本發(fā)明屬于干燥、脫水技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的裝置及方法。
背景技術(shù):
隨著城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展,對高含水率有機(jī)物的脫水處理一直是工業(yè)界的難點。脫水作為基本的化工過程操作已廣泛應(yīng)用到環(huán)保、化工、制藥、采礦冶金及食品加工等多個領(lǐng)域。高含水率有機(jī)物的種類很多,如市政污泥、工業(yè)濾泥、鮮木薯和酒糟等,其脫水技術(shù)也越來越引起人們的重視。以市政污泥為例,不管采用傾倒、填埋等處理手段,前提條件都需要干燥脫水,因為過高含水率的污泥和垃圾的滲濾液均會污染地下水。在焚燒利用時,過高含水率的有機(jī)物還需利用燃燒產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)水分,使得燃燒物的燃燒放熱大大降低。經(jīng)過脫水后的高含水率的有機(jī)物體積會顯著下降。
從以上介紹看到脫水技術(shù)的重要性是不言而喻的,但是高能耗的脫水分離技術(shù)是制約有機(jī)物資源利用的重要瓶頸。尤其針對我國面對能源短缺的現(xiàn)狀,高效的脫水成為亟待解決的一大技術(shù)難題。大多數(shù)高含水率有機(jī)物都是廢棄物和發(fā)酵留下的殘渣,脫水干燥后的有機(jī)物不僅可以減少廢棄物發(fā)酵后產(chǎn)生的臭氣對環(huán)境的排放量,還可以有效加以利用變廢為寶,但是單純的利用熱量干燥生物質(zhì)不僅導(dǎo)致能源的浪費,還會導(dǎo)致高含水率有機(jī)物本身能量的損失及里面物性材料變性。
由于高含水率有機(jī)物往往含有大量細(xì)胞質(zhì)和膠體物質(zhì),這些物質(zhì)具有牢固的持水結(jié)構(gòu),因此造成有機(jī)物脫水困難,通過一般機(jī)械脫水只能將含水率降至80%左右。進(jìn)一步降低含水率通常采用熱力干化法,即通過加熱高含水率有機(jī)物使其水分蒸發(fā)以降低含水率。雖然熱力干化法具有工藝和設(shè)備成熟的特點,但采用這種方法會消耗大量能源,運(yùn)行成本較高。為了解決這些問題,水熱干化法處理技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。該方法的核心是使用水熱反應(yīng)裝置加熱高含水率的有機(jī)物,并在一定溫度下破壞有機(jī)物的持水結(jié)構(gòu),從而提高高含水率有機(jī)物的脫水率。但是目前采用的高壓水熱反應(yīng)釜難以以液態(tài)的形式對高含水率有機(jī)物進(jìn)行脫水,傳統(tǒng)的蒸汽相變過程能耗太高,因此尋求低能耗脫水方法是實現(xiàn)高效低能耗脫水的關(guān)鍵。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的反應(yīng)釜、連續(xù)式系統(tǒng)及方法,將高含水率有機(jī)物水熱脫水處理過程中的高壓飽和水作為循環(huán)液體,以液態(tài)形式在多聯(lián)式的高壓水熱反應(yīng)釜之間不斷循環(huán),通過內(nèi)部機(jī)械壓濾的形式,對高含水率有機(jī)物進(jìn)行脫水,保證了較高的熱量利用率。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
內(nèi)置機(jī)械壓濾裝置的水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的反應(yīng)釜,包括料倉、反應(yīng)釜內(nèi)膽和機(jī)械壓濾裝置;反應(yīng)釜內(nèi)膽為中空圓柱體,反應(yīng)釜內(nèi)膽外設(shè)有保溫層;料倉置于反應(yīng)釜內(nèi)膽內(nèi);料倉壁面均布置有若干小孔;排水管一端置于反應(yīng)釜內(nèi)膽底部,另一端置于反應(yīng)釜內(nèi)膽之外與閥門連接;排氣管/進(jìn)水管置于反應(yīng)釜內(nèi)膽頂端,一端插入反應(yīng)釜內(nèi)膽,另外一端與三通閥門連接;反應(yīng)釜內(nèi)膽頂端還設(shè)有溫度傳感器和壓力表;機(jī)械壓濾裝置包括設(shè)置于料倉內(nèi)的壓桿活塞和用于驅(qū)動連接壓桿活塞的驅(qū)動裝置。
