一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置和方法与流程

本发明涉及城市垃圾处理，具体涉及一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置和方法。

背景技术：

1、城市有机垃圾的处理是现代城市废弃物处置的主要内容，土地的珍贵性使得缺少工业用地的城市将目光转向了焚烧法处置固体废弃物。然而，由于有毒二噁英和飞灰的难以解决，使得这一技术饱受诟病。鉴于有机废物饱含热量/能量，人们自然想到了将其通过热裂解气化方式转化为合成气（水煤气），同时还能得到热量再进一步的回收利用。可是，事至今日尚未有将城市有机垃圾大规模的广泛工业应用的先例。究其原因，在于有机废物的热裂解气化是一个吸热过程，需要给予足够热量才能达到裂解气化。通常的做法是将城市有机垃圾部分燃烧以产生足够高的温度使得裂解反应继续进行，但众所周知，引入空气助燃必然带入无用的和不可燃的氮气，这又使得产生的合成气可燃组分浓度迅速下降，从而失去实际应用价值；而单独通入纯氧，在进行控氧其操作复杂、运行费用高、安全性差。

2、现有技术中，通常通过裂解气化炉对垃圾进行处理，在垃圾裂解气化过程中，一般采用空气通入裂解炉以燃烧部分的垃圾产生而产生热量，维持整个裂解气化过程的温度，但普遍存在以下问题：

3、1、由于空气中含有大量的不可燃的氮气，裂解气化后可燃气中的氮含量非常高，而可燃气中可燃组分含量却非常低，通常只有其体积的20％左右或更低，大幅降低了可利用价值，无商业应用前景。

4、2、裂解气化过程中，可以使用纯氧作为助燃剂，以减少无用的氮气。但由于整个过程中需要精准控制氧气量，又不能过氧，运行的操作和使用的设备会非常复杂，且成本高；使用纯氧气，安全性大幅降低。

5、中国专利cn106196082a，一种多段式洁净高效生活垃圾热解气化炉及工艺，包括炉体，在炉体上端相对的两侧分别安装一全封闭双向进料管，所述炉体内上端悬浮安装有内部压实破空板，绕炉体内壁竖向安装有内部导气管，所述内部导气管上端与出气管连通，在出气管与炉体内腔之间还连接一通心导气引火管，所述通心导气引火管贯穿内部压实破空板伸入到炉体内腔下部，所述炉体还配备有再生燃气助燃系统。该发明杂质较多的上段燃气，通过再生燃气助燃系统回入火层进行燃烧，将杂质污染物进行高温处理，使气体变的更洁净，助燃系统还可以加快燃烧速度，提升燃烧温度，使垃圾热解气化效率更高，可实现垃圾加热和热能的高效利用。但该专利仍然没有解决得到的可燃气体含有氮气进而降低可燃气体浓度的问题，另外该杂质较多的上段燃气是通过再生燃气助燃系统回入火层进行燃烧、将杂质污染物进行高温处理，即杂原子形成了它的氧化物，如含s元素氧化成so2、含cl元素则可能是二噁英。

6、中国专利cn110846082a，一种裂解气化制备高热值燃气的系统，包括氧气储罐和裂解气化炉，裂解气化炉包括：炉体，具有喷氧口，上部具有可燃气出口；灰盘，设置在炉体底部，能够相对炉体转动，炉体的下端位于灰盘内；炉栅，与灰盘固定，炉栅下部四周具有一圈炉渣溜板，灰盘用于装载冷却液，炉栅底部具有第一进氧通道，喷氧口对准炉渣溜板；氧气储罐的出口连接有供气主管，供气主管通过第一管路与第一进氧通道连通，供气主管通过第二管路与喷氧口连通，第一管路上安装有第一流量控制阀，第二管路上安装有第二流量控制阀。该申请采用纯氧气进行部分垃圾的裂解气化燃烧，较直接使用空气进行热解气化，可得到纯度更高、热值更高的可燃气。但该专利需要采用高氧进行热解气化，费用昂贵，装置要求高，由于使用纯氧助燃其操作安全性也大幅降低。而且，若氧气不能精准控制，则与焚烧法无异。

7、因而城市垃圾热裂解气化工艺，至今鲜有规模化工业应用。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置和方法，以解决上述的问题。

