CN113604236B - 一种生物质连续水热炭化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物质连续水热炭化系统，包括储料装置；增压进料装置，包括具有密闭空间的增压罐和用于将储料装置内的物料输送至增压罐内的输送组件；水热反应装置，包括反应釜和为反应釜加热的加热组件，反应釜与增压罐之间设有供高压气体流通的回压管路，回压管路上设置有回压阀，反应釜的出料口处连接有出料管，出料管上设置有截止阀；第一增压泵，设置在增压罐与反应釜之间，第一增压泵配置为将增压罐内的物料输送至反应釜内；能量转换装置，设置在出料管上，能量转换装置配置为能够将出料管内的压力势能转换为输送组件的动力。本发明提供的生物质连续水热炭化系统，解决了现有技术中的水热炭化系统对加压设备要求高且存在能量浪费的问题。

Description

一种生物质连续水热炭化系统

技术领域

本发明涉及水热反应技术领域，尤其涉及一种生物质连续水热炭化系统。

背景技术

水热炭化技术是将生物质与水按一定的比例混合放入反应釜中，在一定的反应温度、反应时间和反应压力下进行的温和的水热反应，主要反应机理包括水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化，其目标产物是水热炭。水热炭由于表面具有丰富的官能团，以及较大的比表面积和孔隙度等特征，经常用于制备吸附剂、活性剂以及储能储电等领域。

在反应过程中，需要对反应釜持续加热，以保证反应所需的高温高压条件。当反应釜内的压力值超过反应所需的最大压力时，需要将反应釜内的高压气体排出，以使反应釜内的压力降低至反应所需压力范围内。向外排出高压气体时，一般直接将高压气体排至大气中，造成了能量的浪费。并且在向反应釜内添加物料时，还需要利用增压设备克服储料罐与反应釜之间的压力差，对增压设备的要求较高。此外，反应完成后，从反应釜排出的反应产物具有较大的压力，直接利用泄压设备进行泄压，也会造成能量的浪费。

因此，如何解决现有技术中的水热炭化系统对加压设备要求高且存在能量浪费的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种生物质连续水热炭化系统。

本发明提供一种生物质连续水热炭化系统，包括：

储料装置；

增压进料装置，包括具有密闭空间的增压罐和用于将所述储料装置内的物料输送至所述增压罐内的输送组件；

水热反应装置，包括反应釜和为所述反应釜加热的加热组件，所述反应釜与所述增压罐之间设置有供高压气体流通的回压管路，所述回压管路上设置有回压阀，所述反应釜的出料口处连接有出料管，所述出料管上设置有截止阀；

第一增压泵，设置在所述增压罐与所述反应釜之间，所述第一增压泵配置为将所述增压罐内的物料输送至所述反应釜内；

能量转换装置，设置在所述出料管上，所述能量转换装置配置为能够将所述出料管内的压力势能转换为所述输送组件的动力。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述输送组件包括串联设置在所述储料装置与所述增压罐之间的第二增压泵，所述能量转换装置包括设置在所述出料管上的液压马达，所述液压马达的输出轴与所述第二增压泵的输入轴传动连接，所述第二增压泵与所述增压罐之间设置有仅允许所述储料装置内的物料进入所述增压罐的单向阀。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述液压马达为齿轮马达，所述第二增压泵为齿轮泵。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述增压罐的上端设置有泄压阀，以降低所述增压罐与所述出料管之间的压力差。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，还包括用于对反应后的物料进行降温的换热装置，所述换热装置包括内部具有流通空间的换热夹套。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述换热夹套的进口与所述增压罐的出料口连接，所述换热夹套的出口与所述反应釜的进料口连接，并且所述换热夹套套设于所述出料管的外部。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述增压罐的出料口与所述反应釜的进料口之间设置有第二进料管，所述换热夹套套设于所述第二进料管的外部，所述换热夹套的进口通过所述出料管与所述反应釜的出料口连通，所述换热夹套的出口通过所述出料口与所述能量转换装置连通。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，还包括固液分离装置，所述固液分离装置设置在所述能量转换装置远离所述反应釜的一侧，所述固液分离装置的进口与所述出料管连通。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，所述储料装置上设置有第一上料位计和第一下料位计，所述第一上料位计和所述第一下料位计配置为将所述储料装置内的物料控制在所述储料装置的容积的50％-80％；

