一种垃圾热解工艺系统

技术领域

本发明属于垃圾处理技术领域，具体涉及一种垃圾热解工艺系统。

背景技术

目前我国垃圾围城现象随着城市经济发展越来越严重，垃圾焚烧技术凭借减量化、与资源化程度高的优势，在中国大中型城市得到广泛的应用。然而，采用焚烧处理生活垃圾将不可避免地产生二噁英。二噁英控制已成为推广垃圾焚烧处置技术的最大制约因素之一。焚烧从根本上很难严格控制二噁英及重金属的排放，而世界各国又都在倡导零排放工程，尤其是二噁英类物质的近零排放，于是市场急需一种新的技术垃圾热解技术。

垃圾热解技术是指垃圾中较大的纤维素、木质素、半纤维、塑料等成份，在加热环境中发生裂解，产生CO、CO2、H2O、CH4等小气态分子，焦油和残碳。目前热解技术以加热方式来分类可以分为间接加热和直接加热，间接加热主要以将燃料燃烧产生的高温烟气引入热解反应器外夹套或者直接在外夹套内燃烧，通过将热解反应器内壁加热实现热传导提供垃圾热解所需的热量，该方式热量的传递只在热解气内壁实现，从而使得这种方式热解反应处理量不大，同时热解反应器尺寸大，主要以夹套回转窑为代表。直接加热包含气体热载体加热和固体热载体加热。气体热载体加热主要以燃料燃烧产生的高温热烟气直接引入热解反应器内部，与热解物料直接接触，主要以回转窑，固定床为代表，该方式无法获得品质高的热解气，同时系统除尘负荷大。固体热载体加热是以将一些外部的石英砂，陶瓷球，或者本身产生的灰分或者半焦作为热载体与物料直接接触，换热效率极高，同时热解气品质高。其中双塔流化热解是固体热载体加热技术中的一种典型方式，即热解过程和燃烧过程分开在两个流化床中进行，既能够利用燃烧放出的热量平衡了热解反应所需热量，又避免了热解反应器所产合成气受到稀释，从而最终产生高热值气体，碳和油，因此倍受关注。然而，目前双塔流化床技术处理规模不大基本在200t/d以下，与当前的炉排炉焚烧处理量差距较大，是热解技术在国内外大规模推广的一个瓶颈。对于流化热解技术来讲，另外一个弊端是产生的热解油气含尘量大，而且热解产物焦油成分复杂性，随着热解气温度降低而形成的焦油雾含有大量直径小于1μm的液滴，易与水、焦炭、灰尘等粘结、冷凝而形成黏稠的液体物质，影响设备的稳定和安全运行。

本发明针对上述问题提出一种垃圾沸腾床和循环流化床的不同组合热解工艺，在沿用固体热载体加热技术的基础上，解决常规垃圾热解装置不能实现大型化的问题，是普通垃圾热解装置处理能力2～3倍，同时采用热解气作为沸腾炉热解的流化介质，保证了热解气的高品质，沸腾炉内设置旋风除尘维持除尘装置的高温环境，解决后续过程中热解焦油与灰尘堵塞后续系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垃圾热解工艺系统，能实现垃圾快速热解产生高品质热解产物，能实现热解反应大规模化，同时解决热解过程中热解焦油与灰尘堵塞后续系统。

为达到上述目的，本发明包含沸腾炉、循环流化床、垃圾进料斗、垃圾进料装置、固体热载体补料斗、固体热载体补料装置、高温烟气旋风分离器、热载体接受仓、热载体进料装置、固体热载体返料装置、旋风分离器、焦油分离器、烟气二次旋风分离器、热解气引风机、鼓风机、沸腾炉隔板。

