一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法與裝置，裝置包括氣化爐、裂解爐和催化重整爐，利用所述裝置先將高濕污泥與生物質(zhì)共混制成顆粒進(jìn)行氣化，然后氣化生成的焦油氣和水蒸氣在高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，將大部分重質(zhì)焦油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)焦油，裂解未完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化重整爐進(jìn)一步分催化重整。本發(fā)明是將城市污泥與城市有機(jī)生活垃圾、農(nóng)林廢棄物、塑料共混氣化制氫，由于利用低成本、可再生的生物質(zhì)或其氣化燃?xì)庾鳛槲勰鄽饣敖褂蜌饬呀夂痛呋卣锜嵩?，能夠充分發(fā)揮生物質(zhì)能和污泥資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，污泥中的水分在氣化過(guò)程中受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸汽作為氣化和催化重整所需要的氣化劑和氫源，實(shí)現(xiàn)污泥中的有機(jī)物成分的回收、利用，并轉(zhuǎn)化為高品位、高價(jià)值的氫能。
【專利說(shuō)明】一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣化制氫的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方
法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)內(nèi)外污泥的處置和資源化存在以下問(wèn)題:(1)填埋存在安全隱患，影響垃圾填埋場(chǎng)的運(yùn)行；(2)污泥制肥存在食品安全風(fēng)險(xiǎn)，推廣困難；(3)污泥含水量太高，常規(guī)的直接燃燒利用，能源得不償失。可以看出，目前國(guó)內(nèi)外的生物污泥處理裝備，是以消納污泥為主要目的，沒有產(chǎn)生實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益和形成有價(jià)值的商品。
[0003]隨著世界范圍內(nèi)化石能源的逐漸枯竭和城市污水污泥中有機(jī)物含量和熱值的日漸增高，利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法回收污泥中的生物質(zhì)能成為未來(lái)研究的焦點(diǎn)。其中的污泥氣化制氫技術(shù)不僅可以將污泥中的有機(jī)物進(jìn)行回收、利用并轉(zhuǎn)化為清潔、高品質(zhì)的氫能，同時(shí)避免了傳統(tǒng)污泥處理與處置中所產(chǎn)生的二次污染問(wèn)題，符合國(guó)家的節(jié)能減排以及相關(guān)的環(huán)境政策，有助于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，有利于社會(huì)、環(huán)境和資源的和諧發(fā)展。
[0004]目前已開發(fā)的污泥裂解、氣化設(shè)備主要有外熱臥式反應(yīng)器和流化床工藝。然而由于污泥含水量非常高，即使是從污水處理廠脫水后的濕污泥含水率也高達(dá)80%，因此這兩種污泥處理工藝在運(yùn)行過(guò)程中仍存在諸多弊端。直接采用濕污泥作為原料，在反應(yīng)過(guò)程中污泥容易發(fā)生板結(jié)、粘壁等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備難以連續(xù)運(yùn)行，并且污泥轉(zhuǎn)化效率不高；而采用干污泥作為原料，前期污泥干燥預(yù)處理需要消耗大量的能耗。此外，現(xiàn)有的外熱反應(yīng)器均采用電加熱的方式，運(yùn)行成本偏高，尚停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段；而流化床工藝設(shè)備及操作條件復(fù)雜，熱解產(chǎn)生的燃?xì)馄焚|(zhì)相對(duì)較低，同樣難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。可見要想實(shí)現(xiàn)污泥熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用，至少必須解決以下關(guān)鍵問(wèn)題:
(1)平衡高濕污泥氣化過(guò)程產(chǎn)生的多余水蒸氣長(zhǎng)期以來(lái)，污泥資源化遇到的最大的難題是污泥含水量太高，現(xiàn)有的污泥機(jī)械脫水和升溫蒸發(fā)需消耗大量的能源，蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫水蒸汽不能有效的利用，導(dǎo)致污泥資源化效率低，很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值；
(2)為外熱式污泥氣化提供低成本、可再生的加熱源外加熱式氣化過(guò)程對(duì)原料要求低，適合含水率高的污泥處理。但為了提高氣化效率，需要較高的氣化溫度。目前燃燒溫度能夠達(dá)到1000°C的燃料只有煤、燃?xì)夂腿加?，加熱成本較高，無(wú)經(jīng)濟(jì)效益；
(3)實(shí)現(xiàn)氣化焦油氣的高效降解轉(zhuǎn)化高效徹底脫除氣化焦油是污泥氣化大規(guī)模高品位應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的水洗或過(guò)濾等焦油處理辦法，既浪費(fèi)了焦油本身的能量，又會(huì)產(chǎn)生大量的污染。目前，多采用熱化學(xué)方法對(duì)焦油進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化。高溫裂解法雖能使焦油充分發(fā)生裂解反應(yīng)生成小分 子氣體，但只能采用電力、煤炭、燃?xì)夂腿加瓦M(jìn)行加熱，成本高難以工業(yè)化應(yīng)用。采用催化裂解法處理焦油可以降低焦油裂解的溫度，相對(duì)成熟的催化劑有白云石和金屬Ni基催化劑，Ni基催化劑由于氣化燃?xì)庵薪褂拓?fù)荷比較大易失活。白云石和橄欖石為天然礦石，價(jià)格便宜，對(duì)于輕質(zhì)焦油具有較好的催化裂解效果，裂解率一般可達(dá)60-90%，但對(duì)于焦油中的重質(zhì)組分催化裂解效果差，甚至是負(fù)作用(輕質(zhì)焦油縮聚成重質(zhì)焦油)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法與裝置，本發(fā)明將污泥與生物質(zhì)共混氣化產(chǎn)生的焦油氣經(jīng)高溫裂解后，獲得合適的產(chǎn)物分子進(jìn)入催化重整，通過(guò)與催化體系尺度匹配與絡(luò)合調(diào)控提高催化重整反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與選擇性，實(shí)現(xiàn)污泥高效制氫。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
本發(fā)明提供一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:該裝置包括氣化爐、裂解爐和催化重整爐；所述氣化爐包括氣化室與外加熱室，所述氣化室頂部設(shè)有共混顆粒進(jìn)料器，底部設(shè)有氣化焦油氣出口與氣化灰出口，所述氣化室內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)流葉片；所述外加熱室底部設(shè)有高溫?zé)煔膺M(jìn)口，上部設(shè)有高溫?zé)煔獬隹?；所述裂解爐包括裂解室與燃燒室，所述裂解室由數(shù)根換熱豎管組成，換熱管上部連接有焦油氣進(jìn)口，下部連接有焦油氣出口 ；燃燒室底部設(shè)有燃料進(jìn)口和燃燒灰分出口，上部設(shè)有與氣化爐高溫?zé)煔膺M(jìn)口相連的燃燒煙氣出口 ；所述催化重整爐設(shè)有催化劑進(jìn)口、催化劑出口、高溫裂解后焦油氣進(jìn)口和催化重整燃?xì)獬隹?，所述焦油氣進(jìn)口與高溫裂解爐的焦油氣出口連接。
[0007]本發(fā)明還提供了一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法，其特征在于它包括以下步驟:
(1)將高濕污泥進(jìn)行脫水，脫水后不需干燥處理與生物質(zhì)共混制成顆粒進(jìn)行氣化；所述顆粒混合比例是將脫水 后的高濕污泥與生物質(zhì)按照水含量:碳含量=0.8-1.5的比例進(jìn)行混合；
(2)共混氣化生成的焦油氣和水蒸氣先進(jìn)入高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，所述焦油氣高溫裂解溫度為1000-1100°C，停留時(shí)間為l(T30s ；
