CN113862009A

CN113862009A - 有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法

Info

Publication number: CN113862009A
Application number: CN202111259177.XA
Authority: CN
Inventors: 唐佳; 唐竹胜
Original assignee: Yantai Honglin Energy Saving And Environmental Protection Technology Co Ltd
Current assignee: Yantai Honglin Energy Saving And Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN113862009B

Abstract

本发明涉及有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，属于新能源领域，包括以下步骤：1)原材料的准备：将有机废弃物进行破碎或者切割，挤压成颗粒或块；2)热解气化：将原料抛洒入到窑炉的高温炉膛内，初始反应温度800℃，加热的温度为800～1000℃，经过0.5～2h反应过程，得到含氢气的混合生物燃气和热态干馏炭副产物；3)提高生物燃气的H₂含量：直接向热态干馏炭喷吹水雾，形成水蒸气进入窑炉，水蒸气分解成氢气，增加生物燃气的氢含量；4)分离氢能和CO+CH₄生物燃气：富氢生物燃气经加压和PSA变压吸附塔，获得99.9％氢气和CO+CH₄的混合生物可燃气体。本发明热解气化的过程无焦油、无NO_X、无二噁英，具有高产高效、节能环保、延长产业链的优点。

Description

有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法

技术领域

本发明涉及有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，属于新能源技术领域。

背景技术

煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是最廉价的能源。近年来，全球经济持续增长，使电力、冶金、建材、化工等行业的高速发展对煤炭的需求大幅度增加，导致全球煤炭需求快速增长，消费逐年递增，石油及天然气价格大幅上涨，价格逐步攀升，使CO₂的排放量严重过剩，造成地球表面变暖。

近年，焦煤资源日益贫乏，而非焦煤资源还没有得到很好的开发和利用。有关部门预测，新疆奇台县的煤炭资源储量达3000亿吨，占准东煤炭资源储量的75％，但是其绝大部分储量为低阶煤，当前，优质的低阶煤块可用于煅烧块状兰炭清洁煤炭，而大量的粉状煤却无法生产块状兰炭。低阶煤是变质程度最低的煤类，低阶煤的含能量较低，其经济价值远远低于高阶煤，低阶煤通常用作动力用煤，比如发电厂、煤气化、煤液化；再加上新疆其它地区、内蒙赤峰褐煤、霍林河褐煤等煤炭资源，均为低价煤，尤其是粉状低阶煤，更没有得到很好的开发和综合利用。

世界上垃圾分为有机垃圾、无机垃圾以及有害垃圾三种。

有机垃圾有两大来源：园林垃圾和厨余垃圾。

1.园林垃圾：树枝的收集呈松散状；树叶、杂草和植物放板条箱内。

2.厨余垃圾：也称湿垃圾，是指日常生活垃圾中可分解的有机物。这部分有机垃圾包括食物残渣、菜根、菜叶，动物蹄、角、瓜皮、果屑、蛋壳、鱼鳞、蛋壳、毛发、植物枝干、树叶、杂草、动物尸体、牲畜粪便等。

有机废物处理是指对有机废弃物及其污染物进行物理、化学和生物方法处理，使其减少对环境的污染甚至变废为宝。其基本处理方法有：堆肥法、焚烧、卫生填埋、等离子体处理、热解吸、现场玻璃化及其他技术。

这些方法或多或少都存在着一些问题，如垃圾热值低是需要辅助燃料，炉温较低，对二噁英类等有害有毒副产物不能彻底分解除尽，带来二次污染等。

目前，世界上，氢能制取有很多种方法：煤制氢；天然气制氢；炼油厂气制氢、甲醇制氢；工业副产制氢；焦炉煤气制氢；电解水制氢；氨分解制氢等制氢形式多样化。

我国制氢工艺是根据地区、行业、资源不一样而选择的制氢路线不同。中国西部天然气丰富，主要是以天然气为主；炼油企业利用干气制氢、天然气制氢较多；北方企业大部分是以煤为原料获得氢气在发展下游产业；煤制氢成本低但是环保投入大，大多是大型装置；焦炉气制氢是副产氢气而获得，变废为宝；水电解和甲醇制氢在当下主要是小型需求氢气为主，成本高，技术未有新的突破。

