一种车载连续式热解气化装置与方法

1.本发明属于医疗废物无害化处理技术领域，具体涉及一种车载连续式热解气化装置。本发明还提供了一种能实现该车载连续式热解气化的方法。


背景技术：

2.在疫情防控、核酸检测、疫苗接种等过程中使用的一次性棉签、手套、口罩、针管、防护服、面具及其他潜在的医疗废物日益增多。由于这些医疗废物可能携带具有传染性的病菌，需要及时进行消毒处理。
3.高温焚烧是目前医疗废物最可靠的处理手段。虽然焚烧处理技术消毒灭菌彻底、减重减量效率高、各类医疗废物适应性强、规模化效应好，但是该方法的尾气处置较为困难，尤其是产生有毒的二噁英，会导致严重的环境污染问题。
4.热解和气化是高效的有机废弃物处理技术。采用热解技术处置医疗废物，同样具有处理效率高、适应性广、消毒彻底等优势。特别地，由于热解为无氧过程，能够无害脱氯，即在温度较低的条件下其还原性气氛能有效遏制含氯组分转化为二噁英等有害物质，避免二次污染。此外，热解过程能够用于制备高值化学品或燃料，并且结合气化技术可进一步利用热解炭生产气化气用于燃料电池发电，实现对医疗废物的资源化利用。因此，热解气化技术比高温焚烧处理技术具有更高的实用价值。
5.然而，医疗废物具分布广、不集中、单次产量少、不能长时间存储等特点，如果医疗废物不能得到及时高效的处置，必定会严重威胁人民的生命健康。由于上述情况下并不具备投建大型医疗废物处理设施的条件，因此有必要开发相应的小型化车载处置设备。
6.常规的热解装置主要包括流化床、固定床、旋转式反应器等。流化床热解反应器需要复杂的布风、分离等辅助设备，难以小型化。固定床反应器，如中国专利申请cn 201210202172.8和cn 202111123398.4，虽然可以小型化用于车载，但是存在物料受热不均匀、物料在热解过程发生粘结的问题。旋转式热解装置可分为轴转动的内旋反应器和反应室转动的外旋反应器，他们可以通过旋转辅助搅拌物料，使其受热均匀。但是单一的外旋反应器，如中国专利申请cn202010051988.x，存在搅拌强度不足导致热解过程中物料粘结、出料颗粒较大导致热解不完全的问题；而单一的内旋反应器，如中国专利申请cn 201910417628.4，搅拌装置仅对处于搅拌旋转平面的物料进行搅动，炉内不同层间的物料碰撞作用较弱，物料难以完全热解。即使将两类旋转式装置简单结合，也很难克服热量难以深入物料内部及物料粘结的问题。因此，亟需设计一种能通过破碎医疗废物实现强化换热并防止粘结的小型化连续式热解装置，并与气化-发电装置进行有机结合，以适应车载条件。


技术实现要素：

7.本发明主要解决的是现有热解反应装置存在传热不均匀、物料易粘结、难以小型化等缺点，无法有效实现医疗废物及时、高效处置的技术问题，提供一种车载连续式热解气
化装置与方法。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了一种车载连续式热解气化装置，包括外部壳体，所述外部壳体形成有进料口、热解气出口、烟气进口和烟气出口，所述烟气进口连通至燃气发动机以能够接收由所述燃气发动机产生的烟气，所述烟气出口连通至尾气净化装置；
9.双旋转反应器，所述双旋转反应器包括可转动地安装于所述外部壳体内的双旋转热解室和沿所述双旋转热解室的转动轴线延伸的所述搅拌轴，其中，所述双旋转热解室的转动轴线相对竖直方向倾斜，且在内壁面上连接有环绕所述转动轴线延伸的螺旋状升料叶片，所述进料口和热解气出口分别连通所述双旋转热解室的内腔；所述搅拌轴上设有碎料叶片，所述碎料叶片由多个设有槽口的搅拌杆或板式搅拌桨组成，且分布于所述升料叶片的间隙中且延伸长度小于所在旋转平面上对应的所述升料叶片的内径，以允许所述搅拌轴被驱动为相对所述双旋转热解室反向转动；以及，
