CN110527558A - 一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，包括进行水热液化反应与催化超临界水气化反应的两级连续式反应器，进行液化产物和超临界水气化产物各自分离的分离系统，以及水相产物的循环回收利用系统；水热液化预热器与水热液化反应器依次连接在反应系统的进料口，并与液化产物的分离系统相连；超临界水气化预热器与超临界水气化反应器依次连接在液化水相产物的出口，并与气化产物的分离系统相连；水相产物的循环回收利用系统经由气化反应后分离水相产物后的出口与超临界水气化反应的进料口相连，储存在气化储液箱内的残余水相，经水相高压泵泵入到超临界水气化反应系统中，达到水相中有机质的循环利用。

Description

一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，涉及一种生物油、可燃性生物气的制备系统，尤其是一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统。
背景技术
化石燃料的过度消耗导致大气污染和温室效应以及燃料储备等能源安全问题致使生物质能被挖掘并广泛利用。生物质能作为一种可再生的清洁能源，可以通过生物化学法和热化学法转化为新型清洁液体燃料(如生物柴油、生物原油等)，利用过程能够实现碳的封闭循环，控制CO2的排放以降低温室效应，对于能源高效利用和缓解能源紧缺有很大的提升。生物质含有蛋白质，不饱和脂肪酸和其他生理活性物质，其生物利用效率和产油效率较高，还可以在极端环境成长，对重金属离子有很好的吸附效果与分解作用，作为后续储备燃料，有广泛的发展前途和使用前景。
水热液化技术(HTL)是指利用热化学的方法，在有或无催化剂的作用下，在亚临界条件(280～350℃，5～20MPa)热压缩水中持续5～60分钟转化为液相生物油产物的过程。湿生物质HTL是一种非常具有前景的制油技术，具有很多优势。首先，HTL不仅可以将湿生物质中的油脂转化成生物质油，还可最大限度将其含有的蛋白质、糖类物质、木质素和纤维素也转化成高热值的生物质油。其次，对比传统的热化学转化技术(如气化和热解)，湿生物质的HTL能够直接将未经干燥的原料转换成能量密集的生物质油，从而避免了干燥过程所需的高能量消耗，因此具有更高的能量利用率。再次，HTL可以促进如氮、磷、铁、钙、镁、钾和其他矿物质以及极性有机化合物等营养素的分离和湿生物质生长所需的营养物质的再循环。超临界水气化技术(SCWG)是一种非常有希望将高含水量生物质或废水浆转化为生物基合成天然气的有前景的技术，典型的气体包括甲烷、氢气、二氧化碳、一氧化碳和低浓度的C2-C3气体。氢气可以广泛用于燃料电池、天然气重整和大量氨合成的商业化生产，其它可燃性气体燃烧也可以产生热量。
针对湿生物质的应用研究，大多数都是采用单一的反应容器进行单级(催化)液化反应，而多级反应系统是以后可以尝试改进工艺技术的一个重要趋势。水热液化后利用溶剂萃取可以得到生物原油，但是在大规模的连续生产中，添加溶剂这种方法会提高经济成本并对环境造成污染。液化后的水相产物中含有残留的有机质以及烷基取代的环状的含氮和含氧的化合物，直接排放也会造成有机质的流失和环境污染。
因此，要想实现湿生物质处理技术的规模化应用，还需要解决以下问题：
首先，在保证尽可能地提高反应所得生物油品质的同时，降低反应系统的运行成本和使用能耗，提高能量的利用效率；其次，液化后的水相仍然含有高含量的有机质与营养物质，有效分配水相产物实现反应原料的资源化利用，以便改善生态环境。目前国内外均没有关于湿生物质液化与催化超临界气化耦合的多级装置的研究，已有的反应装置还普遍存在系统能耗较高，产物的分离不彻底，油相的品质低等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制取可燃性生物气的连续式反应系统，该系统结构设计合理，能够有效解决湿生物质水热液化后水相产物的任意排放、有机质的流失以及油相产物品质低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，包括两级连续式反应单元、液化产物分离单元、气化产物分离单元以及水相产物循环回收利用单元；两级连续式反应单元由水热液化反应单元和超临界水气化反应单元组成；
