利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置及方法与流程

本发明涉及环保的技术领域，更具体地讲，涉及一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置及方法。

背景技术：

氢是最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。氢气燃烧性能良好，且安全无毒。氢气空气混合时可燃范围大，具有良好的燃烧性能，而且燃烧速度快。氢气燃烧时主要生成水和少量氨气，不会产生诸如一氧化碳、碳氢化合物等，与其他燃料相比更清洁。同时氢气导热性能、发热量高。氢气的导热系数高出一般气体导热系数的10倍左右，是良好的传热载体。氢的能量密度是汽油的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的能量密度都高。氢气既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池直接产生电能，为燃料电池车、分布式发电设施提供动力，或转换成固态氢用作结构材料。

但是氢气不是一次能源，以往需要通过石化、化工行业一次能源通过转换才能生产出来。目前制取氢气(不包括工业废气中回收氢气)的主要方法有天然气(含石脑油、重油、炼厂气和焦炉气等)蒸汽转化制氢、煤(含焦炭和石油焦等)转化制氢、甲醇或氨裂解制氢和水电解制氢4种方法。

生活垃圾是现代社会人类生产、生活过程中产生的废弃物，具有资源和废物的双重属性。对生活垃圾进行无害化、资源化处理也是城镇生态环境保护的重要内容。与矿山资源类似，生活垃圾原料成分相对稳定，并可持续集中供应。但与煤炭相比，生活垃圾含硫量低、含氢量高，是比煤更容易气化的制氢资源。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种利用等离子体气化生活垃圾来生产高附加值的高纯氢气以用于燃料电池等高值项目中的装置及方法。

为此，本发明的一方面提供了一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，包括：

垃圾品质控制单元，所述垃圾品质控制单元能够对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾；

等离子体气化单元，所述等离子体气化单元能够以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气；

合成气净化单元，所述合成气净化单元能够对所述粗合成气中进行净化处理后分离得到高纯氢气。

进一步地，所述垃圾品质控制单元包括依次相连的干化子单元、分选子单元和破碎子单元，所述垃圾品质控制单元配置在微负压空间内且空间外立面配置有向所述垃圾品质控制单元供电的光伏发电子单元。

进一步地，所述干化子单元包括用于干化处理的干化仓和向所述干化仓中输入热空气的鼓风组件，所述分选子单元包括用于分级的筛分组件和用于金属去除的金属分离组件，所述破碎子单元包括用于破碎的破碎组件并且能够破碎得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾，其中，所述干化子单元设置在分选子单元的上游或下游。

进一步地，所述热空气的热量来源于所述光伏发电子单元，所述干化仓排出的湿热废气经换热冷凝回收所得的冷凝气能够返回至所述干化仓与热空气混合。

进一步地，所述等离子体气化单元包括气化剂供给子单元、进料子单元、燃料供给子单元、等离子体气化炉和冷却子单元，所述气化剂供给子单元包括水蒸气供给组件、富氧空气或氧气供给组件和混合组件，所述进料子单元包括斗式提升机、进料仓和螺旋给料机，所述等离子体气化炉为上吸式固定床反应器并且配置有位于炉体下部的至少两组等离子体炬、位于炉体上部的急冷室和位于炉体底部的排渣室，所述冷却子单元包括冷却塔、急冷水罐和冷却循环泵，其中，所述进料子单元与等离子体气化炉的进料口相连，所述气化剂供给子单元和燃料供给子单元与所述至少两组等离子体炬相连，所述冷却子单元与所述等离子体气化炉的急冷室和收渣室相连，所述等离子体炬还与用于实现冷却的水源连接。

进一步地，所述合成气净化单元包括依次连接的除尘子单元、co变换子单元、脱硫子单元和透氢膜纯化子单元，其中，所述除尘子单元包括旋风除尘组件和陶瓷或金属微孔过滤组件，所述除尘子单元的出口粉尘指标控制在1mg/nm3以下。

进一步地，所述co变换子单元采用宽温耐硫变换工艺将粗合成气中的co变换成为h2和co2，其中，所述co变换子单元的出口co控制在150mg/nm3以下；所述脱硫子单元采用干法脱硫至少脱除粗合成气中的h2s气体，其中，所述脱硫子单元的出口h2s控制在50ppm以下；所述透氢膜纯化子单元采用支撑型钯透氢膜纯化法或陶瓷透氢膜纯化法分离得到高纯氢气，其中，所得高纯氢气的纯度为99.97％以上。

