一种化学链处理污泥制合成气及高纯H2同时回收磷的方法及装置

技术领域：

本发明属于燃料清洁气化、功能材料和环境保护技术领域，具体涉及一种化学链处理污泥制合成气及高纯H

背景技术：

与污泥产量连年递增趋势相背的是我国污泥有效处理率偏低。作为污水处理的副产物，污泥的成分十分复杂。污泥中除含有大量的水分外，还含有重金属、有机质、氮磷等营养元素以及有机物等。如果不对污泥进行妥善处理，很容易造成环境污染、资源浪费以及危害人体健康。传统的污泥处理方法主要有卫生填埋、农田堆肥、海洋倾倒、污泥焚烧等方式，存在占地广、投资大、环境污染严重等缺点。

鉴于传统污泥处理方法的弊端日益显现，人们开始研究较新的污泥处理方法，以建立绿色循环经济、实现污泥的无害化、减量化、资源化。但现有的技术虽然有效地抑制了产生二噁英的条件，提高了资源使用效率，实现污泥的资源与减量化，但是还存在能耗高，气体焦油含量大，生成气体热值低等不足的问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种化学链处理污泥制合成气及高纯H

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种化学链处理污泥制合成气及高纯H

(1)将氧载体、载气和含水率为5％～30％的污泥通入污泥反应器进行化学链反应得到合成气、污泥灰和还原态氧载体，所述的污泥与氧载体的质量比为0.1～1:1，反应温度为 850℃～950℃，氧载体反应时间4～15s；

(2)将步骤(1)中反应后得到的合成气、污泥灰和还原态氧载体通入第一分离系统，将还原态氧载体进行分离，得到合成气和污泥灰的混合物，分离温度为350℃～500℃，分割粒径为2～4mm；合成气和污泥灰的混合物通入第二分离系统，将合成气和污泥灰进行分离，分离温度为250℃～300℃，分割粒径为0.25～1mm，分离后的污泥灰经磷回收单元回收污泥灰中的磷元素，分离后的合成气用于发电、费托合成或者燃料电池的燃料；

(3)将步骤(2)分离后的还原态氧载体输入到制氢反应器，通入氧化剂，使还原态氧载体被氧化恢复部分晶格氧同时生成H

(4)将步骤(3)中分离得到的部分氧化态氧载体和剩余的还原态氧载体通入氧化反应器，反应温度为900℃～1000℃，反应时间为2～10s，使剩余的还原态氧载体被氧化恢复到反应前的初始状态，再通入污泥反应器进行化学链反应，使反应循环持续进行。

还原态氧载体经第四分离系统分离后再通入污泥反应器进行化学链反应，使反应循环持续进行。第一分离系统、第二分离系统、第三分离系统和第四分离系统均为旋风分离器。

污泥化学链气化反应在污泥反应器中发生，其采用氧载体中的晶格氧作为污泥气化的气化剂使污泥部分氧化获得合成气，无需特定气化剂制备，生成合成气产物也不存在惰性气体稀释问题，污泥化学链气化后产生的灰分磷元素存在形式与传统燃烧等方式不同，其磷元素多以可溶性的磷酸二氢盐存在。因此，要回收污泥化学链气化反应后的磷元素只需通过中性或弱酸性水简单溶解结晶即可回收，无需复杂的磷回收工艺。此外，污泥化学链气化后氧载体变为还原态氧载体，还原态氧载体在制氢反应器可以与水蒸气反应生成H

本发明提出的污泥化学链气化制备合成气、高纯H

优选地，所述的氧载体选自Fe

进一步优选，所述的氧载体选自CuO、Fe

优选地，步骤(2)所述的分离后的污泥灰经磷回收单元回收污泥中的磷元素的具体步骤为：将污泥灰中的磷元素转化为可溶性的磷酸盐，经水洗、抽提及结晶后即可回收污泥灰中的磷元素。

优选地，步骤(3)所述的氧化剂为水蒸气或污泥渗滤液。

优选地，步骤(1)所述的载气为氮气、惰性气体、二氧化碳或水蒸气。制氢反应器原料为水蒸气或污泥渗滤液蒸气。

优选地，污泥经过脱水干燥至含水率为5％～30％的污泥，干燥温度为80℃～110℃。控制污泥的含水率，有益于控制后续生成合成气品质。

优选地，所述的污泥与氧载体的质量比为0.4～0.5:1。

本发明还保护了一种实现上述的化学链处理污泥制合成气及高纯H

所述的第二旋风分离器设有合成气出口，所述的第三旋风分离器设有高纯氢气出口。所述的氧化反应器底部设置有空气入口，所述的第四旋风分离器顶部设置有贫氧空气出口；所述的污泥反应器底部设置有污泥反应器物料入口；所述的制氢反应器一侧设置有水蒸气入口。第一旋风分离器与制氢反应器之间设有防止气体反窜的第一气体密封室，第三旋风分离器与氧化反应器之间设有防止气体反窜的第二气体密封室，第四旋风分离器与污泥反应器之间设有防止气体反窜的第三气体密封室；磷回收单元设置有灰渣排放口。

本发明提出的装置具有方便操作，易于大规模生产，产物附加值高，经济效益好的优点。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用化学链气化的方式将污泥中有机物定向转化为高品质合成气，合成气中H

