一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统的制作方法

本实用新型涉及固体废弃物处理技术领域，尤其是涉及固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统。

背景技术：

随着社会的进步与经济的发展，人类对能源的需求日益增加，传统的化石能源由于其不可再生性，面临着枯竭的问题。生物质能，作为可再生的、潜在可持续的、相对环境友好的清洁能源，近些年来受到国内外的重视，是仅次于煤、石油和天然气处于能源消费总量第四位的能源。我国生物质资源储量丰富，但有效利用率还很低。每年产生的生物质总量有50多亿吨，其中农作物秸秆等废弃物有7亿多吨，除去还田作饲料等还剩3亿多吨的量没有得到有效利用；林业废弃物也有1.5-2亿吨；而且我国也有巨大的生活垃圾、市政和河道污泥等生物质资源以及各种工业废弃物。如何有效地利用固体废弃物资源，使其转化为清洁能源已经成为我国迫切需要解决的问题。热解气化是处理和利用固体废弃物的非常重要的方式，可以将固体废弃物转化为高品位热解气或合成气以替代化石燃料用于电力生产、工业锅炉窑炉、城乡生活燃料等方面或用于合成各种燃料和化学品以及制氢等，不仅可以减少对化石能源的依赖、改善我国能源结构、缓解能源供给矛盾、保障国家能源安全，而且能够减少污染物及温室气体的排放。目前热解和气化的主要问题是产品气热值低、焦油含量高，妨碍了进一步的商业化推广和应用。国外的双流化床气化炉和化学循环燃烧/气化技术近年来发展迅速，借鉴于国内外先进经验，本项目在流化床的基础上，使用生物炭、泥炭、灰分、工业废物铁锈(Fe₂O₃)或电厂脱硫石膏(CaSO₄)等经济性好的物料或废物为床料，改善床料的循环模式以最大程度地降低焦油含量，有效减少污染物排放和调整产品气的组成，发展一种适合我国固体废弃物的新型高效固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统。三床热解和气化技术实现了氮气和产品气(热解气或合成 气)的自然分离，产品气热值高，是将低品位的固体废弃物转化为高品位合成气、热解气、氢气以及生物天然气和液体燃料的有效途径，而且原料适应性强、反应速度快、强度大，适合工业化应用和推广，具有非常广阔的发展前景。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种提高产品气热值与整体热解气化效率以及进一步减少产品气中焦油与污染物的含量的固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统。

实现本实用新型目的的技术方案是：本实用新型一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，包括固体废弃物进料系统(1)、热解器(2)、氧化器系统(3)、氧化器旋风分离器和旋风反应器；氧化器旋风分离器包括氧化器一级旋风分离器(7)和氧化器二级旋风分离器(8)，旋风反应器包括一级旋风分反应器(10)和二级旋风分反应器(11)；固体废弃物进料系统(1)与热解器(2)连接，热解器(2)的输出口通过非机械阀管道或机械阀或螺杆系统与氧化器系统(3)连接；氧化器系统(3)上部的气体输出端一部分与氧化器一级旋风分离器(7)的输入端连接，氧化器一级旋风分离器(7)底部输出端的一部分与一级旋风分反应器(10)的输入端连接，一级旋风分反应器(10)的下部输出端与热解器(2)连通连接，同时，一级旋风反应器(10)的气体进口与热解器(2)连通；氧化器系统(3)上部的气体输出端的另一部分与氧化气排料旋风分离器(9)的输入端连接，氧化气排料旋风分离器(9)下部的固体输出端与残渣收集罐(16)连接，残渣收集罐(16)的底部安装有排渣阀，同时残渣收集罐(16)设有回料管和机械阀或螺杆系统或非机械阀与氧化器系统(3)连接；氧化器系统(3)还设有氧化器下料管(6)与热解器(2)连接；氧化器一级旋风分离器(7)底部输出端的另一部分通过氧化器一级旋风分离器(7)的下料管(14)与氧化器下料管(6)连通连接，氧化器一级旋风分离器(7)的下料管(14)和氧化器下料管(6)汇合后和热解器(2)连通连接；氧化器一级旋风分离器(7)顶部输出端与氧化器二级旋风分离器(8)的输入端连接，氧化器二级旋风分离 器(8)下部输出端与二级旋风分反应器(11)的输入端连接，二级旋风分反应器(11)下部的输出端与固体废弃物进料系统(1)连接；一级旋风分反应器(10)的上部输出端与二级旋风分反应器(11)连接。

