CN109852426A - 一种生物质的旋转式连续增压进料装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生物质的旋转式连续增压进料装置及方法，其中所述进料装置包括：具有由顶部、底部和侧部形成的内腔体的进料器外壳；设置在内腔体中的旋转式进料器，其中所述旋转式进料器的外表面与内腔体的内壁贴合并且具有一个或多个进料仓；用于将生物质进料到进料仓中的进料口；用于对进料仓进行增压的进气口；用于将进料仓中的生物质排出的出料口；用于对进料仓进行泄压的排气口；和用于驱动旋转式进料器旋转的驱动装置。利用上述进料装置，本发明能够在进料装置运行过程中同步完成内外压力平衡而实现生物质连续加压给料，并且提高给料效率、进料均匀度及工艺可重复性，具有极大的工业化前景。
Description
技术领域
本发明属于生物质的化学工业技术设备和能源技术领域，具体涉及一种生物质的旋转式连续增压进料装置及方法。
背景技术
生物质是目前被认为唯一能够转化为液体燃料和生物基新材料的可再生资源，农作物秸秆则是最为重要的生物质资源，每年我国农业产生的秸秆超过10亿吨。当前，我国的秸秆转化利用技术水平较低，大量秸秆直接在田间被焚烧，不仅带来了严重的环境污染问题，更是一种生物质资源的浪费。因此，秸秆的高效解聚分离和转化利用对于解决环境污染和优化能源结构具有非常重要的意义。
近几年来，研究开发生物质秸秆的高效转化利用技术和设备已成为国内外研究的热点方向。秸秆水相解聚具有效率高、适应性强、产物附加值高、易与现有化工技术衔接等优势。目前，基于水相连续酸解的反应器是研究最为广泛且产业成熟度最高的一类设备。
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CN1927874A公开了一种从生物质秸秆原料制取单糖的方法和装置，其中在反应器中具有较高的温度和压力，混合物料在行进的过程中发生水解反应形成单糖溶液。然而，该装置没有设置具备压力补偿能力的连续进料系统，因而为了保持高压体系的密封性，需要分批次进料，无法真正的实现连续进料、连续反应，致使工艺的整体效率降低，不利于工业化实施。
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因此，本领域仍然需要用于生物质的连续增压进料的新型装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现生物质连续增压给料的装置及方法，以提高给料效率、进料均匀度及工艺可重复性，使得例如可以提高生物质的水解效果，并推进其工业自动化进程。
为此，一方面，本发明提供了一种用于生物质的旋转式连续增压进料装置，所述连续增压进料装置包括：
进料器外壳，所述进料器外壳具有由顶部、底部以及在所述顶部和底部之间的侧部形成的内腔体；
设置在所述内腔体中且能够旋转的旋转式进料器，其中所述旋转式进料器的外表面与所述内腔体的内壁贴合并且所述旋转式进料器的外表面上形成有一个或多个进料仓；
设置在所述进料器外壳的顶部上并且用于将生物质进料到所述进料仓中的进料口；
设置在所述进料器外壳的侧部上并且用于对所述进料仓进行增压的进气口；
设置在所述进料器外壳的底部上并且用于将所述进料仓中的生物质排出的出料口；
设置在所述进料器外壳的侧部上并且用于对所述进料仓进行泄压的排气口；和
用于驱动所述旋转式进料器旋转的驱动装置。
在优选实施方案中，所述进料仓的数量为1-8个，优选2-4个。
在优选实施方案中，所述进料口、进气口、出料口和排气口按顺时针或按逆时针顺序设置。
在优选实施方案中，所述旋转式连续增压进料装置还包括与所述出料口连通的反应器。
在优选实施方案中，所述旋转式连续增压进料装置还包括与所述进气口连通的增压气源装置和/或将所述进气口与所述出料口连通的气压平衡回路；优选地，所述气压平衡回路通过三通阀与所述进气口和所述增压气源装置连通。
在优选实施方案中，所述旋转式连续增压进料装置还包括设置在所述进气口和所述增压气源之间或者设置在所述气压平衡回路上的压力传感器。
在优选实施方案中，所述进料器外壳为四方体形状，并且所述旋转式进料器为球体形状；优选地，所述驱动装置是电机；更优选地，所述电机是变频控制电机。
在另一方面，本发明提供了一种利用上述旋转式连续增压进料装置用于生物质的旋转式连续增压进料的方法，所述方法包括：
从进料口将生物质物料投入到进料仓中；
启动驱动装置以将旋转式进料器旋转至进气口位置，以通过增压气源装置或通过反应器内压经由气压平衡回路对装有所述生物质物料的所述进料仓进行增压；
在达到所需压力后进一步将所述旋转式进料器旋转至出料口位置，以将所述进料仓中的生物质物料从所述出料口排出到反应器中；
在排出所述生物质物料后进一步将所述旋转式进料器旋转至排气口位置，以将所述进料仓通过排气口泄压；和
