CN116426303A - 高含固有机固废水热炭化添加剂及连续式水热炭化生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高含固有机固废水热炭化添加剂及连续式水热炭化生产设备，属于有机固废处理技术领域，添加剂的组分包括无机酸、甘油和有机酸；连续式水热炭化生产设备包括依次相连的物料存储仓、物料输送器、混合器、水热炭化反应系统、固液分离器和固体缓存仓，在有机固废的输送过程中添加添加剂并混合，混有添加剂的有机固废顺利进入水热炭化反应系统中，反应完成后的物料进入固液分离器中，分离得到的固体产品进入固体缓存仓。本发明通过在高含固有机固废中投入添加剂并混合，提高物料流动性，便于送入水热炭化反应系统，降低物料在传输过程中的管路压力损失，从而大大提高了水热炭化处理有机固废的含固率，提高水热炭化处理能力和处理效率。
Description
技术领域
本发明属于有机固废处理技术领域，尤其涉及一种高含固有机固废水热炭化添加剂及连续式水热炭化生产设备。
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，在反应釜内停留固定时间，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，对进料含水率和流动性要求高，只有较高流动性的物料，热传导效率高，才适合于水热炭化处理，而高含固物料的流动性差，无法泵送并在水热炭化系统中稳定传输，如含固率高于20％的污泥，在水热炭化系统中输送比较困难，阻力较大，而且热传导效率较低，影响反应效率和处理能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种高含固有机固废水热炭化添加剂及连续式水热炭化生产设备，旨在解决现有技术中高含固有机固废不适合连续式水热炭化生产的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种高含固有机固废水热炭化添加剂，所述添加剂的组分包括无机酸、甘油和有机酸，各组分的重量份数配比如下：无机酸100份，甘油0-100份，有机酸0-100份；将以上各组分添加到有机固废中并与其混合。
优选的，所述无机酸为硫酸、硝酸、盐酸中一种或两种以上的混合物。
优选的，所述有机酸为甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种两种以上的混合物。
本发明还提供一种连续式水热炭化生产设备，包括依次相连的物料存储仓、物料输送器、混合器、水热炭化反应系统、固液分离器和固体缓存仓，高含固的有机固废从物料存储仓的出料口排出进入物料输送器、由物料输送器出口进入混合器，将添加剂添加到物料输送器内的有机固废中，添加剂的添加量为：有机固废干物质100份，添加剂5-50份；
混有添加剂的有机固废经混合器混合后从其出料口进入水热炭化反应系统中进行水热炭化反应，反应完成后的物料从水热炭化反应系统的出料口排出进入固液分离器进行固液分离，所述固液分离器分离得到的固体产品进入固体缓存仓存储。
优选的，所述物料输送器为螺旋输送机，所述螺旋输送机的侧壁上设有供添加剂进入的添加口。
优选的，所述混合器包括立式罐体及其内部的搅拌机构和超声振动器，所述搅拌机构的电机设置于罐体的顶部；所述超声振动器为多个，多个超声振动器间隔布置在罐体的四周侧壁上及底部内壁上。
优选的，所述搅拌机构包括电机、搅拌轴和若干个搅拌叶，所述电机的输出轴与搅拌轴的上端相连，若干个搅拌叶自上至下径向布置在搅拌轴上。
优选的，所述超声振动器的超声波频率为20-200kHz，采用两种或两种以上频率，超声波在混合器中的声能密度为0.1-1W/mL。
优选的，所述有机固废的含固率在10-30％。
优选的，所述有机固废为脱水污泥、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，本发明通过在高含固有机固废中投入由无机酸、甘油和有机酸组成的添加剂，将高含固有机固废与添加剂在混合器中充分混合，无机酸和有机酸既能酸化氧化破坏生物细胞结构，同时在水热炭化反应系统中发挥催化剂的作用；甘油有助于提高物料的疏水性和固液分离性，发挥润滑作用，提高物料流动性，便于送入水热炭化反应系统，降低物料在传输过程中的管路压力损失，从而大大提高了水热炭化处理有机固废的含固率，提高水热炭化处理能力和处理效率。
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高含固有机固废水热炭化添加剂生产系统的结构示意图；
图中：1-物料存储仓，2-物料输送器，3-有机酸储罐，4-无机酸储罐，5-甘油罐，6-搅拌机构，7-混合器，8-超声振动器，9-水热炭化反应系统，10-固液分离器，11-固体缓存仓。
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。
本发明提供的一种高含固有机固废水热炭化添加剂，所述添加剂的组分包括无机酸、甘油和有机酸，各组分的重量份数配比如下：无机酸100份，甘油0-100份，有机酸0-100份；将以上各组分添加到有机固废中并与其混合。无机酸和有机酸既能酸化氧化破坏生物细胞结构，同时在水热炭化反应系统中还能够发挥催化剂的作用；甘油有助于提高物料的疏水性和固液分离性，能够发挥润滑作用，提高物料的流动性。