本发明的另一方面提供了一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，包括以下步骤：

a、对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾；

b、以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气；

c、对所述粗合成气进行净化处理后分离得到高纯氢气。

进一步地，在步骤a中，所述预处理包括干化处理、分选处理和破碎处理，所述干化处理的能量来源于太阳能，所述分选处理能够至少筛选去除金属，所述破碎处理能够得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾；

在步骤b中，在1000～1600的温度、0～1.5kpa的压力下对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理得到高温粗合成气并将高温粗合成气进行急冷洗涤处理得到粗合成气，所述气化剂中水蒸汽与氧气的配比在0.5～10:1之间；

在步骤c中，所述净化处理包括依次进行的除尘处理、co变换处理、脱硫处理和透氢膜纯化处理，所得高纯氢气的纯度为99.97％以上且其中的粉尘含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s计的总硫含量在4ppb以下。

本发明的再一方面提供了利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，采用了上述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置。

与常规的垃圾处理技术(焚烧、填埋)相比，使用本发明处理生活垃圾的具有如下优点：

1)原料适应性好、能源回收利用率高。生活垃圾中一定的含水量不影响物料气化，反而能够帮助提高合成气中有效气的含量。与垃圾填埋技术相比，填埋气中的ch4、nh3、h2s等物质难以避免地排入大气不仅会导致严重的环境问题，还会造成巨大的能源浪费。

2)“临避效应”低，焦油含量低。与大型的垃圾焚烧发电相比，本发明在垃圾处理的过程中烟气量低并且不会产生二恶英、飞灰等易对环境造成二次污染的有毒、有害物质。

3)处理垃圾的同时生产附加值高且能够用于燃料电池的高纯氢气，能显著提高垃圾处理项目的收益率。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置的结构示意图。

图2示出了根据本发明示例性实施例利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置中等离子体气化单元的结构示意图。

附图标记说明：

10-垃圾品质控制单元、11-干化子单元、12-分选子单元、13-破碎子单元、20-等离子体气化单元、21-进料子单元、211-斗式提升机、212-进料仓、213-螺旋给料机、22-等离子体气化炉、221-等离子炬、23-气化剂供给子单元、231-水蒸气供给组件、232-混合组件、24-冷却子单元、241-冷却塔、242-急冷水罐、243-冷却循环泵、25-炉渣处理子单元、30-合成气净化单元、31-除尘子单元、32-co变换子单元、33-脱硫子单元、34-透氢膜纯化子单元。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

虽然使用常规气化装置利用水蒸汽气化生物垃圾能够得到氢，但由于垃圾热值偏低(<2000kcal/kg)，用常规气化装置对生活垃圾进行气化所得到的合成气有用成分相当低，达不到化工原料的应用要求。与常规气化依靠自身部分放热来保持反应温度不同，等离子体气化通过引入热等离子体电弧来帮助提高垃圾气化温度，最高可使中心温度达6000℃，炉内均温达1000～1600℃。使用等离子体热解气化可将物料完全裂解，形成的粗合成气中焦油含量低且有效气成份含量较高。因此，本发明基于此改进得到了一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置及方法，所制得的氢气能够应用于燃料电池。

下面先对本发明的利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置进行详细说明。本发明适用于原生生活垃圾(即新的生活垃圾)，也适用于陈腐生活垃圾(即经过填埋的生活垃圾)。

图1示出了根据本发明示例性实施例利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置包括垃圾品质控制单元10、等离子体气化单元20和合成气净化单元30，具体地，垃圾品质控制单元10能够对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾，等离子体气化单元20能够以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对上述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气，合成气净化单元30能够对上述粗合成气中进行净化处理后分离得到高纯氢气。

本发明的垃圾品质控制单元10主要对生活垃圾先进行干化，控制入炉的垃圾含水率到40％以下，然后对垃圾进行分选以去除其中所含有的金属、玻璃等不可燃或惰性物料。由于目前我国的生活垃圾中有机物含量多、含水率高，垃圾的高含水率使垃圾中的不同组分相互粘连严重，机械可分选性差，限制了通过分选制备高品质垃圾衍生燃料(rdf)的可能性。

