CN115386400B - 一种有机垃圾制取氢气的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机垃圾制取氢气的系统及方法，包括储料仓、热解气化炉、旋风分离器、油气冷凝分离装置、氢气提取系统、氢气存储装置、输送设备和二燃室；储料仓和热解气化炉的进料口通过输送设备连接，热解气化炉的出料口与旋风分离器的进料口连接，旋风分离器的固体出料口与二燃室的进料口连接，旋风分离器的油气出口与油气冷凝分离装置的进料口连接，油气冷凝分离装置的焦油出口与二燃室的进料口连接，油气冷凝分离装置的气体出口与氢气提取系统的进气口连接，氢气提取系统的氢气出口与氢气存储装置连接，氢气提取系统的烟气出口与二燃室的烟气入口连接，且二燃室的第一烟气出口与热解气化炉的进气口连接。

Description

一种有机垃圾制取氢气的系统及方法

技术领域

本发明涉及氢气制备领域，特别是一种有机垃圾制取氢气的系统及方法。

背景技术

氢能是全世界公认的清洁能源，是当前能源利用领域重点研究的方向之一。电解水制氢的方法由于耗能巨大，不被看好。对有机垃圾进行热解气化的方法制取氢气是当前主要研究的方向。焚烧是当前垃圾处置的主要方式，其可以保证垃圾最大减量化。但是其焚烧过程中产生的氮氧化物、二噁英等会对环境和人体产生巨大危害。如何经济环保的制取氢气是攻关的重点方向。

专利号为CN113755213A的专利公布了一种垃圾气化耦合制氢系统，其主要包含垃圾气化炉、渣池、高温旋风分离器、余热回收装置、喷淋洗涤塔、废水废液处理装置、预热器、重整变换器、PSA、氢气储罐、CCUS、二氧化碳储罐。

而专利号为CN113755213A的专利存在以下不足：现有技术需要外界提供主要热源，成本较大；且采用的是等离子加热需要维持温度在1200℃—1300℃，使反应后的残渣维持在液体状态；且采用的是固定床式的热解气系统，有机物和烟气的接触面积较小，反应不均匀，物料升温速度慢；且该专利需要与电厂进行耦合，从而对实施场地的选择具有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种有机垃圾制取氢气的系统及方法，本发明采用有机固体垃圾制备氢气，同时附带存储生产过程中产生的二氧化碳，避免温室效应的进一步加剧。同时，本系统在制氢过程中主要利用自身焚烧产生的热量来维持热解气化所需要的能量。为氢气制备和应用的产业化之路提供了方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种有机垃圾制取氢气的系统，包括储料仓、热解气化炉、旋风分离器、油气冷凝分离装置、氢气提取系统、氢气存储装置、输送设备和二燃室；储料仓和热解气化炉的进料口通过输送设备连接，热解气化炉的出料口与旋风分离器的进料口连接，旋风分离器的固体出料口与二燃室的进料口连接，旋风分离器的油气出口与油气冷凝分离装置的进料口连接，油气冷凝分离装置的焦油出口与二燃室的进料口连接，油气冷凝分离装置的气体出口与氢气提取系统的进气口连接，氢气提取系统的氢气出口与氢气存储装置连接，氢气提取系统的烟气出口与二燃室的烟气入口连接，且二燃室的第一烟气出口与热解气化炉的进气口连接。

作为本发明的进一步优选，还包括二氧化碳提取系统和二氧化碳存储装置；二氧化碳提取系统设置于氢气提取系统和二燃室之间，二氧化碳提取系统的进气口与氢气提取系统的烟气出口连接，二氧化碳提取系统的烟气出口与二燃室的烟气入口连接，二氧化碳提取系统的二氧化碳出口与二氧化碳存储装置连接。

作为本发明的进一步优选，还包括布袋除尘器，所述布袋除尘器设置于油气冷凝分离装置与氢气提取系统之间，布袋除尘器的进气口与油气冷凝分离装置的气体出口连接，布袋除尘器的出气口与氢气提取系统的进气口连接。

