CN105164065B - 用于预处理供转换成能量的生物质的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于有机材料，更具体的用于能量转换的生物质的预处理的方法和装置，其中所述方法包括使用预加热容器(4)的第一预加热步骤、使用水解反应器(5)的水解步骤和使用减压容器(6)的减压步骤，其中所述有机材料从预加热容器(4)到水解反应器(5)的转移通过重力和通过在反应器(5)中产生真空实现。该方法导致材料从预加热容器(4)非常快速地转移到反应器(5)。此外，反应器(5)的填充体积通过高频压力传感器和供给到反应器顶部的蒸汽(3A)供给控制，以便提供必要的液位上空间。本发明也描述用于执行所述方法的装置。

Description

用于预处理供转换成能量的生物质的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于热预处理有机材料，特别是用于生物能量转换的生物质的方法。此外，本发明包括一种用于生物质的热预处理的装置，所述装置包括一种用于把生物质从预加热容器输送到高压反应器而不使用泵，并且进一步输送到减压容器并然后输送到能量转换部的系统。

背景技术

在内部过程中，热能量仅用于输送生物质。该新系统在持续相当短的循环时间期间打开并实质上较好地利用了关于现有技术的反应器容积。该方法和装置省去了泵和水平仪的使用并且从而大大降低了成本以及减少了维护。该装置包括一种新系统，该新系统用于把新的生物质供给到改进能量回收的预加热容器。本发明的主要目标是减少用管道输送的量以及受到磨损的阀，并且也省去对用于在处理容器之间转移生物质或输出到下游能量转换部的泵的需要。

热水解和蒸汽喷发是一种分解生物质的已知方法，使得该生物质更好地适合于用于能量转换的生物过程，如例如对生物质的分解。使用高温对生物质的处理最经常通过在高压，通常为4-20巴(表压)下供给蒸汽而发生。这可以是需要能量的，特别是当生物质具有低干物质含量，诸如废水污泥时。为了减少对能量的需求，在该过程中尽可能多的回收热是重要的。通过首先对生物质脱水，在较高干物质含量条件下处理生物质也可以是有效的。具有高干物质含量的生物质很难在处理设备中输送。大尺寸和强大的解决方案是必需的。本发明仅使用热压力能量以用于输送生物质并因此在该系统中降低了堵塞或磨损的风险。

有数个描述热水解的不连续过程和连续过程的专利方法。生物质的不 连续处理产生可接受的杀菌和消毒，以能够记录在高温下所需的停留时间。这不同于不可以记录所有生物质已经在适当的温度下保持足够长的连续过程。生物质的加热应该随着新蒸汽的添加而发生。水解温度，生物质在该温度下处理的温度，通常可以与反应器中蒸汽的饱和压力相关。在热处理后，快速和完全的生物质减压对该过程的使用价值是重要的。随着快速的减压，当水变成蒸汽时，蒸汽喷发将在生物质中发生。因此，生物质被撕开并且实现了生物质的所需特性，如较小的颗粒尺寸、细胞膜的撕开和较低的粘度。

特别是，有两种已知的用于不连续热水解的方法。

WO96/09882(Solheim)描述了高效节能的过程，其中在物质泵送到数个并联反应器中的一个之前，生物质在来自于在预加热容器中的下游过程的再循环蒸汽的帮助下在预加热容器中预加热。该生物质是为加热而供给的新蒸汽并且在反应器中在指定的温度和压力下保持所需的时间。此后，反应器被压力缓解，并且蒸汽被引回到预加热容器以用于能量回收。当反应器中的压力已经下降所需的水平(通常2-4巴(绝压值))时，关闭从反应器返回到预加热容器的蒸汽。此后，生物质在低压(通常1.2巴(绝压值))下消散到减压容器中。关于此系统的优点是，在热水解结束后，此系统可以在相对低的压力下在减压容器中回收反应器中的大部分能量。在压力消散到减压容器之前在反应器中的减压被描述为在管系统中对减少反应器和减压容器之间的腐蚀问题是必需的。