所述水热液化反应单元，包括通过管路相连的水热液化预热器和水热液化反应器；所述超临界水气化反应单元，包括通过管路相连的超临界水气化预热器和超临界水气化反应器；
湿生物质通过进料口进入水热液化预热器，经预热处理后进入水热液化反应器进行水热液化反应，反应后的产物进入液化产物分离单元处理；液化产物分离单元的水相产物出口端与超临界水气化预热器的入口端相连，超临界水气化预热器的出口端与气化产物分离单元相连；水相产物循环回收利用单元经由气化反应分离水相产物的出口与超临界水气化反应单元的进料口相连，储存的残余水相能够通入至超临界水气化反应单元中进行循环利用。
优选地，所述水热液化预热器出口与水热液化反应器入口相连，水热液化反应器出口经水热液化预热器与液化产物分离单元相连；所述超临界水气化预热器出口与超临界水气化反应器入口相连，超临界水气化反应器出口经超临界水气化预热器与气化产物分离单元相连；水热液化预热器、超临界水气化预热器能够分别回收液化反应、气化反应后的余热。两种反应后的高温高压流体会携带热量对预热器中的原料进行预热，从而回收余热。
优选地，液化产物分离单元包括固液分离器、液化气液分离器、第一离心机；
固液分离器的入口经液化背压阀与水热液化预热器的出口相连，固液分离器的出口一端与储渣箱连接，另一端与液化气液分离器相连，液化气液分离器的出口一端通过第一增压机连接储气瓶，另一端连接第一离心机。
进一步优选地，经第一离心机离心后的油相产物和水相产物，分别通过液化油高压泵与液化水高压泵泵至储油罐和液化储液箱中。
进一步优选地，气化产物分离单元包括气化气液分离器、第二离心机和隔离箱；超临界水气化预热器经气化背压阀与气化气液分离器相连，气化气液分离器一端经隔离箱与可燃气体储气瓶连接，另一端与第二离心机相连。
进一步优选地，还包括与第二离心机相连的溶剂管路，溶剂管路上设有相连的溶剂高压泵及流体接触塔，流体接触塔中盛装有用于萃取气化后水相中的焦油相的溶剂；第二离心机的一端经蒸馏塔后，产生的焦油相置于焦油储存箱中，另一端与气化储液箱连接。
进一步优选地，水相产物循环回收利用单元将气化储液箱中的衍生液相经水相高压泵泵入到超临界水气化反应单元中继续进行残余有机质的利用。
优选地，还包括物料箱，物料箱中存储的湿生物质通过高压泵泵入水热液化预热器中。
优选地，超临界水气化反应器内部装载含有催化剂的催化剂墙
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置水热液化反应与催化超临界水气化反应相耦合的两阶段连续式反应单元，同步实现了湿生物质制取高品质生物油和液化水相产物经气化制取可燃生物气的过程，气化后的水相经循环回收系统，再次参与到催化超临界水气化进程中实现有机质的反复利用。两级连续式反应单元中均设置有预热器，可以回收利用反应后的余热，降低了整个反应系统的整体能耗。此外，液化产物分离单元和气化产物分离单元的综合使用可以实现油相、焦油相产物的彻底分离。生物油的提取和分离未经过溶剂萃取过程，只有离心操作，本系统的流体接触塔的作用就是单纯的为气化后焦油相的提取提供有机溶剂，最终蒸发掉溶剂从而回收焦油相，因此本发明所得的油相产物品质高。相比于其他的湿生物质处理系统，本发明系统原料反应完全，产物分离彻底，油相品质高，实现了液化水相产物中有机质的重复利用和可燃性生物气的制取，可以广泛用于湿生物质处理。
附图说明
图1是本发明反应系统的示意图。