随着石油资源的日趋紧缺，使用氢能的呼声日益高涨。但目前市场的氢气主要是从化石能源制备的，并不能解决能源资源的再生问题。

氢的燃烧产物是水，分解水制得的氢是再生氢，是用之不竭的。但是，目前的电解水技术能耗高，氢的成本高，因此，渴望获得可再生、可循环、清洁、绿色、低廉纯氢能源。

为了发展氢冶金及氢能汽车等纯氢广泛的应用，也为了深入践行国家“碳中和、碳达峰”战略部署，本专利提出了一种生物质材料或者有机垃圾等有机化合废弃物，经无焦油、无NO_x、无二噁英的“三无”方法，热解气化高纯富氢生物燃气，再经PSA变压吸附分离出99.9％的纯氢气和高纯CO+CH₄生物燃气，联产颗粒状或块状生物炭或有机肥副产品，粉状低阶煤还可生产出块状兰炭、半焦制品，使粉状低阶煤、生活垃圾及其它有机化合废弃物，变废为宝，也杜绝了焦油、NO_x、二噁英的产生，造成二次环境污染，并获得可再生、可循环、清洁、绿色、低廉的纯氢能源的方法，为氢能广泛应用打下了坚实的基础，同时，也使大气中过剩的CO₂逐步减少。

发明内容

本发明针对现有技术的上述问题，提供一种有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备

将有机废弃物进行破碎或者切割，在100～300℃温度下烘干，使其含水量在10～20％，再将其挤压成直径为￠10×(5～20)mm的颗粒状或(20～50)×(20～50)×(20～50)mm的块状，作为有机废弃物型块备用；

2)热解气化

将有机废弃物型块抛洒入到窑炉的高温炉膛内，初始反应温度800℃，窑炉通体加热的温度为800～1000℃，最高温度1050℃，经过0.5～2h的热解、气化反应过程，挥发出含氢气的混合生物燃气，并且得到热态干馏炭副产物；

3)提高生物燃气的H₂含量

热态干馏炭从窑炉密闭进入回转冷却机，在窑炉和回转冷却机之间直接向热态干馏炭喷吹水雾，形成水蒸气进入窑炉的炉膛内，水蒸气与炉膛的炭粉和CO进行反应，水蒸气分解成氢气，增加窑炉内的混合生物燃气的氢气含量，得到富氢生物燃气；

4)分离氢能和CO+CH₄生物燃气

富氢生物燃气从窑炉排出后，经净化处理，再经空压机加压到0.1～0.12MPa后，再经过PSA变压吸附塔，分别获得氢能和CO+CH₄混合生物可燃气体；

5)联产生物炭

将热态干馏炭在回转冷却机中冷却到200℃以下，得到块状生物炭。

本发明在上述技术方案的基础上，还可以作出如下的改进：

进一步，所述步骤1)中，所述有机废弃物为有机垃圾、生物质材料或者低阶煤，所述有机垃圾撕碎至0～50mm的片；所述生物质材料，如植物类、树木枝叶类破碎到0～3mm的粉末，或者较粗的树枝、树木直接切割成(20～50)×(20～50)×(20～50)mm的木方块。

进一步，所述步骤1)中，按有机垃圾原料的重量比配加0～20％的除味剂混合均匀，所述除味剂为生物炭或活性炭，可采用窑炉中自产的干馏炭粉作为除味剂，将其打磨到80～120目，与有机垃圾均匀混合后，可有效除了部分除臭，利于后续工作环境。

进一步，所述步骤2)中，所述窑炉为具有还原性气氛的隔焰式回转窑炉。

进一步，所述窑炉不设预热段或者预热段很短或者预热段长径比为1/15～1/20。

不设预热段或者预热段占窑炉长度的比值较小，可以保证窑炉内的温度能较快达到800℃以上，使有机废弃物型块被抛洒至窑炉内即可获得800℃的初始反应温度，减少焦油的产生，或者即使产生少量焦油，也可以使焦油快速分解，而焦油的分解产物中有H₂，也可以提高窑炉内生物燃气的H₂含量。

