CN115490207B - 一种污泥制氢方法与*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥制氢方法与***。一种污泥制氢方法，包括以下步骤：污泥干化后进行热解处理，热解得到半焦固体、热解油和热解气；半焦固体进行气化处理，气化后进行气固分离，气固分离后得到飞灰和合成气；热解气与合成气进行水煤气变换反应生成水煤气，水煤气进行氢气分离后得到氢气。本发明的污泥制氢方法，将污泥干化、热解、气化和重整过程进行耦合，将热解单元与气化单元分离，分开进行处理，与现有技术的流化床气化制氢室在同一个炉内的方式相比，可使整个气化过程更加合理，可使污泥资源化利用更加彻底，效率大大提高。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种污泥制氢方法与***。
背景技术
现有污泥制氢***所利用的污泥为含水率20％以下的半干污泥，进入热解器之前需要从污水处理厂预处理再运输到当地，运输途中易造成二次污染且有一定的运输处理成本。另外，现有制氢***大部分通过与煤共热解气化以提高效率，仅通过设置气固分离器、气水分离器来提高过程的稳定性，热解装置大部分为竖式筒状，污泥从上往下坠入，产生大量飞灰，虽处理量大，但能源消耗巨大，且在过程中有一定污染气外溢风险；部分污泥热解气化***与太阳能发电***联用，可一定程度降低污泥处理成本，但设备占地面具大，维护成本高。
因此，需要开发一种新的污泥制氢方法和***。
发明内容
为了克服现有技术存在污泥制氢***占地面积大、成本高、效率低的问题，本发明的目的在于提供一种污泥制氢方法，本发明的目的之二在于提供一种污泥制氢***。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种污泥制氢方法，包括以下步骤：
(1)污泥干化后进行热解处理，得到半焦固体、热解油和热解气；
(2)将所述半焦固体进行气化处理后气固分离，得到飞灰和合成气；
(3)将所述热解气与所述合成气进行水煤气变换反应生成水煤气，水煤气进行分离后得到氢气。
本发明的污泥为生活污水处理厂产生的污泥。
优选的，这种污泥制氢方法，步骤(1)中，热解处理的温度为250-450℃；进一步优选的，热解处理的温度为280-420℃；再进一步优选的，热解处理的温度为290-410℃；更进一步优选的，热解处理的温度为300-400℃；将热解处理的温度控制在该范围内，可以获得半焦固体和热解气，该温度下的半焦固体利于后续的气化处理。
优选的，这种污泥制氢方法，步骤(1)中，热解处理的时间为10-30s；进一步优选的，热解处理的时间为15-25s；在本发明的一些优选实施例中，热解处理的时间为20s；控制热解处理时间，可进一步控制热解气的成分，进而控制重整变换单元的反应。
优选的，这种污泥制氢方法，步骤(1)中，污泥进行热解处理前的粒径为3-20mm；进一步优选的，污泥进行热解处理前的粒径为4-18mm；再进一步优选的，污泥进行热解处理前的粒径为5-16mm；更进一步优选的，污泥进行热解处理前的粒径为5-15mm。
优选的，这种污泥制氢方法，步骤(2)中，气化处理的温度为800-1300℃；进一步优选的，气化处理的温度为850-1250℃；再进一步优选的，气化处理的温度为880-1220℃；更进一步优选的，气化处理的温度为900-1200℃；将气化处理温度控制在该温度范围内，半焦固体气化为合成气，热解处理与气化处理的搭配使用，可以使污泥资源化利用更加彻底，同时污泥制氢的效率大大提高。
本发明第二方面提供了一种实施上述污泥制氢方法的污泥制氢***，该***包括依次相连的污泥干燥装置、电热解炉、气化单元、气固分离装置、重整变换单元、氢气提纯装置；电热解炉与重整变换单元相连通；气固分离装置与污泥干燥装置相连通。
本发明的气固分离装置的设置可增加***的运行稳定性，获得的高温灰回到污泥干燥装置，将高温灰的热量用于污泥干燥，可节省大量热能。
