一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置及方法

1.本发明涉及气化工程技术领域，尤其涉及一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置及方法。

背景技术：

2.能源是人类社会发展进步的物质基础和重要保障。然而，煤、石油等化石能源的广泛使用造成了污染物和温室气体的大量排放。因此，需要大力开发利用可再生能源逐步替代传统化石能源，推动能源清洁、低碳、绿转型。
3.含氯塑料、生物质等含碳废弃物的高温气化可以生产合成气，用于制备清洁燃料和精细化学品，从而可以逐步替代化石能源的使用。然而，含氯塑料中含有大量的氯元素，利用传统气化技术对含氯塑料进行气化，其中的氯元素最终转变为氯化氢，造成装置和管路的腐蚀。生物质通常具有较高含量的碱和碱土金属，而高碱含碳基质气化过程中，碱和碱土金属会加速气化炉的蚀损，影响气化装置的长周期稳定运行。现有技术公开了一种利用熔盐气化炉处理废弃印刷电路板与气化剂的方法及装置，破碎后的废弃印刷电路板颗粒与气化剂在900～1000℃熔盐中混合、加热和气化，气态产物经冷却和净化后获得清洁合成气，废弃印刷电路板中的卤素与熔盐反应生成稳定无害的无机盐溶于水后通过闪蒸器回收，沉积于反应器底部的金属排出后通过淬冷与熔盐分离而回收，但是该技术对碱性熔盐消耗较大，需要额外消耗热量加热熔盐，并且物料与熔盐接触不充分，反应效率有限。
4.目前商业运行的气化炉大多为自热式，在气化炉实际操作过程中，通常需要引入空气与部分物料燃烧放热为气化反应供热，这不仅降低了气化效率，还会增加碳排放。

技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置及方法，充分利用太阳能作为热源并同步实现废塑料和高碱含碳基质的高效清洁转化，通过新型布料系统增加炉内物料的传质，强化炉内反应的发生，有利于降碳减排，兼具经济与环保效益。
6.本发明的第一方面提供了一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置，包括太阳能熔盐加热装置、太阳能气化剂加热装置和熔盐气化炉；熔盐气化炉包括中空的炉体、物料预处理装置和垂直设置在炉体内部的旋转布料器；旋转布料器包括垂直于炉体的中轴和分布在中轴侧方的若干个单向喷头，单向喷头可随中轴旋转；物料预处理装置与旋转布料器的上部联通，物料预处理装置进行预处理后的含氯塑料与高碱含碳基质混合物、和太阳能气化剂加热装置加热后的气化剂一同进入中轴内再通过单向喷头喷出；太阳能熔盐加热装置与炉体底部连接，加热后的熔盐输送至炉体内部。
7.优选地，旋转布料器的中轴侧方设置有若干个向水平方向延伸的侧管道，单向喷头分布在侧管道下方。
8.优选地，多个侧管道围绕中轴排布并设置在同一水平面，构成侧管道组；垂直方向上排布有若干个侧管道组。
9.优选地，侧管道为折线形，折线的拐点至少有一个位于顶部。
10.优选地，太阳能熔盐加热装置包括第一太阳能收集装置和熔盐加热装置，利用太阳能将熔盐加热至熔盐指定温度，加热后的熔盐输送至熔盐气化炉底部；
11.优选地，太阳能气化剂加热装置包括第二太阳能收集装置和气化剂加热装置，利用太阳能将气化剂加热至气化剂指定温度，加热后的气化剂通入熔盐气化炉。
12.优选地，熔盐指定温度为700～950℃，气化剂指定温度为300～500℃。
13.优选地，第一太阳能收集装置为塔式太阳能收集装置。
14.优选地，第二太阳能收集装置为槽式太阳能收集装置。
15.优选地，所述物料预处理装置包括物料粉碎混合器和预混合通道，物料粉碎混合器用于将含氯塑料与高碱含碳基质混合并粉碎至指定破碎度，预混合通道的进口端分别与物料粉碎混合器、太阳能气化剂加热装置连接、出口端与旋转布料器的上部联通。
16.优选地，太阳能熔盐加热装置与炉体底部连接的开口上方设置有向下延伸的熔盐进口挡板。
17.优选地，本装置还包括合成气净化装置；合成气净化装置与熔盐气化炉的上部连接，收集炉体内产生的合成气并净化。
