CN210796366U - 蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置 - Google Patents

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孙淑雲
杨帆
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Abstract

本实用新型涉及一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，所述装置包括碱添加剂贮存罐、蓝藻废弃生物质原料池、高压柱塞泵、第一预热器、超临界水气化反应器、换热器、气液分离器、旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器以及浓氨水储存罐，所述碱添加剂贮存罐位于蓝藻废弃生物质原料池的上方，用于添加碱添加剂，所述蓝藻废弃生物质原料池与第一预热器之间设置有高压柱塞泵，流体从第一预热器流出后依次经过换热器、气液分离器，流体从气液分离器的底部依次进入旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器，最后到达浓氨水储存罐实现了蓝藻废弃生物质的无害化处置和资源化利用。

Description

蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置
技术领域
本实用新型具体涉及一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，属于有机废弃物处理与资源化利用领域。
背景技术
蓝藻水华是我国分布最广、危害最大的水华暴发类型，为了避免引起的水质和生态的持续恶化，打捞成为富营养化湖泊日常管护的重要措施，蓝藻废弃生物质随之产生。水体富营养化诱导了水华形成，其常态化暴发产生了大量难处理的蓝藻废弃生物质。蓝藻废弃生物质含水率高达90~98%，有机质、氮磷含量丰富，含有藻毒素成分。仅太湖2010年的微囊藻生物质打捞量就达到了67万吨，折算氮源为2200吨、磷源120吨；伴随打捞工作的日常化，总体量呈现持续增长的态势。
目前，蓝藻废弃生物质常用的处理工艺为填埋和厌氧发酵等，其处理效果均不同程度受制于水分难以脱出、氮磷含量丰富、含有藻毒素成分等特点，大部分被随意弃置于湖岸低洼区形成陈藻，不仅散发恶臭，藻体死亡腐烂后磷、藻毒素等污染物质急剧释放进入自然水体，极易引发二次污染，使得湖泊水华蓝藻持续性爆发。目前尚没有合理有效的处理处置方法。
超临界水气化技术是利用水在超临界条件下（T>374.15℃，P＞22.12MPa）独特的理化性质，在部分氧参与条件下，有机物在均相超临界水环境下发生气化反应，生成以H2、CH4、CO等为主要成分的富氢气体。该技术在市政污泥、高浓度有机废水、生物质等方向的应用已见大量报道，被认为是未来可替代焚烧技术的废弃物/废水处理处置新技术。蓝藻废弃生物质有机质含量高，盐分含量低，具备通过超临界水气化技术实现资源化利用的潜质。
利用微囊藻生物质中难以脱除的水分在高温高压条件下形成超临界水环境，实现有机物与氧化剂的任意比例互溶，利用其高溶解能力和强氧化性，在促进剂的协同作用下快速分解有机物成分，产生氢气、生物柴油等可利用能源。超临界水气化技术应用于高含水率的微囊藻生物质，恰恰能够利用其中不易脱除的水分形成反应媒介，避免脱水过程产生的巨大能耗，转化为突出的技术优势。
此外，蓝藻废弃生物质中含有高浓度的有机氮和有机磷。有机氮经超临界水气化反应转化为具有热不稳定性的氨氮，主要富集在液相产物中，可利用超临界水气化工艺降温减压阶段的余热进行蒸氨回收；有机磷经超临界水气化反应后，大部分磷元素以与钙离子结合的稳定形态赋存于固相残留。一方面实现有效回收具有经济效益的氨，另一方面稳定了大量赋存的磷元素，进而实现富营养化水体氮磷污染负荷的有效削减。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
实用新型内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的方法，该方案结合蓝藻废弃生物质水分难以脱出、富含氮磷元素、含有藻毒素等特点，克服现有技术的不足，有效解决了废弃生物质，保护了环境。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将蓝藻废弃生物质与一定量的碱添加剂混合均匀，使pH为9.0~11.5；
（2）调节后蓝藻废弃生物质经高压柱塞泵输送至第一预热器，升温至150~350oC；