进一步，所述窑炉的窑体两端由窑尾罩和窑头罩罩住；窑尾罩和窑头罩分别由后托圈及驱动总成机构和前托圈及驱动总成机构支撑和摩擦驱动，窑体安装角度为0～3.5°，转速为0.5～5r/min。

进一步，所述窑炉的窑体由加热室保温壳包裹，形成加热室，由烧嘴对窑体进行隔焰式保护加热。

进一步，所述步骤2)中，有机废弃物型块通过抛丸机抛洒至窑炉的炉膛内。

通过抛洒的方式将有机废弃物型块直接抛至窑炉的高温段，保证有机废弃物型块落至窑炉内即达到800℃或以上的初始反应温度，而且抛洒的过程没有空气进入到窑炉中，保护窑炉中的混合生物燃气的纯度，也避免了空气中的氮气在窑炉高温条件下生成氮氧化合物和稀释混合生物燃气的浓度。

进一步，所述步骤4)中，在窑炉和回转冷却机之间设有水雾发生器。

本发明专利具有以下特点：

1.有机垃圾除臭

生活垃圾、厨余垃圾因存放时间较长，一般都有臭味。而经热解气化冷却后的生物炭或生机肥，实际上是已经被转化成干馏木炭、生物炭、兰炭、甚至接近成为活性炭的指标，呈多孔碳化现象，具有气孔率高、比表面积大等特点，其粉末与有机垃圾混合后，炭粉具有良好的吸附作用，可有效吸附垃圾中的臭味等。可按有机化合废弃物的重量比配加0～20％的干馏炭粉，起到除臭、去味的作用。

2.“三无”法热解气化

不是将固体有机化合物废弃物收集起来，作为燃料就能变废为宝了，而是要将生物质材料、有机垃圾等有机化合废弃物产生更大的应用潜力和价值，并且，还不能分解或热解出焦油、NO_X、二噁英气体，以防造成二次环境污染的一种科学应用方法，才能叫“变废为宝”。

1)无焦油

固体有机化合物的垃圾、生物质材料等有机化合废弃物及包括褐煤等低阶煤都有相同之处，其加温热解气化也大致分为三个阶段：

第一阶段：温度300℃为干燥脱水阶段，在300℃开始热解；

第二阶段：温度300～600℃发生剧烈热解，析出大量的煤气和焦油，450℃焦油析出率最大，400～600℃开始缓慢析出H₂。

第三阶段：温度600～1000℃，以缩聚为主，半焦变成焦炭，该阶段析出焦油极少，产生的气体主要是CO、H₂和少量的CH₄；

其中：550～700℃是析出CH₄的峰温、600～900℃析出H₂量最大、700～800℃是CO析出速度最快峰温。

有机化合废弃物料型块或颗粒，在起始温度800℃以上时，会快速气化热解析出大部分的焦油，而焦油又会快速进行二次热解或几次热解，析出大量的CO、H₂和少量的CH₄可燃气体。

将生物质材料、有机垃圾及低阶煤粉经合理的配料、成型后，采用余热将其烘干，直接抛洒进温度≥800℃的隔焰式气氛保护的炉膛中，使其型块或颗粒快速升温、干馏、热解、气化出焦油，焦油同时再迅速进行多次分解，析出大量的CO、H₂及少量的CH₄可燃气体，挥发份快速气化、热解出焦油，并继续分解的同时，随着温度的升高，焦油也在发生碳化、固结，使残留的固定碳与焦油碳化物，呈烧结或高温粘结状态，在800℃～1000℃的高温，并持续30min以上，甚至达到1h～2h时，能改进型块的结焦性、增加有机化合物在炼焦过程中的流动度，进入软化的型炭，使其呈“湿润”状，发生相变，使炭质均匀化，并使相变后结构组成部分进一步排列成易于移动和粘结。在有机废弃物型块或颗粒，经过900～1000℃温度，时间0.5～1h左右的高温可塑阶段后，焦油渗透到残留的型块的气孔结构中，会延迟了型块组织的热分解速度，并对其组织或物相结构发生相变，使其形成新的物相结构或排列，因此，对焦油进一步热解和碳化现象，使焦油也在发生碳化、固结，使残留的固定碳与焦油碳化物，呈烧结或高温粘结状态，在1000℃以上的高温时，能改进型块的结焦性、增加型块在炼焦过程中的流动度，进入软化的炭粒，使其呈“湿润”状，使炭质均匀化，并使原来物相结构的组成部分易于移动和粘结，对残留(干馏)型块的冷态高机械强度，也就是说对残留(干馏)型块形成新的焦炭结构的形成，会产生积极的促进作用。