具体地，垃圾品质控制单元10包括干化子单元11、分选子单元12和破碎子单元13，垃圾品质控制单元10配置在微负压空间内且空间外立面配置有向该垃圾品质控制单元10供电的光伏发电子单元(未示出)。其中，所述干化子单元可以设置在分选子单元的上游或下游，当主要处理的是陈腐生活垃圾时，先进行筛分再进行干化；当主要处理的是原生生活垃圾时，先进行干化再进行筛分。

进一步地，干化子单元11包括用于干化处理的干化仓和向干化仓中输入热空气的鼓风组件，该鼓风组件可以是变频鼓风机；分选子单元包括用于分级的筛分组件和用于金属去除的金属分离组件，筛分组件可以是滚筒筛，金属分离组件可以是除铁器，筛选出的金属可以重新回收利用；破碎子单元包括用于破碎的破碎组件并且能够破碎得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾。

其中，鼓风组件送入的热空气的热量可以来源于光伏发电子单元，热空气能够加热干化仓并对垃圾进行干化处理。干化仓排出的湿热废气经换热冷凝回收所得的冷凝气能够返回至干化仓与热空气混合，仓底的冷凝液与换热冷凝得到的冷凝液混合得到的渗滤液收集后排出。

图2示出了根据本发明示例性实施例利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置中等离子体气化单元的结构示意图。

如图2所示，等离子体气化单元20包括气化剂供给子单元23、进料子单元21、燃料供给子单元、等离子体气化炉22和冷却子单元24。

具体地，气化剂供给子单元23能够向等离子体汽化炉供给气化剂，本发明采用的气化剂包括富氧空气或氧气和水蒸气，即由富氧空气或氧气与水蒸气组成的混合气。气化剂供给子单元23包括水蒸气供给组件、富氧空气或氧气供给组件和混合组件，其中水蒸气供给组件包括软水机、软水储罐、蒸汽发生器和水泵，自来水经过软水机的软化后成为软化水并储存在软水储罐中，在需要时进入蒸汽发生器中成为水蒸气，富氧空气或氧气送给组件则提供富氧空气或氧气，富氧空气或氧气与水蒸气在混合组件中按照预定比例混合成为气化剂后送入等离子体气化炉22中。燃料子单元能够向等离子体汽化炉供给燃料，燃料可以是天然气。

进料子单元21包括斗式提升机211、进料仓212和螺旋给料机213，将具有一定热值的生活垃圾物料通过斗式提升机211进入进料仓212内，再由螺旋给料机213送进等离子体气化炉22内。

等离子体气化炉22为上吸式固定床反应器并且配置有位于炉体下部的至少两组等离子体炬221、位于炉体上部的急冷室和位于炉体底部的排渣室，生活垃圾的有机物在炉内被分解为小分子的低热值粗合成气。

冷却子单元24包括冷却塔241、急冷水罐242和冷却循环泵243，进料子单元21与等离子体气化炉22的进料口相连，气化剂供给子单元和燃料供给子单元与上述至少两组等离子体炬相连，冷却子单元与等离子体气化炉22的急冷室和收渣室相连以分别对产生的高温粗合成气进行急冷洗涤除尘和炉底产生的高温熔融物进行急冷冷却，等离子体炬还与用于实现冷却的水源连接，如与冷却子单元24相连或者与水蒸气供给组件中的软水储罐相连。粗合成气进入后续的合成气净化单元，高温熔融物冷却后的玻璃体可以作为一般固废定期收集转移。

本发明的合成气净化单元30包括依次连接的除尘子单元31、co变换子单元32、脱硫子单元33和透氢膜纯化子单元34。

具体地，除尘子单元31包括旋风除尘组件和陶瓷或金属微孔过滤组件，所述除尘子单元的出口粉尘指标控制在1mg/nm3以下。除尘的作用是将产生的粗合成气中的粉尘颗粒物去除，目前除尘技术主要有布袋除尘器、脉冲除尘器、旋风除尘器、静电除尘器、单机除尘器、电除尘器等，旋风除尘器的工作原理是含尘气体从进口处切向进入，气流在获得旋转运动的同时，气流上、下分开形成双旋蜗运动，粉尘在双旋蜗分界处产生强烈的分离作用，较粗的粉尘颗粒随下旋蜗气流分至外壁，其中部分粉尘由旁路分离室中部洞口引出，余下的粉尘由向下气流带人灰斗。因此，旋风除尘适用于高温烟气除尘，因此本发明选用旋风除尘工艺为主的除尘处理方式。同时，为了确保后续的co变换子单元平稳运行，需要使除尘子单元出口的粉尘指标控制在1mg/nm3以下。因此，根据目前除尘工艺的特性，本发明使用旋风除尘和陶瓷(或金属)微孔过滤结合的方式。

