一种交替式热解气化装置与方法

1.本发明属于有机固废无害化处理技术领域，具体涉及一种交替式热解气化装置。本发明还提供了一种能实现该交替式热解气化的方法。


背景技术：

2.有机固体废弃物(有机固废)是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者未丧失利用价值但被抛弃或放弃的固态、半固态有机类物品和物质；有机固废主要包括农林业废弃物、垃圾、污泥、工业废弃物、废塑料等；随着社会的不断进步，人民生活水平的不断提高，有机固体废弃物的产生量也在不断增加，有机固废的处理问题受到日益重视。
3.有机固废的常规处理方法包括填埋、焚烧等，当前仍然以填埋作为主要的处理手段。虽然填埋方式操作简单、适应性广，但是所需处理时间很长，污染土壤和地下水，造成二次污染，对周边环境造成巨大的负面影响；高温焚烧虽然成本低、效率高、可处理的数量大，能够快速减重减量并获得可利用的热能，但是在燃烧过程中会产生二噁英等污染物。
4.热解和气化是一种高效的有机固废处理技术。采用热解技术处置有机固废，同样具有处理效率高、适应性广、处理周期短等优势。特别地，由于热解为无氧过程，能够无害脱氯，即在温度较低的条件下其还原性气氛能有效遏制含氯组分转化为二噁英等有害物质，避免二次污染。此外，热解过程能够用于制备高值化学品或燃料，并且由于热解炭不易燃烧、利用效率低，结合气化技术可进一步生产气化气用于燃料电池发电，提高有机固废的资源利用率。因此，热解气化技术比高温焚烧处理技术具有更高的实用价值。
5.然而，一些有机固废具分布广、不集中、单次产量少、不能长时间存储等特点，特别是对于疫情期间涉及的感染性医疗废物，如果不能得到及时高效的处置，必定会严重威胁人民的生命健康。因此有必要开发相应的小型化、分布式、可车载运输的移动式处置设备。
6.常规的热解和气化装置采用双室结构，用两个串联的热解室和气化室，分别进行原料的热解和残炭/焦炭/半焦的气化过程。中国专利cn 201510160008.9公开了一种下行床快速热解器和鼓泡床气化器竖直同轴布置的方案，上方热解器生成的半焦经由分离器直接通过重力落入下方的气化器中与气化剂发生气化反应，但是这种上下连续布置的热解与气化装置，需要较高的空间位置。而中国专利 cn 201410437582.x公开的热解与气化装置，则是两个分离的流化床反应室，分别进行热解与气化过程，同样也需要较大的空间位置，难以小型化。对于单室的流化床反应器，虽然可以间歇运行，分阶段实现热解和气化过程，以节省反应器空间，但仍需要复杂的布风、分离等辅助设备，不适合小型化。而单室的固定床和旋转式反应器，则难以克服物料受热不均、能量难以深入物料内部等问题。因此，亟需设计一种能对有机固废高效换热的同时实现热解与气化过程有机结合的小型化移动式反应装置。


技术实现要素：

7.本发明主要解决的是现有热解气化装置存在传热不均匀、换热效率低、难以小型化等缺点，无法有效实现有机固废高效处置的技术问题，提供一种有机固废交替式热解气化装置与方法。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了一种有机固废交替式热解气化装置，包括外部壳体，所述外部壳体设有进料口、出料口、气化剂入口、出气口、烟气进口和烟气出口；
9.旋转罐体，所述旋转罐体可转动地安装于所述外部壳体内并设置为在所述旋转罐体和所述外部壳体之间形成烟道，所述旋转罐体的转动轴线相对竖直方向倾斜，且在内壁面上连接有环绕所述转动轴线延伸的螺旋状升料叶片；其中，所述进料口、出料口、气化剂入口和出气口均连通所述旋转罐体的内腔，所述烟气进口和烟气出口分别连通所述烟道；以及，
