CN114432965B - 一种连续式水热炭化装置 - Google Patents

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Abstract

本公开内容公开了一种连续式生物质水热炭化装置，包括装料罐、高压反应釜以及高压缓冲罐‑I，所述装料罐的顶部有进料口，所述装料罐的底部有下料口，所述下料口与高压反应釜顶部连接，所述高压缓冲罐‑I与所述高压反应釜底部连接，所述高压反应釜与所述高压缓冲罐‑I之间安装高温废液循环管道，所述高压缓冲罐‑I内部安装有固液分离装置，水热炭化产物通过所述高压反应釜的底部进入所述固液分离装置，所述固液分离装置对水热炭化产物进行固液分离，分离得到的高温炭化废液通过所述高温废液循环管道进入所述高压反应釜。本公开的装置可以实现生物质连续水热炭化，使水热炭化的生产效率大幅度提升，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种连续式水热炭化装置
技术领域
本公开内容属于生物质水热炭化设备领域，涉及一种连续式生物质水热炭化装置。
背景技术
生物质炭化技术根据加热方式的不同可以分为两种，一种是热解炭化，是在较高温度(＞350℃)和隔绝空气条件下将生物质慢速加热脱除挥发水分的过程，得到的产物叫生物质热解炭；另外一种是水热炭化，是以水为反应介质，将密闭反应器内的生物质和水在较低温度(180-350℃)条件下进行炭化反应的过程，反应的压力为自生饱和蒸气压，得到的产物称之为生物质水热炭。热解炭化的反应过程需要隔绝空气，反应过程需要较高的温度和较长的时间，制备获得的热解炭产率低、灰分高；水热炭化的反应介质为亚临界水，反应过程需要较低的温度和较短的时间，制备获得的生物质水热炭具有产率高、灰分和碱金属有害元素低和发热值高的特点；热解炭化需要首先将生物质原料进行烘干，烘干过程需要消耗大量的能量，造成热解炭化工艺能耗高。生物质在亚临界水中进行水热炭化不需要对样品进行烘干，水分以液态的形式被脱除，具有能耗低的特点。生物质水热炭化是实现高水分、高碱金属含量、低能量密度生物质资源高效应用的关键。
水热炭化过程以亚临界水为介质，反应过程需要在密闭的高压容器内进行，对设备要求较高，传统的水热炭化装置多为间歇式反应，造成能耗高、生产效率低、生产的生物质水热炭产品价格昂贵等问题。专利文献CN107010807A公开了一种水热炭化处理污泥制备燃料的方法，利用高压柱塞泵将污泥注入反应釜内进行水热炭化反应。专利文献CN108129001A公开了一种利用畜禽粪便作为原料连续水热碳化系统及其工艺，采用高压污泥泵将流态化的畜禽粪便注入碳化反应釜进行水热炭化反应。以上采用高压柱塞泵和高压污泥泵实现水热炭化反应的方法和装置只能处理污泥、畜禽粪便等易流动的原料，对于来源更广、品质更好的农林类木质生物质原料难以适用。因此有必要设计一种连续式生物质水热炭化装置，实现对各种生物质原料的连续水热炭化是实现我国产量巨大农林类生物质资源高效应用的有效途径。
发明内容
在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本公开目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种连续式生物质水热炭化装置，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题，本公开设计新颖，结构合理，对生物质原料的适用性强，反应效率高，系统能耗低，水热炭产品质量好，污染物排放少，具有广阔的工业应用前景。
为了实现上述目的，本公开通过如下技术方案来实现：
根据本公开内容的一方面提供一种连续式生物质水热炭化装置，包括装料罐(1)、高压反应釜(2)以及高压缓冲罐-I(3)，所述装料罐(1)的顶部有进料口，所述装料罐(1)的底部有下料口，所述下料口与高压反应釜(2)顶部连接，所述高压缓冲罐-I(3)与所述高压反应釜(2)底部连接，所述高压反应釜(2)与所述高压缓冲罐-I(3)之间安装高温废液循环管道(14)，所述高压缓冲罐-I(3)内部安装有固液分离装置(17)，水热炭化产物通过所述高压反应釜(2)的底部进入所述固液分离装置(17)，所述固液分离装置(17)对水热炭化产物进行固液分离，分离得到的高温炭化废液通过所述高温废液循环管道(14)进入所述高压反应釜(2)。
进一步的，其中，所述装料罐(1)顶部安装有装料罐上阀门(7)并且底部安装有装料罐下阀门(8)，所述装料罐(1)安装有充压阀门(9)和泄压阀门(11)。
