CN114702974A - 一种基于固体热载体加热的固废热解系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固体热载体加热的固废热解系统，包括：热解反应器，用于对待处理固废进行热解处理；燃烧炉；加热炉，所述加热炉用于加热固体热载体；干燥机；尾气处理装置。本发明为了实现固体废物的最大资源化利用和无害化处理，解决间接加热中物料升温速率慢、温度不均匀、热解时间较长、换热损失大等技术问题，具体提供一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其利用热解反应的气体产物经过燃烧炉产生大量高温烟气对固体热载体进行加热，将固体热载体作为热解反应的传热介质与待处理固废物料直接接触换热实现热解，能够提升换热效率，可减少热解时长、换热损失，实现能量的最大化利用。

Description

一种基于固体热载体加热的固废热解系统

技术领域

本发明属于能源利用和固体废物处理技术领域，特别涉及一种基于固体热载体加热的固废热解系统。

背景技术

随着城市化进程不断加速，固体废弃物的产量快速增多，大量固体废物的不当处置不仅造成了资源浪费，还带来了日益严重的环境污染问题；固体废弃物的三化(资源化、无害化、减量化)处理以及综合利用问题受到高度关注，改进固体废弃物的处置方式对建设绿色、可持续发展社会具有深远意义。

目前，固体废物的处理方式有很多种，主要包括填埋、焚烧和热解等；其中，填埋法是应用最广泛的处理方法，此方法较为简单，处理量大，但需要占用大量的土地资源，容易产生二次污染；焚烧法作为一种高温热化学处理技术，能够将固体废物中的化学能转化为热能，可以实现废物的减量化、资源化处理，但是其没有能够实现固废的高附加值利用，且焚烧过程中产生的高温气体中含有飞灰、酸性气体和二噁英等气体等，会对环境造成一定的危害；固体废物热解技术是在无氧或缺氧的环境下，对固体废物进行高温热降解，促使固体废物中有机物发生热裂解和热化学转化反应，原有分子结构形态被改变，并转变成不同相态碳氢化合物的过程。综上，相较于传统的焚烧技术，固体废物热解技术的产物形态多样化，资源利用途径更为丰富，适用性较强，并且能够有效降低二噁英的排放，因此在提倡节约资源、保护生态环境的大环境下，固体废物热解技术极具发展前景。

在热解过程中，传热传质方式对热解产物的品质有着显著影响。当前，固体废弃物热解技术以间接加热方式为主，间接加热技术是热源不与物料直接接触，通过外部电加热、高温烟气或者高温热载体等加热反应器外壁，使反应器内的物料温度升高从而发生热解反应，该技术存在物料的升温速率较慢、温度不均匀、热解时间较长、换热损失大等技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于固体热载体加热的固废热解系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，将固体热载体作为热解反应的传热介质并与物料直接接触换热，能够提升换热效率，实现能量的最大化利用。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，包括：

热解反应器，用于对待处理固废进行热解处理；所述热解反应器设置有物料进口、固体产物出口和热解气出口；所述物料进口处安装有预混装置和拨料分配器，所述预混装置设置有第一进口、第二进口、第三进口和物料出口；所述预混装置的物料出口与所述拨料分配器的进料口相连通，所述拨料分配器用于将所述预混装置预混处理后输出的物料拨散并送入热解反应器内；

燃烧炉，所述燃烧炉设置有第一进口、第二进口、第三进口和烟气出口；所述燃烧炉的第一进口与所述热解气出口相连通，所述燃烧炉的第二进口用于通入助燃气；

加热炉，所述加热炉用于加热固体热载体；所述加热炉设置有烟气进口、烟气出口、固体热载体进口和固体热载体出口；所述加热炉的烟气进口经换热器的热源通道与所述燃烧炉的烟气出口相连通；所述加热炉的固体热载体出口与所述预混装置的第一进口相连通；

干燥机，所述干燥机设置有物料进口、物料出口、烟气进口和烟气出口；所述干燥机的物料进口用于输入待处理固废，所述干燥机的物料出口与所述预混装置的第二进口相连通，所述干燥机的烟气进口与所述加热炉的烟气出口相连通；

尾气处理装置，所述尾气处理装置设置有进口和出口；所述尾气处理装置的进口与所述干燥机的烟气出口相连通，所述尾气处理装置的出口与所述预混装置的第三进口相连通，用于通入密封风；所述尾气处理装置的出口与所述燃烧炉的第三进口相连通。

本发明系统的进一步改进在于，所述热解反应器为立式反应器；所述热解反应器的底部均布有笛型管，所述笛型管的进口与所述尾气处理装置的出口相连通，所述笛型管的出口与所述热解反应器相连通。

