垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统及方法与流程

1.本发明涉及垃圾处理技术领域，特别涉及一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市生活垃圾的产量逐年递增，我国城市生活垃圾主要通过焚烧发电进行处理，而垃圾焚烧厂的垃圾渗滤液厌氧处理产生的沼气主要成分为甲烷，其成分达60％以上，适合用作制备氢气的原料。同时，由于沼气来源于生活垃圾，得到的氢气属于绿氢，是氢能利用的理想形态。
3.现有工艺中，以甲烷为原料生产工业氢的主要流程包括四个：原料气预处理，蒸汽重整转化、一氧化碳中温变换和氢气提纯。其中蒸汽重整转化是主要核心工艺，其原理是甲烷和水在800-900℃高温和氧化镍催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气，其反应式为：ch4+h2o
→
co2+h2，该反应为吸热反应，反应过程需要外界提供大量的热量。
4.现有的提供热量的解决方式是配置独立转化反应场所和蒸汽转化炉，通过燃烧额外燃料，如天然气，对蒸汽转化炉中转化反应提供热量，因此燃料消耗量较大、成本较高，且蒸汽转化炉占地面积较大，不利于制氢反应的进行。同时，垃圾焚烧厂通常将垃圾渗滤液沼气直接送入垃圾焚烧炉焚烧，作为余热锅炉炉内补充热源，能量回收利用效率低下，造成能源浪费。
5.因此，现有技术需要进行改进。