2、该反应采用氧载体晶格氧代替分子氧，无需纯氧制备，工艺简单，成本低廉。

3、因化学链反应没有氧分子直接参与，污泥中碳、氮、氯等难以反应生成二噁英、NO

4、污泥反应器中为弱还原气氛，污泥灰中矿物质不会氧化烧结，形成玻璃体，并且反应中污泥磷元素与水反应还可生成水溶性的磷酸一氢盐或磷酸二氢盐，易于浸提与结晶，在磷回收单元可以方便地将污泥磷元素回收，作为易被植物吸收的优良农业磷肥。

5、该过程还可实现H

6、相比污泥热解，污泥化学链反应过程可以实现能量梯级利用，总效率更高。因此，该技术具有适应性广，环境友好，效益显著，成本低廉等优点。

附图说明：

图1是本发明污泥化学链气化制备合成气、高纯H

附图标记说明：1、污泥反应器；2、污泥反应器氧载体入口；3、污泥反应器出口；4、第一旋风分离器入口；5、第一旋风分离器；6、第一旋风分离器物料出口；7、第二旋风分类器入口；8、第二旋风分离器；9、第二旋风分离器合成气出口；10、污泥灰出口；11、磷回收单元；12、灰渣排放口；13、第一旋风分离器氧载体出口；14、第一气体密封室；15、制氢反应器氧载体入口；16、制氢反应器；17、制氢反应器出口；18、第三旋风分离器入口； 19、第三旋风分离器；20、高纯氢气出口；21、第三旋风分离器氧载体出口；22、第二气体密封室；23、水蒸气入口；24、氧化反应器氧载体入口；25、空气入口；26、氧化反应器； 27、氧化反应器出口；28、第四旋风分离器入口；29、第四旋风分离器；30、贫氧空气出口； 31、氧载体出口；32、第三气体密封室；33、污泥反应器物料入口。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。本发明第一旋风分离器、第二旋风分离器、第三旋风分离器和第四旋风分离器均采用Lapple型通用旋风分离器，根据实际分离的物料物性、分割粒径及处理量来看，该分离系统具有更好的分离效率及原料适用性。

实施例1：

本实施例中公开了污泥化学链气化定向制取合成气的方法，通过以下技术方案予以实现：

脱水干燥：污泥在80℃的条件下干燥经脱水到含水率为5％，得到干化污泥。

氧载体制备：Fe

化学链气化：开启螺旋进料器，干化污泥从污泥反应器物料入口33进入污泥反应器1，进料量为1kg/h；铁基氧载体经污泥反应器氧载体入口2进入污泥反应器1中的循环流化床系统，同时通过载气入口通入载气，在本实施例中以N

经过化学链气化反应后的污泥灰、还原态氧载体和合成气混合物经污泥反应器出口3，通过第一旋风分离器入口4进入到第一旋风分离器5进行分离，第一旋风分离器5的分离温度为350℃，分割粒径为2～4mm，经第一旋风分离器5后的污泥灰与合成气混合物经第一旋风分离器物料出口6排出，由第二旋风分类器入口7进入第二旋风分离器8进一步分离，第二旋风分离器8的温度为250℃，分割粒径为0.25～1mm，所获得合成气经第二旋风分离器合成气出口9排出，合成气可用于气化发电、FT合成、燃料电池等，剩余的污泥灰经污泥灰出口10排出，进入磷回收单元11浸提回收可溶性磷酸盐后，剩余的灰渣由灰渣排放口12排出。

由第一旋风分离器5的第一旋风分离器氧载体出口13排出的还原态氧载体，经制氢反应器氧载体入口15进入制氢反应器16，水蒸气通过水蒸气入口23进入制氢反应器16，制氢反应器16的温度800℃，反应时间5s，反应后产物经制氢反应器出口17，通过第三旋风分离器入口18进入第三旋风分离器19，分离后纯H

实施结果，生成合成气相对组成(体积分数)为H

化学链气化过程中污泥反应器载气可以由生成合成气部分回流提供，以提升生成合成气热值，氧载体可以增加Ni基等复合氧载体，以进一步降低合成气焦油含量，反应温度及停留时间可进一步改进，以提高污泥转化效率，磷回收单元可以采用弱酸性溶剂增加磷的浸出量。

实施例2：

由于污泥化学链气化定向制取合成气的方法及装置与实施例1相同，此处不再赘述，只在表1中列出实施条件和实施结果，如表1所示。

表1基于改性铁矿石氧载体的污泥化学链反应实施条件及结果

本实施例中改性铁矿石的制备方法是：将天然铁矿石粉碎、筛分后后，等体积浸渍CoNi(NO

实施例3：

由于污泥化学链气化定向制取合成气的方法及装置与实施例1相同，此处不再赘述，只在表2中列出实施条件和实施结果，如表2所示。

表2基于NiFe

实施例1与实施例2区别在于所采用的氧载体及反应温度不同，相比实施例1中的合成铁基氧载体，实施例2中的改性铁矿石具有更好的反应活性及碳转化效率，获得的合成热值也更高。实施例3中采用合成的NiFe

本发明采用化学链反应的方式将污泥中有机物定向转化为低成本、高热值、低焦油含量合成气，且组分可定向调控，可用于燃气发电、FT合成或燃料电池；反应没有氧分子直接参与，二噁英类物质，NO

以上对本发明提供的化学链处理污泥制合成气及高纯H