一种齿笼式多室有机固废热解反应器及其热解方法
阅读说明：本技术 一种齿笼式多室有机固废热解反应器及其热解方法 (Toothed cage type multi-chamber organic solid waste pyrolysis reactor and pyrolysis method thereof ) 是由 陆强 谢文銮 胡斌 刘吉 李凯 杨勇平 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种齿笼式多室有机固废热解反应器及其热解方法,该热解反应器包括依次相连的多级反应室、笼式搅拌器、连接通道等结构,其中笼式搅拌器由旋转轴、搅拌架、啮合齿和搅拌叶片组成。将有机固废原料按一定进料速率连续送入第一级反应室中,在笼式搅拌器的翻动下均匀受热分解。每级反应室中的热解剩余物不断经由笼式搅拌器的推动,在连接通道处受相邻反应室笼式搅拌器啮合齿共同的啮合、碾压作用进行破碎,并自动进入下一级反应室中继续热解,直至最后一级反应室中完全热解后排出,生成的热解气和残渣可进一步处理和利用。使用上述反应器进行无氧条件下有机固废的连续热解,可有效避免二噁英等有害物质生成,实现有机固废的无害化处理。(The invention provides a toothed cage type multi-chamber organic solid waste pyrolysis reactor and a pyrolysis method thereof. Continuously feeding the organic solid waste raw materials into a first-stage reaction chamber at a certain feeding speed, and uniformly heating and decomposing under the stirring of a cage type stirrer. The pyrolysis residues in each stage of reaction chamber are continuously pushed by the cage-type stirrer, are crushed by the common meshing and rolling action of meshing teeth of the cage-type stirrers of the adjacent reaction chambers at the connecting channel, automatically enter the next stage of reaction chamber for continuous pyrolysis, are discharged after complete pyrolysis in the last stage of reaction chamber, and the generated pyrolysis gas and residues can be further processed and utilized. The reactor is used for continuous pyrolysis of organic solid waste under the anaerobic condition, so that harmful substances such as dioxin can be effectively prevented from being generated, and harmless treatment of the organic solid waste is realized.)
技术领域
本发明属于有机固废无害化处理技术领域，具体涉及一种齿笼式多室有机固废热解反应器。本发明还提供了一种使用该齿笼式多室有机固废热解反应器的热解方法。
背景技术
有机固体废弃物（有机固废）指的是在生产、生活或其他活动中产生的丧失原有利用价值或虽未丧失利用价值但被抛弃的固体有机物，主要包括生活垃圾、污泥、废塑料、废橡胶、农林废弃物等等。随着我国社会经济的快速发展，在工业、农业、生活等各个领域产生的有机固体废弃物越来越多，不仅会造成一系列严重的环境污染问题，同时还会导致大量的资源浪费。因此，有机固废的处理已经开始成为关系到我国生态文明建设的关键问题。