热解器的加热或保温方式为微波加热、电磁感应加热、电加热或施加保温层，热解器的外面设有微波加热装置、电磁感应加热装置、电加热装置或施加保温层。

更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，所述氧化器系统(3)采用循环流化床的结构型式，包括提升管(4)、位于提升管(4)底部的进气系统(18)、熔渣排出口(19)，进一步还包括沉降管(5)，沉降管(5)直径大于提升管(4)直径，且沉降管(5)套住提升管上部出口，沉降管(5)和提升管(4)不同轴非对称即中心轴平行且有间距，沉降管(5)下端设有颗粒输出口通过氧化器下料管(6)与热解器(2)连接；若氧化器系统(3)不含有沉降管，则颗粒输出口直接设在提升管(4)上，颗粒输出口和氧化器下料管(6)连接，氧化器下料管(6)和热解器(2)连接；提升管(4)和沉降(5)管直径不同，并且设置为非对称布置，即提升管(4)偏向设置在沉降管(5)的一侧，所述沉降管(5)的颗粒输出口通过氧化器下料管(6)与热解器(2)的输入口连接。氧化器系统(3)采用提升管(4)和沉降管(5)相结合的循环流化床结构形式，提升管(4)和沉降管(5)采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管(5)下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和下料管(6)实现有效的料封，这些大颗粒直接被输送到热解器(2)，避免了在旋风分离器和中的磨损。

更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，热解器(2)采用流化床热解器，所述流化床热解器的物料进料端为水平的螺杆进料器，热解器(2)的主体可以是鼓泡或湍动流化床反应器或为底板具有坡度的流化床反应器，流化床反应器底板上具有孔，所述流化床热解器的加热或保温方式可为微波加热、电磁感应加热、电加热或施加高效保温层。

热解器(2)的床料中除了包括生物炭和灰分外，进一步床料还包括载热体、 催化剂、载氧体等中的一种或几种。

更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，所述一级旋风分反应器(10)设置在热解器(2)的内部或外部，当一级旋风反应器(10)设置在热解器(2)外部时，一级旋风反应器(10)的输出端与热解器(2)连通连接。一级旋风反应器(10)置于流化床热解器里面时可以提高传热效率。

更进一步的优化方案是所述的一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，固体废弃物进料系统(1)包括螺杆进料器，固体废弃物进料系统(1)采用旋转阀密封、双阀闭锁料斗密封、螺杆输送挤压密封、气封等一种或多种密封方式的有机结合实现物料进料系统和反应器的有效隔离和密封。

本实用新型是一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，三床相互作用可以实现氧化、部分氧化、气化和热解、焦油裂解等过程制备高品质产品气。本实用新型使用热解器、氧化器、旋风反应器实现三床联用的热解、气化和焦油裂解；旋风反应器实现热床料和热解气的剧烈混合以充分裂解重整焦油、脱除污染物。

固体废弃物进料系统(1)(尤其螺杆进料器)将固体废弃物和床料混合物输送到热解器(2)，热解器(2)主体是流化床，流化介质是水蒸气或其它气体。热解固体产物通过机械阀或非机械阀管道(如循环回料管(15))和吹送气进入氧化器系统(3)。氧化器(3)的沉降管(5)下端的氧化器下料管(6)可将较大颗粒的床料通过非机械阀和气封气送气吹扫直接输送到热解器(2)。氧化器系统(3)底部的进气系统(18)通入空气和合成气、热解气或者粉状燃料(如生物炭或生物质粉状颗粒)，混合燃烧产生高温区域使灰分熔融，熔渣冷却后落下由氧化器系统(3)底部的熔渣排出口(19)排出；从二级旋风反应器(11)出来的热解气可去下游或返回到氧化器系统(3)的进气系统(18)作燃料用。氧化器排料旋风分离器(9)气固分离后气体和氧化器二级旋风分离器(8)出来的气体混合，固体流入残渣收集罐(16)，残渣收集罐(16)里面一部分物料通过 机械阀或螺杆系统或非机械阀和吹扫气进入氧化器系统(3)以延长部分物料的停留时间和提高碳转化率；其它残渣经过一个旋转阀排出。

