CN107406288A - 用于加工包含有机组分的淤浆的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于加工包含有机组分如生物质，具有至少50％的水含量的淤浆的方法和系统(1)，其包含用于使淤浆中的液体处于超临界状态的泵(6)和加热器或换热器(7)，用于将淤浆中的至少一部分有机组分转化的反应器(8)，和用于将气体产物从转化的淤浆中除去的分离器(12)，并且包含用于在反应器(8)上游将来自转化的淤浆的流体加入淤浆中的混合器(5)。

Description

用于加工包含有机组分的淤浆的方法和系统
本发明涉及用于加工包含有机组分如生物质，具有至少50％，优选至少60％，优选至少70％的水含量的淤浆的方法和系统。本发明特别涉及用于将淤浆中的有机组分超临界水气化(SCWG)的方法和系统。
包含有机组分的原料是用于提供能量和附加值产品的巨大潜在资源，特别是在废生物质是丰富的或者可便宜且有效地生产专用能量作物的农业领域中。
如Marrone，Ph.A.，“Supercritical water oxidation–Current status offull-scale commercial activity for waste destruction”，Journal ofSupercritical Fluids 79(2013)，第283-288页中所解释的，超临界水是研究用于日益增长且越来越多的应用的独特介质。在其热力学临界点(374℃，221巴)以上，水如所有超临界流体一样，作为具有与气体的那些相当的输送性能和与液体的那些相当的溶剂性能的单密相存在。然而，不同于其它超临界流体，水在环境与超临界条件之间经历其溶剂行为的显著改变。当将水在压力下加热时，它失去足够量的氢键以从高极性溶剂转变成非极性溶剂。结果是超临界水变成非极性材料的非常好的溶剂。
在Boukis，N.等人，“Gasification of wet biomass in supercriticalwater.Results of pilot plant experiments.”，14th European Biomass Conference，Paris，法国，2005中，提到湿生物质在超临界条件下与水反应形成富含氢气的气体。
在Boukis，N.等人，“biomass gasification in supercriticalwater.Experimental progress achieved with the VERENA pilot plant.”15thEuropean Biomass Conference&Exhibition 2007中，提到水溶性盐在超临界水条件下形成固体。
Kruse，A.，“Supercritical water gasification”，Society of ChemicalIndustry and John Wiley&Sons，Ltd，2008，第415-437页以对氢气制备的关注回顾了涉及生物质的超临界水气化的工作。
US 4,113,446涉及形成具有高热值的气体组合物的方法，其包括使液体或固体有机材料与水反应，其中水至少在其临界温度下且其中水压力至少在其临界压力下，例如以实现水的临界密度并从反应中回收气体产物而不具有明显的炭形成。
本发明的目的是提供用于加工，优选以连续方法加工包含有机组分如生物质以制备可燃气体如氢气和/或烃的方法和系统。
为此，本发明方法包括步骤：
通常通过首先将压力和温度中的一项提高超过超临界阈值(对于水：分别221巴和374℃)，然后将压力和温度中的另一项提高超过超临界阈值而提高淤浆的压力和温度以使淤浆中的液体处于超临界状态，
例如通过将料流在反应器中进一步加热而将淤浆中的至少一部分有机组分转化成例如可燃气体产物，例如转化成氢气和/或烃如甲烷，和
将气体产物与转化的淤浆分离，和
在将淤浆中的至少一部分有机组分转化以前将流体，例如液态水、(近)超临界状态的水和/或液体燃料与淤浆混合。
在一个实施方案中，方法包括优选在将来自转化的淤浆的流体减压和/或冷却至临界压力和/或临界温度以下的压力和/或温度以后，和/或优选在使(上游)淤浆中的液体处于超临界状态以前，优选在将(上游)淤浆中的液体加压至临界压力以上的压力和/或加热至临界温度以上的温度以前，将来自转化的淤浆的流体与上游淤浆混合。
在另一实施方案中，将与淤浆混合的流体从外部来源，例如相邻装置中取出。
本发明方法能够加工具有相对高有机组分和/或固体含量的原料，通过降低淤浆的粘度和/或增强混合而提供有效的热回收和/或增强随后的泵送和热交换。
在一个实施方案中，方法包括将气体产物和/或固体与转化的淤浆中的流体分离，和将因此所得流体与上游淤浆混合。
在另一实施方案中，为进一步改进总热回收，方法包括在(相对热的)转化的淤浆与(相对冷的)淤浆之间交换热，优选在将后者与来自转化的淤浆的流体混合以后。
在细化中，在转化的淤浆与上游淤浆之间交换热以将后者加热至临界温度以上的温度。
