CN105670692A - 一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的*** - Google Patents

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Abstract

一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，该***包括带搅拌功能的气化反应釜，所述气化反应釜的顶部设于开启盖，所述气化反应釜的底部设有进气口和污泥排出口，所述气化反应釜的上部设有出气口，所述进气口分别与气体介质发生装置和水蒸气发生装置连接，所述出气口依次与冷却装置连接，所述冷却装置的液体出口与冷凝液收集器连接，所述冷却装置的气体出口通过抽气泵与过滤器的进口相接，所述过滤器的出口与气水分离器的入口连通，所述气水分离器的出口与燃气收集器连接。本发明提供一种环保性良好的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***。

Description

一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***
技术领域
本发明涉及污水污泥无害化、资源化能源转化利用技术领域，尤其是一种利用高温水蒸气气化方法处理污水污泥制取富含H2的气体燃料产品的方法。
背景技术
污泥处理的目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化。污泥中的污染物很多，污泥含有很多的重金属元素以及各种抗生素，有机污染物等等。因此我们需要寻求一种有效的、合理的、绿色的污泥处理方法。
目前使用最多的是污泥填埋技术，污泥填埋是将污泥进行简单的灭菌消毒处理后直接填埋。填埋法具有投资少、见效快、容量大等优点。但是污染物的分解周期很长，会影响土壤质量，填埋有大量污泥的土地不能用来种植庄稼作物，占用土地资源。
还有一种是将污泥进行稳定处理后变成无害的肥料，称为堆肥法。虽然有效的起到了污泥资源化利用，但是污泥中含有大量的重金属和有机污染物还有很多的病原菌等，可能会影响到作物。还有可能渗透到地下，对地下水资源进行污染。且静态堆肥工艺生产周期长，占用土地多，臭气和蚊蝇聚集，对周围环境造成严重影响。不能建在城市里面或者有人口居住的郊边，需要远离城镇，运输成本加大。
污泥焚烧可以有效的使污泥减量化和无害化，是目前比较彻底和常用的一种污泥处理方法。但是焚烧需要设备，这种设备往往需要耐得住很高的温度，且焚烧污泥会产生很多有毒气体，这些气体直接排入大气会对环境和人类造成很大的影响。且焚烧会浪费大量的能源，不符合可持续发展。
发明内容
为了克服已有污泥处理方式的环保性较差的不足，本发明提供一种环保性良好的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，该***包括带搅拌功能的气化反应釜，所述气化反应釜的顶部设于开启盖，所述气化反应釜的底部设有进气口和污泥排出口，所述气化反应釜的上部设有出气口，所述进气口分别与气体介质发生装置和水蒸气发生装置连接，所述出气口依次与冷却装置连接，所述冷却装置的液体出口与冷凝液收集器连接，所述冷却装置的气体出口通过抽气泵与过滤器的进口相接，所述过滤器的出口与气水分离器的入口连通，所述气水分离器的出口与燃气收集器连接。
进一步，所述冷却装置为三级水冷却罐，一级水冷却罐的进口与循环水管的出口连接，一级水冷却罐的进口与二级水冷却罐的出口连接，所述二级水冷却罐的进口与三级水冷却罐的出口连接，所述三级水冷却罐的进口与循环水管的入口连接，所述循环水管上安装循环水泵；所述水冷却罐内安装冷却盘管，所述冷却盘管的下部与冷却液收集器的入口连通。
再进一步，所述气水分离器的出口同时与气体采样器连接，所述气体采样器与微量气体色谱分析装置连接。
更进一步，所述气体介质发生装置包括气源、第一三通阀、第一气体流量计、第一压力计和第一截止阀，所述气源与第一气体管连接，所述第一气体管上安装第一三通阀、第一气体流量计、第一压力计和第一截止阀。
