CN107345146A - 一种进行水热碳化反应的装置 - Google Patents
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Abstract
水热碳化反应在反应釜中进行，处于高温、高压以及蒸汽环境中，由于反应釜的装料过程是批量进行的，因此生物质需要预先通过碎浆机，并预先加热，在反应釜内发生反应后，从反应釜中输出的浆料需要在一个缓冲罐中进行冷却。本发明提供了一种新的水热碳化反应装置，使得浆料的冷却与生物质的预热相连接，具体为在碎浆机和缓冲罐中各设置热交换器，相互连接形成一个热循环系统，使得待冷却的浆料可以将冷却释放的热量提供给需要预先加热的生物质，从而能够明显减少系统中的能量散失，使能量能够得到再次利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于进行水热碳化反应的装置，具体涉及一种可以减少系统能量流失、使能量得到再次利用的水热碳化反应装置。
背景技术
现有的水热碳化反应装置通常包括一个反应釜，其通过一台蒸汽发生器吸收蒸汽，并通过一根进料管与一个混合罐连接以装入生物质，并且与一个缓冲罐相连，将在反应罐中由热蒸汽和生物质形成的浆料排出至缓冲罐中。例如在专利DE 10 2011 001 108 A1中就提供了这样一种水热碳化反应装置：反应在反应釜中进行，反应釜通过一个混合罐或预热罐进行供料，该混合罐或预热罐通过一个固定燃料泵与反应釜相连。生物质进行预处理后，反应釜内的压力和温度相对更低，该混合罐预先按照装料量以及装料批次进行设计，使得生物质能够在反应釜中被完全排空。在气压大约小于25Bar并且温度在210℃到230℃之间时，反应釜内即可发生碳化反应。碳化反应中首先将生物质的结构分解，从而使水解中的生物质纤维素分解成葡萄糖，然后发生碳化。在这里完成生物质的混合以及热蒸汽的供给，从而提高混合物中的水含量，并形成一种浆料，碳化反应可以有效进行。在最终的冷凝过程中，首先水溶的碳-成分会结合成更大的分子。反应结束后，在该装置的设计方案中，设置了一个缓冲罐，可以将来自反应釜的反应后浆料引入到缓冲罐中，在缓冲罐中浆料会慢慢冷却到一个较低的压力水平。该装置能够实现水热碳化反应，最终将载能体中的生物质转化成生物炭。但是，为了反应过程能够更高效地进行，在过程中尽可能节约更多的能量非常重要，同样重要的是，必须对系统利用率进行优化，使系统能够更有效运行。然而，目前现有技术中所提供的实现水热碳化反应的装置，均没有涉及能够实现上述目的的方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新的水热碳化反应装置，该装置能够进一步改善水热碳化反应装置中的能量平衡，能够节约系统中更多的能量，并使得反应运行过程更加有效。
本发明的目的是通过以下具体的技术手段实现的：设置一台碎浆机来代替现有技术中的简单的混合罐，该碎浆机不仅可以根据需要设计成可存储和预备一定量的生物质，以用于整个反应行程的供应，而且可以使得生物质在碎浆机中被加热并进行混合。其混合效果最好为与热蒸汽进行混合，形成浆料，从而可以非常容易且快速地抽入到反应釜中。这些技术手段减少了现有技术中需要通过固体泵向反应釜运送生物质的时间。
进一步地，在碎浆机中集成第一热交换器，并使其与集成在缓冲罐中的、用于将热量从反应釜中排出的第二热交换器相组合，从而吸收反应浆料中的热量并进行热循环，从缓冲罐中吸收的热量通过热循环输送到碎浆机并由生物质吸收，再次冷却的热介质被传递返回到缓冲罐中的第二热交换器中，并在此再次冷却浆料。热量的传递可以通过载热体实现。在此形成的这样一个热循环，其中冷却的浆料传递其热量至待加热的生物质，从而使一次性供给的能量能持久地保留在系统中。进一步地，为了可以从外部进行干预，至少在热循环中另外设置热交换器，可以向热循环中供给或提取热量。
进一步地，所述的热交换器可以以不同的方式来实现。例如，可以为需要设置换热器的罐体例如上述的碎浆机和缓冲罐设置一个双壁外壳，在双壁之间形成空腔，空腔内可以灌注载热介质，根据使用具体要求，热量或者被双侧内壁吸收，或者散发到双侧内壁。
进一步地，碎浆机内还可以设置电动搅拌器，可以进行搅拌并产生水流，将对流的载热体引入到生物质中。
进一步地，还可以在碎浆机和缓冲罐外部添加绝缘层，从而减少由于载热体介质反射而造成的热损失。
进一步地，可以在需要安装热交换器的罐体例如所述的碎浆机和缓冲罐中穿过一根或多根载热介质蛇形管，让其经过或围绕每一个罐的内部，并通过旋绕和弯曲尽可能形成一个更大的表面。在缓冲罐的热交换器中是一根冷却蛇管，在碎浆机的热交换器中是一根热冷却蛇管。
热循环中的载热介质优选为载热介质油。
