CN112300837A - 一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法，该装置包括四个部分：进料及预处理系统、核心反应器、合成气回收系统和烟气排放系统，其中核心反应器系统由气化床、燃烧床和二级气化炉组成，固体颗粒在气化床和燃烧床两个反应器之间实现物料和热量循环，气化气体经气固分离后连接二级气化炉进行催化反应；其处理有机固废的方法为，城乡有机固废如秸秆、农膜和纺织边角料等经过干燥预处理后制成RDF燃料，RDF燃料送入气化炉气化，产生的气化气经过净化除尘后进入二级气化炉，产生富氢合成气并收集，而一次气化残炭则送入燃烧炉，通过燃烧释放热量，继而通过固体循环颗粒将热量供应给气化反应，燃烧炉产生的烟气经净化后排放。

Description

一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法
技术领域
本发明涉及城乡有机固废处理技术领域，具体设计涉及一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法。
背景技术
近年来，煤炭、石油等化石燃料的大量消耗，造成资源紧张，人类迫切需要寻找出一种可再生能源来替代传统的化石燃料。与此同时，城市每天都产生大量的生活垃圾，这些垃圾很难被自然环境分解，一旦产生将很难消失，最终危害人体健康。垃圾作为放错地方的资源，完全可以合理利用起来，通过压缩致密并气化制氢令其产生能源和经济方面的效益。要想利用垃圾资源，必须解决大规模利用垃圾的工业化问题以及储存和运输时出现的松散性、易燃性、低含碳量、不均匀性的技术问题。
研究表明，由城市生活垃圾转化的垃圾衍生燃料(RDF)可作为可再生燃料的来源。气化工艺能达到较高的能源利用率和良好的环保性能，可以将城市固体废弃物转化为高品质的气体燃料和化工原料，也可以通过其他手段转化为热能、电能等多种形式。随着“无废城市”建设有条不紊的推进，垃圾分类有助于挖掘垃圾中的能源。系统地梳理生活垃圾的致密化与气化技术，明确我国发展垃圾能源面临的挑战并制定未来策略，为推动我国能源技术的快速发展提供理论支撑。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法。
本发明采取的技术方案之一是：一种多元城乡有机固废协同制氢装置，包括进料及预处理系统、核心反应器、合成气回收系统和烟气排放系统；
所述进料及预处理系统包括原料存放容器、粉碎机和RDF造粒机，原料经粉碎机破碎混合后，粉碎机出料口连接RDF造粒机的入口，经粉碎后物料进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料，由RDF造粒机出口出来的RDF燃料送入核心反应器的气化炉；
所述核心反应器包括流化床气化炉、流化床燃烧炉和二次催化气化反应器；颗粒状RDF燃料由流化床气化炉中下部的物料入口由流化床气化炉中下部的物料入口输送至流化床气化炉内；所述流化床气化炉用于将RDF燃料气化为富含碳氢化合物的合成气，在流化床气化炉外靠近其的上部或顶部处设置第一一级气固分离器，设置于流化床气化炉的上部或顶部的气体出口与第一一级气固分离器的入口相连，气固分离器的气体出口与二次催化气化反应器相连，第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉相连，以便将固体颗粒返回至气化炉；所述流化床气化炉壁面上设有水蒸气入口，所述流化床气化炉底部残炭出口与物料循环管相连，残炭输送到流化床燃烧炉内的中下部燃烧；所述流化床燃烧炉的下部或底部设有空气入口，所述流化床燃烧炉通过残炭燃烧反应释放热能，燃烧产生的烟气和载热颗粒经过设置于流化床燃烧炉外部的第二一级气固分离器后，分离获得的固体载热颗粒从返料循环管回流至流化床气化炉内，为气化反应供热，烟气则通过第二一级气固分离器顶端烟气出口连接至烟气排放系统；所述二次催化气化反应器，反应器中填装催化剂，流化床气化炉产生的气化气体在此反应器中与催化剂接触进行催化气化，生成的富氢合成气连接合成气收集系统。
进一步的，第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉上颗粒物料返回口相连，载热颗粒从返料循环管由气化炉载热颗粒入口回流至流化床气化炉内；物料入口、载热颗粒入口和颗粒物料返回口均设置于气化炉的水蒸气入口上部。
