生物质的水热碳化方法及相关装置与流程

本发明涉及对生物质如来自污水处理系统的污泥的热及化学处理的领域。

本发明更特别的是涉及生物质的水热碳化方法以及用于应用该类方法的装置。

背景技术：

从现有技术中已知水热碳化方法，该方法一般在于使生物质承受接近200℃的温度和接近20巴的压力。

专利EP 2 388 305 A2描述了一种包括使生物质在其中流动的处理路线的设备，该路线尤其包括热交换器和反应器。热交换器布置成通过传热流体在其中流动的传热回路来加热在路线中流动的生物质。在该热交换器中被预热后，生物质然后在反应器内碳化，生物质在反应器中平均驻留约4小时的时间。

专利EP 2 388 305 A2另外提出了一些试验结果，根据这些试验结果，注入添加剂如甘油到生物质中，允许明显降低生物质的粘度，并明显有利于反应器内包括生物质和添加剂的混合物的温度上升。

这种水热碳化设备或这种水热碳化方法具有几个缺点：

－反应器需提供能量以增加生物质的温度，；

－生物质在反应器内的驻留时间意味着需搅拌反应器内的生物质，以保证热交换并使加热均匀；

－反应器的加热表面与生物质之间的温度梯度利于生物质的积沉，从而导致需要安装混合刮擦器，用以消除反应器内壁上的生物质沉积，混合刮擦器还意味着维护成本，混合刮擦器另外还构成对人员有危险的零件以及降低设备可靠性的零件；

－生物质在反应器中加热固需的驻留时间限制设备可以处理的生物质的量，会迫使增大反应器的容积以处理更多的生物质；

－热交换器内生物质的温度升高受进入设备的生物质的粘度比较高限制；作为示例，脱水污泥的粘度是水的至少十倍；

－污水污泥类生物质的热特性导致需要注射泵功率较大，因此导致电能成本很高。

技术实现要素：

本发明的目的尤其在于通过提出一种生物质加热方法以及一种应用这种方法的装置，以优化热交换及利用应用这种方法或这种装置运行所产生的热能，来克服全部这些缺点或部分缺点。

为此，本发明提出一种用于加热在工业处理路线中移动的生物质的方法，工业处理路线包括用于输入的生物质的入口、加压泵、加热部件和处理站，其特征在于，将蒸汽注入到加压泵与加热部件之间的路线中。

这种蒸汽注入允许通过蒸汽冷凝预热生物质。

蒸汽优选能以比生物质压力(注入蒸汽处的生物质压力)高至少0.2MPa的压力被注入。蒸汽注入速度优选可以大于130m/s，例如在200-250m/s之间。蒸汽注入速度一般由生物质压力与蒸汽注入压力之压差产生。前面所提到的蒸汽速度优选相当于正好在蒸汽与生物质接触之前的蒸汽速度。

蒸汽注入流量优选可相当于高至在路线中移动的生物质流量的20％。

与没有进行这种蒸汽注入的方法相比，这种方法可以降低在加热部件上游的生物质的粘度。这表现为路线中压力损失的减小和加热部件处的热交换效益的提高。由此导致生物质温度有更大的提高。

有利地，生物质是优选脱水的污水污泥(boue d'épuration)，处理是水热碳化(carbonisation hydrothermale)。

实际上，污水污泥、尤其是脱水污泥的热交换系数比较差，即不利于污泥的温度升高，因此导致非常大的设备尺寸。符合本发明的方法可以改善这种污泥的交换系数。所述设备尺寸特别是可以为交换器尺寸。

根据一特别有利的特征，操控蒸汽注入，例如通过控制蒸汽注入流量操控蒸汽注入，并操控加热部件，以在生物质到达处理站中之前使生物质的温度达到预设温度(température paramétrée)，预设温度在165℃到205℃之间，优选为185℃。

