一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，中温气化反应器内实现修复植物的一级气化获得粗制可燃气，同时确保大部分重金属向残渣迁移和固化；高温还原反应器内利用载氧体的晶格氧实现粗制可燃气的二次气化重整，同时实现载氧体对重金属的固化吸附，协同底渣富集实现对修复植物体内重金属的高效捕集；氧化反应器中实现失氧载氧体的氧化再生；分离器和返料器实现气化可燃气、载氧体颗粒、以及残炭颗粒三者之间的定向分离，以及载氧体与残炭颗粒的再循环。本发明专利技术将中温气化与高温化学链相耦合，实现能量的梯级利用及气化产物的重整提质，获得高品质的合成气，同时达到对修复植物所含重金属的高效捕集，实现土壤重金属修复植物的无害化、资源化利用。

A two-stage heat treatment method for heavy metal remediation in soil by coupling medium temperature gasification and high temperature chemical chain

The invention discloses a two-stage heat treatment method for heavy metal remediation plants in soil coupled with medium temperature gasification and high temperature chemical chain. In the medium temperature gasification reactor, the primary gasification of the remediation plants is realized to obtain crude combustible gas, and at the same time, most heavy metals are ensured to migrate and solidify to the residue; in the high temperature reduction reactor, the secondary gasification and reforming of crude combustible gas is realized by using lattice oxygen of oxygen carrier At the same time, it realizes the solidification and adsorption of heavy metals by the oxygen carrier, realizes the efficient capture of heavy metals in the repaired plant body by cooperating with the bottom slag enrichment, realizes the oxidation regeneration of the oxygen carrier lost in the oxidation reactor, realizes the directional separation of gasified combustible gas, oxygen carrier particles and carbon residue particles by the separator and the feeder, and the recycling of oxygen carrier and carbon residue particles. The invention couples the medium temperature gasification with the high temperature chemical chain, realizes the cascade utilization of energy and the reforming and upgrading of the gasification products, obtains the high-quality synthetic gas, at the same time achieves the high-efficiency capture of heavy metals contained in the repair plants, and realizes the harmless and resource utilization of the heavy metal repair plants in the soil.

