CN102971410B - 用于较佳是固体有机基质的水解的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于较佳是固体有机基质、尤其是能源作物和植物残体的水解的装置，该装置具有接纳有机基质的收集容器（1），用于将有机基质送入装料装置（7）的传送装置（4），该装料装置用于使水解器（10）分批装料有机基质，该水解器（10）在输出侧具有减压装置（12），该减压装置具有阀控压力隔膜（13）和布置在膨胀罐（15）上游的蒸汽分离器（14）。根据本发明，传送装置（4）包括具有中空轴（25）的传送器蜗杆（4'），该中空轴装填有来自蒸汽分离器（14）的热蒸汽，蒸汽分离器较佳地设计成旋流器，中空轴（25）在用于有机基质的传送区域内、在加热区域（18）内具有用于直接用热蒸汽加载有机基质的蒸汽出口（26）。

Description

用于较佳是固体有机基质的水解的方法和设备
本发明涉及用于较佳是固体有机基质、尤其是能源作物和植物废料的水解的方法和设备，该设备包括用于接纳有机基质的收集容器、和将有机基质输送到装料装置内的传送装置，该装料装置用于使水解器分批地装料有有机基质，所述水解器在输出侧具有减压装置，该减压装置具有阀控压力挡板和布置在闪蒸罐上游的蒸汽分离器。
此类方法和设备用于预处理有机基质，该有机基质在水解器（热压水解的装置）内处理之后被馈送入发酵器，例如沼气或生物燃料厂。
热压水解使用被称为“蒸汽爆破”的技术，其在沼气或生物燃料厂中是已知的。“蒸汽爆破”是一种技术处理，其中，原材料被加热到300°C，较佳地150°C至200°C，并经受到约3巴到20巴的过压。该压力温度状态被保持一段时间，之后该基质自发减压到大气压。由于该减压冲击，细胞物质完全被分解。然后所有的有机基质呈液态形式以作进一步处理。
起初不均匀的基质混合物（例如，能源作物，收割废料等）转变成均匀的浆状物，该浆状物具有下列性质：
-纤维素被释放；
-半纤维素-木质素复合物的结壳胀裂；
-半纤维素被煮解；
-酵母、霉菌和其他有害微生物被破坏；
-基质被消毒；
-纤维物质不稳。
在进一步处理基质之前，例如在沼气工厂中，“蒸汽爆破”由此承担水解和均质化的处理步骤。可由此对酸/氢产酸和甲烷的处理针对性地优化发酵条件。
这种预处理的结果提高了基质产量并改善了产品质量，在沼气厂的情形中，基质分解率升高，加大气体生产并改善气体质量。通常，特定的甲烷含量（CH4）增加，而有毒的硫化氢含量（H2S）减少。
美国专利2003/0121851A1描述了处理生物可降解有机废料的方法和设备。在有机废料经受热压水解之前，碱性溶液（KOH）被添加到基质，且该基质在水解器中经受170°C至225°C的温度和相关的蒸汽压力。然后进行固/液分离。在处理之前，可通过来自水解器的循环蒸汽在容器内预热该基质。
在WO 2008/011839A2中已知用于有机基质的连续和不连续水解的设备。该设备主要包括用于非均匀有机基质的粉碎机，基质从该粉碎机被馈送到水解器的计量容器内。在基质在水解器内处理之后，基质经由所谓的“超调管”被传送入闪蒸罐，废气管线从闪蒸罐通向冷凝器，而基质管线通向发酵器。废气被馈送入蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器是水冷的，且由该步骤获得的冷凝物又返回到闪蒸罐。在到发酵器的基质管线内设有换热器，换热器的废热经由外部换热器回路供应到用作预热装置的换热器，该换热器将加热来自粉碎机的输入基质。
从SU 1620487A1中已知在筒状外壳内具有两个同心螺旋传送器的水解器，滚筒筛布置在两个同心螺旋传送器之间。有机材料经由馈送接管进入外部筒形环形室，并通过第一螺旋传送器进行挤压，其中，热蒸汽经由蒸汽管线被馈送入外部环形室内。然后，该材料到达内部空间，在此处通过第二螺旋传送器沿相反方向继续被输送到出口。
已知的方法和设备具有能量上不优化且结构相对复杂的缺点。
该文中，从EP 2177280已知用于有机基质的不连续水解的设备，其包括下面部件：
-用于接纳固体可漂浮有机基质的液体填充的预调节罐，其具有搅拌器和蒸汽分配单元，该有机基质实施成特定的喷射原料，以产生漂浮效果；
-从形成在表面上的浮袋获取有机基质的螺旋传送器，其具有一体的筛单元和用于滤液再循环的再循环管线；