10.搅拌轴，所述搅拌轴沿所述旋转罐体的转动轴线延伸并连接有碎料叶片，所述碎料叶片由多个设有槽口的搅拌杆或板式搅拌桨组成；所述碎料叶片分布于所述升料叶片的间隙中且延伸长度小于所在旋转平面上对应的所述升料叶片的内径，以允许所述搅拌轴被驱动为相对所述旋转罐体反向转动。
11.优选地，所述旋转罐体具有锥底彼此相接的双圆锥状筒体，所述双圆锥状筒体的上、下两端分别通过轴承支撑于所述外部壳体；所述搅拌轴的上、下两端均通过轴承支撑于所述外部壳体。
12.优选地，所述交替式热解气化装置还包括传动连接至所述搅拌轴的驱动系统以及传动连接于所述旋转罐体和所述搅拌轴之间的传动系统，所述驱动系统能够驱动所述搅拌轴发生旋转，并通过所述传动系统带动所述旋转罐体相对所述搅拌轴发生反向旋转，以使得所述升料叶片向上输送所述旋转罐体内的至少部分固态物料。
13.优选地，所述进料口连通至所述旋转罐体的上端，所述出气口通过所述进料口连通所述旋转罐体的内腔；所述外部壳体上设有连通至所述旋转罐体下端的多个气化剂入口。
14.优选地，所述旋转罐体与所述出料口的相连界面上设有出料闸门，所述出料闸门设置为能够封闭所述出料口，所述出料口与固体收集装置相连。
15.优选地，所述出气口分为两路，一路经由热解气管道与吸附装置相连，另一路经由气化气管道与燃料电池系统相连；所述吸附装置的脱氯热解气出口与冷凝装置的气体入口相连，所述冷凝装置的气体出口与燃烧器相连，所述燃烧器的烟气出口与所述外部壳体的所述烟气进口相连，所述外部壳体的所述烟气出口与净化装置相连。
16.优选地，所述旋转罐体的外侧布置有换热肋片。
17.优选地，所述升料叶片的上端与所述进料口之间的间距不少于100mm，并且所述旋转罐体的转动轴线与水平面之间的夹角为30～60
°
。
18.本发明还提供了使用上述有机固废交替式热解气化装置的方法，热解和气化两个阶段间歇交替运行，有机固废在热解阶段发生热解产生热解气和热解残炭，热解残炭进一步在气化阶段发生气化产生气化气和无机废渣，包括以下步骤：
19.s1.交替式热解气化装置开始运行，驱动所述搅拌轴和旋转罐体彼此反向旋转；
20.s2.通过所述烟气进口将高温烟气通入所述烟道中，预热旋转罐体；
21.s3.将定量有机固废原料通过所述进料口送入旋转罐体中，使其受热升温，干燥脱除部分水分，并逐渐发生热解；
22.s4.旋转罐体带动升料叶片转动；在升料叶片的推动下，处于罐底的至少部分有机固废沿罐内壁逐渐提升至罐体顶端，继而有机固废又从旋转罐体中部下落返回至底部；同时，搅拌轴带动碎料叶片朝与热解罐旋向相反的方向旋转，在有机固废上升或下落时对其进行搅动与破碎，使有机固废受热均匀，并不断剥离表面热解充分的残炭；在升料叶片和碎料叶片的搅动和破碎共同作用下，有机固废不断重复在旋转罐体壁面附近由底端到顶端，并从旋转罐体内部由顶端返回至底端的循环过程，持续受热分解产生热解气，体积逐渐缩小，直至热解完全，旋转罐体内仅剩热解残炭；
23.s5.通过调节烟气流量与分布，使旋转罐体进一步升高温度，开始残炭的气化过程；
24.s6.从气化剂入口持续通入气化剂，利用升料叶片和碎料叶片的双重搅拌使热解残炭流化并与气化剂充分混合；热解残炭在气化剂的作用下发生气化，产生气化气；当气化效率达到峰值后，开始降低旋转罐体温度；随着热解残炭气化完全，旋转罐体内仅剩无机废渣；
25.s7.通过所述出料口排出并收集无机废渣，旋转罐体温度持续降低，准备再次进料；
26.s8.有机固废热解产生的热解气脱氯、冷凝后收集液体产物，而不可冷凝气体在燃烧器内进行燃烧，为装置提供动力和高温烟气；热解残炭气化产生的气化气在燃料电池中发电，为装置提供电能；烟道排出的低温烟气，在净化装置中净化处理后排空。
