CN116216640A - 一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质‑污泥等离子共转化制氢装置及方法，包括生物质‑污泥预处理系统、等离子体气化系统和H2纯化储存系统，所述生物质‑污泥预处理系统对生物质‑污泥进行干燥、粉碎处理制得预处理生物质‑污泥原料；所述等离子体气化系统接收所述预处理生物质‑污泥原料并与气化剂进行等离子气化处理制得合成气；所述H2纯化储存系统接收所述合成气进行净化处理、分离提纯制得H2并储存。本发明的制氢装置及方法，利用超高温等离子体气化生物质‑污泥，将有机物转化为洁净燃气，而无机物熔融成无害化的玻璃态熔渣，且该过程中不产生二噁英等有害气体，炉渣冷却后可作为建筑材料使用，实现固体废弃物无害化资源化利用。

Description

一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置及方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用技术领域，尤其涉及一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置及方法。
背景技术
碳达峰、碳中和已然成为世界经济发展的重要决策之一，我国作为以煤炭、石油为主要燃料的世界碳排放大国之一，在“双碳”背景下，寻求碳排放低、污染小、高效清洁的可再生能源已成为新一轮能源技术变革的重要方向。氢燃烧热值高，其本身安全无毒、无臭，与氧气燃烧时产生纯净的水，对环境无污染，适用范围广，使得氢气被认为是未来重要的清洁能源之一。
国内外的主要制氢技术有煤、天然气等化石燃料的重整制氢；以焦炉煤气、氯碱尾气为原料的工业副产物制氢；基于新型清洁能源的电解水制氢。其中，以工业产品或副产品制氢技术成本大，消耗化石燃料资源，且制氢过程中产生大量CO2造成碳排放；以清洁能源为电力供应的电解水制氢，不能实现固体废弃物资源化利用。
生物质、污泥等固废废弃物分布广泛、成本低、可储存和运输，这些优势使其成为不可忽视的一大优质碳源。生物质具有挥发分和炭活性高、硫含量低、环境污染小、CO2零排放等特点；而污泥由于含有大量有机物，是良好的生物质能资源，同时其含有毒有害物质，传统处理方法易产生二噁英和呋喃等有害气体，污染较大，对其进行无害化处理和利用可以减轻环境压力，促进绿色生产。常规的生物质-污泥制氢装置由于气化温度较低，易产生焦油等副产物，导致制氢工艺复杂，成本高，制氢效率低，如中国专利CN103979491A公开了“一种污泥与生物质共混气化制氢的方法和装置”。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置及方法，降低有害气体的排放，提高制氢效率。
技术方案：本发明的一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置，包括：
生物质-污泥预处理系统，所述生物质-污泥预处理系统对生物质-污泥进行干燥、粉碎处理制得预处理生物质-污泥原料；
等离子体气化系统，所述等离子体气化系统接收所述预处理生物质-污泥原料并与气化剂进行等离子气化处理制得合成气；
H2纯化储存系统，所述H2纯化储存系统接收所述合成气进行净化处理、分离提纯制得H2并储存。
优选的，所述生物质-污泥预处理系统包括原料烘干装置和原料粉碎装置，所述原料粉碎装置接收原料烘干装置供给的原料并产出粉料。
优选的，所述等离子气化系统包括等离子气化炉以及与等离子气化炉连通的气化剂供给装置、进料装置、气体冷却塔、炉渣回收池；
所述气化剂供给装置包括空气压缩机、蒸汽发生器和CO2供给组件；
所述进料装置包括接受预处理生物质-污泥原料的提升机、与提升机出口连接的贮斗以及贮斗出口连接的螺旋给料机。
优选的，所述等离子气化炉包括内壁涂覆有耐高温材料的筒状金属炉体，所述金属炉体上部设有与螺旋给料机对接的进料口、与气体冷却塔对接的合成气出口；
所述金属炉体下部圆周向等间距设有三组提供热源的等离子炬；
所述金属炉体底端设有炉渣出口，所述炉渣出口设于炉渣回收池上方。
优选的，所述等离子炬与金属炉体纵向呈5-45º夹角向下倾斜设置，且与金属炉体中轴径向投影偏移夹角为0-30º。
优选的，所述H2纯化储存系统包括除尘脱硫装置、CO变换装置、变压吸附装置、H2储罐和CO2储罐；
所述除尘脱硫装置包括与气体冷却塔气体出口连接的旋风分离器以及与旋风分离器出气口连接的喷淋洗涤塔，所述喷淋洗涤塔底部废液出口与废液回收池连接。
优选的，所述CO变换装置进气端分别与所述蒸汽发生器、喷淋洗涤塔出气端连通；所述变压吸附装置包括第一变压吸附塔和第二变压吸附塔，所述H2储罐和CO2储罐进口端分别与第二变压吸附塔相连，且CO2储罐与所述CO2供给组件连接并供给CO2气体。
一种采用生物质-污泥等离子共转化制氢装置进行制氢的方法，包括以下步骤：
步骤S1：按质量配比(1-2):1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
步骤S2：按照气体质量配比为(0.1-3):1的气化剂与步骤S1中预处理生物质-污泥原料在等离子体气化系统共转化制得合成气；
步骤S3：步骤S2中制得的合成气经过H2纯化系统进行冷却、除尘、脱硫、CO变换、变压吸附处理、纯化分离制得纯化H2和CO2。
