CN110066667A - 固体热载体循环的立式热解反应器及热解反应*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种固体热载体循环的立式热解反应器，包括上大下小的中空圆台结构的反应器筒体，反应器筒体的中轴位置安装有旋转轴；旋转轴上盘绕固定有螺旋叶，螺旋叶上固定有多个搅拌叶；该热解反应器采用固体热载体作为反应传热载体将热量快速传导给有机物。本发明所述热解反应器采取固体热载体循环工艺，***效率高，反应速率快，具有传热快速、加热均匀、避免结焦等优点，装置造价低，易于实现工业化；以螺旋叶与搅拌叶相结合进行搅拌，增加了固体热载体和物料间的传热效率，通过改变搅拌速率调整有机物的热解停留时间，可实现对各热解产物产率的控制。本发明实施例还提供了一种包括所述热解反应器的热解反应***。
Description
技术领域
本发明属于有机物热解技术领域，特别涉及一种采用固体热载体进行循环热解的立式热解反应器。本发明还提供了包含上述热解反应器的热解反应***，可热解固体有机物以制取高品质可燃气、热解油和热解碳产品。
背景技术
有机物是含碳化合物或碳氢化合物及其常见衍生物的总称，其中，固体有机物是物态形态为固体的有机物，主要包括煤炭、生物质、油页岩及生产过程中产生的油泥、污泥、废旧轮胎、塑料、垃圾等物质。我国拥有丰富的含碳的低品位能源和废弃物资源，如低阶煤、农林生物质、污水处理厂污泥、采油及炼油产生的油泥等，此类物质储量巨大但并没有得到较合理利用，造成了环境污泥和能源浪费。当前可通过有机物热解有效地处理固体有机物。有机物热解是指通过在无氧或氧含量很低的氛围下，通过加热提供高温，使有机物质在高温下的分解反应产生油气碳产品。有机物热解因其反应温度温和、耗能少，并得到了高品质的油气碳产品，目前得到了较广泛的研究及推广。
目前用于进行有机物热解的热解反应器主要包括流化床、固定床、移动床等，因热解过程需要加热，为了实现物料在隔绝氧气的环境下发生热解反应，通常采取惰性气体或固体作为热载体为热解反应提供需要的能量。由于固体有机物物料形态及流动性千差万别，当前使用的各类反应器均不同程度的存在热效率低、设备结构复杂及设备密封性差等问题。
发明内容
本发明针对现有技术中各类热解反应器存在的热效率低、设备结构复杂及设备密封性差等问题，提供固体热载体循环的立式热解反应器及热解反应***，以固体热载体作为反应传热载体，基于优化的设计结构，具有热解效率高、造价低、易工业化的优势。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种固体热载体循环的立式热解反应器，包括反应器筒体及反应器筒体上设置的热载体进口、物料进口和热解气出口，其中：
反应器筒体为上大下小的中空圆台结构，反应器筒体的中轴位置安装有旋转轴；旋转轴上盘绕固定有螺旋叶，螺旋叶随旋转轴转动而搅动；反应器筒体上端一侧设置有热载体进口和物料进口，对侧设置有热解气出口，热载体进口位置高于物料进口；反应器筒体下端侧部还设置有供固体热载体和热解固体产物排出的固体物出口。
优选地，反应器筒体的侧部立面与下底面的夹角为95~150°。
优选地，螺旋叶相邻叶片的间距为50~1000mm，螺旋叶边缘与反应器筒体内侧壁的间距为5~100mm。
优选地，螺旋叶上沿叶片延伸方向依次固定有多个搅拌叶，搅拌叶为方形或圆形凸起的筋条。进一步优选地，搅拌叶的凸起高度为10~500mm，二搅拌叶之间的间距为100~800mm。
优选地，热解气出口与1~9个侧排气口连通，侧排气口伸入反应器筒体内，用于收集内部的热解气并汇集导至热解气出口排出。进一步优选地，侧排气口为圆形或方形，自反应器筒体内壁水平伸出4~95mm。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种热解反应***，包括上述固体热载体循环的立式热解反应器，还包括固固分离器、加热提升管、物料仓和冷凝塔，其中：
物料仓出口连接至热解反应器的物料进口，向反应器筒体内提供有机物物料；固固分离器与热解反应器的固体物出口连接，固体热载体和热解固体产物由固体物出口排出至固固分离器，热解固体产物在固固分离器中分离排出；固固分离器的出口连接至加热提升管入口，固体热载体在固固分离器中分离出后输送至加热提升管中，加热提升管出口连接至热解反应器的热载体入口，向反应器筒体内提供加热后的固体热载体；热解反应器的热解气出口连接至冷凝塔，冷凝塔输出冷却后的热解气和热解油。
优选地，热解反应***中使用的固体热载体为陶瓷球、金属球或石英砂。固体热载体温度控制在500~900°C，有机物物料在热解反应器中停留的时间为3~3600s。
本发明实施例的上述技术方案，公开了一种新型的固体热载体循环的立式热解反应器，及使用了该热解反应器作为热解核心单元的热解反应***，根据固体有机物的物料和热解特性，采用固体热载体（如瓷球、石英砂等）作为热载体将热量快速传导给有机物，在螺旋叶搅拌下混合固体热载体和物料；进一步的，还可以将螺旋叶与其上的搅拌叶相结合完成搅拌操作。上述技术方案的有益效果如下：
