CN114058392A - 生物质处理方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质处理方法和设备。提供了包括以下步骤的生物质处理方法：步骤A，将生物质转化为碳质固体的热化学处理，该转化涉及在水存在下在150℃至300℃的处理温度以及10atm至50atm的处理压力下处理生物质0.5‑8小时，其中附属产生包括蒸汽、二氧化碳、氮和硫化合物以及痕量一氧化碳和轻质芳族烃以及污染和有气味的组分的处理气体；步骤B，将处理气体与包含氧化合物的辅助气体混合以获得工作气体；步骤C，在由工作气体组成的气氛中热化学分解碳质固体，该热化学分解适合于获得可燃的合成气。还提供了进行上述方法的生物质处理设备。

Description

生物质处理方法和设备
技术领域
本发明涉及用于处理生物质以及特别地适合于处理生物质的方法和设备。
本发明特别涉及允许与污水污泥的水热碳化相结合生产可用于能量生产的产品的方法和设备。
背景技术
污水污泥的水热碳化方法目前呈现出一些未解决的问题。
事实上，该方法导致产生强烈有气味的气体，其如果释放到大气中会引起嗅觉不适。
另一方面，旨在减少有气味的组分的这些气体的处理由于有气味的分子的尺寸小以及随之导致的可用于一般减少气体中存在的污染颗粒的过滤系统的无效性而在技术上是复杂的，并因此是昂贵的。
此外，这些气体通常包括对健康有害并且尤其是潜在致癌的颗粒。
这些有气味的物质通常是硫化合物，氧化化合物，诸如醇、醛、酮、酸和酯，或芳族化合物，萜烯，卤化化合物以及饱和和不饱和烃。这些化合物中的一些(包括氯氟烃(CFC))以痕量通过全球变暖、臭氧消耗和光化学臭氧形成影响环境。
所述气体中所含的其他物质可能是二硫化碳和甲苯，它们可引起对人类的毒性。
出于此原因，强烈感到有必要以简单且有效的方式处理这些气体，以减少它们的有气味的组分和对健康和环境有害的污染排放。
与该方法相关的另外问题在于所产生的气态部分的化学组成的不确定性，因此，当气体中存在污染颗粒或分子时，将其释放到大气中是潜在有害的，即对健康和/或环境有害。
发明内容
因此，本发明潜在的问题是允许减少环境影响和用于处理生物质的能量的问题。因此，根据本发明的生物质处理方法和设备的任务是解决这个问题。
在此上下文中，本发明的目的是提出用于处理生物质的方法和设备，其允许减少处理工艺废产物诸如气体或液体的需要。
本发明的另一目的是提供用于处理生物质的方法和设备，其允许避免通常由生物质的水热碳化产生的有气味的和/或污染的分子扩散到大气中。
本发明的又另一目的是提出用于处理生物质的方法和设备，其允许从气态部分中消除上述有气味的和污染的分子。
本发明的另外目的是提供用于处理生物质的方法和设备，其允许实现从处理过的污泥中回收能量。
本发明的另一目的是提出用于处理生物质的方法和设备，其允许获得可用于能量生产的产品。
本发明的另外目的是提供用于处理生物质的方法和设备，其允许相对于传统的污水污泥处理方法改善能量平衡。
本发明的另一目的是使可获得用于处理生物质的方法和设备，其允许实施循环能量经济，其中步骤或阶段的废产物可以用作不同步骤或不同阶段的原材料。该目标以及将在下面更充分地显现的这些和其他目的通过根据所附独立权利要求的用于处理生物质的方法和设备来实现。
根据本发明的用于处理生物质的方法和设备的详细特征在从属权利要求中指出。
本发明的另外特征和优点将从根据本发明的用于处理生物质的方法和设备的优选但非排他性实施方式的描述中更充分地显现，在下面列出的附图中通过非限制性实例的方式说明。
附图说明
-图1示出了用于处理生物质的设备的示意图；
-图2示出了涉及进料装置的用于处理生物质的设备的细节的示意图；
-图3示出了涉及热化学分解装置的用于处理生物质的设备的细节的简化图。
具体实施方式
特别参考上述附图，用于处理生物质的设备整体由10表示，其根据本发明进行一种方法，该方法包括：
