旋转耙式有机固废热解装置与热解方法
技术领域
本发明属于有机固废无害化处理技术领域，特别涉及一种旋转耙式有机固废热解装置。本发明还提供了一种使用该旋转耙式有机固废热解装置的热解方法。
背景技术
随着人民生活及工业化水平的日益提高，有机固体废弃物的产生量也急剧增加。有机固体废弃物按照来源可以分为工业废弃物、农业废弃物和生活废弃物，包括油泥/污泥、生活垃圾、废塑料、废轮胎、中药渣、生物质等。近年来，有机固废的产量逐年增长，使大多数城市面临着“有机固废围城”的困境。据统计我国油泥年总产量将突破6000万吨，而生活垃圾年产量已超4亿吨，城市产生的大量有机固废若不能实现有效处置，不仅会造成一系列严重的环境污染，破坏人类生存环境，影响城市形象，同时还会浪费大量高附加值资源。固废问题已经引起了国家的高度重视，根据国家制定的固废处理发展政策，对待有机固体废物从“废物处理”升级到“废物能源-资源化”，在技术上由简单的混合收集、填埋或焚烧转向智能化分类分质、循环利用和资源化处理。
目前，国内处理有机固废依然主要依靠填埋或焚烧处理，存在二次污染严重和资源浪费等问题，不符合国家制定的固废处理发展方向。热解法处理有机固废，与传统方式相比具有减容效果明显、可回收原油及固化重金属等优点，是当前有机固废资源化处置技术中极其有应用推广前景的技术。然而，常规的回转热解反应器和螺旋搅拌式热解反应器存在系统效率低、传热不均匀、原料要求高、热滞和结焦等显著劣势，并不能真正实现有机固废的高效处置。因此，开发新型高效的有机固废热解处理装置和工艺具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的是现有热解反应装置存在系统效率低、传热不均匀等显著劣势，无法真正实现有机固废的高效处置的技术问题，提供旋转耙式有机固废热解装置与热解方法，可实现高效清洁的有机固废热解处理。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种旋转耙式有机固废热解装置，包括干燥进料系统、热解系统、固体收集系统、余热利用系统、尾气处理系统和水蒸气冷凝系统，所述热解系统包括密闭壳体、反应室、旋转轴、旋转耙、烟道和燃烧器，其中：
所述反应室为设置于所述密闭壳体内部的卧式圆柱形筒体，其上部开有由可开闭的顶盖密封的进料口，其下部开有由可开闭的出口闸门密封的出料口；所述旋转轴穿过所述密闭壳体，并沿圆柱形筒体轴线伸入所述反应室内，所述旋转轴由外部驱动，其与所述密闭壳体连接处以密封装置密封；所述旋转耙固定于所述旋转轴上，可随所述旋转轴转动而在所述反应室内旋转并翻动物料；所述烟道设置于所述密闭壳体与所述反应室之间的空间内，其上部开有烟气出口供烟气排出；所述燃烧器布置于所述密闭壳体的所述反应室下方，所述反应室由所述进料口侧部通过热解燃气管连接所述燃烧器输送热解气；所述干燥进料系统连接所述进料口输入物料；所述固体收集系统的入口连接所述出料口；所述烟气出口连接所述余热利用系统的烟气入口输送高温烟气；所述余热利用系统的空气出口连接所述干燥进料系统的空气入口输送热空气，其烟气出口与所述尾气处理系统相连以排出低温烟气；所述干燥进料系统的空气出口连接所述水蒸气冷凝系统的空气入口输送次热空气；所述水蒸气冷凝系统的空气出口与所述燃烧器相连。
优选地，所述旋转耙为板式旋转耙，包括以所述旋转轴为中心放射状分布固定在所述旋转轴上作为刮板的2～4块U型钢板；所述U型钢板之间的夹角为10～30°，厚度为5～20mm，宽度为150～300mm；沿着所述U型钢板每隔200～500mm固定一横向的扇环形隔板作为耙齿进行固定，所述耙齿与所述刮板等宽；所述刮板和所述耙齿的外轮廓与所述反应室内表面的间隙不超过10mm。
