本發(fā)明屬于可燃固體廢棄物熱態(tài)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及熱解與氣化實驗運行控制、產(chǎn)物收集的裝置與方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和城市化道路進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市固體廢棄物產(chǎn)量與日俱增。大量的建筑垃圾、生活垃圾、醫(yī)療垃圾、電子垃圾、農(nóng)林業(yè)廢棄物等由于處置方法不當(dāng)和處理能力不足，對人們正常生活產(chǎn)生不利的影響。有研究表明我國固體廢棄物中可燃物和不可燃物的平均值分別為81.64％和18.36％，且可燃固體廢棄物中含量最大的組分依次為餐廚廢棄物、塑料、紙張等。可燃固體廢棄物熱解和氣化處理方法同屬于熱化學(xué)方法，該方法克服了傳統(tǒng)固體廢棄物處理方法占地多、對大氣及地下水造成污染等弊端，將可燃固體廢棄物資源化利用的同時實現(xiàn)了減量化和無害化的固體廢棄物處理“三化”目標(biāo)。

熱解法是指在無氧或缺氧的條件下加熱，利用物料中熱不穩(wěn)定的有機(jī)物，使其分解，得到熱解碳、熱解液和非凝性氣體的處理工藝，其產(chǎn)物中氣體含量較少。熱解法的流程歸納如下：原料粉碎和干燥階段、預(yù)加熱和干燥階段、預(yù)熱解階段、固體分解階段、殘?zhí)糠纸怆A段、產(chǎn)物分離收集階段。氣化法是指可燃固體廢棄物為原料，以氧氣、水蒸氣、空氣等為氣化劑，在高溫不完全燃燒的條件下，使得相對分子質(zhì)量較高的碳?xì)浠衔镦溋呀獠⑴c氣化劑發(fā)生復(fù)雜的氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)(氣化反應(yīng))而生成相對分子質(zhì)量較小的一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w的過程。氣化法的流程如下：原料干燥和粉碎階段、預(yù)加熱和干燥階段、熱解階段、氧化還原反應(yīng)(氣化反應(yīng))階段、產(chǎn)物分離收集階段。對比熱解法和氣化法的處理工藝流程可知，熱解過程是氣化反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行的基礎(chǔ)條件。

基于可燃固體廢棄物熱解及氣化工藝流程相似的特點，可嘗試提出采用同一套裝置，通過調(diào)整反應(yīng)條件，分別完成熱解和氣化兩種實驗研究內(nèi)容的實驗裝置和方法。熱解及氣化技術(shù)中，固定床的熱解氣化技術(shù)研究較早。而且，固定床具有給料適應(yīng)性好，氣化效率高，處理量適中等特點。給熱解和氣化兩用實驗裝置的開發(fā)提供了理論支持與現(xiàn)實依據(jù)。但是，目前采用的固定床實驗爐普遍存在著實驗周期長、有效容積小以及實驗功能單一的缺陷?，F(xiàn)有的熱解或氣化反應(yīng)爐一般設(shè)置有龐大的固定保溫措施，而且僅依賴于爐體內(nèi)部向外導(dǎo)熱的方式冷卻，冷卻時間長，實驗周期較長。為實現(xiàn)爐體的快速冷卻，南京某公司研制的不銹鋼內(nèi)膽氣氛爐在爐體周圍設(shè)置了風(fēng)冷和水冷的冷卻系統(tǒng)，此類措施在實現(xiàn)快速冷卻的同時，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增加系統(tǒng)初投資。同時，固定床實驗爐多數(shù)采用了通過載物容器(瓷方舟)將原料送入熱解環(huán)境的進(jìn)料方式。由于載物容器和加熱爐體的結(jié)構(gòu)限制，要求送入原料的粒徑不能過大，并使得單次實驗的有效體積十分有限。并且，現(xiàn)有的固定床實驗爐通常僅能進(jìn)行熱解實驗或氣化實驗中的一種實驗，少數(shù)實驗臺可以實現(xiàn)熱解和無氣化劑的氣化實驗，但是一般并不支持加入氣化劑的氣化實驗。而對于適用于加入指定氣化劑的固定床實驗爐，由于其設(shè)有復(fù)雜的進(jìn)料系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等裝置，使其系統(tǒng)復(fù)雜而且反應(yīng)爐體溫度分布不均勻，導(dǎo)致其并不適合用于可燃固體廢棄物的熱解實驗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種熱解及氣化兩用的速冷式固定床實驗裝置與方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中實驗爐體功能單一，實驗裝置使用頻度低，投資高的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