所述增压罐上设置有第二上料位计和第二下料位计，所述第二上料位计和所述第二下料位计配置为将所述增压罐内的物料控制在所述增压罐的容积的50％-80％；

所述反应釜上设置有第三上料位计和第三下料位计，所述第三上料位计和所述第三下料位计配置为将所述反应釜内的物料控制在所述反应釜的容积的75％-85％。

根据本发明提供的一种生物质连续水热炭化系统，还包括控制装置，所述第一上料位计、所述第一下料位计、所述第二上料位计、所述第二下料位计、所述第三上料位计、所述第三下料位计、所述第一增压泵、所述加热组件、所述回压阀、所述截止阀、所述泄压阀和所述固液分离装置均与所述控制装置通信连接。

本发明提供的生物质连续水热炭化系统中，在需要向水热反应釜内输送物料时，将回压阀打开，反应釜内的高压气体通过回压管路进入增压罐内。利用反应釜内的高压气体，增加了增压罐内的压力，减小了增压罐与反应釜之间的压力差，能够降低对第一增压泵的要求，减小第一增压泵的损耗和能量浪费。反应完成后，通过出料管将反应产物排出时，利用能量转换装置将出料管内的压力势能转化为输送组件的动力，实现了对反应产物的压力势能的回收利用，避免了能量的浪费，解决了现有技术中的水热炭化系统对加压设备要求高且存在能量浪费的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的生物质连续水热炭化系统的结构示意图；

图2是本发明提供的生物质连续水热炭化系统的控制装置与各装置之间的连接关系示意图；

附图标记：

1：储料装置； 2：第一增压泵； 3：增压罐；

4：输送组件； 5：第一进料管； 6：出料管；

7：单向阀； 8：反应釜； 9：加热组件；

10：回压管路； 11：回压阀； 12：泄压阀；

13：换热夹套； 14：第二进料管； 15：控制装置；

16：第一储料罐； 17：固液分离机； 18：截止阀；

19：能量转换装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，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作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。

下面结合图1-图2描述本发明实施例的生物质连续水热炭化系统。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种生物质连续水热炭化系统，包括储料装置1、增压进料装置、水热反应装置、第一增压泵2和能量转换装置。

具体来说，增压进料装置包括增压罐3和输送组件4，增压罐3具有密闭的容纳空间。水热反应装置包括反应釜8和加热组件9，第一增压泵2设置在反应釜8与增压罐3之间，用于将增压罐3内的物料输送至反应釜8内。加热组件9用于持续对反应釜8加热，使反应釜8中的物料分解，同时物料中的水分受热蒸发，利用分解产生的气体以及反应釜8内的水汽在反应釜8内形成高压环境。输送组件4设置在储料装置1与增压罐3之间，用于将储料装置1内的物料输送至增压罐3内。

在增压罐3与反应釜8之间设置有回压管路10，回压管路10的两端分别连通增压罐3的上端和反应釜8的上端，将增压罐3内部的上方空间与反应釜8内部的上方空间连通，供反应釜8内的高压气体流通至增压罐3内。在回压管路10上设置有回压阀11，控制回压管路10的通断。反应釜8的出料口连接有出料管6，出料管6上设置有截止阀18，用于控制出料管6的通断。在需要向反应釜8内添加物料时，先打开回压阀11，使反应釜8内的高压气体通过回压管路10进入至增压罐3内，能够增加增压罐3内的压力，相对于现有技术中利用增压泵直接将储料罐内的物料输送至反应釜中而言，本发明实施例减小了反应釜8与增压罐3之间的压力差，降低了对第一增压泵2的要求。

反应釜8内的物料反应完成后，打开截止阀18，通过出料管6将反应产物排出。反应后的物料为高压流体，具有较大的压力势能。在出料管6上设置有能量转换装置，能量转换装置能够将出料管6内的压力势能转换为上述输送组件4的动力，实现了对反应产物的压力势能的回收利用，避免了能量的浪费。

