CN105331376B - 基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器，微波反应器内设置有压力容器，压力容器与固液分离器连接，固液分离器出液端与储液罐连通，储液罐与厌氧发酵罐连接，厌氧发酵罐与储气罐连接，储液罐通过第二空气循环泵与压力容器连接。本发明还公开了基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法。本发明一方面使得脱水液达到循环利用的目的，另一方面将脱水液作为发酵底物，实现高效产沼。实现了新鲜生物质的高值化利用。实现了新鲜生物质的资源化和无害化。

Description

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置及方法

技术领域

本发明涉及新鲜生物质高值化处理领域，尤其涉及了基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，还涉及基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，适用于农林废弃物、畜禽废弃物和水生植物等新鲜生物质。

背景技术

我国是一个发展中国家，也是一个农业大国，生物质资源储量非常的丰富。但是很多生物质资源视为是一种垃圾，有些虽然被利用，也只是简单的燃烧，利用率非常的低。直到近几年生物质的利用才被逐渐的重视，它有许多的利用价值：首先，生物质本身是低硫、低氮、低灰分的一种物质；其次，众多的可再生能源里面，生物质可以转化为液体燃料。在世界的能源消耗里面，生物质能就占了15%～18%，与天然气、煤炭和石油相比居第四位，由此可见，在能源原料里，生物质能的潜力非常的大。更重要的是，作为一种能源，生物质可以实现碳的零排放，生物质在利用时排放出来的二氧化碳，跟生物生长发育过程中从自然中吸收来的二氧化碳是等价的。这就可以有效的解决燃烧化石燃料所带来的环境污染问题。生物质包含的种类非常的多，例如林业、农业等资源，禽畜的粪便，还有城市、工业和商业中的垃圾以及一些有机废弃物。而在我国，每年可供开采的生物质能源大约相当于6.56亿吨标准煤，如何利用好这部分资源是个亟待解决的问题，这不但可以解决我国的能源短缺问题，也可以有效的解决我国的环境污染问题。为了使生物质清洁无污染转化成为我们需要的能源，燃烧、热解、发酵和水解等技术先后被开发使用。在近几年，水热技术以其独有的特点吸引了无数研究者的目光，成为研究人员关注的焦点。水热技术的定义非常的简单，首先温度和压力是一定的，然后在反应过程中要有生物质和水的参与，最后得到的产物包括气体、液体和固体，操作参数不同，产物的产率比也会不相同，生物质水热液化、生物质水热气化、生物质水热碳化这三种对生物质水热技术的分类也是由此而来。

我国可以开发利用的生物质资源有农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、生活污水污泥、水生植物和能源植物。新鲜生物质一般具有较高的含水量，木质纤维类生物质含水率约在8～23％(湿基)，水生生物质，如水葫芦、浮萍、浒苔等含水量更大，其中水葫芦含水量高达95%左右，畜禽粪便的含水量约为60%—90%。因此，较高的含水量、单位质量的发热量低、高额操作成本以及处理工艺的复杂程度等问题制约了含水率较高生物质的资源化利用，如何针对含水率较高生物质开发适宜的处理利用技术是十分必要的。因此，生物质水热碳化作为一种新型的生物质碳化技术被广泛展开，整个过程中含湿量这个参数没有任何的限制，对于干燥处理等操作是完全不需要的。将生物质与水按一定的比例完全混合放入反应器中，在一定的温度(180-250℃)，反应时间 (4-24 小时)， 和压力下 (14-276 bar) 进行的水热反应，主要得到固体产物水热炭。 该条件下所需要温度和压力都较低，条件相对温和。从能量密度上而言，水热炭品质接近于泥炭和褐煤，可作为复合固体燃料直接燃用，与热解焦炭相比， 发现水热炭有着较高的能量密度；在热解焦炭中残留着几乎 100% 的由灰分导致的金属盐， 而水热炭中灰分含量与原样相比仅为它的 40%，除此之外，水热炭还有着较高的热效率和低污染物排放等特点。除此之外，将原料经过一定的水热交联碳化处理后，可以得到尺寸均一、形貌较好的炭，通过合成改质可以作为高效稳定具有纳米尺度的碳功能材料，并广泛应用于电极材料、燃料电池等领域。