-步骤A，将可包括污水污泥的生物质转化为碳质固体的热化学处理，其中该转化涉及在水存在下，在150℃与300℃之间的处理温度下以及在10atm与50atm之间的处理压力下处理该生物质，其中附属产生处理气体，该处理气体包括蒸汽、二氧化碳、氮和硫化合物以及痕量的一氧化碳和轻质芳族烃以及污染和有气味的组分；
-步骤B，将所述处理气体与包含氧化合物(氧组分)的辅助气体混合以获得工作气体；
-步骤C，在由所述工作气体组成的气氛中热化学分解所述碳质固体，其中该热化学分解适合于获得可燃的合成气，该合成气主要包括一氧化碳、分子氢、甲烷和二氧化碳。
步骤A的转化可持续几分钟至几小时，诸如例如约30分钟至8小时。
污染和有气味的组分可以包括以下的一种或多种：
-硫化合物；
-氧化化合物，诸如醇、醛、酮、酸和酯；
-芳族化合物；
-萜烯；
-卤化化合物；
-饱和和不饱和烃；
-氯氟烃(CFC)；
-二硫化碳；
-甲苯。
根据本发明，工作气体决定了在热化学分解中处于亚化学计量的量的氧供应。
此外，根据本发明，所述污染和有气味的组分在步骤C中被分解。
换言之，本发明设想使用处理气体，即在生物质的热化学转化处理的步骤A中产生的气体，以在所述碳质固体的热化学分解步骤C中产生合成气。
以这种方式，不仅步骤A中产生的处理气体中所含的污染和有气味的组分在不需要如传统方法中的特定纯化和/或过滤操作下就被分解，而且处理气体本身也被用作步骤C中的原材料以产生可用作能量生产过程中的燃料的合成气。
根据本发明的方面，步骤A中产生的源自生物质的碳质固体也用作步骤C中的原材料，在包含步骤A中产生的相同处理气体的气氛中进行处理以获得上述合成气，获得高工艺协同作用。
根据本发明，所述热化学分解包括以下或由以下组成：
-所述碳质固体的气化操作；
-所述碳质固体的热解操作；
-所述碳质固体的热解气化操作；
-所述碳质固体的燃烧操作。
-所述碳质固体的氧气和/或蒸汽燃烧和/或气化操作。
根据本发明，步骤C的所述热化学分解中的氧供应可以借助于提供调节所述处理气体和所述辅助气体在所述工作气体中的相对量的第一调节操作和/或通过所述工作气体在所述热化学分解中的流速的第二调节操作来确定。
换言之，可以通过调节混合以形成所述工作气体的处理气体和辅助气体的相对量以及通过调节所述工作气体的流速两者来调节所述氧供应。
根据本发明的生物质处理方法可以包括产生电能和/或热能的步骤D，其中所述合成气用作燃料。
根据本发明，在步骤D中产生的电能和/或热能的至少一部分在步骤A和/或步骤C中使用，以减少根据本发明的生物质处理方法中给所讨论设备的能量的外部量。
从结构观点来看，根据本发明的用于处理生物质的设备10包括：
-热化学处理装置11，被配置为进行所述步骤A以从生物质中获得所述碳质固体和所述处理气体；
-热化学分解装置12，与热化学处理装置11连接以接收所述碳质固体和所述处理气体并且被配置为进行所述步骤C以获得所述合成气；
-供应装置，被配置为将处理气体和辅助气体进料到热化学分解装置12中以确定由处理气体和辅助气体供应的在热化学分解装置12中的氧供应，其在所述热化学分解中处于亚化学计量的量。
根据本发明的热化学处理装置11可以任选地包括：
-反应器，例如4，安装在称重传感器或其他称重器械上，以控制进料质量并控制过程，其可配备有适合与外表面交换的搅拌器；这些反应器可以被配置为在可以是30巴的设计压力下以及在可以是300℃的温度下操作，并且可以具有200升或更大的容量；
-借助于加压，例如借助于泵，在反应器与设备的另外部件之间的材料传递单元；
-用于能量回收的热交换器，与传递单元连接，以从通过它们的流体中回收热量；
-导热油发生器或锅炉或加热带，与反应器相关联以将热量传递给后者；
-原材料装载泵，与反应器的入口连接以进料它们；
-具有特定阀和仪器的管，用于连接热化学处理装置11的部件；
-产品储存、装载和卸载系统；
-辅助单元，诸如泵、加热电阻器、齿轮电动机、压力传感器、热电偶等。
此外，根据本发明的热化学分解装置12可以包括至少一个气化反应器，由例如旋风器械、洗涤器、袋式过滤器组成的过滤段，以传统方式相互连接并且不再进一步描述。