与Solheim相比，US 6,966,989不使用预加热容器，但具有也作为预加热容器操作的并联的反应器。这被实现，因为在高压下的反应器通过让蒸汽进入在低压下的等待反应器而缓解。当这些反应器中的压力已经均衡时，蒸汽转移被关闭并且在反应器中水解的生物质被消散到低压减小容器中。未描述来自减压容器的能量回收。通过用来自第二反应器的蒸汽填充反应器，压力不减小并且因此能量回收不是最佳的。

对这两个系统，泵的使用是共同的。这限制了容量并导致反应器体积的利用率较差。本发明更好地利用反应器体积，因为填充在大尺寸的短管中的真空和重力的帮助下发生。这产生比使用泵通常快十倍的填充。在本 系统中反应器处于活动状态的总时间的一部分将由此比用于不连续水解的其它已知方法的时间更多。

通过此快速填充，控制该过程以在反应器中获得所需的水平是困难的。传统的水平测量仪器在此情况下经受相当大的过程噪声。大的控制阀也太慢而不能够控制此类快速填充过程。在本发明中，包括了一种方法以确保正确水平，该方法包括简单的几何限制和高频压力信号的分析。

在减压容器中的压力在某种程度上较低时，Solheim的能量效率在某种程度上高于的系统的能量效率。但是Solheim的减压容器中的压力从未低于预加热容器中所需的液体高度，这确保了通常为1.2-1.3巴的返回蒸汽的冷凝和能量回收。在来自预加热容器中的蒸汽相的减压容器的专用蒸汽返回管线和确保返回蒸汽的最佳冷凝的用于冷的新生物质的入口布置的帮助下，本发明改善了这种情况。减压容器中的压力以这种方式通常能够变得低至0.3-0.5巴，这导致能量回收增加和总蒸汽消耗量较低。

根据WO 03/043939已知的是一种用于通过使用热水解处理生物质的方法和装置。该生物质在预加热步骤中预加热，随后通过使用新蒸汽和来自减压容器的闪蒸蒸汽，该加热发生。

发明内容

关于本发明，上面提及的目标和优点通过用于预处理有机材料，特别是生物质以能量转换的方法而获得，所述方法包括使用预加热容器的第一预加热步骤、使用水解反应器的水解步骤和使用减压容器的减压步骤，

-将具有5％-40％，优选地10％-25％的干物质含量的有机材料供给至预加热容器，

-用来自减压容器的闪蒸蒸汽在预加热容器中加热有机材料，所述方法的特征在于，其包括以下另外的步骤：

-通过在水解反应器中供给冷水来在水解反应器中提供真空，打开预加热容器和反应器之间的供给阀，在真空和重力的帮助下将所加热的有机材料从预加热容器转移到反应器并且将此基本填满，

-在测量压力并分析反应器中的压力振荡以检测所述水平的敏感高频压力传感器的帮助下测量反应器中的压力，

-通过将蒸汽供给到反应器顶部，将剩余的有机材料从反应器再循环到预加热容器，直到压力传感器记录已经达到反应器中所需的水平，

-关闭反应器和预加热容器之间的供给阀，

-将新的有机材料供给至预加热容器，

-通过供给蒸汽在反应器中加热有机材料并在足够的持续时间内保持期望的温度，

开反应器和减压容器之间的吹阀(blow valve)并将所处理的有机材料从反应器转移到减压容器，并且获得作为反应器和减压容器之间的压力差结果的蒸汽喷发，

-经由蒸汽返回管线将在先前步骤中在蒸汽喷发中释放的闪蒸蒸汽转移至预加热容器中的液位以下并通过在预加热容器中的有机材料中的蒸汽冷凝回收热，

-关闭蒸汽返回管线并打开从减压容器到预加热容器中的液位上方的蒸汽返回管线，以进一步减小减压容器和预加热容器之间的超过预加热容器中的液柱表示的压力的压力差。

本发明也包括用于有机材料的热水解和蒸汽喷发的装置，包括与反应器连接的预加热容器和与反应器连接的减压容器，其特征在于，预加热容器或在与反应器相同的或与此平行的垂直轴向上，垂直地放置在反应器上方。

