CN108339496A - 一种生物质亚临界或超临界水解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物质亚临界或超临界水解装置，包括水解釜、喷淋器、仪表检测控制系统、加热炉、亚临界或超临界水发生器、储水装置、高压给水泵和压力调节阀，所述储水装置的出水口与所述高压给水泵的进水口连通，所述高压给水泵的出水口与所述加热炉的进水口连通，所述压力调节阀设置在所述高压给水泵和所述加热炉之间的管路上，所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部，所述加热炉的出水口与所述喷淋器的进水口连通，所述喷淋器设置在所述水解釜的顶部；所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接。采用本发明提供的装置能够实现大规模工业化生物质亚临界或超临界连续水解生产。

Description

一种生物质亚临界或超临界水解装置及方法

技术领域

本发明涉及生物质水解技术领域，特别涉及一种生物质亚临界或超临界水解装置及方法。

背景技术

我国每年产生8亿吨秸秆，3亿吨生活垃圾，2亿吨树枝、树叶和干草。我国和世界发达国家已经用秸秆及其它生物质生产了大量的工业产品，包括沼气、生物质汽油、柴油、压缩天然气、液化天然气、甲醇、乙醇、丁醇等，同时生物质的渣滓可以生产肥料。因此，生物质利用技术在清洁能源、废物处理、环保、生态养殖和生态农业中都有十分重要的社会价值和经济价值。对于生物质利用技术的研究，我国和全世界无论是在研究领域上还是在工业领域上都出现了前所未有的热潮。

由于生物质内含有大量的木质纤维素、蛋白、生物细胞等，其结构十分复杂，并难于降解限。这些因素极大地限制了生物质的应用。比如，采用常规方法发酵，生物质的发酵周期长达一个月以上，有的甚至需要半年，生物质能源转换效率都在40％以下，有的甚至只有20％左右。因此，生物质的预处理成为生物质利用技术的关键所在。

近年来，国内外有报道采用亚临界或超临界水对生物质进行预处理，具有环保、处理时间短以及转化率高的优势。这是因为水在亚临界或超临界状态时，溶剂化能力增强，电离程度随之增大，可打破木质素的包裹作用，也降低纤维素的聚合度，使纤维素迅速分解成低聚糖最后转化成葡萄糖。正是由于亚临界或超临界水的特殊作用机理，它不仅可以处理一般的生物质，如，秸秆或生活垃圾，还可以处理其它工艺非常难于处理的生物质，比如巨草、树枝，甚至木材等。但是，目前生物质亚临界或超临界水解方法仍限于研究阶段，至今还没有一种完整的、能够应用于实际大规模生产的生物质亚临界或超临界水解装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质亚临界或超临界水解装置及方法，采用本发明提供的装置能够实现大规模工业化生物质亚临界或超临界连续水解生产。

本发明提供了一种生物质亚临界或超临界水解装置，其特征在于，包括水解釜、喷淋器、仪表检测控制系统、加热炉、亚临界或超临界水发生器、储水装置、高压给水泵和压力调节阀，所述储水装置的出水口与所述高压给水泵的进水口连通，所述高压给水泵的出水口与所述加热炉的进水口连通，所述压力调节阀设置在所述高压给水泵和所述加热炉之间的管路上，所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部，所述加热炉的出水口与所述喷淋器的进水口连通，所述喷淋器设置在所述水解釜的顶部；所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接，所述仪表检测控制系统对所述加热炉和所述压力调节阀的工作状态进行控制和调节。

优选的，还包括粉碎机、料斗和给料机，所述粉碎机通过所述料斗与所述给料机连接，所述给料机的出料口与所述水解釜侧壁的下端部设置的入料口连通。

优选的，还包括出料装置和成品储存罐，所述成品储存罐通过所述出料装置与所述水解釜的底部设置的出料口连通。

优选的，所述水解釜的顶部设有搅拌器。

优选的，所述水解釜为能够承受至少30MPa压力和至少500℃温度的容器。

优选的，所述加热炉包括燃煤炉、燃气炉、燃油炉、电加热炉、天然气炉或沼气炉。

优选的，所述亚临界或超临界水发生器能够产生至少30MPa压力的饱和水和/或饱和蒸汽。

优选的，所述储水装置与所述高压给水泵之间连通设有除盐装置。

优选的，所述仪表检测控制系统与所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵通信连接，所述仪表检测控制系统对所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵的工作状态进行控制和调节。

