一種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統和方法，所述系統包括預反應段、主反應器和調質器以及顆粒分離器；預反應段前面與加料器連接，后面與主反應器相連，主反應器后接調質器；調質器后連接顆粒分離器。具體是：含水率在60%及以下的廢棄物由加料器進入預反應段；反應后的廢棄物送至主反應器，反應完畢后產生的殘焦排入調質器，同時產生的揮發份也強制排入調質器與殘焦接觸反應調質，調質器同時實現了殘焦和揮發份的調質，調質處理后的揮發份送入顆粒分離器，清潔揮發份輸出，調質后殘焦的熱值為3.37-6.74MJ/kg，可用作建材原料或進衛生填埋場。預反應段工作溫度為105~298℃，有惰性氣體或煙氣通入，主反應器工作溫度為450-650℃；調質器工作溫度為700-900℃。本發明能夠獲得更高品質的油、更多的可燃氣體并適應廢棄物含水率的變化。
【專利說明】-種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于廢棄物資源化處理領域。具體地，本發明涉及一種油、氣、炭可調的廢 棄物熱解的系統和方法。
【背景技術】
[0002] 目前我國城鄉垃圾的產生量越來越多。現有處理垃圾的技術有焚燒、填埋堆肥 以及厭氧發酵方法，其中只有焚燒方法可以最大限度地實現減容。但是由于焚燒帶來的 潛在二次污染引起公眾的強烈反對，目前焚燒項目難以建設。其它的熱處理技術包括氣 化和熱解，與焚燒類似均有明顯減容效果(減容709Γ80%以上)，但是氣化所產生的燃氣熱 值低，同時凈化要求高，采用內燃機發電案例少，通常是將燃氣直接燃燒產生蒸汽發電，不 僅發電效率低，而且仍會產生一定量的焚燒飛灰，需要做為危險廢棄物處理。常規的熱解 技術是隔絕氧氣加熱使物料分解的過程，產物為油、氣、炭(殘焦)。熱解是產生的燃氣在 凈化以后再燃燒，極少產生煙塵；而自熱解過程中產生的殘焦不僅含有一定量的碳可以作 為燃料，又因為它不是焚燒的產物，因此不屬于危險廢物。熱解過程有許多現有技術，最 常見的是批式反應器；以及一些專利技術，如雙流化床可燃固體廢棄物熱解油氣聯產 裝置及方法（CN201410036675)，一種高分子廢棄物的熱解氣化裝置（CN201320126288);農 業廢棄物熱解爐（CN201110321274)，等。然而現有的技術在一定的熱解溫度下即熱解溫 度固定的條件下，既不能對油、氣、炭（即殘焦）三個產品的質量進行有效控制；也無法在 不使用催化劑的條件提高回收油的品質，如發明申請"一種高分子廢棄物的熱解氣化裝置 (CN201320126288) "中使用催化劑提高油的品質，但是所涉及的催化劑壽命和再生是個重 要的問題，不僅影響經濟性，也影響運行的連續性和穩定性。當改變熱解溫度時，油、氣、炭 的產量和質量按照一定的規律聯動，不能按照需要來調節，例如在合適產油的熱解溫度下 炭的熱值也很高，不能有效地將炭中的熱值轉移到油或者氣中來，發明專利"污泥或有機垃 圾高低溫耦合熱解方法"（CN200910198391)提供了一種將第一步中低溫裂解產生的部分炭 化的物料送入中溫炭化爐進行炭化，并進一步將部分中溫炭化的物料與其它廢物的混合物 送入高溫熱解爐進行氣化的系統和方法來得到多種固體的炭化產物和燃氣，但是該系統和 方法不能產生高品質的油。
[0003] 鑒于現有的熱解技術和系統不能滿足經濟、高效地調節產品質量的要求，為了更 經濟、安全、高效地實現油、氣、炭品質的可調節；本發明提出一種高效、經濟、可穩定運行、 不使用催化劑的廢棄物熱解系統和方法，以保證從不同廢棄物中回收得到高品質的油和 氣，而炭中殘留的熱值低，但仍可以作為建材原料使用。
【發明內容】
[0004] 本發明的一個目的是提供一種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統及其方法，該系 統在實現廢棄物熱解清潔處置的同時還可以提高所回收的油和氣的品質。
[0005] 本發明提出的一種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統，所述系統包括預反應段3、 主反應器5、調質器7和顆粒分離器10,預反應段3上部進料口與加料器2相連接，后面與 主反應器5頂部相連，預反應段3頂部連接有氣體洗滌器13,主反應器5底部殘焦出口連接 調質器7進料口，主反應器5頂部揮發份出料口連接調質器7頂部進料口；調質器7后面連 接顆粒分離器10,顆粒分離器10頂部為清潔揮發分出口，底部為殘焦出口；所述系統用于 處理含水率在60%以下的廢棄物。
