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CN107245435B - 一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置与方法 - Google Patents

一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种难生化有机固废热解‑生化耦合产甲烷的装置与方法，装置由连续进料装置、中温热解室、高温催化热解室、生物炭储存箱、气液分离及冷却装置、生物产甲烷反应器以及控制系统等组成；将难生化有机固废在中‑高温催化两室热解炉内转化为氢气和一氧化碳为主的热解混合气和生物炭，生物炭经过夹套式冷却外排储存，经过分离冷却后的非冷凝性气和含水溶性有机物的热解水分别通入生物产甲烷反应器，非冷凝性气体在生物产甲烷反应器中转化为富含甲烷气体，热解水为微生物提供营养且提高甲烷产量，从而实现将难生化有机固废转化为甲烷进行高质清洁资源利用。

Description

一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置与方法
技术领域
本发明属于含有有机物质的固体废物能源化技术领域，特别涉及一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置与方法。
背景技术
富含丰富有机质的有机固废进行资源化利用已成为发展趋势。其中以堆肥和厌氧甲烷化为主的生化法路线逐渐成为有机固废资源化重要的主体技术之一，而该技术衍生的以塑料制品和木质素物质为主的难生化的生化筛上物或生化处理后剩余物进一步如何处理处置成为一个重要难题；而目前这种难生化有机固废主要以填埋、焚烧为主要处理处置技术，造成了有机质的资源浪费和环境污染；另外，难生化有机固废特别是这种塑料废弃物和木质素组成的筛上物或生化后的剩余物含有丰富的C和H，是生成甲烷较好的原料，将上述原料转化成甲烷，解决难生化有机固废资源化利用问题，减少环境污染，同时产生高质清洁甲烷气，提高经济效益，对处理有机固废特别是难生化有机固废具有重要的现实意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置与方法，首先将难生化有机固废通过密闭连续进料装置进入中温热解室进行中温热解，将物料转化为挥发性气体和生物炭，生物炭直接从热解炉中温室排入水冷却夹套储存箱，而挥发性气体再直接进入热解炉高温催化室进一步催化裂解为氢气和一氧化碳为主的高温热解混合气，高温热解混合气再通过气液分离及冷却器进行降温性的气液分离，产生的非冷凝性气体和含有水溶性有机物的热解水分别以不同形式进入生物产甲烷反应器，通过微生物作用将热解气的氢气和一氧化碳等气体组分和热解水中水溶性有机物转化为甲烷，从而实现难生化有机固废转化为甲烷进行高质清洁资源化利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置，包括：
连续进料装置1；
进料口与连续进料装置1连接的水平的中温热解室2；
与中温热解室2出料口连接的生物炭储存箱5；
进气口与中温热解室2排气口连接的高温催化热解室3；
依次与高温催化热解室3排气口连接的气液分离装置6和冷却装置7；
以及与冷却装置7排气口、气液分离装置6排液口和冷却装置7排液口连接的生物产甲烷反应器8。
所述连续进料装置1为双向密闭结构，通过变频器调控进料量，垂直设置，电动螺旋进料，垂直向下输送段进行水夹套冷却，防止热气导致干物料内水份逸出，物料成团堵塞进料，也起到了密封作用。所述中温热解室2水平设置，高温催化热解室3垂直设置，增加热解气与催化剂接触度，也减少了占地面积。
所述高温催化热解室3内置装有催化剂的网状袋4，易于置换，也可催化剂高温再生。
所述生物炭储存箱5为水冷却夹套式结构，且与生物炭储存箱5和中温热解室2出料口连接的管道也为水冷却夹套式结构，避免高温生物炭外排自燃，降低生物炭性能。
高温催化热解室3产生的气体进入生物产甲烷反应器8前，通过气液分离装置6和冷却装置7将非冷凝性气和冷凝性气体分离降温到微生物合适的温度，再分别以不同形式通入生物产甲烷反应器8。冷却装置7可以是水冷装置。
本发明还提供了基于所述难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置的产甲烷方法，包括如下步骤：
a.将难生化有机固废物料添加至连续进料装置1，保证连续进料装置1内处于无氧状态，通过竖直螺旋将物料向下输送至中温热解室2前段，再通过水平螺旋向前输送；