这样，到达处理站中的生物质的温度足够高，以避免在处理站内还要增加生物质的温度，特别是当处理是水热碳化时。这样可以免除处理站的加热功能，因此消除这种功能所导致的处理站中的温度梯度。因此，具有这种特征的方法可以限制生物质在处理站壁上的焙烧粘附(或沉积)，这类粘附或沉积可能导致处理站中热交换的中断。处理站还可以摆脱用于限制这类粘附或沉积的任何部件或作业(例如刮擦和/或混合作业)。

取消处理站的加热功能的另一优点是：对于给定量的待处理生物质，可以减小处理站的容积，因为生物质在处理站中的与加热功能有关的驻留时间不再需要。

有利的是，根据本发明的第一变型，将蒸汽相对生物质在工业处理路线中的移动方向倾斜地、或优选与生物质在工业处理路线中的移动方向垂直地注入。生物质在路线中的该移动方向是生物质在路线中的蒸汽注入区中移动的方向。

倾斜注入或优选垂直注入，产生有利于蒸汽稀释于生物质中、因此有利于通过蒸汽冷凝增加生物质温度的生物质剪切效应。

但是，为了得到该类剪切效应，也可以与生物质逆流的方式注入蒸汽。

还可以与生物质同流向的方式注入蒸汽。

有利的是，根据本发明的第二变型——其必要时可与本发明的第一变型结合，通过引导注入的蒸汽和生物质穿过静态混合器，使注入的蒸汽与生物质混合，静态混合器例如呈挡板、阿基米德螺钉或能够使在该类混合器中流动的生物质和蒸汽产生涡流的固定引导表面的形式。更特别的是，这类挡板、或这类阿基米德螺钉或这种固定引导表面能够增加在该类混合器中流动的生物质和蒸汽的涡流。优选地，在蒸汽和生物质的预先动态混合后，即在路线中的蒸汽注入区域之后，在这种情况下是在混合器中，实现穿过静态混合器的蒸汽和生物质的这种混合。

作为替代，蒸汽可被注入到喷射器类型的管道构形中，这样允许除混合外还改善对生物质的加压。

根据一有利特征，操控蒸汽注入，以使生物质的温度升到在加热部件入口处高于70℃的值。在这种情况下，为此操控蒸汽流量。

根据另一有利特征，加压泵将生物质的压力提高到能将生物质无沸腾地加热到高于100℃的温度的值。换句话说，加压泵可以使生物质的压力提高到高于饱和压力，饱和压力一般大于1.2MPa。

又根据另一有利特征，生物质在加压泵出口的压力大于3MPa。

这些特征使得有控制地提高生物质的温度成为可能。

有利的是，根据第一类的变型，工业处理路线另外包括在处理站下游的冷却站；并且在传热流体在冷却站与加热部件之间的流动路径中加热传热流体。

非常有利的是，将传热流体加热到高于处理站处的生物质温度的温度。因此，传递给加热部件的热量可以在生物质到达处理站中之前将其加热到所述预设温度。因此，优选可以将传热流体加热到高于220℃的温度。

根据另一非常有利的特征，使用同一外部热源以加热传热流体和保证处理站处的生物质温度上升和/或保持的载热流体。换句话说，使用同一外部热源，用以：

–首先加热传热流体，从而传热流体可以加热到达处理站前的生物质；和

–其次加热载热流体，从而载热流体可以保持在处理站中的生物质温度，该温度优选至少等于180℃。

这样使用外部热源来加热传热流体，允许限制加热部件的尺寸。

有利的是，外部热源可以是锅炉燃烧器。

根据第二类的一有利变型，在处理站下游回收生物质的热量；并且，将回收的热量传递给在处理站上游的生物质。

优选地，可以在处理站下游回收生物质的热量；并利用离开处理站的生物质与在处理站上游的工业处理路线中流动的生物质之间的直接或间接式的热交换部件，将回收的热量传递给在处理站上游的生物质。

