本發(fā)明涉及環(huán)保的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置及方法。

背景技術(shù)：

氫是最潔凈的燃料，也是重要的化工合成原料。氫氣燃燒性能良好，且安全無毒。氫氣空氣混合時可燃范圍大，具有良好的燃燒性能，而且燃燒速度快。氫氣燃燒時主要生成水和少量氨氣，不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、碳?xì)浠衔锏龋c其他燃料相比更清潔。同時氫氣導(dǎo)熱性能、發(fā)熱量高。氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)高出一般氣體導(dǎo)熱系數(shù)的10倍左右，是良好的傳熱載體。氫的能量密度是汽油的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的能量密度都高。氫氣既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機中產(chǎn)生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池直接產(chǎn)生電能，為燃料電池車、分布式發(fā)電設(shè)施提供動力，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。

但是氫氣不是一次能源，以往需要通過石化、化工行業(yè)一次能源通過轉(zhuǎn)換才能生產(chǎn)出來。目前制取氫氣(不包括工業(yè)廢氣中回收氫氣)的主要方法有天然氣(含石腦油、重油、煉廠氣和焦?fàn)t氣等)蒸汽轉(zhuǎn)化制氫、煤(含焦炭和石油焦等)轉(zhuǎn)化制氫、甲醇或氨裂解制氫和水電解制氫4種方法。

生活垃圾是現(xiàn)代社會人類生產(chǎn)、生活過程中產(chǎn)生的廢棄物，具有資源和廢物的雙重屬性。對生活垃圾進(jìn)行無害化、資源化處理也是城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護的重要內(nèi)容。與礦山資源類似，生活垃圾原料成分相對穩(wěn)定，并可持續(xù)集中供應(yīng)。但與煤炭相比，生活垃圾含硫量低、含氫量高，是比煤更容易氣化的制氫資源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種利用等離子體氣化生活垃圾來生產(chǎn)高附加值的高純氫氣以用于燃料電池等高值項目中的裝置及方法。

為此，本發(fā)明的一方面提供了一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，包括：

垃圾品質(zhì)控制單元，所述垃圾品質(zhì)控制單元能夠?qū)ι罾M(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾；

等離子體氣化單元，所述等離子體氣化單元能夠以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣；

合成氣凈化單元，所述合成氣凈化單元能夠?qū)λ龃趾铣蓺庵羞M(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

進(jìn)一步地，所述垃圾品質(zhì)控制單元包括依次相連的干化子單元、分選子單元和破碎子單元，所述垃圾品質(zhì)控制單元配置在微負(fù)壓空間內(nèi)且空間外立面配置有向所述垃圾品質(zhì)控制單元供電的光伏發(fā)電子單元。

進(jìn)一步地，所述干化子單元包括用于干化處理的干化倉和向所述干化倉中輸入熱空氣的鼓風(fēng)組件，所述分選子單元包括用于分級的篩分組件和用于金屬去除的金屬分離組件，所述破碎子單元包括用于破碎的破碎組件并且能夠破碎得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾，其中，所述干化子單元設(shè)置在分選子單元的上游或下游。

進(jìn)一步地，所述熱空氣的熱量來源于所述光伏發(fā)電子單元，所述干化倉排出的濕熱廢氣經(jīng)換熱冷凝回收所得的冷凝氣能夠返回至所述干化倉與熱空氣混合。

進(jìn)一步地，所述等離子體氣化單元包括氣化劑供給子單元、進(jìn)料子單元、燃料供給子單元、等離子體氣化爐和冷卻子單元，所述氣化劑供給子單元包括水蒸氣供給組件、富氧空氣或氧氣供給組件和混合組件，所述進(jìn)料子單元包括斗式提升機、進(jìn)料倉和螺旋給料機，所述等離子體氣化爐為上吸式固定床反應(yīng)器并且配置有位于爐體下部的至少兩組等離子體炬、位于爐體上部的急冷室和位于爐體底部的排渣室，所述冷卻子單元包括冷卻塔、急冷水罐和冷卻循環(huán)泵，其中，所述進(jìn)料子單元與等離子體氣化爐的進(jìn)料口相連，所述氣化劑供給子單元和燃料供給子單元與所述至少兩組等離子體炬相連，所述冷卻子單元與所述等離子體氣化爐的急冷室和收渣室相連，所述等離子體炬還與用于實現(xiàn)冷卻的水源連接。

