一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置的製作方法

2023-07-30 22:53:16 1

本實用新型涉及生物質水解技術領域，特別涉及一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置。

背景技術：

我國每年產生8億噸秸稈，3億噸生活垃圾，2億噸樹枝、樹葉和乾草。我國和世界發達國家已經用秸稈及其它生物質生產了大量的工業產品，包括沼氣、生物質汽油、柴油、壓縮天然氣、液化天然氣、甲醇、乙醇、丁醇等，同時生物質的渣滓可以生產肥料。因此，生物質利用技術在清潔能源、廢物處理、環保、生態養殖和生態農業中都有十分重要的社會價值和經濟價值。對於生物質利用技術的研究，我國和全世界無論是在研究領域上還是在工業領域上都出現了前所未有的熱潮。

由於生物質內含有大量的木質纖維素、蛋白、生物細胞等，其結構十分複雜，並難於降解限。這些因素極大地限制了生物質的應用。比如，採用常規方法發酵，生物質的發酵周期長達一個月以上，有的甚至需要半年，生物質能源轉換效率都在40％以下，有的甚至只有20％左右。因此，生物質的預處理成為生物質利用技術的關鍵所在。

近年來，國內外有報導採用亞臨界或超臨界水對生物質進行預處理，具有環保、處理時間短以及轉化率高的優勢。這是因為水在亞臨界或超臨界狀態時，溶劑化能力增強，電離程度隨之增大，可打破木質素的包裹作用，也降低纖維素的聚合度，使纖維素迅速分解成低聚糖最後轉化成葡萄糖。正是由於亞臨界或超臨界水的特殊作用機理，它不僅可以處理一般的生物質，如，秸稈或生活垃圾，還可以處理其它工藝非常難於處理的生物質，比如巨草、樹枝，甚至木材等。但是，目前生物質亞臨界或超臨界水解方法仍限於研究階段，至今還沒有一種完整的、能夠應用於實際大規模生產的生物質亞臨界或超臨界水解裝置。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置，採用本實用新型提供的裝置能夠實現大規模工業化生物質亞臨界或超臨界連續水解生產。

本實用新型提供了一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置，其特徵在於，包括水解釜、噴淋器、儀表檢測控制系統、加熱爐、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置、高壓給水泵和壓力調節閥，所述儲水裝置的出水口與所述高壓給水泵的進水口連通，所述高壓給水泵的出水口與所述加熱爐的進水口連通，所述壓力調節閥設置在所述高壓給水泵和所述加熱爐之間的管路上，所述亞臨界或超臨界水發生器設置在所述加熱爐的內部，所述加熱爐的出水口與所述噴淋器的進水口連通，所述噴淋器設置在所述水解釜的頂部；所述儀表檢測控制系統與所述加熱爐和所述壓力調節閥通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述加熱爐和所述壓力調節閥的工作狀態進行控制和調節。

優選的，還包括粉碎機、料鬥和給料機，所述粉碎機通過所述料鬥與所述給料機連接，所述給料機的出料口與所述水解釜側壁的下端部設置的入料口連通。

優選的，還包括出料裝置和成品儲存罐，所述成品儲存罐通過所述出料裝置與所述水解釜的底部設置的出料口連通。

優選的，所述水解釜的頂部設有攪拌器。

優選的，所述水解釜為能夠承受至少30MPa壓力和至少500℃溫度的容器。

優選的，所述加熱爐包括燃煤爐、燃氣爐、燃油爐、電加熱爐、天然氣爐或沼氣爐。

優選的，所述亞臨界或超臨界水發生器能夠產生至少30MPa壓力的飽和水和/或飽和蒸汽。

優選的，所述儲水裝置與所述高壓給水泵之間連通設有除鹽裝置。

優選的，所述儀表檢測控制系統與所述水解釜、噴淋器、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置和高壓給水泵通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述水解釜、噴淋器、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置和高壓給水泵的工作狀態進行控制和調節。

優選的，所述水解釜的入料口、出料口以及與攪拌器和噴淋器的連接處設有密封裝置。

本實用新型提供了本發明提供了一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置，包括水解釜、噴淋器、儀表檢測控制系統、加熱爐、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置、高壓給水泵和壓力調節閥，所述儲水裝置的出水口與所述高壓給水泵的進水口連通，所述高壓給水泵的出水口與所述加熱爐的進水口連通，所述壓力調節閥設置在所述高壓給水泵和所述加熱爐之間的管路上，所述亞臨界或超臨界水發生器設置在所述加熱爐的內部，所述加熱爐的出水口與所述噴淋器的進水口連通，所述噴淋器設置在所述水解釜的頂部；所述儀表檢測控制系統與所述加熱爐和所述壓力調節閥通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述加熱爐和所述壓力調節閥的工作狀態進行控制和調節。採用本實用新型提供的裝置能夠實現大規模工業化生物質亞臨界或超臨界連續水解生產。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置的結構示意圖；