优选的，这种污泥制氢***还包括机械脱水装置，机械脱水装置设置在污泥干燥装置之前，用于将污水处理过程中产生的污泥进行脱水，脱水后的污泥含水量≤80％，机械脱水后污泥进入污泥干燥装置。
优选的，这种污泥制氢***还包括污泥传送带，污泥传送带设置在污泥干燥装置内，污泥在污泥传送带输送的过程中，污泥干燥装置对污泥进行干化处理；进一步优选的，共设有两条污泥传送带；使用污泥传动带，利于污泥干燥过程过热均匀，易于控制干燥过程，提高污泥干燥的效率。
优选的，这种污泥制氢***还包括破碎机，破碎机设置在污泥干燥装置内，破碎机将污泥破碎至粒径为3-20mm，破碎后进入电热解炉内进行热解。
优选的，这种污泥制氢***还包括滚轮碾压机，滚轮碾压机设置在污泥传送带与破碎机之间，滚轮碾压机用于将污泥碾压，减少污泥体积，便于破碎机破碎处理。
优选的，这种污泥制氢***还包括尾气处理***，尾气处理***对气化单元产生的尾气进行处理。
优选的，这种污泥制氢***中，电热解炉为卧式结构，内部设有螺旋杆；本发明采用卧式结构的电热解炉，通过螺旋杆水平推进污泥，卧式设计可减少炉内飞灰，增加安全性，且体积大大减小，易于控制热解污泥重量及热解过程，可进一步减少所消耗的热能。
优选的，这种污泥制氢***中，气化单元包括气化炉、空气压缩机和蒸汽发生器；电热解炉、气化炉、气固分离装置依次相连；空气压缩机和蒸汽发生器分别与气化炉相连通；气化炉内进行气化反应，空气压缩机和蒸汽发生器分别与气化炉相连，向气化炉内提供空气和蒸汽，同时，蒸汽发生器还向重整变换单元提供蒸汽。
优选的，这种污泥制氢***还包括半焦中转仓，半焦中转仓设置在电热解炉和气化单元之间，电热解炉的半焦固体进入半焦中转仓后再进入气化单元的气化炉内进行气化处理。
进一步优选的，气化炉为立式管状结构，气化炉的长径比为8-15:1；再进一步优选的，气化炉的长径比为8-12:1；更进一步优选的，气化炉的长径比为9-11:1，在本发明的一些优选实施例中，气化炉的长径比为10:1；本发明利用特殊结构的气化炉，减少了气化飞灰的产生，同时提高了气化的效率。
优选的，这种污泥制氢***中，重整变换单元包含热解气重整腔和水煤气变换反应腔；气固分离装置、水煤气变换反应腔、氢气提纯装置依次相连；电热解炉与热解气重整腔相连通；重整变换单元设计在一个箱体内，结构紧凑，可大大缩小***的占地面积；本发明创新性地设计了重整变换单元，可将获得的热解气通过重整获得小分子水煤气原料气，与合成气混合后经水煤气变换转化为富氢气体，实现额外的经济效益，不仅可显著提高污泥的处理效率，实现污泥的减量化、稳定化，还可实现其资源化、能源化、高值化利用。
进一步优选的，热解气重整腔内部填充催化裂化催化剂及碱性吸附剂；催化裂化催化剂可采用常规商用的石油化工行业催化裂化用催化剂，在本发明的一些具体实施例中，催化裂化催化剂采用催化剂DOCO；热解处理控制在一定反应温度内，污泥热解的热解气由短链烷烃和部分氮氧化物组成，本发明通过将热解与气化分步进行，先将热解气单独重整，电热解炉产生的热解气进入热解气重整腔内，经过催化裂化反应，碱性吸附剂吸附，得到重整热解气，主要成分为甲烷和一氧化碳，重整热解气再与气化处理产生的合成气一起进入水煤气变换反应腔。
进一步优选的，水煤气变换反应腔内部填充水煤气变换催化剂；本发明的实现并不受水煤气变换催化剂的具体种类的限制，在本发明的一些优选实施例中，可采用白云石作为催化剂，重整的热解气和合成气在白云石颗粒催化剂催化作用下，获得高温水煤气，水煤气中H2含量≥60％。
优选的，这种污泥制氢***中，重整变换单元与氢气提纯装置之间设有热交换器；气化单元的空气压缩机与气化炉之间设有热交换器，高温水煤气经过热交换器实现回热，回收热热量用于空气压缩机向气化炉内提供的空气加热，节省了大量的热量。
本发明的有益效果是：
本发明的污泥制氢方法，将污泥干化、热解、气化和重整过程进行耦合，将热解单元与气化单元分离，分开进行处理，与现有技术的流化床气化制氢室在同一个炉内的方式相比，可使整个气化过程更加合理，可使污泥资源化利用更加彻底，效率大大提高，污泥资源化利用效率可提高35％以上。
