CN113321182B - 一种污泥耦合制氢的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种污泥耦合制氢系统和方法。污泥耦合制氢系统包括污泥燃料装置、污水纯化装置、蒸汽雾化装置、污泥耦合低氮气化装置、热解制氢装置、热电联产装置、系统控制装置。本发明污泥耦合制氢的方法，包括S1制备污泥燃料；S2污水制取纯水：S3耦合制气；S4热解制氢；S5热电联产；S6尾料利用。本发明提供了低成本的污泥热解制氢技术，制备污泥为燃料与生物质耦合低氮气化燃烧，产生950℃以上高温，用纯化处理的污水热解制氢，氢能发电后的余热回送污泥烘干使用，把治理污泥污染的过程，转变为氢能、电能的生产过程，就地消纳使用，污泥耦合燃烧后的炉渣为碳基材料，用于有机肥和土壤改良资源化利用。

Description

一种污泥耦合制氢的系统和方法
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种污泥耦合制氢的系统和方法。
背景技术
目前工业中用到的氢气大多通过甲醇、氨水等添加剂，由化石燃料电解水重整等方法得到，热解制氢也要用到乙醇，碱金属，镍基金属等催化剂，制出来的氢是含碳量较高的灰氢，这些传统的氢气制备方法具有成本高、高度依赖化石燃料等特点。为了保证氢气的环境效益，用可再生的生活污泥和生物质制作出来的氢是含碳为零的绿氢，受到人们的广泛关注。其中的污泥耦合制氢技术不仅可以将污泥中的有机物进行回收、利用并转化为清洁、高品质的氢能，同时避免了传统污泥处理与处置中所产生的二次污染问题，符合国家的节能减排以及相关的环境政策。
由于市政污水厂的污泥含水量高达99.8％，压滤处理后的污泥含水量还有80％，运输至水泥厂、发电厂协同处置的成本均消耗在污水上，这种污泥处理工艺在运行过程中仍存在诸多弊端。由于污泥含水量太高，现有的污泥机械脱水和升温蒸发需消耗大量的能源，蒸发产生的高温水蒸汽不能有效的利用，导致污泥资源化效率低，很难产生经济价值；而且采用湿污泥作为原料，在反应过程中污泥容易发生板结、粘壁等现象，导致设备难以连续运行，并且污泥转化效率不高。此外，现有的外热制气反应器大多采用电加热的方式，运行成本偏高；而流化床工艺设备及操作条件复杂，热解产生的燃气品质相对较低，同样难以实现工业化生产。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，探索出一条利用污水制氢，利用污泥有机热值耦合热裂解低成本制氢，热电联产的固体废物资源化循环综合利用技术方法，替代高成本的化石能源制氢，填补了社会碳达峰，碳中和对制备绿氢巨大需求的技术短板。
本发明的技术方案是这样实现的：一种污泥耦合制氢系统，其特征在于，包括污泥燃料制备装置、污泥与生物质燃料耦合气化炉、污水纯化处理器、蒸汽雾化器、氢能热裂解炉和系统主控装置，所述污水纯化处理器将污泥烘干产生的水蒸气，处理为无杂质的脱盐纯水，蒸汽雾化器将纯水射流雾化，通过流量计和气流调节阀与氢能热裂解炉连接，所述污泥与生物质燃料耦合气化炉内设置有低氮燃烧器和温度感应探头，所述系统主控装置与雾化流量计，气流调节阀和温度感应探头电连接，所述氢能热裂解炉还连接有热电联产设备。
所述污泥与生物质燃料耦合气化炉包括上部、中部以及尾部组成，其上部配有污泥与生物质耦合燃料传输机；其下部由缺氧制气室、密封装置和气体输出装置组成；其尾部由主风室、挡风板和出渣口组成。
所述氢能热裂解炉包括热解室与燃烧室，所述热解室由若干耐火材料制成的大面积吸附催化反应器组成，利用耐火材料表面细微的气孔，吸附雾化水分子，高温裂解打开氢氧键制氢，热解室与所述蒸汽雾化器相连通，燃烧室底部设有与污泥与生物质燃料耦合气化炉相连的可燃气体进口。
