CN114984880A - 生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法，其中生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置包括：配料罐、液相产物储罐、固相产物储罐、预热罐、氧化反应器、闪蒸器、换热器以及板框压滤机。预热罐的进口与配料罐的出口相连接。氧化反应器的进口与预热罐的出口相连接。闪蒸器的进口与氧化反应器的出口相连接，且闪蒸器的上部蒸汽出口与配料罐相连接。换热器的第一换热端的进口与闪蒸器的下部液相出口相连接。以及板框压滤机的进口与换热器的第一换热端的出口相连接。借此，本发明的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，结构简单合理，处理过程不产生新的废弃物，资源高效利用，且生产速度快，效率高。

Description

生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法
技术领域
本发明是关于腐殖酸生产技术领域，特别是关于一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法。
背景技术
近年来，腐殖酸在农业生产中的应用日益受到广泛的重视。越来越多的研究表明，腐殖酸能够改善土壤的团粒结构,使土壤疏松、吸水量增大,既能透气、增温,又能蓄水,改良土壤的作用明显；腐殖酸能够提高化肥的有效利用,在对化肥起增效剂作用的同时，减轻化肥对土壤理化性状产生的不良影响；腐殖酸能够促进种子发芽,提高出苗率和成苗率,同时对作物根系发育有特殊的促进作用,促使幼苗发根快,次生根多,根量增加,根系伸长,使作物吸收水分和养分的能力增强。也正因如此，各种各样的腐殖酸肥料相继在市场上广泛出现。
目前的腐殖酸肥料的生产大多采用天然矿物例如草炭、褐煤、风化煤等为原料，采用碱提取法、酸提取法、有机溶剂萃取法等进行制备，这些方法需要开采自然资源，同时制备过程中易产生新的环境污染问题；也有人在传统堆肥技术的基础上，用微生物溶解法制备腐殖酸，这种方法效率较低，同时原料中的病毒病菌微生物难以完全杀灭；也有人以有机固废、造纸废液等为原料，制备腐殖酸，但这些废弃物中的重金属等问题也限制了这些技术的推广使用。
吕正雄等人以湿式氧化技术为基础，开发了不同的成套设备，以期彻底解决有机固废资源化的问题，但限于有机固废的复杂性，前处理程序复杂，重金属去除成本高；氧化剂供应、能源回收等配套技术的工艺难度高等，使得设备系统过于庞大复杂，操作难度大，技术经济性差，不利于大规模推广使用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种本发明的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法，结构简单合理，处理过程不产生新的废弃物，资源高效利用，且生产速度快，效率高。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，包括：配料罐、液相产物储罐、固相产物储罐、预热罐、氧化反应器、闪蒸器、换热器以及板框压滤机。预热罐的进口与配料罐的出口相连接。氧化反应器的进口与预热罐的出口相连接。闪蒸器的进口与氧化反应器的出口相连接，且闪蒸器的上部蒸汽出口与配料罐相连接。换热器的第一换热端的进口与闪蒸器的下部液相出口相连接。以及板框压滤机的进口与换热器的第一换热端的出口相连接，板框压滤机的液相出口分别与配料罐和液相产物储罐相连接，且板框压滤机的固相出口与固相产物储罐相连接。其中，换热器的第二进口端的进口与补充水管相连接，且换热器的第二进口端的出口与配料罐相连接。
在本发明的一实施方式中，生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置还包括制氧设备，制氧设备的氧气出口与氧化反应器的气体进口相连接。
在本发明的一实施方式中，配料罐内具有粉碎的生物质原料，闪蒸器用以向配料罐内提供蒸汽，换热器用以向配料罐内补充水，且配料罐用以将生物质原料、蒸汽和水配制成生物质料浆。其中，生物质料浆通过第一泵体输送至预热器中。其中，预热器用以对生物质料浆进行加热，且加热后的生物质料浆通过第二泵体输送至氧化反应器中进行氧化反应。其中，氧化反应后的生物质料浆进入闪蒸器进行释压，且释压所产生的蒸汽输送至配料罐中进行配料。其中，释压后的生物质料浆通过第三泵体输送至换热器中，并与水进行换热冷却。其中，冷却后的生物质料浆输送至板框压滤机中进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入固相产物储罐，一部分液相回流至配料罐中，且另一部液相作为液相腐殖酸产物进入液相产物储罐。