具体制作时，所述无机酸为硫酸、硝酸、盐酸中一种或两种以上的混合物；所述有机酸为甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种两种以上的混合物。
如图1所示，本发明还提供一种连续式水热炭化生产设备，包括依次相连的物料存储仓1、物料输送器2、混合器7、水热炭化反应系统9、固液分离器10和固体缓存仓11，高含固的有机固废从物料存储仓1的出料口排出进入物料输送器2、由物料输送器2出口进入混合器7，将上述添加剂添加到物料输送器2内的有机固废中，添加剂的添加量为：有机固废干物质100份，添加剂5-50份；混有添加剂的有机固废经混合器7混合后从其出料口进入水热炭化反应系统9中进行水热炭化反应，反应完成后的物料从水热炭化反应系统9的出料口排出进入固液分离器10进行固液分离，所述固液分离器10分离得到的固体产品进入固体缓存仓11存储，方便外运处置。凡是应用上述添加剂的连续式水热炭化生产设备均在本发明的保护范围之内。采用该方案能够提高高含固有机固废的流动性，扩大了水热炭化反应系统处理有机固废的含固率范围。
具体设计时，所述物料输送器2为螺旋输送机，所述螺旋输送机的侧壁上设有供添加剂进入的添加口。如图1所示，添加口可设计为三个，无机酸、甘油和有机酸分别从无机酸储罐4、甘油罐5及有机酸储罐3中流出经三个添加口进入螺旋输送机内。由于高含固有机固废的流动性较差，利用螺旋输送机方便将有机固废输送至混合器中，在输送过程中依次添加无机酸、甘油和有机酸，通过在三个添加口安装控制阀门更方便控制添加量。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述混合器7包括立式罐体及其内部的搅拌机构6和超声振动器8，所述搅拌机构6的电机设置于罐体的顶部；所述超声振动器8为多个，多个超声振动器8间隔布置在罐体的四周侧壁上及底部内壁上。其中，所述搅拌机构6包括电机、搅拌轴和若干个搅拌叶，所述电机的输出轴与搅拌轴的上端相连，若干个搅拌叶自上至下径向布置在搅拌轴上。添加剂与有机固废在混合器内在搅拌机构及超声波的协同作用下，实现充分混合。在超声协同搅拌作用下，提高泥水分离性，进而提高物料的流动性，从而使物料容易进入水热炭化反应系统，降低传输过程管路压力损失，并提高传热效率，进而提高反应效率和处理能力。
具体设计时，所述超声振动器的超声波频率为20-200kHz，采用两种或两种以上频率，超声波在混合器中的声能密度为0.1-1W/mL。
本发明中所针对的有机固废的含固率在10-30％，所述有机固废为脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。
鉴于高含固有机固废具有生物量含量高，亲水性和包水性强，流动性差的特点，通过加入上述添加剂混合后，一方面，化学氧化分解协同超声处理破坏物料中的生物细胞结构，释放结合水，提高物料的固液分离性，增加游离水的含量，进而提高物料的流动性，降低物料传输过程管路压力损失。另一方面，经过处理后的物料容易进入水热炭化反应系统，添加剂发挥催化剂的作用，提高反应效率和处理能力，降低反应条件和能耗。本发明能够一站式实现高含固有机固废的减量化、无害化和稳定化，利于资源化，能耗和碳排放低，符合碳达峰、碳中和的绿色低碳发展方向。
以下为几个具体的实施例：
实施例1
水热炭化主系统主要包括加热油炉、反应釜、增压泵、预热系统、冷却回收系统和固液分离系统。反应釜即为水热炭化反应系统，物料经增压泵进入水热炭化反应系统。物料在水热炭化主系统中的传输依次是预热系统-反应釜-冷却回收系统-固液分离系统，加热油炉给水热炭化反应系统供热。
滁州某污水处理厂含水率80％的脱水污泥，在螺旋输送机的螺旋输送过程中加入硫酸，硫酸加入量为10g/100gDS，进入混合器，在混合器中超声波协同作用下充分搅拌混合，超声频率为50Hz和100Hz，声能均为0.1W/mL。污泥的流动性提升，用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
实施例2
滁州某污水处理厂含水率75％的脱水污泥，从存储仓螺旋输送过程中依次加入甘油和硫酸，加入量分别是5g/100gDS和10g/100gDS，进入物料混合器，在混合器中超声波协同作用下充分搅拌混合，超声频率为50Hz和100Hz，声能均为0.2W/mL。污泥的流动性提升，用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
实施例3
滁州某污水处理厂含水率70％的脱水污泥，从存储仓螺旋输送过程中依次加入柠檬酸、甘油和硫酸，加入量分别是5g/100gDS、5g/100gDS和10g/100gDS，进入物料混合器，在混合器中超声波协同作用下充分搅拌混合，超声频率为50Hz和100Hz，声能均为0.3W/mL。污泥的流动性提升，用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
比较例1
滁州某污水处理厂含水率80％的脱水污泥用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
比较例2
滁州某污水处理厂含水率75％的脱水污泥，从存储仓螺旋输送过程中加入硫酸，加入量是10g/100gDS，进入物料混合器，在混合器中充分搅拌混合。污泥的流动性提升，用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
比较例3
