CN106536691A - 生物质的水热碳化方法及相关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于加热在工业处理路径中移动的生物质的方法，所述工业处理路径包括用于输入生物质的入口(1)、加热装置(4)和处理站(5)，由加热装置(4)加热的生物质的一部份经由返回支路(R)返回，一直到加热装置(4)上游的混合站(2)，以在此与该输入生物质构成温度高于该输入生物质的温度的混合物，该加热的生物质部份在处理站(5)的出口(51)处被提取。

Description

生物质的水热碳化方法及相关设备

技术领域

本发明涉及热及化学处理生物质的领域，所述生物质例如是来源于废水处理系统的污泥。

本发明更特别地涉及生物质的水热碳化方法以及用于实施这种方法的设备。

背景技术

在现有技术中已知典型地在于使生物质经受接近200℃的温度和接近20巴的压力的水热碳化方法。

专利EP 2 388 305 A2描述了一种设备，该设备包括生物质在其中循环的处理路径，这个路径尤其包括热交换器和反应器。热交换器被布置为借助于传递流体(fluide detransfert)在其中循环的传递线路来加热在该路径中循环的生物质。在此热交换器中预热之后，该生物质然后在反应器中碳化，在该反应器中生物质进行大约4小时的平均停留时间。

专利EP 2 388 305 A2也报道了试验结果，根据这些结果，诸如甘油的添加剂向生物质中的注入使得能够显著降低这种生物质的粘度并且显著促进反应器中包含生物质和添加剂的混合物的温度的升高。

这种水热碳化设备或方法具有多种缺点：

-反应器必须提供能量以提高生物质的温度，

-生物质在反应器中的停留时间意味着生物质在反应器中的搅拌，以确保热交换并且使加热均匀，

-反应器的加热表面与生物质之间的温度梯度促进了生物质的沉降，导致需要使用混合器-刮擦器来去除反应器内壁上的生物质沉积物，该混合器-刮擦器还意味着维护成本并且另外还构成了对人员存在风险的部件以及降低设备可行性的部件，

-在反应器中加热生物质所固有的停留时间限制了该设备可处理的生物质体积并且使得需要增加反应器的体积来处理更多的生物质，

-热交换器中生物质的温度提高受限于进入该设备中的生物质的相对高的粘度；作为示例，脱水污泥比水粘至少十倍，

-净化污泥类型的生物质的热特性需要高注入泵功率以及因此的高电能成本。

发明内容

本发明的目的尤其在于通过提供用于加热生物质的方法以及用于实施这种方法的设备来克服全部或者部分的这些缺点，从而优化热交换并且利用通过实施这种方法或者运行这种设备所产生的热能。

为此，本发明提供用于加热在工业处理路径(trajet)中移动的生物质的方法，所述工业处理路径包括用于输入生物质的入口、加热装置(moyen)和处理站(poste)，由加热装置加热的生物质的一部份经由返回支路返回，一直到加热装置上游的混合站，以在此与该输入生物质构成温度高于该输入生物质的温度的混合物，该加热的生物质部份在处理站的出口处被提取。

这种方法与不进行这种返回的方法相比使得能够降低加热装置上游的生物质的粘度。这导致该路径中的压降的减小以及在加热装置处的热交换的增益。结果是，生物质的温度得到更大的提高。

有利地，该生物质是净化污泥，优选脱水净化污泥，并且该处理是水热碳化。

实际上，净化污泥、尤其是脱水净化污泥具有相对差的热交换系数，也就是说不利于其温度的提高并且导致非常大的设备尺寸。根据本发明的方法使得能够改善这种污泥的交换系数。

根据一种特别有利的特性，借助于控制装置来控制加热装置，以使得生物质的温度在其到达处理站之前达到参数化的温度，该参数化的温度为165℃-205℃，优选185℃。

在此方式，生物质在其到达处理站时的温度是足够高的，尤其是当该处理是水热碳化时，以避免在处理站中必须进一步提高生物质的温度。这使得能够免除处理站的加热功能，并且因而消除由这种功能所导致的处理站中的温度梯度。因此，具有这种特性的方法使得能够限制由于生物质在处理站壁上的焙烧(或沉积)而造成的粘附，这种粘附或者沉积可导致处理站中的热交换中断。该方法还使得能够免除旨在限制这种粘附或沉积的任何装置或操作(例如，刮擦和/或混合操作)。

