申请日20200518
公开(公告)日20200717
IPC分类号C01B3/02; C01B3/10; C01B32/50
摘要
本发明公开了一种污水处理厂沼气制氢系统及方法，厌氧发酵池的沼气出口经脱硫吸附装置及氮氧脱除装置与还原反应器的入口相连通，还原反应器的出口与第一分离器的入口相连通，第一分离器的固体出口与氧化反应器的入口相连通，氧化反应器的出口与第二分离器的入口相连通，第二分离器的固体出口与煅烧器的入口相连通，煅烧器的出口与第三分离器的入口相连通，第三分离器的固体出口与还原反应器的入口相连通，水蒸气管道的出口与还原反应器的入口及氧化反应器的入口相连通，该系统及方法能够实现吸附强化蒸气重整和化学链制氢进行耦合。
权利要求书
1.一种污水处理厂沼气制氢系统，其特征在于，包括厌氧发酵池(1)、脱硫吸附装置(3)、氮氧脱除装置(4)、还原反应器(5)、第一分离器(6)、氧化反应器(7)、第二分离器(8)、煅烧器(9)及第三分离器(10);
厌氧发酵池(1)的沼气出口经脱硫吸附装置(3)及氮氧脱除装置(4)与还原反应器(5)的入口相连通，还原反应器(5)的出口与第一分离器(6)的入口相连通，第一分离器(6)的固体出口与氧化反应器(7)的入口相连通，氧化反应器(7)的出口与第二分离器(8)的入口相连通，第二分离器(8)的固体出口与煅烧器(9)的入口相连通，煅烧器(9)的出口与第三分离器(10)的入口相连通，第三分离器(10)的固体出口与还原反应器(5)的入口相连通，水蒸气管道的出口与还原反应器(5)的入口及氧化反应器(7)的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的污水处理厂沼气制氢系统，其特征在于，厌氧发酵池(1)的底部出口与污泥池(2)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的污水处理厂沼气制氢系统，其特征在于，第一分离器(6)、第二分离器(8)及第三分离器(10)均为旋风分离器。
4.一种污水处理厂沼气制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)氧化态氧载体及CaO吸收剂进入还原反应器(5)中，厌氧发酵池(1)输出的沼气进入到还原反应器(5)中，在还原反应器(5)中，氧化态氧载体和沼气及水蒸气进行还原反应，生成还原态氧载体、CO2气体及合成气，其中，CO2气体被CaO吸收剂吸收生成CaCO3，还原反应器(5)输出的CaCO3、还原态氧载体及合成气进入到第一分离器(6)中进行分离，第一分离器(6)分离出的合成气排出，第一分离器(6)分离出来的CaCO3及还原态氧载体进入到氧化反应器(7)中，在氧化反应器(7)中，还原态氧载体和水蒸气发生氧化反应，生成氧化态氧载体及氢气;
2)氧化反应器(7)输出的CaCO3、氧化态氧载体及氢气进入到第二分离器(8)中进行分离，其中，分离出来的氢气排出，分离出来的CaCO3及氧化态氧载体进入到煅烧器(9)中煅烧，其中，CaCO3在煅烧过程中高温分解，生成CaO和CO2气体，煅烧器(9)输出的氧化态氧载体、CaO和CO2气体进入到第三分离器(10)中分离，其中，第三分离器(10)分离出来的CO2气体排出，第三分离器(10)分离出来的氧化态氧载体及CaO进入到还原反应器(5)中。
5.根据权利要求4所述的污水处理厂沼气制氢方法，其特征在于，还原反应器(5)的反应温度为500～800℃。
6.根据权利要求4所述的污水处理厂沼气制氢方法，其特征在于，氧化反应器(7)的反应温度为400～700℃。
7.根据权利要求4所述的污水处理厂沼气制氢方法，其特征在于，煅烧器(9)的煅烧温度为800～1000℃。
说明书
一种污水处理厂沼气制氢系统及方法
技术领域
本发明属于环保和氢能源领域，涉及一种污水处理厂沼气制氢系统及方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快，污水排放量和污水处理厂规模也随之不断增加。截止2020年底，污水处理量预计达到2.86万立方米/h，活性污泥法是我国常见的污水处理方式，伴生污泥年产量也将达到26.8亿吨。近年来，国家大力提倡厌氧发酵法处置污泥，实现污泥的减量化、无害化、稳定化，同时产生清洁能源—沼气。目前污水处理厂通常将污泥厌氧发酵所产沼气作为能源气体产热发电，利用方式过于简单，难以实现沼气的充分资源化。因此，探寻新型高效的沼气利用手段，对于提升污水处理厂经济和环境效益具有重要意义。
