一种固体有机材料的裂解方法及系统与流程

本发明涉及一种固体有机材料裂解的处理技术，尤其涉及一种固体有机材料的裂解方法及系统，属于废料处理与资源利用技术领域。

背景技术：

固体有机材料（城市生活垃圾、医疗垃圾、生物质、塑料）处理已是世界性的难题。现有的处理主要有填埋法、堆肥法和 焚烧法，虽然各有自己的优势，但缺点也是非常明显。填埋法存在污染环境、占用大量土地资源，适用价值逐渐降低。堆肥法堆肥过程难以控制，对坏境的二次污染大，且对有机物的利用不完全，肥料成份复杂，减量化较小等因素，将逐步被淘汰。焚烧法炉渣中可燃物含量≥5%，炉渣热灼减率≥3%，运行处理成本高，焚烧尾气不能达标排放，阻碍了技术发展。裂解处理是固体有机材料处理的新发展方向，具有很大的优势，如处理过程快速高效、能耗少、成本低、资源利用率高、操作简单、可显著降低固体有机材料裂解后对环境所造成的危害等特点，从而真正实现无害化处理。但由于裂解处理效率低，技术要求高，发展并不迅速，特别是微波裂解，由于微波具有选择性加热、正反馈等特点，技术难点高，能耗利用率低，目前使用并不十分理想，成为影响固体有机材料微波裂解处理技术发展的瓶颈。

技术实现要素：

本发明旨在解决固体有机材料在裂解过程中存在的耗能高，裂解效率低，裂解产物不符合环保要求，裂解处理过程可控性低等问题，提供一种新的固体有机材料的裂解方法，针对固体有机材料的特殊性，将固体有机材料裂解得到的混合气态产物与微波裂解创新性的结合，并将气体介质、尤其是混合气态产物循环用于固体有机材料的裂解，通过采用特定的工艺步骤和参数，使得发明的裂解方法在能耗上有了质的降低，裂解效率有了质的提高，同时还提高了裂解处理过程的可控性，避免有害有毒气体的产生，并将处理后的裂解气体、裂解油、炭渣作为燃料直接加热混合气态产物，提高资源的回收利用率，减轻环境压力。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术实现：

1、一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述方法包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至350℃～700℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至350℃～700℃循环用于步骤D裂解，其余排出，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。排出裂解装置的那一部分气体回收利用。

裂解装置开机前，需进行排氧处理，排氧可以用氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体中的一种或一种以上的组合进行，初始裂解时，气体介质可以采用加热到350～700℃的氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体中的一种或一种以上的组合作为初始裂解的气体介质； 在裂解过程中，所述的气体介质为步骤D中得到的混合气态产物。

进一步的，所述的固体有机材料裂解前进行预加热，所述预加热是将固体有机材料预加热至100℃～400℃。对要裂解的固体有机材料预加热可提高固体有机材料吸收微波的能力和吸收微波的均匀性，并使微波更多的用于固体有机材料裂解。将固体有机材料预加热至100℃～400℃，可以采用热水、热油、蒸汽、加热循环裂解气、燃烧后的缺氧尾气、加热的惰性气体中的一种或一种以上的组合进行预加热。

在裂解时，使用的微波是一种300MHz~300GHz的电磁波，可进一步的选择频率为915MHz±50MHz、2450MHz±50MHz, 5.8GHz±100MHz中的任意一种或一种以上的组合。

在步骤D中，所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用。

进一步的，所述工艺还包括将步骤E中排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离，所述油气分离的方法包括冷凝、吸附、静电除油及喷淋中的一种或一种以上的组合使混合气态产物中的裂解油被分离出来。冷凝是用冷却的方法使油蒸汽变成液体，吸附可用活性碳、吸附剂（如硅胶、氧化铝、分子筛）等吸附材料吸附油雾，静电除油，喷淋可以采用喷洒水、油之类的液体，去除油雾、油蒸汽。