进一步的，所述进料及预处理系统包括原料存放容器、粉碎机和RDF造粒机，原料存放容器中的原料经粉碎机粉碎后进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料，由RDF造粒机出口出来的RDF燃料通过螺旋输送机(130)将RDF燃料送入核心反应器。
进一步的，所述流化床气化炉气化后的剩余残炭送入流化床燃烧炉燃烧，燃烧产生的热量传输回气化炉的气化反应供热，实现内循环，减少能量损耗；残炭以蒸汽为介质输送到流化床燃烧炉。
进一步的，所述流化床气化炉的下部或底部与蒸汽发生器的蒸汽出口相连，所述流化床气化炉气化反应所需的水蒸气气氛由蒸汽发生器提供；所述流化床燃烧炉的下部或底部与风机的气体出口相连，流化床燃烧炉燃烧反应所需的空气气氛由风机吹入。
进一步的，所述流化床气化炉产生的一次气化气体，经过第一一级气固分离器后进入二次催化气化反应器；
二次催化气化反应器中装有催化剂床层，一次气化气体由反应器上部进气口进入，在叶片导流的情况下发生气流运动，旋转的外旋气流在筒体内收缩向中心流动，形成向上的内旋气流，经导气管流出，气体与催化剂充分混合反应，生成富氢合成气的二次气化气体并回收。
进一步的，二次催化气化反应器生成富氢合成气的二次气化气体通入合成气收集系统；
合成气收集系统包括第一急冷装置、第一过滤器、合成气储罐；
二次催化气化反应器二次气化气体出口排出的二次气化气体经第一急冷装置降温处理后经第一过滤器过滤后送入合成气储罐中，第一急冷装置为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器；
第二一级气固分离器顶端烟气出口连接至烟气排放系统；
烟气排放系统包括第二二级气固分离器第二急冷装置、第二过滤器；
第二一级气固分离器顶端烟气出口排出的烟气连接第二二级气固分离器，第二二级气固分离器的气体出口连接第二急冷装置，经第二急冷装置低温处理的烟气经第二过滤器过滤后送入烟囱排放至大气中，第二急冷装置为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器。
本发明采取的技术方案之二是：一种多元城乡有机固废协同制氢装置处理城乡有机固废的方法，该工艺采用上述的装置进行多元城乡有机固废协同制氢，具体包括以下步骤：
S1：预处理，原料经粉碎机破碎后连接RDF造粒机，压成颗粒状RDF燃料，经螺旋输送机送入流化床气化炉；
S2：气化，流化床气化炉中的RDF燃料在水蒸气气氛下气化，气化气首先经过气固分离器进行气固分离后气体进入二次催化气化反应器，固体颗粒返回到气化炉内继续气化，气化后的残留焦炭向流化床气化炉底部移动；
S3：物料循环，流化床气化炉内的固体残炭颗粒连接物料循环管，在过热蒸汽和压力差的推动下进入较高运行风速下的流化床燃烧炉燃烧；
S4：燃烧，流化床燃烧炉以气化残炭与底部通入的空气进行燃烧，所释放的热量同时加热烟气和固体颗粒；
S5：热量循环，流化床燃烧炉内的热烟气以及气流携带出的部分高温床料，经过气固分离器分离，分离出的固体颗粒经返料循环管输送到流化床气化炉中为气化反应供热，燃烧烟气进行处理后排放。
S6：二次气化，在二次催化气化反应器内添加催化剂床层，气化气流经催化剂床层，在催化剂的作用下进行二次气化，由于二次催化气化反应器中的气化气近乎为纯气态，可有效防止催化剂在反应过程中积碳中毒，从而提高催化剂使用寿命；
S7：收集利用，经过二次催化气化反应器的二次气化富氢合成气体进入合成气回收系统；
S8：烟气处理，经过二级气固分离器分离出的烟气进入急冷装置降温避免二噁英的生成，随后送入过滤器进一步去除粉尘后连接烟囱排放。
进一步的，原料为秸秆、农膜和纺织品边角料的混合物，秸秆中含有木质素、纤维和半纤维，是影响气化特性的重要因素之一；农膜的成分是聚乙烯，为气化提高氢元素含量；纺织边角料含有大量的化学纤维，有助于提高气化效果；秸秆、农膜和纺织品边角料的质量比2:1:2。
进一步的，所述的RDF燃料成型过程中加入添加剂(CaO)，可以脱除炉内SO2、HCl和减少二噁英物质的排放，同时CaO的加入也能作为催化剂提高气化效果，制成的RDF燃料具有热值高、气化工况稳定等优点；其加入量为RDF燃料质量的3-5％。
