CN110437858A - 一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的方法与装置 - Google Patents
一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的方法与装置，所述装置包括流化床热解炉、微波发生器、催化剂可再生的催化剂床、油气分离器、燃烧炉和旋风分离器；流化床热解炉底部设置气体入口，微波发生器设置在流化床热解炉的侧壁和催化剂床的底部或侧壁，旋风分离器的入口连接至流化床热解炉的热解气出口，旋风分离器的气体出口连接至催化剂床，催化剂床的气体出口连接至油气分离器，油气分离器的出口连接至燃烧炉的下部。本发明可进行微波辅助快速热解生活垃圾且实现催化剂再生，提高催化热解的效率，从而提高生物油的产率和品质；在实现生活垃圾的资源化利用的同时节约了能源，且能有效提高装置的使用年限，经济环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种制取过程连续的快速热解生活垃圾的系统，尤其涉及一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的方法与装置。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展城市化进程的加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生产与生活过程中产生的垃圾废物也随之迅速增加，生活垃圾占用土地，污染环境的状况以及对人们健康的影响也越加明显。城市生活垃圾的大量增加，使垃圾处理越来越困难，由此而来的环境污染等问题逐渐引起社会各界的广泛关注。我国要实现城市生活垃圾的产业化、资源化、减量化和无害化，就必须面对混合收集、可回收物质的含量和热值低，垃圾含水率和可生物降解的有机含量高的生活垃圾。针对这些问题，多种多样的技术也应用而生。
研究发现，城市垃圾具有资源性和危害性并存的特点。对于生活垃圾的无害化处理，国内目前主要的方式为填埋、焚烧、堆肥和热解。相比于其他处理方式，热解能够使生活垃圾中的有机固体废物在无氧或缺氧条件下进行高温分解，其分解产物无害化显著，二次污染小，且可进行资源化的充分利用，响应了节能减排的号召，十分符合现如今生态环境保护先行的大环境。
在现阶段的热解技术中，微波辅助快速热解作为一种新兴技术应用于生物质转化制备可再生能源领域优势突出，但仍存在热值低、加热速率缓慢、催化剂利用效率低下等缺陷，其中催化剂利用率不高的问题尤为突出。在催化热解过程中，若升温速率较低，反应温度不高，加热速率缓慢，会使得生物质原料停留在低温阶段，生成大量的固体残渣；且热解产物易发生碳化，造成催化剂床孔道堵塞，使其钝化、失活，从而导致催化剂利用效率低，使催化剂床的运行维护费用升高，经济性降低，且严重影响了产品油的产量和产率。故如何在催化热解过程中实现催化剂床的优化升级成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的微波辅助催化快速热解技术中催化效率低下的难题，从而提供一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的方法与装置，其能够改善因热解产物碳化导致催化剂床失活的催化剂可再生。
本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。
一种催化剂可再生的微波辅助催化高温热解生活垃圾制气的装置，包括流化床热解炉、微波发生器、催化剂可再生的催化剂床、油气分离器、燃烧炉和旋风分离器；流化床热解炉底部设置气体入口，内部有床料，微波发生器设置在流化床热解炉的侧壁和催化剂可再生的催化剂床的底部或侧壁，旋风分离器的入口连接至流化床热解炉的热解气出口，旋风分离器的底部连接至流化床热解炉的下部，旋风分离器的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床，催化剂可再生的催化剂床的气体出口连接至油气分离器，油气分离器的出口连接至燃烧炉的下部。
进一步地，所述催化剂可再生的催化剂床分为催化区和壁式换热区，催化剂床为圆盘状，壁式换热区位于圆盘的外周，催化区被壁式换热区包围。
进一步的，壁式换热区设置有U型管道，便于实现均匀加热，用于加热催化区实现催化剂再生和催化反应。
进一步的，述流化床热解炉外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。本发明中使用经过催化剂床余热利用后的烟气作为换热流体。
进一步的，还包括便于进料的螺旋给料器和料斗，料斗连接至螺旋给料器的进料口，螺旋给料器的出料口连接至流化床热解炉，为流化床热解炉输送物料。
进一步的，所述燃烧炉的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床的U型管道的入口，U型管道的出口连接至流化床热解炉的夹套。
进一步的，流化床热解炉的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口，热解时产生的固体残渣到达热解炉排渣口并排出；燃烧炉底部设置辅助燃料进口。
采用上述装置进行热解生活垃圾制油的方法，包括如下步骤：
（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器进入流化床热解炉进行热解，从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态；为改善加热的均匀性，所述流化态的流化数可调，且微波发生器可改善升温速率，实现流化床热解炉内的快速、均匀升温，以确保催化床层在催化反应温度窗口内；