作为本发明的进一步优选，还包括空气预热器，空气预热器的空气出口与二燃室的空气入口连接，二燃室的第二烟气出口与空气预热器的烟气入口连接。

作为本发明的进一步优选，还包括烟气净化系统，空气预热器的烟气出口与烟气净化系统的烟气入口连接。

作为本发明的进一步优选，所述热解气化炉为流化床式热解气化炉。

作为本发明的进一步优选，所述氢气提取系统为PSA系统。

作为本发明的进一步优选，所述二氧化碳提取系统为CCUS系统。

作为本发明的进一步优选，所述输送设备为给料机。

一种有机垃圾制取氢气的方法， 步骤1、存储在储料仓中的有机垃圾通过给料机送入流化床热解炉中进行热解气化，整个热解气化过程中温度控制在850℃—1000℃之间；步骤2、完成热解气化后的有机垃圾在流化风的作用下送入旋风分离器，通过旋风分离器对热解气化后的有机垃圾进行分离，固体焦炭通过掉入旋风分离器底端的固体出料口，然后送入二燃室进行焚烧，气体和未凝结的焦油从旋风分离器的上端的油气出口出去，进入油气冷凝分离装置进行冷凝分离；步骤3、在油气冷凝分离装置中，冷凝形成的焦油通过油气冷凝分离装置的焦油出口进入二燃室的进料口进行燃烧处理，不凝气体被送入布袋除尘器中进一步除尘，去除烟气中的剩余颗粒为烟气的进一步提纯准备；步骤4、经过除尘后的烟气送入PSA系统进行氢气的提取，被提纯后的氢气送入氢气存储装置中进行存储以备后期转运和利用；步骤5、经过氢气提取后的烟气被送入CCUS系统进行二氧化碳的补集、利用和存储，二氧化碳被存储在二氧化碳存储装置中；步骤6、经过对氢气和二氧化碳提取后的烟气中还存在部分如甲烷和一氧化碳的可燃气体，将其送入二燃室中进行再燃烧处置，将这些气体充分燃烧，燃烧产生的灰渣经过排渣系统排除后进行后续处置；步骤7、二燃室中焦炭和焦油燃烧产生的高温烟气被分成两部分，一部分高温烟气通过鼓风机送入热解气化炉中提供热解气化所需要的高温环境以及水蒸汽，保证热解气化的顺利进行；另一部分高温烟气进入空气预热器中对进入二燃室的冷空气进行预热，对能量进行充分利用；步骤8、空气预热器中换热之后的烟气送入烟气净化系统净化后达标排放。

本发明具有如下有益效果：

1.本系统采用流化床热解气化系统。相比于比较专利采用固定床的形式，本系统中具有物料和烟气有更大的接触面积，反应更加均匀，物料升温速度更快等优点。

2、比较专利中的温度需要通过额外热源（等离子）维持在1200°C-1300°C之间，并且使反应后的残渣维持在液体状态。本专利的热解气化温度控制在850°C-1000°C之间，反应后的残渣以固体的形式存在为主，不用达到熔融状态。

3、比较专利需要外界提供主要热源，本专利主要是利用有机垃圾中自身的有机质焚烧放出的热量提供整个过程需要的热源，更经济环保，对过程中产生的焦油和焦炭在二燃室内进行燃烧，一方面可以提高前端热解气化所需要的能量，另一方面降低两者的处理难度。

4、比较专利需要与电厂进行耦合，从而对实施场地的选择具有一定的局限性，本专利无需依赖任何外界条件，对场地的选择更加独立自主。

本发明通过有机垃圾的方式制取最清洁的氢能，实现了变废为宝的转化。本专利使用自身热解气化产生的焦炭和焦油焚烧提供其能量，维持整个设备的正常运转。整个系统通过气固、气液等多次分离，对氢气和二氧化碳进行提纯，生产的高纯度气体可供后期多角度利用。二燃室焚烧产生的高温烟气一方面维持热解气化，另一方面对空气进行加热后经过烟气处置工艺达标排放，实现了能量的综合利用。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

其中有：1.储料仓；2.热解气化炉；3.旋风分离器；4.油气冷凝分离装置；5.布袋除尘器；6.PSA系统；7.氢气存储装置；8.CCUS系统；9.二氧化碳存储装置；10.二燃室；11.空气预热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种有机垃圾制取氢气的系统，包括储料仓1、热解气化炉2、旋风分离器3、油气冷凝分离装置4、氢气提取系统、氢气存储装置7、输送设备和二燃室10；储料仓1和热解气化炉2的进料口通过给料机连接，热解气化炉2的出料口与旋风分离器3的进料口连接，旋风分离器3的固体出料口与二燃室10的进料口连接，旋风分离器3的油气出口与油气冷凝分离装置4的进料口连接，油气冷凝分离装置4的焦油出口与二燃室10的进料口连接，油气冷凝分离装置4的气体出口与氢气提取系统的进气口连接，氢气提取系统的氢气出口与氢气存储装置7连接。在氢气提取系统中被提纯后的氢气送入氢气存储装置7中进行存储以备后期转运和利用。氢气提取系统的烟气出口与二燃室10的烟气入口连接，且二燃室10的第一烟气出口与热解气化炉2的进气口连接。二燃室10还具有排渣系统，燃烧产生的灰渣经过排渣系统排除后进行后续处置。