co变换子单元采用宽温耐硫变换工艺将粗合成气中的co变换成为h2和co2，co变换子单元通过调节气体成分，使粗合成气满足后续工序的要求。其中，由于本发明要制取更多的氢气，并达到生活垃圾焚烧污染控制标准(gb18485-2001)，需将co变换子单元的出口co控制在150mg/nm3以下。根据目前变换工艺特性，优选地采用2～3段变换。

合成气经过co变换后主要为h2、co2，其中还含微量的h2s气体。本发明的脱硫子单元采用干法脱硫至少脱除粗合成气中的h2s气体及少量的hcl、hf气体，其中，脱硫子单元的出口h2s控制在50ppm以下。由于本发明所使用的制氢原料为生活垃圾，考虑到生活垃圾气化燃气中硫化氢的浓度低(几十至一千个ppm)、总量少。因此，干法脱硫较适合本发明，干式高温吸附脱硫的方法既可以使合成气的热量得到较好的保存并提高热效率，同时又减少了不必要的设备投资。

为了脱除合成气中co2等酸性杂质气体并获得较高纯度的氢气，本发明对co2等酸性气体的脱除采用支撑型钯透氢膜纯化法或陶瓷透氢膜纯化法分离得到高纯氢气，经过透氢膜分离产生的高纯氢气纯度在99.97％以上。

其中，支撑型钯透氢膜纯化法是利用钯膜对氢气有较好的选择渗透性能的原理来分离氢气。相较传统的psa工艺，钯膜纯化工艺的过程能耗低，设备占地面积小，设备简单且可以连续生产。尤其在制备超纯氢气方面，可以弥补大型工业化设备诸如变压吸附技术的不足，解决过程中痕量杂质难以脱除的问题。早期采用机械轧制方法获得的钯基膜厚度高达几百微米，这样的钯基箔片不仅成本高而且透氢量低，限制了钯基膜的大规模应用。近年来，采用化学镀等制备手段在多孔载体上沉积钯金属或钯合金层，沉积的致密膜厚度控制在5μm以内，显著提高了钯膜的透氢量且大幅降低了成本，该工艺在规模化、能耗、操作难易程度、产品氢纯度方面都有较大的优势。也即，本发明使用的支撑钯膜可以是在多孔载体上沉积钯金属或合金层并形成厚度在5μm以内的致密膜材料。

而陶瓷透氢膜的膜管由四层构成：第一层为ni/ysz层，这一层主要起到支撑的作用，若膜管的直径为2cm，则ni/ysz层的厚度约为3mm，该层通过挤出法制备，膜管直径、长度均可根据实际要求变化。第二层为ni/sdc层，该层为过渡层，通过涂覆的方式进行制备，该层与第三层致密陶瓷膜层相容性好，可提高致密陶瓷膜层的机械稳定性。第三层为致密陶瓷膜层，该层为透氢膜，是整个陶瓷管的关键，采用浆料涂覆法制备。第四层为多孔电极层，在该层中氢气能够实现解离，采用喷涂的方式制备。

本发明提供了利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，具体采用了上述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，可以具体包括以下步骤：

步骤a：

对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾。

在本步骤中，预处理包括干化处理、分选处理和破碎处理，干化处理的能量优选地来源于太阳能，分选处理能够至少筛选去除金属，破碎处理能够得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾，具体可以根据工艺要求进行装置选择和调整。

其中，对于陈腐生活垃圾，应在干化处理之前先进行分选，将其中不可燃物，如渣土、金属、陶瓷等清除；对于原生生活垃圾，在干化处理之后再进行分选处理。

步骤b：

以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对在步骤a中制得的含水率在40wt％以下生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气。

