一种复合加热的水热反应装置及其复合加热方法与流程

1.本发明涉及一种复合加热的水热反应装置及其复合加热方法，尤其涉及一种用于畜禽粪便、秸秆、农产品加工剩余物、林业废弃物等有机废弃物调质的水热裂解反应装置，属于环保技术和压力容器领域。


背景技术：

2.一方面，随着农村养殖业的发展，养殖粪便造成的农村水、气、土污染也受到关注，未经有效处理会造成病菌、激素、抗生素等有毒物质通过畜禽粪便农用的方式进入到土壤、水体中，对环境构成深层威胁的同时也会进入食物链构成食品安全问题。而秸秆就地焚化是造成大气污染的重要原因之一。另一方面，农村化肥的大量使用，导致土壤板结、肥力下降，化肥残留在危害食品安全的同时，还加剧了水土污染，浪费大量资源。随着公众对环境的重视程度越来越高，农村畜禽粪便、秸秆、农产品加工剩余物等有机废弃物不能随便丢弃或焚毁，而收集起来焚烧处理的成本相对比较高。对这些有机废弃物进行高压灭菌、水解后发酵制肥，无疑是一条有效的资源化处理途径。
3.高压水热裂解是制肥工艺中一个重要的环节。如采用直接往水热裂解装置中加入水蒸气来实现升温加压，势必会使得装置内物料的水分无法控制。而单一间壁式换热方式又往往会存在加热温差大，使得物料过度失水在换热管外结痂，影响热交换。