优选的，步骤S2中预处理生物质-污泥在1400-2000℃、0.1-1.5 kPa条件下与气化剂在等离子气化炉中进行气化反应生成合成气和熔融炉渣。
优选的，步骤S3中合成气通入旋风分离器进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2，CO变换装置出口CO含量小于100 ppm；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔进行高压吸附，在第二变压吸附塔进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2；纯化H2含量大于99.97%。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：1、本发明的制氢装置，操作简单，布置合理；2、制氢原料适应性好、易获取、价格低廉，降低化石燃料消耗；3、利用超高温等离子体气化生物质-污泥，将有机物转化为洁净燃气，而无机物熔融成无害化的玻璃态熔渣，且该过程中不产生二噁英等有害气体，炉渣冷却后可作为建筑材料使用，实现固体废弃物无害化资源化利用；4、H2纯化系统可有效脱除合成气中固体颗粒及H2S，降低有害气体生成，利用变压吸附装置提高H2纯度至99.97％以上，并且分离合成气中的CO2将作为气化剂循环使用，减少CO2排放，实现碳捕集与循环利用。
附图说明
图1为本发明的生物质-污泥等离子共转化制氢装置流程示意图；
图2为实施例1-3以及对比例1的H2收率及H2纯度结果。
附图标记：1、烘干机；2、鼓风机；3、破碎机；4、空气压缩机；5、蒸汽发生器；6、CO2供给组件；7、提升机；8、贮斗；9、螺旋给料机；10、等离子气化炉；11、炉渣回收池；12、气体冷却塔；13、旋风分离器；14、喷淋洗涤塔；15、废液回收池；16、CO变换装置；17、第一变压吸附塔；18、第二变压吸附塔；19、H2储罐；20、CO2储罐。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-2所示，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1所示，本发明的一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置，包括生物质-污泥预处理系统，生物质-污泥预处理系统包括原料烘干装置和原料粉碎装置，原料烘干装置为烘干机1，与烘干机1配合设有鼓风机2，原料粉碎装置为破碎机3，生物质-污泥原料投入烘干机1中进行烘干控制原料中含水量<30 wt%，然后输送至破碎机3中进行粉碎处理，并控制原料粒度<10 mm。
生物质-污泥预处理系统包括等离子气化炉10以及与等离子气化炉连通的气化剂供给装置、进料装置、气体冷却塔12、炉渣回收池11。气化剂供给装置包括空气压缩机4、蒸汽发生器5和CO2供给组件6，空气压缩机4可将空气压缩并输送至等离子气化炉中，蒸汽发生器5可将纯化水制备成热蒸汽并输送至等离子气化炉中，CO2供给组件6可将外源CO2和CO2储罐存储的CO2鼓入等离子气化炉10中。进料装置包括与破碎机3出料口对接的提升机7、与提升机出口连接的贮斗8以及贮斗出口连接的螺旋给料机9，经过干燥、破碎处理的生物质-污泥原料通过提升机7将粉料输送至贮斗8中进行存储，贮斗8中存储的粉料可通过螺旋给料机9按照质量配比定量的将粉料输送至等离子气化炉10中与气化剂进行共转化制氢反应。
等离子气化炉10包括内壁涂覆有耐高温材料的筒状金属炉体，金属炉体上部设有与螺旋给料机9对接的进料口、与气体冷却塔12对接的合成气出口，金属炉体底端设有炉渣出口，炉渣出口设于炉渣回收池11上方，在等离子气化炉10中生物质-污泥原料与气化剂进行高温反应产出的合成气进入气体冷却塔12进行冷却处理，产出的热熔渣则排出至炉渣回收池中进行回收。金属炉体下部圆周向等间距设有三组提供热源的等离子炬，等离子炬与金属炉体纵向呈5-45º夹角向下倾斜设置，且与金属炉体中轴径向投影偏移夹角为0-30º，该种设置的等离子炬可将可燃气体均匀分布至等离子气化炉内，然后与气化剂与粉料在等离子气化炉内形成固定床，进行高温反应制得合成气，从而提高生物质-污泥原料与气化剂的反应效率。
H2纯化储存系统包括除尘脱硫装置、CO变换装置16、变压吸附装置、H2储罐19和CO2储罐20；除尘脱硫装置包括与气体冷却塔12气体出口连接的旋风分离器13以及与旋风分离器出气口连接的喷淋洗涤塔14，喷淋洗涤塔14底部废液出口与废液回收池15连接，旋风分离器13可将合成气中固体颗粒与气体分离，除尘后合成气通入喷淋洗涤塔14中通过喷淋脱除H2S，喷淋洗涤塔产生的废液通过其底部废液出口排入废液回收池15中进行净化处理。CO变换装置16进气端分别与蒸汽发生器5、喷淋洗涤塔14出气端连通，脱硫后的合成气通入CO变换装置16中与蒸汽发生器5产出的热蒸汽通过蒸汽重整工艺将CO与水蒸气反应生成H2与CO2。变压吸附装置包括第一变压吸附塔17和第二变压吸附塔18，H2储罐19和CO2储罐20进口端分别与第二变压吸附塔18相连，且CO2储罐20与CO2供给组件6连接并供给CO2气体。CO变换装置16产出的H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔17进行高压吸附，在第二变压吸附塔18进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2，纯化H2含量大于99.97%，并将H2和CO2分别存储在H2储罐19、CO2储罐20中的CO2可作为CO2供给组件6的气源，进行循环利用。