所述固体热载体补料斗位于固体热载体补料装置上方，固体热载体补料装置与循环流化床补料口连接，热载体接受仓位于固体热载体进料装置上方；固体热载体进料装置出口与沸腾炉热载体进口连接，沸腾炉底部返料口与固体热载体返料装置进口连接，固体热载体返料装置出口连接至循环流化床；循环流化床上部设置有高温烟气旋风分离器，循环流化床下部设置有鼓风机，烟气二次旋风分离器与高温烟气旋风分离器连接，高温烟气旋风分离器安装在热载体接受仓上方，垃圾进料斗位于垃圾进料装置上方，垃圾进料装置与沸腾炉连接；旋风分离器位于沸腾炉上部；旋风分离器与焦油分离器连接，循环流化床下部与沸腾炉、热解气引风机连接。

所述的沸腾炉内有机垃圾颗粒与高温固体热载体在流化介质的流化作用下形成一定的床层厚度，垃圾颗粒和固体热载体充分进行加热混合和热解，有机物在500～1000℃下由于热不稳定性热解生成热解油气和垃圾碳，热解产生的高温热解油气经顶部除尘以后，进入旋风分离器与焦油分离器，分离后的热解气一部分被热解气引风机送回至沸腾炉作为流化介质，另外一部份作为补充燃料提供给循环流化床内燃烧加热固体热载体至600～1100℃，提供沸腾炉中热解反应所需的热量，多余热解气净化后可以外卖。

所述循环流化床燃烧产生高温烟气携带固体热载体经高温烟气旋风分离器实现气固分离，高温烟气经过烟气二次旋风分离器除尘后可以送至后续系统进行余热回收，分离下来的高温固体热载体进入热载体接受仓缓存，固体热载体进料装置将热载体接受仓内的高温固体热载体送入沸腾炉作为垃圾热解反应的原料。热解完成后降温后的固体热载体以及产生的残碳通过固体热载体返料装置送入循环流化床内加热固体热载体，从而实现固体热载体在系统内加热-热解-加热的循环。

所述的固体热载体进料装置和固体热载体返料装置可以为机械式螺旋进料结构或者U型和L型气流送料结构，垃圾进料装置、固体热载体补料装置结构为机械式螺旋进料结构。

所述固体热载体的分配方向可以并联方向或者串联方向。

所述固体热载体并联分配方向依次设置为循环流化床，高温烟气旋风分离器，公用热载体接受仓，1～3个支路热载体进料装置，1～3个沸腾炉，1～3个支路热载体返料装置。

进一步，循环流化床和公用热载体接受仓为1～3个沸腾炉共同使用，每个沸腾炉配套一个相应的垃圾进料斗和垃圾进料装置，以及一个相应的固体热载体进料装置和固体热载体返料装置。公用热载体接受仓位于1～3个支路热载体进料装置上方，每个固体热载体进料装置出口与对应沸腾炉热载体进口连接，每个沸腾炉底部返料口与对应固体热载体返料装置进口连接，1～3个支路热载体返料装置连接至循环流化床；

所述1～3个沸腾炉围绕公用热载体接受仓相互成一定角度布置，沸腾炉横截面积为圆形或四边形，布置主要以现场布置可实施性确定，

所述串联方向依次设置为循环流化床，高温烟气旋风分离器，热载体接受仓，热载体进料装置，沸腾炉(沸腾炉分两个沸腾室，室之间设有隔板，隔板上设有小孔或者间隙)，以及热载体返料装置，如图4所示。

进一步，在第一个沸腾室内产生的热解气携带着固体热载体通过沸腾炉间隔板的小孔或者间隙进入沸腾炉，未热解完成的垃圾碳在第二沸腾室内继续高速混合热解。通过沸腾炉两个沸腾室串联运行，延长了垃圾热解反应的停留时间，进一步提升热解产物品质。

所述沸腾炉顶部设置2～4个并联连接的内部除尘装置，避免了传统装置中除尘装置外置情况下，由于系统局部低温等引起热解焦油与灰尘混合引起系统堵塞和分离出的灰尘在输送过程中的结块堵塞且需要外运处置的问题，分离下的灰尘灰返回至沸腾炉内，大大简化了系统流程，降低了系统平稳运行的风险。