根据本发明的一有利特征，该方法包括在加热部件上游注入添加剂到生物质中的步骤。。

注入的添加剂可以为能够使有机物分解的任何催化剂，例如酸如硫酸、或如在专利EP 2 388 305A2中描述的催化剂。

该类注入步骤还有助于降低生物质的粘度，因此有利于生物质的温度上升，并且还可减少在路线中的生物质结垢现象。

可替换地，可以在加热部件下游或加热部件内实现注入步骤。

非常有利的是，将添加剂注入到生物质中，使得添加剂承受注入的蒸汽。换句话说，在生物质中注入添加剂，使得添加剂在被注入时承受蒸汽注入所产生的蒸汽流。

这样，添加剂在产生涡流区的蒸汽作用下混合到生物质中。更确切的说，添加剂因此与在产生涡流区的蒸汽的作用下已碎成颗粒的生物质紧密混合。

优选可以在一接收器的内容积中将添加剂和蒸汽注入到生物质中，该接收器例如为容器或管子或者管道元件。根据本发明的另一有利特征，通过再循环分支提取处理站中的一部分生物质，将该部分生物质送回到处理站中，以便使生物质在处理站中产生运动。

从处理站提取部分生物质并将其送回处理站，这可以限制生物质在处理站中的粘附或沉积，因此摆脱用于限制该类粘附或沉积的任何部件或作业。

有利的是，以为进入处理站中的生物质流量的5至15倍之间的流量提取该部分生物质。

优选能够用混合器在加压泵与加热部件之间的路线中混合注入的蒸汽和生物质。

本发明还涉及一种用于应用根据刚描述特征的不同组合的方法的装置，该装置包括工业处理路线，该路线包括：

-入口，入口布置成使输入的生物质进入工业处理路线中；

-加压泵，加压泵布置成使生物质在工业处理路线中移动；

-加热部件，加热部件能够加热生物质；

-处理站，处理站能够使生物质大致保持于进入处理站中的进入温度，处理站安装在加热部件的下游；

-至少间接式的热交换部件，用于使离开处理站的生物质与在处理站上游的工业处理路线中流动的生物质之间进行至少间接的热交换；

-水蒸汽发生部件；

-混合器，混合器布置成使水蒸汽发生部件产生的水蒸汽与生物质在加压泵与加热部件之间的工业处理路线中混合。

表述“至少间接”是指例如在下面描述的实施方式中所示的间接或直接式热交换部件。

水蒸汽产生部件和混合器优选可以布置成将蒸汽以比注入蒸汽处的生物质压力高至少0.2MPa的压力注入到混合器中。蒸汽发生部件和混合器优选可以布置成以大于130m/s的蒸汽注入速度将蒸汽注入到混合器中，蒸汽注入速度例如为200-250m/s之间。蒸汽注入速度一般通过生物质压力与蒸汽注入压力之压差产生，和/或通过生物质和蒸汽注入机构的各自的尺寸产生。

装置优选可布置成以相当于在路线中移动的生物质流量的20％或更小的蒸汽注入流量将蒸汽注入到混合器中。

水蒸汽发生部件和混合器优选可设置为相对生物质在路线中的移动方向倾斜、或优选与生物质在路线中的移动方向垂直地注入蒸汽。生物质在路线中的移动方向是生物质在路线中的蒸汽注入区域中的移动方向。

但是，水蒸汽发生部件和混合器也可设置成以与生物质逆流的方式注入蒸汽。

可替换地，水蒸汽发生部件和混合器可以设置为以与生物质同流向的方式注入蒸汽。

装置优选另外包括能够在路线中注入添加剂的注入部件。

混合器优选可以包括接收器，如容器或管子或者管道元件。

上述蒸汽速度优选相当于正好在蒸汽与生物质接触之前、即在路线中的蒸汽注入区域内的蒸汽速度，其中所述区域位于接收器的内容积中。

混合器优选可以是静态混合器或者包括静态混合器，优选在上述接收器内。

根据一有利特征，热交换部件包括：

-传热回路，传热流体在传热回路中循环，以通过传热流体与生物质之间的热交换来加热在加热部件中的生物质；和

-传热流体循环部件，优选为泵，其能够使传热流体在传热回路中循环。

装置优选可以布置成将传热流体加热到高于220℃的温度。

加压泵可以布置成将生物质的压力提高到高于饱和压力，饱和压力一般大于1.2MPa。

根据另一有利特征，所述装置另外包括外部热源，外部热源布置成加热传热流体、和加热在处理站的罩壳中循环优选以保证提高和/或保持处理站中的生物质温度的载热流体。传热流体和载热流体优选相同。