1. 采取固体热载体循环工艺提供能量完成直接加热热解工艺，***效率高，反应速率快，具有传热快速、加热均匀、避免结焦等优点；
2. 利用热解反应器的特殊设计结构，可获得更高的热解效率，且装置造价低，易于实现工业化；
3. 热解反应器中采用螺旋叶与搅拌叶相结合进行搅拌，强制热载体和物料混合，有效的强化传热，并可通过调节搅拌速率调整有机物的热解停留时间，以改变各热解产物的产率，方便对不同原料、不同粒径范围有机物进行热解处理，实现了热解工艺的进一步优化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种固体热载体循环的立式热解反应器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的包含图1所示热解反应器的热解反应***的***图。
［主要元件符号说明］
1-反应器筒体；11-旋转轴；12-螺旋叶；13-搅拌叶；14-热载体进口；15-物料进口；16-固体物出口；17-热解气出口；18-侧排气口；2-固固分离器；3-加热提升管；4-物料仓；5-冷凝塔。
具体实施方式
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。
本发明针对现有的问题，提供一种固体热载体循环的立式热解反应器，如图1所示，所述热解反应器包括反应器筒体1，反应器筒体1上设置了旋转轴11、热载体进口14、物料进口15、热解气出口17和固体物出口16，其中：
反应器筒体1为上大下小的中空圆台结构，以反应器筒体1的侧部立面与下底面的夹角为α，该α应大于90°；作为更佳的实施方式，α设置为95~150°。
反应器筒体1上端一侧设置有热载体进口14和物料进口15，对侧设置有热解气出口17，反应器筒体1下端侧部还设置有固体物出口16，供固体热载体和热解固体产物排出；如图1所示，作为更佳的实施方式，热载体进口14位置设置于物料进口15之上，反应器筒体1的侧部设置了3个与热解气出口17连通的圆形侧排气口18，侧排气口18伸入反应器筒体1内，用于收集内部的热解气并汇集导至热解气出口17排出；侧排气口18的数量可根据需要调整，通常为1~9个，可设置侧排气口18为圆形或方形，自反应器筒体1内壁水平伸出长度L2为4~95mm。
旋转轴11安装在反应器筒体1的中轴位置，自上而下竖直贯通反应器筒体1；旋转轴11上盘绕固定有螺旋叶12，螺旋叶12可采用焊接方式与旋转轴11固定，当旋转轴11转动时，螺旋叶12叶片以旋转轴11为轴搅动，对反应器筒体1中的物料进行搅拌推挤；如图1所示，螺旋叶12具有多层叶片，作为更佳的实施方式，螺旋叶12相邻叶片的间距H设置为50~1000mm，螺旋叶12边缘与反应器筒体1内侧壁的间距L设置为5~100mm，由于反应器筒体1内径自上而下逐渐减小，螺旋叶12叶片尺寸也相应的缩小，保持其与反应器筒体1内侧壁的间距。
为进一步提升搅拌效果，螺旋叶12上沿叶片延伸方向可依次焊接固定多个筋条作为搅拌叶13，筋条为方形或圆形凸起，凸起的高度宜设置为10~500mm，相邻筋条之间的间距L1可设置为100~800mm。
为了实现上述技术方案，如图2所示的实施例提供了一种包含前述固体热载体循环的立式热解反应器的热解反应***，还包括固固分离器2、加热提升管3、物料仓4和冷凝塔5，其中：
物料仓4出口连接至热解反应器的物料进口15，向反应器筒体1内提供有机物物料；固固分离器2与热解反应器的固体物出口16连接，固体热载体和热解碳产物由固体物出口16排出至固固分离器2，热解碳在固固分离器2中分离排出；固固分离器2的出口连接至加热提升管3入口，固体热载体在固固分离器2中分离出后输送至加热提升管3中，加热提升管3出口连接至热解反应器的热载体进口14，向反应器筒体1内提供加热后的固体热载体，固体热载体在反应器筒体1、固固分离器2和加热提升管3中反复循环工作；作为更佳的实施方式，热解反应***中用于传热的固体热载体可选用陶瓷球、金属球或石英砂。热解反应器的热解气出口17连接至冷凝塔5，冷凝塔5输出冷却后的热解气和热解油。
固体有机物在上述热解反应***中进行高温热解的流程如下：
1. 固体热载体经加热提升管加热至温度为500~900°C，高温固体热载体经热载体入口送入热解反应器的反应器筒体中；
2. 将物料仓中待处理的固体有机物经物料入口送入热解反应器的反应器筒体中；
3. 高温固体热载体和物料进入反应器筒体后，通过控制旋转轴转速调节物料在反应器筒体中的停留时间，停留时间范围为3~3600s，物料在热解反应器中发生热解反应；
4. 热解产生的高温热解气通过热解气出口进入冷凝塔，经冷却后形成热解气和热解油产品；
5. 从热解反应器下部固体物出口排出的固体热载体和热解碳进入固固分离器，将热解碳分离出作为产品排出，将固体热载体分离后送入加热提升管，经加热和提升后再次送入热解反应器中加以循环利用。
以下是采用上述热解反应***对固体有机物进行热解的具体实施例：
