CN118516125A - 一种废弃物热解气化脱氯系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种废弃物热解气化脱氯系统及方法。本发明的废弃物热解气化脱氯系统，对农业废弃物进行低温热解，可使农业废弃物中的聚氯乙烯等塑料组分的氯元素以氯化氢气体形式释放，在固定床脱氯反应器内经脱氯剂处理进行脱氯，脱氯后的可燃气进一步通过流化床气化装置生产富氢可燃气，或经过气液分离后以热解气、热解油的产品形式储存。本发明通过低温热解‑热解气脱氯‑气化的系统设计，可以避免农业废弃物中含氯塑料的污染问题，实现可燃气脱氯提质；通过利用太阳能集热达到的高温作为热源，实现热量在废弃物气化单元、脱氯单元和热解单元的梯级利用，解决热解气化能量转化效率低的问题，且实现热解气化产物的多联产。
Description
技术领域
本发明涉及废弃物处理及清洁能源利用技术领域，尤其涉及一种废弃物热解气化脱氯系统及方法。
背景技术
在我国，由于农业的大力发展，每年农业生产过程中产生了大量包括农作物秸秆、畜禽粪便等在内的废弃物。这些农业废弃物属于可再生的生物质能资源，具备资源化利用的潜质。由于农业废弃物的种类多、产量高，实现其高效、低成本利用，对于替代传统化石能源、改善环境污染问题具有重要意义。
农业废弃物热解气化分级转化是其资源化利用的有效方式之一，不仅可以制备富氢可燃气，用于燃烧发电、供热，为新农村居住区提供高品位清洁能源，或进一步合成下游化学品；而且还可以生产高品位的生物质炭，提升生物质燃料的能量密度，或进一步用于环境吸附剂、土壤炭基肥等高附加值产品。农业废弃物热解气化技术能够以较低的成本、连续化生产工艺，将低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、固、液三相产物，提升能量密度，便于储存和运输，且实现多联产。
但是，农业废弃物热解气化主要面临二个瓶颈问题：(1)农业废弃物中往往混有农膜、地膜、农药包装、育苗托盘、牲畜饲料袋等塑料制品，尤其是塑料中的聚氯乙烯(PVC)，氯含量较高，含氯的废塑料在热解、气化等热处理过程中，氯元素会以气态释放，易产生二噁英等有毒污染物，且造成腐蚀设备等问题，限制了农业废弃物的能源化利用；(2)尽管国内外在废弃物热解气化等热转化技术与设备方面已经取得了较大进展，但目前废弃物自热式热解气化仍需要燃烧30-40％的原料以提供并维持反应所需热量，造成能量转化效率低、能源消耗高等问题。
基于目前的农业废弃物热解存在的问题，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种废弃物热解气化脱氯系统及方法，以解决或至少部分解决现有技术存在的缺陷。本发明的第一个目的在于提供一种废弃物热解气化脱氯系统，该系统通过热解-脱氯-气化系统的设计，可以避免农业废弃物中含氯塑料的污染问题，实现可燃气脱氯提质；通过利用太阳能集热达到的高温作为热源，实现热量在废弃物气化单元、脱氯单元和热解单元的梯级利用，解决热解气化能量转化效率低的问题，且实现热解气化产物的多联产。
本发明的第二个目的在于提供一种废弃物热解气化脱氯方法，该方法能够解决农业废弃物中含氯塑料的污染问题，实现可燃气脱氯提质；通过利用太阳能集热达到的高温作为热源，提高农业废弃物热解气化能量转化效率，实现全天不间断的热解气化多联产。
第一方面，本发明提供了一种废弃物热解气化脱氯系统，包括热解单元、脱氯单元、气化单元和太阳能供热单元；
其中，所述热解单元包括：
热解装置本体，其上设有废弃物进料口、热解产物出口、以及排气口；
第一加热套，其套设于所述热解装置本体外周，所述第一加热套上开设有第一入气口；
所述脱氯单元包括：
脱氯反应器，其上开设有脱氯反应入口、脱氯反应出口，所述脱氯反应入口与所述排气口连通；
第二加热套，其套设在所述脱氯反应器外周，所述第二加热套上开设有第二入气口、第二出气口，所述第二出气口连通所述第一入气口；
所述气化单元包括：
气化装置本体，其上设有第一气化进料口、第二气化进料口、富氢可燃气出口、排灰口、生物质灰入口；所述第一气化进料口连通所述脱氯反应出口，所述第二气化进料口连通所述热解产物出口，所述富氢可燃气出口连通所述第二入气口；
太阳能供热单元包括：
太阳能聚光装置；
反射镜场，其用于将太阳能反射到位于所述太阳能聚光装置的表面；
热载体管路，其设于所述太阳能聚光装置上，所述热载体管路一端与所述生物质灰入口连通、另一端与所述排灰口连通，所述热载体管路内的介质为生物质灰，所述热载体管路用于吸收所述太阳能聚光装置的热量。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，所述热解装置本体内还设有第一导热管，所述第二加热套内设有第二导热管；
所述第一导热管的入口连通所述第二导热管的出口；
还包括储热单元，所述储热单元包括：高温储热介质罐、低温储热介质罐和换热装置；
其中，所述换热装置包括：
换热罐，所述换热罐内设有高温换热管和低温换热管；
所述第一导热管的出口连通所述低温储热介质罐的一端；
所述低温储热介质罐的另一端连通所述低温换热管的一端；
所述低温换热管的另一端连通所述高温储热介质罐的一端；
所述高温储热介质罐的另一端连通所述第二导热管的入口；
所述高温换热管一端连通所述排灰口、另一端连通所述所述热载体管路的另一端；
