CN105129729A - 联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法及系统 - Google Patents

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王希
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Abstract

本发明公开了一种联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法及系统，其工艺流程是：将有害废物进行烘干破碎，然后进行等离子电弧高温气化，分解出小分子一氧化碳和氢气，无机物和重金属被有害废物渣生成的玻璃熔融体包裹形成熔融渣，熔融渣冷却固化形成建材固渣；气化产生的高温粗气与水蒸汽混合降温，并通过催化剂进行变换反应去除一氧化碳得到富氢气体；富氢气体经过旋风除尘洗涤得到氢气用于制备燃料氢电池；本发明可根据有害废物处理需求量稳定调节输出功率，采用等离子气化炉大大降低投资与运行维护成本；氢气纯度高，能直接应用于燃料氢电池；用于洗涤的喷淋废液可循环用于变换反应，不需要另外进行处理和环保排放。

Description

联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法及系统
技术领域
本发明涉及有害垃圾等含碳废物的处理利用方法，具体是一种联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法及系统。
背景技术
目前等离子气化技术与燃料氢电池相结合的应用范围集中在等离子电极间喷入电解质直接产生氢气供燃料电池（例如：公开号为CN100521322C、CN101453028A、CN10394592B等的中国专利文献公开的技术方案），又或等离子气化处理危险废固应用主要为气化气直燃发电，且氢气含量占总有效气体成分有限，尚无气化气与市场化的燃料氢电池相结合等离子气化处理有害废物的相关利用技术（例如：公开号为CN103506366的中国专利文献公开的技术方案）。
高温等离子体气化技术主要有石墨电弧法和直流电极法。石墨电弧法以石墨为阴极电极，炉底耐火材料为阳极形成导电回路从而引弧，但在现有电弧炉冶炼及相关处理行业内存在石墨电极易折断和设备大型化的问题，有待对超高功率的石墨电极质量和运行操作方面进行优化，如公开号为CN103506366的中国专利文献公开的技术方案中，等离子废物气化和发电系统的设计中所使用的石墨电弧法和微波法技术，就存在下述问题，主要表现在：
（1）石墨电极存在化学反应损失（端头挥发、电极侧壁氧化等），和非正常消耗（电极折断、电极头残损剥落等）两大类较为普遍的消耗问题，虽然石墨电极成本在总成本中仅占有极小比例，但电极的损耗影响到连续生产是不争的事实，因此有待高质量石墨电极的研发。
（2）启弧、熔融、终了阶段对电弧输入功率大小的控制要求较高，极易烧坏炉顶和炉壁，缩短设备的使用寿命。
此外，公开号为CN103506366的中国专利文献公开的技术方案中，气化产生的气体为氢气和一氧化碳，直接输入固体氧化物燃料氢电池进行发电，氢气含量在有效气体组成中的比例有限，应用于燃料氢电池的效率不高。
发明内容
本发明针对现有技术中等离子体石墨电弧技术的缺陷和不足，提供一种联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法及系统，利用等离子直流电弧炉气化处理有害废物，并将气化气重整提高氢气含量，供燃料氢电池使用，达到无害化处理危险废物的同时，通过重整气化气提高产品气品质直接为燃料氢电池所用，实现降低环保技术投资成本和有害资源的再利用、提高能源利用效率的目的。
本发明的具体技术方案如下：
一种联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其工艺流程如下：
步骤1，首先将有害废物进行105℃烘干破碎，烘干温度为100-110℃，然后经过等离子气化，在等离子电弧高温作用下，有害废物分解出小分子的一氧化碳和氢气，有害废物中的无机物和重金属被有害废物渣生成的玻璃熔融体包裹形成熔融渣，熔融渣排出后冷却固化形成稳定无害的建材固渣；
步骤2，步骤1中气化产生的含有小分子一氧化碳和氢气的高温粗气与水蒸汽混合并降温，并通过铁铬高温催化剂和铜基催化剂进行变换反应去除一氧化碳得到富氢气体；
步骤3，步骤2得到的富氢气体先经过冷凝液的旋风除尘，再经过喷淋洗涤，吸收富氢气体中含有残余二氧化碳的水溶性气体，得到氢气，并进一步捕捉飞灰细颗粒；