在本发明的一实施方式中，进入配料罐的生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，配料罐所配制成的生物质料浆的含水率为87％至92％，预热罐的温度在120℃至145摄氏度之间，且氧化反应器的温度在160℃至210℃之间。
在本发明的一实施方式中，预热罐采用多个反应釜并联或串联的结构，氧化反应器的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，氧化反应器采用多个反应釜并联或串联的结构，且生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
第二方面，本发明提供了一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，包括：步骤S1，粉碎的生物质原料、来自闪蒸器的蒸汽、以及来自换热器的补充水在配料罐中配制成生物质料浆。步骤S2，配料罐内的生物质料浆通过第一泵体输送至预热器进行加热。步骤S3，加热后的生物质料浆通过第二泵体输送至氧化反应器，在氧化反应器中持续供氧的条件下进行氧化反应。步骤S4，氧化后的生物质料浆进入闪蒸器进行释压。步骤S5，释压产生的蒸汽，输送至配料罐进行配料。步骤S6，释压后的生物质料浆与换热器内的补充水进行换热冷却。步骤S7，冷却后的生物质料浆经板框压滤机进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入固相产物储罐。步骤S8，一部分液相回流至配料罐，且另一部分作为液相腐殖酸产物进入液相产物储罐。
在本发明的一实施方式中，生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法还包括制氧设备，制氧设备的氧气出口与氧化反应器的气体进口相连接。
在本发明的一实施方式中，进入配料罐的生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，配料罐所配制成的生物质料浆的含水率为87％至92％，预热罐的温度在120℃至145摄氏度之间，且氧化反应器的温度在160℃至210℃之间。
在本发明的一实施方式中，预热罐采用多个反应釜并联或串联的结构，氧化反应器的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，且氧化反应器采用多个反应釜并联或串联的结构。
在本发明的一实施方式中，生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
与现有技术相比，根据本发明的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法，原材料来源广泛，可以就地取材；处理过程不产生新的废弃物，资源高效利用；生产速度快，效率高；原材料中的有害菌类在反应过程中全部灭活；所获得的黄腐酸、腐殖酸具有高活性；工艺流程及成套设备简单可靠。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置的线框布置结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法的流程示意图。
主要附图标记说明：
1-配料罐，2-预热罐，3-氧化反应器，4-闪蒸器，5-换热器，6-板框压滤机，7-制氧设备，8-第一泵体，9-第二泵体，10-第三泵体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1是根据本发明一实施方式的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置的线框布置结构示意图。如图1所示，第一方面，根据本发明优选实施方式的一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，包括：配料罐1、液相产物储罐、固相产物储罐、预热罐2、氧化反应器3、闪蒸器4、换热器5以及板框压滤机6。预热罐2的进口与配料罐1的出口相连接。氧化反应器3的进口与预热罐2的出口相连接。闪蒸器4的进口与氧化反应器3的出口相连接，且闪蒸器4的上部蒸汽出口与配料罐1相连接。换热器5的第一换热端的进口与闪蒸器4的下部液相出口相连接。以及板框压滤机6的进口与换热器5的第一换热端的出口相连接，板框压滤机6的液相出口分别与配料罐1和液相产物储罐相连接，且板框压滤机6的固相出口与固相产物储罐相连接。其中，换热器5的第二进口端的进口与补充水管相连接，且换热器5的第二进口端的出口与配料罐1相连接。
