CN116147398A - 有机固废水热炭化生产余热分级回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，属于有机固废处理技术领域，包括一级能量回收利用单元和二级能量回收利用单元，在一级能量回收利用单元，采用导热油介质间接热交换回收物料中的高品位热量，返回水热炭化系统；在二级能量回收利用单元，采用水介质间接热交换回收物料中的低品位热量，用于生物炭的干化。本发明采用两级余热回收利用单元分别对高品味热量和低品位热量分别加以回收利用，一级余热回收利用高品味热量并回用于水热炭化系统，降低系统处理能耗；二级余热回收利用低品味热量，用于生物炭的干化，进一步降低生物炭含水率。本发明能够充分利用有机固废水热炭化系统的余热，降低处理能耗和生产成本。

Description

有机固废水热炭化生产余热分级回收方法

技术领域

本发明属于有机固废处理技术领域，尤其涉及一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法。

背景技术

水热炭化(Hydrothermal Carbonization，缩写为HTC)技术是依据1931年诺贝尔化学奖得主--德国化学家柏吉乌斯(Friedrich Bergius)提出的高压化学理论而产生的。该方法模拟了自然界中煤、石油和天然气生成的过程，并将这一在自然界需要数百万年时间的反应过程，通过适当的温度、压力和酸碱度(pH值)条件下数小时内再现。HTC反应是在排除空气和添加催化剂的条件下，温度180-200℃和压力20-35巴，有机材料(如生物废弃物或污泥)在几小时内炭化成HTC生物炭。该方法在含水环境中进行，因此不需要对输入材料进行干燥处理，并且该方法特别适用于富含水的生物有机废弃物和污泥。水热炭化产物脱水后，HTC生物炭含水率低，由于其热值高，可用于燃煤发电厂的气候友好型发电，或作为水泥厂或垃圾焚烧厂的化石燃料的替代品。

水热炭化系统的工业化可以采用间歇式生产也可以采用连续式生产，间隙式生产是分批将物料送入反应釜，密闭环境中加热，在固定的温度和压力下物料发生水热炭化反应，达到反应时间后冷却，排出反应产物，再进行下一批次处理，如此循环。连续式生产是物料连续进入反应系统，在反应器内停留固定时间，再连续排出。间歇式生产由于效率低，一般仅用于研究和小规模生产应用，不被工业大规模生产采用；连续式生产适合于工业大规模生产应用。目前连续水热炭化生产案例不多，主要在于工艺复杂，热回收效率不高，尤其是低品味余热回收利用效率不高，导致水热炭化能耗较高，处理成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，旨在解决现有技术中连续水热炭化生产存在工艺复杂，热回收效率低，能耗较高，处理成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，包括一级能量回收利用单元和二级能量回收利用单元，

在一级能量回收利用单元，采用导热油介质间接热交换回收物料中的高品位热量，返回水热炭化系统；在二级能量回收利用单元，采用水介质间接热交换回收物料中的低品位热量，用于生物炭的干化。

优选的，所述一级能量回收利用单元包括水热炭化系统和导热油热交换器，所述水热炭化系统内的物料传输至导热油热交换器冷却降温，物料从高温传输至低温；导热油作为热交换介质，在导热油热交换器中导热油的传输方向与物料传输方向相反，通过导热油降低物料温度来回收热量，导热油从低温传输至高温，再返回水热炭化系统，循环使用。

优选的，所述水热炭化系统包括物料存储仓、增压进料泵、前端预热管和带有搅拌器的反应釜，所述物料存储仓内的有机固废通过增压进料泵输送至前端预热管内进行预热，预热后的物料再进入反应釜内进行水热炭化反应。

优选的，所述二级能量回收利用单元包括水槽、水泵、水热交换器、生物炭浆储存罐、固液分离器、生物炭饼破碎机、干燥器和干燥物料储存仓，所述导热油热交换器排出的生物炭浆进入水热交换器内，再经泄压出料泵排至生物炭浆缓存罐，然后进入固液分离器固液分离，分离出的生物炭饼进入生物炭饼破碎机破碎，破碎后的生物炭进入干燥器内蒸发水分，干燥后的物料进入干燥物料储存仓；

生物炭浆从一级能量回收利用单元冷却后传输至水热交换器进一步冷却，水作为热交换介质从水槽内通过水泵输送至水热交换器，在水热交换器内水与生物炭浆的传输方向相反，水回收热量后作为供热介质输送至干燥器中，在干燥器中供热介质水的传输方向与物料的传输方向一致，最后干燥器输出的介质水又返回水槽，循环使用；所述干燥器采用真空泵抽真空，排出蒸气水。

优选的，所述一级能量回收利用单元的导热油热交换器中导热油的输入温度是60-100℃，输出温度是140-190℃；生物炭浆的输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃。

