CN100381352C - 用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法及设备 - Google Patents
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Abstract
用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法及设备，采用有机质垃圾、生物质和水为原料，实现工业上大量、廉价地制取氢气。所述的有机质垃圾、生物质原料，是指包括原生垃圾、生物质的其中一种或几种，原料不需经过干燥也不需粉碎即可直接入炉。在隔离空气的环境下应用等离子体技术活化和分解水分子，把有机质垃圾或生物质作为吸氧和吸氢元件，以阻止水分子的分解物进行逆反应，实现高效制取富氢合成气，制得的氢气纯度好品质高，不含焦油。整个过程没有污染物排放，真正实现了垃圾废物的无害化、减量化、资源化处理。本发明的等离子体制氢法具有制氢速度快、能耗低的特点。本发明还可以在城市或农村乡镇建燃气供应中心，把富氢合成气通过管道或钢瓶廉价地供应给用户使用，实现村庄整洁化，改善农村的居住环境、美化景观，为建设社会主义新农村创造条件。
Description
所属技术领域
本发明涉及环境保护领域和新能源领域，特别是涉及一种氢能的制取方法及其设备。
背景技术
环境保护和能源问题与人类息息相关，随着化石燃料的日趋枯竭和全球环境的日益恶化，环境保护和能源问题越来越受到世界各国的关注和重视。氢能以其许多优异的性能吸引着人们的研究和开发热情，氢能的发热值高，燃烧1公斤氢气可放出142120kj的热量，是汽油的三倍，而且氢燃烧后生成的是水，不污染环境，是一种非常洁净的燃料；氢气可通过燃料电池直接发电，理论上有100％的转换效率，目前的技术达到了60～70％的转换效率，氢气用于燃料电池发电时没有噪声污染也没有热污染，排放的是水，氢能发电是属于环境友好的发电项目；氢能可用于现在所有消耗燃料的燃烧工艺过程，用能设备无需作很大的改动就可适用，可以取代绝大部分化石能源。目前已有储氢合金问世，氢气可以充入合金以固体形态进行储存，需要使用时再放出来，有了储氢合金，储运氢气可以象储运煤炭那样方便和安全。当前，制约氢能应用的因素主要是氢气的制造及储运成本过高，超过了常规能源的好几倍，一旦可以在工业上大量、廉价地制造和储运氢气，将会对人类的能源结构产生一个重大的变革。
垃圾随着我国国民经济的发展及城市规模的不断扩大而迅速增加，并且其有害成分的含量也越来越高，如处理不好，将会污染环境，影响到人们的生活。采用填埋法处理城市生活垃圾，不但需占用大量的土地、浪费资源，而且容易造成二次污染；采用焚烧法处理城市生活垃圾，可以做到无害化、减量化、资源化处理，回收的热能用于发电或供热，因此，焚烧法是各国所采用的处理城市生活垃圾的主要方法。但现有的焚烧垃圾设备不能回收氢气，其资源化利用仅局限于回收焚烧过程中的热能，并且垃圾需经过破碎、烘干或脱水等多道工序才能入炉焚烧，增加了设备投资及运行成本，焚烧的烟气排入大气，容易发生二次污染。
生物质能是太阳能通过光合作用转化而来的，主要以农林作物的形式存在，是一种唯一可再生的碳源。我国生物质资源十分丰富，有大量的农业废弃物、薪柴林、木材加工废料可供使用，仅秸秆、谷壳之类的农业废弃物就有7亿多吨，折合标准煤3亿多吨，而其它的生物质资源尚无统计。目前，这些生物质资源未能得到有效利用，除小部分农村用来发酵生产沼气外，大部分都被直接燃烧、填埋掉了。近几年来，随着常规能源紧张的加剧，人们把目光投向了新的可再生能源，生物质能被列入新的可再生能源之中，对其进行研究开发，公开了许多有关生物质气化制氢方面的专利，这些专利技术可以有效地利用生物质能，提高生物质的应用品位，但对生物质的预处理要求较高，要把生物质预先干燥、粉碎至小于一定粒度的颗粒才能使用，因而增加了设备投资和运行成本，不能实现廉价制氢。
经检索专利文献，中国科学院广州能源研究所的中国专利授权公告号CN 1169910C“用等离子体热解气化生物质制取合成气的方法”的发明专利和中国专利授权公告号CN 2593067Y“高分子废弃物的等离子体热解气化装置”的实用新型专利公开了应用等离子体技术制取合成气的方法及装置。前一件专利发明的目的是提供一种可提高气化效率和气体品位，彻底消除焦油，提高原料利用价值，消除环境污染和降低能耗的用等离子体热解气化生物质-动植物干燥粉末制取合成气的方法。后一件专利的发明目的是提供一种等离子体热解气化装置，用于高分子废弃物的等离子体热解气化，获得有价值的氢气或合成气。这二件专利仍存在需把原料预先进行干燥、粉碎到小于一定粒度的苛刻要求，还需较高的生产成本。