在泄压后进一步将所述旋转式进料器旋转至进料口位置，以再次从所述进料口接收生物质物料，从而完成一次进料循环。
在优选实施方案中，所述生物质物料是选自麦秸、稻秸、玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣、葵花籽壳、棉柴、棉籽壳、麦秆、稻壳、林木颗粒和草料中的一种或多种。
在优选实施方案中，所述增压气源装置中的气体是氮气、氧气、空气、氩气、二氧化碳、水蒸气、携酸水蒸气或携碱水蒸气；优选地，将所述进料仓增压至0.1-15MPa的压力；优选地，旋转所述旋转式进料器的速度为1rpm-100rpm，其进料速度调节范围是0.1kg/min-10kg/min。
本发明的有益效果包括但不限于以下方面：
(1)与现有的分批次给料技术相比，本发明能够实现固体生物质的连续给料，提高了涉及生物质的处理工艺如水解工艺的自动化程度、实现连续增压进料操作。
(2)采用旋转式连续增压给料设计，不易串料、堵塞，其结构优于现有的旋转进料阀和加压锁斗式进料装置。
(3)物料在旋转式连续增压进料器中进行增压后可利于物料进入反应器，避免了给料不连续，提高了涉及生物质的处理工艺如水解的效果。
(4)根据具体应用，利用本发明旋转式连续增压进料装置，可以通过补充气体或液体来对生物质物料的温度及压力进行调节；而且，而且本发明的旋转式连续增压进料装置本身可以起到预混合的作用，有利于提高生物质物料的后续处理如水解的效果。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方案的旋转式连续增压进料装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明一个实施方案的连接了外部驱动装置的旋转式连续增压进料装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够实现本发明。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“侧”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明范围的限制。
根据一个实施方案，本发明提供的旋转式连续增压进料装置的结构示意图在图1和图2中显示。如图1所示，本发明的旋转式连续增压进料装置包括进料器外壳1、设置在该进料器外壳顶部或顶表面上的进料口2、容纳在该进料器外壳的内腔体(由顶部、底部以及在顶部和底部之间的侧部形成)内的旋转式进料器3(该进料器3例如可以通过中心轴固定在外壳1上并绕该中性轴旋转)、在旋转式进料器3的表面上设置或形成的一个或多个进料仓4(例如但不限于图1中所示的从外表面凹入的4个进料仓)、设置在该进料器外壳的侧部或侧面上的进气口5、设置在该进料器外壳的底部或底表面上的出料口6和设置在该进料器外壳的侧部或侧面(例如但不限于图1中所示的与设置进气口5相对的侧部或侧面)上的排气口7。优选地，如图1所示，进气口5与出料口6之间通过气压平衡回路8连通以实现进料仓4与物料要排放进入的装置或反应器如生物质水解反应器(未显示)之间的压力平衡，并且进料仓4也可以直接通过反应器的内压进行增压或气压补足。作为备选方案，进气口5可以与增压气源装置9连通以经由该增压气源装置9实现对进料仓进行增压或气压补足。更优选地，进气口5、气压平衡回路8和增压气源装置9之间可以例如通过三通阀10相互连通，并且在实际操作中，根据需要分别进行连通而实现增压或气压补足。如图2所示，本发明的连续增压进料装置还包括用于驱动旋转式进料器3旋转的驱动装置11如驱动电机。
在本发明中，尽管没有特别限制，但优选地，进料器外壳可以为四方体形状、球体形状或近似球体形状。此外，如图1所示，进料器外壳至少具有顶部或顶表面、底部或底表面以及在该顶部和底部之间的两个相对侧部或侧面，以用于设置诸如进料口、进气口、出料口、排气口等部件。
在本发明中，旋转式进料器设置在进料器外壳的内腔体中，例如通过销钉将中心轴固定在进料器外壳上，并且优选地，旋转式进料器的外表面与内腔体的内壁贴合。这里的贴合可以是旋转式进料器的外表面与内腔体的内壁直接密切接触形成的贴合，也可以是二者之间通过设置另外的密封件例如隔片或隔板实现，其目的是尽可能防止投入到在旋转式进料器表面上形成的进料仓中的生物质物料不会飞洒到内腔体中，同时也可以使得经过增压后的进料仓在旋转过程中不会发生压力和/或温度的显著变化。
在本发明中，对于进料口的构造和形状没有特别限制，只要能够实现将生物质物料投入到进料仓中即可。例如，进料口可以设计为上大下小的喇叭形状。