但是在较低的水热碳化温度下要保持较高的生物质水解速率以保证生物质的充分转化，对于新鲜生物质水热碳化合成碳基纳米材料工艺的实现十分重要，通过在水热碳化过程中引入微波场是一条可行途径。通常，液相产物中的水、糖类、醛类、酚类等各种极性分子的转动频率处在微波范围内，能吸收一定强度的微波，并在微波作用下使动能-微波能转化为热能，并快速、均匀地加热反应物，达到提高化学反应速率的目的。微波除了有热效应外还有非热效应，可以促进晶粒生长，加快化学反应，缩短水热碳化反应时间。生物质本身吸收微波能力较弱，但是随着热水解反应的进行其产生的中间产物具有很强的吸收微波能力，使得生物质也可以利用到微波快速加热的特点，达到快速分解目的。将微波引入到基于高含水生物质的水热碳化工艺中来，这对于实现高含水生物质的高效转化与产品高值化利用有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，还在于提供基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，采用畜禽废弃物、水生植物和农林废弃物资源为制备原料，使其解决畜禽废弃物处理过程中的效率低和二次污染、水生植物与新鲜农林废弃物中脱水带来的高额运行成本和能源的大量消耗，以及传统水热碳化处理中的离心脱水液难处理，最后通过离心分离方法制得高品质碳基纳米材料和固体生物燃料，同时根据微波反应温度，将液态产物进行资源化处理并达到高效产沼的目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器，微波反应器上设置有进料口和出气口，进料口设置有第一阀门，出气口设置有第二阀门，微波反应器内设置有压力容器，压力容器内设置有压力容器搅拌桨，压力容器分别与进料口和出气口连通，压力容器还通过第三阀门与固液分离器输入端连接，固液分离器出液端依次通过第一空气循环泵、第四阀门与储液罐连通，储液罐通过第六阀门与厌氧发酵罐连接，厌氧发酵罐通过第七阀门与储气罐连接，储液罐依次通过第五阀门、第二空气循环泵与压力容器连接，厌氧发酵罐内设置有厌氧发酵搅拌桨，厌氧发酵罐底部设置有第八阀门。

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，包括以下步骤：

步骤1、将新鲜生物质与水按质量比为1:（15～25）配比后作为原料，打开第一阀门将原料加入微波反应器的压力容器中，

新鲜生物质可选为：牛粪或水葫芦或麦秆或木屑，

步骤2、关闭第一阀门和第三阀门，启动微波反应器中的压力容器和用于搅拌微波反应器的压力容器中的原料的压力容器搅拌桨，设定微波反应器中的压力容器的反应温度180-260℃，压强为1.8 – 2.0MPa，反应时间为2-4小时，压力容器搅拌桨在反应过程中匀速转动，转速为500r/min～1500 r/min，微波反应器1的微波辐射频率为2000～3000MHz，输出功率为 2000～2500W，

反应结束后得到微波反应固液混合产物，打开第二阀门，释放微波反应器的压力容器中因反应产生的二氧化碳气体，

步骤3、

步骤3.1、若步骤2中的压力容器内的反应温度大于等于180℃且小于等于220℃，打开第三阀门将微波反应固液混合产物送入固液分离器进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门将液体产物通过第一空气循环泵泵入储液罐中，再打开第六阀门，使得储液罐中的液体产物输入到厌氧发酵罐中进行厌氧发酵， 得到沼气、料液和沉渣；

通过固液分离器得到的固体产物则直接进行烘干处理，作为固体生物燃料，

步骤3.2、若反应温度在大于220℃且小于等于260℃，打开第三阀门将微波反应固液混合产物送入固液分离器进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门将液体产物通过第一空气循环泵泵入储液罐中，再打开第五阀门，关闭第六阀门，将储液罐中的液体产物通过第二空气循环泵泵入微波反应器中的压力容器，液体产物作为催化剂提高微波反应器中的压力容器中下一次反应的反应速率，通过固液分离器后得到的固体产物通过溶剂分离法将中间相炭微球从中分离出。

