1.本发明涉及有机废物处理技术领域，尤其涉及一种利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法及系统。


背景技术：

2.有机废物(主要指有机固体废物)是指居民在日常生活中所产生的生活垃圾、市场垃圾、零散垃圾、医院垃圾、建筑垃圾和街道扫集物等。其现有的解决方式主要包括焚烧、卫生填埋以及堆肥等。而随着城市人口不断增长，城市垃圾的产生量也在不断增加，导致有机固体废物的运输成本增加以及可供卫生填埋的土地在不断减少，从而使卫生填埋以及堆肥等解决方式的可操作性变得越来越低。
3.现有垃圾焚烧技术主要是一种将有机固体废物迅速氧化的过程中，并在其过程中产生大量的光和热以及多种有毒有害气体，从而进一步造成生态环境的恶化。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术提到的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本技术提供一种利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法及系统，在对固体废物有效处理的同时降低有毒有害气体排放并生成氢气，避免了对环境的破坏。
5.第一方面，本技术提供了一种利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统，包括：
6.低温热解炉，用于加工第一有机固体废物以生成碳素氧化还原催化剂以及第一瓦斯气体；
7.传送装置，通过与低温热解炉的物料输出端连接以获取碳素氧化还原催化剂；
8.熔融气化炉，熔融气化炉的物料输入端设置于熔融气化炉顶部，通过与传送装置的物料输出端连接以获取并熔融碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体；熔融气化炉的侧壁固定有螺旋风机及蒸汽输入端，螺旋风机的输出端斜向延伸至熔融气化炉的侧壁内侧，形成螺旋式上升气流；
9.净化装置，通过分别与熔融气化炉的气体输出端以及低温热解炉的气体输出端连接，分别获取并净化第二瓦斯气体以及第一瓦斯气体，得到氢气；
10.二次变压吸附装置，通过与净化装置的输出端连接，提纯氢气；
11.控制单元，分别与低温热解炉、传送装置、熔融气化炉、净化装置以及二次变压吸附装置电性连接。
12.进一步地，还包括空分机，空分机的第一输出端与低温热解炉的输入端连接，空分机的第二输出端与熔融气化炉所属闸阀单元连接，用以分别向低温热解炉以及闸阀单元注入氮气；
13.空分机的第三输出端与熔融气化炉的第二输入端连接，用以注入氧气。
14.进一步地，传送装置包括传送带及提升机；
15.传送带与低温热解炉的物料输出端连接，传送带末端与提升机的输入端连接，提升机的输出端与熔融气化炉的物料输入端连接。
16.进一步地，熔融气化炉底部内侧设有水淬单元；
17.熔融气化炉的侧壁等间距设置有至少两个形成螺旋式上升气流的所述螺旋风机。
18.进一步地，二次变压吸附装置包括：
19.一级变压吸附单元，一级变压吸附单元的输入端通过第一分离器与净化装置的输出端连接；
20.二级变压吸附单元，二级变压吸附单元的输入通过依次通过除油塔及第一加热器与一级变压吸附单元的第一输出端连接；二级变压吸附单元的第一输出端通过真空解析单元与气体缓冲罐连接。
21.进一步地，二次变压吸附装置还包括三级变压吸附单元，三级变压吸附单元的输入端通过冷却器与二级变压吸附单元的第二输出端连接；三级变压吸附单元的输出端依次通过第二加热器、干燥器以及第二分离器连接；
22.二次变压吸附装置还包括顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐以及蒸汽单元；
23.其中一级变压吸附单元的第二输出端、二级变压吸附单元的第二输出端、三级变压吸附单元的第二输出端分别与顺放气缓冲罐的输入端连接；
24.一级变压吸附单元的第三输出端、二级变压吸附单元的第三输出端、三级变压吸附单元的第三输出端分别与解吸气缓冲罐的输入端连接，解吸气缓冲罐的输出端与第二加热器连接；
25.蒸汽单元分别与第一加热器及第二加热器连接。
26.第二方面，本技术还提供了一种利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法，应用于第一方面的系统，包括：
27.低温热解炉热解第一有机固体废物，生成碳素氧化还原催化剂及第一瓦斯气体；