本发明的有益效果是：本发明不仅将城乡有机固废制成高热值的RDF燃料，而且改良性创新提出三床气化制氢工艺，在气化床和燃烧炉气化循环的基础上串联二级催化气化反应器，生产得到高纯度的富氢合成气，且燃烧过程完全符合环保设计规范，实现了城乡固废的减量化、无害化和资源化。
(1)本发明系统和工艺设计灵活，能适用不同的给料类型及配比。城乡有机固废原料选取秸秆、农膜和纺织边角料，三者组合物料的木质素和纤维素丰富，制成的RDF燃料气化制氢效果较好，且在RDF燃料中加入添加剂(如生石灰)，相较于燃料直接反应，Ca+的存在可脱除SO2、HCl和减少二噁英等有害物质的排放；
(2)本发明中的三床气化打破常规思路，有效提高了富氢合成气的质量和催化剂的使用寿命。其中，流化床气化炉和流化床燃烧炉之间实现了残炭和热量的循环，有效减少系统能量损耗，高温燃烧残炭也具有消除原料中毒性和有害物质的效果。一次气化气后接二级催化气化炉，实现了原位气化和催化气化分开进行；
(3)本发明在二级气化反应器中单独进行催化反应的优势在于：①由于双循环流化床中产生的一次气化气体经过气固分离器后去除了固体颗粒，近乎纯气态的气体进入载有催化剂床层的反应器中气化，有效防止催化剂中毒、结焦等问题；②可以灵活调整催化剂床层的摆放位置，根据实际气体特性选择在中心管内部或外部摆放床层，以控制气化重整效果，提高合成气质量；③固定床层避免了流动时催化剂间的碰撞磨损，增加催化剂的使用周期。
(4)本发明系统全过程控制二噁英的生成要素，将二噁英的生成可能性降至最低。原料预处理中加入生石灰，控制了反应过程中二噁英的生成；燃烧过程中满足“3T+E”原则，燃烧炉温度大于850℃，烟气停留时间大于2s，气流具有足够的紊流，且通入过量的空气进行充分燃烧；燃烧后控制，二噁英的中温生成范围为200-600℃，通过极冷装置将温度快速降至200℃以下，后接除尘器防止二噁英附着在残留的飞灰上。
本发明的有益效果和其他附加优势将在下面的描述给出，或通过本发明的实例中了解到。
附图说明
图1是本发明提供的一种多元城乡有机固废制氢的系统结构图。图中标号：原料(100)、粉碎机(110)、RDF造粒机(120)、螺旋输送机(130)、流化床气化炉(200)、第一气固分离器(210)、物料循环管(220)、蒸汽发生器(230)、流化床燃烧炉(300)、第二一级气固分离器(310)、返料循环管(320)、风机(330)二次催化气化反应器(400)、第一急冷装置(410)、第一过滤器(420)、合成气储罐(430)、第二二级气固分离器(500)、第二急冷装置(510)、第二过滤器(520)、烟囱(530)。
图2是本发明提供的一种多元城乡有机固废制氢的工艺流程图。
图3是本发明提供的一种多元城乡有机固废制氢的核心反应装置图。图中标号：RDF燃料(131)、流化床气化炉(200)、第一一级气固分离器(210)、物料循环管(220)、低温床料+残炭等(221)、蒸汽发生器(230)、流化床燃烧炉(300)、第二一级气固分离器(310)、返料循环管(320)、高温床料等(321)、风机(330)、卸料斗(301)、二次催化气化反应器(400)、支撑装置(402)、催化剂床层(403)、阀门(404)、灰斗(405)、烟气处理(301)、合成气收集(401)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种多元城乡有机固废协同制氢装置，包括进料及预处理系统、核心反应器系统、合成气回收系统和烟气排放系统；
所述进料及预处理系统包括原料(100)存放容器、粉碎机(110)和RDF造粒机(120)，原料(100)经粉碎机(110)破碎混合后，粉碎机(110)出料口连接RDF造粒机(130)的入口，经粉碎后物料进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料，由RDF造粒机(120)出口出来的RDF燃料送入核心反应器的气化炉；
