一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺
阅读说明：本技术 一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺 (Sludge and microalgae supercritical co-rapid hydrothermal liquefaction oil production system and process based on water-phase algae cultivation ) 是由 钱黎黎 倪俊 王爽 胡亚敏 罗明 于 2021-01-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺,包括原料输运单元、预热反应单元、降温降压单元、产物分离单元、油相提质单元、微藻培育单元；所述微藻培育单元用于培育微藻；所述原料输运单元用于将微藻和污泥进行缓冲、除铁、研磨和均质后输入预热反应单元,经过高频电磁感应加热器后进入超临界快速水热液化反应器,输出水热产物；所述降温降压单元通过有机工质朗肯循环装置回收余热；水热产物经所述产物分离单元离心分离为水相产物、固相产物和油相产物；所述油相产物通过油相提质单元转变为生物燃油。本发明通过快速预热、超临界快速水热和共液化技术提高了污泥和微藻的产油率,实现了水相产物的循环利用。(The invention provides a supercritical co-rapid hydrothermal liquefaction oil production system and process for sludge and microalgae based on water-phase algae cultivation, which comprises a raw material conveying unit, a preheating reaction unit, a cooling and depressurizing unit, a product separation unit, an oil phase upgrading unit and a microalgae cultivation unit; the microalgae cultivating unit is used for cultivating microalgae; the raw material conveying unit is used for buffering, deironing, grinding and homogenizing the microalgae and the sludge, inputting the microalgae and the sludge into the preheating reaction unit, passing through the high-frequency electromagnetic induction heater, then entering the supercritical rapid hydrothermal liquefaction reactor, and outputting a hydrothermal product; the cooling and depressurizing unit recovers waste heat through an organic working medium Rankine cycle device; the hydrothermal product is centrifugally separated into a water phase product, a solid phase product and an oil phase product by the product separation unit; the oil phase product is converted into the biofuel oil through an oil phase upgrading unit. The invention improves the oil yield of the sludge and the microalgae by the rapid preheating, supercritical rapid hydrothermal and co-liquefaction technologies and realizes the recycling of water phase products.)
技术领域
本发明涉及生物质热化学转化领域或污泥处理领域或环保领域，特别涉及一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺。
背景技术