本发明系统的进一步改进在于，所述热解反应器的筒体内部安装有中心旋转轴，所述中心旋转轴上固定设置有螺旋叶片，所述螺旋叶片用于在热解反应过程中对待处理固废和固体热载体的混合物进行搅拌。

本发明系统的进一步改进在于，通过所述笛型管通入所述热解反应器内的烟气为烟气总量的10％～15％。

本发明系统的进一步改进在于，所述换热器为辐射对流换热器。

本发明系统的进一步改进在于，所述固体热载体为金属球，固体热载体与固废的体积之比为(1.5～3)：1。

本发明系统的进一步改进在于，还包括：

锁气器，所述锁气器设置于所述热解反应器的固体产物出口，采用所述尾气处理装置输出的尾气作为密封风；

物料分离器，用于将热解处理后所述热解反应器输出的固体混合物中固体产物和固体热载体分离；

提升机，用于将分离出的固体热载体通过所述固体热载体进口送入所述加热炉内。

本发明系统的进一步改进在于，通入预混装置和锁气器中的密封风总量低于烟气总量的3％。

本发明系统的进一步改进在于，所述燃烧炉的烟气出口输出的烟气的温度为950℃～1000℃，输出烟气的含氧量低于3％。

本发明系统的进一步改进在于，干燥机干燥后输出的固废温度为100℃～110℃；加热炉加热后输出的固体热载体的温度范围为600℃～900℃；热解反应器内被固体热载体传热后的固废温度范围为500℃～800℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明为了实现固体废物的最大资源化利用和无害化处理，解决间接加热中物料升温速率慢、温度不均匀、热解时间较长、换热损失大等技术问题，具体提供一种基于固体热载体加热的固废热解系统，利用热解反应的气体产物经过燃烧炉产生大量高温烟气对固体热载体进行加热，将固体热载体作为热解反应的传热介质与待处理固废物料直接接触换热实现热解，能够提升换热效率，可减少热解时长、换热损失，实现能量的最大化利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于固体热载体加热的固废热解系统的示意图；

其中，1、尾气处理装置；2、干燥机；3、加热炉；4、第一风机；5、热解反应器；6、第二风机；7、辐射对流换热器；8、燃烧炉；9、第三风机；10、笛型管；11、锁气器；12、提升机；13、物料分离器；14、垃圾炭储箱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，包括：热解反应器5、干燥机2、加热炉3、燃烧炉8、物料分离器13和尾气处理装置1；本发明实施例可选的，所述换热器为辐射对流换热器7。

其中，热解反应器5可为立式反应器，热解反应器5的筒体的顶部安装有快速预混装置和拨料分配器(示例性可选的，两级拨料分配器)，快速预混装置设置三个进口，分别与干燥机2、加热炉3和第一风机4相连通，热解反应器5的热解气出口与燃烧炉8相连通，热解反应器5下部的固体产物出口通过锁气器11与物料分离器13相连接；物料分离器13将热解后的固体产物与固体热载体分离，固体产物进入垃圾炭储箱14回收再利用，固体热载体通过提升机12再送人加热炉3中加热。

燃烧炉8分别与热解气出口、第三风机9和辐射对流换热器7相连通，热解气进入燃烧炉8后，第三风机9为油气燃烧提供所需氧气，燃烧后的高温烟气经射对流换热器一次换热后进入加热炉3，加热炉3用于加热固体热载体；示例性可选的，加热炉3通过热载体输送管道与提升机12相连，提升机12将热解后分离出的固体热载体再次送到加热炉3，辐射对流换热器7出口烟气进入加热炉3加热热载体。

燃烧炉8产生的大量高温烟气经辐射对流换热器、加热炉3两次换热后通入干燥机2对物料进行加热干燥，干燥后的烟气进入尾气处理装置1，第一风机4抽取处理后的部分低温烟气，作为密封风通入热解反应器5顶部的快速预混装置和出口的锁气器11，剩余烟气一部分通过热解反应器5的笛型管10进入热解反应器5的内部，一部分经过第二风机6进入燃烧炉8参与油气燃烧。

本发明实施例上述公开的技术方案中，热解反应器5为立式反应器，用于待处理固废物料的热解反应，固体热载体与物料接触换热，使其达到热解所需要的温度(示例性可选的，热解温度范围为500℃～800℃)；热解反应器5顶部安装的快速预混装置与两级拨料分配器可将物料与热载体快速混合后均匀拨散至热解反应器5的各个方向。进一步优选的，热解反应器5筒体内部安装中心旋转轴，旋转轴上固定螺旋叶片，反应过程中螺旋叶片进行搅拌，增大固体热载体与物料的接触面积，防止固体热载体因密度过大直接掉落，从而提高二者的传热效率，并且可以通过控制中心轴的转速控制固体混合物在反应器内停留的时间。进一步优选的，热解反应器5底部均匀布置笛型管10，低温烟气通过笛型管10进入热解反应器5，保证热解炉内油气携带顺畅，并且可以适当降低油气燃烧的烟气温度。可选的，热解反应器5外部安装保温材料，减少热解过程中的热量损失。

