一种垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法和系统与流程

本发明总的涉及一种垃圾热解的技术，具体涉及一种垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的的方法和系统。

背景技术：

垃圾处理问题目前已经成为我国继能源危机、水污染治理、工业废物处理后所面临的又一项严峻的环境问题。目前我国城市生活垃圾年产生量约2.5亿吨，城市周边累积堆存垃圾已达70亿吨，占地约80多万亩，661个城市中约有2/3的城市被垃圾包围，每年经济损失高达300亿元人民币。

生活垃圾常用的处理方式有填埋、焚烧和堆肥，其中填埋、堆肥已陷入占用大量用地、产品销路不畅，资源化水平低的的困境，而焚烧虽然能达到减容减量和资源化利用的目的，其处理却始终无法摆脱二噁英污染的问题。垃圾热解处理是目前公认的相对于垃圾焚烧更好的处理方式，不仅能够清洁实现垃圾的减量化处理，环境友好性强，而且可获得价值更高的油、气和固体炭，从原理上避免了二噁英的生成，同时大部分的重金属在热解过程中融入灰渣，减少了排放量。

等离子气化技术是利用等离子体火炬对物料进行加热，局部温度可到5500℃左右，并能使反应室的温度维持在1000℃以上，能迅速分解热解油、二噁英等物质，并产生大量CO、H₂等合成气。具有二次污染小、能源回收利用率高等特点。

然而现有技术存在多种缺陷。例如，一些垃圾回转窑热解工艺，其焦油产量较多，容易堵塞管道、腐蚀设备等，经常停车检修，并且后端需要复杂的油水分离及净化装置，导致投资大大增加。一些垃圾竖炉等离子气化技术，直接用等离子火炬对垃圾进行气化，在处理大规模垃圾时，该工艺的功率极大、耗电率非常高，因此导致运行成本增大，难以实现工业化应用。还有一些垃圾处理工艺在一个炉子中实现垃圾热解气化，虽然会生成大量合成气，但同时也把灰渣进行了熔融处理，而灰渣中大部分物质为无机物，在气化过程中浪费了大量能量，系统的热利用率较低，运行成本较高，因此不具备商业运行价值。

着眼于当今的一大潜在能源——氢气，由于其具有能量密度高，其完全燃烧只产生水，所以对环境没有任何污染，且燃烧不产生二氧化碳，这对于解决全球气候变化问题具有非常重要的意义，被认为是最具潜力的车用替代燃料，氢气对改变未来能源格局具有至关重要的意义。

有专家指出，氢气如果以压缩气态存储于车内作为发动机的燃料，其效率将比汽油高出25％。以氢气为燃料的电动汽车较之传统汽油机车，其效率有显著的提高。与传统汽油机车相比，在将化学能转化成动力上具有更高的效率。传统汽油机车中燃料燃烧后产生热并对气体做功，推动活塞和曲轴转动。而燃料电池汽车则将储存在氢气中的化石能源直接转化成电能，再由电动马达驱动车辆行驶，这是一种更直接的电化学过程，因而较之传统内燃机车具有更高的能量转换效率，而且副产物只有水。由于以氢气为燃料的电动汽车中没有活塞以及曲轴，大量精简了传动系统的零部件，因而系统能量损耗被降到了最低。

尽管氢气确实具有许多化石燃料无法比拟的优势。但目前最大的困难就是氢气的制备。现阶段最主流、成本最低的方法是天然气重整制氢，美国95％的氢气通过此法制得。本质上来说，天然气作为制氢的原料，在反应过程中必然伴随着碳氧化物的产生，这就使得氢气作为车用燃料零排放的口号遭到质疑。尽管氢气在使用过程中确实只产生水，但氢气的制备却不得不面临环境污染的问题。

针对现有技术存在的不足，结合本发明的垃圾处理问题及上述氢气能源的制备问题，如何能够环保、节约、能源重复利用地处理垃圾，成为本发明要拓展的一个方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法和系统，以同时解决垃圾处理技术存在的缺陷及氢气能源的制备问题。

本发明提供了一种垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，包括以下步骤：

步骤1：将垃圾送入蓄热式旋转床内进行干燥及热解处理，得到热解水、热解油气混合物和热解炭；

步骤2：将热解油气混合物通入等离子气化反应室，得到合成气；

步骤3：将合成气通入净化装置进行净化处理，得到纯净的CO、H₂合成气；

步骤4：将纯净的合成气通入变压吸附装置，制备H₂燃料。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区；干燥区蓄热式辐射管温度为400℃-600℃；热解区蓄热式辐射管温度为700℃-1000℃。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，由蓄热式旋转床干燥区产生的所述热解水为所述热解炭的熄焦用水。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，在步骤1之前包括以下步骤：将垃圾进行分选、破碎预处理。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，所述等离子气化反应室的侧壁有至少2个等离子体火炬；等离子气化反应室的温度为1200℃-1500℃。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，变压吸附装置中的剩余气体送入蓄热式辐射管中作为燃料气使用；变压吸附装置进气压力为0.4-3.5MPa。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，所述热解油气混合物直接通入所述等离子气化反应室。