（3）预热后流体进入超临界水气化反应器，反应温度为370~600oC，压力为22.0~30.0MPa；
（4）超临界水气化反应基本完全达到一定停留时间后，将由氧压缩泵引入超临界水气化反应器后半程；
（5）超临界水气化反应器流出流体依次经过换热器、减压阀进入气液分离器；气液分离器顶部流体进入燃气收集罐，底部流体进入旋流分离器，液固分离后获得固相残留，上部流体进入蒸氨器，冷凝收缩后形成浓氨水贮存，剩余液相产物作为液态肥料使用或达标后直接排放。
作为本发明的一种改进，所述蓝藻废弃生物质为打捞的新鲜蓝藻藻液、藻水分离站藻泥及弃置于护岸周边的陈藻中的一种或者多种混合物；所述的碱式添加剂为固体Ca(OH)2。
作为本发明的一种改进，所述超临界水气化反应器为连续流管式反应釜，加热方式为反应所获取的富氢气体燃烧加热。
作为本发明的一种改进，在执行步骤（4）的同时，引入的氧量小于超临界水气化反应器内有机物完全氧化所需理论需氧量，且使得反应产物中的多环芳烃合成受到抑制。
作为本发明的一种改进，所述回收氮元素的方法通过超临界水气化反应改变氮元素赋存形态，分离液相产物后利用不易收集的余热，实现氨氮蒸脱。
作为本发明的一种改进，所述引入超临界水气化反应器中的氧为液氧、气态氧或者双氧水。
一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，所述装置包括碱添加剂贮存罐、蓝藻废弃生物质原料池、高压柱塞泵、第一预热器、超临界水气化反应器、换热器、气液分离器、旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器以及浓氨水储存罐，所述碱添加剂贮存罐位于蓝藻废弃生物质原料池的上方，用于添加碱添加剂，所述蓝藻废弃生物质原料池与第一预热器之间设置有高压柱塞泵，流体从第一预热器流出后依次经过换热器、气液分离器，流体从气液分离器的底部依次进入旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器，最后到达浓氨水储存罐。
作为本发明的一种改进，所述装置还包括氧压缩泵和氧贮存罐，所述氧贮存罐通过管道连接氧压缩泵，连接至超临界水气化反应器的中间位置。
作为本发明的一种改进，所述装置还包括气体收集罐，所述气体收集罐连接在气液分离器的顶部。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1）在蓝藻废弃生物质进入超临界水气化反应器前，掺入不提高含水率的固体Ca(OH)2添加剂，一方面可以提供促进水气转化反应、产出更高质量富氢气体所需的OH-，另一方面，为稳定磷元素提供形成钙结合形态磷所需的Ca2+；2）
有机氮经超临界水气化反应后，以氨氮形态赋存与液相产物，利用降温过程中的余热即可实现氨氮的蒸出，不需要额外的热处理措施介入；3）将氧的反应参与调节至超临界水气化反应后半段，大大降低了工艺的需氧量；同时，在不影响富氢气体质量的基础上，实现了酚类、多环芳烃类物质的合成抑制；4）该方法最大化地实现了废弃生物质的资源化利用，获取了具有经济效益的氢气和氨；同时，有效解决了废弃生物质的无害化处理，充分快速分解了有机物和藻毒素成分，稳定了磷元素；避免了自然环境下蓝藻废弃物生物质及其产物中污染负荷的急剧释放。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图1中：1、碱添加剂贮存罐，2、蓝藻废弃生物质原料池，3、高压柱塞泵4、预热器，5、超临界水气化反应器，6、换热器，7、气液分离器，8、旋流分离器，9、蒸氨器，10、分缩冷凝器，11、浓氨水储存罐，12、氧压缩泵，13、氧贮存罐，14、富氢气体收集罐。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将蓝藻废弃生物质与一定量的碱添加剂混合均匀，使pH为9.0~11.5；
（2）调节后蓝藻废弃生物质经高压柱塞泵输送至第一预热器，升温至150~350oC；
（3）预热后流体进入超临界水气化反应器，反应温度为370~600oC，压力为22.0~30.0MPa；
（4）超临界水气化反应基本完全达到一定停留时间后，将由氧压缩泵引入超临界水气化反应器后半程；
（5）超临界水气化反应器流出流体依次经过换热器、减压阀进入气液分离器；气液分离器顶部流体进入燃气收集罐，底部流体进入旋流分离器，液固分离后获得固相残留，上部流体进入蒸氨器，冷凝收缩后形成浓氨水贮存，剩余液相产物作为液态肥料使用或达标后直接排放。