外部热源优选能够布置成：

–首先加热到达处理站之前的生物质；和

–其次保持处理站中的生物质温度，该温度优选至少等于180℃。

该类外部热源可以减小加热部件的尺寸，补偿能量损失。

非常有利的是，所述装置布置成使生物质通过处理站的下部进入处理站，而由处理站的上部离开处理站。

生物质，特别是其为污水污泥时，比环境水更稠密。因此，被不溶有机物包围的固体部分在重力效应下会有移动到比已溶解部分更低的高度的趋势，因此，对于已溶解部分，碳化反应正在进行或已经完成。因此，与生物质从上部进入并从下部出来的装置相比，处理站中未碳化的生物质部分的驻留时间增加。

生物质在处理站中的驻留时间的相对增加允许提高处理质量。

根据一非常有利的特征，符合本发明的装置另外包括布置用于提取处理站中的一部分生物质并将该部分生物质送回处理站的再循环分支。

根据一有利特征，处理站是机械被动式处理站，即其不包括刮擦器或混合器。

这类零件是对人员和设备可用性有危险的零件。

有利的是，处理站是用于污水污泥的水热碳化反应器。

附图说明

通过阅读对非限定实施方式和实施例的详细描述并参照以下附图，本发明的其它优点和特征将体现出来，附图中：

-图1是包括冷却站的根据本发明的水热碳化装置的示意图；

-图2是包括直接式热交换部件的根据本发明的水热碳化装置的示意图；

-图3和4是根据本发明的混合器的示意图。

具体实施方式

下面描述的实施方式是非限定性的，尤其可以考虑本发明的这种变型：其只包括描述特征的选择——如果该特征选择足以赋予技术优点或者足以使本发明不同于现有技术的话，所述特征独立于描述的其它特征(即便在包括所述其它特征的一个句子内该选择也是独立的)。该选择包括至少一个特征，优选是没有结构细节或者只有部分结构细节的功能性特征——如果仅该部分细节足以赋予技术优点或足以使本发明不同于现有技术的话。

图1表示本发明的一优选实施方式。

根据该实施方式，根据本发明的装置包括生物质在其中流动的工业处理路线。

输入的生物质、例如脱水污水污泥，通过入口91进入该路线，在路线中被引入到连接入口91和混合器98的管道内，该管道在入口91与混合器98之间包括加压泵93。

加压泵93将生物质的压力提高到允许将生物质无沸腾地加热到高于100℃的温度的值。换句话说，加压泵93将生物质的压力提高到高于饱和压力，饱和压力一般大于1.2MPa。

加压泵93可以使生物质在路线中流动。

更特别的是，加压泵93是能够将离开泵93的生物质的压力提高到大于3MPa的值的类型(活塞泵、隔膜泵或其它)。

在加压泵93的作用下，生物质从加压泵93被送往混合器98。

混合器98布置成使蒸汽发生部件981产生的水蒸汽与生物质混合。混合器98可以是静态混合器(其是在足够的持续时间内迫使生物质和水蒸汽一起行进以利于蒸汽与生物质之间混合的部件)，或者可以为由能够垂直于生物质在连接加压泵93和加热部件94的管道中的移动方向接受蒸汽的混合器，或者可以由喷射器类型的管道构形构成。