進(jìn)一步地，所述合成氣凈化單元包括依次連接的除塵子單元、co變換子單元、脫硫子單元和透氫膜純化子單元，其中，所述除塵子單元包括旋風(fēng)除塵組件和陶瓷或金屬微孔過濾組件，所述除塵子單元的出口粉塵指標(biāo)控制在1mg/nm3以下。

進(jìn)一步地，所述co變換子單元采用寬溫耐硫變換工藝將粗合成氣中的co變換成為h2和co2，其中，所述co變換子單元的出口co控制在150mg/nm3以下；所述脫硫子單元采用干法脫硫至少脫除粗合成氣中的h2s氣體，其中，所述脫硫子單元的出口h2s控制在50ppm以下；所述透氫膜純化子單元采用支撐型鈀透氫膜純化法或陶瓷透氫膜純化法分離得到高純氫氣，其中，所得高純氫氣的純度為99.97％以上。

本發(fā)明的另一方面提供了一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，包括以下步驟：

a、對生活垃圾進(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾；

b、以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣；

c、對所述粗合成氣進(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

進(jìn)一步地，在步驟a中，所述預(yù)處理包括干化處理、分選處理和破碎處理，所述干化處理的能量來源于太陽能，所述分選處理能夠至少篩選去除金屬，所述破碎處理能夠得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾；

在步驟b中，在1000～1600的溫度、0～1.5kpa的壓力下對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理得到高溫粗合成氣并將高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌處理得到粗合成氣，所述氣化劑中水蒸汽與氧氣的配比在0.5～10:1之間；

在步驟c中，所述凈化處理包括依次進(jìn)行的除塵處理、co變換處理、脫硫處理和透氫膜純化處理，所得高純氫氣的純度為99.97％以上且其中的粉塵含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s計的總硫含量在4ppb以下。

本發(fā)明的再一方面提供了利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，采用了上述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置。

與常規(guī)的垃圾處理技術(shù)(焚燒、填埋)相比，使用本發(fā)明處理生活垃圾的具有如下優(yōu)點：

1)原料適應(yīng)性好、能源回收利用率高。生活垃圾中一定的含水量不影響物料氣化，反而能夠幫助提高合成氣中有效氣的含量。與垃圾填埋技術(shù)相比，填埋氣中的ch4、nh3、h2s等物質(zhì)難以避免地排入大氣不僅會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題，還會造成巨大的能源浪費。

2)“臨避效應(yīng)”低，焦油含量低。與大型的垃圾焚燒發(fā)電相比，本發(fā)明在垃圾處理的過程中煙氣量低并且不會產(chǎn)生二惡英、飛灰等易對環(huán)境造成二次污染的有毒、有害物質(zhì)。

3)處理垃圾的同時生產(chǎn)附加值高且能夠用于燃料電池的高純氫氣，能顯著提高垃圾處理項目的收益率。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置中等離子體氣化單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

10-垃圾品質(zhì)控制單元、11-干化子單元、12-分選子單元、13-破碎子單元、20-等離子體氣化單元、21-進(jìn)料子單元、211-斗式提升機、212-進(jìn)料倉、213-螺旋給料機、22-等離子體氣化爐、221-等離子炬、23-氣化劑供給子單元、231-水蒸氣供給組件、232-混合組件、24-冷卻子單元、241-冷卻塔、242-急冷水罐、243-冷卻循環(huán)泵、25-爐渣處理子單元、30-合成氣凈化單元、31-除塵子單元、32-co變換子單元、33-脫硫子單元、34-透氫膜純化子單元。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

雖然使用常規(guī)氣化裝置利用水蒸汽氣化生物垃圾能夠得到氫，但由于垃圾熱值偏低(<2000kcal/kg)，用常規(guī)氣化裝置對生活垃圾進(jìn)行氣化所得到的合成氣有用成分相當(dāng)?shù)?，達(dá)不到化工原料的應(yīng)用要求。與常規(guī)氣化依靠自身部分放熱來保持反應(yīng)溫度不同，等離子體氣化通過引入熱等離子體電弧來幫助提高垃圾氣化溫度，最高可使中心溫度達(dá)6000℃，爐內(nèi)均溫達(dá)1000～1600℃。使用等離子體熱解氣化可將物料完全裂解，形成的粗合成氣中焦油含量低且有效氣成份含量較高。因此，本發(fā)明基于此改進(jìn)得到了一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置及方法，所制得的氫氣能夠應(yīng)用于燃料電池。