所述低温换热管内设有储热介质。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，所述第一加热套上还开设有第一出气口；
所述气化装置本体上开设有气化剂入口；
所述废弃物热解气化脱氯系统还包括废热回收装置，所述废热回收装置包括：
废热回收罐，所述废热回收罐内设有富氢可燃气管和冷却介质管；
富氢可燃气储罐；
其中，所述富氢可燃气管一端连通所述第一出气口、另一端连通所述富氢可燃气储罐；
所述冷却介质管一端与所述气化剂入口连通；
所述冷却介质管内的冷却介质与所述富氢可燃气管内富氢可燃气热交换后形成气化剂并通过所述气化剂入口进入所述气化装置本体。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，还包括除尘器，所述除尘器一端与所述富氢可燃气出口连通、另一端与所述第二入气口连通。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，还包括生物质炭储罐，所述热解产物出口还连通所述生物质炭储罐。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，还包括物料回收管、热解气储罐和热解油储罐；
所述脱氯反应出口还连通所述物料回收管，所述物料回收管上设有气液分离装置，所述气液分离装置的气体出口连通所述热解气储罐，所述气液分离装置的液体出口连通所述热解油储罐。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯系统，所述热解装置本体内位于所述第一导热管外周还设有导热片。
第二方面，本发明还提供了一种废弃物热解气化脱氯方法，使用所述的废弃物热解气化脱氯系统，包括以下步骤：
提供所述的废弃物热解气化脱氯系统；
将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成热解气体以及生物质炭固体；
热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应；
脱氯反应后的热解气体经脱氯反应出口、第一气化进料口进入气化装置本体；生物质炭固体经热解产物出口、第二气化进料口进入气化装置本体；
向气化装置本体通入气化剂，生物质炭固体、脱氯反应后的热解气体在气化装置本体内气化生成富氢可燃气和生物质灰；
富氢可燃气作为热源进入第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；
生物质灰进入热载体管路吸收热量，再进入气化装置本体内提供气化反应所需热量；
吸收热量的生物质灰与高温换热管内的储热介质进行换热使得储热介质升温，升温后的储热介质储存在高温储热介质罐以存储热量；
高温储热介质罐内的储热介质进入第二导热管、第一导热管内，提供脱氯反应和热解反应所需的热量。
第三方面，本发明还提供了一种废弃物热解气化脱氯方法，使用所述的废弃物热解气化脱氯系统，包括以下步骤：
S1、将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成热解气体以及生物质炭固体；
S2、热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应；
S3、在白天太阳光充足的情况下，步骤S1所得生物质炭以及步骤S2所得脱氯后的热解气体产物进入气化装置本体，并通入气化剂进行气化，生成富氢可燃气和生物质灰，富氢可燃气作为热源依次通过第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；降温后的富氢可燃气作为产物送入富氢可燃气储罐；将生物质灰送入储热单元的换热罐的高温换热管中，与低温换热管中的储热介质换热降温，降温后的生物质灰送入太阳能供热单元的热载体管路进行加热，加热后的生物质灰作为热载体送入气化装置本体，提供气化反应所需热量；
S4、低温换热管中的储热介质进行换热升温，升温后的储热介质送入高温储热介质罐，以存储热量；
S5、在夜晚无太阳光，或白天太阳光热量不足的情况下，步骤S4所得的高温储热介质罐中的的高温储热介质依次送入第二导热管、第一导热管中，提供脱氯反应和热解反应所需的热量，冷却后的储热介质送入低温储热介质罐；步骤S1所得生物质炭作为产物送入生物质炭储罐；步骤S2所得的脱氯后的热解气体送入气液分离装置，作为产物分别送入热解气储罐和热解油储罐；以此实现全天不间断的农业废弃物热解气化，以及实现富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气以及脱氯热解油的多联产。
优选的是，所述的废弃物热解气化脱氯方法，所述气化剂为水；
所述储热介质为硝酸系熔盐；
所述热解反应温度为280～360℃；
所述脱氯反应温度为350～680℃；
所述气化反应温度为700～850℃。
本发明的废弃物热解气化脱氯系统及方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明的废弃物热解气化脱氯系统，对农业废弃物进行低温热解，可使农业废弃物中的聚氯乙烯等塑料组分的氯元素以氯化氢气体形式释放，在固定床脱氯反应器内经脱氯剂处理进行脱氯，脱氯后的可燃气进一步通过流化床气化装置生产富氢可燃气，或经过气液分离后以热解气、热解油的产品形式储存。本发明通过低温热解-热解气脱氯-气化的系统设计，脱除了农业废弃物塑料组分中的含氯污染物，避免了高温下含氯污染物与碳链发生反应生成二噁英，以及含氯污染物带来的设备腐蚀问题，本发明的技术方案有效实现了可燃气的脱氯提质；