进一步地，由于碎浆机不能只通过热循环从缓冲罐中获取热量，尤其是在启动系统时，如果还没有形成用于冷却的浆料，此时需要给碎浆机的初始加热提供其他的来源。可以通过设置一台蒸汽发生器与碎浆机相连接，实现碎浆机的初始加热，通过蒸汽发生器向碎浆机进行热蒸汽供应，能够提供碎浆机所需的用于生物质加热的能量。
进一步地，相同的蒸汽发生器还可以与反应釜相连接，将蒸汽供给反应釜。
进一步地，反应釜除了进料管，还可以设置一个气体管，通过气体管与碎浆机相连，由于反应罐中较高的压力，可以给碎浆机中带来过量的气体，即从反应罐中排出的所谓吹扫气体，也称之为清洗气体，这种气体具有加热作用。
生物质将在碎浆机中被加热到它的工作温度90℃左右，并在碎浆机中与热蒸汽进行均匀混合。为了实现这种均匀混合，可以通过在碎浆机中设置不同类型的搅拌器和混合器来实现，例如设置一排或几排混合喷嘴，或者设置搅拌器，或者混合喷嘴与搅拌器相结合。进一步地，搅拌器优选为一种非对称的电动搅拌器，其可以确保生物质不仅在循环中搅动，还可以形成湍流。在碎浆机中设置的混合喷嘴，可以使来自反应釜的吹扫气体引入到碎浆机中，不但可以将反应罐的能量用于加热，也有助于生物质的混合。
热蒸汽供给到碎浆机时生物质同时会发生液化，以至于不必通过固体泵将生物质输送到反应釜中，可以通过离心泵输送，这样可以实现更快的反应罐供料，从而减少两批次供料之间的停止时间，另外，离心泵与固体泵相比，成本更低廉，经济性更好。
进一步地，在碎浆机上可以设置一个漏斗形的底部，可以将重的成份从生物质中析出，例如沉淀的沙子和淤泥，将通过漏斗尖端的排出口从碎浆机中排出，与生物质进行分离，并通过砂分离器排出。
进一步地，为了使装料方式更加优化，可以设置多台反应釜与一台共同的碎浆机相连。当第一反应罐发生反应时，可以开始对下一台反应罐进行供料，直到第一台反应罐再次被排空，则可以重新开始加注生物质。优选为一台碎浆机连接六个反应釜。这种使装料方式优化的设计对于缓冲罐的设置也同样适用，优选设置两个缓冲罐，选择性吸收反应后的浆料。这种设计非常具有实用性，碎浆机和/或缓冲罐不仅仅作为一个单一的结构，而是将多个相互连通的反应釜与一台碎浆机或缓冲罐相连，即通过反应釜的组合代替单个的造价昂贵、体积巨大的反应釜，降低了设备制造难度和制造成本，更具有实用性和经济性。
附图说明
图1本发明装置的工作原理示意图
图2热循环及浆料供给示意图
图中：1-反应釜；2-碎浆机；3-缓冲罐；4-蒸汽发生器；5-砂分离器；6-料斗；7-后续准备工作；8-进料管；9-热循环；10-气体管11-蒸汽管；12-蒸汽管；13-第一台热交换器；14-第二台热交换器；15-外壳；16-空腔；17-绝缘层；18-加热蛇管；19-制冷蛇管；20-工艺水再循环。
实施例
本部分将通过具体实施例对本发明进行进一步的描述和说明：
如图1所示，一种实现水热碳化反应的装置，包括反应釜1，通过进料管8与碎浆机2相连，进料管8将预处理的生物质输送到反应釜1。料斗6将生物质输送到碎浆机2中，为反应供料做提前准备。料斗6与碎浆机2之间设置有一个输送单元和污染物的离析装置，可以是一台金属分离器，经污染物离析、输送单元为碎浆机2提供生物质。在所有与碎浆机2相连的反应釜1中，反应运行所需的进料，通过与碎浆机2相连的一根供料管8进行供给，并且存储在那里，其中已加热的生物质立刻被来自于料斗6的新的、冷的生物质代替。蒸汽发生器4，通过蒸汽管11与碎浆机2相连，将热蒸汽注入碎浆机2，一方面可以加热在碎浆机2中的生物质，另一方面可以添加水，将生物质液化成浆料。在碎浆机中还可以设置一个非对称的电动搅拌器，在碎浆机2中将浆料混合，以便均匀加热并生成一种均匀的混合物。在碎浆机2的底部区域，从生物质中沉淀出沙子和淤泥，它们可以在砂分离器中被排出。
为了节省热能，反应釜1在超压时，通过气体管10，将所谓的吹扫气体直接送入碎浆机2中，使得从反应釜1中逸出的能量能保留在系统中。反应釜经由蒸汽管12与蒸汽发生器4相连接，蒸汽发生器4将蒸汽输送到反应釜1中，，从而提供在反应釜1中所需的温度、所需的水和所需的压力，为水热碳化反应创造反应条件。
在反应釜1中发生反应后，浆料与碳化生物质一起，通过另一根供应管8，排出到缓冲罐3中，排出过程可以通过反应釜1和缓冲罐3之间的压力平衡来完成。由于罐1和3之间存在压力差，浆料以这种方式很快被吸入到缓冲罐中，然后进行冷却。冷却后，浆料通过一个另一个进料管8进入后续准备工作7中。在接下来的过程中，从浆料中分离出来的工艺水20，可以再循环回到反应釜1中，反应釜1中进一步的反应可以利用这些仍然含有有机物的工艺水来进行。工艺水可以反复利用，无需用淡水来代替。
碎浆机2中的浆料，在反应釜1中加热并在缓冲罐3中冷却。通过相连的碎浆机2和缓冲罐3中的热交换器，形成了在两个罐2和3之间的热循环9，该热循环可以将缓冲罐3中的浆料热量传递到碎浆机2中的生物质上，以尽可能减少从该系统中泄漏能量。这些传输到碎浆机的热能，只需要少量的热蒸汽，就可以使碎浆机2维持所需的温度。