目前，工业上制氢的方法主要有：电解制氢、天然气催化分解、重油的氢化、水煤气反应、钢铁和化工生产中的副产品，其中电解制氢耗能太多，天然气、重油、水煤气制氢要消耗化石能源，钢铁和化工生产中的副产品氢源产量太低，因而，目前工业上还不能实现大量、廉价地制取氢气。
为了把垃圾的无害化、减量化、资源化处理与利用生物质制氢结合起来，变废为宝，可以实现工业上廉价地制取氢气，本发明提供一种用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法及设备。
发明内容
本发明的目的是要实现工业上廉价制氢，采用垃圾、生物质和水为原料，所述的垃圾为人畜粪便、动物皮毛内脏、动物尸骨、食品类及菜场的废弃物、生活垃圾、医疗垃圾、工业高分子废弃物、建筑垃圾中的含碳废料、污泥等有机质垃圾；所述的生物质为秸秆、谷壳、花生壳、稻草、麦草等农业废弃物及薪柴、树枝、树皮、木屑、锯末、木材加工下脚料等林业废弃物；所述的水包括淡水、海水和水蒸汽。所述的有机质垃圾、生物质原料，包括原生垃圾、原生生物质的其中一种或几种，原料不需经过干燥也不需粉碎即可直接入炉。本发明在隔离空气的环境下把水蒸汽作为工作气体送入等离子体发生器中进行活化和分解，把有机质垃圾或生物质作为吸氧或吸氢元件，用垃圾或生物质的燃烧来把水分子分解出来的氧消耗掉，用垃圾炭或生物质炭在≥1200℃的条件下与水分子分解出来的氢气化合成甲烷，以阻止水分子的分解物进行逆反应，实现高效率地制取富氢合成气，同时用垃圾或生物质自身燃烧的热能来对垃圾或生物质进行烘干和热解气化，在1100℃±50℃的环境下裂解焦油和甲烷；对反应炉中产生的富氢合成气进行余热回收降温及除尘后在催化剂存在的条件下将富氢合成气中的一氧化碳与水蒸汽进行反应，生成二氧化碳和氢气，再将以氢气和二氧化碳为主要成分的富氢合成气进行净化吸收处理，精制氢气，回收或排放二氧化碳。由于反应是在隔离空气的环境中进行的，所以制取的富氢气体中氮组分极低，到了后级的富氢气体基本上由氢气和二氧化碳组成，其中氢气与二氧化碳的摩尔比为3～4∶1，即氢气占60～80％，这与原料中碳水化合物与碳氢化合物的比例有关。其中的二氧化碳容易分离，可以使后级的净化工序简单化，制得的氢气纯度好品质高，不含焦油，分离的二氧化碳进行回收用作化工原料，余热回收用于发电或供热，燃烬的灰渣可作肥料或建筑材料，整个过程没有污染物排放，真正实现了垃圾废物的无害化处理。
等离子体是在电离层或放电现象下所形成的正离子和电子的数量大体相同并且以相当大的浓度存在的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。在等离子体发生器中，放电作用使得水分子失去外层电子而形成离子状态，经相互碰撞而分解为氢和氧，同时产生高温，温度可达几百万度。用这种方法来活化分解水分子，效率高、能耗低。本发明用垃圾、生物质和水为原料，应用等离子体技术和热化学反应相结合的方法来制取氢气，可以节约大量的电能。
在等离子体发生器中，水分子生成活性化学物及分解的主要方程式是：
H2O+e*→H2O*+e
H2O+e*→H2O++2e
H2O*+e→H2O++2e
H2O++e→H2O*
……
……
在以水蒸汽为工作气体的等离子体发生器中，水分子被生成活性化学物：H2O*、H2O+、H2、O2、H、O、H2 *、O2 *、H2 +、H*、O*、H+、OH*、OH。
本发明的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法是这样的：设计一个富氢合成气反应炉，炉内分隔为主反应区和燃烬区，有机质垃圾或生物质物料从反应炉的上部通过隔离式进料阀进入到反应炉的主反应区内，物料在主反应区内垂直向下移动，在主反应区内按物料的运行方向从上到下依次分为烘干区、热解区、燃烧区，燃烧区的下部与燃烬区相通，未燃尽的生物质炭将进入燃烬区完成燃烧；燃烬区按烟气流程从下往上分为燃烬段、除灰渣段、裂解段；在主反应区的顶部形成热解气集聚区，热解气集聚区有出口与裂解段相通；在反应炉的下部设置等离子体发生器，当反应炉内经过预燃升温过程燃烧区的燃烧趋于稳定时，把水蒸汽作为工作气体送入等离子体燃烧器中，水分子将被活化或分解为H2O*、H2O+、H2 *、O2 *、H2、O2、H*、O*、H+、H2 +、OH*、OH、H、O，与等离子体弧炬一起喷进反应炉内的燃烧区，水分子分解出来的氧与垃圾炭或生物质炭发生剧烈氧化而燃烧，在燃烧区的温度达到1200℃以上时，水分子分解出来的氢则与炭发生反应生成甲烷，利用垃圾炭或生物质炭的燃烧来消耗氧和吸收氢，可以减少氢气发生逆反应的机率，提高氢气的产出率；如有氢气逆反应生成的水分子及部分还没有分解为氢气和氧气的水分子将与生物质炭发生氧化-还原反应，生成氢气、一氧化碳及二氧化碳；燃烧区的含有氢气、甲烷、一氧化碳及二氧化碳的热气流向上升腾，其热能将热解区的有机质垃圾或生物质进行热解气化，把垃圾或生物质分解为半焦炭、炭、一氧化碳、氢气、焦油及CnHm，部分炭又与二氧化碳发生反应生成一氧化碳，其中半焦炭、炭、液态焦油下行进入到燃烧区进行燃烧，一氧化碳、氢气、汽态焦油、气态CnHm将随着热气流上升；上升的热气流进入到烘干区，对新加入到炉内的含水垃圾、生物质进行烘干，烘干的垃圾、生物质物料将下行，烘出的水蒸汽将与含有汽态焦油、一氧化碳、氢气、甲烷、CnHm的热解气相混合，到达主反应区顶部的热解气集聚区，再由通道进入到燃烬区上部的裂解段；从燃烧区上升经过热解区到达烘干区的热气流的温度是逐级降低的，在主反应区产生的热解气中的甲烷、汽态焦油、CnHm只能在燃烬区的裂解段进行裂解和转化。从等离子体发生器喷嘴喷出的等离子体弧炬把大颗粒或块状的垃圾生物质炭破碎成小颗粒，其弧焰还产生气力输送作用，把破碎的未燃尽的生物质炭由燃烧区送入到燃烬区继续燃烧，燃尽的灰渣在除灰渣区被除去，高于1050℃的热气流上升进入到裂解段，在这里，用1050～1150℃的高温把热解气中的甲烷、汽态焦油、CnHm进行裂解为碳和氢，碳再与水蒸汽进行化合反应，生成为氢气和一氧化碳，这时，到达反应炉出口处的高温气体是不含焦油的以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气体，整个反应过程是在隔离空气的环境中进行，所以氮组分极低，合成气的品位很高。
上述过程中，在燃烧区进行的热化学反应的主要方程式为：
C+O2→CO2
C+O→CO
C+CO2→2CO
……
……
在热解区有机质垃圾、生物质被分解为半焦炭、炭、焦油、H2、CH4、CnHm、……，分解的炭与燃烧区来的二氧化碳进行化学反应：
在裂解段进行的热化学反应的主要方程式为：
……
本发明对收集来的有机质垃圾或生物质可直接送入反应炉中，运行时，可通过向反应炉内喷入水蒸汽来调控炉内的温度，喷入的水蒸汽将与生物质炭发生化学反应而被还原成氢气。本发明还可用煤炭代替垃圾或生物质为原料生产富氢合成气，其工艺流程是一样的。当原料中含有塑料及橡胶类的工业垃圾、医疗垃圾或煤时，热解气中将存在氯组分或硫组分，氯组分容易生成剧毒物二恶英，硫组分则易生成对设备产生腐蚀及破坏环境的硫化氢、二氧化硫等含硫化合物。所以，当原料中含有工业垃圾、医疗垃圾或煤时，在主反应区的出口至裂解段之间设置脱氯/脱硫装置，用脱氯/脱硫剂来除去热解气中的氯组分和硫组分。
本发明的在反应炉中制取的富氢合成气温度在1050℃以上，可以有三种后级工艺流程进行处理：A.通入二次风直接燃烧；B.把高温的富氢合成气进行余热回收降温及除尘器除去灰尘后，再通过压缩及冷却工序把富氢合成气压进气柜，供应给燃气设备或燃气用户当作燃气使用；C.把高温的富氢合成气进行余热回收降温及除尘器除尘后，再通过一氧化碳转化装置，在催化剂存在的环境下，用水蒸汽和一氧化碳进行反应，生成二氧化碳和氢气，再把以氢气和二氧化碳为主要成分的富氢合成气进行净化吸收处理，精制氢气，将二氧化碳回收或排放。
在一氧化碳转化装置中，一氧化碳和水蒸汽进行的氧化-还原反应方程式是：
本发明的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢系统，由等离子体发生器(13)、反应炉(12)、上料机构(15)、余热回收利用装置(11)、蒸汽过热器(10)、除尘器(9)、一氧化碳转化装置(4)、引风机(8)、净化吸收装置(5)、蒸汽发电机组/或热能终端设备(2)、蒸汽管道(1)、富氢合成气管道(3)、电源控制柜(14)组成。其中：等离子体发生器(13)在反应炉(12)的下部；反应炉(12)的出口接到余热回收装置(11)，余热回收装置(11)接到蒸汽过热器(10)，蒸汽过热器(10)接到除尘器(9)，除尘器(9)通过富氢合成气管道(3)连接到一氧化碳转化装置(4)，一氧化碳转化装置(4)通过管道连接到引风机(8)的吸入口，引风机(8)的出口通过管道连接到净化吸收装置(5)；余热回收装置(11)的蒸汽输出接口通过蒸汽管道(1)连接到蒸汽过热器(10)的蒸汽入口，蒸汽过热器(10)的蒸汽出口通过蒸汽管道连接到蒸汽发电机组/或热能终端设备(2)；净化吸收装置(5)的上部有氢气输出接口(6)，下部有二氧化碳输出接口(7)；电源控制柜(14)各输出端分别通过导线连接到等离子体发生器(13)的阴极和阳极、上料机构(15)的马达、引风机(8)的马达；垃圾或生物质原料通过上料机构(15)进入到反应炉(12)的料斗内。