图中：1、储料箱；2、高压泵；3、水热液化预热器；4、水热液化反应器；5、液化油高压泵；6、第一增压机；7、储气瓶；8、储油罐；9、水相高压泵；10、流体接触塔；11、隔离箱；12、第二增压机；13、可燃气体储气瓶；14、焦油储存箱；15、气化储液箱；16、蒸馏塔；17、第二离心机；18、溶剂高压泵；19、气化气液分离器；20、催化剂墙；21、气化背压阀；22、超临界水气化反应器；23、超临界水气化预热器；24、液化储液箱；25、液化水高压泵；26、第一离心机；27、储渣箱；28、液化气液分离器；29、固液分离器；30、液化背压阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供了一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，包括两级预热器，分别为水热液化预热器3和超临界水气化预热器23，第一阶段的水热液化反应器4和第二阶段的超临界水气化反应器22，液化产物分离单元，气化产物分离单元以及水相产物循环回收利用单元。两阶段的预热器与相应的反应器连接，经液化和气化进程后的反应余热可以用于预热器加热，减少了不必要的能源损耗。
进一步地，超临界水气化反应器22内装载有催化剂墙20，促进超临界水气化反应的进行。
所述液化产物分离单元包括固液分离器29、液化气液分离器28和第一离心机26，水热液化预热器3经液化背压阀30与固液分离器29连接，固液分离器29一端与液化气液分离器28连接，另一端连接储渣箱27。液化气液分离器28一端经第一增压机6与储气瓶7连接，另一端与第一离心机26连接。第一离心机26的一端经液化油高压泵5与储油罐8连接，另一端经液化水高压泵25与液化储液箱24连接。
所述气化产物的分离系统包括气化气液分离器19、流体接触塔10、第二离心机17和蒸馏塔16，气化预热器23经气化背压阀21与气化气液分离器19连接，气化气液分离器19一端经隔离箱11与可燃气体储气瓶13连接，隔离箱11中布满氢氧化钠固体颗粒，用于吸收气体中的二氧化碳。气化气液分离器19的另一端与溶剂管路连接在第二离心机17。溶剂用于萃取气化后水相中的焦油相，经溶剂高压泵18从流体接触塔10中泵出溶剂相。第二离心机17的一端经蒸馏塔16后，产生的焦油相置于焦油储存箱14中，另一端与气化储液箱15连接。
所述水相产物循环回收利用单元将气化后回收在气化储液箱15中的衍生液相经水相高压泵9泵入到超临界水气化反应单元中，继续进行残余有机质的利用，达到湿生物质有机成分的重复利用和循环使用。
物料箱1中一定装载量的湿生物质经高压泵2泵入到水热液化预热器3中，完成预热后进入到水热液化反应器4中，水热液化进程完成后，产物经液化背压阀30降低管路压力后，经固液分离器29过滤，固相产物储存在储渣箱27中，气相和液相产物经液化气液分离器28后，气相产物经第一增压机6收集至储气瓶7内，液相产物经第一离心机26后分离为水相和油相，油相经液化油高压泵5泵入到储油罐8内，水相副产物经液化水高压泵25泵入到液化储液箱24中，继续第二阶段的催化超临界水气化反应。水相产物进入第二阶段的超临界水气化预热器23内，完成预热后进入到超临界水气化反应器22中完成气化反应，经气化背压阀21降低管路压力后，混合产物经气化气液分离器19后，气相产物经过含有氢氧化钠固体的隔离箱11后，二氧化碳气体被吸收，可燃性生物气经第二增压机12泵入到可燃气体储气瓶13内。水相产物经从流体接触塔10中泵出的溶剂混合，萃取后经第二离心机17分离后，溶剂相经蒸馏塔16蒸馏后，得到的焦油相保存至焦油储存箱14内，气化后分离的水相产物保存至气化储液箱14内。气化后的水相中仍然含部分有机质，经水相高压泵9泵入到超临界水气化反应单元中，继续后续的有机质的气化。
综上所述，本发明的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统的优势总结如下：
1、两阶段预热器与两阶段反应器耦合，第一阶段湿生物质的水热液化实现油相、固相和水相副产物的分离，未经过溶剂萃取得到高品质的生物原油，第二阶段水相产物的催化超临界水气化实现水溶性有机质的重复利用与可燃性生物气的制取，两阶段耦合工艺实现了湿生物质的资源化利用。
2、催化超临界水气化后收集的水相中仍然还有部分有机质，经循环回收系统再次转移到超临界水气化系统中，继续实现有机质的循环气化进程，确保湿生物质中的有机质无流失。
3、固液分离器、气液分离器和两级离心机的综合使用使反应产物分离彻底，得到了较高品质的生物油、可燃性生物气和萃取相的焦油。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，包括两级连续式反应单元、液化产物分离单元、气化产物分离单元以及水相产物循环回收利用单元；两级连续式反应单元由水热液化反应单元和超临界水气化反应单元组成；