所述核心反应器包括流化床气化炉(200)、流化床燃烧炉(300)和二次催化气化反应器(400)；颗粒状RDF燃料由流化床气化炉中下部的物料入口由流化床气化炉中下部的物料入口输送至流化床气化炉内；所述流化床气化炉(200)用于将RDF燃料气化为富含碳氢化合物的合成气，在流化床气化炉外靠近其的上部或顶部处设置第一一级气固分离器(210)，设置于流化床气化炉(200)的上部或顶部的气体出口与第一一级气固分离器(210)的入口相连，气固分离器的气体出口与二次催化气化反应器(400)相连，第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉(200)相连，以便将固体颗粒返回至气化炉；所述流化床气化炉(200)壁面上设有水蒸气入口，所述流化床气化炉(200)底部残炭出口与物料循环管(220)相连，残炭输送到流化床燃烧炉(300)内的中下部燃烧；所述流化床燃烧炉(300)的下部或底部设有空气入口，所述流化床燃烧炉(300)通过残炭燃烧反应释放热能，燃烧产生的烟气和载热颗粒经过设置于流化床燃烧炉(300)外部的第二一级气固分离器(310)后，分离获得的固体载热颗粒从返料循环管(320)回流至流化床气化炉(200)内，为气化反应供热，烟气则通过第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口连接至烟气排放系统；所述二次催化气化反应器(400)，反应器中填装催化剂，流化床气化炉(300)产生的气化气体在此反应器中与催化剂接触进行催化气化，生成的富氢合成气连接合成气收集系统。
其中，第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉(200)上颗粒物料返回口相连，载热颗粒从返料循环管(320)由气化炉载热颗粒入口回流至流化床气化炉(200)内；物料入口、载热颗粒入口和颗粒物料返回口均设置于气化炉的水蒸气入口上部。
所述进料及预处理系统包括原料储罐(100)、粉碎机(110)和RDF造粒机(120)，原料储罐(100)中的原料经粉碎机(110)破碎混合后进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料，由RDF造粒机(120)出口出来的RDF燃料通过螺旋输送机(130)将RDF燃料送入核心反应器；
其中，原料为秸秆、农膜和纺织边角料的混合，秸秆中含有木质素、纤维和半纤维，是影响气化特性的重要因素之一；农膜的成分是聚乙烯，为气化提高氢元素含量；纺织边角料含有大量的化学纤维，有助于提高气化效果；秸秆、农膜和纺织品边角料的质量比2:1:2。
所述的RDF燃料成型过程中加入添加剂(CaO)，可以脱除炉内SO2、HCl和减少二噁英物质的排放，同时CaO的加入也能作为催化剂提高气化效果，制成的RDF燃料具有热值高、气化工况稳定等优点；
其中CaO的加入量为RDF燃料质量的3-5％。
所述流化床气化炉(200)气化后的剩余残炭送入流化床燃烧炉燃烧，燃烧产生的热量传输回气化炉的气化反应供热，实现内循环，减少能量损耗；残炭以蒸汽为介质输送到流化床燃烧炉(300)。
所述流化床气化炉(200)的下部或底部与蒸汽发生器(230)的蒸汽出口相连，所述流化床气化炉(200)气化反应所需的水蒸气气氛由蒸汽发生器(230)提供；所述流化床燃烧炉(300)的下部或底部与风机(330)的气体出口相连，流化床燃烧炉(300)燃烧反应所需的空气气氛由风机(330)吹入。
其中，流化床气化炉(200)气化反应所需的水蒸气气氛由蒸汽发生器(230)提供，流化床燃烧炉(300)燃烧反应所需的空气气氛由风机(330)吹入；
所述流化床气化炉(200)产生的一次气化气体，经过第一一级气固分离器后进入二次催化气化反应器(400)；
其中，二次催化气化反应器(400)中装有催化剂床层，一次气化气体由反应器上部入口切向进入，在叶片导流的情况下发生气流运动，旋转的外旋气流在筒体内收缩向中心流动，形成向上的内旋气流，经导气管流出，气体与催化剂充分混合反应，生成富氢合成气的二次气化气体并回收。
所述二次催化气化反应器(400)生成富氢合成气的二次气化气体通入合成气收集系统；
其中，合成气收集系统包括第一急冷装置(410)、第一过滤器(420)、合成气储罐(430)；
其中，二次催化气化反应器(400)二次气化气体出口排出的二次气化气体经第一急冷装置(410)降温处理后经第一过滤器(420)过滤后送入合成气储罐(430)中，第一急冷装置(410)为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器。
所述第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口连接至烟气排放系统；
其中，烟气排放系统包括第二二级气固分离器(500)第二急冷装置(510)、第二过滤器(520)；