進(jìn)一步的,料倉下端設(shè)有可拆卸的樣品底座,用于取料和加料。
進(jìn)一步的,機(jī)械壓濾裝置為手動壓濾裝置或電動壓濾裝置。
進(jìn)一步的,機(jī)械壓濾裝置包括壓桿手把、壓桿活塞和壓桿;壓桿活塞與壓桿底部相連,壓桿頂部連接壓桿手把。
進(jìn)一步的,反應(yīng)釜內(nèi)膽中反應(yīng)溫度范圍為120-400℃,壓力范圍為10-30MPa。
水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的方法,包括:打開整個反應(yīng)釜,拆下料倉下端的樣品底座,將待處理的高含水率有機(jī)物加入料倉,加料完成后密封整個反應(yīng)釜,同時保證壓桿活塞處于料倉頂端;飽和水經(jīng)三通閥門BC通道通過進(jìn)水管進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)膽,進(jìn)水結(jié)束后,打開反應(yīng)釜加熱開關(guān),提高反應(yīng)溫度;溫度傳感器顯示反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度,壓力表顯示反應(yīng)釜內(nèi)膽壓力,控制反應(yīng)釜內(nèi)膽溫度和壓力到反應(yīng)范圍內(nèi);料倉壁面上開有小孔,使高含水率有機(jī)物和飽和水的充分接觸;待水熱反應(yīng)完成后,關(guān)閉加熱開關(guān),運(yùn)行機(jī)械壓濾裝置,壓桿活塞受力向下運(yùn)動,高含水率有機(jī)物中的水分通過料倉壁面上的小孔排到反應(yīng)釜內(nèi)膽中,同時打開排水管的閥門,混合后的飽和水在內(nèi)外壓差作用下從排水管排出;排水后,料倉中的有機(jī)物的含水率降低,達(dá)到脫水的目的;排水過程結(jié)束后,關(guān)閉閥門,水熱氣經(jīng)三通閥門CA通道通過排氣管進(jìn)入氣體儲存設(shè)備;排氣過程結(jié)束后,打開整個反應(yīng)釜,拆下料倉,將脫水后的低含水率有機(jī)物取出,整個脫水處理過程結(jié)束。
連續(xù)式水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的系統(tǒng),包括N級水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的反應(yīng)釜、儲氣罐、沉淀池和液體凈化器;N為大于等于3的正整數(shù);第1級反應(yīng)釜的排水管口經(jīng)第1閥門、第1進(jìn)水管道、第2三通閥門與第2級反應(yīng)釜的進(jìn)水管/排氣管口相連;第n級反應(yīng)釜的排水管口同樣經(jīng)第n閥門、第n進(jìn)水管道和第n+1三通閥門與第n+1級反應(yīng)釜的進(jìn)水管/排氣管口相連,第N級反應(yīng)釜的排水管口則經(jīng)第N閥門、第N進(jìn)水管道、沉淀池、液體凈化器和第1三通閥門與第1級反應(yīng)釜的的進(jìn)水管/排氣管口相連;2≤n<N;儲氣罐通過排氣管道分別和各級反應(yīng)釜的三通閥門相連。
連續(xù)式水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的方法,包括以下步驟:
