一种物料热解气化系统
技术领域
本实用新型涉及固废/生物质热解，具体涉及一种城市生活垃圾热解气化工艺及应用。
背景技术
生活垃圾处理技术包括填埋、堆肥、热处置三大技术。热处置技术可分为直接焚烧和热解气化两种，从污染物排放角度分析，由于直接焚烧的不充分性所引起的二次污染，特别是二噁英的排放问题，严重制约着该技术的推广及应用，而热解气化过程是在贫氧或缺氧气氛下进行的，从原理上减少了二噁英的生成，同时大部分的重金属会在热解气化过程中溶入灰渣，减少了重金属的排放量。
然而，国内现有的生活垃圾热解气化技术主要采用内热式热解气化，由于内热式热解气化过程中会有大量空气进入炉内，和垃圾焚烧一样容易产生二噁英污染。同时，热解产出气中含有的N2和CO2占很大一部分比例，明显降低了燃气的热值，增大了其利用局限性。另一方面，垃圾热解是强吸热反应，尤其是生活垃圾中含有大量的水分，需要外加热源对垃圾进行加热干燥、热解，如采用煤加热，则易产生二次污染；采用电和煤气加热，则成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于：提供一种城市生活垃圾热解气化工艺及系统，主要解决当前城市垃圾热解气化燃气热值不高，存在二次污染风险以及成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
一种物料热解气化工艺，该工艺依次包括预热、干燥、热解、气化以及热量回收，所述预热所需热源由干燥后的大于250℃的中温烟气提供；所述干燥以及热解所需热源由气化后的大于750℃中温烟气通过外部供热的形式提供；所述气化所需热源由气化产生的可燃气燃烧形成的大于1000℃高温烟气提供；气化后的大于750℃中温烟气进行热量回收后产出大于100℃的低温烟气，低温烟气经气固分离后，气体部分净化成为可燃气，固体部分混合造粒产生有机复合肥；气化所需气化介质包括干燥及热解过程产出的水蒸气、热解过程产生的热解产出气和热量回收时产生的中温蒸汽。
另外，本实用新型的工艺，热解前排出的过热蒸汽用于热解半焦粉的气化，热解完的半焦冷却后，进行筛分、破碎制成半焦粉；半焦粉制备过程产生的过热水蒸气作为输送介质将半焦粉输送进行气化；所述半焦粉的颗粒粒径为50-100目；半焦粉在气化过程停留时间在0.5-2.0s之间；水蒸气与物料热解半焦的质量比为0.2-1.0。
此外，本实用新型还提供一种城市生活垃圾热解气化系统，包括预热单元、干燥单元、热解单元、气化单元和热量回收单元，热解单元包括热解炉，气化单元包括气化炉；所述预热单元所需热源由干燥单元产生的大于250℃的中温烟气提供；所述干燥单元以及热解炉所需热源由气化炉气化后的大于750℃中温烟气通过外部供热的形式提供；所述气化炉所需热源由气化产生的可燃气燃烧形成的大于1000℃高温烟气提供；气化炉产生的大于750℃中温烟气进行热量回收后产出大于100℃的低温烟气，低温烟气经气固分离后，气体部分净化成为可燃气，固体部分混合造粒产生有机复合肥；气化炉气化所需气化介质包括干燥单元及热解炉产出的水蒸气、热解炉产生的热解产出气和热量回收时产生的中温蒸汽。
作为热解炉的一种优化方式，所述热解炉包括炉体外壳和内筒，内筒用于盛装物料，炉体外壳顶部同时设有烟气进出口及热解气出口，烟气进出口处设有转换阀门，用于改变入口热源从而分别满足干燥、热解所需热量；热解炉顶部连接有热解气输送管道，用于将热解气送出，热解炉夹套内通入加热烟气，用于物料的干燥及热解。
