CN220201737U - 高含水有机固废水热炭化生产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高含水有机固废水热炭化生产系统，属于有机固废处理技术领域，包括加热油炉、反应釜、预热设备、冷却设备和固液分离设备，有机固废在预热设备预热后进入反应釜水热炭化，形成生物炭浆进入冷却设备降温后经固液分离设备分离得到生物炭；加热油炉内的导热油通过导热油泵进入反应釜的反应釜导热油套管，反应釜导热油套管内的导热油经预热段导热油管对预热设备内的高含水有机固废进行预热；再进入冷却段导热油管吸收生物炭浆的热量后返回加热油炉。将导热油路形成闭环循环回路，预热有机固废提高反应釜的反应效率，缩短停留时间；导热油与生物炭浆热交换后返回加热油炉能够节省电耗；余热回收率高、反应釜利用率、生产能力高。
Description
技术领域
本实用新型属于有机固废处理技术领域，尤其涉及一种高含水有机固废水热炭化生产系统。
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，反应釜加热和余热回收利用分开，导致反应釜的反应效率及利用率降低；同时由于系统启动阶段无法预热物料，导致系统启动困难。而且由于现有反应釜的加热系统和余热回收系统分开，控制复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高含水有机固废水热炭化生产系统，旨在解决现有连续水热炭化生产中反应釜的加热系统和余热回收系统分开，存在工艺及控制复杂、反应釜的反应效率及利用率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
一种高含水有机固废水热炭化生产系统，包括加热油炉、反应釜、预热设备、冷却设备和固液分离设备，所述预热设备的出料口与反应釜进口相连，所述反应釜的出料口与冷却设备的进口相连，所述冷却设备的出料口与固液分离设备的进口相连，所述固液分离设备用于分离出生物炭浆中的生物炭；所述加热油炉内的导热油通过导热油泵与反应釜外壁上的反应釜导热油套管连通，用于将高温导热油输送至反应釜导热油套管内，所述反应釜导热油套管内的导热油通过导热油管与预热设备的预热段导热油管相连，用于对预热设备内的高含水有机固废进行预热；所述预热段导热油管通过导热油管与冷却设备的冷却段导热油管相连，所述冷却段导热油管内的导热油能够吸收冷却设备内生物炭浆的热量，所述冷却段导热油管通过导热油管与加热油炉相连。
优选的，所述预热设备的进料口通过增压泵与有机固废缓存仓相连，所述预热设备内的有机固废输送方向与预热段导热油管内的导热油流向相反；所述冷却设备内的生物炭浆输送方向与冷却段导热油管内的导热油流向相反。
优选的，所述加热油炉内的导热油加热温度为180-230℃。
优选的，所述反应釜内反应物料的反应温度为160-210℃，反应物料停留时间为0.5-3h。
优选的，所述预热设备中导热油输入温度为180-230℃，导热油输出温度为60-100℃，有机固废输入温度是20-40℃，输出温度是160-210℃，有机固废停留时间为0.5-2h。
优选的，所述冷却设备中导热油输入温度为60-100℃，导热油输出温度为140-190℃，生物炭浆输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃，生物炭浆停留时间为0.5-2h。
优选的，所述反应釜包括卧式罐体和搅拌器，所述搅拌器包括电机及水平放置的搅拌轴，所述电机设置于罐体的外侧、且与搅拌轴的端部相连，所述搅拌轴上间隔设有若干个径向布置的搅拌叶。
优选的，所述冷却设备的出料口通过泄压出料泵与生物炭浆储存仓相连，所述生物炭浆在生物炭浆储存仓内冷却至室温；所述生物炭浆储存仓的出料口与固液分离设备的进料口相连，所述固液分离设备的固体出口与生物炭储存仓相连。
优选的，所述高含水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，本实用新型通过将反应釜、预热设备和冷却设备的导热油路依次连通，与加热油炉形成一个闭环循环回路，导热油仅需一台导热油泵控制，保证有机固废经导热油预热后进入反应釜的温度能够达到水热炭化反应温度，提高反应釜的反应效率，缩短停留时间；导热油与有机固废进行热交换后温度降低，在冷却设备又吸收生物炭浆内的热量，再返回加热油炉能够节省电耗；导热油与生物炭浆进行热交换后降低了生物炭浆的温度，加速了生物炭浆的冷却速度。本实用新型具有结构简单、控制方便、余热回收率高的优点，能够提高反应釜的利用率，降低系统能耗，提高生产能力，实现高含水有机固废的减量化、稳定化、无害化处置，保留有机物的物质和资源，便于末端资源化利用，实现低碳排放。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型实施例提供的一种高含水有机固废水热炭化生产系统的结构示意图；
