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耦合中温 气化与高温化学链的 土壤重金属修复 植物 热处理装置

阅读：876发布：2020-05-13

专利汇可以提供耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，由中温气化反应器和高温化学链反应器耦合而成，高温化学链反应器包括化学链还原反应器、化学链空气反应器、一级惯性分离器、二级旋风分离器以及一级返料管和二级下降管；中温气化反应器与化学链还原反应器和生物质螺旋进料器连通；化学链还原反应器连接有化学链载氧体进料器，化学链还原反应器出口连接一级惯性分离器和二级旋风分离器，一级惯性分离器与一级下降管连通，一级下降管另一端与化学链空气反应器连通，二级旋风分离器与二级下降管连通，二级下降管与中温气化反应器连通。本发明实现能量的梯级利用及气化产物的重整提质，以及土壤重金属修复植物的资源化利用。，下面是耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：
所述装置由中温气化反应器(1)和高温化学链反应器(2)耦合而成，所述高温化学链反应器(2)包括化学链还原反应器(3)、化学链空气反应器(8)、一级惯性分离器(6)、二级旋风分离器(12)以及一级返料管(10)和二级下降管(13)；所述中温气化反应器(1)的顶端与化学链还原反应器(3)连通，中温气化反应器底部连接有生物质螺旋进料器(15)；化学链还原反应器(3)底部连接有化学链载氧体进料器(16)，化学链还原反应器(3)出口依次连接一级惯性分离器(6)和二级旋风分离器(12)，一级惯性分离器(6)与一级下降管(7)连通，一级下降管(7)另一端与化学链空气反应器(8)连通，化学链空气反应器与化学链还原反应器之间通过一级返料管(10)连通，一级返料管上设置一级返料隔离器(11)，二级旋风分离器与二级下降管(13)连通，二级下降管与中温气化反应器连通。
2.根据权利要求1所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：所述化学链还原反应器(3)为湍动流化床(4)和快速流化床(5)的组合结构。
3.根据权利要求2所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：所述一级下降管(7)—一级返料管(10)—一级返料隔离器(11)—湍动流化床(4)—快速流化床(5)—一级惯性分离器(6)—一级下降管(7)，构成一级载氧体返料循环。
4.根据权利要求2所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：所述中温气化反应器(1)-湍动流化床(4)-快速流化床(5)-一级惯性分离器(6)-二级旋风分离器(12)-二级下降管(13)-二级J型返料阀(14)，构成二级修复植物返料循环。
5.根据权利要求1所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：所述中温气化反应器(1)底部通入的气化剂(A)为水蒸气和少量氧气，修复植物成型物料与所述气化剂反应生成粗制可燃气CO、H2、CH4、CO2、C2H6。
6.根据权利要求2所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：从所述化学链还原反应器(3)底部的湍动流化床(4)进入的载氧体颗粒(h)与粗制可燃气接触，载氧体颗粒(h)通过释放晶格氧对粗制可燃气二次气化重整，同时对重金属固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物所含重金属的二次捕集。
7.根据权利要求1所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：粗载氧体首先被一级惯性分离器(6)分离，进入化学链空气反应器(8)再生，由一级返料管(10)和一级返料隔离器(11)送入化学链还原反应器(3)继续参加反应；而细残炭颗粒(i)在二级旋风分离器(12)中分离，并经过二级返料管(13)和二级返料J型阀(14)送入中温气化反应器(1)。
8.根据权利要求1所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：所述中温气化反应器(1)内的反应温度在600-700℃。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，其特征在于：化学链还原反应器(3)内的粗制可燃气与载氧体颗粒的还原反应温度在800-950℃。

说明书全文

耦合中温 气化与高温化学链的 土壤重金属修复 植物 热处理

装置

技术领域

[0001] 本发明涉及能源与环保领域中的修复植物热处理装置，尤其涉及一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置。

背景技术

[0002] 伴随着植物修复技术的大面积推广应用，修复植物的产后处置问题应运而生。如果没有开发出合适的产后处置装置，将会导致富集的重金属重新回到环境当中，由此不仅会造成人力物力与财力的浪费，更会对环境产生二次污染。