根据本发明，所述进料装置可包括混合单元，该混合单元包括出口和两个入口，其中一个入口与热化学处理装置11连接并且另一个与所述辅助气体的供应连接。
这些输入中的每一个都可以包括以下中的至少一个：
-第一阀单元13，被配置为调节气体通过它的流速；
-过滤调节器14；
-第二安全阀单元15，被配置为在收到激活信号时关闭入口；
-第三阀单元16，被配置为限制通过所述入口进入混合单元的气体压力；
-第四阀单元17，被设计为根据指令关闭所述入口。
根据本发明，设备10可包括反应器18，该反应器具有：
-上部部分18a，被设计为容纳所述碳质固体；
-下部部分18b，限定了与所述供应装置连接的操作室，用于接收所述处理气体和所述辅助气体或所述工作气体；
-分离隔板19，配备有用于使气体从下部部分18b通向上部部分18a的开口。
反应器18可以被配置成使得在预定的使用配置中，上部部分18a位于下部部分18b的上方，用于从下部部分18b传递热量和气态流体到上部部分18a。
根据本发明的热化学分解装置12可以包括具有两个所述输入的反应器18，其在图3的实例中用附图标记20a和20b表示，其中一个输入与热化学处理装置11连接并且另一个与所述辅助气体的供应连接。
反应器18还可具有蒸汽入口27，用于用蒸汽富集上述工作气体。
此外，上部部分18a可具有用于合成气的出口28a和用于装载碳质固体的入口28b，并且下部部分可具有用于残余物的出口29。
与上述类似，输入20a、20b中的每一个可以任选地包括以下中的至少一个：
-第一阀单元13，被配置为调节气体通过它的流速；
-过滤调节器14；
-第二安全阀单元15，被配置为在收到激活信号时关闭所述入口；
-第三阀单元16，被配置为限制通过所述入口进入所述混合组的气体压力；
-第四阀单元17，被设计为根据指令关闭所述入口。
根据本发明，设备10还可以包括发生器单元21，被配置为通过燃烧燃料来产生电能和/或热能。
发生器单元21可以例如借助于导管22与热化学分解装置12连接以接收合成气以将后者用作燃料。
根据本发明，发生器单元21可以例如借助于图1的连接装置23与热化学处理装置11和/或热化学分解装置12连接以供应热能和/或电能用于分别操作热化学处理装置11和/或热化学分解装置12。
根据本发明，热化学处理装置11可以借助于第一连接元件24与热化学分解装置12连接，该第一连接元件被配置为将处理气体传递到热化学分解装置12。
根据本发明，热化学处理装置11还可以借助于第二连接元件25与热化学分解装置12连接，该第二连接元件被配置为将步骤A中产生的碳质固体传递到后者。
根据本发明，热化学处理装置11还可以配备有出口26，该出口被设计用于从步骤A的执行中去除残余液体。
根据本发明的方法还可以包括：
-步骤E，该步骤E通过例如在洗涤器中例如用水或水性溶液洗涤在所述步骤C中产生的合成气提供过滤以获得包含烃的废液；
-步骤F，在步骤A的热化学处理之前将所述废液添加到生物质中。
从结构观点来看，相应地，根据本发明的设备可包括洗涤过滤器27，优选洗涤器，与所述热化学分解装置12连接或集成在后者中并且被配置为通过洗涤在此产生的合成气来进行过滤。
洗涤过滤器27可与热化学处理装置11连接以向后者供应源自合成气的所述过滤的并且包括烃的废液。
以这种方式，将该废液再循环至热化学处理装置11的头部，即至HTC单元，既允许消除对于它包含的烃或TAR特别危险的处理该废液的问题，又允许回收其中(特别是TAR中)所含的碳，并因此根据本发明的设备的总能量效率增加。
事实上，由于根据本发明的方法/设备，在碳质固体或水热炭中获得了更大量的碳，这增加了其热值，并因此允许存在于合成气中的更大量的甲烷和二氧化碳，这因此在其用作燃料时允许更大的能量产生。此外，另一个优点是允许达到在热化学处理装置11中最佳实施步骤A所必需的水的百分比，该百分比可以由质量的80-85％组成，无需添加从外部获取的水，而是使用洗涤过滤器27或洗涤器的水。