污泥是城镇污水处理过程中的副产物，其产量大、增速快、含水率高、水分不易脱除、有机物含量高、存在重金属和难降解的有毒污染物。城市污泥的传统处理方法(填埋、堆肥、焚烧等)存在重金属、NOx、二噁英等二次污染问题，且都需要对机械脱水污泥进一步干化来降低含水率，高的干化成本导致污泥的处理处置费用可占污水处理厂运行费用的50％以上。
水热液化技术是指在高温和高于水的饱和压力条件下，生物质通过解聚、断键、重排、脱羧等反应转化为油状液态有机小分子的过程，分离产生的液态燃料称之为生物原油。与污泥传统处理技术相比，水热液化技术可以直接处理湿污泥，从而避免高能耗的干化环节，还能将污泥中80wt％以上的重金属固定至固相产物。但是传统水热液化技术存着如下不足：
1)传统水热液化技术都属于亚临界水热液化反应，反应温度在250-350℃，低于水的临界温度(374℃)，反应时间在通常在20min以上，预热时间较长，缓慢加热过程中会发生二次反应，使得传统水热液化技术产油率较低，同时反应时间较长使得传统水热液化反应器长度过长，增加了反应器的造价；
2)污泥水热液化制备生物原油的同时其50％以上的碳、氮、磷等营养元素及少量重金属元素会迁移至水相产物中，这部分水相产物中有机物和氮磷含量较高，无法直接排入城市污水处理系统，处理难度较大；
3)在获得油相产物后，由于其氧含量较高，需进一步加氢提质，消耗大量氢气，提高了生物燃油的制备成本；
4)传统水热液化工艺在处理高含固率原料时容易发生堵塞，连续运行不稳定。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，可以有效达到污泥的资源化利用，降低环境污染的目的。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统，包括原料输运单元、预热反应单元、降温降压单元、产物分离单元、油相提质单元、微藻培育单元；
所述微藻培育单元用于培育微藻；所述原料输运单元包括按照流向依次串联的缓冲池、除铁器、研磨泵、均质罐和隔膜泵，所述微藻和污泥分别输入缓冲池混合，所述原料输运单元用于将混合物除铁、研磨和均质后输入预热反应单元；
所述预热反应单元包括高频电磁感应加热器和超临界快速水热液化反应器，所述高频电磁感应加热器用于预热混合物并输送至超临界快速水热液化反应器，所述超临界快速水热液化反应器通过超临界共快速水热液化反应输出水热产物；
所述降温降压单元用于将水热产物降温降压；所述降温降压单元与产物分离单元连通，所述产物分离单元通过离心分离使水热产物转变为水相产物、固相产物和油相产物；所述油相产物通过所述油相提质单元通过加氢提质转变为生物燃油。
进一步，所述水相产物输入均质罐，用于稀释混合物；所述水相产物输入油相提质单元，用于为油相产物提供氢源；所述水相产物输入微藻培育单元，用于提供培育微藻需要的营养源。
进一步，所述降温降压单元包括有机工质朗肯循环装置和降压装置，所述有机工质朗肯循环装置用于降低水热产物的温度，将水热产物的热能转换电能；所述降压装置用于降低水热产物的压力。
进一步，当缓冲池出口污泥和微藻混合物的含固率<5wt％时，所述降压装置为背压阀；当缓冲池出口污泥和微藻混合物的含固率≥5wt％时，所述降压装置为毛细管降压装置。
进一步，所述微藻培育单元包括光生物反应器、收集器和干燥装置，藻种经过接种后进入光生物反应器，用于培养微藻；所述微藻经过收集器和干燥装置运输至缓冲池内；所述水相产物输入光生物反应器内，用于提供培育微藻需要的营养源，且所述微藻可用于吸附水相产物中的重金属离子。
一种基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统的制油工艺，包括如下步骤：
通过所述微藻培育单元培养微藻，将微藻和污泥分别输入缓冲池混合，混合物依次输入除铁器、研磨泵、均质罐和隔膜泵，通过除铁器去除混合物中的铁磁杂质；通过研磨泵切碎混合物中的大颗粒不溶性固体；通过均质罐稀释混合物用于降低混合物粘度；通过隔膜泵将混合物输入预热反应单元入口端；
原料输运单元出口的污泥、微藻混合物输入高频电磁感应加热器内，通过高频电磁感应加热器预热混合物至水的临界温度以上，预热后的混合物进入超临界快速水热液化反应器通过超临界共快速水热液化反应输出水热产物；
水热产物通过有机工质朗肯循环装置后降温；降温后的水热产物通过降压装置降压；
降压后的水热产物通过离心分离转变为水相产物、固相产物和油相产物，其中，所述固相产物可固定重金属；所述水相产物为光生物反应器内的微藻提供生长所需的营养源，通过微藻吸附水相产物中的重金属离子，同时降低水相产物的化学需氧量、总氮和总磷含量；
所述油相产物通过加氢提质获取生物燃油，所述水相产物可提供加氢提质所需要的氢元素。
进一步，所述超临界快速水热液化反应器的反应温度为400-600℃，反应时间小于5min。
进一步，所述研磨泵输出的混合物中的不溶性固体颗粒粒径小于50μm。
进一步，所述高频电磁感应加热器的升温速率大于100℃·min-1。