近年来，氢燃料电池技术得到了快速发展，氢能在未来能源体系中所占比重也会随之升高。作为燃料电池的动力源材料，高纯度氢气将会迎来越来大的市场需求。因此，采用污水处理厂沼气制取高纯度氢气是一条具有广阔前景的转化路径。沼气的主要成分是甲烷，甲烷水蒸气重整制氢工艺成熟，是大规模制氢气的主要方式。但水蒸气重整产物需要经过水汽变换、变压吸附等后续处理过程才能获得高纯度氢气，若不联用碳捕集技术还存在二氧化碳排放量大的问题。国内外研究人员提出了多种方法对甲烷制氢技术进行改进。吸附强化重整技术的核心是在含碳化合物重整过程中加入CO2吸收剂，促进反应向生成H2的方向移动，吸附剂经再生后同时获得高纯度CO2可以直接进行捕集、封存和利用。化学链制氢技术能够在氧载体辅助下将水解离产生氢气，不需要额外净化过程即可将氢气保持在很高的纯度。上述技术规避了传统甲烷水蒸气重整制氢的缺点，为发展新型沼气制氢系统提供了全新的思路，因此急需开发一种系统及方法，该系统及方法能够实现吸附强化蒸气重整和化学链制氢进行耦合。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种污水处理厂沼气制氢系统及方法，该系统及方法能够实现吸附强化蒸气重整和化学链制氢进行耦合。
为达到上述目的，本发明所述的污水处理厂沼气制氢系统包括厌氧发酵池、脱硫吸附装置、氮氧脱除装置、还原反应器、第一分离器、氧化反应器、第二分离器、煅烧器及第三分离器;
厌氧发酵池的沼气出口经脱硫吸附装置及氮氧脱除装置与还原反应器的入口相连通，还原反应器的出口与第一分离器的入口相连通，第一分离器的固体出口与氧化反应器的入口相连通，氧化反应器的出口与第二分离器的入口相连通，第二分离器的固体出口与煅烧器的入口相连通，煅烧器的出口与第三分离器的入口相连通，第三分离器的固体出口与还原反应器的入口相连通，水蒸气管道的出口与还原反应器的入口及氧化反应器的入口相连通。
厌氧发酵池的底部出口与污泥池的入口相连通。
第一分离器、第二分离器及第三分离器均为旋风分离器。
本发明所述的污水处理厂沼气制氢方法包括以下步骤：
1)氧化态氧载体及CaO吸收剂进入还原反应器中，厌氧发酵池输出的沼气进入到还原反应器中，在还原反应器中，氧化态氧载体和沼气及水蒸气进行还原反应，生成还原态氧载体、CO2气体及合成气，其中，CO2气体被CaO吸收剂吸收生成CaCO3，还原反应器输出的CaCO3、还原态氧载体及合成气进入到第一分离器中进行分离，第一分离器分离出的合成气排出，第一分离器分离出来的CaCO3及还原态氧载体进入到氧化反应器中，在氧化反应器中，还原态氧载体和水蒸气发生氧化反应，生成氧化态氧载体及氢气;
2)氧化反应器输出的CaCO3、氧化态氧载体及氢气进入到第二分离器中进行分离，其中，分离出来的氢气排出，分离出来的CaCO3及氧化态氧载体进入到煅烧器中煅烧，其中，CaCO3在煅烧过程中高温分解，生成CaO和CO2气体，煅烧器输出的氧化态氧载体、CaO和CO2气体进入到第三分离器中分离，其中，第三分离器分离出来的CO2气体排出，第三分离器分离出来的氧化态氧载体及CaO进入到还原反应器中。
还原反应器的反应温度为500～800℃。
氧化反应器的反应温度为400～700℃。
煅烧器的煅烧温度为800～1000℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的污水处理厂沼气制氢系统及方法在具体操作时，在还原反应器中，氧化态氧载体和沼气及水蒸气进行还原反应，生成还原态氧载体、CO2气体及合成气，同时CO2气体被CaO吸收剂吸收生成CaCO3，在氧化反应器中，还原态氧载体和水蒸气发生氧化反应，生成氧化态氧载体及氢气，以实现吸附强化蒸气重整和化学链制氢进行耦合，无需额外纯化分离步骤即可获得高纯度氢气，以满足氢能市场需求，提高了沼气利用价值。同时通过耦合吸附强化技术，提升了蒸汽重整过程中的氢气产率，合成气中氢气含量显著增加，提高了合成气的经济价值。最后需要说明的是，本发明在污水处理厂沼气制氢同时实现低成本二氧化碳捕集、分离，具有良好的减排效果。（发明人任志博;余智勇;张畅;郜时旺;刘练波）