CN106118705B - 一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统及方法,通过设置两级预热器可以充分利用液化反应后的余热,进而降低反应系统的整体能耗。此外该系统通过固液分离器、气液分离器和离心机的联合作用可以连续、高效地实现液化产物的分离,无需额外的有机溶剂对生物油进行分离。相比其他水热液化系统,本发明系统运行费用低、产物分离彻底、系统连续性好,可以广泛应用于微藻水热液化生产生物油。
Description
【技术领域】
本发明属于生物质能源领域,涉及一种生物油的生产技术,特别涉及一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统及方法。
【背景技术】
微藻水热液化技术(简称HTL)是指利用热化学的方法,在有或无催化剂的作用下,在240~350℃,10~20MPa的液相水热条件下将微藻原料转化为生物质油的过程。HTL是一种非常具有发展前景的微藻制油技术,具有许多优势。首先,对比传统的热化学转化技术(如气化和热解),HTL能够直接将未经干燥的湿微藻(含水率为80~90wt%)转换成能量密集的生物质油,从而避免了干燥过程附加的高能量消耗,因此具有更低的能量消耗率,特别适合处理微藻等湿生物质。其次,HTL不仅可以将微藻中的油脂转化成生物质油,还可最大限度将微藻含有的蛋白质和糖类物质也转化成高热值的生物质油。同时微藻具有较高的生长速率、生长环境不占用耕地、较高的脂质含量,能够产生巨大的环境和经济效益。以微藻为原料的生物质液体燃料生产技术具备经济技术可行性,已成为该领域主要的发展趋势之一,它对于缓解环境污染,提高能源安全具有重要意义。
微藻水热液化技术还处于起步阶段,目前微藻液化研究主要集中在间歇式反映条件的研究,而连续式反应系统是微藻水热液化能够规模化利用的必然趋势。要想实现微藻水热液化技术的规模化利用还存在需要解决以下问题。首先,液化反应后的产品分为气相、液相、油相和固相,如何实现产物的经济高效分离是急需解决的关键问题。其次,需要降低连续式反应系统运行成本、提高能量效率;这需要充分回收水热液化反应后的余热,用反应后的余热来预热反应前的物料。目前国际上仅有少数关于微藻液化连续式装置的研究,国内在这方面的专利主要是间歇式反应装置的研究,水热液化连续式反应系统的研究还较少。已有的连续式反应装置还普遍存在系统整体能耗和环保性较差、产物的连续分离不够彻底、不能保证较高的生物油产率等问题。
目前还没有一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应装置能够有效地有效的解决上述问题。鉴于上述问题制约了微藻水热液化技术的发展,因此一些新型反应装置在不断研发之中。
【发明内容】
针对现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统及方法,以解决微藻水热液化制取生物油系统在系统整体能耗高和系统连续性运行上的问题。
本发明采用以下技术方案:
一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,包括进行水热液化反应的反应器、对物料进行预热的两级预热器,以及固液分离器、气液分离器、用于分离水相和油相的离心机和循环水回路;所述两级预热器包括一级预热器和二级预热器,依次连接在反应器物料入口;所述反应器的出口连接固液分离器,所述固液分离器设置有流体出口和残渣出口;所述流体出口与二级预热器连接,以对二级预热器内的物料进行预热;除去残渣后的高温高压流体经二级预热器降温后,经气液分离器分离为气相和液相,气液分离器的气相出口连接储气瓶,气液分离器的液相出口连接离心机入口,液相经离心机分离为水相和油相,水相经冷却后,存储在储液箱内,冷却释放的热量经循环水回路连接在一级预热器入口,用于对一级预热器内的物料进行预热。
所述循环水回路包括循环水泵和循环水箱,所述循环水泵的一端与冷却器循环水入口相连,所述循环水泵的另一端与循环水箱连接,所述循环水箱的另一端连接在一级预热器的循环水出口。
藻浆通过高压泵打入到一级预热器内。
在高压泵与一级预热器之间的管路上进一步连接有存储有氢气和一氧化碳的气瓶。
所述气瓶内的氢气和一氧化碳通过第一增压机打入到一级预热器内。
所述的二级预热器与气液分离器之间的管路上设置有背压阀,除去残渣后的高温高压流体经二级预热器降温后,通过背压阀进入到气液分离器内。
一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应方法,包括以下步骤:
(1)物料依次经一级预热和二级预热后,在反应器中继续加热到反应温度并进行水热液化反应;
(2)水热液化反应产生的产物经除渣后得到,高温高压流体,该高温高压流体对二级预热器内的物料进行预热而自身降温后,进行气液分离,分离出来的气相存储在储气瓶中,分离出来的液相经离心机分离为水相和油相,其中,油相存储在储油罐内,水相经冷却后存储在储液箱内,而冷却过程中释放的热量经循环水回路对一级预热器内的物料进行预热。
