技術領域：
本發明屬于燃料清潔氣化、功能材料和環境保護技術領域，具體涉及一種污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法及實現該方法的裝置。
背景技術：
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近年來隨著城鎮化和經濟的快速發展，我國污水排放量和處理量呈快速上升趨勢。根據國家統計局公布的《2015年國民經濟和社會發展統計公報》可知，截至2015年年末，我國城市污水處理廠日處理能力達到13784萬立方米，比上年末增長5.3％；城市污水處理率達到91.0％，提高0.8個百分點。作為污水處理過程中的終端產物，近年來污泥產量也在不斷上升，2015年生活污泥產量為3500萬噸，同比增長16％。隨著“十三五”的到來，污泥量還會增加，預計到2020年，我國的市政污泥產量將達到6000萬噸-9000萬噸。
與污泥產量連年遞增趨勢相背的是我國污泥有效處理率偏低。作為污水處理的副產物，污泥的成分十分復雜。污泥中除含有大量的水分外，還含有重金屬、有機質、氮磷等營養元素以及有機物等。如果不對污泥進行妥善處理，很容易造成環境污染、資源浪費以及危害人體健康。傳統的污泥處理方法主要有衛生填埋、農田堆肥、海洋傾倒、污泥焚燒等方式，存在占地廣、投資大、環境污染嚴重等缺點。
鑒于傳統污泥處理方法的弊端日益顯現，人們開始研究較新的污泥處理方法，以建立綠色循環經濟、實現污泥的無害化、減量化、資源化。但現有的技術雖然有效地抑制了產生二噁英的條件，提高了資源使用效率，實現污泥的資源與減量化，但是還存在能耗高，氣體焦油含量大，生成氣體熱值低等不足的問題。
技術實現要素：
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本發明的目的在于提供一種污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法及實現該方法的裝置，本發明提出的方法不需要復雜的提純分離工藝，能耗低，熱值高，焦油含量低，氣體污染物少，操作簡單，氣化后的灰分中還可提取可溶性磷酸鹽，達到污泥資源高效清潔利用的目的。
本發明的第一個目的是提供一種污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法，包括如下步驟：
(1)將氧載體、載氣和含水率為5％～30％的污泥通入污泥反應器進行化學鏈氣化反應，所述的污泥與氧載體的質量比為0.1～1:1，反應溫度為850℃～950℃，氧載體反應時間4～15s，得到合成氣、污泥灰和還原態氧載體；
(2)將步驟(1)中反應后得到的合成氣、污泥灰和還原態氧載體通入一次分離系統，將還原態氧載體進行分離，得到合成氣和污泥灰的混合物，分離溫度為350℃～500℃，分割粒徑為2～4mm；
(3)將步驟(2)中分離后的還原態氧載體通入氧化反應器，反應溫度為900℃～1000℃，反應時間為2～10s，使還原態氧載體被氧化為未進行化學鏈氣化反應前的初始狀態，再通入污泥反應器進行化學鏈氣化反應，步驟(2)中得到的合成氣和污泥灰的混合物通入二次分離系統，將合成氣和污泥灰進行分離，分離溫度為250℃～300℃，分割粒徑為0.25～1mm；
(4)將經過步驟(3)分離后的污泥灰經磷回收單元回收污泥中的磷元素，獲得可溶性磷酸鹽，分離出的合成氣用于發電、費托合成或者燃料電池的制作。
化學鏈氣化反應在污泥氣化反應器中發生，其為在不同的載氣氣氛下，氧載體中的晶格氧作為污泥氣化的氣化劑使污泥部分氧化獲得合成氣。氧載體再生反應為失去晶格氧的氧載體與空氣反應重新獲得晶格氧的反應，氧載體再生過程在氧化反應器中進行，一次分離系統為氧載體與夾帶污泥灰的合成氣分離，分離產物為氧載體與攜帶污泥灰的合成氣，二次分離系統為合成氣與污泥灰的分離，分離產物為合成氣與較輕的污泥灰，磷回收單元用于浸提回收污泥灰中的磷，磷回收單元為中性或弱酸性水浸漬過濾單元，二次分離系統分離下來的污泥灰經水浸提結晶后可獲得可溶性的磷酸鹽。