本发明实施例中，如上所述的通入快速预混装置和锁气器11中的密封风不超过烟气总量的3％，通过笛型管10进入热解反应器5中的烟气大约为烟气总量的10％～15％；通入燃烧炉8内的低温烟气应保证炉膛出口烟气温度大约为950℃～1000℃，含氧量不超过3％；如上所述的所有烟气管道外壁安装保温棉，减少热量损失。

本发明实施例中，如上所述的辐射对流换热器设置冷水进口与热水出口，可对外提供热水，并可以进一步控制烟气温度。

本发明实施例示例性可选的，干燥机2为滚筒式干燥机，用于干燥物料，干燥后输出的物料温度为100℃～110℃，可减少热解反应所需要的能量；本发明热解反应系统中使用的固体热载体为金属球，直径为20mm～30mm，热载体与物料的体积之比约为(1.5～3)：1。热解反应系统中使用的物料分离器13为离心分离器或旋风分离器，可将固体热载体与物料分离；如上所述的提升机12，用于将固体热载体重新送入固体热载体加热炉中；如上所述的尾气处理装置1，用于净化烟气，处理后的剩余烟气经烟囱排出。

本发明实施例中，采用固体热载体作为热解反应的传热介质，在重力和螺旋叶片的作用下与物料直接接触换热，克服了传统高温烟气直接接触加热方式中易短路、温度不均匀、易燃易爆等问题，也克服了传统间接筒壁式加热的传热效率低、反应器或者换热器体积庞大的问题；高温烟气在接触金属载体的过程中，巧妙的利用部分还原性载体又进一步的消耗掉烟气中微量氧的原理，实现了烟气的超低氧量，而超低氧量的再循环烟气实现多点回流分级利用：作为热解炉内的上下密封气和油气产物携带气时能避免热解炉内的爆炸隐患，作为燃烧炉的再循环烟气时可以控制燃烧炉温度并最大限度的降低燃烧氧量；热解反应器内安装快速预混装置和两级拨料分配器，可将物料与固体热载体快速混合并均匀播撒，筒安装中心轴和转叶片，在反应的过程中对物料和固体热载体进行搅拌，增大二者的换热面积，使热解反应更加充分，并且通过控制中心轴的旋转速度控制混合物在热解反应器内的停留时间；采用低氧量(示例性的，<3％)的少量低温烟气(示例性的，<10％总烟气量)作为底部分离器的惰性密封气，既在惰性气氛下保证了反应炉上下的密封性，又能控制炉内虽然是负压但是不会有空气或者大量氧气漏进去导致爆炸，保证安全性，同时有利于热解油气的携带释放。热解后的垃圾炭等物质可以进行回收，实现垃圾的分级分质利用，并且采用热解反应器对固体废物进行热解处理，燃烧油气中氯含量低并且催化效应的灰渣没有进入燃烧炉，从而有效降低了二噁英等有害气体的排放。采用高温烟气加热固体热载体，可将热载体表面上的焦油挥发，并且高温烟气中残余的微量氧可以有效去除一部分焦油。

本发明实施例提供的一种固体热载体循环加热的固废热解系统的工作流程，包括：

物料由物料输送管经干燥机2进入热解反应器5，在干燥机2内被输出的烟气加热至100℃～110℃；

固体热载体在加热炉3内被加热至600℃～900℃后，通过输送管被送入热解反应器5上部快速预混装置，与物料混合后经两级拨料分配器均匀散入热解反应器5；

热解反应器5内通过中心轴转动带动螺旋叶片，固体热载体作为传热介质，与物料充分进行换热，物料被加热至500℃～800℃条件下发生热解反应；

热解反应结束后，固体产物与热载体的混合物进入分离器，气体产物从热解反应器5的侧上方进入燃烧炉8，经物料分离器13分离后的热解固体产物进入垃圾炭储箱14回收，固体热载体进入输送管进入提升机12，被输送至固体热载体加热炉3。第三风机9为燃烧炉8提供适量空气，使其充分燃烧，产生高温烟气通入辐射对流换热器，经一次换热后的烟气进入固体热载体加热炉3；

固体热载体在加热炉3中，与烟气进行逆流换热，加热至600℃～900℃，高温固体热载体经加热炉3出口再次进入快速预混装置，形成闭环热解系统；将高温烟气与固体热载体进行逆流换热后的低温烟气通入干燥机2，对物料进行干燥处理。将二次换热后的剩余气体通入尾气处理装置1，进行处理；第一风机4抽取处理后的少量烟气作为密封气通入热解炉上部快速预混装置与下部锁气器11，密封气的总量不超过烟气总量的3％，另抽取10％的烟气经过热解反应器5底部均匀布置的笛型管10进入热解反应器5，第一风机4抽取部分烟气进入燃烧炉8，控制油气燃烧温度。