-装料装置，其具有包含装料门的压力容器（吹枪）以及至水解器的附加阀控连接管线；
-输送泵，用于从预调节罐获取液体并将该液体馈送到装料装置；
-水解器，其具有进行热压水解的搅拌器；
-阀控减压单元，其具有压力挡板、旋流器；以及
-闪蒸罐，其具有一体的换热器。
从EP 2177280已知的设备尤其适于基质和具有一定液体含量或液体混合物的基质混合物的处理，其中，在对水解器装料之前通过冲洗或浮选分离可漂浮固体组分。缺点是由于在成浆工艺过程中固体组分不受控地吸收液体，不能可靠地补偿基质馈送。
本发明的目的是关于运行和能量管理优化相对干燥有机基质的水解的设备，同时仍然实现紧凑设计。
根据本发明，该目的通过提出一种传送装置来实现，该传送装置包括具有中空轴的螺旋传送器，来自蒸汽分离器的过热蒸汽被馈送入该中空轴，蒸汽分离器较佳地构造成旋流器，中空轴具有在有机基质的传送区域内、在加热区域内用于使有机基质直接受到热蒸汽的蒸汽出口。通过中空轴内的这些蒸汽出口，有机基质被有效地且均匀地暴露于之前已进入水解器的蒸汽，且通过使用来自蒸汽分离器的废蒸汽，节约了能源。
通过对螺旋传送器的加热区域具有至有机基质的收集容器的连接管线，该设备可进一步有利地优化，通过该连接管线，离开自加热区域的过热蒸汽被馈送入收集容器，并传递进入储料仓（如果设置的话）。
从操作技术上，设备可通过计量地添加工艺水来优化，根据本发明，用于工艺水的计量单元通入水解器的装料单元，以在进入水解器之前能对有机基质充分供水。为加热工艺水，设置了换热器，换热器与闪蒸罐热接触，由此允许利用闪蒸罐的废热。
本发明的方法中，在基质的一部分排出且减压之后不久，过热蒸汽从由热压水解处理的基质分离，并用于加热向水解过程馈送的有机基质，其中，分离的过热蒸汽被直接吹入螺旋传送器内，借助该螺旋传送器将有机基质输送到热压水解过程。
根据本发明，初始干燥的基质在螺旋传送器内吸收过热蒸汽的冷凝热，并被加热到70°C、较佳地加热到100°C，并被额外蒸汽加工，由此基质的表面结构软化且水被吸收。通过在蒸汽加工过程中螺旋传送器同时运动加强了介质之间的接触。
现将参考所附示意性附图来详细描述本发明。附图中：
图1示出根据本发明的用于较佳是固体有机基质的水解的设备；
图2是根据本发明的图1的设备的变型；
图3是图1和图2的设备的细节；
图4是根据本发明的图1的设备的另一变型。
图1所示的用于有机基质的水解的设备主要包括下面部件：
-用于接纳固体有机基质、例如切碎的稻草或贮藏的饲料的收集容器1，该收集容器具有用于基质的进口2和废蒸汽管线3；
-传送装置，诸如用于输送有机基质的螺旋传送器4，该传送装置具有加热单元5，经由管线6将来自蒸汽分离器14的过热蒸汽馈送到该加热单元；
-装料装置7，该装料装置具有压力容器8（吹枪）加上到水解器10的阀控装料端口9和到水解器10的阀控连接管线11；
-用于实施热压水解的水解器10，该水解器包括搅拌器23；
-减压单元12，该减压单元具有阀控压力挡板13、通向闪蒸罐15内的蒸汽分离器14（即旋流器）；
-用于水解器10的加热的单元16；
-闪蒸罐15，该闪蒸罐具有一体的换热器17。
螺旋传送器4经过加热单元5的闭合加热区域18，来自构造成旋流器的蒸汽分离器14的过热蒸汽经由蒸汽管线6馈送入该加热区域。
此外，螺旋传送器4的加热区域18可以设有到有机基质的收集容器1的连接管线19，从加热区域18离开的过热蒸汽通过该连接管线19流入收集容器1，并预热存储在那里的基质。
根据图3所述的本发明的细节，螺旋传送器4设有中空轴25，来自较佳地构造成旋流器的蒸汽分离器14的过热蒸汽经由管线6a被馈送到中空轴25。过热蒸汽也可通过蒸汽管线6被直接馈送入中空轴25（见图4）。在有机基质的传送区域中，中空轴25例如具有缝状蒸汽出口26，这将允许基质的有效的、均匀的蒸汽加工。
在螺旋传送器4的中空轴25的没入收集容器1内的端部处设有将过剩的过热蒸汽送入收集容器1的、优选为阀控的溢出口27。
工艺的说明
存在于收集容器1内的基质通常由呈短纤维形式或具有大至5cm颗粒大小的碎屑构成，通常为30%（例如贮藏的饲料）至90%（例如稻草）的干燥基质。
螺旋传送器4从收集容器1获取基质，并将基质输送到至水解器10的装料单元7。（以典型的填充度位于螺旋传送器4内的基质量实际上对应于水解器10的一批装料且同时对应于收集容器1的装填量）。