啟動階段,對各級反應(yīng)釜進(jìn)行加料操作,加料結(jié)束后,將各級反應(yīng)釜密封,同時飽和水經(jīng)第1三通閥門BC通道進(jìn)入第1級反應(yīng)釜中,使飽和水和高含水率有機(jī)物的充分接觸,同時打開第1級反應(yīng)釜的加熱開關(guān),提高反應(yīng)溫度,這時啟動階段結(jié)束;
待第1級反應(yīng)釜中水熱反應(yīng)完成后,通過機(jī)械壓濾裝置,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉壁面上的小孔被擠壓出;此時開啟第2級反應(yīng)釜,第1級反應(yīng)釜中的高溫飽和水在壓差作用下經(jīng)第1閥門、第1進(jìn)水管道和第2三通閥門BC通道進(jìn)入第2級反應(yīng)釜,待壓力平衡后,關(guān)閉第1閥門;對第2級反應(yīng)釜進(jìn)行加熱,高含水率有機(jī)物進(jìn)行水熱反應(yīng);在這個過程中,第1級反應(yīng)中的水熱氣經(jīng)第1三通閥門CA通道和排氣管道進(jìn)入儲氣罐;排氣過程結(jié)束,卸除第1級反應(yīng)釜中的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,準(zhǔn)備下次反應(yīng);
待第2級反應(yīng)釜中水熱反應(yīng)完成后,通過機(jī)械壓濾裝置,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉壁面上的小孔被擠壓出;此時第3級反應(yīng)釜開始反應(yīng),飽和水在壓差作用下從第2級反應(yīng)釜經(jīng)第2閥門、第2排水管道和第2三通閥門BC通道進(jìn)入第3級反應(yīng)釜,待壓力平衡后,關(guān)閉第2閥門;對第3級反應(yīng)釜進(jìn)行加熱,高含水率有機(jī)物進(jìn)行水熱反應(yīng);在這個過程中,第2級反應(yīng)釜中的水熱氣經(jīng)第2三通閥門CA通道和排氣管道進(jìn)入儲氣罐,排氣結(jié)束,卸除第2級反應(yīng)釜中的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,準(zhǔn)備下次反應(yīng);
第n級反應(yīng)釜中水熱反應(yīng)完成后,通過機(jī)械壓濾裝置,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉壁面上的小孔被擠壓出;此時第n+1級反應(yīng)釜開始反應(yīng),飽和水在壓差作用下從第n級反應(yīng)釜經(jīng)第n閥門、第n排水管道和第n三通閥門BC通道進(jìn)入第n+1級反應(yīng)釜,待壓力平衡后,關(guān)閉第n閥門;對第n+1級反應(yīng)釜進(jìn)行加熱,高含水率有機(jī)物進(jìn)行水熱反應(yīng);在這個過程中,第n級反應(yīng)釜中的水熱氣經(jīng)第n三通閥門CA通道和排氣管道進(jìn)入儲氣罐,排氣結(jié)束,卸除第n級反應(yīng)釜中的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,準(zhǔn)備下次反應(yīng);
第N級反應(yīng)釜中水熱反應(yīng)完成后,通過機(jī)械壓濾裝置,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉壁面上的小孔被擠壓出;第N級反應(yīng)釜中的高溫飽和水在壓差作用下經(jīng)第N閥門通過排液管道進(jìn)入沉淀池,除去大顆粒固體雜質(zhì),接著進(jìn)入液體凈化器,進(jìn)一步除去飽和水中的有害金屬離子和微生物,然后經(jīng)第1三通閥門BC通道進(jìn)入第1級反應(yīng)釜進(jìn)行第二輪反應(yīng);待壓力平衡后,關(guān)閉第N閥門;在這個過程中,第N級反應(yīng)釜中的水熱氣經(jīng)第N三通閥門CA通道和排氣管道L4進(jìn)入儲氣罐,排氣結(jié)束,卸除第N級反應(yīng)釜中的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,準(zhǔn)備下次反應(yīng)。