【技术实现步骤摘要】
一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法
本专利技术涉及能源与环保领域中的土壤重金属修复植物热处理方法，尤其涉及一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法。
技术介绍
植物修复作为一种新兴技术在重金属治理领域迅速发展。伴随着植物修复技术的大面积推广应用，修复植物的产后处置问题应运而生。如果没有开发出合适的产后处置技术，将会导致富集的重金属重新回到环境当中，由此不仅会造成人力、物力与财力的浪费，更会对环境产生二次污染。传统的修复植物的产后处理方法包括压缩填埋法、焚烧法、堆肥法、液相萃取法以及热解法等。这些技术经过多年发展，技术路线较为成熟，但都存在着一些不容忽视的问题。压缩填埋法处理方式简单且成本较低，但容易产生二次污染，而且会大量占用宝贵的土地资源；焚烧法可以实现修复植物的减量化，但该方法易产生二噁英和NOx等大气污染物；堆肥法处理周期过长且有产生二次污染的风险；液相萃取法虽然可以回收植物内的重金属达到回收再利用的目的，但该方法成本过于高昂，难以大规模地用于工业生产当中；热解法处理修复植物可以得到可燃气或生物油，但产物的品质有待进一步提高。化学链气化是一种新型的气化技术，该工艺将传统气化方式中燃料在一个反应器中的一步反应改为在两个独立的反应器，即还原反应器和氧化反应器中分步进行，并选用一种合适的氧化物，即载氧体在两个反应器间交替循环。在还原反应器中，载氧体提供晶格氧供燃料气化，通过控制晶格氧与燃料的比值，得到以一氧化碳CO和氢气H2为主要组分的合成气；而被还原的载氧体进入氧化反应器被其中的空气氧化再生。与传统气化技术相比，化学链气化改变了传统化学能一次性粗放释放的反应途径，使燃料化学能得到有序转化，实现了对燃料化学能的梯级利用，由此可以使化学能品位得到更高效利用，有效提高气化效果。当前，在生物质能领域，化学链气化因其节能、产气的双重优势而引起广泛关注，已成为有望缓解我国能源供需不足问题的关键技术之一。从本质上讲，修复植物属于生物质的一种，因此以修复植物作为燃料开展化学链气化处理具有技术可行性。然而，相比于传统生物质燃料化学链气化以资源利用最大化为主要目标，修复植物化学链气化除了实现资源的有效利用，更重要的是实现无害化减容处理。以化学链工艺处理重金属修复植物鲜有报道，这对化学链气化工艺本身带来了不同的要求和挑战：(1)重金属的底渣富集温度与载氧体的反应温度不匹配。重金属向底渣富集的最佳温度通常不超过700℃，低于化学链还原反应器中载氧体与燃料气的最佳反应温度要求(通常在800-950℃之间)。由此可见，传统的化学链气化方式将不利于重金属向底渣的富集，进而影响到重金属的回收率。(2)化学链气化气氛下重金属的迁移转化规律复杂：直接对修复植物化学链气化，其过程中既包含燃料与气化剂的一级气化反应，又包含气化产物与载氧体的二级气化反应，反应气氛更加丰富，反应过程更加多变，由此必然造成重金属迁移转化机理的进一步复杂，极易造成重金属随着烟气和飞灰逃逸至环境中。
技术实现思路
专利技术目的：为克服上述传统化学链气化技术在修复植物应用上所面临的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，通过耦合中温气化完善修复植物的化学链气化工艺，使重金属底渣富集温度与气化反应温度协调匹配，同时降低修复植物直接进入化学链工艺可能引起的气化与重金属迁移的复杂性；并且赋予载氧体重金属吸附剂的新角色。技术方案：本专利技术中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，包括以下步骤：(1)由水蒸气和少量氧气所组成的气化剂从中温气化反应器的底部进入，惰性床料在气化剂作用下进行流态化运动并形成密相区；成型修复植物物料从密相区加入到中温气化反应器，与气化剂发生中温气化反应，获得粗制可燃气，同时大部分重金属向残渣迁移富集；(2)载氧体颗粒从化学链还原反应器底部的湍动流化床进入，与粗制可燃气接触，载氧体颗粒通过释放晶格氧对粗制可燃气进行二次气化重整，同时载氧体对重金属进行固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物所含重金属的二次捕集；(3)化学链还原反应器上方快速流化床的出口烟气携带失氧载氧体和残炭颗粒，进入一级惯性分离器分离，分离下来的载氧体经一级下降管进入化学链氧化反应器内，与加入该反应器的空气反应获得氧化再生，之后经一级返料管和一级返料隔离器并在水蒸气的松动下返回湍动流化床底部继续参与化学链气化反应；(4)从一级惯性分离器出来的可燃气进入二级旋风分离器分离，分离下来的残炭颗粒经二级下降管以及二级J型返料阀及水蒸气的松动下返回中温气化反应器，进行二次反应；最后，从二级旋风分离器气体出口出来的烟气为CO和H2组成的可燃合成气。步骤(1)中，中温气化反应器内温度为600～700℃，其中的成型修复植物物料与气化剂反应获得修复植物的一级气化粗制可燃气CO、H2、CH4、CO2和C2H6，同时重金属向残渣迁移和固化。化学链还原反应器内温度为800-950℃，在载氧体作用下进行粗制可燃气的二次气化重整，同时载氧体对重金属固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物重金属的有效捕集。化学链载氧体为重金属高温吸附剂。成型修复植物为条状物料，经螺旋进料器送入中温气化反应器。惰性床料仅在中温气化反应器底部进行流化运动，形成密相区。残炭颗粒分布在中温气化反应器和化学链还原反应器中。步骤(3)中，反应后的载氧体颗粒与未转化的残炭颗粒，从化学链还原反应器上端的快速流化床出口处进入一级惯性分离器和二级旋风分离器。工作原理：本专利技术将中温气化耦合至高温化学链前端，由此通过两级气化实现能量的梯级利用及可燃气的重整提质；尤其通过中高温两段式气化，达到修复植物气化反应温度与重金属底渣富集温度间的协调匹配，实现“以炉渣富集为主，以载氧体吸附为辅”的重金属定向迁移；通过对载氧体的修饰改性实现载氧体对重金属的协同吸附，由此获得较理想的能源利用率与重金属回收率，实现无害化以及资源化处置产后修复植物。同时结合先进的制备工艺，赋予载氧体重金属吸附能力，重金属和载氧体发生接触后被吸附至载氧体表面或内部形成表面熔融或者共晶熔融的颗粒，实现载氧体对重金属的协同吸附。有益效果：与传统修复植物处理方法相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术通过中温气化与高温化学链的耦合，实现能量的梯级利用及气化产物的重整提质，获得高品质的合成气，实现土壤重金属修复植物的资源化利用。(2)本专利技术将中温气化与高温化学链相耦合，实现重金属“以炉渣富集为主，以载氧体吸附为辅”的定向迁移转化，从而达到对修复植物重金属无害化减容的目的。(3)在传统化学链工艺中，载氧体通常扮演氧载体和热载体的角色，而在本专利技术中，通过科学的材料筛选结合先进的改性技术，载氧体将被增设重金属高温吸附剂这一新角色，使其在保持反应性能的同时能够对修复植物重金属开展协同吸附，从而实现载氧体的多功能拓展。(4)通过本专利技术的两段式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)在中温气化反应器(1)中，由水蒸气组成的气化剂(A)从床层底部进入，床料为惰性物料(f)，在气化剂(A)作用下形成密相区；修复植物成型物料(g)从密相区加入中温气化反应器，与气化剂(A)发生中温气化反应，获得粗制可燃气，同时重金属在中温时向残渣迁移富集；/n(2)载氧体颗粒(h)从化学链还原反应器(3)底部进入，与粗制可燃气接触，载氧体颗粒(h)通过释放晶格氧对粗制可燃气二次气化重整，同时载氧体颗粒对重金属固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物所含重金属的二次捕集；/n(3)在化学链还原反应器(3)的出口处，反应后的载氧体颗粒(h)与未转化的残炭颗粒(i)将进入一级惯性分离器(6)和二级旋风分离器(12)，其中载氧体粗颗粒被分离进入化学链空气反应器再生，然后经返料系统送入化学链还原反应器(3)继续参加反应；而细残炭颗粒(i)，无法在一级惯性分离器(4)中分离，在尾气的输运下穿过一级惯性分离器(6)后进入二级旋风分离器(12)中分离，然后经由返料系统进入中温气化反应器(1)中继续参加反应。/n...

