基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及新鮮生物質高值化處理領域，尤其涉及了基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理裝置，還涉及基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理方法，適用于農林廢棄物、畜禽廢棄物和水生植物等新鮮生物質。
【背景技術】
[0002]我國是一個發展中國家，也是一個農業大國，生物質資源儲量非常的豐富。但是很多生物質資源視為是一種垃圾，有些雖然被利用，也只是簡單的燃燒，利用率非常的低。直到近幾年生物質的利用才被逐漸的重視，它有許多的利用價值:首先，生物質本身是低硫、低氮、低灰分的一種物質；其次，眾多的可再生能源里面，生物質可以轉化為液體燃料。在世界的能源消耗里面，生物質能就占了 15%?18%，與天然氣、煤炭和石油相比居第四位，由此可見，在能源原料里，生物質能的潛力非常的大。更重要的是，作為一種能源，生物質可以實現碳的零排放，生物質在利用時排放出來的二氧化碳，跟生物生長發育過程中從自然中吸收來的二氧化碳是等價的。這就可以有效的解決燃燒化石燃料所帶來的環境污染問題。生物質包含的種類非常的多，例如林業、農業等資源，禽畜的糞便，還有城市、工業和商業中的垃圾以及一些有機廢棄物。而在我國，每年可供開采的生物質能源大約相當于6.56億噸標準煤，如何利用好這部分資源是個亟待解決的問題，這不但可以解決我國的能源短缺問題，也可以有效的解決我國的環境污染問題。為了使生物質清潔無污染轉化成為我們需要的能源，燃燒、熱解、發酵和水解等技術先后被開發使用。在近幾年，水熱技術以其獨有的特點吸引了無數研究者的目光，成為研究人員關注的焦點。水熱技術的定義非常的簡單，首先溫度和壓力是一定的，然后在反應過程中要有生物質和水的參與，最后得到的產物包括氣體、液體和固體，操作參數不同，產物的產率比也會不相同，生物質水熱液化、生物質水熱氣化、生物質水熱碳化這三種對生物質水熱技術的分類也是由此而來。
[0003]我國可以開發利用的生物質資源有農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便、生活污水污泥、水生植物和能源植物。新鮮生物質一般具有較高的含水量，木質纖維類生物質含水率約在8?23% (濕基)，水生生物質，如水葫蘆、浮萍、滸苔等含水量更大，其中水葫蘆含水量高達95%左右，畜禽糞便的含水量約為60% — 90%。因此，較高的含水量、單位質量的發熱量低、高額操作成本以及處理工藝的復雜程度等問題制約了含水率較高生物質的資源化利用，如何針對含水率較高生物質開發適宜的處理利用技術是十分必要的。因此，生物質水熱碳化作為一種新型的生物質碳化技術被廣泛展開，整個過程中含濕量這個參數沒有任何的限制，對于干燥處理等操作是完全不需要的。將生物質與水按一定的比例完全混合放入反應器中，在一定的溫度(180-250°C)，反應時間(4-24小時)，和壓力下(14-276 bar)進行的水熱反應，主要得到固體產物水熱炭。該條件下所需要溫度和壓力都較低，條件相對溫和。從能量密度上而言，水熱炭品質接近于泥炭和褐煤，可作為復合固體燃料直接燃用，與熱解焦炭相比，發現水熱炭有著$父尚的能量密度；在熱解焦炭中殘留著幾乎100%的由灰分導致的金屬鹽，而水熱炭中灰分含量與原樣相比僅為它的40%，除此之外，水熱炭還有著較高的熱效率和低污染物排放等特點。除此之外，將原料經過一定的水熱交聯碳化處理后，可以得到尺寸均一、形貌較好的炭，通過合成改質可以作為高效穩定具有納米尺度的碳功能材料，并廣泛應用于電極材料、燃料電池等領域。