所述沸腾炉采用分离焦油后的热解气作为沸腾炉内的流化介质，避免了其他气体作为流化介质，大大降低了热解气的热值。

本发明所取得的有益效果为：

本发明提供一种流化床燃烧与沸腾炉相结合的热解工艺，能实现垃圾快速热解产生高品质热解产物，能实现热解反应大规模化，同时解决热解过程中热解焦油与灰尘堵塞后续系统。

附图说明

图1为垃圾热解工艺系统示意图A；

图2为垃圾热解工艺系统示意图B；

图3为垃圾热解工艺并联布置示意图C；

图4为垃圾热解工艺串联布置示意图D；

图中：1、沸腾炉(a～c)；2、循环流化床；3、垃圾进料斗(a～c)；4、垃圾进料装置(a～c)；5、固体热载体补料斗；6、固体热载体补料装置；7、高温烟气旋风分离器；8、热载体接受仓；9、热载体进料装置(a～c)；10、固体热载体返料装置(a～c)；11、旋风分离器(a～c)；12、焦油分离器；13、烟气二次旋风分离器；14、热解气引风机；15、鼓风机；100、沸腾炉隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1图2为本发明使用的一种流化床燃烧与沸腾炉热解相结合的垃圾热解工艺系统，包含1～3个沸腾炉(1a～1c)，一个循环流化床2，1～3个支路热载体进料装置(3a～3c)，1～3个垃圾进料装置(4a～4c)，固体热载体补料斗5，固体热载体补料装置6，1个高温烟气分离器7，1个热载体接受仓8，1～3个支路热载体进料装置(9a～9c)，1～3个支路热载体返料装置(10a～10c)，旋风分离器11，焦油分离器12，烟气二次旋风分离器13，热解气引风机14，鼓风机15，沸腾炉隔板100。

其中，固体热载体补料斗5位于固体热载体补料装置6上方，固体热载体补料装置6与循环流化床2补料口连接，利用热载体补料装置6将存在固体热载体补料斗5中的固体热载体加入循环流化床2。热载体接受仓8位于固体热载体进料装置(9a～9c)上方，热载体进料装置(9a～9c)与热载体接受仓8成一定角度连接；固体热载体进料装置(9a～9c)出口与沸腾炉(1a～1c)热载体进口连接，沸腾炉(1a～1c)底部返料口与固体热载体返料装置(10a～10c)进口连接，固体热载体返料装置(10a～10c)出口连接至循环流化床2；循环流化床2上部设置有高温烟气旋风分离器7，循环流化床2下部设置有鼓风机15，烟气二次旋风分离器13与高温烟气旋风分离器7连接，高温烟气旋风分离器7安装在热载体接受仓8上方，垃圾进料斗(3a～3c)位于垃圾进料装置(4a～4c)上方，垃圾进料装置(4a～4c)与沸腾炉(1a～1c)连接；旋风分离器11位于沸腾炉(1a～1c)上部；旋风分离器11与焦油分离器12连接，循环流化床2下部与沸腾炉(1a～1c)、热解气引风机14连接。鼓风机15出口与循环流化床2助燃风入口连接，通过鼓风机15通入流化风，实现固体热载体的流化。

所述沸腾炉(1a～1c)为有机垃圾热解反应进行的装置，沸腾炉(1a～1c)内有机垃圾颗粒与高温固体热载体在流化介质的流化作用下形成一定的床层厚度，垃圾颗粒和固体热载体充分进行加热混合和热解，有机物在高温情况下不稳定生成热解油气和垃圾碳，沸腾炉内温度可以为500～1000℃，内部压力为常压。

所述沸腾炉(1a～1c)顶部设置内部除尘装置，维持了除尘过程中的高温环境，避免了由于热解产生的焦油在后续系统温度降低的情况下易于灰尘粘接堵塞管道和设备。产生的高温油气夹带灰尘上升至沸腾炉(1a～1c)顶部进入旋风分离器11，旋风分离器11为2～4个并联，每个旋风的油气流量基本相同，进口速度维持在旋风高效分离的速度区间，旋风料腿设有锁气装置，对于平均粒径在10～20微米的除尘效率可以达到90％以上。

