高含水生物质连续水热碳化系统的制作方法

1.本实用新型属于水热碳化技术领域，具体涉及一种高含水生物质连续水热碳化系统。


背景技术：

2.水热碳化是近年来迅速发展的一种生物质增值化处理方法，它是以水作为反应溶剂，在适宜的温度(120-280℃)和密封的压力容器(压力1mpa-5mpa)中对高含水生物质进行缺氧裂解，经水解、脱水、脱羧等一系列复杂的化学反应，将生物质原料转化为具有高附加值的多功能碳基材料(水热碳)，从能量密度上而言，水热碳品质接近于泥炭和褐煤，可作为复合固体燃料直接燃用，也可应用于土壤改良、co2固定、污染物吸附等诸多领域。目前对高含水生物质干燥手段有高温碳化和水热碳化技术。现有实用新型专利中的水热碳化工艺往往存在碳化效率低、余热利用难等问题。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种高含水生物质连续水热碳化系统，具有设备及操作简单、反应过程能耗低和无需添加药物的特点。
4.在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种高含水生物质连续水热碳化系统。根据本实用新型的实施例，所述系统包括：
5.生物质储藏槽，所述生物质储藏槽包括高含水生物质入口和初步加热高含水生物质出口；
6.水热碳化反应器，所述水热碳化反应器包括初步加热高含水生物质入口和反应后生物质出口，所述初步加热高含水生物质入口与所述初步加热高含水生物质出口相连；
7.热回收单元，所述热回收单元包括反应后生物质入口、第一水入口、第一蒸汽出口和固液混合物出口，所述反应后生物质入口与所述反应后生物质出口相连，所述第一蒸汽出口与所述生物质储藏槽相连；
8.余热回收单元，所述余热回收单元包括高温烟气入口、低温导热油入口、第二水入口、高温导热油出口、第二蒸汽出口和换热烟气出口，所述第二蒸汽出口与所述水热碳化反应器相连，所述高温导热油出口与所述水热碳化反应器上的夹套相连。
9.根据本实用新型实施例的高含水生物质连续水热碳化系统，具有设备及操作简单、反应过程能耗低和无需添加药物的特点。本系统采用3段升温法，对高含水生物质进行水热碳化，提高了水热碳化的效率，并采用余热回收装置对反应后余热进行回收利用，提高了整个系统的效率。因此，在经济性上与其他技术相比，设备投资小、人工费用低、水电费消耗少，就日处理50t高含水生物质(以污泥为例)而言，通过该系统生产的水热碳，每年可创造收益约700万元。
10.另外，根据本实用新型上述实施例的高含水生物质连续水热碳化系统还可以具有
如下附加的技术特征：
11.在本实用新型的一些实施例中，上述系统进一步包括：固液分离装置、氨回收单元、厌氧消化单元和燃烧单元。
12.在本实用新型的一些实施例中，固液分离装置，所述固液分离装置包括固液混合物入口、滤饼出口和滤液出口，所述固液混合物入口与所述固液混合物出口相连；氨回收单元，所述氨回收单元包括滤液入口、冷凝氨出口、剩余液体产物出口，所述滤液入口与所述滤液出口相连；厌氧消化单元，所述厌氧消化单元包括剩余液体产物入口、废水出口和甲烷出口，所述剩余液体产物入口与剩余液体产物出口相连；燃烧单元，所述燃烧单元包括甲烷入口和高温烟气出口，所述甲烷入口与甲烷出口相连，所述高温烟气出口和高温烟气入口相连。
13.在本实用新型的一些实施例中，所述系统还包括干燥机，所述干燥机包括滤饼入口和水热碳出口，所述滤饼入口与滤饼出口相连。由此，对滤饼进行干燥得到水热碳，为水热碳的进一步利用做准备。
14.在本实用新型的一些实施例中，所述系统还包括气化装置，所述气化装置包括水热碳入口、煤入口和氢出口，所述水热碳入口和水热碳出口相连。由此，水热碳与煤掺混进行共气化，用以制备氢气，氢气属于高价值的紧缺型能源，经济效益可观。
15.在本实用新型的一些实施例中，所述系统还包括烟气净化单元，所述烟气净化单元包括换热烟气入口和净化烟气出口，所述换热烟气入口与换热烟气出口相连。由此，经过换热后的烟气，进入烟气净化单元进行净化后排出，减少环境污染。
16.在本实用新型的一些实施例中，所述系统还包括废水回收单元，所述废水回收单元包括废水入口，所述废水入口与废水出口相连。由此，厌氧消化反应后得到的废水进入废水回收单元，减少了环境污染。