图2是本实用新型中导热油的流程图；
图3是本实用新型中物料的流程图；
图中：1、加热油炉；2、有机固废缓存仓；3、增压泵；4、有机固废；5、预热段导热油管；6、反应物料；7、搅拌器；8、反应釜；9、反应釜导热油套管；10、生物炭浆；11、冷却段导热油管；12、泄压出料泵；13、生物炭浆储存仓；14、预热设备；15、冷却设备；16、导热油泵；17、固液分离设备；18、生物炭储存仓。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
目前，现有设备为了余热回收和提高热利用效率，将反应釜后端高温物料的余热回收来预热反应釜前端低温进料，但是这种方式存在前段进料预热不充分，从而导致进入反应釜系统的物料温度偏低，达不到反应温度，需要在反应釜内延长停留时间，进一步加热反应釜达到反应温度，从而降低反应效率和反应釜利用率；同时系统启动阶段由于没有余热回收，无法预热物料，系统启动困难。有鉴于此，提出应用本实用新型来实现系统的预热回收，提高反应釜的反应效率和利用率。
参见图1-图3，本实用新型提供的一种高含水有机固废水热炭化生产系统，包括加热油炉1、反应釜8、预热设备14、冷却设备15和固液分离设备17，所述预热设备14的出料口与反应釜8进口相连，所述反应釜8的出料口与冷却设备15的进口相连，所述冷却设备15的出料口与固液分离设备17的进口相连，所述固液分离设备17用于分离出生物炭浆中的生物炭；所述加热油炉1内的导热油通过导热油泵16与反应釜8外壁上的反应釜导热油套管9连通，用于将高温导热油输送至反应釜导热油套管9内，所述反应釜导热油套管9内的导热油通过导热油管与预热设备14的预热段导热油管5相连，用于对预热设备14内的高含水有机固废进行预热；所述预热段导热油管5通过导热油管与冷却设备15的冷却段导热油管11相连，所述冷却段导热油管11内的导热油能够吸收冷却设备15内生物炭浆的热量，所述冷却段导热油管11通过导热油管与加热油炉1相连。
作为一种优选结构，如图1所示，所述反应釜8包括卧式罐体和搅拌器7，所述搅拌器7包括电机及水平放置的搅拌轴，所述电机设置于罐体的外侧、且与搅拌轴的端部相连，所述搅拌轴上间隔设有若干个径向布置的搅拌叶。采用该结构能够对反应物料进行搅拌，确保内部反应物料与导热油进行充分热交换，提高反应效率。
在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述冷却设备15的出料口通过泄压出料泵12与生物炭浆储存仓13相连，所述生物炭浆在生物炭浆储存仓13内冷却至室温；所述生物炭浆储存仓13的出料口与固液分离设备17的进料口相连，所述固液分离设备17的固体出口与生物炭储存仓18相连，方便转运。还可以提高烘干设备对分离出来的生物炭固体进行干燥处理。
为了方便进料，在预热设备14的进料端设置有机固废缓存仓2对有机固废进行缓存。使用时，所述预热设备14的进料口通过增压泵3与有机固废缓存仓2相连，所述预热设备14内的有机固废输送方向与预热段导热油管5内的导热油流向相反；所述冷却设备15内的生物炭浆输送方向与冷却段导热油管11内的导热油流向相反。在本实施例中，预热设备14和冷却设备15均采用内外管结构，物料在内管输送，导热油在作为外管的预热段导热油管5及冷却段导热油管11内流动。采用该结构能够加速导热油与有机固废及生物炭浆的热交换，节约了生产时间，进而提高了生产效率。
本实用新型在具体应用时，导热油的传输顺序如下：
(1)导热油在加热油炉1中加热，导热油加热温度为180-230℃。
(2)加热后的导热油通过导热油泵16输送至反应釜8的反应釜导热油套管9内，维持反应釜8的反应温度。反应釜8内反应物料6的反应温度为160-210℃，反应物料停留时间为0.5-3h。
(3)经过反应釜8后，导热油进入物料预热设备14的预热段导热油管5，有机固废在预热设备14中与预热段导热油管5内的导热油进行热交换后，有机固废在预热设备1的4内管传输过程中由低温到高温并进入反应釜8，导热油在预热段导热油管5逆向传输由高温降至低温。导热油从反应釜导热油套管9流入预热设备14中的输入温度为180-230℃，输出温度为60-100℃；有机固废输入温度是20-40℃，经与导热油热交换后有机固废的输出温度是160-210℃，有机固废停留时间为0.5-2h。
(4)导热油再进入冷却设备15，从反应釜排出的生物炭浆在在冷却设备15内管传输过程中由高温降至低温，导热油在冷却段导热油管11逆向传输，由低温升至高温。冷却设备15中导热油输入温度为60-100℃，导热油输出温度为140-190℃，生物炭浆输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃，生物炭浆停留时间为0.5-2h。