b.通过温控仪控制中温热解室2温度在300-600℃，通过控制水平螺旋转速调控物料在中温热解室2内的停留时间为20-40min，中温热解产生的生物炭外排进入生物炭储存箱5，产生的挥发性气体直接进入高温催化热解室3；
c.通过温控仪控制高温催化热解室3温度在700-1000℃，将含有大分子冷凝性气体转化为以非冷凝性气体为主的高温热解混合气体；
d.所述以非冷凝性气体为主的高温热解混合气体依次通过气液分离装置6和冷却装置7，将水蒸汽和小分子有机物冷凝成液态得到富含水溶性有机物的热解水，进入生物产甲烷反应器8，非冷凝性气体通过气体曝气器进入生物产甲烷反应器8；
e.非冷凝性气体在生物产甲烷反应器8中转化为富含甲烷气体，富含水溶性有机物的热解水为微生物提供营养物，提高甲烷产量。
所述难生化有机固废指有机固废生化前的筛上物或生化后的剩余物，有机固废指的是城市垃圾、污水污泥、农林废弃物、工业有机固废中的一种或多种。
所述中温热解室2和高温催化热解室3是热解炉的两个温度室，固体物料在300-600℃的中温热解室2反应，中温热解室2产生的挥发性气体在
700℃以上的高温催化热解室3反应。
所述高温催化热解室3中的催化剂为以易产生氢气的镍基为主体的复合催化剂。
所述非冷凝性气体以氢气和一氧化碳为主。
与现有技术相比，本发明将难生化有机固废通过热处理热解技术与生物法厌氧技术转化为甲烷气和生物炭，探索出了一条难生化有机固废特别是有机固废生化筛上物或生化剩余物进行资源化利用的技术路线，实现难生化有机固废清洁化处置和高质资源化利用，对难生化有机固废物料资源化处置利用具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体技术方法和装置进行详细、完整的描述说明，所描述的具体实施方式仅是本发明的部分事例，而不是全部实例。本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷的装置，包括垂直双向密闭的连续进料装置1，中温热解室2，高温催化热解室3，内置催化剂的网状袋4，水夹套冷却结构的生物炭储存箱5，气液分离装置6，冷却装置7以及生物产甲烷反应器8等。
难生化固废物料首先通过设置为垂直双向电动螺旋的连续进料装置1，并通过变频器调控进入中温热解室2内的进料量实现密闭连续进料目的。然后固体物料在中温热解室2进行无氧热解产生生物炭和以冷凝性气体为主的热解气。生物炭通过水冷却夹套冷却至室温进入储存箱5，而热解气再进入高温催化热解室3进一步转化为氢气和一氧化碳为主的小分子热解混合气。最后产生的高温热解混合气先经过分离与冷却分离降温后分别进入生物产甲烷反应器8，通过生物法将热解气和水溶性有机物转化为甲烷气。
具体的产甲烷方法包括如下步骤：
a.将有机固废物料添加至连续进料装置1，保证中温热解室2内处于无氧状态，通过竖直螺旋将物料向下输送至中温热解室2前段，再通过水平螺旋向前输送，物料在中温热解室2内的停留时间通过变频器调控；
b.步骤a中的物料进入中温热解室2，通过温控仪控制反应器温度在300-600℃，通过控制螺旋转速调控物料在中温热解室内的停留时间为20-40min，中温热解产生的生物炭外排，进入储存箱5，产生的挥发性气体直接进入高温催化热解室3；
c.步骤b中的挥发性气体进入高温催化热解室3，通过温控仪控制温度在700-1000℃，将含有大分子冷凝性气体转化为氢气和一氧化碳等非冷凝性为主的混合气体；
d.从步骤c中产生的以非冷凝性气体为主的高温热解气分别通过气液分离装置6和冷却装置7，将水蒸汽和小分子有机物冷凝成液态；
e.从步骤d中产生的氢气和一氧化碳等非冷凝性气体通过气体曝气器进入生物产甲烷反应器8，转化为富含甲烷气体；同时富含水溶性有机物的热解水也通入生物产甲烷反应器8，为微生物提供营养物，提高甲烷产量。
本发明中，难生化有机固废指的是有机固废生化前的筛上物或生化后的剩余物；有机固废指的是城市垃圾、污水污泥、农林废弃物、工业有机固废中的一种或多种。
以餐厨垃圾生化筛上物或生化剩余物作为物料为例，将塑料废弃物与木质素类物质以>1:7的比例组成的物料添加至连续进料装置1，热解中温室2控制在约500℃，停留时间30min,产率约25％生物炭通过水夹套螺旋装置外送储存；而产生的冷凝性和非冷凝性的混合热解气直接被引入高温催化热解室3，所选催化剂为Ni/分子筛复合催化剂，温度控制在900℃左右，产生混合气中的氢气和一氧化碳分别各占50％和35％以上，混合热解气和热解水通过生物产甲烷反应器8产生以CH4为主体的气体，CH4占60％以上。

