一种水热炭化一体化工艺设备的制作方法

本发明涉及水热炭化技术领域，尤其涉及一种水热炭化一体化工艺设备。

背景技术：

生物质广义为一切有机的可以生长的物质，针对生物质废弃物可以进行水热炭化来进行回收利用，制备成能量密度较高的水热炭，来作为燃料使用。但是生物质废气物的种类较多，不同种类之间的生物质的物理特性也相差较多。例如，农业植物类生物质通常包括秸秆和畜牧粪便，含碳量较高、水份较少，呈现固体的状态；生活、餐余垃圾，含水量较高，呈现液体或固液混合的状态；污泥类垃圾，通常含有一定量的微生物，粘稠性较高，呈现固液混合的状态。由于生物质废弃物物理性质的差异，回收再利用时需要进行相应的分类以进行水热炭化，极大地增加了生物质再利用的成本和难度。

现有的处理方式包括两种：

其一，将破碎机设置在高处，发酵罐设置在低处，使得破碎后的生物质能够直接通过管道输送至发酵罐内，但是会占用较多的高度空间，要么需要设置专门的高台来安装破碎机，要么需要设置专门的深坑来安装发酵罐，结构复杂不利于整个系统的设置；

其二，由于无法同时实现固液混合生物质的举升，只能先将生物质固液分离，再单独使用相应的破碎机和发酵罐在同一水平面的设备，分别进行固态生物质的水热炭化和液态生物质的水热炭化，但是因为需要两套设备来分别进行水热炭化，需要的空间和资源更多。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种水热炭化一体化工艺设备，用以解决现有设备占用空间大、结构复杂、产生的水热炭质量差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种水热炭化一体化工艺设备，水热炭化一体化工艺设备包括位于同一安装平面上的破碎机、发酵罐和高压反应釜；

破碎机用于对生物质进行破碎，破碎机的出料口通过第一输送通道与发酵罐的第一进料口连接；发酵罐的出料口通过第二输送通道与高压反应釜的进料口连接；

第一输送通道设有至少1个物料举升机构；第二输送通道设有流体泵。

本发明技术方案中，物料举升机构包括：方管框架及2个半方管机构；

半方管机构包括：半方管、可转挡板、电机；

方管框架能够将2个半方管机构的半方管拼合成方管，电机用于驱动半方管沿方管轴线方向滑动；

半方管包括整侧壁和2个半侧壁，半侧壁的边缘设有密封滑槽，整侧壁与可转挡板铰接，且可转挡板能够向流体流动方向转动使物料能够在方管中流动；

可转挡板为长方形板，且可转挡板的短边长度与方管的内壁宽度相等，可转挡板的四周边缘均设有密封条。

本发明技术方案中，第一输送通道还设有多个套管，套管的两端均为刚性的方形连接头，方形连接头能够套设在方管的外侧，并与方管框架固定连接。

本发明技术方案中，破碎机的出料口和发酵罐的第一进料口均设有能够与方形连接头固定连接的接口。

本发明技术方案中，发酵罐设有搅拌装置；搅拌装置包括转轴、旋转电机、叶片和升降电机；

旋转电机用于控制转轴周向旋转，升降电机用于控制转轴轴向移动；叶片设有多个，且均布固定设置在转轴上。

本发明技术方案中，第二输送通道设有四通结构，四通结构包括1个输入端和3个输出端，且1个输入端和3个形成正三棱锥；

高压反应釜的进料口设有3个且沿高压反应釜的周向均布；每个四通结构的输出端各与1个高压反应釜的进料口连接。

本发明技术方案中，高压反应釜的罐体为轴线垂直与安装平面的回转体，且罐体的下部为上粗下细的圆台状结构。

本发明技术方案中，高压反应釜的出料口设置在罐体的底端，高压反应釜的出料口与固液分离装置装置连接。

本发明技术方案中，破碎机的出料口设置在破碎机的底部；高压反应釜的出料口与固液分离装置装置连接；发酵罐的第一进料口和第二进料口设置在发酵罐的顶部，发酵罐的出料口设置在发酵罐的底部。

本发明技术方案中，发酵罐的第一进料口、第二进料口和出料口均设置有密封阀门。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1、本发明能够将破碎机、发酵罐和高压反应釜安装在同一水平面上，通过物料举升机构可以将破碎后的固液混合物料采用封闭式的方式从低处输送至高处，同时通过流体泵将搅拌后和发酵后的液态物料从低处输送至高处，节省了整个设备占用的高度空间，并使得破碎机、发酵罐和高压反应釜这样的大型设备可以简单地设置在水平面上即可，无需设置两套单独的设备来分别进行固态物料和液态物料的处理；

