CN107142125A - 一种污泥化学链气化定向制取合成气方法及实现该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥化学链气化定向制取合成气方法，包括如下步骤：(1)将氧载体、载气和污泥通入污泥反应器进行化学链气化反应，反应温度为850℃～950℃，氧载体反应时间4～15s，得到合成气、污泥灰和还原态氧载体；(2)将得到的合成气、污泥灰和还原态氧载体通入一次分离系统，将还原态氧载体进行分离，得到合成气和污泥灰的混合物，分离温度为350℃～500℃，分割粒径为2～4mm。本发明采用化学链气化的方式将污泥中有机物定向转化为高品质合成气，合成气中气体比例可通过不同反应气氛定向调控，并且氧载体对反应产生的焦油具有催化裂解作用，合成气焦油含量较低，适用于燃气发电、FT合成或燃料电池。

Description

一种污泥化学链气化定向制取合成气方法及实现该方法的 装置
技术领域：
本发明属于燃料清洁气化、功能材料和环境保护技术领域，具体涉及一种污泥化学链气化定向制取合成气方法及实现该方法的装置。
背景技术：
近年来随着城镇化和经济的快速发展，我国污水排放量和处理量呈快速上升趋势。根据国家统计局公布的《2015年国民经济和社会发展统计公报》可知，截至2015年年末，我国城市污水处理厂日处理能力达到13784万立方米，比上年末增长5.3％；城市污水处理率达到91.0％，提高0.8个百分点。作为污水处理过程中的终端产物，近年来污泥产量也在不断上升，2015年生活污泥产量为3500万吨，同比增长16％。随着“十三五”的到来，污泥量还会增加，预计到2020年，我国的市政污泥产量将达到6000万吨-9000万吨。
与污泥产量连年递增趋势相背的是我国污泥有效处理率偏低。作为污水处理的副产物，污泥的成分十分复杂。污泥中除含有大量的水分外，还含有重金属、有机质、氮磷等营养元素以及有机物等。如果不对污泥进行妥善处理，很容易造成环境污染、资源浪费以及危害人体健康。传统的污泥处理方法主要有卫生填埋、农田堆肥、海洋倾倒、污泥焚烧等方式，存在占地广、投资大、环境污染严重等缺点。
鉴于传统污泥处理方法的弊端日益显现，人们开始研究较新的污泥处理方法，以建立绿色循环经济、实现污泥的无害化、减量化、资源化。但现有的技术虽然有效地抑制了产生二噁英的条件，提高了资源使用效率，实现污泥的资源与减量化，但是还存在能耗高，气体焦油含量大，生成气体热值低等不足的问题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种污泥化学链气化定向制取合成气方法及实现该方法的装置，本发明提出的方法不需要复杂的提纯分离工艺，能耗低，热值高，焦油含量低，气体污染物少，操作简单，气化后的灰分中还可提取可溶性磷酸盐，达到污泥资源高效清洁利用的目的。
本发明的第一个目的是提供一种污泥化学链气化定向制取合成气方法，包括如下步骤：
(1)将氧载体、载气和含水率为5％～30％的污泥通入污泥反应器进行化学链气化反应，所述的污泥与氧载体的质量比为0.1～1:1，反应温度为850℃～950℃，氧载体反应时间4～15s，得到合成气、污泥灰和还原态氧载体；
(2)将步骤(1)中反应后得到的合成气、污泥灰和还原态氧载体通入一次分离系统，将还原态氧载体进行分离，得到合成气和污泥灰的混合物，分离温度为350℃～500℃，分割粒径为2～4mm；
(3)将步骤(2)中分离后的还原态氧载体通入氧化反应器，反应温度为900℃～1000℃，反应时间为2～10s，使还原态氧载体被氧化为未进行化学链气化反应前的初始状态，再通入污泥反应器进行化学链气化反应，步骤(2)中得到的合成气和污泥灰的混合物通入二次分离系统，将合成气和污泥灰进行分离，分离温度为250℃～300℃，分割粒径为0.25～1mm；
(4)将经过步骤(3)分离后的污泥灰经磷回收单元回收污泥中的磷元素，获得可溶性磷酸盐，分离出的合成气用于发电、费托合成或者燃料电池的制作。
