废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法。
背景技术
废旧轮胎是常见的固体废弃污染物，人们通过很多途径对其回收利用实现无害化处理，其中通过对废旧轮胎热解制备燃料油、碳黑就是解决方案之一, 废旧轮胎热解制备燃料油、碳黑的副产品之一的热解气是很好的气体燃料，可以提供废旧轮胎热解反应所需的热能。中国发明专利（专利申请号为201310387596.0，专利名称为一种废旧轮胎裂解燃气回收再利用装置）公开了一种废旧轮胎裂解燃气回收再利用装置，其特征在于：包括有燃烧炉、裂解炉、连接管，裂解炉后连接有燃气收集装置和燃气净化装置，其特征在于：所述燃气收集装置包括有储气罐和缓冲罐，所述储气罐的进气口与裂解炉连接，出气口通过三通连接有外排装置和燃气净化装置；所述燃气净化装置后连接有全压风机及缓冲罐；所述缓冲罐的出气口与燃烧炉连接；所述燃气回收再利用装置还包括设置在储气罐全压风机以及缓冲罐内的电子控制装置；所述电子控制装置包括有PLC控制器以及触控板输入装置；所述PLC控制器与燃气液位测量计、压力检测计以及电磁控制阀门连接；所述燃气液位测量计为伺服液位计、雷达液位计或双法兰液位计之一；所述缓冲罐为恒压缓冲罐，恒压缓冲罐内设有燃气液位测量计及压力检测计；所述恒压缓冲罐上设有低压报警装置；所述燃气净化装置包括有脱硫装置和除尘除湿装置；所述脱硫装置为采用湿法脱硫的脱硫塔，脱硫塔内石灰浆液作脱硫剂进行脱硫。中国发明专利（专利申请号为201010282826.3，专利名称为废气涡轮增压器装置、配属驱动系统和驱动系统设计方法）公开了废气涡轮增压器装置、配属驱动系统和驱动系统设计方法，废气涡轮增压器装置包括:废气涡轮增压器,其具有废气涡轮机,其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的废气出口流体连接的废气系中；还具有与废气涡轮机旋转驱动连接的压缩机,其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的空气入口流体连接的增压空气系中；废气再循环装置,其具有与废气系流体连接的入口以及与增压空气系流体连接的出口,从废气系分出的废气经由出口在废气进入位置处进入增压空气系中。废气进入位置位于压缩机中的流体压缩线路中,流入压缩机中的废气在仅平衡在废气进入流体压缩线路中的进入压力和要实现的增压压力之间压差的情况下由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力。
现有技术一提出废旧轮胎热解所得的热解气收集装置，包括有储气罐和缓冲罐及其电子控制的技术方案，没有公开热解气燃烧装置及其废气如何利用的技术细节；现有技术一提出了废气涡轮增压器装置的技术方案，用于内燃机的工作环境，与热解气燃烧窑炉的压力、温度、流场等工作条件完全不同。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法，其特征是：步骤一，热解气燃烧窑炉输出高温烟气经立式热解塔体、回转耙辊换热后的排放废气，氧含量已经降为3%以下，温度为410～420℃，绝对压力为105kPa，废气经废气进口壳体、进气锥进入静叶栅，在静叶栅的静叶流道内，废气在喷嘴中膨胀，把热能和压力能转变成动能，这时废气气流速度相应提升，废气从静叶以很高的速度和以喷嘴流道中心线倾斜角16～18º方向喷向动叶，在动叶轮的动叶流道内，废气流沿动叶根以-18～-20º的冲角折向，顺着流道的形状继续改变其流动方向，由于气流发生转向，动叶必然产生周向的分力，从而推动动叶轮不断地旋转，并通过转子组件输出机械功，动叶产生轴向的分力由轴承箱的轴向止推轴承来承受，以避免产生过大的轴向位移，为提高废气的热势能转换成转子组件上的机械功的效率，废气进口壳体、进气锥、过渡壳体、动叶围带组成废气通流道的截面呈逐渐减小再逐渐扩大的文丘里管形式，为防止废气透平失速喘振，出口壳体的背压保持为绝对压力50～55 kPa。