所述蓝藻废弃生物质为打捞的新鲜蓝藻藻液、藻水分离站藻泥及弃置于护岸周边的陈藻中的一种或者多种混合物；所述的碱式添加剂为固体Ca(OH)2。
所述超临界水气化反应器为连续流管式反应釜，加热方式为反应所获取的富氢气体燃烧加热。
在执行步骤（4）的同时，引入的氧量小于超临界水气化反应器内有机物完全氧化所需理论需氧量，且使得反应产物中的多环芳烃合成受到抑制。
所述回收氮元素的方法通过超临界水气化反应改变氮元素赋存形态，分离液相产物后利用不易收集的余热，实现氨氮蒸脱。
所述引入超临界水气化反应器中的氧为液氧、气态氧或者双氧水。
实施例2：参见图1，一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，所述装置包括碱添加剂贮存罐1、蓝藻废弃生物质原料池2、高压柱塞泵3、第一预热器4、超临界水气化反应器5、换热器6、气液分离器7、旋流分离器8、蒸氨器9、分缩冷凝器10以及浓氨水储存罐11，所述碱添加剂贮存罐1位于蓝藻废弃生物质原料池2的上方，用于添加碱添加剂，所述蓝藻废弃生物质原料池2与第一预热器4之间设置有高压柱塞泵3，流体从第一预热器流出后依次经过换热器6、气液分离器7，流体从气液分离器7的底部依次进入旋流分离器8、蒸氨器9、分缩冷凝器10，最后到达浓氨水储存罐11，所述装置还包括氧压缩泵12和氧贮存罐13，所述氧贮存罐通过管道连接氧压缩泵12，连接至超临界水气化反应器5的中间位置，所述装置还包括气体收集罐14，所述气体收集罐连接在气液分离器的顶部。该装置整体结构设计巧妙紧凑，确保了反应效率，通过氧压缩泵，将氧的反应参与调节至超临界水气化反应后半段，大大降低了工艺的需氧量；同时，在不影响富氢气体质量的基础上，实现了酚类、多环芳烃类物质的合成抑制。
应用实施例1：参照图1，处理量1t/d的蓝藻废弃生物质超临界水气化反应系统，蓝藻废弃生物质原料含水率为96.15wt%，有机质含量为81.59wt%，TOC、TN、TP浓度分别为13320mg/L、3268mg/L、180.63mg/L。由碱添加剂贮存罐1中以质量分数2.0wt%的Ca(OH)2粉末掺入蓝藻废弃生物质原料池2中，调节蓝藻废弃生物质原料的pH值至11。通过高压柱塞泵将反应原料泵送至预热器4，使换热后的蓝藻废弃生物质温度达到200～300oC后进入超临界反应器5第一阶段，在超临界反应器5中升温至500oC，并停留反应5min。将氧贮存罐13中氧由氧压缩泵12压缩至25MPa输送至超临界水气化反应器5第二阶段，氧掺入比例为0.1倍有机物完全氧化需氧量。反应结束后流体经换热器6换热至80～100oC，经减压阀减压至0.1～0.2MPa后流入气液分离器7，获得氢气纯度达80%的富氢气体，由气液分离器7顶部流出后赋存于富氢气体收集罐14，液、固相混合物经旋流分离器8分离出固相残渣，上清液进入蒸氨器9，氨蒸出后获得液相产物流出，蒸出氨经分缩冷凝器10，形成可达10wt%浓度的浓氨水储存于浓氨水储存罐11中。
该实例实现了蓝藻废弃生物质的安全处理，获得氢气纯度达80%的富氢气体，气化效率达到60%，通过10wt%浓度的浓氨水的生成回收蓝藻废弃生物质中80%的N元素，液相产物满足液态肥料或灌溉用水等相关标准，同时固相残渣中以稳定Ca-P形态固定蓝藻废弃生物质中90%的P元素，固相残渣通过土壤基质使用等手段解决其出路问题。切实实现了废弃蓝藻生物质无害化处理和资源化利用。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，其特征在于，所述装置包括碱添加剂贮存罐、蓝藻废弃生物质原料池、高压柱塞泵、第一预热器、超临界水气化反应器、换热器、气液分离器、旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器以及浓氨水储存罐，所述碱添加剂贮存罐位于蓝藻废弃生物质原料池的上方，用于添加碱添加剂，所述蓝藻废弃生物质原料池与第一预热器之间设置有高压柱塞泵，流体从第一预热器流出后依次经过换热器、气液分离器，流体从气液分离器的底部依次进入旋流分离器、蒸氨器、分缩冷凝器，最后到达浓氨水储存罐。
2.根据权利要求1所述的蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，其特征在于，所述装置还包括氧压缩泵和氧贮存罐，所述氧贮存罐通过管道连接氧压缩泵，连接至超临界水气化反应器的中间位置。
3.根据权利要求2所述的蓝藻废弃物生物质制取富氢气体与回收氮磷元素的装置，其特征在于，所述装置还包括气体收集罐，所述气体收集罐连接在气液分离器的顶部。
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