实施例1：
本发明的一种生物质-污泥等离子共转化制氢方法，包括以下步骤：
步骤S1：按质量配比1:1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
步骤S2：按照气体质量配比为0.1:1的气化剂与预处理生物质-污泥原料在1400℃、0.1 kPa条件下在等离子气化炉10中进行气化反应生成合成气和熔融炉渣；
步骤S3：将合成气通入旋风分离器13进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔14脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置16通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2，CO变换装置16出口CO含量小于100 ppm；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔17进行高压吸附，在第二变压吸附塔18进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2；纯化H2含量大于99.97%。
实施例2：
本发明的一种采用生物质-污泥等离子共转化制氢装置进行制氢的方法，包括以下步骤：
S1：按质量配比2:1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
S2：按照气体质量配比为3:1的气化剂与预处理生物质-污泥原料在2000℃、1.5kPa条件下在等离子气化炉10中进行气化反应生成合成气和熔融炉渣；
S3：将合成气通入旋风分离器13进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔14脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置16通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2，CO变换装置16出口CO含量小于100 ppm；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔17进行高压吸附，在第二变压吸附塔18进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2；纯化H2含量大于99.97%。
实施例3：
本发明的一种采用生物质-污泥等离子共转化制氢装置进行制氢的方法，包括以下步骤：
S1：按质量配比1.5:1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
S2：按照气体质量配比为1.5:1的气化剂与预处理生物质-污泥原料在1700℃、0.8kPa条件下在等离子气化炉10中进行气化反应生成合成气和熔融炉渣；
S3：将合成气通入旋风分离器13进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔14脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置16通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2，CO变换装置16出口CO含量小于100 ppm；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔17进行高压吸附，在第二变压吸附塔18进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2；纯化H2含量大于99.97%。
对比例1：
步骤L1：按质量配比2:1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
步骤L2：按照气体质量配比为1:1的水蒸气与预处理生物质-污泥原料在900℃、1.5 kPa条件下在等离子气化炉10中进行气化反应生成合成气；
步骤L3：将合成气通入旋风分离器13进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔14脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置16通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔17进行高压吸附，在第二变压吸附塔18进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2。
将实施例1-3制得的H2产率、纯度与对比例1进行对比，结果如图2所示，本发明的生物质-污泥等离子共转化制氢装置及制备方法制得氢收率在30%以上，H2纯度可达99.9%以上。
