CN109022057A - 一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法及装置，包括步骤：(1)厨余和微藻原料的预处理形成浆液；(2)密封高温高压的水热反应装置，调节反应装置内的初始压力；(3)将混合后的浆液输入水热反应装置中进行共液化反应；(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置进行燃烧，液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置进行裂解；(5)将裂解后的产物进行气液分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置进行燃烧；(6)所述燃烧装置中引出烟气为水热反应装置及裂解装置提供热量。本发明无需外界供能，能够连续运行，生产效率高，可用于大规模生产生物油。

Description

一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种厨余和微藻混合水热液化制取液体燃料的方法及装置，尤其涉及一种制取过程能量自平衡的厨余和微藻混合水热液化制取燃油的方法及装置。
背景技术
厨余作为城市生活垃圾中占比最高的部分，具有危害性与资源性并存的特点。其危害性体现在厨余中具有大量的易腐物，在运输或保存时易污染环境，影响市容；资源性则体现在厨余含有丰富的有机物。对于厨余垃圾的处理，目前尚未形成系统工业化的处理模式，普遍处理方式为与城市生活垃圾一同进行填埋或者燃烧，或者制成动物饲料。而这些传统的方式都有着弊端：填埋法大量占用土地资源、能量回收率较低；燃烧法需要投入大量能源进行干燥处理；饲料化处理厨余则由于厨余垃圾成分复杂，存在导致疯牛病和痒病等发生和传播的隐患。水热液化技术对厨余垃圾进行能源化处理，具有环境友好、有机质损失小、反应周期短等优势，此外液相产物生物油能量密度大，有较高的利用价值。
生物质主要分为三种：第一代生物质、第二代生物质、第三代生物质。第三代生物质为微藻。相比其他生物质，微藻具有周期短，产量丰富，不占耕地等优势。由于微藻有机物含量丰富，是制取生物燃料的优良原料。微藻的主要组分为脂类、蛋白质、糖类。其比例随着微藻种类不同而有较大的差别。微藻制取生物油较为传统的方式为酯交换法制取柴油，但是此技术只适用于含有较高脂类的微藻。从研究现状来看，藻类脂质含量与产量难以兼顾，为拓宽可利用微藻的范围，结合微藻含水量较高的特点，对微藻在水亚临界条件下进行水热液化从而制得液体燃料的技术正在兴起。水热液化能够实现微藻包括蛋白质和糖类在内的全组分资源化利用。
水热处理是指原料在高温高压溶剂中进行热分解反应。因而该处理方式无需对高含水原料进行脱水预处理。微藻和厨余均含水量高，有机物丰富，对其同时进行水热处理可以避免脱水干燥过程，节约过程能量。
藻类水热液化所得的液体燃料中O和N等杂原子的存在导致生物油油品较差，限制了其应用范围。另一方面藻类水热液化自始自终存在反应条件苛刻、对设备要求较高等缺点，因而必须对现有的生物质液化技术进行优化改善。而采用藻类与其它一些物质共液化可在一定程度上改善液化所得生物油的品质、减缓反应条件的苛刻度、提高转化效率。微藻和厨余在化学组分有较为明显的差别，藻类的主要成分是蛋白质、脂质和多糖，而厨余的主要成分是淀粉、蛋白质和脂质。厨余中的淀粉具有亲水性，因此水热液化可在较低温度下进行。且厨余中的蔬果部分含有较多纤维素，纤维素可与微藻发生协同反应，从而降低反应苛刻度、提高产物品质。因此两者共水热具有较高的可行性。
水热液化技术在生物质转化方面存在独特优势，但目前的技术水平尚有一定缺陷，生物质转化不完全(＜95％)，液化油产率不高(＜35％)、含氧量较高(12-18％)、热值较低 (30-35MJ/kg)等问题，与标准油热值(41.8MJ/kg)相比仍有一定差距，需消耗较多过程热量，因此需要进一步对该技术进行优化，方能推进工业应用的进程。
发明内容
本发明提出的微藻和厨余共液化制备生物油的装置及方法利用了微藻和厨余二者相互间的协同作用，将产物油二次裂解，并让气态产物和固态产物进行燃烧为水热反应系统提供热量，不仅能够实现水热反应的连续性，还能够有效的提高生物质转化效率和改善液体燃料的品质，弥补了二者单独液化的一些不足。在制得高品质的生物油的同时，实现生物质的完全转化，并实现转化过程中能量的自平衡。
本发明通过下述技术方案实现：
一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法，包括如下步骤：