如上所述的步骤3.1中厌氧发酵过程中，将沼气发酵微生物和液体产物按照质量比为3：（6～8）加入到厌氧发酵罐，厌氧发酵罐中的温度为55～57℃，采用间歇式搅拌，转速为120～150r/min，厌氧发酵罐中不断得到沼气，打开第七阀门使得厌氧发酵产生的沼气进入储气罐中进行储存，储气罐内的沼气进行脱硫后直接供给农户使用，再打开第八阀门，将厌氧发酵罐中厌氧发酵之后剩余的料液和沉渣排出厌氧发酵罐作为肥料。

如上所述的沼气发酵微生物通过以下方式获得，将猪粪与水混合得到猪粪混合物，猪粪混合物的干物质浓度为10%，猪粪混合物的的PH值为7.55，将猪粪混合物加入到厌氧发生器进行厌氧反应，厌氧反应的温度为54～56℃，厌氧发生器中水力停留时间为20天，经过20天厌氧反应发酵后得到的厌氧发酵混合物，厌氧发酵混合物的pH为7.58±0.05，悬浮固体物浓度为（4.5±0.25）%，将厌氧发酵混合物作为沼气发酵微生物。

如上所述的中间相炭微球通过以下步骤获得：

将固液分离器分离后得到的固体产物加入到质量百分比为20-40%的乙醇溶液，搅拌5-10min后真空过滤，得到滤饼，然后将滤饼再用质量百分比为20-40%的乙醇溶液在索氏抽提器中抽提至溶剂无色得到溶剂不溶物，将溶剂不溶物在70-90℃烘干5-7h后即得中间相炭微球。

本发明实现了新鲜生物质的高值化利用，与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1.本发明实现了离心脱水液的难处理问题，根据工艺参数将液体产物资源化利用，最大限度的节约水资源，一方面使得脱水液达到循环利用的目的，另一方面将脱水液作为发酵底物，实现高效产沼。

2.本发明实现了新鲜生物质的高值化利用，通过微波水热碳化这种生物质增值化处理方法，将新鲜生物质转化为具有高附加值的多功能炭基材料和固体生物燃料。

3.本发明实现了新鲜生物质的资源化和无害化，在优化的微波水热碳化技术中，畜禽废弃物中的病原微生物完全杀灭，有机有毒物质完全分解，同时将水生植物和农林废弃物变废为宝，这样既保证了原料的无害化处理，又保证了其资源化利用。

附图说明

图1 为本发明装置的结构示意图。

图2牛粪固体产物的x射线衍射光谱图。

图3（a）～图3（b）为牛粪为原料高温段微波水热反应分离获得的碳纳米微粒。图3（a）260℃，4h碳纳米颗粒扫描电镜图；图3（b）260℃，4h碳纳米颗粒透射电镜图。

图中： 1-微波反应器；1-1-压力容器搅拌桨；1-2压力容器；2-固液分离器；3-储液罐；4-厌氧发酵罐；4-1-厌氧发酵搅拌桨；5-储气罐；6-溶剂抽提器（索氏提取器）；V1-第一阀门；V2-第二阀门；V3-第三阀门；V4-第四阀门；V5-第五阀门；V6-第六阀门；V7-第七阀门；V8-第八阀门；P1-第一空气循环泵；P2-第二空气循环泵。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器1，微波反应器1上设置有进料口和出气口，进料口设置有第一阀门V1，出气口设置有第二阀门V2，微波反应器1内设置有压力容器1-2，压力容器1-2内设置有压力容器搅拌桨1-1，压力容器1-2分别与进料口和出气口连通，压力容器1-2还通过第三阀门V3与固液分离器2输入端连接，固液分离器2出液端依次通过第一空气循环泵P1、第四阀门V4与储液罐3连通，储液罐3通过第六阀门V6与厌氧发酵罐4连接，厌氧发酵罐4通过第七阀门V7与储气罐5连接，储液罐3依次通过第五阀门V5、第二空气循环泵P2与压力容器1-2连接，厌氧发酵罐4内设置有厌氧发酵搅拌桨4-1，厌氧发酵罐4底部设置有第八阀门V8。

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理工艺，包括以下步骤：

步骤1、取一定量的新鲜生物质，与水按设定比例配比后作为原料，打开第一阀门V1将原料加入图中1所示的微波反应器1的压力容器1-2中，确定新鲜生物质与水的质量比为1:（15～25）。

