CN110241011A - 利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法 - Google Patents

利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法，装置包括粉碎筛选装置、螺旋传送器、给料机、发酵室、高温裂解室、第一气体收集器、气体反应器、蒸汽发生器和第二气体收集器；应用该装置的方法是将有机固体废弃物投入粉碎筛选装置粉碎粒化，经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入生物发酵物混合，静置发酵，产生的气体，经发酵的混合物则进入高温裂解室，在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，二次产生的气体输送至第一气体收集器；产生的气体输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，生产为氢气和水等，分离出纯氢至第二气体收集器中。本发明结构简单，运用生物技术与化学的有机结合，高效率、低成本地生产氢气。

Description

利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法
技术领域
本发明属于环保节能与能源转换技术领域。涉及一种制氢装置及方法，具体涉及一种利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法。
背景技术
目前，大量的有机固体废弃物，例如城市垃圾、植物废弃物和畜禽粪便，除少数作为燃料被利用外，大多被直接焚烧处理，不仅造成生物质资源地重大浪费，也造成严重的环境污染问题；另外处置和堆放问题也十分突出。因而如何将这些有机固体废弃物收集利用，变废为宝是当前科技领域面临的一大难题。
氢气作为一种理想的清洁能源，具有燃烧热值高、清洁无污染、应用范围广等优点。氢气本身无毒，完全燃烧放出的热能约为同质量甲烷的两倍多(液氢完全燃烧约为同质量汽油的3倍)，且燃烧后的产物为水(2H2+O＝2H2O)，不污染空气；作为高能燃料，液氢已应用于航天等领域；作为化学电源，氢氧燃料电池已经被应用，如用作汽车的驱动能源等。其制备方法主要包括物理化学方法和生物方法两大类，物理化学方法(例如：纯水电解、石油裂解等)制氢技术成熟、氢纯度高，但效率低、能耗高、制氢成本昂贵；生物制氢具有高效、节能、经济等诸多优点，但制备要求高。
发明内容
为了解决固体废弃物的堆放和处置问题，本发明的目的在于提供一种利用有机固体废弃物制造氢气的装置及方法。
为了上述目的，本发明的一个技术方案如下：
利用有机固体废弃物制造氢气的装置，包括粉碎筛选装置、螺旋传送器、给料机、发酵室、高温裂解室、第一气体收集器、气体反应器、蒸汽发生器和第二气体收集器；
所述发酵室顶部连有给料机，并通过螺旋传送器与粉碎筛选装置相连，发酵室产生的气体通过管道进入第一气体收集器；
所述高温裂解室与发酵室皆为圆柱体，且上下连通，于连通处设有流量控制器，所述高温裂解室分为三层，内层为制氢反应室，中层为燃烧室，外侧气体燃料供应室，燃烧室内设固体燃料同时接受气体燃料供应室提供的气体燃料，燃烧室的热能向制氢反应室，又可通过管路输送至气体反应器，发酵室底部也可接受热能促进反应；制氢反应室产生的气体通过管道也进入第一气体收集器；
所述第一气体收集器收集一定量气体后，输送至气体反应器，同时蒸汽发生器也输送水蒸气进入气体反应器，充分反应后分离出氢气进入第二气体收集器，其余气体输送至高温裂解室外层的气体燃料供应室。
进一步地，所述制氢反应室和燃烧室下部连通残炭收集器；燃烧室顶部留有供氧口，用于向燃烧室内提供纯氧，初次燃烧时向燃烧室投入回收碳，从而增加产氢总量并降低产出气体中的氮气等有害和无用气体成份的比例。
进一步地，所述制氢反应室设有螺旋搅拌装置，用于受热均匀，加速热解，同时控制热源均匀缓慢向发酵室推进。
本发明的另一个技术方案，利用有机固体废弃物制造氢气的方法，包括以下步骤：
1)预处理：将有机固体废弃物投入粉碎筛选装置进行粉碎粒化，筛选出粒度小于1mm的废弃物颗粒；
2)生物发酵：预处理的有机固体废弃物颗粒经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入至发酵室的生物发酵物混合，接受来自高温裂解室的热源静置发酵，产生的气体由第一气体收集器收集；
3)高温热解：通过调整流量控制器调节上述经发酵的混合物进入制氢反应室的流量，接受来自燃烧室的热源并在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，产生的气体输送至第一气体收集器；
4)气体处理：生物发酵和高温热解产生的气体通过流量计控制输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，使一氧化碳、二氧化碳等均转化为氢气和水，分离出纯氢至第二气体收集器中。
进一步地，加热温度为1000～1200℃。
进一步地，其特征在于，有机固体废弃物与生物发酵物投入比例(5～10)∶1。
进一步地，其特征在于，步骤4)所述水蒸气的流量与气体的流量按1∶2的比例通入气体反应器。
进一步地，其特征在于，有机固体废弃物包括城市垃圾，植物废弃物和畜禽粪便。
进一步地，其特征在于，生物发酵物包括厌氧活性污泥或肝肠菌属类发酵微生物。