技术实现要素：

6.现有技术中，沼气制氢反应中通过燃烧额外燃料为蒸汽转化炉中转化反应提供热量，燃料消耗量较大、成本较高，且蒸汽转化炉占地面积较大，不利于制氢反应的进行，同时，垃圾焚烧厂通常将垃圾渗滤液沼气直接送入垃圾焚烧炉焚烧，能量回收利用效率低下，造成能源浪费，因此，本发明提供一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统及方法用于解决上述问题。
7.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其包括：
8.垃圾焚烧炉系统：包括垃圾焚烧炉和余热锅炉，所述垃圾焚烧炉上设置第二烟道，所述垃圾焚烧炉系统用于对垃圾进行焚烧并提供热量；
9.沼气制氢系统：与所述垃圾焚烧炉系统连接，所述沼气制氢系统包括水蒸气重整转化装置，所述水蒸气重整转化装置包括多个u型转化管，所述u型转化管设置在所述第二烟道的顶部，所述水蒸气重整转化装置用于将沼气和水蒸气发生重整反应生成含有co2、co和h2的转化气，所述垃圾焚烧炉为所述水蒸气重整转化装置的重整反应提供高温烟气。
10.在一种实现方式中，所述沼气制氢系统还包括依次连接的厌氧沼气柜、沼气脱硫装置、余热回收装置、中温变换装置和变压吸附提纯氢气装置，以及与所述u型转化管连接
的减温减压装置；所述厌氧沼气柜用于存储垃圾渗滤液厌氧产生的沼气；所述沼气脱硫装置用于将所述沼气脱硫至0.5ppm以下；所述减温减压装置用于将垃圾焚烧厂汽包或汽轮机抽蒸汽进行减温减压，得到饱和蒸汽；所述水蒸气重整转化装置分别与所述沼气脱硫装置和所述减温减压装置连接；所述余热回收装置用于将所述转化气降温；所述中温变换装置用于将降温后的转化气发生变换反应将所述转化气中的co、水蒸气转化为co2和氢气，得到变换气；所述变压吸附提纯氢气装置用于提纯所述变换气中的氢气，并产生含有ch4、co、h2、co2的解吸气，所述解吸气输送至所述垃圾焚烧炉进行焚烧。
11.在一种实现方式中，所述u型转化管为高镍铬合金管。
12.在一种实现方式中，所述垃圾焚烧炉上还设置与所述第二烟道连接的第一烟道，以及与所述第二烟道连接的水平烟道，所述水平烟道内设置所述余热锅炉。
13.第二方面，本发明还提供了一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合方法，其采用上述任意一项所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统实现，所述垃圾焚烧炉系统对垃圾进行焚烧并提供热量，所述沼气制氢系统通过垃圾焚烧炉系统提供的热量进行水蒸气重整转化制氢。
14.有益效果：本发明提供的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统及方法，通过在现有的垃圾焚烧炉系统上连接所述制氢系统，将垃圾焚烧工艺与沼气制氢工艺进行耦合，利用垃圾焚烧烟气废热为沼气重整转化提供热量，垃圾焚烧产生的蒸汽为沼气重整转化提供反应气，节省了常规转化炉、蒸汽发生器及辅助设备的配置，节约了化石能源的消耗，实现了垃圾渗滤液厌氧沼气高值化和资源化回收利用，同时本发明提供的系统的装置布局紧凑、操作简单、易实现，充分利用垃圾焚烧发电厂的现有条件，实现了垃圾发电与制氢的耦合，提升了垃圾处理最终产物的品质。
附图说明
15.图1是本发明提供的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统的结构示意图。
16.其中，11、垃圾焚烧炉；111、第一烟道；112、第二烟道；113、水平烟道；12、余热锅炉；211、u型转化管；22、厌氧沼气柜；23、沼气脱硫装置；24、余热回收装置；25、中温变换装置；26、变压吸附提纯氢气装置；27、减温减压装置。
17.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”，或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例。而且，本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.本发明提供一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其包括垃圾焚烧发电系统和沼气制氢系统，其中，所述垃圾焚烧发电系统包括垃圾焚烧炉11和余热锅炉12，所述垃圾焚烧
炉11上设置第二烟道112，所述垃圾焚烧炉系统用于对垃圾进行焚烧并提供热量。所述沼气制氢系统与所述垃圾焚烧炉系统连接，所述沼气制氢系统包括水蒸气重整转化装置，所述水蒸气重整转化装置包括多个u型转化管211，所述u型转化管211设置在所述第二烟道112的顶部，所述水蒸气重整转化装置用于将沼气和水蒸气发生重整反应生成含有co2、co和h2的转化气，所述垃圾焚烧炉11为所述水蒸气重整转化装置的重整反应提供高温烟气。
20.其中，所述垃圾焚烧炉11上还设置与所述第二烟道112连接的第一烟道111，以及与所述第二烟道112连接的水平烟道113，所述水平烟道113内设置所述余热锅炉12。所述垃圾焚烧炉11是通过焚烧垃圾来回收垃圾热值的锅炉，可以采用机械炉排炉或cfb垃圾炉等锅炉类型。垃圾从所述垃圾焚烧炉11的给料口给入并在炉膛中燃烧，所产生的高温烟气与余热锅炉的受热面进行热交换，将热量传递给工质侧的给水，给水在余热锅炉中吸收高温烟气的热量后产生特定参数的主蒸汽后用于做功发电。所述余热锅炉12用于通过工业生产过程中产生的废热来加热水或产生蒸汽，其可以将废热转化为能源，减少了工业生产过程中的能源浪费，同时也降低了环境污染和企业的能源成本。
21.具体的，所述沼气制氢系统还包括依次连接的厌氧沼气柜22、沼气脱硫装置23、余热回收装置24、中温变换装置25和变压吸附提纯氢气装置26，以及与所述u型转化管211连接的减温减压装置27。