本发明还提供了一种污泥耦合制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)制备污泥燃料：通过污泥燃料制备装置，用生物制气和发电余热对含水量不低于80wt％污泥进行非相变低温干化，抑制恶臭裂解，减量至含水20wt％，保留污泥中2000Kcal/kg以上的有机热值，得到污泥改性燃料。
S2)污水纯化处理：将含水量不低于80wt％污泥在污泥燃料制备装置蒸馏产生水蒸气，用中水冷凝为凝结水，凝结水经过污水纯化处理器，进行多重过滤除杂，弃除钙镁离子，制备为脱盐纯水提供制氢；
S3)气化炉加热：将得到的污泥改性燃料与生物质燃料混制成耦合燃料，传送至污泥与生物质燃料耦合气化炉中燃烧，在缺氧状态下热解产生可燃气体；
S4)高温热解：将得到的可燃气体送入氢能热裂解炉内燃烧；再将所述的脱盐纯水经蒸汽雾化器加热至95～100℃，然后射流雾化后形成的水蒸气水雾通入氢能热裂解炉的热解室内，吸附催化反应器吸附雾化水分子，并将水分子进行高温热裂解；主控装置控制水蒸气的气流量和氢能热裂解炉内的工作温度，热解温度为800～950℃，停留时间为10～30s；
S5)氢能利用：H2O水分子在高温下转化为H2和O2,同时产生的H2与O2在风机送入的空气中继续参与燃烧，产生的热能用于热电联产设备发电和余热烘干污泥；
S6)尾料处理：气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良。
所述步骤S2中，添加的污泥改性燃料与生物质燃料质量比为1:3～8。
所述耦合燃料热值为3000～3500Kcal/kg，所述生物质燃料按质量份数计，包括以下原料:秸秆20～40份、木屑20～30份、稻糠8～10份、甘蔗渣3～10份、硅烷偶联剂1～3份、脱氯剂0.5～1份、助燃剂1～2份。
所述步骤S4中，水蒸气的气流量控制在0.1～0.3L/min。
所述步骤S2中，污泥与生物质燃料耦合气化炉中气体燃烧温度为800～950℃。
所述步骤S1、S2、S3、S4、S5中，由系统主控装置调整控制各装置的最佳工艺技术参数，确保制氢的最佳纯度和流量。
所述污泥为生活污泥、工业污泥、养殖场污泥的一种或多种。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：
1.破解了使用化石能源高能耗，高成本电解制作灰氢的技术瓶颈，在干化污泥时充分保留污泥里2000Kcal/kg以上宝贵的有机热值，与4000Kcal/kg的生物质燃料耦合，达到3000Kcal/kg左右的气化条件，变废为宝，低成本获取热裂解制作绿氢的800～950℃的高温热源。
2.污泥干化时采用了多级非相变除臭工艺，实现氨气、硫化氢恶臭气体达标排放。利用干化污泥蒸发的水蒸气，作为催化重整制氢所需要的气化介质和氢源。
3.将污水制取为脱盐纯水，通过射流雾化进入热解炉内高温裂解，增大了水分子的表面积，提高了热解制氢的效率。热解室由若干耐火材料制成的大面积吸附催化反应器组成，利用耐火材料表面细微的气孔，吸附雾化水分子，高温裂解打开氢氧键制氢，进一步增大了水分子的表面积，提高了热解制氢的效率。
4.污泥与生物质燃料耦合气化炉配置了低氮燃烧装置，满足氮氧化物排放标准，制得的氢能直接燃烧发电，节约了氢能存储的投资，消除了氢气爆炸的事故隐患。氢能发出的电能，自发自用，余热回用污泥烘干，高效热电联产，气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良，实现“污泥不出污水厂”资源化闭环利用，既创造了非化石能源的经济价值，还创造了生态环境治理的社会价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的污泥耦合制氢的系统，包括污泥燃料制备装置、污泥与生物质燃料耦合气化炉、污水纯化处理器、蒸汽雾化器、氢能热裂解炉和系统主控装置，污水纯化处理器将污泥烘干产生的水蒸气，处理为无杂质的脱盐纯水，蒸汽雾化器将纯水射流雾化，通过流量计和气流调节阀与氢能热裂解炉连接，污泥与生物质燃料耦合气化炉内设置有低氮燃烧器和温度感应探头，系统主控装置与雾化流量计，气流调节阀和温度感应探头电连接，氢能热裂解炉还连接有热电联产设备。