所述水蒸气发生装置包括水蒸气发生器、第二三通阀、第二气体流量计、第二压力计、第二截止阀、第一热电偶温度计和安全阀，所述水蒸气发生器与第二气体管连接，所述第二气体管上安装第二三通阀、第二气体流量计、第二压力计、第二截止阀、第一热电偶温度计和安全阀。
所述***还包括水蒸气加热装置，所述水蒸气加热装置包括水蒸气加热床和用于控制蒸气加热温度的蒸气温控仪，所述第二气体管与水蒸气加热床的进口连接，所述水蒸气加热床的出口与气化反应釜的进气口连接。
所述水蒸气加热床的进口处安装第二热电偶温度计。
所述气化反应釜安装第三压力计和反应温度温控仪。
本发明的有益效果主要表现在：利用高温水蒸气对湿污泥进行气化，该过程可产生大量洁净的、焦油含量较低的富氢合成气；环保性良好。
附图说明
图1是污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***的示意图。
图2是温度对氢气产率的影响示意图。
图3是S/C值对氢气产率的影响示意图。
图4是温度对气体产生的影响图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，该***包括带搅拌功能的气化反应釜20，所述气化反应釜20的顶部设于开启盖，所述气化反应釜20的底部设有进气口和污泥排出口，所述气化反应釜的上部设有出气口，所述进气口分别与气体介质发生装置和水蒸气发生装置连接，所述出气口依次与冷却装置连接，所述冷却装置的液体出口与冷凝液收集器连接，所述冷却装置的气体出口通过抽气泵31与过滤器32的进口相接，所述过滤器32的出口与气水分离器33的入口连通，所述气水分离器33的出口与燃气收集器37连接。
进一步，所述冷却装置为三级水冷却罐，一级水冷却罐的23进口与循环水管的出口连接，一级水冷却罐23的进口与二级水冷却罐24的出口连接，所述二级水冷却罐24的进口与三级水冷却罐25的出口连接，所述三级水冷却罐25的进口与循环水管的入口连接，所述循环水管上安装循环水泵(第一循环水泵29和第二循环水泵30)；所述水冷却罐内安装冷却盘管，所述冷却盘管的下部与冷却液收集器的入口连通，分别为一级冷却液收集器26、二级冷却液收集器27和三级冷却液收集器28。
再进一步，所述气水分离器33的出口同时与气体采样器38连接，所述气体采样器38与微量气体色谱分析装置42连接。
所述气水分离器33的出口与第三三通阀34连接，第三三通阀34的一路与第三气体流量计35连通，所述第三气体流量计与第三截止阀36连通，所述第三截止阀与36与燃气收集器37连通；第三三通阀34的另一路与气体采样器38连通，所述气体采样器的出口与单向止回阀39连通，所述单向止回阀39与第四气体流量计40连通，所述第四气体流量计40与微量气体色谱分析装置42连通。
更进一步，所述气体介质发生装置包括气源1、第一三通阀2、第一气体流量计5、第一压力计7和第一截止阀9，所述气源与第一气体管连接，所述第一气体管上安装第一三通阀、第一气体流量计、第一压力计和第一截止阀。
所述水蒸气发生装置包括水蒸气发生器2、第二三通阀4、第二气体流量计6、第二压力计8、第二截止阀12、第一热电偶温度计10和安全阀11，所述水蒸气发生器与第二气体管连接，所述第二气体管上安装第二三通阀、第二气体流量计、第二压力计、第二截止阀、第一热电偶温度计和安全阀。
所述***还包括水蒸气加热装置15，所述水蒸气加热装置包括水蒸气加热床16和用于控制蒸气加热温度的蒸气温控仪14，所述第二气体管与水蒸气加热床16的进口连接，所述水蒸气加热床16的出口与气化反应釜20的进气口连接。
所述水蒸气加热床16的进口处安装第二热电偶温度计13。
所述气化反应釜20安装第三压力计18和反应温度温控仪17。所述气化反应釜20的出气口安装第四截止阀21，所述气化反应釜的顶部安装驱动搅拌装置的电机19。
本实施例的高温水蒸汽气化污泥产生富氢合成气的流程。主要由4部分组成。第一部分主要用于高温水蒸气的产生。首先向整个连通密封的***装置输送惰性气体，除去***中原本含有空气等，维持无氧环境，以防对气化制氢实验带来影响。通完惰性气体后(大约10分钟后)，关闭N2；启动水蒸气发生装置，产生高温水蒸气。由于产生的高温水蒸汽的温度控制不稳定，因此在后面加设一个水蒸气加热装置，用来精确控制水蒸气过热温度。