进一步，所述有机工质朗肯循环装置通过使水热产物降温产生电能，所述电能提供给高频电磁感应加热器。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，对污泥、微藻混合原料进行除铁、研磨、均质后再进行输运，增加了原料输运的可靠性。除铁和研磨过程可保证原料输运过程无大颗粒不溶性固体；均质过程可降低原料的粘度，同时均质过程采用超临界快速水热液化后的水相产物，一方面减少了系统工艺水的消耗，另一方面由于水相产物氢含量较高，可增加生物油的H/C原子比，提高油相产物品质。
2.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，采用快速水热液化技术，其反应温度400-600℃，反应时间小于5min，代替传统水热液化技术中的反应温度250-350℃，反应时间大于20min，本发明的快速水热液化反应可使污泥和微藻细胞快速破裂，原料快速水解，短时间内可获得高产油率，反应时间的缩短可减少反应器的长度，降低反应器造价；另外，设置反应温度在400-600℃，可以避开水在300-400℃的大比容变化区，污泥和微藻这类高含水率物料在超临界水热液化温度(400-600℃)下密度波动较小，可明显提高制油系统的稳定性。
3.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，采用高频电磁感应加热器代替传统电加热，可明显提高污泥和微藻的升温速率，使得原料快速升温破壁水解，抑制了缓慢升温过程中不利二次反应的发生，提高了生物原油的产率；同时，高频电磁感应加热器的热效率高于电阻加热方式，具有节电效果。
4.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，将水相产物培育微藻不但可以消耗水相产物中的营养物质并吸附水相产物中的重金属离子，解决水热水相产物无害化处理难题，还能降低微藻培育过程中的外源(碳源、氮源、磷源等)营养费用，所培育的微藻可进一步用于超临界快速水热液化制油。同时，污泥和微藻都属于高蛋白生物质，超临界共水热液化过程中会产生协同作用，可进一步提高产油率。
5.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，采用有机工质朗肯循环装置回收产物热量，同时所发的电可为高频电磁感应加热器供电，提高了系统效率。
6.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，采用背压阀或毛细管降压装置，其中背压阀可用于低浓度微藻、污泥混合物(含固率<5wt％)降压，毛细管可用于高浓度微藻、污泥混合物(含固率≥5wt％)降压，毛细管降压可以避免背压阀的局部压降，通过毛细管的沿程阻力缓慢降压。
7.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，加氢提质阶段加入水相产物，水相产物富含氢资源，可作为提质阶段的供氢体，减少H2耗量。
8.本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统及工艺，固相产物可以固定原料中80％以上的重金属元素，微藻培育过程可进一步固定水相产物中的重金属，实现重金属的稳定化。
附图说明
图1为本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统的工艺流程图。
图中：
1-缓冲池；2-除铁器；3-研磨泵；4-均质罐；5-隔膜泵；6-高频电磁感应加热器；7-超临界快速水热液化反应器；8-有机工质朗肯循环装置；9-降压装置；10-离心分离；11-水相产物；12-固相产物；13-油相产物；14-加氢提质；15-接种；16-光生物反应器；17-收集器；18-干燥装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统，包括原料输运单元、预热反应单元、降温降压单元、产物分离单元、油相提质单元、微藻培育单元；
所述微藻培育单元用于培育微藻；所述微藻培育单元包括光生物反应器16、收集器17和干燥装置18，藻种经过接种15后进入光生物反应器16，用于培养微藻；所述微藻经过收集器17和干燥装置18运输至缓冲池1内；
所述原料输运单元包括按照流向依次串联的缓冲池1、除铁器2、研磨泵3、均质罐4和隔膜泵5，所述微藻和污泥分别输入缓冲池1混合，缓冲池1出口连接除铁器2入口，缓冲池1内设置锚式搅拌器，除铁器2出口连接研磨泵3入口，研磨泵3出口连接均质罐4入口，均质罐4内设置桨式或螺杆式搅拌器，强化均质效果。所述原料输运单元用于将混合物除铁、研磨和均质后通过隔膜泵5输入预热反应单元；
所述预热反应单元包括高频电磁感应加热器6和超临界快速水热液化反应器7，所述高频电磁感应加热器6用于预热混合物至水的临近温度以上，并输送至超临界快速水热液化反应器7，所述超临界快速水热液化反应器7通过超临界共快速水热液化反应输出水热产物；所述超临界快速水热液化反应器7可以为蛇形管反应器、盘管反应器、塔式反应器或连续式釜式反应器；