圖中，1-粉碎機、2-料鬥、3-給料機、4-水解釜、5-攪拌器、6-噴淋器、 7-儀表檢測控制系統、8-加熱爐、9-亞臨界或超臨界水發生器、10-儲水裝置、 11-除鹽裝置、12-壓力調節閥、13-高壓給水泵、14-出料裝置、15-成品儲存罐；

圖2為水解釜、攪拌器及噴淋器的結構示意圖。

圖3為實施例2中秸稈水解生產沼氣的工藝流程圖。

具體實施方式

本實用新型提供了本發明提供了一種生物質亞臨界或超臨界水解裝置，包括水解釜、噴淋器、儀表檢測控制系統、加熱爐、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置、高壓給水泵和壓力調節閥，所述儲水裝置的出水口與所述高壓給水泵的進水口連通，所述高壓給水泵的出水口與所述加熱爐的進水口連通，所述壓力調節閥設置在所述高壓給水泵和所述加熱爐之間的管路上，所述亞臨界或超臨界水發生器設置在所述加熱爐的內部，所述加熱爐的出水口與所述噴淋器的進水口連通，所述噴淋器設置在所述水解釜的頂部；所述儀表檢測控制系統與所述加熱爐和所述壓力調節閥通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述加熱爐和所述壓力調節閥的工作狀態進行控制和調節。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置採用高壓飽和水和/ 或飽和蒸汽、超高壓飽和水和/或飽和蒸汽、亞臨界飽和水和/或飽和蒸汽、超臨界飽和水和/或飽和蒸汽對生物質進行水解。在本實用新型中，所述高壓飽和水和/或飽和蒸汽的壓力為0.1～2.8MPa、溫度為100～230℃；所述超高壓飽和水和/或飽和蒸汽的壓力為2.8～4.8MPa、溫度為230～260℃；所述亞臨界飽和水和/或飽和蒸汽的壓力為4.8～20MPa、溫度為260～366℃；所述超臨界飽和水和/或飽和蒸汽的壓力＞22.1MPa、溫度＞374.2℃。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括水解釜4；所述水解釜4優選為能夠承受至少30MPa壓力和至少500℃溫度的容器，包括圓筒和封頭兩個主要部分，如圖2所示。本實用新型對於所述水解釜的材質沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的製備壓力容器的鋼材即可。本實用新型對於所述水解釜的形狀沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的水解釜的形狀即可，如圓柱形、球形或錐形。本實用新型對於所述水解釜的容量沒有特殊的限定，根據實際生產情況計算水解釜的容量即可。在本實用新型的實施例中，按水解裝置每天工作8h，生物質水解時間20min，穩定時間10min計，則水解每釜生物質需要0.5h，每天可以水解16釜生物質；按每天處理100t生物質，生物質水解後的密度1.5t/m3計，則水解釜的容量至少為100/1.5/16＝4.2m3。

在本實用新型的實施例中，所述水解釜4的頂部設有攪拌器5。在本實用新型中，所述攪拌器在生物質水解過程中進行攪拌，以保證生物質能夠混合均勻、水解反應充分。本實用新型對於所述攪拌器在水解釜內部的設置位置沒有特殊的限定，根據實際生產情況中生物質的添加量以及水解釜的容量、直徑，確定攪拌器在水解釜內部的設置位置即可。如圖2所示，在本實用新型的實施例中，所述攪拌器具體包括攪拌軸和設置在所述攪拌軸上的攪拌葉片。在本實用新型的實施例中，所述攪拌器具體通過設置在所述水解釜外部上端的電動機帶動攪拌軸旋轉，當攪拌軸旋轉時帶動攪拌葉片在水解釜內旋轉，從而達到對生物質攪拌的目的。本實用新型對於所述攪拌器的攪拌速率沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的能夠在水解反應過程中將生物質攪拌均勻的攪拌速率即可。在本實用新型中，所述攪拌器的攪拌速率優選為15～100rpm，更優選為30～80rpm。

在本實用新型的實施例中，所述水解釜4的入料口、出料口以及與攪拌器和噴淋器的連接處設有密封裝置，以保證水解反應過程中不漏水、漏氣。本實用新型對於所述密封裝置沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的填料密封或機械密封即可。

