本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)的裝置，具體涉及一種可以減少系統(tǒng)能量流失、使能量得到再次利用的水熱碳化反應(yīng)裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的水熱碳化反應(yīng)裝置通常包括一個(gè)反應(yīng)釜，其通過(guò)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器吸收蒸汽，并通過(guò)一根進(jìn)料管與一個(gè)混合罐連接以裝入生物質(zhì)，并且與一個(gè)緩沖罐相連，將在反應(yīng)罐中由熱蒸汽和生物質(zhì)形成的漿料排出至緩沖罐中。例如在專利de102011001108a1中就提供了這樣一種水熱碳化反應(yīng)裝置：反應(yīng)在反應(yīng)釜中進(jìn)行，反應(yīng)釜通過(guò)一個(gè)混合罐或預(yù)熱罐進(jìn)行供料，該混合罐或預(yù)熱罐通過(guò)一個(gè)固定燃料泵與反應(yīng)釜相連。生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理后，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力和溫度相對(duì)更低，該混合罐預(yù)先按照裝料量以及裝料批次進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得生物質(zhì)能夠在反應(yīng)釜中被完全排空。在氣壓大約小于25bar并且溫度在210℃到230℃之間時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)即可發(fā)生碳化反應(yīng)。碳化反應(yīng)中首先將生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分解，從而使水解中的生物質(zhì)纖維素分解成葡萄糖，然后發(fā)生碳化。在這里完成生物質(zhì)的混合以及熱蒸汽的供給，從而提高混合物中的水含量，并形成一種漿料，碳化反應(yīng)可以有效進(jìn)行。在最終的冷凝過(guò)程中，首先水溶的碳-成分會(huì)結(jié)合成更大的分子。反應(yīng)結(jié)束后，在該裝置的設(shè)計(jì)方案中，設(shè)置了一個(gè)緩沖罐，可以將來(lái)自反應(yīng)釜的反應(yīng)后漿料引入到緩沖罐中，在緩沖罐中漿料會(huì)慢慢冷卻到一個(gè)較低的壓力水平。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水熱碳化反應(yīng)，最終將載能體中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭。但是，為了反應(yīng)過(guò)程能夠更高效地進(jìn)行，在過(guò)程中盡可能節(jié)約更多的能量非常重要，同樣重要的是，必須對(duì)系統(tǒng)利用率進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠更有效運(yùn)行。然而，目前現(xiàn)有技術(shù)中所提供的實(shí)現(xiàn)水熱碳化反應(yīng)的裝置，均沒有涉及能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種新的水熱碳化反應(yīng)裝置，該裝置能夠進(jìn)一步改善水熱碳化反應(yīng)裝置中的能量平衡，能夠節(jié)約系統(tǒng)中更多的能量，并使得反應(yīng)運(yùn)行過(guò)程更加有效。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下具體的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：設(shè)置一臺(tái)碎漿機(jī)來(lái)代替現(xiàn)有技術(shù)中的簡(jiǎn)單的混合罐，該碎漿機(jī)不僅可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成可存儲(chǔ)和預(yù)備一定量的生物質(zhì)，以用于整個(gè)反應(yīng)行程的供應(yīng)，而且可以使得生物質(zhì)在碎漿機(jī)中被加熱并進(jìn)行混合。其混合效果最好為與熱蒸汽進(jìn)行混合，形成漿料，從而可以非常容易且快速地抽入到反應(yīng)釜中。這些技術(shù)手段減少了現(xiàn)有技術(shù)中需要通過(guò)固體泵向反應(yīng)釜運(yùn)送生物質(zhì)的時(shí)間。

進(jìn)一步地，在碎漿機(jī)中集成第一熱交換器，并使其與集成在緩沖罐中的、用于將熱量從反應(yīng)釜中排出的第二熱交換器相組合，從而吸收反應(yīng)漿料中的熱量并進(jìn)行熱循環(huán)，從緩沖罐中吸收的熱量通過(guò)熱循環(huán)輸送到碎漿機(jī)并由生物質(zhì)吸收，再次冷卻的熱介質(zhì)被傳遞返回到緩沖罐中的第二熱交換器中，并在此再次冷卻漿料。熱量的傳遞可以通過(guò)載熱體實(shí)現(xiàn)。在此形成的這樣一個(gè)熱循環(huán)，其中冷卻的漿料傳遞其熱量至待加熱的生物質(zhì)，從而使一次性供給的能量能持久地保留在系統(tǒng)中。進(jìn)一步地，為了可以從外部進(jìn)行干預(yù)，至少在熱循環(huán)中另外設(shè)置熱交換器，可以向熱循環(huán)中供給或提取熱量。