去除处理站的加热功能的另一个优点在于，对于给定量的待处理生物质来说，可减小处理站的体积，因为不再有任何与该加热功能相关的生物质在该处理站中的停留时间的需求。

根据本发明的第一变化形式，生物质在混合站和加热装置之间进行加压，并且该生物质部份的压力在返回支路中被降低。

在返回支路中循环的该生物质部份的减压在混合站中产生在输入生物质中传播的蒸汽并且随着其在加热输入生物质时的迁移而冷凝。在返回支路中循环的此生物质部份的蒸汽的冷凝由于混合站中的生物质处于大气压的影响下的事实而成为可能，该混合物在混合站下游的路径中加压。此外，由于减压产生的振动避免了位于混合站中的生物质的成拱作用，从而促进了混合。

根据本发明的一种特点，减压的该生物质部份与输入生物质经历机械混合操作(例如使用混合器)。这种操作进一步促进了混合。

有利地，根据在混合站中所包含的输入生物质的量来调节返回到混合站的该生物质部份的流量。

根据一种特点，控制该生物质部份的返回以使得这个部份只有在输入生物质存在于混合站中时才确实返回到混合站中。

根据本发明的第二变化形式，在混合站的上游使生物质加压，并且在返回支路中提高该部份的压力。

这种第二变化形式具有的优点是将该生物质部份返回到该路径中，同时将其与已经加压的输入生物质混合，从而避免使用用于降低返回支路中的该部份的压力的能量耗散器。

根据一种有利的特性，提高加热装置上游的生物质的压力，一直到使得能够将混合物加热到高于100℃的温度而无沸腾的数值。

根据另一种有利的特性，在加压泵出口处的压力大于3MPa。

这些特性使得能够受控提高生物质的温度。

有利地，根据本发明的第一变化形式，该路径还包括在处理站下游的冷却站，并且将传递流体在冷却站和加热装置之间的其路程中加热。

非常有利地，加热传递流体，一直到高于在处理站处的生物质温度的温度。在加热装置处传递的热量因而可将生物质在其到达处理站之前加热到所述参数化的温度。

根据一种非常有利的特性，使用同一外部热源来加热传递流体和载热流体(保证在处理站处的生物质温度的保持)。

有利地，该处部热源可由锅炉燃烧器构成。

根据本发明的第二有利变化形式，回收处理站下游的生物质的热量并且将这种回收的热量传递到处理站上游的生物质中。优选地，回收处理站下游的生物质的热量并且借助于离开处理站的生物质与在处理站上游的路径中循环的生物质之间的(直接或间接)热交换装置将这种回收的热量传递到处理站上游的生物质中。

