一种生活垃圾双床水蒸气气化的制氢系统的制作方法

本实用新型属于固废处置领域，特别涉及一种生活垃圾双床水蒸气气化的制氢系统。

背景技术：

为减少在能源使用过程中所产生的污染物对人类环境造成的破坏，人们越来越重视氢能的开发和利用。氢能作为一种较为理想的二次能源，清洁无污染，同时燃烧热值高，储存运输方便，被视为是未来最具发展潜力的能源。

而随着城市化进程的加快，“垃圾围城”的问题日趋突出，如何实现垃圾的资源化无害化处置成为亟待解决的问题。城市生活垃圾有机组分含有大量的碳氧化合物，因而可以看作是一种可再生资源，利用水蒸气气化技术处理城市生活垃圾不仅能对垃圾进行减量化，而且还能生产富氢合成气，回收氢能源。然而水蒸气气化过程需要吸收大量的热量，实现稳定可持续的运作需要与燃烧供热系统进行充分耦合。

另一方面，在煤电去产能的大背景下，电厂设备利用率低，超过20GW的过时火力发电厂将被淘汰。利用现役煤电机组及其成熟的烟气处理系统来焚烧垃圾，可提供垃圾水蒸气气化所需热量，同时节省设备投资。然而生活垃圾水分高，热值低，几何尺寸大，其物性参数与煤粉差异过大，无法直接应用于燃烧系统。而垃圾经气化过程的产物焦炭机械强度较小，经过破碎其物性参数更接近于煤，可以替代煤粉在燃烧锅炉焚烧。

技术实现要素：

本实用新型的目的是实现生活垃圾持续稳定的水蒸气气化，将气化后的垃圾焦炭送入燃烧炉进行充分燃烧以提供水蒸气气化所需的大量热量，实现将垃圾转化成富氢合成气的功能。

为此，本实用新型的技术方案是：一种生活垃圾双床水蒸气气化的制氢系统，其特征在于：包括

用于将垃圾焦炭充分氧化燃烧，产生热沙与热烟气，给气化供热的循环流化床燃烧系统；

用于将生活垃圾转化为焦炭及富氢合成气的固定床垃圾气化系统；

用于将合成气冷却净化，分离出焦油杂质并得到高品质富氢合成气的合成气处理系统；

所述的循环流化床燃烧系统包括流化床燃烧炉、燃烧炉出口旋风分离器、回料腿、燃烧炉螺旋给料机及余热锅炉；流化床燃烧炉顶部与燃烧炉出口旋风分离器连接相通，燃烧炉出口旋风分离器与余热锅炉相连接；流化床燃烧炉的炉膛右壁面下部与回料腿相连接，流化床燃烧炉底部设有下渣口；

所述的固定床垃圾气化系统包括固定床气化炉、气化炉出口旋风分离器、焦炭破碎机及气化炉螺旋给料机；在固定床气化炉的炉膛右壁面上部设有垃圾给料口，与气化炉螺旋给料机连接；左壁面上部与燃烧炉出口旋风分离器连接，左壁面下部的焦炭出料口与焦炭破碎机连接；气化炉底部设有气化剂入口，炉膛顶部与气化炉出口旋风分离器连接相通。

优选地，所述的合成气处理系统包括电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器；固定床气化炉产生的合成气经气化炉出口旋风分离器气固分离后，依次通过电子除油器，换热器、CO2吸附塔及脱水塔，得到纯度较高的合成气。

优选地，所述的循环流化床燃烧系统，采用双压级余热锅炉，部分热量用于生产低压饱和蒸汽，作为水蒸气气化剂通入气化炉，其余热量用于生产过热蒸汽通入汽轮机做功发电。

优选地，所述的固定床垃圾气化系统，垃圾从气化炉螺旋给料机给料进入固定床气化炉。

优选地，所述的固定床垃圾气化系统，从气化炉出料的垃圾焦炭经过焦炭破碎机后，粒径变小，机械强度降低，物性参数更适合燃煤锅炉；经破碎后送入流化床燃烧炉的垃圾焦炭粒径小于30mm。