优选操控蒸汽流量，例如通过控制部件9C操控蒸汽流量，以将(必要时与添加剂混合的)生物质的温度提高到既对装置的不同元件例如加热部件94的尺寸确定、又对装置总能耗最佳的运行点。优选通过控制注入蒸汽的流量来操控蒸汽流量。

例如，以高于在加压泵93上游的路线中的生物质压力、因此以高于生物质温度的温度来注入蒸汽。但是，操控蒸汽发生部件981，以提高生物质温度，以便优化装置中实施的能量回收。

一般地，蒸汽注入流量可以相当于高达在路线中移动的生物质流量的20％。

优选地，通过优选在加热部件94上游的任何适当的注入部件97，注入添加剂到生物质中，以仍进一步降低生物质的粘度。

优选注入添加剂以使添加剂经受蒸汽的作用，从而有利于添加剂与生物质的混合。

一管道还使混合器98与加热部件94连接。

加热部件94优选是热交换器。

加热部件94可以通过在传热回路9T中循环的传热流体与穿过加热部件94的生物质之间的热交换来加热生物质。为此，传热流体例如油，本身通过热交换器9T2被热源9T3加热，该热源例如是锅炉燃烧器。

一管道还使加热部件94与生物质通向的处理站95连接。

处理站95优选是反应器，包括腔室，腔室能够接受生物质并将该生物质的压力通常保持在2-3MPa之间。

在一优选实施方式中，处理站95的唯一功能是保证可以使生物质经过一般为水解的化学反应的驻留时间。为此，可替换地，处理站95可包括有或没有挡板、有或没有管子的反应器，或者例如包括长度足以保证所需驻留时间的管子。

来自加热部件94的生物质优选通过下部953进入处理站95的腔室内，即通过处理站95的这样一部分进入：该部分的高度相对于在容纳装置的场所中的处理站95设施基本最低。

根据图1的实施方式，还有一管道使处理站95与冷却站96连接。

在驻留时间后，(水解过的)生物质通过上部954从处理站95的腔室出来，生物质从该上部被送往冷却站96。上部954是指其高度相对在容纳装置的场所中的处理站95设施大致最高的处理站95部分，与下部953相对。

可替换地，生物质也可通过上部进入处理站95，通过下部离开处理站。

又根据另一替换方式，生物质也可通过一下部进入处理站95，由一管道从该下部送到腔室的上部，生物质可以通过一下部离开处理站95的腔室。

冷却站96优选是热交换器。

冷却站96可以通过在传热回路9T中循环的传热流体与穿过该冷却站96的生物质之间的热交换，来冷却离开处理站95的生物质。

因此，传热回路9T连接加热部件94和冷却站96。因此，传热回路与加热部件94和冷却站96一起构成离开处理站95的生物质与在处理站95上游的路线中流动的生物质之间的热交换部件。

如图1所示，传热流体通过一般为泵的循环部件9T1在传热回路9T中流动。

例如为锅炉燃烧器的外部热源9T3在热交换器9T2处加热传热流体。通过这样被加热的传热流体加热在加热部件中流动的生物质，生物质从传热流体获取其热量的一部分。

传热流体还获取在冷却站96中流动的生物质的一部分热量。

将传热流体例如加热到大于220℃的温度。

作为替代，根据图2所示的实施方式，在处理站95下游的路线中流动的生物质的一部分热量被传递给在安装于加热部件94b上游的回热器94a中流动的生物质。在这种情况下，热交换部件通过回热器94a实现离开处理站95的生物质与在处理站95上游的路线中流动的生物质之间的直接热交换。

在一优选实施方式中，处理站95的腔室被载热流体在其中循环的罩壳952包围。

该载热流体被加热到并被保持在这样的温度：该温度能够使容纳于腔室内的生物质保持它进入处理站95之前、即生物质处于加热部件94与处理站95之间时的温度，并能补偿与处理站95的结构有关的热损失。