在本步骤中，在1000～1600的温度、0～1.5kpa的压力下对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理得到高温粗合成气并将高温粗合成气进行急冷洗涤处理得到粗合成气，所述气化剂中水蒸汽与氧气的配比在0.5～10:1之间。

步骤c：

对粗合成气进行净化处理后分离得到高纯氢气。

在本步骤中，净化处理包括依次进行的除尘处理、co变换处理、脱硫处理和透氢膜纯化处理，所得高纯氢气的纯度在99.97％以上且其中的粉尘含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s计的总硫含量在4ppb以下。

除尘处理的作用是将产生的粗合成气中的粉尘颗粒物去除，co变换处理的作用是采用宽温耐硫变换工艺将粗合成气中的co变换成为h2和co2，脱硫处理的作用是脱除粗合成气中的h2s气体，透氢膜纯化处理的作用是脱除合成气中co2等酸性杂质气体并获得较高纯度的氢气。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：填埋场陈腐生活垃圾制氢方案

(1)垃圾开挖运输

依据垃圾堆体的现状高程，将整个填埋场分为几个大的开挖区，从高到低依次进行开挖。每个开挖区内再细分成若干个开挖单元，为减少垃圾暴露时间，减少臭气散发及雨水的进入，每个开挖单元的面积不超过500m2。在机械施工挖不到的地方，应配合人工进行挖掘，并用手推车把垃圾运到机械施工能挖到的地方，以便及时用机械挖走。

(2)垃圾筛分处置

利用挖掘机将陈腐垃圾挖出，通过自卸卡车运送至临时堆场。经过人工将大体积建筑垃圾及其他不能直接筛分处理的垃圾筛分出来后，由铲车将垃圾送进板式给料机，再进行分选去除金属、玻璃等物料后得到待处理的陈腐生活垃圾。其中，分选得到的腐殖土可以用于园林绿化、山体修复及土壤改良等；分选得到的金属可以回收利用；分选得到的大块骨料等可以用于基坑回填或市政道路建设等资源化利用。

(3)陈腐垃圾生物干化处理

在干化子单元11中进行干化处理。需要空气换热系统使湿热空气中热量通过热交换器传递给新鲜空气，被冷却的空气经除臭装置处理后排放。受热后的新鲜热空气在鼓风组件作用下进入干化仓，维持干化仓内温度在55～75℃，促进陈腐生活垃圾中水分的快速蒸发。

干化仓的进料侧用封盖密闭、出料侧设置闸板阀。滚筒筛及其外壁的外齿轮圈、变频电动机、小齿轮均置于干化仓内，整个干化仓密闭可防止发酵过程产生的臭气逸出污染环境。滚筒筛为圆柱状，长度13～25m，直径3.5～5m，筛孔直径10～80mm，其轴线与水平呈5～5°，通过控制这一夹角的大小可以调节垃圾出料口输送的速度。滚筒筛在电机驱动下搅拌翻动垃圾，以避免垃圾物料积压结块并促进与空气充分接触。好氧发酵菌在有氧条件下进行新陈代谢，降解有机质并释放热量。此外，随着滚筒筛的转动，垃圾逐渐向出料口推进。进料侧封盖上设置有进风管和进风管法兰，出料侧封盖上部设置有引风管和引风管法兰。干空气从进风管进入干化仓的滚筒内与垃圾接触，向垃圾提供发酵所需氧气并带走蒸发出的水蒸气，湿热空气从引风管排出，得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾。

(4)等离子体气化处理

将干化处理后的预处理生活垃圾打包后通过斗式提升机进入进料仓内，再由螺旋给料机送进等离子体气化单元的等离子体气化炉中，以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂并在1200～1300℃的温度、1.0～1.2kpa的压力下对预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气，气化剂中水蒸汽与氧气的配比为0.5:1。对产生的高温粗合成气进行急冷洗涤除尘处理后送入合成气净化单元中，对炉底产生的高温熔融物进行急冷冷却后收集，装置运行期间使用去离子水对等离子炬进行冷却。