新鲜生物质可选为：牛粪；或水葫芦；或麦秆；或木屑。

步骤2、关闭第一阀门V1和第三阀门V3。启动微波反应器1中的压力容器1-2和用于搅拌微波反应器1的压力容器1-2中的原料的压力容器搅拌桨1-1，设定微波反应器1中的压力容器的反应温度180-260℃，压强为1.8 – 2.0MPa，反应时间为2-4小时，压力容器搅拌桨1-1在反应过程中保证匀速转动，转速为500r/min～1500 r/min。微波反应器1的微波辐射频率为2000～3000MHz，输出功率为 2000～2500W，微波可采用非脉冲连续自动变频控制。

反应结束后，打开第二阀门V2，释放微波反应器1的压力容器1-2中因反应产生的二氧化碳气体。反应后得到微波反应固液混合产物。

步骤3、

A.若步骤2中的压力容器1-2内的反应温度在大于等于180℃且小于等于220℃（—），打开第三阀门V3将微波反应固液混合产物送入固液分离器2进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器2后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门V4将液体产物通过第一空气循环泵P1泵入储液罐3中，再打开第六阀门V6，使得储液罐3中的液体产物输入到厌氧发酵罐4中进行厌氧发酵，通过设置将沼气发酵微生物和液体产物按照质量比为3:7，沼气发酵微生物通过以下方式获得，将猪粪与水混合得到猪粪混合物，猪粪混合物的干物质浓度为10%，猪粪混合物的的PH值为7.55，将猪粪混合物加入到厌氧发生器进行厌氧反应，厌氧反应的温度为54～56℃，厌氧发生器中水力停留时间为20天，经过20天厌氧反应发酵后得到的厌氧发酵混合物，厌氧发酵混合物的pH为7.58±0.05，悬浮固体物浓度为（4.5±0.25）%，将厌氧发酵混合物作为沼气发酵微生物。厌氧发生器可选用总体积为2m³，有效体积为1.6 m³的厌氧反应器。

厌氧发酵罐4中的温度为55~57℃，采用间歇式搅拌，转速为120~150r/min，不断得到沼气，打开第七阀门V7使得厌氧发酵产生的沼气进入储气罐5中进行储存，储气罐5内的沼气进行脱水脱硫后直接供给农户使用。再打开第八阀门V8，将厌氧发酵罐4中厌氧发酵之后剩余的料液和沉渣排出厌氧发酵罐4，这些沼液和沼渣将运往工厂肥料车间，作为肥料使用，直接应用于农田。通过固液分离器2得到的固体产物则直接进行烘干处理，作为高品质固体生物燃料。

B.若反应温度在大于220℃且小于等于260℃（二），打开第三阀门V3将微波反应固液混合产物送入固液分离器2进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器2后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门V4将液体产物通过第一空气循环泵P1泵入储液罐3中，再打开第五阀门V5，关闭第六阀门V6，将储液罐3中的液体产物通过第二空气循环泵P2泵入微波反应器1中的压力容器1-2，作为催化剂，提高微波反应器1中的压力容器1-2中下一次反应的反应速率，同时也实现物质的循环利用。通过固液分离器2后得到的固体产物通过溶剂分离法将中间相炭微球从中分离出，即将固液分离器2分离后得到的固体产物加入到质量百分比为20-40%的乙醇溶液，搅拌5-10min后真空过滤，得到滤饼，然后将滤饼再用质量百分比为20-40%的乙醇溶液在索氏抽提器中抽提至溶剂无色得到溶剂不溶物，将溶剂不溶物在70-90℃烘干5-7h后即得中间相炭微球，中间相炭微球可以解决倍率充放电问题，广泛应用于航模、电动工具、动力电池等领域。