获得气化所需的水蒸气温度和压力后，将过热水蒸气通入气化反应釜。通过反应釜温度控制仪来设定和控制气化反应温度，同时设定搅拌装置转速，使高温水蒸气与污泥气化充分进行。气化反应完全后，将得到的气体通入下一部分。
下一部分是多级冷却装置，产生的高温气体经过3级冷却后，将冷凝水、残液、残渣等留在冷凝器下方收集瓶中。冷却装置由2个循环水泵提供动力。
最后是样品气体收集和分析装置。获得的气化气体再次通入过滤装置和气水分离器进入气体收集器。少量的气体进入微量气体色谱分析仪来分析气体中的主要成分。主要看氢气的含量是否达到预期值。
下面通过实验实例来描述本发明的具体工艺方法。
将一定量污泥样品预先放置在气化反应釜中，然后通入氮气以排空密封***装置中空气，大约10分钟后，关闭氮气排气阀门；开启高温水蒸气发生器，设定流量和温度；设定气化反应釜温度、反应时间和搅拌器旋转速度，开始产生气体产物。气体产物经过冷凝装置、过滤器和气水分离装置后分成两部分分别进入样品收集器和色谱分析仪。冷凝时产生的液相产物(焦油、部分残渣等)和剩余水蒸气会收集在冷凝器下方收集装置中；气相产物(即合成气)经过滤收集于样品收集器。实验过程中，当水蒸气加热装置把水蒸气的温度控制在230℃，将过热水蒸气通入到气化反应釜中。水蒸气与污泥充分反应，在出气口收集气体。气化实验结束后，关闭水蒸气发生器、水蒸气加热装置和气化反应釜。待反应釜冷却后，收集气化灰渣和焦油，并进行称量。对于合成气产率的计算：根据生成气体体积和气体各主要成分含量、密度等来计算合成气总质量，然后在根据载入反应釜内污泥总质量，最后获得合成气产率。实验采用单一变量法，分别研究气化温度和水蒸气质量与污泥含碳量比(S/C)对污泥气化特性的影响。
实验方案如下：
(1)实验过程水蒸气流量设定为3g/min；为减小样品量小带来的实验误差，将污泥样品量取35g，放置在气化反应釜中；气化反应釜升温速率设定为100℃/min，终温停留时间为10min，气化反应终温分别设定为：650℃、750℃、850℃、950℃和1050℃。
(2)水蒸气流量设定为3g/min；气化炉升温速率设置为100℃/min；终温停留时间为10min；气化反应终温设置为850℃；实验分别在污泥样品为35g、55g和75g的情况下进行，则相应的S/C质量比分别为：7.44、4.74和3.47。
(3)污泥气化后产生的不凝性气体主要成分有H2，CH4、CO2、CO和CxHy，还有少量含量较低的其它成分。本实验气化特性主要定量分析合成气中H2、CH4、CO2和CO四种主要成分。气化合成气组成成分的定量分析采用GC-9790型气相色谱仪分析。具体实验条件为：载气流速为30ML/min；柱箱温度为60℃；TCD温度为120℃；注样器温度为120℃；桥电流值为75mA。工作原理为：在环境、操作条件等相同情况下，同种物质出峰时间是一致的，即可以根据试样出峰时间与标样气体出峰时间对比得出实验气体的具体组分。而气体组分含量与电信号成正比，经过计算机的处理转化为峰面积，由各个峰面积的大小，即可定量的计算出各组分浓度。每个样品均进行三个平行样品重复测试，最后H2、CH4、CO和CO2含量取平行测试样品结果的平均值，平行样品测试结果误差小于10％。
实验结果在表1中表示。表1为气化产物产率分布。
表1
注意：以上产率是基于污泥干燥基计算。
表1中出示了不同气化温度与S/C比值下污泥气化产物分布。可以看出：随着温度的升高，气相产物产率不断增加，这主要是由于温度升高促进焦油气二次裂解，生成更多小分子气体；另外，较高反应温度有利于水蒸气与碳发生气化和重整等一系列热化学反应。S/C值对气相产物产率的影响是双重的，存在一个最佳值4.74，此时气相产率达到峰值，这主要是由于在水蒸汽流量一定条件下，随着污泥样品的增加，使得污泥与水蒸气气化反应更加完全，但S/C值超过一定值时，水蒸气量不足，导致污泥样品中以碳为主成分与水蒸气反应不彻底。因此，S/C值为4.74时，水蒸气与污泥气化反应效果较为充分。
温度对气体产生的影响见图4，从图4中可以看出随着温度的上升，氢气的产量不断的增加，到了850℃之后，增加的速率开始变慢。验证了污泥气化需要高温环境，一般制取富氢燃气的温度应控制在850℃以上。