（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器进行分离气固分离，得到的固体生成物通过返料输送回流化床热解炉，气态产物进入催化剂可再生的催化剂床进行催化；
（3）经催化后得到的气体经油气分离器分离出的液体产物油用储油罐进行保存，不凝气体产物送入燃烧炉；
（4）燃烧炉引出的烟气对催化剂可再生的催化剂床提供热量，催化剂可再生的催化剂床上附着的焦炭可与氧气在高温条件下生成二氧化碳并逸出，从而改善催化剂床因碳化而导致的钝化失活，促使催化剂再生；然后烟气携带的剩余热量进入流化床热解炉为流化床热解炉换热，减少外部能量的供给。
进一步的，向流化床热解炉内不断通入高温惰性气体，使热解反应置于无氧的环境，同时使惰性气体与床料形成稳定流化态。
进一步的，再生后的催化剂在使用之前，先通入惰性气体进行吹扫，避免氧气进入催化剂床内。
进一步的，所述床料为石英砂，且在热解炉和催化剂床中添加SiC，其作为微波吸收剂，便于吸收微波，达到更好的热解效果。
进一步的，催化剂可再生的催化剂床中催化温度为450-550℃。
进一步的，余热利用后的烟气通过与热解炉相连接的烟气管通向烟气处理装置，洁净后向外界排出。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
（1）本发明以一种更为高效、清洁的方式处理生活垃圾，减少了污染物的排放，将生活垃圾资源化利用，可缓解能源危机及环境恶化问题。
（2）利用微波辅助快速温热解，微波热解工艺对水的耐受性强，无需预干燥，能有效调控反应温度并致使快速升温，且便于通过控制操作条件如微波功率、加热温度等来提高热解速率，进而提高生物油的产量。同时，微波辅助催化热解生活垃圾中的生物质，可减少生物质低温阶段的碳化过程，避免物料与催化剂混合而导致的催化剂失活，有利于提高产品油的产率和品质。
（3）催化剂床接有微波发生器，以确保催化床层在催化反应温度窗口，有利于改善其失活问题。
（4）催化剂床分为催化、吹扫区和壁式换热区，可实现一床多用。热解气体经过催化区域被催化，并定期向该期通惰性气体进行吹扫，有效改善因热解蒸汽碳化堵住其孔隙结构而导致的催化剂床钝化失活、催化效率低下等问题，有利于使反应过程长期、稳定地高效进行，提高了设备的使用年限，降低了设备的运行维护费用，经济性高。同时，通高温惰性气体可促进催化剂的再生，降低了催化剂床实现可再生的成本。另外，孔隙结构促进了加热的均匀性，结构性好。催化剂床床壁为一圈U型高温烟气管道，为催化剂床提供热量，使其均匀受热，从而促进催化剂的可再生。
（5）利用燃烧炉燃烧收集的催化热解气而产生的高温烟气，向催化剂床和流化床热解炉辅助提供所需要的热量，减少了外部能量的供给，可实现资源的充分利用。
综合以上，本发明技术简便易行、催化热解效率高、节能环保的优点，可广泛地适用于生活垃圾的处理，应用前景较广。
附图说明
图1是本发明一种催化剂可再生的微波辅助快速热解生活垃圾的工艺流程示意图；
图2是催化剂床的详细结构示意图；
图中：1 螺旋给料器；2料斗；3微波发生器；4夹套；5流化床热解炉；6物料；7床料；8旋风分离器；9催化剂床；10油气分离器；11储油罐；12辅助燃料；13燃烧炉；14催化及催化剂再生、吹扫区（定期用惰性气体吹扫）；15高温烟气管道；16间壁式换热区。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施做进一步说明。
实施例
如图1所示，一种催化剂可再生的微波辅助催化高温热解制气的装置，包括流化床热解炉5、微波发生器3、催化剂可再生的催化剂床9、油气分离器10、燃烧炉13和旋风分离器8；流化床热解炉5底部设置气体入口，内部有床料7，微波发生器3设置在流化床热解炉5的侧壁和催化剂可再生的催化剂床9的底部或侧壁，旋风分离器8的入口连接至流化床热解炉5的热解气出口，旋风分离器5的底部连接至流化床热解炉5的下部，旋风分离器5的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床9，催化剂可再生的催化剂床9的气体出口连接至油气分离器10，油气分离器10的出口连接至燃烧炉13的下部。还包括便于进料的螺旋给料器1和料斗2，料斗2连接至螺旋给料器1的进料口，螺旋给料器1的出料口连接至流化床热解炉5，为流化床热解炉5输送物料。
如图2所示，所述催化剂可再生的催化剂床9分为催化区14和壁式换热区16，催化剂床为圆盘状，壁式换热区16位于圆盘的外周，催化区14被壁式换热区16包围。壁式换热区16设置有U型管道15，便于实现均匀加热，用于加热催化区14实现催化剂再生和催化反应。所述燃烧炉13的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床9的U型管道15的入口，U型管道15的出口连接至流化床热解炉5的夹套4。流化床热解炉5的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口，热解时产生的固体残渣到达热解炉排渣口并排出；燃烧炉13底部设置辅助燃料进口12。
所述流化床热解炉5外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。本发明中使用经过催化剂床余热利用后的烟气作为换热流体。
当热解炉5内热量供给不足时，可用辅助燃料10进行助燃。
采用上述装置进行热解生活垃圾制气的方法，如图1 所示包括如下步骤：