Claims (7)

1.一种难生化有机固废热解-生化耦合产甲烷方法，基于的装置包括：
连续进料装置(1)；
进料口与连续进料装置(1)连接的水平的中温热解室(2)；
与中温热解室(2)出料口连接的生物炭储存箱(5)；
进气口与中温热解室(2)排气口连接的高温催化热解室(3)；
依次与高温催化热解室(3)排气口连接的气液分离装置(6)和冷却装置(7)；
以及与冷却装置(7)排气口、气液分离装置(6)排液口和冷却装置(7)排液口连接的生物产甲烷反应器(8)；
其特征在于，包括如下步骤：
a.将难生化有机固废物料添加至连续进料装置(1)，保证连续进料装置(1)内处于无氧状态，通过竖直螺旋将物料向下输送至中温热解室(2)前段，再通过水平螺旋向前输送；
b.通过温控仪控制中温热解室(2)温度在300-600℃，通过控制水平螺旋转速调控物料在中温热解室(2)内的停留时间为20-40min，中温热解产生的生物炭外排进入生物炭储存箱(5)，产生的挥发性气体直接进入高温催化热解室(3)；
c.通过温控仪控制高温催化热解室(3)温度在700-1000℃，将含有大分子冷凝性气体转化为以非冷凝性气体为主的高温热解混合气体；所述中温热解室(2)和高温催化热解室(3)是热解炉的两个温度室，固体物料在中温热解室(2)反应，中温热解室(2)产生的挥发性气体在高温催化热解室(3)反应；
d.所述以非冷凝性气体为主的高温热解混合气体依次通过气液分离装置(6)和冷却装置(7)，将水蒸汽和小分子有机物冷凝成液态得到富含水溶性有机物的热解水，进入生物产甲烷反应器(8)，非冷凝性气体通过气体曝气器进入生物产甲烷反应器(8)；
e.非冷凝性气体在生物产甲烷反应器(8)中转化为富含甲烷气体，富含水溶性有机物的热解水为微生物提供营养物，提高甲烷产量。
2.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述难生化有机固废指有机固废生化前的筛上物或生化后的剩余物，有机固废指的是城市垃圾、污水污泥、农林废弃物、工业有机固废中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述高温催化热解室(3)中的催化剂为以镍基为主体的复合催化剂。
4.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述非冷凝性气体以氢气和一氧化碳为主。
5.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述连续进料装置(1)为双向密闭结构，垂直设置，电动螺旋进料，垂直向下输送段进行水夹套冷却，并通过变频器调控进料量，所述中温热解室(2)水平设置。
6.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述高温催化热解室(3)内置装有催化剂的网状袋(4)。
7.根据权利要求1所述产甲烷方法，其特征在于，所述生物炭储存箱(5)为水冷却夹套式结构，且与生物炭储存箱(5)和中温热解室(2)出料口连接的管道也为水冷却夹套式结构。
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