步骤二，由于压气透平是按照1.3～1.5倍进气流量值来设计性能曲线，废气透平的转子组件输出的转速将通过行星增速器提速，使得压气透平的压气涡轮的转速提高到3000～7500r/min，使压气透平始终工作在大流量稳定工况区, 行星增速器的输出轴驱动压气涡轮从空气进气道吸入空气，离心力使空气以高速自径向进入扩压器通道，在扩压器中，气流被减速，动能转变为压力能，经压气蜗壳出口压送空气进入燃烧器，替代了燃烧器输送的预混空气所需的鼓风机，如果燃烧器需要小流量的空气时可采用放空法，即压气蜗壳出口接有流量传感器和防喘振放空阀，放空阀由伺服电机带动，由流量传感器传送信号给伺服电机，部分流动空气量通过放空阀分流。
步骤三，工作压力0.35～0.4MPa蒸汽在拉瓦尔喷咀中加速形成超音速射流，蒸汽经过喷咀的出口到扩压管入口之间的混合室，由于蒸汽流处于高速而出现一个负压区，从而引射废气透平的排放废气，使排放废气的出口压力降至50～55 kPa，废气透平进出口压力差达到52～57 kPa，动叶轮能够可靠的工作，引射的排放废气被卷吸至混合室与工作蒸汽混合，而后逐渐形成单一均匀的混合流体，经过扩压管减速压缩到一定的背压后排出，而混合流体的压缩阶段，即扩压管中的两股流体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，将动能转化为压力能，并将混合流体排出蒸汽喷射泵，因此蒸汽喷射泵可以根据热解气燃烧器参混气体和热解气燃烧窑炉冷源气体的要求调节不同的压力混合流体，将混合流体收集起来送入膨胀罐，膨胀罐输送出的惰性尾气一路可以直接供热解气燃烧器作为参混气体使用，另一路冷凝后供热解气燃烧窑炉作为冷源气体使用。
发明人发现，轮胎由外胎、内胎和垫带构成，外胎由胎体、胎面和胎圈三个主要部分组成，胎体由多层挂胶帘布按一定的角度贴合而成，帘布通常用高强钢丝、合成纤维挂胶制作；胎面与地面接触，常用耐热、耐剪切的胶料制作；胎圈的用途是使轮胎紧密的固定在轮辋上，胎圈主要由钢丝圈、三角填充胶、钢丝圈包布组成。按充气轮胎用途可分为轿车轮胎、载重轮胎、农业轮胎、工程轮胎、特种车辆轮胎、航空轮胎、摩托车轮胎、自行车胎，而回收的废旧轮胎通常为轿车轮胎、载重轮胎、农业轮胎、摩托车轮胎、自行车胎,其结构通常为斜交轮胎、子午线轮胎。废旧轮胎回收后用于建筑填料、公路填料、制备再生橡胶、热解制备燃料油及碳黑等用途。
发明人发现，废旧轮胎热解以回收热解油和热解碳为主要目的，进一步制备燃料油、碳黑等产品，热解气如果作为主要产物无疑是不经济的，原因是提高热解气的得率需要更高热解温度（550～600℃）才能使分子量更大的热解油链烃断裂生成分子量较小的甲烷、乙烷、乙烯、丙烯等组分为主的热解气，更高热解温度使得一部分能源白白耗费在破坏分子链上，降解热解油生成的热解气易燃易爆且不易储存运输；再有为了降低热解反应炉造价及利于机械加工的要求，炉体材料选择Q345R钢材，考虑到Q345R钢材高温下的许用应力要求，即不超过475℃温度下使用，综合考虑上述因素，废旧轮胎的热解工艺温度设计为350～400℃，废旧轮胎热解的热源则是回收利用热解气燃烧产生的高温烟气，热解气为热解油经冷凝后常温下不凝可燃气体，低位热值17～54MJ/Nm3。由于传热效率、传热温差的要求，废旧轮胎热解气燃烧窑炉出口至立式热解塔体夹套、回转耙辊进口的烟气温度控制在550～560℃之间，经立式热解塔体、回转耙辊换热后排烟温度为410～420℃，传热平均温差为140℃，因此热解气燃烧窑炉能够对热解气燃烧产生的高温烟气温度进行调控，需要引入冷源与高温烟气混合，通过调整两者组分比例达到热解工艺所需的温度。
