CN103846055A - 一种回收富水生物质中能量的热回收方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种回收富水生物质中能量的热回收方法和***。将含水率＜99.9％的富水生物质放入一个高压密闭容器中，对高压密闭容器进行加热到温度和压力在100℃≤T＜250℃，0.1MPa≤P＜3.97MPa范围内，保持高压密闭容器内温度和压力不变并静置一段时间，使富水生物质液化，并且各种生物质和固体无机杂质发生分离；再对高压密闭容器加热到温度和压力在100℃≤T＜350℃，0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内，使大部分生物质组分不发生化学分解，同时高压密闭容器内的水发生沸腾，然后导出高温高压水蒸汽，将能量回收利用，并使富水生物质脱水；然后停止加热，冷却高压密闭容器并回收余热，而后打开高压密闭容器，取出已分离的脱水干化后的生物质和固体无机杂质，脱水干化后的生物质用于能量回收，固体无机杂质用于矿物质和重金属回收。

Description

一种回收富水生物质中能量的热回收方法和***
技术领域：
本发明涉及高COD含量的含水固体、液体处置领域，尤其涉及一种回收富水生物质中能量的热回收方法以及利用该方法的回收富水生物质中能量的热回收***。
背景技术：
在工农业高速发展的今天，污染减排、能源短缺和碳排放问题已经成为世界各国关注的焦点，目前大部分发达国家已经开始节能减排和寻找低碳能源，以保证社会的可持续发展，因此如何节能减排和开发新的低碳能源已成为科学和工业应用研究的新热点和重要任务。城镇化发展是工业文明的显著特征，人类集居，产业集聚，全球经济一体化，工业文明造就了现代都市，同时也造成大量的废水和有机固体废弃物(如市政污泥和餐厨垃圾)污染。绝大部分的有机固体液体废弃物实际上是富水生物质，所述富水生物质常见的有：高COD含量的污水处理产生的浓缩液、污泥、畜禽等动物饲养产生的***物(动物粪便等)、餐厨垃圾(菜叶、果皮、残羹剩饭、油脂等)、园林垃圾(园林修剪产生的枝叶等)、农田垃圾(作物)等富水生物质。目前对富水生物质的处理常见的有填埋、焚烧、超临界氧化，但其都无法低成本且有效地解决其在污染物控制和能量回收的问题。尤其是富水生物质脱水干化过程中消耗的大量能量没有得到回收，而脱水干化后的富水生物质中蕴含的大量低碳能量无法全部抵消或刚好抵消脱水干化过程所消耗的这部分能量。这样造成原本可以成为优质低碳能源的生物质燃料，由于富含水而成为非常棘手的，费时费工，处理成本巨大的污染物。因此，如何将脱水过程消耗的能量进行回收和二次利用及如何将富水生物质的能量转化成可利用的优质低碳生物质能源，仍然是世界上近百年来一直在亟待解决的难题。
目前传统的富水生物质处理方法，以污泥焚烧方法为例，一般是将含水率为70％-90％的污泥进行直接焚烧，然后将得到的灰分进行填埋或固化压铸成型作为新型建筑材料使用，其只能达到污泥减量化的效果，并没有产生可利用的能量。由于焚烧污泥时，污泥中的水分蒸发带走热量，一般需要外部加入助燃剂。因此，直接焚烧不仅无法回收污泥中含有的热值，还严重耗费能量，因此其不节能，不经济实用。
另一种目前刚刚兴起的利用超临界或亚临界氧化法处理污泥的新方法，是将装在一个超高温高压反应器内的污泥加热加压至超临界(温度≥374℃、压力≥22MPa)或亚临界(温度200℃～374℃、压力10MPa～22MPa)的高温高压条件，在此温度和压力下对污泥进行直接氧化处理；在此温度和压力下污泥中的大部分物质与氧气发生反应，将污泥中的各种物质彻底氧化或分解。该方法具有污泥处理彻底的优点，并且其产生的热量经回收后可作为能源利用。但其结构复杂，制造非常困难，因而其设备投资成本极其昂贵，且其需要在高温高压富氧状态下运行，耗费能量大，附带安全隐患较高。另外，由于污泥的成分复杂，通常具有腐蚀性，在高温高压情况下更容易对超高温高压反应器造成损害，因此带来昂贵的设备维护和更换成本。超高温高压反应器的制造成本高昂且运行难度大，虽然其可以产生大量的热能，但与其耗费的能量、制造、运行成本相比，其性价比低，因此其并不实用。
由此可见，能够在富水生物质污染物减量化、稳定化的同时回收富水生物质中的化学能，切实贯彻“节约能源、减少排放、成本约束、环境友好、综合利用”原则的方法还有待开发。
发明内容：
本发明的目的之一是提供一种新型的回收富水生物质中能量的热回收方法。
实现本发明目的一的技术方案是：一种回收富水生物质中能量的热回收方法，其包括以下步骤：
步骤1)：将含水率＜99.9％的富水生物质放入一个高压密闭容器中，对高压密闭容器进行加热；
步骤2)：一级升温过程，控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜250℃，控制压力在0.1MPa≤P＜3.97MPa范围内，使富水生物质液化，且绝大部分生物质组分不发生化学分解，处于混合水溶液状态，保持高压密闭容器内温度和压力不变并静置一段时间，使富水生物质内的各种生物质和其所含的各种固体无机杂质分离，由于比重不同，较重的固体无机杂质沉淀到高压密闭容器内水溶液的底部，而较轻的生物质浮到高压密闭容器内水溶液的上部；
步骤3)：二级升温过程，通过步骤2)，使富水生物质和固体无机杂质分离后，控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内，使大部分生物质组分不发生化学分解，同时高压密闭容器内的水发生沸腾，产生带杂质的高温高压水蒸汽，导出高温高压水蒸汽，将能量回收利用，并使富水生物质脱水；