[0003] 修复植物的处置主要有压缩填埋、焚烧、堆肥、液相萃取以及热解。这些技术经过多年发展，技术路线较为成熟，但都存在着一些不容忽视的问题。压缩填埋处理方式简单且设备成本较低，但容易产生二次污染，而且会大量占用宝贵的土地资源；焚烧技术可以实现修复植物的减量化，但是焚烧装置昂贵而且容易产生二噁英和NOx等大气污染物；堆肥处置所需装置简单且成本较低，但是周期过长且有产生二次污染的风险；液相萃取处置虽然可以回收植物内的重金属达到回收再利用的目的，但难以大规模的用于工业生产当中且成本较高；热解法处理修复植物可以实现90％以上的减容率，得到可燃气或生物油，但对热解设备的要求较高，难以实现大规模运行。

[0004] 从本质上讲，修复植物属于生物质的一种，因此以修复植物作为燃料开展化学链气化处理具有技术可行性。然而，相比于传统生物质燃料化学链气化以资源利用最大化为主要目标，修复植物化学链气化除了实现资源的有效利用，更重要的是实现含重金属植物的无害化减容处理。以化学链工艺处理重金属修复植物鲜有报道，对化学链气化工艺本身带来了不同的要求和挑战：

[0005] (1)重金属的底渣富集温度与载氧体的反应温度不匹配。重金属向底渣富集的最佳温度不超过700℃，低于化学链还原反应器中载氧体与燃料气的反应温度在800-950℃的要求。由此可见，传统的化学链气化方式将不利于重金属向底渣的富集，进而影响到重金属的回收率。

[0006] (2)化学链气化气氛下重金属的迁移转化规律复杂。直接对修复植物化学链气化，其过程中既包含燃料与气化剂的一级气化反应，又包含气化产物与载氧体的二级气化反应，反应气氛更加丰富，反应过程更加多变，由此必然造成重金属迁移转化机理的进一步复杂，极易造成重金属随着烟气和飞灰逃逸至环境中。

发明内容

[0007] 发明目的：为了解决以上技术问题，本发明提出一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，该装置将中温气化耦合至高温化学链前端，由此通过两级气化实现能量的梯级利用及可燃气的重整提质；尤其通过中高温两段式气化，达到修复植物气化反应温度与重金属底渣富集温度间的协调匹配。

[0008] 技术方案：本发明耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物热处理装置，该装置由中温气化反应器和高温化学链反应器耦合而成，高温化学链反应器包括化学链还原反应器、化学链空气反应器、一级惯性分离器、二级旋风分离器以及一级返料管和二级下降管；中温气化反应器的顶端与化学链还原反应器连通，中温气化反应器底部连接有生物质螺旋进料器；化学链还原反应器底部连接有化学链载氧体进料器，化学链还原反应器出口依次连接一级惯性分离器和二级旋风分离器，一级惯性分离器与一级下降管连通，一级下降管另一端与化学链空气反应器连通，化学链空气反应器与化学链还原反应器之间通过一级返料管连通，一级返料管上设置一级返料隔离器，二级旋风分离器与二级下降管连通，二级下降管与中温气化反应器连通。

[0009] 化学链还原反应器为湍动流化床和快速流化床的组合结构。

[0010] 一级下降管—一级返料管—一级返料隔离器—湍动流化床—快速流化床—一级惯性分离器—一级下降管，构成一级载氧体返料循环。

[0011] 中温气化反应器——湍动流化床——快速流化床——一级惯性分离器——二级旋风分离器——二级下降管——二级J型返料阀，构成二级修复植物返料循环。

[0012] 中温气化反应器底部通入的气化剂为水蒸气和少量氧气，修复植物成型物料与所述气化剂反应生成粗制可燃气CO、H2、CH4、CO2、C2H6。

[0013] 从化学链还原反应器底部的湍动流化床进入的载氧体颗粒与粗制可燃气接触，载氧体颗粒通过释放晶格氧对粗制可燃气二次气化重整，同时对重金属固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物所含重金属的二次捕集。