27.优选地，在步骤s6中，通入的所述气化剂为水蒸气和氧气，并且在步骤s3 至步骤s6中，所述旋转罐体在300～1200℃之间循环波动，其中，在步骤s3和步骤s4的热解阶段满足300～600℃，在步骤s5和步骤s6的气化阶段满足 800～1200℃。
28.本发明技术方案中所述的有机固废交替式热解气化装置，其核心是直径随双圆锥体的旋转罐体内壁变化的升料叶片、布置在反向旋转的搅拌轴上的碎料叶片以及一体式交替运行的热解气化反应器。有机固废首先进入旋转罐体中逐渐发生热解；螺旋状升料叶片能给所接触的有机固废施加沿罐壁向上的升力，使处于罐底的大颗粒有机固废沿旋转罐体内壁逐渐提升至罐顶，随后又由于升料叶片直径的缩小，有机固废被推向旋转罐体中部并下落返回至罐底；同时，反向旋转的碎料叶片能在有机固废上升或下落时对其进行搅动与破碎，强化传热，并不断剥离表面热解充分的残炭；随着热解循环过程的进行，有机固废最终完全转化为热解残炭；随后，温度持续升高，在升料叶片和碎料叶片的流化作用下，热解残炭与气化剂充分混合并发生气化反应，直至完全转化为无机废渣；热解与气化阶段通过控制温度变化交替进行，产生的热解气和气化气分别用于燃烧供能和燃料电池发电，以满足装置自身运行所需，实现有机固废的无害化处理和资源化利用。其有益效果包括：
29.1.过程简单，原料种类的适用性广：可以适用于各种组分和尺寸的有机固废，无需进行深度分选和破碎，处理步骤简单，简化辅助设备，适合小型化用于移动式或分布式布置。
30.2.均匀传热，防止粘结：双圆锥形的旋转罐体通过倾斜布置，利用升料叶片的直径随旋转罐体壁面所在旋转截面的直径先增大后减小的结构，能够给有机固废提供推力，实
现在罐壁附近从底端到顶端并在罐体内部从顶端返回至底端的大范围循环，使其得到剧烈搅动以受热均匀，且在碎料叶片的快速碰撞中，大块原料被撞击分散，防止粘结。
31.3.破碎表面残炭，热解效率高：旋转罐体中有机固废在沿罐体内壁上升和下落过程中，会受到反向旋转的碎料叶片的快速碰撞，能够进行剪切破碎以剥离有机固废的表面残炭，不断暴露其内部未热解部分，实现强化传热。而单一的外旋或内旋反应器，则只能对原料进行搅拌，难以产生剪切破碎作用。
32.4.减重减量：通过交替进行的热解和气化，极大地减少了有机固废的体积和质量，最终剩余小部分的无机废渣经过压缩后可进行无害填埋。
33.5.自供能运行，可对外供能：利用有机固废热解生成的热解气进行燃烧，提供装置所需的动力和热量。同时利用热解残炭进行水蒸气气化，产生富含氢气与甲烷的气化气，并用于燃料电池中发电，为装置提供电力。整体可实现热解气化装置的自运行，无需提供额外的能源，甚至能对外提供动力和电力，清洁环保。
34.6.热解与气化反应条件调控方便：可通过调节驱动系统的转速、烟气温度和变化时间、气化剂用量等，灵活改变热解与气化阶段的装置工作状态，适应有机固废组分的变化。
35.7.资源利用率高：热解残炭不易直接燃烧，通过对其进一步气化制备富含 ch4、h2、co等的气化气，用于燃料电池发电，提高了有机固废的资源利用率。
36.8.有效脱氯，清洁排放：有机固废的热解过程为无氧过程，可以产生h2、 co等还原性组分，并且温度较低、停留时间足够长，使有机固废中的氯元素以氯化氢的形式得到吸附，能从源头有效抑制二噁英等有害物质的生成，实现有机固废的有效脱氯。
37.9.空间利用率高：热解和气化过程在同一反应装置中交替进行，同时直接利用升料叶片与碎料叶片进行热解残炭的辅助流化，便于气体充分接触，能简化装置结构与辅助设备，节省装置空间，适合小型化，降低装置制造和运行成本。
附图说明
38.图1为本发明实施例提供的交替式热解气化装置的示意图；