2、本发明所涉及的热解、脱氯、气化反应所需的热量全部来源于太阳能，绿色环保，无污染，解决了废弃物自热式热解气化需要消耗自身能量、能量转化效率低的问题；气化采用太阳能集热达到的高温作为热源，脱氯和热解采用气化产生的高温富氢可燃气作为热源，同时采用储热介质储存气化生物质灰中的热量，实现了热量在废弃物气化单元、脱氯单元和热解单元的梯级利用；
3、本发明在白天太阳光充足的情况下储存太阳光，通过热解-脱氯-气化反应生产富氢可燃气，在夜晚无太阳光或白天太阳光热量不足的情况下使用储存的热量，通过热解-脱氯反应生产生物质炭、脱氯热解气和脱氯热解油，解决了太阳能光热技术受光照条件影响的问题，实现了全天不间断的农业废弃物热解气化，以及富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气和脱氯热解油的多联产；
4、本发明采用固定床脱氯反应器，使用脱氯剂脱除热解气体产物中的氯化氢；采用流化床气化装置，使用炉内吸附剂原位脱除气化反应时产生的焦油和含氯污染物；采用吸附剂喷射装置，使用吸附剂在除尘器中进一步脱除富氢可燃气中的焦油和含氯污染物，从而实现含氯污染物的近零排放，以及富氢可燃气中焦油的近零排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例中废弃物热解气化脱氯系统的结构示意图；
图2为其中一个实施例中热解单元的结构示意图；
图3为其中一个实施例中脱氯单元的结构示意图；
图4为农业废弃物中聚氯乙烯的热解特性图；
图5为氧化钙脱氯剂吸附氯化氢后的XRD特性图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种废弃物热解气化脱氯系统，如图1～3所示，包括热解单元、脱氯单元、气化单元和太阳能供热单元；
其中，热解单元包括：
热解装置本体1，其上设有废弃物进料口11、热解产物出口12、以及排气口13；
第一加热套14，其套设于热解装置本体1外周，第一加热套14上开设有第一入气口15；
脱氯单元包括：
脱氯反应器2，其上开设有脱氯反应入口21、脱氯反应出口22，脱氯反应入口21与排气口13连通；
第二加热套23，其套设在脱氯反应器2外周，第二加热套23上开设有第二入气口24、第二出气口25，第二出气口25连通第一入气口15；
气化单元包括：
气化装置本体3，其上设有第一气化进料口31、第二气化进料口32、富氢可燃气出口33、排灰口34、生物质灰入口35；第一气化进料口31连通脱氯反应出口22，第二气化进料口32连通热解产物出口12，富氢可燃气出口33连通第二入气口24；
太阳能供热单元包括：
太阳能聚光装置4；
反射镜场41，其用于将太阳能反射到位于太阳能聚光装置的表面；
热载体管路42，其设于太阳能聚光装置4上，热载体管路42一端与生物质灰入口35连通、另一端与排灰口34连通，热载体管路42内的介质为生物质灰，热载体管路42用于吸收太阳能聚光装置4的热量。
需要说明的是，本发明的废弃物热解气化脱氯系统包括热解单元、脱氯单元、气化单元和太阳能供热单元；具体而言，热解单元包括热解装置本体1和第一加热套14，热解装置本体1为常规的热解装置，用于提供热解反应的场所，例如热解装置本体1可为常规的回转式热解装置，热解装置本体1上开设有废弃物进料口11、热解产物出口12、以及排气口13；第一加热套14套设于热解装置本体1外周，第一加热套14内部中空，第一加热套14上开设有第一入气口15；废弃物进料口11用于向热解装置本体1内加入废弃物，热解产物出口12用于排出热解反应后生成的热解固体产物，排气口13用于排出热解反应后生成的热解气体产物(具体的，热解气体产物包括可燃气、焦油、氯化氢组成的混合气体)；脱氯单元包括：脱氯反应器2和第二加热套23，脱氯反应器2为常规的脱氯反应装置，例如可为固定床脱氯反应器，脱氯反应器2用于提供脱氯反应的场所；脱氯反应器2上开设有脱氯反应入口21、脱氯反应出口22，脱氯反应入口21与排气口13连通；第二加热套23套设在脱氯反应器2外周，第二加热套23内部中空，第二加热套23上开设有第二入气口24、第二出气口25，第二出气口25连通第一入气口15；其中，从排气口13排出的热解气体产物经过脱氯反应入口21进入脱氯反应器2内进行脱氯反应，用于脱除热解气体产物中的氯化氢；气化单元包括：气化装置本体3，气化装置本体3为常规的气化装置，例如可为流化床气化装置，气化装置本体3提供气化反应的场所；气化装置本体3上设有第一气化进料口31、第二气化进料口32、富氢可燃气出口33、排灰口34、生物质灰入口35，第一气化进料口31连通脱氯反应出口22，第二气化进料口32连通热解产物出口12，富氢可燃气出口33连通第二入气口24；脱氯反应后的热解气体产物经过脱氯反应出口22、第一气化进料口31进入气化装置本体3；热解固体产物(具体为生物质炭固体)经热解产物出口12、第二气化进料口32气化装置本体3；向气化装置本体3内通入气化剂，热解固体产物(具体为生物质炭固体)、热解气体产物，在气化装置本体3发生气化反应，气化装置本体3将热解固体产物(具体为生物质炭固体)、热解气体产物加热气化，得到含有H2、CO等混合气体的富氢可燃气，并同时生成生物质灰；得到的富氢可燃