本发明提供了上述技术方案所述装置进行生物质亚临界或超临界水解的方法，包括以下步骤：

水从储水装置进入高压给水泵，使水的压力升至10～30MPa，经压力调节阀调节后进入加热炉加热，通过亚临界或超临界水发生器使水的温度升至150～500℃，经仪表检测控制系统控制检测后，得到饱和水和/或饱和蒸汽，经喷淋器与水解釜内的生物质混合，进行水解反应。

本发明提供了一种生物质亚临界或超临界水解装置，包括水解釜、喷淋器、仪表检测控制系统、加热炉、亚临界或超临界水发生器、储水装置、高压给水泵和压力调节阀，所述储水装置的出水口与所述高压给水泵的进水口连通，所述高压给水泵的出水口与所述加热炉的进水口连通，所述压力调节阀设置在所述高压给水泵和所述加热炉之间的管路上，所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部，所述加热炉的出水口与所述喷淋器的进水口连通，所述喷淋器设置在所述水解釜的顶部；所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接，所述仪表检测控制系统对所述加热炉和所述压力调节阀的工作状态进行控制和调节。采用本发明提供的装置能够实现大规模工业化生物质亚临界或超临界连续水解生产。

附图说明

图1为本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置的结构示意图；

图中，1-粉碎机、2-料斗、3-给料机、4-水解釜、5-搅拌器、6-喷淋器、7-仪表检测控制系统、8-加热炉、9-亚临界或超临界水发生器、10-储水装置、11-除盐装置、12-压力调节阀、13-高压给水泵、14-出料装置、15-成品储存罐；

图2为水解釜、搅拌器及喷淋器的结构示意图。

图3为实施例2中秸秆水解生产沼气的工艺流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种生物质亚临界或超临界水解装置，其特征在于，包括水解釜、喷淋器、仪表检测控制系统、加热炉、亚临界或超临界水发生器、储水装置、高压给水泵和压力调节阀，所述储水装置的出水口与所述高压给水泵的进水口连通，所述高压给水泵的出水口与所述加热炉的进水口连通，所述压力调节阀设置在所述高压给水泵和所述加热炉之间的管路上，所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部，所述加热炉的出水口与所述喷淋器的进水口连通，所述喷淋器设置在所述水解釜的顶部；所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接，所述仪表检测控制系统对所述加热炉和所述压力调节阀的工作状态进行控制和调节。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置采用高压饱和水和/或饱和蒸汽、超高压饱和水和/或饱和蒸汽、亚临界饱和水和/或饱和蒸汽、超临界饱和水和/或饱和蒸汽对生物质进行水解。在本发明中，所述高压饱和水和/或饱和蒸汽的压力为0.1～2.8MPa、温度为100～230℃；所述超高压饱和水和/或饱和蒸汽的压力为2.8～4.8MPa、温度为230～260℃；所述亚临界饱和水和/或饱和蒸汽的压力为4.8～20MPa、温度为260～366℃；所述超临界饱和水和/或饱和蒸汽的压力＞22.1MPa、温度＞374.2℃。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括水解釜4；所述水解釜4优选为能够承受至少30MPa压力和至少500℃温度的容器，包括圆筒和封头两个主要部分，如图2所示。本发明对于所述水解釜的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备压力容器的钢材即可。本发明对于所述水解釜的形状没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水解釜的形状即可，如圆柱形、球形或锥形。本发明对于所述水解釜的容量没有特殊的限定，根据实际生产情况计算水解釜的容量即可。在本发明的实施例中，按水解装置每天工作8h，生物质水解时间20min，稳定时间10min计，则水解每釜生物质需要0.5h，每天可以水解16釜生物质；按每天处理100t生物质，生物质水解后的密度1.5t/m³计，则水解釜的容量至少为100/1.5/16＝4.2m³。