10.气化室，所述气化室布置于所述外部壳体内并通过残炭通道连接至所述双旋转热解室的下端，以允许所述双旋转热解室内热解产生的固体产物进入所述气化室；所述气化室具有气化剂入口、气化气出口和出料口，所述气化气出口经由气化气管道连通至燃气发动机以及燃料电池的气化气入口。
11.烟道，所述烟道设置于所述外部壳体内，且分为上腔室和下腔室，其中上腔室位于外部壳体与双旋转热解室之间的区域，下腔室位于外部壳体与气化室之间的区域；上腔室与下腔室由所述外部壳体分隔，仅通过次高温烟气通道相连通；所述外部壳体的烟气进口连通至所述烟道下腔室，所述外部壳体的烟气出口连通至所述烟道上腔室；由所述外部壳体烟气进口通入的高温烟气能够依次经过所述烟道下腔室、次高温烟气通道和上腔室，并通过所述外部壳体烟气出口排出。
12.优选地，所述出料口的下端设有压缩装置，并连通至固体收集装置，其中，所述压缩装置包括沿出料方向螺距逐渐减小的螺旋叶片。
13.优选地，所述热解气出口经由热解气管道连通至吸附装置的热解气入口，并通过所述吸附装置连通至燃气发动机的热解气入口。
14.优选地，所述双旋转热解室和所述气化室的外侧分别布置有换热肋片，所述气化剂入口和出料口设置于所述气化室的下端，所述气化气出口设在所述残炭通道上。
15.优选地，所述双旋转热解室具有锥底彼此相接的双圆锥状筒体，所述双圆锥状筒体的两端分别通过轴承连接至所述外部壳体，其中，所述双旋转热解室的下端设有筛分装置，所述双旋转热解室内热解产生的固体产物通过所述筛分装置进入气化室。
16.优选地，所述车载连续式热解气化装置包括传动连接至所述双旋转热解室的外旋转驱动装置和传动连接至所述搅拌轴的内旋转驱动装置，所述外旋转驱动装置设置为能够驱动所述双旋转热解室在所述外部壳体内转动并使得所述升料叶片向上输送所述双旋转热解室内的至少部分固态物料；所述内旋转驱动装置设置为能够驱动所述搅拌轴相对所述双旋转热解室反向转动。
17.优选地，所述升料叶片的上端与所述进料口和所述热解气出口间距不少于 100mm，下端紧贴筛分装置表面，并且所述双旋转热解室的转动轴线与水平面之间的夹角为30～60
°
。
18.本发明还提供了使用上述车载连续式热解气化装置的方法，热解和气化两个阶段连续运行，医疗废物在所述双旋转热解室内发生热解产生热解气和热解残炭，随后热解残炭直接进入所述气化室发生气化产生气化气和无机废渣，包括以下步骤：
19.s1.随着医疗废物清运车的发动，车载连续式热解气化装置开始运行，分别驱动所述双旋转热解室旋转和搅拌轴反向旋转；
20.s2.燃气发动机产生的烟气进入烟道中，预热所述气化室和双旋转热解室；
21.s3.通过所述进料口将医疗废物持续送入所述双旋转热解室中，使其受热升温，干燥脱除部分水分，并发生热解；
22.s4.双旋转热解室的升料叶片转动；在升料叶片的推动下，处于底部的医疗废物沿双旋转热解室的内壁逐渐提升至顶端，继而医疗废物又从双旋转热解室中部下落返回至底部；同时，搅拌轴带动碎料叶片朝与双旋转热解室相反的方向旋转，在医疗废物上升或下落时对其进行搅动与破碎，使医疗废物受热均匀，并不断剥离表面热解充分的残炭；剥离产生体积较小的残炭碎片在双旋转热解室中不断下移，穿过筛分装置，经由残炭通道排出至气化室内；而具有不小于预定尺寸的医疗废物受到筛分装置的阻碍，停留在双旋转热解室内，被升料叶片刮离，不断重复上述循环过程，直至热解完成后全部转化为不大于预定尺寸的热解残炭以排出双旋转热解室；