39.图2为图1所述交替式热解气化装置的流程示意图；
40.图3为本发明实施例提供的交替式热解气化方法的步骤流程图。
41.[主要元件符号说明]
[0042]
1-出气口；2-进料口；3-搅拌轴；4-传动系统；5-升料叶片；6-碎料叶片；7
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烟道；8-出料口；9-出料闸门；10-驱动系统；11-气化剂入口；12-外部壳体；13
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旋转罐体。
具体实施方式
[0043]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0044]
本发明针对现有的问题，提供有机固废交替式热解气化装置与方法，其能够小型化适合移动式或分布式布置，具有空间利用率高、大幅减重减量、清洁自供能、有效脱氯、碰撞强化、传热均匀、防止粘结、调控方便等特点，可通过连续交替的热解与气化过程，实现有机固废及时的无害化处理。
[0045]
为了实现上述技术方案，如图1和图2所示，本发明提供的有机固废交替式热解气化装置，各实施例的装置结构大致相同，包括出气口1、进料口2、搅拌轴3、传动系统4、升料叶片5、碎料叶片6、烟道7、出料口8、出料闸门9、驱动系统10、气化剂入口11、外部壳体12和旋转罐体13。
[0046]
旋转罐体13选用中空的双圆锥体搅拌筒，轴向高度为2000mm，最大直径为1400mm，上端面直径为700mm，下端面直径为300mm；旋转罐体13和搅拌轴3同轴布置且倾斜45
°
角，搅拌轴3直径为50mm；旋转罐体13和搅拌轴3 的两端均由位于外部壳体12上的轴承支撑，旋转罐体13和搅拌轴3之间通过传动齿轮4连接；搅拌轴3由驱动电机10驱动发生旋转，并通过传动齿轮4带动旋转罐体13发生反向旋转；旋转罐体13上端与进料口2下端相连，进料口2的直径为200mm，出气口1与进料口2的侧面相连；旋转罐体13下端面开口，分别与出料口8和均布的4个气化剂入口11相连；出料闸门9位于旋转罐体13与出料口8的相连界面上，以封闭出料口9；升料叶片5为螺旋式带状叶片，其外侧固定在旋转罐体13的内壁上，其上端与进料口2和传动齿轮4的间距为100mm，其下端与旋转罐体13的下端面相连，并紧贴出料闸门9和外部壳体12表面；升料叶片5的厚度为5mm，外径随旋转罐体13内壁直径的变化而变化，其最小内径为200mm；碎料叶片6由8组搅拌杆组成，每组三根，均匀分布在搅拌轴3 上，其外径与升料叶片5的内径紧贴，间隙为2mm；出气口1分为两路，一路经由热解气管道与吸附装置相连，另一路经由气化气管道与燃料电池相连；吸附装置的脱氯热解气出口与冷凝装置的气体入口相连，冷凝装置的气体出口与燃烧器相连，燃烧器的烟气出口与所述外部壳体12的烟气入口相连，所述外部壳体 12的烟气出口与净化装置相连；外部壳体12与旋转罐体13之间为烟道7，旋转罐体13的外侧布置有换热肋片；出料口8与固体收集装置相连。
[0047]
以下通过具体实施例详细说明上述有机固废交替式热解气化装置的运行过程。
[0048]
实施例1
[0049]