在步骤E中，所述混合气态产物加热可以利用排出裂解系统外的混合气态产物经油气分离得到的裂解油、裂解气、所述固态产物中的炭渣中的一种或一种以上的组合作为燃料进行加热。达到热量自给自足的目的。

进一步的，本发明还提供了一种用于权利要求1所述的固体有机材料的裂解系统，包括微波发生器、与微波发生器连接的复合裂解腔，所述复合裂解腔上开设有复合裂解腔进气口和复合裂解腔出气口、还包括气体加热装置，所述气体加热装置上开设有气体加热装置出气口和气体加热装置进气口，所述气体加热装置出气口与复合裂解腔进气口连通，所述气体加热装置进气口与复合裂解腔出气口连通，所述气体加热装置与复合裂解腔的连接管道上开设有分流接口，所述分流接口上连接有分流管。其工作流程为：将需裂解的原料送入复合裂解腔，然后开启与复合裂解腔连接的气体加热装置将气体加热装置中的气体介质加热；加热好的气体介质通过气体加热装置的出气口、复合裂解腔的进气口持续地通入复合裂解腔，与微波发生器馈入复合裂解腔的微波共同作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；混合气态产物从复合裂解腔出气口持续流出，然后部分通过气体加热装置进气口进入气体加热装置中，加热后再进入到复合裂解腔中用于裂解，依次循环；没有通入到复合裂解腔中的混合气态产物则通过气体加热装置进气口与复合裂解腔出气口连接通道上的分流管排出裂解系统。

在向复合裂解腔持续的通入气体介质的裂解过程中，复合裂解腔中的混合气体（为裂解产生的气态产物和通入气体介质的混合）也同时持续地从裂解腔出气口流出，进入下一环节。

本裂解系统除了气体分流口将气体排出裂解系统外、固态产物排出通道将固态产物排出裂解系统外，各装置之间连接成一个循环流通的密闭系统，除了刚开始裂解，没有得到混合气态产物的情况下气体介质为氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体中的一种或一种以上的组合，后面所有的循环过程中的气体介质都是裂解得到的气态产物的混合气。

上述裂解系统中，分流口可开设多个；为了能向复合裂解腔中馈入多种频率的微波、更大的微波功率，在复合裂解腔上可连接多个微波发生器。

进一步的，所述裂解系统还包括原料预加热装置，所述原料预加热装置与复合裂解腔连接，所述分流管上连接有油气分离装置，所述复合裂解腔上开设有固体产物排出通道。

所述油气分离装置包括管式换热冷凝器、壳管式冷凝器、吸附除油器、喷雾式冷凝器、喷淋式冷凝器、列板式冷凝器、管板式冷凝器、静电除油器中的任意一种或一种以上的组合，所述原料预加热装置包括红外加热器、回转加热筒、加热流化床、加热浴槽、热风式加热器中的一种或一种以上的组合。

本发明的有益效果：

1、本发明将加热至350℃～700℃的气体介质通入复合裂解腔，与微波共同作用于固体有机材料从而进行裂解，通过这一特定的工艺步骤和参数的结合，在裂解同样量的固体有机材料时，与传统的热裂解方法、微波裂解方法相比，裂解时间减少了40%以上，裂解能耗降低了60%以上，大大的提高了裂解效率，节省了生产成本；取得了意料不到的技术效果。本发明持续地的通入温度为350℃～700℃的气体介质进行裂解，这一温度范围的气体介质强制性的从原料之间流过并与之充分换热，不仅提供裂解能量，更重要的是改善固体有机材料吸收微波的性能，再将这一特点与微波特定地结合，从而充分提高裂解的能源利用率，减少了裂解时间；还提高了裂解进程的可控性，便于控制裂解原料的温度，从而有效控制裂解气与裂解油的比例、及裂解油的品质。

本发明在初始裂解的时候的气体介质为氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体中的一种或一种以上的组合气体，后续都将按本发明工艺得到的混合气态产物循环用于裂解，不但节省了气体介质的成本，同时还能避免了使用氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体这些气体造成环境危害问题，减轻了环境压力。