23.s5.利用烟气余热加热水生成水蒸气；在气化室中，热解残炭在水蒸气的作用下发生气化，产生气化气，直至完全转化为无机废渣后从出料口排出气化室；无机废渣经由压缩装置压缩后从出料口排出；
24.s6.医疗废物热解产生的热解气通过热解气出口进入吸附装置，并经过所述吸附装置脱氯后在燃气发动机内进行燃烧，为医疗废物清运车提供动力并为车载连续式热解气化装置提供高温烟气；热解残炭气化产生的气化气，除部分同样用于燃烧供能外，还在燃料电池中发电，为清运车和装置提供电能；经由所述烟气出口排出的烟气在尾气净化装置中净化处理后排空。
25.优选地，所述双旋转热解室(4)中医疗废物的量不超过其容积的2/3，并且所述气化室(10)的气化温度为800～1200℃，所述双旋转热解室(4)的热解温度为300～600℃。
26.本发明技术方案中所述的医疗废物车载连续式热解气化装置，其核心是直径随双圆锥体双旋转热解室内壁变化的升料叶片、布置在反向旋转的搅拌轴上的碎料叶片以及通过筛分装置串联的一体式气化装置。医疗废物首先进入双旋转热解室中逐渐发生热解；螺旋状升料叶片能给所接触的医疗废物施加沿筒壁向上的升力，使处于筒底的大颗粒医疗废物沿搅拌筒内壁逐渐提升至筒顶，随后又由于升料叶片直径的缩小，医疗废物被推向搅拌筒中部并下落返回至筒底；同时，反向旋转的碎料叶片能在医疗废物上升或下落时对其进行搅动与破碎，强化传热，并不断剥离表面热解充分的残炭；剥离产生体积较小的残炭碎片在双旋转热解室中不断下移，通过筛分装置的尺寸筛选，经由残炭通道排出至气化室内；而具有不小于预定尺寸的医疗废物受到筛分装置的阻碍，停留在双旋转热解室内，被紧贴筛分装置表面的升料叶片刮离，不断重复上述循环过程；在气化室中，热解残炭在水蒸气的作用下进一步发生气化，产生气化气，直至完全转化为无机废渣后从出料口排出气化室；无机废渣经由压缩装置，受到螺旋叶片的压缩作用，体积逐渐变小后，在固体收集装置中进行收集；在整个热解气化过程所产生的热解气和气化气分别用于燃烧供能和燃料电池发电，以
满足清运车自身运行所需，实现医疗废物的无害化处理和资源化利用。其有益效果包括：
27.1.过程简单，处理及时：通过车载运行省略收储步骤，在不同医疗废物收储站之间的路程中完成小量医疗废物的处理，同时本发明使用设备可以适用于各种组分和尺寸的医疗废物，无需进行深度分选和破碎，处理步骤简单，适合小型化，能实现医疗废物的及时处理，减少病菌传染可能性。
28.2.高温消毒：通过高温下医疗废物连续的热解和气化过程，能够彻底杀菌消毒，实现医疗废物的无害化处理。
29.3.减重减量：通过连续的热解和气化，极大地减少了医疗废物的体积和质量，最终剩余小部分的无机废渣经过压缩后可直接进行无害填埋。
30.4.清洁运行：利用医疗废物热解生成的热解气进行燃烧，提供清运车所需的动力和装置所需的热量。同时利用热解残炭进行水蒸气气化，产生富含氢气与甲烷的气化气，并可用于燃料电池中发电，为清运车和装置提供电力。整体可实现医疗废物清运车的自运行，无需提供额外的能源，清洁环保。
31.5.有效脱氯：医疗废物的热解过程为无氧过程，可以产生h2、co等还原性组分，并且温度较低、停留时间足够长，使医疗废物中的氯元素以氯化氢的形式得到吸附，能从源头有效抑制二噁英等有害物质的生成，实现医疗废物的有效脱氯。
32.6.资源利用率高：对热解残炭进一步气化制备气化气，以用于燃料电池发电，提高了医疗废物的资源利用率。
33.7.热量利用率高：通过合理布置热解和气化区域，适应烟气温度的递减趋势，提高了热量的利用率。