另一优选地，所述旋转耙为管式旋转耙，包括一根连接在所述旋转轴上的U型钢管；所述U型钢管的管径为50～200mm；沿所述U型钢管的轴向每隔300～500mm固定一横向的扇环形隔板作为耙齿，所述耙齿宽度为150～300mm；在所述U型钢管和所述耙齿上以所述旋转轴为中心放射状分布固定2～4块钢板作为刮板，所述钢板之间夹角为10～30°，与所述旋转轴径向的夹角为5～10°，厚度为5～20mm；所述刮板和所述耙齿的外轮廓与所述反应室内表面的间隙不超过10mm。
作为所述耙齿的进一步优选，耙齿的厚度为5～15mm，其外弧对应的圆心角比内弧对应的圆心角大10～20°。
优选地，所述密封装置设置有两层密封，第一层密封为耐高温填料密封，第二层密封为所述第一层密封外部设置的迷宫密封；所述迷宫密封的腔体中充有氮气。
优选地，所述反应室圆柱形筒体的直径为1000～3000mm，径高比为1/3～1/2。
本发明实施例还提供了一种基于上述旋转耙式有机固废热解装置的有机固废热解方法，包括以下步骤：
S1.燃烧室内送入辅助燃料和热空气燃烧产生高温烟气，预热上方的反应室；
S2.有机固废原料经干燥进料系统干燥并送入反应室；
S3.驱动旋转耙旋转并均匀翻动反应室中的有机固废原料，有机固废原料热解产生热解气，将反应室内的热解气导入燃烧器与辅助燃料一起燃烧加热反应室，根据热解气生成量调节燃烧器辅助燃料和热空气的流量以维持反应室内的热解温度；
S4.本轮热解反应结束后，由旋转耙推动残炭和废渣从反应室排出至固体收集系统；
S5.燃烧器中燃烧产生的烟气送入余热利用系统中与冷空气换热，换热后的烟气送入尾气处理系统，进行净化处理后排空；
S6.将余热利用系统中的热空气分为两路，一路输入干燥进料系统干燥有机固废原料，再在水蒸气冷凝系统中除去水分后与另一路热空气一同送回燃烧器。
作为步骤S2的优选，干燥进料系统采用布置在密闭腔室内的带式输送机，其内干燥温度为100～200℃。
作为步骤S3的优选，旋转耙的转速为0.5～20r/min，反应室内热解反应的温度为300～500℃。
作为步骤S5的优选，余热利用系统采用管式换热器或回转式换热器，其出口热空气温度为100～200℃。
本发明实施例技术方案中所述的旋转耙式有机固废热解装置，其核心是带有旋转耙的热解系统。干燥后的固废原料在反应室中不断由旋转耙翻动，产生的热解气经由燃气管直接送往燃烧器燃烧；燃烧后产生的高温烟气，再用于热解供热和空气预热后，通过尾气处理系统净化排空；部分热空气被用于固废原料干燥，之后与另一部分热空气一同被送往燃烧器；每轮热解结束后，利用旋转耙推动剩余残渣排出。其有益效果包括：
1.原料种类的适用性广：可以适用于各种有机固废，无需对原料进行分选、破碎。
2.热解反应条件调控方便，对有机固废组分变化的适应性强：可通过调节干燥时间、干燥温度、热解时间、热解温度以及旋转耙的转速，灵活改变热解装置的工作状态，以适应受天气变化、来源不同等因素影响下有机固废原料组分的变化。
3.烟气余热利用效率高：热解气燃烧产生的烟气，在提供热解所需的热量后，进一步对烟气进行换热，用于加热空气，而且部分加热空气还用于有机固废的干燥，并且干燥过程中产生的水分与烟气一块送入尾气处理系统，不会混入热解气中影响燃烧效率。
4.受热均匀，易扩大处理量：容易通过增大反应室筒体的宽度来提高处理量，并利用旋转耙强化搅拌，不断拨动固废原料，防止由于尺寸扩大所导致的受热不均而带来的热解不充分和结渣。