更优选的，所述热解炉采用烟气外加热的形式，内筒盛料后送入热解炉，分别通入不同温度的烟气用于物料的干燥、热解，干燥时物料中的水分被烟气加热蒸发，干燥完成后，切换至较高温度的烟气用于物料热解。
作为气化炉的一种优化方式，所述气化炉内部包括多个小直径钢管，采用高温烟气外加热的气流床结构，热解炉出来的热解产生气携带半焦粉进料，水蒸气作为气化剂，气化产生的气化气经换热后进行气固分离，气体净化后备用，固体收集造粒后用于制备其他附加产品；气化炉内半焦粉气化所需热量来源于气化产生的可燃气燃烧产生的高温烟气；所述半焦粉的颗粒粒径为50-100目；半焦粉在气化路炉中停留时间在0.5-2.0s之间；水蒸气与物料热解半焦的质量比为0.2-1.0。
可选的，热解半焦时将物料的热解半焦与煤焦共气化，反应温度为750-950℃，热解半焦和煤焦的混合比例为1:1。
更优选的，所述气化炉包括气化段和甲烷化段气流床结构，热解产出气作为载体将半焦粉送入气化段发生气化反应，反应后的气化气进入甲烷化段在催化剂的作用下发生甲烷化反应，甲烷化释放的热量回收后用于制备气化反应所需的气化剂。
进一步，所述气化炉中，气化反应添加的催化剂包括碳酸钙或者氧化钙，添加量CaO/C为0.5，反应温度为750-800℃。
本实用新型的工艺或系统，尤其用于城市生活垃圾、生活污泥或秸秆的热解气化。
本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：
本实用新型提供的城市生活垃圾热解气化工艺，可实现垃圾热解气化过程中能量的自给，并产生综合热值较高的燃气以及附加值较高的有机产品，可与燃气锅炉/燃气轮机进行耦合，充分回收能量的同时，满足热解气化过程中对水蒸气的消耗，具有气化效率高、燃气综合热值高、能量利用效率高的等显著优势，具体来说：
1.本实用新型将固定床干燥-热解与气流床气化技术相结合，实现生活垃圾到气体燃料的最优转化，提高产出气的热值；
2.本实用新型工艺可对生活垃圾进行高效利用，将其转化为可燃气和含有有机碳的灰渣，根据对可燃气成分的需求，本实用新型可在气化炉中甲烷化段添加合适的催化剂来调节产出气的成分比例；
3.本实用新型工艺的干燥、热解在同一个反应器中进行，原料无需预处理工艺，过程中产生的水蒸气既可作为载气用于输送半焦粉至气化炉，同时也可作为气化剂用于半焦粉的气化反应；
4.本实用新型工艺通过将热解半焦制粉，通过水蒸气输送入气化炉进行气化反应，采用水蒸气作为气化剂使得产气量大幅度提高，可燃气成分的含量也增大，产气热值增加。
附图说明
图1为本发明系统原理示意图；
图2为本发明中的干燥热解炉示意图；
图3为本发明中的气化炉示意图。
以下结合附图对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
本实用新型所述城市生活垃圾，是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物，主要包括居民生活垃圾、商业垃圾、集贸市场垃圾、街道垃圾、公共场所垃圾、机关、学校、厂矿等单位的垃圾(工业废渣及特种垃圾等危险固体废物除外)。另外，本实用新型所述城市生活垃圾的热解焚烧工艺，不限于上述城市生活垃圾，生活污泥、秸秆等也可以使用本实用新型所述的系统和工艺。
本实用新型所述半焦是泥煤、褐煤和高挥发分的烟煤等经低温(500～700℃)干馏得到的固体产物。
实施例1：
遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例提供一种热解气化系统，以城市生活垃圾为例，整个流程主要包括进料、干燥、热解、气化以及能量回收再利用，具体包括如下步骤：
首先将污泥、秸秆以及生活垃圾，经过磁选等预处理后进行混合、预热，预热后的混合物料装入热解炉的内筒；将装满物料的内筒置于热解炉中，炉顶同时设有烟气进出口及热解气出口管道，烟气进出口处设有转换阀门，用于改变入口热源来分别满足干燥、热解所需热量，热解气出口安装有气体流量计和压力调节阀，用于检测热解气流量及调节炉内压力，热解炉中设有两处温度检测点，分别位于壁面和热解炉顶部出口，用于检测热解炉内物料的温度变化情况，干燥热解所需的热源由气化后的中温烟气通过外部供热的形式提供：干燥阶段初期，首先将热解炉内的空气抽走，确保物料处于处于缺氧或者无氧环境下，热解气管道关闭，使盛料内筒处于密封状态，加热过程中，物料中的水受热逐渐升温、蒸发生成水蒸气，炉内压力不断增加，气、固、液三相之间的传热速率也逐渐增加，当物料表面游离态的水和物料内部化合态的水完全蒸发后，继续加热，炉内温度不断升高，水蒸气处于过热态，成为过热蒸汽，热解炉内的压力通过调节热解气出口管道的压力调节阀来控制，排出的水蒸气可用于热解半焦粉的气化，干燥过程完成后(含水率为10％左右)，切换加热热源，进入热解阶段；干燥后的物料在过热蒸汽的环境下开始受热热解，产生的热解气通过炉顶的热解气管道引出，压力通过压力调节阀来控制，热解完的半焦冷却后备用；再将热解半焦通过筛分机筛分、破碎机破碎后制成半焦粉储存备用；其中，过程中产生的过热水蒸气作为输送介质将半焦粉送入气化炉，与热解炉顶引出的热解气一起进行气化反应，气化所需热源来自于气化产生的燃气燃烧形成的高温烟气，气化介质选用水蒸气，由热解气中的水蒸气和热能回收过程中产生的中温蒸气提供；气化炉内均匀布置多个小直径的钢管，半焦粉与气化剂同时被送入钢管内，高温烟气经底部进入气化炉，与钢管内的物料进行逆流间接式换热，物料经高温烟气加热迅速升温，气化温度控制在800-900℃之间有利于热解半焦的气化；
优选的，为了增加可燃气的产量，提高气化效率，可向气化炉中添加适量的催化剂，优先选择氧化钙，不仅能够提高气化气中可燃气的含量，还能促进热解过程中焦油的裂解，添加量CaO/C为0.5，反应温度为750-800℃；
为了增加半焦的受热面积，提高气化速率，半焦粉的粒径为50-100目；
为了确保半焦的气化效果，颗粒在气化炉内的停留时间应控制在1.5-2.0s之间；
水蒸气与垃圾热解半焦的质量比为0.2-1.0；
为了增加气化气中甲烷的含量，提高可燃气的热值，可将气化炉设计成两段式气流床结构，上段为气化段，下段为甲烷化段，从气化段出来的气化气紧接着进入甲烷化段在催化剂的作用下进行二次反应，提高可燃气中甲烷的含量；
优选的，可通过控制气化温度来调节可燃气中甲烷气的含量，气化温度为700℃-950℃时有利于甲烷的生成；
整个过程所需的热量全部由气化产生的可燃气燃烧提供，可燃气燃烧后产生的高温烟气(>1100℃)首先进入气化炉提供气化所需的热量，从气化炉出来的烟气温度为-750℃，分为两部分，一部分进入蒸汽发生器产生中温蒸汽，另一部分进入垃圾热解单元，提供垃圾热解所需的热量，从热解段出来的烟气温度为-500℃，随后用于垃圾的干燥，干燥完成后的出口烟气温度为-250℃，用于辅助产生中温蒸汽，经过蒸汽发生回收热量后的低温烟气可进一步用于空气预热，由于垃圾的干燥和热解在同一个反应器中进行，在实际工况中，需多个热解炉串联，对不同品味的烟气做合理的分配与利用；