在下文中给出了所述方法和装置的另外的有利特征。

附图说明

参照附图，借助于具体化的示例，在下面将更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的装置的实施方案，该装置用于将有 机材料预处理至能量转换部；

图2示出了通过剩余的有机材料从反应器到预加热容器的返回的压力信号的示例；以及

图3示意性地示出了该顺序的示例。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的装置的实施方案，该装置用于预处理有机材料。

三个容器串联连接：预加热容器4、反应器5和减压容器6。预加热容器4和减压容器6的体积通常是反应器5的体积的两倍大。预加热容器4和反应器5可以直接地放置在彼此上方，以将管路减少到最少并使用重力用于将生物质从一个容器转移到另一个容器。可选地，预加热容器4可以基本上与反应器5的垂直轴线平行地放置。这些容器可以用阀隔开。将蒸汽供给至反应器5和减压容器6是可能的。从减压容器6到预加热容器4有两个蒸汽返回管线来回收通过热水解在反应器5中提供的热能量。从预加热容器到输出管线13有气体输出管以用于有机材料。分解有机材料的入口结构15处在预加热容器4中，并为预加热容器4提供大的表面区域。

有机材料1，例如具有5％-40％，优选地10％-25％的典型干物质含量的生物质可能地经由增大生物质和预加热容器4中的蒸汽之间的接触表面的入口结构15泵送到预加热容器4中，并且由通常为80℃-100℃的来自减压容器6的闪蒸蒸汽(flash steam)进行预加热。在充分的加热后，生物质随后被引导至反应器5。这在预加热容器4和反应器5之间的填充阀7打开之前，通过在反应器中产生真空来实现。该真空在生物质从反应器5到减压容器6先前排空之后，通过冷凝保留在反应器5中的蒸汽而产生。通过在反应器5的顶部注入冷水2A，发生蒸汽的冷凝。(通常，50升将能够冷凝所有蒸汽并产生完全真空)。预加热容器4可以或者在反应器5的垂直轴线上或者与其平行地直接地放置在反应器5上方。当填充阀7打开反应器5中的真空时，来自预加热容器4中的液柱的压力将引起生物质从预加热容器4到反应器5的非常快速的转移。通常的填充时间是10-180秒，优选地是20-40秒。这比其它已知的解决方案更快。传统地，控制阀和水平测量仪器用于控制反应器体积。就该设备来说，这对于此类快速填充是不可能的。在本发明中以不同的方式确保正确的水平。

反应器5被完全填充。这在原理上是不被期望的，因为必须有用于在反应器5中在随后加热生物质期间冷凝的新蒸汽的一定空间，通常为反应器体积的10％-30％。这在本发明中得到了解决，因为从预加热容器4到反应器5的填充管16在反应器内部的限定高度处结束。该高度在生物质加热开始之前，在反应器5中界定了期望的填充体积。在生物质上方的必要膨胀体积然后通过在反应器5的顶部处供给蒸汽3A来确保，同时预加热容器4和反应器5之间的填充阀7仍然打开时。因此，剩余的生物质在容器之间的填充阀7关闭之前，流回到预加热容器4中。

该体积可以可选地由侧面安装的阀和到预加热容器4的外部管线提供。

本发明使用于反应器5的水平控制的蒸汽的使用减至最小。当反应器5中的敏感的高频压力传感器(在附图中未示出)指示蒸汽从反应器流出并向上进入到填充管16中直到预加热容器4时，剩余的生物质离开反应器5并且填充阀7关闭。这当来自反应器5的蒸汽泡在填充管中冷凝并塌泡时，通过压力波动而检测到。与压力波动的分析相联系的压力在反应器中的高频记录用于确定所需的水平在反应器5中已经达到。以这种方式，在反应器5中省去了对复杂水平测量仪器的需要。

图2示出了在剩余的生物质从反应器5返回到预加热容器4的时的典型压力信号。当蒸汽加速生物质从反应器5进入到填充管16中时，压力在开始阶段(由图2中的I所示)快速地增加。污泥开始流回到预加热容器4。当生物质返回到预加热容器4时，压力更均匀地增加(由图2中的II所示)并且因为预计热容器4中的液位增加且反应器5中的液位降低，反应器和预加热容器之间的静压力升高。