(1)厨余和微藻原料的预处理：对微藻和厨余进行预处理后，混合二者形成均匀混合物，再与水充分混合形成浆液；
(2)密封高温高压的水热反应装置，充入惰性气体或还原性气体调节反应装置内的初始压力；
(3)将混合后的浆液输入水热反应装置中，按设定速度搅拌并升温至给定温度后进行共液化反应；
(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离，分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置进行燃烧，分离后的液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置进行裂解；
(5)将裂解后的产物进行气液分离，分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置进行燃烧；
(6)所述燃烧装置中引出烟气为水热反应装置及裂解装置提供热量。
进一步地，步骤(1)中，所述微藻包括小球藻、杜氏盐藻、浒苔、蓝藻、微拟球藻、螺旋藻中的一种或几种。
进一步地，步骤(1)中，所述混合物中微藻和厨余质量比为0：1~5：1，所述混合物的最大粒径为0.1~0.5mm，所述浆液为所述混合物与水充分混合形成的质量分数为10-60%的浆液。
进一步地，步骤(2)中，所述惰性气体为高纯氮气，所述还原性气体为氢气，所述初始压力为2~10MPa。
进一步地，所述步骤(3)中的浆液通过高压泵输入水热反应装置中。
进一步地，步骤(3)中，所述浆液在水热反应装置内进行水热反应时，其反应温度为290～350℃，自压范围为8～15MPa。
进一步地，步骤(3)中，搅拌时所述设定速度为300~500r/min，保证物料充分接触，防止结焦。
一种实现所述方法的装置，包括依次连接的入料装置、高压泵和水热反应器，所述水热反应器底部的出料口连接固液分离装置，顶部的出气口连接裂解装置，所述固液分离装置的液体出口连接裂解装置，固体出口连接燃烧装置，所述的裂解装置的输出口连接气液分离装置，所述气液分离装置的液体出口经冷凝器连接储油罐，气体出口经干燥器连接燃烧装置；所述燃烧装置中引出烟气管道分别为所述水热反应装置及裂解装置提供热量。
进一步地，所述的水热反应器中设置有磁力搅拌器。
进一步地，所述的入料装置包括储料箱、设置在所述储料箱入口处的碎料机。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
（1）以可再生的藻类和厨余为原料制备生物燃料，可以缓解化石能源日益短缺 及其利用产生的相关环境问题；
（2）藻类本身具有光合效率高、生物量大、生长周期短、环境适应能力强、不占用农业耕地面积等优点，可实现大规模的人工养殖，可以显著降低原料成本；
（3）厨余垃圾具有资源型与危害性并存的特点，作为水热制油的原料可以实现变废为宝；
（4）无需对原料进行干燥预处理，降低了反应过程的能量消耗和投资成本，能量利用率高，反应产物易于分离，有利于工业化应用；
（5）微藻与厨余在液化过程存在协同作用，不但能够低反应条件的苛刻度，而且能在在一定程度上提高生物油的产率和改善生物油的品质。
（6）水热反应的产物固、液、气均能参与循环，能够实现原料全组分的高效利用，实现能量自平衡，无需外界供能。
（7）粗制油能在较高的温度下进行精制。
（8）能够连续运行，生产效率高，可用于大规模生产生物油。
附图说明
图1为本发明餐厨垃圾水热液化制取燃料油工艺流程图。
图中：1-储料箱；2-高压泵；3-裂解装置；4-气液分离装置；5-冷凝器；6-储油罐；7-燃烧装置；8-固液分离装置；9-水热反应装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法，包括如下步骤：
(1)厨余和微藻原料的预处理：将厨余垃圾收集后，分选出厨余垃圾中的无机杂质，残留物作为原料；将分选后的原料进行离心与静置处理，分离出上层油脂后，以用作生物柴油或工业油脂原料，将残留物进行粗破碎，制成厨余原料；微藻进行破碎，制成微藻原料；将微藻和厨余混合物加入水充分混合形成质量分数为10%的浆液待用；
(2)密封高温高压的水热反应装置9，充入惰性气体调节反应装置内的初始压力；
(3)将混合后的浆液输入水热反应装置9中，按设定速度搅拌并升温至给定温度后进行共液化反应；