下面先對本發(fā)明的利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明適用于原生生活垃圾(即新的生活垃圾)，也適用于陳腐生活垃圾(即經(jīng)過填埋的生活垃圾)。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置包括垃圾品質(zhì)控制單元10、等離子體氣化單元20和合成氣凈化單元30，具體地，垃圾品質(zhì)控制單元10能夠?qū)ι罾M(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾，等離子體氣化單元20能夠以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對上述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣，合成氣凈化單元30能夠?qū)ι鲜龃趾铣蓺庵羞M(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

本發(fā)明的垃圾品質(zhì)控制單元10主要對生活垃圾先進(jìn)行干化，控制入爐的垃圾含水率到40％以下，然后對垃圾進(jìn)行分選以去除其中所含有的金屬、玻璃等不可燃或惰性物料。由于目前我國的生活垃圾中有機物含量多、含水率高，垃圾的高含水率使垃圾中的不同組分相互粘連嚴(yán)重，機械可分選性差，限制了通過分選制備高品質(zhì)垃圾衍生燃料(rdf)的可能性。

具體地，垃圾品質(zhì)控制單元10包括干化子單元11、分選子單元12和破碎子單元13，垃圾品質(zhì)控制單元10配置在微負(fù)壓空間內(nèi)且空間外立面配置有向該垃圾品質(zhì)控制單元10供電的光伏發(fā)電子單元(未示出)。其中，所述干化子單元可以設(shè)置在分選子單元的上游或下游，當(dāng)主要處理的是陳腐生活垃圾時，先進(jìn)行篩分再進(jìn)行干化；當(dāng)主要處理的是原生生活垃圾時，先進(jìn)行干化再進(jìn)行篩分。

進(jìn)一步地，干化子單元11包括用于干化處理的干化倉和向干化倉中輸入熱空氣的鼓風(fēng)組件，該鼓風(fēng)組件可以是變頻鼓風(fēng)機；分選子單元包括用于分級的篩分組件和用于金屬去除的金屬分離組件，篩分組件可以是滾筒篩，金屬分離組件可以是除鐵器，篩選出的金屬可以重新回收利用；破碎子單元包括用于破碎的破碎組件并且能夠破碎得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾。

其中，鼓風(fēng)組件送入的熱空氣的熱量可以來源于光伏發(fā)電子單元，熱空氣能夠加熱干化倉并對垃圾進(jìn)行干化處理。干化倉排出的濕熱廢氣經(jīng)換熱冷凝回收所得的冷凝氣能夠返回至干化倉與熱空氣混合，倉底的冷凝液與換熱冷凝得到的冷凝液混合得到的滲濾液收集后排出。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置中等離子體氣化單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，等離子體氣化單元20包括氣化劑供給子單元23、進(jìn)料子單元21、燃料供給子單元、等離子體氣化爐22和冷卻子單元24。

具體地，氣化劑供給子單元23能夠向等離子體汽化爐供給氣化劑，本發(fā)明采用的氣化劑包括富氧空氣或氧氣和水蒸氣，即由富氧空氣或氧氣與水蒸氣組成的混合氣。氣化劑供給子單元23包括水蒸氣供給組件、富氧空氣或氧氣供給組件和混合組件，其中水蒸氣供給組件包括軟水機、軟水儲罐、蒸汽發(fā)生器和水泵，自來水經(jīng)過軟水機的軟化后成為軟化水并儲存在軟水儲罐中，在需要時進(jìn)入蒸汽發(fā)生器中成為水蒸氣，富氧空氣或氧氣送給組件則提供富氧空氣或氧氣，富氧空氣或氧氣與水蒸氣在混合組件中按照預(yù)定比例混合成為氣化劑后送入等離子體氣化爐22中。燃料子單元能夠向等離子體汽化爐供給燃料，燃料可以是天然氣。

進(jìn)料子單元21包括斗式提升機211、進(jìn)料倉212和螺旋給料機213，將具有一定熱值的生活垃圾物料通過斗式提升機211進(jìn)入進(jìn)料倉212內(nèi)，再由螺旋給料機213送進(jìn)等離子體氣化爐22內(nèi)。

等離子體氣化爐22為上吸式固定床反應(yīng)器并且配置有位于爐體下部的至少兩組等離子體炬221、位于爐體上部的急冷室和位于爐體底部的排渣室，生活垃圾的有機物在爐內(nèi)被分解為小分子的低熱值粗合成氣。