18.优选地，本装置还包括灰渣分离装置；灰渣分离装置与熔盐气化炉的中上部连接，将反应后的熔盐灰渣混合物分离为熔盐和气化灰渣，分离后的熔盐回输至太阳能熔盐加热装置。
19.优选地，合成气净化装置包括旋风除尘器和气体冷却器。
20.优选地，合成气净化装置与熔盐气化炉连接的开口下方设置有向上延伸的合成气出口挡板。
21.优选地，灰渣分离装置与熔盐气化炉连接的开口下方设置有向上延伸的熔盐出口挡板。
22.本发明的第二方面提供了一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化方法，所述方法利用上述技术方案所述装置完成；所述方法包括以下步骤：
23.s1，利用太阳能将熔盐加热至熔盐指定温度并输送至熔盐气化炉内部；利用太阳能将气化剂加热至气化剂指定温度；将含氯塑料与高碱含碳基质混合粉碎，得到预处理的物料；以上处理无先后顺序；
24.s2，将加热的气化剂与预处理的物料混合得到气料混合物，将气料混合物输送至旋转布料器的中轴上部，气料混合物进入中轴并通过旋转的单向喷头喷出，与底部加热的熔盐反应生成合成气和灰渣；
25.s3，从熔盐气化炉的上部收集合成气；从熔盐气化炉中上部收集反应后的熔盐灰渣混合物，回收熔盐并排出灰渣；
26.步骤s1～s3可循环进行。
27.优选地，所述的高碱含碳基质中的碱金属和/或碱土金属含量高于0.5％，且碳原子含量高于30％。
28.优选地，高碱含碳基质选自生物质和/或高碱低阶煤；
29.优选地，气化剂选自水蒸气和/或二氧化碳；
30.优选地，熔盐选自二元碱金属熔盐、三元碱金属盐熔盐和碱土金属盐熔盐中的一种或多种。
31.优选地，含氯塑料与高碱含碳基质熔盐的质量比为1:1～1:20；
32.优选地，预处理的物料粒径为0.1～5mm；
33.优选地，气化剂与预处理的物料混合质量比为0.2～1.0:1；
34.优选地，旋转布料器的旋转速率为5～20r/min；
35.优选地，单向喷头的喷淋速率为0.2～10kg/min。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果：
37.太阳能是一种清洁无污染的理想能源，本发明成功实现了以太阳能作为熔盐共气化的热源，通过旋转布料的方式进一步增强熔盐共气化的气化效率，使含氯废塑料与难处理的高碱含碳基质在气化剂的携带下通过高热的熔盐快速生成合成气和灰渣，含氯废塑料中的氯与高碱含碳基质中的碱和碱金属反应生成无害的金属盐转移至熔盐中，实现了太阳能利用与有机固废无害化处置的耦合，并有效控制高氯、高碱含碳物料资源化利用过程中的二次污染，有利于实现我国能源结构的优化以及生态环境的可持续发展。
附图说明
38.图1为本发明所述太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置的结构示意图；
39.图2为旋转布料器的俯视图；
40.图3为单向喷头的结构示意图；
41.其中，1为塔式太阳能熔盐加热装置，2为熔盐进口，3为熔盐气化炉，4为槽式太阳能气化剂加热装置，5为物料预处理装置，6为进料口，7为旋转布料器，8为单向喷头，9为合成气出口，10为合成气净化器，11为合成气冷却器，12为灰渣出口，13为灰渣分离器，14为电机，15为熔盐进口挡板，16为合成气出口挡板，17为熔盐出口挡板，7-10为中轴，7-20为侧管道，7-21为侧管道拐点，8-10为单向出口，8-20为方向控制板。
具体实施方式
42.下面将结合附图，对本发明的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式；并且附图中所示的结构仅仅是示意性的，并不代表实物。需要说明的是，基于本发明中的这些实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”“宽度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“垂直”“水平”“顶”“底”“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，因此不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明中，“高碱含碳基质”指的是碱金属和/或碱土金属含量高于0.5％，且碳原子含量高于30％；其中，所述的碱金属包括但不限于k、na等离子，碱土金属包括但不限于ca、mg。在本发明的一些具体实施方式中，高碱含碳基质具体的可以是生物质和/或高碱煤，