在本发明的实施例中，所述水解釜4的顶部设有搅拌器5。在本发明中，所述搅拌器在生物质水解过程中进行搅拌，以保证生物质能够混合均匀、水解反应充分。本发明对于所述搅拌器在水解釜内部的设置位置没有特殊的限定，根据实际生产情况中生物质的添加量以及水解釜的容量、直径，确定搅拌器在水解釜内部的设置位置即可。如图2所示，在本发明的实施例中，所述搅拌器具体包括搅拌轴和设置在所述搅拌轴上的搅拌叶片。在本发明的实施例中，所述搅拌器具体通过设置在所述水解釜外部上端的电动机带动搅拌轴旋转，当搅拌轴旋转时带动搅拌叶片在水解釜内旋转，从而达到对生物质搅拌的目的。本发明对于所述搅拌器的搅拌速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的能够在水解反应过程中将生物质搅拌均匀的搅拌速率即可。在本发明中，所述搅拌器的搅拌速率优选为15～100rpm，更优选为30～80rpm。

在本发明的实施例中，所述水解釜4的入料口、出料口以及与搅拌器和喷淋器的连接处设有密封装置，以保证水解反应过程中不漏水、漏气。本发明对于所述密封装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的填料密封或机械密封即可。

在本发明的实施例中，所述生物质亚临界或超临界水解装置还包括粉碎机1、料斗2和给料机3；所述粉碎机1具体通过所述料斗2与所述给料机3连接，所述给料机3的出料口具体与所述水解釜4侧壁的下端部设置的入料口连通。本发明对于所述粉碎机、料斗和给料机没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的粉碎机、料斗和给料机即可。在本发明的实施例中，生物质原料经粉碎机1粉碎，进入料斗2，经给料机3输送至水解釜4中进行水解。本发明对于生物质原料的粉碎程度没有特殊的限定，将生物质原料粉碎至本领域技术人员熟知的粒度即可。本发明优选采用粉碎机将生物质原料粉碎至粒度为1～200mm，更优选为10～150mm，最优选为50～100mm。本发明对于所述料斗的容量没有特殊的限定，根据实际生产情况选择料斗的容量即可。在本发明的实施例中，所述料斗的容量为1～10m³。

在本发明的实施例中，所述生物质亚临界或超临界水解装置还包括出料装置14和成品储存罐15，所述成品储存罐15具体通过所述出料装置14与所述水解釜4的底部设置的出料口连通。本发明对于所述出料装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的设计和制造方法制作即可。在本发明的实施例中，所述出料装置具体可以采用螺旋输送装置。在本发明的实施例中，所述成品储存罐具体为本领域技术人员熟知的储存容器，用普通钢材制作即可。在本发明的实施例中，生物质水解后得到的成品经出料装置14输送至成品储存罐15进行储存，以便下一段工艺使用。

在本发明的实施例中，所述出料装置14的进料端和出料端设有密封装置，以保证生物质水解后得到的成品在从水解釜4到成品储存罐15的输送过程中不漏水、漏气。本发明对于所述密封装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的填料密封或机械密封即可。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括储水装置10；本发明对于所述储水装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的储水装置即可。在本发明的实施例中，所述储水装置具体采用方形或圆形容器。本发明对于所述储水装置的容量没有特殊的限定，根据实际生产情况选择储水装置的容量即可。在本发明的实施例中，所述储水装置的容量为50～100m³。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括高压给水泵13，所述高压给水泵13的进水口与所述储水装置10的出水口连通；在本发明中，所述高压给水泵优选能够将常压水的压力提升到30MPa及以下的各种工况。

在本发明的实施例中，所述储水装置10与所述高压给水泵13之间连通设有除盐装置11；所述除盐装置11能够除去普通水或自然水中的盐分，使普通水或自然水软化，保证在后续的高温高压条件下不会结垢。本发明对于所述除盐装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的除盐装置即可。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括压力调节阀12，所述压力调节阀12设置在所述高压给水泵13和加热炉8之间的管路上；在本发明中，所述压力调节阀能够调节经高压给水泵处理的水的压力，在实际生产中，所述压力调节阀可以配有辅助装置，如减温器，协调完成对水的参数的调节和控制。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括加热炉8，所述加热炉8设置在压力调节阀12与喷淋器6之间；在本发明中，所述加热炉是一种能够产生热能的装置，并能够满足将生物质加热至500℃及以下温度的热量需求。在本发明的实施例中，所述加热炉具体可为燃煤炉、燃气炉、燃油炉、电加热炉、天然气炉或沼气炉等。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括亚临界或超临界水发生器9；所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部。在本发明中，所述亚临界或超临界水发生器能够将加热炉所产生的热量传递给水，产生至少30MPa压力的饱和水和/或饱和蒸汽，满足生物质水解要求的各种工况。本发明对于所述亚临界或超临界水发生器没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的亚临界或超临界水发生器即可。我国有大量的锅炉厂能够生产亚/超临界饱和水(汽)锅炉，能够满足本发明需要的饱和水(汽)。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括仪表检测控制系统7，所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接，所述仪表检测控制系统对所述加热炉和所述压力调节阀的工作状态进行控制和调节；能够对从加热炉的出水口流出的水的压力和温度进行检测，保证从加热炉的出水口流出的水达到生物质水解要求的各种工况。

