无CO2排放的废物至能量转换制造技术

本发明专利技术提供了一种从城市和混合废物流中提取能量的方法。所述方法采用三级热解来产生富含氢气的热解气体，所述热解气体在不向大气中释放二氧化碳的情况下最大化能量提取。任选地，来自所述工艺的高压CO2中的能量通过经由燃气轮机膨胀而分阶段回收。燃气轮机膨胀而分阶段回收。燃气轮机膨胀而分阶段回收。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无CO2排放的废物至能量转换


[0001]本专利技术总体上涉及含碳废物的氧化加工以提取可用的化学能，同时捕获产生的二氧化碳。

技术介绍

[0002]生物质(源自植物和动物的物质)含有大量有机化合物，其中还原形式的碳和氢是基本元素。这些元素氧化成水和二氧化碳释放能量，这使得生物质成为潜在的能源。
[0003]尽管生物质的直接燃烧作为能源(例如，通过燃烧木材来产生热量)在发达国家基本上已被放弃，但类似的工艺正在以专门用于生产燃料如生物气、生物柴油和生物乙醇的能源作物的形式出现。还在开发中的是通过发酵将纤维素废物转化为乙醇的方法。生物质转化为燃料被认为是“碳中和”，因为通过光合作用固定的大气二氧化碳是燃料中还原的碳的来源。
[0004]很大程度上未开发的能源是城市废物(主要是垃圾和污水污泥)和农业废物(秸秆和甘蔗渣)中发现的生物质。目前，从这些废物流中提取能量的三个工艺的用途有限：通过在焚化炉中燃烧产生的热量可用于为蒸汽驱动的涡轮机提供能量以发电；一些类型的废物的厌氧消化或发酵可用于生产生物气(主要是甲烷)；并且热解方法(气化和热解)可用于从难发酵(主要是木质纤维素)废物中产生氢气和油。
[0005]木质纤维素生物质(纤维素、半纤维素和木质素)是生物圈中最丰富的有机材料。它在自林业和农业的废物流中是丰富的，并且占城市固体废物的40％
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60％。用于加工木质纤维素材料的热解工艺由一系列处理组成。在没有氧气的情况下进行300℃至600℃温度之间的初始热解，然后在水蒸气和氧气存在下在900℃
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1300℃下高温气化，从而净产生一氧化碳和氢气(即，合成气)。这是吸热转化，并且可通过将一部分输入材料氧化为二氧化碳和水来获得所需的能量；可替代地，可提供外部补充能量源。
[0006]可通过放热“气体变换”反应从合成气中获得额外的氢气(和能量)，但是现有技术实践一直将合成气引导至费
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托单元以转化为液态烃，或转化为甲醇。采用气体变换反应本身不是为了生产氢气，而是为了优化H2/CO比率以转化为液体燃料或原料，具有净能量含量损失。
[0007]焚烧(燃烧)的缺点包括难以满足日益严格的空气污染排放标准，以及社区普遍抵制焚烧炉的存在。进料中的含氯、含氮和含硫物质会产生必须被捕获和中和的酸性产物。处理大量废气需要对大型设备进行资本投资。典型城市废物的高水分含量在焚烧过程中蒸发，能量成本为大约1,000Btu/lb的水。
[0008]热解器通过将有机废料加热至高温(约400℃
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500℃)来产生气体和油，但能量效率差并且对所得材料的组成几乎没有控制。与焚化炉一样，热解器需要将进料中存在的水蒸发掉，这对能量要求很高。为了以有用的规模加工废物，热解室需要很大，这会导致废物加热不均匀、对化学反应的控制不佳以及最终产物的质量差。
[0009]气化器以废物产物的部分燃烧运行。空气、氧气或蒸汽以足以氧化仅一部分可燃
材料的量通过废物产物。产生诸如CO2、H2O、CO、H2和轻质烃的气态产物，并且产生的热量将剩余的废物产物热解成油、气体和含碳材料。同样，输入流中的水的蒸发产生能量成本。所产生的气体体积太大而无法储存，并且必须原位使用，或管道输送至它们可用作原料的位置。气化器还受到耗能的含水进料的影响。
[0010]热解和气化方法还具有含硫和含氯材料的问题，所述材料转化为硫醇和有机氯化物。
[0011]现有技术工艺的实例在美国专利号5,269,947、5,360,553和5,543,061中找到，其公开了两级废物气化工艺。在第一阶段，废物在高达120大气压下被加热到大约200℃
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250℃。在这些条件下，废物的水含量水解诸如脂肪和蛋白质的生物聚合物，形成油的混合物。在第二阶段，压力被释放，从而导致大约一半的水以蒸汽的形式闪蒸。然后将混合物进一步加热以驱除剩余的水，因为混合物分解成气态产物、油和碳，它们被收集和分离。
[0012]美国专利号8,003,833描述了类似的工艺，所述工艺以多级方式进行，并仔细管理、回收和使用热能。可溶性有机物(糖、甘油、氨基酸等)在初始水解后以可用作肥料的溶液形式除去。随后的热加工产生可销售的气体和油，以及可燃烧以提供工厂运行所需的能量的富含碳的生物炭。
[0013]利用生物质和城市废物流来生产有机原料、燃料和能量虽然在热力学上是可行的，但在实践中仍然效率低下，并且现有技术工艺将大量的二氧化碳释放到大气中。仍然需要用于废物至能量转化的高效工艺，并且需要减少来自此类工艺的二氧化碳排放。