一種熱解及氣化兩用的速冷式固定床實驗裝置，包括熱解氣化反應(yīng)爐，設(shè)置于熱解氣化反應(yīng)爐周圍的活動式加熱保溫爐，熱解氣化反應(yīng)爐依次與熱解氣冷凝器和高壓電捕焦油器相連通；所述活動式加熱保溫爐分為對稱的兩部分，通過底部滑輪在設(shè)有軌道的實驗臺進(jìn)行相向和反向的移動；所述熱解氣化反應(yīng)爐內(nèi)部設(shè)置有氣體分布器。

所述熱解氣化反應(yīng)爐包括爐體和爐蓋，所述爐蓋和爐體采用螺柱連接，連接處采用高溫密封圈進(jìn)行密封，氣體接入管直接連接到氣體分布器的下層空間，爐體內(nèi)還設(shè)置有緊急泄壓管路，并按照高低順序設(shè)置三組熱電偶探測管。

所述活動式加熱保溫爐爐體由加熱層和保溫層構(gòu)成，加熱層安裝有數(shù)量可調(diào)的加熱電阻絲，加熱層內(nèi)壁表面均勻設(shè)置有利于熱對流的孔洞，活動式加熱保溫爐兩部分相互接觸時能夠良好密閉，且兩部分加熱層的加熱速率和加熱溫度由同一套溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)控制。

所述熱解氣冷凝器、高壓電捕焦油器均設(shè)置有熱解液回收杯。

所述熱解氣化反應(yīng)爐與熱解氣冷凝器、高壓電捕焦油器出入口連通的管線均設(shè)有保溫措施。

所述氣體分布器材質(zhì)根據(jù)實驗溫度選擇耐高溫多孔介質(zhì)。

一種熱解及氣化兩用的速冷式固定床實驗方法，通過改變通入爐體的氣體種類和調(diào)控?zé)峤鉅t體溫度，實現(xiàn)熱解和氣化兩種實驗。

進(jìn)行熱解實驗時，通過氣體分布器向爐體通入氮氣；進(jìn)行氣化實驗時，通入水蒸氣、氧氣或空氣一般氣化劑氣體。

一種熱解及氣化兩用的速冷式固定床實驗方法，熱解實驗時，包括如下步驟：

(1)物料經(jīng)過烘干、稱重、催化劑混合均勻平鋪于氣體分布器之上；

(2)實驗前開啟制冷及循環(huán)系統(tǒng)，傳熱介質(zhì)溫度低于0℃后才可以開始實驗；

(3)熱解實驗開始前，通過氣體分布器向爐內(nèi)通入氮氣排空爐內(nèi)氧氣，實驗中調(diào)小氮氣流量保持爐內(nèi)無氧或缺氧環(huán)境；

(4)根據(jù)不同的熱解實驗溫度要求，可手動設(shè)置熱解升溫程序控制熱解終溫及升溫速率，溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)將以定時間間隔對所有溫度測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

(5)實驗過程中，保持通入氣體流量穩(wěn)定，觀察緊急泄壓管路壓力變化情況，實時記錄氣流量，爐溫升至一定溫度時開啟高壓電發(fā)生器，氣體取樣接口實時提取熱解氣樣本；

(6)實驗結(jié)束，首先關(guān)閉加熱器，同時，增大氮氣流量對爐內(nèi)殘余熱解氣持續(xù)吹掃；隨后，順次關(guān)閉高壓電發(fā)生器、制冷及循環(huán)系統(tǒng)；

氣化實驗時，包括如下步驟：

(1)物料經(jīng)過烘干、稱重、催化劑混合均勻平鋪于氣體分布器之上；

(2)實驗前開啟制冷及循環(huán)系統(tǒng)，傳熱介質(zhì)溫度低于0℃后才可以開始實驗；

(3)氣化實驗開始前，向爐內(nèi)通入氮氣排空爐內(nèi)空氣，此時氮氣可由緊急泄壓管路通入，實驗開始后關(guān)閉通如氮氣閥門并連接壓力表；

(4)根據(jù)氣化實驗要求，可手動設(shè)置熱解升溫程序，為保持可燃固體廢棄物氣化階段還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，爐溫監(jiān)測與控制系統(tǒng)宜保持爐溫在800℃以上。溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)將以定時間間隔對所有溫度測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