本发明的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢系统中的前级富氢合成气制取设备，由等离子体发生器(13)、反应炉(12)、隔离式进料阀(19)、进料斗(20)组成。当制氢固态原料是农业废弃物、林业废弃物或木材加工废弃物时，反应炉(12)由热解气集聚区(VII)、烘干区(VI)、热解区(V)、燃烧区(IV)构成主反应区及由燃烬段(III)、灰渣分离段(II)、裂解段(I)构成燃烬区，主反应区与燃烬区之间用耐火隔墙(17)隔开，其中：热解气集聚区(VII)、烘干区(VI)、热解区(V)、燃烧区(IV)之间相通，主反应区的最下部是燃烧区(IV)，燃烧区(IV)的上面是热解区(V)，热解区(V)的上面是烘干区(VI)，烘干区(VI)的上面为热解气集聚区(VII)；燃烬区的燃烬段(III)、灰渣分离段(II)、裂解段(I)相互间连通，燃烬区的最下部是燃烬段(III)，燃烬段(III)的上面是灰渣分离段(II)，灰渣分离段(II)的上面是裂解段(I)；燃烬段(III)的下部与燃烧区(IV)的下部连通，热解气集聚区(VII)与裂解段(I)之间有通道(22)连通；主反应区的燃烧区(IV)底部及燃烬区的燃烬段(III)底部有布风板(30)，布风板(30)的底下有多只喷嘴组合而成的多喷嘴等离子体燃烧器(29)；反应炉(12)的炉墙(28)和隔墙(17)使用耐火材料，炉墙(28)与外壳(34)之间为保温层(31)；在燃烬段(III)入口处装有光敏元件(24)；在烘干区(VI)沿炉墙装有低料位传感器(32)和高料位传感器(33)；在裂解段(I)处装有温度传感器(21)。当制氢固态原料是工业固体废物或城市垃圾时，在反应炉(12)的热解区(V)的炉墙上还装有温度传感器(21b)及在热解气通道(22)的入口处还设置有脱氯/脱硫装置(35)，在运行中，把热解气的温度控制在600～700℃之间，让热解气通过脱氯/脱硫后再进入到裂解段(I)。
本发明的电气控制系统由交流电源、控制器直流工作电源、程序控制器、等离子体发生器工作电源、手动开关、热解气温度传感器、裂解区温度传感器、一氧化碳转化检测器件、比较电路、光敏元件、放大电路、高料位传感器、低料位传感器、自动料位控制器、等离子体发生器冷却控制执行元件、吹扫/喷燃切换开关、等离子体发生器喷蒸汽执行元件、热解区温度调节执行元件、一氧化碳转化蒸汽流量调节电路、引风启动/停止执行元件、净化系统喷淋执行元件、进料控制执行元件组成，各执行元件及调节电路的电源输出端分别接到相应的设备上。其中，程序控制器将按设定的运行程序启动或关闭等离子体发生器及各辅机设备的电源，对等离子体发生器、冷却剂循环泵、空压机、点火燃料输送装置、蒸汽电磁阀、引风机、净化喷淋电磁阀进行启动/停止操作；在运行过程中，热解区温度传感器、裂解区温度传感器、一氧化碳转化检测器件及光敏元件检测信号通过比较电路及放大电路输入到程序控制器，程序控制器根据信号情况来控制等离子体发生器工作电源、等离子体发生器冷却控制执行元件、等离子体发生器喷蒸汽执行元件、热解区温度调节执行元件、一氧化碳转化蒸汽流量调节电路，对等离子体发生器、冷却剂循环泵、蒸汽电磁阀的电源进行接通/断开操作及对热解区蒸汽喷嘴电磁阀、一氧化碳转化的蒸汽流量电动阀进行调节；高料位传感器和低料位传感器的信号输入到自动料位控制器，通过自动料位控制器来实现反应炉内料位高度的自动控制。
