CN116987519A - 一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质资源化利用领域，公开了一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置及方法，该装置包括进料系统、反应系统和产物收集分离系统，进料系统包括顺次连接的传送带和储料罐；反应系统包括并联设置的至少两个水热反应器；产物收集分离系统包括顺次连接的闪蒸罐、固液分离罐、液体收集罐和生物炭收集罐。储料罐用于在水热反应器的反应产物排出到闪蒸罐后添加物料到水热反应器中，液体收集罐用于将液体添加到储料罐中并与储料罐中物料混合。本发明通过多个水热反应釜并联，并将水热碳化后的气液回用到水热反应器中，水热反应器进行间歇式反应，既可以实现常压进料，提高进料效率，也可以提高系统的能量回收利用率。

Description

一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置及方法

技术领域

本发明涉及生物质资源化利用领域，具体涉及一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置及方法。

背景技术

水热碳化是一种可以将生物质转化为生物炭的热化学转化技术，它以水作为反应溶剂，在一定的温度(180-260℃)和压力(1-5MPa)下进行，生物质在水热碳化过程中经过水解、脱水、脱羧等一系列复杂的化学反应，转化为多功能的碳基材料(生物炭)，其能量密度接近于泥炭和褐煤，可作为复合固体燃料直接燃用，也用作吸附剂、土壤改良剂等。

传统的水热炭化装置多为间歇式反应，存在能耗高、生产效率低等问题。申请号为CN202110931889.5文件公开了一种生物质连续水热炭化系统，申请号为CN202210172576.0文件公开了一种连续式水热炭化方法，上述文件中的反应釜都是进行连续反应，反应釜气压一直维持在较高的数值，这样在进料时需要加压才能将物料加入到反应釜中，导致进料效率比较低。

发明内容

本发明意在提供一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置及方法，以解决目前水热制备生物炭的装置进料效率较低的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置，包括进料系统、反应系统和产物收集分离系统，所述反应系统包括并联设置的至少两个水热反应器，所述产物收集分离系统包括顺次连接的闪蒸罐、固液分离罐、液体收集罐和生物炭收集罐；所述水热反应器与闪蒸罐连接，所述进料系统包括顺次连接的传送带和储料罐，所述储料罐与水热反应器连接，所述储料罐用于在水热反应器的反应产物排出到闪蒸罐后添加物料到水热反应器中，所述液体收集罐用于将液体添加到储料罐中并与储料罐中物料混合。

优选的，作为一种改进，所述水热反应器上设有排料阀、排气阀和泄压阀，所述排料阀设置在水热反应器的底部，所述排气阀与泄压阀均设置在水热反应器的顶部。水热反应器中生成的生物炭会与其中的液体分层，生物炭位于液体的下方，将排料阀设置在水热反应器的底部，先排出固体，再排出液体，可以方便将固体物质排入到闪蒸罐中，并且在水热反应器中预留的部分蒸汽压力对于液体的推动作用下对排料阀进行冲洗，避免生物炭颗粒堵塞排料阀影响到水热反应器的密闭性。

优选的，作为一种改进，还包括储压罐，所述储压罐与水热反应器的排气阀连通，所述储压罐与储料罐连通，所述储压罐与液体收集罐连通。将部分水热反应器泄压的气体收集到储压罐中，利用这部分气体对储料罐和液体收集罐进行加压，方便将储压罐中物料添加到水热反应器中，同时方便将液体收集罐中液体压入到储料罐中，节约能源，加快进料速度。

优选的，作为一种改进，所述水热反应器的排气阀还设有连接另一水热反应器的蒸汽管道，相邻所述水热反应器同一时间段分别进行进料和排料。直接利用相邻的水热反应器泄压的压力对当前水热反应器进行加压进料，对泄压的压力进行利用，节约能源，提高当前水热反应器的进料速度。

优选的，作为一种改进，还包括进料泵和进液泵，所述进料泵用于将储料罐中物料添加到水热反应器中，所述进液泵用于将液体收集罐中液体加入到储料罐中。

优选的，作为一种改进，所述闪蒸罐中的部分蒸汽加入到水热反应器中，将能量通过蒸汽形式回收利用，节约水热反应器的能耗，优选的方式是水热反应器先接收闪蒸罐的蒸汽，再接收另一水热反应器的蒸汽。