在一个实施方案中，方法包括优选至少在将淤浆与来自转化料流的流体混合以前，优选通过将淤浆脱水和/或通过加入包含比初始淤浆更少的水的物质而降低淤浆中水的百分数。在细化中，将淤浆脱水至至少20％，优选至少30％，优选至少40％的总固体含量。首先将液体从原料中除去，然后加入来自方法的流体显现出是进一步提高方法效率的有效方法。
在一个实施方案中，为提高淤浆的热量值，方法包括在将淤浆中的至少一部分有机组分转化以前，将燃料，例如固体燃料如(粉状)煤或者液体燃料如醇，例如甘油，或者烃如链烷烃加入淤浆中。燃料可双重作为降低淤浆中水的百分数的工具。
本发明进一步涉及用于加工包含有机组分如生物质，具有至少50％，优选至少60％，优选至少70％的水含量的淤浆的系统，其包含用于使淤浆中的液体处于超临界状态的泵和加热器或换热器，用于将淤浆中的至少一部分有机组分转化的反应器，和用于将气体产物从转化的淤浆中除去的分离器，并且包含用于在反应器上游将流体，优选来自转化的淤浆的流体加入淤浆中的混合器。
在一个实施方案中，反应器的下游端优选借助至少一个分离器与混合器连接。
在另一实施方案中，混合器位于用于使淤浆中的液体处于超临界状态的泵和加热器或换热器中至少一个的上游。
在另一实施方案中，系统包含用于除去气体产物的分离器和/或用于将固体从转化的淤浆中的流体中除去的分离器。
在另一实施方案中，系统包含用于将来自转化的淤浆的热转移至未转化的淤浆并且位于反应器上游，且优选位于混合器下游的换热器。
在另一实施方案中，系统包含用于将进料淤浆脱水并且优选位于混合器上游的固体-液体分离器、螺杆压机、压滤机、离心机或干燥器。
本发明进一步涉及一种系统，其包含用于将淤浆中的液体加压至超临界压力的泵、如上所述加热器或换热器、反应器和分离器，其中泵为液压泵，并且包含冷却介质的回路，所述回路将液压介质与淤浆分离，因此提供有效的冷却并降低在泄漏的情况下液压介质被淤浆污染或者反之亦然的风险。
为了完整，注意涉及超临界水氧化(SCWO)的以下现有技术。
WO2010/003655涉及作为混合发电热电装置的一部分，使用初级热源，例如煤、气、油或核动力，和生物质形式的二级热源从生物质燃料中提取有用能量的方法和设备，其中生物质在水溶液中以超临界水氧化(SCWO)方法，使用来自初级热源的能量将水进料流加热并压缩至或者超过其临界点的温度和压力而氧化。
WO 81/03169涉及方法，其中有机材料在超临界水中氧化以得到有用的能量和/或所得材料。在一个实施方案中，常规燃料以高效率氧化以得到用于发电的有用能量和/或工艺热。
Bermejo，M.D.等人，“Supercritical Water Oxidation：A Technical Review”，AIChE Journal，2006年11月，第52卷，No.11，第3933-3951页公开了超临界水氧化(SCWO)技术的方面，包括用于SCWO方法的反应器类型。“由于其简单性，管式反应器为最广泛使用的SCWO反应器，尤其是在小实验室设备中，例如专门用于试验新SCWO应用的可行性或者用于确定动力学参数或反应热的那些…然而，管式反应器还显示出重要的缺点。首先，由于盐沉淀，它们倾向于堵塞。另一重要的不便是快速放热反应可能产生反应器内部不可控的热点。”
现在参考图更详细地解释本发明，所述图示意性地显示本发明的实施方案。
图1为根据本发明的超临界水气化系统的一个实施方案的流程图。
图2为根据本发明的高压泵的示意性横截面。
图1显示用于加工包含有机组分如生物质，具有至少50％的水含量的淤浆的系统1，其包含用于将进料淤浆脱水的固体-液体分离器2，例如螺杆压机、压滤机、离心机或干燥器，和用于保持脱水淤浆的罐3。罐与泵4连接，泵4又与用于将液体，例如来自下游(加工)淤浆的液体加入淤浆中的混合器5连接或联合。在混合器5下游的是高压泵6，其更详细地显示于图2中，和用于将淤浆中的水加压并加热至超临界或近超临界状态的换热器7。在一个实例中，换热器包含串联排列的一个或多个逆流管中管换热器段，例如2、4个或者更多管中管换热器段。在泵6和(第一)换热器7下游的是另一换热器，其用作反应器8。在一个实例中，反应器包含延伸通过炉的一个或多个管。
反应器以及任选(第一)换热器的下游端与用于从系统中除去固体，例如有机物和/或沉淀的矿物和盐的固体捕集器9连接。
在第一实施方案中，在图1中由实线10表示，反应器8的下游端与第一换热器7的外管连接，以提供(相对热的)转化的淤浆与(相对冷的)转化前淤浆之间的逆流热交换。第一换热器7的外管与气体-液体分离器12连接，以将气体产物与液体分离。分离器的底部与混合器5连接以将至少一部分(再循环)液体加入淤浆中。
在第二实施方案中，在图1中由虚线11表示，反应器8的下游端与混合器以及任选第一换热器的外管连接，以将至少一部分来自反应器的流体直接加入淤浆中。