实施例2

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器1，微波反应器1上设置有进料口和出气口，进料口设置有第一阀门V1，出气口设置有第二阀门V2，微波反应器1内设置有压力容器1-2，压力容器1-2内设置有压力容器搅拌桨1-1，压力容器1-2分别与进料口和出气口连通，压力容器1-2还通过第三阀门V3与固液分离器2输入端连接，固液分离器2出液端依次通过第一空气循环泵P1、第四阀门V4与储液罐3连通，储液罐3通过第六阀门V6与厌氧发酵罐4连接，厌氧发酵罐4通过第七阀门V7与储气罐5连接，储液罐3依次通过第五阀门V5、第二空气循环泵P2与压力容器1-2连接，厌氧发酵罐4内设置有厌氧发酵搅拌桨4-1，厌氧发酵罐4底部设置有第八阀门V8。

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理工艺，包括以下步骤：

步骤1、取一定量的新鲜生物质，与水按设定比例配比后作为原料，,打开第一阀门V1将原料加入图中1所示的微波反应器1的压力容器1-2中，确定新鲜生物质与水的质量比为1:15。

新鲜生物质可选为：麦秆

步骤2、关闭第一阀门V1和第三阀门V3。启动微波反应器1中的压力容器和用于搅拌微波反应器1的压力容器中的原料的压力容器搅拌桨1-1，设定微波反应器1中的压力容器的反应温度180℃，压强为1.8 MPa，反应时间为2小时，压力容器搅拌桨1-1在反应过程中保证匀速转动，转速为500r/min。微波反应器1的微波辐射频率为2000MHz，输出功率为2000W。

反应结束后，打开第二阀门V2，释放微波反应器1的压力容器中因反应产生的二氧化碳气体。反应后得到微波反应固液混合产物。

步骤3、

打开第三阀门V3将微波反应固液混合产物送入固液分离器2进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器2后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门V4将液体产物通过第一空气循环泵P1泵入储液罐3中，再打开第六阀门V6，使得储液罐3中的液体产物输入到厌氧发酵罐4中进行厌氧发酵，通过设置将沼气发酵微生物和液体产物按照质量比为3:7，沼气发酵微生物通过以下方式获得，将猪粪与水混合得到猪粪混合物，猪粪混合物的干物质浓度为10%，猪粪混合物的的PH值为7.55，将猪粪混合物加入到厌氧发生器进行厌氧反应，厌氧反应的温度为54～56℃，厌氧发生器中水力停留时间为20天，经过20天厌氧反应发酵后得到的厌氧发酵混合物，厌氧发酵混合物的pH为7.58±0.05，悬浮固体物浓度为（4.5±0.25）%，将厌氧发酵混合物作为沼气发酵微生物。厌氧发生器可选用总体积为2m³，有效体积为1.6 m³的厌氧反应器。

厌氧发酵罐4中的温度为55℃，采用间歇式搅拌，转速为120r/min，不断得到沼气，打开第七阀门V7使得厌氧发酵产生的沼气进入储气罐5中进行储存，储气罐5内的沼气进行脱水脱硫后直接供给农户使用。再打开第八阀门V8，将厌氧发酵罐4中厌氧发酵之后剩余的料液和沉渣排出厌氧发酵罐4，这些沼液和沼渣将运往工厂肥料车间，作为肥料使用，直接应用于农田。通过固液分离器2得到的固体产物则直接进行烘干处理，作为高品质固体生物燃料。

反应结束后，释放微波反应器1的压力容器1-2中因反应产生的二氧化碳气体，产率可以达到8～12%左右。反应后得到微波反应固液混合产物，通过固液分离器2得到的液体产物产率为38～42%左右，干燥后的固体生物燃料的产率为48~51%。液体产物经检测含有大量的糖类物质，液体产物在厌氧发酵罐4中进行厌氧发酵后沼气中最高产甲烷含量为60%~73.5%。固体生物燃料质量产率在压力容器的反应温度180℃条件下可以达到48~51%，固体生物燃料的能量产率为54~55%，固体生物燃料的能量产率都高于质量产率，表明有着较高的能量密度，此外，固体生物燃料的热值可以达到16MJ/Kg。

