具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种处理污泥生物质固废的双塔板化学链制氢装置，包括塔体1、上层塔板2、下层塔板3、低温等离子体发生器、旋风分离器8及气体分离器9；所述塔体1的中部设上层塔板2，下部设下层塔板3；上层塔板2分隔出的塔体1上层空间为化学链制氢反应区，下层塔板3与上层塔板2之间的塔体1内部空间为低温等离子体反应区，上层塔板2上平铺载氧体4；化学链制氢反应区的上部设含尘气体出口，下部设载氧体进料口及固体颗粒返回口，其中含尘气体出口连接旋风分离器8的含尘气体入口，固体颗粒返回口连接旋风分离器8底部排灰管的出口；旋风分离器8顶部设混合气出口及外排氢气出口，其中混合气出口通过混合气管道连接气体分离器9的混合气入口，外排氢气出口连接外排氢气管道；所述低温等离子体反应区的上部一侧设固废燃料入口，低温等离子体反应区的外围设低温等离子体发生器；下层塔板3下方的塔体1内部空间为进风排灰室，进风排灰室的一侧设工作气入口7，底部设排灰口6；工作气入口7通过工作气管道分别连接空气管道、水蒸气管道及氩气管道，其中氩气管道与气体分离器9的氩气出口相连。

如图2所示，所述低温等离子体发生器为板式介质阻挡放电反应器5，由介质一51、介质二52、高压电极53、接地电极54及交流高压电发生器55组成；介质一51、介质二52相对设于塔体1两侧，高压电极53设于介质一51的外侧，接地电极54设于介质二52的外侧，高压电极53和接地电极54分别连接交流高压电发生器55；介质一51和介质二52均为石英材质。

所述上层塔板2为多孔钢板，其上均匀设置多个风帽；风帽由帽头及插接管组成，插接管的底端与上层塔板2上的插孔插接，插接管的顶端与帽头相连，插接管与帽头之间沿环向设有一圈出风孔，出风孔的出风方向朝向外下方倾斜。

所述下层塔板3为多孔钢板；低温等离子体反应区与化学链制氢反应区之间设渐扩段，渐扩段的横截面自下至上逐渐扩大，渐扩段的塔体1侧壁倾斜角为30°～60°；进风排灰室的底板倾斜设置，工作气入口7及排灰口6均设于底板较低的一端。

所述板式介质阻挡放电反应器5的外部设保护罩，保护罩采用聚四氟乙烯材料制作。

所述空气管道上设空气阀门；所述水蒸气管道连接水蒸气发生器11，水蒸气管道上设水蒸气阀门；所述氩气管道上沿氩气流动方向依次设氩气气瓶10及氩气阀门；所述混合气管道上设混合气阀门；所述外排氢气管道上设氢气阀门。

一种双塔板化学链制氢方法，分为三个反应阶段，具体如下；

第一阶段为燃料反应阶段，采用氩气作为工作气；该阶段开启氩气阀门及低温等离子体发生器，将氩气导入低温等离子体反应区与固废燃料进行热解氧化反应，生成包括CO、H₂和CH₄在内的合成气，合成气与和未电离的氩气通过上层塔板2进入化学链制氢反应区，与载氧体发生还原反应，生成CO₂和H₂O，携带小部分载氧体颗粒的含尘气体进入旋风分离器8，将气流中携带的固体颗粒分离下来送回化学链制氢反应区重新参与反应；净化后的混合气进入气体分离器9分离出氩气，剩余气体排入后续的CO₂捕集系统；分离出的氩气作为工作气循环利用；第一阶段反应结束后关闭氩气阀门及低温等离子体发生器；

第二阶段为制氢反应阶段，采用水蒸气作为工作气；该阶段开启水蒸气发生器11、水蒸气阀门及氢气阀门，关闭混合气阀门；将水蒸气导入化学链制氢反应区，与第一阶段还原后的载氧体充分接触进行氧化反应，制取的氢气通过外排氢气管道进入后续氢气收集系统；第二阶段反应结束后，关闭水蒸气发生器11、水蒸气阀门及氢气阀门；

第三阶段为氧化反应阶段，采用空气作为工作气；该阶段开启空气阀门，将空气导入化学链制氢反应区，与部分氧化后的载氧体充分接触进行氧化反应；第三阶段反应结束后，关闭空气阀门；