高碱煤可以是准东地区的高碱煤。
45.在本发明中，含氯塑料包括但不限于聚氯乙烯塑料、聚氯丁二烯塑料和氯化聚氯乙烯塑料中的一种或多种。在本发明的一些具体实施方式中，含氯塑料多表现为含氯的废塑料。
46.在本发明中，“合成气”指的是一氧化碳和氢气为主要组分的混合物。
47.如图1-3所示，本发明提供了一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置，包括塔式太阳能收集装置1、槽式太阳能气化剂加热装置4、熔盐气化炉3、合成气净化装置和灰渣分离装置13，塔式太阳能收集装置1用于加热熔盐，太阳能气化剂加热装置4用于加热气化剂，熔盐气化炉3内发生共气化反应，合成气净化装置用于净化和冷却生成的合成气，灰渣分离装置13用于将反应后的灰渣分离出熔盐实现熔盐的循环利用。
48.如图1所示，本发明所述熔盐气化炉3包括中空的炉体、物料预处理装置5、垂直设置在炉体内部的旋转布料器7和用于控制旋转布料器7旋转的电机14。旋转布料器7包括垂直于炉体的中轴，和分布在中轴侧方的若干个单向喷头8，单向喷头8可随中轴旋转；所述的中轴中空且底部封闭，中轴顶部与电机14垂直连接，中轴的顶部侧方设置有进料通道，进料通道自炉体上部向外延伸，其远端为进料口6，气化剂与预处理的物料混合后得到的气物混合物从进料口6进入中轴内。如图1、2所示，在本发明的一些具体实施方式中，中轴7-10侧方在同一水平方向上十字形设置有水平方向延伸的侧管道7-20组成侧管道组，中轴垂直方向上设置有若干个侧管道组；每个侧管道7-20为两段折线形，折线形侧管道的拐点7-21位于侧管道的顶部，若干个单向喷头8设置在侧管道底部。图3示出了本发明所述单向喷头8的一种结构，侧管道7-20下方设置有单向开口8-10，单向开口8-10的侧上方设置有方向控制板8-20，通过单向开口和方向控制板的配合使喷出的气物混合物向指定方向喷出。本发明通过旋转布料器进行布料能够极大的提高炉内物料颗粒之间以及物料颗粒与熔盐之间的传质，强化气化反应的发生，促进氯元素与碱和碱金属的结合。
49.在本发明中，所述的物料预处理装置可以设置在炉体外部，物料预处理装置包括物料粉碎混合器5和预混合通道，物料粉碎混合器5用于将含氯塑料与高碱含碳基质混合并粉碎至指定破碎度，预混合通道的进口端分别与物料粉碎混合器5、太阳能气化剂加热装置4连接、出口端与位于旋转布料器上部的进料通道进料口6连接。
50.如图1所示，本发明所述塔式太阳能熔盐加热装置1包括塔式太阳能收集装置和熔盐加热装置，利用太阳能将熔盐加热至熔盐指定温度，加热后的熔盐输送至熔盐气化炉内部。在本发明的一些具体实施方式中，熔盐指定温度为700～950℃。塔式太阳能熔盐加热装置1通过设置在炉体底部的熔盐进口2将加热后的熔盐输入炉体内部；在一些优选实施方式中，熔盐进口与炉体内壁的交界处上方设置有向下延伸的熔盐进口挡板15，防止反应物料进入塔式太阳能熔盐加热装置1。
51.如图1所示，本发明所述槽式太阳能熔盐加热装置4包括槽式太阳能收集装置和气化剂加热装置，利用太阳能将气化剂加热至气化剂指定温度，加热后的气化剂通入熔盐气化炉。在本发明的一些具体实施方式中，气化剂指定温度为300～500℃。
52.如图1所述，本发明所述的合成气净化装置包括旋风除尘器10和气体冷却器11，旋风除尘器10将炉体内收集的合成气进行除尘净化，净化后的合成气进入合成气冷却器11中经冷热交换得到洁净的合成气。合成气净化装置与炉体的上部连接，连接处为合成气出口
9；在一些优选的实施方式中，合成气出口9与炉体内壁连接处的下端设置有向内向上延伸的合成气出口挡板16，防止飞溅的熔盐或物料进入合成气净化装置。
53.如图1所示，本发明所述的灰渣分离装置与熔盐气化炉的中上部连接，将反应后的灰渣分离(例如过滤)为熔盐和气化灰渣，分离后的熔盐回输至太阳能熔盐加热装置。在本发明的一些优选实施方案中，灰渣分离装置与炉体内壁连接处的下端设置有向内向上衍生的熔盐出口挡板17，防止未反应的物料进入灰渣分离装置中。
