基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新鮮生物質(zhì)高值化處理領(lǐng)域，尤其涉及了基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理裝置，還涉及基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理方法，適用于農(nóng)林廢棄物、畜禽廢棄物和水生植物等新鮮生物質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是一個(gè)發(fā)展中國家，也是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源儲量非常的豐富。但是很多生物質(zhì)資源視為是一種垃圾，有些雖然被利用，也只是簡單的燃燒，利用率非常的低。直到近幾年生物質(zhì)的利用才被逐漸的重視，它有許多的利用價(jià)值:首先，生物質(zhì)本身是低硫、低氮、低灰分的一種物質(zhì)；其次，眾多的可再生能源里面，生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為液體燃料。在世界的能源消耗里面，生物質(zhì)能就占了 15%?18%，與天然氣、煤炭和石油相比居第四位，由此可見，在能源原料里，生物質(zhì)能的潛力非常的大。更重要的是，作為一種能源，生物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)碳的零排放，生物質(zhì)在利用時(shí)排放出來的二氧化碳，跟生物生長發(fā)育過程中從自然中吸收來的二氧化碳是等價(jià)的。這就可以有效的解決燃燒化石燃料所帶來的環(huán)境污染問題。生物質(zhì)包含的種類非常的多，例如林業(yè)、農(nóng)業(yè)等資源，禽畜的糞便，還有城市、工業(yè)和商業(yè)中的垃圾以及一些有機(jī)廢棄物。而在我國，每年可供開采的生物質(zhì)能源大約相當(dāng)于6.56億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，如何利用好這部分資源是個(gè)亟待解決的問題，這不但可以解決我國的能源短缺問題，也可以有效的解決我國的環(huán)境污染問題。為了使生物質(zhì)清潔無污染轉(zhuǎn)化成為我們需要的能源，燃燒、熱解、發(fā)酵和水解等技術(shù)先后被開發(fā)使用。在近幾年，水熱技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn)吸引了無數(shù)研究者的目光，成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。水熱技術(shù)的定義非常的簡單，首先溫度和壓力是一定的，然后在反應(yīng)過程中要有生物質(zhì)和水的參與，最后得到的產(chǎn)物包括氣體、液體和固體，操作參數(shù)不同，產(chǎn)物的產(chǎn)率比也會不相同，生物質(zhì)水熱液化、生物質(zhì)水熱氣化、生物質(zhì)水熱碳化這三種對生物質(zhì)水熱技術(shù)的分類也是由此而來。
[0003]我國可以開發(fā)利用的生物質(zhì)資源有農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便、生活污水污泥、水生植物和能源植物。新鮮生物質(zhì)一般具有較高的含水量，木質(zhì)纖維類生物質(zhì)含水率約在8?23% (濕基)，水生生物質(zhì)，如水葫蘆、浮萍、滸苔等含水量更大，其中水葫蘆含水量高達(dá)95%左右，畜禽糞便的含水量約為60% — 90%。因此，較高的含水量、單位質(zhì)量的發(fā)熱量低、高額操作成本以及處理工藝的復(fù)雜程度等問題制約了含水率較高生物質(zhì)的資源化利用，如何針對含水率較高生物質(zhì)開發(fā)適宜的處理利用技術(shù)是十分必要的。因此，生物質(zhì)水熱碳化作為一種新型的生物質(zhì)碳化技術(shù)被廣泛展開，整個(gè)過程中含濕量這個(gè)參數(shù)沒有任何的限制，對于干燥處理等操作是完全不需要的。將生物質(zhì)與水按一定的比例完全混合放入反應(yīng)器中，在一定的溫度(180-250°C)，反應(yīng)時(shí)間(4-24小時(shí))，和壓力下(14-276 bar)進(jìn)行的水熱反應(yīng)，主要得到固體產(chǎn)物水熱炭。該條件下所需要溫度和壓力都較低，條件相對溫和。從能量密度上而言，水熱炭品質(zhì)接近于泥炭和褐煤，可作為復(fù)合固體燃料直接燃用，與熱解焦炭相比，發(fā)現(xiàn)水熱炭有著$父尚的能量密度；在熱解焦炭中殘留著幾乎100%的由灰分導(dǎo)致的金屬鹽，而水熱炭中灰分含量與原樣相比僅為它的40%，除此之外，水熱炭還有著較高的熱效率和低污染物排放等特點(diǎn)。除此之外，將原料經(jīng)過一定的水熱交聯(lián)碳化處理后，可以得到尺寸均一、形貌較好的炭，通過合成改質(zhì)可以作為高效穩(wěn)定具有納米尺度的碳功能材料，并廣泛應(yīng)用于電極材料、燃料電池等領(lǐng)域。