为了适应实际使用需求，所述沸腾炉(1a～1c)的横截面积为圆形，四边形，或者其他。

所述热解气回路即沸腾炉(1a～1c)内热解产生的高温热解油气经顶部除尘以后，进入油气分离器12进行分离，分离后的热解气一部分被热解气引风机送回至沸腾炉(1a～1c)作为流化介质，避免了其他惰性气体作为流化介质稀释产生热解气品质的问题。另外一部份作为补充燃料提供给循环流化床2加热固体热载体，多余热解气净化后可以外卖。

所述循环流化床2主要功能为加热固体热载体，提供沸腾炉(1a～1c)中热解反应所需的热量，同时将热解产生的碳在循环流化床2进行燃烧产生高温烟气，高温烟气经除尘后可以送至后续系统进行余热回收。

作为本发明的另外一个方面，固体热载体的分配方向可以并联方向或者串联方向。

所述固体热载体并联分配方向依次设置为循环流化床2，高温烟气旋风分离器7，公用热载体接受仓8，1～3个支路热载体进料装置(9a～9c)，1～3个沸腾炉(1a～1c)，1～3个支路热载体返料装置(10a～10c)。

进一步，循环流化床2和公用热载体接受仓8为1～3个沸腾炉1共同使用，公用热载体接受仓8可以为任意形状料仓，主要考虑各支路进料装置和对应沸腾炉的合理布置。每个沸腾炉(1a～1c)配套一个相应的垃圾进料斗和垃圾进料装置，以及一个相应的热载体进料装置(9a～9c)和热载体返料装置(10a～10c)，如图3所示。

其中公用热载体接受仓8位于热载体进料装置9上方，热载体进料装置9可以为1～3个分别为9a～9c，如图3所示，热载体进料装置9a～9c进口与公用热载体接受仓8成一定角度连接，具体角度根据实际工程使用和布置确定。

热载体进料装置9a～9c出口与沸腾炉1a～1c热载体进口对应连接，沸腾炉1a～1c底部返料口与热载体返料装置10a～10c进口对应连接，热载体返料装置10a～10c出口共同连接至循环流化床2。通过分别调节热载体进料装置9a～9c电机不同频率，保证与进料垃圾成一定比例地分别进入对应的沸腾炉，沸腾炉可以热解不同处理量的垃圾颗粒，以达到不同的处理量组合要求，同时床内热解温度也可以根据不同的固体热载体与垃圾颗粒比例来实现，以达到不同的热解产物需要。产生的高温热解油气沿着沸腾炉1a～1c并携带一定的灰分上升至沸腾炉顶部内置旋风11a～11c进行除尘。

进一步，1～3个支路热载体进料装置(9a～9c)可以为机械式螺旋给料配变频电机，通过改变电机频率，可以分配各沸腾炉的高温固体热载体量，从而提供各沸腾炉(1a～1c)内热解反应所需的热量，也可以为气流输送的U型和“L”型返料，通过改变送料的风量大小，各沸腾炉的高温固体热载体流量分配。

进一步，各沸腾炉(1a～1c)内可以维持相同的反应温度，也可以维持不同反应温度，从而得到不同品质的热解产物。

进一步，这种并联布置可以使得整个装置垃圾热解处理量比普通流化床热解装置大2～4倍。

本发明的另外一个方面是：所述串联方向依次设置为循环流化床2，高温烟气旋风分离器7，热载体接受仓8，热载体进料装置9，沸腾炉(1a/1b)以及热载体返料装置10，其中沸腾炉1可以为两个沸腾炉1a/1b，两个沸腾炉1a/1b通过沸腾炉隔板100进行分离，隔离上设计一些小孔或者间隙，如图4所示。