气经富氢可燃气出口33、第二入气口24进入第二加热套23内，同时，富氢可燃气经过第二出气口25、第一入气口15进入第一加热套14内；富氢可燃气作为热源对第二加热套23、第一加热套14加热进而对脱氯反应器2、热解装置本体1加热，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；太阳能供热单元包括：太阳能聚光装置4、反射镜场41、热载体管路42，其中，反射镜场41用于接收太阳能并将太阳能反射至太阳能聚光装置4的表面，形成800℃以上的高温；热载体管路42一端与生物质灰入口35连通、另一端与排灰口34连通，热载体管路42内的介质为生物质灰，热载体管路42用于吸收太阳能聚光装置4的热量；具体的，生物质灰作为热载体提供气化反应所需能量，太阳能供热单元用于加热生物质灰，且生物质灰在气化装置本体3和太阳能供热单元之间循环流动。
在一些实施例中，热解装置本体1内还设有第一导热管16，第二加热套23内设有第二导热管26；
第一导热管16的入口连通第二导热管26的出口。
具体的，第一导热管16同轴设置在热解装置本体1内，第一导热管16的两端伸出热解装置本体1外，第一导热管16的一端为出口、另一端为进口，第二加热套23内设有第二导热管26，第二导热管26的两端分别伸出第二加热套23外，第二导热管26的一端为出口、另一端为进口，第一导热管16的入口连通第二导热管26的出口。
在一些实施例中，还包括储热单元，储热单元包括：高温储热介质罐51、低温储热介质罐52和换热装置；
其中，换热装置包括：
换热罐53，换热罐53内设有高温换热管54和低温换热管55；
第一导热管16的出口连通低温储热介质罐52的一端；
低温储热介质罐52的另一端连通低温换热管55的一端；
低温换热管55的另一端连通高温储热介质罐51的一端；
高温储热介质罐51的另一端连通第二导热管26的入口；
高温换热管54一端连通排灰口34、另一端连通热载体管路42的另一端；
低温换热管55内设有储热介质。
具体的，上述实施例中，高温换热管54和低温换热管55在换热罐53内平行相对间隔设置，低温储热介质罐52一端与第一导热管16的出口连通、另一端与低温换热管55连通；低温换热管55远离低温储热介质罐52的端部与高温储热介质罐51连通，高温储热介质罐51远离低温换热管55的端部连通第二导热管26的入口；高温换热管54一端连通排灰口34、另一端连通热载体管路42的另一端，高温换热管54内设有储热介质。
储热单元的作用是当白天阳光充足且气化单元运行时，利用来自气化装置本体3发生反应生成的生物质灰进入高温换热管54，并与低温换热管55内的储热介质发生热交换，生物质灰降温所释放的热量作为热源，加热储热介质，被加热后的储热介质进入高温储热介质罐，以此存储热量；当夜晚反射镜场不反射太阳光或反射的太阳光热量不足时，高温储热介质罐中的经过加热后的储热介质作为脱氯反应和热解反应的热源，依次泵入第二导热管、第一导热管，具体而言，经过加热后的储热介质经第二导热管的入口进入第二导热管内，对第二导热管加热进而对脱氯反应器2加热，提供脱氯反应所需的热量；同时经过加热后的储热介质经第二导热管的出口、第一导热管的入口进入第一导热管内，对第一导热管加热进而对热解装置本体1加热，提供热解反应所需的热量；而经过放热冷却后的储热介质进入低温储热介质罐，内储存，并同时加入高温换热管54再次进行换热，如此循环，以此实现全天不间断的农业废弃物热解气化多联产。
在一些实施例中，第一加热套14上还开设有第一出气口17；
气化装置本体3上开设有气化剂入口36；
废弃物热解气化脱氯系统还包括废热回收装置，废热回收装置包括：
废热回收罐61，废热回收罐内设有富氢可燃气管62和冷却介质管63；
富氢可燃气储罐64；
其中，富氢可燃气管62一端连通第一出气口17、另一端连通富氢可燃气储罐64；
冷却介质管63一端与气化剂入口36连通；
冷却介质管63内的冷却介质与富氢可燃气管内富氢可燃气热交换后形成气化剂并通过气化剂入口36进入气化装置本体1。
具体的，上述实施例中，富氢可燃气管62和冷却介质管63在废热回收罐61内相对平行间隔设置，第一加热套14中的富氢可燃气经第一出气口17进入富氢可燃气管62；冷却介质管63内的冷却介质与富氢可燃气管62中的富氢可燃气，利用富氢可燃气的余热对冷却介质管63内的冷却介质进行换热升温，升温后的冷却介质形成气化剂并通过气化剂入口36进入气化装置本体1；而冷却后的富氢可燃气则进入富氢可燃气储罐64储存。
具体的，上述实施例中，冷却介质为水，水经过富氢可燃气的余热换热后形成水蒸气，水蒸气作为气化剂并通过气化剂入口36进入气化装置本体1。
在一些实施例中，废弃物热解气化脱氯系统，还包括除尘器7，除尘器7一端与富氢可燃气出口33连通、另一端与第二入气口24连通。除尘器7用于对富氢可燃气进行净化除尘，提高品质。
在一些实施例中，废弃物热解气化脱氯系统，还包括生物质炭储罐8，热解产物出口12还连通生物质炭储罐8。
具体的，热解产物出口12连通热解产物管道，热解产物管道并联两个管道，具体为第一生物质炭管道、第二生物质炭管道，其中，第一生物质炭管道连通生物质炭储罐8，第二生物质炭管道连通第二气化进料口32；第一生物质炭管道、第二生物质炭管道上均设有阀门；生物质炭储罐8用于储存热解反应后生成的热解固体产物。
在一些实施例中，废弃物热解气化脱氯系统，还包括物料回收管9、热解气储罐91和热解油储罐92；