5.分隔原料，出料方便：利用扇环形耙齿不断对有机固废原料进行分隔和搅动，防止热解过程中形成大块残渣，堵塞出料口；同时利用旋转耙推动残炭和废渣通过出料口进行辅助出料，实现无需人工干预的自动出料。
6.半自热式热解：将有机固废热解产生的热解气用于燃烧，为热解提供热量，实现半自热式热解过程。
7.密封性能好：使用耐高温密封填料与氮气保护的迷宫式密封作为密封装置，防止旋转轴与密闭壳体的间隙漏气，密封性能好。
8.清洁排放：首先利用热空气进行有机固废原料干燥，在除去水分后被送往燃烧器，通过燃烧除去所携带的污染物质，与直接利用烟气干燥不同，可避免二次污染；其次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，能从源头有效抑制二噁英等有害物质的生成；最后利用成熟的烟气净化技术脱除烟气中的NOx、粉尘等污染物，实现清洁排放。
附图说明
图1为本发明实施例提供的旋转耙式有机固废热解装置的系统示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有板式旋转耙的热解系统的结构示意图，其中图2a为正视图，图2b为右视图；
图3为本发明实施例提供的一种具有管式旋转耙的热解系统的结构示意图，其中图3a为正视图，图3b为右视图；
图4为本发明实施例提供的有机固废热解方法步骤流程图。
[主要元件符号说明]
1-干燥进料系统；
2-热解系统；
21-密闭壳体；22-反应室；221-顶盖；222-进料口；223-出料口；224-出口闸门；225-热解燃气管；23-旋转轴；231-密封装置；24-板式旋转耙；24'-管式旋转耙；241、241'--耙齿；25-烟道；251-烟气出口；26-燃烧器；
3-固体收集系统；
4-余热利用系统；
5-尾气处理系统；
6-水蒸气冷凝系统。
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，提供旋转耙式有机固废热解装置与热解方法，其具有原料适用性广，热解调控方便，热量利用效率高，受热均匀，出料方便，密封性能好，排放清洁的特点，可实现半自热式热解。
为了实现上述技术方案，如图1至图3所示为本发明的实施例提供的一种旋转耙式有机固废热解装置，包括干燥进料系统1、热解系统2、固体收集系统3、余热利用系统4、尾气处理系统5和水蒸气冷凝系统6，热解系统2包括密闭壳体21、反应室22、旋转轴23、旋转耙、烟道25和燃烧器26，其中：
反应室22位于密闭壳体21内部，密闭壳体21内与反应室22之间的空间为烟道25，其外部设置保温材料，其上部开有烟气出口251供烟气排出；反应室22由卧式圆柱形筒体构成，上方开口为进料口222，通过位于进料口222上部的顶盖221密封；反应室22圆柱形筒体轴线上布置有旋转轴23，旋转轴23伸出密闭壳体21，由外部的轴承支撑，并与驱动装置相连，旋转轴23与密闭壳体21连接处设置有密封装置231；旋转耙布置于反应室22内部，其两端固定连接在旋转轴23上；燃烧器26布置于反应室22正下方，并配有热空气进口阀和辅助燃料进口阀，用于控制热空气和辅助燃料的供应量，进料口222侧部通过热解燃气管225连接燃烧器26输送热解气；反应室22与出料口223之间由出口闸门224密封，闸门由液压系统驱动。
料斗的出口与干燥进料系统1的物料入口相连；干燥进料系统1的物料出口与热解系统2上方的进料口222相连；反应室22侧下方的出料口223与固体收集系统3的入口相连；烟气出口251与余热利用系统4的烟气入口相连；余热利用系统4的烟气出口与尾气处理系统5相连；冷空气管与余热利用系统4的空气入口相连；余热利用系统4的空气出口与两路热空气管道相连；一路热空气管道直接与燃烧器26相连，另一路热空气管道与干燥进料系统1的热空气入口相连；干燥进料系统1的热空气出口与水蒸气冷凝系统6的次热空气入口相连；水蒸气冷凝系统6的次热空气出口又与燃烧器26相连。
