一种小型振动式热解炭气化装置及气化工艺的制作方法

1.本发明涉及固废处理领域，尤其是涉及一种小型振动式热解炭气化装置和基于该装置的热解炭气化工艺。


背景技术：

2.目前，非生物有机固废的最理想的处理方式是热解技术，因为理论上，热解技术可以实现固废无害化的同时，实现环境污染极低、能源和物质资源回收利用。环境污染极低是因为采用绝氧或缺氧条件，氮氧化物、硫氧化物、氯化氢等有害物质较少，处理过程生成的气体体积少，生成的气体和油可以在低空气比燃烧，硫、金属等大部分固定在炭黑中，三价铬不会氧化成剧毒六价铬；能源和物质资源回收利用是因为，热解产物均有热值，热解过程释放在环境中热不多、浪费的能量不多，且可以用于补充热解本身热量或集中处理热电联产，增加能量利用效率；其中，热解油气的资源化利用较为容易，但是热解炭的处理却面临困境，特别是对于固废热解中最实用的中低温绝氧热解技术，因为虽然中低温热解设备要求低、普适性强，但是会产生较多的温度较高的含碳热解残渣（也叫热解炭）。虽然热解的残渣具有稳定性极高、形态致密、不会腐败、无病毒细菌、满足减量化和稳定化的优点，因此受到国家和专家的推崇，但固废热解残渣终究是需要处理的；而如果对其进行焚烧处理，又相当于走了焚烧的老路，浪费了热解技术的环保优势，还是需要非常严格的焚烧和烟气处理系统而且危废处理价格极贵；另外，炽热的热解炭如不绝氧冷却还会自燃，进行冷却又会需要时间、设备成本，浪费了热解系统大量的热量。热解炭处理的复杂系统性问题处理不当，正是热解技术这样一种好技术目前发展堪忧的原因之一。
3.热解碳如经过充分的中低温热解，主要含有碳、无机杂质，几乎没有挥发分了，这类似于煤中的焦炭，而无机杂质主要是砂子、金属、粉状灰烬等。总结可以发现，高含碳热解残渣、煤、吸附重金属的活性炭、碳载体的催化剂，这些物质其实是一类对象，而煤炭领域，煤的最佳处理利用是气化，如何借鉴煤炭领域的气化技术来处理含碳热解残渣是打通热解技术的关键之一。块煤常采用固定床反应器，适合低挥发分的媒质，但不断产生的灰烬容易包覆在煤的表面，容易导致反应越来越慢，粉末状煤常采用气流床、流化床等，但不适合灰、杂质较多的媒质。热解残渣碳的组分比例不一，有高有低，杂质常常较多，发明一种适应性强的热解碳气化处理装置和系统工艺势在必行。
4.其中，cn 206966298 u《一种生活垃圾热解处理系统》实用新型专利虽然利用二段筛分装置、tbs分选机、水煤浆制备装置和水煤浆锅炉将生活垃圾热解残渣做成水煤浆进行气化，但是，事实上，煤的最佳气化方式
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水煤浆气化并不适合热解炭的气化，因为这既浪费了热解残渣的显热，也不符合水煤浆对原料灰分等的技术要求，使用过程还会因为品质不达标造成各种问题。cn111635776a《可循环垃圾热解炭化处理系统及方法》 目前申请中的发明专利则采用振动筛进行热解炭的筛选，然而，这是不可能筛分干净的，因为只要存在碳砂比（炭
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无机杂质的比值）的热解炭，实际都可分为3种密度形态，即低密度（炭）、中密度（炭砂结合）、高密度（砂等无机杂质），采用本专利则可以在调节后将高密度（砂等无机杂
质）热解炭部分排出，而低密度（炭）特别是中密度（炭砂结合）这种二者结合很深的热解炭都控制在气化区域，被加热气化掉；另外筛选操作浪费了大量的热解炭显热。cn103333708a《生物质螺旋振动电磁感应热解反应器及热解处理方法》发明专利则是在热解的过程采用振动，本专利是处理热解后的热解炭采用振动，应用场景、目的、效果均不一样。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种小型振动式热解炭气化装置及工艺，其可配套于采用“预处理
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烘干