本发明实施例中，利用反应釜8中的高压气体同时调节了反应釜8内的压力和增压罐3内的压力，且利用出料管内的压力势能为输送组件提供动力，既避免了高压气体的压力能的浪费，又降低了对第一增压泵2的要求，解决了现有技术中的水热炭化系统对加压设备要求高且存在能量浪费的问题。

需要说明的是，反应釜8内的高压气体通过回压管路10进入增压罐3内后，在增加增压罐3内的压力的同时，能够对增压罐3内的物料进行预热，也实现了对热量的回用。

反应釜8内的物料反应完成后，将部分反应后的物料通过出料管6排出，然后利用增压罐3内的物料补充至反应釜8，继续进行反应过程，如此循环进行水热反应。在水热转化过程中，不断有物料输送至反应釜8内，并且反应后的物料不断从反应釜8内排出，实现连续式转化。

上述加热组件9可以采用导热油间壁加热的形式为反应釜8提供热量，使反应釜8内的温度达200℃-210℃，压力达2.0MPa-2.2MPa。

本发明实施例中，上述输送组件4包括第二增压泵，第二增压泵串联设置在储料装置1与增压罐3之间。具体可在储料装置1与增压罐3之间设置第一进料管5，将第二增压泵设置在第一进料管5上，使第二增压泵的进出口均与第一进料管5连通。上述能量转换装置19包括液压马达，液压马达设置在出料管6上，第二增压泵的输入轴与液压马达的输出轴传动连接。出料管6内的高压液体流通至液压马达时，依靠高压液体回流产生的动力能够驱使液压马达运转，液压马达的输出轴随之转动，此时，将压力势能转化为液压马达的输出轴的机械动能，出料管6内的液体压力降低。液压马达的输出轴转动的同时带动第二增压泵的输入轴转动，驱使第一进料管5内的液体逐渐向增压罐3内流动，从而将液压马达的输出轴的机械动能转化为第一进料管5内的压力势能。

在第二增压泵与增压罐3之间设置单向阀7，单向阀7仅能够允许储料装置1内的物料进入增压罐3，截止增压罐3内的物料流向储料装置1，有效避免了因增压罐3内的压力大于储料装置1内的压力导致的物料反向流动的问题。

上述液压马达可以选用齿轮马达，第二增压泵可以选用齿轮泵。

第二增压泵用于将储料装置1内的物料输送至增压罐3内，而第二增压泵的运转由液压马达驱动，若增压罐3内的压力过大，如增压罐3内的压力大于出料管6内的压力，能量转换装置则难以正常工作。故本发明实施例中，在增压罐3的上端还设置有泄压阀12，在向增压罐3内部补充物料之前，需要先打开泄压阀12，降低增压罐3内的压力，使增压罐3内的压力小于出料管6内的压力。

本发明实施例中的生物质连续水热炭化系统还包括换热装置，反应釜8中的物料反应完成后，通过出料管6排出时，具有较高的温度，换热装置则用于对出料管6内的物料进行降温，出料管6内的物料温度需降至60℃。上述换热装置包括换热夹套13，换热夹套13的内部具有流通空间。

可以利用低温导热油作为换热介质在换热夹套13内部流通，此时，将换热夹套13套设于出料管6的外部，并使换热夹套13的进出口分别与导热油的供油管路和回油管路连通即可。低温导热油在流通过程中会吸收带走出料管6及其内部物料的热量，从而对出料管6内的物料进行降温。

本发明实施例中，将换热夹套13套设于出料管6的外部，使换热夹套13的进口与增压罐3的出料口连接，换热夹套13的出口与反应釜8的进料口连接，即换热夹套13串联设置在增压罐3的出料口和反应釜8的进料口之间。增压罐3内的物料进入换热夹套13内部，与出料管6内的物料进行热交换，即利用低温的待反应物料与反应后的高温物料进行热交换，出料管6内的反应后的物料释放热量，温度降低，而流经换热夹套13内部的待反应物料吸收热量，温度升高。换热夹套13内部的待反应物料经热交换后进入反应釜8，减小了加热组件9加热前后的温差，能够缩短加热时间，减少能量的消耗，提高效率。