(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离，分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置7进行燃烧，分离后的液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置3进行裂解；
(5)将裂解后的产物进行气液分离，分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置7进行燃烧；
(6)所述燃烧装置7中引出烟气为水热反应装置9及裂解装置3提供热量。
具体而言，步骤(1)中，所述微藻包括小球藻、杜氏盐藻、浒苔、蓝藻、微拟球藻、螺旋藻中的一种或几种。
具体而言，步骤(1)中，所述混合物中微藻和厨余质量比为0：1，所述混合物的最大粒径为0.1mm。
具体而言，步骤(2)中，所述惰性气体为高纯氮气，所述初始压力为2MPa。
具体而言，所述步骤(3)中的浆液通过高压泵2输入水热反应装置9中。
进一步地，步骤(3)中，所述浆液在水热反应装置9内进行水热反应时，其反应温度为290℃，自压为8MPa。
具体而言，步骤(3)中，搅拌时所述设定速度为300r/min，保证物料充分接触，防止结焦。
实施例二
一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法，包括如下步骤：
(1)厨余和微藻原料的预处理：将厨余垃圾收集后，分选出厨余垃圾中的无机杂质，残留物作为原料；将分选后的原料进行离心与静置处理，分离出上层油脂后，以用作生物柴油或工业油脂原料，将残留物进行粗破碎，制成厨余原料；微藻进行破碎，制成微藻原料；将微藻和厨余混合物加入水充分混合形成质量分数为50%的浆液待用；
(2)密封高温高压的水热反应装置9，充入惰性气体调节反应装置内的初始压力；
(3)将混合后的浆液输入水热反应装置9中，按设定速度搅拌并升温至给定温度后进行共液化反应；
(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离，分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置7进行燃烧，分离后的液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置3进行裂解；
(5)将裂解后的产物进行气液分离，分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置7进行燃烧；
(6)所述燃烧装置7中引出烟气为水热反应装置9及裂解装置3提供热量。
具体而言，步骤(1)中，所述微藻包括小球藻、杜氏盐藻、浒苔、蓝藻、微拟球藻、螺旋藻中的一种或几种。
具体而言，步骤(1)中，所述混合物中微藻和厨余质量比为1：1，所述混合物的最大粒径为0.3mm。
具体而言，步骤(2)中，所述惰性气体为高纯氮气，所述初始压力为5MPa。
具体而言，所述步骤(3)中的浆液通过高压泵2输入水热反应装置9中。
具体而言，步骤(3)中，所述浆液在水热反应装置9内进行水热反应时，其反应温度为300℃，自压为10MPa。
具体而言，步骤(3)中，搅拌时所述设定速度为400r/min，保证物料充分接触，防止结焦。
实施例三
一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法，包括如下步骤：
(1)厨余和微藻原料的预处理：将厨余垃圾收集后，分选出厨余垃圾中的无机杂质，残留物作为原料；将分选后的原料进行离心与静置处理，分离出上层油脂后，以用作生物柴油或工业油脂原料，将残留物进行粗破碎，制成厨余原料；微藻进行破碎，制成微藻原料；将微藻和厨余混合物加入水充分混合形成质量分数为60%的浆液待用；
(2)密封高温高压的水热反应装置9，充入还原性气体调节反应装置内的初始压力；
(3)将混合后的浆液输入水热反应装置9中，按设定速度搅拌并升温至给定温度后进行共液化反应；
(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离，分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置7进行燃烧，分离后的液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置3进行裂解；
(5)将裂解后的产物进行气液分离，分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置7进行燃烧；
(6)所述燃烧装置7中引出烟气为水热反应装置9及裂解装置3提供热量。