(5)导热油从冷却设备15输出后进入加热油炉1加热循环使用，生物炭浆经过导热油冷却回收热量后，再进一步通过冷凝水冷却至室温后经固液分离设备17脱水干化处理后外运处置。
本实用新型适用于高含水有机固废的水热炭化处理，高含水有机固废为脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。
以下是几个具体实施例的应用情况：
待处理的有机固废以污泥为例。
污泥：滁州某污水处理厂脱水污泥，选用两种污泥，含水率分别为90％和80％；
硫酸：国药试剂。
实施例1
滁州某污水处理厂含水率90％的脱水污泥，加入按照干污泥量5g/100gDS添加浓硫酸搅拌混合均匀，增压泵送入水热炭化生产系统中，主要由加热油炉，反应釜、预热设备、冷却设备等组成。
物料的传输方向是预热设备-反应釜-冷却设备，由加热油炉供热。
按照导热油和物料的传输顺序依次：
(1)导热油在加热油炉中用天然气加热至200℃；
(2)加热导热油通过导热油泵输送至反应釜，维持反应釜的反应温度180℃；
(3)经过反应釜后，导热油进入预热设备，在预热设备中有机固废在内管由室温传输升温至180℃，进入反应釜，导热油在外管逆向由200℃传输降温至60℃；
(4)导热油再进入冷却设备，在冷却设备中从反应釜排出的生物炭浆在内管传输由180℃冷却至80℃，导热油在外管逆向传输，由60℃升温至160℃；
(5)导热油从冷却设备输出温度为160℃，进入加热油炉加热至200℃循环使用。
生物炭浆经过冷却设备的导热油冷却回收热量后，再进一步通过冷凝水冷却至室温后脱水干化后外运处置。
实施例2
用含水率80％的脱水污泥，代替含水率90％的脱水污泥，硫酸的加入量为绝干污泥的5g/100gDS，其他处理步骤和工艺参数同实施例1。
实施例3
滁州某污水处理厂含水率80％的脱水污泥，加入按照干污泥量10g/100gDS添加浓硫酸搅拌混合均匀，增压泵送入水热炭化生产系统，主要由加热油炉，反应釜、预热设备、冷却设备等组成。
物料的传输方向是预热设备-反应釜-冷却设备，加热油炉供热。
按照导热油和物料的传输顺序依次：
(1)导热油在加热油炉中用天然气加热至180℃；
(2)加热导热油通过导热油泵输送至反应釜，维持反应釜的反应温度160℃；
(3)经过反应釜后，导热油进入预热设备，在预热设备中有机固废在内管由室温传输升温至160℃，进入反应釜，导热油在外管逆向由180℃传输降温至60℃；
(4)导热油再进入冷却设备，在冷却设备中从反应釜排出的生物炭浆在内管由160℃传输冷却至80℃，导热油在外管逆向传输，由60℃升温至140℃；
(5)导热油从冷却设备输出温度为140℃，进入加热油炉加热至180℃循环使用。
生物炭浆经过冷却设备的导热油冷却回收热量后，再进一步通过冷凝水冷却至室温后脱水干化后外运处置。
实施例4
滁州某污水处理厂含水率80％的脱水污泥，加入按照干污泥量10g/100gDS添加浓硫酸搅拌混合均匀，增压泵送入水热炭化生产系统，主要由加热油炉，反应釜、预热设备、冷却设备等组成。
物料的传输方向是预热设备-反应釜-冷却设备，由加热油炉供热。
按照导热油和物料的传输顺序依次：
(1)导热油在加热油炉中用天然气加热至220℃；
(2)加热导热油通过导热油泵输送至反应釜，维持反应釜的反应温度200℃；
(3)经过反应釜后，导热油进入预热设备，在预热设备中有机固废在内管由室温传输升温至200℃，进入反应釜，导热油在外管逆向由220℃传输降温至80℃；
(4)导热油再进入冷却设备，在冷却设备中从反应釜排出的生物炭浆在内管由200℃传输冷却至100℃，导热油在外管逆向传输，由80℃传输至180℃；
(5)导热油从冷却设备输出温度为180℃，进入加热油炉加热至220℃循环使用。
生物炭浆经过冷却设备的导热油冷却回收热量后，再进一步通过冷凝水冷却至室温后脱水干化后外运处置。
比较例1
滁州某污水处理厂含水率80％的脱水污泥，加入按照干污泥量10g/100gDS添加浓硫酸搅拌混合均匀，增压泵送入水热炭化系统，系统主要包括加热油炉，反应釜、预热设备、冷却回收系统等组成。
物料的传输方向是预热设备-反应釜-冷却回收系统，加热油炉给反应釜供热，冷却回收的热量用于物料预热设备，即加热油炉和反应釜供热为一条导热油循环回流；冷却设备和预热设备为另一条导热油循环回流
(1)导热油在加热油炉系统中用天然气加热至230℃；
(2)加热导热油通过泵输送至反应釜，维持反应釜的反应温度180℃，导热油返回加热油炉；
(3)经过反应釜后，物料输出温度为180℃，进入后端冷却设备，通过导热油热交换冷却，导热油的传输方向与物料的传输方向相反，即物料从180℃传输降温至80℃，导热油逆向由60℃传输升温至160℃；
(4)冷却设备回收热量的导热油泵送至前端物料预热设备，在预热设备中物料在内管由室温传输升温至140℃，进入反应釜，导热油在外管逆向由160℃传输降温至60℃，循环返回冷却设备；