本发明的有益效果是：采用垃圾、生物质、水为原料，应用等离子体技术的电化学法和热化学法相结合制取氢气，不但能实现无害化、减量化、资源化处理垃圾，保护环境，而且能使垃圾、生物质的资源化应用提高品位，与用厌氧发酵法制取沼气相比更具快速、高效、使用原料广泛等优点，比单用热解气化法有更高的效率和更高品质，比单用等离子体制氢法能耗更低、可以节约更多的电能。我国生物质资源丰富，因而应用本发明可实现工业上廉价、大量地制取氢气，使氢气可以在能源领域得到广泛应用，以减少常规能源对环境的破坏作用。本发明属于环境友好的项目，应用生物质制氢，还可为农业和林业的经济发展创造良好的机遇，将对大力发展薪柴林、绿化造林方面起到积极的促进作用。本发明还可以在城市或农村乡镇建燃气供应中心，把富氢合成气通过管道或钢瓶廉价地供应给用户使用，实现村庄整洁化，改善农村的居住环境、美化景观，为建设社会主义新农村创造有利的条件。
附图说明
本发明提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下的具体实施方式均不构成对本发明的限制：
图1是本发明的制取富氢合成气的工艺流程方框图。
图2是本发明的精制氢气的工艺流程方框图。
图3是本发明的系统图。
图4是本发明的前级富氢合成气制取设备的示意图。
图5是本发明的固态原料为生物质时的前级富氢合成气制取设备的一个实施例结构图。
图6是本发明的固态原料中含有氯、硫物质时的前级富氢合成气制取设备的一个实施例结构图。
图7是A-A剖面图。
图8是B-B剖视图。
图9是本发明的富氢合成气反应炉排灰渣部位的剖面图。
图10是本发明的电气控制系统方框图。
图中：1.蒸汽管道，2.蒸汽发电机组/或热能终端设备，3.富氢合成气管道，4.一氧化碳转化装置，5.净化吸收装置，6.氢气出口，7.二氧化碳出口，8.引风机，9.除尘器，10.蒸汽过热器，11.余热回收利用装置，12.富氢合成气反应炉，13.等离子体发生器，14.电源控制柜，15.上料机构，16.富氢合成气输出接口，17.反应炉内的耐火隔墙，18.落灰槽，19.隔离式进料阀，20.料斗，21.裂解段的温度传感器，21b.热解区的温度传感器，22.热解气通道，23.燃烬区入口，24.光敏元件，25.等离子体工作气体入口，26.冷却剂入口，27.冷却剂出口，28.耐火炉墙，29.多喷嘴等离子体燃烧器，30.布风板，31.保温层，32.低料位传感器，33.高料位传感器，34.外壳，35.脱氯/脱硫装置，36.落灰通道，37.水封式出灰口，38.水封；I.裂解段，II.灰渣分离段，III.燃烬段，IV.燃烧区，V.热解区，VI.烘干区，VII.热解气集聚区。
具体实施方式
本发明的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法及设备所制取的富氢合成气有三种后级处理工艺流程：A.通入二次风直接燃烧，使之成为一种热能设备，本人将另案申请专利，在这里就不作描述了；B.如图1方框图所示的把高温的富氢合成气进行余热回收降温及除尘器除去灰尘后，再通过压缩及冷却工序把富氢合成气储存在气柜中，再用管道或钢瓶供应给燃气用户当作燃气使用；C.如图2所示的把高温的富氢合成气进行余热回收降温及除尘器除尘后，通过一氧化碳转化装置，在催化剂存在的环境下，用水蒸汽和一氧化碳进行反应，生成二氧化碳和氢气，再进行净化吸收处理，精制氢气，将二氧化碳回收或排放，其中，在一氧化碳转化装置出口处的位置进行一氧化碳含量检测(图中未画出)，根据检测的信息来调节水蒸汽的输入量。
图3所示的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢系统图中，制氢系统由等离子体发生器(13)、反应炉(12)、上料机构(15)、余热回收利用装置(11)、蒸汽过热器(10)、除尘器(9)、一氧化碳转化装置(4)、引风机(8)、净化吸收装置(5)、蒸汽发电机组、或热能终端设备(2)、蒸汽管道(1)、富氢合成气管道(3)、电源控制柜(14)组成。其中：等离子体发生器(13)在反应炉(12)的下部；反应炉(12)的出口接到余热回收利用装置(11)，余热回收利用装置(11)接到蒸汽过热器(10)，蒸汽过热器(10)接到除尘器(9)，除尘器(9)通过富氢合成气管道(3)连接到一氧化碳转化装置(4)，一氧化碳转化装置(4)通过管道连接到引风机(8)的吸入口，引风机(8)的出口通过管道连接到净化吸收装置(5)；余热回收利用装置(11)的蒸汽输出接口通过蒸汽管道连接到蒸汽过热器(10)的蒸汽入口，蒸汽过热器(10)的蒸汽出口通过蒸汽管道连接到蒸汽发电机组/或热能终端设备(2)；净化吸收装置(5)的上部有氢气输出接口(6)，下部有二氧化碳输出接口(7)；电源控制柜(14)各输出端分别通过导线连接到等离子体发生器(13)的阴极和阳极、上料机构(15)的马达、引风机(8)的马达。