在增压罐3的出料口与反应釜的进料口之间设置有第二进料管14，在可选实施例中，也可以将换热夹套13套设于第二进料管14的外部，并使换热夹套13的进口通过出料管6与反应釜8的出料口连通，换热夹套13的出口通过出料口与能量转换装置连通，即换热夹套13串联设置在反应釜8的出料口与能量转换装置之间的出料管6上。此时，反应后的物料能够在换热夹套13的内部流通。

本发明实施例中的生物质连续水热炭化系统还包括固液分离装置，固液分离装置设置在能量转换装置19远离反应釜8的一侧，且固液分离装置的进口与出料管6连通，用于对经过能量转换装置19之后的物料中的固体和液体进行分离。固液分离装置包括第一储料罐16和固液分离机17，反应后的物料经液压马达后进入第一储料罐16进行储存，进入固液分离机17后可进行固液分离，从而得到固体炭。

本发明实施例中，上述储料装置1包括第二储料罐，第二储料罐上设置有第一上料位计和第一下料位计，将第一上料位计设置在第二储料罐容积的80％位置处，将第一下料位计设置在第二储料罐容积的50％位置处，通过第一上料位计和第一下料位计的相互配合，能够将第二储料罐内的物料控制在第二储料罐容积的50％-80％。

上述增压罐3内设置有第二上料位计和第二下料位计，根据系统经济性，将增压罐3的容积设计为反应釜8的容积的1/3，同时配合反应釜8的物料进出规律，将第二上料位计设置在增压罐3容积的80％位置处，将第二下料位计设置在增压罐3容积的50％位置处，通过第二上料位计和第二下料位计的相互配合，能够将增压罐3内的物料控制在增压罐3容积的50％-80％。

上述反应釜8内设置有第三上料位计和第三下料位计，将第三上料位计设置在反应釜8容积的85％位置处，将第三下料位计设置在反应釜8容积的75％位置处，通过第三上料位计和第三下料位计的相互配合，能够将反应釜8内的物料控制在反应釜8容积的75％-85％。如此设置，能够减少连续水热过程中反应釜8内的压力和温度等参数的波动，保证水热反应过程的稳定以及产物产品的质量。

本发明实施例中的生物质连续水热炭化系统还包括控制装置15，上述第一上料位计、第一下料位计、第二上料位计、第二下料位计、第三上料位计、第三下料位计、第一增压泵2、加热组件9、回压阀11、截止阀18、泄压阀12和固液分离装置均与控制装置15通信连接，通过控制装置15控制上述零部件动作的先后顺序，实现对生物质连续水热炭化系统的自动化控制。

在增压罐3和反应釜8内还设置有搅拌机构和用于驱使搅拌机构运转的电机，电机与控制装置15连接。在第一储料罐16、第二储料罐、增压罐3和反应釜8中均设置有压力传感器和温度传感器，用于检测压力和温度，上述压力传感器和温度传感器均与控制装置15通信连接。关于温度、压力和料位的控制原理及控制过程，对于本领域技术人员而言，均为成熟的现有技术，此处不再赘述。

以下对本发明实施例中的生物质连续水热炭化系统的工作过程进行综合阐述：

上述物料可以为玉米秸秆与水的混合物，将玉米秸秆粉碎并与水按一定比例混合可得。在生物质连续水热炭化系统工作之前，将储料装置1和增压罐3加料至50％，将反应釜8加料至85％，然后使单向阀7、泄压阀12、回压阀11和截止阀18均处于关闭状态。

通过加热组件9对反应釜8进行加热至反应釜8内的压力和温度均满足反应条件。当反应釜8内的压力大于水热反应所需的压力的最大值时，可以关闭截止阀18，打开回压阀11，实现增压罐3与反应釜8之间的压力连通，增加增压罐3内的压力，从而降低增压罐3与反应釜8之间的压力差。

