CN107447057B - 一种生物质连续水解及压缩成型的装置 - Google Patents

一种生物质连续水解及压缩成型的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生物质连续水解、脱水压缩成型的反应装置，所述装置包括入料装置、反应管、物料推进装置、进气/水口、排水/气口；所述反应管是带空心夹层的管状结构，用于实现生物质原料的水解、脱水和压缩成型，所述空心夹层的内层管壁的壁面上设有渗水/透气孔，外层管壁上设有进气/水口和排水/气口；反应管上两端分别设有入料口和出料口，入料装置与入料口相连通，用于向反应管内输送原料；物料推进装置设于反应管中空结构内，用于推动物料向反应管的另一端移动。

Description

一种生物质连续水解及压缩成型的装置
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种将生物质中相关组分水解转化为木糖或葡萄糖或其下游产物，同时将水解残渣压缩为成型固体的装置。
背景技术
作为生物质处理的两种主流的途径，水解制取化学品和直接压缩成型制取压缩燃料棒在当前生物质利用领域均占有极大市场，如玉米芯水解制取木糖和秸秆直接压缩成型制取燃料棒均已实现大面积产业化。然而水解残渣由于含水率较高，须经进一步干燥才能用作燃料，并且由于其结构松散，密度低，运输成本高而无法发挥更大用途。
生物质资源具有能源密度低、可利用半径小、生产具有季节性、存储损耗大和存储费用高的缺点。而生物质压缩成型，即生物质致密成型是克服上述缺点的有效技术手段之一。在生物质成型时，往往需加热使生物质物料达到一定的温度，从而提供物料分子结构变化所需的能量，使生物质中的木素软化、熔融而成为粘结剂。
公开号为CN1515578A的中国发明专利公开了一种从农作物桔秆中提取木糖及木糖醇的水解方法，该方法的水解处理是在3-4个串联的立式水解罐中依次进行，经洗涤后的固体物料先加入到初级水解罐，再依次转运到下一级水解罐，水解液从末级水解罐依次向上一级水解罐回转，从初级水解罐引出的水解液进入过滤工序。该现有技术在水解后没有压榨分离这一步，致使木糖提取率不高。
公开号为CN 101130558A的发明专利公开了一种串联连续水解制备戊糖溶液的系统和方法，该方法的水解处理是包括若干级相互串联的水解单元，每一级水解单元分别包括相互串联的一个水解装置和一个固液分离装置，对农林废弃物进行水解并对水解后的混合物进行固液分离生成含有戊糖的水解酸液和固体物，所得酸液用作上一步水解的介质，固体物经水洗后进入下一级继续水解。该方法需N(N≥2)台水解设备和固液分离装置协同操作，且水解和固液分离分开进行，设备及工艺复杂，且未能够直接获得压缩成型块。
公开号为CN104745266 A的发明专利提出了一种生物质成型燃料，其由生物质原料颗粒和生石灰、助燃剂以及高粘土等燃料添加剂混合后经过粉碎、混合、烘干与挤压制粒成型。该方法只能实现生物质的低品位转化，未能回收生物质中半纤维素，且需额外添加添加剂。
在以往的生物质水解制糖或压缩成型的相关方法、设备中，绝大多数仅仅以获取木糖或获取压缩燃料为目标，迄今未见能同时实现水解制取糖与获取压缩燃料的相关设备。
发明内容
针对现有技术中生物质水解技术及设备制取木糖浓度低、水解残渣含水量高，现有生物质压缩成型技术及设备能耗高、所得压缩燃料块强度低、易吸湿等问题，本发明提供一种生物质连续水解及压缩成型技术及其设备，可同步获得高浓度的木糖溶液以及低含水、高强度的压缩燃料块。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明具体提供了一种生物质连续水解及压缩成型装置，其主要特征在于，所提供的装置可同步完成生物质水解、水解液中木糖提浓以及水解渣的固液分离，可同时获得浓度高于5％的高浓度木糖母液和含水率低于30％的水解残渣。为实现这一技术目标，本发明重点在以下方面寻得突破：
(1)所述的完整装置至少包括一个入料装置、主水解反应管(简称反应管)、物料推进装置、进气/水口、排水/气口；