(3)高溫裂解階段未分解完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化重整爐，在催化劑作用下進(jìn)一步分解，低分子碳?xì)浠衔锇l(fā)生重整轉(zhuǎn)化生成H2和CO。
[0008]國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的方法中，高濕污泥水分的蒸發(fā)需要消耗大量的能源，產(chǎn)生的高溫水蒸汽不能得到合理有效的利用，氣化過(guò)程中產(chǎn)生的焦油，很難徹底降解轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致資源化效率非常低。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
(1)采用生物質(zhì)或城市生活垃圾或塑料作為補(bǔ)充碳源，平衡污泥在氣化和催化重整過(guò)程中的多余水分，提高污泥裂解性能、制氫效率和富氫燃?xì)馄焚|(zhì)；
(2)污泥所含的水分在氣化過(guò)程中轉(zhuǎn)化為水蒸氣，可直接作為催化重整制氫所需要的氣化介質(zhì)和氫源，蒸發(fā)污泥中的水分所消耗的能量沒有浪費(fèi)，部分轉(zhuǎn)化為氫能；
(3)將焦油氣高溫裂解與催化重整進(jìn)行耦合，大部分焦油尤其是焦油中的重質(zhì)組分在高溫下裂解，極大地減輕后續(xù)催化重整階段的負(fù)荷，進(jìn)而減少催化劑積炭，增加了污泥氣化制氫技術(shù)的適用性；
(4)各反應(yīng)裝置既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)條件的精確控制；通過(guò)生物質(zhì)或其氣化燃?xì)獾娜紵来螢榻褂蜌饬呀夂臀勰鄽饣峁┘訜?，?shí)現(xiàn)了外加熱源的高效分質(zhì)利用，能源利用效率更高。
[0009]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清
λ.Μ
/E.ο【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫流程圖。
[0011]圖2是污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明所述利用污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，所述裝置為外熱式污泥與生物質(zhì)共混氣化一焦油裂解一催化重整三元復(fù)合制氫裝置，該裝置包括氣化爐、高溫裂解爐和催化重整爐，分別進(jìn)行污泥與生物質(zhì)氣化，焦油氣高溫裂解和催化重整。
[0013]氣化爐I包括氣化室2與外加熱室3，氣化室2頂部設(shè)有共混顆粒進(jìn)料器4，底部設(shè)有氣化焦油氣出口 5與氣化灰出口 6，氣化室2內(nèi)部設(shè)有螺旋型導(dǎo)流葉片7 ;外加熱室3底部設(shè)有高溫?zé)煔膺M(jìn)口 8，上部設(shè)有高溫?zé)煔獬隹?9 ;氣化室2與外加熱室3設(shè)有折流擋板10，以增加高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間，增強(qiáng)換熱效率。 [0014]所述高溫裂解爐11包括裂解室12與燃燒室13，裂解室12由數(shù)根換熱豎管14組成，換熱管14上部連接有焦油氣進(jìn)口 15，下部連接有焦油氣出口 16 ;燃燒室13底部設(shè)有燃料進(jìn)口 17和燃燒灰分出口 18，燃燒室上部設(shè)有燃燒煙氣出口 19與氣化爐高溫?zé)煔膺M(jìn)口 8相連。
[0015]催化重整爐20設(shè)有催化劑進(jìn)口 21和催化劑出口 22，高溫裂解后焦油氣進(jìn)口 23與催化重整燃?xì)獬隹?24，其中高溫裂解后焦油氣進(jìn)口 23與高溫裂解爐11的焦油氣出口 16相連接。
[0016]在所述氣化爐I氣化焦油出口 5與高溫裂解爐11的焦油氣進(jìn)口 15之間設(shè)有高溫除塵裝置25，以防止焦炭顆粒隨氣流進(jìn)入裂解爐內(nèi)。
[0017]在所述氣化爐I氣化室2內(nèi)壁上設(shè)有多個(gè)換熱鰭片26，增加爐壁與共混顆粒間的換熱效率。
[0018]污泥與生物質(zhì)共混氣化、焦油氣高溫裂解所需熱量由由燃燒生物質(zhì)、生物質(zhì)焦或生物質(zhì)熱解燃?xì)鈦?lái)提供。