污泥与生物质燃料耦合气化炉包括上部、下部以及尾部组成，上部配有污泥与生物质耦合燃料传输机；下部由缺氧制气室、密封装置、气体输出装置和控制装置组成；尾部由主风室、挡风板和出渣口组成。氢能热裂解炉包括热解室与燃烧室，热解室由若干耐火材料组成大面积吸附催化反应器，利用耐火材料表面细微的气孔，吸附雾化水分子，替代昂贵的碱金属系列，镍基系列等消耗性催化剂，低成本高温裂解打开氢氧键制氢，热解室与所述蒸汽雾化器相连通，燃烧室底部设有与污泥与生物质燃料耦合气化炉相连的可燃气体进口。
本发明还提供了一种污泥耦合制氢的方法，包括以下步骤：
S1)制备污泥燃料：通过污泥燃料制备装置，用生物制气和发电余热对含水量不低于80wt％污泥进行非相变低温干化，抑制恶臭裂解，减量至含水20wt％，保留污泥中2000Kcal/kg以上的有机热值，得到污泥改性燃料。
S2)污水处理：将含水量不低于80wt％污泥在污泥燃料制备装置蒸馏产生水蒸气，用中水冷凝为凝结水，凝结水经过污水纯化处理器，进行多重过滤除杂，弃除钙镁离子，制备为pH7，硬度6度的脱盐纯水提供制氢；
S3)气化炉加热：将得到的污泥改性燃料与生物质燃料混制成耦合燃料，传送至污泥与生物质燃料耦合气化炉中燃烧，在缺氧状态下热解产生可燃气体，添加的污泥改性燃料与生物质燃料质量比为1:5。耦合燃料热值为3000～3500Kcal/kg，生物质燃料按质量份数计，包括以下原料:秸秆30份、木屑225份、稻糠9份、甘蔗渣7份、硅烷偶联剂2份、脱氯剂0.7份、助燃剂1.5份。
S4)高温热解：将得到的可燃气体送入氢能热裂解炉内燃烧；再将所述的脱盐纯水经蒸汽雾化器加热至95～100℃，然后射流雾化后形成的水蒸气雾化，通入氢能热裂解炉内进行吸附高温热解，系统主控装置控制水蒸气的输入量为保持氢能热裂解炉内的工作温度不低于900℃，停留时间为20s，水蒸气的气流量控制在0.2L/min，热裂解的氢含量为30～60％，热值为10～16MJ.Nm-3。
S5)氢能利用：H2O水分子在高温下转化为H2和O2,同时产生的H2与O2在风机送入的空气中继续参与燃烧，产生的热能用于热电联产设备发电和余热烘干污泥；
S6)尾料处理：气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良。
整个制氢过程由系统主控装置调整控制各装置的最佳工艺技术参数，如反应温度和蒸汽流量等。以确保制氢的最佳纯度和流量。
实施例2
本发明污泥耦合制氢的方法，包括以下步骤：
S1)制备污泥燃料：通过污泥燃料制备装置，用生物制气和发电余热对含水量不低于80wt％污泥进行非相变低温干化，抑制恶臭裂解，减量至含水20wt％，保留污泥中2000Kcal/kg以上的有机热值，得到污泥改性燃料。
S2)污水处理：将含水量不低于80wt％污泥在污泥燃料制备装置蒸馏产生水蒸气，用中水冷凝为凝结水，凝结水经过污水纯化处理器，进行多重过滤除杂，弃除钙镁离子，制备为pH6.5，硬度4度的脱盐纯水提供制氢；
S3)气化炉加热：将得到的污泥改性燃料与生物质燃料混制成耦合燃料，传送至污泥与生物质燃料耦合气化炉中燃烧，在缺氧状态下热解产生可燃气体，添加的污泥改性燃料与生物质燃料质量比为1:3。耦合燃料热值为3000～3500Kcal/kg，生物质燃料按质量份数计，包括以下原料:秸秆20份、木屑20份、稻糠8份、甘蔗渣3份、硅烷偶联剂1份、脱氯剂0.5份、助燃剂1份。
S4)高温热解：将得到的可燃气体送入氢能热裂解炉内燃烧；再将所述的脱盐纯水经蒸汽雾化器加热至95～100℃，然后射流雾化后形成的水蒸气雾化，通入氢能热裂解炉内进行吸附高温热解，系统主控装置控制水蒸气的输入量为保持氢能热裂解炉内的工作温度不低于800℃，停留时间为10s，水蒸气的气流量控制在0.1L/min，热裂解的氢含量为30～60％，热值为10～16MJ.Nm-3。