根据本发明的一种有利特性，该方法包括在加热装置上游将添加剂注入到生物质中的步骤。

注入的添加剂可由任何能够分解有机物质的催化剂构成，例如酸如硫酸，或者如在专利EP 2 388 305 A2中所述的催化剂。

这个注入步骤还有助于降低生物质的粘度并且因而促进其温度的提高，并且还使得能够降低该路径中的积垢现象。

另外可选地，该注入步骤可在加热装置的下游或者加热装置内进行。

根据本发明的另一有利特性，借助于再循环支路提取处理站中的生物质的一部分，并且将这个部分返回到处理站中以产生生物质在处理站中的运动。

在处理站中的该生物质部分的这种提取和返回使得能够限制处理站中的生物质的粘附或沉积，并且免除旨在限制这种粘附或沉积的任何装置或操作。

有利地，该生物质部分以进入处理站的生物质流量的5至15倍的流量提取。

本发明还涉及用于实施根据刚刚描述的各种特性组合的方法的设备，这种设备包括工业处理路径，所述工业处理路径包括：

-布置用于使输入生物质进入该路径的入口，

-布置用于使生物质在该路径中移动的加压泵，

-能够加热生物质的加热装置，

-处理站，该处理站能够将生物质大致保持在进入处理站的温度，该处理站被安装在加热装置的下游，

-离开处理站的生物质与在处理站上游的路径中循环的生物质之间的至少间接热交换装置，

-返回支路，该返回支路能够将生物质的一部份从处理站的出口传送到混合站。

表述“至少间接”旨在表示间接或者直接热交换装置，正如在以下所述的实施模式中所示出的。

优选地，该设备还包括能够将添加剂注入到该路径中的注入装置。

根据一种有利的特性，该热交换装置包括：

-传递线路，传递流体在该传递线路中循环以在加热装置中通过传递流体与生物质之间的热交换来加热生物质，以及

-用于使传递流体循环的装置，优选泵，其能够使传递流体在传递线路中循环。

根据另一种有利的特性，该设备还包括外部热源，该外部热源被布置为加热传递流体以及在处理站的夹套中循环的载热流体。

根据再一种有利的特性，返回支路包括用于降低在返回支路中循环的生物质的压力的装置，优选减压器(détendeur)，例如隔膜或泵或阀类型的减压器。

非常有利地，生物质经由下部进入处理站并且经由上部离开处理站。

该设备可被布置为使得生物质经由下部进入处理站并且经由上部离开处理站。

生物质(尤其当其由净化污泥构成时)比环境水更为稠密。与已经溶解并且因而对于其来说碳化反应正在进行或者已经发生的部份相比，由未溶解的有机物质围绕的固体部份因而将由于重力作用而具有处于更低高度的倾向。与使生物质经由上部进入并且使其经由下部离开的设备相比，未碳化的生物质的一部份在处理站中的停留时间因而得到增加。

生物质在处理站中的停留时间的相对增加使得能够提高处理质量。

根据一种非常有利的特性，根据本发明的设备还包括再循环支路，该再循环支路被布置为提取处理站中的生物质的一部分并且使这个生物质部分返回到处理站。

非常有利地，处理站包括隔板，所述隔板被布置为将液体生物质的一部份传送到返回支路。

在返回支路中循环的该生物质部份中的矿物物质的存在因而受到限制，这降低了尤其是加压泵和加热装置的磨损所导致的损害风险。

根据一种有利的特性，处理站是机械被动的，也就是说它不包括刮擦器或混合器。

这些部件是对人员以及设备可用性存在风险的部件。

有利地，处理站是用于净化污泥的水热碳化反应器。

附图说明

通过阅读完全非限制性的实施方案和实施模式的详细描述以及以下的附图将更清楚本发明的其它优点和特点：

-图1是包括在混合站和加热装置之间的加压泵的本发明水热碳化设备的示意图，

-图2是包括在混合站上游的加压泵的本发明水热碳化设备的示意图，

-图3a、3b和3c是处理站的示意图，包括：

○虹吸管状隔板(图3a)，

○偏向器(图3b)，

○在顶部位置的再循环出口(图3c)，

-图4是包括直接热交换装置的本发明水热碳化设备的示意图。

具体实施方式

由于以下描述的实施模式是完全非限制性的，因此尤其可考虑本发明的变化形式，所述本发明的变化形式仅包括与其它描述的特性分开的所描述特性的选择(即使这种选择是从包含这些其它特性的语句内抽出的)，如果这种特性选择足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区别开来的话。这种选择包括至少一种特性，其优选是功能性的而无结构细节，或者仅仅具有一部分的结构细节，如果这唯一的部分足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区别开来的话。

图1示出了本发明的优选实施模式。

根据这种实施模式，根据本发明的设备包括生物质在其中循环的工业处理路径。

输入生物质如脱水净化污泥经由入口1进入该路径中，在其中输入生物质被引入到混合站2中。混合站2优选是封闭料斗(silo)，其能够在大气压下容纳几个立方米的生物质的量。