待反应釜8内的物料反应结束后，打开截止阀18，反应釜8内位于第三下料位计上方的高压高温物料进入出料管6。出料管6内的物料进入液压马达，驱使液压马达和第二增压泵工作，对第一进料管5内的物料加压，使单向阀7打开，并将储料装置1内的物料输送至增压罐3中。当反应釜8内的物料低至第三下料位计位置时，关闭截止阀18，打开回压阀11，实现增压罐3与反应釜8之间的压力连通，增加增压罐3内的压力，此时单向阀7处于关闭状态。然后利用第一增压泵2将增压罐3内的物料输送至反应釜8内。当反应釜8内的物料增加至第三上料位计位置时，使第一增压泵2停止工作，并关闭回压阀11。利用加热组件9对反应釜8进行加热，待反应结束后，将反应后的物料排出之前，需要先打开泄压阀12使增压罐3内的压力降低，至略小于出料管6内的压力，以确保出料管6内的高压液体能够驱使液压马达运转，以开始新一轮的加料过程。

出料管6内的物料经液压马达后进入固液分离装置，经固液分离，即可得到水热炭。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种生物质连续水热炭化系统，其特征在于，包括：

储料装置；

增压进料装置，包括具有密闭空间的增压罐和用于将所述储料装置内的物料输送至所述增压罐内的输送组件，所述输送组件包括串联设置在所述储料装置与所述增压罐之间的第二增压泵；

水热反应装置，包括反应釜和为所述反应釜加热的加热组件，所述反应釜与所述增压罐之间设置有供高压气体流通的回压管路，所述回压管路上设置有回压阀，所述反应釜的出料口处连接有出料管，所述出料管上设置有截止阀；

第一增压泵，设置在所述增压罐与所述反应釜之间，所述第一增压泵配置为将所述增压罐内的物料输送至所述反应釜内；

能量转换装置，设置在所述出料管上，所述能量转换装置配置为能够将所述出料管内的压力势能转换为所述输送组件的动力并降低所述出料管内的压力，所述能量转换装置包括设置在所述出料管上的液压马达，所述液压马达的输出轴与所述第二增压泵的输入轴传动连接，所述第二增压泵与所述增压罐之间设置有仅允许所述储料装置内的物料进入所述增压罐的单向阀。

2.根据权利要求1所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，所述液压马达为齿轮马达，所述第二增压泵为齿轮泵。

3.根据权利要求1所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，所述增压罐的上端设置有泄压阀，以降低所述增压罐内的压力，使所述增压罐内的压力小于所述出料管内的压力。

4.根据权利要求1所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，还包括用于对反应后的物料进行降温的换热装置，所述换热装置包括内部具有流通空间的换热夹套。

5.根据权利要求4所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，所述换热夹套的进口与所述增压罐的出料口连接，所述换热夹套的出口与所述反应釜的进料口连接，并且所述换热夹套套设于所述出料管的外部。

6.根据权利要求4所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，所述增压罐的出料口与所述反应釜的进料口之间设置有第二进料管，所述换热夹套套设于所述第二进料管的外部，所述换热夹套的进口通过所述出料管与所述反应釜的出料口连通，所述换热夹套的出口通过所述出料管与所述能量转换装置连通。

7.根据权利要求3所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，还包括固液分离装置，所述固液分离装置设置在所述能量转换装置远离所述反应釜的一侧，所述固液分离装置的进口与所述出料管连通。

8.根据权利要求7所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，所述储料装置上设置有第一上料位计和第一下料位计，所述第一上料位计和所述第一下料位计配置为将所述储料装置内的物料控制在所述储料装置的容积的50%-80%；

所述增压罐上设置有第二上料位计和第二下料位计，所述第二上料位计和所述第二下料位计配置为将所述增压罐内的物料控制在所述增压罐的容积的50%-80%；

所述反应釜上设置有第三上料位计和第三下料位计，所述第三上料位计和所述第三下料位计配置为将所述反应釜内的物料控制在所述反应釜的容积的75%-85%。

9.根据权利要求8所述的生物质连续水热炭化系统，其特征在于，还包括控制装置，所述第一上料位计、所述第一下料位计、所述第二上料位计、所述第二下料位计、所述第三上料位计、所述第三下料位计、所述第一增压泵、所述加热组件、所述回压阀、所述截止阀、所述泄压阀和所述固液分离装置均与所述控制装置通信连接。

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