二燃室10中燃烧所产生的高温烟气流入热解气化炉2提供热解气化所需要的高温环境以及水蒸汽，保证热解气化的顺利进行；且热解气化炉2中温度仅需控制在850℃—1000℃之间。

还包括二氧化碳提取系统和二氧化碳存储装置9；二氧化碳提取系统设置于氢气提取系统和二燃室10之间，二氧化碳提取系统的进气口与氢气提取系统的烟气出口连接，二氧化碳提取系统的烟气出口与二燃室10的烟气入口连接，二氧化碳提取系统的二氧化碳出口与二氧化碳存储装置9连接。本发明附带存储氢气生产过程中产生的二氧化碳，避免温室效应的进一步加剧。

还包括布袋除尘器5，所述布袋除尘器5设置于油气冷凝分离装置4与氢气提取系统之间，布袋除尘器5的进气口与油气冷凝分离装置4的气体出口连接，布袋除尘器5的出气口与氢气提取系统的进气口连接。不凝气体被进一步送入布袋除尘器5中进一步除尘，去除烟气中的剩余小颗粒为烟气的进一步提纯准备。在对气体进行分离之前采用布袋除尘器5对其做进一步除尘，降低后期气体提纯的难度和设备的寿命。

还包括空气预热器11，空气预热器11的空气出口与二燃室10的空气入口连接，二燃室10的第二烟气出口与空气预热器11的烟气入口连接。因为二燃室10中需要不断的进入空气，但空气温度较低，所以通常需要空气预热器11对空气进行加热，本发明使二燃室10中产生的部分高温烟气进入空气预热器11，对即将要进入二燃室10的冷空气进行预热，对二燃室10中产生的热能进行充分的利用。焚烧后的部分高温烟气对空气进行加热后再进行烟气处置，属于余热利用的范畴，增加整个系统的经济性。

还包括烟气净化系统，空气预热器11的烟气出口与烟气净化系统的烟气入口连接。在空气预热器11中换热之后的烟气被送入烟气净化系统净化后达标排放。减少污染气体排放对环境造成的危害。

所述热解气化炉2为流化床式热解气化炉。相比于比较采用固定床的形式，本流化床式热解气化炉中具有物料和烟气有更大的接触面积，反应更加均匀，物料升温速度更快等优点。采用流化床对有机污泥进行热解气化，反应速度快，能量密度高。

所述氢气提取系统为PSA系统6。所述PSA系统6为pressure swing adsorption的缩写；即变压吸附式氢气提取系统。所述二氧化碳提取系统为CCUS系统8。所述CCUS为carbon caption, utilization, storage的缩写，即利用碳捕集、利用与封存技术进行二氧化碳的提取。

一种有机垃圾制取氢气的方法：步骤1、存储在储料仓1中的有机垃圾通过给料机送入流化床热解炉中进行热解气化，整个热解气化过程中温度控制在850℃—1000℃之间，有机垃圾可为生活垃圾、工业垃圾、脱水污泥、生物质等。

步骤2、完成热解气化后的有机垃圾在流化风的作用下送入旋风分离器3，通过旋风分离器3对热解气化后的有机垃圾进行分离，固体焦炭通过掉入旋风分离器3底端的固体出料口，然后送入二燃室10进行焚烧，气体和未凝结的焦油从旋风分离器3的上端的油气出口出去，进入油气冷凝分离装置4进行冷凝分离。

步骤3、在油气冷凝分离装置4中，冷凝形成的焦油通过油气冷凝分离装置4的焦油出口进入二燃室10的进料口进行燃烧处理，不凝气体被送入布袋除尘器5中进一步除尘，去除烟气中的剩余小颗粒为烟气的进一步提纯准备。

步骤4、经过除尘后的烟气送入PSA系统6进行氢气的提取，被提纯后的氢气送入氢气存储装置7中进行存储以备后期转运和利用。

步骤5、经过氢气提取后的烟气被送入CCUS系统8进行二氧化碳的补集、利用和存储，二氧化碳被存储在二氧化碳存储装置9中。

步骤6、经过对氢气和二氧化碳提取后的烟气中还存在部分如甲烷和一氧化碳的可燃气体，将其送入二燃室10中进行再燃烧处置，将这些气体充分燃烧，燃烧产生的灰渣经过排渣系统排除后进行后续处置。

步骤7、二燃室10中焦炭和焦油燃烧产生的高温烟气被分成两部分，一部分高温烟气通过鼓风机送入热解气化炉2中提供热解气化所需要的高温环境以及水蒸汽，保证热解气化的顺利进行；另一部分高温烟气进入空气预热器11中对进入二燃室10的冷空气进行预热，对能量进行充分利用。