本发明的污泥制氢***，可实现污泥的就地处理，减少污泥运输带来的费用，避免运输途中造成的污染；同时利用气化产生的高温飞灰余热来干化污泥节省部分燃料；通过热解、气化、重整变换获得高品质水煤气使得整个***集成度高，设备占地小，设备简单易于维护，适用于现有各大中小型污水处理厂。
附图说明
图1为本发明的污泥制氢***。
图2为本发明的一种污泥制氢***实施例示意图。
附图2标记：
100-机械脱水装置，200-第一污泥传送带，300-第二污泥传送带，400-污泥干燥装置，500-滚轮碾压机，600-破碎机，700-电热解炉，710-进料仓，720-电机，730-螺旋杆，740-第一热电偶，750-热解油出口，800-半焦中转仓，900-气化单元，910-气化炉，920-空气压缩机，930-第一热交换器，940-蒸汽发生器，950-多通道流量控制器，960-第二热电偶，1000-气固分离装置，1100-重整变换单元，1110-热解气重整腔，1120-水煤气变换反应腔，1130-第三热电偶，1140-第四热电偶，1200-第二热交换器，1300-氢气提纯装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
如图1所示，一种污泥制氢***包括依次相连的污泥干燥装置、电热解炉、气化单元、气固分离装置、重整变换单元、氢气提纯装置；
电热解炉还与重整变换单元相连；气固分离装置还与污泥干燥装置相连。
下面参考图2描述根据本发明实施例的污泥制氢***。
如图2所示，根据本发明实施例的污泥制氢***，包括机械脱水装置100，第一污泥传送带200，第二污泥传送带300，污泥干燥装置400，滚轮碾压机500，破碎机600，电热解炉700，半焦中转仓800，气化单元900，气固分离装置1000，重整变换单元1100，第二热交换器1200，氢气提纯装置1300；
电热解炉700包括进料仓710，电机720，螺旋杆730，第一热电偶740，热解油出口750；
气化单元900包括气化炉910，空气压缩机920，第一热交换器930，蒸汽发生器940，多通道流量控制器950，第二热电偶960；
重整变换单元1100包括热解气重整腔1110，水煤气变换反应腔1120，第三热电偶1130，第四热电偶1140。
如图2所示，在本发明的一些具体实施例中，污水处理池内的湿污泥通过污泥离心泵送入机械脱水装置，进行初步机械脱水，获得含水率≤80％的湿污泥；然后送入污泥干燥装置内进行热干化，污泥干燥装置内设有第一污泥传送带、第二污泥传送带、滚轮碾压机、破碎机，污泥在传送带上输送的过程中不仅受到箱体内热源烘干，气固分离装置内的高温飞灰提供另一部分热源，获得含水率≤20％的半干污泥；污泥经滚轮碾压机、破碎机破碎之后经过进料仓进入电热解炉，螺旋杆在电机的驱动下将污泥往下输送，第一热电偶控制热解单元温度在300-400℃，热解过程中会产生部分热解油，其通过热解油出口进行收集；热解得到的固体即半焦固体则进入半焦中转仓，半焦通过半焦溢流口进入气化单元的气化炉内，气化剂由空气压缩机、蒸汽发生器提供，空气经第一换热器预热，气化温度控制在900-1200℃，第二热电偶监测气化温度，热解气通过热解气上升通道进入气固分离装置，在此处进行气固分离，分离出来的高温飞灰送入污泥干燥装置进行热量交换，气固分离装置分离出来的合成气进入重整变换单元的水煤气变换反应腔，电热解炉产生的热解气进入重整变换单元的热解气重整腔内，热解气重整腔内部填充商用催化裂化催化剂DOCO以及碱性吸附剂，热解气在此进行催化裂化反应，产物中甲烷等短链烷烃、一氧化碳占85％以上，二氧化碳、氮氧化物占5％左右，产生的二氧化碳、氮氧化物在高温下被吸附剂吸收，重整后的热解气进入水煤气变换反应腔，与气固分离装置分离出来的合成气进行水煤气变换反应生产水煤气，水煤气变换反应腔内填充有白云石作为催化剂，蒸汽发生器通过多通道流量控制器向重整变换单元的水煤气变换反应腔提供蒸汽，高温水煤气经过第二热交换器回收热量后进入氢气提纯装置，氢气提纯装置采用膜分离提纯装置，高浓度氢气从装置的上部吸出，其他杂质混合气从装置下部排出，干化过程尾气可通过尾气处理装置进行无害化处理。
