CN105668892A - 草浆黑液处理装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种草浆黑液能源化利用的可燃气制备耦合焦炭快速生成装置，并提供利用这种装置的方法。本发明采用草浆黑液高效、低成本、快速分筛途径使得草浆黑液一体化转变为液体原料和固体原料。液体原料采用可燃气制备技术，可燃气制备炉以农业秸秆废弃物燃烧热量为热源，可燃气制备前的液体原料利用其可燃气制备反应余热及造纸工业余热实现两级梯级预热，可燃气制备产物的显热用于供给焦炭生成炉所需部分热量和固体原料的干燥预处理环节所需全部热量，可燃气制备炉制备的气体产物经增压后收集储存；固体原料采用焦炭快速生成技术，制焦转化前的固体原料经干燥预处理后输送至焦炭生成炉，焦炭生成炉以可燃气制备反应余热和自产可燃气为热源。
Description
技术领域
本发明涉及一种草浆黑液能源化利用装置及其方法。
背景技术
传统草浆黑液处理方式是采用碱回收炉燃烧，使草浆黑液中有机物的化学能转变为热能，将草浆黑液中钠转化为烧碱，该方法存在运行安全问题（燃烧过程中产生的硫和熔融碱盐）且能耗高（草浆黑液燃烧前的多级蒸发浓缩工艺耗费了大量的能量）。
20世纪80年代中期，美国夏威夷自然能源研究所首先提出了可燃气制备技术的完整概念。该技术是利用超常规状态下的水作为反应介质（通常反应温度在400~650℃，反应压力低于50MPa），生物质在超临界水中经历热解、水解、氧化、还原等一系列复杂热化学转化过程，主要的气体产物是H2、CO2、CO、CH4、C2~C4烷烃/烯烃等混合气体，而后气体产物通过分离和压缩等工业上成熟的化工过程获取高纯度的可燃气。在草浆黑液液体原料进行可燃气制备的研究中发现氢气产率和气化转化效率均较高，且草浆黑液中无机质（钠盐等）对有机质（木质素类为主）转化过程存在显著的催化促进作用。然而，木质素含量较高的原料在可燃气制备转化过程中易生成焦油，焦油对可燃气制备反应系统的正常运行存在安全隐患；草浆黑液中无机质含量较高（约占40%），无机质在传统反应系统中易沉淀、堵塞，危害有机质转化过程的顺利进行。因而可燃气制备技术的工业应用还不是很多，而且其自身也面临进一步降低能耗的问题。
在焦炭快速生成的研究中发现木质纤维素类有机质在高温、无氧或缺氧条件下热解转化为表面活性高、孔隙率及比表面积大的固体生物质焦，以及焦油和可燃气。生物质焦具有良好的物理吸附特性，被认为是优质的燃料和工业原料。木质纤维素类生物质主要有机组成包括木质素、纤维素和半纤维素，在热解过程中纤维素和半纤维素主要转化为挥发性物质，木质素主要转变为焦炭。木质纤维素类生物质中，木质素一般约占25%，因而木质纤维素类生物质的天然化学组成不
利于生物质焦高产量的实现。
发明内容
为了克服草浆黑液可燃气制备技术存在的对焦油和无机质含量要求高的缺点，本发明提出了一种可燃气制备耦合焦炭快速生成方法及其使用的装置。利用本方法和装置可以一体化处理草浆黑液，即将草浆黑液中多糖、有机酸、醇类等有机质的化学能转化为氢气等可燃气能源的同时获得高浓度碱液，并且将草浆黑液中木质素及其衍生物转变为生物质焦，从而实现草浆黑液资源安全、低能耗、高效的综合利用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种草浆黑液的处理装置，包括固-液两相分离器、液体原料集合池、第一热交换器、可燃气制备炉、碱回收装置、浓碱液集合池、气液分离器、可燃气高压罐、液体产物集合池、焦炭生成炉、第二热交换器；固-液两相分离器用于将草浆原料分筛成固体和液体，液体原料集合池的入口与固-液两相分离器的液体出口相连，液体原料集合池出口、第一热交换器、可燃气制备炉、碱回收装置入口依次相连，所述碱回收装置设有位于上部的气液混合出口和位于底部的碱液出口，碱回收装置的碱液出口与浓碱液集合池连接，从碱回收装置的气液混合出口排出的气液混合物依次对焦炭生成炉、第二热交换器进行加热后进入气液分离器的入口，气液分离器的气体出口与可燃气高压罐连接，气液分离器的液体出口连接到液体产物集合池，固-液两相分离器的固体出口依次与第二热交换器、焦炭生成炉连接。