本发明工艺适合大规模应用，且符合环保要求，并在经济上可行的工艺路线。

2、本发明在裂解前将固体有机材料预加热至100～400℃，通过预热和裂解系统中的高温气体介质加热固体有机材料，提高其温度，从而改善固体有机材料的微波吸收能力、提高均匀性，还能部分地提供裂解能量，从而极大地提高微波利用效率，进一步减少能耗及裂解时间。

3、采用本发明的方法，在保证固体有机材料的完全裂解的同时，极大的降低了微波能耗，并提高了裂解效率。

4、本发明利用原料裂解后得到的炭渣、排出裂解系统的混合气态产物经油气分离后得到的气体、裂解油中的一种和一种以上的组合作为燃料进行加热，达到能量自足的目的，节省生产成本。

5、本发明的裂解系统在现有技术的基础上增加了气体加热装置，并创新性的改变系统中各装置之间的连接关系，形成一个可以将裂解自身得到的气体循环用于裂解的系统，结构简单、运行稳定、操作维护方便。

附图说明

图1为本发明裂解系统结构示意图；

图2为本发明工艺流程图；

1微波发生器、2复合裂解腔、21复合裂解腔进气口、22复合裂解腔出气口、23固态产物排出通道、3气体加热装置、31气体加热装置出气口、32气体加热装置进气口、4分流接口、5分流管、6油气分离装置、7原料预加热装置。

具体实施方式

下述实施例中，裂解过程中是隔绝氧气的，每次开机需通入氮气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体的一种或几种排出系统内空气，这些气体随着裂解气态产物的循环被替换掉。

下述实施例中，微波输出功率为10～2000kw。

实施例1

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至350℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至350℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

气体介质为氮气，固体有机材料为：生物质

实施例2

1、一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至400℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；微波频率为2450MHz±50MHz

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至400℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中，气体介质为水蒸气，固体有机材料为生物质。

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至100℃。

实施例3

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至500℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述的微波频率为5.8GHz±100MHz

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至500℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中所述的气体介质为水蒸气与按发明方法裂解得到的混合气态产物的混合气体。固体有机材料为塑料。

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至200℃。

实施例4

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至600℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至600℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中所述的气体介质为氮气。固体有机材料为生物质。

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至300℃。

实施例5

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至700℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至700℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中，气体介质为按本实施例工艺理解得到混合气态产物；固体有机材料为生物质；

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至400℃。

本实施例裂解的微波频率为915MHz±50MHz。

实施例6

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；所述的固体有机材料为塑料；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至350℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至350℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中，所述体介质为按本实施例工艺理解得到混合气态产物；

为了更好的实施本发明，本实施例将排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离，所述油气分离的方法包括冷凝和吸附结合使用，分离效果更好。

实施例7

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；固体有机材料为塑料；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至350℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至350℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施例中，气体介质为氮气与按照本发明裂解方法得到的混合气态产物的混合气体。

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至100℃。

为了更好的实施例本发明，本实施例采用经油气分离得到的裂解油、固体产物中的炭渣及裂解气分流后排出裂解系统的裂解气中的一种或多种燃料对混合气态产物进行加热，具体的根据实际需要的热量决定采用一种或是多种进行加热。

实施例8

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至450℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至450℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施的固体有机材料为塑料；气体介质为二氧化碳；

本实施例中，所述裂解前将固体有机材料预加热至200℃。

为了更好的实施本发明，本实施例提供了一种用于固体有机材料裂解的裂解系统，所述系统包括微波发生器1、与微波发生器1连接的复合裂解腔2，所述复合裂解腔上开设有复合裂解腔进气口21和复合裂解腔出气口22、其特征在于：还包括气体加热装置3，所述气体加热装置上开设有气体加热装置出气口31和气体加热装置进气口32，所述气体加热装置出气口31与复合裂解腔进气口21连通，所述气体加热装置进气口32复合裂解腔出气口22连通，所述气体加热装置3与复合裂解腔2的连接管道上开设有分流接口4，所述分流接口4上连接有分流管5。