步骤4)：经过步骤3)，停止加热，冷却高压密闭容器并回收余热，而后打开高压密闭容器的盖子，取出内部已分离的脱水干化后的生物质和固体无机杂质，脱水干化后的生物质用于能量回收，固体无机杂质用于矿物质和重金属回收。
所述富水生物质为各种高COD含量的含水固体和液体，如包括：市政污水以及其它工农业军事生产产生的污水，以及经各种净化处理后产生的高COD含量的浓缩液、污泥、畜禽等动物饲养产生的***物、餐厨垃圾、园林垃圾、农田垃圾等富水生物质的一种或多种的混合物。
为了简化升温的操作步骤，在实际操作过程，可以将目的一中所述回收富水生物质中能量的热回收方法中所述的步骤2)“一级升温过程”和步骤3)“二级升温过程”合并成一次性升温过程，一次性升高并控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内。
为了更好的技术效果，本发明目的一所述回收富水生物质中能量的热回收方法，还可以具体为以下特征：
1.所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，还包括步骤5)：将经步骤3)中导出的带杂质的高温高压水蒸汽作为第一换热介质输入热交换器，同时将干净的第二换热介质通入热交换器，将步骤3)产生的带杂质的高温高压水蒸汽的热量全部热交换给干净的第二换热介质输出，同时对第二换热介质的热量进行利用，实现对富水生物质脱水所需能量的回收利用。
2.所述的步骤1)中高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热、电加热、高频、微波、煤、油、天然气、太阳能、余废热加热方式，或其它加热方式。
3.还包含步骤8)：所述步骤4中取出的脱水干化后的生物质的能量回收方式为燃烧，燃烧过程的放热用于步骤1)～3)的加热过程以回收其能量。
4.还包含步骤9)：将步骤8)中燃烧所产生的灰分通过回收处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
5.还包含步骤10)：所述步骤4)产生的无机物杂质通过回收处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
6.步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在110℃～200℃，压力为0.14MPa～1.55MPa范围内；或
7.步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在120℃～180℃，压力为0.20MPa～1.00MPa范围内；或
8.步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在130℃，压力为0.27MPa；或
9.步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在150℃，压力为0.48MPa；或
10.步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在170℃，压力为0.79MPa；或
11.步骤3)所述“二级升温过程”的温度控制在120℃～300℃，压力为0.2MPa～8.58MPa范围内；或
12.步骤3)所述“二级升温过程”的温度控制在150℃～290℃，压力为0.48MPa～7.44MPa范围内；或
13.步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在220℃，压力为2.32MPa；或
14.步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在250℃，压力为3.97MPa；或
15.步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在280℃，压力为6.41MPa；或
16.步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在320℃，压力为11.28MPa；或
17.所述的步骤4)中的富水生物质脱水干化后的含水率达到0％～50％；或
18.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到3％～20％；或
19.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到10％～15％；或
20.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到30％；或
21.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到40％；或
22.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到7％；或
23.所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到1％。
24.所述的步骤1)中高压密闭容器的加热方式为导热油介质时，还包括步骤16)：将步骤4)中冷却高压密闭容器所回收的余热用于导热油介质的加热。