[0006] 本發明中，所述預反應段3采用回轉式反應器、流化床式反應器或螺旋管式反應 器中任一種；所述主反應器5采用多段管式反應器、螺旋推進式反應器、回轉窯式反應器或 板式受熱面反應器中任一種；所述調質器7采用螺旋管式反應器、回轉式反應器或降落管 式反應器中任一種；所述顆粒分離器10選自旋風除塵器、泡沫金屬過濾器或陶瓷過濾器。 所述氣體洗滌器13選自帶有除沫措施的文丘里式、噴霧式或篩板塔式堿液洗滌器中任一 種，并可選擇加裝等離子體除臭器。
[0007] 本發明中，當廢棄物1的含水率不高于42%時，預反應段3連接有惰性氣體入口， 有惰性氣體15通入預反應段3 ;惰性氣體15自預反應段3進入氣體洗滌器13后以循環氣 體14的方式循環利用；氣體洗滌器13通過循環氣體14的管道再連接預反應段3。
[0008] 本發明中，所述惰性氣體15采用N2或C02。
[0009] 本發明提出的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，具體步驟如下： 經過初步預處理以后含水率在60%以下的廢棄物由加料器2加料到預反應段3,所述預 反應段3的外部設有加熱或者保溫，工作溫度為105~298°C ;然后將預反應后的物料4送至 主反應器5,所述主反應器5的外部設有加熱，工作溫度在450-650°C ;廢棄物在主反應器5 內熱解生成殘焦6和揮發份8 ;反應完畢后產生的殘焦6排入調質器7,同時產生的揮發份 8也強制送入調質器7與殘焦6接觸反應調質，所述調質器7的外部設有良好保溫或者加 熱，工作溫度為700-900°C，殘焦6和揮發分8在調質器7內再次反應調質獲得更高品質的 油以及更多的可燃氣體；調質器7同時實現了殘焦6和揮發份8的同時調質，調質處理后的 揮發份9送入顆粒分離器10,經過顆粒分離器10處理的揮發份成為后清潔的揮發份12輸 出利用，調質后的殘焦11輸出利用或填埋。
[0010] 本發明中，經過氣體洗滌器13后的循環氣體14被系統的余熱加熱至 30(TC -380。。。
[0011] 本發明中，當廢棄物1的含水率為42-60%時，來自主反應器5的煙氣17直接通 入預反應段3 ;然后進入氣體洗滌器13再排出，此時氣體洗滌器13推薦加裝等離子體除臭 器。
[0012] 本發明中，所述調質器7中所述揮發份8與殘焦6在其內部順流或者逆流相對流 動，接觸反應實現調質。
[0013] 本發明中，當為了獲得更高品質的油時，調質器7工作溫度為700--800°C ;當為了 獲得改良的合成氣時，調質器7工作溫度為800-900°C。
[0014] 本發明中，所述調質后的殘焦11的熱值在3. 37?6. 74MJ/kg范圍內。
[0015] 本發明中，調質器7底部設有煙氣進口，所述煙氣進口連接燃燒爐16,所述燃燒爐 16設有氣體入口，所述調質器7頂部設有煙氣出口，所述煙氣出口連接主反應器5的煙氣入 口，所述主反應器5的頂部設有煙氣出口。
[0016] 本發明中，調質器7、主反應器5以及預熱段3的加熱可以按如下方法實施，具體 為： 顆粒分離器10產生的可燃氣體作為引射氣19引射分離顆粒后的揮發份12到燃燒室 16燃燒產生的煙氣17在調質器7外加熱，隨后煙氣17進入主反應器5,從主反應器5的外 側排出的煙氣17進入循環氣體加熱器18加熱循環氣體14,冷卻后的煙氣17排入凈化裝 置。
[0017] 本發明中，調質器7、主反應器5以及預熱段3的加熱可以按如下方法實施，具體 為： 用助燃用的壓縮空氣作為引射氣19引射分離顆粒后的揮發份12到燃燒室16燃燒產 生的煙氣17在調質器7外加熱，隨后煙氣17進入主反應器5,從主反應器5的外側排出的 煙氣17進入預反應段3加熱廢棄物1，然后攜帶水分的煙氣排入氣體洗滌器13。