54.本发明还提供了一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化方法，所述方法利用上述技术方案所述装置完成；所述方法包括以下步骤：
55.(1)预处理：
56.经塔式太阳能加热装置1将熔盐加热至700～950℃，加热后的熔盐由熔盐进口2输送至熔盐气化炉3中用于物料气化反应的热量供给，所使用的熔盐可以是本领域常规的二元或三元熔盐。
57.气化剂经槽式太阳能加热系统4预热至300～500℃，气化剂包括但不限于为水蒸气、二氧化碳或水蒸气与二氧化碳的混合物。
58.利用物料粉碎混合器5将废塑料与高碱含碳基质粉碎并混合均匀，得到预处理的物料。
59.以上步骤无先后顺序。
60.(2)预处理的物料在预热后的气化剂的携带下输送至旋转布料器7中，并通过旋转布料器上分布的单向喷头8喷射进入热的熔盐中，熔盐进口挡板15可防止喷射进入熔盐的反应物颗粒进入熔盐进口2，熔盐出口挡板17可防止反应物颗粒进入熔盐出口12。
61.(3)喷射进入热的熔盐中的物料经熔盐加热后与气化剂发生气化反应生成合成气，以鼓泡的形式释放至熔盐气化炉顶部。
62.(4)后处理：
63.反应生成的合成气通过合成气出口9进入合成气净化器10除尘净化，再进入合成气冷却器10换热冷却后得到洁净合成气，合成气出口挡板16可防止飞溅的熔盐进入合成气出口9，旋转布料器7在电机14带动下旋转，使炉内物料、气化剂以及高温熔盐充分发生传热传质。
64.熔盐气化过程中，废塑料中的氯与高碱含碳基质中的碱和碱土金属结合生成稳定无害的金属盐转移至熔盐中，形成包含熔盐的灰渣。灰渣在熔盐携带下通过熔盐出口12离开熔盐气化炉3进入气化灰渣分离器13过滤排除，降温后的熔盐循环进入塔式太阳能加热系统1再次加热。
65.以上步骤可以循环进行。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，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本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置，其特征在于，包括太阳能熔盐加热装置、太阳能气化剂加热装置和熔盐气化炉；熔盐气化炉包括中空的炉体、物料预处理装置和垂直设置在炉体内部的旋转布料器；旋转布料器包括垂直于炉体的中轴和分布在中轴侧方的若干个单向喷头，单向喷头可随中轴旋转；物料预处理装置与旋转布料器的上部联通，物料预处理装置进行预处理后的含氯塑料与高碱含碳基质混合物、和太阳能气化剂加热装置加热后的气化剂一同进入中轴内再通过单向喷头喷出；太阳能熔盐加热装置与炉体底部连接，加热后的熔盐输送至炉体内部。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转布料器的中轴侧方设置有若干个向水平方向延伸的侧管道，单向喷头分布在侧管道下方。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，多个侧管道围绕中轴排布并设置在同一水平面，构成侧管道组；垂直方向上排布有若干个侧管道组。4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，侧管道为折线形，折线的拐点至少有一个位于顶部。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，太阳能熔盐加热装置包括第一太阳能收集装置和熔盐加热装置，利用太阳能将熔盐加热至熔盐指定温度，加热后的熔盐输送至熔盐气化炉内部；太阳能气化剂加热装置包括第二太阳能收集装置和气化剂加热装置，利用太阳能将气化剂加热至气化剂指定温度，加热后的气化剂通入熔盐气化炉。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，熔盐指定温度为700～950℃，气化剂指定温度为300～500℃。