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。而热解法处理有机固废，与传统方式相比具有处理周期短、转化率高、减容效果明显及高效固化重金属等优点，是当前有机固废资源化处置技术中极具应用推广前景的技术。目前针对煤、生物质等原料的热解技术已较为成熟，但对于一般的有机固废，例如生活垃圾、污泥等，由于含水量大、导热性差，会随天气、来源等变化而波动，需要热解装置具备较高的传热性能和换热效率，现有热解装置大多难以适应；同时有机固废的成分极为复杂且波动大，需要热解装置能够迅速调整工况；此外，有机固废在热解过程中受热软化会大块结焦，需要一定的破碎装置或者防止粘结的装置，避免大块粘结后影响换热效率。
在目前主流的热解反应器中，固定床反应器虽然具有处理量大，针对不同成分、尺寸的有机固废具有适应性强的优点，但其传热不均匀，难以灵活调控热解条件，同时无法克服原料的粘结问题；搅拌式反应器虽然能够通过搅拌混合物料，达到均匀热解，但是也具有间歇运行带来的能量利用率低等问题，并且仅靠高速搅拌避免原料粘结的效果不佳；而一般的连续式反应器，例如流化床反应器、螺旋反应器等，虽然传热效果好，反应条件调控灵活，但是对有机固废的成分及尺寸要求严格，原料适应性差。因此，开发可以克服以上缺点的新型有机固废热解处理装置及相应的处理工艺，是目前有机固废热解领域的研发重点。
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、原料适应性差等缺点，特别是难以克服有机固废热解过程中的结块、结渣，无法真正实现有机固废的高效处置的技术问题，提供齿笼式多室有机固废热解反应器与热解方法，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了一种齿笼式多室有机固废热解反应器，包括进料口、烟气出口、烟道、笼式搅拌器、反应室、出料口、烟气入口、连接通道和出气管，所述笼式搅拌器包括旋转轴、搅拌架、啮合齿和搅拌叶片。
整个热解反应器的所述反应室具有N级，分别为第一级反应室、第二级反应室……第N级反应室，每级反应室均为空心的卧式圆柱形筒体结构，各反应室按照级数依次相连，可按一定角度倾斜或竖直布置，每级尺寸依次递减；相邻的两级反应室相互交叠，重叠部分开口形成所述连接通道；每级反应室内均布置有一套所述笼式搅拌器，每套所述笼式搅拌器均具有一对所述旋转轴，分别沿所在反应室的筒体轴线两端伸入反应室内，与所述搅拌架相连；所述搅拌架在所在反应室的筒体轴线两端各有一个，为外轮廓紧贴所在反应室内壁的圆盘结构，中部可开孔；所述啮合齿为板式凸齿状结构，多个所述啮合齿沿径向朝外在所述搅拌架的外侧环绕整个圆周均匀布置，所述啮合齿的外轮廓紧贴所在反应室内壁，相邻所述反应室的啮合齿之间的最小间距随级数的增加不断缩小；在所述搅拌架中部可连接有至少一个所述搅拌叶片，所述搅拌叶片为板式或管式结构，每个叶片上可布置至少一个叶片分支，所述搅拌叶片的尺寸随所在反应室级数的增加而减小；在所述反应室外部，每套所述笼式搅拌器的旋转轴均穿过反应器的外部壳体与驱动装置相连，由驱动装置带动所有笼式搅拌器旋转，所述旋转轴与反应器的外部壳体以及反应室结合的位置均由密封装置密封；所述烟道设置于反应器的外部壳体与所述反应室之间的空间内，所述烟道内部布置有可调的布风板，所述反应室和所述连接通道的外侧布置有强化换热的肋片；所述进料口上端与进料装置相连，下端与第一级反应室上方的开口位置相连；所述出气管的入口连接在每级反应室的上部或者所述连接通道上；各级所述反应室的所述出气管汇合后，连接到燃烧装置或用于分离气液产物的冷凝装置上；所述出料口与固体收集装置相连；所述烟气入口与燃烧装置相连，所述烟气出口与净化装置相连。
优选地，所述啮合齿可采用渐开线齿、圆弧齿或摆线齿。
本发明实施例还提供了使用上述齿笼式多室有机固废热解反应器的有机固废热解方法，包括以下步骤：
S1. 燃烧装置产生的高温烟气，经由烟气入口进入烟道，加热各级反应室；换热后的低温烟气通过烟气出口进入净化装置，进行净化处理后排空；调整烟道中的布风板，使各级反应室达到合适温度。
