CN115181582A - 一种两级水热液化余热利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两级水热液化余热利用系统及方法，系统包括热水解反应单元、水热液化反应单元和余热回收单元，其中：热水解反应单元包括依次连接的预热罐、热水解罐、闪蒸罐、固液分离器和废水储罐，闪蒸罐的蒸汽出口连接至预热罐；水热液化反应单元包括依次连接的混合罐、水热液化罐和产物分离器；余热回收单元包括浆料换热器、水冷换热器、热电换热器，浆料换热器设于预热罐与热水解罐之间；水冷换热器设于闪蒸罐与固液分离器之间；热电换热器设于水热液化罐与浆料换热器之间，热电换热器与有机朗肯循环发电装置耦合。本发明用于对两级水解液化工艺进行优化，可以更高效回收两级水解液化工艺中的余热，提高能源利用率。

Description

一种两级水热液化余热利用系统及方法

技术领域

本发明涉及水热工艺浆料产物的余热利用技术领域，具体涉及一种两级水热液化余热利用系统及方法。

背景技术

随着经济的快速发展和人民物质生活水平的提高，能源需求量也在显著增加，大部分的能源需求都是由化石燃料满足的。在我国推进生态文明建设和能源低碳转型的战略背景下，寻求可再生替代能源是减少化石能源使用的必然途径。生物质是极具开发前景的可用于替代化石能源的零碳资源。

水热液化法可以在水介质体系将生物质等有机固废转化为生物油和多种平台化合物，是生物质高值转化的热门方法。与其他热化学制化学品方法(热解、气化等)相比，水热液化法在亚临界压力热水环境中进行，因此无需对原料进行预干燥，表现出对原料水分和组分的强适应性。

两步水热液化是指按照水热液化的反应过程将其分为热水解阶段和水热液化阶段两部分单独进行，其特征在于对热水解产物进行初步分离，获得水相中的糖类、蛋白质、氮源等营养物质，进而再将固体部分重新配水进行第二阶段的液化，制得生物油或平台化合物。相比于一步水热液化，两步水热液化可以实现原料有机组分的分级分质转化，提高转化效率。

水热液化通常是在250～375℃和5～20MPa的温度和压力下进行，其浆料产物蕴含着较多的热能。尤其对于两步水热液化工艺，为获取第一步热水解浆料产物中的糖类、蛋白质、氮源等物质，需要对其进行冷却，增加了能量损耗。因此相对于传统的一步水热液化更需要开发余热利用和节能技术，以降低工艺能耗。然而，目前针对两步水热液化工艺的浆料热能加以回收利用的设计较少而且简单，难以达到高效回收浆料余热的目的。

发明内容

针对以上不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种一种两级水热液化余热利用系统及方法，用于对两步水解液化工艺进行优化，可以更高效回收两步水解液化工艺中的余热，提高能源利用率。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种两级水热液化余热利用系统，包括热水解反应单元、水热液化反应单元和余热回收单元，其中：热水解反应单元包括依次连接的预热罐、热水解罐、闪蒸罐、固液分离器和废水储罐，闪蒸罐的蒸汽出口连接至预热罐；水热液化反应单元包括依次连接的混合罐、水热液化罐和产物分离器；余热回收单元包括浆料换热器、水冷换热器、热电换热器，浆料换热器设于预热罐与热水解罐之间；水冷换热器设于闪蒸罐与固液分离器之间；热电换热器设于水热液化罐与浆料换热器之间，热电换热器与有机朗肯循环发电装置耦合；闪蒸罐的闪蒸浆料经水冷换热器放热后进入固液分离器，固液分离器的固态产物通过混合罐连接至水热液化罐；水热液化罐排出的浆料依次经热电换热器放热发电、浆料换热器加热原料之后，进入产物分离器。