最终，可使低阶煤型煤块或生物颗粒、型块等有机化合废弃物，在高温、长时间、热解、气化、碳化的气氛和过程中，挥发出可燃气体，固体炭也就形成优质、高强度颗粒状或块状的木炭块、活性炭块、生物炭块、兰炭块、半焦块产品，高灰分的炭块就是生物质有机肥料或炭基肥。

2)无二噁英

二噁英常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，大气环境中的二噁英90％来源于城市和工业垃圾焚烧。含铅汽油、煤、防腐处理过的木材以及石油产品、各种废弃物特别是医疗废弃物在燃烧温度低于300～400℃时容易产生二噁英。聚氯乙烯塑料、纸张、氯气以及某些农药的生产环节、钢铁冶炼、催化剂高温氯气活化等过程都可向环境中释放二噁英有害气体。

城市工业垃圾焚烧过程中二噁英，目前认为主要有三种途径：1.在对氯乙烯等含氯塑料的焚烧过程中，焚烧温度低于800℃，含氯垃圾不完全燃烧，极易生成二噁英。燃烧后形成氯苯，后者成为二噁英合成的前体；2.其他含氯、含碳物质如纸张、木制品、食物残渣等经过铜、钴等金属离子的催化作用不经氯苯生成二噁英；3.在制造包括农药在内的化学物质，尤其是氯系化学物质，象杀虫剂、除草剂、木材防腐剂、落叶剂(美军用于越战)、多氯联苯等产品的过程中派生。

因此，有机垃圾和生物质材料产生二噁英气体的温度是在270～420℃范围内，在705℃以下非常稳定，在800℃以上，几乎100％的分解二噁英有害气体。

本发明通过抛洒的方式将有机废弃物型块抛洒至窑炉的高温炉膛内，使有机废弃物型块快速达到800℃的反应温度，迅速进行热解、气化，因此不会产生二噁英有害气体，即使产生少量二噁英，也会在800℃以上温度下迅速分解，有效杜绝了二噁英的产生。

3)无硝

氮氧化物包括多种化合物：如一氧化二氮(N₂O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、三氧化二氮(N₂O₃)、四氧化二氮(N₂O₄)和五氧化二氮(N₂O₅)等。除二氧化氮以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又变为二氧化氮。因此，职业环境中接触的是几种气体混合物常称为硝烟(气)，主要为一氧化氮(N₂O)和二氧化氮(NO₂)，并以二氧化氮(NO₂)为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性，也因此需要进行脱硝处理。

硝烟(气)NO_x的生成机理：

在燃烧过程中，NO_x生成的途径有3条：

1)是空气中氮在高温下氧化产生，称为热力型NO_x；

2)是由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成NO_x，称为快速型NO_x；

3)是燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的NO_x，称为燃料型NO_x。

关于热力NO_x的生成机理是高温下空气的N₂氧化形成NO；其主成速度与燃烧温度有很大关系，当燃烧温度低于1400℃时，热力NO_x生成速度较慢，当温度高于1400℃反应明显加快，根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加。这说明，在实际炉内温度分别不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的NO_x；并会对整个炉内的NO_x生成量起决定性影响。热力NO_x的生成量则与空气过剩系数有很大关系，氧浓度增加，NO_x生成量也增加。当出现15％的过量空气时，NO_x生成量达到最大：当过量空气超过15％时。由于NO_x被稀释，燃烧温度下降，反而会导致NO_x生成减少。热力NO_x的生成还与烟气在高温区的停留时间有关，停留时间越长，NO_x越多。