垃圾或生物质固态原料的工艺流程为：垃圾或生物质原料通过上料机构(15)进入到反应炉(12)的料斗，再通过隔离式进料阀进入到反应炉(12)内，原料在反应炉(12)内进行烘干、热解气化、燃烧、燃烬、排出灰渣。水原料及气(汽)化物质的工艺流程为：水原料通过汽化和过热变成过热的蒸汽作为工作气体进入到等离子体发生器(13)内，水分子被活化和分解，活化了的水分子及由水分子分解生成的氢和氧喷入反应炉(12)内，与反应炉(12)内的有机质垃圾或生物质进行化学反应生成富氢合成气；富氢合成气通过余热回收利用装置(11)及蒸汽过热器(10)进入到除尘器(9)，除去灰尘后的富氢合成气通过管道(3)进入到一氧化碳转化装置(4)中，在催化剂存在的环境下，富氢合成气中的一氧化碳与水蒸汽进行反应，生成二氧化碳和氢气；为了能达到一氧化碳全部转化为二氧化碳，应使进入一氧化碳转化装置(4)内的水蒸汽稍有过量，这可以通过在一氧化碳转化装置(4)的出口处检测一氧化碳含量，然后按检测的信息来进行调节进入装置内的水蒸汽流量的措施来实现；这时富氢合成气的主要成分是氢气和二氧化碳，其中，氢气的摩尔比将按原料中碳氢化合物与碳水化合物的比例达到60～80％；主要成分为氢气和二氧化碳的富氢合成气通过引风机(8)进入到净化吸收装置(5)，对富氢合成气进行分离、净化、吸收，精制氢气、回收或排放二氧化碳。系统中，余热回收利用装置(11)、蒸汽过热器(10)、除尘器(9)、一氧化碳转化装置(4)、净化吸收装置(5)均采用公知动技术制造。
图4所示的示意图中，前级富氢合成气制取设备由反应炉(12)、隔离式进料阀(19)、料斗(20)和等离子体发生器(13)组成，其中，反应炉(12)内用耐火隔墙(17)把反应炉分隔为主反应区和燃烬区，主反应区按功能由下而上分为燃烧区(IV)、热解区(V)、烘干区(VI)、热解气集聚区(VII)，燃烬区按其功能由下而上分为燃烬段(III)、灰渣分离段(II)、裂解段(I)；主反应区的各功能区截面相等且相互之间相通，燃烬区的各功能段截面不等但相互之间相通，燃烧区(IV)的下部与燃烬段(III)的下部相通，热解气集聚区(VII)与裂解段(I)相通。
图5和图7、8、9所示的是制氢原料为农业废弃物、林业废弃物或木材类废弃物之类的生物质时，前级富氢合成气制取设备由多喷嘴等离子体燃烧器(29)、布风板(30)、反应炉(12)、隔离式进料阀(19)、料斗(20)、温度传感器(21)、光敏元件(24)、低料位传感器(32)、高料位传感器(33)组成，布风板(30)在反应炉(12)的下部，多喷嘴等离子体燃烧器(29)在布风板(30)的底下，隔离式进料阀(19)在反应炉(12)的上部，隔离式进料阀(19)的上面是料斗(20)，温度传感器(21)在反应炉(12)的裂解段位置，光敏元件(24)在反应炉(12)的燃烬区入口(23)位置，低料位传感器(32)和高料位传感器(33)在反应炉(12)的烘干区位置。其中，多喷嘴等离子体燃烧器(29)上有工作气体输入接口(25)、冷却剂输入接口(26)、冷却剂出口(27)、阴极电源接头和阳极电源接头(图中未示出)；布风板(30)上有冷却剂输入和输出接口(图中未示出)；反应炉(12)由外壳(34)、保温层(31)、耐火炉墙(28)、耐火隔墙(17)、落灰槽(18)、热解气通道(22)、燃烬区入口(23)、落灰通道(36)、水封式出灰口(37)、水封(38)、富氢合成气输出接口(16)组成。
图6和图7、8、9所示的是制氢原料为工业固体废物或城市垃圾时，前级富氢合成气制取设备由多喷嘴等离子体燃烧器(29)、布风板(30)、反应炉(12)、隔离式进料阀(19)、料斗(20)、温度传感器(21)、热解区的温度传感器(21b)、光敏元件(24)、低料位传感器(32)、高料位传感器(33)、脱氯/脱硫装置(35)组成，布风板(30)在反应炉(12)的下部，多喷嘴等离子体燃烧器(29)在布风板(30)的底下，隔离式进料阀(19)在反应炉(12)的上部，隔离式进料阀(19)的上面是料斗(20)，温度传感器(21)在反应炉(12)的裂解段位置，温度传感器(21b)在反应炉(12)的热解区位置，光敏元件(24)在反应炉(12)的燃烬区入口(23)位置，低料位传感器(32)和高料位传感器(33)在反应炉(12)的烘干区位置，脱氯/脱硫装置(35)在反应炉(12)的热解气通道(22)入口。