CN108130346A - 一种利用污泥热化学反应制氢的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种利用污泥热化学反应制氢的方法，将粉碎的干污泥与氢氧化钠固体放到氧化铝磁舟中，机械搅拌，使两者混合均匀；将氧化铝磁舟放入管式炉中，通入并充满氮气，管式炉的出口连接有冷凝装置；开始反应，在反应过程中持续通入氮气，提供惰性热解气氛；设定管式炉升温程序并启动管式炉，到达终温后保持一定时间；反应过程中从冷凝装置后面收集气体，本发明还提供了一种利用污泥热化学反应制氢的系统，包括管式炉，管式炉的出口连接冷凝装置，冷凝装置的气体出口通过三通阀门连接气体收集袋和带有微型气相色谱分析结果输出显示屏的微型气相色谱分析仪器，本发明具有原材料易于获得，制氢过程时间短，操作简单，高温热解条件下有效吸收温室气体的优点。

Description

一种利用污泥热化学反应制氢的方法与系统

技术领域

本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，涉及一种利用污泥热化学反应制氢的方法与系统，特别涉及一种利用污泥在热解条件下与氢氧化钠发生反应生产氢气的方法。

背景技术

随着社会和经济的高速发展，人类生活水平的不断提高，在使用更多资源的同时也产生了更多的固体废物，污泥就是其中具有代表性的一类固体废物，由于污泥具有含水率高，有机物含量高，容易腐化发臭的特点，已经成为固体废物中处理处置的一大难题。

污泥处理处置方法有填埋、堆肥和焚烧等。填埋的方式虽然操作简便，处理成本低，技术成熟，但是占用大量的土地资源使其无法满足垃圾减量化、资源化的要求，并且对于目前市场上大量存在的不符合环境标准的填埋也使其无法满足无害化的要求。堆肥的方式运行管理简单，降解程度高，但是处理过程占地面积大，土地利用率不高。焚烧的方式使污泥再过量空气存在的条件下发生氧化分解，可以很好的实现减量化，但是处理费用较高并且产物中会有大量有害气体与重金属粉尘。对污泥进行惰性气氛下的热化学处理是近期比较受欢迎的一种处理处置手段，在对污泥进行热化学处理不仅可以处置废物，与此同时还可以回收能源，而能源的重要性不言自明。

能源对于经济的发展是至关重要的，在过去的几十年里，人类长期依赖于化石能源，导致化石能源储量急剧下降。除此之外，化石能源的使用对环境所造成的破坏日益严重。所以，寻找一种可再生、清洁无污染的替代能源十分必要。氢气作为具备高热值、可循环、燃烧迅速、燃烧性能好、无毒、产物无污染等优点的清洁能源，是最理想的替代能源之一。利用污泥生产氢能，就可以在处理污泥这一危险废物的同时产生清洁能源，是一件一举两得的事情。

近年来，热处理方法是处理污泥的一种行之有效的方法，且污泥经过这种方法的处理后，可以达到无害化的效果，污泥中的重金属可以被固定在热处理后的生物炭中，并且可以从热处理过程中回收能源。在热处理污泥的工艺流程中，其中最关键的步骤之一就是寻求高效的反应物与污泥进行热化学反应。

现在,在生物质废物热化学处理中，氢氧化钠是近年来被提出来具有与生物质废物进行热反应后发挥产氢潜能的一种物质。一方面，氢氧化钠可以促进污泥在热处理过程中产生氢气；另一方面，氢氧化钠可以把热处理过程中产生的二氧化碳吸收掉，减少温室气体的排放，对阻碍全球变暖起到了一定的效果。氢氧化钠作为反应原料可直接从市场上获得，不需要进行任何的预处理即可进行反应，大大简化了反应的操作步骤。

刘俊新等在专利(专利号为CN1618980A)提到一种利用污水厂剩余污泥厌氧发酵制氢的方法和装置，需将活性污泥先用碱调节pH为12.0～13.0后搅拌12～24小时，并且在连续泵入厌氧发酵产氢反应器中，污泥停留时间为12～24小时，这些步骤都使得污泥制氢过程的时间很长。而专利CN101041831公开的一种活性污泥制氢的方法，需要先在20KHz频率下超声波预处理，再调节pH，调节温度，充入氮气，最后慢速搅拌，避光反应10-30小时，这个制氢过程不仅耗时长，一系列的操作也增加了制氢的复杂程度。综上所述，现存利用污泥产氢的方法中主要存在以下两点问题：