S5)氢能利用：H2O水分子在高温下转化为H2和O2,同时产生的H2与O2在风机送入的空气中继续参与燃烧，产生的热能用于热电联产设备发电和余热烘干污泥；
S6)尾料处理：气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良。
实施例3
本发明污泥耦合制氢的方法，包括以下步骤：
S1)制备污泥燃料：通过污泥燃料制备装置，用生物制气和发电余热对含水量不低于80wt％污泥进行非相变低温干化，抑制恶臭裂解，减量至含水20wt％，保留污泥中2000Kcal/kg以上的有机热值，得到污泥改性燃料。
S2)污水处理：将含水量不低于80wt％污泥在污泥燃料制备装置蒸馏产生水蒸气，用中水冷凝为凝结水，凝结水经过污水纯化处理器，进行多重过滤除杂，弃除钙镁离子，制备为pH7.5，硬度7度的脱盐纯水提供制氢；
S3)气化炉加热：将得到的污泥改性燃料与生物质燃料混制成耦合燃料，传送至污泥与生物质燃料耦合气化炉中燃烧，在缺氧状态下热解产生可燃气体，添加的污泥改性燃料与生物质燃料质量比为1:8。耦合燃料热值为3000～3500Kcal/kg，生物质燃料按质量份数计，包括以下原料:秸秆40份、木屑30份、稻糠10份、甘蔗渣10份、硅烷偶联剂3份、脱氯剂1份、助燃剂2份。
S4)高温热解：将得到的可燃气体送入氢能热裂解炉内燃烧；再将所述的脱盐纯水经蒸汽雾化器加热至95～100℃，然后射流雾化后形成的水蒸气雾化，通入氢能热裂解炉内进行吸附高温热解，系统主控装置控制水蒸气的输入量为保持氢能热裂解炉内的工作温度不低于950℃，停留时间为30s，水蒸气的气流量控制在0.3L/min，热裂解的氢含量为30～60％，热值为10～16MJ.Nm-3。
S5)氢能利用：H2O水分子在高温下转化为H2和O2,同时产生的H2与O2在风机送入的空气中继续参与燃烧，产生的热能用于热电联产设备发电和余热烘干污泥；
S6)尾料处理：气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良。
本发明的工作过程是：本发明将干燥污泥与农林废弃物及林业废弃物等生物质原材料通过处理之后，按照不同比例，形成3000～3500Kcal/kg污泥耦合燃料，然后输送至污泥与生物质燃料耦合气化炉内，在高温反应下开始热裂解、碳化，在这一过程中还会产生大量的混合气。这些气体的主要组成是高浓度的一氧化碳、氢气和甲烷等。当这些具有热值的混合气从炉内出来时，气体燃烧温度约1000～1100℃，为了能够充分利用这部分的气体，送入氢能热裂解炉内保持高温状态。脱泥水经过污泥燃料制备装置处理为制氢原水，在弃除杂质，进行酸碱度和硬度调节后，形成脱盐纯水，使其不结垢，防止其堵塞设备管道。将脱盐纯水加热后，射流雾化进入裂解炉内高温热解，增大了水分子的表面积，水分子在800～950℃条件下吸附热解打开氢氧键，与空气混合直接燃烧，即产即用，无需冷凝压缩存储，简化了使用工艺，降低了设备投资，提高了热解的效率。主控装置控制水蒸气的气流量在0.1～0.3L/min和氢能热裂解炉内的工作温度800～950℃，为水的热解反应提供了适宜的反应条件。本发明制得的氢能完全燃烧，热能用于燃气发电，余热用于污泥烘干，热电联产，热量回用。气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良，从而将污泥处置变为开发氢能，电能非化石能源，实现“污泥不出污水厂”，资源闭合循环利用，节能环保。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污泥耦合制氢系统，其特征在于，包括污泥燃料制备装置、污泥与生物质燃料耦合气化炉、污水纯化处理器、蒸汽雾化器、氢能热裂解炉和系统主控装置，所述污水纯化处理器将污泥烘干产生的水蒸气，处理为无杂质的脱盐纯水，蒸汽雾化器将纯水射流雾化，通过流量计和气流调节阀与氢能热裂解炉连接，所述污泥与生物质燃料耦合气化炉内设置有低氮燃烧器和温度感应探头，所述系统主控装置与雾化流量计，气流调节阀和温度感应探头电连接，所述氢能热裂解炉还连接有热电联产设备。