随着热解气化装置开始运行，打开驱动电机10驱动旋转轴3旋转，并通过传统齿轮4带动旋转罐体13反向旋转，转速为15r/min；燃烧器产生的高温烟气进入烟道7中，预热旋转罐体13，稳定温度于300℃；将0.5t生活垃圾送入旋转罐体13中；生活垃圾逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；温度逐渐升高，直至600℃生活垃圾热解完全，全部转化为热解残炭；随后，温度进一步升高至800℃，并开始通入水蒸气和氧气进行气化反应；残炭不断气化产生气化气，当温度升高至1200℃同时气化效率达到峰值后，开始降低旋转罐体13温度，直至完全转化为无机废渣；热解气经过脱氯后在燃烧器内进行燃烧，为装置提供动力和高温烟气，而气化气在燃料电池中发电，为装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在净化装置中净化处理后排空。整个装置通过同一反应室内生活垃圾连续的热解与气化，遏制了二噁英等有害物质的排放，减重率达80.2wt％，实现了生活垃圾的无害化处理。
[0050]
实施例2
[0051]
随着热解气化装置开始运行，打开驱动电机10驱动旋转轴3旋转，并通过传统齿轮4带动旋转罐体13反向旋转，转速为30r/min；燃烧器产生的高温烟气进入烟道7中，预热旋转罐体13，稳定温度于300℃；将0.8t木屑送入旋转罐体 13中；木屑颗粒逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；温度逐渐升高，直至600℃木屑热解完全，全部转化为热解残炭；随后，温度进一步升
高至800℃，并开始通入水蒸气和氧气进行气化反应；残炭不断气化产生气化气，当温度升高至1200℃同时气化效率达到峰值后，开始降低旋转罐体13温度，直至完全转化为无机废渣；热解气经过脱氯、冷凝后可收集液体产物，而不可冷凝气体在燃烧器内进行燃烧，为装置提供动力和高温烟气；气化气在燃料电池中发电，为装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在净化装置中净化处理后排空。整个装置通过同一反应室内木屑连续的热解与气化，液相产率为50.2wt/％，其中高值酚类产物在液相产物中占比36.7wt/％，实现了木屑的高值化利用。
[0052]
实施例3
[0053]
随着热解气化装置开始运行，打开驱动电机10驱动旋转轴3旋转，并通过传统齿轮4带动旋转罐体13反向旋转，转速为20r/min；燃烧器产生的高温烟气进入烟道7中，预热旋转罐体13，稳定温度于300℃；将0.5t废弃医用口罩送入旋转罐体13中；废弃医用口罩逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；温度逐渐升高，直至600℃废弃医用口罩热解完全，全部转化为热解残炭；随后，温度进一步升高至800℃，并开始通入水蒸气和氧气进行气化反应；残炭不断气化产生气化气，当温度升高至1200℃同时气化效率达到峰值后，开始降低旋转罐体13 温度，直至完全转化为无机废渣；生成的热解气进一步在催化装置中发生非原位催化反应，随后经过脱氯、冷凝收集液体产物，而不可冷凝气体在燃烧器内进行燃烧，为装置提供动力和高温烟气；气化气在燃料电池中发电，为装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在净化装置中净化处理后排空。整个装置通过同一反应室内废弃医用口罩连续的热解与气化，液相产率为48.4wt/％，其中目标产物芳烃在液相产物中占比76.4wt/％，实现了废弃医用口罩的高值化利用和无害化处置。
[0054]
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不应理解为对本发明的限制；除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0055]
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。