步骤8、空气预热器11中换热之后的烟气送入烟气净化系统净化后达标排放。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：包括储料仓（1）、热解气化炉（2）、旋风分离器（3）、油气冷凝分离装置（4）、氢气提取系统、氢气存储装置（7）、输送设备和二燃室（10）；

储料仓（1）和热解气化炉（2）的进料口通过输送设备连接，热解气化炉（2）的出料口与旋风分离器（3）的进料口连接，旋风分离器（3）的固体出料口与二燃室（10）的进料口连接，旋风分离器（3）的油气出口与油气冷凝分离装置（4）的进料口连接；

油气冷凝分离装置（4）的焦油出口与二燃室（10）的进料口连接，油气冷凝分离装置（4）的气体出口与氢气提取系统的进气口连接，氢气提取系统的氢气出口与氢气存储装置（7）连接，氢气提取系统的烟气出口与二燃室（10）的烟气入口连接，且二燃室（10）的第一烟气出口与热解气化炉（2）的进气口连接；

还包括二氧化碳提取系统和二氧化碳存储装置（9）；二氧化碳提取系统设置于氢气提取系统和二燃室（10）之间，二氧化碳提取系统的进气口与氢气提取系统的烟气出口连接，二氧化碳提取系统的烟气出口与二燃室（10）的烟气入口连接，二氧化碳提取系统的二氧化碳出口与二氧化碳存储装置（9）连接。

2.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：还包括布袋除尘器（5），所述布袋除尘器（5）设置于油气冷凝分离装置（4）与氢气提取系统之间，布袋除尘器（5）的进气口与油气冷凝分离装置（4）的气体出口连接，布袋除尘器（5）的出气口与氢气提取系统的进气口连接。

3.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：还包括空气预热器（11），空气预热器（11）的空气出口与二燃室（10）的空气入口连接，二燃室（10）的第二烟气出口与空气预热器（11）的烟气入口连接。

4.根据权利要求3所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：还包括烟气净化系统，空气预热器（11）的烟气出口与烟气净化系统的烟气入口连接。

5.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：所述热解气化炉（2）为流化床式热解气化炉。

6.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：所述氢气提取系统为PSA系统（6）。

7.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：所述二氧化碳提取系统为CCUS系统（8）。

8.根据权利要求1所述的一种有机垃圾制取氢气的系统，其特征在于：所述输送设备为给料机。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的一种有机垃圾制取氢气的方法，其特征在于：

步骤1、存储在储料仓（1）中的有机垃圾通过给料机送入流化床热解炉中进行热解气化，整个热解气化过程中温度控制在850℃—1000℃之间；

步骤2、完成热解气化后的有机垃圾在流化风的作用下送入旋风分离器（3），通过旋风分离器（3）对热解气化后的有机垃圾进行分离，固体焦炭通过掉入旋风分离器（3）底端的固体出料口，然后送入二燃室（10）进行焚烧，气体和未凝结的焦油从旋风分离器（3）的上端的油气出口出去，进入油气冷凝分离装置（4）进行冷凝分离；

步骤3、在油气冷凝分离装置（4）中，冷凝形成的焦油通过油气冷凝分离装置（4）的焦油出口进入二燃室（10）的进料口进行燃烧处理，不凝气体被送入布袋除尘器（5）中进一步除尘，去除烟气中的剩余颗粒为烟气的进一步提纯准备；

步骤4、经过除尘后的烟气送入PSA系统（6）进行氢气的提取，被提纯后的氢气送入氢气存储装置（7）中进行存储以备后期转运和利用；

步骤5、经过氢气提取后的烟气被送入CCUS系统（8）进行二氧化碳的补集、利用和存储，二氧化碳被存储在二氧化碳存储装置（9）中；

步骤6、经过对氢气和二氧化碳提取后的烟气中还存在部分甲烷和一氧化碳的可燃气体，将其送入二燃室（10）中进行再燃烧处置，将这些气体充分燃烧，燃烧产生的灰渣经过排渣系统排除后进行后续处置；

步骤7、二燃室（10）中焦炭和焦油燃烧产生的高温烟气被分成两部分，一部分高温烟气通过鼓风机送入热解气化炉中提供热解气化所需要的高温环境以及水蒸汽，保证热解气化的顺利进行；另一部分高温烟气进入空气预热器（11）中对进入二燃室（10）的冷空气进行预热，对能量进行充分利用；

步骤8、空气预热器（11）中换热之后的烟气送入烟气净化系统净化后达标排放。