当反应器5中的液位下沉到填充管16的端部时，来自反应器顶部的 蒸汽将向填充管上升到预加热容器。该蒸汽上升进入到较冷的生物质并且将冷凝。这产生较大的压力脉冲(由在图2中的III所示)。这些脉冲表明在生物质的加热可以开始之前，反应器5具有适当的液位。

通过把新蒸汽3B供给到反应器5，反应器5中的生物质加热到期望的水解压力，通常为3-16巴，优选地用于废水污泥和湿的有机废弃物的处理的3-7巴，优选地用于含有朊病毒的生物质的处理的10-12巴和优选地用于含有木质纤维素的生物质的处理的12-16巴，并且此后在该压力下保持预定的时间，通常为用于废水污泥和湿的有机废弃物的处理的20-30分钟，优选地用于含有朊病毒的生物质的处理的60-120分钟和优选地用于含有木质纤维素的生物质的处理的5-20分钟。此后，吹阀10打开且生物质从处于高压的反应器5被吹送到处于低压的减压容器6。因此，在生物质中蒸汽喷发发生。在减压容器6中的蒸汽喷发中释放的闪蒸蒸汽经由减压管9引回到预加热容器4中的液位以下。来自减压容器6的剩余热通过在预加热容器4中的生物质的蒸汽冷凝回收。

在反应器5已经排空后，吹阀10关闭且其为反应器5的新填充作准备。

关于一个反应器的系统的优点是，当反应器5填充有用于热水解的生物质时，可以使用预加热容器4和减压容器6用于其它目的。只要吹阀10一关闭且减压容器6和预加热容器4之间的压力经由蒸汽返回管线9处于平衡，这就关闭且蒸汽返回管线11从减压容器6打开到预加热容器4中的气相。因此，减压容器6和预加热容器4之间的压力差可以被减小超过预加热容器4中的液柱表示的压力，这给出典型的0.1-0.2巴的进一步减小。这意味着减压容器6中的压力和预加热容器4中的液位无关。减压容器6中的压力越低，从减压容器6流出的生物质的温度就越低。在与蒸汽返回管线11打开的同时，新生物质1被泵送到预热容器4的顶部中。该生物质是冷的，通常为5℃-40℃。预加热容器4中的蒸汽在新生物质上冷凝，该生物质被预加热并减小了预加热容器4中的压力且进一步减小减压容器6中的压力。对于最佳能量效率，这是一个重要功能。

为了最优化在新生物质上的蒸汽冷凝，入口结构15被放置在预加热 容器4中，入口结构15给予生物质与预加热容器4中的气体相的大的接触表面。入口结构15将生物质分解成薄膜碎片或束。

减压容器6中的水平必须在反应器5下一次排空之前充分地减小。这通过关闭蒸汽返回管线11和将新蒸汽3C填充到减压容器6的气体相而发生。当压力(通常为2-4巴)足以经由出口管13将所处理的生物质输送到期望的下游设备时，排出阀12打开且在排出阀12再次关闭之前，减压容器6中的水平被减小到所需的最低水平。

在反应器5中发生的热预处理期间形成的挥发性处理气体和惰性处理气体被释放。这些气体经由减压容器6输送到预加热容器4。处理气体必须从水解装置移除，以阻止积累和装置的效率降低。通常这些气体将经由排出管13传送到生物降解。

在新生物质供给至预加热容器4之前，来自预加热容器4的处理气体将经由处理气体管14引导至排出管13。当预加热容器4中的压力足够高，通常为2-4巴时，该处理气体管14打开。随着新蒸汽3C供给至减压容器6，所需的压力被达到。当处理气体已经由处理气体管14排出时，此关闭。蒸汽返回管线11关闭。

在反应器5到减压容器6的接下来排空之前，重要的是预加热容器4中的压力尽可能地低，以回收尽可能多的闪蒸蒸汽。这是通过将冷水2B喷入到预加热容器4中，通过预加热容器4中的蒸汽冷凝来实现。预加热容器4中的低压并且由此减压容器6中的低压导致来自减压容器6中的生物质的闪蒸蒸汽量增加，并且因此导致出口13中的生物质的最低的可能温度。