收集容器1和螺旋传送器4设计成使来自减压单元12的减压过程的过热蒸汽可经由加热单元5的分配和馈送装置、特别是中空轴25内的蒸汽出口而被直接馈送到容纳在此的基质。在蒸汽接触基质时发出的冷凝热将基质加热到100°C，通常加热到大于70°C。这将显著地降低达到水解器10的工作点、即到180°C所需的加热消耗。
基质的蒸发的另一积极效果是表面结构的软化和基质对水的吸收。湿润空气或残余蒸汽从加热区域18逸出到收集容器1或作为废气排出。
螺旋传送器4顺序将规定量的预热且湿润的基质输送到装料单元7的压力容器8内。当基质达所需填充度时，规定体积的工艺水经由计量单元被额外送入压力容器8，以实现足够水化基质混合物。为了降低水解器10所需的加热消耗，该工艺水通过闪蒸罐15中的换热器17被预加热到50°C至100°C之间。
这种类型的连续装料允许对馈送到水解器10的质量流进行精确地、与基质和工艺水分开地控制。这使得工作参数和系统通过量能够针对性地控制。
装料单元7的压力容器8被称为“吹枪”，即在填充有装料后，该容器通过关闭进气口相对于大气不透压力地封闭，并通过打开阀控连接管系11而置于与水解器10相同的系统压力。然后再次关闭连接管线11的阀。
压力容器8通过在水解器已经部分清空时出现的压力容器8与水解器10之间的压力差（通常1至2巴的压力差）经由阀控装料端口9循环地清空。如果要求，可通过将压缩空气引入压力容器来升高系统压力，以确保装料单元7的完全清空。
在通过“吹枪”填充水解器10之后，水解工艺将通过经由加热单元16连续加热且同时压力升高进行一定保持时间，例如30分钟到几个小时。
然后规定体积将通过系统过压排出，且通过减压单元12中的自发的减压和压力冲击来分解。
在一系列短循环中，例如每小时2至4循环将基质装料入水解器10内和从水解器10排出基质，每次循环仅包括水解器体积的一部分，例如10%至30%。用于反应器体积的一部分的、具有快速系列的装料和排放循环的特定运行方式之后被称为准连续。
准连续运行方式相比已知的连续或不连续工艺具有多种决定性的优点。
a)由于分批排放，压力挡板13可具有大直径，且通过量大，由此避免对挡板的磨损和损坏以及堵塞，这些情况通常发生在连续工艺中。
b)通过每次仅排出水解器体积的一部分，所有的基质以最大减压效果或所谓的“剧烈度”排放，致使基质最佳地分解。典型的在每个循环中反应器完全排空的不连续批工艺经受不可避免的少量分解的基质的残留（Schlupf），因为随着反应器排放的进行，驱动排放的系统过压将连续地降低。
c)典型的分批工艺由于其运行方式要求循环加热，这意味着高功率峰值和加热介质的不连续消耗。在水解器10的准连续工作中，加热功率将是永久恒定的，这将符合沼气厂的典型运行。
水解器10的加热通常通过蒸汽、热油或气体燃烧器来实现。在该系统与沼气工厂结合的热电联产（在结合的热和电力工厂CHP或类似的内燃机系统内产生电能和废热）（典型的工厂构造）的情形中，用于馈送来自热电联产的热废气的装置可用于直接加热分解器10。这将进一步实现系统的能量优化。
在离开水解器10之后继续分解或液化的基质进入旋流器14，在旋流器处气体组分（过热蒸汽）被分离，而液体/固体组分向下流入闪蒸罐15。
通过闪蒸罐15中的管壳式（双壳式）或排管式换热器17，将利用基质的高系统温度（约100°C），以例如对在压力容器8内用于增加液体的工艺水进行预热。
处理后的基质将通过适当的传送装置（例如浓稠物泵（Dickstoffpumpe，泥浆泵））从闪蒸罐15移走，以作进一步处理。
图2所示的本发明的变型中，储料仓21以及混合器24和传送器22设置在用于接纳有机基质的收集容器1前面。混合器24用于破坏会抑制基质进入传送器22的基质结块。混合器24的旋转运动还可优化将基质馈送到传送器内。
通过将废蒸汽管线3从收集容器1导入储料仓21，残余蒸汽可再次用于预热基质。此外，进入蒸汽的压力冲击将弄松料仓内的基质，这有助于避免基质形成结块。
根据图4的变型中，螺旋传送器4'的设有蒸汽孔26的中空轴25在其底端具有开关阀32，可通过蒸汽孔26进入中空轴25的固体或液体基质将通过该开关阀32去除。这将通过从蒸汽分离器14经由收集管线6导入的循环废蒸汽的输入来循环地完成。通过其过压，储存在中空轴25内的材料通过打开的开关阀32吹出，并可选地返回到收集容器1或储料仓21（这里未图示，见图2），或其它收集单元。通过此措施，避免中空轴25或其它蒸气出口26被基质颗粒堵塞。