其中，第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口排出的烟气连接第二二级气固分离器(500)，第二二级气固分离器(500)的气体出口连接第二急冷装置(510)，经第二急冷装置(510)低温处理的烟气经第二过滤器(520)过滤后送入烟囱(530)排放至大气中，第二急冷装置(510)为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器。
如图2所示，一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法，秸秆、农膜和纺织边角料经过干燥预处理后制成RDF燃料，RDF燃料送入气化炉气化。产生的气化气经过净化除尘后，进行添加催化剂的二次气化，而气化残炭则送入燃烧炉，通过燃烧释放热量，继而通过固体循环颗粒将热量供应给气化反应。
该工艺具体包括以下步骤：
S1：预处理，原料(100)经粉碎机(110)破碎后连接RDF造粒机(130)，压成颗粒状RDF燃料，经螺旋输送机(140)送入流化床气化炉(200)；
S2：气化，流化床气化炉(200)中的RDF燃料在水蒸气气氛下气化，气化气首先经过气固分离器(210)进行气固分离后气体进入二次催化气化反应器(400)，固体颗粒返回到气化炉内继续气化，气化后的残留焦炭向流化床气化炉底部移动；
S3：物料循环，流化床气化炉(200)内的固体残炭颗粒连接物料循环管(220)，在过热蒸汽和压力差的推动下进入较高运行风速下的流化床燃烧炉(300)燃烧；
S4：燃烧，流化床燃烧炉(300)以气化残炭与底部通入的空气进行燃烧，所释放的热量同时加热烟气和固体颗粒；
S5：热量循环，流化床燃烧炉(300)内的热烟气以及气流携带出的部分高温床料，经过气固分离器(310)分离，分离出的固体颗粒经返料循环管(320)输送到流化床气化炉(200)中为气化反应供热，燃烧烟气进行处理后排放。
S6：二次气化，在二次催化气化反应器(400)内添加催化剂床层，气化气流经催化剂床层，在催化剂的作用下进行二次气化，由于二次催化气化反应器(400)中的气化气近乎为纯气态，可有效防止催化剂在反应过程中积碳中毒，从而提高催化剂使用寿命；
S7：收集利用，经过二次催化气化反应器(400)的二次气化富氢合成气体进入合成气回收系统；
S8：烟气处理，经过二级气固分离器(500)分离出的烟气进入急冷装置(510)降温避免二噁英的生成，随后送入过滤器(520)进一步去除粉尘后连接烟囱排放。
如图3所示，一种多元城乡有机固废协同制氢装置与方法，核心反应装置为初级气化炉、燃烧炉和二级气化炉，气化与燃烧独立进行，初级气化与催化气化独立进行。初级气化炉在水蒸气的气氛下发生气化反应，气化残炭伴随床料进入燃烧炉燃烧，燃烧炉产生的热量通过固体颗粒传回气化炉给反应供热。为了维持床内物料平衡和运行稳定，需要从气化炉或燃烧炉排出灰渣，优选地，灰渣从燃烧炉的底部排出。本发明创新性的在初级气化炉后再串联一个添加催化剂床层的气化反应器，初级气化炉产生的一次气化气，经气固分离后连接二级气化炉进行催化气化反应。其中，二级气化炉内设置床层支撑装置，催化剂床层采用蜂窝式催化剂结构。另外，二级气化炉中催化剂床层的摆放位置可灵活调整，以保证控制催化重整效果，优选地，在导气管内部以及导气管与反应器内壁间均添加催化剂床层，可选地，只在其中一处添加床层。经过上述核心装置发生的反应，能显著提高富氢合成气的质量。
应用上述多元城乡有机固废协同制氢的技术方法如下：
实施例1：
本发明的一种实施方式中，选取城乡固废中高品位热值的垃圾作为原料，优选地，以80-100℃干燥过的小麦秸秆、聚乙烯农膜和纺织棉边角料(2：1：2)为原料，并添加RDF燃料质量的4％生石灰做添加剂，制成直径为12-14mm的RDF燃料。RDF燃料由螺旋给料机通过进料口加入到气化炉中，RDF燃料的进料量为7.0kg/h。
气化炉的操作温度为750-770℃，操作压力为1.4bar，按S/B＝1.1计算通入的水蒸气量为7.7kg/h，气化炉的流动类型是一个鼓泡床或湍流床，其表观风速为1.0m/s，RDF燃料在水蒸气的气氛下发生气化反应。气化炉的气化气流入顶部设有保温和伴热装置的气固分离器，设备底部的残炭和低温石英砂在压力差和过热蒸汽的推动下进入燃烧炉燃烧。