水热液化反应产生的残渣经固液分离器分离后,暂时储存在储渣箱,储渣箱定期排放反应残渣到澄清池中;当储渣箱排渣时,关闭储渣箱的进口阀门打开储渣箱的出口阀门,进行排渣,排渣完毕后关闭出口阀门打开进口阀门。
所述气液分离器的温度控制在水的饱和温度以下,确保水不会以蒸汽的形式混入气相中。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明通过设置两级预热器可以充分利用液化反应后的余热,进而降低反应系统的整体能耗。此外该系统通过固液分离器、气液分离器和离心机的联合作用可以连续、高效地实现液化产物的分离,无需额外的有机溶剂对生物油进行分离。相比其他水热液化系统,本发明系统运行费用低、产物分离彻底、系统连续性好,可以广泛应用于微藻水热液化生产生物油。
【附图说明】
图1是本发明反应系统的示意图。
图中:1、储料箱;2、粉碎机;3、高压泵;4、一级预热器;5、二级预热器;6、反应器;7、固液分离器;8、储渣箱;9、第二增压机;10、澄清池;11、储气瓶;12、储油罐;13储液箱;14、冷却器;15、循环水泵;16、离心机;17、气液分离器;18、背压阀;19、循环水箱;20、气瓶;21、第一增压机。
【具体实施方式】
本发明公开了一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,通过设置两级预热器可以充分利用液化反应后的余热,进而降低反应系统的整体能耗。此外该系统通过固液分离器、气液分离器和离心机的联合作用可以连续、高效地实现液化产物的分离,无需额外的有机溶剂对生物油进行分离。相比其他水热液化系统,本发明系统运行费用低、产物分离彻底、系统连续性好,可以广泛应用于微藻水热液化生产生物油。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
请参阅图1所示,本发明提供了一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,包括进行水热液化反应的反应器(6)、对物料进行预热的两级预热器,以及固液分离器(7)、气液分离器(17)、用于分离水相和油相的离心机(16)和循环水回路。
所述两级预热器包括一级预热器4和二级预热器5,藻浆经过粉碎机2粉碎后进入储料箱1,储料箱1的出口连接有高压泵3,高压泵3的出口连接在一级预热器4的入口位置,所述高压泵3用于将粉碎的藻浆打入到一级预热器4内。
在高压泵3与一级预热器4之间的管路上连接有存储有氢气和一氧化碳的气瓶20,所述气瓶20内的氢气和一氧化碳通过第一增压机21打入到一级预热器4内,与粉碎的藻浆一起进行预热。高压泵3能够泵入粉碎后的藻浆并精确地控制物料的加入量。此外,所述高压泵上设置有变频器,可以控制物料输送速率,进而控制物料在反应器中的停留时间。
所述一级预热器4和二级预热器5串联连接,其中,二级预热器5的出口连接在反应器6物料入口,物料在反应器内进行水热液化反应,所述反应器的6的出口连接固液分离器7的入口,所述固液分离器7底部设置有残渣出口,顶部设置有流体出口,水热液化反应产生的残渣通过残渣出口存储在储渣箱8,该储渣箱的入口和出口分别设置有入口阀门和出口阀门,所述出口阀门的另一端通入澄清池10。水热液化反应产生的残渣经固液分离器分离后,暂时储存在储渣箱8,储渣箱8定期排放反应残渣到澄清池10中;当储渣箱8排渣时,关闭储渣箱的进口阀门打开储渣箱的出口阀门,进行排渣,排渣完毕后关闭出口阀门打开进口阀门。所述储渣箱的容积远小于整个系统管道容积,因此储渣箱的排渣对于系统整体的压力影响不大,能够保证整个系统的平稳运行。
固液分离器7的流体出口与二级预热器5连接,以对二级预热器5内的物料进行预热;除去残渣后的高温高压流体经二级预热器降温后,通过背压阀18进入到气液分离器17内。所述气液分离器的底部设置有液体出口,顶部设置有气体出口,所述气体出口通过第二增压机9与储气瓶11连接,所述液体出口连接在离心机16的入口。固液分离器7可以及时分离出反应残留的固相,减少由反应残渣引起的设备管路堵塞和磨损。
所述离心机16的底部设置有水相出口,顶部设置油相出口,所述油相出口与储油罐的入口连接,所述水相出口与冷却器入口连接,气液分离器分离出来的液相经离心机分离为水相和油相,水相经冷却后,存储在储液箱内,可以充作微藻培育的营养液,冷却释放的热量经循环水回路连接在一级预热器入口,用于对一级预热器内的物料进行预热。所述气液分离器温度控制在水的饱和温度以下,确保水不会以蒸汽的形式混入气相中。
所述循环水回路包括循环水泵15和循环水箱19,所述循环水泵的一端与冷却器14循环水入口相连,所述循环水泵的另一端与循环水箱连接,所述循环水箱的另一端连接在一级预热器的循环水出口。
