一种生物质与污泥混合气化制取低氮氧化物含量生物质合成气的方法与流程

本发明涉及固体废弃物处置与资源化领域，更具体地，涉及一种生物质与污泥混合气化制取合成气的工艺技术。

背景技术：

随着国际能源形势的日益紧张，具有储量大、来源广、可再生等优点的生物质的能源化利用越来越受到研究者的重视。在诸多生物质能源化利用方式中，生物质气化领域的研究尤为成熟。生物质气化是指采用农作物秸秆等生物质作为原料，以空气、水蒸气、氧气或二氧化碳等为助剂，在一定的温度、压力条件下发生反应，生成含有甲烷、一氧化碳、氢气等可燃性气体的合成气。近年来，研究者对生物质气化的原料、反应器和反应原料等进行了不断的优化，对相关催化剂的研究也越来越深入，这使得生物质合成气的产率和热值都得到了很大的提高。然而，由于生物质中含有大量的含氮物质(如蛋白质)，因此它在高温的气化过程中难免产生氮氧化物，对人体和环境造成较大的危害。针对这一问题，现有的研究并没有提出很好的解决方案。

除了氮氧化物的污染问题之外，生物质气化的产业化发展还受到一些生物质原料本身特性的制约。生物质原料收集困难，产地十分分散，产量受季节影响也很大，这些特性使得生物质原料的收集、运输和储存成本大大提高，产业的经济效益显著降低。

作为生活污水处理的主要副产物，污泥中含有大量的有机废物，其产量随着生活水平的提高日益增加。传统的填埋、堆肥等污泥处理技术容易造成严重的二次污染，而污泥的热利用技术又受到污泥含水率高、热值低等问题的限制，因此没有得到很好的发展。近年来有研究表明，如果将污泥和生物质混合，它们在较高的温度下会发生一系列的相互作用，从而改变两种物质中的氮元素向氮氧化物的迁移路径。同时由于秸秆等生物质原料一般比较干燥，因此混合后污泥中的水分对热利用的不利影响也将被大大削弱。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种生物质与污泥混合气化制取低氮氧化物含量生物质合成气的方法，解决现有技术中生物质合成气中氮氧化物的含量高，污泥处理领域中污泥的能源化利用困难的问题。

本发明的技术方案是：一种生物质与污泥混合气化制取低氮氧化物含量生物质合成气的方法，包括如下步骤：

(1)预处理：将未处理的污泥和生物质原料分别置于烘箱中，在100-110℃条件下干燥；将干燥后的污泥和生物质物料分别用粉碎机粉碎至60-80目备用；混合物粒径过大不利于原料的充分反应，粒径过小会导致原料容易被载气带走造成损失。

(2)混合：取步骤(1)中制得的生物质物料颗粒和干污泥颗粒，用搅拌机进行充分地混合，得到生物质与污泥的混合颗粒；

(3)气化：将(2)中制得的混合原料颗粒置于气化炉中，以300-400mL/min的氩气或氮气作为载气，并通入载气体积的5％-15％的O₂或CO₂作为助剂；在终温600-800℃、升温速率10-25℃/min、压力0.1Mpa的条件下进行气化反应，制得合成气。更进一步地，理论上任何在该温度下不会发生显著反应的惰性气体都可以作为该方法的载气，但是由于氮气中含有氮元素，采用氮气作为载气在一定程度上存在增加产物中氮氧化物或其前驱体的含量，因此采用氩气作为载气对于氮氧化物的减排效果更好。