步骤4，用于洗涤完富氢气体后的冷凝液被集中到与水混合，混合后经过雾化成水蒸汽，并再次用于步骤2中的混合降温使用；
步骤5，将步骤3得到的氢气用于制备燃料氢电池。
步骤1中，有害废物被破碎的最大粒径等于或小于50mm。
步骤2中，高温粗气在混合降温前的温度为850—1000℃，降温后温度为180—350℃。
步骤2中，所述富氢气体的有效氢气体积含量高达99%以上。
适用于上述等离子气化有害废物利用方法的处理系统，其特征在于：包括等离子气化炉、重整室和旋风洗涤塔；等离子气化炉的前端进料口连接有害废物来源，等离子气化炉的高温粗气出气口连接至重整室的入口，等离子气化炉的底部设置有熔融渣排出口，重整室的顶部连接有水蒸汽来源，重整室还设置有富氢气体出口，富氢气体出口连接至旋风洗涤塔的入口，旋风洗涤塔的气体出口连接至燃料氢电池制备装置。
所述等离子气化炉的等离子炬的工作气体可以为氮气，或者空气，或者富氧气氛，以直流引弧为主要工作方式。
所述重整室为预填装有变换催化剂的具有水冷壁的筒形腔室。
所述重整室顶部的水蒸汽来源的管线上设置有一雾化器，雾化器前端通入水源。
所述旋风洗涤塔的顶部设置有用后的冷凝废液回收管道，冷凝废液回收管道连接至雾化器前端的水源。
所述旋风洗涤塔顶部设置有用于洗涤气体的喷淋液来源管道。
所述旋风洗涤塔为旋风除尘和湿式喷淋洗涤相连的设备，富氢气体先经过旋风除尘再经过喷淋洗涤。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明可根据有害废物处理需求量稳定调节输出功率，等离子气化炉的工作原理为直流引弧，电极不易损耗，大大降低投资与运行维护成本；
（2）本发明产出的氢气占有效气体体积高达99%以上，能直接应用于燃料氢电池；
（3）本发明喷淋洗涤的废液集中送返至雾化器前与水混合，参与变换反应，实现重复循环使用，不需要另外进行处理和环保排放。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
其中，附图标记为：1有害物质，2水，3高温粗气，4富氢气体，5氢气，6熔融渣，7冷凝液，8喷淋液，a等离子气化炉，b重整室，c旋风洗涤塔，d燃料氢电池制备装置，e雾化器。
具体实施方式
如图1所示，一种联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其工艺流程如下：
步骤1，首先将有害废物进行烘干破碎，烘干温度为100-110℃,然后经过等离子气化，在等离子电弧高温作用下，有害废物1分解出小分子的一氧化碳和氢气，有害废物1中的无机物和重金属被有害废物渣生成的玻璃熔融体包裹形成熔融渣6，熔融渣6排出后冷却固化形成稳定无害的建材固渣；
步骤2，步骤1中气化产生的含有小分子一氧化碳和氢气的高温粗气3与水蒸汽混合并降温，并通过铁铬高温催化剂和铜基催化剂进行变换反应去除一氧化碳得到富氢气体4；所述富氢气体4的有效氢气体积含量高达99%以上；
步骤3，步骤2得到的富氢气体4先经过冷凝液7的旋风除尘，再经过喷淋洗涤，吸收富氢气体4中含有残余二氧化碳的水溶性气体，得到氢气5，并进一步捕捉飞灰细颗粒；
步骤4，用于洗涤完富氢气体4后的冷凝液7被集中到与水2混合，混合后经过雾化成水蒸汽，并再次用于步骤2中的混合降温使用；
步骤5，将步骤3得到的氢气5，用于制备燃料氢电池。
步骤1中，有害废物1被破碎的最大粒径等于或小于50mm。
步骤1中，烘干温度可以为100℃、102℃，也可以为105℃，也可以为110℃。
步骤2中，高温粗气3在混合降温前的温度为850—1000℃，降温后温度为180—350℃。
适用于上述等离子气化有害废物利用方法的处理系统，其结构包括等离子气化炉a、重整室b和旋风洗涤塔c；等离子气化炉a的前端进料口连接有害废物1来源，等离子气化炉a的高温粗气出气口连接至重整室b的入口，等离子气化炉a的底部设置有熔融渣排出口，重整室b的顶部连接有水蒸汽来源，重整室b还设置有富氢气体出口，富氢气体出口连接至旋风洗涤塔c的入口，旋风洗涤塔c的气体出口连接至燃料氢电池制备装置d。
所述等离子气化炉a由金属壳体、耐火衬里、等离子炬、进料器、熔融出渣口和气化气出口通道组成；所述等离子炬可以为氮气，或者空气，或者富氧气氛的工作气体，以直流引弧为主要工作方式。
所述重整室b为预填装有变换催化剂的具有水冷壁的筒形腔室。
所述重整室b顶部的水蒸汽来源的管线上设置有一雾化器e，雾化器e前端通入水源。
所述旋风洗涤塔c的顶部设置有用后的冷凝废液回收管道，冷凝废液回收管道连接至雾化器e前端的水源。
所述旋风洗涤塔c顶部设置有用于洗涤气体的喷淋液来源管道。