28.熔融气化炉熔融碳素氧化还原催化剂、生石灰及第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体；
29.净化装置净化第一瓦斯气体及第二瓦斯气体，得到氢气；
30.二次变压吸附装置二次变压吸附氢气，生成提纯氢气。
31.进一步地，低温热解第一有机固体废物之前，还包括：
32.空分机分离空气中的氮气及氧气；
33.注入氮气至低温热解炉及熔融气化炉所属的多级闸阀；
34.注入氧气至熔融气化炉所属的混风口。
35.进一步地，熔融气化炉熔融碳素氧化还原催化剂、生石灰及第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体，具体包括：
36.干燥及氧化还原碳素氧化还原催化剂、生石灰及第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体及液态熔渣；
37.水淬液态熔渣，生成玻璃陶瓷体。
38.进一步地，二次变压吸附装置二次变压吸附氢气，生成提纯氢气，具体包括：
39.脱硫净化氢气，得到脱硫氢气；
40.一级变压吸附并二次净化脱硫氢气后，得到一级变压氢气；
41.二级变压吸附以及变压氢气，得到提纯氢气。
42.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本技术提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法及系统，该系统利用控制器单元首先通过低温热解炉对第一有机固体废物进行热解，生成碳素氧化还原催化剂，之后利用传送装置将碳素氧化还原催化剂以及生石灰、第二有机固体废物输送至熔融气化炉进行氧化还原反应，并将热解过程以及氧化还原过程所产生的瓦斯气体通过净化以及二次变压吸附，得到纯净氢气，从而在对有机固体废物进行热分解处理过程中，利用控制单元实现设备之间的协同操作，生成纯净氢气的同时有效地降低了有毒有害气体排放，避免了对环境的破坏。
附图说明
43.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
44.图1是本发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统的结构原理图。
45.图2是本发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统中二次变压吸附装置的结构原理图。
46.图3是本发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统中熔融气化炉与净化装置的连接示意图。
47.图4是发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法的流程示意图。
48.图5是发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法的另一种流程示意图。
49.图6是发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法中熔融过程的流程示意图。
50.图7是发明实施例所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法中二次变压吸附的流程示意图。
51.图中：1、低温热解炉；2、传送装置；3、熔融气化炉；4、螺旋风机；5、蒸汽输入端；6、净化装置；7、二次变压吸附装置；8、控制单元；9、空分机；10、闸阀单元；11、水淬单元；12、一级变压吸附单元；13、第一分离器；14、二级变压吸附单元；15、除油塔；16、第一加热器；17、真空解析单元；18、三级变压吸附单元；19、第二加热器；20、干燥器；21、第二分离器；22、顺放气缓冲罐；23、解吸气缓冲罐；24、蒸汽单元；25、气体缓冲罐；26、煤气净化单元；27、co转化单元；28、酸性气体脱除单元。
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.目前针对有机固体废物等垃圾主要采用焚烧、卫生填埋以及堆肥等主要方式。但随着有机固体废物的运输成本、堆肥的时间及机械成本的增加以及可供填埋的土地的减小，卫生填埋以及堆肥处理方式的可行性已经越来越小。