燃烧炉的操作温度为950-970℃，操作压力为1.0bar，进气量采用过剩空气方案，设置进气调节器，当负荷发生波动时，燃料量变化，空气量也成比例地变化，以便使燃料在空气过剩条件下充分燃烧，燃烧炉的流动类型是一个快速床，流化介质为空气，其表观风速为6.0m/s，借助惰性床料石英砂进行均匀传热达到完全燃烧的目的，烟气停留时间为3-5s。燃烧炉产生的高温烟气以及被气流携带的部分高温床料等进入气固分离器，分离出的固体颗粒送入气化炉为气化反应供热。
从气固分离器离开的气化气通入二级气化炉进行催化反应，催化剂成分为CaO-Al2O3，质量比为4：1，二级气化炉的操作温度为700-720℃，操作压力为1.2bar，进气量为3.75Nm3/h，气体从设备侧壁上部切向进入筒体，通过采用蜂窝式结构的催化剂床层后，由设备导气管流出。催化后的合成气通入冷凝器进行后续的气体收集操作。
合成气冷凝器采用间接冷却方式，如管壳式冷凝器，壳程走合成气，管程走冷却介质，冷却介质为水，自来水(20℃)经软化后处理后送入管程，冷凝器出口温度为100-150℃。气体过滤器基于过滤单元总面积的过滤面速率为0.01-0.02m/s，过滤器设有无氧反吹装置，根据过滤器的压降变化定期或不定期地除去过滤单元上积累的固体颗粒。净化后的富氢合成气收集并利用。
从气固分离器离开的烟气进入急冷装置，急冷装置以稀碱液为急冷介质，在小于1s的烟气停留时间内将烟气冷却至150-180℃，以防止二噁因的中温(200-600℃)生成，随后烟气进入过滤器进一步去除粉尘，脱除粉尘的烟气进入烟囱排空。
按照以上实施方案，得到的富氢合成气的气体含量分别为H2＝56％，CO＝27％，CO2＝6％，CH4＝8％，剩余气体<3％，合成气热值>14MJ/m3。
实施例2：
本发明的一种实施方式中，选取城乡固废中高品位热值的垃圾作为原料，优选地，以80-100℃干燥过的小麦秸秆、聚乙烯农膜和纺织棉边角料(3:1:2)为原料，并添加RDF燃料质量的5％生石灰做添加剂，制成直径为12-14mm的RDF燃料。RDF燃料由螺旋给料机通过进料口加入到气化炉中，RDF燃料的进料量为7.5kg/h。
气化炉的操作温度为760-780℃，操作压力为1.5bar，按S/B＝1.2计算通入的水蒸气量为9.2kg/h，气化炉的流动类型是一个鼓泡床或湍流床，其表观风速为1.5m/s，RDF燃料在水蒸气的气氛下发生气化反应。气化炉的气化气流入顶部设有保温和伴热装置的气固分离器，设备底部的残炭和低温石英砂在压力差和过热蒸汽的推动下进入燃烧炉燃烧。
燃烧炉的操作温度为960-980℃，操作压力为1.0bar，进气量采用过剩空气方案，设置进气调节器，当负荷发生波动时，燃料量变化，空气量也成比例地变化，以便使燃料在空气过剩条件下充分燃烧，燃烧炉的流动类型是一个快速床，流化介质为空气，其表观风速为6.5m/s，借助惰性床料石英砂进行均匀传热达到完全燃烧的目的，烟气停留时间为4-6s。燃烧炉产生的高温烟气以及被气流携带的部分高温床料等进入气固分离器，分离出的固体颗粒送入气化炉为气化反应供热。
从气固分离器离开的气化气通入二级气化炉进行催化反应，催化剂成分为CaO-Al2O3，质量比为4：1，二级气化炉的操作温度为730-750℃，操作压力为1.2bar，进气量为3.90Nm3/h，气体从设备侧壁上部切向进入筒体，通过采用蜂窝式结构的催化剂床层后，由设备导气管流出。催化后的合成气通入冷凝器进行后续的气体收集操作。
合成气冷凝器采用间接冷却方式，如管壳式冷凝器，壳程走合成气，管程走冷却介质，冷却介质为空气，冷凝器出口温度为100-150℃。气体过滤器基于过滤单元总面积的过滤面速率为0.01-0.02m/s，过滤器设有无氧反吹装置，根据过滤器的压降变化定期或不定期地除去过滤单元上积累的固体颗粒。净化后的富氢合成气收集并利用。
从气固分离器离开的烟气进入急冷装置，急冷装置以稀碱液为急冷介质，在小于1s的烟气停留时间内将烟气进一步冷却至150-180℃，以防止二噁因的中温生成，随后烟气进入过滤器去除固体颗粒，脱除粉尘的烟气进入烟囱排空。
按照以上实施方案，得到的富氢合成气的气体含量分别为H2＝58％，CO＝28％，CO2＝6％，CH4＝5％，剩余气体<3％，合成气热值>15MJ/m3。