[0019]本實(shí)施例所述利用污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法如下:
(I)將城市污泥進(jìn)行脫水，脫水后不需干燥處理與松木鋸末共混制成顆粒進(jìn)行氣化；所述顆?；旌媳壤菍⒚撍蟮某鞘形勰嗯c松木鋸末按照共混物水含量:碳含量=0.8的比例混合均勻，在800°C下進(jìn)行氣化；所述顆粒直徑為4-10mm之間。
[0020](2)共混氣化產(chǎn)生的焦油氣在催化重整前，首先進(jìn)入高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，在900°C下裂解30s后，使大部分焦油在此階段充分分解，尤其是其中的重質(zhì)組分，極大地減輕后續(xù)催化床的負(fù)荷；停留時(shí)間過(guò)短，焦油裂解不充分，過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加能耗。
[0021](3)高溫裂解階段未分解完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化爐內(nèi)催化分解，采用煅燒白云石顆粒作為催化劑，低分子碳?xì)浠衔锇l(fā)生重整轉(zhuǎn)化生成H2和CO。
[0022]以生物質(zhì)或部分氣化燃?xì)獾母邷厝紵来螢榻褂蜌飧邷亓呀夂臀勰嗯c生物質(zhì)共混氣化提供熱量，所述生物質(zhì)或焦或燃?xì)馊紵郎囟冗_(dá)120(TC以上；
獲得氣體組分為:H2 34.8%、CO 30.6%、CO2 24.4%、CH4 8.4%、CnHmL 8%,焦油含量 8.80mg/Nm3，碳轉(zhuǎn)化率78.17%，氣體產(chǎn)率1.6INmVkg干基混合物。
[0023]實(shí)施例2
本實(shí)施例所述利用污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法如下:
(1)將城市污泥進(jìn)行脫水，脫水后不需干燥處理與破碎后的有機(jī)垃圾顆粒共混制成顆粒進(jìn)行氣化；所述顆?；旌媳壤菍⒚撍蟮某鞘形勰嗯c有機(jī)垃圾顆粒按照共混物水含量:碳含量=1.2的比例混合均勻,在900°C下進(jìn)行氣化；所述顆粒直徑為4-10mm之間；
(2)共混氣化產(chǎn)生的焦油氣在催化重整前，首先進(jìn)入高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，在1000°C下裂解20s后，使大部分焦油在此階段充分分解；
(3)高溫裂解階段未分解完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化爐內(nèi)催化分解，采用橄欖石顆粒作為催化劑，低分子碳?xì)浠衔锇l(fā)生重整轉(zhuǎn)化生成H2和CO。
[0024]以生物質(zhì)或部分氣化燃?xì)獾母邷厝紵来螢榻褂蜌飧邷亓呀夂臀勰嗯c生物質(zhì)共混氣化提供熱量，所述生物質(zhì)或焦或燃?xì)馊紵郎囟冗_(dá)120(TC以上；
獲得氣體組分為:H2 42.6%、CO 25.0%、CO2 23.1%、CH4 8.2%、CnHmL 09%，焦油含量 7.62mg/Nm3，碳轉(zhuǎn)化率85.90%，氣體產(chǎn)率1.72 NmVkg干基混合物。
[0025]實(shí)施例3
本實(shí)施例所述利用污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法如下:
(1)將城市污泥進(jìn)行脫水，脫水后不需干燥處理與塑料顆粒共混制成顆粒進(jìn)行氣化；所述顆?；旌媳壤菍⒚撍蟮某鞘形勰嗯c塑料顆粒按照共混物水含量:碳含量=1.5的比例混合均勻，在950°C下進(jìn)行氣化；所述顆粒直徑為4-10mm之間；
(2)共混氣化產(chǎn)生的焦油氣在催化重整前，首先進(jìn)入高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，在1100°C下裂解IOs后，使大部分焦油在此階段充分分解；
(3)高溫裂解階段未分解完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化爐內(nèi)催化分解，采用負(fù)載型納米NiO/ Y -Al2O3作為催化劑，低分子碳?xì)浠衔锇l(fā)生重整轉(zhuǎn)化生成H2和CO。
[0026]以生物質(zhì)或部分氣化燃?xì)獾母邷厝紵来螢榻褂蜌飧邷亓呀夂臀勰嗯c生物質(zhì)共混氣化提供熱量，所述生物質(zhì)或焦或燃?xì)馊紵郎囟冗_(dá)120(TC以上；
