一种生物质制备液体燃料的工艺与蒸汽水解装置 |
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| 申请号 | CN202211128764.X | 申请日 | 2022-09-16 | 公开(公告)号 | CN115418254A | 公开(公告)日 | 2022-12-02 |
| 申请人 | 辽宁省能源研究所有限公司; | 发明人 | 邵丽杰; 寇巍; 李晓伟; 王晓明; 刘建坤; 闫昌国; 田晓美; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种 生物 质 制备 液体 燃料 的工艺与 蒸汽 水 解 装置，包括以下步骤：S1、喷淋 试剂 ：向反应釜内倒入秸秆原料并喷淋水解试剂；S2、蒸汽水解：向反应釜内通入蒸汽；S3、循环使用水解试剂：回收所述反应釜内剩余的所述水解试剂，并将收集的所述水解试剂再次通入所述反应釜内。本发明能够实现 纤维 生物质快速水解，并且循环使用水解试剂使其充分利用，减少使用成本，降低外排造成的污染环境程度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种生物质制备液体燃料的工艺，其特征在于：包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种生物质制备液体燃料的工艺与蒸汽水解装置技术领域背景技术[0002] 秸秆纤维类废弃物的一些常规处理方式包括露天焚烧、堆肥、粉碎填埋和压块/打包处理等，高值化利用效率较低，有些处理方式甚至还会伴有二次污染。如无法采用一些方式将农业废弃物与工业化利用结合，将限制我国产业的整体发展，并造成一定的资源浪费 与环境污染。 [0003] 蒸汽水解工艺是针对有产量巨大的生物质类原料，通过蒸汽分解纤维有机物的处理过程，处理后的产物——糠醛、糖类等可作为能源化工类相关中间体。既实现了生物质资源的高效利用，解决农业废弃物处理问题，又实现了石化资源替代，为可持续发展提供支 撑。 [0004] 目前，废气秸秆高值转化技术多采用的生物发酵、粉碎、化学试剂处理等方式，大量处理后剩余物中，还残存着分解发酵的药剂未被充足利用便随着废渣一起排出，并且取出制备的液体燃料也会连同着秸秆废渣，从而增加了后续处理的负但，无法实现很好的再 利用，造成使用成本的提高以及二次污染，并且秸秆纤维的高效水解对密封等技术要求高，现有技术中存在处理后的产品质量差、杂质含量高等问题。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种生物质制备液体燃料的工艺与蒸汽水解装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现纤维生物质快速水解，并且循环使用水解试剂使其充分 利用，减少使用成本，并降低外排造成的污染环境程度。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种生物质制备液体燃料的工艺，包括以下步骤： [0007] S1、喷淋试剂：向反应釜内倒入秸秆原料并喷淋水解试剂； [0008] S2、蒸汽水解：向反应釜内通入蒸汽； [0009] S3、循环使用水解试剂：回收所述反应釜内剩余的所述水解试剂，并将收集的所述水解试剂再次通入所述反应釜内； [0010] S4、收集液体燃料：回收所述反应釜(1)顶端设置的蒸汽出口中泵出的蒸汽。 [0011] 优选的，步骤S3中，停止向所述反应釜内通入蒸汽，回收剩余所述水解试剂，然后向所述反应釜内通入蒸汽将回收的所述水解试剂压入所述反应釜内进行循环水解。 [0012] 优选的，步骤S2中，向所述反应釜内通入低压蒸汽，所述反应釜内温度为170℃‑190℃后减慢蒸汽通入速度，并控制所述反应釜内温度在200℃后密封，对所述秸秆原料处 理15min～30min。 [0015] 此外，本发明还提供一种蒸汽水解装置，包括反应釜，所述反应釜顶端设置有进料口、气相出口以及至少一个喷淋口，所述反应釜底端设置有出料口，所述秸秆原料位于所述反应釜内； [0016] 第一蒸汽环管，固接在所述反应釜内，所述第一蒸汽环管具有进气端和出气端，所述反应釜通过所述进气端和所述出气端与外部连通，所述水解试剂通过所述出气端渗入所述第一蒸汽环管内。 [0017] 优选的，所述第一蒸汽环管为第一蒸汽压力环，所述第一蒸汽压力环固接在所述反应釜内壁面的底部，所述第一蒸汽压力环上开设有第一蒸汽进口，所述第一蒸汽进口方 向朝下，所述第一蒸汽压力环通过所述第一蒸汽进口与所述反应釜外部连通。 [0018] 优选的，所述第一蒸汽压力环上方设置有第二蒸汽压力环，所述第二蒸汽压力环与所述反应釜内壁面固接，所述第二蒸汽压力环上开设有第二蒸汽进口，所述第二蒸汽进 口方向水平，所述第二蒸汽压力环通过所述第二蒸汽进口与所述反应釜外部连通。 [0019] 优选的，所述第一蒸汽压力环和所述第二蒸汽压力环上均开设有若干释放孔，所述第一蒸汽压力环和所述第二蒸汽压力环分别通过若干所述释放孔与所述反应釜连通，所 述反应釜通过所述第一蒸汽进口、所述第二蒸汽进口和若干所述释放孔与外部连通，所述 水解试剂通过若干所述释放孔分别与所述第一蒸汽压力环和所述第二蒸汽压力环连通。 [0020] 优选的，所述气相出口为蒸提气出口，所述蒸提气出口设置在所述进料口的一侧，所述蒸提气出口内设置有滤网，所述滤网的网孔≤ 0.5cm。 [0021] 本发明公开了以下技术效果： [0022] 1、通过对秸秆原料喷淋水解试剂，然后向反应釜内通入蒸汽使反应釜内达到高温、高压环境，最后回收水解试剂并循环使用，反复对秸秆原料进行水解，通过水解试剂的酸处理水解、高温蒸汽水解与高压液化反应的有机结合，形成低消耗量、高处理效率、低能耗的纤维原料定向转化利用系统。 [0023] 2、通过设置第一蒸汽环管，将水解试剂循环使用，实现了水解试剂的低添加、反应釜内水解试剂的循环利用，并且通过水解试剂通过第一蒸汽环管排出，秸秆原料废渣通过出料口排出，使产出物能够定向控制生产，在降低生产成本的同时，减少废料外排造成的污染。 [0024] 3、通过循环水解，通入蒸汽，并利用蒸汽将水解制备的液体燃料一同携带出，实现从反应釜顶端的气相出口回收液体燃料，并且水解后的秸秆废渣通过反应釜底部的出料口通出，通过通入蒸汽不仅将秸秆原料与水解试剂充分搅拌混合，并且能够实现液体燃料与 废料的分离，提高制备效率。 附图说明 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1为整体装置的结构示意图； [0027] 图2为出料口和喷淋口的位置关系示意图； [0028] 图3为第一蒸汽压力环的结构示意图； [0029] 图4为第二蒸汽压力环的结构示意图； [0030] 其中，1、反应釜；2、第一蒸汽压力环；3、第一蒸汽进口；4、第一控制阀；5、第二蒸汽压力环；6、第二蒸汽进口；7、第二控制阀；8、进料口；9、出料口；10、喷淋口；11、安全阀；12、第一温控点；13、第二温控点；14、第三温控点；15、压力控点；16、蒸提气出口；17、释放孔；18、滤网。 具体实施方式[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。 [0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0033] 参照图1‑4，本发明提供一种生物质制备液体燃料的工艺，包括以下步骤： [0034] S1、喷淋试剂：向反应釜1内倒入秸秆原料并喷淋水解试剂；将秸秆原料经分选并粉碎至粒径1‑5cm范围内，并检测秸秆原料中的纤维素、半纤维素和木质素比例情况，通过反应釜1顶端喷淋口10内设置的雾化器(图中未示出)将水解试剂喷淋到反应釜1内。 [0035] S2、蒸汽水解：向反应釜1内通入蒸汽；在反应釜1内的水解试剂酸浓度达到水解标准后，停止喷淋并向反应釜1内通入蒸汽，使秸秆原料与水解试剂充分混合，通过反应釜1侧壁上设置的第一温控点 12、第二温控点13、第三温控点14检测反应釜1内的温度变化，并通过压力控点15检测压力值，使反应釜1达到高温、高压环境，促进秸秆原料与水解试剂的水解反应。 [0036] S3、循环使用水解试剂：回收反应釜1内剩余的水解试剂，并将收集的水解试剂再次通入反应釜1内；在进行水解反应后停止通入蒸汽，使剩余的水解试剂受重力作用逐渐渗入蒸汽进口管路，然后再次通入蒸汽将收集的水解试剂泵入反应釜1内，进行循环使用。 [0037] S4、收集液体燃料：回收所述反应釜(1)顶端设置的蒸汽出口中泵出的蒸汽；利用蒸汽将水解制备的液体燃料一同携带出，实现从反应釜顶端的气相出口回收液体燃料，并 且水解后的秸秆废渣通过反应釜底部的出料口通出，通过通入蒸汽不仅将秸秆原料与水解 试剂充分搅拌混合，并且能同时实现液体燃料与废料的分离，提高制备效率。 [0038] 本发明通过对秸秆原料喷淋水解试剂，然后向反应釜1内通入蒸汽使反应釜1内达到高温、高压环境，最后回收水解试剂并循环使用，反复对秸秆原料进行水解，相比于传统的通过搅拌杆方式进行搅拌促进水解，通过蒸汽翻腾带动秸秆原料和水解试剂充分混合， 在提升水解效果的同时还实现酸处理水解、高温蒸汽水解与高压液化反应的有机结合，形 成低消耗量、高处理效率、低能耗的纤维原料定向转化利用系统，实现了水解试剂的低添 加、反应釜1内水解试剂的循环利用、产出物定向控制生产的生物能源与化工原料制备方 法，通过纤维生物质原料在低能耗、低试剂处理的条件下进行快速、高效分解可利用的目标产物。 [0039] 进一步优化方案，步骤S3中，停止向反应釜1内通入蒸汽，回收剩余水解试剂，然后向反应釜1内通入蒸汽将回收的水解试剂压入反应釜1内。 [0040] 通过控制阀控制蒸汽的通入，利用控制阀与反应釜1的结合，通过蒸汽泵入的压力通入水解试剂对秸秆原料进行充分水解，在蒸汽不断的通入和停止的过程中，进行反复的 泵入和回收水解试剂，以此实现水解试剂的循环使用，避免额外的增加运作成本，并减少了处理过程中的废液排放量以及能量消耗。 [0041] 进一步优化方案，步骤S2中，向反应釜1内通入低压蒸汽，反应釜1内温度为170℃‑190℃后减慢蒸汽通入速度，并控制反应釜1 内温度在200℃后密封，对秸秆原料处理15min～30min。 [0042] 进一步优化方案，步骤S1中，检测所述秸秆原料中的纤维素、半纤维素和木质素含量，当秸秆原料中纤维素和半纤维素的总量百分比＞木质素的总量百分比时，水解试剂为浓度5.0％～8.0％的硫酸溶液，水解试剂的质量为反应釜1内秸秆原料质量的1％～2％。 [0043] 进一步优化方案，步骤S1中，检测所述秸秆原料中的纤维素、半纤维素和木质素含量，当秸秆原料中纤维素和半纤维素的总量百分比＜木质素的总量百分比时，水解试剂为浓度2.0％～4.0％的硫酸溶液，水解试剂的质量为反应釜1内秸秆原料质量的3％～4％。 [0044] 本发明的一个实施例中，将秸秆原料经分选并粉碎至粒径≤5cm，根据纤维类原料中纤维素、半纤维素和木质素比例情况，原料中纤维素和半纤维素的百分比＞木质素的百 分比，选用浓度5.0％～8.0％的硫酸溶液，并按照反应釜1内物料质量的1％～2％酸含量制备水解试剂进行喷淋；水解试剂酸溶液通过雾化器进行喷淋；通过蒸汽管路将蒸汽通入反 应釜1内，开始低压蒸汽通入，通过第一温控点12、第二温控点13、第三温控点14检测反应釜 1内温度升到170℃‑190℃时减慢通入速度，至反应釜1内温度为200℃后密封，进入高温、高压水解阶段，秸秆原料停留处理时间为30min；利用调节控制阀控制蒸汽的通入，将水解后的水解液通过蒸汽口回流到反应釜1中，进行二次水解，反应釜1下方蒸汽通入处理后，反应釜1上方出反应釜1 的蒸提气中糠醛含量为1.6％。 [0045] 本发明的另一个实施例中，将锯末原料经分选并粉碎至粒径≤ 1cm，根据纤维类原料中纤维素、半纤维素和木质素比例情况，原料中纤维素和半纤维素的百分比＜木质素 的百分比，选用浓度为2.0％～ 4.0％硫酸溶液，按照反应釜1内秸秆原料质量的3％～4％ 酸含量制备水解试剂，水解试剂酸溶液通过雾化器进行喷淋；通过蒸汽管路将蒸汽通入反 应釜1内，开始低压蒸汽通入，通过第一温控点12、第二温控点13、第三温控点14检测反应釜 1内温度升到170℃‑190℃时减慢通入速度，在反应釜1内温度至200℃后密封，进入高温、高压水解阶段，原料停留处理时间为20min；利用调节控制阀，将水解后的水解液通过蒸汽口回流到反应釜1中，进行二次水解，下方蒸汽通入处理后，反应釜1上方出反应釜1的蒸提气中糠醛含量为1.8％。 [0046] 本发明还提供一种蒸汽水解装置，包括反应釜1，反应釜1顶端设置有进料口8、气相出口以及至少一个喷淋口10，反应釜1底端设置有出料口9，秸秆原料位于反应釜1内； [0047] 第一蒸汽环管，固接在反应釜1内，第一蒸汽环管具有进气端和出气端，反应釜1通过进气端和出气端与外部连通，水解试剂通过出气端渗入第一蒸汽环管内。 [0048] 本发明中通过在反应釜1顶端设置喷淋口10对反应釜1内部喷淋，通过设置第一蒸汽环管，在一开始通过第一蒸汽环管的进气端和出气端向反应釜1内通入蒸汽，使反应釜1 内达到高温、高压环境用于秸秆原料充分水解，然后通过停止通入蒸汽使水解试剂通过出 气端渗入到第一蒸汽环管内，最后通入蒸汽将第一蒸汽环管内的水解试剂重新压入反应釜 1内，完成水解试剂的循环使用，在反应釜1底部设置第一蒸汽环管通入蒸汽，不仅利用蒸汽将秸秆原料与水解试剂充分混合，将秸秆原料与水解试剂均匀搅拌、充分混合，提高水解试剂的使用效率，并且在水解过程中减少了传统搅拌方式所需要额外消耗的能量，使秸秆原 料发酵处理更高效，并且使用将水解试剂循环处理的方式减少使用成本，提高秸秆原料水 解过程的废液处理效率，降低废液排放。 [0049] 进一步优化方案，第一蒸汽环管为第一蒸汽压力环2，第一蒸汽压力环2固接在反应釜1内壁面的底部，第一蒸汽压力环2上开设有第一蒸汽进口3，第一蒸汽进口3方向朝下，第一蒸汽压力环2通过第一蒸汽进口3与反应釜1外部连通。 [0050] 通过第一蒸汽压力环2将蒸汽通入反应釜1内，不仅为秸秆原料水解反应提供高温、高压条件，还利用蒸汽泵入的空气动能将秸秆原料和水解试剂充分混合，促进水解反 应，当停止通入蒸汽后，水解试剂在重力作用下渗入第一蒸汽压力环2内，不仅可以再次通入蒸汽将水解试剂泵入反应釜1内进行循环使用，也可利用第一蒸汽进口3将收集到水解废 液排出，结合着反应釜1底端设置的出料口9排出秸秆废料，从而实现固液分离的效果。 [0051] 进一步优化方案，第一蒸汽压力环2上方设置有第二蒸汽压力环 5，第二蒸汽压力环5与反应釜1内壁面固接，第二蒸汽压力环5上开设有第二蒸汽进口6，第二蒸汽进口6方向水平，第二蒸汽压力环 5通过第二蒸汽进口6与反应釜1外部连通。 [0052] 通过在第一蒸汽压力环2上方增设第二蒸汽压力环5，进一步提高水解试剂的回收循环效率，并且位于下方的第一蒸汽压力环2上的第一蒸汽进口3方向朝下，便于最后将残 余水解试剂废液通出反应釜 1，而第二蒸汽压力环5的开口方向水平，便于操作人员通过第二蒸汽进口6向反应釜内通入蒸汽，并降低水解试剂从第二蒸汽进口6流出的可能，而且通 过第二蒸汽压力环5增加蒸汽通入口的数量，提高蒸汽通入效率，进一步加深蒸汽带动秸秆原料翻滚与水解试剂的混合作用，提高水解效率。 [0053] 进一步优化方案，第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5上均开设有若干释放孔17，第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5分别通过若干释放孔17与反应釜1连通，反应釜1 通过第一蒸汽进口3、第二蒸汽进口6和若干释放孔17与外部连通，水解试剂通过若干释放 孔17分别与第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5连通。 [0054] 通过开设释放孔17提高蒸汽泵入反应釜1内的压力，使得第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5内收集水解试剂，能够在蒸汽压力的作用下有效的通入反应釜1内，利用反应 釜1外壁面设置的压力控点15，以及在第一蒸汽进口3和第二蒸汽进口6上分别设置的第一 控制阀4和第二控制阀7，通过第一控制阀4和第二控制阀7便于操作人员控制蒸汽的通入， 进行秸秆原料的水解反应以及水解试剂循环使用。 [0056] 本发明的一个实施例中，第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5 的管路内径与第一蒸汽进口3和第二蒸汽进口6的直径相同，并且若干释放孔17交错均匀的开设在第一蒸汽 压力环2和第二蒸汽压力环 5两侧，为了保证通入反应釜1内的蒸汽压力值能够将水解试剂 泵入反应釜1内，第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5的圆环直径为反应釜1内径的2/3，并且若干释放孔17的总截面积小于或等于第一蒸汽进口3截面和第二蒸汽进口6截面的面积 之和，以此保障通过释放孔17泵入的压力值，能够产生足够带动秸秆原料翻滚的动力。 [0057] 进一步优化方案，气相出口为蒸提气出口16，蒸提气出口16设置在进料口8的一侧，蒸提气出口16内设置有滤网18，滤网18的网孔≤0.5cm。 [0058] 通过反应釜1顶端设置的蒸提气出口16将水解反应后释放的水蒸汽排出并收集，实现液体燃料的整体制备过程，并且在蒸提气出口 16内设置滤网18将部分秸秆原料残渣 过滤，提高制备效果。 [0059] 工作原理： [0060] 本发明中将制备燃料的秸秆原料从反应釜1顶端开设的出料口9 通入反应釜1内，同时将水解试剂从喷淋口10向反应釜1内喷淋，然后通过第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力 环5将蒸汽通入反应釜1 内，通过第一温控点12、第二温控点13、第三温控点14观测反应釜 1内的温度变化，通过压力控点15检测反应釜1内的压力值，待反应釜1内的环境达到秸秆原料水解反应的标准时，继续通入蒸汽使秸秆原料与水解试剂充分混合进行水解反应，并且 在水解过程中通过反应釜1顶端设置的安全阀11保障步骤的有效进行，待初步水解过程完 成后停止通入蒸汽，使水解试剂渗入第一蒸汽压力环2和第二蒸汽压力环5内回收，通过通 入蒸汽将回收的水解试剂再次通入反应釜1 内进行循环使用，最后通过反应釜1顶端开设 的蒸提气出口16收集水解反应制备的液体燃料糠醛，并且通过第一蒸汽压力环2和第二蒸 汽压力环5将残余的水解试剂收集，出液过程中出料口9保持关闭，实现废液的高效收集便 于后续进行处理，减少污染，最后开启出料口 9将剩余秸秆沼渣排出，实现废渣废液分离排出。 [0061] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明，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发明的限制。 |
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