一種同步實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及合成氣提質(zhì)的系統(tǒng)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)廢棄物處理和合成氣綜合利用及氣體提質(zhì)，其中合成氣包含煉焦工業(yè)副產(chǎn)煤氣、生物質(zhì)熱解氣化燃?xì)?、人工煤氣等。更具體地，涉及一套可同時實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及合成氣提質(zhì)的新裝置以及利用該裝置同步實(shí)現(xiàn)合成氣甲烷化及沼氣原位提純的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]厭氧消化工藝由于具有高負(fù)荷、低能耗、低運(yùn)行成本、產(chǎn)生能源等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水(酒糟、垃圾滲濾液等)、有機(jī)廢棄物(污泥、牛糞、秸桿等)的處理。厭氧消化過程產(chǎn)生的沼氣的主要成分是50?70%甲烷(CH4)、30?50%二氧化碳(CO2)和少量的硫化氫(H2S)、水(H2O)、氨氮(NH3)、氫(H2)和一氧化碳(CO)等，是一種可持續(xù)的有價值的能量來源。普通沼氣，作為一種清潔能源，熱值一般在5200?6600千卡/立方米之間，長期以來作為民用能源使用，目前也被用于發(fā)電。然而，隨著礦石燃料的枯竭，沼氣利用的需求也在不斷增長，將沼氣提質(zhì)為甲烷含量為90%以上的生物天然氣正因其高效的利用而受到廣泛的關(guān)注。提質(zhì)后沼氣熱值高(8000?9000千卡/立方米)，可遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，也可用作車用燃料或注入天然氣管網(wǎng)取代天然氣。
[0003]合成氣，是指氣源為熱解氣，焦?fàn)t煤氣，高爐煤氣，人工煤氣等主要成分為出，CO，CH4和CO2的可燃?xì)怏w。這部分氣體具有熱值低、有毒性、易泄漏、易爆炸等特點(diǎn)，使得在實(shí)際應(yīng)用過程中極易出現(xiàn)安全事故，同時由于氣體熱值較低，在使用過程中也存在利用效率低等問題。利用這些氣體單獨(dú)或混合使用合成天然氣開辟了合成氣高效利用的新途徑，不僅能帶動鋼鐵焦化和能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，還能解決工業(yè)廢氣排放造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題。
[0004]目前熱解氣甲烷化的技術(shù)尚處于探索比選階段。國家十二五期間明確提出了重點(diǎn)扶持煤制天然氣(煤—熱解氣—甲烷)技術(shù)，國內(nèi)已上馬了多個煤制天然氣項(xiàng)目，其中熱解氣甲烷化也是煤制天然氣的重要中間環(huán)節(jié)。目前熱解氣甲烷化技術(shù)主要利用多相催化甲烷化反應(yīng)原理，將熱解氣中的碳氧化合物催化加氫生成甲烷。然而該技術(shù)的主要問題是需要在高溫(200?700°C)高壓(I?7.5MPa)條件下進(jìn)行，⑶和出需要固定的比例，甲烷化催化劑價格昂貴，而且催化劑易受硫化物等的影響而失活。
[0005]焦?fàn)t煤氣是煉焦過程中，產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所得到的可燃?xì)怏w，其主要成分為H2(55 %?60 % )和CH4( 23 %?27 % )，是煉焦過程的副產(chǎn)品。隨著焦化行業(yè)的發(fā)展，有大量的焦?fàn)t煤氣資源產(chǎn)生。焦?fàn)t煤氣除部分返回?zé)捊範(fàn)t用作加熱燃料外，剩余的氣體主要用作城市居民的燃料氣，因不便送入城市管網(wǎng)，也有相當(dāng)數(shù)量通過火炬燃燒放空。目前工業(yè)上焦?fàn)t煤氣利用途徑主要有:作為城市燃?xì)庵苯永?發(fā)電;通過變壓吸附法等工藝可以提取氫氣;深度凈化后生產(chǎn)甲醇;合成氨或酵素等。這些工藝存在經(jīng)濟(jì)效益不高、能耗大、溫室氣體排放量大、環(huán)境效益低等缺點(diǎn)。國內(nèi)已經(jīng)開展了關(guān)于焦?fàn)t煤氣制取替代天然氣的研究及工程示范。
[0006]高爐煤氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要成分為:CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量約占25%左右。雖然高爐煤氣的熱值不高，但巨大的產(chǎn)量所產(chǎn)生的能源價值是很可觀的。由于高爐煤氣的產(chǎn)氣量大于用戶的用氣量，過剩的高爐煤氣需要通過放散塔放散掉或采用火炬燃燒。不僅浪費(fèi)了大量的能源，而且會有大量有害氣體和粉塵排放到大氣中產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。