進(jìn)一步地，所述的熱交換器可以以不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可以為需要設(shè)置換熱器的罐體例如上述的碎漿機(jī)和緩沖罐設(shè)置一個(gè)雙壁外殼，在雙壁之間形成空腔，空腔內(nèi)可以灌注載熱介質(zhì)，根據(jù)使用具體要求，熱量或者被雙側(cè)內(nèi)壁吸收，或者散發(fā)到雙側(cè)內(nèi)壁。

進(jìn)一步地，碎漿機(jī)內(nèi)還可以設(shè)置電動(dòng)攪拌器，可以進(jìn)行攪拌并產(chǎn)生水流，將對(duì)流的載熱體引入到生物質(zhì)中。

進(jìn)一步地，還可以在碎漿機(jī)和緩沖罐外部添加絕緣層，從而減少由于載熱體介質(zhì)反射而造成的熱損失。

進(jìn)一步地，可以在需要安裝熱交換器的罐體例如所述的碎漿機(jī)和緩沖罐中穿過(guò)一根或多根載熱介質(zhì)蛇形管，讓其經(jīng)過(guò)或圍繞每一個(gè)罐的內(nèi)部，并通過(guò)旋繞和彎曲盡可能形成一個(gè)更大的表面。在緩沖罐的熱交換器中是一根冷卻蛇管，在碎漿機(jī)的熱交換器中是一根熱冷卻蛇管。

熱循環(huán)中的載熱介質(zhì)優(yōu)選為載熱介質(zhì)油。

進(jìn)一步地，由于碎漿機(jī)不能只通過(guò)熱循環(huán)從緩沖罐中獲取熱量，尤其是在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，如果還沒有形成用于冷卻的漿料，此時(shí)需要給碎漿機(jī)的初始加熱提供其他的來(lái)源。可以通過(guò)設(shè)置一臺(tái)蒸汽發(fā)生器與碎漿機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)碎漿機(jī)的初始加熱，通過(guò)蒸汽發(fā)生器向碎漿機(jī)進(jìn)行熱蒸汽供應(yīng)，能夠提供碎漿機(jī)所需的用于生物質(zhì)加熱的能量。

進(jìn)一步地，相同的蒸汽發(fā)生器還可以與反應(yīng)釜相連接，將蒸汽供給反應(yīng)釜。

進(jìn)一步地，反應(yīng)釜除了進(jìn)料管，還可以設(shè)置一個(gè)氣體管，通過(guò)氣體管與碎漿機(jī)相連，由于反應(yīng)罐中較高的壓力，可以給碎漿機(jī)中帶來(lái)過(guò)量的氣體，即從反應(yīng)罐中排出的所謂吹掃氣體，也稱之為清洗氣體，這種氣體具有加熱作用。

生物質(zhì)將在碎漿機(jī)中被加熱到它的工作溫度90℃左右，并在碎漿機(jī)中與熱蒸汽進(jìn)行均勻混合。為了實(shí)現(xiàn)這種均勻混合，可以通過(guò)在碎漿機(jī)中設(shè)置不同類型的攪拌器和混合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如設(shè)置一排或幾排混合噴嘴，或者設(shè)置攪拌器，或者混合噴嘴與攪拌器相結(jié)合。進(jìn)一步地，攪拌器優(yōu)選為一種非對(duì)稱的電動(dòng)攪拌器，其可以確保生物質(zhì)不僅在循環(huán)中攪動(dòng)，還可以形成湍流。在碎漿機(jī)中設(shè)置的混合噴嘴，可以使來(lái)自反應(yīng)釜的吹掃氣體引入到碎漿機(jī)中，不但可以將反應(yīng)罐的能量用于加熱，也有助于生物質(zhì)的混合。