混合站2优选包括用于以生物质填充混合站2的供料泵(未示出)以及喂料(gavage)螺杆(未示出)，所述喂料螺杆被布置为把在混合站2中容纳的生物质引入到将混合站2连接到加热装置4的管道中，这个管道包括在混合站2和加热装置4之间的加压泵3。

加压泵3能够使生物质在该路径中循环。

更特别地，加压泵3是以下类型的泵：所述泵能够将泵3的出口处的生物质压力提高到大于3MPa的值(活塞泵、隔膜泵等)。

在加压泵3的作用下，生物质被从加压泵3传送到加热装置4。

加热装置4优选是热交换器。

这种加热装置4使得能够通过在传递线路T中循环的传递流体与经过加热装置4的生物质之间的热交换来加热生物质。为此，传递流体(例如油)本身借助于外部热源T3加热，此热源例如是锅炉燃烧器。

管道还将加热装置4连接到向其中传送生物质的处理站5。

处理站5优选是反应器，所述反应器包括能够接收生物质并且将此生物质保持在典型地为2-3MPa的压力下的室。

在一种优选实施模式中，处理站5的唯一功能在于确保停留时间，该停留时间能够使生物质经历化学反应，典型的是水解反应。为此，处理站5可另外可选地由以下反应器构成：折流板或非折流板反应器，管式或非管式反应器，或者例如具有足够长度以确保所需停留时间的管形式。

根据在图1和2中示出的实施模式，来自加热装置4的生物质经由下部53进入处理站5的室，所述下部53也即指相对于在容纳该设备的场所中的处理站5的布置来说其高度基本上最低的处理站5的部分。

根据图1和2的实施模式，管道还将处理站5连接到冷却站6。

根据这些同样的实施模式，在停留时间之后，(水解的)生物质经由上部54离开处理站5的室，生物质从该上部54被传送到冷却站6。术语“上部54”旨在表示相对于在容纳该设备的场所中的处理站5的布置来说其高度基本上最高的处理站5的部分，与下部53相反。

另外可选地，生物质也可经由上部进入处理站5并且经由下部从其中离开。

根据另一种可选形式，生物质也可经由下部进入处理站5并且通过管道从这个下部一直传送到室的上部，该生物质可经由下部离开处理站5的室。

在处理站5中包含的生物质的一部份经由返回支路R被传送到混合站2。被传送的这个生物质部份优选在处理站5的出口51处提取，该出口51的布置使得所提取的该生物质部份优选包含液体份额(portion)而不是固体份额。

各种措施优选用于提取这个部份。

在图3a所示的实施例中，该室包括虹吸管状隔板C1，其使得生物质在到达出口51(位于低高度处)之前改变方向。这种隔板C1导致再循环的部份中固体份额(以实线箭头表示)下降，该固体份额的惯性促进了液体份额的选择现象(由短划线箭头表示)，以构成到达出口51的生物质部份。在图3b表示的另一实施例中，出口51位于中等高度处并且液体份额的选择借助于偏向器类型的隔板C2来实现。

在图3c所示的实施例中，出口51位于相对高的高度处，自然地促进了液体份额的选择，以构成向此出口51传送的生物质部份。

如图1所示，在返回支路R中循环的生物质部份在其到达混合站2之前经历压力降低装置R1的作用。这个压力降低装置R1例如是隔膜或泵或阀类型的减压器。

通过压力降低装置R1减压的生物质部份的到达优选位于喂料螺杆之上。

优选地，经过压力降低装置R1的生物质部份的流量通过任何合适的控制装置C调节，以使得这个流量仅在混合站2包含足够量的输入生物质时(例如处于1-2米的高度)是非零的。

压力降低装置R1因而使在处理站5中提取的生物质部份减压，其作用在于产生这个生物质部份的蒸汽，所述蒸汽在混合站2中所含的输入生物质中传播，同时冷凝并且因而加热此输入生物质。

