CN106753476A - 一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置和方法，装置包括热解气化反应炉，设置于热解气化反应炉周围的活动式加热保温炉，热解气化反应炉依次与热解气冷凝器和高压电捕焦油器相连通；所述活动式加热保温炉分为对称的两部分，通过底部滑轮在设有轨道的实验台进行相向和反向的移动；所述热解气化反应炉内部设置有气体分布器。本发明的装置及方法可设置通入炉体不同种类的气体和控制炉体温度，实现可燃固体废弃物热解和气化两种实验目的。本发明炉体有效容积较大，对于物料种类、颗粒直径无特殊要求，扩大了实验研究范围。实现了可燃固体废弃物热分解实验装置的多功能使用，减少了实验物料的浪费、缩短实验周期以及减少了实验装置的成本投资。

Description

一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置与方法
技术领域
本发明属于可燃固体废弃物热态处理技术领域，具体涉及热解与气化实验运行控制、产物收集的装置与方法。
背景技术
随着经济社会的快速发展和城市化道路进程的不断推进，城市固体废弃物产量与日俱增。大量的建筑垃圾、生活垃圾、医疗垃圾、电子垃圾、农林业废弃物等由于处置方法不当和处理能力不足，对人们正常生活产生不利的影响。有研究表明我国固体废弃物中可燃物和不可燃物的平均值分别为81.64％和18.36％，且可燃固体废弃物中含量最大的组分依次为餐厨废弃物、塑料、纸张等。可燃固体废弃物热解和气化处理方法同属于热化学方法，该方法克服了传统固体废弃物处理方法占地多、对大气及地下水造成污染等弊端，将可燃固体废弃物资源化利用的同时实现了减量化和无害化的固体废弃物处理“三化”目标。
热解法是指在无氧或缺氧的条件下加热，利用物料中热不稳定的有机物，使其分解，得到热解碳、热解液和非凝性气体的处理工艺，其产物中气体含量较少。热解法的流程归纳如下：原料粉碎和干燥阶段、预加热和干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段、残炭分解阶段、产物分离收集阶段。气化法是指可燃固体废弃物为原料，以氧气、水蒸气、空气等为气化剂，在高温不完全燃烧的条件下，使得相对分子质量较高的碳氢化合物链裂解并与气化剂发生复杂的氧化反应与还原反应(气化反应)而生成相对分子质量较小的一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体的过程。气化法的流程如下：原料干燥和粉碎阶段、预加热和干燥阶段、热解阶段、氧化还原反应(气化反应)阶段、产物分离收集阶段。对比热解法和气化法的处理工艺流程可知，热解过程是气化反应可持续进行的基础条件。
基于可燃固体废弃物热解及气化工艺流程相似的特点，可尝试提出采用同一套装置，通过调整反应条件，分别完成热解和气化两种实验研究内容的实验装置和方法。热解及气化技术中，固定床的热解气化技术研究较早。而且，固定床具有给料适应性好，气化效率高，处理量适中等特点。给热解和气化两用实验装置的开发提供了理论支持与现实依据。但是，目前采用的固定床实验炉普遍存在着实验周期长、有效容积小以及实验功能单一的缺陷。现有的热解或气化反应炉一般设置有庞大的固定保温措施，而且仅依赖于炉体内部向外导热的方式冷却，冷却时间长，实验周期较长。为实现炉体的快速冷却，南京某公司研制的不锈钢内胆气氛炉在炉体周围设置了风冷和水冷的冷却***，此类措施在实现快速冷却的同时，增加了***的复杂程度，增加***初投资。同时，固定床实验炉多数采用了通过载物容器(瓷方舟)将原料送入热解环境的进料方式。由于载物容器和加热炉体的结构限制，要求送入原料的粒径不能过大，并使得单次实验的有效体积十分有限。并且，现有的固定床实验炉通常仅能进行热解实验或气化实验中的一种实验，少数实验台可以实现热解和无气化剂的气化实验，但是一般并不支持加入气化剂的气化实验。