在本发明的一实施方式中，生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置还包括制氧设备7，制氧设备7的氧气出口与氧化反应器3的气体进口相连接。
在本发明的一实施方式中，配料罐1内具有粉碎的生物质原料，闪蒸器4用以向配料罐1内提供蒸汽，换热器5用以向配料罐1内补充水，且配料罐1用以将生物质原料、蒸汽和水配制成生物质料浆。其中，生物质料浆通过第一泵体8输送至预热器中。其中，预热器用以对生物质料浆进行加热，且加热后的生物质料浆通过第二泵体9输送至氧化反应器3中进行氧化反应。其中，氧化反应后的生物质料浆进入闪蒸器4进行释压，且释压所产生的蒸汽输送至配料罐1中进行配料。其中，释压后的生物质料浆通过第三泵体10输送至换热器5中，并与水进行换热冷却。其中，冷却后的生物质料浆输送至板框压滤机6中进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入固相产物储罐，一部分液相回流至配料罐1中，且另一部液相作为液相腐殖酸产物进入液相产物储罐。
在本发明的一实施方式中，进入配料罐1的生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，配料罐1所配制成的生物质料浆的含水率为87％至92％，预热罐2的温度在120℃至145摄氏度之间，且氧化反应器3的温度在160℃至210℃之间。
在本发明的一实施方式中，预热罐2采用多个反应釜并联或串联的结构，氧化反应器3的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，氧化反应器3采用多个反应釜并联或串联的结构，且生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
在本发明的一实施方式中，为调整预热罐2的负荷可以在其前端与第一泵体8之间设置管道加热。所有设备、管道内壁材质均为不锈钢。板框压滤机6采用两台并联的结构。
图2是根据本发明一实施方式的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法的流程示意图。如图2所示，第二方面，本发明提供了一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，包括：步骤S1，粉碎的生物质原料、来自闪蒸器4的蒸汽、以及来自换热器5的补充水在配料罐1中配制成生物质料浆。步骤S2，配料罐1内的生物质料浆通过第一泵体8输送至预热器进行加热。步骤S3，加热后的生物质料浆通过第二泵体9输送至氧化反应器3，在氧化反应器3中持续供氧的条件下进行氧化反应。步骤S4，氧化后的生物质料浆进入闪蒸器4进行释压。步骤S5，释压产生的蒸汽，输送至配料罐1进行配料。步骤S6，释压后的生物质料浆与换热器5内的补充水进行换热冷却。步骤S7，冷却后的生物质料浆经板框压滤机6进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入固相产物储罐。步骤S8，一部分液相回流至配料罐1，且另一部分作为液相腐殖酸产物进入液相产物储罐。
在本发明的一实施方式中，生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法还包括制氧设备7，制氧设备7的氧气出口与氧化反应器3的气体进口相连接。
在本发明的一实施方式中，进入配料罐1的生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，配料罐1所配制成的生物质料浆的含水率为87％至92％，预热罐2的温度在120℃至145摄氏度之间，且氧化反应器3的温度在160℃至210℃之间。
在本发明的一实施方式中，预热罐2采用多个反应釜并联或串联的结构，氧化反应器3的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，且氧化反应器3采用多个反应釜并联或串联的结构。
在本发明的一实施方式中，生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
在本发明的一实施方式中，为调整预热罐2的负荷可以在其前端与第一泵体8之间设置管道加热。所有设备、管道内壁材质均为不锈钢。板框压滤机6采用两台并联的结构。