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绝氧热解工艺”等产生高温蒸汽、炽热热解炭且热解残渣颗粒不会过于复杂工艺的固废中低温热解炉，用于处理各种碳含量（碳和重密度无机杂质的比值有差异）的高温热解残渣。本发明借鉴了生产生活常见的振动设备如砂石分离机、筛砂机、振动筛等振动分离现象，将振动过程引入气化过程，但不同于密度差不多的不同大小颗粒的“巴西坚果效应”，本发明主要利用密度相差极大的碳和无机杂质晃动分层原理，发明了一种介于流化床和固定床之间的气化设备。同时，本发明借鉴了用铁砂炒坚果的日常生活现象，变热解炭中的砂子等无机杂质为促进碳气化的热载体，实现了变废为宝，资源利用。由于实际热解系统一般都不会很大，热解炭产量不算太多，且系统振动不适合过大的设备，故本装置匹配应设计成小型设备。解决了炽热热解炭甚至是高温烘干蒸汽的处理问题，实现了中低温绝氧热解含碳残渣的资源化、减量化问题。
6.为解决上述问题，本发明采用的方案如下：一种小型振动式热解炭气化装置，包括炉体，其特征在于，所述炉体设置在弹簧振动器系统上；所述炉体内部设有炉腔；所述炉腔的底板倾斜设置；所述炉腔的底板下方设置水煤气间接加热区；所述炉腔的底板的最低端设置排渣口；所述炉体上方设有与炉腔联通的热解炭进口；所述炉体一端设有气化剂进口，另一端设有气化气出口；所述热解炭进口设有料槽阀门；所述排渣口设有排渣阀门；所述水煤气间接加热区设有废气排出口。
7.利用固废烘干产生的蒸汽和固废炽热热解碳进行热解炭气化，主要在一个设备里经过加料、垂直气流方向振动分层、气流方向振动摊铺、气化、排渣5个工艺步骤，其中通气气化持续进行，加料、气流方向振动分层、垂直气流方向水平振动摊铺3个工艺交替进行，振动过程时长和间歇分布针对热解炭碳和高密度的无机杂质的比值调整，排渣则在无机杂质累计过多的情况下进行。通过一体化的振动式热解炭气化装置实现，装置主要有以下部分：气化剂进口、气化气出口、热解炭进口、料槽阀门、水煤气燃烧间接加热区、弹簧振动器系统、排渣口、炉腔（振动快速分层区、热解炭聚集气化区、薄层无机杂质热载体区）、气源切换和点火系统、筛网、废气排出口、炉体、附属保温层等。并会在装置内形成真实存在的4个工艺区域：振动快速分层区；热解炭聚集气化区；薄层无机杂质热载体区；水煤气燃烧间接加热区。其中振动快速分层区、热解炭聚集气化区、薄层无机杂质热载体区三者构成
“┍”
形状炉腔，水煤气燃烧间接加热区构成
“┍”
形状炉腔下面的气体燃烧加热室。所有与外部系统的封闭连接采用柔性连接如长金属波纹管等。
8.进一步，根据上述设计方案所述小型振动式热解炭气化装置，其特征在于，所述弹簧振动器系统包括水平x向震动组件和水平y向震动组件；所述水平x向震动组件的震动方向平行于气化剂流动方向；所述水平y向震动组件的震动方向垂直于气化剂流动方向。
9.进一步，根据上述设计方案所述小型振动式热解炭气化装置，其特征在于，所述气
化剂进口和气化气出口设有筛网。
10.进一步，根据上述设计方案所述小型振动式热解炭气化装置，其特征在于，所述热解炭进口设置在排渣口上方；所述气化剂进口设置在靠近热解炭进口的一端；所述排渣阀门上方空间与炉腔组成
“┍”
形状炉腔，即振动快速分层区、热解炭聚集气化区、薄层无机杂质热载体区三者构成
“┍”
形状炉腔。
11.进一步，根据上述设计方案所述小型振动式热解炭气化装置，其特征在于，所述水煤气间接加热区包括气源切换和点火系统；所述气源切换和点火系统用于向水煤气间接加热区输送外部能源和或水煤气，并且在水煤气间接加热区点火。
12.进一步，根据上述设计方案所述小型振动式热解炭气化装置，其特征在于，所述炉腔的底板为倾斜耐高温导热材料；所述炉体外部包覆设置保温层。
