技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料清潔氣化、功能材料和環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
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近年來隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國污水排放量和處理量呈快速上升趨勢。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的《2015年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》可知，截至2015年年末，我國城市污水處理廠日處理能力達(dá)到13784萬立方米，比上年末增長5.3％；城市污水處理率達(dá)到91.0％，提高0.8個(gè)百分點(diǎn)。作為污水處理過程中的終端產(chǎn)物，近年來污泥產(chǎn)量也在不斷上升，2015年生活污泥產(chǎn)量為3500萬噸，同比增長16％。隨著“十三五”的到來，污泥量還會增加，預(yù)計(jì)到2020年，我國的市政污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬噸-9000萬噸。
與污泥產(chǎn)量連年遞增趨勢相背的是我國污泥有效處理率偏低。作為污水處理的副產(chǎn)物，污泥的成分十分復(fù)雜。污泥中除含有大量的水分外，還含有重金屬、有機(jī)質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)元素以及有機(jī)物等。如果不對污泥進(jìn)行妥善處理，很容易造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)以及危害人體健康。傳統(tǒng)的污泥處理方法主要有衛(wèi)生填埋、農(nóng)田堆肥、海洋傾倒、污泥焚燒等方式，存在占地廣、投資大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。
鑒于傳統(tǒng)污泥處理方法的弊端日益顯現(xiàn)，人們開始研究較新的污泥處理方法，以建立綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)污泥的無害化、減量化、資源化。但現(xiàn)有的技術(shù)雖然有效地抑制了產(chǎn)生二噁英的條件，提高了資源使用效率，實(shí)現(xiàn)污泥的資源與減量化，但是還存在能耗高，氣體焦油含量大，生成氣體熱值低等不足的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，本發(fā)明提出的方法不需要復(fù)雜的提純分離工藝，能耗低，熱值高，焦油含量低，氣體污染物少，操作簡單，氣化后的灰分中還可提取可溶性磷酸鹽，達(dá)到污泥資源高效清潔利用的目的。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法，包括如下步驟：
(1)將氧載體、載氣和含水率為5％～30％的污泥通入污泥反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)鏈氣化反應(yīng)，所述的污泥與氧載體的質(zhì)量比為0.1～1:1，反應(yīng)溫度為850℃～950℃，氧載體反應(yīng)時(shí)間4～15s，得到合成氣、污泥灰和還原態(tài)氧載體；
(2)將步驟(1)中反應(yīng)后得到的合成氣、污泥灰和還原態(tài)氧載體通入一次分離系統(tǒng)，將還原態(tài)氧載體進(jìn)行分離，得到合成氣和污泥灰的混合物，分離溫度為350℃～500℃，分割粒徑為2～4mm；
(3)將步驟(2)中分離后的還原態(tài)氧載體通入氧化反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為900℃～1000℃，反應(yīng)時(shí)間為2～10s，使還原態(tài)氧載體被氧化為未進(jìn)行化學(xué)鏈氣化反應(yīng)前的初始狀態(tài)，再通入污泥反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)鏈氣化反應(yīng)，步驟(2)中得到的合成氣和污泥灰的混合物通入二次分離系統(tǒng)，將合成氣和污泥灰進(jìn)行分離，分離溫度為250℃～300℃，分割粒徑為0.25～1mm；