所述氧化器一级旋风分离器(7)的输出端通过非机械阀连接一级旋风反应器(10)，所述氧化器二级旋风分离器(8)的输出端通过非机械阀连接二级旋风反应器(11)后，再与二级旋风反应器的下料管(17)的输入端连接，二级旋风反应器的下料管(17)和固体废弃物进料系统(1)的螺杆进料器直接连通连接或通过阀门连通，下料管(17)里面的热床料对螺杆进料器里面的物料有预干燥的作用，从而提高了整体热解气化效率。。所述氧化器二级旋风分离器(8)的输出端也可和热解器(2)直接连接。

氧化器系统(3)里面有燃烧、部分氧化、气化等反应发生，可以是燃烧器，其产物是烟气，也可以是气化器，产品气是合成气；当氧化器系统(3)是气化器时，氧化器系统(3)的合成气和热解器(2)的热解气可以返回到氧化器系统(3)入口处的氧化器进气系统(18)和空气混合燃烧；热解器(2)可以是无氧热解器，产品气是热解气，如通入一些空气、氧气或加入一些载氧体到热解器，其产品气也可以是合成气。

氧化器系统(3)底部通入空气和燃气或粉末状固体燃料，发生燃烧和部分氧化反应产生高温；高温气体在氧化器系统(3)底部径向中间的位置进入，熔渣由其下面的熔渣排出口(19)排出，空气和燃料加入系统通过管道和氧化器系统(3)连接。

本实用新型采用压力传感器和控制阀，通过控制氧化器出口气体或氧化器入口空气流量和压力及空气燃料比来调整氧化器和热解器的压力使之均衡，有效确保两个反应器之间物料循环系统的稳定操作。

热解器(2)的主体为流化床反应器或为底板具有坡度的反应器，流化床反应器底板上具有孔；热解器的加热或保温方式为微波加热、电磁感应加热、电加热或施加保温层，热解器的外面设有微波加热装置、电磁感应加热装置、电加热装置或施加保温层。

本实用新型具有积极的效果：(1)本实用新型是固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，不仅提高了热解气化效率，而且减少了焦油和污染物排放，产品气不含二恶英等污染物，载热体、催化剂和生物炭等的协同作用以最大程度的减少焦油和污染物排放含量。

(2)热解器采用鼓泡或湍动流化床结构设计，采用螺杆输送、重力输送和流化相结合的颗粒流动模式，增加了热解系统稳定性和操作的灵活性，提高了对灰分熔融粘结的适应性。热解器的产品气是热解气，如通入一些空气、氧气或加入一些载氧体到热解器，其产品气可以是合成气。

(3)从氧化器系统来的热床料一处加入到旋风反应器，一处加入到热解器床层，旋风反应器的一部分热料加入到进料系统的螺杆进料器，有利于预干燥物料，也利于热解器床层温度的均匀分布和提高热解气化效率，而且热床料在旋风反应器内和含有焦油的热解气充分混合从而最大程度地减少了热解气焦油含量和污染物排放，提高了热解气化效率。旋风反应器可置于热解器里面以提高传热效率。

(4)其中氧化器系统可采用直径一致的单管反应器，也可采用直径不一致的提升管和沉降管相结合的流化床结构形式，流化床提升管和沉降管采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和下料管实现有效的料封，这些大颗粒直接被输送到热解器，避免了在旋风分离器中的磨损。

(5)氧化器系统底部的进气系统通入空气和合成气、热解气或者粉状燃料(如回收的生物炭或生物质粉末)，混合燃烧在氧化器底部的径向中间区域产生高温使灰分熔融，熔渣冷却后落下由氧化器底部排出，熔渣具有再利用价值。循环流化床氧化器系统底部通入的空气分两路，一路用于燃烧，一路用于熔渣冷却。氧化器的燃烧段外面可设有蒸汽发生器以利用其热量产生水蒸气，同时利于熔渣的冷却和排出。氧化器里面的有完全氧化(燃烧)、部分氧化、气化和热解反应发生，其气体产物是可以是烟气，也可以是合成气。