冷卻子單元24包括冷卻塔241、急冷水罐242和冷卻循環(huán)泵243，進(jìn)料子單元21與等離子體氣化爐22的進(jìn)料口相連，氣化劑供給子單元和燃料供給子單元與上述至少兩組等離子體炬相連，冷卻子單元與等離子體氣化爐22的急冷室和收渣室相連以分別對產(chǎn)生的高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌除塵和爐底產(chǎn)生的高溫熔融物進(jìn)行急冷冷卻，等離子體炬還與用于實現(xiàn)冷卻的水源連接，如與冷卻子單元24相連或者與水蒸氣供給組件中的軟水儲罐相連。粗合成氣進(jìn)入后續(xù)的合成氣凈化單元，高溫熔融物冷卻后的玻璃體可以作為一般固廢定期收集轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明的合成氣凈化單元30包括依次連接的除塵子單元31、co變換子單元32、脫硫子單元33和透氫膜純化子單元34。

具體地，除塵子單元31包括旋風(fēng)除塵組件和陶瓷或金屬微孔過濾組件，所述除塵子單元的出口粉塵指標(biāo)控制在1mg/nm3以下。除塵的作用是將產(chǎn)生的粗合成氣中的粉塵顆粒物去除，目前除塵技術(shù)主要有布袋除塵器、脈沖除塵器、旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器、單機除塵器、電除塵器等，旋風(fēng)除塵器的工作原理是含塵氣體從進(jìn)口處切向進(jìn)入，氣流在獲得旋轉(zhuǎn)運動的同時，氣流上、下分開形成雙旋蝸運動，粉塵在雙旋蝸分界處產(chǎn)生強烈的分離作用，較粗的粉塵顆粒隨下旋蝸氣流分至外壁，其中部分粉塵由旁路分離室中部洞口引出，余下的粉塵由向下氣流帶人灰斗。因此，旋風(fēng)除塵適用于高溫?zé)煔獬龎m，因此本發(fā)明選用旋風(fēng)除塵工藝為主的除塵處理方式。同時，為了確保后續(xù)的co變換子單元平穩(wěn)運行，需要使除塵子單元出口的粉塵指標(biāo)控制在1mg/nm3以下。因此，根據(jù)目前除塵工藝的特性，本發(fā)明使用旋風(fēng)除塵和陶瓷(或金屬)微孔過濾結(jié)合的方式。

co變換子單元采用寬溫耐硫變換工藝將粗合成氣中的co變換成為h2和co2，co變換子單元通過調(diào)節(jié)氣體成分，使粗合成氣滿足后續(xù)工序的要求。其中，由于本發(fā)明要制取更多的氫氣，并達(dá)到生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)(gb18485-2001)，需將co變換子單元的出口co控制在150mg/nm3以下。根據(jù)目前變換工藝特性，優(yōu)選地采用2～3段變換。

合成氣經(jīng)過co變換后主要為h2、co2，其中還含微量的h2s氣體。本發(fā)明的脫硫子單元采用干法脫硫至少脫除粗合成氣中的h2s氣體及少量的hcl、hf氣體，其中，脫硫子單元的出口h2s控制在50ppm以下。由于本發(fā)明所使用的制氫原料為生活垃圾，考慮到生活垃圾氣化燃?xì)庵辛蚧瘹涞臐舛鹊?幾十至一千個ppm)、總量少。因此，干法脫硫較適合本發(fā)明，干式高溫吸附脫硫的方法既可以使合成氣的熱量得到較好的保存并提高熱效率，同時又減少了不必要的設(shè)備投資。

為了脫除合成氣中co2等酸性雜質(zhì)氣體并獲得較高純度的氫氣，本發(fā)明對co2等酸性氣體的脫除采用支撐型鈀透氫膜純化法或陶瓷透氫膜純化法分離得到高純氫氣，經(jīng)過透氫膜分離產(chǎn)生的高純氫氣純度在99.97％以上。