实施例3

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器1，微波反应器1上设置有进料口和出气口，进料口设置有第一阀门V1，出气口设置有第二阀门V2，微波反应器1内设置有压力容器1-2，压力容器1-2内设置有压力容器搅拌桨1-1，压力容器1-2分别与进料口和出气口连通，压力容器1-2还通过第三阀门V3与固液分离器2输入端连接，固液分离器2出液端依次通过第一空气循环泵P1、第四阀门V4与储液罐3连通，储液罐3通过第六阀门V6与厌氧发酵罐4连接，厌氧发酵罐4通过第七阀门V7与储气罐5连接，储液罐3依次通过第五阀门V5、第二空气循环泵P2与压力容器1-2连接，厌氧发酵罐4内设置有厌氧发酵搅拌桨4-1，厌氧发酵罐4底部设置有第八阀门V8。

基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理工艺，包括以下步骤：

步骤1、取一定量的新鲜生物质，与水按设定比例配比后作为原料，,打开第一阀门V1将原料加入图中1所示的微波反应器1的压力容器1-2中，确定新鲜生物质与水的质量比为1:25。

新鲜生物质可选为：牛粪。

步骤2、关闭第一阀门V1和第三阀门V3。启动微波反应器1中的压力容器和用于搅拌微波反应器1的压力容器中的原料的压力容器搅拌桨1-1，设定微波反应器1中的压力容器的反应温度260℃，压强为2.0MPa，反应时间为4小时，压力容器搅拌桨1-1在加热过程中保证匀速转动，转速为1500 r/min。微波反应器1的微波辐射频率为3000MHz，功率为2500W。

反应结束后，打开第二阀门V2，释放微波反应器1的压力容器中因反应产生的二氧化碳气体。反应后得到微波反应固液混合产物。

步骤3、

打开第三阀门V3将微波反应固液混合产物送入固液分离器2进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器2后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门V4将液体产物通过第一空气循环泵P1泵入储液罐3中，再打开第五阀门V5，关闭第六阀门V6，将储液罐3中的液体产物通过第二空气循环泵P2泵入微波反应器1中的压力容器1-2，作为催化剂，提高微波反应器1中的压力容器1-2中下一次反应的反应速率，同时也实现物质的循环利用。通过固液分离器2后得到的固体产物通过溶剂分离法将中间相炭微球从中分离出，即将固液分离器2分离后得到的固体产物加入到质量百分比为20-40%的乙醇溶液，搅拌5-10min后真空过滤，得到滤饼，然后将滤饼再用质量百分比为20-40%的乙醇溶液在索氏抽提器中抽提至溶剂无色得到溶剂不溶物，将溶剂不溶物在70-90℃烘干5-7h后即得中间相炭微球，中间相炭微球可以解决倍率充放电问题，广泛应用于航模、电动工具、动力电池等领域。

反应结束后，释放微波反应器1的压力容器1-2中因反应产生的二氧化碳气体，产率可以达到15%左右。反应后得到微波反应固液混合产物，通过固液分离器2得到的液体产物产率为40%左右，固体产物产率为45%左右，固体产物经溶剂抽提得到的中间相炭微球的产率为38%左右。液体产物经检测含有醛类、酮类和酚类物质。固体产物经X射线衍射仪分析表现出了以石墨状微晶结构为基础的无定形碳结构（图2），通过扫描电镜（如图3（a）所示）和透射电镜（如图3（b）所示）观察到固体产物焦炭以微球状结构为主。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理装置，包括微波反应器(1)，其特征在于，微波反应器(1)上设置有进料口和出气口，进料口设置有第一阀门(V1)，出气口设置有第二阀门(V2)，微波反应器(1)内设置有压力容器(1-2)，压力容器(1-2)内设置有压力容器搅拌桨(1-1)，压力容器(1-2)分别与进料口和出气口连通，压力容器(1-2)还通过第三阀门(V3)与固液分离器(2)输入端连接，固液分离器(2)出液端依次通过第一空气循环泵(P1)、第四阀门(V4)与储液罐(3)连通，储液罐(3)通过第六阀门(V6)与厌氧发酵罐(4)连接，厌氧发酵罐(4)通过第七阀门(V7)与储气罐(5)连接，储液罐(3)依次通过第五阀门(V5)、第二空气循环泵(P2)与压力容器(1-2)连接，厌氧发酵罐(4)内设置有厌氧发酵搅拌桨(4-1)，厌氧发酵罐(4)底部设置有第八阀门(V8)。

