[发明专利]一种市政污泥原位催化气化制备高纯氢气的新工艺

说明书

本发明公开了一种市政污泥原位催化气化制备高纯氢气的新工艺，可以有效催化降解污泥气化过程中产生的焦油副产物并提高气化燃气中氢气体积分数。具体方法为：1)将污泥与六水硝酸镍溶液混匀，通过水热炭化预处理制备水热炭；2)以水热炭为原料，以煅烧的鸡蛋壳为天然CO₂捕获剂，进行高温水蒸气共气化；3)将气化产气进行净化、干燥后即可得富氢气化燃气。本发明所述的市政污泥原位“自还原”纳米金属颗粒耦合原位CO₂捕获强化制氢的技术路线，可以在纳米镍活性中心上发生焦油的原位催化裂解反应，并促进水煤气转换反应的正向反应速率，从而实现低焦油、富氢燃气的清洁低耗制备。

技术领域

本发明涉及一种市政污泥原位“自还原”纳米颗粒耦合原位CO₂捕获强化氢气转化的技术路线，实现市政污泥的低焦油、高氢气体积分数的气化转化，能有效提高市政污泥的气化效率和燃气热值。

技术背景

随着我国城市污水处理工艺不断改进，市政污泥产率急剧增加。传统处理方式(填埋、焚烧等)易对土壤、大气环境造成二次污染。热解气化技术因具有能量回收、污泥减容无害化、处置周期短等特点具有广阔的发展潜力。然而，常规气化技术需要对原料进行干燥预处理，市政污泥初始含水率一般>80％，脱水预处理成本较高，因而限制了该技术对市政污泥的工业化规模处理。另一方面，污泥常规气化过程不可避免的产生焦油等副产物，显著降低了气化效率，并影响气化合成气品质。本发明开发了一种市政污泥原位催化气化制氢的新工艺，该工艺无需对市政污泥进行脱水预处理，同时通过原位“自还原”纳米金属颗粒耦合原位CO₂捕获的技术路线，可将市政污泥转化为富氢气化合成气。通过该新工艺的研发，可促进市政污泥的快速减容减量、降低制氢生产成本并减少传统化石能源消耗，符合不可再生的碳基资源向可再生的生物质资源转化的能源开发趋势。

发明内容

本发明的目的是针对现有利用热解气化技术将高含水率市政污泥转化为清洁燃气过程中原料预处理成本高、燃气热值低、焦油副产物净化成本高等实际问题，结合我国目前市政污泥总量亟待处理的现状，提出一种市政污泥原位催化气化制氢的新工艺。本发明方法制备的气化合成气焦油副产物含量低，氢气体积分数高，该工艺路线环境友好，原料成本低廉，制备方法简捷可靠。

为实现本发明的目的，本发明提供一种市政污泥原位催化气化的技术路线。以市政污泥为原料，无需干燥预处理，将原始污泥与一定浓度的六水合硝酸镍按一定质量比混合，将混合物置入高压反应釜中进行水热炭化预处理，反应结束后分离提取固相产物，然后以煅烧的鸡蛋壳为天然CO₂捕获剂，以水蒸气为气化介质，与固相产物进行共气化，净化干燥后即可得富氢合成气。制备的气化合成气中焦油最高降解率>98％，氢气体积分数>70％。该工艺的气化效果受前驱体浓度、水热炭化温度、水热炭化时间、CO₂捕获剂添加量、气化温度等因素的影响。

本发明的主要优点体现在以下几方面：

高含水率市政污泥与六水合硝酸镍溶液充分混合后在高压反应釜中进行水热炭化预处理，其原因是：利用污泥水热反应过程中水热炭表面丰富的电子转移基团实现纳米镍颗粒的“自还原”，从而为后续气化过程原位催化降解焦油副产物提供活性位点。

六水合硝酸镍溶液的浓度是0.1-1.0mol/L，其原因是：镍离子浓度过低，则会减少水热炭表面活性位点数量，降低催化降解焦油效率；镍离子浓度过高，则会降低水热炭表面活性位点分散度，且导致纳米镍颗粒尺寸过大，降低原位催化反应活性。

水热炭化温度选择180-220℃，反应时间1-2h，其原因是：水热反应温度较低或反应时间较短，污泥“自还原”纳米颗粒反应不充分。水热反应温度较高或反应时间较长，固相产物收率降低且能耗过高。