17.在本实用新型的一些实施例中，所述水热碳化反应器为夹套式结构。
18.在本实用新型的一些实施例中，所述热回收单元包括换热器，所述换热器结构为管壳式。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是根据本实用新型一个实施例的高含水生物质连续水热碳化系统结构示意图。
22.图2是根据本实用新型再一个实施例的高含水生物质连续水热碳化系统结构示意图。
23.图3是根据本实用新型又一个实施例的高含水生物质连续水热碳化系统结构示意图。
24.图4是根据本实用新型一个实施例的高含水生物质连续水热碳化方法流程示意图。
25.图5是根据本实用新型再一个实施例的高含水生物质连续水热碳化方法流程示意图。
26.图6是根据本实用新型又一个实施例的高含水生物质连续水热碳化方法流程示意图。
具体实施方式
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.在本实用新型中，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种高含水生物质连续水热碳化系统。根据本实用新型的实施例，参考图1-3，该系统包括：生物质储藏槽100、水热碳化反应器200、热回收单元300和余热回收单元800。
32.根据本实用新型的实施例，参考图1，所述生物质储藏槽100包括高含水生物质入口101、初步加热高含水生物质出口102。通过所述高含水生物质入口101将高含水生物质送入生物质储藏槽中，利用第一低压蒸汽对高含水生物质进行初步加热。具体的，所述高含水生物质包括但不限于污泥、碳化秸秆、餐厨垃圾、畜禽粪便等。需要说明的是，本实用新型实施例并不限定第一低压蒸汽的热源，只要能实现对高含水生物质进行初步加热即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。
33.根据本实用新型的实施例，参考图1，水热碳化反应器200，包括初步加热高含水生物质入口201、反应后生物质出口202，所述初步加热高含水生物质入口201与初步加热高含水生物质出口102相连。经过初步加热的高含水生物质由初步加热高含水生物质入口201进入水热碳化反应器200中，利用第二低压蒸汽与水热碳化反应器中的高含水生物质混合，将
反应器中生物质加热到120℃-150℃，然后再通过高温导热油对反应物进行再次加热，将水热碳化反应温度加热到220-280℃，进行水热碳化反应，反应后的水热碳从反应后生物质出口202排出。需要说明的是，本实用新型实施例并不限定第二低压蒸汽的热源，只要能将反应器中生物质进一步加热到120℃-150℃即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。另外，本实用新型实施例并不限定高温导热油的热源，只要能将反应器中生物质进一步加热到220-280℃即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。
34.根据本实用新型的实施例，具体的，水热碳化反应器200为夹套式结构，中间层通入高含水的生物质和第二低压蒸气，进行水热碳化反应；套层通入高温导热油，通过高温导热油对中间层的反应物进行加热。需要说明的是，水热碳化反应器的结构并不受具体限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能够实现3段升温法，对高含水生物质进行水热碳化即可。
35.根据本实用新型的实施例，参考图1，热回收单元300，包括反应后生物质入口301、第一低压蒸汽出口303和固液混合物出口302，所述反应后生物质入口301与反应后生物质出口202相连，所述第一蒸汽出口303与所述生物质储藏槽相连。经过水热碳化后的生物质由反应后生物质入口301进入热回收单元300，进行热量回收，自身温度降至60-70℃后由固液混合物出口302排出。由热回收单元产生的低压蒸汽由第一低压蒸汽出口303排出，进入生物质储藏槽，作为第一低压蒸汽对高含水生物质进行初步加热。热回收单元产生的低压蒸汽可将高含水生物质加热到80℃-120℃。具体的，热回收单元采用换热器，高温水热碳与低温水进行换热，将水加热变成低压蒸汽，高温水热碳温度降低至60-70℃。高温水热碳和水不直接接触，换热器结构可以是管壳式，管层通入高温水热碳，壳层通入水，当然换热器不局限管壳结构。需要说明的是，热回收单元300的结构并不受具体限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能够将水热碳化后的高温生物质进行热量回收即可。