技术实现思路

[0014]本专利技术提供了一种工艺组合，所述工艺一起能够接受各种输入，如混合城市废物、污水、用过的轮胎和油以及农业和食品加工废物，并以高效率和最小排放生产能量。可回收材料的再循环可以简单且经济的方式进行。
[0015]本专利技术依赖于要素的组合来实现低排放和高效率。一个要素是使用反应器的感应加热，它是快速、高效的并且能够在精确控制的情况下实现高温。第二要素是使用在燃料电池中产生的联合发电，使用由所述过程产生的氢气来为感应加热器供电。
[0016]另一个要素是使用鲍多尔德反应(Boudouard reaction)(等式1)
[0017][0018]结合水
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气体变换反应(等式2)
[0019][0020]以将生物质中所含的大部分化学能转化为元素氢中所含的化学能。通过依赖氢而不是碳的氧化，可避免现有技术碳燃烧方法的低效率和环境缺点。
[0021]如此产生的富含氢气的气体使燃料电池能够产生可观量的电力。来自燃料电池的废气是高温蒸汽，其可用于通过蒸汽轮机产生额外的电力。
[0022]在替代实施方案中，不是采用燃料电池，而是将氢气与一氧化碳分离并燃烧以产生高压蒸汽，从所述蒸汽产生电力，同时将CO作为输入返回至水
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气体变换反应。
[0023]含有通过所述过程产生的所有CO2，因此不需要消耗能量的吸收过程，并且因此所述过程基本上具有零大气排放。一部分捕获的CO2用作鲍多尔德反应的输入；剩余部分适合
用作原料或肥料，或通过深井注入进行封存。
附图说明
[0024]图1是示出进入废物流的初始切碎和干燥的图。
[0025]图2是示出工艺的低温热解阶段的图。
[0026]图3是示出工艺的中高温热解阶段的图。
[0027]图4是示出工艺的燃料电池、蒸汽轮机和气体分离器阶段的图。
[0028]图5是示出工艺的替代实施方案的低温和中温热解阶段的图。
[0029]图6是示出工艺的替代实施方案的低温热解阶段的图。
[0030]图7是示出工艺的替代实施方案的燃料电池、燃气轮机和气体分离器阶段的图。
[0031]图8是示出替代实施方案的进入废物的初始切碎和干燥的图。
具体实施方式
[0032]本专利技术提供了用于从生物质和城市废物流中提取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于从废物中获得能量的工艺，所述工艺包括：(a)将所述废物干燥；(b)使所述废物在300℃至600℃下厌氧热解以产生合成气、炭和生物油；(c)在一部分所述生物油、一部分所述炭、额外的二氧化碳和添加的水存在下在600℃至900℃下使所述合成气厌氧热解，以增加所述合成气的氢气含量；(d)在额外的水和额外的一氧化碳存在下在800℃至1200℃和约20大气压下使在(c)产生的所述气体和油厌氧热解，以进一步增加所述气体的氢气含量；(e)从(d)产生的所述气体中分离氢气、二氧化碳和一氧化碳；(f)使用所述分离的一氧化碳作为步骤(d)中的所述额外的一氧化碳；以及(g)使用所述分离的二氧化碳作为步骤(c)中的所述额外的二氧化碳。2.如权利要求1所述的工艺，所述工艺还包括：(h)通过燃烧在(e)分离的所述氢气为蒸汽发生器提供燃料。3.一种用于从废物中获得能量的工艺，所述工艺包括：(a)将所述废物干燥；(b)使所述废物在300℃至600℃下厌氧热解以产生合成气、炭和生物油；(c)在一部分所述生物油、一部分所述炭、额外的二氧化碳和添加的水存在下在600℃至900℃下使所述合成气厌氧热解，以增加所述合成气的氢气含量；(d)在额外的水和额外的一氧化碳存在下在800℃至1200℃和约20大气压下使在(c)产生的所述气体和油厌氧热解，以进一步增加所述气体的氢气含量；(e)用在(d)产生的所述气体为燃料电池提供燃料，(f)用由所述燃料电池产生的蒸汽驱动蒸汽发生器；(g)从所述燃料电池的流出气中分离二氧化碳和一氧化碳；(h)使用所述一氧化碳作为步骤(c)中的所述额外的一氧化碳；...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：MED能源公司，
类型：发明
国别省市：