图3示意性地示出用于三个容器的典型顺序的示例。

Claims (10)

1.一种用于预处理有机材料的方法，所述有机材料用于转换能量，所述有机材料是生物质，所述方法包括使用预加热容器(4)的第一预加热步骤、使用水解反应器(5)的水解步骤和使用减压容器(6)的减压步骤，

-将具有5％-40％干物质含量的有机材料(1)供给至预加热容器(4)，

-用来自减压容器(6)的闪蒸蒸汽在所述预加热容器(4)中加热所述有机材料(1)，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过在所述水解反应器(5)中供给冷水(2A)来在所述水解反应器(5)中提供真空，打开在所述预加热容器(4)和所述水解反应器(5)之间的供给阀(7)，在真空和重力的帮助下将所加热的有机材料从所述预加热容器(4)转移到所述水解反应器(5)，并且将此基本填满，

-在敏感高频压力传感器的帮助下测量所述水解反应器(5)中的压力，所述敏感高频压力传感器测量所述水解反应器中的压力并分析压力振荡以检测水平，

-通过将蒸汽(3A)供给到所述水解反应器(5)顶部，将剩余的有机材料从所述水解反应器(5)再循环到所述预加热容器(4)，直到所述敏感高频压力传感器记录所述水解反应器(5)中所需的水平被达到为止，

-关闭所述水解反应器(5)和所述预加热容器(4)之间的所述供给阀(7)，

-将新的有机材料(1)供给至所述预加热容器(4)，

-通过供给新蒸汽(3B)在所述水解反应器(5)中加热所述有机材料并在足够的持续时间内保持期望的温度，

-打开所述水解反应器(5)和所述减压容器(6)之间的吹阀(10)并将所处理的有机材料从所述水解反应器(5)转移到所述减压容器(6)，并且获得作为所述水解反应器(5)和所述减压容器(6)之间的压力差结果的蒸汽喷发，

-经由蒸汽返回管线(9)将在先前步骤中在所述蒸汽喷发中释放的闪蒸蒸汽引导至所述预加热容器(4)中的液位以下并通过在所述预加热容器(4)中的所述有机材料中的蒸汽冷凝回收热量，

-关闭所述蒸汽返回管线(9)并打开从所述减压容器(6)到所述预加热容器(4)中的液位上方的蒸汽返回管线，以进一步减小所述减压容器(6)和所述预加热容器(4)之间的超过所述预加热容器(4)中的液柱表示的压力的压力差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其增大了供给至所述预加热容器(4)的有机材料(1)和所述预加热容器(4)中的蒸汽之间的接触表面。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述预加热容器(4)中的有机材料(1)被加热至80℃-100℃。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，通过对所述水解反应器(5)中的压力的高频记录结合压力振荡分析来检测所述水解反应器(5)中的液位。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过对所述水解反应器(5)中的压力的高频记录结合压力振荡分析来检测所述水解反应器(5)中的液位。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机材料(1)具有10％-25％的干物质含量。

7.一种用于实施根据权利要求1至6中的任一项所述的方法的装置，包括连接到水解反应器(5)的预加热容器(4)和与所述水解反应器(5)连接的减压容器(6)，

其特征在于，所述预加热容器(4)在与所述水解反应器(5)相同的垂直轴线上垂直地放置在所述水解反应器(5)上方。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，入口结构(15)放置在所述预加热容器(4)的入口处，这增大进入的有机材料(1)和所述预加热容器(4)中的蒸汽之间的接触表面。

9.根据权利要求7至8中的任一项所述的装置，其特征在于，所述预加热容器(4)经由安装有阀的管(16)与所述水解反应器(5)连接，所述管(16)在所述水解反应器(5)中向下突出一段距离，所述管(16)的下端部限定所述水解反应器(5)中的填充水平。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述管(16)在所述水解反应器(5)中垂直地向下突出或者通过所述水解反应器(5)的上部侧壁突出到所述水解反应器(5)中，所述管(16)的所述下端部和所述水解反应器(5)的底部之间的距离界定所述水解反应器(5)中的填充水平。