進(jìn)一步的,反應(yīng)釜可以為三臺并列運(yùn)行,也可以為多臺并列運(yùn)行。
相對于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有以下有益效果:
1、在高溫高壓的環(huán)境下,飽和水和高含水率有機(jī)物進(jìn)行水熱反應(yīng),使高含水率有機(jī)物中的微生物破壁,微生物的胞內(nèi)水流出,從而高含水率有機(jī)物中的水分更容易被機(jī)械壓濾裝置壓出。脫離出的水分和原有的高壓飽和水混合,在內(nèi)外壓差的作用下從排水口排出進(jìn)入另外的未反應(yīng)的反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng);水熱產(chǎn)生的氣體從排氣口/進(jìn)液口排出進(jìn)入儲氣罐。待液體和氣體完全排出后,取出反應(yīng)后的低含水率有機(jī)物,同時進(jìn)行新一輪加料。通過多個反應(yīng)釜的協(xié)同操作,達(dá)到連續(xù)式生產(chǎn)。
2、高溫飽和水同高含水率有機(jī)物進(jìn)行直接接觸反應(yīng),增加了熱傳遞效率,同時通過機(jī)械壓濾裝置直接轉(zhuǎn)移飽和水進(jìn)行連續(xù)反應(yīng),高效的利用了飽和水的熱量,減少了飽和水的用量和反應(yīng)過程中的熱損失。
3、水熱反應(yīng)釜采用多個反應(yīng)器并排的方式,通過統(tǒng)籌安排合理利用了水熱反應(yīng)過程中升溫時間、反應(yīng)時間、冷卻時間,實現(xiàn)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行,同時可根據(jù)實際情況添加水熱反應(yīng)器以滿足不同產(chǎn)量的需求。
附圖說明
圖1是一種內(nèi)置機(jī)械壓濾裝置的水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的反應(yīng)釜示意圖。
圖2是本發(fā)明連續(xù)式水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的系統(tǒng)示意圖。
圖1中:1、樣品底座;2、料倉;3、反應(yīng)釜內(nèi)膽;4、保溫層;5、壓桿活塞;6、壓桿;7、溫度傳感器;8、壓力表;9、排水管;10、排氣管/進(jìn)水管;11、閥門;12、三通閥門;13、機(jī)械壓濾裝置;14、壓桿手把。
圖2中:15、儲氣罐;16、閥門I;17、閥門II;18、閥門III;19、三通閥門I;20、三通閥門II;21、三通閥門III;22、沉淀池;23、液體凈化器;24、反應(yīng)釜A;25、反應(yīng)釜B;26、反應(yīng)釜C。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容。
請參閱圖1所示,本發(fā)明提供了一種內(nèi)置機(jī)械壓濾裝置的水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的反應(yīng)釜,包括料倉2、反應(yīng)釜內(nèi)膽3、保溫層4、壓桿活塞5、壓桿6、溫度傳感器7、壓力表8、機(jī)械壓濾裝置13和壓桿手把14;反應(yīng)釜內(nèi)膽3為中空圓柱體,反應(yīng)釜內(nèi)膽3外設(shè)有保溫層4;料倉2置于反應(yīng)釜內(nèi)膽3內(nèi),料倉2內(nèi)置壓桿活塞5,壓桿活塞5與壓桿6連接。料倉2壁面均勻布滿0.5-3mm小孔。排水管9一端置于反應(yīng)釜內(nèi)膽3底部,另一端置于反應(yīng)釜內(nèi)膽3之外與閥門11連接。排氣管/進(jìn)水管10置于反應(yīng)釜內(nèi)膽3頂端,一端插入反應(yīng)釜內(nèi)膽3,另外一端與三通閥門12連接;排氣管/進(jìn)水管10共用一個入口,通過變換三通閥門12的通道來控制排氣和進(jìn)水;同時反應(yīng)釜內(nèi)膽3頂端還設(shè)有溫度傳感器7和壓力表8。反應(yīng)溫度適用溫度范圍為120-400℃,適用壓力范圍為0-30MPa。