具体而言，步骤(1)中，所述微藻包括小球藻、杜氏盐藻、浒苔、蓝藻、微拟球藻、螺旋藻中的一种或几种。
具体而言，步骤(1)中，所述混合物中微藻和厨余质量比为5：1，所述混合物的最大粒径为0.5mm。
具体而言，步骤(2)中，所述还原性气体为氢气，所述初始压力为10MPa。
具体而言，所述步骤(3)中的浆液通过高压泵2输入水热反应装置9中。
具体而言，步骤(3)中，所述浆液在水热反应装置9内进行水热反应时，其反应温度为350℃，自压为15MPa。
具体而言，步骤(3)中，搅拌时所述设定速度为500r/min，保证物料充分接触，防止结焦。
实施例四
如图1所示，一种实现所述方法的装置，包括依次连接的入料装置、高压泵1和水热反应器7，所述的水热反应器7中设置有磁力搅拌器。所述水热反应器7底部的出料口连接固液分离装置8，顶部的出气口连接裂解装置3，所述固液分离装置8的液体出口连接裂解装置3，固体出口连接燃烧装置7，所述的裂解装置3的输出口连接气液分离装置4，所述气液分离装置4的液体出口经冷凝器5连接储油罐6，气体出口经干燥器连接燃烧装置7；所述燃烧装置7中引出烟气管道分别为所述水热反应装置9及裂解装置3提供热量。
所述的入料装置包括储料箱1、设置在所述储料箱1入口处的碎料机。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种厨余垃圾与微藻混合水热分解制油的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)厨余和微藻原料的预处理：对微藻和厨余进行预处理后，混合二者形成均匀混合物，再与水充分混合形成浆液；
(2)密封高温高压的水热反应装置，充入惰性气体或还原性气体调节反应装置内的初始压力；
(3)将混合后的浆液输入水热反应装置中，按设定速度搅拌并升温至给定温度后进行共液化反应；
(4)对反应后的下沉性产物进行固液分离，分离后的固体经过干燥后输入燃烧装置进行燃烧，分离后的液体及水热反应后的气体共同输入裂解装置进行裂解；
(5)将裂解后的产物进行气液分离，分离后的液体经过冷凝得到精制油，分离后的不凝性气体干燥后直接进入燃烧装置进行燃烧；
(6)所述燃烧装置中引出烟气为水热反应装置及裂解装置提供热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述微藻包括小球藻、杜氏盐藻、浒苔、蓝藻、微拟球藻、螺旋藻中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述混合物中微藻和厨余质量比为0：1~5：1，所述混合物的最大粒径为0.1~0.5mm，所述浆液为所述混合物与水充分混合形成的质量分数为10-60%的浆液。
4.根据权利1要求的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述惰性气体为高纯氮气，所述还原性气体为氢气，所述初始压力为2~10MPa。
5.根据权利1要求的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的浆液通过高压泵输入水热反应装置中。
6.根据权利1要求的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述浆液在水热反应装置内进行水热反应时，其反应温度为290～350℃，自压范围为8～15MPa。
7.根据权利1要求的方法，其特征在于：步骤(3)中，搅拌时所述设定速度为300~500r/min。
8.一种实现权利要求1至7中任一项所述方法的装置，其特征在于：包括依次连接的入料装置、高压泵和水热反应器，所述水热反应器底部的出料口连接固液分离装置，顶部的出气口连接裂解装置，所述固液分离装置的液体出口连接裂解装置，固体出口连接燃烧装置，所述的裂解装置的输出口连接气液分离装置，所述气液分离装置的液体出口经冷凝器连接储油罐，气体出口经干燥器连接燃烧装置；所述燃烧装置中引出烟气管道分别为所述水热反应装置及裂解装置提供热量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的水热反应器中设置有磁力搅拌器。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的入料装置包括储料箱1、设置在所述储料箱入口处的碎料机。
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