(5)實驗過程中，通過氣體分布器向爐內(nèi)通入一般氣化劑，如空氣、氧氣、水蒸氣、空氣/水蒸氣、氧氣/水蒸氣等,保持通入氣體流量穩(wěn)定。觀察緊急泄壓管路壓力變化情況，實時記錄氣流量，爐溫升至一定溫度時開啟高壓電發(fā)生器，氣體取樣接口實時提取氣化氣樣本；

(6)實驗結(jié)束，首先關(guān)閉加熱器，同時，停止向反應(yīng)爐內(nèi)通入氣化劑并由緊急泄壓管路通入氮氣，對爐內(nèi)殘余氣化氣持續(xù)吹掃；隨后，順次關(guān)閉高壓電發(fā)生器、制冷及循環(huán)系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的實驗裝置及實驗方法可設(shè)置通入爐體不同種類的氣體和控制爐體溫度，實現(xiàn)可燃固體廢棄物熱解和氣化兩種實驗?zāi)康?。設(shè)置的活動式加熱保溫爐滿足熱解氣化反應(yīng)爐體保溫要求的同時通過位置移動可以實現(xiàn)高溫爐體快速冷卻。本發(fā)明爐體有效容積較大，對于物料種類、顆粒直徑無特殊要求，擴(kuò)大了實驗研究范圍。實現(xiàn)了可燃固體廢棄物熱分解實驗裝置的多功能使用，減少了實驗物料的浪費、縮短實驗周期以及減少了實驗裝置的成本投資，而且，合理的產(chǎn)物收集設(shè)計有益于對實驗結(jié)果的進(jìn)行分析。

本發(fā)明實驗裝置廣泛適用于生活垃圾、醫(yī)療垃圾、電子垃圾、生物質(zhì)的熱解或氣化實驗研究。并且，該發(fā)明采用了快速冷卻的加熱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計，可明顯縮短高溫爐體的冷卻時間，縮短實驗周期，提高實驗裝置的利用率。在爐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，其充分利用了熱解流程與氣化流程的共同點，可以滿足可燃固體廢棄物中溫?zé)峤忸I(lǐng)域?qū)嶒炇疫M(jìn)行熱解或氣化不同類型實驗以及頻繁實驗的需求，通過增加其實驗頻度，降低實驗的投資成本。

附圖說明

圖1熱解及氣化兩用的速冷式固定床實驗裝置工藝流程圖；

圖2活動式加熱保溫爐軸側(cè)圖；

圖3活動式加熱保溫爐俯視圖；

圖4 A-A剖面圖；

圖5 B-B剖面圖；

圖6熱解氣化反應(yīng)爐；

圖7氣體分布器；

其中：

1 熱解氣化反應(yīng)爐 13 活動式加熱保溫爐加熱層

2 活動式加熱保溫爐 14 活動式加熱保溫爐保溫層

3 熱解氣冷凝器 15 溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)

4 高壓電捕焦油器 16 滑輪

5 熱解液回收杯 17 軌道

6 熱解氣化反應(yīng)爐爐蓋 18 支架

7 氣體分布器 19 電阻絲溫度監(jiān)測點

8 熱解氣化反應(yīng)爐爐體 20 氣體流量計量裝置

9 氣體接入管 21 氣體取樣接口

10 緊急泄壓管路 22* 制冷及循環(huán)系統(tǒng)

11 熱電偶探測管 23* 高壓電發(fā)生器

12 高溫密封圈

注:帶“*”為輔助設(shè)備，在圖中未畫出。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實驗裝置整合了可燃固體廢棄物熱解和氣化裝置的相同點，通過改變通入爐體的氣體種類與爐體溫度可分別實現(xiàn)可燃固體廢棄物熱解和氣化兩種實驗?zāi)康摹Ｔ搶嶒炑b置以固定床熱解及氣化反應(yīng)爐1和活動式加熱保溫爐2為核心，主要由熱解氣化反應(yīng)爐1活動式加熱保溫爐2、熱解氣冷凝器3以及高壓電捕焦油器4構(gòu)成。熱解氣化反應(yīng)爐1設(shè)有氣體接入口以及熱解氣出口，熱解氣冷凝器3、高壓電捕焦油器4均設(shè)置有熱解液回收杯5，其中，熱解氣冷凝器3設(shè)置于高壓電捕焦油器4之前，對應(yīng)高溫?zé)峤鈿馔ㄟ^的出入口之間的連接管線均設(shè)有保溫措施。

