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吉建斌的网易博客

吉建斌

 
 
 

日志

 
 

采用多级热解装置处理废料并回收副产物  

2018-06-14 08:49:39|  分类: 工业和生活垃圾处 |  标签: |举报 |字号 订阅

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翻译:吉建斌

1、简介

多年来,NESA公司(the NESA Solution)已在采用热处理工艺、通过处理各类废弃物以生产有利用价值副产品的技术应用领域获得了丰富的经验。

本文对最近二十多年的实验室研究开发工作,以及某些开发成果在全世界工业化推广应用方面取得的进展进行了叙述,其中包括大量的试验数据和商业化应用技术数据。文中还对一些近期将实施的项目进行了介绍,例如从饮料利乐包装废弃物回收铝、以及“Stabilaat- fluff- RDF”处理工艺开发工作等。

2、NESA热解工艺的主要特点

热解技术可定义为:将固相和液相物质通过热能加工转化为气相化合物和由固定碳及矿物质组成的固相残余物的技术过程。

热解过程中发生的化学反应相当复杂,包括热分解反应、原子或分子重排反应以及聚合反应等。

总体来说,在固定碳燃烧反应之前发生的热解过程需经历几个不同的工艺步骤。

多段炉是特别适合热解工艺要求的设备型式。

不同工艺步骤的燃烧控制条件要求不同:热解气化反应产生的挥发物质在单设的后燃室的彻底氧化反应,要求加入充足的过量空气;固定碳的燃烧区段,要求供入更多的过量空气。

为符合这些要求,可通过以下措施对传统NESA焚烧炉进行改进:与竞争对手的典型焚烧炉相比,NESA采取两根装备了滑动式闸门机构的烟管选择性地从炉膛中抽取一定量的热烟气;采取多个进风口加入助燃空气,且助燃空气已经过安装于气体管组下游的空气-烟气换热器预热处理。

3、多段式热解工艺的一般性描述

由NESA开发的、以热解为目的的燃烧工艺可符合以下要求:

(1)在同等热处理标准下,为达到最好的固相和气相分离效果,应设法使逸出的废气中粉尘浓度尽可能降低。这样做的优点是:使安装于废气管路上的回收锅炉或热交换器保持良好的运行条件;当采取湿法除尘工艺时,出于经济性考量一般均要循环使用洗涤水,若上述废气的含尘量很低,洗涤水的含尘量就不会很多,不需要因担心水质问题而设置净化水系统从而增加额外的工作量;可获得更佳的除尘效果。

(2)尽可能减少热加工过程所需的过量空气加入量,以改善装置系统的热平衡。

(3)不论原料特性如何变化,也不论原料的给入速率、热值或粒度分布如何改变,热解装置系统都能够通过简单调节从而维持稳态运行。

(4)可用来处理含有低熔点灰分的物料。

(5)可控制高热值物料的加工处理温度。

这一热解工艺的成功开发依赖于多段式热解反应器的性能。在这种反应器中,被处理物料从顶部向下逐层移动,与此同时,产生的气体则由底部向上与物料呈逆流方向流动。

在多段热解炉上部的几段炉床中,来源于底层炉床的热气体对物料进行干燥处理,这一区段的气体温度及显热均发生下降,这有助于物料后继处理过程的进行。

若在游离水蒸发温度区物料中的有机物发生部分挥发(常见于工业源污泥的热解处理过程),此时离开热解炉的气体含未燃物质,需采用后燃室设备来使未燃烧的挥发物完全氧化。

为达到有机物完全氧化的效果,传统焚烧炉需采取很高的空气过量系数(大约需过量75%),而我们的热解工艺炉仅需要很低的总体空气过剩量,就可实现同样的物料处理效果和排放控制目标。

过量空气的减少从而减少了排气总量,可有效降低由废气显热而导致的热能损失。

在热解处理工艺过程中,物料先经干燥,之后于贫氧气氛中被加热,有机物部分挥发产出可燃气体。过程所需的热能可由挥发物的完全或部分燃烧供给,或采取外供燃料方式(如果有可资利用的燃料的话)。

可挥发物的热解反应之后,物料仅含矿物质及固定碳成分。固定碳的燃烧发生于近底部的几段炉床,需加入较多的过量空气。

固定碳燃烧产生的气体,一部分向上流动进入炉子上部炉床区段并最终从炉顶引入后燃烧室;另一部分则直接从炉中排出并进入后燃烧室。

炉气通过为符合排放控制法规要求而特别设计的后燃烧室切向入口,与助燃空气非常精确地混合。

当炉气中可燃物含量很少时,通过安装在后燃室顶部的燃烧机供热以使温度维持在设定范围。

由于加入的过量空气较少,故可低成本地获得较高的废气温度,这有利于后继锅炉系统或换热器系统回收热能;加之前述的废气低粉尘浓度特点,这两方面优点均可简化整个系统的结构设计。