在本发明的实施例中，所述仪表检测控制系统与所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵通信连接，所述仪表检测控制系统对所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵的工作状态进行控制和调节，以便满足生物质水解要求的各种工况。在本发明的实施例中，所述仪表检测控制系统7是一个集检测和控制于一体的综合系统，可以对生物质水解要求的各种工况和主要设备的参数进行检测和控制，具体可采用离散控制系统(DCS)对整个系统和主要设备进行检测和控制。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置包括喷淋器6，所述喷淋器6设置在所述水解釜4的顶部；本发明对于所述喷淋器没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的喷淋器即可。在本发明的实施例中，经仪表检测控制系统7检测和控制后得到的满足生物质水解要求的各种工况的水通过喷淋器6向水解釜4中的生物质喷洒，同时在搅拌器5的搅拌下，进行水解反应，如图2所示。

本发明提供了上述技术方案所述水解装置进行生物质亚临界或超临界水解的方法，包括以下步骤：

水从储水装置进入高压给水泵，使水的压力升至10～30MPa，经压力调节阀调节后进入加热炉加热，通过亚临界或超临界水发生器使水的温度升至150～500℃，经仪表检测控制系统控制检测后，得到饱和水和/或饱和蒸汽，经喷淋器与水解釜内的生物质混合，进行水解反应。

在本发明中，所述高压给水泵将水的压力升至10～30MPa，优选为15～27MPa，更优选为18～23MPa。在本发明中，所述加热炉将经压力调节阀调节后的水加热至150～500℃，优选为250～400℃，更优选为300～370℃。

本发明对于所述生物质的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的生物质即可，如秸秆、树枝、树叶、干草或木材。

本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置采用高压饱和水和/或饱和蒸汽、超高压饱和水和/或饱和蒸汽、亚临界饱和水和/或饱和蒸汽、超临界饱和水和/或饱和蒸汽对生物质进行水解。在实际生产中，将水进行加压和加热后，经仪表检测控制系统控制检测后，得到的满足生物质水解要求的各种工况的水经喷淋器与水解釜内的生物质混合，进行水解反应。在本发明中，所述水解反应的时间与水解参数(温度和压力)有关，在实际生产中，可参照表1选择所述水解时间与水解参数。

表1水解时间与水解参数的关系

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1，采用本发明提供的装置进行生物质亚临界或超临界水解的方法，具体包括以下步骤：

生物质原料经粉碎机1粉碎至1～200mm后进入料斗2，经给料机3输送至水解釜4中；

储水箱10中的普通水进入除盐装置11除去水中的盐分，再进入高压给水泵13使水的压力从常压升至10～30MPa，经压力调节阀12调节水的压力后进入加热炉8，通过亚临界或超临界水发生器9使水的温度升至150～500℃，通过仪表检测控制系统7控制和检测后，将满足生物质水解要求的各种工况的水通过喷淋器6向水解釜4中的生物质喷洒，同时在搅拌器5的搅拌下，进行水解反应，通过出料装置14将水解反应完成后得到的成品从水解釜4中输送至成品储存罐15中，供下一段工艺使用；其中，可参照表1选择所述水解时间与水解参数。

实施例2

将本发明提供的生物质亚临界或超临界水解装置应用于秸秆水解生产沼气的工艺中，工艺流程图见图3，具体包括以下步骤：

秸秆原料经粉碎机粉碎至1～200mm后输送至超/亚临界水解反应釜中，在高温、高压饱和水的作用下进行水解反应；

将水解反应后得到的物料经给料机输送至沼气池中，沼气池中产生的沼气储存到储气罐中，供给沼气发电机用于发电；沼气发电机产生的余热采用余热换热器将烟气热量传递给沼气池内的生物质和沼液，用于加热沼气池；储气罐中的沼气可供给沼气锅炉将自来水转化为水解反应所需要的高温、高压饱和水。