如图2中更详细地显示，高压泵6包含圆柱形外壳20，所述圆柱形外壳20包含两个隔室，容纳第一活塞22的第一隔室21和容纳第二活塞24的第二隔室23，所述第二活塞24借助活塞杆25与第一活塞连接。第一隔室21包含两个口26、27，所述口借助液压控制阀(未显示)与液压流体来源连接用于活塞杆和第二活塞的缩回和伸出，即它是双作用液压缸。第二隔室23在与第一隔室相邻的部分中包含冷却介质的入口28和出口29，并且在第二活塞的另一侧上包含淤浆的入口30和出口31。该后一入口和出口具有止回阀(未显示)，使得当活塞和杆缩回时(在图2中向上移动)，淤浆经受入口吸入并将出口堵塞，并且当活塞和杆伸出时(在图2中自下而上)，将淤浆加压并供入混合器中。在一个实例中，为促进连续操作，系统包含并联的两个泵。
在一个实例中，在操作期间，借助螺杆压机2将具有80％的水含量的湿生物质(肥料)脱水至70％的水含量(30％的总固体)，并将增稠且粘性淤浆供入罐3中。从那里将淤浆泵送到(以1000升/小时，15-20巴和15℃)混合器5中并与来自下游加工淤浆的水(750-1250nL/h，15-30巴和250-300℃)混合至83-87％的水含量和1750-2250nL/h的体积。然后将淤浆加压并加热(240-250巴和370-390℃)并供入反应器中，在那里将淤浆进一步加热(至550-600℃)以将淤浆中的至少一部分有机组分转化成气体产物，例如氢气和甲烷。在转化以后，在固体捕集器中将固体从淤浆中除去，并将水供入第一换热器7中以回收高温热，即以将较冷的上游淤浆加热。在离开换热器(以1750-2250nL/h，240-250巴和250-300℃)以后，将液体供入气体/液体分离器中以容许气体产物逸出并且能够收集。将一部分剩余水从系统中排出并且一部分剩余水(750-1250nL/h)与上游淤浆混合。
本发明方法和系统能够加工具有相对高有机组分和/或固体含量的原料，通过降低淤浆的粘度和/或增强混合而提供有效的热回收和/或增强随后的泵送和热交换。
本发明不限于上述实施方案，其可在权利要求书的范围内以大量方式变化。

Claims (15)

1.加工包含有机组分如生物质，具有至少50％的水含量的淤浆的方法，其包括步骤：
提高淤浆的压力和温度以使淤浆中的水处于超临界状态，
将淤浆中的至少一部分有机组分转化，和
将气体产物与转化的淤浆分离，
其特征在于：
在将淤浆中的至少一部分有机组分转化以前，将流体与淤浆混合。
2.根据权利要求1的方法，其中将来自转化的淤浆的流体与上游淤浆混合。
3.根据权利要求1或2的方法，其包括在使淤浆中的液体处于超临界状态以前，优选在将淤浆中的液体加压至临界压力以上和/或加热至临界温度以上的温度以前，将流体与淤浆混合。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其包括将气体产物和/或固体与转化的淤浆中的流体分离，和将因此所得流体与上游淤浆混合。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其包括在转化的淤浆与转化前的淤浆之间交换热，优选在将后者与来自转化的淤浆的流体混合以后。
6.根据权利要求5的方法，其包括在转化的淤浆与上游淤浆之间交换热以将后者加热至临界温度以上的温度。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其包括优选至少在将淤浆与来自转化的料流的流体混合以前，优选通过将淤浆脱水和/或加入包含较少水的物质而降低淤浆中水的百分数。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其包括在将淤浆中的至少一部分有机组分转化以前将燃料加入淤浆中。
9.用于加工包含有机组分如生物质，具有至少50％的水含量的淤浆的系统(1)，其包含用于使淤浆中的液体处于超临界状态的泵(6)和加热器或换热器(7)，用于将淤浆中的至少一部分有机组分转化的反应器(8)，和用于将气体产物从转化的淤浆中除去的分离器(12)，其特征在于用于在反应器(8)上游将流体加入淤浆中的混合器(5)。
10.根据权利要求9的系统(1)，其中反应器的下游端与混合器连接。
11.根据权利要求9或10的系统(1)，其中混合器(5)位于用于使淤浆中的液体处于超临界状态的泵(6)和加热器或换热器(7)中至少一个的上游。
12.根据权利要求9-11中任一项的系统(1)，其包含用于除去气体产物的分离器(12)和/或用于将固体从转化的淤浆中的流体中除去的分离器(9)。
13.根据权利要求9-12中任一项的系统(1)，其包含用于将来自转化的淤浆的热转移至未转化的淤浆且位于反应器(8)上游且优选位于混合器(5)下游的换热器(7)。
14.根据权利要求9-13中任一项的系统(1)，其包含用于将进料淤浆脱水且优选位于混合器(5)上游的固体-液体分离器(2)。
15.根据权利要求9-14中任一项的系统(1)或权利要求9的序言，其中用于将淤浆中的液体加压至超临界压力的泵(6)为液压泵且包含冷却介质的回路(27、28)，所述回路(27、28)将液压介质与淤浆分离。
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