本發明提出的污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法的原理是：整個化學鏈氣化反應系統分為兩步在循環流化床中完成，首先，通過控制固體氧載體顆粒循環速率和干化污泥的進料量，使污泥在污泥反應器內被部分氧化成h2和co為主的合成氣，同時氧載體被還原為低價的金屬氧化物；接著，還原后的金屬氧載體經一次分離系統分離后被輸送至氧化反應器，在此反應器內氧載體重新被氧化為初始狀態；剩余混合物經二次分離系統分離后可獲得以co與h2為主的合成氣，可用于后期的發電、費托合成等工藝；分離下來的污泥灰經磷分離單元可獲得溶性磷酸鹽；兩個過程交替往復進行，實現污泥化學鏈氣化過程的連續進行。
優選，所述的氧載體選自fe2o3、nio、cuo、mno2、co2o3、nife2o4、ceo2、al2o3、sro2、鈣鈦礦和鐵礦石中的一種以上。氧載體的制備方法是采用共沉淀法、浸漬法或有機合成法制備前驅體，前驅體經800℃～1000℃煅燒4～6小時后經粉碎篩分，獲得所述的氧載體。
進一步的，所述的氧載體選自銅基氧載體、鐵礦石和nife2o4中的一種。銅基氧載體的制備步驟是：cuo、al2o3分析純按質量比為7:3機械混合均勻后，經行星成型機成型、在900℃下煅燒4小時，粉碎篩分為40-60目顆粒，形成銅基氧載體。
優選，所述的載氣為氮氣、惰性氣體、二氧化碳或水蒸氣。
優選，污泥經過脫水干燥至含水率為5％～30％的污泥，干燥溫度為80℃～110℃。控制污泥的含水率，有益于控制后續生成合成氣品質。
優選，所述的污泥與氧載體的質量比為0.4～0.5:1。
本發明的第二個目的是提供一種實現污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法的裝置，包括用于污泥和氧載體發生化學煉氣化反應的污泥反應器，所述的污泥反應器的第一出口與一次分離系統的第三入口連通，所述的一次分離系統的第三出口與氧化反應器的第四入口連通，所述的一次分離系統的第二出口與二次分離系統的第五入口連通，所述的二次分離系統的第五出口與磷回收單元的第六入口連通，所述的二次分離系統上設置有合成氣出口，所述的氧化反應器的第四出口與污泥反應器的第一入口連通。
本發明提出的裝置具有方便操作，易于大規模生產，經濟效益好的優點。
優選，所述的污泥反應器上設置有用于通入污泥和氧載體進入污泥反應器的第二入口，所述的污泥反應器底部還設置有載氣入口。所述的氧化反應器上設置有空氣進入的空氣入口和貧氧空氣出口。
本發明的有益效果是：
1、本發明采用化學鏈氣化的方式將污泥中有機物定向轉化為高品質合成氣，合成氣中h2與co比例可通過不同反應氣氛定向調控，并且氧載體對反應產生的焦油具有催化裂解作用，合成氣焦油含量較低，適用于燃氣發電、ft合成或燃料電池。
2、該反應采用氧載體晶格氧代替分子氧，無需純氧制備，工藝簡單，成本低廉。
3、因化學鏈反應沒有氧分子直接參與，污泥中碳、氮、氯等難以反應生成二噁英、nox等污染物，合成氣也不會被空氣稀釋，熱值較高。
4、污泥反應器中為弱還原氣氛，污泥灰中礦物質不會氧化燒結，形成玻璃體，并且反應中污泥磷元素與水反應還可生成水溶性的磷酸一氫鹽或磷酸二氫鹽，此類鹽易被植物吸收是優良的農業磷肥，易于浸提與結晶，后續處理簡單。
5、相比污泥熱解，污泥化學鏈氣化可以實現能量梯級利用，效率更高。因此，該技術具有適應性廣，環境友好，效益顯著，成本低廉等優點。
附圖說明：
圖1是本發明污泥化學鏈氣化制取高品質合成氣的裝置結構示意圖；
附圖標記說明：1、污泥反應器；11、第二入口；12、載氣入口；13、第一出口；14、第一入口；2、一次分離系統；21、第三入口；22、第二出口；23、第三出口；3、氧化反應器；31、第四入口；32、貧氧空氣出口；33、空氣入口；34、第四出口；4、二次分離系統；41、第五入口；42、合成氣出口；43、第五出口；5、磷回收單元；51、第六入口；52、灰渣排放口；6、第一氣體密封室、7、第二氣體密封室。
具體實施方式：
以下實施例是對本發明的進一步說明，而不是對本發明的限制。
除特別說明，本發明中提到的設備和材料均為市售。本發明中一次分離系統和二次分離系統采用lapple型通用旋風分離器，根據實際分離的物料物性、分割粒徑及處理量來看，該分離系統具有更好的分離效率及原料適用性。
實施例1：
本實施例中公開了的污泥化學鏈氣化定向制取合成氣的方法，通過以下技術方案予以實現：
脫水干燥：污泥在80℃的條件下干燥經脫水到含水率為5％。
氧載體制備：cuo、al2o3分析純按質量比為7:3機械混合均勻后，經行星成型機成型、在900℃下煅燒4小時，粉碎篩分為40-60目顆粒，作為污泥化學鏈氣化的銅基氧載體。