发明人发现，热解气燃烧窑炉燃烧热解气产生的高温烟气提供废旧轮胎热解的热源，而燃烧器是热解气燃烧窑炉的关键设备，由于废旧轮胎含胶率差异很大，废旧轮胎热解气热值也相差很大，其低位热值的范围在17～54MJ/Nm3之间，因此燃烧器输出的热负荷调整的范围也较大，为保证炉膛必须的热强度，燃烧器须能够实现连续稳定的燃烧，具有一定形状、长度、平稳而不熄灭的火焰，避免回火和脱火，过剩空气系数小，降低NOX污染物排放等设计要求，因此吸收预混式和扩散式的优点，一次进风采用空气与燃气预混式，二次进风增加惰性尾气调节助燃空气的氧含量，总之采用预混式和扩散式串联通过二次进风调节热解气、空气、惰性尾气混合比满足上述设计要求。
发明人发现，出于废旧轮胎热解工艺中物料平衡、水（蒸汽）平衡、能量平衡的要求，以及节约能源、减少排放、循环利用的总目标，热解气燃烧窑炉输出高温烟气经立式热解塔体、回转耙辊换热后的排放废气，氧含量已经降为3%以下，温度为410～420℃，由于回转耙辊的动密封高温工作条件下承压有限，设计的绝对压力为不超过105kPa，因此排放废气虽然有较高焓值却压力较低，其压力指标低于燃烧器二次风进口、热解气燃烧窑炉冷源入口112～118 kPa压力要求，无法直接回收利用。参照涡轮增压的工作原理，考虑排放废气压力较低，选择进气端压力损失较小的轴向进气、垂直向上排气方式，悬臂式转子结构，利用排放废气经静叶栅及动叶轮膨胀作功，热能转变为动叶轮旋转的机械能，动叶轮又带动行星增速器驱动压气涡轮，压气涡轮压送空气使之增压进入燃烧器，替代了燃烧器输送的预混空气所需的鼓风机，但是排放废气的进口绝对压力为105kPa，而排放废气出口直接连通烟囱，即废气透平的背压为大气压力101 kPa，进出口压力差不足以克服静叶栅及动叶轮的流道压力损失而造成动叶轮止转，因此需要设计一套蒸汽喷射泵通过较高压力蒸汽引射排放废气，使排放废气的出口压力降至50～55 kPa，那么废气透平进出口压力差达到52～57 kPa，动叶轮能够可靠的工作。蒸汽喷射泵的蒸汽来源为热解油冷凝产生饱和蒸汽，压力0.35～0.4MPa，蒸汽喷射泵出口的排放废气、蒸汽混合气将送至膨胀罐，膨胀罐内的不凝气即为惰性尾气，惰性尾气有三种用途，其一作为热解气燃烧窑炉的调节温度的冷源，其二作为热解气燃烧器调节过剩空气系数的气源，其三作为中段钟罩储仓吹扫所需的惰性保护气。
发明人发现，废旧轮胎热解反应炉产出的热解油的温度为350～400℃，需要冷凝、分馏后加以利用，冷凝通常通过间壁式换热器实现，冷源一般选择冷却水，冷却水吸收热能转化为蒸汽，而多级冷凝产生的不同品质蒸汽加以利用，可作为多级蒸汽喷射器（泵）中的不同压力级别的工作流体来源，也可作为废气透平的冷却蒸汽，达到废旧轮胎热解工艺中物料平衡、水（蒸汽）平衡、能量平衡的要求，以及节约能源、减少排放、循环利用的总目标。