獲得氣體組分為:H2 49.5%、CO 18.8%、CO2 26.1%、CH4 4.8%、CnHni0.86%，焦油含量
4.81mg/Nm3，碳轉(zhuǎn)化率90.59%，氣體產(chǎn)率2.17 NmVkg干基混合物。
[0027]以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其進(jìn)行限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護(hù)的技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:該裝置包括氣化爐、裂解爐和催化重整爐； 所述氣化爐包括氣化室與外加熱室，所述氣化室頂部設(shè)有共混顆粒進(jìn)料器，底部設(shè)有氣化焦油氣出口與氣化灰出口，所述氣化室內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)流葉片；所述外加熱室底部設(shè)有高溫?zé)煔膺M(jìn)口，上部設(shè)有高溫?zé)煔獬隹?； 所述裂解爐包括裂解室與燃燒室，所述裂解室由數(shù)根換熱豎管組成，換熱管上部連接有焦油氣進(jìn)口，下部連接有焦油氣出口 ；燃燒室底部設(shè)有燃料進(jìn)口和燃燒灰分出口，上部設(shè)有與氣化爐高溫?zé)煔膺M(jìn)口相連的燃燒煙氣出口； 所述催化重整爐設(shè)有催化劑進(jìn)口、催化劑出口、高溫裂解后焦油氣進(jìn)口和催化重整燃?xì)獬隹?，所述焦油氣進(jìn)口與高溫裂解爐的焦油氣出口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:所述氣化室內(nèi)部設(shè)有螺旋型導(dǎo)流葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:氣化室與外加熱室設(shè)有折流擋板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:在所述氣化爐的氣化焦油出口與高溫裂解爐的焦油氣進(jìn)口之間設(shè)有高溫除塵裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:在所述氣化爐的氣化室內(nèi)壁上設(shè)有多個(gè)換熱鰭片。
6.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行共混氣化制氫的方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)將高濕污泥進(jìn)行脫水，脫水后不需干燥處理與生物質(zhì)共混制成顆粒進(jìn)行氣化；所述顆?；旌媳壤菍⒚撍蟮母邼裎勰嗯c生物質(zhì)按照水含量:碳含量=0.8-1.5的比例進(jìn)行混合； (2)共混氣化生成的焦油氣和水蒸氣先進(jìn)入高溫裂解爐內(nèi)進(jìn)行熱裂解，所述焦油氣高溫裂解溫度為1000-1100°C，停留時(shí)間為l(T30s ； (3)高溫裂解階段未分解完全的焦油氣和水蒸氣進(jìn)入催化重整爐，在催化劑作用下進(jìn)一步分解，低分子碳?xì)浠衔锇l(fā)生重整轉(zhuǎn)化生成H2和CO。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:以生物質(zhì)或部分氣化燃?xì)獾母邷厝紵来螢榻褂蜌飧邷亓呀夂臀勰嗯c生物質(zhì)共混氣化提供熱量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:所述生物質(zhì)、生物質(zhì)焦或生物質(zhì)熱解燃?xì)馊紵郎囟冗_(dá)1200°C以上；氣化溫度為750-950°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的方法，其特征在于，所述催化劑為負(fù)載型鎳基催化劑或?yàn)殪褵自剖驗(yàn)殚蠙焓?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥與生物質(zhì)共混氣化制氫的裝置，其特征在于:所述顆粒直徑為4-10mm之間。
【文檔編號(hào)】C01B3/26GK103979491SQ201410211019
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】羅思義, 卜慶潔, 馬晨 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)