34.8.均匀传热，防止粘结：双圆锥形的热解室通过倾斜布置，利用升料叶片的直径随热解室壁面所在旋转截面的直径先增大后减小的结构，能够给医疗废物提供推力，实现在搅拌筒壁附近从底端到顶端并在筒中部从顶端返回至底端的大范围循环，使其得到剧烈搅动以受热均匀，且在碎料叶片的快速碰撞中，大块物料被撞击分散，防止粘结。
35.9.破碎表面残炭，热解效率高：单一的外旋或内旋反应器，只能对物料进行搅拌。而本发明双旋转热解室中医疗废物在沿热解室内壁上升和下落过程中，同时还会受到反向旋转的碎料叶片的快速碰撞，能够进行剪切破碎以剥离医疗废物的表面残炭，不断暴露其内部未热解部分，实现强化传热。
36.10.热解与气化反应条件调控方便：可通过调节内外驱动装置的转速、烟气温度与分布、气化剂用量、筛分装置的筛孔尺寸等，灵活改变热解室和气化室的工作状态，适应医疗废物组分的变化。
37.11.自动出料，防止堵塞：双旋转热解室中破碎的残炭可以经由筛分装置的筛孔筛选，可以通过残炭通道落入气化室中进行气化反应，实现热解室到气化室的自动出料；在升料叶片作用下，堆积于紧贴热解室底端的筛分装置表面上的大颗粒碎片被不断刮离，受到提升并继续参与热解，可以防止物料粘结导致筛分装置堵塞；气化室中剩余的无机废渣在重力作用下自动进入出料口，被压缩装置压实后排出，实现气化室到固体收集装置的自动出料。
附图说明
38.图1为本发明实施例提供的车载连续式热解气化装置的示意图；
39.图2为图1所述车载连续式热解气化装置的流程示意图；
40.图3为本发明实施例提供的车载连续式热解气化方法的步骤流程图。
41.[主要元件符号说明]
[0042]
1-进料口；2-热解气出口；3-搅拌轴；4-双旋转热解室；5-升料叶片；6-碎料叶片；7-气化剂入口；8-出料口；9-压缩装置；10-气化室；11-外部壳体；12-烟道；13-残炭通道；14-内旋转驱动装置；15-气化气出口；16-外旋转驱动装置； 17-筛分装置。
具体实施方式
[0043]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0044]
本发明针对现有的问题，提供车载连续式热解气化装置与方法，其能够小型化适合车载，具有处理及时、消毒彻底、大幅减重减量、清洁自供能、有效脱氯、碰撞强化、传热均匀、调控方便、自动出料、防止堵塞和粘结等特点，可通过连续的热解与气化过程，实现医疗废物及时的无害化处理。
[0045]
为了实现上述技术方案，如图1和图2所示，本发明提供的车载连续式热解气化装置，各实施例的装置结构大致相同，包括进料口1、热解气出口2、搅拌轴3、双旋转热解室4、升料叶片5、碎料叶片6、气化剂入口7、出料口8、压缩装置9、气化室10、外部壳体11、烟道12、残炭通道13、内旋转驱动装置14、气化气出口15、外旋转驱动装置16和筛分装置17。
[0046]
双旋转热解室4为中空的双圆锥体搅拌筒，轴向高度为2000mm，最大直径为1400mm，上端面直径为700mm，下端面直径为300mm；双旋转热解室4和搅拌轴3同轴布置且倾斜45
°
角，搅拌轴3直径为50mm；双旋转热解室4和搅拌轴3的两端均由位于外部壳体11上的轴承支撑；双旋转热解室4的搅拌筒通过外旋转驱动装置16(如电机)驱动发生旋转，搅拌轴3通过内旋转驱动装置 14(如电机)驱动发生反向旋转；双旋转热解室4上端分别与进料口1和热解气出口2相连，进料口1的直径为200mm；双旋转热解室4下端与残炭通道13的上端相连，残炭通道13的长度为500mm；筛分装置17位于双旋转热解室4与残炭通道13的相连界面上，筛分装置17的筛孔孔径为5mm；气化气出口15连接在残炭通道13的中部侧面上；残炭通道13的下端和气化室10的上端相连；气化室10的下端分别与气化剂入口7和出料口8相连；出料口8下方经由压缩装置9，与固体收集装置相连，压缩装置9螺旋叶片的螺距由10mm逐渐减小至 