而对于适用于加入指定气化剂的固定床实验炉，由于其设有复杂的进料***、鼓风机、引风机等装置，使其***复杂而且反应炉体温度分布不均匀，导致其并不适合用于可燃固体废弃物的热解实验。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置与方法，克服现有技术中实验炉体功能单一，实验装置使用频度低，投资高的问题。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，包括热解气化反应炉，设置于热解气化反应炉周围的活动式加热保温炉，热解气化反应炉依次与热解气冷凝器和高压电捕焦油器相连通；所述活动式加热保温炉分为对称的两部分，通过底部滑轮在设有轨道的实验台进行相向和反向的移动；所述热解气化反应炉内部设置有气体分布器。
所述热解气化反应炉包括炉体和炉盖，所述炉盖和炉体采用螺柱连接，连接处采用高温密封圈进行密封，气体接入管直接连接到气体分布器的下层空间，炉体内还设置有紧急泄压管路，并按照高低顺序设置三组热电偶探测管。
所述活动式加热保温炉炉体由加热层和保温层构成，加热层安装有数量可调的加热电阻丝，加热层内壁表面均匀设置有利于热对流的孔洞，活动式加热保温炉两部分相互接触时能够良好密闭，且两部分加热层的加热速率和加热温度由同一套温度监测与控制***控制。
所述热解气冷凝器、高压电捕焦油器均设置有热解液回收杯。
所述热解气化反应炉与热解气冷凝器、高压电捕焦油器出入口连通的管线均设有保温措施。
所述气体分布器材质根据实验温度选择耐高温多孔介质。
一种热解及气化两用的速冷式固定床实验方法，通过改变通入炉体的气体种类和调控热解炉体温度，实现热解和气化两种实验。
进行热解实验时，通过气体分布器向炉体通入氮气；进行气化实验时，通入水蒸气、氧气或空气一般气化剂气体。
一种热解及气化两用的速冷式固定床实验方法，热解实验时，包括如下步骤：
(1)物料经过烘干、称重、催化剂混合均匀平铺于气体分布器之上；
(2)实验前开启制冷及循环***，传热介质温度低于0℃后才可以开始实验；
(3)热解实验开始前，通过气体分布器向炉内通入氮气排空炉内氧气，实验中调小氮气流量保持炉内无氧或缺氧环境；
(4)根据不同的热解实验温度要求，可手动设置热解升温程序控制热解终温及升温速率，温度监测与控制***将以定时间间隔对所有温度测点进行数据采集；
(5)实验过程中，保持通入气体流量稳定，观察紧急泄压管路压力变化情况，实时记录气流量，炉温升至一定温度时开启高压电发生器，气体取样接口实时提取热解气样本；
(6)实验结束，首先关闭加热器，同时，增大氮气流量对炉内残余热解气持续吹扫；随后，顺次关闭高压电发生器、制冷及循环***；
气化实验时，包括如下步骤：
(1)物料经过烘干、称重、催化剂混合均匀平铺于气体分布器之上；
(2)实验前开启制冷及循环***，传热介质温度低于0℃后才可以开始实验；
(3)气化实验开始前，向炉内通入氮气排空炉内空气，此时氮气可由紧急泄压管路通入，实验开始后关闭通如氮气阀门并连接压力表；
(4)根据气化实验要求，可手动设置热解升温程序，为保持可燃固体废弃物气化阶段还原反应持续进行，炉温监测与控制***宜保持炉温在800℃以上。温度监测与控制***将以定时间间隔对所有温度测点进行数据采集；
(5)实验过程中，通过气体分布器向炉内通入一般气化剂，如空气、氧气、水蒸气、空气/水蒸气、氧气/水蒸气等,保持通入气体流量稳定。观察紧急泄压管路压力变化情况，实时记录气流量，炉温升至一定温度时开启高压电发生器，气体取样接口实时提取气化气样本；
(6)实验结束，首先关闭加热器，同时，停止向反应炉内通入气化剂并由紧急泄压管路通入氮气，对炉内残余气化气持续吹扫；随后，顺次关闭高压电发生器、制冷及循环***。