进一步的，其中，所述高压反应釜(2)安装有高温过热蒸汽枪(12)、搅拌浆片(13)和背压阀(18)，所述高压反应釜(2)底部安装有高压反应釜下料口阀门(16)，所述水热炭化产物通过所述高压反应釜下料口阀门(16)进入所述固液分离装置(17)。
进一步的，其中，所述装料罐(1)与所述高压反应釜(2)之间安装有均压阀(10)。
进一步的，其中，还具有控制系统，所述控制系统实现下述至少一个功能：
所述控制系统控制所述装料罐下阀门(8)和所述装料罐上阀门(7)的开合；
所述控制系统通过所述充压阀门(9)和所述泄压阀门(11)控制装料罐(1)中的压力值；
所述控制系统通过所述均压阀(10)实现所述装料罐(1)和所述高压反应釜(2)压力相等。
进一步的，其中，所述高温过热蒸汽枪(12)对生物质原料提供在所述高压反应釜(2)加热并发生水热炭化反应的高温过热蒸汽；所述背压阀(18)控制所述高压反应釜(2)内的水热炭化压力并排出水热炭化反应产生的废气。
进一步的，其中，所述连续式生物质水热炭化装置还包括高压缓冲罐-II(4)、换热器(5)和多级连续泄压器(6)，所述高压缓冲罐-II(4)安装在所述高压缓冲罐-I(3)一侧，所述换热器(5)连接到所述高压缓冲罐-II(4)，所述多级连续泄压器(6)连接到所述换热器(5)。
进一步的，其中，所述固液分离装置(17)包括螺旋挤压过滤器，所述螺旋挤压过滤器在高温高压条件下对水热炭化产物进行固液分离，分离得到的高温炭化废液进入所述高压缓冲罐-I(3)，通过所述高温废液循环管道(14)由高压泵(15)输送至所述高压反应釜(2)参与水热炭化反应，分离得到的高水分含量生物质水热炭进入所述高压缓冲罐-II(4)。
进一步的，其中，所述换热器(5)包括管式换热器，所述管式换热器对高水分含量生物质水热炭进行降温，所述多级连续泄压器(6)通过组合不同数量的减压元件将高水分含量生物质水热炭压力降至常压。
进一步的，其中，所述连续式生物质水热炭化装置还包括出料口(20)，所述出料口(20)连接到所述多级连续泄压器(6)，降温降压后的高水分生物质水热炭通过所述出料口(20)排出。
本发明的有益效果在于：
1、实现生物质水热炭化过程的连续进行。生物质原料的加入和生物质水热炭的排出过程不需要对反应釜进行冷却降温，提升了生物质水热炭化反应的效率，减少了水热炭化过程系统降温产生的能量损失。
2、拓展了水热炭化技术对生物质原料的适用范围。生物质原料不需要细粉碎、制浆可直接入炉炭化，既可以处理污泥、畜禽粪便等流态生物质原料，还可以处理农林类木质生物质原料，具有原料适用范围宽的特点。
3、提升了水热炭化过程能量回收效率。通过高压缓冲罐中的螺旋挤压过滤器对高温水热炭化物进行固液分离，得到亚临界废液直接通过高温废液循环管道由高压泵输送至高压反应釜参与水热炭化反应，避免了水热炭化废液降温后再加热所消耗的大量热量，大幅度提升了水热炭化过程的能量回收效率。
4、提升生物质水热炭化的生产效率。水热炭化热量主要来自高温过热蒸汽和循环的亚临界废液，减少了水热炭化反应生物质原料和熔剂水加热升温所需的时间，大幅度提升了生物质水热炭化的生产效率。
附图说明
参照附图下面说明本公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。
图1为本公开的连续式生物质水热炭化装置的结构示意图。
图中1-装料罐、2-高压反应釜、3-高压缓冲罐-I、4-高压缓冲罐-II、5-换热器、6-多级连续泄压器、7-装料罐上阀门、8-装料罐下阀门、9-充压阀门、10-均压阀、11-泄压阀门、12-高温过热蒸汽枪、13-搅拌浆片、14-高温废液循环管道、15-高压泵、16-高压反应釜下料口阀门、17-固液分离装置、18-背压阀、19-进料漏斗、20-出料口。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本公开内容的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实现本公开内容的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实现本公开内容的过程中可以做出很多特定于本公开内容的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本公开内容的不同而有所改变。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开内容，在附图中仅仅示出了与根据本公开内容的方案密切相关的水热炭化装置，而省略了与本公开内容关系不大的其他细节。