[0014] 由一级惯性分离器和二级旋风分离器构成的分离系统根据颗粒密度与粒径的差异进行选择性分离，粗载氧体首先被一级惯性分离器分离，进入化学链空气反应器再生，由一级返料管和一级返料隔离器送入化学链还原反应器继续参加反应；而细残炭颗粒在二级旋风分离器中分离，并经过二级返料管和二级返料J型阀送入中温气化反应器。

[0015] 中温气化反应器内的反应温度在600-700℃。化学链还原反应器内的粗制可燃气与载氧体颗粒的还原反应温度在800-950℃。

[0016] 工作原理：本发明热处理装置由中温气化反应器和高温化学链反应器耦合而成；中温气化反应器为鼓泡流化床结构；高温化学链反应器包括化学链还原反应器、化学链空气反应器、两级分离系统、以及两级返料器，其中化学链空气反应器为移动床结构，两级分离系统为一级惯性分离器和二级旋风分离器的组合。中温气化反应器内控制为中温气氛，实现修复植物的一级气化获得粗制可燃气，确保大部分重金属向残渣迁移和固化；化学链还原反应器内为高温气氛，利用载氧体的晶格氧实现粗制可燃气的二次气化重整并且实现载氧体对重金属的固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物重金属的有效捕集；化学链空气反应器中实现失氧载氧体的氧化再生；分离器和返料器实现可燃气、载氧体颗粒、残炭颗粒之间的定向分离，以及载氧体与残炭颗粒的再循环。

[0017] 本发明将中温气化耦合至高温化学链前端，实现能量的梯级利用及气化产物的重整提质，获得高品质的合成气，实现土壤重金属修复植物的资源化利用，并且实现对热处理过程中修复植物重金属的双重处置，有效降低在热处理过程中重金属进入环境的风险，重点实现了无害化处置。

[0018] 同时通过两级反应实现能量的梯级利用及可燃气的重整提质，达到修复植物气化反应温度与重金属底渣富集温度间的协调匹配，实现“以炉渣富集为主”的重金属定向迁移；通过对载氧体的修饰改性实现载氧体对重金属的协同吸附，实现“以载氧体吸附为辅”的重金属吸附固化，由此获得较理想的能源利用率与重金属回收率，无害化以及资源化处置产后修复植物。

[0019] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

[0020] (1)本装置土壤重金属修复植物两段式热处理装置中，中温气化与高温化学链的耦合，实现了能量的梯级利用及气化产物的重整提质，获得高品质的合成气，实现土壤重金属修复植物的资源化利用。

[0021] (2)本装置将中温气化耦合与高温化学链耦合，实现重金属“以炉渣富集为主，以载氧体吸附为辅”的定向迁移转化，从而达到对修复植物重金属无害化减容的目的。

[0022] (3)在传统化学链工艺中，载氧体通常扮演氧载体和热载体的角色，在本发明中，通过科学的材料筛选结合先进改性技术，载氧体将被增设重金属高温吸附剂这一新角色，使其在保持反应性能的同时能够对修复植物重金属开展协同吸附，从而实现载氧体的多功能拓展。附图说明

[0023] 图1为本发明修复植物热处理装置。

具体实施方式

[0024] 如图1所示，本发明修复植物热处理装置具体连接方式为：中温气化反应器1的顶端与化学链还原反应器3连通，中温气化反应器靠近底部的侧壁上连接有生物质螺旋进料器15，化学链还原反应器3靠近底部的侧壁上连接有化学链载氧体进料器16；化学链还原反应器3出口依次连接一级惯性分离器6和二级旋风分离器12，一级惯性分离器6与一级下降管7连通，一级下降管7另一端与化学链空气反应器8连通，化学链空气反应器8与化学链还原反应器3之间通过一级返料管10连通，一级返料管上设置一级返料隔离器11，二级旋风分离器12与二级下降管13连通，二级下降管另一端通过二级返料J型阀14与中温气化反应器1连通。