在实际应用中，本发明的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法，用化工工艺流程来模仿自然界形成腐殖酸的过程，通过高温高压氧化的方法极大地加速这一进程，使得在自然界千百年完成的反应过程，在反应器中1小时～2小时的时间内即可完成，同时由于工艺过程的控制，使得反应向生成更多低分子量活化腐殖酸的方向进行；从而使获得的腐殖酸产品具有更高效的吸水保水、保肥增效、促进生长等作用。
本发明以生产高效的腐殖酸产品为目标，直接采用来源丰富且无其他污染物的生物质为原料，采用创新的工艺路线组合，降低了投资及运营成本。采用本发明装置及方法生产腐殖酸既不依赖矿物资源，也不产生新的污染物，同时把生物质中的病毒病菌微生物等病害完全杀灭；原料取之于天然，设备采用耐蚀材料，不存在重金属污染的问题；反应温度高，制备效率高，系统设备简单便于小型化，技术经济性好。
本发明还提出以下两个简化实施例，第一简化的整体设备可以去掉预热罐2与氧化反应器3之间的第二泵体9。第二简化的整体设备为不考虑能源回收及连续运转，可以氧化反应器3加或制氧设备7或简易的供氧设备，配以简要的进出料设施，通过升温、加氧的时间流程实现上述主要制备工艺。
详细来说，自然界形成腐殖酸的大概可以三个阶段：
第一个阶段是水解阶段，由发酵性细菌产生胞外酶水解大分子有机物质，如，纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、果胶质、脂肪和蛋白质等；多糖类物质水解为单糖，蛋白质水解为肽和氨基酸，脂肪水解成甘油和脂肪酸。
第二阶段为产酸阶段，进入细胞的各种可溶性物质在胞内酶的作用下，进一步分解代谢，生成多元挥发性脂肪酸和醇，同时出现许多活性基团，如-OH，-COO等。
第三阶段为合成和聚合阶段，在微生物细胞内合成，菌体死亡后释放出来或在细胞外通过聚合作用生成腐殖酸。
本发明就是在以上原理的基础上，借助化学化工反应体系，在一定的温度压力下，快速实现上述由微生物在漫长的时期内完成的反应过程，从而实现腐殖酸的高效快速制备。
本发明的技术原理具体为：
1、生物质的水解：经粉碎的生物质材料与水及/或反应后的液相进入反应体系后预热，在此阶段主要发生水解反应，包括小分子易降解有机质的水解、及大分子难降解有机质的初步解析等：其中部分易降解小分子的反应可以描述为：
淀粉等多糖水解单糖：(C6H12O6)n+nH2O＝nC6H12O6；
蛋白质水解为氨基酸：H-[-NH2CH2CO-]n-OH+nH2O＝nNH2CH2COOH；
油脂水解为甘油和脂肪酸：
Figure BDA0003693934590000091
2、部分湿式氧化、酸化：本发明的核心工艺阶段在于利用部分湿式氧化的工艺原理及装备，在反应器内形成自由基高级氧化反应条件，继续降解大分子的有机质，同时将含氮、硫、磷等的小分子氧化，生成低价态化合物，避免其在自然状态下生物处理所产生的恶臭等气味，同时生成有机酸：
R’N+O2→NH3+CO2+H2O+R”COOH
R’S+O2→SO4 2-+CO2+H2O+R”COOH
R’P+O2→PO4 3-+CO2+H2O+R”COOH
3、难降解有机物木质素、纤维素、半纤维素的降解：在反应条件下，难降解有机物经水解、氧化，不断离解为较小的物质单元，如多元酚、醌、多糖等，控制反应器氧化条件，使其不再深度氧化为二氧化碳和水；
4、物质的交联聚合反应：反应器内的纤维素、木质素及其初步离解产物、及各种小分子物质等发生聚合反应生成腐殖酸。
综合反应式可以表述成：
CaHbOcNdSe+O2→
CO2+H2O+NO3 -+SO4 2-+腐植酸+黄腐酸+木质素+分散的纤维素+有机自由基。
总之，本发明的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置及方法，原材料来源广泛，可以就地取材；处理过程不产生新的废弃物，资源高效利用；生产速度快，效率高；原材料中的有害菌类在反应过程中全部灭活；所获得的黄腐酸、腐殖酸具有高活性；工艺流程及成套设备简单可靠。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，其特征在于，包括：
配料罐；
液相产物储罐；
固相产物储罐；
预热罐，所述预热罐的进口与所述配料罐的出口相连接；
氧化反应器，所述氧化反应器的进口与所述预热罐的出口相连接；
闪蒸器，所述闪蒸器的进口与所述氧化反应器的出口相连接，且所述闪蒸器的上部蒸汽出口与所述配料罐相连接；
换热器，所述换热器的第一换热端的进口与所述闪蒸器的下部液相出口相连接；以及
板框压滤机，所述板框压滤机的进口与所述换热器的所述第一换热端的出口相连接，所述板框压滤机的液相出口分别与所述配料罐和所述液相产物储罐相连接，且所述板框压滤机的固相出口与所述固相产物储罐相连接；