[0018] 采用本發明所提供的廢棄物熱解的系統和方法，可以實現對熱解產物油、氣、炭調 節產量比例、改善其質量，這是基于以下原理來實現的： (1)廢棄物熱解的揮發份8中本來含有一定量的水蒸氣和C02，水蒸汽來源于廢棄 物攜帶的水分以及廢棄物中含有的氧元素；C02的量主要來源于廢棄物中沒有排盡的空 氣以及廢棄物中的氧元素，熱的水蒸汽、C0 2和熱的殘焦6反應，會生成新的燃氣，反應如 下(謝繼東，徐振剛，姜英。煤焦與水蒸氣氣化反應熱力學分析，《煤炭科學技術》，2010， vol. 38(4) :124-128)： C(s)+H20 - C0+H2 (1) 吸熱反應；（溫度 >720°C有利于此反應；700°C，ΛΗ = + 105. 2 kj/mol ; 800°C，ΛΗ =+ 97. 8 kj/mol ;900°C，ΛΗ = + 89. 3 kj/mol)。
[0019] C(s)+2H20 - C02+2H2 (2) 吸熱反應；（溫度 <720°C有利于此反應；700°C，ΛΗ=+114·7 kj/mol; 800°C，ΛΗ =+ 116. 7 kj/mol ;900°C，ΛΗ = + 117. 5 kj/mol)。
[0020] C(s)+C02 - 2C0 (3) 吸熱反應；（溫度 >800°C 有利于此反應；700°C，ΛΗ=+95. 4 kj/mol; 800°C，ΛΗ =+ 78. 4 kj/mol ;900°C, ΔΗ = + 60. 5 kj/mol)。
[0021] 通過上述反應使得殘焦6中的C元素轉化為可燃氣體，增加可燃氣體的量，但是不 會導致可燃氣體的熱值降低。
[0022] (2)廢棄物熱解的揮發份8中含有油分，在降溫冷凝后會形成液態的油，由于生活 垃圾、廢塑料類廢棄物通過熱解產生的油蠟質\浙青質成分高、需要輕質化和降低粘度才 能利用，現有的技術采用催化劑，而本發明采用熾熱的殘焦6和熱的揮發份8接觸，殘焦6 中的碳以及所含的氧化物(如Si0 2，Ca0，Mg0等)、無機鹽會起到催化劑的作用，發生復雜的 反應，難以準確描述；但可以用下述反應簡單地表述其改質效果 ： 1)降解、重整反應： CmHn〇p +C(S) - + CaHb+C0+C02 (m，a, m-a 均大于 5) (4) CmHn - Cm_aHn_e + CaHe 吸熱反應（m，m-a 均大于 5; a 小于 5) (5) 例如對于浙青質的油，可發生如下降解、重整反應：
【權利要求】
1. 一種油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統，其特征在于：所述系統包括預反應段（3)、 主反應器（5)、調質器（7)和顆粒分離器（10)，預反應段（3)上部進料口與加料器（2)相 連接，后面與主反應器（5)頂部相連，預反應段（3)頂部連接有氣體洗滌器（13);主反應器 (5)底部殘焦出口連接調質器（7)進料口，主反應器（5)頂部揮發份出料口連接調質器（7) 頂部進料口；調質器（7)連接顆粒分離器（10)，顆粒分離器（10)頂部為清潔揮發分出口， 底部為殘焦出口；所述系統用于處理含水率在60%以下的廢棄物。
2. 根據權利要求1所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統，所述預反應段（3)采用 回轉式反應器、流化床式反應器或螺旋管式反應器中任一種；所述主反應器（5)采用多段 管式反應器、螺旋推進式反應器、回轉窯式反應器或板式受熱面反應器中任一種；所述調質 器（7)采用螺旋管式反應器、回轉式反應器或降落管式反應器中任一種；所述顆粒分離器 (10)采用旋風除塵器、泡沫金屬過濾器或陶瓷過濾器中任一種；所述氣體洗滌器（13)采用 帶有除沫措施的文丘里式、噴霧式或篩板塔式堿液洗滌器中任一種，并可在洗滌器（13)上 加裝等離子體除臭器。
3. 根據權利要求1所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統，其特征是當廢棄物（1) 的含水率不高于42%時，預反應段（3)連接有惰性氣體入口，有惰性氣體（15)通入預反應 段（3);惰性氣體（15)自預反應段（3)進入氣體洗滌器（13)后作為循環氣體循環利用；氣 體洗滌器（13)通過循環氣體（14)的管道再連接預反應段（3)。
4. 根據權利要求3所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統，其特征是所述惰性氣體 15采用凡或0)2。