13.一种基于小型振动式热解炭气化装置的热解炭气化工艺，其特征在于，包括加料、垂直气流方向振动分层、气流方向振动摊铺、通气气化、排渣5个工艺步骤；其中通气气化持续进行，加料、气流方向振动摊铺、垂直气流方向水平振动分层3个工艺交替进行；排渣根据无机杂质累积的情况进行；全部工艺步骤通过小型振动式热解炭气化装置实现；加料：热解炭原料通过热解炭进口送入炉腔内；气流方向振动摊铺、垂直气流方向水平振动分层：弹簧振动器系统周期性水平、竖直振动带动装置运动，炽热热解碳原料振动分层，上方为密度较小的热解炭，下方为密度较大的无机杂质，并形成位于上层的振动快速分层区和热解炭聚集气化区，位于下层的薄层无机杂质热载体区；热解炭原料中热解炭被富集、集中摊铺，在整个上层水平面形成分层；通气气化：从气化剂进口持续送入水蒸气，水蒸气与热解炭产生气化反应生成气化气，气化气从气化气出口排出；气化气通过气源切换和点火系统进入水煤气间接加热区进行燃烧，对炉腔内热解炭原料进行加热，富余气化气另作它用；排渣：当炉腔内下层无机杂质超过设计标准时，通过排渣阀门控制无机杂质从排渣口排出，保持炉腔内下层无机杂质始终保持薄层状态。
14.进一步，根据上述设计方案所述基于小型振动式热解炭气化装置的热解炭气化工艺，其特征在于，在反应的初期水煤气间接加热区由其他能源供热，热解炭气化进行一段时间后由气化气燃烧供热，废气通过废气排出口排出；其他能源和气化气通过气源切换和点火系统进行切换和启炉。
15.本发明的技术效果如下：1、对固废烘干蒸汽进行了系统性的资源化利用，在本发明中作为气化剂进行气化反应，生产燃气。
16.2、对炽热的热解含碳残渣进行了系统性的资源化利用，并减量化，气化产生了燃气（也叫煤气、气化气、水煤气），可以自持或供给用户使用。
17.3、在振动分层后，炭、砂、金属三者密度相差极大，密度分层后上层富集了碳，增加了气化反应效率，下层富集了密度极大的重金属，方便排渣；大颗粒的热解炭在“巴西坚果效应”下更是总是处于上层，提供了足够的气体通过空间防止气路堵塞爆炸；灰烬在“巴西坚果效应”下会掉落至最下层，方便排渣排灰，使系统适合对各种碳砂比的高温含碳残渣进行气化。
18.4、振动分层技术的使用，使主要的热解炭聚集气化区的热解碳在振动中处于一种
轻微流化的状态，炭表面的灰烬也不会持续附着在炭上，使气化剂和热解炭充分接触，规避了固定床的缺点；同时振动的作用不如煤气化的流化床（沸腾床）、气流床激烈，灰尘及时下沉，相比于流化床极大的减少了气化气（即水煤气）中灰尘的含量，提高了气化气的品质。
19.5、无机杂质（砂等）形成的薄层无机杂质热载体区一方面起到热载体的作用，另一方面隔绝了灰，灰在气化过程中掉落在薄层无机杂质上，然后被振动掩埋，避免了灰被振动到气路上，提高了气化气的品质。
20.6、热解含碳残渣中本身就含有对气化可以产生催化作用的金属类物质，节省了催化剂。
附图说明
21.图1振动式热解炭气化装置示意图。
22.其中1：气化剂进口；2：气化气出口；3：热解炭进口；4：料槽阀门；5：热解炭聚集气化区；6：薄层无机杂质热载体区；7：水煤气燃烧间接加热区；8：弹簧振动器系统；9：加料超高线；10：排渣阀门；11：排渣口；12：振动快速分层区；13：气源切换和点火系统；14：筛网；15：废气排出口；16：炉体。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
24.实施例：一种振动式热解炭气化装置及系统工艺，由气化剂进口1、气化气出口2、热解炭进口3、料槽阀门4、水煤气燃烧间接加热区7、弹簧振动器系统8、排渣口11、振动快速分层区12、气源切换和点火系统13、筛网14、废气排出口15、炉体16、附属保温层等构成。并会在装置内形成真实存在的4个工艺区域：振动快速分层区；热解炭聚集气化区5；薄层无机杂质热载体区6；水煤气燃烧间接加热区7。由于振动的使用，所有与外部系统的封闭连接采用柔性连接如长金属波纹管等。
25.系统运行流程如下：系统运行前，有前提条件：需要服务的热解系统在运行，如此才有高温蒸汽和热解炭产生。然后系统启炉需要先有热解碳进入分层，在水煤气燃烧间接加热区通入其他燃气（如外部热解系统的热解气，购买的天然气等）点火加热。启炉后即能稳定产生气化气（水煤气）后则进行气源切换即可不使用其他燃气。