S2. 进料装置中的有机固废原料，经由进料口，按一定的进料速率穿过笼式搅拌器落入第一级反应室中部。
S3. 驱动装置带动笼式搅拌器按合适的转速旋转，均匀翻动反应室内的有机固废原料；有机固废原料在反应室中受热分解，产生热解气进入出气管；反应室近壁侧热解程度更高的剩余物经由笼式搅拌器推动进入连接通道，在连接通道位置受到相邻反应室笼式搅拌器的啮合齿共同的啮合、碾压作用进行破碎，随后落入下一级反应室内，而反应室中部热解程度较低的原料则移动到近壁侧进一步热解；热解剩余物依次重复上述过程通过每级反应室，热解程度不断提高，直至进入最后一级反应室中。
S4. 热解剩余物在最后一级反应室中热解完全后，剩余的残炭和废渣经由出料口，排出至固体收集装置。
S5. 各级反应室产生的热解气汇合并经过适当的脱水后，送入燃烧装置燃烧或经过冷凝制备液体产物。
本发明实施例技术方案中所述的齿笼式多室有机固废热解反应器，其核心是带有可通过旋转叶片控制出料量的笼式搅拌器的多室连续热解反应器。固废原料进入第一级反应室内部后，受到笼式搅拌器的翻动发生受热分解；反应室近壁侧热解程度更高的剩余物经由旋转搅拌叶片推动进入连接通道，在连接通道位置受到相邻反应室笼式搅拌器的啮合齿共同的啮合、碾压作用进行破碎，随后落入下一级反应室的中部，而原先反应室中部热解程度较低的原料则移动到近壁侧进一步热解。热解剩余物按照上述步骤依次进入下一级反应室，热解程度不断提高，直至最后一级反应室热解完全，整体实现连续的热解过程；最后的残炭和废渣排出至固体收集装置，而热解气则送入排气管适当的脱水后进行进一步的处理和利用。其有益效果包括：
1. 原料种类的适用性广：可以适用于各种组分和尺寸的有机固废，无需对原料进行深度分选和破碎。
2. 多室连续，空间和热量利用率高，自动出料：多个反应室相连，反应室的尺寸按照级数的增加依次减小，适应于反应器中原料受热分解不断变小的过程，热量和空间利用率高。反应室近壁侧热解程度较高的原料在搅拌器的推动作用下自动地依次进入下一级反应室，热解程度不断提高，直至在最后一级反应室中热解完全，而反应室中部热解程度较低的原料则移动到近壁侧进一步热解，整体实现了连续式热解过程。相邻反应室之间只需利用笼式搅拌器即可自动出料，无需阀门或其他辅助装置，结构简单。
3. 受热均匀，易扩大处理量：反应室为圆柱形筒体结构，容易通过增大轴向宽度来提高处理量，并可利用轴向旋转的笼式搅拌器不断拨动固废原料，强化换热，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。
4. 分隔破碎原料，防止大块结渣：利用啮合齿对近壁侧热解程度较高的原料进行分隔，同时在连接通道处相邻反应室的啮合齿共同对原料进行啮合、碾压、破碎，防止大块的结渣，并且进一步提高原料的换热效率。
5. 热解反应条件调控方便，对有机固废组分变化的适应性强：可通过调节各级反应室笼式搅拌器的转速、燃烧器产生的烟气温度以及烟道中各级反应室外布风板的位置和角度，灵活改变热解反应器中每个反应室的工作状态，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。
6. 高效的产物资源化利用：有机固废热解产生的热解气可用于燃烧，为反应器热解提供热量，实现自热式热解过程，或冷凝后获得液体产物，用作液体燃料或进一步制备化学品。而热解剩余的残渣可在进一步燃烧等处理后，用于生产建材等方式进行资源化利用。
7. 清洁排放：有机固废原料的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，实现有机固废的无害化处理。
附图说明
图1为本发明实施例提供的齿笼式多室有机固废热解反应器的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种笼式搅拌器的结构示意图；
图3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-进料口；2-烟气出口；3-反应室；4-笼式搅拌器；5-烟道；6-出料口；7-烟气入口；8-出气管；9-连接通道；
41-旋转轴；42-搅拌架；43-啮合齿；44-搅拌叶片。