[0025] 本发明修复植物热处理装置的具体设置步骤为：

[0026] (1)在中温气化反应器1底端布置布风板，气化剂A通过布风板吹进中温气化反应器1，其中的气化剂A为水蒸气和少量氧气。在中温气化反应器1底端的侧壁上，分别连接生物质螺旋进料器15和二级下降管13。二级下降管13用于残炭颗粒i返料，在中温气化反应器1中，修复植物成型物料g和大颗粒惰性床料f在气化剂A流化下成鼓泡流态化，在中温气化反应器1的底端形成密相区。中温气化反应器1的温度控制在600℃-700℃，修复植物成型物料g和气化剂A发生反应，生成粗制可燃气CO、H2、CH4、CO2以及C2H6等，大部分重金属向残渣迁移富集，少部分的重金属和残炭颗粒i在气体的携带下进入高温化学链反应器2。

[0027] (2)在化学链还原反应器3下部的湍动流化床4中，载氧体h从一级返料管10中进入或从化学链载氧体进料器16中补充，与粗制可燃气在800℃-950℃下接触，释放晶格氧实现对粗制可燃气的二次气化重整，同时实现对重金属的固化吸附，协同底渣富集完成修复植物重金属的二次捕集。

[0028] (3)化学链还原反应器3上端的快速流化床5出口处，反应后的失氧载氧体颗粒h和残炭颗粒i被烟气带出，进入一级惯性分离器6，由于载氧体粒径较大，大部分失氧载氧体颗粒h被分离至一级下降管7并进入化学链空气反应器8，部分小颗粒的失氧载氧体和细残炭颗粒继续被烟气携带穿过一级惯性分离器6进入二级旋风分离器12。

[0029] (4)在化学链空气反应器8内，一级惯性分离器6分离出的失氧载氧体h发生载氧反应，具体为：失氧载氧体h从化学链空气反应器8的顶部进入，空气B从空气反应器8的下部鼓入，两者接触发生氧化还原反应，失氧载氧体颗粒h被空气B氧化再生，而反应后的尾气D从化学链空气反应器8上端出口9排出。再生后的载氧体从化学链空气反应器8中溢流进入一级返料管10再通过一级返料隔离器11进入湍动流化床4中继续参与化学链反应。一级下降管7—一级返料管10—一级返料隔离器11—湍动流化床4—快速流化床5—一级惯性分离器6—一级下降管7，构成了一级载氧体返料循环。

[0030] (5)二级旋风分离器12内，烟气中的少量失氧载氧体颗粒h和残炭颗粒i被分离后依次进入二级下降管13和二级J型返料阀14，在水蒸气C的吹动下，返回至中温气化反应器1进行二次反应。燃料在中温气化反应器1-湍动流化床4-快速流化床5-一级惯性分离器6-二级旋风分离器12-二级下降管13-二级J型返料阀14之间的循环运动构成了二级修复植物返料循环。

[0031] (6)在二级旋风分离器12出口，获得以CH4，CO和H2为主要组分的合成气E，修复植物吸收的重金属一部分向底渣富集，另一部分被载氧体吸附固化，从而完成对修复植物的资源化、无害化处置。

[0032] 反应系统内包含不同颗粒尺寸的修复植物成型物料g、惰性床料f、残炭颗粒i以及失氧载氧体颗粒h；其中，修复植物成型物料g为条状物料，经生物质螺旋进料器15送入中温气化反应器1；惰性床料f为大尺寸的粗颗粒，仅在中温气化反应器1底部进行流化运动，形成密相区；惰性床料和修复植物成型物料在气化剂流化作用下呈鼓泡流态化，有利于修复植物的充分热解，获得粗制的可燃气，同时重金属向灰渣富集；残炭颗粒i为小尺寸的细颗粒，其广泛分布在中温气化反应器1中，同时部分被气流携带至高温化学链反应器2继续参与化学链气化反应，最后未反应完的部分继续经由一级惯性分离器6进入二级旋风分离器12，在其中被分离并返回至中温气化反应器1中继续反应；载氧体颗粒h为中等尺寸的小颗粒，进入湍动流化床4底部后只向上运动，而不落入中温气化反应器1中，不会与粗颗粒的惰性床料f相接触，并且能够被一级惯性分离器6有效分离至化学链空气反应器8内，之后经一级返料管10、一级返料隔离器11返回湍动流化床4底部继续参与化学链气化反应。

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