其中，支撐型鈀透氫膜純化法是利用鈀膜對氫氣有較好的選擇滲透性能的原理來分離氫氣。相較傳統(tǒng)的psa工藝，鈀膜純化工藝的過程能耗低，設(shè)備占地面積小，設(shè)備簡單且可以連續(xù)生產(chǎn)。尤其在制備超純氫氣方面，可以彌補大型工業(yè)化設(shè)備諸如變壓吸附技術(shù)的不足，解決過程中痕量雜質(zhì)難以脫除的問題。早期采用機械軋制方法獲得的鈀基膜厚度高達(dá)幾百微米，這樣的鈀基箔片不僅成本高而且透氫量低，限制了鈀基膜的大規(guī)模應(yīng)用。近年來，采用化學(xué)鍍等制備手段在多孔載體上沉積鈀金屬或鈀合金層，沉積的致密膜厚度控制在5μm以內(nèi)，顯著提高了鈀膜的透氫量且大幅降低了成本，該工藝在規(guī)模化、能耗、操作難易程度、產(chǎn)品氫純度方面都有較大的優(yōu)勢。也即，本發(fā)明使用的支撐鈀膜可以是在多孔載體上沉積鈀金屬或合金層并形成厚度在5μm以內(nèi)的致密膜材料。

而陶瓷透氫膜的膜管由四層構(gòu)成：第一層為ni/ysz層，這一層主要起到支撐的作用，若膜管的直徑為2cm，則ni/ysz層的厚度約為3mm，該層通過擠出法制備，膜管直徑、長度均可根據(jù)實際要求變化。第二層為ni/sdc層，該層為過渡層，通過涂覆的方式進(jìn)行制備，該層與第三層致密陶瓷膜層相容性好，可提高致密陶瓷膜層的機械穩(wěn)定性。第三層為致密陶瓷膜層，該層為透氫膜，是整個陶瓷管的關(guān)鍵，采用漿料涂覆法制備。第四層為多孔電極層，在該層中氫氣能夠?qū)崿F(xiàn)解離，采用噴涂的方式制備。

本發(fā)明提供了利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，具體采用了上述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，可以具體包括以下步驟：

步驟a：

對生活垃圾進(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾。

在本步驟中，預(yù)處理包括干化處理、分選處理和破碎處理，干化處理的能量優(yōu)選地來源于太陽能，分選處理能夠至少篩選去除金屬，破碎處理能夠得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾，具體可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行裝置選擇和調(diào)整。

其中，對于陳腐生活垃圾，應(yīng)在干化處理之前先進(jìn)行分選，將其中不可燃物，如渣土、金屬、陶瓷等清除；對于原生生活垃圾，在干化處理之后再進(jìn)行分選處理。

步驟b：

以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對在步驟a中制得的含水率在40wt％以下生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣。

在本步驟中，在1000～1600的溫度、0～1.5kpa的壓力下對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理得到高溫粗合成氣并將高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌處理得到粗合成氣，所述氣化劑中水蒸汽與氧氣的配比在0.5～10:1之間。

步驟c：

對粗合成氣進(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

在本步驟中，凈化處理包括依次進(jìn)行的除塵處理、co變換處理、脫硫處理和透氫膜純化處理，所得高純氫氣的純度在99.97％以上且其中的粉塵含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s計的總硫含量在4ppb以下。

除塵處理的作用是將產(chǎn)生的粗合成氣中的粉塵顆粒物去除，co變換處理的作用是采用寬溫耐硫變換工藝將粗合成氣中的co變換成為h2和co2，脫硫處理的作用是脫除粗合成氣中的h2s氣體，透氫膜純化處理的作用是脫除合成氣中co2等酸性雜質(zhì)氣體并獲得較高純度的氫氣。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實施例1：填埋場陳腐生活垃圾制氫方案

(1)垃圾開挖運輸

依據(jù)垃圾堆體的現(xiàn)狀高程，將整個填埋場分為幾個大的開挖區(qū)，從高到低依次進(jìn)行開挖。每個開挖區(qū)內(nèi)再細(xì)分成若干個開挖單元，為減少垃圾暴露時間，減少臭氣散發(fā)及雨水的進(jìn)入，每個開挖單元的面積不超過500m2。在機械施工挖不到的地方，應(yīng)配合人工進(jìn)行挖掘，并用手推車把垃圾運到機械施工能挖到的地方，以便及時用機械挖走。

(2)垃圾篩分處置

利用挖掘機將陳腐垃圾挖出，通過自卸卡車運送至臨時堆場。經(jīng)過人工將大體積建筑垃圾及其他不能直接篩分處理的垃圾篩分出來后，由鏟車將垃圾送進(jìn)板式給料機，再進(jìn)行分選去除金屬、玻璃等物料后得到待處理的陳腐生活垃圾。其中，分選得到的腐殖土可以用于園林綠化、山體修復(fù)及土壤改良等；分選得到的金屬可以回收利用；分選得到的大塊骨料等可以用于基坑回填或市政道路建設(shè)等資源化利用。