2.利用权利要求1所述装置进行基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将新鲜生物质与水按质量比为1:(15～25)配比后作为原料，打开第一阀门(V1)将原料加入微波反应器(1)的压力容器(1-2)中，

新鲜生物质为：牛粪或水葫芦或麦秆或木屑，

步骤2、关闭第一阀门(V1)和第三阀门(V3)，启动微波反应器(1)中的压力容器(1-2)和用于搅拌微波反应器(1)的压力容器(1-2)中的原料的压力容器搅拌桨(1-1)，设定微波反应器(1)中的压力容器的反应温度180-260℃，压强为1.8–2.0MPa，反应时间为2-4小时，压力容器搅拌桨(1-1)在反应过程中匀速转动，转速为500r/min～1500r/min，微波反应器(1)的微波辐射频率为2000～3000MHz，输出功率为2000～2500W，

反应结束后得到微波反应固液混合产物，打开第二阀门(V2)，释放微波反应器(1)的压力容器(1-2)中因反应产生的二氧化碳气体，

步骤3、

步骤3.1、若步骤2中的压力容器(1-2)内的反应温度大于等于180℃且小于等于220℃，打开第三阀门(V3)将微波反应固液混合产物送入固液分离器(2)进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器(2)后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门(V4)将液体产物通过第一空气循环泵(P1)泵入储液罐(3)中，再打开第六阀门(V6)，使得储液罐(3)中的液体产物输入到厌氧发酵罐(4)中进行厌氧发酵，得到沼气、料液和沉渣；

通过固液分离器(2)得到的固体产物则直接进行烘干处理，作为固体生物燃料，步骤3.2、若反应温度在大于220℃且小于等于260℃，打开第三阀门(V3)将微波反应固液混合产物送入固液分离器(2)进行分离，微波反应固液混合产物经过固液分离器(2)后得到液体产物和固体产物，打开第四阀门(V4)将液体产物通过第一空气循环泵(P1)泵入储液罐(3)中，再打开第五阀门(V5)，关闭第六阀门(V6)，将储液罐(3)中的液体产物通过第二空气循环泵(P2)泵入微波反应器(1)中的压力容器(1-2)，液体产物作为催化剂提高微波反应器(1)中的压力容器(1-2)中下一次反应的反应速率，通过固液分离器(2)后得到的固体产物通过溶剂分离法将中间相炭微球从中分离出。

3.根据权利要求2所述的基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，其特征在于，所述的步骤3.1中厌氧发酵过程中，将沼气发酵微生物和液体产物按照质量比为3：(6～8)加入到厌氧发酵罐(4)，厌氧发酵罐(4)中的温度为55～57℃，采用间歇式搅拌，转速为120～150r/min，厌氧发酵罐(4)中不断得到沼气，打开第七阀门(V7)使得厌氧发酵产生的沼气进入储气罐(5)中进行储存，储气罐(5)内的沼气进行脱硫后直接供给农户使用，再打开第八阀门(V8)，将厌氧发酵罐(4)中厌氧发酵之后剩余的料液和沉渣排出厌氧发酵罐(4)作为肥料。

4.根据权利要求3所述的基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，其特征在于，所述的沼气发酵微生物通过以下方式获得，将猪粪与水混合得到猪粪混合物，猪粪混合物的干物质浓度为10％，猪粪混合物的的pH值为7.55，将猪粪混合物加入到厌氧发生器进行厌氧反应，厌氧反应的温度为54～56℃，厌氧发生器中水力停留时间为20天，经过20天厌氧反应发酵后得到的厌氧发酵混合物，厌氧发酵混合物的pH为7.58±0.05，悬浮固体物浓度为4.25％-4.75％，将厌氧发酵混合物作为沼气发酵微生物。

5.根据权利要求2所述的基于微波水热碳化的新鲜生物质高值化处理方法，其特征在于，所述的中间相炭微球通过以下步骤获得：

将固液分离器(2)分离后得到的固体产物加入到质量百分比为20-40％的乙醇溶液，搅拌5-10min后真空过滤，得到滤饼，然后将滤饼再用质量百分比为20-40％的乙醇溶液在索氏抽提器中抽提至溶剂无色得到溶剂不溶物，将溶剂不溶物在70-90℃烘干5-7h后即得中间相炭微球。