作为本发明的优选方案之一，所述水冷换热器连接有热水箱，热水箱的出水口通过阀门连接至混合罐。

作为本发明的优选方案之一，所述浆料换热器和产物分离器之间还设有产物水冷换热器，所述产物水冷换热器与所述热水箱连通。

作为本发明的优选方案之一，所述有机朗肯循环发电装置为水热液化罐供电。

作为本发明的优选方案之一，所述原料配制后的含水率为80～90％。

作为本发明的优选方案之一，热水解罐、水热液化罐均连接有热源，所述热源与热水箱连通。

作为本发明的优选方案之一，还包括污泥原料仓，污泥原料仓通过输送泵与预热罐连通。

本发明还提供一种一种两级水热液化余热利用方法，采用所述的两级水热液化余热利用系统，包括以下步骤，

S1：原料经预热罐初步预热至65～110℃，之后通过浆料换热器进行二次预热至110～160℃，之后送入热水解罐加热至140～180℃并进行热水解反应，反应压力0.5～1.5MPa；

S2：热水解浆料产物通入闪蒸罐进行降压闪蒸，产生的闪蒸蒸汽送回预热罐作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器换热冷却后送入固液分离器；

S3：经固液分离器分离产生的热水解废液用于回收利用，固体水热炭被送至混合器，在混合器内加水配制后送入水热液化罐加热至250～350℃并进行水热液化反应，反应压力5～20MPa；

S4：水热液化罐排出的浆料依次经热电换热器、浆料换热器、产物水冷换热器换热冷却后，送至产物分离器内，分离得到生物油。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)针对第一步热水解过程的余热回收用于原料的一级预热，节约了热水解反应所需的热能，还产出了热水，可以用于第二步水热液化物料的掺水配制。

(2)针对第二步水热液化过程的余热回收一方面用于原料的二级预热，进一步节约了热水解反应所需的热能，另一方面通过有机朗肯循环发电装置产生了电能，这部分电能可用于水热液化物料加热，节约了水热液化工艺能耗。

(3)针对两步水热液化工艺的余热回收过程产生的热水可用作生产生活热水，也可用作热水解和水热液化的热源。

附图说明

图1是本发明所述水热液化系统原理示意图。

附图标记：1-污泥原料仓；2-输送泵；3-预热罐；4-浆料换热器；5-物料泵；6-热水解罐；7-闪蒸罐；8-水冷换热器；9-固液分离器；10-热水箱；11-混合罐；12-浆料泵；13-废水储罐；14-水热液化罐；15-热电水冷换热器；15-1-有机朗肯循环发电装置；16-产物水冷换热器；17-产物分离器；18-热源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述。

为了保证水热液化工艺的效率，原料配制后的含水率为80～90％，本液化系统的原料包括农林废弃物、餐厨垃圾、城市生活垃圾等一种或多种混合。

实施例1

本实施例提供一种两级水热液化余热利用系统，包括热水解反应单元、水热液化反应单元和余热回收单元，热水解反应单元包括依次连接的预热罐3、热水解罐6、闪蒸罐7、固液分离器9和废水储罐13，闪蒸罐7的蒸汽出口连接至预热罐3；水热液化反应单元包括依次连接的混合罐11、水热液化罐14和产物分离器17。

余热回收单元包括浆料换热器4、水冷换热器8、热电换热器15。浆料换热器4设于预热罐3与热水解罐6之间；水冷换热器8设于闪蒸罐7与固液分离器9之间；热电换热器15设于水热液化罐14与浆料换热器4之间，热电换热器15与有机朗肯循环发电装置15-1耦合；

闪蒸罐7的闪蒸浆料经水冷换热器8放热后进入固液分离器9，固液分离器9的固态产物通过混合罐11连接至水热液化罐14；水热液化罐14排出的浆料依次经热电换热器15放热发电、浆料换热器4加热原料之后，进入产物分离器17。