实施例9

一种固体有机材料的裂解方法及系统，所述工艺包括下述步骤：

A、固体有机材料预处理；

B、将步骤A预处理好的固体有机材料送入裂解装置；

C、采用气体加热装置将气体介质加热至550℃；

D、将步骤C加热的气体介质持续地通入裂解装置与微波同时作用于固体有机材料进行裂解，得到固态产物和混合气态产物；所述固态产物经无氧冷却后排出，回收利用；

E、将步骤D得到的混合气态产物的部分通入到步骤C所述的气体加热装置中加热至550℃循环用于步骤D裂解，其余排出裂解系统，所述通入到气体加热装置中的混合气态产物的流量与步骤D中通入到裂解装置中气体介质的流量相同。

本实施中，是对塑料进行裂解，所述裂解前将固体有机材料预加热至300℃。所述气体介质为惰性气体，所述裂解的微波频率为5.8GHz±100MHz。

本实施例进一步对步骤E中排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离，所述油气分离的方法为冷凝。

本实施例采用步骤E中所述裂解油、步骤D中所述固态产物中的炭渣作为燃料对混合气态产物进加热。

为了更好的实施本发明，本实施例提供了一种较优的固体有机材料裂解的裂解系统，所述系统包括微波发生器1、与微波发生器1连接的复合裂解腔2，所述复合裂解腔上开设有复合裂解腔进气口21和复合裂解腔出气口22、其特征在于：还包括气体加热装置3，所述气体加热装置上开设有气体加热装置出气口31和气体加热装置进气口32，所述气体加热装置出气口31与复合裂解腔进气口21连通，所述气体加热装置进气口32复合裂解腔出气口22连通，所述气体加热装置3与复合裂解腔2的连接管道上开设有分流接口4，所述分流接口4上连接有分流管5。

所述裂解系统还包括原料预加热装置7，所述原料预加热装置7与复合裂解腔2连接，所述分流管5的上连接有油气分离装置6，所述复合裂解腔2上开设有固体产物排出通道23。

所述油气分离装置6为管式换热冷凝器或壳管式冷凝器；所述原料预加热装置7为红外加热器。

实施例10

本实施例与实施例8的区别在于：

在步骤C中，气体介质加热至650℃；

步骤E 中，混合气态产物加热至650℃循环用于步骤D裂解

所述裂解前将固体有机材料预加热至400℃。所述气体介质为二氧化碳、氮气及按照本发明裂解方法得到的混合气态产物的混合气体；

本实施例进一步对步骤E中排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离，分离的为吸附分离得到裂解油。油气分离装置为吸附除油器；所述原料预加热装置7采用回转加热筒。

实施例11

本实施例与实施例8的区别在于：

在步骤C中，气体介质加热至500℃；

步骤E 中，混合气态产物加热至500℃循环用于步骤D裂解。

所述裂解前将固体有机材料预加热至250℃，所述气体介质为步骤D中得到的所述混合气态产物； 所述固体有机材料为生活垃圾。

本实施例进对步骤E中排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离的方法静电除油。油气分离装置为加热流化床。

实施例12

本实施例与实施例8的区别在于：

在步骤C中，气体介质加热至450℃

步骤E 中，混合气态产物加热至450℃循环用于步骤D裂解

所述裂解前将固体有机材料预加热至250℃。所述气体介质为步骤D中得到的所述混合气态产物； 所述固体有机材料为医疗垃圾。

本实施例对步骤E中排出裂解系统的混合气态产物进行油气分离的方法包括为喷淋。

所述油气分离装置6为喷雾式冷凝器或喷淋式冷凝器。所述原料预加热装置7为热浴槽。

将实施例1-12的相关数据统计在下表1中；

表1

由上述1数据可知：本方法有效提高裂解效率并显著降低微波能耗；相对的，大幅的加速了裂解过程，减少裂解油在高温环境的时间，极大的提高了裂解油的品质和产量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。