为了达到上述目的，本方案还提供了一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：开启进料系统，使物料进入到水热反应器中，所述水热反应器包括第一水热反应器和第二水热反应器；

步骤2：开启第一水热反应器的加热装置和第二水热反应器的加热装置，将第一水热反应器和第二水反应器均加热到180-260℃后保温10-240min；

步骤3：将第一水热反应器中的产物排出到闪蒸罐中，产物排出后关闭第一水热反应器的排料阀门，然后进料系统添加物料到第一水热反应器中；将闪蒸罐中蒸汽排出，闪蒸罐中的其余产物排入到固液分离罐；所述固液分离罐中液体排入到液体收集罐中，之后与进料系统中物料混合进入到水热反应器利用，所述固液分离罐中固体进入到生物炭收集罐中；最后开启第一水热反应器的加热装置，将第一水热反应器加热到180-260℃后保温10-240min；

步骤4：将第二水热反应器中的产物排出到闪蒸罐中，产物排出后关闭第二水热反应器的排料阀门，然后进料系统添加物料到第二水热反应器中；将闪蒸罐中蒸汽排出，闪蒸罐中的其余产物排入到固液分离罐；所述固液分离罐中液体排入到液体收集罐中，之后与进料系统中物料混合进入到水热反应器利用，所述固液分离罐中固体进入到生物炭收集罐中；最后开启第二水热反应器的加热装置，将第二水热反应器加热到180-260℃后保温10-240min，重复步骤3和此步骤。

优选的，作为一种改进，在将所述闪蒸罐中的产物排入固液分离罐前，先将所述闪蒸罐中的部分蒸汽排入对应的水热反应器中，以对闪蒸罐中的部分蒸汽进行回收，剩余的部分蒸汽可以方便其推动固液混合物排出闪蒸罐，并完成对阀门的清洗。

优选的，作为一种改进，在第一或第二水热反应器中的产物排出到闪蒸罐前，先将第一或第二水热反应器中的蒸汽排入储压罐，所述储压罐与储料罐和液体收集罐分别连通，回收到储压罐中的蒸汽，可以供给液体收集罐和出料管使用，方便在压差作用下低能耗的移动物料。

优选的，作为一种改进，相邻所述水热反应器同一时间段分别进行进料和排料，这样需要排料的水热反应器可以将蒸汽部分供应给进料后的另一个水热反应器。

本方案优点：本方案先将水热反应中的产物排出到闪蒸罐后再添加物料到水热反应器中，进行间歇式反应，减少水热反应器中的压强，并在进料系统作用下实现常压进料，提高进料效率，减少资源消耗；同时解决因传统反应釜持续高压带来的安全隐患，提高了安全性；将闪蒸罐中气体回流到水热反应器中，提高系统的能量回收率；通过设置多个水热反应器，增加整个生物炭制备连续性，实现生物质自动化连续水热转化制备生物炭；将排料阀设置在水热反应器底部，利用水热反应器中固体和液体的分层和预留蒸汽，通过蒸汽推动液体对排料阀进行清理，避免排料阀堵塞影响到水热反应器的密闭性；回收利用水热反应器排出的高压气体，可对储料罐和液体收集罐进行加压，加快进料速度和进行能源回收利用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：传送带1、储料罐2、进料泵3、第一水热反应器4、气体管线5、闪蒸罐6、固液分离罐7、液体收集罐8、第二水热反应器9、生物炭收集罐10。

实施例1：

一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置，如附图1所示，包括进料系统、反应系统和产物收集分离系统。

其中，进料系统包括顺次连接的传送带1、储料罐2和进料泵3。其中储料罐2带有搅拌桨、液位和温度显示，信号可以远传，配有蒸汽入口和出口。储料罐2和预加热罐为圆柱体，高径比为5:2。

反应系统包括并联设置的至少两个水热反应器，本实施例中主要包括：第一水热反应器4和第二水热反应器9。水热反应器带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、泄压阀、排气阀、蒸汽入口和出口。水热反应器为圆柱体，高径比为3:1。

产物收集分离系统包括闪蒸罐6、固液分离罐7、液体收集罐8和生物炭收集罐10。闪蒸罐6带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、泄压阀、排气阀、蒸汽出口。