优选使用与在热交换器9T2处加热传热流体的外部热源相同的外部热源9T3来实现对载热流体的加热。载热流体和传热流体因此可以是在管路中循环的相同流体例如油，用于将传热流体(在回路9T中循环)和载热流体(在罩壳952中循环)加热到所需温度。通过任何适当部件、例如安装在管路上的阀(未示出)以及操控这些阀及热源9T3的开放和关闭，来实现对传热流体和载热流体的温度的不同操控。

为了利用加热部件94提高路线中生物质的温度，例如通过控制部件9C来操控装置，以使热源9T3将传热流体的温度提高到高于容纳在处理站95中的生物质的温度，例如提高到接近210℃的温度。

因此，使用同一外部热源9T3来加热传热流体和用于保证在处理站95的生物质的温度上升和/或保持的载热流体。换句话说，使用同一外部热源9T3用以：

–一方面加热传热流体，从而允许在生物质到达处理站之前加热生物质；和

–另一方面加热载热流体，从而允许保持在处理站的生物质温度，该温度优选至少等于180℃。

为了限制处理站95的腔室壁上的生物质沉积现象并且同时使用机械被动式的处理站95(即没有刮擦器和/或混合器)，处理站95优选包括可以使生物质在腔室内流动的再循环分支9M。为此，优选在上部954抽吸生物质(生物质在上部更稀)，通过下部953将该生物质再注入腔室内。优选地，该再循环流量确定成使得：在再循环分支9M中流动的生物质以为来自加热部件94的进入处理站95的生物质流量的5-15倍之间的流量提取。这种再循环保证容纳在处理站95中的生物质的温度具有良好一致性。

优选通过隔膜泵9M1保证生物质在再循环分支9M中的流动，隔膜泵优选是密封的并相对处理站95外置。这样安装的这种泵9M1增强装置的可靠性，因为泵9M1例如可以进行修理或维护而无需使装置整体停工。

可看到，本发明提出的不同方案允许降低生物质的粘度，因此有利于通过较小部件增加生物质的温度。

因此可以减小热交换器(加热部件94、94b和/或冷却站96)的面积、管道直径以及处理站95的容积。

图3表示根据本发明的混合器98的例子。生物质通过输入管21进入混合器98，输入管21例如与图1所示的加压泵93连接。当生物质到达混合器98的内容积时，生物质承受通过蒸汽发生部件981由喷嘴23注入的蒸汽。在该例中，蒸汽垂直于输入管21注入。通过包括注射头24的注射部件97将作为添加剂的酸也注入到在混合器98内容积内的生物质中。因此，例如和尤其在生物质和蒸汽注入的压差的作用下，生物质、蒸汽和酸在混合器98中动态混合，压差优选大于0.2MPa。例如，生物质以低于1m/s的速度进入混合器，蒸汽以高于130m/s、优选在200-250m/s之间的速度注入到混合器98中。混合物例如朝图1所示的加热部件94的方向，被导往输出管22。作为选择，混合器98可以包括例如具有挡板25的静态混合器。在图3的例子中，蒸汽生相对于生物质在混合器98内容积中的移动方向倾斜地注入，或与生物质在混合器98内容积中的移动方向垂直地注入。蒸汽注入流量相当于在路线中移动的生物质流量的20％或更少，一般在10％到20％之间。

根据本发明的混合器98的另一例子示于图4。在该例中，混合器98包括用于限制或避免混合器98的部件腐蚀的磨损零件26，在该例中，所述部件是管道，承受蒸汽注入所产生的蒸汽流。该磨损零件26面对喷嘴23，优选是可拆卸的。在图4的例子中，蒸汽与生物质的移动方向垂直地注入到混合器98的内容积中，生物质沿方向10移动。

当然，本发明并不限于刚才描述过的例子，可以给这些例子带来许多设置，而不超出本发明的范围。另外，本发明的不同的特征、形式、变型和实施方式可以根据各种组合互相结合，条件是它们不是互不相容的或不是互相排斥的。

在图3和4的变型中，蒸汽以与生物质的移动方向逆向的方式注入到混合物98的内容积中。