(4)將經(jīng)過步驟(3)分離后的污泥灰經(jīng)磷回收單元回收污泥中的磷元素，獲得可溶性磷酸鹽，分離出的合成氣用于發(fā)電、費(fèi)托合成或者燃料電池的制作。
化學(xué)鏈氣化反應(yīng)在污泥氣化反應(yīng)器中發(fā)生，其為在不同的載氣氣氛下，氧載體中的晶格氧作為污泥氣化的氣化劑使污泥部分氧化獲得合成氣。氧載體再生反應(yīng)為失去晶格氧的氧載體與空氣反應(yīng)重新獲得晶格氧的反應(yīng)，氧載體再生過程在氧化反應(yīng)器中進(jìn)行，一次分離系統(tǒng)為氧載體與夾帶污泥灰的合成氣分離，分離產(chǎn)物為氧載體與攜帶污泥灰的合成氣，二次分離系統(tǒng)為合成氣與污泥灰的分離，分離產(chǎn)物為合成氣與較輕的污泥灰，磷回收單元用于浸提回收污泥灰中的磷，磷回收單元為中性或弱酸性水浸漬過濾單元，二次分離系統(tǒng)分離下來的污泥灰經(jīng)水浸提結(jié)晶后可獲得可溶性的磷酸鹽。
本發(fā)明提出的污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法的原理是：整個(gè)化學(xué)鏈氣化反應(yīng)系統(tǒng)分為兩步在循環(huán)流化床中完成，首先，通過控制固體氧載體顆粒循環(huán)速率和干化污泥的進(jìn)料量，使污泥在污泥反應(yīng)器內(nèi)被部分氧化成h2和co為主的合成氣，同時(shí)氧載體被還原為低價(jià)的金屬氧化物；接著，還原后的金屬氧載體經(jīng)一次分離系統(tǒng)分離后被輸送至氧化反應(yīng)器，在此反應(yīng)器內(nèi)氧載體重新被氧化為初始狀態(tài)；剩余混合物經(jīng)二次分離系統(tǒng)分離后可獲得以co與h2為主的合成氣，可用于后期的發(fā)電、費(fèi)托合成等工藝；分離下來的污泥灰經(jīng)磷分離單元可獲得溶性磷酸鹽；兩個(gè)過程交替往復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)污泥化學(xué)鏈氣化過程的連續(xù)進(jìn)行。
優(yōu)選，所述的氧載體選自fe2o3、nio、cuo、mno2、co2o3、nife2o4、ceo2、al2o3、sro2、鈣鈦礦和鐵礦石中的一種以上。氧載體的制備方法是采用共沉淀法、浸漬法或有機(jī)合成法制備前驅(qū)體，前驅(qū)體經(jīng)800℃～1000℃煅燒4～6小時(shí)后經(jīng)粉碎篩分，獲得所述的氧載體。
進(jìn)一步的，所述的氧載體選自銅基氧載體、鐵礦石和nife2o4中的一種。銅基氧載體的制備步驟是：cuo、al2o3分析純按質(zhì)量比為7:3機(jī)械混合均勻后，經(jīng)行星成型機(jī)成型、在900℃下煅燒4小時(shí)，粉碎篩分為40-60目顆粒，形成銅基氧載體。
優(yōu)選，所述的載氣為氮?dú)?、惰性氣體、二氧化碳或水蒸氣。
優(yōu)選，污泥經(jīng)過脫水干燥至含水率為5％～30％的污泥，干燥溫度為80℃～110℃。控制污泥的含水率，有益于控制后續(xù)生成合成氣品質(zhì)。
優(yōu)選，所述的污泥與氧載體的質(zhì)量比為0.4～0.5:1。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法的裝置，包括用于污泥和氧載體發(fā)生化學(xué)煉氣化反應(yīng)的污泥反應(yīng)器，所述的污泥反應(yīng)器的第一出口與一次分離系統(tǒng)的第三入口連通，所述的一次分離系統(tǒng)的第三出口與氧化反應(yīng)器的第四入口連通，所述的一次分離系統(tǒng)的第二出口與二次分離系統(tǒng)的第五入口連通，所述的二次分離系統(tǒng)的第五出口與磷回收單元的第六入口連通，所述的二次分離系統(tǒng)上設(shè)置有合成氣出口，所述的氧化反應(yīng)器的第四出口與污泥反應(yīng)器的第一入口連通。
本發(fā)明提出的裝置具有方便操作，易于大規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選，所述的污泥反應(yīng)器上設(shè)置有用于通入污泥和氧載體進(jìn)入污泥反應(yīng)器的第二入口，所述的污泥反應(yīng)器底部還設(shè)置有載氣入口。所述的氧化反應(yīng)器上設(shè)置有空氣進(jìn)入的空氣入口和貧氧空氣出口。