25.还包括步骤17)：步骤4)中冷却高压密闭容器所回收的余热可用于干化富水生物质
上述1中的回收方法，还可以具体为以下特征：
(1)所述第二换热介质为干净的水、气体、液态金属或其他可进行热交换的物质。其中所述干净的水可以为脱盐水、去离子水或蒸馏水。
(2)还包括步骤6)：将经步骤5)输出的第二换热介质的热量用于发电***发电。
(3)还包括步骤7)：将经步骤5)输出的第二换热介质的热量用于市政、工农业和军事设施等的供暖***供暖或其他工农业应用。
(4)还包括步骤11)：对步骤5)中带杂质的高温高压水蒸汽与第二换热介质热交换过程后产生的废水与废气进行回收处理和应用。
(5)所述第二换热介质输入热交换器前进行预加热。
(6)还包括步骤19)：将第二换热介质用于步骤4)中高压密闭容器的冷却过程以回收其热能，并实现对第二换热介质的预加热。
上述(2)所述的回收方法的技术特征，还可以具体为以下特点：
①还包括步骤12)：将所述发电***发电后产生的废热用于步骤1)中的高压密闭容器的加热。
②还包括步骤13)：将所述发电***发电后产生的废热用于城镇供暖***供暖或其他工农业应用。
③还包括步骤14)：当高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热时，所述发电***发电后产生的废热可用于导热油介质的加热。
④还包括步骤15)：将所述发电***发电后产生的废热还可用于步骤5)中的第二换热介质的预加热。
上述(5)所述的回收方法的技术特征，还可以具体为以下特点：
①将输入热交换器前的第二换热介质用于步骤4)中高压密闭容器的冷却过程以回收其余热，由此实现对第二换热介质的预加热。
应用本发明技术方案的回收富水生物质中能量的热回收方法，具有如下技术效果：
1.富水生物质脱水干化过程所耗费的能量得到回收，节能减排效果好，大大降低富水生物质处置成本。
2.脱水干化后的生物质中蕴含的大量能量得到充分的回收利用。大大降低富水生物质处置成本。
3.对脱水过程消耗的能量进行回收和二次利用，并将富水生物质的能量转化成可利用的新能源。能够产生新能源，有利于将富水生物质变废为宝，是富水生物质处置技术的一次重大变革，使富水生物质的价值得到充分开发。
4.本发明回收富水生物质中能量的热回收方法采用高压密闭容器油浴加热，受热均匀；密闭环境实现升温升压的能耗低，还可以充分将富水生物质焚烧放出的热量转移到污泥脱水产生的高温蒸汽中。
5.采用高压密闭容器，相对于超高温高压反应器而言，其制造难度大大降低，且制造成本也大大减小，运行的费用也大大减小，安全性及稳定性都大大增强。
6.产生的大量高温蒸汽通入热交换器转换化为干净的高温高压蒸汽，可全部用于市政、工农业和军事设施等的供暖***供暖或其他工农业应用，产生新能源，实现变废为宝。
7高温高压蒸汽用于发电后产生的废热可用于高压密闭容器的预热以及低温的第二换热介质的预加热，实现能源的充分循环利用，更加环保。
8.当高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热时，经高压密闭容器产生的脱水干化生物质可投入导热油锅炉中直接燃烧，回收热量用于加热导热油，将富水生物质干化过程中的能源消耗降到最低。
本发明的目的之二是提供一种新型的富水生物质能量的回收***。
实现本发明目的二的技术方案是：一种应用目的一所述回收富水生物质中能量的热回收方法的***，其特征在于：至少包括干化设备和高温高压水蒸汽的热收集回收装置，所述干化设备包含高压密闭容器和用于对高压密闭容器进行加热的加热装置。
为了更好的技术效果，本发明目的二所述回收富水生物质中能量的***，其技术特点还可以具体为以下特征：
1.还包括灰分处置装置，进行如权利要求1所述回收方法的步骤1)-步骤4)的操作后分离出固体无机杂质送入固体无机杂质回收处理***进行处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
2.还包括生物质燃烧锅炉和固体无机杂质回收处理***，高压密闭容器进行如权利要求1所述的回收方法的步骤1)-步骤4)的操作后分离出的脱水干化后的生物质送入生物质燃烧锅炉燃烧，燃烧产生的灰分送入固体无机杂质回收处理***处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
3.所述加热装置由对高压密闭容器加热的导热油加热装置和导热油锅炉组成；所述导热油锅炉与导热油加热装置管道连接；所述高压密闭容器与导热油加热装置一体。
4.还包括高压密闭容器热量回收装置用于回收高压密闭容器的余热。其回收的高压密闭容器的余热用于干化富水生物质、第二换热介质的加热。
5.所述高温高压水蒸汽的热收集回收装置为热交换器，高温高压水蒸汽作为热交换器的第一换热介质，还包括第二换热介质供应装置以及废水废气收集处理***；所述高压密闭容器的蒸汽输出端与热交换器的第一换热介质输入端管道连接，所述热交换器的第二换热介质输入端与第二换热介质供应装置管道连接；所述热交换器的废水废气输出端与废水废气处理装置连接。
更进一步地，包含上述3中所述的技术特点的回收富水生物质中能量的***，还可以具体为以下特征：还包括高压密闭容器热量回收装置，回收的高压密闭容器的余热用于对所述导热油的加热。
更进一步地，包含上述5中所述的技术特点的回收富水生物质中能量的***，还可以具体为以下特征：