[0007]合成氣生產(chǎn)甲烷的方法主要包括化學(xué)方法和物理方法，其中化學(xué)方法是把合成氣中除甲烷外的其他成分轉(zhuǎn)化為甲烷，而物理方法是采用變壓吸附分離、深冷分離、膜分離等方法，對甲烷進(jìn)行提純。目前合成氣甲烷化技術(shù)主要采用化學(xué)合成技術(shù)，然而該技術(shù)的主要問題是需要在高溫(200?700 °C)高壓(I?7.5MPa)條件下進(jìn)行，⑶和出需要固定的比例，甲烷化催化劑價格昂貴，而且催化劑易受硫化物等的影響而失活。熱解氣、焦?fàn)t煤氣等工業(yè)副產(chǎn)煤氣燃?xì)獬煞謴?fù)雜，0)和出的比例難以滿足要求，利用化學(xué)合成原理的合成氣工業(yè)甲烷化技術(shù)存在很大的缺陷。此外對合成氣中HdPCO2的利用也不夠完全，而且投資運(yùn)行成本都比較高。
[0008]因此，需要提供一種全新的系統(tǒng)裝置及方法，以便同步高效實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的處理及合成氣的提質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個目的在于提供一種同步實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及合成氣提質(zhì)的系統(tǒng)
目.ο
[0010]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種采用上述裝置同步實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及合成氣提質(zhì)的方法。
[0011 ]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0012]—種同步實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及合成氣提質(zhì)的系統(tǒng)裝置，所述系統(tǒng)裝置的核心部分為厭氧合成一體化反應(yīng)器，所述厭氧合成一體化反應(yīng)器從下到上依次包括排泥區(qū)8、曝氣緩沖區(qū)3、氣液混合區(qū)2、微生物合成反應(yīng)區(qū)1、氣固液分離區(qū)4和氣相穩(wěn)壓區(qū)11;所述微生物合成反應(yīng)區(qū)I位于反應(yīng)器主體的中部，在微生物合成反應(yīng)區(qū)I的下方為氣液混合區(qū)2;所述氣液混合區(qū)2的側(cè)壁設(shè)有有機(jī)廢棄物混合液進(jìn)口 6，內(nèi)部連接均勻布水裝置10;所述氣液混合區(qū)2的下方為曝氣緩沖區(qū)3，氣液混合區(qū)2與曝氣緩沖區(qū)3通過曝氣裝置9分隔開;所述曝氣緩沖區(qū)3是一個與液相隔絕的腔室，底部設(shè)有合成氣進(jìn)氣口 7;環(huán)繞在曝氣緩沖區(qū)3的周圍及底部的區(qū)域?yàn)榕拍鄥^(qū)8，所述排泥區(qū)8的底部設(shè)有排泥口 14;所述微生物合成反應(yīng)區(qū)I的上部為氣固液分離區(qū)4;所述氣固液分離區(qū)4的側(cè)壁設(shè)有液體循環(huán)管5;所述氣固液分離區(qū)4的周圍和上部區(qū)域?yàn)闅庀喾€(wěn)壓區(qū)11，氣相穩(wěn)壓區(qū)11的頂部設(shè)有生物天然氣出氣口 13，生物天然氣出氣口 13的側(cè)壁與氣相穩(wěn)壓區(qū)11的側(cè)壁通過氣體循環(huán)管12相連通。所述曝氣裝置9包括曝氣盤和曝氣器，所述曝氣盤上設(shè)置曝氣器;所述曝氣盤直徑與反應(yīng)器內(nèi)徑比為0.6?0.8，周圍除與反應(yīng)器外壁固定部分外，其余間隙與上部氣液混合區(qū)2和下部排泥區(qū)8聯(lián)通;曝氣器孔眼直徑< ΙΟΟμπι，曝氣器直徑1mm?500mm，單個曝氣器曝氣氣量O?5m3/h，曝氣盤上曝氣器曝氣總面積占比5 %?30 %。
[0013]該系統(tǒng)裝置核心部分厭氧合成一體化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，各個組成部分的作用及工作原理為:
[0014]微生物合成反應(yīng)區(qū)1，該區(qū)在反應(yīng)器主體的中部，在該區(qū)利用反應(yīng)器內(nèi)的厭氧微生物對合成氣中的C0、H2及CO2進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，生成以CH4和CO2為主要成分的生物天然氣；