料倉2下端為可拆卸的樣品底座1,方便取料和加料。
機(jī)械壓濾裝置13為手動壓濾或電動壓濾。機(jī)械壓濾裝置13包括壓桿手把14、壓桿活塞5和壓桿6;壓桿活塞5位于料倉2內(nèi)部,與壓桿6底部相連,壓桿6頂部連接壓桿手把14;壓桿活塞5在料倉內(nèi)以活塞上下運(yùn)動。
使用時,打開整個反應(yīng)釜,拆下料倉2下端的樣品底座1,將待處理的高含水率有機(jī)物加入料倉2,加料結(jié)束后,料倉2和樣品底座1安裝到反應(yīng)釜內(nèi)膽3底端,密封整個反應(yīng)釜。關(guān)閉閥門11,打開三通閥門12,飽和水經(jīng)三通閥門12BC通道通過進(jìn)水管10進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)膽3。關(guān)閉三通閥門12,打開加熱開關(guān),提高反應(yīng)溫度,高含水率有機(jī)物進(jìn)行水熱反應(yīng)。溫度傳感器7顯示反應(yīng)釜內(nèi)膽3的溫度,壓力表8顯示反應(yīng)釜內(nèi)膽3的壓力,控制釜內(nèi)溫度和壓力到反應(yīng)范圍內(nèi),料倉2上開有0.5-3mm小孔,保證了高含水率有機(jī)物和飽和水的充分接觸。待水熱反應(yīng)完成后,運(yùn)行機(jī)械壓濾裝置13,向下壓動壓桿活塞5,高含水率有機(jī)物中的水分通過料倉2壁面上的小孔排到反應(yīng)釜內(nèi)膽3中。同時打開閥門11,高溫飽和水經(jīng)排水管9進(jìn)入下一個反應(yīng)釜。排水過程結(jié)束,待壓力平衡后,關(guān)閉閥門11,將三通閥門12轉(zhuǎn)至CA通道進(jìn)行排氣操作,氣體經(jīng)排氣管10進(jìn)入氣體儲存設(shè)備。排氣操作結(jié)束后,打開整個反應(yīng)釜,拆下料倉2下端的樣品底座1,將脫水后殘余的低含水率有機(jī)物取出。整個工作過程結(jié)束。
請參閱圖2所示,本發(fā)明提供的連續(xù)式水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的系統(tǒng),包括若干級圖1所示反應(yīng)釜(反應(yīng)釜A24、反應(yīng)釜B25、反應(yīng)釜C26)、儲氣罐15、沉淀池22和液體凈化器23。反應(yīng)釜數(shù)量至少為3個,本發(fā)明以三個反應(yīng)釜聯(lián)用為例。反應(yīng)釜A24的排水管口經(jīng)閥門I16、進(jìn)水管道L1、三通閥門II20與反應(yīng)釜B的進(jìn)水管/排氣管口相連,反應(yīng)釜B的排水管口同樣經(jīng)閥門II17、進(jìn)水管道L2和三通閥門III21與反應(yīng)釜C的進(jìn)水管/排氣管口相連,反應(yīng)釜C的排水管口則經(jīng)閥門III18、進(jìn)水管道L3、沉淀池22、液體凈化器23和三通閥門I19與反應(yīng)釜A的進(jìn)水管/排氣管口相連。儲氣罐15通過排氣管道L4分別和三通閥門I19、三通閥門II20、三通閥門21相連。沉淀池22可以除去循環(huán)用水中的顆粒物雜質(zhì)。液體凈化器23可以除去循環(huán)用水中的一些金屬離子和微生物,減少裝置的腐蝕。
反應(yīng)釜不少于三組,多組反應(yīng)釜連接以此類推。
本發(fā)明連續(xù)式水熱脫水處理高含水率有機(jī)物的方法,包括以下步驟:
啟動階段,打開反應(yīng)釜A24、反應(yīng)釜B25和反應(yīng)釜C26,進(jìn)行加料操作,加料操作完成后,密封反應(yīng)釜A24、反應(yīng)釜B25和反應(yīng)釜C26。關(guān)閉所有的閥門和三通閥門,同時將三通閥門I19轉(zhuǎn)至BC通道向反應(yīng)釜A24中加入飽和水,關(guān)閉三通閥門I19,同時打開反應(yīng)釜A24的加熱開關(guān),這時啟動階段結(jié)束。
待反應(yīng)釜A24中水熱反應(yīng)完成后,向下壓動壓桿活塞5,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉2壁面上的小孔被擠壓出。此時,保證所有的閥門和三通閥門處于關(guān)閉狀態(tài),打開閥門I16和三通閥門II20,飽和水在壓差作用下經(jīng)排水管道L1和三通閥門II20BC通道輸入到反應(yīng)釜B25中,同反應(yīng)釜B25中的高含水率有機(jī)物充分接觸,待壓力平衡后,關(guān)閉閥門I16和三通閥門II20。打開反應(yīng)釜B25的加熱開關(guān),進(jìn)行水熱反應(yīng)。在這個過程中,打開三通閥門I19,反應(yīng)釜A24中的水熱氣經(jīng)三通閥門I19CA通道通過排氣管道L4進(jìn)入儲氣罐15中保存。關(guān)閉三通閥門I19,打開反應(yīng)釜A24,卸除反應(yīng)后殘余的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,物料更換成功后,密封反應(yīng)釜A24,等待下一輪反應(yīng)的進(jìn)行。
待反應(yīng)釜B25中水熱反應(yīng)完成后,向下壓動壓桿活塞5,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉2壁面上的小孔被擠壓出。保證所有的閥門和三通閥門處于關(guān)閉狀態(tài),打開閥門II17和三通閥門III21,飽和水經(jīng)排水管道L2和三通閥門III21BC通道輸入到反應(yīng)釜C26中。待壓力平衡后,關(guān)閉閥門II17和三通閥門III21,提高反應(yīng)釜C26中反應(yīng)溫度,進(jìn)行水熱反應(yīng)。打開三通閥門II20,反應(yīng)釜B25中的水熱氣經(jīng)三通閥門II20CA通道和排氣管道L4進(jìn)入儲氣罐15中保存。關(guān)閉三通閥門II20,打開反應(yīng)釜B25,卸除反應(yīng)后殘余的低含水率有機(jī)物,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,物料更換成功后,密封反應(yīng)釜B25,等待下一輪反應(yīng)的進(jìn)行。
待反應(yīng)釜C26中水熱反應(yīng)完成后,向下壓動壓桿活塞5,擠壓反應(yīng)有機(jī)物向下運(yùn)動,擠壓過程中脫除的水分通過料倉2壁面上的小孔被擠壓出。保證所有的閥門和三通閥門處于關(guān)閉狀態(tài),打開閥門III18和三通閥門I19,飽和水經(jīng)排水管道L3進(jìn)入沉淀池22沉淀,然后進(jìn)入液體凈化器23過濾和吸附,處理完成的飽和水經(jīng)三通閥門I19BC通道進(jìn)入反應(yīng)釜A24中進(jìn)行下一輪反應(yīng)。待壓力平衡后,關(guān)閉閥門III18和三通閥門I19,打開三通閥門III21,反應(yīng)釜C26中水熱氣經(jīng)三通閥門III21CA通道通過排氣管道L4進(jìn)入儲氣罐15中保存。關(guān)閉三通閥門III21,打開反應(yīng)釜C26,卸除反應(yīng)后殘余的低含水率固體殘渣,并重新填裝新的高含水率有機(jī)物,物料更換成功后,密封反應(yīng)釜C26,等待下一輪反應(yīng)的進(jìn)行。
如上述過程可以實現(xiàn)連續(xù)式水熱處理。