其中，多喷嘴等离子体燃烧器(29)上有工作气体输入接口(25)、冷却剂输入接口(26)、冷却剂出口(27)、阴极电源接头和阳极电源接头(图中未示出)；布风板(30)上有冷却剂输入和输出接口(图中未示出)：反应炉(12)由外壳(34)、保温层(31)、耐火炉墙(28)、耐火隔墙(17)、落灰槽(18)、热解气通道(22)、燃烬区入口(23)、落灰通道(36)、水封式出灰口(37)、水封(38)、富氢合成气输出接口(16)组成。在运行中，通过温度传感器(21b)反馈到程序控制器的信息，程序控制器将调整喷入反应炉(12)内水蒸汽的量来把热解区(V)的温度控制在600～700℃之间，以保护脱氯剂及有利于脱氯/脱硫，让热解气通过脱氯/脱硫后再进入到裂解段(I)。
图10所示的电气控制系统由交流电源、控制器直流工作电源、程序控制器、等离子体发生器工作电源、手动开关、一氧化碳转化检测器件、热解区温度传感器、裂解区温度传感器、比较电路、光敏元件、放大电路、高料位传感器、低料位传感器、自动料位控制器、等离子体发生器冷却控制执行元件、吹扫/喷燃切换开关、等离子体发生器喷蒸汽执行元件、热解区温度调节执行元件、一氧化碳转化蒸汽流量调节电路、引风启动/停止执行元件、净化系统喷淋执行元件、进料控制执行元件组成，各执行元件及调节电路的电源输出端分别接到相应的设备上。其中，交流电源连接到控制器直流工作电源、等离子体发生器工作电源、等离子体发生器冷却控制执行元件、吹扫/喷燃切换开关、等离子体发生器喷蒸汽执行元件、热解区温度调节执行元件、一氧化碳转化蒸汽流量调节电路、引风启动/停止执行元件、净化系统喷淋执行元件、进料控制执行元件的交流输入端；控制器直流工作电源的直流输出端连接到程序控制器和自动料位控制器的工作电源输入端；手动开关连接到程序控制器；一氧化碳转化检测器件连接到比较器A，比较器A连接到程序控制器；热解区温度传感器连接到比较器B，比较器B连接到程序控制器；裂解段温度传感器连接到比较器C，比较器C连接到程序控制器，光敏元件连接到放大电路，放大电路连接到程序控制器；高料位传感器、低料位传感器分别连接到自动料位控制器的二个输入端，自动料位控制器的控制输出端连接到进料控制执行元件的控制功能输入端，进料控制执行元件的交流输出端连接到上料机的马达；程序控制器的各功能输出控制端分别连接到等离子体发生器工作电源、等离子体发生器冷却控制执行元件、吹扫/喷燃切换开关、等离子体发生器喷蒸汽执行元件、热解区温度调节执行元件、一氧化碳转化蒸汽流量调节电路、引风启动/停止执行元件、净化系统喷淋执行元件；等离子体发生器工作电源的正、负极分别连接到等离子发生器的阳极和阴极；等离子体发生器冷却控制执行元件的交流输出端连接到冷却剂循环泵的马达；吹扫/喷燃切换开关的二个交流输出端分别连接到空压机的马达和点火燃料输送装置的马达或电磁线圈；等离子体发生器喷蒸汽执行元件的交流输出端连接到蒸汽电磁阀的线圈；热解区温度调节执行元件的交流输出端连接到热解区蒸汽喷嘴电磁阀的线圈；一氧化碳转化蒸汽流量调节电路的交流输出端连接到蒸汽电动阀的马达；引风启动/停止执行元件的交流输出端连接到引风机的马达；净化系统喷淋执行元件的交流输出端连接到净化喷淋电磁阀的线圈。
Claims (7)
1.用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法，包括垃圾或生物质的气化工艺，其特征是应用等离子体技术将水蒸汽进行活化和加热分解后，再喷进反应炉与垃圾或生物质发生燃烧而进行氧化-还原反应，制取富氢合成气，在隔离空气的环境下把水蒸汽作为工作气体送入等离子体发生器中进行活化和分解，把有机质垃圾或生物质作为吸氧或吸氢元件，用垃圾或生物质的燃烧来把水分子分解出来的氧消耗掉，用垃圾炭或生物质炭在≥1200℃的条件下与水分子分解出来的氢化合成甲烷，以阻止水分子的分解物进行逆反应，实现高效率地制取富氢合成气，同时用垃圾或生物质自身燃烧的热能来对垃圾或生物质进行烘干和热解气化，在1100℃±50℃的环境下裂解焦油和甲烷；对反应炉中产生的富氢合成气进行余热回收降温及除尘后在催化剂存在的条件下将富氢合成气中的一氧化碳与水蒸汽进行反应，生成二氧化碳和氢气，再将以氢气和二氧化碳为主要成分的富氢合成气进行净化吸收处理，精制氢气，回收或排放二氧化碳；
或者对反应炉中产生的富氢合成气进行余热回收降温及除尘后，通过压缩、冷却，把富氢合成气储存在气柜内，再通过管道或钢瓶供应给燃气用户使用。