1)当热交换器的第二换热介质为干净水时，水被转化成高温高压水蒸汽输出，所述输出的高温高压水蒸汽(第二换热介质)与汽轮发电***连接，将第二换热介质的热量用于发电。或
2)当热交换器的第二换热介质为干净水时，水被转化成高温液体水输出，所述输出的高温液体水(第二换热介质)用于市政、工农业和军事设施等的供暖***供暖或其他工农业应用。
更进一步地，包含上述2)中所述的技术特点的回收富水生物质中能量的***还可以具体为以下特征：
(1)还包含高压密闭容器预热装置以及第二换热介质预加热设备，所述发电***的废热输出端与高压密闭容器预热装置以及第二换热介质预加热设备连接。
本发明目的二所述的回收富水生物质中能量的***，具有如下突出优点：
1.富水生物质脱水干化过程所耗费的能量得到回收，节能减排效果好，大大降低富水生物质处置成本。
2.脱水干化后的生物质中蕴含的大量能量得到充分的回收利用。大大降低富水生物质处置成本。
3.对脱水过程消耗的能量进行回收和二次利用，并将富水生物质的能量转化成可利用的新能源。能够产生新能源，有利于将富水生物质变废为宝，是富水生物质处置技术的一次重大变革，使富水生物质的价值得到充分开发。
4.本发明回收富水生物质中能量的热回收方法采用高压密闭容器油浴加热，受热均匀；密闭环境实现升温升压的能耗低，还可以充分将富水生物质焚烧放出的热量转移到污泥脱水产生的高温蒸汽中。
5.采用高压密闭容器，相对于超高温高压反应器而言，其制造难度大大降低，且制造成本也大大减小，运行的费用也大大减小，安全性及稳定性都大大增强。
6.产生的大量高温蒸汽通入热交换器转换化为干净的高温高压蒸汽，可全部用于市政、工农业和军事设施等的供暖***供暖或其他工农业应用，产生新能源，实现变废为宝。
7.高温高压蒸汽用于发电后产生的废热可用于高压密闭容器的预热以及低温的第二换热介质的预加热，实现能源的充分循环利用，更加环保。
8.当高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热时，经高压密闭容器产生的脱水干化生物质可投入导热油锅炉中直接燃烧，回收热量用于加热导热油，将富水生物质干化过程中的能源消耗降到最低。
附图说明：
图1为本发明目的一所述回收富水生物质中能量的热回收方法的实施例流程图；
图2为本发明目的二所述富水生物质中能量回收***的实施例结构示意图。
具体实施方式：
以下结合附图1和2对本发明的实施例做进一步描述。
实施例一：
如图1所示，一种回收富水生物质中能量的热回收方法，包括以下步骤：
步骤1)：将含水率＜99.9％的富水生物质放入一个高压密闭容器中，对高压密闭容器进行加热；
步骤2)：一级升温过程，控制高压密闭容器内的温度在180℃，压力在1.0MPa，使富水生物质液化状态，且绝大部分生物质组分不发生化学分解，处于混合水溶液状态，保持高压密闭容器内温度和压力不变并静置15分钟使富水生物质内的生物质和固体无机杂质分离，由于比重不同，较重的固体无机杂质沉淀到高压密闭容器的底部，而较轻的生物质浮到高压密闭容器的上部；
步骤3)：二级升温过程，通过步骤2)使富水生物质和固体无机杂质分离后，控制高压密闭容器内的温度在260℃，压力在5MPa约20分钟，绝大部分生物质组分不发生化学分解，同时高压密闭容器内的水发生沸腾，产生高温含杂质的高温高压水蒸汽，导出高温高压水蒸汽使富水生物质内的生物质脱水干化。
步骤4)：经步骤3)后高压密闭容器内的压力和温度逐渐下降，此时停止加热，冷却高压密闭容器并同时回收余热，而后打开高压密闭容器的盖子，取出内部已分离的脱水干化生物质和固体无机杂质，脱水剩余率为1％左右。【所述脱水剩余率为脱水后含水量占原含水量的百分比】
步骤5)：将经步骤3)中导出的高温高压水蒸汽作为第一换热介质输入热交换器，同时将低温干净的第二换热介质通入热交换器，利用步骤3)产生的高温高压水蒸汽的热量全部热交换给干净的第二换热介质输出，同时对输出的第二换热介质的热量进行利用，实现对富水生物质脱水干化所需能量的回收利用。
本实施例中，实施高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热。实际应用中其可以为电加热、高频、微波、煤、油、天然气、太阳能、余废热加热方式，或其它加热方式。
如图1所示，回收富水生物质中能量的热回收方法的实施例中，还包含以下步骤：
1.步骤3)产生的脱水干化后的生物质送入导热油锅炉内燃烧，燃烧放热用于步骤1)～3)的高压密闭容器及其导热油介质的加热过程。
2.步骤5)中输出的第二换热介质的热量用于发电***发电、市政、工农业和军事设施等的供暖***供暖或其他工农业应用。
3.对步骤5)中带杂质的高温高压水蒸汽与第二换热介质热交换过程后产生的废水与废气进行回收处理和应用。
4.所述发电***发电后产生的废热用于步骤1)中的高压密闭容器的加热、导热油介质的加热、第二换热介质的预加热。
5.冷却高压密闭容器所回收的余热可用于导热油介质的加热、第二换热介质输入热交换器前的预加热和富水生物质的加热。
6.高温高压水蒸汽与第二换热介质热交换过程中产生的废水与废气进行回收处理和应用。
7.燃烧脱水干化后的生物质产生的灰分进行处置，同时回收其中的氮磷钾等营养元素和各种贵金属等物质。
在实际应用中，步骤5)所述的第二换热介质可以是：干净的水、气体、液态金属或其他可进行热交换的物质。所述干净的水可以为脱盐水、去离子水或蒸馏水。