脱氯反应出口22还连通物料回收管9，物料回收管9上设有气液分离装置93，气液分离装置93的气体出口连通热解气储罐91，气液分离装置93的液体出口连通热解油储罐92。
在上述实施例中，脱氯反应出口22连通脱氯反应出料管，脱氯反应出料管并联两个管道，具体为物料回收管9以及气化反应管；气化反应管与第一气化进料口31连通；物料回收管9以及气化反应管上均设有阀门，物料回收管9连通气液分离装置93；脱氯反应后的热解气体产物经过脱氯反应出口22进入物料回收管9、气液分离装置93，经过气液分离装置93气液分离后得到热解油和热解气，热解气经过气液分离装置93的气体出口进入热解气储罐91储存，热解油气液分离装置93的液体出口进入热解油储罐92储存。
在一些实施例中，热解装置本体1内位于第一导热管16外周还设有导热片18，具体的，导热片18为螺旋导热片，用于优化第一导热管16中储热介质的传热性能，并搅动热解装置内的反应物料，强化反应。
在一些实施例中，热载体管路42上还设有生物质灰排灰管道43，排灰管道43上设有阀门，根据传感器测得的生物质灰的流量控制阀门的启闭，使循环的生物质灰的流量维持在给定范围。
在一些实施例中，热解装置本体1为回转式热解装置，回转式热解装置窑头的顶部设有废弃物进料口11，用于农业废弃物进料；回转式热解装置窑尾的上部设有排气口13，用于排出生成的热解气体产物，下部设有热解产物出口12，用于排出生成的热解固体产物。
在一些实施例中，第一加热套14内气体流动方向与农业废弃物物料流动方向相反。
在一些实施例中，脱氯反应器2固定床脱氯反应器，包括容纳脱氯剂的反应腔室，连通反应腔室的脱氯反应入口21、脱氯反应出口22。
在一些实施例中，气化装置本体3为流化床气化装置，其中部设有生物质灰入口35；流化床气化装置的底部设置有侧向的排灰口34，用于排出反应生成的生物质灰；流化床气化装置的上部还设有富氢可燃气出口33，用于输出气化反应产生的富氢可燃气。
在一些实施例中，储热介质为熔融盐，具体而言，储热介质为二元硝酸系熔盐，比如可为KNO3-NaNO2系熔盐。
在一些实施例中，固定床脱氯反应器为抽屉式固定床脱氯反应器，脱氯剂装载在至少一个可以抽拉的盒体中；当脱氯剂失效后，可将脱氯剂单独抽出进行更换。
在一些实施例中，气化装置本体3运行时投加炉内吸附剂，用于原位脱除气化反应时产生的焦油和含氯污染物。
在一些实施例中，除尘器包括吸附剂喷射装置，用于进一步脱除富氢可燃气中的焦油和含氯污染物。
在一些实施例中，脱氯剂、炉内吸附剂、除尘器中的吸附剂为具有氯化氢脱除功能的固体吸附剂，例如碱金属氧化物或氢氧化物或碳酸盐，或由活性氧化铝与碱金属氧化物或氢氧化物或碳酸盐组成的复合物。
在一些实施例中，炉内吸附剂为ZnO/Al2O3/CaO。
在一些实施例中，除尘器中的吸附剂为Al2O3/CaO。
在一些实施例中，脱氯剂为氧化钙。
在一些实施例中，太阳能供热单元还包括太阳能跟踪系统，能够使反射镜场始终与太阳光保持一个最佳角度，提高收集太阳能的效率。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种废弃物热解气化脱氯方法，使用上述的废弃物热解气化脱氯系统进行废弃物热解气化脱氯，包括以下步骤：
S1、将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成热解气体以及生物质炭固体；
S2、热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应；
S3、脱氯反应后的热解气体经脱氯反应出口、第一气化进料口进入气化装置本体；生物质炭固体经热解产物出口、第二气化进料口进入气化装置本体；
S4、向气化装置本体通入气化剂，生物质炭固体、脱氯反应后的热解气体在气化装置本体内气化生成富氢可燃气和生物质灰；
S5、富氢可燃气作为热源进入第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；
S6、生物质灰进入热载体管路吸收热量，再进入气化装置本体内提供气化反应所需热量；
S7、吸收热量的生物质灰与高温换热管内的储热介质进行换热使得储热介质升温，升温后的储热介质储存在高温储热介质罐以存储热量；
S8、高温储热介质罐内的储热介质进入第二导热管、第一导热管内，提供脱氯反应和热解反应所需的热量。
具体的，步骤S1中，将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成可燃气、焦油、氯化氢组成的混合气体，即为热解气体，以及生物质炭固体；
S2、步骤S1中所得热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应，脱除热解气体产物中的氯化氢；
S3、在白天太阳光充足的情况下，步骤S1所得生物质炭以及步骤S2所得脱氯后的热解气体产物进入气化装置本体，并通入气化剂进行气化，生成富氢可燃气和生物质灰，富氢可燃气作为热源依次通过第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；降温后的富氢可燃气作为产物送入富氢可燃气储罐；将生物质灰送入储热单元的换热罐的高温换热管中，与低温换热管中的储热介质换热降温，降温后的生物质灰送入太阳能供热单元的热载体管路进行加热，加热后的生物质灰作为热载体送入气化装置本体，提供气化反应所需热量；