(5)粗合成气净化处理和制备高纯氢气

净化处理包括依次进行的除尘处理、co变换处理、脱硫处理和透氢膜纯化处理，粗合成气经旋风除尘和陶瓷微孔过滤2级过滤后进入净化处理工序。其中，由于要制取更多的氢气以及减少，变换处理之后的出口co指标需控制在20ppm以下。因此，根据目前变换工艺特性，本项目拟采用宽温耐硫变换工艺进行3段变换。变换后的合成气通过干化脱硫工艺脱除微量的h2s及少量的hcl、hf气体。最后，利用支撑钯膜在400℃、0.8mpa的压力下脱除co2以及其他微量杂质气体，最终可获得纯度不低于99.97％的高纯燃料电池用氢气且其中的粉尘含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s计的总硫含量在4ppb以下。

实施例2：原生生活垃圾制氢方案

(1)原生生活垃圾干化处理

干化子单元需要空气换热系统使湿热空气中热量通过热交换器传递给新鲜空气，被冷却的空气经除臭装置处理后排放。受热后的新鲜热空气在鼓风组件的作用下通过进风口15进入干化子单元的干化仓，维持干化仓内温度在55～75℃，促进原生生活垃圾中水分的快速蒸发。

干化仓的进料侧用封盖密闭、出料侧设置闸板阀。滚筒筛及其外壁的外齿轮圈、变频电动机、小齿轮均置于干化仓内。整个干化仓密闭可防止发酵过程产生的臭气逸出污染环境。滚筒筛为圆柱状，长度13～25m，直径3.5～5m，筛孔直径10～80mm。其轴线与水平呈5～35°。通过控制这一夹角的大小可以调节垃圾出料口输送的速度。滚筒筛在电机驱动下搅拌翻动垃圾，以避免垃圾物料积压结块并促进与空气充分接触。好氧发酵菌在有氧条件下进行新陈代谢，降解有机质并释放热量。此外，随着干化仓的转动，垃圾逐渐向出料口推进。进料侧封盖上设置有进风管和进风管法兰，出料侧封盖上部设置有引风管和引风管法兰。干空气从进风管进入干化仓的滚筒内与垃圾接触，向垃圾提供发酵所需氧气并带走蒸发出的水蒸气，湿热空气从引风管排出，得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾。

(2)原生生活垃圾资源化利用

将干化处理后的预处理生活垃圾打包后通过斗式提升机进入进料仓内，再由螺旋给料机送进等离子体气化单元的等离子体气化炉中，以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂并在1300～1450℃的温度、1.1～1.2kpa的压力下对预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气，气化剂中水蒸汽与氧气的配比为1:1。对产生的高温粗合成气进行急冷洗涤除尘处理后送入合成气净化单元中，对炉底产生的高温熔融物进行急冷冷却后收集，装置运行期间使用去离子水对等离子炬进行冷却。

(3)粗合成气净化处理和制备高纯氢气

净化处理包括依次进行的除尘处理、co变换处理、脱硫处理和透氢膜纯化处理，粗合成气经旋风除尘和金属微孔过滤2级过滤后进入净化处理工序。其中，由于要制取氢气，变换处理之后的出口co指标需控制在20ppm以下。因此，根据目前变换工艺特性，本项目拟采用宽温耐硫变换工艺进行3段变换。变换后的合成气通过干化脱硫工艺脱除微量的h2s及少量的hcl、hf气体。最后，利用陶瓷透氢膜在450～600℃下脱除co2以及其他微量杂质气体，获得纯度不低于99.97％的高纯燃料电池用氢气且其中的粉尘含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s计的总硫含量在4ppb以下。

在装置运行过程中，可通过控制陶瓷透氢膜反应器的电流密度或者流经陶瓷透氢膜的电量来控制氢气的产生量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：

1.一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，包括：

垃圾品质控制单元，所述垃圾品质控制单元能够对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾；

等离子体气化单元，所述等离子体气化单元能够以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气；

合成气净化单元，所述合成气净化单元能够对所述粗合成气中进行净化处理后分离得到高纯氢气。

2.根据权利要求1所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述垃圾品质控制单元包括干化子单元、分选子单元和破碎子单元，所述垃圾品质控制单元配置在微负压空间内且空间外立面配置有向所述垃圾品质控制单元供电的光伏发电子单元。

3.根据权利要求2所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述干化子单元包括用于干化处理的干化仓和向所述干化仓中输入热空气的鼓风组件，所述分选子单元包括用于分级的筛分组件和用于金属去除的金属分离组件，所述破碎子单元包括用于破碎的破碎组件并且能够破碎得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾，其中，所述干化子单元设置在分选子单元的上游或下游。