熱解氣化反應(yīng)爐1由三部分組成，分別為爐蓋6、氣體分布器7以及爐體8。爐體內(nèi)部設(shè)有供氣體分布器的安裝凸臺，氣體接入管9直接連接到氣體分布器的下層空間，使得經(jīng)由氣體分布器通入的氣體可以形成均勻向上的氣流。另外，爐內(nèi)設(shè)置了緊急泄壓管路10以確保實驗安全進(jìn)行，緊急泄壓管路在可燃固體廢棄物氣化實驗過程中可兼做氮氣通入管道。爐體內(nèi)部按照高低順序設(shè)置三組熱電偶探測管11，可以實時的監(jiān)測熱解氣化反應(yīng)爐1爐內(nèi)溫度梯度，以保證實驗持續(xù)進(jìn)行。熱解氣化反應(yīng)爐1爐蓋6和爐體8采用螺柱連接，連接處采用高溫密封圈12進(jìn)行密封?；顒邮郊訜岜貭t2為熱解氣化反應(yīng)爐1提供持續(xù)穩(wěn)定的熱量，其爐體由加熱層13和保溫層14構(gòu)成，加熱層13安裝有數(shù)量可調(diào)的加熱電阻絲，為提升實驗過程中的傳熱效果，加熱層13內(nèi)壁表面均勻設(shè)置有利于熱對流的孔洞?；顒邮郊訜岜貭t2兩部分相互接觸時能夠良好密閉，且兩部分加熱層13的加熱速率和加熱溫度由同一套溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)15控制可以形成較為均勻的溫度場。活動式加熱保溫爐體依賴于底部滑輪16可以在設(shè)有軌道17的實驗臺進(jìn)行相向和反向的移動，反向打開活動式加熱保溫爐體后，可以利用室內(nèi)冷空氣和高溫爐體之間對流換熱達(dá)到快速降溫目的，在設(shè)置有備用熱解氣化反應(yīng)爐的情況下可以直接更換支架18上的高溫爐體進(jìn)而增加實驗頻率。

熱解氣化反應(yīng)爐1置于支架18之上，活動式加熱保溫爐2相向移動形成密閉空間對反應(yīng)爐爐體進(jìn)行加熱和保溫，并采用卡扣鎖定加熱保溫爐爐體。實驗過程產(chǎn)生的熱解氣首先經(jīng)過熱解氣冷凝器3冷凝收集熱解液，再經(jīng)過高壓電捕焦油器4去除氣體中懸浮的固體顆粒和不可凝微小液珠。其中，熱解氣化反應(yīng)爐1氣體出口與熱解氣冷凝器3采用金屬活接進(jìn)行連接，熱解氣冷凝器3的氣體出口與高壓電捕焦油器4采用塑料活接進(jìn)行連接。冷凝液收集杯5與熱解氣冷凝器3和高壓電捕焦油器4均采用快裝連接，便于收集冷凝液時快速拆裝。

采用本發(fā)明實驗裝置進(jìn)行熱解實驗時，通過氣體分布器7可向爐體通入氮氣，可以保持爐體內(nèi)部處于無氧或缺氧狀態(tài)；此時氣體分布器兼做固定床熱解實驗爐的床層，相比于現(xiàn)有固定床實驗爐氣體集中進(jìn)入方式，采用氣體分布器引入氣體能夠保證爐內(nèi)氣氛更加均勻。而在進(jìn)行氣化實驗時，可通入如水蒸氣、氧氣、空氣等一般氣化劑氣體。氣體分布器7材質(zhì)可根據(jù)實驗溫度選擇合適的耐高溫多孔介質(zhì)。

本發(fā)明實驗裝置有以下特點：

本發(fā)明采用的活動式加熱保溫爐2對熱解氣化反應(yīng)爐體1在熱解或氣化反應(yīng)升溫或保持恒溫過程中起到加熱和保溫作用，實驗結(jié)束后可通過設(shè)置的滑輪16與軌道17移動，打開外爐體保溫，實現(xiàn)內(nèi)爐迅速冷卻。