本发明的有益效果是：本发明的实验装置及实验方法可设置通入炉体不同种类的气体和控制炉体温度，实现可燃固体废弃物热解和气化两种实验目的。设置的活动式加热保温炉满足热解气化反应炉体保温要求的同时通过位置移动可以实现高温炉体快速冷却。本发明炉体有效容积较大，对于物料种类、颗粒直径无特殊要求，扩大了实验研究范围。实现了可燃固体废弃物热分解实验装置的多功能使用，减少了实验物料的浪费、缩短实验周期以及减少了实验装置的成本投资，而且，合理的产物收集设计有益于对实验结果的进行分析。
本发明实验装置广泛适用于生活垃圾、医疗垃圾、电子垃圾、生物质的热解或气化实验研究。并且，该发明采用了快速冷却的加热保温结构设计，可明显缩短高温炉体的冷却时间，缩短实验周期，提高实验装置的利用率。在炉体的结构设计方面，其充分利用了热解流程与气化流程的共同点，可以满足可燃固体废弃物中温热解领域实验室进行热解或气化不同类型实验以及频繁实验的需求，通过增加其实验频度，降低实验的投资成本。
附图说明
图1热解及气化两用的速冷式固定床实验装置工艺流程图；
图2活动式加热保温炉轴侧图；
图3活动式加热保温炉俯视图；
图4 A-A剖面图；
图5 B-B剖面图；
图6热解气化反应炉；
图7气体分布器；
其中：
1 热解气化反应炉 13 活动式加热保温炉加热层
2 活动式加热保温炉 14 活动式加热保温炉保温层
3 热解气冷凝器 15 温度监测与控制***
4 高压电捕焦油器 16 滑轮
5 热解液回收杯 17 轨道
6 热解气化反应炉炉盖 18 支架
7 气体分布器 19 电阻丝温度监测点
8 热解气化反应炉炉体 20 气体流量计量装置
9 气体接入管 21 气体取样接口
10 紧急泄压管路 22* 制冷及循环***
11 热电偶探测管 23* 高压电发生器
12 高温密封圈
注:带“*”为辅助设备，在图中未画出。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
本实验装置整合了可燃固体废弃物热解和气化装置的相同点，通过改变通入炉体的气体种类与炉体温度可分别实现可燃固体废弃物热解和气化两种实验目的。该实验装置以固定床热解及气化反应炉1和活动式加热保温炉2为核心，主要由热解气化反应炉1活动式加热保温炉2、热解气冷凝器3以及高压电捕焦油器4构成。热解气化反应炉1设有气体接入口以及热解气出口，热解气冷凝器3、高压电捕焦油器4均设置有热解液回收杯5，其中，热解气冷凝器3设置于高压电捕焦油器4之前，对应高温热解气通过的出入口之间的连接管线均设有保温措施。
热解气化反应炉1由三部分组成，分别为炉盖6、气体分布器7以及炉体8。炉体内部设有供气体分布器的安装凸台，气体接入管9直接连接到气体分布器的下层空间，使得经由气体分布器通入的气体可以形成均匀向上的气流。另外，炉内设置了紧急泄压管路10以确保实验安全进行，紧急泄压管路在可燃固体废弃物气化实验过程中可兼做氮气通入管道。炉体内部按照高低顺序设置三组热电偶探测管11，可以实时的监测热解气化反应炉1炉内温度梯度，以保证实验持续进行。热解气化反应炉1炉盖6和炉体8采用螺柱连接，连接处采用高温密封圈12进行密封。活动式加热保温炉2为热解气化反应炉1提供持续稳定的热量，其炉体由加热层13和保温层14构成，加热层13安装有数量可调的加热电阻丝，为提升实验过程中的传热效果，加热层13内壁表面均匀设置有利于热对流的孔洞。活动式加热保温炉2两部分相互接触时能够良好密闭，且两部分加热层13的加热速率和加热温度由同一套温度监测与控制***15控制可以形成较为均匀的温度场。活动式加热保温炉体依赖于底部滑轮16可以在设有轨道17的实验台进行相向和反向的移动，反向打开活动式加热保温炉体后，可以利用室内冷空气和高温炉体之间对流换热达到快速降温目的，在设置有备用热解气化反应炉的情况下可以直接更换支架18上的高温炉体进而增加实验频率。
热解气化反应炉1置于支架18之上，活动式加热保温炉2相向移动形成密闭空间对反应炉炉体进行加热和保温，并采用卡扣锁定加热保温炉炉体。实验过程产生的热解气首先经过热解气冷凝器3冷凝收集热解液，再经过高压电捕焦油器4去除气体中悬浮的固体颗粒和不可凝微小液珠。其中，热解气化反应炉1气体出口与热解气冷凝器3采用金属活接进行连接，热解气冷凝器3的气体出口与高压电捕焦油器4采用塑料活接进行连接。冷凝液收集杯5与热解气冷凝器3和高压电捕焦油器4均采用快装连接，便于收集冷凝液时快速拆装。