上述三个阶段循环反复进行。

所述固废燃料的粒径在8mm以下。

板式介质阻挡放电反应器5的接地端串联无损耗标准电容器，采用CTP-2000K型低温等离子体实验电源调整频率，电参数由TBS 1052B泰克示波器采集；低温等离子体实验电源的压力调节范围为0～220V，输出频率的调节范围为5～20KHz。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

【实施例】

本实施例中，处理污泥生物质固废的双塔板化学链制氢装置，包括塔体、下层塔板、上层塔板、板式介质阻挡放电反应器、旋风分离器、气体分离器、水蒸气发生器及氩气气瓶。向塔体内供工作气的供气系统分为三路，即氩气气路、空气气路和水蒸气气路，三个气路上分别设开关阀门进行控制；旋风分离器的排气分两路，燃料反应阶段的排气经过旋风分离器后流向气体分离器，分离出的氩气和剩余气体分别排出；制氢反应阶段和氧化反应阶段的排气经旋风分离器后直接排出。

塔体内通过双层塔板即上层塔板和下层塔板，划分为上、下两个不同的反应区，上层塔板装载载氧体，塔体上层空间作为进行化学链制氢循环反应的化学链制氢反应区。下层空间设板式介质阻挡放电反应器，作为低温等离子体反应区。两个反应区之间设变截面的过渡段，过渡段的塔体侧壁为向外上方扩张的倾斜结构，倾斜角为45°。

下层塔板为钢板制成的多孔平板，上层塔板为带有风帽结构的多孔平板。固废燃料进料采用正压进料方式，工作气经下层塔板引入塔体内，低温等离子体反应区的反应气随气流向上运动，通过上层塔板上的风帽进入化学链制氢反应区。

本实施例中，塔体采用固定布风形式的全沸腾炉型。工作气经进风排灰室通过下层塔板上的孔洞(下层塔板相当于布风板)均匀地进入低温等离子体反应区，由下向上流动。进风排灰室采用具有倾斜底面的等压风室结构，以有利于提高风量的均匀分配，同时也有利于灰分的收集排出。

粒径在8mm以下的固废燃料从固废燃料入口送入塔体内，并向下流动。固废燃料的进料方式是正压进料，以提高固废燃料的燃尽率。低温等离子体反应的沸腾段Ⅰ与上层塔板之间为过渡段，过渡段的塔体截面为锥体形，其横截面面积由下向上扩大，过渡段设计为变截面的目的是降低气流速度，这样既可以延长固废燃料颗粒在低温等离子体反应区的停留时间，保证气化质量，同时也可以增强飞灰在塔体内的有效分离。

上层塔板是由钢板制成的多孔平板，其上设置了风帽以达到均匀布风的目的。上层塔板的形状与尺寸与塔体对应部位的内截面形状及尺寸相适应，厚度为30mm。本实施例中，风帽的上端通过帽头封闭，下端的插接管开口敞开，垂直插于上层塔板上的插孔中。风帽帽头与插接管连接处开有一圈略向下倾斜的出风孔。燃料热解气化产生的合成气通过风帽插接管的下端开口流入，自出风孔向各个方向高速喷出。这种具有高度分散和强烈扰动的高速气流与上层塔板上放置的载氧体可均匀充分地接触以进行化学链反应。

塔体上部的含尘气体出口连接外部设置的旋风分离器，将含尘气体中携带的固体颗粒分离下来，固体颗粒通过返料器送回上层塔板上再次进行反应。经过旋风分离器分离固体颗粒后的混合气体进入气体分离器进一步分离，分离后的氩气送至氩气气瓶储存，最终作为工作气返回到塔体内。

本实施例中，根据整个反应过程设置三路供气系统分别作为三个反应阶段的工作气。

第一阶段为燃料反应阶段，氩气作为工作气由进风排灰室经过下层塔板进入低温等离子体反应区，在低温等离子体作用下产生离子氛围，对固废燃料进行热解氧化，产生的CO、H₂和CH₄等合成气与未电离的氩气一起通过上层塔板上的风帽进入化学链制氢反应区，与载氧体发生还原反应，生成CO₂和H₂O，随后混合气体携带小部分载氧体颗粒进入旋风分离器。旋风分离器顶部的净气出口有两路通道，分别由混合气阀门和氢气阀门控制。在第一阶段，与气体分离器相连的混合气阀门打开，混合气体通过气体分离器将氩气分离出来，剩余气体排入后续CO₂捕集系统。被分离出来的氩气经氩气通路重新送入塔体内进行反应。燃料反应阶段的时间为1小时。