本發(fā)明采用的熱解氣化兩用爐體的爐體結(jié)構(gòu)使得進(jìn)行氣化實驗時，可采取不同規(guī)格的物料進(jìn)行實驗，氣體分布器7此時功能與固定床氣化爐的爐排相同，其材質(zhì)可根據(jù)實驗溫度選擇合適的耐高溫多孔介質(zhì)。水蒸氣、氧氣、空氣等一般氣化劑通過氣體分布器7后均勻分布于爐內(nèi)反應(yīng)物料之間，使得氣化反應(yīng)處于均勻的氣化反應(yīng)氣氛之中。

可燃固體廢棄物熱解實驗如下：

(1)實驗物料進(jìn)行烘干、稱重等工作之后，將物料均勻平鋪于氣體分布器7之上；爐體整體稱重后放置于支架18上并將爐體密封；

(2)各氣體管路連接完成后，對連接處進(jìn)行保溫處理；按照圖1中所示方向移動活動式加熱保溫爐體2，關(guān)閉保溫爐體，觀察制冷及循環(huán)系統(tǒng)22*傳熱介質(zhì)溫度低于0℃才可以開始實驗；

(3)通過溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)15控制加熱電阻絲工作之前，通過氣體分布器7向爐內(nèi)通入氮氣排空爐內(nèi)空氣，實驗中調(diào)小氮氣流量保持爐內(nèi)無氧或缺氧環(huán)境；

(4)實驗過程中溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)15將以定時間間隔記錄所有溫度測點的溫度數(shù)據(jù)；

(5)實驗過程中，實時記錄氣體流量，爐溫升至一定溫度時開啟高壓發(fā)生器23*，由氣體取樣接口16實時提取氣體樣品；

(6)實驗結(jié)束，首先關(guān)閉爐體加熱器；同時，增大氮氣流量對爐內(nèi)殘余熱解氣持續(xù)吹掃；隨后，順次關(guān)閉高壓發(fā)生器23*、制冷及循環(huán)系統(tǒng)22*；

(7)氮氣吹掃完成之后，移動活動式加熱保溫爐2使?fàn)t體迅速降溫。

可燃固體廢棄物氣化實驗路線如下：

熱解氣化實驗過程大部分與熱解實驗過程相同，僅在溫度高低以及通入氣體種類方面存在差異，具體包括如下步驟：

(1)實驗物料進(jìn)行烘干、稱重等工作之后，將物料均勻平鋪于氣體分布器7之上；爐體整體稱重后放置于支架18上并將爐體密封；

(2)各氣體管路連接完成后，對連接處進(jìn)行保溫處理；按照圖1中所示方向移動活動式加熱保溫爐體2，關(guān)閉保溫爐體，觀察制冷及循環(huán)系統(tǒng)22*傳熱介質(zhì)溫度低于0℃才可以開始實驗；

(3)氣化實驗開始前，向爐內(nèi)通入氮氣排空爐內(nèi)空氣，此時氮氣可由緊急泄壓管路通入，實驗開始后關(guān)閉通如氮氣閥門并連接壓力表；

(4)實驗過程中溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)15將以定時間間隔記錄所有測溫?zé)犭娮铚囟葴y點的溫度數(shù)據(jù)；

(5)實驗過程中，通過氣體分布器7向爐內(nèi)通入一般氣化劑，如空氣、氧氣、水蒸氣、空氣/水蒸氣、氧氣/水蒸氣等,保持通入氣體流量穩(wěn)定。觀察緊急泄壓管路壓力變化情況，實時記錄氣流量，爐溫升至一定溫度時開啟高壓電發(fā)生器，氣體取樣接口實時提取氣化氣樣本；

(6)實驗結(jié)束，首先關(guān)閉加熱器，同時，停止向反應(yīng)爐內(nèi)通入氣化劑并由緊急泄壓管路通入氮氣，對爐內(nèi)殘余氣化氣持續(xù)吹掃；隨后，順次關(guān)閉高壓電發(fā)生器23*、制冷及循環(huán)系統(tǒng)22*；

(7)氮氣吹掃完成之后，移動活動式加熱保溫爐2使?fàn)t體迅速降溫。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。