在本實用新型的實施例中，所述生物質亞臨界或超臨界水解裝置還包括粉碎機1、料鬥2和給料機3；所述粉碎機1具體通過所述料鬥2與所述給料機3連接，所述給料機3的出料口具體與所述水解釜4側壁的下端部設置的入料口連通。本實用新型對於所述粉碎機、料鬥和給料機沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的粉碎機、料鬥和給料機即可。在本實用新型的實施例中，生物質原料經粉碎機1粉碎，進入料鬥2，經給料機3 輸送至水解釜4中進行水解。本實用新型對於生物質原料的粉碎程度沒有特殊的限定，將生物質原料粉碎至本領域技術人員熟知的粒度即可。本實用新型優選採用粉碎機將生物質原料粉碎至粒度為1～200mm，更優選為 10～150mm，最優選為50～100mm。本實用新型對於所述料鬥的容量沒有特殊的限定，根據實際生產情況選擇料鬥的容量即可。在本實用新型的實施例中，所述料鬥的容量為1～10m3。

在本實用新型的實施例中，所述生物質亞臨界或超臨界水解裝置還包括出料裝置14和成品儲存罐15，所述成品儲存罐15具體通過所述出料裝置14與所述水解釜4的底部設置的出料口連通。本實用新型對於所述出料裝置沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的設計和製造方法製作即可。在本實用新型的實施例中，所述出料裝置具體可以採用螺旋輸送裝置。在本實用新型的實施例中，所述成品儲存罐具體為本領域技術人員熟知的儲存容器，用普通鋼材製作即可。在本實用新型的實施例中，生物質水解後得到的成品經出料裝置14輸送至成品儲存罐15進行儲存，以便下一段工藝使用。

在本實用新型的實施例中，所述出料裝置14的進料端和出料端設有密封裝置，以保證生物質水解後得到的成品在從水解釜4到成品儲存罐15的輸送過程中不漏水、漏氣。本實用新型對於所述密封裝置沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的填料密封或機械密封即可。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括儲水裝置10；本實用新型對於所述儲水裝置沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的儲水裝置即可。在本實用新型的實施例中，所述儲水裝置具體採用方形或圓形容器。本實用新型對於所述儲水裝置的容量沒有特殊的限定，根據實際生產情況選擇儲水裝置的容量即可。在本實用新型的實施例中，所述儲水裝置的容量為50～100m3。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括高壓給水泵 13，所述高壓給水泵13的進水口與所述儲水裝置10的出水口連通；在本實用新型中，所述高壓給水泵優選能夠將常壓水的壓力提升到30MPa及以下的各種工況。

在本實用新型的實施例中，所述儲水裝置10與所述高壓給水泵13之間連通設有除鹽裝置11；所述除鹽裝置11能夠除去普通水或自然水中的鹽分，使普通水或自然水軟化，保證在後續的高溫高壓條件下不會結垢。本實用新型對於所述除鹽裝置沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的除鹽裝置即可。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括壓力調節閥 12，所述壓力調節閥12設置在所述高壓給水泵13和加熱爐8之間的管路上；在本實用新型中，所述壓力調節閥能夠調節經高壓給水泵處理的水的壓力，在實際生產中，所述壓力調節閥可以配有輔助裝置，如減溫器，協調完成對水的參數的調節和控制。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括加熱爐8，所述加熱爐8設置在壓力調節閥12與噴淋器6之間；在本實用新型中，所述加熱爐是一種能夠產生熱能的裝置，並能夠滿足將生物質加熱至500℃及以下溫度的熱量需求。在本實用新型的實施例中，所述加熱爐具體可為燃煤爐、燃氣爐、燃油爐、電加熱爐、天然氣爐或沼氣爐等。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括亞臨界或超臨界水發生器9；所述亞臨界或超臨界水發生器設置在所述加熱爐的內部。在本實用新型中，所述亞臨界或超臨界水發生器能夠將加熱爐所產生的熱量傳遞給水，產生至少30MPa壓力的飽和水和/或飽和蒸汽，滿足生物質水解要求的各種工況。本實用新型對於所述亞臨界或超臨界水發生器沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的亞臨界或超臨界水發生器即可。我國有大量的鍋爐廠能夠生產亞/超臨界飽和水(汽)鍋爐，能夠滿足本實用新型需要的飽和水(汽)。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括儀表檢測控制系統7，所述儀表檢測控制系統與所述加熱爐和所述壓力調節閥通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述加熱爐和所述壓力調節閥的工作狀態進行控制和調節；能夠對從加熱爐的出水口流出的水的壓力和溫度進行檢測，保證從加熱爐的出水口流出的水達到生物質水解要求的各種工況。