发明人发现，压气透平稳定工况区左边是喘振工况区，自空气进气道引入的空气流量低于喘振边界时，在此区域内气流强烈脉动和周期性震荡，压气涡轮剧烈振动，压气涡轮动应力大大增加，噪音加重，压气透平稳定工况区右边是堵塞工况区，压气涡轮、扩压器叶道最狭窄截面上气流速度达到音速，再增大流量已不可能。废气透平由于热解气焓值影响导致废气进气流量变化范围较大，转子组件输出的转速变化范围也较大，压气透平难以保持在稳定工况区工作，由于采用可转动进口导叶调节、可转动扩压器叶片调节等结构较为复杂且效果有限，压气透平可按照1.3～1.5倍进气流量值来设计性能曲线，即废气透平通过行星增速器驱动，提高压气透平的转速，使压气透平始终工作在大流量稳定工况区，如果燃烧器需要小流量的空气时可采用放空法，即压气蜗壳出口接有流量传感器和防喘振放空阀，放空阀由伺服电机带动，由流量传感器传送信号给伺服电机，部分流动空气量通过放空阀分流。
发明人发现，工作压力0.35～0.4MPa蒸汽在拉瓦尔喷咀中加速形成超音速射流，蒸汽经过喷咀的出口到扩压管入口之间的混合室，由于蒸汽流处于高速而出现一个负压区，从而引射废气透平的排放废气，使排放废气的出口压力降至50～55 kPa，废气透平进出口压力差达到52～57 kPa，动叶轮能够可靠的工作。引射的排放废气被卷吸至混合室与工作蒸汽混合，而后逐渐形成单一均匀的混合流体，经过扩压管减速压缩到一定的背压后排出，而混合流体的压缩阶段，即扩压管中的两股流体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，将动能转化为压力能，并将混合流体排出蒸汽喷射泵。因此蒸汽喷射泵可以根据热解气燃烧器参混气体和热解气燃烧窑炉冷源气体的要求调节不同的压力混合流体，将混合流体收集起来送入膨胀罐，膨胀罐输送出的惰性尾气一路可以直接供热解气燃烧器作为参混气体使用，另一路冷凝后供热解气燃烧窑炉作为冷源气体使用。
相对于现有技术，本发明至少含有以下优点：第一，废气透平由于热解气焓值影响导致废气进气流量变化范围较大，转子组件输出的转速变化范围也较大，压气透平难以保持在稳定工况区工作，由于采用可转动进口导叶调节、可转动扩压器叶片调节等结构较为复杂且效果有限，压气透平可按照1.3～1.5倍进气流量值来设计性能曲线，即废气透平通过行星增速器驱动，提高压气透平的转速，使压气透平始终工作在大流量稳定工况区，如果燃烧器需要小流量的空气时可采用放空法，即压气蜗壳出口接有流量传感器和防喘振放空阀，放空阀由伺服电机带动，由流量传感器传送信号给伺服电机，部分流动空气量通过放空阀分流；第二，废气透平选择进气端压力损失较小的轴向进气、垂直向上排气方式，悬臂式转子结构，利用排放废气经静叶栅及动叶轮膨胀作功，热能转变为动叶轮旋转的机械能，动叶轮又带动行星增速器驱动压气涡轮，压气涡轮压送空气使之增压进入燃烧器，替代了燃烧器输送的预混空气所需的鼓风机。
附图说明
图1为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的主视结构示意图。
图2为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的A局部放大结构示意图。
图3为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的B局部放大结构示意图。
图4为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的C向结构示意图。
图5为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的D大样结构示意图。
图6为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的E大样结构示意图。