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，提供齿笼式多室有机固废热解反应器与热解方法，其具有原料适用性广、热解调控方便、空间和热量利用率高、自动出料、易调节出料量、可分隔破碎原料、产物资源化利用高、排放清洁等特点，可实现多反应室连续的热解过程。
为了实现上述技术方案，如图1和图2所示为本发明的实施例提供的一种齿笼式多室有机固废热解反应器，包括进料口1、烟气出口2、反应室3、笼式搅拌器4、烟道5、出料口6、烟气入口7、出气管8和连接通道9，笼式搅拌器4包括旋转轴41、搅拌架42、啮合齿43和搅拌叶片44。
整个热解反应器的反应室3具有四级，分为第一级反应室、第二级反应室、第三级反应室和第四级反应室，每级反应室均为空心的卧式圆柱形筒体结构；反应室从第一级到第四级依次相连，整体竖直布置；各级反应室的筒体宽度均为2500 mm，直径分别为900 mm、700 mm、500 mm、300 mm；相邻的反应室相互交叠，重叠部分开口形成连接通道9；每级反应室内均布置有一套笼式搅拌器4，每套笼式搅拌器4均具有一对旋转轴41，分别沿所在反应室的筒体轴线两端伸入反应室内，与搅拌架42相连；搅拌架42在所在反应室的轴线两端各有一个，为厚度40 mm的圆盘结构，外轮廓与所在反应室内壁的间隙为5 mm；啮合齿43采用渐开线齿结构，模数为16 mm；啮合齿43的外轮廓紧贴所在反应室内壁，相邻反应室的啮合齿43之间的最小间距随级数的增加依次为10 mm、6 mm和3 mm；在搅拌架42中部连接有一个宽40 mm的板式搅拌叶片44，沿搅拌叶片44每隔200 mm交错布置一个宽20 mm、长20 mm的叶片分支；在反应室3外部，每套所述笼式搅拌器4的旋转轴41均穿过反应器的外部壳体与电机相连，由电机带动所有笼式搅拌器4旋转，旋转轴41与反应器的外部壳体以及反应室结合的位置由密封装置密封；烟道3设置于反应器的外部壳体与反应室3之间的空间内，烟道3内部布置有可调的布风板，反应室3和连接通道9的外侧布置有强化换热的肋片。
进料口1上端与进料装置相连，下端与第一级反应室上方的开口位置相连；出气管8的入口连接在每级反应室3的上部或者连接通道9上；各级反应室3的出气管8汇合后，连接到燃烧装置或用于分离气液产物的冷凝装置上；出料口6与固体收集装置相连；烟气入口7与燃烧装置相连，烟气出口2与净化装置相连。
为了更好地实现上述技术方案，本发明还提供了如图3所示的一种基于上述齿笼式多室有机固废热解反应器的热解方法，步骤包括：
S1. 燃烧装置产生的高温烟气，经由烟气入口进入烟道，加热各级反应室；换热后的低温烟气通过烟气出口进入净化装置，进行净化处理后排空；调整烟道中的布风板，使各级反应室达到合适温度。
S2. 进料装置中的有机固废原料，经由进料口，按一定的进料速率穿过钳式搅拌器落入第一级反应室中部。
S3. 驱动装置带动笼式搅拌器按合适的转速旋转，均匀翻动反应室内的有机固废原料；有机固废原料在反应室中受热分解，产生热解气进入出气管；反应室近壁侧热解程度更高的剩余物经由笼式搅拌器推动进入连接通道，在连接通道位置受到相邻反应室笼式搅拌器的啮合齿共同的啮合、碾压作用进行破碎，随后落入下一级反应室内，而反应室中部热解程度较低的原料则移动到近壁侧进一步热解；热解剩余物依次重复上述过程通过每级反应室，热解程度不断提高，直至进入最后一级反应室中。
S4. 热解剩余物在第四级反应室中热解完全后，剩余的残炭和废渣经由出料口，排出至固体收集装置。
S5. 各级反应室产生的热解气汇合并经过适当的脱水后，送入燃烧装置燃烧或经过冷凝制备液体产物。
具体的操作步骤如下：
在有机固废热解反应之前，首先关闭第一级反应室的入口，利用燃烧装置产生的高温烟气流经烟道预热反应室；调节布风板，待各反应室达到所需温度后打开第一级反应室的入口，启动进料装置和驱动电机，将有机固废原料按一定速率持续送入第一级反应室中，在笼式搅拌器的翻动下均匀受热升温，开始发生热解产生热解气；反应室近壁侧热解程度更高的剩余物经由笼式搅拌器推动进入连接通道，在连接通道位置受到相邻反应室笼式搅拌器的啮合齿共同的啮合、碾压作用进行破碎，随后落入下一级反应室内，而反应室中部热解程度较低的原料则移动到近壁侧进一步热解；热解剩余物依次通过第二级和第三级反应室，热解程度不断提高，直至在第四级反应室中完全热解；剩余的残炭和废渣经由出料口，排出至固体收集装置进行后续处理和利用；产生的热解气经过适当脱水后可送入燃烧装置燃烧用于反应器供热，实现自热式热解，或送入冷凝装置分离液体产物后，用作液体燃料或进一步制备化学品；烟道中换热后的低温烟气，经由净化装置处理后排空。