优选地，所述的合成气处理系统，空气从风机获得动力，并在换热器处，与从电子除油器排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气及气化剂分别通入燃烧炉和气化炉，同时通过流量控制阀门控制其流量。

本实用新型工作时，包括以下步骤：

步骤1)：生活垃圾经过破碎干燥等预处理后，送入气化炉的垃圾含水率小于20％，预处理后的生活垃圾通过气化炉螺旋给料机从气化炉右壁面上方进料后，与携热床料在气化炉底部混合传热，发生脱挥发分及气化还原反应，并在水蒸汽的氛围下发生水蒸气重整反应。

步骤2)：气化产生的以H2、CO2、CO、H2O及CH4为主的粗合成气则进入气化炉旋风分离器，分离出灰渣后进入合成气处理系统，气化炉出口的粗合成气温度约在600℃～800℃。

步骤3)：气化产生的垃圾焦炭排入焦炭破碎机，破碎后经过回料腿进入流化床燃烧炉，在流化气的氧化作用下发生燃烧反应，固定碳被转化，燃烧产生的炉渣从流化床燃烧炉下渣口排出，产生的烟气夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器落入气化炉，烟气则进入双压级余热锅炉；流化床燃烧炉出口烟气温度达到890℃；落入气化炉的携热床料温度达到850℃。

步骤4)：从气化炉旋风分离器出来的粗合成气先经过电子除油器去除焦油，再经过换热器，与从风机鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔去除水分得到品质较高的富氢合成气，从电子除油器获得的焦油，输送至气化炉进料口，进入气化炉进行二次裂解气化。。

相比现有的垃圾处置技术，本实用新型具有以下优势：

(1)本实用新型将垃圾在还原性条件下进行气化，并通过水蒸气与焦油、焦炭发生的蒸汽重整反应，同时提升产气率和产气品质，得到富氢合成气实现垃圾制氢功能。

(2)本实用新型在淘汰的中小燃烧电厂的基础上展开新的发电技改试点，充分利用现役煤电机组设备及烟气处理系统，以此为基础只需耦合普通的固定床气化炉，减少了大量的资金投入。

(3)本实用新型循环流化床燃烧和固定床气化过程的双床设计，以床料为热载体,在两炉膛之间循环，解决了固定床垃圾水蒸气气化吸热反应的热源输入问题以及单床气化焦炭的再利用问题，同时通过控制床料循环量,达到了准确控制气化炉内温度的目的，保证了系统的持续稳定运行。

(4)本实用新型将环境治理与能源革命相结合，规模化处置生活垃圾，实现了垃圾的稳定高效气化，大幅减少了垃圾直接焚烧带来的二次环境污染。

附图说明：

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图中标记为：1.流化床燃烧炉、2.固定床气化炉、3.燃烧炉出口旋风分离器、4.回料腿、5.焦炭破碎机、6.气化炉出口旋风分离器、7.电子除油器、8.CO2吸附塔、9.脱水塔、10.换热器、11.流量控制阀门、12.送风机、13.返料器、14.余热锅炉、15.气化炉螺旋给料机a.垃圾、b.水蒸气、c.焦炭、d.富氢合成气、e.焦油、f.蒸汽、g.烟气、h.气化剂、i.流化床炉渣、j.灰渣、k.流化气。

具体实施方式：

参见附图。本实施例公开的一种生活垃圾双床水蒸气气化的制氢系统，包括循环流化床燃烧系统、固定床垃圾气化系统及合成气处理系统。其中，燃烧系统设计基于功率135MW的HG-480/13.7L.MG31型循环流化床锅炉，气化系统设计基于固定床实验数据。

所述的循环流化床燃烧系统包括：流化床燃烧炉1、燃烧炉出口旋风分离器3、回料腿4及余热锅炉14。流化床燃烧炉1的炉膛右壁面下部与回料腿4连接；流化床燃烧炉1底部设有下渣口，流化气k通过下渣口正上方的布风板从底部通入炉膛；流化床燃烧炉1顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器3连接相通，燃烧炉出口旋风分离器3出口与余热锅炉14连接。