物料经过上述水热炭化处理后，再进一步通过冷凝水冷却至室温后脱水干化处理后外运处置。
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
对上述几个实施例各项参数进行比较，结果如上表所示，采用本实用新型的实施例能耗较比较例低10-20％，且污泥在水热炭化系统中的停留时间较小，生产能力增加。主要原因在于实施例1-4中污泥经过预热设备后进入水热炭化反应釜的温度达到水热炭化设定的反应温度，物料在水热炭化反应釜中充分稳定反应，相反比较例中污泥经过预热设备后进入反应釜温度低于水热炭化设定的反应温度，需要在反应釜中继续升温至反应温度，既需要补充能源，也需要占据反应釜空间，降低反应效率。
综上所述，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型利用导热油的传输方向与物料的传输方向相反，来提高热交换效率；
2、本实用新型采用闭环的导热油循环回路，一台导热油泵实现导热油的循环，结构简单，控制方便；
3、本实用新型能够确保物料进入反应釜温度达到水热炭化反应温度，且余热回收效率高，降低系统的能耗；
4、反应物料在反应釜内的反应效率高，缩短物料停留时间，提高了反应釜的利用率和生产能力；
5、采用本实用新型能够快速启动系统；
6、采用本实用新型能够实现高含水有机固废的减量化、稳定化、无害化处置，保留有机物的物质和资源，便于末端资源化利用，低碳排放。
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受上面公开的具体实施例的限制。
Claims (9)
1.一种高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：包括加热油炉、反应釜、预热设备、冷却设备和固液分离设备，所述预热设备的出料口与反应釜进口相连，所述反应釜的出料口与冷却设备的进口相连，所述冷却设备的出料口与固液分离设备的进口相连，所述固液分离设备用于分离出生物炭浆中的生物炭；所述加热油炉内的导热油通过导热油泵与反应釜外壁上的反应釜导热油套管连通，用于将高温导热油输送至反应釜导热油套管内，所述反应釜导热油套管内的导热油通过导热油管与预热设备的预热段导热油管相连，用于对预热设备内的高含水有机固废进行预热；所述预热段导热油管通过导热油管与冷却设备的冷却段导热油管相连，所述冷却段导热油管内的导热油能够吸收冷却设备内生物炭浆的热量，所述冷却段导热油管通过导热油管与加热油炉相连。
2.根据权利要求1所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述预热设备的进料口通过增压泵与有机固废缓存仓相连，所述预热设备内的有机固废输送方向与预热段导热油管内的导热油流向相反；所述冷却设备内的生物炭浆输送方向与冷却段导热油管内的导热油流向相反。
3.根据权利要求2所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述加热油炉内的导热油加热温度为180-230℃。
4.根据权利要求3所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述反应釜内反应物料的反应温度为160-210℃。
5.根据权利要求4所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述预热设备中导热油输入温度为180-230℃，导热油输出温度为60-100℃，有机固废输入温度是20-40℃，输出温度是160-210℃。
6.根据权利要求5所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述冷却设备中导热油输入温度为60-100℃，导热油输出温度为140-190℃，生物炭浆输入温度是160-210℃，输出温度是80-120℃。
7.根据权利要求1所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述反应釜包括卧式罐体和搅拌器，所述搅拌器包括电机及水平放置的搅拌轴，所述电机设置于罐体的外侧、且与搅拌轴的端部相连，所述搅拌轴上间隔设有若干个径向布置的搅拌叶。
8.根据权利要求1所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述冷却设备的出料口通过泄压出料泵与生物炭浆储存仓相连，所述生物炭浆在生物炭浆储存仓内冷却至室温；所述生物炭浆储存仓的出料口与固液分离设备的进料口相连，所述固液分离设备的固体出口与生物炭储存仓相连。
9.根据权利要求1-8任一项所述的高含水有机固废水热炭化生产系统，其特征在于：所述高含水有机固废为脱水污泥、植物秸秆或畜禽粪污。
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