总而言之,从环保、灵活性和适应性、操作繁简程度以及能耗角度来看,这一热解工艺均可达到最佳的性能,同时还可简便地、低成本地回收热能。

图1给出的是多段式热解反应炉的剖面示意图;图2是多段式热解工艺的流程示意图。

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图1:多段热解反应炉剖面示意图

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图2:多段炉热解工艺流程示意图

4、热解工艺的优势

与传统的焚烧技术相比,热解工艺具有许多方面的优势:

燃烧性能:固相和气相物质的燃烧条件与理想燃烧状态非常接近;

低的粉尘挟带率:烟气量及粉尘挟带率显著减少;

热效率:明显提高;

炉子的运行控制:更加灵活、适应性更好,运行相当稳定;

原料热值:由于炉温可简便地得以调整,故高热值原料的加入不会导致设备故障;

灰熔渣:低熔点灰分物质不会发生烧结成块现象;

低NOx排放:采取延缓反应动力学速度的措施得以实现;

运行成本低:装置非常坚固,电耗低。

5、物料的物理和化学组成分析

    无论哪种物料,在进行热解试验之前均应对其进行基本的物理和化学性能检测分析。表1列出了热解试验要求检测的基本数据项目。

表1

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6、工业应用实例

6.1 位于德国BRGLISH GLADBACH的ZANDERS纸浆工厂

该工厂建有两套热解装置,分别是:建于1980年的、处理能力为4000公斤/小时纸浆污泥(干基固相物含量为34%)的热解装置;建于1990年的、处理能力为5476公斤/小时纸浆污泥(干基固相物含量为45%)的热解装置。

每套热解装置均包括:一台热解炉、一台后燃烧室、一套废热锅炉(WHB)、一套文丘里洗涤器中和处理装置、一台引风机、一根烟囱。每套装置的排气均达到了严格的德国Bimsch 17排放标准要求。

3是该工厂建于1990年的热解装置外观照片。

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图3

6.2 位于瑞士MONTHEY的CIBA GEIGY(汽巴-嘉基)工厂

热解原料为生活及工业混合生物固态污泥,该热解装置包括一台多段式热解反应器、一台后燃烧室、一套空气-烟气换热器和一台废热锅炉。

该装置有两种运行模式可选:一是将离心压滤机排出的原料直接加入热解装置,一是先烘干后再加入热解装置。两种模式的工况温度控制制度见图4

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4:炉温分布情况

6.3 位于法国ROCHEFORT的ORIGNY工厂机加工废料的热解装置

这是一个特殊工艺系统,采用热解装置将机加工废料分离为燃料和原材料两种产品。金属在机床或车床加工过程中产生的浸油金属屑及金属细粉很难处理,原因是机加工废料很薄,金属的氧化易引起自燃,且油品中的烃类化合物易燃。该热解过程形成的灰质是纯粹的金属氧化物,可采用熔炼炉进行回收利用。

这个热解炉与一台传统水泥窑联合使用,可实现精馏污泥销毁的同时制造出可用作熔炼炉生产原料的金属(铁)的氧化物。工艺流程示意图如下。

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图5

6.4 利乐包装(Tetrapak)残余物的热解处理

某些造纸厂采用废纸和废弃的利乐包装物作为造纸原料,而利乐包装物是由纸板和直接与液体饮料接触的耐液层(LBP)复合而成。

回收了纸浆纤维的利乐包装残余物仍含有一定量的纤维素,低温热解技术用来对这种残余物进行彻底处理。

在热解工艺中,废料中的有机质(主要是聚乙烯和纤维质)不发生燃烧,仅分解为低分子量的分子并产出气相混合物(含CH4、CxHy、CO、H2等),这种混合气在后燃烧室燃烧并排出高温烟气,使用废热锅炉回收烟气的热能。废料中未氧化的铝和固定碳则存在于热解炉的出渣口排灰槽中,可进而回收再用。图6是工业装置系统的工艺流程框图。

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图6

7、对生活垃圾的中试“绒茸化”处理

    有几个欧洲企业通过空气分解、比重法分离、分级处理等工艺路线将生活垃圾处理为受欢迎的产品,该产品被称为“stabilaat”或fluff(绒茸松),或简称为RDF。表2列出了这种RDF产品的特性参数。

表2

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在NESA中试基地的多段式反应装置中,仅用了几天时间就成功地完成了这种RDF产品的间歇和连续规模的试制试验。下列照片是处理前后的生活垃圾对比。

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图7:处理前原料处理后获得的绒状产物之对比

8、总结

由NESA开发并获得商业化应用的热解工艺(有时被称为“the Starved Air Combustion process”即“缺氧性燃烧工艺”)已有超过20年的应用历史了。该工艺不论是从装置运行方面还是从能效和环境影响方面进行考量,均具有一系列优势。

烟气低含尘量优点可使后继的除尘装置更加健康、可靠地运行,同时使助燃空气-高温烟气换热器的维护维修频率大幅减少。此外,上述工艺装置和/或与相关装置联合使用时,可完全满足最严格的排放法规要求,而勿需选用昂贵、敏感的烟气净化装置系统。

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