节水降耗的农林废弃物分级原液循环水热处理系统及方法

本发明涉及农林废弃物资源化处理，具体涉及节水降耗的农林废弃物分级原液循环水热处理系统及方法。

背景技术：

1、社会的可持续发展，离不开资源的合理利用和环境的有效保护。使用水热反应是将农林废弃物转化为高品质产品的可行策略。农林废弃物中的有机物在水热反应过程中水解，水解产物向液相转移，从而降低了农林废弃物处理过程中的温室气体排放，具有显著的环境效益。通过水热反应，农林废弃物可以全组分转化为水热气体、水热液体以及水热炭等三种高应用附加值产物，其中水热气体可以用作燃气；水热液体可以用于制备纳米碳材料、沼气发酵或者液体肥；水热炭可以用作燃料，或者经过改性修饰用作土壤改良剂或者用于制备多孔炭材料等。水热产物的综合应用，有利于实现农林废弃物的资源化和增值化利用。这使得水热技术处理农林废弃物的发展前景广阔。

2、水热反应处理农林废弃物，依靠于特定工作反应系统。专利cn 201611270675.3公开了一种用于进行连续进料和连续出料的生物质水热液化方法及系统，但是该系统并不能改进cn 113801669 a中水热液体产物难以回收的问题。专利cn 212669610 u、cn216005693 u、cn 219724080 u和cn 116514365 a都采用余热回收单元对水热反应后余热进行回收，提高了水热碳化以及整个系统的能量利用效率，但是均未能实现水热液体产物的回收利用。实用新型专利cn 217677380 u中设计了水热液化工作介质的循环回路，使得水热反应处理系统与微电网耦合，充分回收了水热反应的余热，回收的水热液体与生物质继续反应，一定程度上也回收了水热液体的活性成分，但该系统采用的水热液化反应器与流体处理回路串联，水热液体的损耗量会造成单次循环废弃物处理量的降低或者需要额外补水来满足水热液体与生物质的反应需要，这都会降低水热产物回用带来的自催化效果，水热产物品质的提升非常有限。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中存在的水热技术处理农林废弃物过程中耗水量大、添加剂难以回收利用以及污水处理量较大的问题，从而提出了节水降耗的农林废弃物分级原液循环水热处理系统及方法。该系统通过有效分离水热反应产物，并将分离得到的水热液体作为水热介质通过抽滤泵继续输送至水热反应釜中以进行下一轮的水热反应，利用本发明所述系统处理农林废弃物，可以降低耗水量、污水量及添加剂用量，同时提高水热液体产品品质。

2、本发明第一方面提出了节水降耗的农林废弃物分级原液循环水热处理系统，该系统包括进料单元、初级水热反应装置和循环水热反应单元，所述进料单元的一个农林废弃物出料口与初级水热反应装置的进料口连通，所述初级水热反应装置具有进水口，该进水口用于向所述初级水热反应装置输送水介质；所述循环水热反应单元包括依次连通的储液装置和循环水热反应装置，所述进料单元的另一农林废弃物出料口与所述循环水热反应装置的进料口连通；所述初级水热反应装置的水热液体出料口与所述储液装置通过输液管路连通，所述输液管路上设置有抽滤泵，所述抽滤泵用于将所述初级水热反应装置中水介质与农林废弃物水热反应后产生的初级水热液体通过所述输液管路输送至所述储液装置中，所述储液装置用于向所述循环水热反应装置中输送初级水热液体，所述循环水热反应装置的水热液体出料口用于排出初级水热液体与农林废弃物水热反应后产生的次级水热液体。

3、优选地，所述初级水热反应装置的下部安装有第一固液分离装置，用于将水介质与农林废弃物水热反应产生的初级水热液体与水热炭进行分离，并将水热炭保留在所述第一固液分离装置中，初级水热液体则通过所述输液管路输送至所述储液装置中；所述循环水热反应装置的下部安装有第二固液分离装置，用于将初级水热液体与农林废弃物水热反应产生的次级水热液体与水热炭进行分离，并将水热炭保留在所述第二固液分离装置中，次级水热液体则通过所述循环水热反应装置底部的排液口进行收集；所述第一固液分离装置和第二固液分离装置均具有取料口，用于收集保留在所述第一固液分离装置和第二固液分离装置中的水热炭。

4、更优选地，该系统还包括多级循环水热反应单元，上一级循环水热反应单元中的循环水热反应装置的水热液体出料口与下一级循环水热反应单元中的储液装置连通，用于将上一级循环水热单元中循环水热反应装置产生的循环次级水热液体输送至下一级循环水热单元的储液装置中；所述进料单元的另一农林废弃物出料口通过输料管路分别与各级循环水热反应单元中的循环水热反应装置的进料口连通，各级循环水热反应单元中的循环水热反应装置用于将接收到的次级水热液体与农林废弃物进行水热反应，产生水热炭和循环次级水热液体。