本发明还提供一种实现上述垃圾热解等离子气化制备氢气燃料方法的系统，包括：

蓄热式旋转床包括环形炉腔的壳体和环形炉底，蓄热式辐射管设置在所述壳体的内周壁上，原料入口、热解水出口、热解油气混合物出口、热解炭出口设置在所述壳体上；

等离子气化反应室包括热解油气混合物入口、合成气出口，所述热解油气混合物入口与所述热解油气混合物出口相连；

净化装置包括合成气入口、净化合成气出口，所述合成气入口与所述合成气出口相连；

变压吸附装置包括净化合成气入口、氢气出口和剩余气体出口，所述净化合成气入口与所述净化合成气出口相连，所述剩余气体出口与蓄热式辐射管的可燃气入口相连；

熄焦装置包括热解炭入口、灰渣出口、热解水入口，其中，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连，所述热解水入口与所述热解水出口相连。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统，所述系统还包括分选装置和破碎装置，其中，分选装置包括分选垃圾入口、分选垃圾出口；破碎装置包括破碎垃圾入口、破碎垃圾出口；所述破碎垃圾入口与所述分选垃圾出口相连，所述破碎垃圾出口与所述原料入口相连。

上述的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统，所述热解水出口布置于所述壳体的侧壁；所述热解油气混合物出口布置于所述壳体的顶部；所述等离子气化反应室布置在所述热解油气混合物出口上端。

本发明的有益效果在于，通过采用本发明上述实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用等离子气化反应室对热解油气混合物进行气化，获得的合成气产率高、热值高，经过变压吸附后可获得高产率高热值的氢气燃料，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”，其运行成本低，焦油产率极低，不发生管道堵塞，工艺经济性好，易于实现工业化和规模化。

附图说明

图1为本发明实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料流程框图；

图2为本发明实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明提出了垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法。下面参考附图详细描述本发明实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法。

根据本发明具体实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法包括：将垃圾进行分选、破碎等预处理，以便分选出金属、渣土等无机物；将经过预处理后的垃圾送入蓄热式旋转床内进行干燥及热解处理，以便得到热解水、热解油气混合物和热解炭；将热解油气混合物通入等离子气化反应室，以便得到CO、H2等合成气；以及将合成气通入变压吸附装置，以便提纯制备H2燃料，同时剩余气体送入蓄热式辐射管中作为燃料气使用。

通过采用本发明上述实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法，首先将垃圾进行预处理；然后采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用等离子气化反应室对热解油气混合物进行气化；干燥出的水分可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，经过变压吸附后可获得高产率高热值的氢气燃料，剩余气体可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”，其运行成本低，焦油产率极低，不发生管道堵塞，工艺经济性好，易于实现工业化和规模化。

下面参考图1详细描述本发明具体实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法。

根据本发明的具体实施例，所述蓄热式旋转床分为干燥区和热解区。

优选地，干燥区蓄热式辐射管温度为400℃-600℃，根据垃圾原料含水率的不同，选择干燥区蓄热式辐射管的温度。

优选地，热解区蓄热式辐射管温度为700℃-1000℃，根据垃圾原料组分的不同，选择热解区蓄热式辐射管的温度。

根据本发明的具体实施例，所述热解水由蓄热式旋转床干燥区产生，可直接作为热解炭的熄焦用水。发明人发现，垃圾原料在开始受热至料温升至150℃时，主要是蒸出垃圾原料中的水分，如果这部分水随蓄热式旋转床进入等离子气化反应室，会大大增加系统能耗，导致运行成本增加，因此在蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁设置有热解水出口，有效地解决了这一问题。

根据本发明的具体实施例，所述热解油气混合物由蓄热式旋转床热解区产生，不经处理直接通入等离子气化反应室，以便得到所述合成气。发明人还发现，热解油气混合物直接进行等离子气化，热利用率高、运行成本较低。

根据本发明的具体实施例，所述等离子气化反应室侧壁安装有2个以上的等离子体火炬。

优选地，等离子气化反应室的温度为1200℃-1500℃。由于所述等离子气化反应室只对所述热解油气混合物进行气化，而不是直接对垃圾原料进行气化，因此需要设置的等离子体火炬数量少，处理效率高，运行成本低。

根据本发明的具体实施例，将所述合成气通入净化装置进行净化处理，以便去除合成气中的硫化氢、氯化氢等杂质。发明人发现，由于所述等离子气化反应室温度较高，超过1000℃，而所述蓄热式旋转床产生的热解油、烃类气体含量极少，在所述等离子反应室内会瞬间气化，生成大量CO、H₂等合成气。