本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明采用化學(xué)鏈氣化的方式將污泥中有機(jī)物定向轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)合成氣，合成氣中h2與co比例可通過不同反應(yīng)氣氛定向調(diào)控，并且氧載體對反應(yīng)產(chǎn)生的焦油具有催化裂解作用，合成氣焦油含量較低，適用于燃?xì)獍l(fā)電、ft合成或燃料電池。
2、該反應(yīng)采用氧載體晶格氧代替分子氧，無需純氧制備，工藝簡單，成本低廉。
3、因化學(xué)鏈反應(yīng)沒有氧分子直接參與，污泥中碳、氮、氯等難以反應(yīng)生成二噁英、nox等污染物，合成氣也不會被空氣稀釋，熱值較高。
4、污泥反應(yīng)器中為弱還原氣氛，污泥灰中礦物質(zhì)不會氧化燒結(jié)，形成玻璃體，并且反應(yīng)中污泥磷元素與水反應(yīng)還可生成水溶性的磷酸一氫鹽或磷酸二氫鹽，此類鹽易被植物吸收是優(yōu)良的農(nóng)業(yè)磷肥，易于浸提與結(jié)晶，后續(xù)處理簡單。
5、相比污泥熱解，污泥化學(xué)鏈氣化可以實(shí)現(xiàn)能量梯級利用，效率更高。因此，該技術(shù)具有適應(yīng)性廣，環(huán)境友好，效益顯著，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明：
圖1是本發(fā)明污泥化學(xué)鏈氣化制取高品質(zhì)合成氣的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖標(biāo)記說明：1、污泥反應(yīng)器；11、第二入口；12、載氣入口；13、第一出口；14、第一入口；2、一次分離系統(tǒng)；21、第三入口；22、第二出口；23、第三出口；3、氧化反應(yīng)器；31、第四入口；32、貧氧空氣出口；33、空氣入口；34、第四出口；4、二次分離系統(tǒng)；41、第五入口；42、合成氣出口；43、第五出口；5、磷回收單元；51、第六入口；52、灰渣排放口；6、第一氣體密封室、7、第二氣體密封室。
具體實(shí)施方式：
以下實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。
除特別說明，本發(fā)明中提到的設(shè)備和材料均為市售。本發(fā)明中一次分離系統(tǒng)和二次分離系統(tǒng)采用lapple型通用旋風(fēng)分離器，根據(jù)實(shí)際分離的物料物性、分割粒徑及處理量來看，該分離系統(tǒng)具有更好的分離效率及原料適用性。
實(shí)施例1：
本實(shí)施例中公開了的污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣的方法，通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
脫水干燥：污泥在80℃的條件下干燥經(jīng)脫水到含水率為5％。
氧載體制備：cuo、al2o3分析純按質(zhì)量比為7:3機(jī)械混合均勻后，經(jīng)行星成型機(jī)成型、在900℃下煅燒4小時(shí)，粉碎篩分為40-60目顆粒，作為污泥化學(xué)鏈氣化的銅基氧載體。
化學(xué)鏈氣化：開啟螺旋進(jìn)料器，干化污泥從第二入口1進(jìn)入污泥反應(yīng)器，進(jìn)料量為1kg/h；將制備好的銅基氧載體經(jīng)污泥和氧載體的第二入口11進(jìn)入污泥反應(yīng)器1中的循環(huán)流化床系統(tǒng)，同時(shí)通過載氣入口12通入載氣，在本實(shí)施例中以n2為載氣，使氧載體在系統(tǒng)中穩(wěn)定循環(huán)，循環(huán)量為120kg/h；設(shè)定污泥反應(yīng)器溫度為850℃，在污泥反應(yīng)器中，污泥與氧載體反應(yīng)生成co、h2為主要成分的合成氣，氧載體被還原為還原態(tài)氧載體，反應(yīng)時(shí)間為10s。
經(jīng)過化學(xué)鏈氣化反應(yīng)后的污泥灰、還原態(tài)氧載體與合成氣混合物經(jīng)污泥反應(yīng)器的第一出口13進(jìn)入到一次分離系統(tǒng)2的第三入口21進(jìn)行分離，一次分離系統(tǒng)2的分離溫度為350℃，分割粒徑為2～4mm，經(jīng)一次分離系統(tǒng)2后的污泥灰與合成氣混合物經(jīng)第二出口22排出，由第五入口41進(jìn)入二次分離系統(tǒng)4進(jìn)一步分離，二次分離系統(tǒng)4溫度為250℃，分割粒徑為0.25～1mm，所獲得合成氣經(jīng)合成氣出口42排出，可用于氣化發(fā)電、ft合成、燃料電池等，剩余的污泥灰經(jīng)第五出口43排出，通過第六入口51進(jìn)入磷回收單元5浸提回收可溶性磷酸鹽后，剩余的灰渣由灰渣排放口52排出。