(3)陳腐垃圾生物干化處理

在干化子單元11中進(jìn)行干化處理。需要空氣換熱系統(tǒng)使?jié)駸峥諝庵袩崃客ㄟ^熱交換器傳遞給新鮮空氣，被冷卻的空氣經(jīng)除臭裝置處理后排放。受熱后的新鮮熱空氣在鼓風(fēng)組件作用下進(jìn)入干化倉，維持干化倉內(nèi)溫度在55～75℃，促進(jìn)陳腐生活垃圾中水分的快速蒸發(fā)。

干化倉的進(jìn)料側(cè)用封蓋密閉、出料側(cè)設(shè)置閘板閥。滾筒篩及其外壁的外齒輪圈、變頻電動機、小齒輪均置于干化倉內(nèi)，整個干化倉密閉可防止發(fā)酵過程產(chǎn)生的臭氣逸出污染環(huán)境。滾筒篩為圓柱狀，長度13～25m，直徑3.5～5m，篩孔直徑10～80mm，其軸線與水平呈5～5°，通過控制這一夾角的大小可以調(diào)節(jié)垃圾出料口輸送的速度。滾筒篩在電機驅(qū)動下攪拌翻動垃圾，以避免垃圾物料積壓結(jié)塊并促進(jìn)與空氣充分接觸。好氧發(fā)酵菌在有氧條件下進(jìn)行新陳代謝，降解有機質(zhì)并釋放熱量。此外，隨著滾筒篩的轉(zhuǎn)動，垃圾逐漸向出料口推進(jìn)。進(jìn)料側(cè)封蓋上設(shè)置有進(jìn)風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)管法蘭，出料側(cè)封蓋上部設(shè)置有引風(fēng)管和引風(fēng)管法蘭。干空氣從進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入干化倉的滾筒內(nèi)與垃圾接觸，向垃圾提供發(fā)酵所需氧氣并帶走蒸發(fā)出的水蒸氣，濕熱空氣從引風(fēng)管排出，得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾。

(4)等離子體氣化處理

將干化處理后的預(yù)處理生活垃圾打包后通過斗式提升機進(jìn)入進(jìn)料倉內(nèi)，再由螺旋給料機送進(jìn)等離子體氣化單元的等離子體氣化爐中，以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑并在1200～1300℃的溫度、1.0～1.2kpa的壓力下對預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣，氣化劑中水蒸汽與氧氣的配比為0.5:1。對產(chǎn)生的高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌除塵處理后送入合成氣凈化單元中，對爐底產(chǎn)生的高溫熔融物進(jìn)行急冷冷卻后收集，裝置運行期間使用去離子水對等離子炬進(jìn)行冷卻。

(5)粗合成氣凈化處理和制備高純氫氣

凈化處理包括依次進(jìn)行的除塵處理、co變換處理、脫硫處理和透氫膜純化處理，粗合成氣經(jīng)旋風(fēng)除塵和陶瓷微孔過濾2級過濾后進(jìn)入凈化處理工序。其中，由于要制取更多的氫氣以及減少，變換處理之后的出口co指標(biāo)需控制在20ppm以下。因此，根據(jù)目前變換工藝特性，本項目擬采用寬溫耐硫變換工藝進(jìn)行3段變換。變換后的合成氣通過干化脫硫工藝脫除微量的h2s及少量的hcl、hf氣體。最后，利用支撐鈀膜在400℃、0.8mpa的壓力下脫除co2以及其他微量雜質(zhì)氣體，最終可獲得純度不低于99.97％的高純?nèi)剂想姵赜脷錃馇移渲械姆蹓m含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s計的總硫含量在4ppb以下。

實施例2：原生生活垃圾制氫方案

(1)原生生活垃圾干化處理

干化子單元需要空氣換熱系統(tǒng)使?jié)駸峥諝庵袩崃客ㄟ^熱交換器傳遞給新鮮空氣，被冷卻的空氣經(jīng)除臭裝置處理后排放。受熱后的新鮮熱空氣在鼓風(fēng)組件的作用下通過進(jìn)風(fēng)口15進(jìn)入干化子單元的干化倉，維持干化倉內(nèi)溫度在55～75℃，促進(jìn)原生生活垃圾中水分的快速蒸發(fā)。