氢气产率是本发明要测试的重要参数，同时也是合成气的主要成分。氢气产率定义为单位质量原料气化反应后得到的氢气的量，单位为m3/kg。温度与S/C值对污泥水蒸气气化氢气产率的影响数据参照图2和图3。可以看出：随着反应温度从650℃上升到1050℃，氢气产率从0.17m3/kg(污泥干燥基)升至0.41m3/kg(污泥干燥基)，而且在850℃以下，温度对氢气产率影响更为敏感；而S/C值对氢气产率同样存在双重作用，在S/C值为4.74时，氢气产率达到最佳值(0.55m3/kg)，增加或减小S/C值都将不利于氢气产率的提高。这主要是因为污泥气化过程中温度的升高有利于物料中含碳、氢成分的Boudouard反应、碳气反应、焦油二次裂解反应和碳氢化合物转化反应，使得污泥中有机质的氢元素和水蒸气中的氢元素更多地分解或重整转化为氢气。而水蒸气与污泥量有一个最佳匹配比，水蒸气量过少，不足以与污泥中的有机质反应，过多会影响停留时间且降低局部温度，这些都影响着氢气的产率。因此，合理掌握水蒸气的最佳使用量，能够较大的提高氢气产率。

Claims (8)

1.一种污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：该***包括带搅拌功能的气化反应釜，所述气化反应釜的顶部设于开启盖，所述气化反应釜的底部设有进气口和污泥排出口，所述气化反应釜的上部设有出气口，所述进气口分别与气体介质发生装置和水蒸气发生装置连接，所述出气口依次与冷却装置连接，所述冷却装置的液体出口与冷凝液收集器连接，所述冷却装置的气体出口通过抽气泵与过滤器的进口相接，所述过滤器的出口与气水分离器的入口连通，所述气水分离器的出口与燃气收集器连接。
2.如权利要求1所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述冷却装置为三级水冷却罐，一级水冷却罐的进口与循环水管的出口连接，一级水冷却罐的进口与二级水冷却罐的出口连接，所述二级水冷却罐的进口与三级水冷却罐的出口连接，所述三级水冷却罐的进口与循环水管的入口连接，所述循环水管上安装循环水泵；所述水冷却罐内安装冷却盘管，所述冷却盘管的下部与冷却液收集器的入口连通。
3.如权利要求1或2所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述气水分离器的出口同时与气体采样器连接，所述气体采样器与微量气体色谱分析装置连接。
4.如权利要求1或2所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述气体介质发生装置包括气源、第一三通阀、第一气体流量计、第一压力计和第一截止阀，所述气源与第一气体管连接，所述第一气体管上安装第一三通阀、第一气体流量计、第一压力计和第一截止阀。
5.如权利要求1或2所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述水蒸气发生装置包括水蒸气发生器、第二三通阀、第二气体流量计、第二压力计、第二截止阀、第一热电偶温度计和安全阀，所述水蒸气发生器与第二气体管连接，所述第二气体管上安装第二三通阀、第二气体流量计、第二压力计、第二截止阀、第一热电偶温度计和安全阀。
6.如权利要求5所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述***还包括水蒸气加热装置，所述水蒸气加热装置包括水蒸气加热床和用于控制蒸气加热温度的蒸气温控仪，所述第二气体管与水蒸气加热床的进口连接，所述水蒸气加热床的出口与气化反应釜的进气口连接。
7.如权利要求6所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述水蒸气加热床的进口处安装第二热电偶温度计。
8.如权利要求1或2所述的污泥高温水蒸气气化制备富氢燃气的***，其特征在于：所述气化反应釜安装第三压力计和反应温度温控仪。
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