应理解的是，本公开内容并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本文中，在可行的情况下，不同实施方案之间的特征可替换或借用、以及在一个实施方案中可省略一个或多个特征。
参见图1，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示出本公开连续式生物质水热炭化装置结构的实施方案。
本公开提供的连续式生物质水热炭化装置，包括装料罐1、高压反应釜2、高压缓冲罐-I 3、高压缓冲罐-II 4、换热器5和多级连续泄压器6，所述装料罐1通过法兰与高压反应釜2顶部连接，所述高压缓冲罐-I 3通过法兰与高压反应釜2底部连接，所述高压缓冲罐-II4通过法兰安装在高压缓冲罐-I 3一侧，所述换热器5通过法兰连接到高压缓冲罐-II 4，所述多级连续泄压器6通过管道连接到换热器5，所述装料罐1顶部安装有装料罐上阀门7和底部安装有装料罐下阀门8，所述装料罐1安装有充压阀门9和泄压阀门11，所述高压反应釜2装有高温过热蒸汽枪12、搅拌浆片13和背压阀18，所述高压缓冲罐-I 3内部装有固液分离装置17，所述高压缓冲罐-II 4与高压缓冲罐-I 3通过法兰连接，所述装料罐1与高压反应釜2之间安装均压阀10，所述高压反应釜2与高压缓冲罐-I 3之间安装高温废液循环管道14，所述高温废液循环管道14上安装高压泵15。作为本发明的一种优选实施方式，所述装料罐1通过装料罐上阀门7和装料罐下阀门8的开合控制实现常压生物质原料装入高压反应釜2。
作为本发明的一种优选实施方式，所述装料罐1顶部有进料漏斗19，装料时关闭装料罐下阀门8，通过泄压阀门11将装料罐1中的压力泄到常压，关闭泄压阀门11，打开装料罐上阀门7，生物质原料通过进料漏斗19进入装料罐1，关闭装料罐上阀门7，通过充压阀门9向装料罐1中充压至高压反应釜2内的压力值，打开均压阀10使装料罐1和高压反应釜2压力相等，打开装料罐下阀门8将装料罐1内的生物质原料装入高压反应釜2，装料结束后关闭装料罐下阀门8进行下批次生物质原料的装填。
作为本发明的一种优选实施方式，所述高温过热蒸汽枪12向高压反应釜2通入高温过热蒸汽对生物质原料加热并发生水热炭化反应，背压阀18控制高压反应釜2内的水热炭化压力并排出水热炭化反应产生的废气，水热炭化产物通过高压反应釜下料口阀门16进入固液分离装置17。
作为本发明的一种优选实施方式，所述固液分离装置17在高温高压条件下对水热炭化产物进行固液分离，分离得到的高温炭化废液进入高压缓冲罐-I 3，通过高温废液循环管道14由高压泵15输送至高压反应釜2参与水热炭化反应，分离得到的高水分含量生物质水热炭进入高压缓冲罐-II 4。
作为本发明的一种优选实施方式，所述换热器5对高水分含量的生物质水热炭进行降温，所述多级连续泄压器6通过组合不同数量的减压原件将高水分含量生物质水热炭压力降至常压，降温降压后的高水分生物质水热炭通过出料口20排出。
可以理解的是，本公开中的换热器5优选为管式换热器，也可以是其他换热器，只要能实现使高水分含量的生物质水热炭降温即可。
可以理解的是，本公开中的固液分离装置17优选为螺旋挤压过滤器，也可以是其他能实现固液分离作用的过滤器，只要能对水热炭化产物进行固液分离即可。
工作原理：在使用连续式生物质水热炭化装置时，首先将高压反应釜2的炭化温度设定为170-280℃，优选240℃，关闭装料罐下阀门8，通过高温过热蒸汽枪12向高压反应釜2内通入高温过热蒸汽进行加热，破碎筛分后的生物质原料输送至进料漏斗19，打开泄压阀门11将装料罐1内的压力泄至常压，关闭泄压阀门11，打开装料罐上阀门7，将进料漏斗19内的生物质原料装入装料罐1，关闭装料罐上阀门7，打开充压阀门9对装料罐1进行充压至0.9-6.4MPa，优选3.3MPa，打开均压阀10后开启装料罐下阀门8，将装料罐1内的生物质原料装入高压反应釜2，装料结束后关闭装料罐下阀门8，装料罐1进行下批次生物质原料的填装，开启高温过热蒸汽枪12向高压反应釜2内通入高温过热蒸汽对生物质原料进行加热，高温过热蒸汽降温后形成亚临界水参与水热炭化反应，在搅拌浆片13搅拌的作用下生物质原料在高压反应釜2内部一边下降一边发生水热炭化反应，经过30-120min的反应后生物质水热炭化产物达到高压反应釜2底部，优选经过60min反应，通过高压反应釜下料口阀门16进入固液分离装置17，水热炭化产生的废气通过背压阀18排出高压反应釜2，固液分离装置17过滤出的高温炭化废液进入高压缓冲罐-I 3，高压炭化废液通过高温废液循环管道14在高压泵15的作用下输送至高压反应釜2参与后续生物质原料的水热炭化反应，固液分离装置17过滤得到的高水分含量生物质水热炭进入高压缓冲罐-II 4，高水分含量生物质水热炭在高压缓冲罐-II 4压力的作用下进入换热器5，高水分含量的生物质水热炭在换热器5内冷却至50-90℃时进入多级连续泄压器6，通过组合不同数量的减压元件将高水分含量生物质水热炭压力降至常压，降温、降压后的高水分生物质水热炭通过出料口20排出，该连续式生物质水热炭化装置设计新颖，结构合理，对生物质原料的适用性强，反应效率高，系统能耗低，水热炭产品质量好，污染物排放少，具有广阔的工业应用前景。