3mm；升料叶片5为螺旋式带状叶片，其外侧固定在双旋转热解室4的内壁上，其上端与进料口1和热解气出口2间距为100mm，其下端与双旋转热解室4的下端面相连并紧贴筛分装置表面；升料叶片5的厚度为5mm，外径随双旋转热解室内壁直径的变化而变化，其最小内径为200mm；碎料叶片6由8组搅拌杆组成，每组三根，均匀分布在搅拌轴3上，其外径与升料叶片5的内径紧贴，间隙为2mm；热解气出口2经由热解气管道，和吸附装置的热解气入口相连，吸附装置的热解气出口和燃气发动机的热解气入口相连；气化气出口15经由气化气管道，和燃气发动机以及燃料电池的气化气入口相连；燃气发动机的烟气出口与外部壳体11的烟气入口相连，外部壳体11的烟气出口与尾气净化装置相连；外部壳体11与双旋转热解室4以及气化室10之间分别形成烟道12的上腔室和下腔室，上下两腔室经由次高温烟气通
道连通。
[0047]
以下通过具体实施例详细说明使用上述车载连续式热解气化装置的医疗废物清运车的运行过程。
[0048]
实施例1
[0049]
随着医疗废物清运车的发动，车载的热解气化装置开始运行，打开电机驱动双旋转热解室4搅拌筒和搅拌轴3发生旋转，两者旋向相反，转速为20r/min；燃气发动机产生的高温烟气进入烟道12中，预热气化室10和双旋转热解室4，直至热解温度达到500℃，气化温度达到1000℃；医疗废物清运车到达医疗废物收储站，将所述收储站的医疗废物收集至料仓，并通过进料口8以0.1t/h持续送入双旋转热解室4中，维持双旋转热解室4中医疗废物的量为其容积的2/3；医疗废物逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；残炭碎片经由筛分装置17筛选后进入气化室10，继续发生水蒸气气化，生成气化气，直至完全转化为无机废渣后经过压缩被收集；热解气经过吸附装置脱氯后在燃气发动机内进行燃烧，为清运车提供动力和为装置提供高温烟气，而气化气，除部分同样用于燃烧供能外，还在燃料电池中发电，为清运车和装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在尾气净化装置中净化处理后排空。整个车载装置通过医疗废物连续的热解与气化，彻底对其进行了杀菌消毒，并遏制了二噁英等有害物质的排放，减重率达76.5wt％，实现医疗废物及时的无害化处理，有效防止病菌传染。
[0050]
实施例2
[0051]
随着医疗废物清运车的发动，车载的热解气化装置开始运行，打开电机驱动双旋转热解室4搅拌筒和搅拌轴3发生旋转，两者旋向相反，转速为25r/min；燃气发动机产生的高温烟气进入烟道12中，预热气化室10和双旋转热解室4，直至热解温度达到500℃，气化温度达到1000℃；医疗废物清运车到达医疗废物收储站，将所述收储站的医疗废物收集至料仓，并通过进料口8以0.1t/h持续送入双旋转热解室4中，维持双旋转热解室4中医疗废物的量为其容积的2/3；医疗废物逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；残炭碎片经由筛分装置17筛选后进入气化室10，继续发生水蒸气气化，生成气化气，直至完全转化为无机废渣后经过压缩被收集；热解气经过吸附装置脱氯后在燃气发动机内进行燃烧，为清运车提供动力和为装置提供高温烟气，而气化气，除部分同样用于燃烧供能外，还在燃料电池中发电，为清运车和装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在尾气净化装置中净化处理后排空。整个车载装置通过医疗废物连续的热解与气化，彻底对其进行了杀菌消毒，并遏制了二噁英等有害物质的排放，减重率达73.4wt％，实现医疗废物及时的无害化处理，有效防止病菌传染。