在本发明中，对于在旋转式进料器表面上形成进料仓的方式没有特别限定，其可以经由本领域熟知的方法例如机械加工或者模制成型等方式形成。而且，对于在旋转式进料器表面上形成的进料仓的形状和容积大小没有特别限制，这可以根据实际需要进行设计和形成。例如，如图1所示，形成的进料仓可以为半球形，也可以为其他合适的形状。在本发明中，优选地，形成的进料仓的个数可以为1-8个，优选为2-4个。此外，根据需要或优选地，所形成的进料仓可以设置诸如盖板的密封件以进一步确保生物质物料不会溢出，同时进一步确保增压后的进料仓的压力在出料之前不发生显著变化。优选地，旋转式进料器的旋转速度可以为1rpm-100rpm，并且进料速度可以是0.1kg/min-10kg/min。
在本发明中，进料仓的增压优选地经由气压平衡回路通过反应器中的内部压力进行增压或气压补足，这样可以减少外部增压气源的使用。根据需要，也可以使用增压气源装置对进料仓和/或反应器进行增压或气压补足。尽管没有特别限制，但优选地，将进料仓增压或气压补足至0.1-15MPa的压力。
在本发明中，优选地，增压气源装置中的气体可以是惰性气体如氮气、氩气、二氧化碳等，根据需要，也可以是氧气、空气、水蒸气、携酸水蒸气或携碱水蒸气等。
在本发明中，由于增压后的进料仓压力至少与要从出料口接收生物质物料的反应器中的内部压力相同或更高，因此进料仓中的生物质物料可以很容易地排出到反应器中。
在本发明中，在生物质物料从进料仓排出完毕后，通过排气口对进料装置或进料仓进行泄压，例如恢复至环境压力。排气口可以直接放空，或者根据需要连接收纳装置。
在本发明中，尽管没有特别限制，但优选地，进料口、进气口、出料口和排气口按顺时针或按逆时针顺序设置；优选地，进料口、进气口、出料口和排气口位于同一个平面上。例如，如图1所示，进料口、进气口、出料口和排气口按顺时针顺序设置并且位于同一个竖直横截平面上。这样的设置使得在操作过程中，旋转式进料器也按顺时针方向进行旋转操作。
在本发明中，优选地，旋转式连续增压进料装置还包括设置在进气口和增压气源之间或者设置在气压平衡回路上的一个或多个压力传感器，其用于检测增压前后进料仓、气压平衡回路和/或反应器中的压力。
在本发明中，尽管没有特别限制，但优选地，旋转式进料器可以为与内腔体适配的任何形状，例如为球体形状或近似球体形状。
在本发明中，尽管没有特别限制，但优选地，驱动装置可以是电机，更优选是变频控制电机。
在本发明中，对于旋转式进料装置的各部件的构成材料和形成方式没有特别限制，均可以使用本领域熟知的材料和方式形成。例如可以使用诸如钢板、耐压塑料、钢化玻璃、耐磨砂石、塑料管材等通过常规方式形成。
此外，对于上述的旋转式连续增压进料装置涉及的其他具体连接和构造，可以利用本领域熟知的合适方法和材料由本领域技术人员容易地实现。
本发明提供的旋转式连续增压进料装置可以用于生物质的连续增压进料，其过程包括：从进料口位置将生物质物料投入到进料仓中；启动驱动装置以将旋转式进料器旋转至进气口位置，以通过增压气源装置或通过反应器内压经由气压平衡回路对装有生物质物料的进料仓进行增压或气压补足；在达到所需压力后进一步将旋转式进料器旋转至出料口位置，以将进料仓中的生物质物料从出料口排出到反应器中；在排出生物质物料后进一步将旋转式进料器旋转至排气口位置，以将进料仓通过排气口泄压；和在泄压后进一步将旋转式进料器旋转至进料口位置，以再次从进料口接收生物质物料，从而完成一次进料循环。
在一个具体的实施方案中，如图1和图2所示，所述方法包括以下操作步骤：
(1)将驱动电机与旋转式进料器电连接；
(2)使旋转式进料器处于a位置，并通过进料口将生物质物料投入到进料仓中；
(3)通过驱动电机使旋转式进料器转动至b位置，此时通过气压平衡回路，利用反应器(未显示)内压进行气压补足或增压。备选地或优选地，可以经由外部设置的增压气源装置通过进气口进行气压补足或增压(例如使得进料仓的压力范围在0.1Mpa-15Mpa)；
(4)通过驱动电机使旋转式进料器继续转动至c位置，在那里经由出料口将进料仓中的生物质物料排放进入到反应器中；
(5)通过驱动电机使旋转式进料器继续转动至d位置，在那里经由排气口对进料仓进行泄压；
(6)通过驱动电机使旋转式进料器继续转动回到a位置，由此完成一次包括进料、增压、出料、泄压和复位操作过程的进料循环。
要理解的是，图1中所显示的a-d四个位置均为相对位置，同时在旋转式进料器上设置有多个例如4个进料仓的情况下，在连续操作操作中，这些进料仓可以分别处在上述的各个操作位置或状态中。
在本发明中，可以使用生物质物料的实例包括但不限于选自麦秸、稻秸、玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣、葵花籽壳、棉柴、棉籽壳、麦秆、稻壳、林木颗粒和草料中的一种或多种。
利用上述连续增压装置，通过连续地重复上述进料循环，本发明可以实现固体生物质的连续给料，并且提高涉及生物质的处理工艺如水解工艺的自动化程度。