化学链气化反应在污泥气化反应器中发生，其为在不同的载气气氛下，氧载体中的晶格氧作为污泥气化的气化剂使污泥部分氧化获得合成气。氧载体再生反应为失去晶格氧的氧载体与空气反应重新获得晶格氧的反应，氧载体再生过程在氧化反应器中进行，一次分离系统为氧载体与夹带污泥灰的合成气分离，分离产物为氧载体与携带污泥灰的合成气，二次分离系统为合成气与污泥灰的分离，分离产物为合成气与较轻的污泥灰，磷回收单元用于浸提回收污泥灰中的磷，磷回收单元为中性或弱酸性水浸渍过滤单元，二次分离系统分离下来的污泥灰经水浸提结晶后可获得可溶性的磷酸盐。
本发明提出的污泥化学链气化定向制取合成气方法的原理是：整个化学链气化反应系统分为两步在循环流化床中完成，首先，通过控制固体氧载体颗粒循环速率和干化污泥的进料量，使污泥在污泥反应器内被部分氧化成H2和CO为主的合成气，同时氧载体被还原为低价的金属氧化物；接着，还原后的金属氧载体经一次分离系统分离后被输送至氧化反应器，在此反应器内氧载体重新被氧化为初始状态；剩余混合物经二次分离系统分离后可获得以CO与H2为主的合成气，可用于后期的发电、费托合成等工艺；分离下来的污泥灰经磷分离单元可获得溶性磷酸盐；两个过程交替往复进行，实现污泥化学链气化过程的连续进行。
优选，所述的氧载体选自Fe2O3、NiO、CuO、MnO2、Co2O3、NiFe2O4、CeO2、Al2O3、SrO2、钙钛矿和铁矿石中的一种以上。氧载体的制备方法是采用共沉淀法、浸渍法或有机合成法制备前驱体，前驱体经800℃～1000℃煅烧4～6小时后经粉碎筛分，获得所述的氧载体。
进一步的，所述的氧载体选自铜基氧载体、铁矿石和NiFe2O4中的一种。铜基氧载体的制备步骤是：CuO、Al2O3分析纯按质量比为7:3机械混合均匀后，经行星成型机成型、在900℃下煅烧4小时，粉碎筛分为40-60目颗粒，形成铜基氧载体。
优选，所述的载气为氮气、惰性气体、二氧化碳或水蒸气。
优选，污泥经过脱水干燥至含水率为5％～30％的污泥，干燥温度为80℃～110℃。控制污泥的含水率，有益于控制后续生成合成气品质。
优选，所述的污泥与氧载体的质量比为0.4～0.5:1。
本发明的第二个目的是提供一种实现污泥化学链气化定向制取合成气方法的装置，包括用于污泥和氧载体发生化学炼气化反应的污泥反应器，所述的污泥反应器的第一出口与一次分离系统的第三入口连通，所述的一次分离系统的第三出口与氧化反应器的第四入口连通，所述的一次分离系统的第二出口与二次分离系统的第五入口连通，所述的二次分离系统的第五出口与磷回收单元的第六入口连通，所述的二次分离系统上设置有合成气出口，所述的氧化反应器的第四出口与污泥反应器的第一入口连通。
本发明提出的装置具有方便操作，易于大规模生产，经济效益好的优点。
优选，所述的污泥反应器上设置有用于通入污泥和氧载体进入污泥反应器的第二入口，所述的污泥反应器底部还设置有载气入口。所述的氧化反应器上设置有空气进入的空气入口和贫氧空气出口。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用化学链气化的方式将污泥中有机物定向转化为高品质合成气，合成气中H2与CO比例可通过不同反应气氛定向调控，并且氧载体对反应产生的焦油具有催化裂解作用，合成气焦油含量较低，适用于燃气发电、FT合成或燃料电池。
2、该反应采用氧载体晶格氧代替分子氧，无需纯氧制备，工艺简单，成本低廉。
3、因化学链反应没有氧分子直接参与，污泥中碳、氮、氯等难以反应生成二噁英、NOx等污染物，合成气也不会被空气稀释，热值较高。
4、污泥反应器中为弱还原气氛，污泥灰中矿物质不会氧化烧结，形成玻璃体，并且反应中污泥磷元素与水反应还可生成水溶性的磷酸一氢盐或磷酸二氢盐，此类盐易被植物吸收是优良的农业磷肥，易于浸提与结晶，后续处理简单。
5、相比污泥热解，污泥化学链气化可以实现能量梯级利用，效率更高。因此，该技术具有适应性广，环境友好，效益显著，成本低廉等优点。
附图说明：
图1是本发明污泥化学链气化制取高品质合成气的装置结构示意图；