在实际生产中，对于水解参数选择需要根据具体工程决定，如果采用高压或超高压水解，水解时间为0.5～5小时；如果采用亚临界或超临界水解，水解时间会大大缩短，不超过0.5小时。可参照表1选择所述水解时间与水解参数。

在实际生产中，如果没有对秸秆进行水解预处理，而直接将秸秆用于生产沼气，由于秸秆的纤维素和细胞没有破裂，沼气发酵的周期很长，通常情况下超过1个月，甚至半年。如果用常温发酵，发酵时间一般超过两个月，能源转换效率不超过50％。如果对秸秆进行水解预处理以后，沼气发酵周期会缩短到10～15天，能源转换效率会达到60～70％，沼气池产气率提高40～60％。这是因为在高压、高温饱和水的作用下，水的溶剂化能力急剧增强，电离程度随之增大，可打破木质素的包裹作用，也降低纤维素的聚合度，使纤维素迅速分解成低聚糖最后转化成葡萄糖。

如果秸秆经过了水解预处理，生物质在沼气池中进行厌氧发酵，各个技术指标都会得到很大的提升。在厌氧发酵中首先由甲烷伴生菌对预处理后的的生物质进行酸化，产生乙酸。然后再由甲烷菌将乙酸转换为甲烷(沼气)。

由于未进行水解预处理的生物质的主要成分是木质素，不容易被微生物直接消化和吸收。当对秸秆进行亚/超临界预处理以后，80％以上的木质素转化为了葡萄糖，微生物更能吸收，从而能够使沼气发酵周期大大缩短，秸秆的能源转换效率也大大提高。

由以上实施例可以看出，采用本发明提供的装置能够实现大规模工业化生物质亚临界或超临界连续水解生产，在清洁能源、低碳社区和有机农业中有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物质亚临界或超临界水解装置，其特征在于，包括水解釜、喷淋器、仪表检测控制系统、加热炉、亚临界或超临界水发生器、储水装置、高压给水泵和压力调节阀，所述储水装置的出水口与所述高压给水泵的进水口连通，所述高压给水泵的出水口与所述加热炉的进水口连通，所述压力调节阀设置在所述高压给水泵和所述加热炉之间的管路上，所述亚临界或超临界水发生器设置在所述加热炉的内部，所述加热炉的出水口与所述喷淋器的进水口连通，所述喷淋器设置在所述水解釜的顶部；所述仪表检测控制系统与所述加热炉和所述压力调节阀通信连接，所述仪表检测控制系统对所述加热炉和所述压力调节阀的工作状态进行控制和调节。

2.根据权利要求1所述的水解装置，其特征在于，还包括粉碎机、料斗和给料机，所述粉碎机通过所述料斗与所述给料机连接，所述给料机的出料口与所述水解釜侧壁的下端部设置的入料口连通。

3.根据权利要求1或2所述的水解装置，其特征在于，还包括出料装置和成品储存罐，所述成品储存罐通过所述出料装置与所述水解釜的底部设置的出料口连通。

4.根据权利要求3所述的水解装置，其特征在于，所述水解釜的顶部设有搅拌器。

5.根据权利要求1、2或4所述的水解装置，其特征在于，所述水解釜为能够承受至少30MPa压力和至少500℃温度的容器。

6.根据权利要求1所述的水解装置，其特征在于，所述加热炉包括燃煤炉、燃气炉、燃油炉、电加热炉、天然气炉或沼气炉。

7.根据权利要求1或6所述的水解装置，其特征在于，所述亚临界或超临界水发生器能够产生至少30MPa压力的饱和水和/或饱和蒸汽。

8.根据权利要求1所述的水解装置，其特征在于，所述储水装置与所述高压给水泵之间连通设有除盐装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述仪表检测控制系统与所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵通信连接，所述仪表检测控制系统对所述水解釜、喷淋器、亚临界或超临界水发生器、储水装置和高压给水泵的工作状态进行控制和调节。

10.一种采用权利要求1～9任意一项所述装置进行生物质亚临界或超临界水解的方法，包括以下步骤：

水从储水装置进入高压给水泵，使水的压力升至10～30MPa，经压力调节阀调节后进入加热炉加热，通过亚临界或超临界水发生器使水的温度升至150～500℃，经仪表检测控制系统控制检测后，得到饱和水和/或饱和蒸汽，经喷淋器与水解釜内的生物质混合，进行水解反应。