水冷换热器8连接有热水箱10，热水箱10用于储存热水，其出水口可以连接至混合罐11，为水热液化所需的原料进行配制，还可用于为水热液化罐或热水解罐提供热源。

优选地，在所述浆料换热器4和产物分离器17之间增设产物水冷换热器16，产物水冷换热器16可连接至热水箱10，收集更多的热水，用于为系统提供热源或者用作生活用水。

本实施例所述水热液化系统首先通过有机朗肯循环发电装置吸收高温水热液化浆料的部分热能，与后续换热器形成浆料余热的梯级回收，有机朗肯循环产生的电能用于加热水热液化物料物料。经有机朗肯循环发电装置换热后的水热液化浆料再通过产物水冷换热器16冷却产生热水，用于生产生活用水。大大提高了两步法水冷液化系统的余热利用率，节能效果显著。

实施例2

本实施例提供一种两级水热液化余热利用方法，包括以下步骤：

S1：原料经预热罐初步预热至65～110℃，之后通过浆料换热器进行二次预热至110～160℃，之后送入热水解罐加热至140～180℃并进行热水解反应，反应压力0.5～1.5MPa；

S2：热水解浆料产物通入闪蒸罐进行降压闪蒸，产生的闪蒸蒸汽送回预热罐作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器换热冷却后送入固液分离器；

S3：经固液分离器分离产生的热水解废液用于回收利用，固体水热炭被送至混合器，在混合器内加水配制后送入水热液化罐加热至250～350℃并进行水热液化反应，反应压力5～20MPa；

S4：水热液化罐排出的浆料依次经热电换热器、浆料换热器、产物水冷换热器换热冷却后，送至产物分离器内，分离得到生物油。

本实施例以玉米秸秆、城市污泥和餐厨垃圾为例，对水热液化工艺的余热利用率进行计算：

以1t/h、含水率80％的玉米秸秆为例，水热液化工艺包括以下步骤：

S1：原料经预热罐3初步预热至65.4℃，再通过浆料换热器4二次预热至113.2℃，之后送入热水解罐6加热并进行热水解反应，反应温度为140℃，反应压力0.5MPa；

S2：热水解浆料通入闪蒸罐7进行降压闪蒸，闪蒸压力0.12MPa，温度105℃，产生0.06t/h的闪蒸蒸汽送回预热罐3作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器8进一步冷却后送入固液分离器9，同时水冷换热器8产生1.5t/h、60℃的热水；

S3：经固液分离器9分离产生的热水解废液用于提取糖类、氮源等营养物质，固体水热炭被送至混合器11，重新加水配比至含水80％后送入水热液化罐14加热并进行水热液化反应，反应温度为250℃，反应压力5MPa；

S4：水热液化罐14排出的水热液化浆料经有机朗肯循环装置发电量为27.2kW，热效率为15.6％，之后送至浆料换热器4进一步降温至100℃，之后再经水冷换热器15进一步降温至50℃后送至产物分离器分离得到生物油，同时水冷换热器15产生0.94t/h、60℃的热水。

通过余热利用总共回收了54.3％的工艺加热热耗，其中39.1％用于补偿加热热耗，15.2％用于生产生活热水。

以1t/h、含水率85％的城市污泥为例，水热液化工艺包括以下步骤：

S1：原料经预热罐3初步预热至95℃，之后通过浆料换热器4二次预热至137.2℃，之后送入热水解罐6加热并进行热水解反应，反应温度为160℃，反应压力1MPa；

S2：热水解浆料通入闪蒸罐7进行降压闪蒸，闪蒸压力0.12MPa，温度105℃，产生0.12t/h的闪蒸蒸汽送回预热罐3作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器8进一步冷却后送入固液分离器9，同时水冷换热器8产生1.55t/h、60℃的热水；

S3：经固液分离器9分离产生的热水解废液用于提取糖类、氮源等营养物质，固体水热炭被送至混合器11，重新加水配比至含水85％后送入水热液化罐14加热并进行水热液化反应，反应温度为300℃，反应压力10MPa；

S4：水热液化罐14排出的水热液化浆料经有机朗肯循环装置发电量为46.5kW，热效率为18.1％，之后送至浆料换热器4进一步降温至130℃，之后再经水冷换热器15进一步降温至50℃后送至产物分离器分离得到生物油，同时水冷换热器15产生1.46t/h、60℃的热水。