大约1000℃左右，氮气和氧气已经能够生成NO了(量很少，但在大气污染中不可忽视)，只有在1250℃以上时，才会逐渐有一定量的NO_x生成。

本发明的窑炉通体加热温度在800-1000℃，最高1050℃，在这个反应温度，NO_X的生成速度很慢，另外，本发明的原料有机废弃物型块通过抛洒的方式进入窑炉并且窑炉采用隔焰式保护加热，窑炉内不会进入太多的空气，进一步抑制了NO_X的产生。

3.实现“三无”热解气化的方法

有机化合物颗粒或型块，采取在窑头抛洒的方式进入高温炉膛的方式，窑炉中热解气化的物料起步温度不能低于800℃，才能实现“三无”热解气化。

本发明提供的方法，有机化合废弃物采用的是隔焰式回转窑，进行密闭式热解气化，块状或颗粒状物料从窑头抛洒入炉的，物料“落地”即迅速热解气化，并且热解气化的起始温度就是800℃，热解气化速度很快，隔焰式回转窑的炉膛通体温度为800～950℃，最高可达到1050℃，因此，热解气化排出炉外的高纯生物燃气中几乎不含焦油，同时，也不会含有二噁英气体，干馏后的生物炭也是呈块状或颗粒状。

窑炉必须是选择具有充分还原性气氛的窑炉。传统的窑炉，不管是竖炉模式还是回转窑模式，或者是隧道窑模式，一般均设有预热段(反应段)、高温段(加热段)和冷却段三段窑炉；而本专利窑炉选择没有预热段的窑炉，或者说有机物料成型颗粒或块，被热解气化的物料被抛洒到窑炉的炉膛内，马上或瞬间接触到800℃以上的起始反应温度，经过0.5～2h的热解气化反应的过程，出料，出窑后的高温炭物料密闭进入回转窑冷却机进行保护冷却，而在热解窑的出口和回转冷却剂的进口处，喷水，除了对热解气化后高温炭物料进行直接冷却，同时，又会形成大量的水蒸气，并直接进入热解气化炉膛内，水蒸气与炉膛的炭粉和CO再进行反应，水蒸气分解成氢气。

C+H₂O＝高温＝H₂+CO

CO+H₂O＝高温＝CO₂+H₂

CO₂+C＝高温＝2CO

CH₄+H₂O＝高温＝CO+3H₂

本发明专利可以采用的窑炉为专利号：2020220005314，专利名称为《一种多功能复合式回转窑的隔焰式回转窑》所公开的窑炉。

4.热解气化生产高纯富氢气体再PSA分离出氢清洁、绿色纯氢能源

生物质材料、有机垃圾甚至低阶煤等有机化合物料，在800℃～1000℃时，热解析出的焦油会再次快速二次、多次分解成H₂、CO等还原性气体。

有机化合物在600～1000℃时，一般热解气化的H₂：10～20％、CH₄：3～5％、CO₂：0～25％；(竖炉模式)

有实验证明：采用废旧蘑菇棒热解气化(含水量在10％以上)，在隔焰的密闭空间内，900℃时产气量为0.498m³/kg，其中：H₂为55.55％、CO为31.93％、CH₄为8.52％，可燃气体浓度合计为96.00％；400℃生物炭热值为：4942kcal/kg，当温度为800℃，热解时间1h，生物炭产率31.20％。

也就是说：废蘑菇棒生物质材料、有机垃圾、有机废物等含有机化合废弃物料颗粒，在900℃热解气化产生物气量大约为0.5m³/kg，富氢高纯煤气含H₂量在50％以上，生物炭产率30～35％。

可燃气体浓度总合计为96.00％的高纯富氢生物燃气，经加压到0.1～0.12Mpa，再经PSA变压吸附装置，可分离出CO+CH₄高纯生物可燃气体和99.9％纯度的氢气，作为再生、循环、清洁、绿色的氢气能源，直接应于氢冶金，也可再进行压缩成液态纯氢，作为清洁绿色氢能汽车及其它氢能燃料使用。