以上通过具有代表性的实施例对本发明进行详细的说明，但对于本领域技术人员而言，能够在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，以其他的具体形式实现本发明。因此，本发明的权利保护范围不应局限于所说明的实施例，而应根据权利要求书以及从权利要求书的等同概念导出的所有的变更或变形的形式来决定。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种多元城乡有机固废协同制氢装置，其特征在于：
包括进料及预处理系统、核心反应器、合成气回收系统和烟气排放系统；
所述进料及预处理系统包括依次连接的原料(100)存放容器、粉碎机(110)和RDF造粒机(120)，原料(100)经粉碎机(110)破碎混合后进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，RDF)，所述RDF燃料由RDF造粒机(120)出口送入核心反应器的气化炉；
所述核心反应器包括流化床气化炉(200)、流化床燃烧炉(300)和二次催化气化反应器(400)；颗粒状RDF燃料由流化床气化炉中下部的物料入口输送至流化床气化炉内；所述流化床气化炉(200)用于将RDF燃料气化为富含碳氢化合物的合成气，在流化床气化炉外靠近其上部或顶部处设置第一一级气固分离器(210)，该第一一级气固分离器(210)的入口与流化床气化炉(200)的上部或顶部的气体出口相连，第一一级气固分离器的气体出口与二次催化气化反应器(400)相连，第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉(200)相连，以便将固体颗粒返回至气化炉；所述流化床气化炉(200)炉壁上设有水蒸气入口，所述流化床气化炉(200)底部残炭出口通过物料循环管(220)与流化床燃烧炉(300)相连，流化床气化炉(200)内的残炭通过物料循环管(220)输送到流化床燃烧炉(300)内的中下部燃烧；所述流化床燃烧炉(300)的下部或底部设有空气入口，所述流化床燃烧炉(300)通过残炭燃烧反应释放热能，燃烧产生的烟气和载热颗粒经过设置于流化床燃烧炉(300)外部的第二一级气固分离器(310)后，分离获得的固体载热颗粒从返料循环管(320)回流至流化床气化炉(200)内，为气化反应供热，烟气则通过第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口连接至烟气排放系统；所述二次催化气化反应器(400)中填装催化剂，流化床气化炉(300)产生的气化气体在此二次催化气化反应器中与催化剂接触进行催化气化，生成的富氢合成气连接合成气收集系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：第一一级气固分离器的颗粒出口与流化床气化炉(200)上颗粒物料返回口相连，载热颗粒从返料循环管(320)由气化炉载热颗粒入口回流至流化床气化炉(200)内；气化炉物料入口、载热颗粒入口和颗粒物料返回口均设置于气化炉的水蒸气入口上部。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述进料及预处理系统包括原料(100)存放容器、粉碎机(110)和RDF造粒机(120)，原料(100)存放容器中的原料经粉碎机(110)粉碎后进入RDF造粒机制成颗粒状的垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，RDF)，由RDF造粒机(120)出口出来的RDF燃料通过螺旋输送机(130)将RDF燃料送入核心反应器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流化床气化炉(200)气化后的剩余残炭送入流化床燃烧炉燃烧，燃烧产生的热量传输回气化炉的气化反应供热，实现内循环，减少能量损耗；残炭以蒸汽为介质输送到流化床燃烧炉(300)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流化床气化炉(200)的下部或底部与蒸汽发生器(230)的蒸汽出口相连，所述流化床气化炉(200)气化反应所需的水蒸气气氛由蒸汽发生器(230)提供；所述流化床燃烧炉(300)的下部或底部与风机(330)的气体出口相连，流化床燃烧炉(300)燃烧反应所需的空气气氛由风机(330)吹入。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流化床气化炉(200)产生的一次气化气体，经过第一一级气固分离器后进入二次催化气化反应器(400)；