2、本发明的原理：

3、本发明采用分段分解工艺：预氧化工段和碳化工段。生活有机垃圾组成成分复杂，预氧化工段是采用梯度温度：在200-600℃之间进行，目的是实现化合物分子内的脱水、脱溶以及消除气化垃圾中的杂原子物质，如含氮化合物、含硫化合物、含氯化合物、含氧化合物等。其中，在200-300℃下这些杂原子化合物或基团发生了游离、裂解、歧化，从而脱离，剩余的为纯净的碳结构框架；再适量提高温度到400-600℃之间，使之达到使有机化合物的脱氢反应，即实现了烯烃化、芳香化，不断减少化合物中的氢含量，直至完全碳化。在此情况下，化合物中不再含有上述杂原子成分。

4、在碳化工段进一步提高温度，碳骨架在有热水蒸汽和二氧化碳存在下，重整形成h2和co，co再与h2o反应得到高纯度氢气；其中，co2再被c还原重整生成2摩尔co，如此往复。

5、碳化工段提高温度的方式是以co2和水蒸汽配制的低含o2的混合助燃气实现的，碳化阶段不再含有留存的包含n、o、s、cl等元素的有害合成气化合物。

6、整个热裂解气化工艺中，n、o、s、cl均以其含氢化合物nh3、co2(h2co3)、h2s、hcl气体从反应器中逸出，不再以其氧化物形式出现。因此，不会再有二噁英成分；此外，颗粒物也以炉渣形式留存在反应器中，不再以飞灰形式排出影响后续的大气质量。

7、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

8、根据本发明一方面提供的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，所述装置包括：反应塔，其中，反应塔包括上移动床和下移动床，经上移动床碳化后的原料进入下移动床进行反应；

9、上移动床后依次连接电脱焦装置用于脱除焦油，脱酸塔用于喷淋脱除酸性和水溶性气体；脱酸塔后连接燃烧器，气体在燃烧器内燃烧产生的热量进入原料预处理装置中进行原料的脱水、干燥预处理，预处理后的原料由进料进入上移动床进行预氧化工段，预氧化工段后的原料进入下移动床；

10、下移动床后连接脱co2反应塔，除去的co2进入co2回收装置回收，脱除co2的气体进入高品位气体收集装置进行回收；

11、原料的脱水、干燥预处理所产生的蒸汽，通常返回上移动床或下移动床的预氧化工段和碳化工段所需的水蒸汽。

12、进一步的，所述下移动床为上移动床直径的60%-80%。由于固形物因气化体积缩小（有利于物料下移）约50%，故下反应塔体积也相应缩小。

13、进一步的，所述上移动床和下移动床的底部均设置有下料装置。

14、进一步的，所述下料装置中设置有用于下料搅拌的翅片和加热物料的带滚轴喷嘴。

15、进一步的，所述翅片有30~60度角度倾斜；多层组成的搅拌装置其每一层下料装置设置有3~5片翅片；物料随重力作用沿翅片发生旋转，在滚轴辅助力下下降、形成移动床，带自动力搅拌功能。具体的，物料在重力作用下下坠；由于裂解气化后固形物体积缩小，形成一定空隙，上层物料会向下挤压；但是被固定的翅片阻挡，由于翅片30~60°角度，则物料沿该角度切线方向下移；即翅片上角移动至其下角、相对于塔体中轴线旋转；喷嘴具主动同向转动，有阻碍时由于喷嘴的转动会进一步拉着物料下移，总之物料顺着翅片30~60°角度旋转，从而达到搅拌作用。

16、进一步的，所述带滚轴喷嘴置于翅片的下沿。

17、进一步的，所述装置还设置有低品位合成气出口和高品位合成气出口，其中，低品位合成气出口位于上移动床上端，用于低品位合成气由上移动床进入电脱焦装置；高品位合成气出口位于下移动床上端，用于高品位合成气由下移动床进入脱co2反应塔。

18、根据本发明另一方面提供的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的方法，所述方法包括：

19、步骤一，原料的预氧化工段

20、经原料预处理装置脱水、干燥预处理的原料经进料进入上移动床后在中低温下进行第一阶段缺氧热解气化，产生的低品位合成气经低品位合成气出口依次经电脱焦装置脱除焦油，经脱酸塔脱除酸性和水溶性气体，进入燃烧器燃烧，燃烧后的热量进入原料预处理装置进行原料的脱水、干燥预处理；上移动床热解气化产生的原料下行经下料装置进入下移动床进行进一步的反应；