以上结合具体的实施方案对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (8)

1.一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：包括装料罐(1)、高压反应釜(2)以及高压缓冲罐-I(3)，所述装料罐(1)的顶部有进料口，所述装料罐(1)的底部有下料口，所述下料口与高压反应釜(2)顶部连接，所述高压缓冲罐-I(3)与所述高压反应釜(2)底部连接，所述高压反应釜(2)与所述高压缓冲罐-I(3)之间安装高温废液循环管道(14)，所述高压缓冲罐-I(3)内部安装有固液分离装置(17)，水热炭化产物通过所述高压反应釜(2)的底部进入所述固液分离装置(17)，所述固液分离装置(17)包括螺旋挤压过滤器，所述螺旋挤压过滤器在高温高压条件下对水热炭化产物进行固液分离，分离得到的高温炭化废液进入所述高压缓冲罐-I(3)，通过所述高温废液循环管道(14)由高压泵(15)输送至所述高压反应釜(2)参与后续生物质原料的水热炭化反应；所述装料罐(1)顶部安装有装料罐上阀门(7)并且底部安装有装料罐下阀门(8)，所述装料罐(1)安装有充压阀门(9)和泄压阀门(11)；所述装料罐(1)与所述高压反应釜(2)之间安装有均压阀(10)。
2.根据权利要求1所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述高压反应釜(2)安装有高温过热蒸汽枪(12)、搅拌浆片(13)和背压阀(18)，所述高压反应釜(2)底部安装有高压反应釜下料口阀门(16)，所述水热炭化产物通过所述高压反应釜下料口阀门(16)进入所述固液分离装置(17)。
3.根据权利要求1所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述连续式生物质水热炭化装置还具有控制系统，所述控制系统实现下述至少一个功能：
所述控制系统控制所述装料罐下阀门(8)和所述装料罐上阀门(7)的开合；
所述控制系统通过所述充压阀门(9)和所述泄压阀门(11)控制装料罐(1)中的压力值；
所述控制系统通过所述均压阀(10)实现所述装料罐(1)和所述高压反应釜(2)压力相等。
4.根据权利要求2所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述高温过热蒸汽枪(12)对生物质原料提供在所述高压反应釜(2)加热并发生水热炭化反应的高温过热蒸汽；所述背压阀(18)控制所述高压反应釜(2)内的水热炭化压力并排出水热炭化反应产生的废气。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述连续式生物质水热炭化装置还包括高压缓冲罐-II(4)、换热器(5)和多级连续泄压器(6)，所述高压缓冲罐-II(4)安装在所述高压缓冲罐-I(3)一侧，所述换热器(5)连接到所述高压缓冲罐-II(4)，所述多级连续泄压器(6)连接到所述换热器(5)。
6.根据权利要求5所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：通过固液分离得到的高水分含量生物质水热炭进入所述高压缓冲罐-II(4)。
7.根据权利要求6所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述换热器(5)包括管式换热器，所述管式换热器对高水分含量生物质水热炭进行降温，所述多级连续泄压器(6)通过组合不同数量的减压元件将高水分含量生物质水热炭压力降至常压。
8.根据权利要求7所述的一种连续式生物质水热炭化装置，其特征在于：所述连续式生物质水热炭化装置还包括出料口(20)，所述出料口(20)连接到所述多级连续泄压器(6)，降温降压后的高水分生物质水热炭通过所述出料口(20)排出。
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