在实际应用中，由于富水生物质成分十分复杂且各成分的含量比例多样化，因此，根据富水生物质的成分及处理的要求，在一级升温过程中的温度和压力可以在如下范围内进行选择，以达到分离生物质和固体无机杂质的最好技术效果：
1.温度110℃～200℃，压力为0.14MPa～1.55MPa范围内。
2.温度120℃～180℃，压力为0.20MPa～1.00MPa范围内。
3.温度130℃，压力为0.27MPa。
4.温度150℃，压力为0.48MPa。
5.温度170℃，压力为0.79MPa。
并且在二级升温过程中的温度和压力可以在如下范围内进行选择，以达到富水生物质脱水干化的最好技术效果：
1.温度100℃～350℃，压力为0.1MPa～16.52MPa范围内。
2.温度120℃～300℃，压力为0.2MPa～8.58MPa范围内。
3.温度150℃～290℃，压力为0.48MPa～7.44MPa范围内。
4.温度220℃，压力为2.32MPa。
5.温度250℃，压力为3.97MPa。
6.温度280℃，压力为6.41MPa。
7.温度320℃，压力为11.28MPa.。
通过上述的一级和在二级升温过程中的加热功率、温度和压力及其各个过程的时间的控制，可以使高压密闭冷却后取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到如下水平，以满足实际处理的需要。
1.富水生物质脱水干化后的含水率达到0％～50％；
2.富水生物质脱水干化后的含水率达到3％～20％；
3.富水生物质脱水干化后的含水率达到10％～15％；
4.富水生物质脱水干化后的含水率达到30％；
5.富水生物质脱水干化后的含水率达到40％；
6.富水生物质脱水干化后的含水率达到7％。
7.富水生物质脱水干化后的含水率达到1％。
表一中所示为实施例中一级升温过程和二级升温过程在不同运行参数情况下的耗能、脱水后生物质含水率及产能情况。
本发明实现的回收富水生物质中能量的热回收方法与传统污泥处置方式的耗能产能情况对比如表二所示。
表一：回收1kg富水生物质中能量的热回收方法的运行参数及产能情况
Figure BSA00000830048000111
注：“*”所述的富水生物质：含水80％，12％有机质(24000KJ/Kg)，8％无机矿物质。“**”净产能量：＝1kg富水生物质中的生物质释放热值-处理1kg富水生物质的能耗+处理1kg富水生物质的能耗的回收值。
“***”脱水剩余率为脱水后含水量占原含水量的百分比。
表二：富水生物质*中能量的热回收方法与传统污泥处置方式的耗能产能情况对比
Figure BSA00000830048000121
注：“*”所述的富水生物质：含水80％，12％有机质(24000KJ/Kg)，8％无机矿物质。
“**”净产能量：＝1kg富水生物质中的生物质释放热值-处理1kg富水生物质的能耗+处理1kg富水生物质的能耗的回收值。
“***”运输、填埋需要耗能，按每吨处理费100元，每度电以1元计算。
由表二可见，利用本方法，在一级升温过程，将温度和压力分别控制在180℃，1.0MPa，静置15分钟；二级升温过程，将温度和压力分别控制在260℃，5.0MPa，并保持20分钟后，输出高温高压水蒸气并回收其热能，对高压密闭容器冷却并回收余热后，打开高压密闭容器得到脱水干化的生物质和固体无机杂质，此后对脱水干化的生物质进行焚烧回收热能，对焚烧后的生物质灰分和自高压密闭容器中取出的固体无机杂质进行处理回收其中的氮磷钾等营养元素和各种贵金属等物质。由上表2可见，各种方法在处理过程都需要耗能；除了填埋和堆肥以外，各种方法在处理过程中都可以对生物质所含能量进行回收，回收的能量减去处理耗能的差值就是各处理方法的净产能；由上表2中可见，现有的几种常见的处理中，只有本法和超/亚临界氧化法的净产出能量最高，但超/亚临界氧化法中必须使用带有高强度加热装置的超高温高压密闭容器作为反应器，而超高温高压反应器结构复杂，制造非常困难，因而其设备投资成本极其昂贵，且其需要高温高压富氧状态下运行，耗费能量大，附带安全隐患较高。另外，由于污泥的成分复杂，通常具有腐蚀性，在高温高压情况下更容易对超高温高压反应器造成损害，因此带来昂贵的设备维护和更换成本。超高温高压反应器的制造成本高昂且运行难度大，虽然其可以产生大量的热能，但与其耗费的能量、制造、运行成本相比，其性价比低，因此其并不实用。而本法使用的带有加热装置的高温高压密闭容器，其升温的温度和压力条件都没有超高温高压反应器那么高，因此，较超高温高压反应器而言，本法使用的带有加热装置的高温高压密闭容器的制造就容易得多，且成本大大降低，安全性也大大提高。且其运行费用低，性价比高，非常实用。
为了简化升温的操作步骤，在实际操作过程，可以将目的所述回收富水生物质中能量的热回收方法中所述的步骤2)“一级升温过程”和步骤3)“二级升温过程”合并成一次性升温过程，一次性升高并控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内，同时进行固体无机杂质的分离和富水生物质的脱水。
实施例二：
本发明的目的之二还在于提供一种回收富水生物质中能量的***，如2所示，所述回收富水生物质中能量的***1，其包括干化设备2、灰分处置设备3、热交换器4用作高温高压水蒸汽的热收集回收装置、干净常温水供应装置5、废水废气处理装置6和汽轮机发电***7。