如何利用合成气制备氢气是另一个关键技术。

变压吸附(Pressure Swing Adsorption.简称PSA)，是一种新型气体吸附分离技术，它有如下优点:⑴产品纯度高。⑵一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。⑶设备简单，操作、维护简便。⑷连续循环操作，可完全达到自动化。因此，当这种新技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速，并日益成熟。

利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附的操作方法。吸附是放热过程，脱附是吸热过程，但只要吸附质浓度不大，吸附热和脱附热都不大，因此变压吸附仍可视作等温过程。变压吸附一般是常温操作，不须供热,故循环周期短,易于实现自动化，对大型化气体分离生产过程尤为适用。

本发明基于上述变压吸附理论，在系统中设计了变压吸附装置，利用所述变压吸附装置提纯分离氢气，可获得高产率高热值的氢气燃料。

根据本发明的具体实施例，将所述变压吸附装置分离提纯后的剩余气体通入蓄热式辐射管内进行燃烧，以便给蓄热式旋转床干燥及热解处理提供热量。发明人还发现，所属剩余气体中含有较多CO等可燃气，而所述蓄热式辐射管又需要为原料热解提供热量，因此可以将所述剩余气体用于蓄热式辐射管燃烧供热，降低工艺运行成本，减少污染物排放。

根据本发明的技术方案，本发明还提出了垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统。下面参考图2详细描述本发明具体实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统。

根据本发明的具体实施例，垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统包括：

分选装置1、破碎装置2、蓄热式旋转床3、等离子气化反应室4、净化装置5、变压吸附装置6、熄焦装置7。

分选装置1，所述分选装置具有分选垃圾入口、分选垃圾出口，所述分选装置包括磁选、筛分等设备，以便分选出金属、渣土等无机物。

破碎装置2，所述破碎装置具破碎垃圾入口、破碎垃圾出口，所述破碎垃圾入口与所述分选垃圾出口相连，以便得到平均粒径小于100mm的垃圾原料。

当然，上述分选装置和破碎装置根据实际情况而定，如果处理的垃圾已达到合适的粒径或已被分类，可省略这些装置。

蓄热式旋转床3，利用蓄热式旋转床3对所述垃圾原料进行干燥、热解处理，以便得到热解水、热解油气混合物、热解炭.

所述蓄热式旋转床3具有原料入口、热解水出口、热解油气混合物出口、热解炭出口，所述原料入口与所述破碎垃圾出口相连，具体包括：

壳体，所述壳体形成环状炉腔，炉膛操作条件为微正压；

环形炉底，物料布在环形炉底上，呈连续转动状态；

蓄热式辐射管，多个所述蓄热式辐射管设置在所述壳体的内周壁上，所述蓄热式辐射管具有可燃气入口、助燃空气入口、烟气出口，以便对垃圾物料进行绝氧加热。

等离子气化反应室4，利用等离子火炬的高温气化作用，使热解油、烃类气体等发生气化、重组，以便得到CO、H2等合成气。

所述等离子气化反应室具有热解油气混合物入口、合成气出口，所述热解油气混合物入口与所述热解油气混合物出口相连。

净化装置5，所述净化装置具有合成气入口、净化合成气出口，所述合成气入口与所述合成气出口相连，以便去除合成气中硫化氢、氯化氢等杂质。

变压吸附装置6，所述变压吸附装置具有净化合成气入口、氢气出口和剩余气体出口，所述净化合成气入口与所述净化合成气出口相连，所述剩余气体出口与所述蓄热式辐射管可燃气入口相连，以便分离出氢气燃料。

熄焦装置7，所述熄焦装置具有热解炭入口、灰渣出口、热解水入口，以便将热解炭冷却。

通过采用本发明上述实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统，可首先将垃圾送入分选装置1内进行分选处理。其次将分选后的垃圾输送至破碎装置2内进行破碎处理，得到平均粒径小于100mm垃圾原料。然后将垃圾原料布入蓄热式旋转床3内进行热解反应，生成热解水、热解油气混合物和热解炭。其中，热解水通入熄焦装置7中对热解炭进行熄焦处理，热解油气混合物进入等离子气化反应室4发生气化反应，得到的CO、H₂等合成气。合成气通过净化装置5净化后送入变压吸附装置6中制备氢气燃料，剩余气体通入蓄热式辐射管内作为燃料气使用。

整个系统减少了焦油的产生，实现了垃圾热解、等离子气化和变压吸附技术的高效结合，不仅降低运行成本，还提高了氢气燃料的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英、二次污染小，利于垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的工业化应用。