22.所述厌氧沼气柜22用于储存垃圾渗滤液厌氧产生的沼气，所述沼气脱硫装置23用于将产生的沼气进行脱硫，具体的，用于将所述沼气的硫化氢和有机硫脱硫至0.5ppm以下。所述减温减压装置27用于将垃圾焚烧厂汽包或汽轮机抽蒸汽进行减温减压，得到饱和蒸汽，所述饱和蒸汽和所述沼气按照一定比例进入所述水蒸气重整转化装置中。所述水蒸气重整转化装置分别与所述沼气脱硫装置23和所述减温减压装置27连接，所述余热回收装置24用于将所述转化气降温，将其温度降至340℃。所述中温变换装置25用于将降温后的转化气在催化剂的作用下发生变换反应，将所述转化气中的co、水蒸气转化为co2和氢气，得到变换气。所述变压吸附提纯氢气装置26用于将所述变换气生成氢气产品和含有ch4、co、h2、co2的解吸气，所述解吸气输送至所述垃圾焚烧炉11进行焚烧。
23.进一步的，所述u型转化管211为高镍铬合金管，所述高镍铬合金管内装有含镍催化剂，含镍催化剂用于在所述水蒸气重整转化装置发生重整反应时进行催化，将沼气和水蒸气发生重整反应生成含co2、co和h2的转化气，其中，重整反应所需的热量由所述垃圾焚烧炉系统中的第二烟道112的高温烟气提供。需要说明的是，所述u型转化管211的的数量可根据沼气的流量进行设置。
24.所述沼气制氢系统还可以包括与所述变压吸附提纯氢气装置连接的氢气储罐(图未示)和碳捕获装置(图未示)，所述氢气储罐用于储存经过所述变压吸附提纯氢气装置26加压储存的氢气，所述碳捕获装置用于捕获变换气中的co2。其中，所述碳捕获装置可以是ccus装置，通过ccus分离的co2存储在co2储罐中。
25.本发明还提供一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合方法，其采用本发明所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统实现，所述垃圾焚烧发电系统对垃圾进行焚烧并提供热量，所述沼气制氢系统通过提供的热量进行水蒸气重整转化制氢。
26.综上所述，本发明提供的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统及方法，通过在现有的垃圾焚烧炉系统上连接所述制氢系统，将垃圾焚烧工艺与沼气制氢工艺进行耦合，利用垃
圾焚烧烟气废热为沼气重整转化提供热量，垃圾焚烧产生的蒸汽为沼气重整转化提供反应气，节省了常规转化炉、蒸汽发生器及辅助设备的配置，节约了化石能源的消耗，实现了垃圾渗滤液厌氧沼气高值化和资源化回收利用，同时本发明提供的系统的装置布局紧凑、操作简单、易实现，充分利用垃圾焚烧发电厂的现有条件，实现了垃圾发电与制氢的耦合，提升了垃圾处理最终产物的品质。
27.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其特征在于，包括：垃圾焚烧炉系统：包括垃圾焚烧炉和余热锅炉，所述垃圾焚烧炉上设置第二烟道，所述垃圾焚烧炉系统用于对垃圾进行焚烧并提供热量；沼气制氢系统：与所述垃圾焚烧炉系统连接，所述沼气制氢系统包括水蒸气重整转化装置，所述水蒸气重整转化装置包括多个u型转化管，所述u型转化管设置在所述第二烟道的顶部，所述水蒸气重整转化装置用于将沼气和水蒸气发生重整反应生成含有co2、co和h2的转化气，所述垃圾焚烧炉为所述水蒸气重整转化装置的重整反应提供高温烟气。2.根据权利要求1所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其特征在于，所述沼气制氢系统还包括依次连接的厌氧沼气柜、沼气脱硫装置、余热回收装置、中温变换装置和变压吸附提纯氢气装置，以及与所述u型转化管连接的减温减压装置；所述厌氧沼气柜用于存储垃圾渗滤液厌氧产生的沼气；所述沼气脱硫装置用于将所述沼气脱硫至0.5ppm以下；所述减温减压装置用于将垃圾焚烧厂汽包或汽轮机抽蒸汽进行减温减压，得到饱和蒸汽；所述水蒸气重整转化装置分别与所述沼气脱硫装置和所述减温减压装置连接；所述余热回收装置用于将所述转化气降温；所述中温变换装置用于将降温后的转化气发生变换反应将所述转化气中的co、水蒸气转化为co2和氢气，得到变换气；所述变压吸附提纯氢气装置用于提纯所述变换气中的氢气，产生含有ch4、co、h2、co2的解吸气，所述解吸气输送至所述垃圾焚烧炉进行焚烧。3.根据权利要求1所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其特征在于，所述u型转化管为高镍铬合金管。4.根据权利要求2所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其特征在于，所述垃圾焚烧炉上还设置与所述第二烟道连接的第一烟道，以及与所述第二烟道连接的水平烟道，所述水平烟道内设置所述余热锅炉。5.一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合方法，其特征在于，其采用权利要求1～4任意一项所述的垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统实现，所述垃圾焚烧炉系统对垃圾进行焚烧并提供热量，所述沼气制氢系统通过垃圾焚烧炉系统提供的热量进行水蒸气重整转化制氢。

技术总结
本发明提供了一种垃圾焚烧和沼气制氢的耦合系统，其包括垃圾焚烧炉系统和沼气制氢系统。垃圾焚烧炉系统包括垃圾焚烧炉和余热锅炉，垃圾焚烧炉上设置第二烟道，垃圾焚烧炉系统用于对垃圾进行焚烧并提供热量。沼气制氢系统与垃圾焚烧炉系统连接，沼气制氢系统包括水蒸气重整转化装置，水蒸气重整转化装置包括多个U型转化管，U型转化管设置在垃圾焚烧炉第二烟道的顶部，水蒸气重整转化装置用于将沼气和水蒸气发生重整反应生成含有CO2、CO和H2的转化气，垃圾焚烧炉为水蒸气重整转化装置的重整反应提供高温烟气。本发明节省了传统转化炉、蒸汽发生器及辅助设备的配置，节约了化石能源的消耗，实现了垃圾沼气高值化和资源化回收利用。用。用。


技术研发人员：谭玲君 范红照
受保护的技术使用者：深能环保科技研发中心（深圳）有限公司
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/16