此外，在其他实施方案中，本发明的进料装置还可以包括例如设置在进料仓中的称重装置，用于计量每次需要向反应器中投入的生物质物料的量。类似地，根据需要，本领域技术人员可以设置所需的其他常规装置和部件。
另外，在本发明中，旋转式进料器可以是可拆卸式地设置在进料器外壳中的。因此，根据需要，可以将旋转式进料器从进料器外壳中取出以进行清洗、维修保养等操作。
尽管以上描述了本发明的优选实施方案，但以上实施方案的说明只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。此外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神和范围的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明所要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于生物质的旋转式连续增压进料装置，所述旋转式连续增压进料装置包括：
进料器外壳，所述进料器外壳具有由顶部、底部以及在所述顶部和底部之间的侧部形成的内腔体；
设置在所述内腔体中且能够旋转的旋转式进料器，其中所述旋转式进料器的外表面与所述内腔体的内壁贴合并且所述旋转式进料器的外表面上形成有一个或多个进料仓；
设置在所述进料器外壳的顶部上并且用于将生物质进料到所述进料仓中的进料口；
设置在所述进料器外壳的侧部上并且用于对所述进料仓进行增压的进气口；
设置在所述进料器外壳的底部上并且用于将所述进料仓中的生物质排出的出料口；
设置在所述进料器外壳的侧部上并且用于对所述进料仓进行泄压的排气口；和
用于驱动所述旋转式进料器旋转的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述进料仓的数量为1-8个，优选2-4个。
3.根据权利要求1所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述进料口、进气口、出料口和排气口按顺时针或按逆时针顺序设置。
4.根据权利要求1所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述旋转式连续增压进料装置还包括与所述出料口连通的反应器。
5.根据权利要求1所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述旋转式连续增压进料装置还包括与所述进气口连通的增压气源装置和/或将所述进气口与所述出料口连通的气压平衡回路；优选地，所述气压平衡回路通过三通阀与所述进气口和所述增压气源装置连通。
6.根据权利要求5所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述旋转式连续增压进料装置还包括设置在所述进气口和所述增压气源之间或者设置在所述气压平衡回路上的压力传感器。
7.根据权利要求1所述的旋转式连续增压进料装置，其特征在于，所述进料器外壳为四方体形状，并且所述旋转式进料器为球体形状；优选地，所述驱动装置是电机；更优选地，所述电机是变频控制电机。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的旋转式连续增压进料装置用于生物质的连续增压进料的方法，所述方法包括：
从进料口将生物质物料投入到进料仓中；
启动驱动装置以将旋转式进料器旋转至进气口位置，以通过增压气源装置或通过反应器内压经由气压平衡回路对装有所述生物质物料的所述进料仓进行增压；
在达到所需压力后进一步将所述旋转式进料器旋转至出料口位置，以将所述进料仓中的生物质物料从所述出料口排出到反应器中；
在排出所述生物质物料后进一步将所述旋转式进料器旋转至排气口位置，以将所述进料仓通过排气口泄压；和
在泄压后进一步将所述旋转式进料器旋转至进料口位置，以再次从所述进料口接收生物质物料，从而完成一次进料循环。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述生物质物料是选自麦秸、稻秸、玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣、葵花籽壳、棉柴、棉籽壳、麦秆、稻壳、林木颗粒和草料中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述增压气源装置中的气体是氮气、氧气、空气、氩气、二氧化碳、水蒸气、携酸水蒸气或携碱水蒸气；优选地，将所述进料仓增压至0.1-15MPa的压力；优选地，旋转所述旋转式进料器的速度为1rpm-100rpm，其进料速度调节范围是0.1kg/min-10kg/min。
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