26.正式运行时，经过加料、垂直气流方向水平振动分层、气流方向振动摊铺、气化、排渣5个工艺步骤，其中通气气化持续进行，加料、气流方向振动分层、垂直气流方向振动摊铺3个工艺交替进行，振动过程时间长短和间歇分布根据热解炭碳和高密度的无机杂质的比值调整，极限情况下即热解炭占比近100%以上时，不用振动，系统完全可以成为一个外热式固定床系统。系统在无机杂质过多的情况下排渣。
27.热解炭进口3接《一种低温薄层速热梯级绝氧热解系统及基于该系统的固废热解系统》的热解炉或其他热解炉，如果热解碳颗粒过大则需要破碎后再进料，但不可磨成粉末，否则造成炭不易上浮富集、减少热解炭显热、气体灰烬较多；振动快速分层区12上方承接料槽阀门4周期性释放的固废热解后的颗粒状炽热热解碳，每次加完料后应以加料超高线9为宜，加料超高线9由实际情况确定，设定该线的目的和方法是一方面防止加料过多，振
动后，内部过满而无法振动，另一方面防止加料过少，振动后，上层空隙过大，气化剂（即水蒸气）短流，与炽热热解炭接触概率反而不大。进料进气气速度不应过大，以保持较低的气化强度，原因是热解炭的碳性质接近于焦炭，挥发分极少。存在碳砂比（炭
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无机杂质的比值）的热解炭，实际都可分为3种密度形态，即低密度（炭）、中密度（炭砂结合）、高密度（砂等无机杂质），本系统可以在调节后将高密度（砂等无机杂质）热解残渣部分排出，而低密度（炭）特别是中密度（炭砂结合）这种二者结合很深的热解炭都控制在气化区域被加热气化掉而成为高密度（砂等无机杂质）物质不断被排出。由于弹簧振动器系统8的周期性振动（垂直气流方向振动分层、气流方向振动摊铺），炽热热解碳在整个平面上振动分层然后摊铺，上方为密度较小的热解炭（密度0.8g/cm
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左右），下方为无机杂质（一般密度≥2g/cm
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），垂直气流方向振动分层期间，由于原料基本未被高温加热，仅为余热，所以及时分离出来有益减少热量损失。进料时热解碳虽然炽热，一般为250
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500℃，具有显热，但温度依然略低，处于碳气化温度区间的极限下游末端，气化剂进口1被通入固废烘干蒸汽，只进行一小部分的气化反应，主要进行振动分层，如此，原料中碳可以被富集、集中摊铺加热气化，增大气化接触机会和加热速度。
28.上层的热解炭聚集气化区5富集有碳颗粒，水平一侧气化剂（为主）和振动快速分层区部分气化气体（少量）的混合气体进入，继续和富集热解炭发生气化反应，由于下方的加热，温度至少在500℃以上，甚至可以到1250℃，是主要的气化区域。产生的气化气即一种类似煤和蒸汽气化产生的水煤气，通过出气口出去，可以根据实际情况和需要进行净化，气体则根据产量（原料含碳量不同则产量不同），少则进入水煤气燃烧间接加热区维持气化吸热，多则进行其他利用。下层的薄层无机杂质热载体区6受到水煤气燃烧间接加热区7的加热，主要有热解炭中的杂质（一般为砂子），既起到热载体的作用，也上浮了低密度的热解炭、下沉了高密度的重金属。无机杂质热载体厚度受到排渣口11和排渣阀门10排渣控制，始终处于较薄的状态，防止过厚，如此更好的传热。下方一侧无机杂质（高密度的重金属、粉状灰）通过排渣口11排出，其残余碳极少。
29.水煤气燃烧间接加热区7接受部分或全部的气化气，而气化气即一种类似煤和蒸汽气化产生的水煤气，碳的气化是吸热反应，水煤气燃烧进行供热，保证气化的形成，如此形成循环。气化气（即水煤气）燃烧后的废气经废气排出口15排出进行相应简单处理即可达标排放。
30.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。