所述干化设备2由高压密闭容器21、油浴加热外套22和导热油锅炉23组成；所述导热油锅炉23与油浴加热外套22管道连接；所述高压密闭容器21放置于油浴加热外套22中；所述高压密闭容器21上安装有压力表211、温度计212以及一个蒸汽输出端213，所述蒸汽输出端213上安装有可控出汽阀门214；将含水率＜99.9％的富水生物质放入高压密闭容器中，经过一级升温静置过程使富水生物质和固体无机杂质分离、二级升温输出高温高压水蒸气使富水生物质脱水干化成含水率为0％～50％的生物质，将干化后的生物质再送入油浴加热外套的导热锅炉23内燃烧；所述灰分处置设备3与导热油锅炉23连接，用于导热油锅炉内烧尽的灰分处置；所述热交换器4的第一换热介质输入端401与高压密闭容器的蒸汽输出端213管道连接，将高压密闭容器输出的带杂质的高温高压水蒸汽作为第一换热介质输入热交换器中；本实施例中的第二换热介质为常温脱盐水，所述热交换器4的第二换热介质输入端402与常温脱盐水供应装置5管道连接，作为第二换热介质的常温脱盐水经热交换器的第二换热介质输入端402通入热交换器中与作为第一换热介质的高温高压水蒸汽进行热交换；所述热交换器4的第二换热介质输出端403与发电***7管道连接，热交换过程中产生的干净的高温高压第二换热介质蒸汽经热交换器的第二换热介质输出端403输送给汽轮发电***7发电；所述热交换器4的废水废气输出端404与废水废气处理装置6连接，热交换过程中，自高压密闭容器的蒸汽输出端213输出的带杂质的高温高压水蒸汽经热交换后转化成废水废气，所述带杂质的高温高压水蒸汽转化成的废水废气经由废水废气输出端404输入废水废气处理装置6中处理；所述汽轮机发电***7与干化设备2管道连接，以将发电***发电过程中产生的废热用于高压密闭容器的加热过程，实现能量的充分循环利用。
为了简化升温的操作步骤，在实际操作过程，可以将目的所述回收富水生物质中能量的热回收方法中所述的步骤2)“一级升温过程”和步骤3)“二级升温过程”合并成一次性升温过程，一次性升高并控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内。
除了发电，本实施例中经热交换器产生的干净的第二换热介质蒸汽还可以输送到市政、工农业和军事设施的供暖***供暖或其他工农业应用。本发明实现的回收富水生物质中能量的热回收方法和***具有优异的节能环保优势，具有重大的经济和社会效益。

Claims (50)

1.一种回收富水生物质中能量的热回收方法，包括以下步骤：
步骤1)：将含水率＜99.9％的富水生物质放入一个高压密闭容器中，对高压密闭容器进行加热；
步骤2)：一级升温过程，控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜250℃，控制压力在0.1MPa≤P＜3.97MPa范围内，使富水生物质液化，且绝大部分生物质组分不发生化学分解，处于混合水溶液状态，保持高压密闭容器内温度和压力不变并静置一段时间，由于比重不同，使富水生物质内的各种生物质和其所含的各种固体无机杂质分离，较重的固体无机杂质沉淀到高压密闭容器内水溶液的底部，而较轻的生物质浮到高压密闭容器内水溶液的上部；
步骤3)：二级升温过程，通过步骤2)，使富水生物质和固体无机杂质分离后，升高并控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内，使大部分生物质组分不发生化学分解，同时高压密闭容器内的水发生沸腾，产生带杂质的高温高压水蒸汽，导出高温高压水蒸汽，将能量回收利用，并使富水生物质脱水；
步骤4)：经过步骤3)，停止加热，冷却高压密闭容器并回收余热，而后打开高压密闭容器的盖子，取出内部已分离的脱水干化后的生物质和固体无机杂质，脱水干化后的生物质用于能量回收，固体无机杂质用于矿物质和重金属回收。
2.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤5)：将经步骤3)中导出的带杂质的高温高压水蒸汽作为第一换热介质输入热交换器，同时将干净的第二换热介质通入热交换器，将步骤3)产生的带杂质的高温高压水蒸汽的热量全部热交换给干净的第二换热介质输出，同时对第二换热介质的热量进行利用，实现对富水生物质脱水所需热能的回收利用。
3.根据权利要求2所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于，所述第二换热介质为干净的水、气体、液态金属或其它可进行热交换的物质。
4.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤1)中高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热、电加热、高频、微波、煤、油、天然气、太阳能、余废热加热方式，或其它加热方式。
5.根据权利要求2所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤6)：将经步骤5)输出的第二换热介质的热量用于发电***发电。
6.根据权利要求2所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤7)：将经步骤5)输出的第二换热介质的热量用于市政、工农业和军事设施的供暖***供暖或其他工农业应用。
7.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤8)：步骤4中取出的脱水干化后的生物质的能量回收方式为燃烧，燃烧过程的放热用于步骤1)～3)的加热过程。