所述的生物质物料为以秸秆为主的农林废弃物，污泥为城镇污水处理厂在生活污水处理过程中产生的半固态物质或固态物质。

所述步骤(2)中生物质和污泥的质量比为1:4-4:1，优选为1:3。

所述步骤(3)所述反应温度为700-800℃。在该温度下该方法已经能起到较好的产气效果，过高的产气温度会影响该方法在应用过程中的经济性。

本发明的有益效果是：总体而言，采用本方法将生物质与污泥混合气化制备合成气可以达到以下有益效果：

(1)采用本发明方法制取合成气，相对于生物质单独气化或污泥单独气化，其制气过程中的氮氧化物排放量得到了有效降低。

(2)采用本发明方法制取合成气，丰富了传统的生物质气化制气的原料来源，从成本相对较高的生物质原料角度来看，单位生物质所生成的合成气总能量更高。

(3)本发明方法相对于传统混合气化方法，优化了原料的预处理方式，将污泥进行干化处理，有助于生物质与污泥的充分混合，改善气化效果。

(4)本发明方法过程比较简单，操作方便易行，成本相对低廉，具有非常高的应用价值和发展前景。

采用本发明方法制取合成气，可以有效实现污泥的减量化利用，大幅降低污泥的处理成本以及在处理过程中对环境的二次污染。

附图说明

图1为本发明所述的一种生物质与污泥混合热解工艺的主要流程示意图；

图2为可以实现本发明功能的一种设备流程图，本发明所述的方法可以在包括但不限于图中的设备上完成。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)称取经过预处理后的干化污泥150mg，玉米秸秆50mg，进行充分地混合。

(2)将混合燃料盛放于燃烧舟中，再将燃烧舟置于管式炉恒温段，程序升温，设置从室温以15℃/min的加热速率至800℃，并在800℃保持30分钟。

(3)在整个升温过程中以400mL/min的流量通入二氧化碳与氩气的混合气，其中二氧化碳占体积含量的5％。

(4)用烟气分析仪实时测量产中一氧化氮的含量，并在气化过程结束后将一氧化氮的含量对整个过程进行积分求得一氧化氮的总排放量。

(5)将烟气分析仪分析后的产气用气袋收集，再用GC分析仪对尾气成分进行分析。

(6)将实验测得的实际一氧化氮总排放量与同样条件制得的污泥、生物质单独气化的一氧化氮排放量按质量百分比进行加权求和得到的值进行比较，结果表明，一氧化氮的排放量比生物质和污泥单独气化减少18％。

同时根据GC分析结果，得知产气典型组成成分百分比及产气热值如下表：

实施例2

步骤(1)与实施例1相同。

(2)将混合燃料盛放于燃烧舟中，再将燃烧舟置于管式炉恒温段，程序升温，设置从室温以15℃/min的加热速率至700℃，并在700℃保持30分钟。

(3)在整个升温过程中以400mL/min的流量通入氧气与氩气的混合气，其中氧气占体积含量的5％。

步骤(4)、(5)与实施例1相同。

(6)将实验测得的实际一氧化氮总排放量与同样条件制得的污泥、生物质单独气化的一氧化氮排放量按质量百分比进行加权求和得到的值进行比较，结果表明，一氧化氮的排放量比生物质和污泥单独气化减少13％。

同时根据GC分析结果，得知产气中典型组成成分百分比及产气热值如下表：

实施例3

步骤(1)与实施例1相同。

(2)将混合燃料盛放于燃烧舟中，再将燃烧舟置于管式炉恒温段，程序升温，升温速率有所下降，设置从室温以10℃/min的加热速率至800℃，并在800℃保持30分钟。

(3)在整个升温过程中以400mL/min的流量通入二氧化碳与氩气的混合气，其中二氧化碳占体积含量的5％。

步骤(4)～(5)与实施例1相同

(6)将实验测得的实际一氧化氮总排放量与同样条件制得的污泥、生物质单独气化的一氧化氮排放量按质量百分比进行加权求和得到的值进行比较，结果表明，一氧化氮的排放量比生物质和污泥单独气化减少9％。

同时根据GC分析结果，得知产气中典型组成成分百分比及产气热值如下表：

实施例4

步骤(1)与实施例1相同。

(2)将混合燃料盛放于燃烧舟中，再将燃烧舟置于管式炉恒温段，程序升温，设置从室温以25℃/min的加热速率至650℃，并在650℃保持30分钟。

(3)在整个升温过程中以400mL/min的流量通入氧气与氩气的混合气，其中氧气占体积含量的5％。

步骤(4)、(5)与实施例1相同

(6)将实验测得的实际一氧化氮总排放量与同样条件制得的污泥、生物质单独气化的一氧化氮排放量按质量百分比进行加权求和得到的加权值进行比较，结果表明，一氧化氮的排放量比生物质和污泥单独气化减少11％。

同时根据GC分析结果，得知产气中典型组成成分百分比及产气热值如下表：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围不限于上述的实施案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化和修饰，皆应属本发明的涵盖范围，本申请所要求的保护范围如本申请权利要求书所示。