55.有机固体废物进行焚烧的过程本质属于一种氧化还原反应，在此过程中产生大量的光和热并伴随生成有多重有毒有害气体，进而加剧了生态环境污染，同时失去了大量的可再生资源，不利于环境以及经济的可持续发展。
56.为了降低对有机固体废物采用焚烧对环境所造成的污染，保证环境的可持续发展，本技术提供了一种利用氧化还原法对有机固体废物熔融气化制氢的方法及系统。为了便于对本发明实施例进行理解，首先对一种利用氧化还原法对有机固体废物熔融气化制氢的系统进行详细介绍。
57.实施例一
58.如图1、图2及图3所示，利用氧化还原法对有机固体废物熔融气化制氢的系统，包括：
59.低温热解炉1，用于加工第一有机固体废物以生成碳素氧化还原催化剂以及第一瓦斯气体；上述第一有机固体废物包括如旧轮胎、干化后的有机污泥等，通过低温热解炉1进行低温无氧热解，热解所需的温度约为500℃至700℃，进而将第一有机固体废物进行碳化，生成碳素氧化还原催化剂。
60.传送装置2，通过与低温热解炉1的物料输出端连接以获取碳素氧化还原催化剂；具体地传送装置2包括但不限于传送带、提升机。
61.熔融气化炉3，熔融气化炉3的物料输入端设置于熔融气化炉3顶部，通过与传送装置2的物料输出端连接以获取并熔融碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体；一种优选的实施方式中，熔融气化炉3采用固定床直立反应炉。碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物自熔融气化炉3定倒入后呈混合状态，依次进行干燥、氧化分解以及还原熔融的处理。这里需要补充的是，上述碳素氧化还原催化剂与第二有机固体废物按照质量比1:5的方式进行混合，同时伴随有石灰石作为助溶剂。
62.熔融气化炉3的侧壁固定有螺旋风机4及蒸汽输入端5，螺旋风机4的输出端斜向延伸至熔融气化炉3的侧壁内侧，形成螺旋式上升气流；具体的，螺旋风机4设置于熔融气化炉3底部斜向注入空气，在炉顶膨胀体的作用下形成龙卷风状态的螺旋风(压力大于10mpa)，带动从蒸汽输入端5所输入的蒸汽形成热气流与上述混合物进行反应。
63.这里需要补充的是，上述氧化反应根据反应温度的不同包括以下几个阶段：
64.100℃～200℃：干燥；去除物理水。
65.250℃：除氧；消除水成分；开始消除h2s气化阶段(氧化反应)：
66.340℃：ch4和脂肪族化合物开始裂变380℃，有机物碳化。
67.400℃～600℃：c
‑
o和c
‑
n化合物裂变；沥青质转换焦油。
68.>600℃：沥青质裂变为热稳定的链状气态碳氢化合物；芳烃合成。
69.800℃～1300℃：气化；卤素完全处于蒸汽状态(如碱金属氯化物或hci)。
70.进而还原熔融阶段包括：
71.1400～2000℃：芳烃和有机化合物开始完全分解、矿物熔融。最终生成第二瓦斯气体及液态熔渣。
72.净化装置6，通过分别与熔融气化炉3的气体输出端以及低温热解炉1的气体输出端连接，分别获取并净化第二瓦斯气体以及第一瓦斯气体，得到氢气；
73.具体的，净化装置6包括顺次连接的煤气净化单元26、co转化单元27以及酸性气体脱除单元28。其中第一瓦斯气体以及第二瓦斯气体中含有氢气、其他气体及杂质。煤气净化单元26的作用主要在于初步净化第一瓦斯气体以及第二瓦斯气体中的杂质。上述杂质将通过净化装置6底部进行排渣回炉。
74.co转换单元用以对瓦斯气体中混杂的co进行燃烧生成co2，之后瓦斯气体及co2通过酸性气体脱除单元28进行初步脱硫以及脱除co2。
75.二次变压吸附装置7，通过与净化装置6的输出端连接，提纯氢气。变压吸附的作用在于利用吸附装置中的吸附剂对不纯氢气中各种组分的吸附能力不同，从而实现对氢气的提纯。
76.控制单元8，分别与低温热解炉1、传送装置2、熔融气化炉3、净化装置6以及二次变压吸附装置7电性连接。
77.具体的，控制单元8包括但不限于采用单片机，通过与低温热解炉1的电性连接，用以控制第一有机固体废物碳化的温度、时间以及气氛。
78.控制单元8通过与熔融气化炉3电性连接，根据第二有机固体废物试样的组分设定不同的配比模数，控制碳素氧化还原催化剂的进入速度。同时，理想状态下，螺旋风机4于熔融气化炉3内部所产生的风压≥10mpa，风量≥415m3/h。控制单元8与熔融气化炉3顶部的压力传感器获取上述风压及风量，并通过控制螺旋风机4的转速以维持风压及风量的稳定性。