2.根据权利要求1所述的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法，其特征是垃圾或生物质固态物料的工艺流程为：物料从反应炉的上部进入反应炉内，由上往下移动，先进行烘干，再进行热解，再在隔离空气的环境下完成燃烧，燃烬的灰渣排入灰槽；
气化物在反应炉中的流程为：蒸汽进入到等离子体发生装置中，经活化及加热分解后喷进反应炉，与垃圾或生物质炭发生剧烈的化学反应而燃烧，反应生成的气化物及燃烧的热能向上运动，把垃圾或生物质物料进行热解气化，再往上运动，对新加入的垃圾或生物质物料进行烘干，热解气和物料烘出的水蒸汽相混合进入到裂解段，完成焦油和甲烷的裂解及转化。
3.根据权利要求1所述的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法，其特征是收集来的生活垃圾直接送入反应炉中，而不需经过烘干、粉碎工序；垃圾生物质的烘干、热解、燃烧过程均在同一个与空气隔离的反应炉内进行。
4.根据权利要求1所述的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法，其特征是用煤或炭代替垃圾、生物质原料。
5.根据权利要求1或4所述的用垃圾、生物质和水为原料的等离子体制氢方法，其特征是制氢系统由等离子体发生器(13)、反应炉(12)、上料机构(15)、余热回收利用装置(11)、蒸汽过热器(10)、除尘器(9)、一氧化碳转化装置(4)、引风机(8)、净化吸收装置(5)、蒸汽发电机组或热能终端设备(2)、蒸汽管道(1)、富氢合成气管道(3)和电源控制柜(14)组成，其中：等离子体发生器(13)在反应炉(12)的下部；反应炉(12)的出口接到余热回收装置(11)，余热回收装置(11)接到蒸汽过热器(10)，蒸汽过热器(10)接到除尘器(9)，除尘器(9)通过富氢合成气管道(3)连接到一氧化碳转化装置(4)，一氧化碳转化装置(4)通过管道连接到引风机(8)的吸入口，引风机(8)的出口通过管道连接到净化吸收装置(5)；余热回收装置(11)的蒸汽输出接口通过蒸汽管道(1)连接到蒸汽过热器(10)的蒸汽入口，蒸汽过热器(10)的蒸汽出口通过蒸汽管道连接到蒸汽发电机组或热能终端设备(2)；净化吸收装置(5)的上部有氢气输出接口(6)，下部有二氧化碳输出接口(7)；电源控制柜(14)各输出端分别通过导线连接到等离子体发生器(13)的阴极和阳极、上料机构(15)的马达、引风机(8)的马达；垃圾或生物质原料通过上料机构(15)进入到反应炉(12)的料斗内。
6.一种实现权利要求1所述方法的设备，其特征是以农业废弃物或林业废弃物为原料的富氢合成气反应炉(12)由热解气集聚区(VII)、烘干区(VI)、热解区(V)和燃烧区(IV)构成主反应区及由燃烬段(III)、灰渣分离段(II)和裂解段(I)构成燃烬区，主反应区与燃烬区之间用耐火隔墙(17)隔开，其中：热解气集聚区(VII)、烘干区(VI)、热解区(V)和燃烧区(IV)之间相通，主反应区的最下部是燃烧区(IV)，燃烧区(IV)的上面是热解区(V)，热解区(V)的上面是烘干区(VI)，烘干区(VI)的上面为热解气集聚区(VII)；燃烬区的燃烬段(III)、灰渣分离段(II)和裂解段(I)相互间连通，燃烬区的最下部是燃烬段(III)，燃烬段(III)的上面是灰渣分离段(II)，灰渣分离段(II)的上面是裂解段(I)；燃烬段(III)的下部与燃烧区(IV)的下部连通，热解气集聚区(VII)与裂解段(I)之间有通道(22)连通；主反应区的燃烧区(IV)底部及燃烬区的燃烬段(III)底部有布风板(30)，布风板(30)的底下有多只喷嘴组合而成的多喷嘴等离子体燃烧器(29)；反应炉(12)的炉墙(28)和隔墙(17)使用耐火材料，炉墙(28)与外壳(34)之间为保温层(31)；在燃烬段(III)入口处装有光敏元件(24)；在烘干区(VI)沿炉墙装有低料位传感器(32)和高料位传感器(33)；在裂解段(I)处装有温度传感器(21)。
7.根据权利要求6所述的一种设备，其特征是以工业固体废物或城市垃圾替代农业废弃物或林业废弃物为原料的富氢合成气反应炉，在反应炉(12)的热解区(V)的炉墙上还装有温度传感器(21b)及在热解气通道(22)的入口处还设置有脱氯/脱硫装置(35)，在运行中，把热解气的温度控制在600～700℃之间，让热解气通过脱氯/脱硫后再进入到裂解段(I)。
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