事实上，包含在洗涤水中，即废液中的TAR的碳被冷凝/聚合/吸附在热化学处理装置11中产生的碳质固体中。
因此，碳质固体的碳含量增加，并且因此其热值和其质量增加。
出于此原因，由于碳质固体或行话中的水热炭，在热化学分解装置12或气化单元内部使用以产生能量，因此设备的总效率增加。
因此，本发明允许在生物质的热化学处理中产生的处理气体，即由HTC产生的处理气体(其在传统解决方案中是废物)，在热化学分解或气化的步骤C中作为氧化剂(生产性输入)来使用，从而既消除了处理气体的气味问题，又消除了对环境和人类的危险和/或有害排放的问题，并减少了在随后的气化步骤中使用氧气和/或空气的需要。
另一方面，装载有烃(通常称为“焦油”)的洗涤器的洗涤水用作HTC系统中的生产输入，因此提供了以下优点：
-消除水作为要处理的特定废物(即洗涤水)，以及通过使其在步骤A中聚合/吸附在水热炭上来回收碳(来自焦油)的可能性，并且因此增加热值，并且因此增加集成系统的总能量效率。
因此，HTC废物成为气化输入，而来自气化洗涤器的水废物则成为HTC输入，从而将系统配置为不仅是集成的，而且是完美循环的。
因此，本发明通常使可获得一种技术来消除(或减少)用于生物质的热化学处理或HTC以及从后者获得的碳质固体的热化学分解或气化的组合技术和/或集成系统的环境和人类健康影响，使在所述技术之间的协同作用成为可能。
因此应理解，根据本发明的用于处理生物质的设备和/或方法如何允许避免通常由热化学处理诸如例如由生物质的水热碳化产生的有气味的和污染的分子扩散到大气中。
根据本发明的用于处理生物质的设备和/或方法允许从气态部分中消除上述有气味的和污染的分子。
此外，与传统的生物质热化学处理相比，根据本发明的用于处理生物质的方法和/或设备允许获得相当大的能量节省。
如所构思的本发明易于进行多种修改和变型，所有都落入所附权利要求的保护范围内。
进一步地，所有细节都可以由其他技术上等效的要素代替。
在提到的操作和技术特征随后是标记或附图标记的情况下，使用标记或附图标记的目的仅仅是增加说明书和权利要求书本身的可理解性，并且因此，它们不以任何方式构成对由标记或附图标记识别的每个要素的解释的限制，纯粹地通过实例的方式。

Claims (12)

1.一种用于生物质处理的方法，所述方法包括：
-步骤A，将包括所述污水污泥的生物质转化为碳质固体的热化学处理，其中所述转化提供在水存在下在包括在150℃与300℃之间的处理温度下以及在包括在10atm与50atm之间的处理压力下处理所述生物质优选地例如包括在30分钟与8小时之间的时间，其中附属产生处理气体，所述处理气体包括蒸汽、二氧化碳、氮和硫化合物以及痕量的一氧化碳和轻质芳族烃以及污染和有气味的组分；
-步骤B，将所述处理气体与包含氧化合物的辅助气体混合以获得工作气体；
-步骤C，在由所述工作气体组成的气氛中热化学分解碳质固体，其中所述热化学分解适于获得可燃的合成气，所述合成气主要包括一氧化碳、分子氢、甲烷和二氧化碳；
其中所述工作气体决定了在所述热化学分解中处于亚化学计量数量的氧供应；
其中所述污染和有气味的组分在所述步骤C中被分解。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热化学分解包括以下或由以下组成：
-所述碳质固体的气化操作；
-所述碳质固体的热解操作；
-所述碳质固体的热解气化操作；
-所述碳质固体的燃烧操作；
-所述碳质固体的氧气和/或蒸汽燃烧和/或气化操作。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述热化学分解中的所述氧供应借助于提供调节所述处理气体和所述辅助气体在所述工作气体中的相对量的第一调节操作和/或通过调节所述工作气体在所述热化学分解中的流速的第二操作来确定。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，包括用于生产电能和/或热能的步骤D，其中所述合成气用作燃料；所述电能和/或热能的至少一部分用于所述步骤A和/或所述步骤C中。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，包括：