作为更佳的实施方式：
干燥进料系统1可采用布置在密闭腔室内的带式输送机，一路热空气连接密闭腔室的热空气入口，送入热空气干燥有机固废物料。
图2和图3为具有两种不同结构旋转耙的有机固废热解装置的热解系统的结构示意图，其中：
图2a和图2b所示为旋转耙一种实施方式的结构示意，反应室22的直径为2000mm，宽度为4000mm，旋转耙采用板式旋转耙24，包括以旋转轴23为中心放射状分布固定在旋转轴23上作为刮板的3块U型钢板；U型钢板之间的夹角为20°，厚度为8mm，宽度为200mm；沿着U型钢板每隔500mm固定一横向的扇环形隔板作为耙齿241进行固定，耙齿241厚度为8mm，与刮板等宽，宽度为200mm，内弧圆心角为40°，外弧圆心角为50°；刮板和耙齿241的外轮廓与反应室22内表面的间隙为5mm。
图3a和图3b所示为旋转耙另一种实施方式的结构示意，旋转耙还可以采用管式旋转耙24'，包括一根两端通过联轴器或焊接连接在旋转轴23上管径为50～200mm的U型钢管；U型钢管的沿U型钢管的轴向每隔300～500mm固定一横向的扇环形隔板作为耙齿241'，耙齿241'宽度为150～300mm；在U型钢管和耙齿上以旋转轴23为中心放射状分布固定2～4块钢板作为刮板，钢板之间夹角为10～30°，与旋转轴23径向的夹角为5～10°，厚度为5～20mm；刮板和耙齿241'的外轮廓与反应室22内表面的间隙不超过10mm。
旋转轴23与密闭壳体21连接处的密封装置231设置有两层密封措施，第一层由耐高温填料密封，然后在其外部布置迷宫密封作为第二层密封；迷宫密封的腔体中通入少量氮气作为保护气，在密封装置231内建立微正压。
为了更好地实现上述技术方案，本发明还提供了如图4所示的一种基于上述旋转耙式有机固废热解装置的热解方法，步骤包括：
S1.燃烧室内送入辅助燃料和热空气燃烧产生高温烟气，预热上方的反应室；
S2.有机固废原料经干燥进料系统干燥并送入反应室；
S3.驱动旋转耙旋转并均匀翻动反应室中的有机固废原料，有机固废原料热解产生热解气，将反应室内的热解气导入燃烧器与辅助燃料一起燃烧加热反应室，根据热解气生成量调节燃烧器辅助燃料和热空气的流量以维持反应室内的热解温度；
S4.本轮热解反应结束后，由旋转耙推动残炭和废渣从反应室排出至固体收集系统；
S5.燃烧器中燃烧产生的烟气送入余热利用系统中与冷空气换热，换热后的烟气送入尾气处理系统，进行净化处理后排空；
S6.将余热利用系统中的热空气分为两路，一路输入干燥进料系统干燥有机固废原料，再在水蒸气冷凝系统中除去水分后与另一路热空气一同送回燃烧器。
作为更佳的实施方式，步骤S2中，干燥进料系统的干燥温度为100～200℃。需要说明的是，对于不适宜进行干燥处理的有机固废，可不做干燥处理，热空气直接用于燃烧供热；对于干燥后不适宜进行冷凝除水的情况，可以不对进行有机固废进行干燥后的热空气进行除水处理，直接用于燃烧。步骤S3中，旋转耙的转速为0.5～20r/min，反应室内热解反应的温度为300～500℃。步骤S5中，余热利用系统采用管式换热器或回转式换热器，其出口热空气温度为100～200℃。
具体的操作步骤如下：