此外，开关阀32允许用液态的清洁介质或压缩空气反流冲洗。开关阀32还可用于将过剩的工艺蒸气馈送入收集容器1或储料仓21中，并释放加热区域18内的过压。
诸如切碎的稻草或贮藏的饲料的松散基质可能具有非常低的堆积密度，这在螺旋传送器4或加热区域18内造成基质量将不足以用于装料单元7的完整一批装填，且不能实现管状加热区域18所期望的装填满。
为了避免该情形，螺旋传送器4'在收集容器区域中具有比在加热区域18中更大的直径，以使在到加热区域18的过渡区域内形成压实区28，在该压实区对输送的材料进行压实。传送器的螺杆螺纹例如以这样的方式变化，即螺杆的直径以在至加热区域18的过渡区域处以2:1的比率减少，由此在加热区域18内紧凑地填充螺杆螺纹。该紧凑过程不产生仅增加基质密度的过压。
实际试验已经显示在“大体积”纤维基质（尤其以低交换率）被放入装料单元7的压力容器8（吹枪）内的情形中，在排放之前，水解器10与吹枪8之间的压力均衡将不足以可靠地确保快速且完全地清空吹枪。
该问题可通过如下方式来解决：在装料单元7的压力容器8中设置可转动的清除螺杆29，该螺杆具有不阻碍填充过程的、沿压力容器8内壁的窄螺旋状金属带33。在水解器10的装料过程中，清除螺杆29借助传送单元向下转动，并致使粘结到压力容器8的整个壁区域的基质被刮去，因而，即使在系统过压较小，也轻快地向下运动，这保证了吹枪的快速和完全的清空。清除螺杆29本身不产生过压，即，它不是所谓的填料螺杆（Stopfschnecke），且该安装实施成防磨损和运行可靠的。
由于所要处理的基质大部分来自农业资源，但不能排除诸如石头或小金属块的重异物进入该系统。由于整个系统较佳地不设有前置的筛件或分离器，这些物质随时间将积聚在水解器10内，因为它们由于准连续部分装料或部分排放以及由于减压装置12的通常不在水解器底部附近的接头而不能排出。
为了避免可能造成损坏的沉淀物的形成，设置了用于这种异物的有效去除系统。较佳地，水解器10经由阀连接到沉淀物室30，该沉淀物室在去除过程中打开，并然后再次关闭。在压力与大气压均衡之后，沉淀物室30可通过第二阀门清空。由此，可在系统运行的同时去除沉积的异物。
从水解器10排放并被引入旋流器或蒸汽分离器14的基质的高温被用于预热工艺水或其它液体。在换热器17区域内的热传递可通过如下方式来优化，即，从旋流器14进入闪蒸罐15的热基质针对性地引入热传递表面，在该情形中优选地为容器壁。
这将较佳地通过蒸汽分离器14具有与柱形区域34邻接的内部锥体31来实现，该柱形区域与罐壁一起形成环形间隙，其中，减压装置12切向地通入蒸汽分离器14。具有中心出口的、用于旋流器的倒锥尖的典型结构（见图1）在此倒置，以使基质在锥体31的外周界处的环形间隙内向下流动。这良好地匹配对旋流器切向装料，该切向装料导致旋流器壁回转地装料有液态基质。在与闪蒸罐15内的其它材料混合之前，热基质直接沿换热器17的加热表面流动。

Claims (18)

1.用于固体有机基质的水解的设备，所述设备包括用于接纳有机基质的收集容器(1)和将所述有机基质输送到装料装置(7)的螺旋传送器(4')，所述装料装置用于使水解器(10)分批填充有所述有机基质，所述水解器(10)在输出侧具有减压单元(12)，所述减压单元具有阀控压力挡板(13)和设置在闪蒸罐(15)上游的蒸汽分离器(14)，其特征在于，所述螺旋传送器(4')设有中空轴(25)，来自蒸汽分离器(14)的过热蒸汽被馈送入所述中空轴(25)，在用于所述有机基质的传送区域内，所述中空轴(25)于加热区域(18)内具有用于使所述有机基质直接加载有过热蒸汽的蒸汽出口(26)，并且，在所述中空轴(25)的端部处设有开关阀(32)，通过所述蒸汽出口(26)进入所述中空轴(25)的基质通过所述开关阀(32)来去除。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固体有机基质是能源作物和植物废料。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述蒸汽分离器构造成旋流器。