[0015]氣液混合區(qū)2，設(shè)置在該微生物合成反應(yīng)區(qū)I下方，在該氣液混合區(qū)2內(nèi)通入以CO及H2為主要成分的合成氣及微生物營養(yǎng)液，并實(shí)現(xiàn)氣液的混合，混合后的氣液升入該微生物合成反應(yīng)區(qū)I中進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化；
[0016]曝氣緩沖區(qū)3，設(shè)置在氣液混合區(qū)下，作為一個與液相隔絕的腔室，進(jìn)氣在此區(qū)進(jìn)行緩沖和混合，之后經(jīng)過此區(qū)頂部的微孔曝氣裝置釋放進(jìn)入氣液混合區(qū)；
[0017]氣固液分離區(qū)4，設(shè)置在該微生物合成反應(yīng)區(qū)I上方，分離氣體上升過程中帶出的液體和污泥，收集和排出生物合成后的生物天然氣；
[0018]排泥區(qū)8，設(shè)置在該反應(yīng)器的最底部，該區(qū)環(huán)繞在曝氣緩沖區(qū)3的周圍，在曝氣和進(jìn)水過程進(jìn)行汽液相混合時，活性較弱的厭氧污泥從周圍外緣沉降下來，用以定期排除反應(yīng)器底部的污泥；
[0019]氣相穩(wěn)壓區(qū)11，該區(qū)在生物甲烷化反應(yīng)器最上部，氣固液分離區(qū)4的周圍，通過與氣體循環(huán)管12聯(lián)通，用以穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)部壓力，防止因迅速曝氣造成的反應(yīng)器內(nèi)液面不平衡或液相溢流。
[0020]其中，氣液混合區(qū)2包括:有機(jī)廢棄物混合液進(jìn)口6及均勻布水裝置10，用以均勻地通入有機(jī)廢棄物(有機(jī)廢水，餐廚，垃圾，豬糞，牛糞，雞糞等)及能夠作為該微生物合成反應(yīng)區(qū)I內(nèi)的厭氧微生物生長所需及進(jìn)行厭氧發(fā)酵的有機(jī)營養(yǎng)液，通入的混合液在反應(yīng)器內(nèi)的上升流速控制在I?2米內(nèi)，使得該有機(jī)廢棄物及營養(yǎng)液能夠充分被厭氧微生物捕獲利用。所述均勾布水裝置10中布水孔口直徑15mm?50mm，布水孔口總截面積與布水裝置進(jìn)水管截面比為0.8?2。合成氣進(jìn)口7及曝氣裝置9，用以通入以⑶、H2、⑶2及CH4為主要成分的合成氣，并將氣體分化為微小氣泡上升至該微生物合成反應(yīng)區(qū)I進(jìn)行反應(yīng)。
[0021]該裝置中的曝氣裝置9的橫截面為圓形，正三角形或平行四邊形。曝氣盤直徑與反應(yīng)器內(nèi)徑比為0.6?0.8，周圍除與反應(yīng)器外壁固定部分外，其余間隙與上部氣液混合區(qū)2和下部排泥區(qū)8聯(lián)通。微孔曝氣器在曝氣盤上呈圓形或正三角形均勻分布，曝氣器孔眼直徑<10ym，曝氣器直徑1mm?500mm，單個曝氣器曝氣氣量O?5m3/h，曝氣盤上曝氣器曝氣總面積占比5%?30%。
[0022]本發(fā)明中，所述的厭氧合成一體化反應(yīng)器與目前通用的UASB反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器在布水裝置底部增加了曝氣裝置，該曝氣裝置為微孔曝氣裝置，需要轉(zhuǎn)化的工業(yè)氣體通過進(jìn)氣管將氣體通入曝氣緩沖室3，然后經(jīng)微孔曝氣器均勻的分散于氣液混合區(qū)2。并且本發(fā)明通過大量的創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)，探索出最佳的該微孔曝氣裝置工藝參數(shù)，使得該反應(yīng)器可以同時實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物厭氧消化和氣體提質(zhì)，并且具有最佳的處理效果，曝氣盤直徑與反應(yīng)器內(nèi)徑比為0.6?0.8，周圍除與反應(yīng)器外壁固定部分外，其余間隙與上部氣液混合區(qū)2和下部排泥區(qū)8聯(lián)通。微孔曝氣器在曝氣盤上呈圓形或正三角形均勻分布，曝氣器孔眼直徑<10ym，曝氣器直徑1mm?500mm，單個曝氣器曝氣氣量O?5m3/h，曝氣盤上曝氣器曝氣總面積占比5%?30%。
[0023]該反應(yīng)器比UASB反應(yīng)器用途廣泛，不僅可以作為UASB反應(yīng)器處理有機(jī)廢棄物，而且可以同時實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物厭氧消化和氣體提質(zhì)，因氣體提質(zhì)過程是在反應(yīng)器中液相發(fā)生，并且溶解的CO2也參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)，有效地降低了因UASB反應(yīng)器過高而造成的CO2溶解加大致使反應(yīng)器內(nèi)PH下降的問題，根據(jù)環(huán)保部UASB工程技術(shù)規(guī)范(2012.06.01實(shí)施)，U