79.本技术提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法及系统，该系统利用控制器单元首先通过低温热解炉对第一有机固体废物进行热解，生成碳素氧化还原催化剂，之后利用传送装置将碳素氧化还原催化剂以及生石灰、第二有机固体废物输送至熔融气化炉进行氧化还原反应，并将热解过程以及氧化还原过程所产生的瓦斯气体通过净化以及二次变压吸附，得到纯净氢气，从而在对有机固体废物进行热分解处理过程中，利用控制单元实现设备之间的协同操作，生成纯净氢气的同时有效地降低了有毒有害气体排放，避免了对环境的破坏。
80.实施例二
81.在实施例一的基础上，本技术所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统还包括空分机9，空分机9的第一输出端与低温热解炉1的输入端连接，用以防止低温热解炉1内的气体泄漏。空分机9的第二输出端与熔融气化炉3所属闸阀单元10连接，用以分别向低温热解炉1以及闸阀单元10注入氮气；
82.一种优选的实施方式中，上述闸阀单元10采用装料节气阀，装料节气阀内部包括至少两级闸阀结构、一个物料支撑结构、一个防火和封闭机构；多级闸阀系统间充入氮气以保证炉内气体不会外泄，进而保证碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物自上而下下落。
83.空分机9的第三输出端与熔融气化炉3的第二输入端连接，用以注入氧气。具体的，熔融气化炉3底部设有混风口，空分机9所分离出的氧气通过混风口注入熔融气化炉3内部，
在螺旋风机4的作用下形成龙卷风状态，用以满足熔融气化炉3内氧化反应所需的含氧量。
84.进一步地，传送装置2包括传送带及提升机；
85.传送带与低温热解炉1的物料输出端连接，传送带末端与提升机的输入端连接，提升机的输出端与熔融气化炉3的物料输入端连接。
86.进一步地，熔融气化炉3底部内侧设有水淬单元11；上述水淬单元11的作用在于将还原熔融阶段所产生的液态熔渣经过水淬工艺而制成玻璃陶瓷体。
87.一种优选的实施方式中，控制单元8分别与上述空分机9、装料节气阀、以及提升机电性连接，用以分别控制各自的工作状态。具体的，控制单元8通过控制空分机9以调节其分离及输送氮气及氧气的速率；控制单元8通过控制装料节气阀以调节碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物的下降速率；控制单元8控制提升电机一调节提升电机对碳素氧化还原催化剂及生石灰、第二有机固体废物的传输速率。
88.熔融气化炉3的侧壁等间距设置有至少两个形成螺旋式上升气流的螺旋风机4。通过设置至少两个螺旋风机4以提升龙卷风的效果。
89.进而，控制单元8通过分散控制上述低温热解炉1、传送装置2、熔融气化炉3、净化装置6、二次变压吸附装置7、空分机9、装料节气阀以及提升机从而实现不同装置之间的协同工作。
90.实施例三
91.在实施例一的基础上，本技术所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的系统中，二次变压吸附装置7包括：
92.一级变压吸附单元12，一级变压吸附单元12的输入端通过第一分离器13与净化装置6的输出端连接；第一分离器13的作用在于脱硫净化以及过滤不纯氢气中的水分，之后通过一级变压吸附单元12对混合气体进行净化，这里需要说明的是，一级变压吸附后的氢气需要进行气体成分测定以鉴定净化效果。
93.二级变压吸附单元14，二级变压吸附单元14的输入通过依次通过除油塔15及第一加热器16与一级变压吸附单元12的第一输出端连接；二级变压吸附单元14的第一输出端通过真空解析单元17与气体缓冲罐25连接。上述除油塔15的作用在于通过溶剂对一级变压吸附氢气中残存的杂质进行去除。而第一加热器16的作用在于对一级变压吸附后的氢气进行加热以提高溶剂对杂质的去除效果。
94.二级变压吸附单元14对一级脱硫氢气进行二次净化，之后利用真空解析单元17再次进行氢气成分测定，得到提纯氢气后注入气体缓冲罐25。
95.一种优选的实施方式中，二次变压吸附装置7还包括三级变压吸附单元18，三级变压吸附单元18的输入端通过冷却器与二级变压吸附单元14的第二输出端连接；三级变压吸附单元18的输出端依次通过干燥器20以及第二分离器21连接；
96.二级变压吸附后的氢气通过冷却器进行降温，并通过三级变压吸附单元18进行三级变压吸附。
97.二次变压吸附装置7还包括顺放气缓冲罐22、解吸气缓冲罐23以及蒸汽单元24；