以下通过具体实施例详细说明使用齿笼式多室有机固废热解反应器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
首先通过调节燃烧装置产生的热烟气温度以及烟道5中的布风板，使前两级反应室的温度均维持在420℃，而后两级反应室的温度均维持在480℃；随后调节驱动电机，使各级反应室内的笼式搅拌器4的转速均维持在12 r/min；使用螺旋进料器为进料装置，以0.8t/h的进料速率将废塑料持续送入反应器中，在各级反应室中不断受热分解，直至第四级反应室中热解完全；产生的热解气经过冷凝分离出液相产物后，将不可冷凝气体连通至另一个600℃的催化反应炉，用于生产氢气；液相产物被送入燃烧装置中燃烧，用于反应器自身的供热；最后剩余的残渣经出料口6排出后，在固体收集装置中收集。整个装置实现了废塑料在无氧条件下的连续热解，有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，减重率达到92.7w%，实现了高效的无害化处理。
实施例2
首先通过调节燃烧装置产生的热烟气温度以及烟道5中的布风板，使各级反应室的温度均维持在480℃；随后调节驱动电机，使各级反应室内的笼式搅拌器4的转速均维持在7.5 r/min。使用带式输送机作为进料装置，以1 t/h的进料速率将城市生活垃圾持续送入反应器中，在各级反应室中不断受热分解，直至第四级反应室中热解完全；产生的热解气经过一定的脱水后被送入燃烧装置燃烧，用于反应器自身的供热；最后剩余的废渣和残炭经出料口6排出后，在固体收集装置中收集。整个装置实现了生活垃圾在无氧条件下的连续热解，有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，减重率达到83.6w%，实现了高效的无害化处理。
实施例3
首先通过调节燃烧装置产生的热烟气温度以及烟道5中的布风板，使前三级反应室的温度均维持在550℃，第四级反应室的温度维持在300℃；随后调节驱动电机，使各级反应室内的笼式搅拌器4的转速均维持在15 r/min；使用螺旋进料器作为进料装置，以0.4 t/h的进料速率将甘蔗渣持续送入反应器中，在各级反应室中不断受热分解，直至第四级反应室中热解完全；产生的热解气经过冷凝后，分离出气相和液相产物，而最后剩余的焦炭经出料口6排出后，在固体收集装置中收集。其中不可冷凝的气体经过一定的脱水后和焦炭一块被送入燃烧装置燃烧，用于反应器自身的供热；整个装置实现了甘蔗渣在无氧条件下的连续热解，有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，获得的液相产物产率可达30.2w%，实现了甘蔗渣高效的资源化利用。
实施例4
首先通过调节燃烧装置产生的热烟气温度以及烟道5中的布风板，使各级反应室的温度均维持在400℃；随后调节驱动电机，使各级反应室内的笼式搅拌器4的转速均维持在6 r/min；使用带式输送机作为进料装置，以0.6 t/h的进料速率将废橡胶持续送入反应器中，在各级反应室中不断受热分解，直至第四级反应室中热解完全；产生的热解气经过一定的脱水后被送入燃烧装置燃烧，用于反应器自身的供热；最后剩余的废渣和残炭经出料口6排出后，在固体收集装置中收集。整个装置实现了废橡胶在无氧条件下的连续热解，有效遏制二噁英等有害物质的产生与排放，减重率达到79.7w%，实现了高效的无害化处理。
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”、“连通”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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。
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