36.根据本实用新型的实施例，参考图1，余热回收单元800，包括高温烟气入口801、高温导热油出口802、低温导热油入口805、第二低压蒸汽出口803和换热烟气出口804。水热碳化反应器200包括高温导热油入口203、低温导热油出口204。所述高温导热油出口802与高温导热油入口203相连，所述低温导热油入口805与低温导热油出口204相连，所述第二蒸汽出口803与所述水热碳化反应器200相连。高温烟气由高温烟气入口801进入余热回收单元800，首先进行一级换热，加热导热油，使导热油温度加热到约300℃；然后进行二级换热，加热水，产生第二低压蒸汽，自身温度降到50-70℃。所述第二低压蒸汽由第二低压蒸汽出口803排出，进入水热碳化反应器，与水热碳化反应器中的高含水生物质混合，将反应器中生物质加热到120℃-150℃。所述高温导热油由高温导热油出口802流出，再由高温导热油入口203进入水热碳化反应器中，利用高温导热油对水热碳化反应器内生物质进行间接加热，将水热碳化反应温度控制到220-280℃。经过换热后的低温导热油由低温导热油出口204流出，再由低温导热油入口805进入余热回收单元800中，进行再次换热。需要说明的是，高温烟气并不限于甲烷燃烧产生的，只要能达到产生高温烟气的技术效果，本领域的技术人员可根据需要进行选择。
37.根据本实用新型实施例的高含水生物质连续水热碳化系统，具有设备及操作简单、反应过程能耗低和无需添加药物的特点。本系统采用3段升温法，对高含水生物质进行水热碳化，提高了水热碳化的效率，并采用余热回收装置对反应后余热进行回收利用，提高
了整个系统的效率。因此，在经济性上与其他技术相比，设备投资小、人工费用低、水电费消耗少，就日处理50t高含水生物质(以污泥为例)而言，通过该系统生产的水热碳，每年可创造收益约700万元，且其产物水热碳与煤共气化制取的氢气属于高价值的紧缺型能源，经济效益可观。
38.进一步地，根据本实用新型的实施例，参考图2，该系统还包括固液分离装置400、氨回收单元500、厌氧消化单元600和燃烧单元700。
39.根据本实用新型的实施例，参考图2，固液分离装置400，包括固液混合物入口401、滤饼出口402和滤液出口403，所述固液混合物入口401与固液混合物出口302相连。经固液混合物出口302排出的固液混合物，由固液混合物入口401进入固液分离装置，得到固体产物和液体产物。需要说明的是，固液分离装置的结构并不受具体限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能够实现固体产物和液体产物分离即可。
40.根据本实用新型的实施例，参考图2，氨回收单元500，包括滤液入口501、冷凝氨出口502、剩余液体产物出口503，所述滤液入口501与滤液出口403相连。液体产物由滤液入口501进入氨回收单元500，通过加热液体产物，使溶解在液体中的氨挥发，然后冷凝回收氨。冷凝的氨由冷凝氨出口502排出。剩余液体产物由剩余液体产物出口503排出。
41.根据本实用新型的实施例，参考图2，厌氧消化单元600，包括剩余液体产物入口601、废水出口602和甲烷出口603，所述剩余液体产物入口601与剩余液体产物出口503相连。氨回收单元剩余液体由剩余液体产物入口601进入厌氧消化单元600，进行厌氧消化生产甲烷，甲烷由甲烷出口603排出。产生的废水由废水出口602排出。
42.根据本实用新型的实施例，参考图2，燃烧单元700，包括甲烷入口701和高温烟气出口702，所述甲烷入口701与甲烷出口603相连，所述高温烟气出口702和高温烟气入口801相连。甲烷由甲烷入口701进入燃烧单元，燃烧后产生高温烟气，高温烟气由高温烟气出口702排出，进入余热回收单元800，为余热回收单元提供高温烟气。