[0004]但是在較低的水熱碳化溫度下要保持較高的生物質(zhì)水解速率以保證生物質(zhì)的充分轉(zhuǎn)化，對于新鮮生物質(zhì)水熱碳化合成碳基納米材料工藝的實(shí)現(xiàn)十分重要，通過在水熱碳化過程中引入微波場是一條可行途徑。通常，液相產(chǎn)物中的水、糖類、醛類、酚類等各種極性分子的轉(zhuǎn)動頻率處在微波范圍內(nèi)，能吸收一定強(qiáng)度的微波，并在微波作用下使動能-微波能轉(zhuǎn)化為熱能，并快速、均勻地加熱反應(yīng)物，達(dá)到提高化學(xué)反應(yīng)速率的目的。微波除了有熱效應(yīng)外還有非熱效應(yīng)，可以促進(jìn)晶粒生長，加快化學(xué)反應(yīng)，縮短水熱碳化反應(yīng)時(shí)間。生物質(zhì)本身吸收微波能力較弱，但是隨著熱水解反應(yīng)的進(jìn)行其產(chǎn)生的中間產(chǎn)物具有很強(qiáng)的吸收微波能力，使得生物質(zhì)也可以利用到微波快速加熱的特點(diǎn)，達(dá)到快速分解目的。將微波引入到基于高含水生物質(zhì)的水熱碳化工藝中來，這對于實(shí)現(xiàn)高含水生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化與產(chǎn)品高值化利用有重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理裝置，還在于提供基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理方法，采用畜禽廢棄物、水生植物和農(nóng)林廢棄物資源為制備原料，使其解決畜禽廢棄物處理過程中的效率低和二次污染、水生植物與新鮮農(nóng)林廢棄物中脫水帶來的高額運(yùn)行成本和能源的大量消耗，以及傳統(tǒng)水熱碳化處理中的離心脫水液難處理，最后通過離心分離方法制得高品質(zhì)碳基納米材料和固體生物燃料，同時(shí)根據(jù)微波反應(yīng)溫度，將液態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行資源化處理并達(dá)到高效產(chǎn)沼的目的。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理裝置，包括微波反應(yīng)器，微波反應(yīng)器上設(shè)置有進(jìn)料口和出氣口，進(jìn)料口設(shè)置有第一閥門，出氣口設(shè)置有第二閥門，微波反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有壓力容器，壓力容器內(nèi)設(shè)置有壓力容器攪拌槳，壓力容器分別與進(jìn)料口和出氣口連通，壓力容器還通過第三閥門與固液分離器輸入端連接，固液分離器出液端依次通過第一空氣循環(huán)栗、第四閥門與儲液罐連通，儲液罐通過第六閥門與厭氧發(fā)酵罐連接，厭氧發(fā)酵罐通過第七閥門與儲氣罐連接，儲液罐依次通過第五閥門、第二空氣循環(huán)栗與壓力容器連接，厭氧發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置有厭氧發(fā)酵攪拌槳，厭氧發(fā)酵罐底部設(shè)置有第八閥門。
[0007]基于微波水熱碳化的新鮮生物質(zhì)高值化處理方法，包括以下步驟:
步驟1、將新鮮生物質(zhì)與水按質(zhì)量比為1: (15?25)配比后作為原料，打開第一閥門將原料加入微波反應(yīng)器的壓力容器中，
新鮮生物質(zhì)可選為:牛糞或水葫蘆或麥桿或木肩，
步驟2、關(guān)閉第一閥門和第三閥門，啟動微波反應(yīng)器中的壓力容器和用于攪拌微波反應(yīng)器的壓力容器中的原料的壓力容器攪拌槳，設(shè)定微波反應(yīng)器中的壓力容器的反應(yīng)溫度180-260°C，壓強(qiáng)為1.8 - 2.0MPa，反應(yīng)時(shí)間為2_4小時(shí)，壓力容器攪拌槳在反應(yīng)過程中勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為500r/min?1500 r/min,微波反應(yīng)器1的微波輻射頻率為2000?3000MHz，輸出功率為2000?2500W，
反應(yīng)結(jié)束后得到微波反應(yīng)固液混合產(chǎn)物，打開第二閥門，釋放微波反應(yīng)器的壓力容器中因反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，
步驟3、
步驟3.1、若步驟2中的壓力容器內(nèi)的反應(yīng)溫度大于等于180°C且小于等于220°C，打開第三閥門將微波反應(yīng)固液混合產(chǎn)物送入固液分離器進(jìn)行分離，微波反應(yīng)固液混合產(chǎn)物經(jīng)過固液分離器后得到液體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物，打開第四閥門將液體產(chǎn)物通過第一空氣循環(huán)栗栗入儲液罐中，再打開第六閥門，使得儲液罐中的液體產(chǎn)物輸入到厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到沼氣、料液和沉渣；
通過固液分離器得到的固體產(chǎn)物則直接進(jìn)行烘干處理，作為固體生物燃料，
步驟3.2、若反應(yīng)溫度在大于220°C且小于等于260°C，打開第三閥門將微波反應(yīng)固液混合產(chǎn)物送入固液