综上所述，本发明实施例公开了一种固体热载体循环加热的固废热解系统，包括：通过管道连接的热解反应器5和固体热载体的加热炉3，热解反应器5主体顶部安装快速预混装置和两级拨料分配器，下部连接锁气器11和物料分离器13，热解反应器5气体产物出口与燃烧炉8相连，燃烧产生的高温烟气经辐射对流换热器一次换热后进入加热炉3加热固体热载体。固体热载体循环加热的热解系统通过高温烟气对固体热载体加热，被加热后的固体热载体与物料直接接触换热，从而达到热解所需要的温度，反应结束后固体热载体经过物料分离器13与热解固体产物分离，提升机12再次将分离后固体热载体送入加热炉3，形成闭环热解系统。本发明改进了原有的间接加热热解系统，将固体热载体作为传热介质直接与待热解物料进行接触，既可以实现能量的最大化利用，同时也克服了间接加热中温度不均匀、传热效率不高等技术问题。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，包括：

热解反应器(5)，用于对待处理固废进行热解处理；所述热解反应器(5)设置有物料进口、固体产物出口和热解气出口；所述物料进口处安装有预混装置和拨料分配器，所述预混装置设置有第一进口、第二进口、第三进口和物料出口；所述预混装置的物料出口与所述拨料分配器的进料口相连通，所述拨料分配器用于将所述预混装置预混处理后输出的物料拨散并送入热解反应器(5)内；

燃烧炉(8)，所述燃烧炉(8)设置有第一进口、第二进口、第三进口和烟气出口；所述燃烧炉(8)的第一进口与所述热解气出口相连通，所述燃烧炉(8)的第二进口用于通入助燃气；

加热炉(3)，所述加热炉(3)用于加热固体热载体；所述加热炉(3)设置有烟气进口、烟气出口、固体热载体进口和固体热载体出口；所述加热炉(3)的烟气进口经换热器的热源通道与所述燃烧炉(8)的烟气出口相连通；所述加热炉(3)的固体热载体出口与所述预混装置的第一进口相连通；

干燥机(2)，所述干燥机(2)设置有物料进口、物料出口、烟气进口和烟气出口；所述干燥机(2)的物料进口用于输入待处理固废，所述干燥机(2)的物料出口与所述预混装置的第二进口相连通，所述干燥机(2)的烟气进口与所述加热炉(3)的烟气出口相连通；

尾气处理装置(1)，所述尾气处理装置(1)设置有进口和出口；所述尾气处理装置(1)的进口与所述干燥机(2)的烟气出口相连通，所述尾气处理装置(1)的出口与所述预混装置的第三进口相连通，用于通入密封风；所述尾气处理装置(1)的出口与所述燃烧炉(8)的第三进口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，所述热解反应器(5)为立式反应器；

所述热解反应器(5)的底部均布有笛型管(10)，所述笛型管(10)的进口与所述尾气处理装置(1)的出口相连通，所述笛型管(10)的出口与所述热解反应器(5)相连通。

3.根据权利要求2所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，所述热解反应器(5)的筒体内部安装有中心旋转轴，所述中心旋转轴上固定设置有螺旋叶片，所述螺旋叶片用于在热解反应过程中对待处理固废和固体热载体的混合物进行搅拌。

4.根据权利要求2所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，通过所述笛型管(10)通入所述热解反应器(5)内的烟气为烟气总量的10％～15％。

5.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，所述换热器为辐射对流换热器(7)。

6.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，所述固体热载体为金属球，固体热载体与固废的体积之比为(1.5～3)：1。

7.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，还包括：

锁气器(11)，所述锁气器(11)设置于所述热解反应器(5)的固体产物出口，采用所述尾气处理装置(1)输出的尾气作为密封风；

物料分离器(13)，用于将热解处理后所述热解反应器(5)输出的固体混合物中固体产物和固体热载体分离；

提升机(12)，用于将分离出的固体热载体通过所述固体热载体进口送入所述加热炉(3)内。

8.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，通入预混装置和锁气器(11)中的密封风总量低于烟气总量的3％。

9.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，所述燃烧炉(8)的烟气出口输出的烟气的温度为950℃～1000℃，输出烟气的含氧量低于3％。

10.根据权利要求1所述的一种基于固体热载体加热的固废热解系统，其特征在于，

干燥机(2)干燥后输出的固废温度为100℃～110℃；

加热炉(3)加热后输出的固体热载体的温度范围为600℃～900℃；

热解反应器(5)内被固体热载体传热后的固废温度范围为500℃～800℃。

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