附图标记说明：1、污泥反应器；11、第二入口；12、载气入口；13、第一出口；14、第一入口；2、一次分离系统；21、第三入口；22、第二出口；23、第三出口；3、氧化反应器；31、第四入口；32、贫氧空气出口；33、空气入口；34、第四出口；4、二次分离系统；41、第五入口；42、合成气出口；43、第五出口；5、磷回收单元；51、第六入口；52、灰渣排放口；6、第一气体密封室、7、第二气体密封室。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。本发明中一次分离系统和二次分离系统采用Lapple型通用旋风分离器，根据实际分离的物料物性、分割粒径及处理量来看，该分离系统具有更好的分离效率及原料适用性。
实施例1：
本实施例中公开了的污泥化学链气化定向制取合成气的方法，通过以下技术方案予以实现：
脱水干燥：污泥在80℃的条件下干燥经脱水到含水率为5％。
氧载体制备：CuO、Al2O3分析纯按质量比为7:3机械混合均匀后，经行星成型机成型、在900℃下煅烧4小时，粉碎筛分为40-60目颗粒，作为污泥化学链气化的铜基氧载体。
化学链气化：开启螺旋进料器，干化污泥从第二入口1进入污泥反应器，进料量为1kg/h；将制备好的铜基氧载体经污泥和氧载体的第二入口11进入污泥反应器1中的循环流化床系统，同时通过载气入口12通入载气，在本实施例中以N2为载气，使氧载体在系统中稳定循环，循环量为120kg/h；设定污泥反应器温度为850℃，在污泥反应器中，污泥与氧载体反应生成CO、H2为主要成分的合成气，氧载体被还原为还原态氧载体，反应时间为10s。
经过化学链气化反应后的污泥灰、还原态氧载体与合成气混合物经污泥反应器的第一出口13进入到一次分离系统2的第三入口21进行分离，一次分离系统2的分离温度为350℃，分割粒径为2～4mm，经一次分离系统2后的污泥灰与合成气混合物经第二出口22排出，由第五入口41进入二次分离系统4进一步分离，二次分离系统4温度为250℃，分割粒径为0.25～1mm，所获得合成气经合成气出口42排出，可用于气化发电、FT合成、燃料电池等，剩余的污泥灰经第五出口43排出，通过第六入口51进入磷回收单元5浸提回收可溶性磷酸盐后，剩余的灰渣由灰渣排放口52排出。
由一次分离系统2的第三出口23排出的还原态氧载体，经第四入口31进入氧化反应器3再生，氧化反应器温度为900℃，氧化反应时间为5s，再生后的氧化态氧载体经氧化反应器3的第四出口34排出，进入污泥反应器1的第一入口14循环反应，过程持续进行；新鲜空气由空气入口33进入氧化反应器3，空气流量为15m3/h，氧化反应后的贫氧空气经贫氧空气出口32排出；在一次分离系统2与氧化反应器3、污泥反应器1与氧化反应器3之间分别设置有第一气体密封室6和第二气体密封室7，防止气体反窜。
实施结果，生成合成气相对组成(体积分数)为H2 29.81％，CO 39.22％，CO223.83％，CH4 7.14％。污泥碳的转化率为86.27％。
化学链气化过程中污泥反应器载气可以由生成合成气部分回流提供，以提升生成合成气热值，所述氧载体可以增加Ni基等复合氧载体，以进一步降低合成气焦油含量，所述反应温度及停留时间可进一步改进，以提高污泥转化效率，所述磷回收单元可以采用弱酸性溶剂增加磷的浸出量。
实施例2：
由于污泥化学链气化定向制取合成气的方法及装置与实施例1相同，此处不再赘述，只在表1中列出实施条件和实施结果，如表1所示。
表1基于改性铁矿石氧载体的污泥化学链气化定向制取合成气实施条件及结果
本实施例中改性铁矿石的制备方法是：将天然铁矿石粉碎、筛分后后，等体积浸渍Ni(NO3)2或CoNi(NO3)2，随后105℃～280℃干燥6小时，再经900℃煅烧3小时即得改性铁矿石。
实施例3：
由于污泥化学链气化定向制取合成气的方法及装置与实施例1相同，此处不再赘述，只在表2中列出实施条件和实施结果，如表2所示。
表2基于NiFe2O4氧载体的污泥化学链气化定向制取合成气实施条件及结果
实施例1与实施例2区别在于所采用的氧载体及反应温度不同，相比实施例1中的合成铜基氧载体，实施例2中的改性铁矿石具有更好的反应活性及碳转化效率，获得的合成热值也更高；另外提高反应温度有利于污泥化学链气化过程。实施例3中采用合成的NiFe2O4为氧载体，具有更好的碳转化效率及合成气热值，但相对而言，成本较高。有以上实施例可以得出：合成NiFe2O4氧载体具有最好的反应活性，但成本较高；改性铁矿石成本相对较低，反应活性适中，且具有较好的环保特性，较好地适用于污泥的化学链气化过程；同时反应温度提高对化学链气化过程有利。