化學鏈氣化：開啟螺旋進料器，干化污泥從第二入口1進入污泥反應器，進料量為1kg/h；將制備好的銅基氧載體經污泥和氧載體的第二入口11進入污泥反應器1中的循環流化床系統，同時通過載氣入口12通入載氣，在本實施例中以n2為載氣，使氧載體在系統中穩定循環，循環量為120kg/h；設定污泥反應器溫度為850℃，在污泥反應器中，污泥與氧載體反應生成co、h2為主要成分的合成氣，氧載體被還原為還原態氧載體，反應時間為10s。
經過化學鏈氣化反應后的污泥灰、還原態氧載體與合成氣混合物經污泥反應器的第一出口13進入到一次分離系統2的第三入口21進行分離，一次分離系統2的分離溫度為350℃，分割粒徑為2～4mm，經一次分離系統2后的污泥灰與合成氣混合物經第二出口22排出，由第五入口41進入二次分離系統4進一步分離，二次分離系統4溫度為250℃，分割粒徑為0.25～1mm，所獲得合成氣經合成氣出口42排出，可用于氣化發電、ft合成、燃料電池等，剩余的污泥灰經第五出口43排出，通過第六入口51進入磷回收單元5浸提回收可溶性磷酸鹽后，剩余的灰渣由灰渣排放口52排出。
由一次分離系統2的第三出口23排出的還原態氧載體，經第四入口31進入氧化反應器3再生，氧化反應器溫度為900℃，氧化反應時間為5s，再生后的氧化態氧載體經氧化反應器3的第四出口34排出，進入污泥反應器1的第一入口14循環反應，過程持續進行；新鮮空氣由空氣入口33進入氧化反應器3，空氣流量為15m3/h，氧化反應后的貧氧空氣經貧氧空氣出口32排出；在一次分離系統2與氧化反應器3、污泥反應器1與氧化反應器3之間分別設置有第一氣體密封室6和第二氣體密封室7，防止氣體反竄。
實施結果，生成合成氣相對組成(體積分數)為h229.81％，co39.22％，co223.83％，ch47.14％。污泥碳的轉化率為86.27％。
化學鏈氣化過程中污泥反應器載氣可以由生成合成氣部分回流提供，以提升生成合成氣熱值，所述氧載體可以增加ni基等復合氧載體，以進一步降低合成氣焦油含量，所述反應溫度及停留時間可進一步改進，以提高污泥轉化效率，所述磷回收單元可以采用弱酸性溶劑增加磷的浸出量。
實施例2：
由于污泥化學鏈氣化定向制取合成氣的方法及裝置與實施例1相同，此處不再贅述，只在表1中列出實施條件和實施結果，如表1所示。
表1基于改性鐵礦石氧載體的污泥化學鏈氣化定向制取合成氣實施條件及結果
本實施例中改性鐵礦石的制備方法是：將天然鐵礦石粉碎、篩分后后，等體積浸漬ni(no3)2或coni(no3)2，隨后105℃～280℃干燥6小時，再經900℃煅燒3小時即得改性鐵礦石。
實施例3：
由于污泥化學鏈氣化定向制取合成氣的方法及裝置與實施例1相同，此處不再贅述，只在表2中列出實施條件和實施結果，如表2所示。
表2基于nife2o4氧載體的污泥化學鏈氣化定向制取合成氣實施條件及結果
實施例1與實施例2區別在于所采用的氧載體及反應溫度不同，相比實施例1中的合成銅基氧載體，實施例2中的改性鐵礦石具有更好的反應活性及碳轉化效率，獲得的合成熱值也更高；另外提高反應溫度有利于污泥化學鏈氣化過程。實施例3中采用合成的nife2o4為氧載體，具有更好的碳轉化效率及合成氣熱值，但相對而言，成本較高。有以上實施例可以得出：合成nife2o4氧載體具有最好的反應活性，但成本較高；改性鐵礦石成本相對較低，反應活性適中，且具有較好的環保特性，較好地適用于污泥的化學鏈氣化過程；同時反應溫度提高對化學鏈氣化過程有利。
本發明采用化學鏈氣化的方式將污泥中有機物定向轉化為低成本、高熱值、低焦油含量合成氣，且組分可定向調控，可用于燃氣發電、ft合成或燃料電池；反應沒有氧分子直接參與，二噁英類物質，nox等污染物生成得到抑制；還可生成水溶性的磷酸一氫鹽或磷酸二氫鹽，同時實現能量梯級利用，效率更高。因此，該技術具有環境友好，成本低廉，效益顯著等優點。
以上對本發明提供的污泥化學鏈氣化定向制取合成氣方法及實現該方法的裝置進行了詳細的介紹，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的技術方案及其核心思想，應當指出，對于本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。