热循环及浆料供给如图2所示，实现热循环9、减少能量损失的装置部分，如热交换器13和14可以有多种实施方式，其中一种如图2所示：为碎浆机2和缓冲罐3设置带有双重壁的外壳15，在两侧壁之间形成了一个空腔16，其外部覆盖了一个绝缘层17，从而避免热量损失。
在碎浆机2中设置的第一热交换器13，通过具有双重壁外壳15的内壁，输出之前吸收的热量，碎浆机中的浆料将通过与内壁接触来进行加热。另外，碎浆机2中还设置了加热蛇管18，其穿过碎浆机2并在内部与浆料之间进行热量传递。在缓冲罐3中设置的第二热交换器14，原则上采用相同的设计理念，以相反方式运行，在热循环9中流动的载热体，吸收冷却浆料的热能，并通过热循环9传递到碎浆机2中。相应的在碎浆机中设置的热交换器蛇管18在缓冲罐中为冷却蛇管19。
以上描述了一种用于进行水热碳化反应的装置，其通过使用热交换器和系统的热输送，来改善能量平衡，并通过生物质的加热和液化，使整个系统运行更为有效。
Claims (14)
1.一种进行水热碳化反应的装置，包括反应釜（1），其通过蒸汽发生器（4）吸收热蒸汽，并通过一根进料管（8）与一个混合罐相连来吸收生物质，还通过另一根进料管（8）与缓冲罐（3）相连，将在反应釜（1）中由热蒸汽和生物质产的浆料排出至缓冲罐（3）中，其特征为：混合罐被设置为碎浆机（2），其具有第一热交换器（13），用于散发热量到在碎浆机（2）中已预先保存的生物质上，缓冲罐（3）中设置有第二热交换器（14），吸收从反应罐（1）排出到缓冲罐（3）中浆料的热量，与封闭的热循环（9）相连。
2.根据权利要求1所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：碎浆机（2）和/或缓冲罐（3）具有双壁的外壳（15），其通过与热循环（9）连接，并与载热体形成流动的空腔（16）。
3.根据权利要求2所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：双壁的外壳（15）的外部被绝缘层（17）包围。
4.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：碎浆机（2）和/或缓冲罐（3）至少设置一个热交换器蛇管（18）或（19）。
5.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：至少在热循环（9）设置一台第三热交换器（9），通过它可以从热循环（9）中提取所需的热量和/或输送热量到热循环（9）中。
6.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：在热循环（9）中的载热体为载热介质油。
7.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：碎浆机（2）除了有进料管（8），还通过一根气体管（10）与反应釜（1）相连，并输送从反应釜（1）中排出的吹扫气体。
8.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：碎浆机（2）通过蒸汽管（11）与蒸汽发生器（4）连接。
9.根据权利要求8所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：在碎浆机（2）中进行生物质和热蒸汽的混合。
10.根据权利要求9所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：为实现生物质和热蒸汽的更好混合，在碎浆机（2）中设置非对称的电动搅拌机器进行电动搅拌和/或设置混合喷嘴。
11.根据权利要求8到10所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：在碎浆机（2）和反应釜（1）之间的进料管（8）上设置一台离心泵。
12.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征为：碎浆机（2）具有一个漏斗状的底部，用于放置沙子和淤泥，其中漏斗的尖端与一台砂分离器（5）相连。
13.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征是，碎浆机（2）与多个平行的相同种类的反应釜相连接（1）。
14.根据上述权利要求所述的一种进行水热碳化反应的装置，其特征是：碎浆机（2）和/或缓冲罐（3）由多个相互连通的、优选为同种类的罐单元形成。
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