干化倉的進(jìn)料側(cè)用封蓋密閉、出料側(cè)設(shè)置閘板閥。滾筒篩及其外壁的外齒輪圈、變頻電動機、小齒輪均置于干化倉內(nèi)。整個干化倉密閉可防止發(fā)酵過程產(chǎn)生的臭氣逸出污染環(huán)境。滾筒篩為圓柱狀，長度13～25m，直徑3.5～5m，篩孔直徑10～80mm。其軸線與水平呈5～35°。通過控制這一夾角的大小可以調(diào)節(jié)垃圾出料口輸送的速度。滾筒篩在電機驅(qū)動下攪拌翻動垃圾，以避免垃圾物料積壓結(jié)塊并促進(jìn)與空氣充分接觸。好氧發(fā)酵菌在有氧條件下進(jìn)行新陳代謝，降解有機質(zhì)并釋放熱量。此外，隨著干化倉的轉(zhuǎn)動，垃圾逐漸向出料口推進(jìn)。進(jìn)料側(cè)封蓋上設(shè)置有進(jìn)風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)管法蘭，出料側(cè)封蓋上部設(shè)置有引風(fēng)管和引風(fēng)管法蘭。干空氣從進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入干化倉的滾筒內(nèi)與垃圾接觸，向垃圾提供發(fā)酵所需氧氣并帶走蒸發(fā)出的水蒸氣，濕熱空氣從引風(fēng)管排出，得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾。

(2)原生生活垃圾資源化利用

將干化處理后的預(yù)處理生活垃圾打包后通過斗式提升機進(jìn)入進(jìn)料倉內(nèi)，再由螺旋給料機送進(jìn)等離子體氣化單元的等離子體氣化爐中，以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑并在1300～1450℃的溫度、1.1～1.2kpa的壓力下對預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣，氣化劑中水蒸汽與氧氣的配比為1:1。對產(chǎn)生的高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌除塵處理后送入合成氣凈化單元中，對爐底產(chǎn)生的高溫熔融物進(jìn)行急冷冷卻后收集，裝置運行期間使用去離子水對等離子炬進(jìn)行冷卻。

(3)粗合成氣凈化處理和制備高純氫氣

凈化處理包括依次進(jìn)行的除塵處理、co變換處理、脫硫處理和透氫膜純化處理，粗合成氣經(jīng)旋風(fēng)除塵和金屬微孔過濾2級過濾后進(jìn)入凈化處理工序。其中，由于要制取氫氣，變換處理之后的出口co指標(biāo)需控制在20ppm以下。因此，根據(jù)目前變換工藝特性，本項目擬采用寬溫耐硫變換工藝進(jìn)行3段變換。變換后的合成氣通過干化脫硫工藝脫除微量的h2s及少量的hcl、hf氣體。最后，利用陶瓷透氫膜在450～600℃下脫除co2以及其他微量雜質(zhì)氣體，獲得純度不低于99.97％的高純?nèi)剂想姵赜脷錃馇移渲械姆蹓m含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s計的總硫含量在4ppb以下。

在裝置運行過程中，可通過控制陶瓷透氫膜反應(yīng)器的電流密度或者流經(jīng)陶瓷透氫膜的電量來控制氫氣的產(chǎn)生量。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。

技術(shù)特征：

1.一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，包括：

垃圾品質(zhì)控制單元，所述垃圾品質(zhì)控制單元能夠?qū)ι罾M(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾；