其中，所述反应管是带空心夹层的管状结构，在此区域完成生物质原料的水解、脱水和压缩成型，所述空心夹层的内层管壁的壁面上设有渗水/透气孔，外层管壁上设有进气/水口和排水/气口；反应管上两端分别设有入料口和出料口，入料装置与入料口相连通，用于向反应管内输送原料；
物料推进装置优选为连续式螺旋输送装置、间歇式液压活塞推送装置或气力输送装置，设于反应管中空结构内，用于推动物料向反应管的另一端移动。
(2)为了完成水解物料推进过程中固体水解渣的挤压，推进装置为连续式螺旋输送装置、间歇式液压活塞推送装置或气力输送装置；其中连续式螺旋输送装置的螺旋轴部分分为匀速输送、挤压排水、深度脱水及压缩成型三个部分，分别通过等螺距等直径螺旋、变螺距螺旋和变直径螺旋实现。在等螺距等直径螺旋部分完成物料的匀速输送，在变螺距螺旋部分实现固体水解渣的初步挤压，在变直径螺旋部分完成固体水解渣的深度挤压脱水和压缩成型。所述匀速输送、挤压排水可交替布置多组，从而实现生物质原料水解过程中多次挤压-松散的循环操作。
(3)为了实现水解过程同步挤压固液分离，反应管管壁具备透气及透水及阻隔固体物料的功能，内的固体物料无法通过所述渗水/透气孔。为实现这一功能，所述反应管是带空心夹层的管状结构，其空心夹层的内壁壁面为具有渗水/透气功能的渗水/透气壁面，外壁面为密封壁面，在该密封壁面上分别设有进气/水口和排水/气口，进气/水口、排水/气口上分别设有控制阀，用于控制水/气的进出，而所述渗水/透气功能通过滤布、单层或多层烧结金属筛网实现。
本发明所述装置实现了水解、脱水、压缩成型一体化连续操作，并可通过改变水解温度和催化剂种类获得任意高浓度木糖、葡萄糖或它们的下游产物的水解液。利用水解残渣的余热及其中所含残余单糖及低聚糖，用作水解残渣压缩过程辅助粘结剂，将水解过程已软化的木质素、纤维素压缩为成型固体。生物质原料在连续进入、排出水解反应体系时，水解液被反应体系内部的固液分离后继续留在反应器内用作新进入物料的反应介质，由此实现水和催化剂的高效循环使用和水解产物的浓度的累积。
本发明所述生物质连续水解及压缩成型装置，其特征在于：所述装置包括进料仓1、旋转给料阀2、反应管3、等螺距螺旋4、渗水/透气壁面5、变螺距螺旋6、变径螺旋7、锥形筒8、进气/水口9、排水/气口10、控制阀11、密封壁面12、电机13、出料口14、出料口排水/气口15；
其中，反应管3是带空心夹层的管状结构，其空心夹层的内壁壁面为具有渗水/透气功能的渗水/透气壁面5，外壁面为密封壁面12，在该密封壁面12上分别设有进气/水口9和排水/气口10，进气/水口9、排水/气口10上分别设有控制阀11，用于控制水/气的进出；
进料仓1通过旋转给料阀2与反应管3内管壁相连通，用于向反应管内输送原料；在反应管3上远离进料仓1的一端为锥形筒8，其筒壁的壁面具备透水及透气功能，用于固体物料压缩成型，锥形筒8与出料口14相连通；
反应管3内管中还设有旋转轴，该旋转轴与反应管同轴，且在该旋转轴上，从进料仓1一端到出料口14一端依次设有等螺距螺旋4、变螺距螺旋6、以及变径螺旋7，其中，等螺距螺旋4、变螺距螺旋6交替设置在旋转轴上，设置数量大于等于2，变径螺旋7位于锥形筒8内；旋转轴的一端设有电机13，用于带动旋转轴旋转。
本发明所述装置与传统水解装置相比，能够使得水解产物累积而不断提升其浓度，从而减少其下一步精制，或下游产品生产的能耗和成本得以降低；且由于水解提供的热量和水解渣中残留少量糖的作用，使得残渣更易于压缩成型，获得的成型产品密度大、强度高、不易吸湿，因而更便于运输和储存。
附图说明
图1为本发明所述设备结构示意图。
(其中，1、进料仓，2、旋转给料阀，3、带空心夹层和透水孔的反应管，4、等螺距螺旋，5、渗水/透气壁面，6、变螺距螺旋，7、变径螺旋，8、锥形压缩成型筒，9、进气/水口，10、排水/气口，11、控制阀，12、反应管夹层内壁，13、电机，14、出料口，15、出料口排水/气口)
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体结构及设施作进一步的描述。