S4、低温换热管中的储热介质进行换热升温，升温后的储热介质送入高温储热介质罐，以此存储热量；
S5、在夜晚无太阳光，或白天太阳光热量不足的情况下，步骤S4所得的高温储热介质罐中的的高温储热介质依次送入第二导热管、第一导热管中，提供脱氯反应和热解反应所需的热量，冷却后的储热介质送入低温储热介质罐；步骤S1所得生物质炭作为产物送入生物质炭储罐；步骤S2所得的脱氯后的热解气体送入气液分离装置，作为产物分别送入热解气储罐和热解油储罐；以此实现全天不间断的农业废弃物热解气化，以及实现富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气以及脱氯热解油的多联产。
在一些实施例中，还包括含有废热回收的步骤S3，将通过第一加热套后的富氢可燃气作为热源送入废热回收罐的富氢可燃气管内，给水作为冷却介质送入废热回收罐的冷却介质管内，水吸收热量后生成的水蒸气作为气化剂输入气化装置本体。
在一些实施例中，还包括含有热解油燃烧供热的步骤S5，在步骤S4所提供的热量不足的情况下，将热解油储罐中的热解油送入燃烧器，燃烧产生的高温烟气作为热源依次通过第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量。
在一些实施例中，热解反应温度为280～360℃、反应时间为30～60min。
在一些实施例中，脱氯反应温度为350～680℃；
在一些实施例中，气化反应温度为700～850℃。
通过本发明的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明在热解装置本体中对农业废弃物进行低温热解，可使农业废弃物中的聚氯乙烯等塑料组分的氯元素以氯化氢气体形式释放，在固定床脱氯反应器内经脱氯剂处理进行脱氯，脱氯后的可燃气进一步通过流化床气化装置生产富氢可燃气，或经过气液分离后以热解气、热解油的产品形式储存。本发明通过低温热解-热解气脱氯-气化的系统设计，脱除了农业废弃物塑料组分中的含氯污染物，避免了高温下含氯污染物与碳链发生反应生成二噁英，以及含氯污染物带来的设备腐蚀问题，本发明的技术方案有效实现了可燃气的脱氯提质。
2、本发明所涉及的热解、脱氯、气化反应所需的热量全部来源于太阳能，绿色环保，无污染，解决了废弃物自热式热解气化需要消耗自身能量、能量转化效率低的问题；气化采用太阳能集热达到的高温作为热源，脱氯和热解采用气化产生的高温富氢可燃气作为热源，同时采用储热介质储存气化生物质灰中的热量，实现了热量在废弃物气化单元、脱氯单元和热解单元的梯级利用。
3、本发明在白天太阳光充足的情况下储存太阳光，通过热解-脱氯-气化反应生产富氢可燃气，在夜晚无太阳光或白天太阳光热量不足的情况下使用储存的热量，通过热解-脱氯反应生产生物质炭、脱氯热解气和脱氯热解油，解决了太阳能光热技术受光照条件影响的问题，实现了全天不间断的农业废弃物热解气化，以及富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气和脱氯热解油的多联产。
4、本发明采用固定床脱氯反应器，使用脱氯剂脱除热解气体产物中的氯化氢；采用流化床气化装置，使用炉内吸附剂原位脱除气化反应时产生的焦油和含氯污染物；采用吸附剂喷射装置，使用吸附剂在除尘器中进一步脱除富氢可燃气中的焦油和含氯污染物，从而实现含氯污染物的近零排放，以及富氢可燃气中焦油的近零排放。
以下进一步以具体实施例说明本申请的废弃物热解气化脱氯系统及方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本申请实施例提供了一种废弃物热解气化脱氯系统，其结构如图1～3所示，其中，热解装置本体为常规的回转式热解装置，脱氯反应器为常规的固定床脱氯反应器，气化装置本体为常规的流化床气化装置；
炉内吸附剂为ZnO、Al2O3、CaO三者混合物，混合物中ZnO、Al2O3、CaO的质量分数分别为40％、30％、30％。
除尘器中的吸附剂为Al2O3、CaO二者混合物，混合物中Al2O3、CaO的质量分数分别为40％、60％。
脱氯剂为CaO；
储热介质为二元硝酸系熔盐，具体为KNO3-NaNO2系熔盐，其中KNO3和NaNO2的质量比为3:2。
本申请实施例还提供了一种废弃物热解气化脱氯方法，采用实施例1中的废弃物热解气化脱氯系统，包括以下步骤：
S1、将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成可燃气、焦油、氯化氢组成的混合气体，即为热解气体，以及生物质炭固体；
S2、步骤S1中所得热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应，脱除热解气体产物中的氯化氢；
S3、在白天太阳光充足的情况下，步骤S1所得生物质炭以及步骤S2所得脱氯后的热解气体产物进入气化装置本体，并通入气化剂进行气化，生成富氢可燃气和生物质灰，富氢可燃气作为热源依次通过第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；降温后的富氢可燃气作为产物送入富氢可燃气储罐；将生物质灰送入储热单元的换热罐的高温换热管中，与低温换热管中的储热介质换热降温，降温后的生物质灰送入太阳能供热单元的热载体管路进行加热，加热后的生物质灰作为热载体送入气化装置本体，提供气化反应所需热量；