采用本发明实验装置进行热解实验时，通过气体分布器7可向炉体通入氮气，可以保持炉体内部处于无氧或缺氧状态；此时气体分布器兼做固定床热解实验炉的床层，相比于现有固定床实验炉气体集中进入方式，采用气体分布器引入气体能够保证炉内气氛更加均匀。而在进行气化实验时，可通入如水蒸气、氧气、空气等一般气化剂气体。气体分布器7材质可根据实验温度选择合适的耐高温多孔介质。
本发明实验装置有以下特点：
本发明采用的活动式加热保温炉2对热解气化反应炉体1在热解或气化反应升温或保持恒温过程中起到加热和保温作用，实验结束后可通过设置的滑轮16与轨道17移动，打开外炉体保温，实现内炉迅速冷却。
本发明采用的热解气化两用炉体的炉体结构使得进行气化实验时，可采取不同规格的物料进行实验，气体分布器7此时功能与固定床气化炉的炉排相同，其材质可根据实验温度选择合适的耐高温多孔介质。水蒸气、氧气、空气等一般气化剂通过气体分布器7后均匀分布于炉内反应物料之间，使得气化反应处于均匀的气化反应气氛之中。
可燃固体废弃物热解实验如下：
(1)实验物料进行烘干、称重等工作之后，将物料均匀平铺于气体分布器7之上；炉体整体称重后放置于支架18上并将炉体密封；
(2)各气体管路连接完成后，对连接处进行保温处理；按照图1中所示方向移动活动式加热保温炉体2，关闭保温炉体，观察制冷及循环***22*传热介质温度低于0℃才可以开始实验；
(3)通过温度监测与控制***15控制加热电阻丝工作之前，通过气体分布器7向炉内通入氮气排空炉内空气，实验中调小氮气流量保持炉内无氧或缺氧环境；
(4)实验过程中温度监测与控制***15将以定时间间隔记录所有温度测点的温度数据；
(5)实验过程中，实时记录气体流量，炉温升至一定温度时开启高压发生器23*，由气体取样接口16实时提取气体样品；
(6)实验结束，首先关闭炉体加热器；同时，增大氮气流量对炉内残余热解气持续吹扫；随后，顺次关闭高压发生器23*、制冷及循环***22*；
(7)氮气吹扫完成之后，移动活动式加热保温炉2使炉体迅速降温。
可燃固体废弃物气化实验路线如下：
热解气化实验过程大部分与热解实验过程相同，仅在温度高低以及通入气体种类方面存在差异，具体包括如下步骤：
(1)实验物料进行烘干、称重等工作之后，将物料均匀平铺于气体分布器7之上；炉体整体称重后放置于支架18上并将炉体密封；
(2)各气体管路连接完成后，对连接处进行保温处理；按照图1中所示方向移动活动式加热保温炉体2，关闭保温炉体，观察制冷及循环***22*传热介质温度低于0℃才可以开始实验；
(3)气化实验开始前，向炉内通入氮气排空炉内空气，此时氮气可由紧急泄压管路通入，实验开始后关闭通如氮气阀门并连接压力表；
(4)实验过程中温度监测与控制***15将以定时间间隔记录所有测温热电阻温度测点的温度数据；
(5)实验过程中，通过气体分布器7向炉内通入一般气化剂，如空气、氧气、水蒸气、空气/水蒸气、氧气/水蒸气等,保持通入气体流量稳定。观察紧急泄压管路压力变化情况，实时记录气流量，炉温升至一定温度时开启高压电发生器，气体取样接口实时提取气化气样本；
(6)实验结束，首先关闭加热器，同时，停止向反应炉内通入气化剂并由紧急泄压管路通入氮气，对炉内残余气化气持续吹扫；随后，顺次关闭高压电发生器23*、制冷及循环***22*；
(7)氮气吹扫完成之后，移动活动式加热保温炉2使炉体迅速降温。
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。

Claims (9)

1.一种热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，包括热解气化反应炉，设置于热解气化反应炉周围的活动式加热保温炉，热解气化反应炉依次与热解气冷凝器和高压电捕焦油器相连通；所述活动式加热保温炉分为对称的两部分，通过底部滑轮在设有轨道的实验台进行相向和反向的移动；所述热解气化反应炉内部设置有气体分布器。