Claims (10)

1.联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其特征在于工艺流程如下：
步骤1，首先将有害废物（1）进行105℃烘干破碎，烘干温度为100-110℃,然后经过等离子气化，在等离子电弧高温作用下，有害废物（1）分解出小分子的一氧化碳和氢气，有害废物（1）中的无机物和重金属被有害废物渣生成的玻璃熔融体包裹形成熔融渣（6），熔融渣（6）排出后冷却固化形成稳定无害的建材固渣；
步骤2，步骤1中气化产生的含有小分子一氧化碳和氢气的高温粗气（3）与水蒸汽混合并降温，并通过铁铬高温催化剂和铜基催化剂进行变换反应去除一氧化碳得到富氢气体（4）；
步骤3，步骤2得到的富氢气体（4）先经过冷凝液（7）的旋风除尘，再经过喷淋洗涤，吸收富氢气体（4）中含有残余二氧化碳的水溶性气体，得到氢气（5），并进一步捕捉飞灰细颗粒；
步骤4，用于洗涤完富氢气体（4）后的冷凝液（7）被集中到与水（2）混合，混合后经过雾化成水蒸汽，并再次用于步骤2中的混合降温使用；
步骤5，将步骤3得到的氢气（5）用于制备燃料氢电池。
2.根据权利要求1所述的联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其特征在于：步骤1中，有害废物（1）被破碎的最大粒径等于或小于50mm。
3.根据权利要求1所述的联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其特征在于：步骤2中，高温粗气（3）在混合降温前的温度为850—1000℃，降温后温度为180—350℃。
4.根据权利要求1所述的联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其特征在于：步骤2中，所述富氢气体（4）的有效氢气体积含量高达99%以上。
5.适用于权利要求1-4所述的等离子气化有害废物利用方法的处理系统，其特征在于：包括等离子气化炉（a）、重整室（b）和旋风洗涤塔（c）；等离子气化炉（a）的前端进料口连接有害废物（1）来源，等离子气化炉（a）的高温粗气出气口连接至重整室（b）的入口，等离子气化炉（a）的底部设置有熔融渣排出口，重整室（b）的顶部连接有水蒸汽来源，重整室（b）还设置有富氢气体出口，富氢气体出口连接至旋风洗涤塔（c）的入口，旋风洗涤塔（c）的气体出口连接至燃料氢电池制备装置（d）。
6.根据权利要求5所述的联合燃料氢电池的等离子气化有害废物利用方法，其特征在于：所述等离子气化炉（a）的等离子炬的工作气体为氮气，或者空气，或者富氧气氛，以直流引弧为主要工作方式。
7.根据权利要求5所述的处理系统，其特征在于：所述重整室（b）为预填装有变换催化剂的具有水冷壁的筒形腔室。
8.根据权利要求5或7所述的处理系统，其特征在于：所述重整室（b）顶部的水蒸汽来源的管线上设置有一雾化器（e），雾化器（e）前端通入水源。
9.根据权利要求5所述的处理系统，其特征在于：所述旋风洗涤塔（c）的顶部设置有用后的冷凝废液回收管道，冷凝废液回收管道连接至雾化器（e）前端的水源。
10.根据权利要求5或9所述的处理系统，其特征在于：所述旋风洗涤塔（c）顶部设置有用于洗涤气体的喷淋液来源管道。
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