熱蒸汽供給到碎漿機(jī)時(shí)生物質(zhì)同時(shí)會(huì)發(fā)生液化，以至于不必通過(guò)固體泵將生物質(zhì)輸送到反應(yīng)釜中，可以通過(guò)離心泵輸送，這樣可以實(shí)現(xiàn)更快的反應(yīng)罐供料，從而減少兩批次供料之間的停止時(shí)間，另外，離心泵與固體泵相比，成本更低廉，經(jīng)濟(jì)性更好。

進(jìn)一步地，在碎漿機(jī)上可以設(shè)置一個(gè)漏斗形的底部，可以將重的成份從生物質(zhì)中析出，例如沉淀的沙子和淤泥，將通過(guò)漏斗尖端的排出口從碎漿機(jī)中排出，與生物質(zhì)進(jìn)行分離，并通過(guò)砂分離器排出。

進(jìn)一步地，為了使裝料方式更加優(yōu)化，可以設(shè)置多臺(tái)反應(yīng)釜與一臺(tái)共同的碎漿機(jī)相連。當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)罐發(fā)生反應(yīng)時(shí)，可以開始對(duì)下一臺(tái)反應(yīng)罐進(jìn)行供料，直到第一臺(tái)反應(yīng)罐再次被排空，則可以重新開始加注生物質(zhì)。優(yōu)選為一臺(tái)碎漿機(jī)連接六個(gè)反應(yīng)釜。這種使裝料方式優(yōu)化的設(shè)計(jì)對(duì)于緩沖罐的設(shè)置也同樣適用，優(yōu)選設(shè)置兩個(gè)緩沖罐，選擇性吸收反應(yīng)后的漿料。這種設(shè)計(jì)非常具有實(shí)用性，碎漿機(jī)和/或緩沖罐不僅僅作為一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)，而是將多個(gè)相互連通的反應(yīng)釜與一臺(tái)碎漿機(jī)或緩沖罐相連，即通過(guò)反應(yīng)釜的組合代替單個(gè)的造價(jià)昂貴、體積巨大的反應(yīng)釜，降低了設(shè)備制造難度和制造成本，更具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明裝置的工作原理示意圖

圖2熱循環(huán)及漿料供給示意圖

圖中：1-反應(yīng)釜；2-碎漿機(jī)；3-緩沖罐；4-蒸汽發(fā)生器；5-砂分離器；6-料斗；7-后續(xù)準(zhǔn)備工作；8-進(jìn)料管；9-熱循環(huán)；10-氣體管11-蒸汽管；12-蒸汽管；13-第一臺(tái)熱交換器；14-第二臺(tái)熱交換器；15-外殼；16-空腔；17-絕緣層；18-加熱蛇管；19-制冷蛇管；20-工藝水再循環(huán)。

實(shí)施例

本部分將通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述和說(shuō)明：

如圖1所示，一種實(shí)現(xiàn)水熱碳化反應(yīng)的裝置，包括反應(yīng)釜1，通過(guò)進(jìn)料管8與碎漿機(jī)2相連，進(jìn)料管8將預(yù)處理的生物質(zhì)輸送到反應(yīng)釜1。料斗6將生物質(zhì)輸送到碎漿機(jī)2中，為反應(yīng)供料做提前準(zhǔn)備。料斗6與碎漿機(jī)2之間設(shè)置有一個(gè)輸送單元和污染物的離析裝置，可以是一臺(tái)金屬分離器，經(jīng)污染物離析、輸送單元為碎漿機(jī)2提供生物質(zhì)。在所有與碎漿機(jī)2相連的反應(yīng)釜1中，反應(yīng)運(yùn)行所需的進(jìn)料，通過(guò)與碎漿機(jī)2相連的一根供料管8進(jìn)行供給，并且存儲(chǔ)在那里，其中已加熱的生物質(zhì)立刻被來(lái)自于料斗6的新的、冷的生物質(zhì)代替。蒸汽發(fā)生器4，通過(guò)蒸汽管11與碎漿機(jī)2相連，將熱蒸汽注入碎漿機(jī)2，一方面可以加熱在碎漿機(jī)2中的生物質(zhì)，另一方面可以添加水，將生物質(zhì)液化成漿料。在碎漿機(jī)中還可以設(shè)置一個(gè)非對(duì)稱的電動(dòng)攪拌器，在碎漿機(jī)2中將漿料混合，以便均勻加熱并生成一種均勻的混合物。在碎漿機(jī)2的底部區(qū)域，從生物質(zhì)中沉淀出沙子和淤泥，它們可以在砂分離器中被排出。