CO+CH₄高纯生物可燃气体可作为隔焰式回转窑自身加热或它用。

5.生物炭或生机肥、炭基肥副产品可锁定3.66倍的CO₂排放量

生物质材料、有机垃圾等有机化合废弃物废弃物，经高温“三无”(无焦油、无NO_x、无二噁英)热解气化出高纯富氢生物燃气，可根据入炉物料灰份含量的高低，联产生木炭、兰炭、型焦、生物炭或生机肥、炭基肥副产品，如果入炉的有机化合物中灰份含量较高，干馏残留物即为生机肥或炭基肥，而生机肥或炭基肥，作为炭基有机肥料，不单单可肥沃土壤，利于植物快速生长，还可固碳减排，可将其固定碳锁定在土壤中几百年、上千年不再分解，相对减少了3.66倍的CO₂排放量，可大大减缓空气中CO₂的饱和度。

6.适合有机化合废弃物

本发明适合生物质材料、有机垃圾、厨房垃圾等有机化合物废弃物，也适合包括褐煤等低阶煤、废旧轮胎、塑料等废品的高温热解气化高纯燃气、富氢生物燃气，并根据入炉物料灰份高低、热解气化温度高低、热解气化时间长短等具体参数，可多联产木炭、活性炭、型焦、兰炭、生物炭或炭基肥、生机肥多种副产品，也可用于生产制取可再生、可循环、清洁、绿色的氢能源，同时，为了尽快实现“碳中和”，还可对遗留的含铁尾矿、尾渣及难选铁矿，进行含铁尾矿、尾渣提铁还原综合再利用，二次尾矿、尾渣复土造田，土壤改良，建设山田林光风水立建设，行业体互补，碳中和绿色经济大循环产业链。具有：高产高效、节能环保、延长产业链，建设固废处理、选矿业、农业、种植业、畜牧业、土壤改良、冶金业(非高炉炼铁业)、铸造业(热锻压)、合金钢、粉末冶金业、建材业、环保业、再生资源回收利用业、新能源业等多个行业内，形成绿色经济大循环产业链，有着巨大的经济意义和社会意义。

附图说明

图1为本发明所使用的窑炉的结构示意图；

图2为本发明的方法的流程示意图。

附图标记记录如下：可燃气体排出口1、窑体2、后托圈及驱动总成机构3、窑尾罩4、加热室排烟口5、加热室保温壳6、加热室7、烧嘴8、抛洒型块9、前托圈及驱动总成机构10、窑头罩11、有机废弃物型块12、抛丸机13、落料口14、水雾发生器15、回转冷却机16、干馏炭17。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

1.制备颗粒或块

有机化合物废弃物如果是新鲜的或者有臭味的有机垃圾、生活有机垃圾，在最短的时间内，运输到位，采用撕破机，将有机垃圾撕破到0～50mm的小片，按其重量比配加0～20％的除味剂，可选择窑炉中残留的干馏炭粉，会大大减少有机垃圾的臭味，再采用烘干设备，利用窑炉的高温烟气等余热，在100～300℃温度内先将其烘干，使其含水量在10～20％，再采用颗粒挤压机将其挤压成直径￠10×(5～20)mm的颗粒段或块状，作为有机废弃物型块12备用。

热解气化干馏后颗粒状或块状的生物炭或生机肥，也就是干馏炭17，将其打磨到80～120目，按有机垃圾的重量比，配加0～20％的干馏炭粉，与有机垃圾均匀混合后，可有效除了部分除臭，利于后续工作环境。

如果是植物类、树木枝叶类生物质材料，可将其破碎到0～3mm的粉末，在100～300℃温度内先将其烘干，使其含水量在10～20％，再采用颗粒挤压机将其挤压成直径￠10×(5～20)mm的颗粒段或块状，作为有机废弃物型块12备用。

如果是较粗的树枝、树木，可采用木锯，将其切割成(20～50)×(20～50)×(20～50)mm的木方，作为有机废弃物型块12备用。

2.采用热解气化的窑炉

窑炉必须是选择具有充分还原性气氛的窑炉。传统的窑炉一般均设有预热段、高温段(反应段、加热段)和冷却段三段窑炉，比如：隧道窑、回转窑、竖炉等；而本发明所采用的窑炉必须要选择没有预热段的窑炉或者预热段很短、预热段长径比为1/15～1/20、长度约1.0-1.8m的窑炉，有机废弃物型块12经抛丸机13作为抛洒型块9抛洒入到窑体2的高温炉膛内，就具有800℃的起始反应温度，窑炉通体加热的温度为800～950℃，最高温度达到1050℃，窑炉长度在21～35m，而后“落地”的抛洒型块9经过0.5～1.5h左右的热解、气化反应过程，才能出料。