有益效果：本发明具有潜在的显著经济效益和环境效益，在生物质能源转化、清洁能源生产、废弃资源再生、有机固体废弃物处理方面具有巨大的市场和潜力。本发明制取富氢气体装置结构简单，生产实施和使用操作较为简便，适宜于工业应用；运用生物技术与化学的有机结合，高效率、低成本地生产氢气。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明高温裂解室的结构俯视图。
图中，1-粉碎筛选装置，2-给料机，3-发酵室，4-流量控制器，5-制氢反应室，6-燃烧室，7-燃料供应室，8-残炭收集器，9-第一气体收集器，10-气体反应器，11-蒸汽发生器，12-第二气体收集器，13-螺旋传送器，14-供氧口，15-螺旋搅拌装置，16-纯氧罐。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
利用有机固体废弃物制造氢气的装置，如图1-2所示，包括粉碎筛选装置1、螺旋传送器13、给料机2、发酵室3、制氢反应室5、燃烧室6、燃料供应室7、第一气体收集器9、气体反应器10、蒸汽发生器11和第二气体收集器12；
上述结构中，发酵室3顶部连有给料机2，并通过螺旋传送器13与粉碎筛选装置1相连，发酵室3产生的气体通过管道进入第一气体收集器9，发酵室3下方与高温裂解室相连于连通处设有流量控制器4；
承上，高温裂解室与发酵室3皆为圆柱体，高温裂解室分为三层，内层为制氢反应室5，中层为燃烧室6，外侧气体燃料供应室7，燃烧室6内设固体燃料同时接受气体燃料供应室7提供的气体燃料，燃烧室6的热能向制氢反应室5，和通过管路输送至气体反应器10，发酵室6底部也可接受热能促进反应；制氢反应室5产生的气体通过管道也进入第一气体收集器9；
承上，第一气体收集器9收集一定量气体后，输送至气体反应器10，同时蒸汽发生器11也输送水蒸气进入气体反应器10，充分反应后分离出氢气进入第二气体收集器12，其余气体输送至高温裂解室外层的气体燃料供应室7；制氢反应室5和燃烧室6下部连通残炭收集器8；燃烧室6顶部留有供氧口14，纯氧罐16向燃烧室6内提供纯氧，初次燃烧时向燃烧室6投入回收碳，从而增加产氢总量并降低产出气体中的氮气等有害和无用气体成份的比例；制氢反应室5设有螺旋搅拌装置15，用于受热均匀，加速热解，同时控制热源均匀缓慢向发酵室6推进。
实施例1
一种利用有机固体废弃物制造氢气的方法，包括以下步骤：
1)预处理：将城市垃圾投入粉碎筛选装置进行粉碎粒化，筛选出粒度小于1mm的废弃物颗粒；
2)生物发酵：预处理的城市垃圾物颗粒经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入至发酵室的肝肠菌属类发酵微生物混合，接受来自高温裂解室的热源静置发酵，产生的气体由第一气体收集器收集，城市垃圾与肝肠菌属类发酵微生物的投入比例为8∶1；
3)高温热解：通过调整流量控制器调节上述经发酵的混合物进入制氢反应室的流量，接受来自燃烧室的热源并在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，产生的气体输送至第一气体收集器，燃烧室的加热温度为1100℃；
4)气体处理：生物发酵和高温热解产生的气体通过流量计控制输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，使一氧化碳、二氧化碳等均转化为氢气和水，分离出纯氢至第二气体收集器中，水蒸气的流量与气体的流量按1∶2的比例通入气体反应器。
实施例2
一种利用有机固体废弃物制造氢气的方法，包括以下步骤：
1)预处理：将植物废弃物投入粉碎筛选装置进行粉碎粒化，筛选出粒度小于1mm的废弃物颗粒；
2)生物发酵：预处理的植物废弃物物颗粒经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入至发酵室的肝肠菌属类发酵微生物混合，接受来自高温裂解室的热源静置发酵，产生的气体由第一气体收集器收集，植物废弃物与肝肠菌属类发酵微生物的投入比例为5∶1；
3)高温热解：通过调整流量控制器调节上述经发酵的混合物进入制氢反应室的流量，接受来自燃烧室的热源并在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，产生的气体输送至第一气体收集器，燃烧室的加热温度为1000℃；
4)气体处理：生物发酵和高温热解产生的气体通过流量计控制输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，使一氧化碳、二氧化碳等均转化为氢气和水，分离出纯氢至第二气体收集器中，水蒸气的流量与气体的流量按1∶2的比例通入气体反应器。
实施例3
一种利用有机固体废弃物制造氢气的方法，包括以下步骤：
1)预处理：将畜禽粪便干燥后，投入粉碎筛选装置进行粉碎粒化，筛选出粒度小于1mm的废弃物颗粒；
2)生物发酵：预处理的畜禽粪便物颗粒经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入至发酵室的厌氧活性污泥混合，接受来自高温裂解室的热源静置发酵，产生的气体由第一气体收集器收集，畜禽粪便与厌氧活性污泥的投入比例为10∶1；
3)高温热解：通过调整流量控制器调节上述经发酵的混合物进入制氢反应室的流量，接受来自燃烧室的热源并在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，产生的气体输送至第一气体收集器，燃烧室的加热温度为1200℃；
气体处理：生物发酵和高温热解产生的气体通过流量计控制输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，使一氧化碳、二氧化碳等均转化为氢气和水，分离出纯氢至第二气体收集器中，水蒸气的流量与气体的流量按1∶2的比例通入气体反应器。