如果需要的话，除了喂料螺杆之外可以考虑增加混合器(未示出)。

冷却站6优选是热交换器。

冷却站6使得能够通过在传递线路T中循环的传递流体与经过这个冷却站6的生物质之间的热交换来冷却离开处理站5的生物质。

因而，传递线路T将加热装置4与冷却站6连接。它因而与加热装置4和冷却站6一起构成离开处理站5的生物质与在处理站5上游的路径中循环的生物质之间的热交换装置。

如在图1和2中所示出的，传递流体通过循环装置T1(典型地为泵)在传递线路T中循环。

外部热源T3(如锅炉燃烧器)在热交换器T2处加热传递流体。在加热装置中循环的生物质由如此加热的传递流体进行加热，所述生物质从该传递流体获取其热量的一部分。

传递流体因而回收在冷却站6中循环的生物质的热量的一部分。

另外可选地，根据在图4中所示的一种实施模式，在处理站5下游的路径中循环的生物质的热量的一部分被传递到在安装在加热装置4b上游的热量回收器4a中循环的生物质中。在这种情况下，热交换装置借助于热量回收器4a进行离开处理站5的生物质与在处理站5上游的路径中循环的生物质之间的直接热交换。

在一种优选实施模式中，处理站5的室被在其中循环有载热流体的夹套52围绕。

这种载热流体被加热到并且保持在特定温度，该特定温度能够将该室中包含的生物质保持在其进入处理站5之前(也就是当生物质位于加热装置4和处理站5之间时)所具有的温度，并且能够补偿与处理站5的结构相关的热损失。

载热流体的加热优选通过与加热传递流体相同的外部热源T3在热交换器T2处来进行。传递流体和载热流体因而可以是同一种流体，例如油，其在配置用于加热传递流体(在线路T中循环)和载热流体(在夹套52中循环)到希望的温度的路线(circuiterie)中循环。传递流体和载热流体的温度的差别控制通过任何合适的装置来进行，例如安装在所述路线上的阀(未示出)和这些阀的打开和关闭的控制以及热源T3。

为了在加热装置4处提高在该路径中的生物质的温度，例如通过控制装置C控制该设备，使得热源T3将传递流体的温度提高到高于在处理站5中所含的生物质的温度，例如提高到接近210℃的温度。

为了限制生物质在处理站5的室壁上的沉积现象，同时使用机械被动的处理站5(也不是说没有刮擦器和/或混合器)，处理站5优选包括能够使生物质在该室中循环的再循环支路M。为此，生物质优选在上部54被抽吸(该生物质在该处更为液体性)，并且此生物质经由下部53被再注入到该室中。优选地，此再循环的流量是被确定大小的，以使得在再循环支路M中循环的生物质以从加热装置4进入处理站5的生物质流量的5-15倍的流量被提取。这种再循环确保了在处理站5中所含的生物质的温度的良好均匀性。

这种生物质在再循环回路M中的循环优选通过隔膜泵M1确保，所述隔膜泵M1优选是密封的并且偏离处理站5。如此安装的这种泵M1提高了设备的可靠性，因为这种泵M1可例如进行修理或维护而不必使整个设备停止运行。

优选地，添加剂通过任何合适的注入装置7注入到该路径中的生物质中，优选在加热装置4、4b的上游，以进一步降低生物质的粘度。

可以看到，由本发明提出的各种解决方案使得能够降低生物质的粘度并且因此通过减压装置促进其温度的提高。

热交换器(加热装置4、4b和/或冷却站6)的表面积、管道直径以及处理站5的体积因而得以降低。

在图2所示的实施模式中，加压泵3b被安装在入口1和混合站2之间。

在这后一种配置(图2)中，在返回支路R中循环的生物质在经受高于大气压的压力的该路径的点处引入。因而在返回支路R中安装提升(relevage)泵R2以抵抗在使用返回支路R中所涉及的压降。

在未示出的一种实施模式中，提升泵R2被安装在混合站2和加热装置4之间。

当然，本发明并不限于刚刚描述的实施例，并且可对这些实施例进行许多调整而不偏离本发明的范围。此外，本发明的各种特性、形式、变化形式以及实施模式可按照各种组合而彼此结合，只要它们彼此不会不相容或者排斥。

Claims (19)