[0004]但是在較低的水熱碳化溫度下要保持較高的生物質水解速率以保證生物質的充分轉化，對于新鮮生物質水熱碳化合成碳基納米材料工藝的實現十分重要，通過在水熱碳化過程中引入微波場是一條可行途徑。通常，液相產物中的水、糖類、醛類、酚類等各種極性分子的轉動頻率處在微波范圍內，能吸收一定強度的微波，并在微波作用下使動能-微波能轉化為熱能，并快速、均勻地加熱反應物，達到提高化學反應速率的目的。微波除了有熱效應外還有非熱效應，可以促進晶粒生長，加快化學反應，縮短水熱碳化反應時間。生物質本身吸收微波能力較弱，但是隨著熱水解反應的進行其產生的中間產物具有很強的吸收微波能力，使得生物質也可以利用到微波快速加熱的特點，達到快速分解目的。將微波引入到基于高含水生物質的水熱碳化工藝中來，這對于實現高含水生物質的高效轉化與產品高值化利用有重要作用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提出基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理裝置，還在于提供基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理方法，采用畜禽廢棄物、水生植物和農林廢棄物資源為制備原料，使其解決畜禽廢棄物處理過程中的效率低和二次污染、水生植物與新鮮農林廢棄物中脫水帶來的高額運行成本和能源的大量消耗，以及傳統水熱碳化處理中的離心脫水液難處理，最后通過離心分離方法制得高品質碳基納米材料和固體生物燃料，同時根據微波反應溫度，將液態產物進行資源化處理并達到高效產沼的目的。
[0006]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理裝置，包括微波反應器，微波反應器上設置有進料口和出氣口，進料口設置有第一閥門，出氣口設置有第二閥門，微波反應器內設置有壓力容器，壓力容器內設置有壓力容器攪拌槳，壓力容器分別與進料口和出氣口連通，壓力容器還通過第三閥門與固液分離器輸入端連接，固液分離器出液端依次通過第一空氣循環栗、第四閥門與儲液罐連通，儲液罐通過第六閥門與厭氧發酵罐連接，厭氧發酵罐通過第七閥門與儲氣罐連接，儲液罐依次通過第五閥門、第二空氣循環栗與壓力容器連接，厭氧發酵罐內設置有厭氧發酵攪拌槳，厭氧發酵罐底部設置有第八閥門。
[0007]基于微波水熱碳化的新鮮生物質高值化處理方法，包括以下步驟:
步驟1、將新鮮生物質與水按質量比為1: (15?25)配比后作為原料，打開第一閥門將原料加入微波反應器的壓力容器中，
新鮮生物質可選為:牛糞或水葫蘆或麥桿或木肩，
步驟2、關閉第一閥門和第三閥門，啟動微波反應器中的壓力容器和用于攪拌微波反應器的壓力容器中的原料的壓力容器攪拌槳，設定微波反應器中的壓力容器的反應溫度180-260°C，壓強為1.8 - 2.0MPa，反應時間為2_4小時，壓力容器攪拌槳在反應過程中勻速轉動，轉速為500r/min?1500 r/min,微波反應器1的微波輻射頻率為2000?3000MHz，輸出功率為2000?2500W，
反應結束后得到微波反應固液混合產物，打開第二閥門，釋放微波反應器的壓力容器中因反應產生的二氧化碳氣體，
步驟3、
步驟3.1、若步驟2中的壓力容器內的反應溫度大于等于180°C且小于等于220°C，打開第三閥門將微波反應固液混合產物送入固液分離器進行分離，微波反應固液混合產物經過固液分離器后得到液體產物和固體產物，打開第四閥門將液體產物通過第一空氣循環栗栗入儲液罐中，再打開第六閥門，使得儲液罐中的液體產物輸入到厭氧發酵罐中進行厭氧發酵，得到沼氣、料液和沉渣；
通過固液分離器得到的固體產物則直接進行烘干處理，作為固體生物燃料，
步驟3.2、若反應溫度在大于220°C且小于等于260°C，打開第三閥門將微波反應固液混合產物送入固液