优选的，所述的二级能量回收利用单元的水热交换器中水的输入温度是20-40℃，输出温度是60-100℃；生物炭浆的输入温度是80-120℃，输出温度是20-40℃；所述干燥器的热交换夹套中水介质的输入温度是60-100℃，破碎生物炭的输入温度是20-40℃。

优选的，所述干燥器的工作压力为10-50kPa。

优选的，所述固液分离器分离得到的生物炭饼含水率为20-40％，所述干燥器输出物料的含水率5-15％。

优选的，所述生物炭饼经生物炭饼破碎机破碎后的粒径为0.01-1cm。

优选的，所述有机固废是指脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明采用两级余热回收利用单元分别对高品味热量和低品位热量分别加以回收利用，一级余热的回收利用是高品味热量回收，采用导热油回收直接回用于水热炭化系统，对水热炭化反应补充热量，降低系统处理能耗；二级余热的回收利用是采用水回收低品味热量，用于生物炭的干化，进一步降低生物炭含水率。本发明能够充分利用有机固废水热炭化系统的余热，降低处理能耗和生产成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中一级能量回收利用单元和二级能量回收利用单元的结构示意图；

图3本发明实施例中的水热炭化系统的结构示意图；

图中：1—物料存储仓；2—增压进料泵；3—前端预热管；4—反应釜；5—搅拌器；6—导热油热交换器；7—水热交换器；8—水槽；9—水泵；10—生物炭浆；11—泄压出料泵；12—生物炭浆缓存罐；13—固液分离器；14—生物炭饼破碎机；15—干燥器；16—热交换夹套；17—真空泵；18—干燥物料储存仓；19—水热炭化系统；20—一级余热回收利用单元；21—二级余热回收利用单元。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做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。

参见图1，本发明提供的一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，包括一级能量回收利用单元20和二级能量回收利用单元21，

在一级能量回收利用单元20，采用导热油介质间接热交换回收物料中的高品位热量，返回水热炭化系统19；在二级能量回收利用单元21，采用水介质间接热交换回收物料中的低品位热量，用于生物炭的干化。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述一级能量回收利用单元20包括水热炭化系统19和导热油热交换器6，所述水热炭化系统19内的物料传输至导热油热交换器6冷却降温，物料从高温传输至低温；导热油作为热交换介质，在导热油热交换器6中导热油的传输方向与物料传输方向相反，通过导热油降低物料温度来回收热量，导热油从低温传输至高温，再返回水热炭化系统19，循环使用。

如图3所示，所述水热炭化系统19包括物料存储仓1、增压进料泵2、前端预热管3和带有搅拌器5的反应釜4，所述物料存储仓1内的有机固废通过增压进料泵2输送至前端预热管3内进行预热，预热后的物料再进入反应釜4内进行水热炭化反应，能够降低能耗，提高水热炭化系统的反应效率。其中，反应釜的外部设有导热油加热套，导热油加热器通过导热油泵与导热油加热套相连，用于对反应釜加热；所述导热油热交换器的导热油通过导热油管与导热油加热套连通，对反应釜补充热量。有机固废在水热炭化系统中进行水热炭化反应，实现有机质在高温高压环境下发生湿式炭化反应，模拟自然界中煤的生成过程，数小时反应即可将有机质转变为生物炭。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述二级能量回收利用单元21包括水槽8、水泵9、水热交换器7、生物炭浆储存罐12、固液分离器13、生物炭饼破碎机14、干燥器15和干燥物料储存仓18，所述导热油热交换器6排出的生物炭浆进入水热交换器7内，再经泄压出料泵11排至生物炭浆缓存罐12，然后进入固液分离器13固液分离，分离出的生物炭饼进入生物炭饼破碎机14破碎，破碎后的生物炭进入干燥器15内蒸发水分，干燥后的物料进入干燥物料储存仓18。热量传输过程如图1所示，水介质和物料的传输过程如下：

生物炭浆从一级能量回收利用单元20冷却后传输至水热交换器7进一步冷却，水作为热交换介质从水槽8内通过水泵9输送至水热交换器7，在水热交换器7内水与生物炭浆的传输方向相反，水回收热量后作为供热介质输送至干燥器15中，在干燥器15中供热介质水的传输方向与物料的传输方向一致，最后干燥器15输出的介质水又返回水槽8，循环使用；所述干燥器15采用真空泵17抽真空，排出蒸气水。其中，干燥器的外部设有热交换夹套16，从水热交换器7输出的水介质流经热交换夹套16与内部物料进行热交换，实现物料的干燥。