在本實用新型的實施例中，所述儀表檢測控制系統與所述水解釜、噴淋器、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置和高壓給水泵通信連接，所述儀表檢測控制系統對所述水解釜、噴淋器、亞臨界或超臨界水發生器、儲水裝置和高壓給水泵的工作狀態進行控制和調節，以便滿足生物質水解要求的各種工況。在本實用新型的實施例中，所述儀表檢測控制系統7是一個集檢測和控制於一體的綜合系統，可以對生物質水解要求的各種工況和主要設備的參數進行檢測和控制，具體可採用離散控制系統(DCS)對整個系統和主要設備進行檢測和控制。

本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置包括噴淋器6，所述噴淋器6設置在所述水解釜4的頂部；本實用新型對於所述噴淋器沒有特殊的限定，採用本領域技術人員熟知的噴淋器即可。在本實用新型的實施例中，經儀表檢測控制系統7檢測和控制後得到的滿足生物質水解要求的各種工況的水通過噴淋器6向水解釜4中的生物質噴灑，同時在攪拌器5 的攪拌下，進行水解反應，如圖2所示。

下面將結合本實用新型中的實施例，對本實用新型中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

實施例1

結合圖1，使用本實用新型提供的裝置進行生物質亞臨界或超臨界水解，具體包括以下步驟：

生物質原料經粉碎機1粉碎至1～200mm後進入料鬥2，經給料機3輸送至水解釜4中；

儲水箱10中的普通水進入除鹽裝置11除去水中的鹽分，再進入高壓給水泵13使水的壓力從常壓升至10～30MPa，經壓力調節閥12調節水的壓力後進入加熱爐8，通過亞臨界或超臨界水發生器9使水的溫度升至 150～500℃，通過儀表檢測控制系統7控制和檢測後，將滿足生物質水解要求的各種工況的水通過噴淋器6向水解釜4中的生物質噴灑，同時在攪拌器5的攪拌下，進行水解反應，通過出料裝置14將水解反應完成後得到的成品從水解釜4中輸送至成品儲存罐15中，供下一段工藝使用；其中，可參照表1選擇所述水解時間與水解參數。

表1水解時間與水解參數的關係

實施例2

將本實用新型提供的生物質亞臨界或超臨界水解裝置應用於秸稈水解生產沼氣的工藝中，工藝流程圖見圖3，具體包括以下步驟：

秸稈原料經粉碎機粉碎至1～200mm後輸送至超/亞臨界水解反應釜中，在高溫、高壓飽和水的作用下進行水解反應；

將水解反應後得到的物料經給料機輸送至沼氣池中，沼氣池中產生的沼氣儲存到儲氣罐中，供給沼氣發電機用於發電；沼氣發電機產生的餘熱採用餘熱換熱器將煙氣熱量傳遞給沼氣池內的生物質和沼液，用於加熱沼氣池；儲氣罐中的沼氣可供給沼氣鍋爐將自來水轉化為水解反應所需要的高溫、高壓飽和水。

在實際生產中，對於水解參數選擇需要根據具體工程決定，如果採用高壓或超高壓水解，水解時間為0.5～5小時；如果採用亞臨界或超臨界水解，水解時間會大大縮短，不超過0.5小時。可參照表1選擇所述水解時間與水解參數。

在實際生產中，如果沒有對秸稈進行水解預處理，而直接將秸稈用於生產沼氣，由於秸稈的纖維素和細胞沒有破裂，沼氣發酵的周期很長，通常情況下超過1個月，甚至半年。如果用常溫發酵，發酵時間一般超過兩個月，能源轉換效率不超過50％。如果對秸稈進行水解預處理以後，沼氣發酵周期會縮短到10～15天，能源轉換效率會達到60～70％，沼氣池產氣率提高40～60％。這是因為在高壓、高溫飽和水的作用下，水的溶劑化能力急劇增強，電離程度隨之增大，可打破木質素的包裹作用，也降低纖維素的聚合度，使纖維素迅速分解成低聚糖最後轉化成葡萄糖。

如果秸稈經過了水解預處理，生物質在沼氣池中進行厭氧發酵，各個技術指標都會得到很大的提升。在厭氧發酵中首先由甲烷伴生菌對預處理後的的生物質進行酸化，產生乙酸。然後再由甲烷菌將乙酸轉換為甲烷(沼氣)。

由於未進行水解預處理的生物質的主要成分是木質素，不容易被微生物直接消化和吸收。當對秸稈進行亞/超臨界預處理以後，80％以上的木質素轉化為了葡萄糖，微生物更能吸收，從而能夠使沼氣發酵周期大大縮短，秸稈的能源轉換效率也大大提高。

由以上實施例可以看出，採用本實用新型提供的裝置能夠實現大規模工業化生物質亞臨界或超臨界連續水解生產，在清潔能源、低碳社區和有機農業中有重要意義。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。