【技术特征摘要】
1.一种耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在中温气化反应器(1)中，由水蒸气组成的气化剂(A)从床层底部进入，床料为惰性物料(f)，在气化剂(A)作用下形成密相区；修复植物成型物料(g)从密相区加入中温气化反应器，与气化剂(A)发生中温气化反应，获得粗制可燃气，同时重金属在中温时向残渣迁移富集；
(2)载氧体颗粒(h)从化学链还原反应器(3)底部进入，与粗制可燃气接触，载氧体颗粒(h)通过释放晶格氧对粗制可燃气二次气化重整，同时载氧体颗粒对重金属固化吸附，协同底渣富集完成对修复植物所含重金属的二次捕集；
(3)在化学链还原反应器(3)的出口处，反应后的载氧体颗粒(h)与未转化的残炭颗粒(i)将进入一级惯性分离器(6)和二级旋风分离器(12)，其中载氧体粗颗粒被分离进入化学链空气反应器再生，然后经返料系统送入化学链还原反应器(3)继续参加反应；而细残炭颗粒(i)，无法在一级惯性分离器(4)中分离，在尾气的输运下穿过一级惯性分离器(6)后进入二级旋风分离器(12)中分离，然后经由返料系统进入中温气化反应器(1)中继续参加反应。


2.根据权利要求1所述的耦合中温气化与高温化学链的土壤重金属修复植物两段式热处理方法，其特征在于：所述中温气化反应器(1)内温度为600～700℃，修复植物与气化剂反应获得一级气化粗制可燃气CO、H2、CH4、CO2和C2H6，同时重金属向残渣迁移和固化。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓佳，谌通，金保昇，陈瑜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32