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为本实用新型包含沉降管且一级旋风反应器位于热解器内部的一体化系统结构示意图；

图2是本实用新型包含沉降管且一级旋风反应器位于热解器外部的一体化系统结构示意图；

图3本实用新型不包含沉降管且一级旋风反应器位于热解器内部的一体化系统结构示意图。

附图标记：1、固体废弃物进料系统，2、热解器，3、氧化器系统，4、提升管，5、沉降管，6、氧化器下料管，7、氧化器一级旋风分离器，8、氧化器二级旋风分离器，9、氧化器排料旋风分离器，10、一级旋风反应器，11、二级旋风反应器，12、氧化器一级旋风分离器下端非机械阀，13、一级旋风反应器下料管，14、氧化器一级旋风分离器下料管，15、循环回料管，16、残渣收集罐，17、二级旋风反应器下料管，18、氧化器进气系统，19、熔渣排出口。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不限于以下实施例。

实施例1

见图1所示，本实用新型是一种固体废弃物三床联用热解气化和焦油裂解一体化系统，具有固体废弃物进料系统1、热解器2、氧化器系统3、氧化器旋风分离器和旋风反应器，其中固体废弃物进料系统1与热解器2连通连接；热解器2的底部输出口通过机械阀或螺杆输送系统或非机械阀管道(如循环回料管15)与氧化器系统3连接；氧化器系统3的输出端与氧化器旋风分离器的输入端连接，氧化器旋风分离器的输出端通过非机械阀与旋风反应器的输入端连接，旋风反应器10与热解器2连通连接。

氧化器系统3是循环流化床燃烧器，产品气是烟气；热解器2是采用鼓泡或湍动流化床反应器的结构设计，产品气是热解气；旋风反应器出来的产品气是合成气。氧化器系统3底通入空气和燃气或粉末状固体燃料，发生燃烧和部分氧化反应产生高温；高温气体在氧化器系统3底部径中间的位置进入，熔渣由其下面的熔渣排出口19排出，空气和燃料加入系统通过管道和循环流化床氧化器系统3连接。

其中氧化器旋风分离器包括一级旋风分离器7、二级旋风分离器8和氧化器排料旋风分离器9，所述旋风反应器包括一级旋风反应器10和二级旋风反应器11，所述氧化器一级旋风分离器7的输出端通过非机械阀连接一级旋风反应器10，所述氧化器二级旋风分离器8的输出端通过非机械阀连接二级旋风反应器11后，再与二级旋风反应器的下料管17的输入端连接，下料管17和固体废弃物进料系统1的螺杆进料器直接连通连接或通过阀门连通，氧化器一级旋风分离器7的下料管14与氧化器下料管6连通连接，下料管14和6汇合后和热解器连通连接。氧化器一级旋风分离器7出来的气体进入二级旋风分离器8，氧化器排料旋风分离器9气固分离后，气体和氧化器二级旋风分离器8出来的气体混合，固体进入残渣收集罐16，残渣收集罐16里面一部分物料通过机械阀或螺杆系统或非机械阀和吹扫气进入循环流化床氧化器系统3以延长部分物料的停留时间和提高碳转化率；其它物料经过一个旋转阀排出。所述氧化器二级旋风分离器8的输出端也可和流化床热解器2直接连接。

氧化器系统3包括提升管4、沉降管5、位于其底部的进气系统18、熔渣排出口19和设置在循环流化床氧化器系统3管壁外的蒸汽发生器。提升管4和沉降管5直径不同，并且径向为非对称布置，提升管4偏向设置在沉降管5的一侧，沉降管5的下料管6通过非机械阀与流化床热解器2的输入口连接，较大的床料颗粒通过下料管6进入流化床热解器2。

其工作过程为：氧化器系统3的进气系统18通入的空气和下游循环来的热解气(或粉末状固体燃料)与流化床热解器2传送过来的残碳发生完全氧化反应 (燃烧)，燃烧产生的高温使灰分融化形成熔渣由底部排出；氧化产生的气体主要是高温的CO₂、H₂O和N₂。此烟气可用于产生蒸汽，部分蒸汽返回热解器2和循环流化床氧化器系统3作为流化介质。