技术实现要素：

4.本发明一个方面的目的在于提供一种水蒸气和导热油复合加热的水热反应装置，在装料过程先启用蒸汽和低温导热油加热，装料结束并达到预设温度后再启用高温导热油加热，从而减少换热温差，尽可能避免物料结痂。
5.本发明是通过以下技术方案来实现的。
6.一种复合加热的水热反应装置，包括水热反应罐、分汽缸、高温油槽和低温油槽；水热反应罐包括罐体直段、罐体底部和罐体顶部，所述罐体底部为锥斗状，且锥斗状底部设有出料口，罐体顶部设有进料口；所述罐体直段内设置有若干直立布置的导热油加热管，若干导热油加热管底部设置有导热油下集箱相连，能够通入高温导热油；所述罐体底部设置有导热油盘管，所述导热油盘管环绕着贴近所述罐体底部的内壁设置，所述导热油盘管的入口分别设置有低温油管和高温油管，能够分别通入低温导热油和高温导热油作为热介质，且所述低温油管和所述高温油管上分别设置有低温油阀和高温油阀使得导热油盘管内的热介质能够进行切换；所述水热反应罐内还设置有从下往上环绕着布置的蒸汽加热管，能够通入蒸汽。
7.可选的，依据本发明一个实施例，前述技术方案中，所述蒸汽加热管包括环绕着设置在罐体底部空间内的下段蒸汽管和贴近罐体直段内壁设置的上段蒸汽管，下段蒸汽管的入口与分汽缸相连。
8.可选的，依据本发明一个实施例，前述技术方案中，所述装置还包括分汽缸、高温
油槽和低温油槽，分别用于分配蒸汽、高温导热油和低温导热油；所述分汽缸与蒸汽加热管的入口相连；所述高温油槽与所述导热油下集箱连通；所述低温油槽、所述高温油槽与所述导热油盘管的入口之间分别通过低温油管和高温油管相连。
9.一种水热反应装置的复合加热方法，包括：启动装料过程，使物料通过进料口进入水热反应罐，此时启动蒸汽加热和低温导热油加热，使蒸汽通过分汽缸从蒸汽加热管的入口进入，从水热反应罐的罐体底部往上加热，蒸汽换热冷却后从蒸汽加热管顶部引出；同时使低温油槽里的低温导热油从导热油盘管的入口进入，对罐体底部进行加热。
10.当水热反应罐内的物料达到预设料位后，结束装料过程；当水热反应罐内的物料温度达到100℃以上，停止蒸汽给入加热；并关闭低温油阀、开启高温油阀，使导热油盘管内的低温油导热油切换成高温油槽内的高温导热油，使得罐体底部从低温导热油加热切换成高温导热油加热；同时，使高温导热油从高温导热油槽通入导热油加热管对罐体直段内的物料进行高温加热，直至水热反应罐内的物料完成水热反应过程。
11.可选的，依据本发明一个实施例，前述技术方案中，所述高温导热油温度为280
‑
300℃；所述低温导热油温度为150~180℃。
12.可选的，依据本发明一个实施例，前述技术方案中，所述物料包括畜禽粪便、农作物秸秆的任一种或其混合物。
13.本发明的优点及有益效果包括：低温时，蒸汽从底部往上换热，同时底部还有低温导热油作为强化加热措施，能够保证底部物料尽可能被加热并不断加热后进入的物料。而当罐内物料达到100℃以上时，切断蒸汽换热，更换为罐体直段内的高温导热油加热，同时也将罐体底部的低温导热油加热切换为高温导热油加热。先低温热介质（蒸汽和低温导热油）后高温热介质（高温导热油）加热物料，既能够保持必须的换热温差，又能够避免由于换热温差过大使得物料失水过快在换热管外结痂反而影响了有效换热。
附图说明
14.图1为本发明所涉及的其中一种实施方式的复合加热的水热反应装置示意图。
15.图中：1－水热反应罐；2－蒸汽加热管；3－导热油盘管；4－导热油加热管。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
17.本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
18.如图1所示，一种复合加热的水热反应装置，包括水热反应罐、分汽缸、高温油槽和低温油槽等。作为一个实施例，还包括导热油炉，利用部分秸秆为燃料加热分别产生低温导热油（150
‑
180 ℃）和高温导热油（280
‑
300 ℃），同时为降低排烟温度副产蒸汽（0.3
‑
0.6 mpa），以实现本装置的复合加热。
19.水热反应罐为高压容器，用于畜禽粪便（包括牛粪、猪粪、鸡粪）、农作物秸秆等农村废弃物制有机肥，包括罐体直段、罐体底部和罐体顶部。顶部采用压力容器的常规设置方
式——半圆形罐体顶部，罐体底部为锥斗状，能够使得出料更为顺畅。进料口设置在顶部中心，出料口设置在底部中心，亦即锥斗状底部，且均设置有阀门，通过阀门启闭控制秸秆和粪污等物料进出。
20.罐体直段内设置有若干导热油加热管4，这些导热油加热管4直立大间距布置，其底部和顶部均设置有导热油集箱相连。如图1所示的实施例中，这些导热油加热管优选分别通过两组导热油集箱相连。每组导热油集箱包括导热油下集箱（入口集箱）和导热油上集箱（出口集箱）。高温油槽与导热油下集箱之间设有连接管，且连接管上设有高温油阀。高温油槽里存储有温度为280
‑
300℃高温导热油。高温导热油从下往上进入导热油加热管对水热反应罐进行加热，换热后的导热油通过导热油上集箱汇集后引出，回到导热油炉加热以循环利用。
21.罐体直段内还环绕着设置有蒸汽管（图1只是示意性的显示了部分蒸汽管的环绕连接，实际上这些蒸汽管都是连通的，且呈螺旋向上的环绕式布置），贴近罐体直段的内壁设置。罐体底部内设置有蒸汽加热管2，蒸汽加热管2设置在物料中，而非贴壁设置。蒸汽加热管2底部为入口、顶部为出口，且蒸汽加热管2的出口与蒸汽管连通，入口与分汽缸相连，使得蒸汽从水热反应罐底部到上部的环绕式加热是连通的。
22.罐体底部还设置有导热油盘管3，导热油盘管3环绕着贴近所述罐体底部的内壁设置。导热油盘管3的入口与低温油槽和高温油槽之间分别设有低温油管和高温油管相连。并且低温油管和高温油管上分别设置有低温油阀和高温油阀，通过切换启闭低温油阀和高温油阀，从而使得罐体底部实现低温导热油加热和高温导热油加热的切换。
23.启动装料过程，使畜禽粪便（包括牛粪、猪粪、鸡粪）、农作物秸秆等农村废弃物作为物料通过进料口进入水热反应罐，此时启动蒸汽加热和低温导热油加热。进料装置按需设置，如包括并联式设置的粪污进料装置、秸秆进料装置和清液给入装置。粪污进料装置包括粪污罐和粪污泵，秸秆进料装置包括秸秆料仓和给料器，清液给入装置用于补充清液，使得粪污和/秸秆能够达到水热裂解所需的水分（通常70%~80%）。
24.蒸汽加热：使表压0.3~0.6mpa的蒸汽（143
‑
165℃）通过分汽缸从蒸汽加热管2的入口进入，依次通过蒸汽加热管和蒸汽管从水热反应罐底部往上加热，蒸汽换热冷却后变成饱和水或过热水从蒸汽管上部引出。
25.低温导热油加热：使低温油槽里的低温导热油从导热油盘管3的入口进入，对罐体底部进行加热。
26.当水热反应罐内的物料达到预设料位后，结束装料过程并关闭进料口阀门。水热反应罐内设置有若干测温装置，当水热反应罐内的物料温度达到100℃，停止蒸汽给入及加热。同时，使高温导热油从高温导热油槽通入导热油加热管对罐体直段内的物料进行高温加热。并关闭低温油阀、开启高温油阀，使导热油盘管内的低温油导热油切换成高温油槽内的高温导热油，使得罐体底部从低温导热油加热切换成高温导热油加热，满足高温加热需求。保持高温导热油加热，直至水热反应罐内的物料完成高压水热反应过程。达到预设的停留时间后打开出料口阀门放料。
27.由于进入水热反应罐的物料在重力作用下下落，物料从底部往上逐渐堆积，因此底部强化加热对水热反应很重要。也因此，低温时，蒸汽从底部往上换热，同时底部还有低温导热油作为强化加热措施，能够保证底部物料尽可能被加热并不断加热后进入的物料。
而当罐内物料达到100℃以上时，切断蒸汽换热，更换为罐体直段内的高温导热油加热，同时也将罐体底部的低温导热油加热切换为高温导热油加热。先低温热介质（蒸汽和低温导热油）后高温热介质（高温导热油）加热物料，既能够保持必须的换热温差，又能够避免由于换热温差过大使得物料失水过快在换热管外结痂反而影响了换热过程。
28.无论是蒸汽加热管、导热油加热管，还是导热油盘管，穿过作为压力容器的水热反应罐罐体壁面时均需采用密封设置，本领域一般技术人员均能理解和想象，在此不再详述。且无论是高低温导热油还是蒸汽，均采用强制循环设置，本领域一般技术人员也均能理解和想象。
29.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。