应用实施例
本实施例的污泥制氢方法，具体步骤如下：
(1)污水处理池沉积的污泥泥浆通过污泥离心泵送入机械脱水装置内，进行初步机械脱水，过程中添加钙基调理剂加快水分析出，获得含水率≤80％的湿污泥，然后送入污泥干燥装置进行热干化，获得含水率≤20％的半干污泥，对半干污泥进行破碎，破碎后粒径为5-15mm，进入电热解炉；一般中型城市污水处理厂夏季日处理10万吨污水可产生50吨含水率80％的污泥，此***可满足此污水处理量；
(2)控制电热解炉温度在300-400℃，热解时间为20s，热解过程中的热解气(占60％左右)、热解油(占5％左右)、固体即半焦(占35％左右)，热解气以一氧化碳为主(占85％)，包含部分二氧化碳、氮氧化合物(占5％)。热解油通过热解油出口进行收集；热解得到的半焦则进入半焦中转仓，半焦通过半焦溢流口进入气化单元，气化剂由空气压缩机、蒸汽发生器提供，空气经换热器预热，气化温度控制在900-1200℃；
(3)气化单元产生的热解气通过热解气上升通道进入气固分离装置，在此处进行气固分离，分离出来的高温飞灰送入污泥干燥装置进行热量交换，气固分离的合成气及电热解炉产生的热解气则进入重整变换单元与从蒸汽发生器产生的水蒸气，以白云石颗粒作为催化剂，在此处进行重整和交换生成水煤气，水煤气主要成分为H2和CO2；
(4)高温水煤气进入换热器预热空气，进行回热，两处回热可节省10％的热量消耗。完成热量交换后变成低温水煤气，最后水煤气经过膜交换将氢气和其他气体分离，高浓度氢气从吸氢管吸出，而其他杂质混合气向下排出，按照日处理量50吨含水率80％的污泥计，产生氢气量可达225000L。电热解炉热效率可达65％以上，与传统热解***热效率相比至少提高30％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，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 (6)
1.一种污泥制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）污泥干化后进行热解处理，得到半焦固体、热解油和热解气；
（2）将所述半焦固体进行气化处理后气固分离，得到飞灰和合成气；
（3）将所述热解气进行单独重整，得到重整热解气后与所述合成气进行水煤气变换反应生成水煤气，水煤气进行分离后得到氢气；
所述步骤（1）中，所述热解处理的温度为250-450℃，所述热解处理的时间为10-30s；
所述步骤（2）中，所述气化处理的温度为800-1300℃；
实施所述污泥制氢方法的污泥制氢***，包括依次相连的污泥干燥装置、电热解炉、气化单元、气固分离装置、重整变换单元、氢气提纯装置；
所述电热解炉与所述重整变换单元相连通；所述气固分离装置与所述污泥干燥装置相连通；
所述重整变换单元包含热解气重整腔和水煤气变换反应腔；
所述气固分离装置、水煤气变换反应腔、氢气提纯装置依次相连；所述电热解炉与所述热解气重整腔相连通。
2.根据权利要求1所述的污泥制氢方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述污泥进行热解处理前的粒径为3-20mm。
3.根据权利要求1所述的污泥制氢方法，其特征在于，所述电热解炉为卧式结构，内部设有螺旋杆。
4.根据权利要求1所述的污泥制氢方法，其特征在于，所述气化单元包括气化炉、空气压缩机和蒸汽发生器；
所述电热解炉、气化炉、气固分离装置依次相连；所述空气压缩机和蒸汽发生器分别与气化炉相连通。
5.根据权利要求4所述的污泥制氢方法，其特征在于，所述气化炉为立式管状结构，所述气化炉的长径比为8-15:1。
6.根据权利要求1所述的污泥制氢方法，其特征在于，所述热解气重整腔内部填充催化裂化催化剂及碱性吸附剂。
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