所述的固定床垃圾气化系统包括：固定床气化炉2、气化炉出口旋风分离器6、焦炭破碎机5及气化炉螺旋给料机15；在固定床气化炉2的炉膛右壁面上部设有垃圾给料口，与气化炉螺旋给料机15连接；左壁面上部与燃烧炉出口旋风分离器3连接，左壁面下部的焦炭出料口与焦炭破碎机5连接；气化炉底部设有气化剂h入口，炉膛顶部的出口与气化炉出口旋风分离器6连接相通。

垃圾a从气化炉螺旋给料机15给料进入固定床气化炉2；从气化炉出料的垃圾焦炭c经过焦炭破碎机5破碎后，粒径变小，机械强度降低，物性参数更适合燃煤锅炉；经破碎后送入流化床的垃圾焦炭c粒径小于30mm。

所述的合成气处理系统包括：电子除油器7、CO2吸附塔8、脱水塔9及换热器10。空气从风机12获得动力，并在换热器10处，与从电子除油器7排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气k及气化剂h分别通入流化床燃烧炉1和固定床气化炉2，同时通过流量控制阀门11控制其流量。

具体操作包括以下步骤：

步骤1)：温度约为200℃的预热空气通过流化床燃烧炉1底部的布风板通入流化床燃烧炉1，同时炉膛内覆有粒径≤1mm的床料砂。经助燃油点火后助燃煤在流化气k的氧化作用下发生燃烧反应，燃烧产生的烟气g夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器3，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器13落入固定床气化炉2，烟气g则进入双压级余热锅炉14。

步骤2)：烟气在余热锅炉内进行对流换热，部分热量用于生产低压饱和蒸汽，水蒸气b通入固定床气化炉2，其余热量用于生产过热蒸汽f通入汽轮机做功发电。

步骤3)：燃烧炉设计床温为890℃，实际运行床温维持在800℃～920℃左右，炉膛出口烟气温度设计温度达到890℃。旋风分离器采用保温、耐火及耐磨的材料，以减小热损，使落入固定床气化炉2的携热床料颗粒温度达到850℃左右。增加床料量，提高物料的循环量，可降低床温；增大排渣量，床压下降，物料量减少，可使床温升高。

步骤4)：预处理后(原生垃圾筛分磁选后破碎)的生活垃圾a通过气化炉螺旋给料机15从固定床气化炉2右壁面上方的给料口进入固定床气化炉2。空气作为气化剂h从固定床气化炉2底部通入，垃圾a与携热床料在固定床气化炉2内混合传热，发生脱挥发分反应及气化还原反应，并在水蒸汽的氛围下发生水蒸气重整反应。送入气化炉的垃圾原料含水率小于20％。

步骤5)：气化产生的垃圾焦炭c排入破碎机5，破碎后经过回料腿4进入流化床燃烧炉1充分燃烧。经破碎后送入流化床的垃圾焦炭c粒径小于30mm。气化产生的以H2、CO2、CO、H2O及CH4为主的粗合成气则进入气化炉旋风分离器6，分离出灰渣j后进入合成气处理系统。

步骤6)：从气化炉旋风分离器6出来的粗合成气先经过电子除油器7去除焦油e，再经过换热器10，与从风机12鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔8，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔9去除水分得到品质较高的富氢合成气d。从风机12鼓出的空气预热升温至约200℃，经过流量控制阀门11调控分配后，一部分作为流化气k通入流化床燃烧炉1，另一部分作为空气气化剂h通入固定床气化炉2。

步骤7)：通过控制落入固定床气化炉2的床料量与垃圾a的给料量比例来调控固定床气化炉2的温度，使固定床气化炉2床温及出口合成气温度控制在600℃～800℃。表1为基于实验室固定床管式炉装置，在保持空气当量比ER＝0.3、蒸汽-碳比(S/C)＝1.5的气化氛围条件下，对不同温度下垃圾水蒸气气化的产物特性进行分析，可为本实用新型设计气化炉床温控制提供参考。

表1：不同气化温度下的气化产物分布及特性。