(1)制氢过程耗时长；

(2)实际操作流程复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用污泥热化学反应制氢的方法与系统，该方法具有操作步骤简单，操作条件易于控制，制氢过程耗时短，可有效去除污泥热处理过程中产生的二氧化碳等温室气体的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用污泥热化学反应制氢的方法，包括如下步骤：

1)将粉碎的干污泥与氢氧化钠固体放到氧化铝磁舟中，机械搅拌，使两者混合均匀；

2)将氧化铝磁舟放入管式炉中，通入并充满氮气，管式炉的出口连接有冷凝装置；

3)开始反应，在反应过程中持续通入氮气，提供惰性热解气氛；

4)设定管式炉升温程序并启动管式炉，到达终温后保持一定时间；

5)反应过程中从冷凝装置后端收集气体。

所述干污泥通过如下途径获取：

取来自二沉池的活性污泥，将活性污泥置于恒温鼓风干燥箱中过夜干燥，用粉碎机粉碎干燥后的干污泥，选取可以通过80目筛的污泥颗粒进行后续制氢的流程。

优选地，所述的二沉池的活性污泥应为市政污水厂的二沉池的活性污泥，恒温鼓风干燥箱温度优选为105℃，干燥时间优选为12h。

所述干污泥与氢氧化钠固体的质量比为1:2～1:4，优选为1:3。

所述氧化铝磁舟先置于耐高温石英管中，然后随密封好的石英管一同放入管式炉中，氮气质量流量为50～100mL/min，优选为70mL/min，利用微型气相色谱仪器监控氮气是否充满，反应系统充满氮气的标志为微型气相色谱仪器所连接的显示屏上的氮气浓度显示为100％。

所述管式炉升温程序为从20℃升温至终温，升温速率为5～20℃/min，优选为10℃/min，在终温保持一定时间，使管式炉升温时间与管式炉恒温时间之和为120min。其中终温范围为300～500℃，优选为500℃。

对收集的气体，通过微型气相色谱仪器分析及定量计算氢气产量，用于计算氢气产量的氢气浓度数据需为与微型气相色谱仪器相连的电脑显示屏上的氢气浓度示数稳定后的数据。

本发明还提供了一种利用污泥热化学反应制氢的系统，包括管式炉3，高纯氮气储罐1与管式炉3的气体入口连接且连接管路上设置有质量流量控制器2，其特征在于，所述管式炉3中设置用于盛放干污泥与氢氧化钠固体的氧化铝磁舟，管式炉3的出口连接冷凝装置4，冷凝装置4的气体出口通过三通阀门8连接气体收集袋5和带有微型气相色谱分析结果输出显示屏7的微型气相色谱分析仪器6。

所述气体收集袋5的材料为聚四氟乙烯。

与现有技术相比，本发明具有原材料易于获得，制氢过程时间短，操作简单，高温热解条件下有效吸收温室气体的优点。

附图说明

图1为本发明污泥热化学反应制氢的反应系统流程图。

图中：1-高纯氩气；2-质量流量控制器；3-管式炉；4-冷凝装置；5-气体收集袋；6-微型气相色谱分析仪器；7-微型气相色谱分析结果输出显示屏；8-三通阀门。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合实施例对本发明的构思作进一步的说明。同时，说明书中所涉及的各种原料，均购自市场。

实施例1

(1)干污泥的制备

取若干二沉池所得活性污泥，置于105℃恒温鼓风干燥箱中干燥12h后，用粉碎机将干污泥粉碎，过80目筛得过筛后干污泥颗粒。

(2)混合反应物并搭建反应系统

取1g干污泥与3g氢氧化钠置于氧化铝坩埚内，机械搅拌均匀，将氧化铝坩埚密封于耐高温石英管中，后放置于管式炉3内，按照附图1搭建好反应系统。

反应系统结构如下：高纯氮气储罐1与管式炉3的气体入口连接且连接管路上设置有质量流量控制器2，其特征在于，所述管式炉3中设置用于盛放干污泥与氢氧化钠固体的氧化铝磁舟，管式炉3的出口连接冷凝装置4，冷凝装置4的气体出口通过三通阀门8连接气体收集袋5和带有微型气相色谱分析结果输出显示屏7的微型气相色谱分析仪器6。