21、步骤二，碳化工段制备富氢高品位合成气

22、下移动床中注入水蒸汽和氧气后，在微氧情况下，进行第二阶段富氢产气反应，得到的高品位合成气经脱co2反应塔脱除co2后，得到的富氢高品位合成气进入高品位气体收集装置回收。

23、说明：在上移动床中的反应是缺氧环境也就是少氧环境，这有利于原料热解碳化，产生低品 位合成气；该反应中，由于n2的存在，热解合成气中可燃气体含量大约在20%左右；在下移动床中，反应是微氧环境，控制氧气含量为2%~15%，可以控制含氧量、含水量，以控制合成气成分，提高h2含量。

24、进一步的，所述步骤一中，中低温下进行第一阶段缺氧热解气化的温度是梯度温度；具体为：助燃剂入口即火炬口温度400~600℃、合成气出口即塔器出口端温度200~300℃。

25、进一步的，所述步骤二中，微氧情况的氧含量为2%~15%。

26、进一步的，所述步骤二中，反应温度为600~800℃。

27、本发明具有如下优点：

28、通过本发明的装置和方法处理生活有机垃圾后，一方面可以保证解离后n、o、s、cl均以其含氢化合物nh3、co2(h2co3)、h2s、hcl的形式从反应器中逸出，进入脱酸塔后可以完全被脱去，不再以其氧化物形式出现。因此，不会有二噁英成分，且颗粒物也以炉渣的形式留存在反应器中，不再以飞灰形式影响后续的大气质量；另一方面通过两步进行处理后，得到的富氢高品位合成气几乎不含氮气，大大的提高了裂解可燃气的商业利用价值。

29、本发明的反应塔采用两部分：上移动床和下移动床。上移动床采用缺氧环境，可以保证预氧化工段的产物不含有杂原子；在下移动床的碳化工段提高温度和氧含量，同时控制氧含量，使得富氢高品位合成气的氢气可以达到99%以上。

技术特征：

1.一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述装置包括：反应塔，其中，反应塔包括上移动床（1）和下移动床（2），经上移动床（1）碳化后的原料进入下移动床（2）进行反应；

2.根据权利要求1所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述下移动床（2）为上移动床（1）直径的60%-80%。

3.根据权利要求1所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述上移动床（1）和下移动床（2）的底部均设置有下料装置。

4.根据权利要求3所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述下料装置中设置有用于下料搅拌的翅片（14）和加热物料的带滚轴喷嘴（15）；至少为一层的多层具搅拌翅片与带滚轴喷嘴所组成的自动力搅拌装置。

5.根据权利要求4所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述翅片（14）有30~60度角度倾斜；每一层下料装置设置有3~5片翅片（14）。

6.根据权利要求5所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置，其特征在于，所述带滚轴喷嘴（15）置于翅片（14）的下沿。

7.一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的方法，其特征在于，所述步骤一中，中低温下进行第一阶段缺氧热解气化的温度是梯度温度；具体为：助燃剂入口即火炬口温度400~600℃、合成气出口即塔器出口端温度200~300℃。

9.根据权利要求7所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的方法，其特征在于，所述步骤二中，微氧情况的氧含量为2%~15%。

10.根据权利要求7所述的一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的方法，其特征在于，所述步骤二中，反应温度为600~800℃。

技术总结
本发明公开了一种热解城市有机垃圾制高品位富氢合成气的装置和方法，具体涉及城市垃圾处理技术领域。所述装置包括上下两个移动床的反应塔，上移动床采用缺氧环境，可以保证预氧化工段的产物中所含有的杂原子有效逸出；在下移动床的碳化工段提高温度和氧含量，同时控制碳/氧/汽合适比例，使得富氢高品位合成气的氢气可以达到99%以上。通过本发明的装置和方法处理生活有机垃圾后，一方面可以保证解离后N、O、S、Cl均以其含氢化合物NH<subgt;3</subgt;、CO<subgt;2</subgt;(H<subgt;2</subgt;CO<subgt;3</subgt;)、H<subgt;2</subgt;S、HCl气体从反应器中逸出，进入脱酸塔可以完全被脱去，不再以其氧化物形式出现；另一方面通过两步法进行处理后，得到的富氢高品位合成气几乎不含不可燃的氮气，大大的提高了裂解可燃气的利用价值。

技术研发人员：康颖,叶定逊,吴祖成
受保护的技术使用者：浙江省生态环境监测中心（浙江省生态环境信息中心）
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5