二次催化气化反应器(400)中装有催化剂床层，一次气化气体由反应器上部入口进入，在叶片导流的情况下发生气流运动，旋转的外旋气流在筒体内收缩向中心流动，形成向上的内旋气流，经导气管流出，气体与催化剂充分混合反应，生成富氢合成气的二次气化气体并回收。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
二次催化气化反应器(400)生成富氢合成气的二次气化气体通入合成气收集系统；
合成气收集系统包括依次连接的第一急冷装置(410)、第一过滤器(420)、合成气储罐(430)；
二次催化气化反应器(400)二次气化气体出口排出的二次气化气体经第一急冷装置(410)降温处理后经第一过滤器(420)过滤后送入合成气储罐(430)中，第一急冷装置(410)为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器；
第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口连接至烟气排放系统；
烟气排放系统包括第二二级气固分离器(500)第二急冷装置(510)、第二过滤器(520)；
第二一级气固分离器(310)顶端烟气出口排出的烟气连接第二二级气固分离器(500)，第二二级气固分离器(500)的气体出口连接第二急冷装置(510)，经第二急冷装置(510)低温处理的烟气经第二过滤器(520)过滤后送入烟囱(530)排放至大气中，第二急冷装置(510)为盘管式水冷冷却器或液压风冷冷却器。
8.一种采用权利要求1-7任一所述多元城乡有机固废协同制氢装置处理城乡有机固废的方法，其特征在于：采用上述权利要求1至7中任一项所述的装置进行多元城乡有机固废协同制氢，具体包括以下步骤：
S1：预处理，原料(100)经粉碎机(110)破碎后连接RDF造粒机(130)，压成颗粒状RDF燃料，经螺旋输送机(140)送入流化床气化炉(200)；
S2：气化，流化床气化炉(200)中的RDF燃料在水蒸气气氛下气化，气化气首先经过气固分离器(210)进行气固分离后气体进入二次催化气化反应器(400)，固体颗粒返回到气化炉内继续气化，气化后的残留焦炭向流化床气化炉底部移动；
S3：物料循环，流化床气化炉(200)内的固体残炭颗粒连接物料循环管(220)，在过热蒸汽和压力差的推动下进入较高运行风速下的流化床燃烧炉(300)燃烧；
S4：燃烧，流化床燃烧炉(300)以气化残炭与底部通入的空气进行燃烧，所释放的热量同时加热烟气和固体颗粒；
S5：热量循环，流化床燃烧炉(300)内的热烟气以及气流携带出的部分高温床料，经过气固分离器(310)分离，分离出的固体颗粒经返料循环管(320)输送到流化床气化炉(200)中为气化反应供热，燃烧烟气进行处理后排放；
S6：二次气化，在二次催化气化反应器(400)内添加催化剂床层，气化气流经催化剂床层，在催化剂的作用下进行二次气化，由于二次催化气化反应器(400)中的气化气近乎为纯气态，可有效防止催化剂在反应过程中积碳中毒，从而提高催化剂使用寿命；
S7：收集利用，经过二次催化气化反应器(400)的二次气化富氢合成气体进入合成气回收系统；
S8：烟气处理，经过二级气固分离器(500)分离出的烟气进入急冷装置(510)降温避免二噁英的生成，随后送入过滤器(520)进一步去除粉尘后连接烟囱排放。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：原料(100)为秸秆、农膜和纺织品边角料的混合物，秸秆中含有木质素、纤维和半纤维，是影响气化特性的重要因素之一；农膜的成分是聚乙烯，为气化提高氢元素含量；纺织边角料含有大量的化学纤维，有助于提高气化效果；秸秆、农膜和纺织品边角料的质量比2:1:2。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的RDF燃料成型过程中加入添加剂(CaO)，可以脱除炉内SO2、HCl和减少二噁英物质的排放，同时CaO的加入也能作为催化剂提高气化效果，制成的RDF燃料具有热值高、气化工况稳定等优点；其加入量为RDF燃料质量的3-5％。
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