其中，循环流化床2内高温固体热载体被高温烟气携带至旋风分离器7进入热载体接受仓8。其中热载体接受仓8位于热载体进料装置9上方，热载体进料装置9出口与沸腾炉1a热载体进口对应连接，沸腾炉1a流化状态下进行热解，沸腾炉1a不设内置旋风和热解气出口，热解气携带着固体热载体通过沸腾炉隔板100设置的小孔或者间隙进入沸腾炉1b，未热解完成的垃圾碳在沸腾炉2b内继续高速混合热解，产生的热解气进入2～4个并联内置旋风分离器11进行除尘，每个旋风的油气流量基本相同，进口速度维持在旋风高效分离的速度区间，旋风料腿设有锁气装置，对于平均粒径在10～20微米的除尘效率可以达到90％以上。除尘后的油气进入油气分离12分离焦油后返回至沸腾炉1a/1b进行流化。两个沸腾炉1a/1b实现垃圾的两级热解，延长了垃圾在沸腾炉内的停留时间，提高了热解产物品质。

沸腾炉1b底部返料口与热载体返料装置10进口对应连接，热载体返料装置10出口连接至循环流化床2返料口。

通过分别调节热载体进料装置9电机不同频率，保证与进料垃圾成一定比例地分别进入沸腾炉1a，提供沸腾炉1a内的热解反应所需的热量。

可选的，沸腾炉1b通过设置热载体进料装置9b与热载体接受仓8连接，通过调节热载体进料装置9b电机不同频率，实现沸腾炉2b热解反应的热量补给，维持垃圾在沸腾炉1b内的热解温度在500～1000℃。

所述固体热载体可以为石英砂，高温陶瓷球，催化剂颗粒，灰分或者半焦等，其中在沸腾炉合适的温度区间内若采用催化剂作为固体热载体，垃圾热解反应可以减少焦油的产生。

系统开车阶段，需要往循环流化床2内添加辅助燃烧，比如煤炭或者天然气将循环流化床2内的固体热载体进行加热升至600～1100℃，高温烟气携带固体热载体进入高温烟气旋风分离器7中，利用高速离心力将固体热载体和高温烟气进行分离，其中高温固体热载体通过旋风分离器出口进入公用热载体接受仓。

除尘后的高温热解油气经过一个总管连接到焦油分离12进口，在焦油分离12内部完成焦油和热解气分离。

所述焦油分离12可以通过循环水进行喷淋降温至油的初馏点以下，大量的循环水和热解油气在焦油分离12直接接触，降温后油水进行物理静置分离或者高速离心分离。

所述焦油分离12可以根据焦油品质采用间接冷凝的方法分离油和热解气。

所述焦油分离12可以通过大量循环油进行喷淋，利用相似相容原理将热解气中的焦油洗入洗油中，实现热解油气分离。

其中，分离后的热解气经热解气引风机14一部分送回至沸腾炉1a～1c作为流化风，另外一部分送至循环流化床2作为补充燃料，多余热解气经过进一步脱焦油，脱酸之后储存或者外售。

本专利的显著效果在于：

本系统提供的一种垃圾沸腾床和循环流化床的不同组合热解工艺，在保持固体热载体加热优势的基础上，按照固体热载体的分配方向组合方式可以并联方向或者串联方向。固体热载体并联分配方向依次设置为循环流化床，高温烟气旋风分离器，公用热载体接受仓，1～3个支路热载体进料装置，1～3个沸腾炉，1～3个支路热载体返料装置，解决常规垃圾热解装置不能实现大型化的问题，是普通垃圾热解装置处理能力2～3倍。

串联方向依次设置为循环流化床，高温烟气旋风分离器，热载体接受仓，热载体进料装置，沸腾炉以及热载体返料装置，其中沸腾炉分两个沸腾室，室之间设有隔板，隔板上设有小孔或者间隙。通过沸腾炉两个沸腾室串联运行，延长了垃圾热解反应的停留时间，进一步提升热解产物品质。

采用热解气作为沸腾炉热解的流化介质，保证了热解气的高品质，同时沸腾炉设置2～4个内置并联旋风除尘维持除尘装置的高温环境，解决后续过程中热解焦油与灰尘堵塞系统的问题。