本发明专利可以采用的窑炉为专利号：2020220005314，专利名称《一种多功能复合式回转窑的隔焰式回转窑》所公开的窑炉。

本发明实施例试验采用的是规格为￠326mm×21m隔焰外加热式回转窑。

其主要包括：可燃气体排出口1、窑体2、后托圈及驱动总成机构3、窑尾罩4、加热室排烟口5、加热室保温壳6、加热室7、烧嘴8、抛洒型块9、前托圈及驱动总成机构10、窑头罩11、有机废弃物型块12、抛丸机13、落料口14、水雾发生器15、回转冷却机16、干馏炭17。

窑体2的两端由窑尾罩4和窑头罩11罩住；分别由后托圈及驱动总成机构3和前托圈及驱动总成机构10支撑和摩擦驱动，使窑体2进行旋转，安装角度一般在0～3.5°，转速一般在0.5～5r/min。

窑体2由加热室保温壳6包裹，形成加热室7，由一排烧嘴8对窑体2进行隔焰式加热，可以采用电能，也可采用天然气或甲醇、油类进行加热，也可采用自身回收的生物燃气进行自身加热。窑体2内的温度一般在800～950℃，最高温度可达到1000℃。加热室7的烟气从加热室排烟口5被引风排出，用于型煤块烘干等应用；窑体2内生产的大量可燃气体，可通过可燃气体排出口1被引风排出，进行再应用。

热态干馏炭经落料口14进入回转冷却机16、经水雾发生器15喷洒水雾和回转冷却，最后将冷却到200℃以下的干馏炭17排出。

由于本专利的气化热解的窑体2是外加热隔焰式回转窑，随时随地可以确定和调整和控制窑内的温度，炉体可以不设预热段或者说预热段很短，有机物料成型颗粒或块，在窑头采用抛丸机13被抛撒到炉膛内指定的800℃起始温度的位置，炉膛温度一般控制在800～950℃，隔焰式回转窑转速为0.4r/min，热解气化的时间为1.0～1.5h，再密闭进入回转冷却机16内，进行保护冷却，干馏炭17被保护冷却到200℃以下，再从回转冷却机16排出。

3.促进氢气生成

窑体2必须是选择具有充分还原性气氛的窑炉。传统的窑炉，不管是竖炉模式还是回转窑模式，或者是隧道窑模式，一般均设有预热段(反应段)、高温段(加热段)和冷却段三段窑炉；而本专利窑体2必须选择没有预热段的窑炉，或者说有机废弃物型块12由抛丸机13将其抛洒入窑体2内，形成抛洒型块9，抛洒型块9“落地”后(指落到窑体2内)，必须马上或瞬间接触到800℃以上的起始反应温度，经过0.5～1.5h的热解气化反应的过程才能出料，出窑后的高温炭物料经落料口14密闭进入回转冷却机16进行保护冷却，而在热解窑的出口和回转冷却机16的进口处交界处设有水雾发生器15，向红热的干馏炭喷吹水雾，除了对热解气化后高温炭物料进行直接冷却，同时，又会形成大量的水蒸气和已经分解出了的H₂，并直接进入热解气化炉膛内，水蒸气与炉膛的炭粉和CO再进行反应，水蒸气分解成氢气。

另由于原料生物质颗粒或者块本身就含有10-20％的水分，进入回转窑起始温度时就发生激烈热解气化反应，在有C和CO的条件下，生物质的水分一部分就可以直接电解生成氢气，即生物质本身可以热解气化出含有氢气的生物燃气，生物质的另一部分水分在窑炉内与C和CO的反应，再加上在回转冷却机内喷洒水雾，水雾变成水蒸气再进入回转窑内C和CO的反应，生成高纯富氢生物燃气。