7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，第一太阳能收集装置为塔式太阳能收集装置，第二太阳能收集装置为槽式太阳能收集装置。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物料预处理装置包括物料粉碎混合器和预混合通道，物料粉碎混合器用于将含氯塑料与高碱含碳基质混合并粉碎至指定破碎度，预混合通道的进口端分别与物料粉碎混合器、太阳能气化剂加热装置连接、出口端与旋转布料器的上部联通。9.根据权利要求1、5或6所述的装置，其特征在于，太阳能熔盐加热装置与炉体底部连接的开口上方设置有向下延伸的熔盐进口挡板。10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，装置还包括合成气净化装置和/或灰渣分离装置；合成气净化装置与熔盐气化炉的上部连接，收集炉体内产生的合成气并净化；灰渣分离装置与熔盐气化炉的中上部连接，将排出气化炉的熔盐灰渣混合物分离为熔盐和气化灰渣，分离后的熔盐回输至太阳能熔盐加热装置。11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，合成气净化装置包括旋风除尘器和气体冷却器。12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，合成气净化装置与熔盐气化炉连接的开口下方设置有向上延伸的合成气出口挡板；和/或，灰渣分离装置与熔盐气化炉连接的开口下方设置有向上延伸的熔盐出口挡板。
13.一种太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1-12任意一项所述装置完成；所述方法包括以下步骤：s1，利用太阳能将熔盐加热至熔盐指定温度并输送至熔盐气化炉内部；利用太阳能将气化剂加热至气化剂指定温度；将含氯塑料与高碱含碳基质混合粉碎，得到预处理的物料；以上处理无先后顺序；s2，将加热的气化剂与预处理的物料混合得到气料混合物，将气料混合物输送至旋转布料器的中轴上部，气料混合物进入中轴并通过旋转的单向喷头喷出，经炉内热熔盐加热后发生气化反应生成合成气和灰渣；s3，从熔盐气化炉的上部收集合成气；从熔盐气化炉中上部收集反应后的熔盐灰渣混合物，回收熔盐并排出灰渣；步骤s1～s3可循环进行。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的高碱含碳基质中的碱金属和/或碱土金属含量高于0.5％，且碳原子含量高于30％。15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，高碱含碳基质选自生物质和/或高碱低阶煤；和/或，气化剂选自水蒸气和/或二氧化碳；和/或，熔盐选自二元碱金属熔盐、三元碱金属盐熔盐和碱土金属盐熔盐中的一种或多种。16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤s1、s2还包括下述条件中的一种或多种：(a)含氯塑料与高碱含碳基质熔盐的质量比为1:1～1:20；(b)预处理的物料粒径为0.1～5mm；(c)气化剂与预处理的物料混合质量比比例为0.2～1.0:1；(d)旋转布料器的旋转速率为5～20r/min；(e)单向喷头的喷淋速率为0.2～10kg/min。

技术总结

本发明提供了太阳能供热的含氯塑料与高碱含碳基质熔盐共气化装置及方法，装置包括太阳能熔盐加热装置、太阳能气化剂加热装置和熔盐气化炉，熔盐气化炉包括中空的炉体、物料预处理装置和旋转布料器；旋转布料器包括垂直的中轴和分布在中轴侧方的若干个单向喷头，单向喷头可随中轴旋转；经物料预处理装置预处理的含氯塑料与高碱含碳基质混合物、和太阳能气化剂加热装置加热的气化剂一同进入中轴再被单向喷头喷出；太阳能熔盐加热装置加热后的熔盐输送至炉体内部用于炉内物料气化反应的供热，该过程中氯元素与碱和碱土金属结合为无害金属盐转移至熔盐中。所述装置可充分利用太阳能作为热源并同步实现废塑料和高碱含碳基质的高效清洁转化。高效清洁转化。高效清洁转化。