5、优选地，所述进料单元的一个农林废弃物出料口与初级水热反应装置的进料口之间的连通管道上设置有第一阀门，所述进料单元的另一农林废弃物出料口与所述循环水热反应装置的进料口之间的连通管道上设置有第二阀门，所述储液装置与循环水热反应装置的连通管道上设置有第三阀门。

6、优选地，所述初级水热反应装置的顶部安装有可活动的第一顶部密封层，用于对所述初级水热反应装置的进料口进行密封；所述初级水热反应装置的底部安装有可活动的第一底部密封层，用于对所述初级水热反应装置中的第一固液分离装置和取料口进行密封。

7、优选地，所述循环水热反应装置的顶部安装有可活动的第二顶部密封层，用于对所述循环水热反应装置的进料口进行密封；所述循环水热反应装置的底部安装有可活动的第二底部密封层，用于对所述循环水热反应装置中的第二固液分离装置和取料口进行密封。

8、优选地，所述进料单元包括依次连通的螺旋喂料装置和粉碎装置，所述粉碎装置的出料口分别与所述初级水热反应装置和循环水热反应装置的进料口连通，所述螺旋喂料装置设置有投料口和螺旋助推把手。

9、本发明第二方面提出了一种基于上述所述系统的农林废弃物分级原液循环水热处理方法，该方法包括如下步骤：

10、步骤s1：农林废弃物从所述进料单元的一个农林废弃物出料口输送至所述初级水热反应装置中，同时通过进水口向所述初级水热反应装置中注入水介质，农林废弃物与水介质在所述初级水热反应装置中进行水热反应，产生水热炭和初级水热液体；

11、步骤s2：步骤s1中产生的初级水热液体在所述抽滤泵的作用下通过所述输液管路进入所述储液装置中储存，同时农林废弃物从所述进料单元的另一农林废弃物出料口输送至所述循环水热反应装置中；

12、步骤s3：将所述储液装置中的初级水热液体输入至所述循环水热反应装置中，农林废弃物与初级水热液体在所述循环水热反应装置中进行水热反应，产生水热炭和次级水热液体。

13、优选地，步骤s3中产生的次级水热液体通过水热液体出料口输送至下一级循环水热反应单元中的储液装置进行储存，同时进料单元的另一农林废弃物出料口通过输料管路向下一级循环水热反应单元中的循环水热反应装置输送农林废弃物，次级水热液体与农林废弃物在该循环水热反应装置中进行水热反应，产生水热炭和第一级循环次级水热液体；然后每次将上一级产生的第n-1级循环次级水热液体输送至下一级循环水热反应单元的循环水热反应装置中进行水热反应，得到第n级循环次级水热液体，n为2-10。

14、优选地，所述次级水热液体比初级水热液体的体积减少20-60vol％；所述第一级循环次级水热液体比次级水热液体的体积减少20-60vol％；所述第n级循环次级水热液体比第n-1级循环次级水热液体的体积减少20-60vol％。

15、优选地，在步骤s1中，所述农林废弃物与水介质的固液比为50-200kg/m3。

16、优选地，在步骤s3中，所述农林废弃物与初级水热液体的固液比为50-200kg/m3。

17、优选地，步骤s1和步骤s3中水热反应的条件包括：反应温度为140-220℃，反应时间为15-195min。

18、优选地，所述农林废弃物包括秸秆、污泥、粪便、落叶、杂草和枯枝这类物料。更优选地，所述农林废弃物的粒径为40-100目。

19、在本发明所述的节水降耗的农林废弃物分级原液循环水热处理系统及方法中，具有以下有益效果：

20、(1)本发明构建的分级原液循环水热反应系统，涵盖了储液装置、抽滤泵以及输液管路等关键部件，水热液体在抽滤泵的作用下，通过输液管路进入储液装置中保存起来，并继续用于与农林废弃物进行水热反应，降低了水热反应处理农林废弃物的用水量，并且减小了水热液体排放体积(99.85vol％)，降低了水热液体的处理难度，具有显著的环境效益；

21、(2)本发明构建的分级原液循环水热反应系统用于处理农林废弃物，使得水热液体的有机物浓度以及养分离子浓度都得到了显著提高，如有机物浓度提高至3.70倍；循环水热炭的最高产率(76.24wt％)和最大高位热值(24.36mj/kg)也得到大幅度提高，从而有利于实现农林废弃物的资源化和高值化利用；

22、(3)农林废弃物能在本发明构建的分级原液循环水热反应系统中连续完成投料、粉碎、农林废弃物输送、发生反应、产物分离与收集等一系列步骤，通过取料口回收水热炭，采用储液装置直接收集水热液体，减少了额外的人力投入。