等離子體氣化單元，所述等離子體氣化單元能夠以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣；

合成氣凈化單元，所述合成氣凈化單元能夠?qū)λ龃趾铣蓺庵羞M(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述垃圾品質(zhì)控制單元包括干化子單元、分選子單元和破碎子單元，所述垃圾品質(zhì)控制單元配置在微負(fù)壓空間內(nèi)且空間外立面配置有向所述垃圾品質(zhì)控制單元供電的光伏發(fā)電子單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述干化子單元包括用于干化處理的干化倉和向所述干化倉中輸入熱空氣的鼓風(fēng)組件，所述分選子單元包括用于分級的篩分組件和用于金屬去除的金屬分離組件，所述破碎子單元包括用于破碎的破碎組件并且能夠破碎得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾，其中，所述干化子單元設(shè)置在分選子單元的上游或下游。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述熱空氣的熱量來源于所述光伏發(fā)電子單元，所述干化倉排出的濕熱廢氣經(jīng)換熱冷凝回收所得的冷凝氣能夠返回至所述干化倉與熱空氣混合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述等離子體氣化單元包括氣化劑供給子單元、進(jìn)料子單元、燃料供給子單元、等離子體氣化爐和冷卻子單元，所述氣化劑供給子單元包括水蒸氣供給組件、富氧空氣或氧氣供給組件和混合組件，所述進(jìn)料子單元包括斗式提升機、進(jìn)料倉和螺旋給料機，所述等離子體氣化爐為上吸式固定床反應(yīng)器并且配置有位于爐體下部的至少兩組等離子體炬、位于爐體上部的急冷室和位于爐體底部的排渣室，所述冷卻子單元包括冷卻塔、急冷水罐和冷卻循環(huán)泵，其中，所述進(jìn)料子單元與等離子體氣化爐的進(jìn)料口相連，所述氣化劑供給子單元和燃料供給子單元與所述至少兩組等離子體炬相連，所述冷卻子單元與所述等離子體氣化爐的急冷室和收渣室相連，所述等離子體炬還與用于實現(xiàn)冷卻的水源連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述合成氣凈化單元包括依次連接的除塵子單元、co變換子單元、脫硫子單元和透氫膜純化子單元，其中，所述除塵子單元包括旋風(fēng)除塵組件和陶瓷或金屬微孔過濾組件，所述除塵子單元的出口粉塵指標(biāo)控制在1mg/nm3以下。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置，其特征在于，所述co變換子單元采用寬溫耐硫變換工藝將粗合成氣中的co變換成為h2和co2，其中，所述co變換子單元的出口co控制在150mg/nm3以下；所述脫硫子單元采用干法脫硫至少脫除粗合成氣中的h2s氣體，其中，所述脫硫子單元的出口h2s控制在50ppm以下；所述透氫膜純化子單元采用支撐型鈀透氫膜純化法或陶瓷透氫膜純化法分離得到高純氫氣，其中，所得高純氫氣的純度為99.97％以上。

8.一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，其特征在于，包括以下步驟：

a、對生活垃圾進(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾；

b、以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣；

c、對所述粗合成氣進(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，其特征在于，在步驟a中，所述預(yù)處理包括干化處理、分選處理和破碎處理，所述干化處理的能量來源于太陽能，所述分選處理能夠至少篩選去除金屬，所述破碎處理能夠得到粒度＜50mm的預(yù)處理生活垃圾；

在步驟b中，在1000～1600的溫度、0～1.5kpa的壓力下對所述預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理得到高溫粗合成氣并將高溫粗合成氣進(jìn)行急冷洗滌處理得到粗合成氣，所述氣化劑中水蒸汽與氧氣的配比在0.5～10:1之間；

在步驟c中，所述凈化處理包括依次進(jìn)行的除塵處理、co變換處理、脫硫處理和透氫膜純化處理，所得高純氫氣的純度為99.97％以上且其中的粉塵含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s計的總硫含量在4ppb以下。

10.一種利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1至7中任一項所述利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了利用等離子體氣化生活垃圾制備高純氫氣的裝置及方法，裝置包括：垃圾品質(zhì)控制單元，能夠?qū)ι罾M(jìn)行包括干化處理在內(nèi)的預(yù)處理并得到含水率低于40wt％的預(yù)處理生活垃圾；等離子體氣化單元，能夠以富氧空氣或氧氣與水蒸氣作為氣化劑對預(yù)處理生活垃圾進(jìn)行等離子體氣化處理并得到粗合成氣；合成氣凈化單元，能夠?qū)Υ趾铣蓺庵羞M(jìn)行凈化處理后分離得到高純氫氣。方法則采用了上述裝置。本發(fā)明原料適應(yīng)性好、能源回收利用率高，“臨避效應(yīng)”低且焦油含量低，本發(fā)明在垃圾處理的過程中煙氣量低并且不會產(chǎn)生二惡英、飛灰等易對環(huán)境造成二次污染的有毒、有害物質(zhì)，處理垃圾的同時生產(chǎn)附加值高的高純氫氣，能顯著提高垃圾處理項目的收益率。

技術(shù)研發(fā)人員：張搏;張定海;胡洋;楊錦;程虎;毛宇;鐘勇斌;楊娟;張文帥;鄭國慶

受保護的技術(shù)使用者：東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.12.31

技術(shù)公布日：2021.05.28