水热反应器与闪蒸罐6连接，储料罐2与水热反应器连接。

闪蒸罐6中产生的蒸汽可以进入到水热反应器中，本实施例中具体设置了气体管线5将闪蒸罐6中蒸汽排入到水热反应器中，闪蒸罐6通过气体管线5与每一个水热反应器连接。

还包括进料泵3和进液泵，进料泵3用于将储料罐2中物料添加到水热反应器中，进液泵用于将液体收集罐8中液体加入到储料罐2中。

水热反应器上设有排料阀、排气阀和泄压阀，排料阀设置在水热反应器的底部，可以方便将固体物质排入到闪蒸罐6中，排气阀与泄压阀均设置在水热反应器的顶部。水热反应器中生成的生物炭会与其中的液体分层，生物炭位于液体的下方，将排料阀设置在水热反应器的底部，在预留的部分蒸汽的推动下，先排出固液混合物，再排出液体，并且在液体冲击作用下对排料阀进行冲洗，避免排料阀堵塞影响到水热反应器的密闭性。

储料罐2用于在水热反应器的反应产物排出到闪蒸罐6后，添加物料到水热反应器中，通过将水热反应中的产物排出到闪蒸罐6后再添加物料到水热反应器中，进行间歇式反应，减少水热反应器中的压强，并在进料系统作用下实现常压进料，提高进料效率，减少资源消耗；通过设置多个水热反应器，增加整个生物炭制备连续性，实现生物质自动化连续水热转化制备生物炭；同时解决因传统反应釜持续高压带来的安全隐患，提高了安全性。

液体收集罐8用于将液体添加到储料罐2中并与储料罐2中物料混合。通过这部分液体对物料进行预热，加快水热反应器中反应进行，同时进行能源回收利用，节约能源。

还包括储压罐，储压罐与水热反应器的排气阀连通，储压罐与储料罐2连通，储压罐与液体收集罐8连通，通过将水热反应器泄压的部分蒸汽收集到储压罐中，利用这部分蒸汽对储压罐和液体收集罐8进行加压，方便将液体收集罐8中液体添加到储料罐2中，也方便将储料罐中物料添加到水热反应器中，节约能源，加快进料速度。

本实施例中还可通过相邻所述水热反应器同一时间段分别进行进料和排料。直接利用相邻的水热反应器泄压的压力对当前水热反应器进行加压，对泄压的压力进行利用，节约能源。

本实施例中，在装置运行前先通过传送带1在储料罐2里加上生物质，调节其含水率并开启搅拌。

需要指出的是本申请中排气阀和泄压阀都是为了排出蒸汽泄压，区别在于排气阀连接管道回收蒸汽，泄压阀排出的蒸汽通常不再回收。

为了达到上述目的，本方案还提供了一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：开启进料泵3，将物料分别打入第一水热反应器4和第二水热反应器9；

步骤2：开启第一水热反应器4的加热装置，将第一水热反应器4加热到180-260℃后保温10-240min；开启第二水热反应器9的加热装置，将第二水热反应器9加热到180-260℃后保温10-240min；

步骤3：将第一水热反应器4中的产物排入闪蒸罐6，产物排出后关闭第一水热反应器4的排料阀门，开启进料泵3，将物料打入第一水热反应器4，将闪蒸罐6中的部分蒸汽排入第一水热反应器4，闪蒸罐6中的其余产物在蒸汽压力作用下排入固液分离罐7，固液分离罐7中的热液体排入液体收集罐8，之后进入储料罐2与物料混合，固液分离罐7中的固体进入生物炭收集罐10；开启第一水热反应器4的加热装置，将第一水热反应器4加热到180-260℃后保温10-240min。

步骤4：将第二水热反应器9中的产物排入闪蒸罐6，产物排出后关闭第二水热反应器9的排料阀门，开启进料泵3，将物料打入第二水热反应器9；闪蒸罐6中的部分蒸汽重新进入第二水热反应器9，闪蒸罐6中的其余产物排入固液分离罐7，固液分离罐7中的热液体排入液体收集罐8，之后进入储料罐2与物料混合，固液分离罐7中的固体进入生物炭收集罐10。开启第二水热反应器9的加热装置，将第二水热反应器9加热到180-260℃后保温10-240min；如此循环往复，以错开第一水热反应器4和第二水热反应器9的进料和出料时间。