氧化器系统3采用提升管4和沉降管5相结合的流化床结构形式，提升管4和沉降管5采用非对称布置从而使较大的床料颗粒堆积在沉降管5下面的一侧，有利于对大颗粒出料管和氧化器下料管6实现有效的料封，这些大颗粒通过非机械阀和吹送气直接被输送到流化床热解器2中，避免了在氧化器一级旋风分离器7和二级旋风分离器8中的磨损。循环流化床氧化器系统3来的热床料经过氧化器一级旋风分离器7和氧化器二级旋风分离器8的气固分离后进入一级旋风反应器10和二级旋风反应器11内，热床料和含有焦油的热解气充分混合从而最大程度的减少了热解气焦油含量和污染物排放，也提高了系统热解气化效率。从一级旋风反应器10和二级旋风反应器11分离出来的热床料分别进入流化床热解器2和固体废弃物进料系统1的螺杆进料器，二级旋风反应器11分离出来的热床料进入螺杆进料器，对螺杆进料器里面的物料起到预干燥的作用，从而提高了整体的热解气化效率。一级旋风反应器10置于流化床热解器2里面以提高传热效率，一级旋风反应器10分离出的固体床料经过下料管13和一个料封机构进入流化床热解器2里面；一级旋风反应器10气固分离后的热解气进入二级旋风反应器11，二级旋风反应器11气固分离后的热解气进入下游的气体冷却和净化系统。

固体废弃物由进料系统进入流化床热解器2，进料系统采用螺杆输送挤压、星型阀或闭锁料斗、气封结合的密封方式。鼓泡或湍动流化床热解器2采用螺杆输送、重力作用和流化(底板有孔)相结合的颗粒流动模式，增加了热解系统稳定性和操作的灵活性，提高了对灰分熔融粘结的适应性。通过热解反应器结构设计的改善和床料循环系统的改进，床料中的生物炭、灰分和催化剂可以将大部分焦油裂解，从而大幅度降低热解气中焦油含量。流化床热解器2产生的生物炭和其它床料溢流至循环流化床氧化器系统3。其中流化床热解器2用微波加热、电磁感应加热、电加热或设置高效保温层的方式提高或维持热解温度，从而改善热 解产品分布和组成。

除了生物炭和灰分外，进一步床料还包括载热体、催化剂和载氧体等，这些床料协同作用可以以最大程度的减少焦油含量和污染物排放。通过热解和氧化反应器进料系统的改进、氧化器和热解器结构的优化设计、不同床料混合使用、床料循环流动和气固混合水平的提高，本系统可生产高品质产品气，极大地提高了整体热解气化效率、提高了产品气热值、减少了产品气焦油含量和污染物排放，从而有效地制备高品质的清洁产品气。采用市政污泥或农林废弃物等为原料，产品气低位热值>10MJ/kg。

实施例2

见图1所示，与实施1的区别之处在于所述循环流化床氧化器系统3采用空气供应不足、燃烧不充分的模式，即部分氧化的运行模式，气化器的产品气是合成气，其依次包括提升管4、沉降管5和位于其底部的进气系统18。

实施例3

见图1所示，与实施1的区别之处在于所述流化床热解器2的床料中加入了廉价的工业废物铁锈(Fe₂O₃)、电厂脱硫石膏(CaSO₄)等载氧体，载氧体所含晶格氧的释放促进了热解器的部分氧化，从而提高了热解器的温度，流化床热解器2操作在气化器的运行模式，其产品气是合成气。循环流化床氧化器系统3操作在完全燃烧模式。

实施例4

见图2所示，与实施1的区别之处在于所述旋风反应器10置于流化床热解器2的外面，旋风反应器10分离出来的固体床料通过非机械阀和吹送气返回到流化床热解器2。

实施例5

见图3所示，与实施1的区别之处在于所述循环流化床氧化器系统3采用相同直径的单管反应器，其依次包括提升管4、位于其底部的进气系统18、熔渣排出口19和设置在循环流化床氧化器系统3管壁外的蒸汽发生器(没有图示)。流 化床热解器2采用底板有倾角坡度的分布板。

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。