本发明采用化学链气化的方式将污泥中有机物定向转化为低成本、高热值、低焦油含量合成气，且组分可定向调控，可用于燃气发电、FT合成或燃料电池；反应没有氧分子直接参与，二噁英类物质，NOx等污染物生成得到抑制；还可生成水溶性的磷酸一氢盐或磷酸二氢盐，同时实现能量梯级利用，效率更高。因此，该技术具有环境友好，成本低廉，效益显著等优点。
以上对本发明提供的污泥化学链气化定向制取合成气方法及实现该方法的装置进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将氧载体、载气和含水率为5％～30％的污泥通入污泥反应器进行化学链气化反应，所述的污泥与氧载体的质量比为0.1～1:1，反应温度为850℃～950℃，氧载体反应时间4～15s，得到合成气、污泥灰和还原态氧载体；
(2)将步骤(1)中反应后得到的合成气、污泥灰和还原态氧载体通入一次分离系统，将还原态氧载体进行分离，得到合成气和污泥灰的混合物，分离温度为350℃～500℃，分割粒径为2～4mm；
(3)将步骤(2)中分离后的还原态氧载体通入氧化反应器，反应温度为900℃～1000℃，反应时间为2～10s，使还原态氧载体被氧化为未进行化学链气化反应前的初始状态，再通入污泥反应器进行化学链气化反应，步骤(2)中得到的合成气和污泥灰的混合物通入二次分离系统，将合成气和污泥灰进行分离，分离温度为250℃～300℃，分割粒径为0.25～1mm；
(4)将经过步骤(3)分离后的污泥灰经磷回收单元回收污泥中的磷元素，获得可溶性磷酸盐，分离出的合成气用于发电、费托合成或者燃料电池的制作。
2.根据权利要求1所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：所述的氧载体选自Fe2O3、NiO、CuO、MnO2、Co2O3、NiFe2O4、CeO2、Al2O3、SrO2、钙钛矿和铁矿石中的一种以上。
3.根据权利要求2所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：所述的氧载体的制备方法是采用共沉淀法、浸渍法或有机合成法制备前驱体，前驱体经800℃～1000℃煅烧4～6小时后经粉碎筛分，获得所述的氧载体。
4.根据权利要求2所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：所述的氧载体选自铜基氧载体、铁矿石和NiFe2O4中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：所述的载气为氮气、惰性气体、二氧化碳或水蒸气。
6.根据权利要求1或2所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：污泥经过脱水干燥至含水率为5％～30％的污泥，干燥温度为80℃～110℃。
7.根据权利要求1或2所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法，其特征在于：所述的污泥与氧载体的质量比为0.4～0.5:1。
8.一种实现权利要求1所述的污泥化学链气化定向制取合成气方法的装置，其特征在于：包括用于污泥和氧载体发生化学炼气化反应的污泥反应器，所述的污泥反应器的第一出口与一次分离系统的第三入口连通，所述的一次分离系统的第三出口与氧化反应器的第四入口连通，所述的一次分离系统的第二出口与二次分离系统的第五入口连通，所述的二次分离系统的第五出口与磷回收单元的第六入口连通，所述的二次分离系统上设置有合成气出口，所述的氧化反应器的第四出口与污泥反应器的第一入口连通。
9.根据权利要求8所述的实现污泥化学链气化定向制取合成气方法的装置，其特征在于：所述的污泥反应器上设置有用于通入污泥和氧载体进入污泥反应器的第二入口，所述的污泥反应器底部还设置有载气入口。
10.根据权利要求8所述的实现污泥化学链气化定向制取合成气方法的装置，其特征在于：所述的氧化反应器上设置有空气进入的空气入口和贫氧空气出口。
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