8.根据权利要求7所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤9)：将燃烧脱水干化后的生物质所产生的灰分通过回收处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
9.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤10)：将步骤4)产生的固体无机杂质通过回收处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
10.根据权利要求2所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤11)：对步骤5)中带杂质的高温高压水蒸汽与第二换热介质热交换过程后产生的废水与废气进行回收处理和应用。
11.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在110℃～200℃，压力为0.14MPa～1.55MPa范围内。
12.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在120℃～180℃，压力为0.20MPa～1.00MPa范围内。
13.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在130℃，压力为0.27MPa。
14.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在150℃，压力为0.48MPa。
15.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“一级升温过程”的温度控制在170℃，压力为0.79MPa。
16.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤3)所述“二级升温过程”的温度控制在120℃～300℃，压力为0.20MPa～8.58MPa范围内。
17.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤3)所述“二级升温过程”的温度控制在150℃～290℃，压力为0.48MPa～7.44MPa范围内。
18.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在220℃，压力为2.32MPa。
19.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在250℃，压力为3.97MPa。
20.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在280℃，压力为6.41MPa。
21.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：步骤2)所述“二级升温过程”的温度控制在320℃，压力为11.28MPa.。
22.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中的富水生物质脱水干化后的含水率达到0％～50％。
23.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到3％～20％。
24.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到10％～15％。
25.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到30％。
26.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到40％。
27.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤4)中取出的富水生物质脱水干化后的含水率达到7％。
28.根据权利要求5所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤12)：将所述发电***发电后产生的废热用于步骤1)中的高压密闭容器的加热。
29.根据权利要求5所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤13)：将所述发电***发电后产生的废热用于步骤1)中的富水生物质的预加热。
30.根据权利要求5所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：高压密闭容器的加热方式为导热油介质加热时，还包括步骤14)：将所述发电***发电后产生的废热用于导热油介质的加热。
31.根据权利要求5所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤15)：将所述发电***发电后产生的废热用于步骤5)中的第二换热介质的预加热。
32.据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述的步骤1)中高压密闭容器的加热方式为导热油介质，还包括步骤16)：将步骤4)中冷却高压密闭容器所回收的余热用于导热油介质的加热。