2.根据权利要求1所述热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，所述热解气化反应炉包括炉体和炉盖，所述炉盖和炉体采用螺柱连接，连接处采用高温密封圈进行密封，气体接入管直接连接到气体分布器的下层空间，炉体内还设置有紧急泄压管路，并按照高低顺序设置三组热电偶探测管。
3.根据权利要求1所述热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，所述活动式加热保温炉炉体由加热层和保温层构成，加热层安装有数量可调的加热电阻丝，加热层内壁表面均匀设置有利于热对流的孔洞，活动式加热保温炉两部分相互接触时能够良好密闭，且两部分加热层的加热速率和加热温度由同一套温度监测与控制***控制。
4.根据权利要求1所述热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，所述热解气冷凝器、高压电捕焦油器均设置有热解液回收杯。
5.根据权利要求1所述热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，所述热解气化反应炉与热解气冷凝器、高压电捕焦油器出入口连通的管线均设有保温措施。
6.根据权利要求1所述热解及气化两用的速冷式固定床实验装置，其特征在于，所述气体分布器材质根据实验温度选择耐高温多孔介质。
7.一种热解及气化两用的速冷式固定床实验方法，其特征在于，通过改变通入炉体的气体种类和调控热解炉体温度，实现热解和气化两种实验。
8.根据权利要求7所述热解及气化两用的速冷式固定床实验方法，其特征在于，进行热解实验时，通过气体分布器向炉体通入氮气；进行气化实验时，通入水蒸气、氧气或空气一般气化剂气体。
9.根据权利要求8所述热解及气化两用的速冷式固定床实验方法，其特征在于，热解实验时，包括如下步骤：
(1)物料经过烘干、称重、催化剂混合均匀平铺于气体分布器之上；
(2)实验前开启制冷及循环***，传热介质温度低于0℃后才可以开始实验；
(3)热解实验开始前，通过气体分布器向炉内通入氮气排空炉内氧气，实验中调小氮气流量保持炉内无氧或缺氧环境；
(4)根据不同的热解实验温度要求，可手动设置热解升温程序控制热解终温及升温速率，温度监测与控制***将以定时间间隔对所有温度测点进行数据采集；
(5)实验过程中，保持通入气体流量稳定，观察紧急泄压管路压力变化情况，实时记录气流量，炉温升至一定温度时开启高压电发生器，气体取样接口实时提取热解气样本；
(6)实验结束，首先关闭加热器，同时，增大氮气流量对炉内残余热解气持续吹扫；随后，顺次关闭高压电发生器、制冷及循环***；
气化实验时,包括如下步骤：
(1)物料经过烘干、称重、催化剂混合均匀平铺于气体分布器之上；
(2)实验前开启制冷及循环***，传热介质温度低于0℃后才可以开始实验；
(3)气化实验开始前，向炉内通入氮气排空炉内空气，此时氮气可由紧急泄压管路通入，实验开始后关闭通如氮气阀门并连接压力表；
(4)根据气化实验要求，可手动设置热解升温程序，为保持可燃固体废弃物气化阶段还原反应持续进行，炉温监测与控制***宜保持炉温在800℃以上，温度监测与控制***将以定时间间隔对所有温度测点进行数据采集；
(5)实验过程中，通过气体分布器向炉内通入一般气化剂，保持通入气体流量稳定，观察紧急泄压管路压力变化情况，实时记录气流量，炉温升至一定温度时开启高压电发生器，气体取样接口实时提取气化气样本；
(6)实验结束，首先关闭加热器，同时，停止向反应炉内通入气化剂并由紧急泄压管路通入氮气，对炉内残余气化气持续吹扫；随后，顺次关闭高压电发生器、制冷及循环***。
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