案例一：
固体有机物物料为含水率1%的橡胶轮胎，粒径小于30mm，处理量为3t/h；反应器筒体的侧部立面与下底面的夹角α为95°，螺旋叶的叶片间距H为250mm，螺旋叶与反应器筒体的侧部锥面间距L为50mm，在螺旋叶上焊接圆形凸起的筋条，筋条的高度为50mm，筋条之间的间距L1为250mm；
其工艺参数为下：
固体热载体加热温度为650°C，控制热解停留时间为10min，热解固体产物以炭黑为主，固体物出口的炭黑温度为460°C，炭黑产率为36%，热值为31MJ/kg，热解油产率为48%，热值为39MJ/kg，热解气产率为12%，热值为38 MJ/kg，其他为热解水。该***反应快速，热解油和炭黑产率高。
案例二：
固体有机物物料为含水率20%的油泥，处理量为3t/h；反应器筒体的侧部立面与下底面的夹角α为150°，螺旋叶的叶片间距H为200mm，螺旋叶与反应器筒体的侧部锥面间距L为20mm，在螺旋叶上焊接方形凸起的筋条，筋条的高度为35mm，筋条之间的间距L1为100mm；
其工艺参数为：
固体热载体加热温度为600°C，控制热解停留时间为30s，热解固体产物以热解碳为主，固体物出口的热解碳温度为430°C，产率为36%，热值为25MJ/kg，热解油产率为38%，热值为39MJ/kg，热解气产率为17%，热值为41MJ/kg，其他为热解水。该***反应快速，油炭产率高，热值高。
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。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固体热载体循环的立式热解反应器，包括反应器筒体（1）及所述反应器筒体（1）上设置的热载体进口（14）、物料进口（15）和热解气出口（17），其特征在于：
所述反应器筒体（1）为上大下小的中空圆台结构，所述反应器筒体（1）的中轴位置安装有旋转轴（11）；
所述旋转轴（11）上盘绕固定有螺旋叶（12），所述螺旋叶（12）随所述旋转轴（11）转动而搅动；
所述反应器筒体（1）上端一侧设置有所述热载体进口（14）和所述物料进口（15），对侧设置有所述热解气出口（17），所述热载体进口（14）位置高于所述物料进口（15）；
所述反应器筒体（1）下端侧部还设置有供固体热载体和热解固体产物排出的固体物出口（16）。
2.根据权利要求1所述的热解反应器，其特征在于，所述反应器筒体（1）的侧部立面与下底面的夹角为95~150°。
3.根据权利要求1所述的热解反应器，其特征在于，所述螺旋叶（12）相邻叶片的间距为50~1000mm，所述螺旋叶（12）边缘与所述反应器筒体（1）内侧壁的间距为5~100mm。
4.根据权利要求1所述的热解反应器，其特征在于，所述螺旋叶（12）上沿叶片延伸方向依次固定有多个搅拌叶（13），所述搅拌叶（13）为方形或圆形凸起的筋条。
5.根据权利要求4所述的热解反应器，其特征在于，所述搅拌叶（13）的凸起高度为10~500mm，二所述搅拌叶（13）之间的间距为100~800mm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的热解反应器，其特征在于，所述热解气出口（17）与1~9个侧排气口（18）连通，所述侧排气口（18）伸入所述反应器筒体（1）内，用于收集内部的热解气并汇集导至所述热解气出口（17）排出。
7.根据权利要求6所述的热解反应器，其特征在于，所述侧排气口（18）为圆形或方形，自所述反应器筒体（1）内壁水平伸出4~95mm。
8.一种热解反应***，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的热解反应器，还包括固固分离器（2）、加热提升管（3）、物料仓（4）和冷凝塔（5），其中：
所述物料仓（4）出口连接至所述热解反应器的所述物料进口（15），向所述反应器筒体（1）内提供有机物物料；
所述固固分离器（2）与所述热解反应器的所述固体物出口（16）连接，固体热载体和热解固体产物由所述固体物出口（16）排出至所述固固分离器（2），热解固体产物在所述固固分离器（2）中分离排出；所述固固分离器（2）的出口连接至所述加热提升管（3）入口，固体热载体在所述固固分离器（2）中分离出后输送至所述加热提升管（3）中，所述加热提升管（3）出口连接至所述热解反应器的所述热载体进口（14），向所述反应器筒体（1）内提供加热后的固体热载体；
所述热解反应器的所述热解气出口（17）连接至所述冷凝塔（5），所述冷凝塔（5）输出冷却后的热解气和热解油。
9.根据权利要求8所述的热解反应***，其特征在于，其使用的固体热载体为陶瓷球、金属球或石英砂。
10.根据权利要求9所述的热解反应***，其特征在于，所述固体热载体温度为500~900°C，有机物物料在所述热解反应器中停留的时间为3~3600s。
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