由一次分離系統(tǒng)2的第三出口23排出的還原態(tài)氧載體，經(jīng)第四入口31進(jìn)入氧化反應(yīng)器3再生，氧化反應(yīng)器溫度為900℃，氧化反應(yīng)時(shí)間為5s，再生后的氧化態(tài)氧載體經(jīng)氧化反應(yīng)器3的第四出口34排出，進(jìn)入污泥反應(yīng)器1的第一入口14循環(huán)反應(yīng)，過程持續(xù)進(jìn)行；新鮮空氣由空氣入口33進(jìn)入氧化反應(yīng)器3，空氣流量為15m3/h，氧化反應(yīng)后的貧氧空氣經(jīng)貧氧空氣出口32排出；在一次分離系統(tǒng)2與氧化反應(yīng)器3、污泥反應(yīng)器1與氧化反應(yīng)器3之間分別設(shè)置有第一氣體密封室6和第二氣體密封室7，防止氣體反竄。
實(shí)施結(jié)果，生成合成氣相對組成(體積分?jǐn)?shù))為h229.81％，co39.22％，co223.83％，ch47.14％。污泥碳的轉(zhuǎn)化率為86.27％。
化學(xué)鏈氣化過程中污泥反應(yīng)器載氣可以由生成合成氣部分回流提供，以提升生成合成氣熱值，所述氧載體可以增加ni基等復(fù)合氧載體，以進(jìn)一步降低合成氣焦油含量，所述反應(yīng)溫度及停留時(shí)間可進(jìn)一步改進(jìn)，以提高污泥轉(zhuǎn)化效率，所述磷回收單元可以采用弱酸性溶劑增加磷的浸出量。
實(shí)施例2：
由于污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣的方法及裝置與實(shí)施例1相同，此處不再贅述，只在表1中列出實(shí)施條件和實(shí)施結(jié)果，如表1所示。
表1基于改性鐵礦石氧載體的污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣實(shí)施條件及結(jié)果
本實(shí)施例中改性鐵礦石的制備方法是：將天然鐵礦石粉碎、篩分后后，等體積浸漬ni(no3)2或coni(no3)2，隨后105℃～280℃干燥6小時(shí)，再經(jīng)900℃煅燒3小時(shí)即得改性鐵礦石。
實(shí)施例3：
由于污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣的方法及裝置與實(shí)施例1相同，此處不再贅述，只在表2中列出實(shí)施條件和實(shí)施結(jié)果，如表2所示。
表2基于nife2o4氧載體的污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣實(shí)施條件及結(jié)果
實(shí)施例1與實(shí)施例2區(qū)別在于所采用的氧載體及反應(yīng)溫度不同，相比實(shí)施例1中的合成銅基氧載體，實(shí)施例2中的改性鐵礦石具有更好的反應(yīng)活性及碳轉(zhuǎn)化效率，獲得的合成熱值也更高；另外提高反應(yīng)溫度有利于污泥化學(xué)鏈氣化過程。實(shí)施例3中采用合成的nife2o4為氧載體，具有更好的碳轉(zhuǎn)化效率及合成氣熱值，但相對而言，成本較高。有以上實(shí)施例可以得出：合成nife2o4氧載體具有最好的反應(yīng)活性，但成本較高；改性鐵礦石成本相對較低，反應(yīng)活性適中，且具有較好的環(huán)保特性，較好地適用于污泥的化學(xué)鏈氣化過程；同時(shí)反應(yīng)溫度提高對化學(xué)鏈氣化過程有利。
本發(fā)明采用化學(xué)鏈氣化的方式將污泥中有機(jī)物定向轉(zhuǎn)化為低成本、高熱值、低焦油含量合成氣，且組分可定向調(diào)控，可用于燃?xì)獍l(fā)電、ft合成或燃料電池；反應(yīng)沒有氧分子直接參與，二噁英類物質(zhì)，nox等污染物生成得到抑制；還可生成水溶性的磷酸一氫鹽或磷酸二氫鹽，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量梯級利用，效率更高。因此，該技術(shù)具有環(huán)境友好，成本低廉，效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。
以上對本發(fā)明提供的污泥化學(xué)鏈氣化定向制取合成氣方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的技術(shù)方案及其核心思想，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。