进一步的，还包括第三热交换器，所述第三热交换器用于从第二热交换器流出的气液混合物与液体原料集合池内的液体交换热量。
进一步的，还包括隔膜式计量泵，草浆原料先流经隔膜式计量泵再进入固-液两相分离器。
进一步的，所述焦炭生成炉包括链条炉排，链条炉排用于将固-液两相分离器固体出口排出的固体送入焦炭生成炉中。
进一步的，所述固-液两相分离器通过滤芯来实现固液分离，所述滤芯为烧结式金属粉末滤芯，其孔隙大小为20~30μm。
进一步的，还包括背压阀和气体增压泵，背压阀设置于第二热交换器与气液分离器之间，气体增压泵设置于气液分离器与可燃气高压罐之间。
进一步的，还包括背压阀和气体增压泵，背压阀设置于第三热交换器与气液分离器之间，气体增压泵设置于气液分离器与可燃气高压罐之间。
本发明还公开了一种草浆黑液的处理方法，包括以下步骤：
（1）固液分离：将收集的草浆黑液原料通过固-液两相分离器分筛处理，草浆黑液中以木质素及其衍生物为主的固体原料和以多糖、有机酸、醇类等为主的液体原料被分离，液体原料经固-液两相分离器液体出口流入液体原料集合池中，固体原料在重力作用下由固-液两相分离器固体出口进入第二热交换器中；
（2）草浆黑液液体原料可燃气制备：液体原料集合池中的液体原料先经过热交换器进行预热，加热到60~80℃；预热后的液体原料进入可燃气制备炉进行可燃气制备，反应产物由可燃气制备炉下部排入碱回收装置；
（3）草浆黑液固体原料干燥：可燃气反应产物进入碱回收装置中，可燃气携带部分液体从气液混合出口排出，高浓度的碱液聚集在底部，从底部的碱液出口通往浓碱液集合池；从碱回收装置气液混合出口排出的气液混合物温度为500~550℃，压力为28~30MPa，依次送往焦炭生成炉和第二热交换器，用于干燥预处理经固-液两相分离器获得的固体原料，并提供焦炭生成炉运行所需的部分能量；
（4）气液分离：从第二热交换器流出的气液混合物送入气液分离器中进行气液分离，气体由增压泵送入可燃气高压罐，液体送入液体产物集合池；
（5）草浆黑液固体原料制焦：由草浆黑液固-液两相分离器获得的固体原料经第二热交换器干燥后直接送入焦炭生成炉进行制焦处理。
进一步的，所述的步骤（2）中可燃气制备炉的工作条件为：草浆黑液液体原料进料量1t/h，反应温度550~650℃，反应压力28~30MPa，反应时间1~2min。
进一步的，所述的步骤（5）中焦炭生成炉的工作条件为：反应炉内为缺氧条件，反应温度800~900℃，热解时间10~15min。
进一步的，所述的步骤（4）中从第二热交换器流出的气液混合物经过第三热交换器冷却后再进行气液分离，冷却液为液体原料集合池内的液体原料。
其中步骤（3）中固体原料干燥所需要的热量来自可燃气制备反应时产生的余热；步骤（4）中热交换器的冷却液采用草浆黑液液体原料；步骤（5）中焦炭生成炉所需要的热量部分来自于可燃气制备技术处理时产生的余热，即气液混合物通过焦炭生成炉带来的热能。焦炭生成炉燃烧所用的燃料可以直接使用本发明制备的可燃气，也可采用其他燃料。
液体原料集合池中的液体原料用于循环冷却可燃气制备产物的同时预热其本身；第一热交换器中的预热介质可以采用造纸工业余热，进一步降低了可燃气制备技术的能耗；碱回收装置可实现草浆黑液中碱液的回收；可燃气制备反应后产物温度很高（550~650℃），其所含热量依次提供给焦炭生成炉、第二热交换器、第三热交换器。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1.本发明利用可燃气制备耦合焦炭快速生成技术实现了草浆黑液资源的高效综合利用，整个转化过程中将低品位能量转变为高品位可燃气和焦炭燃料，可获得较高氢气产量和焦产率（分别达10mol/kg、0.3kg/kg），同时还可回收高浓度碱液。装置中除泵、仪表等消耗少量电能外，整体耗电量很低；
2.利用草浆黑液固-液两相分离器将草浆黑液分离为液体原料和固体原料，本发明分别对液体原料采用可燃气制备处理，对固体原料进行焦炭快速生成转化，该耦合处理工艺运行过程具有高安全性和高经济附加值；
3.造纸工业属于高能耗行业，使用本发明的方法可充分利用造纸工业余热（60~80℃），降低造纸企业能耗，提高能源利用率和企业利润率。