S4、低温换热管中的储热介质进行换热升温，升温后的储热介质送入高温储热介质罐，以此存储热量；
S5、在夜晚无太阳光，或白天太阳光热量不足的情况下，步骤S4所得的高温储热介质罐中的的高温储热介质依次送入第二导热管、第一导热管中，提供脱氯反应和热解反应所需的热量，冷却后的储热介质送入低温储热介质罐；步骤S1所得生物质炭作为产物送入生物质炭储罐；步骤S2所得的脱氯后的热解气体送入气液分离装置，作为产物分别送入热解气储罐和热解油储罐；以此实现全天不间断的农业废弃物热解气化，以及实现富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气以及脱氯热解油的多联产；
还包括含有废热回收的步骤，将通过第一加热套后的富氢可燃气作为热源送入废热回收罐的富氢可燃气管内，给水作为冷却介质送入废热回收罐的冷却介质管内，水吸收热量后生成的水蒸气作为气化剂输入气化装置本体。
其中，热解反应温度为280～360℃、反应时间为30～60min；
脱氯反应温度为350～680℃；
气化反应温度为700～850℃。
参考图4所示，其为纯聚氯乙烯(PVC)在5℃/min、10℃/min和20℃/min升温速率下的热重分析/微商热重分析(TG/DTG)，PVC中的氯元素在350℃之前全部以氯化氢气体形式析出，且对350℃热解温度下所得的热解固态产物进行分析，未检测到氯含量。
按照上述实施例1中的方法，脱氯反应温度为350～680℃，结合图5所示为采用氧化钙作为脱氯剂进行热解气脱氯的X射线衍射(XRD)分析；当脱氯反应温度从500℃升高至600℃，脱氯效果增强，脱氯效率达99％；而当脱氯反应温度继续升高至700℃，由于脱氯产物分解，使脱氯效率降低至78％。
按照上述实施例1中的方法，气化反应温度为700～850℃。结合表1所示为不同气化反应温度下H2体积分数和H2/CO(H2、CO等所组成的混合气体即为上文提到的富氢可燃气)体积比，H2体积分数和H2/CO体积比在700～750℃增加，在750℃时H2体积分数达62.1％，H2/CO体积比达9.8，H2体积分数和H2/CO体积比在750～850℃逐渐下降。
表1-气化不同反应温度下H2体积分数和H2/CO体积比
| 气化反应温度 | 700℃ | 750℃ | 800℃ | 850℃ |
| H2体积分数 | 55.4％ | 62.1％ | 60.1％ | 57.7％ |
| H2/CO体积比 | 3.3 | 9.8 | 5.8 | 3.7 |
采用本发明所述系统和方法，农业废弃物热解气化可完全依靠太阳能和系统内部换热、储热从而实现热量供给，无需燃烧自身原料维持反应所需热量。作为对比，农业废弃物直接气化，700℃时需要燃烧32％原料，850℃时需要燃烧41％原料。因此本发明相比传统技术可节约32-41％农业废弃物原料，大大提高了热解气化能量转化率。
实施例2
在实施例1系统和方法的基础上，固定床脱氯反应器中装载的脱氯剂为氧化钙，流化床气化装置3中装载ZnO/Al2O3/CaO(即为ZnO、Al2O3、CaO三者混合物，混合物中ZnO、Al2O3、CaO的质量分数分别为40％、30％、30％)作为炉内吸附剂，除尘器的吸附剂喷射装置中装载Al2O3/CaO作为吸附剂。利用本发明所述系统和方法，在350℃热解、600℃脱氯、750℃气化时整体脱氯效率达99.4％。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，包括热解单元、脱氯单元、气化单元和太阳能供热单元；
其中，所述热解单元包括：
热解装置本体，其上设有废弃物进料口、热解产物出口、以及排气口；
第一加热套，其套设于所述热解装置本体外周，所述第一加热套上开设有第一入气口；
所述脱氯单元包括：
脱氯反应器，其上开设有脱氯反应入口、脱氯反应出口，所述脱氯反应入口与所述排气口连通；
第二加热套，其套设在所述脱氯反应器外周，所述第二加热套上开设有第二入气口、第二出气口，所述第二出气口连通所述第一入气口；
所述气化单元包括：
气化装置本体，其上设有第一气化进料口、第二气化进料口、富氢可燃气出口、排灰口、生物质灰入口；所述第一气化进料口连通所述脱氯反应出口，所述第二气化进料口连通所述热解产物出口，所述富氢可燃气出口连通所述第二入气口；
太阳能供热单元包括：
太阳能聚光装置；
反射镜场，其用于将太阳能反射到位于所述太阳能聚光装置的表面；
热载体管路，其设于所述太阳能聚光装置上，所述热载体管路一端与所述生物质灰入口连通、另一端与所述排灰口连通，所述热载体管路内的介质为生物质灰，所述热载体管路用于吸收所述太阳能聚光装置的热量。
2.如权利要求1所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，所述热解装置本体内还设有第一导热管，所述第二加热套内设有第二导热管；
所述第一导热管的入口连通所述第二导热管的出口。
3.如权利要求2所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，还包括储热单元，所述储热单元包括：高温储热介质罐、低温储热介质罐和换热装置；
其中，所述换热装置包括：
换热罐，所述换热罐内设有高温换热管和低温换热管；
所述第一导热管的出口连通所述低温储热介质罐的一端；
所述低温储热介质罐的另一端连通所述低温换热管的一端；
所述低温换热管的另一端连通所述高温储热介质罐的一端；