4.热源实现自给

本装置系统采用液化气等其它外来能源，进行冷窑升温，当窑炉温度基本正常时，隔焰式回转窑窑体2的可燃气体排出口1回收生物燃气。

每公斤有机化合废弃物料，可获得大约0.5Nm³浓度96％以上的高纯富氢生物燃气，热值为4200～4300Kcal/Nm³，也就是说每公斤有机化合废弃物料热解气化出2100～2150Kcal/Nm³的生物燃气的热量。

而热解气化过程中，每公斤有机化合废弃物料需要吸收大约500～700Kcal/Nm³的热量，因此，有机化合物料经热解气化自产的煤气除了满足自身应用外，还可富余一半以上的热量，可用作它用，使整个系统的热量实现自给了，这也给后续PSA纯氢能源打下了基础。

5.分离纯氢能和CO+CH₄生物燃气

有机化合废弃物料900℃热解气化的生物燃气的主要成份为：

表1 生物燃气主要成份

本高纯富氢混合生物燃气经空压机加到0.1～0.12MPa后，再经PSA变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)，可获得99.9％以上纯度的纯氢气和CO+CH₄的混合高纯生物可燃气体。

CO+CH₄的高纯混合生物可燃气体可用于自身隔焰式回转式热解气化炉加热使用或者它用。

纯度99.9％以上的氢气，可直接用于氢冶金，也可经加压液化处理，可获得液态氢能，用于氢能汽车或它用。

6.联产炭副产品

每吨生物质材料、有机垃圾等碳氢化合物废弃物，经高温“三无”(无焦油、无硝、无二噁英)热解气化出高纯富氢生物燃气，干馏后的干馏炭17，经回转冷却机16保护冷却后，可根据入炉物料灰份含量的高低，可联产出300～400kg的生物炭，根据入炉碳氢化合物废弃物的灰份高低，热解气化的温度、时间不等，生物炭一般会形成木炭、活性炭、兰炭、型焦、生物质炭及炭基肥或生机肥等副产品，木炭、活性炭、兰炭、型焦高品质的生物炭，可作为清洁生物炭，具有广泛的应用；如果入炉的有机化合物中灰份较高，干馏残留物即为炭基肥或生机肥，而炭基肥或生机肥，作为炭基有机肥，不单单可肥沃土壤，利于植物快速生长，还可固碳减排，可将其固定碳锁定在土壤中几百年、上千年不再分解，相对减少了3.66倍的CO₂排放量。

表2 各种生物质材料生物质炭主要指标

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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

1.有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)原材料准备

2)热解气化

3)提高生物燃气的H₂含量

热态干馏炭从窑炉密闭进入回转冷却机，在窑炉和回转冷却机之间向热态干馏炭喷吹水雾，形成水蒸气进入窑炉的炉膛内，水蒸气与炉膛的炭粉和CO进行反应，水蒸气分解成氢气，增加窑炉内的混合生物燃气的氢气含量；

4)分离氢能和CO+CH₄生物燃气

5)联产生物炭

2.根据权利要求1所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述窑炉为具有还原性气氛的隔焰式回转窑炉。

3.根据权利要求2所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述窑炉不设预热段或者预热段长径比为1/15～1/20。

4.根据权利要求2所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述窑炉的窑体由加热室保温壳包裹，形成加热室，由烧嘴对窑体进行隔焰式保护加热。

5.根据权利要求1所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述有机废弃物为有机垃圾、生物质材料或者低阶煤。

6.根据权利要求5所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述步骤1)中，按有机垃圾原料的重量比配加0～20％的除味剂混合除臭。

7.根据权利要求6所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述除味剂为生物炭或活性炭，将除味剂打磨到80～120目。

8.根据权利要求5所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述有机垃圾撕碎至0～50mm的片；所述生物质材料破碎到0～3mm的粉末或者直接切割成(20～50)×(20～50)×(20～50)mm的块。

9.根据权利要求1所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述步骤2)中，有机废弃物型块通过抛丸机抛洒至窑炉的炉膛内。

10.根据权利要求1所述的有机废弃物三无法热解气化制取绿氢能联产生物炭的方法，其特征在于，所述步骤3)中，10～20％在窑炉和回转冷却机之间设有水雾发生器。