由于生物炭的热值随着含水率降低而提高，所以进一步降低含水率是提高生物炭热值的有效途径。而有机固废与水的作用力较大，水分的存在形式较为复杂，以市政污泥为例，有结合水、机械结合水和自由。对于含水率低于40％的污泥，水分主要以结合水形式存在，水分子不易逸散。目前，热干化蒸发污泥水分需要的能量有4类：水分子克服化学键所需要的能量，水分子克服与污泥絮体的分子间物理作用力所需要的能量，水分子克服毛细作用力所需要的能量和水分相变所需要的能量。相比HTC生物炭与水的作用力较小，水分的存在形式较为简单，水分子逸散比较容易。所以热干化生物炭中的水分较有机固废中的水分容易去除，去除相同的水分，生物炭消耗的能量显著降低。

在本发明的一个具体实施例中，所述一级能量回收利用单元20的导热油热交换器6中导热油的输入温度是60-100℃，输出温度是140-190℃；导热油热交换器6中的物料为生物炭浆，生物炭浆的输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃；所述的二级能量回收利用单元21的水热交换器7中水的输入温度是20-40℃，输出温度是60-100℃；同样，水热交换器7中的物料为生物炭浆，生物炭浆的输入温度是80-120℃，输出温度是20-40℃；所述干燥器15的热交换夹套16中水介质的输入温度是60-100℃，破碎生物炭的输入温度是20-40℃。同时，所述干燥器15的工作压力为10-50kPa。

经上述处理后，所述固液分离器13分离得到的生物炭饼含水率为20-40％，生物炭饼经生物炭饼破碎机破碎后的粒径为0.01-1cm，进入干燥器15真空干燥，输出的干燥物料含水率5-15％，可根据实际需要将生物炭含水率降至10％以下。

本发明所处理的有机固废是指脱水污泥、植物秸秆、畜禽粪污等。

综上所述，本发明针对水热炭化反应余热回收利用，尤其是低品位热量的回收利用，结合HTC生物炭水分子容易逸散的特点，将低品位热量用于HTC生物炭的低温真空干化，进一步降低生物炭的含水率，提高热值；高品位热量直接回收用于水热炭化反应系统，减少水热炭化系统补充能耗。本发明能够一站式实现有机固废的减量化、无害化和稳定化，利于资源化，能耗和碳排放低。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：包括一级能量回收利用单元和二级能量回收利用单元，

在一级能量回收利用单元，采用导热油介质间接热交换回收物料中的高品位热量，返回水热炭化系统；在二级能量回收利用单元，采用水介质间接热交换回收物料中的低品位热量，用于生物炭的干化。

2.根据权利要求1所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述一级能量回收利用单元包括水热炭化系统和导热油热交换器，所述水热炭化系统内的物料传输至导热油热交换器冷却降温，物料从高温传输至低温；导热油作为热交换介质，在导热油热交换器中导热油的传输方向与物料传输方向相反，通过导热油降低物料温度来回收热量，导热油从低温传输至高温，再返回水热炭化系统，循环使用。

3.根据权利要求2所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述水热炭化系统包括物料存储仓、增压进料泵、前端预热管和带有搅拌器的反应釜，所述物料存储仓内的有机固废通过增压进料泵输送至前端预热管内进行预热，预热后的物料再进入反应釜内进行水热炭化反应。

4.根据权利要求3所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述二级能量回收利用单元包括水槽、水泵、水热交换器、生物炭浆储存罐、固液分离器、生物炭饼破碎机、干燥器和干燥物料储存仓，所述导热油热交换器排出的生物炭浆进入水热交换器内，再经泄压出料泵排至生物炭浆缓存罐，然后进入固液分离器固液分离，分离出的生物炭饼进入生物炭饼破碎机破碎，破碎后的生物炭进入干燥器内蒸发水分，干燥后的物料进入干燥物料储存仓；

生物炭浆从一级能量回收利用单元冷却后传输至水热交换器进一步冷却，水作为热交换介质从水槽内通过水泵输送至水热交换器，在水热交换器内水与生物炭浆的传输方向相反，水回收热量后作为供热介质输送至干燥器中，在干燥器中供热介质水的传输方向与物料的传输方向一致，最后干燥器输出的介质水又返回水槽，循环使用；所述干燥器采用真空泵抽真空，排出蒸气水。

5.根据权利要求4所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述一级能量回收利用单元的导热油热交换器中导热油的输入温度是60-100℃，输出温度是140-190℃；生物炭浆的输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃。

6.根据权利要求5所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述的二级能量回收利用单元的水热交换器中水的输入温度是20-40℃，输出温度是60-100℃；生物炭浆的输入温度是80-120℃，输出温度是20-40℃；所述干燥器的热交换夹套中水介质的输入温度是60-100℃，破碎生物炭的输入温度是20-40℃。

7.根据权利要求4所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述干燥器的工作压力为10-50kPa。

8.根据权利要求4所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述固液分离器分离得到的生物炭饼含水率为20-40％，所述干燥器输出物料的含水率5-15％。

9.根据权利要求4所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述生物炭饼经生物炭饼破碎机破碎后的粒径为0.01-1cm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的有机固废水热炭化生产余热分级回收方法，其特征在于：所述有机固废是指脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。

Images