(3)净化系统并开始反应

向反应系统中通入氮气，氮气质量流量由质量流量控制器2控制，为70mL/min，直到与微型气相色谱连接的显示屏7的氮气浓度显示为100％，关闭通向微型气象色谱仪器6的气路，打开通向气袋5的气路。设定好的管式炉3的升温程序为从20℃升温至500℃，升温速率为10℃/min，在500℃保持72min，启动管式炉3，反应总时长120min，即气袋收集气体的时长为120min，反应过程中始终保持系统处在70mL/min的氮气惰性热解气氛中。

(4)分析及定量计算氢气产量

将气袋5内的气体混合均匀，然后连接气袋5与微型气相色谱仪器6，微型气相色谱仪器6抽气测量6次后，氢气浓度示数稳定，定量计算得到氢气产量为508mL。

实施例2

(1)干污泥的制备

取若干二沉池所得活性污泥，置于105℃恒温鼓风干燥箱中干燥12h后，用粉碎机将干污泥粉碎，过80目筛得过筛后干污泥颗粒。

(2)混合反应物并搭建反应系统

取0.5g干污泥与1.5g氢氧化钠置于氧化铝坩埚内，机械搅拌均匀，将氧化铝坩埚密封于耐高温石英管中，后放置于管式炉内，按照附图1搭建好反应系统。

(3)净化系统并开始反应

向反应系统中通入氮气，氮气质量流量由质量流量控制器控制，为70mL/min，直到与微型气相色谱连接的显示屏的氮气浓度显示为100％，关闭附图1中的通向微型气象色谱仪器的气路，打开通向气袋的气路。设定好的管式炉的升温程序为从20℃升温至500℃，升温速率为5℃/min，在500℃保持24min，启动管式炉，反应总时长120min，即气袋收集气体的时长为120min，反应过程中始终保持系统处在70mL/min的氮气惰性热解气氛中。

(4)分析及定量计算氢气产量

将气袋内的气体混合均匀，然后连接气袋与微型气相色谱仪器，卫星气相色谱仪器抽气测量5次后，氢气浓度示数稳定，定量计算得到氢气产量为203mL。

Claims (9)

1.一种利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将粉碎的干污泥与氢氧化钠固体放到氧化铝磁舟中，机械搅拌，使两者混合均匀；

2)将氧化铝磁舟放入管式炉中，通入并充满氮气，管式炉的出口连接有冷凝装置；

3)开始反应，在反应过程中持续通入氮气，提供惰性热解气氛；

4)设定管式炉升温程序并启动管式炉，到达终温后保持一定时间；

5)反应过程中从冷凝装置后端气路收集气体。

2.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，所述干污泥通过如下途径获取：

将二沉池所取活性污泥置于105℃恒温鼓风干燥箱中过夜干燥，干燥后粉碎干污泥，然后过80目筛。

3.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，所述干污泥与氢氧化钠固体的质量比为1:2～1:4。

4.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，所述氧化铝磁舟先置于耐高温石英管中，然后随密封好的石英管一同放入管式炉中，氮气质量流量为50～100mL/min，利用微型气相色谱仪器监控氮气是否充满整个反应系统。

5.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，所述管式炉升温程序为从20℃升温至终温，升温速率为5～20℃/min，在终温保持一定时间，使管式炉升温时间与管式炉恒温时间之和为120min。

6.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，所述终温范围为300～500℃。

7.根据权利要求1所述利用污泥热化学反应制氢的方法，其特征在于，对收集的气体，通过微型气相色谱仪器分析及定量计算氢气产量。

8.一种利用污泥热化学反应制氢的系统，包括管式炉(3)，高纯氮气储罐(1)与管式炉(3)的气体入口连接且连接管路上设置有质量流量控制器(2)，其特征在于，所述管式炉(3)中设置用于盛放干污泥与氢氧化钠固体的氧化铝磁舟，管式炉(3)的出口连接冷凝装置(4)，冷凝装置(4)的气体出口通过三通阀门(8)连接气体收集袋(5)和带有微型气相色谱分析结果输出显示屏(7)的微型气相色谱分析仪器(6)。

9.根据权利要求8所述利用污泥热化学反应制氢的系统，其特征在于，所述气体收集袋(5)的材料为聚四氟乙烯。