如图1所示，本发明装置包括进料仓1、旋转给料阀2、反应管3、等螺距螺旋4、渗水/透气壁面5、变螺距螺旋6、变径螺旋7、锥形筒8、进气/水口9、排水/气口10、控制阀11、密封壁面12、电机13、出料口14、出料口排水/气口15；
其中，反应管3是带空心夹层的管状结构，其空心夹层的内壁壁面为具有渗水/透气功能的渗水/透气壁面5，外壁面为密封壁面12，在该密封壁面12上分别设有进气/水口9和排水/气口10，进气/水口9、排水/气口10上分别设有控制阀11，用于控制水/气的进出；
进料仓1通过旋转给料阀2与反应管3内管壁相连通，用于向反应管内输送原料，旋转给料阀2应具备给料过程的密封功能。在反应管3上远离进料仓1的一端为锥形筒8，其筒壁的壁面具备透水及透气功能，用于固体物料压缩成型，锥形筒8与出料口14相连通；
反应管3内管中还设有旋转轴，该旋转轴与反应管同轴，且在该旋转轴上，从进料仓1一端到出料口14一端依次设有N级(N≥1)等螺距螺旋4、变螺距螺旋6以及变径螺旋7，其中变径螺旋7位于锥形筒8内；旋转轴的一端设有电机13，该电机13为变频控制电机，用于带动旋转轴旋转。
生物质连续水解及压缩成型过程：待水解原料经破碎、酸浸润后加入进料仓1，经由旋转给料阀2进入反应管3内部，温度为80-200℃饱和蒸汽或热水从进气/水口9进入反应管3的空心夹层中，同时开启电机13，在等螺距螺旋4的推动与搅拌下，物料被水解，同时随螺旋进入变螺距螺旋6，物料被挤压的同时水分被脱除，随后再进入等螺距螺旋4区域，物料松散开，继续进行水解反应。随着螺旋的推进，物料再一次进入变螺距螺旋6被挤压脱水，随后再进入等螺距螺旋4区域继续水解，依此重复N次。最后，物料随变径螺旋7进入锥形筒8内并被挤压成型，成型干物料不断从出料口14排出，所脱出水解液从渗水/透气壁面5进入夹层后回到反应管3内，用作新加入物料的反应介质并提供催化剂，当水解液中产物浓度达到目标值时，开启排水/气口10的控制阀11排出水解液。
本文所述的方法在以下表格中示出，从上文的讨论和这些实例中，本领域的技术人员能够确定本发明的特性，并且在不脱离其实质和范围的情况下，能对本发明进行各种变化和修改以适应不同的用途和条件。
表1低温稀酸水解
Figure BDA0001004990470000071
表2高温稀酸水解
Figure BDA0001004990470000072
Figure BDA0001004990470000081
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种生物质连续水解及压缩成型装置，其特征在于：所述装置包括进料仓(1)、旋转给料阀(2)、反应管(3)、等螺距螺旋(4)、渗水/透气壁面(5)、变螺距螺旋(6)、变径螺旋(7)、锥形筒(8)、进气/水口(9)、排水/气口(10)、控制阀(11)、密封壁面(12)、电机(13)、出料口(14)、出料口排水/气口(15)；
其中，反应管(3)是带空心夹层的管状结构，用于实现生物质原料的水解、脱水和压缩成型，其空心夹层的内壁壁面为具有渗水/透气功能的渗水/透气壁面(5)，反应管(3)内的固体物料无法通过所述渗水/透气壁面(5)；外壁面为密封壁面(12)，在该密封壁面(12)上分别设有进气/水口(9)和排水/气口(10)，进气/水口(9)、排水/气口(10)上分别设有控制阀(11)，用于控制水/气的进出；所述渗水/透气功能通过单层或多层烧结金属筛网实现；
进料仓(1)通过旋转给料阀(2)与反应管(3)内管壁相连通，用于向反应管内输送原料；在反应管(3)上远离进料仓(1)的一端为锥形筒(8)，其筒壁的壁面具备透水及透气功能，用于固体物料压缩成型，锥形筒(8)与出料口(14)相连通；
反应管(3)内管中还设有旋转轴，该旋转轴与反应管同轴，且在该旋转轴上，从进料仓(1)一端到出料口(14)一端依次设有等螺距螺旋(4)、变螺距螺旋(6)、以及变径螺旋(7)，其中，等螺距螺旋(4)、变螺距螺旋(6)交替设置在旋转轴上，设置数量大于等于2，变径螺旋(7)位于锥形筒(8)内；旋转轴的一端设有电机(13)，用于带动旋转轴旋转。
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