藻浆经过粉碎机2粉碎后进入储料箱1,然后物料由高压泵3泵入反应系统中,同时储存在气瓶20中的还原性气体(H2、CO)通过第一增压机21加到反应系统中,以改善生物油品质、提高生物油热值。反应物料经过两级预热器后进入反应器6中继续加热并发生反应,一级预热器4采用冷却水相的循环水来预热物料、二级预热器5采用反应后的高温流体来进一步加热物料。物料进入反应器6后进一步加温并进行水热液化反应。反应后的产物进入固液分离器7分离残渣,残渣被暂时储存在储渣箱8中,储渣箱8定期排放反应残渣到澄清池10中;当储渣箱8排渣时关闭进口阀门打开出口阀门进行排渣,排渣完毕后关闭出口阀门打开进口阀门。除去残渣后的高温高压流体进入二级预热器5来预热物料并降低流体温度。降温后的流体通过背压阀18进入气液分离器17进行气相的分离,分离后的气相经过第二增压机9直接输送到储气瓶11中;液相(水相和油相)出口与离心机16进口端相连。离心机16用于水相和油相的分离,分离出的油相储存在储油罐12中,循环水回路设有循环水泵15和循环水箱19,水相进入到冷却器14中通过循环水进行冷却,冷却后水相储存到储液箱13中。
本发明的有益效果包括:
1、两级预热器,一级预热器采用冷却器的循环水来预热物料、二级预热器采用反应后的高温流体来进一步加热物料;通过设置的两级预热器可以降低反应系统的整体能耗,进而降低反应装置的运行费用。
2、固液分离器、气液分离器和离心机的设置可以连续、高效地实现液化产物的分离,同时避免有机溶剂参与分离带来的能耗增加和污染。
3、固液分离器设置在反应器出口端,换热器进口端;这样可以及时分离出反应残留的固相,减少由反应残渣引起的设备管路堵塞和磨损。
4、通过第一增压机打入到反应系统内的氢气和一氧化碳,能够参与水热液化反应,可以改善生物油品质、提高生物油热值。
Claims (9)
1.一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:包括进行水热液化反应的反应器(6)、对物料进行预热的两级预热器,以及固液分离器(7)、气液分离器(17)、用于分离水相和油相的离心机(16)和循环水回路;所述两级预热器包括一级预热器和二级预热器,依次连接在反应器(6)物料入口;所述反应器(6)的出口连接固液分离器(7),所述固液分离器(7)设置有流体出口和残渣出口;所述流体出口与二级预热器连接,以对二级预热器内的物料进行预热;除去残渣后的高温高压流体经二级预热器降温后,经气液分离器(17)分离为气相和液相,气液分离器的气相出口连接储气瓶(11),气液分离器的液相出口连接离心机(16)入口,液相经离心机分离为水相和油相,水相经冷却后,存储在储液箱内,冷却释放的热量经循环水回路连接在一级预热器入口,用于对一级预热器内的物料进行预热;离心机分离出的水相经冷却释放的热量经循环水回路连接在一级预热器入口,二级预热器采用固液分离器分离出的高温高压流体来加热物料。
2.根据权利要求1所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:所述循环水回路包括循环水泵(15)和循环水箱(19),所述循环水泵的一端与冷却器(14)循环水入口相连,所述循环水泵的另一端与循环水箱连接,所述循环水箱的另一端连接在一级预热器的循环水出口。
3.根据权利要求1所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:藻浆通过高压泵打入到一级预热器内。
4.根据权利要求3所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:在高压泵(3)与一级预热器(4)之间的管路上进一步连接有存储有氢气和一氧化碳的气瓶(20)。
5.根据权利要求4所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:所述气瓶(20)内的氢气和一氧化碳通过第一增压机(21)打入到一级预热器(4)内。
6.根据权利要求1所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应系统,其特征在于:所述的二级预热器与气液分离器之间的管路上设置有背压阀(18),除去残渣后的高温高压流体经二级预热器降温后,通过背压阀(18)进入到气液分离器内。
7.一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)物料依次经一级预热和二级预热后,在反应器中继续加热到反应温度并进行水热液化反应;
(2)水热液化反应产生的产物经除渣后得到,高温高压流体,该高温高压流体对二级预热器内的物料进行预热而自身降温后,进行气液分离,分离出来的气相存储在储气瓶中,分离出来的液相经离心机分离为水相和油相,其中,油相存储在储油罐内,水相经冷却后存储在储液箱内,而冷却过程中释放的热量经循环水回路对一级预热器内的物料进行预热。
8.根据权利要求7所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应方法,其特征在于:水热液化反应产生的残渣经固液分离器分离后,暂时储存在储渣箱(8),储渣箱(8)定期排放反应残渣到澄清池(10)中;当储渣箱(8)排渣时,关闭储渣箱的进口阀门打开储渣箱的出口阀门,进行排渣,排渣完毕后关闭出口阀门打开进口阀门。
9.根据权利要求7所述的一种微藻水热液化制取生物油的连续式反应方法,其特征在于:所述气液分离器的温度控制在水的饱和温度以下,确保水不会以蒸汽的形式混入气相中。
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