98.其中一级变压吸附单元12的第二输出端、二级变压吸附单元14的第二输出端、三级变压吸附单元18的第二输出端分别与顺放气缓冲罐22的输入端连接；上述顺放气缓冲罐22的作用在于防止一级变压吸附单元12、二级变压吸附单元14以及三级变压吸附单元18中
的反应过快。
99.一级变压吸附单元12的第三输出端、二级变压吸附单元14的第三输出端、三级变压吸附单元18的第三输出端分别与解吸气缓冲罐23的输入端连接，解吸气缓冲罐23的输出端与第二加热器19连接；
100.蒸汽单元24分别与第一加热器16及第二加热器19连接。这里需要补充的是，上述解吸气缓冲罐23通过与一级变压吸附单元12、二级变压吸附单元14以及三级变压吸附单元18连接以接收其产生的气体并利用第二加热器19后，制备提纯氢气所需的催化剂。三级变压吸附后的氢气与催化剂混合，并通过脱氢干燥后，经第二分离器21分离废水后，得到干燥的纯氢气。
101.实施例四
102.一种利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法，如图4所示，包括：
103.s01：低温热解炉热解第一有机固体废物，生成碳素氧化还原催化剂及第一瓦斯气体；上述低温热解炉通过温度为500℃至700℃的低温无氧热解，从而将第一有机固体废物碳化，生成碳素氧化还原催化剂。
104.s02：熔融气化炉熔融碳素氧化还原催化剂、生石灰及第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体；熔融气化炉内所发生的氧化还原反应，实施例一已经描述，这里不再赘述。
105.这里需要补充的是，碳素氧化还原催化剂通过传送装置由低温热解炉被传送至熔融气化炉顶部。同时传送装置在传送过程中添加石灰石以及第二有机固体废物。
106.s03：净化装置净化第一瓦斯气体及第二瓦斯气体，得到氢气；上述第一瓦斯气体及第二瓦斯气体包含氢气、酸性气体及杂质等。净化过程主要包括煤气净化、co转化以及高压酸性气体脱除等步骤。其中，上述杂质通过排渣回炉进行吸收。酸性气体通过高压酸性气体脱除被回收至污泥。
107.s04：二次变压吸附装置二次变压吸附氢气，生成提纯氢气。具体的提纯过程实施例三已经描述，这里不再赘述。
108.本发明实施所提供的利用氧化还原法对有机废物熔融气化制氢的方法，应用于前述系统并与其采用相同的技术手段，达到相同的技术效果，这里不再赘述。
109.实施例五
110.在实施例五的基础上，进一步如图5及图6所示，在低温热解第一有机固体废物之前，还包括：
111.s05：空分机分离空气中的氮气及氧气；
112.s06：注入氮气至低温热解炉及熔融气化炉所属的多级闸阀；
113.s07：注入氧气至熔融气化炉所属的混风口。
114.这里需要补充的是，步骤s02具体包括：
115.s021：干燥及氧化还原碳素氧化还原催化剂、生石灰及第二有机固体废物，生成第二瓦斯气体及液态熔渣；
116.s022：水淬液态熔渣，生成玻璃陶瓷体。
117.实施例六
118.在实施例四的基础上，进一步如图7所示，步骤s04具体包括：
119.s041：脱硫净化氢气，得到脱硫氢气；一级变压吸附单元通过第一分离器在对不纯
氢气进行脱硫的过程中，同时分离其中的废水。
120.s042：一级变压吸附并二次净化脱硫氢气后，得到一级变压吸附氢气；这里需要补充的是，得到一级变压吸附氢气之后，需要对氢气的成分进行测定，以确定净化后的纯度。
121.s043：二级变压吸附一级变压吸附氢气，得到提纯氢气。利用真空解析单元再次进行氢气成分测定，得到提纯氢气后注入气体缓冲罐。这里需要补充的是，在进行二级变压吸附之前，以及变压吸附氢气利用蒸汽单元连接的第一加热器进行加热后，提高除油塔中溶剂对一级变压吸附氢气中杂质的去除效果。
122.一种有选的实施方式中，步骤s043之后，还包括：
123.s044：三级变压吸附提纯氢气，得到纯氢气。提纯后的氢气需要通过与冷却器进行降温。
124.s045：接收解吸气缓冲罐生成的催化剂，脱氢干燥并二次分离。
125.这里需要补充的是，解吸气缓冲罐通过与一级变压吸附单元、二级变压吸附单元以及三级变压吸附单元连接以接收其产生的含水分氢并利用第二加热器加热，制备提纯氢气所需的原料气。通过第二分离器对脱氢干燥后氢气与废水进行分离，得到干燥的纯氢气。
126.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
127.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。