4.本发明的装置占地面积小，工艺流程紧凑，更为突出的优势是能耗成本低、附加值高、投资收回时间短，以日处理黑液300吨计算，本发明方法合计能耗成本为203万元/年（传统碱回收工艺为1533万元/年），可燃气和焦利润为4978.9万元/年（传统碱回收工艺为1538万元/年），投资回收时间为1.2年（传统碱回收工艺为3.2年）。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图中标号说明：1、隔膜式计量泵；2、固-液两相分离器；3、液体原料集合池；4、截止阀；5、柱塞式计量泵；6、第一热交换器；7、可燃气制备炉；8、炉内迂回式不锈钢特制换热管；9、碱回收装置；10、浓碱液集合池；11、焦炭生成炉；12、第二热交换器；13、第三热交换器；14、背压阀；15、气液分离器；16、气体增压泵；17、可燃气高压罐；18、液体产物集合池；19、链条炉排。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本草浆黑液的处理装置，包括隔膜式计量泵1、固-液两相分离器2、液体原料集合池3、截止阀4、柱塞式计量泵5、第一热交换器6、可燃气制备炉7、碱回收装置9、浓碱液集合池10、第三热交换器13、背压阀14、气液分离器15、气体增压泵16、可燃气高压罐17、液体产物集合池18、焦炭生成炉11、第二热交换器12；草浆黑液经隔膜计量泵1输送至草浆黑液固-液两相分离器2，固-液两相分离器2用于将草浆原料分筛成固体和液体，液体原料集合池3的入口与固-液两相分离器2的液体出口相连，液体原料集合池3出口、截止阀4、柱塞式计量泵5、第一热交换器6、可燃气制备炉7、碱回收装置9入口依次相连，可燃气制备炉7内设有炉内迂回式不锈钢特制换热管8，所述碱回收装置9设有位于上部的气液混合出口和位于底部的碱液出口，碱回收装置9的碱液出口与浓碱液集合池10连接，从碱回收装置的气液混合出口排出的气液混合物依次对焦炭生成炉11、第二热交换器12、第三热交换器13进行加热后进入背压阀14，再进入气液分离器15的入口，气液分离器15的气体出口与气体增压泵16、可燃气高压罐17连接，气液分离器15的液体出口连接到液体产物集合池18，固-液两相分离器2的固体出口依次与第二热交换器12、焦炭生成炉11连接，焦炭生成炉11包括链条炉排19，链条炉排19用于将从第二热交换器12预干燥的固体原理输送到焦炭生成炉11中。第二热交换器12用于对草浆黑液分离出的固体原料进行加热干燥，第三热交换器13用于气液混合物与液体原料集合池中的液体原料进行能量交换，气液混合物对液体原料进行预热，液体原料对气液混合物进行冷却。
实施例2
本草浆黑液的处理装置的方法，具体包括以下步骤：
从造纸厂收集来的草浆黑液经隔膜计量泵1（流量2t/h）输送至草浆黑液固-液两相分离器2（烧结式金属粉末滤芯孔隙为20~30μm），经其分筛处理后，草浆黑液分离为草浆黑液液体原料和草浆黑液固体原料。草浆黑液液体原料经两台柱塞式计量泵（每台流量为0.5t/h）给料，液体原料由热交换器6（预热介质利用60~80℃造纸工业热水余热）进行预热后，从可燃气制备炉7（草浆黑液液体原料进料量1t/h，反应温度550~650℃，反应压力28~30MPa，反应时间1~2min）的炉内迂回式不锈钢特制换热管8上部进入，从炉内迂回式不锈钢特制换热管8下部流出至碱回收装置9。在碱回收装置9中，浓碱液由其底部的排碱管路排至浓碱液集合池10，可燃气制备反应产物先引至焦炭生成炉用以补充固体原料制焦所需热能，而后流经第二热交换器12用于干燥预处理固体原料。从第二热交换器12流出的可燃气制备产物经过第三热交换器13，冷却介质循环采用液体原料集合池3中液体，冷却后，通过背压阀14泄压，再利用气-液分离器15分离气体和液体产物，气体产物经增压泵16增压后储存于可燃气高压罐17，液体产物则排至液体产物集合池18。而草浆黑液固体产物经草浆黑液固-液两相分离器2分离后因重力作用落至第二热交换器12，再由链条炉排19输送至焦炭生成炉11中进行制焦处理，反应炉内为缺氧条件，反应温度800~900℃，热解时间10~15min。
Claims (10)