在有机固废热解反应之前，首先关闭反应室的出口闸门，打开热空气进口阀和辅助燃料进口阀，调节空气和辅助燃料的流量，并利用点火器点火，产生高温烟气并预热反应室；待产生足够温度的烟气后，打开顶盖，并启动干燥进料系统内的带式输送机，并将有机固废原料通过料斗送入干燥进料系统中；在带式输送机上，有机固废原料由热空气进行干燥后经由进料口进入反应室；打开驱动电机，令旋转耙绕旋转轴旋转，均匀翻动反应室中的固废原料；固废原料在反应室中均匀受热升温，并开始发生热解，产生热解气；热解气通过反应室上方的热解燃气管进入燃烧器，与辅助燃料一块燃烧，提供热解所需热量；随着热解反应的进行，根据实际热解气生成量的变化，相应地调节辅助燃料和热空气的流量，以维持热解温度；达到固废原料的指定进料量后停止进料，关闭顶盖和带式输送机；待本轮热解反应结束后，打开出口闸门，在旋转耙的推动下，将有机固废热解后的残炭和废渣通过出料口送入固体收集系统；排空反应室后，关闭出口闸门，打开顶盖并启动带式输送机，随后再次开始进料，以进行下一轮的热解反应，通过自动控制顶盖、闸门的开闭以及进料器的启停，实现有机固废的半连续式热解过程，保证间隔时间短，能充分利用前一轮热解气燃烧产生的余热进行空气预热，并进一步用于固废原料干燥，提高热量的利用率；热解气和辅助燃料燃烧产生的烟气，在加热反应室后，通过烟道经由烟气出口进入余热利用系统；在余热利用系统中与冷空气换热后，烟气被送入尾气处理系统，进行净化处理后排空；通过余热利用系统获得的热空气被分成两路，一路用于干燥固废原料，并在水蒸气冷凝系统中除去水分后与另一路热空气一同送入燃烧器。
以下通过具体实施例详细说明使用旋转耙式有机固废热解装置进行有机固废热解的工艺流程，各实施例中采用结构基本相同的装置。
实施例1：
首先关闭反应室22侧下方的出口闸门224，打开热空气进口阀和辅助燃料进口阀；调节空气和辅助燃料的流量，并利用点火器点火，产生高温烟气并预热反应室22；待产生一定温度的烟气后，打开顶盖221，并启动干燥进料系统1内的带式输送机；将有机固废原料从料斗送入进料干燥系统1，在带式输送机上由热空气进行干燥，干燥温度维持在150℃；每轮热解过程的有机固废原料进料量为4t，经干燥后水分含量降为22％；干燥后的有机固废原料被送入反应室22内，在旋转耙的翻动下升温并发生热解，热解温度为400℃；待本轮有机固废原料完全进入反应室22后，停止进料并关闭顶盖221，将旋转耙的转速维持在5r/min；有机固废原料不断热解产生热解气，通过燃气管225送入燃烧器26中燃烧，为热解提供热量；产生的热烟气经加热反应室和预热空气后送入尾气处理系统5进行净化处理，实现清洁排放；待有机固废原料完全热解后，打开出口闸门224，在旋转耙的推动下，将残炭和废渣通过出料口223送入固体收集系统3；排空反应室22后，关闭出口闸门224，打开顶盖221并启动带式输送机，继续进行下一轮的有机固废热解处理。整个装置实现了有机固废的半自热式热解，可有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，有机固废减重率达到86.7w％，实现了有机固废的无害化处理。
实施例2：
首先关闭反应室22侧下方的出口闸门224，打开热空气进口阀和辅助燃料进口阀；调节空气和辅助燃料的流量，并利用点火器点火，产生高温烟气并预热反应室22；待产生一定温度的烟气后，打开顶盖221，并启动干燥进料系统1内的带式输送机；将有机固废原料从料斗送入进料干燥系统1，在带式输送机上由热空气进行干燥，干燥温度维持在180℃；每轮热解过程的有机固废原料进料量为3.5t，经干燥后水分含量降为18％；干燥后的有机固废原料被送入反应室22内，在旋转耙的翻动下升温并发生热解，热解温度为430℃；待本轮有机固废原料完全进入反应室22后，停止进料并关闭顶盖221，将旋转耙的转速维持在7.5r/min；有机固废原料不断热解产生热解气，通过燃气管225送入燃烧器26中燃烧，为热解提供热量；产生的热烟气经加热反应室和预热空气后送入尾气处理系统5进行净化处理，实现清洁排放；待有机固废原料完全热解后，打开出口闸门224，在旋转耙的推动下，将残炭和废渣通过出料口223送入固体收集系统3；排空反应室22后，关闭出口闸门224，打开顶盖221并启动带式输送机，继续进行下一轮的有机固废热解处理。