第二阶段为制氢反应阶段，燃料反应阶段结束后，关闭氩气通路上的氩气阀门和板式介质阻挡放电反应器，打开水蒸气发生装置及水蒸气通路上的水蒸气阀门，水蒸气经下层塔板、上层塔板后进入上层的化学链制氢反应区，与第一阶段还原后的载氧体充分接触进行氧化反应，制取氢气。此时与气体分离器相连的混合气阀门关闭，另一路外排氢气管道上的氢气阀门打开，氢气直接排入后续的氢气收集系统。制氢反应阶段的时间为30分钟。

第三阶段为氧化反应阶段，制氢反应阶段结束后，水蒸气管道上的水蒸气阀门关闭，空气管道上的空气阀门打开，空气经下层塔板、上层塔板后进入上层的化学链制氢反应区，与部分氧化后的载氧体充分接触进行氧化反应。化学链制氢反应区的运行温度控制在900℃左右，反应时间为30分钟。金属氧化物载氧体与空气中的氧反应，得到完全氧化状态的金属氧化物，并产生反应热使载氧体具有较高温度。反应后的气体携带固体颗粒进入旋风分离器，净化后的混合气体排出到气体分离器中，固体颗粒返回塔体内的载氧体层中。此阶段反应结束后，关闭空气阀门，打开氩气阀门，再次进入燃料反应阶段，如此循环，反复进行。

本实施例中，低温等离子体发生器采用板式介质阻挡放电反应器(DBD)，其由高压电极、接地电极、交流高电压发生器、介质一和介质二组成。DBD选择石英材料双层介质结构，即介质一和介质二均为石英材料，放电在介质一与介质二之间发生，这样设置可以很好的保护电极，防止放电等离子体和固废燃料的灰渣与电极接触。同时，这种结构有利于电荷的沉积与扩散。DBD的接地端串联无损耗标准电容器，采用CTP-2000K型低温等离子体实验电源调整频率，电参数由TBS 1052B泰克示波器采集。低温等离子体实验电源的压力调节范围为0～220V，输出频率的调节范围为5～20KHz。通过保存不同气氛、不同频率条件下的示波器CH₁、CH₂通道数据，得到李萨如面积数据，从而进一步计算放电功率以及能量密度。DBD反应器的外部设聚四氟乙烯材质的保护罩，防止反应过程中，周围环境因素对电极产生影响。

板式介质阻挡放电反应器反应过程中的功率计算按如下方法计算：

第一步，通过李萨如法(Lissajous method)计算，将示波器的探头分别接到高压输出电压检测接口和高压输出电流检测接口，示波器就能够记录下瞬间电压和电流的曲线。在放电过程中测量取样电容(C_m)，放电的过程可以表示为：

式中：I是电流，Q为放电过程中输送的电荷，C为放电过程中测量取样电容，U是作用在电容上的电压。

将示波器记录下的数据通过Origin软件绘制Lissajous图，得到一个近似的平行四边形，该图形包含2.5个周期的数据，通过计算该图形的面积可获得一个放电周期内输入反应器的放电功率。在李萨如图中，闭合曲线的面积(A)和放电频率的乘积即为板式介质阻挡放电反应器的放电频率。计算公式为：

P＝f×C_m×A

上式中，P为板式介质阻挡放电反应器的放电功率，f是交流电源频率，C_m是取样电容(0.47μF)，A为Lissajous图形面积。为防止功率计算不准确，需要计算三次取其平均值。

通过放电功率P可以计算出输入等离子体的能量密度(Specific EnergyDensity，SED)，计算公式如下：

上式中，V为经过板式介质阻挡放电反应器的气体流速。

本实施例中，进行了2种固废处理，实施例1中载氧体成分为CuO-Fe₂O₃，固废燃料为污泥/玉米芯；制氢纯度为94％，循环实验次数20次，未见明显烧结现象。实施例2中载氧体成分为CuFe₂O₄/MgAl₂O₄，固废燃料为污泥/生物质半焦，制氢纯度为97％，循环实验次数30次，未见明显烧结现象。