5. -種如權利要求1所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，具體步驟 如下： 經過初步預處理以后含水率在60%以下的廢棄物由加料器（2)加料到預反應段（3)，所 述預反應段（3)的外部設有加熱或者保溫，工作溫度為105~298°C;然后將預反應后的物料 (4)送至主反應器（5)，所述主反應器（5)的外部設有加熱，工作溫度在450-650°C;廢棄物 在主反應器（5)內熱解生產殘焦（6)和揮發份（8);反應完畢后產生的殘焦（6)排入調質 器（7)，同時產生的揮發份（8)也強制送入調質器（7)與殘焦（6)接觸反應調質，所述調質 器（7)的外部設有良好保溫或者加熱，工作溫度為700-900°C，殘焦（6)和揮發分⑶在調 質器（7)內再次反應調質獲得更高品質的油以及更多的可燃氣體；調質器（7)同時實現了 殘焦（6)和揮發份（8)的同時調質，調質處理后的揮發份（9)送入顆粒分離器（10)，經過顆 粒分離器（10)處理的揮發份成為后清潔的揮發份（12)輸出利用，調質后的殘焦（11)輸出 利用或填埋。
6. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是當 廢棄物⑴的含水率不高于42%時，經過氣體洗滌器（13)后的循環氣體（14)被系統的余 熱加熱至300°C _380°C。
7. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是當 廢棄物⑴的含水率為42-60%時，來自主反應器（5)的煙氣（17)直接通入預反應段（3); 然后進入氣體洗滌器（13)再排出。
8. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是所 述調質器（7)中所述揮發份（8)與殘焦（6)在其內部順流或者逆流相對流動，接觸反應實 現調質。
9. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是當 為了獲得更高品質的油時，調質器（7)工作溫度為700-80(TC ;當為了獲得改良的合成氣 時，調質器（7)工作溫度為800-900°C。
10. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是 所述調質后的殘焦（11)的熱值在3. 37?6. 74MJ/kg范圍內。
11. 根據權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解的系統的使用方法，其特征是 調質器（7)底部設有煙氣進口，所述煙氣進口連接燃燒爐（16)，所述燃燒爐（16)設有氣體 入口，所述調質器（7)頂部設有煙氣出口，所述煙氣出口連接主反應器（5)的煙氣入口，所 述主反應器（5)的頂部設有煙氣出口。
12. -種如權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解系統的使用方法，其特征是 調質器（7)、主反應器（5)以及預熱段（3)的加熱可以按如下方法實施，具體為： 顆粒分離器（10)排出的可燃氣體作為引射氣（19)引射分離顆粒后的揮發份（12)到 燃燒室（16)燃燒產生的煙氣（17)在調質器7外加熱，隨后煙氣（17)進入主反應器（5)，從 主反應器（5)的外側排出的煙氣（17)進入循環氣體加熱器（18)加熱循環氣體（14)，冷卻 后的煙氣（17)排入凈化裝置。
13. -種如權利要求5所述的油、氣、炭可調的廢棄物熱解系統的使用方法，其特征是 調質器（7)、主反應器（5)以及預熱段（3)的加熱可以按如下方法實施，具體為： 用助燃用的壓縮空氣作為引射氣（19)引射分離顆粒后的揮發份（12)到燃燒室（16) 燃燒產生的煙氣（17)在調質器（7)外加熱，隨后煙氣（17)進入主反應器（5)，從主反應器 (5)的外側排出的煙氣（17)進入預反應段（3)加熱廢棄物（1)，然后攜帶水分的煙氣排入 氣體洗漆器（13)。
【文檔編號】C10G1/00GK104087340SQ201410247492
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】陳德珍, 王娜, 張旭, 王中慧 申請人:同濟大學