1.一种草浆黑液的处理装置，包括固-液两相分离器、液体原料集合池、第一热交换器、可燃气制备炉、碱回收装置、浓碱液集合池、气液分离器、可燃气高压罐、液体产物集合池、焦炭生成炉、第二热交换器；固-液两相分离器用于将草浆原料分筛成固体和液体，液体原料集合池的入口与固-液两相分离器的液体出口相连，液体原料集合池出口、第一热交换器、可燃气制备炉、碱回收装置入口依次相连，所述碱回收装置设有位于上部的气液混合出口和位于底部的碱液出口，碱回收装置的碱液出口与浓碱液集合池连接，从碱回收装置的气液混合出口排出的气液混合物依次对焦炭生成炉、第二热交换器进行加热后进入气液分离器的入口，气液分离器的气体出口与可燃气高压罐连接，气液分离器的液体出口连接到液体产物集合池，固-液两相分离器的固体出口依次与第二热交换器、焦炭生成炉连接。
2.如权利要求1所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：还包括第三热交换器，所述第三热交换器用于从第二热交换器流出的气液混合物与液体原料集合池内的液体交换热量。
3.如权利要求1所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：还包括隔膜式计量泵，草浆原料先流经隔膜式计量泵再进入固-液两相分离器。
4.如权利要求1所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：所述焦炭生成炉包括链条炉排，链条炉排用于将固-液两相分离器固体出口排出的固体送入焦炭生成炉中。
5.如权利要求1-4中任一项所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：所述固-液两相分离器通过滤芯来实现固液分离，所述滤芯为烧结式金属粉末滤芯，其孔隙大小为20~30μm。
6.如权利要求1、3或4中任一项所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：还包括背压阀和气体增压泵，背压阀设置于第二热交换器与气液分离器之间，气体增压泵设置于气液分离器与可燃气高压罐之间。
7.如权利要求2所述的草浆黑液的处理装置，其特征在于：还包括背压阀和气体增压泵，背压阀设置于第三热交换器与气液分离器之间，气体增压泵设置于气液分离器与可燃气高压罐之间。
8.一种草浆黑液的处理方法，包括以下步骤：
（1）固液分离：将收集的草浆黑液原料通过固-液两相分离器分筛处理，草浆黑液中以木质素及其衍生物为主的固体原料和以多糖、有机酸、醇类等为主的液体原料被分离，液体原料经固-液两相分离器液体出口流入液体原料集合池中，固体原料在重力作用下由固-液两相分离器固体出口进入第二热交换器中；
（2）草浆黑液液体原料可燃气制备：液体原料集合池中的液体原料先经过热交换器进行预热，加热到60~80℃；预热后的液体原料进入可燃气制备炉进行可燃气制备，反应产物由可燃气制备炉下部排入碱回收装置；
（3）草浆黑液固体原料干燥：可燃气反应产物进入碱回收装置中，可燃气携带部分液体从气液混合出口排出，高浓度的碱液聚集在底部，从底部的碱液出口通往浓碱液集合池；从碱回收装置气液混合出口排出的气液混合物温度为500~550℃，压力为28~30MPa，依次送往焦炭生成炉和第二热交换器，用于干燥预处理经固-液两相分离器获得的固体原料，并提供焦炭生成炉运行所需的部分能量；
（4）气液分离：从第二热交换器流出的气液混合物送入气液分离器中进行气液分离，气体由增压泵送入可燃气高压罐，液体送入液体产物集合池；
（5）草浆黑液固体原料制焦：由草浆黑液固-液两相分离器获得的固体原料经第二热交换器干燥后直接送入焦炭生成炉进行制焦处理。
9.如权利要求6所述的草浆黑液的处理方法，其特征在于：所述的步骤（2）中可燃气制备炉的工作条件为：草浆黑液液体原料进料量1t/h，反应温度550~650℃，反应压力28~30MPa，反应时间1~2min。
10.如权利要求6所述的草浆黑液的处理方法，其特征在于：所述的步骤（5）中焦炭生成炉的工作条件为：反应炉内为缺氧条件，反应温度800~900℃，热解时间10~15min。
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