2.根据权利要求1所述的污泥耦合制氢系统，其特征在于，所述污泥与生物质燃料耦合气化炉包括上部、中部以及尾部组成，其上部配有污泥与生物质耦合燃料传输机；其下部由缺氧制气室、密封装置和气体输出装置组成；其尾部由主风室、挡风板和出渣口组成。
3.根据权利要求1所述的污泥耦合制氢系统，其特征在于，所述氢能热裂解炉包括热解室与燃烧室，所述热解室由若干耐火材料制成的大面积吸附催化反应器组成，利用耐火材料表面细微的气孔，吸附雾化水分子，高温裂解打开氢氧键制氢，热解室与所述蒸汽雾化器相连通，燃烧室底部设有与污泥与生物质燃料耦合气化炉相连的可燃气体进口。
4.一种污泥耦合制氢的方法，利用权利要求1至3任一项所述的污泥耦合制氢系统制氢，其特征在于，包括以下步骤：
S1)制备污泥燃料：通过污泥燃料制备装置，用生物制气和发电余热对含水量不低于80wt％污泥进行非相变低温干化，抑制恶臭裂解，减量至含水20wt％，保留污泥中2000Kcal/kg以上的有机热值，得到污泥改性燃料。
S2)污水纯化处理：将含水量不低于80wt％污泥在污泥燃料制备装置蒸馏产生水蒸气，用中水冷凝为凝结水，凝结水经过污水纯化处理器，进行多重过滤除杂，弃除钙镁离子，制备为脱盐纯水提供制氢；
S3)气化炉加热：将得到的污泥改性燃料与生物质燃料混制成耦合燃料，传送至污泥与生物质燃料耦合气化炉中燃烧，在缺氧状态下热解产生可燃气体；
S4)高温热解：将得到的可燃气体送入氢能热裂解炉内燃烧；再将所述的脱盐纯水经蒸汽雾化器加热至95～100℃，然后射流雾化后形成的水蒸气水雾通入氢能热裂解炉的热解室内进行高温热解；主控装置控制水蒸气的气流量和氢能热裂解炉内的工作温度，热解温度为800～950℃，停留时间为10～30s；
S5)氢能利用：H2O水分子在高温下转化为H2和O2,同时产生的H2与O2在风机送入的空气中继续参与燃烧，产生的热能用于热电联产设备发电和余热烘干污泥；
S6)尾料处理：气化炉燃烧后的炉灰为碳基原料，用于有机碳肥，土壤改良。
5.根据权利要求3所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述步骤S2中，添加的污泥改性燃料与生物质燃料质量比为1:3～8。
6.根据权利要求4所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述耦合燃料热值为3000～3500Kcal/kg，所述生物质燃料按质量份数计，包括以下原料:秸秆20～40份、木屑20～30份、稻糠8～10份、甘蔗渣3～10份、硅烷偶联剂1～3份、脱氯剂0.5～1份、助燃剂1～2份。
7.根据权利要求4所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述步骤S4中，水蒸气的气流量控制在0.1～0.3L/min。
8.根据权利要求4所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述步骤S2中，污泥与生物质燃料耦合气化炉中气体燃烧温度为800～950℃。
9.根据权利要求4所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述步骤S1、S2、S3、S4、S5中，由系统主控装置调整控制各装置的最佳工艺技术参数，确保制氢的最佳纯度和流量。
10.根据权利要求4所述的污泥耦合制氢的方法，其特征在于：所述污泥为生活污泥、工业污泥、养殖场污泥的一种或多种。
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