整个装置实现了有机固废的半自热式热解，可有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，有机固废减重率达到88.4w％，实现了有机固废的无害化处理。
实施例3：
首先关闭反应室22侧下方的出口闸门224，打开热空气进口阀和辅助燃料进口阀；调节空气和辅助燃料的流量，并利用点火器点火，产生高温烟气并预热反应室22；待产生一定温度的烟气后，打开顶盖221，并启动干燥进料系统1内的带式输送机；将有机固废原料从料斗送入进料干燥系统1，在带式输送机上由热空气进行干燥，干燥温度维持在130℃；每轮热解过程的有机固废原料进料量为3t，经干燥后水分含量降为25％；干燥后的有机固废原料被送入反应室22内，在旋转耙的翻动下升温并发生热解，热解温度为360℃；待本轮有机固废原料完全进入反应室22后，停止进料并关闭顶盖221，将旋转耙的转速维持在10r/min；有机固废原料不断热解产生热解气，通过燃气管225送入燃烧器26中燃烧，为热解提供热量；产生的热烟气经加热反应室和预热空气后送入尾气处理系统5进行净化处理，实现清洁排放；待有机固废原料完全热解后，打开出口闸门224，在旋转耙的推动下，将残炭和废渣通过出料口223送入固体收集系统3；排空反应室22后，关闭出口闸门224，打开顶盖221并启动带式输送机，继续进行下一轮的有机固废热解处理。整个装置实现了有机固废的半自热式热解，可有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，有机固废减重率达到82.3w％，实现了有机固废的无害化处理。
实施例4：
本实施例使用已经稳定运行的装置。将有机固废原料从料斗送入进料干燥系统1，在带式输送机上由热空气进行干燥，干燥温度维持在180℃；每轮热解过程的有机固废进料量为3.5t，经干燥后水分含量降为20％；干燥后的有机固废原料被送入反应室22内，在旋转耙的翻动下升温并发生热解，热解温度为450℃；待本轮有机固废原料完全进入反应室22后，停止进料并关闭顶盖221，将旋转耙的转速维持在10r/min；有机固废原料不断热解产生热解气，通过燃气管225送入燃烧器26中燃烧，为热解提供热量；产生的热烟气经加热反应室和预热空气后送入尾气处理系统5进行净化处理，实现清洁排放；待有机固废完全热解后，打开出口闸门224，在旋转耙的推动下，将残炭和废渣通过出料口223送入固体收集系统3；排空反应室22后，关闭出口闸门224，打开顶盖221并启动带式输送机，继续进行下一轮的有机固废热解处理。整个装置实现了有机固废的半自热式热解，可有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，有机固废减重率达到90.6w％，实现了有机固废的无害化处理。
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”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。
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。