根据本发明的具体实施例，所述蓄热式旋转床3热解水出口布置于所述干燥区末端、炉膛侧壁，以便在热解水刚产生时就进行收集，降低系统能耗。

所述蓄热式旋转床3热解油气混合物出口布置于所述热解区末端、炉膛顶部，以便得到高品质的热解油气混合物。

根据本发明的具体实施例，所述等离子气化反应室4垂直布置在蓄热式旋转床3热解油气混合物出口上端，热解油气混合物不经冷却直接通入等离子化反应室4内，以便制备合成气。

根据本发明上述实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的系统中的各装置的有益效果均在上述实施例的垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的方法中有所体现，在此不再赘述。

综上所述，本发明通过将垃圾资源化利用转换为氢气能源，解决了现有垃圾处理技术存在的缺陷问题，为氢气制备技术增加了一条新的途径，创造了较高的经济兼环保价值，而且系统本身实现了一系列的能源循环再利用，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”生产。

实施例1

利用垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统对某小区的垃圾进行处理，该垃圾的含水率为38％，其各组分百分含量如表1所示，其中，垃圾热解等离子气化制备氢气燃料的结构示意图如图2所述，工艺流程如图1所示，具体处理流程如下：

表1垃圾各组分百分含量(％)

将含水率38％的垃圾送入分选装置，去除玻璃、金属等无机物，再进入破碎设备，得到平均粒径小于100mm的垃圾原料。将垃圾原料送入蓄热式旋转床，在干燥区蓄热式辐射管的温度为450℃，热解区蓄热式辐射管的温度为850℃。垃圾在旋转床中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁流出，进入熄焦装置中，热解油气混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1200℃。将等离子气化反应室产生的合成气进行净化处理，以便得到纯净的CO、H₂等合成气。最后将合成气通入变压吸附装置，变压吸附装置进气压力为0.4Mpa，提纯制备H₂燃料，同时将剩余气体送入蓄热式辐射管中作为燃料气使用。热解产生的热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对垃圾进行热解等离子气化以制备氢气燃料，最终制得的合成气产率为30％，热解炭的产率为35％，热解水的产率为35％。其中，氢气的产率为17％，提纯回收率为96.8％。

实施例2

利用垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统对某城市的垃圾进行处理，该垃圾的含水率为30％，其各组分百分含量如表2所示，其中，垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统的结构示意图如图2所述，工艺流程如图1所示，具体处理流程如下：

表2垃圾各组分百分含量(％)

将含水率30％的垃圾送入分选装置，去除玻璃、金属等无机物，再进入破碎设备，得到粒径小于100mm的垃圾原料。将垃圾原料送入蓄热式旋转床，在干燥区蓄热式辐射管的温度为600℃，热解区蓄热式辐射管的温度为1000℃。垃圾在旋转床中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁流出，进入熄焦装置中，热解油气混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1300℃。将等离子气化反应室产生的合成气进行净化处理，以便得到纯净的CO、H₂等合成气。最后将合成气通入变压吸附装置，变压吸附装置进气压力为2.6Mpa，提纯制备H₂燃料，同时将剩余气体送入蓄热式辐射管中作为燃料气使用。热解产生的热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对垃圾进行热解等离子气化以制备氢气燃料，最终制得的合成气产率为36％，热解炭的产率为32％，热解水的产率为32％。其中，氢气的产率为20％，提纯回收率为98.5％。

实施例3

利用垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统对某城市的垃圾进行处理，该垃圾的含水率为40％，其各组分百分含量如表2所示，其中，垃圾热解等离子气化制备氢气燃料系统的结构示意图如图2所述，工艺流程如图1所示，具体处理流程如下：

表2垃圾各组分百分含量(％)

将含水率40％的垃圾送入分选装置，去除玻璃、金属等无机物，再进入破碎设备，得到粒径小于100mm的垃圾原料。将垃圾原料送入蓄热式旋转床，在干燥区蓄热式辐射管的温度为400℃，热解区蓄热式辐射管的温度为700℃。垃圾在旋转床中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁流出，进入熄焦装置中，热解油气混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1500℃。将等离子气化反应室产生的合成气进行净化处理，以便得到纯净的CO、H₂等合成气。最后将合成气通入变压吸附装置，变压吸附装置进气压力为3.5Mpa，提纯制备H₂燃料，同时将剩余气体送入蓄热式辐射管中作为燃料气使用。热解产生的热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对垃圾进行热解等离子气化以制备氢气燃料，最终制得的合成气产率为38％，热解炭的产率为31％，热解水的产率为31％。其中，氢气的产率为21％，提纯回收率为98.2％。

由上述实施例均可看出，本发明整个系统减少了焦油的产生，实现了垃圾热解和等离子气化、变压吸附的高效结合，把垃圾资源化利用，使之转化为氢气能源输出，不仅降低了运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英且二次污染小。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。