2、本发明通过发酵罐可以将破碎后的生物质与水和接种物混合成混合物料，再根据实际需要，将混合物料直接输送至高压反应釜进行水热炭化或先在发酵罐内发酵再输送至高压反应釜进行水热炭化，可以使最终得到的水热炭具有良好的孔径、大量的酸性表面官能团、有机质，不仅可以用于中和处理常见的碱性污染物并使其无害化，还能提高水热炭本申请的能量密度和能量利用效率，提高对生物质原料的适应性；

3、本发明将四通结构和高压反应釜进料口均设置为周向均布，使得高压反应釜内的水热炭化过程更加均匀充分，提高了水热炭化的反应率。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中物料举升机构的局部剖视图；

图3为本发明实施例中物料举升机构的横截面示意图；

图4为本发明实施例中物料举升机构的纵截面示意图；

图5为本发明实施例中物料举升机构的原理图一；

图6为本发明实施例中物料举升机构的原理图二。

附图标记：

1-破碎机；2-发酵罐；3-高压反应釜；4-物料举升机构；5-套管；6-四通结构；7-半方管；8-可转挡板；9-方管框架。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

在进行水热炭化时，通常需要进行生物质的破碎和发酵，破碎采用破碎机1，发酵采用发酵罐。但是为了保证破碎后的物料能够充分地进行水热炭化反应，通常发酵罐的进料口设置在顶部，而出料口设置在底部，以充分利用重力的作用。而生物质通常包括农林废弃生物质、牲畜粪便、厨余垃圾等等，因此通常为固含量30％以上的固液混合状态，有一定的流动性，但不能单纯地作为液体来看待。针对此类生物质，现有的处理方式包括两种：其一，将破碎机1设置在高处，发酵罐设置在低处，使得破碎后的生物质能够直接通过管道输送至发酵罐内；其二，由于无法同时实现固液混合生物质的举升，只能先将生物质固液分离，再单独使用相应的破碎机1和发酵罐在同一水平面的设备，分别进行固态生物质的水热炭化和液态生物质的水热炭化。

这两种方式都存在明显的缺陷：第一种，会占用较多的高度空间，要么需要设置专门的高台来安装破碎机1，要么需要设置专门的深坑来安装发酵罐，结构复杂不利于整个系统的设置；第二种，因为需要两套设备来分别进行水热炭化，需要的空间和资源更多。此外，现有设备在进行水热炭化反应的时候反应率相对较低，在反应后的产物中依然混有大量的生物质，影响了水热炭的使用，降低了水热炭的能量密度和能量利用率。

本发明实施例通过采用了物料举升装置，在破碎机1和发酵罐在同一水平面的前提下，同时将固液混合的生物质物料进行举升，以实现使用同一套设备同时进行固液混合的生物质的水热炭化，同时通过预混合发酵过程及对发酵罐的优化来提高水热炭化的反应率，从而提高制备的水热炭的综合质量。

具体地，如图1所示，本发明实施例中，水热炭化一体化工艺设备包括：位于同一安装平面上的破碎机1、发酵罐2和高压反应釜3；破碎机1用于对生物质进行破碎，破碎机1的出料口通过第一输送通道与发酵罐2的第一进料口连接；发酵罐2的出料口通过第二输送通道与高压反应釜3的进料口连接；第一输送通道设有至少1个物料举升机构4；第二输送通道设有流体泵。本发明实施例中，先利用破碎机1对生物质进行破碎，并得到固液混合状态的生物质物料，通过第一输送通道的物料举升机构4将固液混合态的生物质物料输送至发酵罐2的第一进料口处，进入发酵罐2的固液混合态的生物质物料与发酵罐2的第二进料口进入的液态接种物及水进行混合，并根据需要进行预发酵，此时，可以得到液态的待反应物料，液态的待反应物料通过第二输送通道输送至高压反应釜3中，并在高压反应釜3进行水热炭化反应，制备出具有良好的孔径、大量的酸性表面官能团、有机质的水热炭，通过高压反应釜3出料口的固液分离装置进行分离。

需要说明的是：如果破碎后的生物质物料以类似农作物等碳含量较高含水量较低的生物质为主时，可以适当增加发酵罐2中加入的水，经过混合搅拌后得到的待反应物料直接通过第二输送通道输送至高压反应釜3中进行水热炭化；如果破碎后的生物质物料以类似污泥的粘稠性较高的生物质为主时，可以适当减少发酵罐2中加入的水，并且经过混合搅拌后得到的待反应物料在发酵罐2中先进行预发酵，使其内部因发酵过程产生较多的微小气泡，再通过第二输送通道输送至高压反应釜3中进行水热炭化，可以使反应更加充分。