-步骤E，所述步骤E通过洗涤在所述步骤C中产生的合成气提供过滤以获得包含烃的废液；
-步骤F，在所述步骤A的热化学处理之前将所述废液添加到所述生物质中。
6.被配置为进行根据前述权利要求之一所述的方法的生物质处理设备，其中，所述设备包括：
-热化学处理装置(11)，被配置为进行所述步骤A以从所述生物质中获得所述碳质固体和所述处理气体；
-热化学分解装置(12)，与所述热化学处理装置(11)连接以接收所述碳质固体和所述处理气体并且被配置为进行所述步骤C以获得所述合成气；
-进料装置，被配置为将所述处理气体和所述辅助气体进料到所述热化学分解装置(12)中以确定由所述处理气体和所述辅助气体递送的在所述热化学分解装置(12)中的氧供应，所述氧供应在所述热化学分解中处于亚化学计量数量。
7.根据前一权利要求所述的设备，其中，所述进料装置包括混合单元，所述混合单元包括出口和两个入口(20a，20b)，其中一个入口与所述热化学处理装置(11)连接并且另一个与所述辅助气体的动力供应连接；所述入口(20a，20b)中的每一个包括以下中的至少一个：
-第一阀单元(13)，被配置为调节气体通过它的流量；
-过滤调节器(14)；
-第二安全阀单元(15)，被配置为在收到激活信号时关闭所述输入；
-第三阀单元(16)，被配置为限制通过所述入口进入所述混合组的气体压力；
-第四阀单元(17)，被适配为根据指令关闭所述入口。
8.根据权利要求6和7之一所述的设备，包括反应器(18)，所述反应器具有：
-上部部分(18a)，适于容纳所述碳质固体；
-下部部分(18b)，限定了与所述供应装置连接的操作室，用于接收所述处理气体和所述辅助气体或所述工作气体；
-分离隔板(19)，设有用于使气体从所述下部部分(18b)通向所述上部部分(18a)的开口；
其中所述反应器(18)被配置成使得在预定的使用配置中，所述上部部分(18a)位于所述下部部分(18b)的上方，用于从所述下部部分(18b)传递热量和气态流体到所述上部部分(18a)。
9.根据权利要求6和8所述的设备，其中，所述热化学分解装置(12)包括具有两个入口(20a，20b)的反应器(18)，其中一个入口与所述热化学处理装置(11)连接并且另一个与所述辅助气体的供应连接；所述输入(20a，20b)中的每一个包括以下中的至少一个：
-第一阀单元(13)，被配置为调节气体通过它的流量；
-过滤调节器(14)；
-第二安全阀单元(15)，被配置为在收到激活信号时关闭所述输入；
-第三阀单元(16)，被配置为限制通过所述入口进入所述混合组的气体压力；
-第四阀单元(17)，适于根据指令关闭所述入口。
10.根据权利要求6至9之一所述的设备，包括发生器单元(21)，被配置为通过燃烧燃料来产生电能和/或热能；所述发生器组(21)与所述热化学分解装置(12)连接以接收所述合成气以将后者用作燃料。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述发生器组(21)与所述热化学处理装置(11)和/或所述热化学分解装置(12)连接以供应热能和/或电能，分别用于所述热化学处理装置(11)和/或所述热化学分解装置(12)的操作。
12.根据权利要求6至11之一所述的设备，包括洗涤过滤器(27)，优选洗涤器，所述洗涤过滤器(27)与所述热化学分解装置(12)连接或集成在后者中并且被配置为通过洗涤所述合成气来进行过滤；所述洗涤过滤器(27)与所述热化学处理装置(11)连接以向后者进料由所述合成气过滤产生的并且包括烃的废液。
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