為了節(jié)省熱能，反應(yīng)釜1在超壓時(shí)，通過(guò)氣體管10，將所謂的吹掃氣體直接送入碎漿機(jī)2中，使得從反應(yīng)釜1中逸出的能量能保留在系統(tǒng)中。反應(yīng)釜經(jīng)由蒸汽管12與蒸汽發(fā)生器4相連接，蒸汽發(fā)生器4將蒸汽輸送到反應(yīng)釜1中，，從而提供在反應(yīng)釜1中所需的溫度、所需的水和所需的壓力，為水熱碳化反應(yīng)創(chuàng)造反應(yīng)條件。

在反應(yīng)釜1中發(fā)生反應(yīng)后，漿料與碳化生物質(zhì)一起，通過(guò)另一根供應(yīng)管8，排出到緩沖罐3中，排出過(guò)程可以通過(guò)反應(yīng)釜1和緩沖罐3之間的壓力平衡來(lái)完成。由于罐1和3之間存在壓力差，漿料以這種方式很快被吸入到緩沖罐中，然后進(jìn)行冷卻。冷卻后，漿料通過(guò)一個(gè)另一個(gè)進(jìn)料管8進(jìn)入后續(xù)準(zhǔn)備工作7中。在接下來(lái)的過(guò)程中，從漿料中分離出來(lái)的工藝水20，可以再循環(huán)回到反應(yīng)釜1中，反應(yīng)釜1中進(jìn)一步的反應(yīng)可以利用這些仍然含有有機(jī)物的工藝水來(lái)進(jìn)行。工藝水可以反復(fù)利用，無(wú)需用淡水來(lái)代替。

碎漿機(jī)2中的漿料，在反應(yīng)釜1中加熱并在緩沖罐3中冷卻。通過(guò)相連的碎漿機(jī)2和緩沖罐3中的熱交換器，形成了在兩個(gè)罐2和3之間的熱循環(huán)9，該熱循環(huán)可以將緩沖罐3中的漿料熱量傳遞到碎漿機(jī)2中的生物質(zhì)上，以盡可能減少?gòu)脑撓到y(tǒng)中泄漏能量。這些傳輸?shù)剿闈{機(jī)的熱能，只需要少量的熱蒸汽，就可以使碎漿機(jī)2維持所需的溫度。

熱循環(huán)及漿料供給如圖2所示，實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)9、減少能量損失的裝置部分，如熱交換器13和14可以有多種實(shí)施方式，其中一種如圖2所示：為碎漿機(jī)2和緩沖罐3設(shè)置帶有雙重壁的外殼15，在兩側(cè)壁之間形成了一個(gè)空腔16，其外部覆蓋了一個(gè)絕緣層17，從而避免熱量損失。

在碎漿機(jī)2中設(shè)置的第一熱交換器13，通過(guò)具有雙重壁外殼15的內(nèi)壁，輸出之前吸收的熱量，碎漿機(jī)中的漿料將通過(guò)與內(nèi)壁接觸來(lái)進(jìn)行加熱。另外，碎漿機(jī)2中還設(shè)置了加熱蛇管18，其穿過(guò)碎漿機(jī)2并在內(nèi)部與漿料之間進(jìn)行熱量傳遞。在緩沖罐3中設(shè)置的第二熱交換器14，原則上采用相同的設(shè)計(jì)理念，以相反方式運(yùn)行，在熱循環(huán)9中流動(dòng)的載熱體，吸收冷卻漿料的熱能，并通過(guò)熱循環(huán)9傳遞到碎漿機(jī)2中。相應(yīng)的在碎漿機(jī)中設(shè)置的熱交換器蛇管18在緩沖罐中為冷卻蛇管19。

以上描述了一種用于進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)的裝置，其通過(guò)使用熱交換器和系統(tǒng)的熱輸送，來(lái)改善能量平衡，并通過(guò)生物質(zhì)的加熱和液化，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更為有效。