在第一或第二水热反应器中的产物排出到闪蒸罐6前，先将第一或第二水热反应器中的蒸汽排入储压罐，同时相邻水热反应器优选同一时间段分别进行进料和排料，这样需要排料的水热反应器可以先将蒸汽部分供应给进料后的另一个水热反应器。

采用本发明的生物质连续水热转化制备生物炭的装置对秸秆进行转化。其中，秸秆的含水率为99％，水热反应器的温度为260℃，保温时间10min，基于原料干基计算，所得生物炭产率为42％。

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例的生物质连续水热转化制备生物炭的装置对木屑进行转化。其中，木屑的含水率为60％，水热反应器的温度为180℃，保温时间240min，基于原料干基计算，生物炭产率为50％。

实施例3：

本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例的生物质连续水热转化制备生物炭的装置对牛粪进行转化。其中，牛粪的含水率为75％，水解反应器的温度为230℃，保温时间60min，基于原料干基计算，所得生物炭的产率为58％。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种生物质连续水热转化制备生物炭的装置，其特征在于，包括进料系统、反应系统和产物收集分离系统，所述反应系统包括并联设置的至少两个水热反应器，所述产物收集分离系统包括顺次连接的闪蒸罐、固液分离罐、液体收集罐和生物炭收集罐；所述水热反应器与闪蒸罐连接，所述进料系统包括顺次连接的传送带和储料罐，所述储料罐与水热反应器连接，所述储料罐用于在水热反应器的反应产物排出到闪蒸罐后添加物料到水热反应器中，所述液体收集罐用于将液体添加到储料罐中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述水热反应器上设有排料阀、排气阀和泄压阀，所述排料阀设置在水热反应器的底部，所述排气阀与泄压阀均设置在水热反应器的顶部。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括储压罐，所述储压罐与水热反应器的排气阀连通，所述储压罐与储料罐、液体收集罐分别连通。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述水热反应器的排气阀还设有连接另一水热反应器的蒸汽管道。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于：还包括进料泵和进液泵，所述进料泵用于将储料罐中物料添加到水热反应器中，所述进液泵用于将液体收集罐中液体加入到储料罐中。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述闪蒸罐中的部分蒸汽加入到水热反应器中。

7.根据权利要求1所述装置制备生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启进料系统，使物料进入到水热反应器中，所述水热反应器包括第一水热反应器和第二水热反应器；

步骤2：开启第一水热反应器的加热装置和第二水热反应器的加热装置，将第一水热反应器和第二水反应器均加热到180-260℃后保温10-240min；

步骤3：将第一水热反应器中的产物排出到闪蒸罐中，产物排出后关闭第一水热反应器排料阀门，然后进料系统添加物料到第一水热反应器中；将闪蒸罐中蒸汽排出，闪蒸罐中的其余产物排入到固液分离罐；所述固液分离罐中液体排入到液体收集罐中，之后与进料系统中物料混合以进入到水热反应器利用，所述固液分离罐中固体进入到生物炭收集罐中；最后开启第一水热反应器的加热装置，将第一水热反应器加热到180-260℃后保温10-240min；

步骤4：将第二水热反应器中的产物排出到闪蒸罐中，产物排出后关闭第二水热反应器排料阀门，然后进料系统添加物料到第二水热反应器中；将闪蒸罐中蒸汽排出，闪蒸罐中的其余产物排入到固液分离罐；所述固液分离罐中液体排入到液体收集罐中，之后与进料系统中物料混合以进入到水热反应器利用，所述固液分离罐中固体进入到生物炭收集罐中，最后开启第二水热反应器的加热装置，将第二水热反应器加热到180-260℃后保温10-240min，重复步骤3和此步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在将所述闪蒸罐中的产物排入固液分离罐前，先将所述闪蒸罐中的部分蒸汽排入对应的水热反应器中。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述水热反应器的排气阀与储料罐连通，在第一或第二水热反应器中的产物排出到闪蒸罐前，先将第一或第二水热反应器中的蒸汽排入储压罐，所述储压罐与储料罐和液体收集罐分别连通。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：相邻所述水热反应器同一时间分别进行进料和排料。