滁州某污水处理厂含水率70％的脱水污泥，从存储仓螺旋输送过程中加入硫酸，加入量是10g/100gDS，进入物料混合器，在混合器中超声波协同作用下充分搅拌混合，超声频率为50Hz和100Hz，声能均为0.3W/mL。污泥的流动性提升，用增压泵加压输送进入水热炭化反应系统处理，水热炭化温度180℃，反应时间为3h，停留时间为5小时，处理后的物料经固液分离后测试并外运处置。
对上述实施例及比较例中物料的流动性、以及生物炭饼含水率及单位能耗进行检测，检测结果如下表所示：
表1
备注*：两种超声频率，分别为50kHz和100kHz，声能比为1∶1
备注**：×——流动性差；○——流动性一般；◎——流动性好
备注***：以污泥含水率80％计算
由此可见，本发明提供的添加剂在污泥进入水热炭化反应系统前投加，可以显著提高污泥的流动性，便于污泥进入水热炭化反应系统并传输，提高污泥在水热炭化反应系统中的热交换效率，实施例中污泥从80％降低至70％依然能够很好的在水热炭化反应系统中传输，且在预热系统中热交换充分，确保污泥进入反应釜的温度达到水热炭化反应温度，提高反应效率；而比较例没有采用本发明的添加剂和投加方式，随着污泥含水率的降低，污泥流动性差，难以进入水热炭化反应系统且在水热炭化反应系统中传输阻力大，热交换效率低，导致污泥进入反应釜的温度达不到水热炭化反应温度，反应效率降低，能耗高，水热炭化处理效果差。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的添加剂组分是无机酸、甘油和有机酸，具有生物分解能力强的优点，同时提高物料的疏水性和固液分离性，提高物料的流动性，降低物料传输过程管路压力损失；同时在水热炭化过程成发挥催化剂的作用，提高反应效率和处理能力，降低反应条件和能耗；
2、本发明将化学处理与超声协同处理结合，提高生物细胞的破坏和固液分离性，提高物料的流动性；
3、本发明通过在水热炭化反应系统外部预处理高含固有机固废，提高物料流动性，再连续进入水热炭化反应系统，提高物料热交换效率和系统处理能力，能处理的有机固废最大含固率较传统工艺提高10-15％；
4、本发明反应效率高，缩短物料停留时间，提高了反应釜的利用率和生产能力；
5、本发明能够降低反应条件和能耗，一站式实现高含固有机固废的减量化、稳定化、无害化处置，利于资源化，能耗和碳排放低，符合碳达峰、碳中和的绿色低碳发展方向。
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)
1.一种高含固有机固废水热炭化添加剂，其特征在于：所述添加剂的组分包括无机酸、甘油和有机酸，各组分的重量份数配比如下：无机酸100份，甘油0-100份，有机酸0-100份；将以上各组分添加到有机固废中并与其混合。
2.根据权利要求1所述的高含固有机固废水热炭化添加剂，其特征在于：所述无机酸为硫酸、硝酸、盐酸中一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求2所述的高含固有机固废水热炭化添加剂，其特征在于：所述有机酸为甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸、乳酸中的一种两种以上的混合物。
4.一种连续式水热炭化生产设备，其特征在于：包括依次相连的物料存储仓、物料输送器、混合器、水热炭化反应系统、固液分离器和固体缓存仓，高含固的有机固废从物料存储仓的出料口排出进入物料输送器、由物料输送器出口进入混合器，将如权利要求3所述的添加剂添加到物料输送器内的有机固废中，添加剂的添加量为：有机固废干物质100份，添加剂5-50份；
混有添加剂的有机固废经混合器混合后从其出料口进入水热炭化反应系统中进行水热炭化反应，反应完成后的物料从水热炭化反应系统的出料口排出进入固液分离器进行固液分离，所述固液分离器分离得到的固体产品进入固体缓存仓存储。
5.根据权利要求4所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述物料输送器为螺旋输送机，所述螺旋输送机的侧壁上设有供添加剂进入的添加口。
6.根据权利要求4所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述混合器包括立式罐体及其内部的搅拌机构和超声振动器，所述搅拌机构的电机设置于罐体的顶部；所述超声振动器为多个，多个超声振动器间隔布置在罐体的四周侧壁上及底部内壁上。
7.根据权利要求6所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述搅拌机构包括电机、搅拌轴和若干个搅拌叶，所述电机的输出轴与搅拌轴的上端相连，若干个搅拌叶自上至下径向布置在搅拌轴上。
8.根据权利要求6所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述超声振动器的超声波频率为20-200kHz，采用两种或两种以上频率，超声波在混合器中的声能密度为0.1-1W/mL。
9.根据权利要求4所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述有机固废的含固率在10-30％。
10.根据权利要求4所述的连续式水热炭化生产设备，其特征在于：所述有机固废为脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。
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