43.进一步地，参考图3，上述系统还包括：干燥机1100和气化装置1200。
44.根据本实用新型的实施例，参考图3，干燥机1100包括滤饼入口1101和水热碳出口1102，所述滤饼入口与滤饼出口相连。从固液分离装置中得到的固体产物由滤饼入口1101进入干燥机，经过干燥机干燥后得到水热碳，水热碳由水热碳出口1102排出。由此，对滤饼进行干燥得到水热碳，为水热碳的进一步利用做准备。
45.根据本实用新型的实施例，参考图3，气化装置1200包括水热碳入口1201、煤入口1202和氢出口1203，所述水热碳入口和水热碳出口相连。从干燥机中得到的水热碳由水热碳入口1201进入气化装置，水热碳与煤掺混进行共气化，用以制备氢气，制得的氢气由氢出口1203排出。
46.进一步地，参考图3，上述系统还包括：烟气净化单元900。
47.根据本实用新型的实施例，所述烟气净化单元900包括烟气入口901和净化烟气出口902，所述烟气入口901与烟气出口804相连。余热回收单元产生的烟气由烟气入口901进入烟气净化单元，净化后后烟气由净化烟气出口902排出。由此，经过换热后的烟气，进入烟气净化单元进行净化后排出，减少环境污染。
48.进一步地，参考图3，上述系统还包括：废水回收单元1000。
49.根据本实用新型的实施例，所述废水回收单元1000，包括废水入口1001，所述废水
入口1001与废水出口602相连。从厌氧消化单元产生的废水由废水入口1001进入废水回收单元，进行废水回收。由此，厌氧消化反应后得到的废水进入废水回收单元，减少了环境污染。
50.为了方便理解，下面对采用上述系统进行水热碳化的方法进行详细描述，根据本实用新型的实施例，参考图4，该方法包括：
51.s100：将高含水生物质供给至生物质储藏槽进行初步加热，以便得到初步加热高含水生物质；
52.在该步骤中，通过所述高含水生物质入口101将高含水生物质送入生物质储藏槽100中，在第一低压蒸汽的作用下，将高含水生物质加热到80℃-120℃，然后经初步加热高含水生物质出口102送入水热碳化反应器中。具体的，所述高含水生物质包括但不限于污泥、碳化秸秆、餐厨垃圾、畜禽粪便等。需要说明的是，本实用新型实施例并不限定第一低压蒸汽的热源，只要能实现对高含水生物质进行初步加热即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。
53.s200：将所述初步加热高含水生物质供给至水热碳化反应器中进行反应，以便得到反应后生物质；
54.在该步骤中，经过初步加热的高含水生物质由初步加热高含水生物质入口201进入水热碳化反应器200中，利用第二低压蒸汽与水热碳化反应器中的高含水生物质混合，对初步加热高含水生物质进行再次加热，将反应器中生物质加热到120℃-150℃。通过高温导热油对中间层的反应物进行再次加热，将水热碳化反应温度控制到220-280℃，压强控制在1mpa-5mpa，进行水热碳化反应。反应后的水热碳从反应后生物质出口202排出。需要说明的是，本实用新型实施例并不限定第二低压蒸汽的热源，只要能将反应器中生物质加热到120℃-150℃即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。另外，本实用新型实施例并不限定高温导热油的热源，只要能将反应器中生物质加热到220-280℃即可，本领域人员可以根据实际需要进行选择。
55.s300：将所述反应后生物质供给至热回收单元中与水进行换热，以便得到第一蒸汽和固液混合物，并将所述第一蒸汽供给至步骤(1)的所述生物质储藏槽中；
56.在该步骤中，经过水热碳化后的生物质由反应后生物质入口301进入热回收单元300，进行热量回收，自身温度降至60-70℃后由固液混合物出口302排出。由热回收单元产生的第一低压蒸汽由第一低压蒸汽出口303排出，进入生物质储藏槽，对高含水生物质进行初步加热。具体的，热回收单元采用换热器，高温水热碳与低温水进行换热，将水加热变成低压蒸汽，高温水热碳温度降低至60-70℃。
57.s400：将高温烟气供给至余热回收单元中与低温导热油和水分别进行换热，以便得到高温导热油、第二蒸汽和换热烟气，将所述第二蒸汽供给至所述水热碳化反应器与所述初步加热高含水生物质接触进行第二段升温，然后将所述高温导热油供给至所述水热碳化反应器的夹套内进行第三段升温。