（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器1进入流化床热解炉5进行热解，热解温度控制在500℃，热解炉5内有床料7（包括不限于催化剂、石英砂）和微波吸收剂（适量的SiC），从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态，使所述热解反应置于无氧的条件下；
（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器8进行分离气固分离，得到的固体生成物通过返料输送回流化床热解炉5，气态产物进入催化剂可再生的催化剂床9进行催化；
（3）经催化后得到的气体催化后得到的气体进入冷凝器，即通有冷凝工质的油气分离器10，冷凝后的产物温度低于水在该压力下的饱和温度以防止水蒸气混入气体中。冷凝得到的液体产物油进入储油罐11内进行保存，不凝气体产物送入燃烧装置，与辅助燃料12如天然气一同进行燃烧；
（4）储油罐11内的液体产品油可用于燃烧炉13内的燃烧，与辅助燃料12如天然气一同进行燃烧；同时高温烟气由管道输送至催化剂床9，可使其内的积炭在高温条件下氧化，促进催化剂再生；旋风分离器分离出的气态产物进入催化剂床进行催化重整，催化温度控制在450-550℃，与之接入的微波发生器3为催化剂床9辅助提供所需要的热量，以确保催化床层在催化反应温度窗口内；再输送到流化床热解炉5，若其所携带的剩余热量可满足为热解炉5的工作运行进行供给，则再次辅助供热，减少外部能量的供给。余热利用后的烟气通过与热解炉相连接的烟气管通向烟气处理装置，洁净后向外界排出。
进一步的，再生后的催化剂在使用之前，先对催化剂床9通惰性气体如氮气进行吹扫，避免氧气进入催化剂床内。
催化剂附着于催化剂床的载体上，催化剂包括不限于：沸石、金属盐、金属氧化物或矿物质。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种催化剂可再生的微波辅助催化快速热解生活垃圾的装置，其特征在于，包括流化床热解炉（5）、微波发生器（3）、催化剂可再生的催化剂床（9）、油气分离器（10）、燃烧炉（13）和旋风分离器（8）；流化床热解炉（5）底部设置气体入口，内部有床料（7），微波发生器（3）设置在流化床热解炉（5）的侧壁和催化剂可再生的催化剂床（9）的底部或侧壁，旋风分离器（8）的入口连接至流化床热解炉（5）的热解气出口，旋风分离器（5）的底部连接至流化床热解炉（5）的下部，旋风分离器（5）的气体出口连接至催化剂可再生的催化剂床（9），催化剂可再生的催化剂床（9）的气体出口连接至油气分离器（10），油气分离器（10）的出口连接至燃烧炉（13）的下部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂可再生的催化剂床（9）为多孔结构，分为催化区（14）和壁式换热区（16），催化剂床为圆盘状，壁式换热区（16）位于圆盘的外周，催化区（14）被壁式换热区（16）包围。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，间壁式换热区（16）设置有U型管道（15），用于加热催化区（14）实现催化剂再生和催化反应。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流化床热解炉（5）外壁设置夹套，且夹套中填充换热流体。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括螺旋给料器（1）和料斗（2），料斗（2）连接至螺旋给料器（1）的进料口，螺旋给料器（1）的出料口连接至流化床热解炉（5），为流化床热解炉（5）输送物料。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述燃烧炉（13）的烟气出口连接至催化剂可再生的催化剂床（9）的U型管道（15）的入口，U型管道（15）的出口连接至流化床热解炉（5）的夹套（4）。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，流化床热解炉（5）的顶部设置烟气出口，底部设置排渣口；燃烧炉（13）底部设置辅助燃料进口（12）。
8.一种权利要求1-7任一项所述的装置进行快速热解生活垃圾的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）经过干燥处理后的生活垃圾通过螺旋给料器（1）进入流化床热解炉（5）热解，从底部气体进口通入的惰性气体与床料形成流化态；
（2）经热解后生成的热解气送入旋风分离器（8）进行分离气固分离，得到的固体生成物通过返料输送送回流化床热解炉（5），气态产物进入催化剂可再生的催化剂床（9）进行催化；
（3）经催化后得到的气体经油气分离器（10）后得到的液体产物油用储油罐（11）进行保存，不凝气体产物送入燃烧炉中（13）；
（4）燃烧炉（13）引出的烟气对催化剂可再生的催化剂床（9）促使催化剂再生；然后烟气进入流化床热解炉（5）夹套（4）为流化床热解炉换热。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述床料为石英砂。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，催化剂可再生的催化剂床（9）中催化温度为450-550℃。
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