气化单元选用水蒸气作为气化剂，水蒸气的来源包括两部分：干燥热解过程中产生的大量水蒸气，与热解气一起进入气化炉，作为气化剂参与半焦粉的气化反应；从气化炉出来的产出气在进入气固分离器之前需要通过蒸汽发生器回收热量，产生的中温蒸汽可作为气化剂补充气化工艺所需；
为了增加垃圾热解半焦的能量密度，提高气化气的热值，可通过将垃圾的热解半焦与煤焦共气化，反应温度为750-950℃，热解半焦和煤焦的混合比例为1:1。
本实用新型气化炉生成的热值较高的产出气(组成约为φ(H2)＝20％-26％,φ(CO)＝28％-42％,φ(CO2)＝16％-23％,φ(CH4)＝10％-20％,热值为10-13MJ/m3)；气化后的半焦残渣以及布袋灰中含有丰富的有机碳，可用于生产有机碳肥，而铅、镉、砷等有害重金属可采用陶瓷化方式进行处理，成型后的陶瓷材料可用于地砖等。气化炉内半焦粉气化所需热量来源于气化产生的可燃气燃烧产生的高温烟气，气化炉产出气经换热器换热回收热量，生产中温蒸汽。本实用新型工艺过程能量自给，气化效率高，产出气热值高，具有明显的优势
主要包括热解炉和气化炉，其中：所述热解炉采用外加热、内筒进料的方式，热解炉顶部设有加热烟气进气管路，分别用于将生活垃圾干燥、热解产生热解气，以及热解气输送管路，用于将热解气引出备用；
所述热解炉采用烟气外加热的形式，内筒盛料后送入热解炉，换热管中分别通入不同温度的烟气用于生活垃圾的干燥、热解，干燥阶段，垃圾中的水分被烟气加热蒸发，待垃圾干燥完成后，切换至较高温度的烟气用于垃圾热解；
所述热解炉顶部连接有热解气输送管道，用于将热解气送出，反应后的半焦冷却后经筛分、破碎后制备成半焦粉备用；
所述气化炉内部由多个小直径钢管组成，采用高温烟气外加热的气流床结构，热解炉出来的热解气携带半焦粉进料，水蒸气作为气化剂，气化产生的气化气经换热冷却后进行气固分离，气体净化后备用，固体收集后用于制备其他附加产品；
所述气化炉中，由于生活垃圾与餐厨、污泥混合后，含有较高量的钙、钾元素，以及具有催化作用的铁、镁、锰等金属，在热解和气化过程中，这些金属大部分会转换为具有一定催化作用的金属氧化物，
例如CaO、MgO等，当气化温度高于700℃时，这些金属氧化物的存在有利于提高气化过程中可燃气的产量；
所述气化炉气化所需的热源来自于气化产生的可燃气燃烧生成的高温烟气，从气化炉出来后部分烟气用于热量回收产生蒸汽，部分用于垃圾的热解和干燥，以及空气的预热单元等；
作为本实用新型的进一步优选，所述气化炉可优选为两段(气化段和甲烷化段)气流床结构，热解产出气作为载体将半焦粉送入气化炉发生气化反应，反应后的气化气进入甲烷化段在催化剂的作用下发生甲烷化反应，提高产出气中甲烷的产量，甲烷化释放的热量回收后可用于制备气化反应所需的气化剂水蒸气；
作为本实用新型的进一步优选，所述气化炉中气化反应添加的催化剂优选碳酸钙或者氧化钙；
作为本实用新型的进一步优选，所述气化炉中气化反应所需的水蒸气一方面来自于热解气，另一方面来自于热量回收产生的中温水蒸气；
效果验证：
某城市生活垃圾经干燥、热解后，产生的热解气的主要成分是CO和CH4，所占比例基本上为1:1；经干燥、热解、气化后，气化温度高于850℃时，碳的转化率可达99％以上，产出气中可燃气(H2,CO,CH4)的组分可达92％以上，其中H2的组分可达59％以上，所得可燃气的热值可达10MJ/Nm3以上。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