图7为本发明废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法的F大样结构示意图。
Ⅰ－废气透平 Ⅱ－行星增速器 Ⅲ－压气透平 Ⅳ－蒸汽喷射泵
Ⅴ－膨胀罐
1－废气进口壳体 2－进气锥 3－动叶轮冷却蒸汽组件 4－静叶栅
5－动叶轮 6－转子组件 7－过渡壳体 8－动叶围带 9－出口壳体
10－轴承箱 11－空气进气道 12－压气涡轮 13－扩压器
14－压气蜗壳出口 15－喷咀 16－混合室 17－扩压管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，废旧轮胎热解废气涡轮增压系统的运行方法，其特征是：步骤一，热解气燃烧窑炉输出高温烟气经立式热解塔体、回转耙辊换热后的排放废气，氧含量已经降为3%以下，温度为410～420℃，绝对压力为105kPa，废气经废气进口壳体1、进气锥2进入静叶栅4，在静叶栅4的静叶流道内，废气在喷嘴中膨胀，把热能和压力能转变成动能，这时废气气流速度相应提升，废气从静叶以很高的速度和以喷嘴流道中心线倾斜角16～18º方向喷向动叶，在动叶轮5的动叶流道内，废气流沿动叶根以-18～-20º的冲角折向，顺着流道的形状继续改变其流动方向，由于气流发生转向，动叶必然产生周向的分力，从而推动动叶轮5不断地旋转，并通过转子组件6输出机械功，动叶产生轴向的分力由轴承箱10的轴向止推轴承来承受，以避免产生过大的轴向位移，为提高废气的热势能转换成转子组件上的机械功的效率，废气进口壳体1、进气锥2、过渡壳体7、动叶围带8组成废气通流道的截面呈逐渐减小再逐渐扩大的文丘里管形式，为防止废气透平Ⅰ失速喘振，出口壳体9的背压保持为绝对压力50～55 kPa。
步骤二，由于压气透平Ⅲ是按照1.3～1.5倍进气流量值来设计性能曲线，废气透平Ⅰ的转子组件6输出的转速将通过行星增速器Ⅱ提速，使得压气透平Ⅲ的压气涡轮12的转速提高到3000～7500r/min，使压气透平Ⅲ始终工作在大流量稳定工况区, 行星增速器Ⅱ的输出轴驱动压气涡轮12从空气进气道11吸入空气，离心力使空气以高速自径向进入扩压器13通道，在扩压器13中，气流被减速，动能转变为压力能，经压气蜗壳出口14压送空气进入燃烧器，替代了燃烧器输送的预混空气所需的鼓风机，如果燃烧器需要小流量的空气时可采用放空法，即压气蜗壳出口14接有流量传感器和防喘振放空阀，放空阀由伺服电机带动，由流量传感器传送信号给伺服电机，部分流动空气量通过放空阀分流。
步骤三，工作压力0.35～0.4MPa蒸汽在拉瓦尔喷咀15中加速形成超音速射流，蒸汽经过喷咀15的出口到扩压管17入口之间的混合室16，由于蒸汽流处于高速而出现一个负压区，从而引射废气透平Ⅰ的排放废气，使排放废气的出口压力降至50～55 kPa，废气透平Ⅰ进出口压力差达到52～57 kPa，动叶轮5能够可靠的工作，引射的排放废气被卷吸至混合室16与工作蒸汽混合，而后逐渐形成单一均匀的混合流体，经过扩压管17减速压缩到一定的背压后排出，而混合流体的压缩阶段，即扩压管17中的两股流体一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，将动能转化为压力能，并将混合流体排出蒸汽喷射泵Ⅳ，因此蒸汽喷射泵Ⅳ可以根据热解气燃烧器参混气体和热解气燃烧窑炉冷源气体的要求调节不同的压力混合流体，将混合流体收集起来送入膨胀罐Ⅴ，膨胀罐输Ⅴ送出的惰性尾气一路可以直接供热解气燃烧器作为参混气体使用，另一路冷凝后供热解气燃烧窑炉作为冷源气体使用。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