破碎机1的出料口设置在破碎机1的底部；发酵罐2的第一进料口和第二进料口设置在发酵罐2的顶部，发酵罐2的出料口设置在发酵罐2的底部。由于本发明实施例采用了物料举升机构4，使得整个设备能够在保证破碎机1、发酵罐2和高压反应釜3安装在同一平面上的前提下，对固液混合态的生物质进行处理，安装简单，结构简单；此外，本发明实施例还通过发酵罐2来实现接种物的混合和发酵，提高了水热炭化的反应率，从而得到具有良好的孔径、大量的酸性表面官能团、有机质的水热炭产物使水热炭化的产物具备更高的能量密度和能量转换效率。

物料举升机构4作为本发明实施例的核心之一，如图2至图4所示，物料举升机构4包括：方管框架9及2个半方管机构；半方管机构包括：半方管7、可转挡板8、电机；方管框架9能够将2个半方管机构的半方管7拼合成方管，电机用于驱动半方管7沿方管轴线方向滑动；半方管7包括整侧壁和2个半侧壁，半侧壁的边缘设有密封滑槽，整侧壁与可转挡板8铰接，且可转挡板8能够向流体流动方向转动使物料能够在方管中流动；可转挡板8为长方形板，且可转挡板8的短边长度与方管的内壁宽度相等，可转挡板8的四周边缘均设有密封条；2个可转挡板8沿物料流动方向依次设置，且转动时互不干涉。

为了方便说明，如图5、图6所示，2个半方管机构分别为第一机构和第二机构：当第一机构的半方管相对第二机构的半方管向上移动时，第一机构的可转挡板抵在第二机构的半方管整侧壁的内侧，第二机构的可转挡板在物料的作用下向上转动，并与第一机构半方管整侧壁的内侧脱离，物料通过脱离后的开口处从第二机构的可转挡板下方进入第一机构的可转挡板与第二机构的可转挡板之间；当第二机构的半方管相对第一机构的半方管向上移动时，第二机构的可转挡板抵在第一机构的半方管整侧壁的内侧，第一机构的可转挡板在物料的作用下向上转动，物料通过脱离后的开口处从第一机构的可转挡板与第二机构的可转挡板之间进入第一机构的可转挡板的上方；当第一机构和第二机构不断向相对上下滑动时，物料逐渐自下至上被举升高处。而可转挡板边缘的密封条能够在可转挡板抵住整侧壁时，固液混合态的物料不会回落。

为了保证2个半方管机构能够相对滑动，第一机构的密封滑槽的截面形状为“凸”字形，第二机构的对应位置设有截面形状也为“凸”字形的密封滑块，密封滑槽和密封滑块除了能够进行相对滑动外，还能起到限位作用防止2个半方管机构分离，此外，二者接触面设置的密封条能够防止物料从2个半方管机构的拼接处漏出。

本发明实施例中，电机控制半方管7往复移动的方式为：

电机控制滚珠丝杠副，电机与方管框架9固定，电机的输出端设有输出齿轮，输出齿轮通过减速齿轮组驱动丝杠螺杆转动，丝杠螺杆上的丝杠螺母上下移动，丝杠螺母与半方管7固定，实现半方管7的往复运动。

或，电机控制液压缸，液压缸的缸体与方管框架9固定，液压缸的活塞与半方管7固定，实现半方管7的往复运动。

或，电机控制齿轮齿条副，电机与方管框架9固定，电机的输出端设有输出齿轮，输出齿轮通过减速齿轮组驱动齿条齿轮转动，使齿条上下移动，齿条与半方管7固定，实现半方管7的往复运动。

为了简化第一输送通道，无需在整个第一输送通道上都设置物料举升机构4，只需要设置多物料举升机构4使固液混合的物料能够被举升到高处即可，本发明实施例中，第一输送通道还设有多个套管5，套管5的两端均为刚性的方形连接头，方形连接头能够套设在方管的外侧，并与方管框架9固定连接，且方形连接头与方管直接设有密封圈，可以防止物料从方管与方形连接头连接处漏出。需要说明的是，两个方形连接头之间为方形连接管，方形连接管可以根据情况设置为直管或弯管，方形连接管应当为刚性管，以防止方形连接管内的物料造成方形连接管损坏。

相应地，破碎机1的出料口和发酵罐2的第一进料口均设有能够与方形连接头密封连接且固定连接的接口。

本发明实施例的第一输送通道由方管框架9和套管5连接成的结构为刚性结构，保证第一输送通道的固定路径和形状，2个半方管机构相对对应的方管框架9往复运动，使固液混合态的物料能够沿第一输送通道从低处输送至高处，从而实现固液混合态的物料的举升和输送。