1.用于加热在工业处理路径中移动的生物质的方法，所述工业处理路径包括用于输入生物质的入口(1)、加热装置(4，4b)和处理站(5)，由加热装置(4，4b)加热的生物质的一部份经由返回支路(R)返回，一直到加热装置(4，4b)上游的混合站(2)，以在此与该输入生物质构成温度高于该输入生物质的温度的混合物，该加热的生物质部份在处理站(5)的出口(51)处被提取，其特征在于，回收处理站(5)下游的生物质的热量并且借助于离开处理站(5)的生物质与在处理站(5)上游的路径中循环的生物质之间的热交换装置将这种回收的热量传递到处理站(5)上游的生物质中。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该生物质是净化污泥，并且该处理是水热碳化。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，借助于控制装置(C)来控制加热装置(4，4b)，以使得生物质的温度在其到达处理站(5)之前达到参数化的温度，该参数化的温度为165℃-205℃，优选185℃。

4.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，生物质在混合站(2)和加热装置(4，4b)之间进行加压，并且该生物质部份的压力在返回支路(R)中被降低。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，根据在混合站(2)中所包含的输入生物质的量来调节返回到混合站(2)的该生物质部份的流量。

6.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，在混合站(2)的上游使生物质加压，并且在返回支路(R)中提高该部份的压力。

7.根据权利要求4-6之一的方法，其特征在于，提高加热装置(4，4b)上游的生物质的压力，一直到使得能够将混合物加热到高于100℃的温度而无沸腾的数值。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，加压泵(3，3b)出口处的压力大于3MPa。

9.根据权利要求1-8之一的方法，其特征在于，该路径还包括在处理站(5)下游的冷却站(6)，并且将传递流体在冷却站(6)和加热装置(4)之间的其路程中加热。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，加热传递流体，一直到高于在处理站(5)处的生物质温度的温度。

11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，使用同一外部热源(T3)来加热传递流体和载热流体，其保证在处理站(5)处的生物质温度的保持。

12.根据权利要求1-11之一的方法，其特征在于，该方法包括在加热装置(4，4b)上游将添加剂注入到生物质中的步骤。

13.根据权利要求1-12之一的方法，其特征在于，借助于再循环支路(M)提取处理站(5)中的生物质的一部分，并且将这个部分返回到处理站(5)中以产生生物质在处理站(5)中的运动。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，该生物质部分以进入处理站(5)的生物质流量的5至15倍的流量提取。

15.用于实施根据权利要求1-14之一的方法的设备，其特征在于，该设备包括工业处理路径，所述工业处理路径包括：

-布置用于使输入生物质进入该路径的入口(1)，

-布置用于使生物质在该路径中移动的加压泵(3)，

-能够加热生物质的加热装置(4，4b)，

-处理站(5)，该处理站(5)能够将生物质大致保持在进入处理站(5)的温度，该处理站(5)被安装在加热装置(4)的下游，

-离开处理站(5)的生物质与在处理站(5)上游的路径中循环的生物质之间的热交换装置，返回支路(R)，该返回支路(R)能够将生物质的一部份从处理站(5)的出口(51)传送到混合站(2)。

16.根据权利要求15的设备，其特征在于，该热交换装置包括：

-传递线路(T)，传递流体在该传递线路(T)中循环以在加热装置(4，4b)中通过传递流体与生物质之间的热交换来加热生物质，以及

-用于使传递流体循环的装置(T1)，其能够使传递流体在传递线路(T)中循环。

17.根据权利要求16的设备，其特征在于，该设备还包括外部热源(T3)，该外部热源(T3)被布置为加热传递流体以及在处理站(5)的夹套(52)中循环的载热流体。

18.根据权利要求15-17之一的设备，其特征在于，该设备被布置为使得生物质经由下部(53)进入处理站(5)并且经由上部(54)离开处理站(5)。

19.根据权利要求15-18之一的设备，其特征在于，处理站(5)包括隔板(C1，C2)，所述隔板(C1，C2)被布置为将液体生物质的一部份传送到返回支路(R)。