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述中空轴(25)的没入所述收集容器(1)的端部处设有阀控的溢出口(27)，从而将过热蒸汽直接送入所述收集容器(1)。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述螺旋传送器(4')的所述加热区域(18)具有到用于所述有机基质的所述收集容器(1)的连接管线(19)，从所述加热区域(18)离开的过热蒸汽通过所述连接管线(19)流入所述收集容器(1)。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述螺旋传送器(4')在所述收集容器(1)区域内具有比在所述加热区域(18)内大的直径，以使在到所述加热区域(18)的过渡区域处形成压实区(28)，在所述压实区(28)内对输送的材料进行压实。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，用于工艺水的计量单元(20)通入所述水解器(10)的所述装料单元(7)，所述工艺水用于在所述有机基质进入所述水解器(10)之前对所述有机基质充分供水。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，为加热所述工艺水，设有换热器(17)，所述换热器(17)与所述闪蒸罐(15)热接触。
9.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述蒸汽分离器(14)具有与柱形区域(33)邻接的内部锥体(31)，所述柱形区域与容器壁一起形成环形间隙，所述减压单元(12)切向地通入所述蒸汽分离器(14)。
10.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，用于填充所述水解器(10)的所述装料单元(7)具有压力容器(8)，所述压力容器(8)除了至所述水解器(10)的阀控装料端口(9)之外，还具有阀控连接管线(11)，所述阀控连接管线用于建立与所述水解器(10)温度和压力的均衡。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，可转动的清除螺杆(29)设置在所述装料单元(7)的所述压力容器(8)内，所述可转动的清除螺杆具有不阻碍填充过程的、沿所述压力容器(8)内壁的窄螺旋形金属带(33)。
12.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述水解器(10)经由阀门连接到沉淀物室(30)，所述沉淀物室接纳从所述水解器(10)去除的异物。
13.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，在用于接纳所述有机基质的所述收集容器(1)上游设有包括传送器(22)的储料仓(21)，其中，废蒸汽管线(3)从所述收集容器(1)引入所述储料仓(21)。
14.一种用于借助热压水解来对固体有机基质进行水解的方法，所述方法是由如权利要求1所述的设备进行的，其中，在基质的一部分排出之后不久通过减压将过热蒸汽从由热压水解处理的基质分离出，并且过热蒸汽用于加热向水解过程馈送的有机基质，其特征在于，分离的过热蒸汽被直接吹入螺旋传送器(4')的中空轴(25)内，借助所述螺旋传送器将所述有机基质输送到热压水解反应器。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，初始干燥的基质在所述螺旋传送器(4')上吸收来自过热蒸汽的冷凝热，并被蒸发和加热到70℃。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，初始干燥的基质在所述螺旋传送器(4')上吸收来自过热蒸汽的冷凝热，并被蒸发和加热到100℃。
17.如权利要求14至16中的任一项所述的方法，其特征在于，从所述基质压力释放时获得的热能的一部分用于预热工艺水，在热压水解之前，将规定量的工艺水配量给所述基质。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述固体有机基质是能源作物和植物废料。
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