58.在该步骤中，高温烟气由高温烟气入口801送入余热回收单元800，热量一部分用于加热导热油，一部分用于产生第二低压蒸汽。首先进行一级换热，加热导热油，使导热油温度加热到约300℃；然后进行二级换热，加热水，产生第二低压蒸气，自身温度降到50-70℃。将第二低压蒸汽供给至水热碳化反应器，与水热碳化反应器中的高含水生物质混合，将
反应器中生物质加热到120℃-150℃。将高温导热油供给至水热碳化反应器中，利用高温导热油对水热碳化反应器内生物质进行间接加热，将水热碳化反应温度控制到220-280℃。经过换热后的低温导热油进入余热回收单元中，进行再次换热。需要说明的是，高温烟气并不限于甲烷燃烧产生的，只要能达到产生高温烟气的技术效果，本领域的技术人员可根据需要进行选择。
59.根据本实用新型实施例的高含水生物质连续水热碳化方法，采用3段升温法，对高含水生物质进行水热碳化，提高了水热碳化的效率，并采用余热回收装置对反应后余热进行回收利用，提高了整个系统的效率。因此，在经济性上与其他技术相比，设备投资小、人工费用低、水电费消耗少，就日处理50t高含水生物质(以污泥为例)而言，通过该方法生产的水热碳，每年可创造收益约700万元，且其产物水热碳与煤共气化制取的氢气属于高价值的紧缺型能源，经济效益可观。
60.进一步地，参考图5，所述方法还包括：
61.s500：将所述固液混合物供给至固液分离装置进行固液分离，以便得到固体产物和液体产物；
62.在该步骤中，经固液混合物出口302排出的固液混合物，由固液混合物入口401进入固液分离装置400进行固液分离，得到固体产物和液体产物。
63.s600：将所述液体产物供给至氨回收单元进行回收氨，以便得到氨和剩余液体产物；
64.在该步骤中，液体产物由滤液入口501进入氨回收单元500，通过加热液体产物，使溶解在液体中的氨挥发，然后冷凝回收氨。冷凝的氨由冷凝氨出口502排出。剩余液体产物由剩余液体产物出口503排出。
65.s700：将所述剩余液体产物供给至厌氧消化单元进行厌氧消化，以便得到甲烷和废水；
66.在该步骤中，氨回收单元剩余液体由剩余液体产物入口601进入厌氧消化单元600，进行厌氧消化生产甲烷，甲烷由甲烷出口603排出。产生的废水由废水出口602排出。
67.s800：将所述甲烷供给至燃烧单元进行燃烧，得到高温烟气。
68.在该步骤中，甲烷由甲烷入口701进入燃烧单元700，燃烧后产生高温烟气，高温烟气由高温烟气出口702排出，然后将所述高温烟气供给至余热回收单元800，为余热回收单元提供热量。
69.进一步地，参考图6，所述方法还包括：
70.s900：将所述固体产物供给至干燥机进行干燥，以便得到水热碳；
71.在该步骤中，从固液分离装置中得到的固体产物由滤饼入口1101进入干燥机1100，经过干燥机干燥后得到水热碳，水热碳由水热碳出口1102排出。由此，对滤饼进行干燥得到水热碳，为水热碳的进一步利用做准备。
72.s1000：将所述水热碳供给至气化装置，与煤掺混进行共气化，以便得到氢气。
73.在该步骤中，干燥后的水热碳由水热碳入口1201进入气化装置，水热碳与煤掺混进行共气化，用以制备氢气，制得的氢气由氢出口1203排出。由此，实现了废物利用，同时减少了环境污染，且其产物水热碳与煤共气化制取的氢气属于高价值的紧缺型能源，经济效益可观。
74.进一步地，参考图6，所述方法还包括：
75.s1100：将所述废水供给至废水回收单元进行废水回收。
76.在该步骤中，从厌氧消化单元产生的废水由废水入口1001进入废水回收单元1000，进行废水回收。由此，减少了环境污染。
77.进一步地，参考图6，所述方法还包括：
78.s1200：将所述换热烟气供给至烟气净化处理单元，进行烟气净化，净化后排出。
79.在该步骤中，余热回收单元产生的烟气由烟气入口901进入烟气净化单元900进行净化，净化后烟气由净化烟气出口902排出。由此，减少了环境污染。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
81.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。