所述高温储热介质罐的另一端连通所述第二导热管的入口；
所述高温换热管一端连通所述排灰口、另一端连通所述所述热载体管路的另一端；
所述低温换热管内设有储热介质。
4.如权利要求3所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，所述第一加热套上还开设有第一出气口；
所述气化装置本体上开设有气化剂入口；
所述废弃物热解气化脱氯系统还包括废热回收装置，所述废热回收装置包括：
废热回收罐，所述废热回收罐内设有富氢可燃气管和冷却介质管；
富氢可燃气储罐；
其中，所述富氢可燃气管一端连通所述第一出气口、另一端连通所述富氢可燃气储罐；
所述冷却介质管一端与所述气化剂入口连通；
所述冷却介质管内的冷却介质与所述富氢可燃气管内富氢可燃气热交换后形成气化剂并通过所述气化剂入口进入所述气化装置本体。
5.如权利要求1所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，还包括除尘器，所述除尘器一端与所述富氢可燃气出口连通、另一端与所述第二入气口连通；
还包括生物质炭储罐，所述热解产物出口还连通所述生物质炭储罐。
6.如权利要求1所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，还包括物料回收管、热解气储罐和热解油储罐；
所述脱氯反应出口还连通所述物料回收管，所述物料回收管上设有气液分离装置，所述气液分离装置的气体出口连通所述热解气储罐，所述气液分离装置的液体出口连通所述热解油储罐。
7.如权利要求3所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，所述热解装置本体内位于所述第一导热管外周还设有导热片。
8.一种废弃物热解气化脱氯方法，使用如权利要求1～7任一所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，包括以下步骤：
将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成热解气体以及生物质炭固体；
热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应；
脱氯反应后的热解气体经脱氯反应出口、第一气化进料口进入气化装置本体；生物质炭固体经热解产物出口、第二气化进料口进入气化装置本体；
向气化装置本体通入气化剂，生物质炭固体、脱氯反应后的热解气体在气化装置本体内气化生成富氢可燃气和生物质灰；
富氢可燃气作为热源进入第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；
生物质灰进入热载体管路吸收热量，再进入气化装置本体内提供气化反应所需热量；
吸收热量的生物质灰与高温换热管内的储热介质进行换热使得储热介质升温，升温后的储热介质储存在高温储热介质罐以存储热量；
高温储热介质罐内的储热介质进入第二导热管、第一导热管内，提供脱氯反应和热解反应所需的热量。
9.一种废弃物热解气化脱氯方法，使用如权利要求1～7任一所述的废弃物热解气化脱氯系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将废弃物经废弃物进料口加入至热解装置本体内进行热解，热解生成热解气体以及生物质炭固体；
S2、热解气体经排气口、脱氯反应入口进入脱氯反应器进行脱氯反应；
S3、在白天太阳光充足的情况下，步骤S1所得生物质炭以及步骤S2所得脱氯后的热解气体产物进入气化装置本体，并通入气化剂进行气化，生成富氢可燃气和生物质灰，富氢可燃气作为热源依次通过第二加热套、第一加热套，提供脱氯反应和热解反应所需的热量；降温后的富氢可燃气作为产物送入富氢可燃气储罐；将生物质灰送入储热单元的换热罐的高温换热管中，与低温换热管中的储热介质换热降温，降温后的生物质灰送入太阳能供热单元的热载体管路进行加热，加热后的生物质灰作为热载体送入气化装置本体，提供气化反应所需热量；
S4、低温换热管中的储热介质进行换热升温，升温后的储热介质送入高温储热介质罐，以存储热量；
S5、在夜晚无太阳光，或白天太阳光热量不足的情况下，步骤S4所得的高温储热介质罐中的的高温储热介质依次送入第二导热管、第一导热管中，提供脱氯反应和热解反应所需的热量，冷却后的储热介质送入低温储热介质罐；步骤S1所得生物质炭作为产物送入生物质炭储罐；步骤S2所得的脱氯后的热解气体送入气液分离装置，作为产物分别送入热解气储罐和热解油储罐；以此实现全天不间断的农业废弃物热解气化，以及实现富氢可燃气、生物质炭、脱氯热解气以及脱氯热解油的多联产。
10.如权利要求8或9所述的废弃物热解气化脱氯方法，其特征在于，所述气化剂为水；
所述储热介质为硝酸系熔盐；
所述热解反应温度为280～360℃；
所述脱氯反应温度为350～680℃；
所述气化反应温度为700～850℃。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118995281A (zh) * | 2024-09-14 | 2024-11-22 | 重庆阳正环保科技股份有限公司 | 一种热解生物油汽中含氯物质的脱除装置 |
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