4.根据权利要求3所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述热空气的热量来源于所述光伏发电子单元，所述干化仓排出的湿热废气经换热冷凝回收所得的冷凝气能够返回至所述干化仓与热空气混合。

5.根据权利要求1所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述等离子体气化单元包括气化剂供给子单元、进料子单元、燃料供给子单元、等离子体气化炉和冷却子单元，所述气化剂供给子单元包括水蒸气供给组件、富氧空气或氧气供给组件和混合组件，所述进料子单元包括斗式提升机、进料仓和螺旋给料机，所述等离子体气化炉为上吸式固定床反应器并且配置有位于炉体下部的至少两组等离子体炬、位于炉体上部的急冷室和位于炉体底部的排渣室，所述冷却子单元包括冷却塔、急冷水罐和冷却循环泵，其中，所述进料子单元与等离子体气化炉的进料口相连，所述气化剂供给子单元和燃料供给子单元与所述至少两组等离子体炬相连，所述冷却子单元与所述等离子体气化炉的急冷室和收渣室相连，所述等离子体炬还与用于实现冷却的水源连接。

6.根据权利要求1所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述合成气净化单元包括依次连接的除尘子单元、co变换子单元、脱硫子单元和透氢膜纯化子单元，其中，所述除尘子单元包括旋风除尘组件和陶瓷或金属微孔过滤组件，所述除尘子单元的出口粉尘指标控制在1mg/nm3以下。

7.根据权利要求1所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置，其特征在于，所述co变换子单元采用宽温耐硫变换工艺将粗合成气中的co变换成为h2和co2，其中，所述co变换子单元的出口co控制在150mg/nm3以下；所述脱硫子单元采用干法脱硫至少脱除粗合成气中的h2s气体，其中，所述脱硫子单元的出口h2s控制在50ppm以下；所述透氢膜纯化子单元采用支撑型钯透氢膜纯化法或陶瓷透氢膜纯化法分离得到高纯氢气，其中，所得高纯氢气的纯度为99.97％以上。

8.一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾；

b、以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气；

c、对所述粗合成气进行净化处理后分离得到高纯氢气。

9.根据权利要求8所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，其特征在于，在步骤a中，所述预处理包括干化处理、分选处理和破碎处理，所述干化处理的能量来源于太阳能，所述分选处理能够至少筛选去除金属，所述破碎处理能够得到粒度＜50mm的预处理生活垃圾；

在步骤b中，在1000～1600的温度、0～1.5kpa的压力下对所述预处理生活垃圾进行等离子体气化处理得到高温粗合成气并将高温粗合成气进行急冷洗涤处理得到粗合成气，所述气化剂中水蒸汽与氧气的配比在0.5～10:1之间；

在步骤c中，所述净化处理包括依次进行的除尘处理、co变换处理、脱硫处理和透氢膜纯化处理，所得高纯氢气的纯度为99.97％以上且其中的粉尘含量在1mg/nm3以下、co含量在0.2ppm以下、以h2s计的总硫含量在4ppb以下。

10.一种利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置。

技术总结

本发明公开了利用等离子体气化生活垃圾制备高纯氢气的装置及方法，装置包括：垃圾品质控制单元，能够对生活垃圾进行包括干化处理在内的预处理并得到含水率低于40wt％的预处理生活垃圾；等离子体气化单元，能够以富氧空气或氧气与水蒸气作为气化剂对预处理生活垃圾进行等离子体气化处理并得到粗合成气；合成气净化单元，能够对粗合成气中进行净化处理后分离得到高纯氢气。方法则采用了上述装置。本发明原料适应性好、能源回收利用率高，“临避效应”低且焦油含量低，本发明在垃圾处理的过程中烟气量低并且不会产生二恶英、飞灰等易对环境造成二次污染的有毒、有害物质，处理垃圾的同时生产附加值高的高纯氢气，能显著提高垃圾处理项目的收益率。

技术研发人员：张搏;张定海;胡洋;杨锦;程虎;毛宇;钟勇斌;杨娟;张文帅;郑国庆

受保护的技术使用者：东方电气集团东方锅炉股份有限公司

技术研发日：2020.12.31

技术公布日：2021.05.28