所述降温降压单元用于将水热产物降温降压；所述降温降压单元包括有机工质朗肯循环装置8和降压装置9，所述有机工质朗肯循环装置8将水热产物的热能转换电能，同时降低水热产物的温度；所述有机工质朗肯循环装置8产生的电能可以输入高频电磁感应加热器6。所述降压装置9用于降低水热产物的压力。当缓冲池1出口污泥和微藻混合物的含固率<5wt％时，所述降压装置9为背压阀；当缓冲池1出口污泥和微藻混合物的含固率≥5wt％时，所述降压装置9为毛细管降压装置。
所述降温降压单元与产物分离单元连通，所述产物分离单元通过离心分离10使水热产物转变为水相产物11、固相产物12和油相产物13；
所述油相产物13通过所述油相提质单元转变为生物燃油。具体来讲，油相产物13经过加氢提质14降低含氧量后可获得生物燃油，可用于交通运输行业。
图1中可以看出所述水相产物11可进入微藻培育单元中的光生物反应器16，提供微藻生长所需的碳、氮、磷元素，降低水相产物11化学需氧量、总氮和总磷含量，并且微藻可以吸附水相产物11中的重金属离子；所述水相产物11也可进入均质罐4，在搅拌器和水相产物11的稀释下降低粘度；水相产物11还可进入加氢提质14过程，为油相产物13提供氢源，降低加氢提质14过程氢气的耗量。
实施例1
如图1所示，本发明所述的基于水相养藻的污泥和微藻超临界共快速水热液化制油系统的制油工艺，包括如下步骤：
原料输运：污水处理厂产生的污泥输运至缓冲池1入口端，将培育完成后的微藻输运至缓冲池1入口端，在缓冲池1内污泥与微藻混合，污泥和微藻含水率为70-95wt％，粘度为1000-200000mPa·s，缓冲池1中的锚式搅拌器对污泥和微藻进行初步混合；初步混合后的污泥、微藻进入除铁器2入口端，去除原料中的铁磁杂质，保证研磨泵3的安全运行；除铁后的原料运输至研磨泵3入口端，切碎污泥和微藻中的大颗粒不溶性固体，保证研磨泵3出口端的不溶性颗粒粒径小于50μm，防止后续管路的堵塞；污泥、微藻经研磨后输运至均质罐4，若污泥和微藻混合物的含水率低于87wt％，则以水相产物11稀释原料，避免高浓度物料输运过程的堵塞问题，减少工艺水的消耗，同时水相产物11富含氢源，可提高油相产物13的H/C原子比，在均质罐4内的桨式或螺杆式搅拌器的作用下原料粘度降至8000mPa·s以下；均质后的污泥、微藻通过隔膜泵5连续不断地输送进入预热反应单元；
预热反应：污泥、微藻经过高频电磁感应加热器6快速预热至400-500℃后进入超临界快速水热液化反应器7发生超临界共快速水热液化反应；高频电磁感应加热器6升温速率大于100℃·min-1，使得污泥和微藻絮体快速解散，微生物细胞快速破裂，原料快速水解，抑制了缓慢升温过程中不利二次反应的发生，提高了生物原油的产率；在超临界快速水热液化反应器7中，当反应温度为400℃，反应时间小于4min或反应温度为450℃，反应时间小于3min，可获得高于25wt％的油相产物13产率，同时避免亚临界水热液化过程容易产生的原料密度波动问题；另外污泥和微藻都属于高蛋白生物质，超临界共水热液化过程中会产生协同作用，可进一步提高产油率；
降温降压：反应产物经过有机工质朗肯循环装置8降温至30-90℃，有机工质朗肯循环装置8为高频电磁感应加热器6提供电能，使反应温度迅速上升，同时提高了系统效率；降温后的反应产物经降压装置9降压至常压后输送到产物分离单元，降压装置9采用背压阀或毛细管，其中含固率小于5wt％的低浓度混合物料采用背压阀降压，含固率大于等于5wt％的高浓度混合物料采用毛细管降压，毛细管降压可以避免背压阀的局部压降，通过毛细管的沿程阻力实现稳定降压；
产物分离：由于不同产物的密度差异，降温降压后的反应产物经离心分离10为上层油相产物13，中层水相产物11、下层固相产物12，其中污泥和微藻中超过80wt％的重金属可固定至固相产物12；
微藻培养：水相产物11进入微藻培育单元中的光生物反应器16，提供微藻生长的必要元素碳、氮、磷等营养元素，同时降低水相产物11的化学需氧量、总氮、总磷含量，其中微藻生长过程中水相产物11的化学需氧量、总氮、总磷去除率分别高于50％，60％和80％，微藻本身能吸附水相产物11中的重金属离子，解决水热液化水相产物11无害化处理难题；培育产生的微藻进入原料输运单元。
油相提质：油相产物13加氢提质14后获取生物燃油，H2或污泥、微藻超临界共快速水热液化后的水相产物11可作为氢的来源，其中水相产物11富含氢源，可作为提质阶段的供氢体，减少H2耗量。
实施例2
实施例2与实施案例1的不同之处在于：污泥、微藻经过高频电磁感应加热器6快速预热至500-600℃后进入超临界快速水热液化反应器7发生超临界共快速水热液化反应，当反应温度为500℃，反应时间小于1min或反应温度为550℃，反应时间小于50s或反应温度为600℃，反应时间小于40s时，可获得高于25wt％的油相产物13产率。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。