所述水热液化反应单元，包括通过管路相连的水热液化预热器(3)和水热液化反应器(4)；所述超临界水气化反应单元，包括通过管路相连的超临界水气化预热器(23)和超临界水气化反应器(22)；
湿生物质通过进料口进入水热液化预热器(3)，经预热处理后进入水热液化反应器(4)进行水热液化反应，反应后的产物进入液化产物分离单元处理；液化产物分离单元的水相产物出口端与超临界水气化预热器(23)的入口端相连，超临界水气化预热器(23)的出口端与气化产物分离单元相连；水相产物循环回收利用单元经由气化反应分离水相产物的出口与超临界水气化反应单元的进料口相连，储存的残余水相能够通入至超临界水气化反应单元中进行循环利用。
2.根据权利要求1所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，所述水热液化预热器(3)出口与水热液化反应器(4)入口相连，水热液化反应器(4)出口经水热液化预热器(3)与液化产物分离单元相连；所述超临界水气化预热器(23)出口与超临界水气化反应器(22)入口相连，超临界水气化反应器(22)出口经超临界水气化预热器(23)与气化产物分离单元相连；水热液化预热器(3)、超临界水气化预热器(23)能够分别回收液化反应、气化反应后的余热。
3.根据权利要求1所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，液化产物分离单元包括固液分离器(29)、液化气液分离器(28)、第一离心机(26)；固液分离器(29)的入口经液化背压阀(30)与水热液化预热器(3)的出口相连，固液分离器(29)的出口一端与储渣箱(27)连接，另一端与液化气液分离器(28)相连，液化气液分离器(28)的出口一端通过第一增压机(6)连接储气瓶(7)，另一端连接第一离心机(26)。
4.根据权利要求3所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，经第一离心机(26)离心后的油相产物和水相产物，分别通过液化油高压泵(5)与液化水高压泵(25)泵至储油罐(8)和液化储液箱(24)中。
5.根据权利要求3所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，气化产物分离单元包括气化气液分离器(19)、第二离心机(17)和隔离箱(11)；超临界水气化预热器(23)经气化背压阀(21)与气化气液分离器(19)相连，气化气液分离器(19)一端经隔离箱(11)与可燃气体储气瓶(13)连接，另一端与第二离心机(17)相连。
6.根据权利要求5所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，还包括与第二离心机(17)相连的溶剂管路，溶剂管路上设有相连的溶剂高压泵(18)及流体接触塔(10)，流体接触塔(10)中盛装有用于萃取气化后水相中的焦油相的溶剂；第二离心机(17)的一端经蒸馏塔(16)后，产生的焦油相置于焦油储存箱(14)中，另一端与气化储液箱(15)连接。
7.根据权利要求6所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，水相产物循环回收利用单元将气化储液箱(15)中的衍生液相经水相高压泵(9)泵入到超临界水气化反应单元中继续进行残余有机质的利用。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，还包括物料箱(1)，物料箱(1)中存储的湿生物质通过高压泵(2)泵入水热液化预热器(3)中。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的湿生物质制取可燃性生物气的连续式反应系统，其特征在于，超临界水气化反应器内部装载含有催化剂的催化剂墙(20)。
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