本发明实施例通过发酵罐2来向生物质中添加接种物，并使接种物和生物质混合，实现预发酵过程。由于发酵过程需要保持一定的氛围，本发明实施例中，发酵罐2的第一进料口、第二进料口和出料口均设置有密封阀门。当生物为污泥一类含有微生物且粘稠性较高时，需要进行发酵，关闭所有的密封阀门，发酵罐2内即可进行发酵；其他情况，不需要进行发酵，打开封闭阀门，可以混合号的待反应物可以随着发酵罐2内的不断搅拌而从发酵罐2输送至高温反应釜3中，以进行水热炭化反应。

为了能够使搅拌和发酵更加均匀，本发明实施例中，发酵罐2设有搅拌装置，用于对发酵罐2内的生物质和接种物进行搅拌混合，同时在发酵的过程当中，也可以使发酵罐2内的生物质发酵得更加充分；搅拌装置包括转轴、旋转电机、叶片和升降电机；旋转电机用于控制转轴周向旋转，升降电机用于控制转轴轴向移动；叶片设有多个，且均布固定设置在转轴上。本发明实施例通过叶片随转轴的周向转动，来对发酵罐2内的混合物进行周向搅拌，通过叶片随转轴的轴向移动，来对发酵罐2内的混合物进行轴向的翻动。

本发明实施例通过高压反应釜3来实现最终的水热炭化过程，为了提高水热炭化的反应率，本发明实施例中，除了需要在高压反应釜3内设置搅拌装置外，还通过加料结构的改进来进一步提高高压反应釜3内部物料的均匀性，进而提高水热炭化的反应率。具体的，第二输送通道设有四通结构6，四通结构6包括1个输入端和3个输出端，且1个输入端和3个形成正三棱锥；高压反应釜3的进料口设有3个且沿高压反应釜3的周向均布；每个四通结构6的输出端各与1个高压反应釜3的进料口连接。本发明实施例通过正三棱锥的四通结构6，来通过三个周向均布的进料口向高压反应釜3内添加物料，使得高压反应釜3内的物料更加均匀，使水热炭化的反应能够更加充分，从而提高水热炭化的反应率，本发明实施例能够将水热炭的收得率提高至90％。

为了保证物料能够在高压反应釜3内均匀地进行水热炭化反应，本发明实施例中，高压反应釜3的罐体为轴线垂直与安装平面的回转体，且罐体的下部为上粗下细的圆台状结构；高压反应釜3的出料口设置在罐体的底端。在本发明实施例的高压反应釜3内，物料在水热炭化的作用下，粘度和固含量都呈现下降趋势，该趋势会在高压反应釜3内竖直方向自上而下逐渐增加、水平方向从四周到中心逐渐增加，利用物料的自身重力和圆台状结构的锥角，经过水热炭化的物料可从高压反应釜3底部利用出料泵排出。

本发明实施例将水热炭化后的产物通过高压反应釜3出料口处设置的固液分离装置进行固液分离，得到固态的水热炭和水热炭液，用于后续的进一步利用。使用本发明实施例的设备制备的水热炭化产物中：

水热炭具有良好的孔结构和较大的比表面积；且水热炭中包括有机碳和腐植酸(腐植酸的质量百分比为5％～30％)，能有效增加赤泥的有机养分；并且，水热炭表面有大量呈弱酸性的含氧官能团，能够缓释酸性位通过中和作用长时间稳定赤泥的酸碱性；水热炭经过炭化后的改性水热炭能改善赤泥的透气性和孔隙率；

水热炭液中包括小分子有机酸性物质(例如糠醛、丙酸和乙酸)；水热炭液中的这些小分子有机酸性物质能够快速降低赤泥的碱性。并且能够为微生物提供碳源，改善赤泥的微生物生长环境。

综上所述，本发明实施例提供了一种水热炭化一体化工艺设备，本发明能够将破碎机、发酵罐和高压反应釜安装在同一水平面上，通过物料举升机构可以将破碎后的固液混合物料采用封闭式的方式从低处输送至高处，同时通过流体泵将搅拌后和发酵后的液态物料从低处输送至高处，节省了整个设备占用的高度空间，并使得破碎机1、发酵罐和高压反应釜这样的大型设备可以简单地设置在水平面上即可；本发明通过将部分发酵后的熟料回引至发酵罐，并与破碎后的生物质进行混合，进行预发酵，可以使最终得到的水热炭具有良好的孔径、大量的酸性表面官能团、有机质，不仅可以用于中和处理常见的碱性污染物并使其无害化，还能提高水热炭本申请的能量密度和能量利用效率；本发明将四通结构和高压反应釜进料口均设置为周向均布，使得高压反应釜内的水热炭化过程更加均匀充分，提高了水热炭化的反应率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。