33.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤17)：将步骤4)冷却高压密闭容器所回收的余热用于预干化富水生物质。
34.根据权利要求2所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤18)：所述第二换热介质输入热交换器前进行预加热。
35.根据权利要求34所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：还包括步骤19)：将第二换热介质用于步骤4)中高压密闭容器的冷却过程以回收其热能，并实现对第二换热介质的预加热。
36.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述富水生物质为各种高COD含量的含水固体和液体，如包括：市政污水以及其它工农业军事生产产生的污水，以及经各种净化处理后产生的高COD含量的浓缩液、污泥、畜禽等动物饲养产生的***物、餐厨垃圾、园林垃圾、农田垃圾等富水生物质的一种或多种的混合物。
37.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述步骤1)中的静置时间为1分钟～3小时。
38.根据权利要求3所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：所述干净的水为脱盐水、去离子水或蒸馏水。
39.根据权利要求1所述的回收富水生物质中能量的热回收方法，其特征在于：将所述的步骤2)“一级升温过程”和步骤3)“二级升温过程”合并成一次性升温过程，一次性升高并控制高压密闭容器内的温度在100℃≤T＜350℃，控制压力在0.1MPa≤P＜16.52MPa范围内。
40.一种应用权利要求1所述回收富水生物质中能量的热回收方法的***，其特征在于：至少包括干化设备和高温高压水蒸汽的热收集回收装置，所述干化设备包含高压密闭容器和用于对高压密闭容器进行加热的加热装置。
41.根据权利要求40所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：还包括灰分处置装置，进行如权利要求1所述回收方法的步骤1)-步骤4)的操作后分离出固体无机杂质送入固体无机杂质回收处理***进行处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
42.根据权利要求40所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：还包括生物质燃烧锅炉和固体无机杂质回收处理***，高压密闭容器进行如权利要求1所述的回收方法的步骤1)-步骤4)的操作后分离出的脱水干化后的生物质送入生物质燃烧锅炉燃烧，燃烧产生的灰分送入固体无机杂质回收处理***处理，以回收其中的氮磷钾等营养元素以及各种贵金属等物质。
43.根据权利要求40所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：所述加热装置由对高压密闭容器加热的导热油加热装置和加热导热油的锅炉组成；所述导热油锅炉与导热油加热装置管道连接；所述高压密闭容器与导热油加热装置一体。
44.根据权利要求40所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：还包括高压密闭容器热量回收装置用于回收高压密闭容器的余热。
45.根据权利要求44所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：回收的高压密闭容器的余热用于干化富水生物质、第二换热介质的加热。
46.根据权利要求43所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：还包括高压密闭容器热量回收装置，回收的高压密闭容器的余热用于对所述导热油的加热。
47.根据权利要求40所述的一种回收富水生物质中能量的***，其特征在于：所述高温高压水蒸汽的热收集回收装置为热交换器，高温高压水蒸汽作为热交换器的第一换热介质，还包括第二换热介质供应装置以及废水废气收集处理***；所述高压密闭容器的蒸汽输出端与热交换器的第一换热介质输入端管道连接，所述热交换器的第二换热介质输入端与第二换热介质供应装置管道连接；所述热交换器的废水废气输出端与废水废气处理装置连接。
48.根据权利要求47所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：当热交换器的第二换热介质为干净的水时，输出的高温高压水蒸汽(第二换热介质)与汽轮发电***连接，将第二换热介质的热量用于发电。
49.根据权利要求47所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：当热交换器的第二换热介质为干净的水时，其输出的高温液体水(第二换热介质)与市政、工农业和军事设施的供暖***连接，将第二换热介质的热量用于供暖。
50.根据权利要求48所述的回收富水生物质中能量的***，其特征在于：还包含高压密闭容器预热装置以及第二换热介质预加热设备，所述发电***的废热输出端与高压密闭容器预热装置以及第二换热介质预加热设备连接。
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