本发明的生物质-污泥等离子共转化制氢装置及制备方法，以生物质-污泥为原料，以高压空气、水蒸气和CO2为气化剂，在等离子体气化系统经过共转化工艺制备纯化H2，原料价格低廉，制氢效率高，经济效益好，制氢过程中不产生二噁英等有害气体，等离子气化炉产出的炉渣以液态形式排出，滤渣冷却后作为建筑材料及保温材料使用，实现污泥废弃物无害化处理与资源化利用。经过提纯后H2纯度大于99.97％，收率在30%以上，高纯度的氢能源可用于燃料电池等环保能源领域；此外，CO变换装置产出的CO2储存并作为气化剂循环使用，实现CO2零排放，实现清洁能源高效利用。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，包括：
生物质-污泥预处理系统，所述生物质-污泥预处理系统对生物质-污泥进行干燥、粉碎处理制得预处理生物质-污泥原料；
等离子体气化系统，所述等离子体气化系统接收所述预处理生物质-污泥原料并与气化剂进行等离子气化处理制得合成气；
H2纯化储存系统，所述H2纯化储存系统接收所述合成气进行净化处理、分离提纯制得H2并储存。
2.根据权利要求1所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述生物质-污泥预处理系统包括原料烘干装置和原料粉碎装置，所述原料粉碎装置接收原料烘干装置供给的原料并产出粉料。
3.根据权利要求1所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述等离子气化系统包括等离子气化炉（10）以及与等离子气化炉连通的气化剂供给装置、进料装置、气体冷却塔（12）、炉渣回收池（11）；
所述气化剂供给装置包括空气压缩机（4）、蒸汽发生器（5）和CO2供给组件（6）；
所述进料装置包括接受预处理生物质-污泥原料的提升机（7）、与提升机出口连接的贮斗（8）以及贮斗出口连接的螺旋给料机（9）。
4.根据权利要求3所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述等离子气化炉（10）包括内壁涂覆有耐高温材料的筒状金属炉体，所述金属炉体上部设有与螺旋给料机（9）对接的进料口、与气体冷却塔（12）对接的合成气出口；
所述金属炉体下部圆周向等间距设有三组提供热源的等离子炬；
所述金属炉体底端设有炉渣出口，所述炉渣出口设于炉渣回收池（11）上方。
5.根据权利要求4所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述等离子炬与金属炉体纵向呈5-45º夹角向下倾斜设置，且与金属炉体中轴径向投影偏移夹角为0-30º。
6.根据权利要求3所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述H2纯化储存系统包括除尘脱硫装置、CO变换装置（16）、变压吸附装置、H2储罐（19）和CO2储罐（20）；
所述除尘脱硫装置包括与气体冷却塔（12）气体出口连接的旋风分离器（13）以及与旋风分离器出气口连接的喷淋洗涤塔（14），所述喷淋洗涤塔（14）底部废液出口与废液回收池（15）连接。
7.根据权利要求6所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置，其特征在于，所述CO变换装置（16）进气端分别与所述蒸汽发生器（5）、喷淋洗涤塔（14）出气端连通；所述变压吸附装置包括第一变压吸附塔（17）和第二变压吸附塔（18），所述H2储罐（19）和CO2储罐（20）进口端分别与第二变压吸附塔（18）相连，且CO2储罐（20）与所述CO2供给组件（6）连接并供给CO2气体。
8.一种生物质-污泥等离子共转化制氢方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的生物质-污泥等离子共转化制氢装置进行制氢的方法，包括以下步骤：
步骤S1：按质量配比（1-2）:1称取生物质与污泥进行混合制得混合料，并混合料依次投入原料烘干装置、原料粉碎装置进行干燥、粉碎处理，制得含水率<30 wt%、粒度<10 mm的预处理生物质-污泥原料；
步骤S2：按照气体质量配比为（0.1-3）:1的气化剂与步骤S1中预处理生物质-污泥原料在等离子体气化系统共转化制得合成气；
步骤S3：步骤S2中制得的合成气经过H2纯化系统进行冷却、除尘、脱硫、CO变换、变压吸附处理、纯化分离制得纯化H2和CO2。
9.根据权利要求8所述的生物质-污泥等离子共转化制氢方法，其特征在于，步骤S2中预处理生物质-污泥在1400-2000℃、0.1-1.5 kPa条件下与气化剂在等离子气化炉（10）中进行气化反应生成合成气和熔融炉渣。
10.根据权利要求8所述的生物质-污泥等离子共转化制氢方法，其特征在于，步骤S3中合成气通入旋风分离器（13）进行固体颗粒与气体分离，除尘后的合成气通入喷淋洗涤塔（14）脱除H2S；脱硫合成气中粉尘含量小于1 mg/Nm3、H2S含量小于50 ppm；脱硫后合成气通入CO变换装置（16）通过蒸汽重整将CO与水蒸气反应生成H2与CO2，CO变换装置（16）出口CO含量小于100 ppm；将H2和CO2混合气经由第一变压吸附塔（17）进行高压吸附，在第二变压吸附塔（18）进行低压解吸、减压冲洗和升压复原处理制得纯化H2和CO2；纯化H2含量大于99.97%。
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