Claims (9)

1.利用有机固体废弃物制造氢气的装置，其特征在于：包括粉碎筛选装置、螺旋传送器、给料机、发酵室、高温裂解室、第一气体收集器、气体反应器、蒸汽发生器和第二气体收集器；
所述发酵室顶部连有给料机，并通过螺旋传送器与粉碎筛选装置相连，发酵室产生的气体通过管道进入第一气体收集器；
所述高温裂解室与发酵室皆为圆柱体，且上下连通，于连通处设有流量控制器，所述高温裂解室分为三层，内层为制氢反应室，中层为燃烧室，外侧气体燃料供应室，燃烧室内设固体燃料同时接受气体燃料供应室提供的气体燃料，燃烧室的热能向制氢反应室，又可通过管路输送至气体反应器，发酵室底部也可接受热能促进反应；制氢反应室产生的气体通过管道也进入第一气体收集器；
所述第一气体收集器收集一定量气体后，输送至气体反应器，同时蒸汽发生器也输送水蒸气进入气体反应器，充分反应后分离出氢气进入第二气体收集器，其余气体输送至高温裂解室外层的气体燃料供应室。
2.如权利要求1所述的利用有机固体废弃物制造氢气的装置，其特征在于，所述制氢反应室和燃烧室下部连通残炭收集器；燃烧室顶部留有供氧口，向燃烧室内提供纯氧，初次燃烧时向燃烧室投入回收碳。
3.如权利要求1所述的利用有机固体废弃物制造氢气的装置，其特征在于，所述制氢反应室设有螺旋搅拌装置，用于受热均匀，加速热解，同时控制热源均匀缓慢向发酵室推进。
4.利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预处理：将有机固体废弃物投入粉碎筛选装置进行粉碎粒化，筛选出粒度小于1mm的废弃物颗粒：
2)生物发酵：预处理的有机固体废弃物颗粒经螺旋给料器均匀输送至发酵室中，与通过给料机投入至发酵室的生物发酵物混合，接受来自高温裂解室的热源静置发酵，产生的气体由第一气体收集器收集；
3)高温热解：通过调整流量控制器调节上述经发酵的混合物进入制氢反应室的流量，接受来自燃烧室的热源并在螺旋搅拌装置下进行高温裂解，产生的气体输送至第一气体收集器；
4)气体处理：生物发酵和高温热解产生的气体通过流量计控制输送至气体反应器并与蒸汽发生器通入的水蒸气发生反应，使一氧化碳、二氧化碳等均转化为氢气和水，分离出纯氢至第二气体收集器中。
5.如权利要求4所述的利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，加热温度为1000～1200℃。
6.如权利要求4所述的利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，有机固体废弃物与生物发酵物投入比例(5～10)∶1。
7.如权利要求4所述的利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，步骤4)所述水蒸气的流量与气体的流量按1∶2的比例通入气体反应器。
8.如权利要求4所述的利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，有机固体废弃物包括城市垃圾，植物废弃物和畜禽粪便。
9.如权利要求4所述的利用有机固体废弃物制造氢气的方法，其特征在于，生物发酵物包括厌氧活性污泥或肝肠菌属类发酵微生物。
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