通过余热利用总共回收了58.4％的工艺加热热耗，其中43.7％用于补偿加热热耗，14.7％用于生产生活热水。

以1t/h、含水率90％的餐厨垃圾为例，水热液化工艺包括以下步骤：

S1：原料经预热罐3初步预热至114.5℃，之后通过浆料换热器4二次预热至158.1℃，之后送入热水解罐6加热并进行热水解反应，反应温度为180℃，反应压力1.5MPa；

S2：热水解浆料通入闪蒸罐7进行降压闪蒸，闪蒸压力0.12MPa，温度105℃，产生0.16t/h的闪蒸蒸汽送回预热罐3作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器8进一步冷却后送入固液分离器9，同时水冷换热器8产生1.61t/h、60℃的热水；

S3：经固液分离器9分离产生的热水解废液用于提取糖类、氮源等营养物质，固体水热炭被送至混合器11，重新加水配比至含水90％后送入水热液化罐14加热并进行水热液化反应，反应温度为350℃，反应压力20MPa；

S4：水热液化罐14排出的水热液化浆料经有机朗肯循环装置发电量为61.5kW，热效率为20.7％，之后送至浆料换热器4进一步降温至150℃，之后再经水冷换热器15进一步降温至50℃后送至产物分离器分离得到生物油，同时水冷换热器15产生1.99t/h、60℃的热水。

通过余热利用总共回收了62.2％的工艺加热热耗，其中47.4％用于补偿加热热耗，14.8％用于生产生活热水。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

尽管本文较多地使用了图中附图标记对应的术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种两级水热液化余热利用系统，其特征在于，包括热水解反应单元、水热液化反应单元和余热回收单元，其中：

热水解反应单元包括依次连接的预热罐、热水解罐、闪蒸罐、固液分离器和废水储罐，闪蒸罐的蒸汽出口连接至预热罐；

水热液化反应单元包括依次连接的混合罐、水热液化罐和产物分离器；

余热回收单元包括浆料换热器、水冷换热器、热电换热器，浆料换热器设于预热罐与热水解罐之间；水冷换热器设于闪蒸罐与固液分离器之间；热电换热器设于水热液化罐与浆料换热器之间，热电换热器与有机朗肯循环发电装置耦合；

闪蒸罐的闪蒸浆料经水冷换热器放热后进入固液分离器，固液分离器的固态产物通过混合罐连接至水热液化罐；水热液化罐排出的浆料依次经热电换热器放热发电、浆料换热器加热原料之后，进入产物分离器。

2.根据权利要求1所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，所述水冷换热器连接有热水箱，热水箱的出水口通过阀门连接至混合罐。

3.根据权利要求2所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，所述浆料换热器和产物分离器之间还设有产物水冷换热器，所述产物水冷换热器与所述热水箱连通。

4.根据权利要求1所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电装置为水热液化罐供电。

5.根据权利要求2所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，所述原料配制后的含水率为80～90％。

6.根据权利要求3所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，热水解罐、水热液化罐均连接有热源，所述热源与热水箱连通。

7.根据权利要求3所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，还包括污泥原料仓，污泥原料仓通过输送泵与预热罐连通。

8.一种两级水热液化余热利用方法工艺，采用权利要求3-7中任一项所述的两级水热液化余热利用系统，其特征在于，包括以下步骤，

S1：原料经预热罐初步预热至65～110℃，之后通过浆料换热器进行二次预热至110～160℃，之后送入热水解罐加热至140～180℃并进行热水解反应，反应压力0.5～1.5MPa；

S2：热水解浆料产物通入闪蒸罐进行降压闪蒸，产生的闪蒸蒸汽送回预热罐作为预热热源，闪蒸浆料经水冷换热器换热冷却后送入固液分离器；

S3：经固液分离器分离产生的热水解废液用于回收利用，固体水热炭被送至混合器，在混合器内加水配制后送入水热液化罐加热至250～350℃并进行水热液化反应，反应压力5～20MPa；

S4：水热液化罐排出的浆料依次经热电换热器、浆料换热器、产物水冷换热器换热冷却后，送至产物分离器内，分离得到生物油。

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