[0052]
实施例3
[0053]
随着医疗废物清运车的发动，车载的热解气化装置开始运行，打开电机驱动双旋转热解室4搅拌筒和搅拌轴3发生旋转，两者旋向相反，转速为20r/min；燃气发动机产生的高温烟气进入烟道12中，预热气化室10和双旋转热解室4，直至热解温度达到600℃，气化温度达到1000℃；医疗废物清运车到达医疗废物收储站，将所述收储站的医疗废物收集至料仓，并通过进料口8以0.1t/h持续送入双旋转热解室4中，维持双旋转热解室4中医疗废物的
量为其容积的2/3；医疗废物逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；残炭碎片经由筛分装置17筛选后进入气化室10，继续发生水蒸气气化，生成气化气，直至完全转化为无机废渣后经过压缩被收集；热解气经过吸附装置脱氯后在燃气发动机内进行燃烧，为清运车提供动力和为装置提供高温烟气，而气化气，除部分同样用于燃烧供能外，还在燃料电池中发电，为清运车和装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在尾气净化装置中净化处理后排空。整个车载装置通过医疗废物连续的热解与气化，彻底对其进行了杀菌消毒，并遏制了二噁英等有害物质的排放，减重率达80.6wt％，实现医疗废物及时的无害化处理，有效防止病菌传染。
[0054]
实施例4
[0055]
随着医疗废物清运车的发动，车载的热解气化装置开始运行，打开电机驱动双旋转热解室4搅拌筒和搅拌轴3发生旋转，两者旋向相反，转速为30r/min；燃气发动机产生的高温烟气进入烟道12中，预热气化室10和双旋转热解室4，直至热解温度达到600℃，气化温度达到1200℃；医疗废物清运车到达医疗废物收储站，将所述收储站的医疗废物收集至料仓，并通过进料口8以0.1t/h持续送入双旋转热解室4中，维持双旋转热解室4中医疗废物的量为其容积的2/3；医疗废物逐渐受热升温，发生热解产生热解气，并在升料叶片5和碎料叶片6的共同剪切、破碎作用下，不断被剥离表面残炭；残炭碎片经由筛分装置17筛选后进入气化室10，继续发生水蒸气气化，生成气化气，直至完全转化为无机废渣后经过压缩被收集；热解气经过吸附装置脱氯后在燃气发动机内进行燃烧，为清运车提供动力和为装置提供高温烟气，而气化气，除部分同样用于燃烧供能外，还在燃料电池中发电，为清运车和装置提供电能，有效实现运行自持；烟道排出的低温烟气，在尾气净化装置中净化处理后排空。整个车载装置通过医疗废物连续的热解与气化，彻底对其进行了杀菌消毒，并遏制了二噁英等有害物质的排放，减重率达83.7wt％，实现医疗废物及时的无害化处理，有效防止病菌传染。
[0056]
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不应理解为对本发明的限制；除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“连通”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0057]
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。