炉本体2的炉膛内供入一部分生物质热解物料及催化剂，再向炉膛内供入CO₂气体进行洗气操作；当炉本体内的CO₂气氛达到设定浓度后，分别通过合成气支管9和氧气入口管10向烧嘴13内供入燃料和氧气，经过烧嘴13燃烧产生高温烟气；

4)当炉本体内各段温度达到运行要求后，即热解区域16对应的炉膛温度达到500～550℃，气化区域17对应的炉膛温度达到900～950℃时，逐渐用炉本体内热解及气化过程产生的合成气替代外部燃料供入烧嘴13；通过设置在热解区域16的炉本体内、气化区域17的炉本体内、合成气出口管8上、夹套换热结构14中及循环烟气入口15处的热电偶反映的温度，对热解物料进料量、催化剂进料量、合成气回收速率、氧气供给速率进行调整，使各区域的温度达到热解气化炉的运行要求；

5)炉本体内生成的合成气温度为900℃以上，一部分合成气通过合成气出口管8送出，另一部分合成气通过合成气支管9送入烧嘴13中进行燃烧，产生的高温烟气温度达900℃以上；高温烟气在夹套换热结构14中流动，依次流经对应气化区域16和热解区域17的炉本体外侧，通过炉本体的外壁进行间接换热，使对应区域的炉膛温度保持运行要求；夹套换热结构14与燃烧区域之间通过隔气挡板阻隔，防止高温烟气回流影响传热效果；换热后冷却的烟气温度在500℃以内，由循环烟气入口15进入炉本体内作为热解区域16的热解保护气和热载体，以及气化区域17的气化剂，燃烧后的烟气中所含的包括NH₃、NO_X在内的污染物在催化剂和高温作用下被逐渐分解。

本实用新型所述一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉中，热解物料进料仓与炉本体的热解区域16通过热解物料进料口4相连，对应热解物料输送方向末端的热解区域16底部设多孔碳收集口5与多孔碳收集仓相连；催化剂进料仓与炉本体的气化区域17通过催化剂进料口6相连，对应催化剂输送方向末端的气化区域17底部设催化剂收集口7与催化剂收集仓相连。热解区域16的炉膛与气化区域17的炉膛直接连通，整个炉本体的炉膛内沿纵向设物料输送螺杆1，物料输送螺杆上上对应热解区域16、气化区域17的2段螺旋叶片旋向相反，物料输送螺杆1由外部电机驱动，生物质热解物料的输送方向为自热解物料进料口4一端向多孔炭收集口5一端；催化剂的输送方向为自催化剂进料口6一端向催化剂收集口7一端。

根据需要，可设置多个烧嘴13，以保证夹套换热结构14的周向温度均匀。

根据需要，可在炉本体中的热解区域16、炉本体中的气化区域17、合成气出口8、夹套换热结构14中及循环烟气入口15分别设有热电偶，以实时监测炉体各部的温度及运行状况。

根据需要，可在热解物料进料口4、催化剂进料口6、多孔碳收集口5、催化剂收集口7处对应设置控制阀门，根据垃圾热解气化炉的运行状态调整各部供气量/供料量及出气量/出料量。

根据需要，可在多孔碳收集仓、催化剂收集仓、合成气出口管8处设置余热回收装置，并将回收的热量用于对物料进料仓、催化剂进料仓、氧气入口管10等处进行预热。

根据需要，物料输送螺杆1及其上的螺旋叶片可使用陶瓷或石英材质制作，以方便设备清洗，并且其更耐腐蚀，使用寿命更长。

本实用新型中，生物质热解物料与催化剂自炉体两端分别供入炉体，并相向输送；生物质热解物料热解后产出的多孔碳与反应后的催化剂从对应的收集口单独排出，互不干扰；反应生成的合成气一部分直接用于燃烧后供入炉本体进行加热，加热后的高温烟气依次对气化区域17及热解区域16供热，供热后从1000℃左右降温至500℃左右的烟气直接通过循环烟气入口15送入热解区域16的炉膛中作为热解保护气气氛。

在常规的热解气化炉中，由于焦油在气化区域常常会发生裂解反应并产生积碳，包覆催化剂的活性位点而使催化剂的活性降低。本实用新型中，由于进入炉膛的烟气主要成分是CO₂和H₂O，会不断对气化区域17内的催化剂进行气化，使得催化剂的活性位点暴露，从而有效提高催化剂的利用率并增加合成气中CO/H₂的产量。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，包括热解气化炉本体、物料输送螺杆及燃烧室套管；所述热解气化炉本体由炉本体、热解物料进料口、催化剂进料口、多孔碳收集口、催化剂收集口、循环烟气入口、合成气出口及合成气支路组成；所述炉本体水平设置，炉本体一端的顶部设热解物料进料口，炉本体另一端的顶部设催化剂进料口；靠近炉本体中心位置的炉本体底部设多孔碳收集口及催化剂收集口；炉本体的内部空间按功能划分为热解区域、气化区域；热解物料进料口的出料端与多孔碳收集口的入料端之间的炉本体内为热解区域，催化剂进料口的出料端与催化剂收集口的入端料之间的炉本体内为气化区域；炉本体的炉膛内沿纵向通长设有物料输送螺杆，物料输送螺杆的一端由设于燃烧室套管外部的电机驱动，物料输送螺杆上对应热解区域、气化区域分别设置1段旋向相反的螺旋叶片；对应热解区域的螺旋叶片的输送方向为自热解物料进料口一端向多孔碳收集口一端；对应气化区域的螺旋叶片的输送方向为自催化剂进料口一端向催化剂收集口一端；对应气化区域外端的炉本体上部设合成气出口管；所述燃烧室套管套设在炉本体外侧且两者之间留有间隙，对应合成气出口管一端的炉本体外端与燃烧室套管之间通过隔气挡板分隔为燃烧区域，燃烧室套管与炉本体之间的其余部分形成夹套换热结构；隔气挡板上设有多个烧嘴，所述烧嘴通过氧气入口管与外部的氧气输送管道相连，通过合成气支管连接合成气出口管；对应热解区域外端的炉本体上部设循环烟气入口与夹套换热结构连通。

2.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述多个烧嘴沿炉本体的周向均匀设置，烧嘴另外通过外部燃料入口管与外部燃料输送管道相连。

3.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述燃烧室套管的外壁设保温层。

4.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述物料输送螺杆通过螺杆支架支撑在炉本体的炉膛内。

5.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述热解物料进料口、催化剂进料口、多孔碳收集口、催化剂收集口处分别设控制阀门。

6.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，对应热解区域的炉本体内、对应气化区域的炉本体内、合成气出口管上、夹套换热结构中及循环烟气入口处分别设有热电偶。

7.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述合成气出口管、合成气支管、氧气入口管、循环烟气入口处分别设有调节阀。

8.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述物料输送螺杆及其上的螺旋叶片均采用陶瓷或石英材料制作。

9.根据权利要求1所述的一种催化热解烟气循环的垃圾热解气化炉，其特征在于，所述隔气挡板由设于燃烧室套管内侧的隔气挡板一及设于炉本体外侧的隔气挡板二共同组成，隔气挡板一与隔气挡板二之间铆接或通过螺栓连接固定。