其中，所述换热器的第二进口端的进口与补充水管相连接，且所述换热器的所述第二进口端的出口与所述配料罐相连接。
2.如权利要求1所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，其特征在于，还包括制氧设备，所述制氧设备的氧气出口与所述氧化反应器的气体进口相连接。
3.如权利要求1所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，其特征在于，所述配料罐内具有粉碎的生物质原料，所述闪蒸器用以向所述配料罐内提供蒸汽，所述换热器用以向所述配料罐内补充水，且所述配料罐用以将所述生物质原料、所述蒸汽和所述水配制成生物质料浆；
其中，所述生物质料浆通过第一泵体输送至所述预热器中；
其中，所述预热器用以对所述生物质料浆进行加热，且加热后的所述生物质料浆通过第二泵体输送至所述氧化反应器中进行氧化反应；
其中，氧化反应后的所述生物质料浆进入所述闪蒸器进行释压，且释压所产生的所述蒸汽输送至所述配料罐中进行配料；
其中，释压后的所述生物质料浆通过第三泵体输送至所述换热器中，并与所述水进行换热冷却；
其中，冷却后的所述生物质料浆输送至所述板框压滤机中进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入所述固相产物储罐，一部分液相回流至所述配料罐中，且另一部液相作为液相腐殖酸产物进入所述液相产物储罐。
4.如权利要求1所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，进入所述配料罐的所述生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，所述配料罐所配制成的所述生物质料浆的含水率为87％至92％，所述预热罐的温度在120℃至145摄氏度之间，且所述氧化反应器的温度在160℃至210℃之间。
5.如权利要求1所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的装置，所述预热罐采用多个反应釜并联或串联的结构，所述氧化反应器的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，所述氧化反应器采用多个反应釜并联或串联的结构，且所述生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
6.一种生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，粉碎的生物质原料、来自闪蒸器的蒸汽、以及来自换热器的补充水在配料罐中配制成生物质料浆；
步骤S2，所述配料罐内的所述生物质料浆通过第一泵体输送至预热器进行加热；
步骤S3，加热后的所述生物质料浆通过第二泵体输送至氧化反应器，在所述氧化反应器中持续供氧的条件下进行氧化反应；
步骤S4，氧化后的所述生物质料浆进入闪蒸器进行释压；
步骤S5，释压产生的蒸汽，输送至所述配料罐进行配料；
步骤S6，释压后的所述生物质料浆与所述换热器内的补充水进行换热冷却；
步骤S7，冷却后的所述生物质料浆经板框压滤机进行固液分离，固相作为固态腐殖酸产物进入固相产物储罐；
步骤S8，一部分液相回流至所述配料罐，且另一部分作为液相腐殖酸产物进入液相产物储罐。
7.如权利要求6所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，其特征在于，还包括制氧设备，所述制氧设备的氧气出口与所述氧化反应器的气体进口相连接。
8.如权利要求6所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，进入所述配料罐的所述生物质材料的颗粒径尺寸为1毫米至5毫米，所述配料罐所配制成的所述生物质料浆的含水率为87％至92％，所述预热罐的温度在120℃至145摄氏度之间，且所述氧化反应器的温度在160℃至210℃之间。
9.如权利要求6所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，所述预热罐采用多个反应釜并联或串联的结构，所述氧化反应器的内壁采用纯钛材质或不锈钢材质，且所述氧化反应器采用多个反应釜并联或串联的结构。
10.如权利要求6所述的生物质热氧化法制备腐殖酸类物质的方法，所述生物质原料包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。
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