一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法

摘要

本发明涉及一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括水热处理-机械脱水-富水蒸汽燃烧。本发明能对多种细胞结构胶体类生物质及废弃物尤其是发酵制药糟渣进行生物质能的高效回收利用并对其中的有毒有害物质彻底无害化，所需设备少、占地面积小、投资和运行费用低、易工程放大，适合各种规模企业采用。

权利要求

1.一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

1）水热处理：细胞结构胶体类生物质糟渣通过水热处理，得到水热处理液；

2）机械脱水：水热处理液经机械脱水得到含水率35～50%的生物质固体燃料和废水；

3）富水蒸汽燃烧：调节生物质固体燃料含水量，使其水碳比为0.9~1.2:1，喂入燃烧装置，在空气过量系数1.1～1.4、温度750～1000℃内绝热燃烧，排放烟气中NOx的排放含量为

150～400ppm；

4）热量回收：富水蒸汽燃烧的烟气加热锅炉，生产水蒸汽。

2.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述水热处理为：在160～220℃高温水中处理0.5～2h。

3.如权利要求2所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述水热处理为：在200℃高温水中处理0.5～1h。

4.如权利要求3所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述水热处理为：在200℃高温水中处理1h。

5.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述水碳比为1:1。

6.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述空气过量系数为1.3。

7.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述步骤

4）生产的水蒸汽用于水热处理或富水蒸汽燃烧。

8.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述机械脱水后的废水可经厌氧发酵得到可燃气。

9.如权利要求1所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述细胞结构胶体类生物质糟渣为发酵制药糟渣。

10.如权利要求9所述细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，其特征在于，所述发酵制药糟渣为发酵制抗生素糟渣。

说明书

一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及废物资源化应用领域，具体地，本发明涉及一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法。

背景技术

[0002] 细胞结构胶体类生物质糟渣(尤其是工业发酵糟渣)通常水分含量很高，富含有机物，一些甚至含有毒有害的物质(如医药行业发酵生产抗生素的过程糟渣残存未提取的效价)，极易腐败变质，溢出高有机浓度废液并释放恶臭气体，造成严重的环境污染。传统的细胞结构胶体类生物质糟渣能源化方法见图1，由于这类富含生物质成分的废弃物中细胞外的水分主要以非游离水(包括间隙水、毛细水和附着水)的形式存在、细胞内水占一定比例且细胞表面存在大量粘性物质，使用传统的机械方法(如离心、压滤)脱水效果十分有限，给其后续处理处置(如污泥填埋通常需要将含水率降到60％以下)特别是资源化利用(做燃料通常需要至少将含水率降到50％)带来挑战。相对于机械脱水方法，多种蒸发干燥方式能降低其含水率到较低的程度，但即使是其中的多效蒸发技术一定程度地避免了其它蒸发干燥技术(如传统蒸发、薄膜蒸发、真空干燥等)难以避免的能耗巨大的水蒸发汽化过程(水蒸发潜热是已发现物质中最大的，常压下达2200kJ/kg)，其能耗仍然过大，无法大规模推广应用。当前，针对各种大宗细胞结构胶体类生物质糟渣处理处置乃至资源化缺乏行之有效的技术，严重地制约着相关产业的发展。生产各种抗生素的发酵制药糟渣尤为典型，随着我国环保部门对抗生素废弃物污染控制越来越严厉，特别是明确禁止其做饲料、肥料等，从而导致众多医药企业陷入困境，正积极寻求糟渣处理和利用的途径。

[0003] 通常由细胞结构胶体类生物质糟渣等生物质原料制备的固体燃料仍然高含氮，其燃烧过程必然产生大量NOx。目前，高氮燃料能源化时主要采用在低温烟气排放之前选择性催化还原其中NOx来降低排放量或在燃料燃烧过程中选择性非催化还原(如高温区喷氨、尿素等还原剂，二次燃烧)以抑制NOx生成。单独运行时，选择性催化还原脱NOx效果好，但需要高效催化剂且运行成本严重受催化剂寿命影响；选择性非催化还原对特定的还原剂有严格的温度窗，否则脱除效果变差，还可能导致氨漏失，对NOx脱除率仅约为40％～60％，因此多用作低NOx燃烧技术的补充手段。通常，生物质燃料特别是细胞结构胶体类生物质糟渣等生物质原料制备的燃料相对化石燃料仍然含水较高，并可能含一定量碱(土)金属、硫、氯等元素，燃烧的稳定性较差，且以生成多种使催化剂中毒的污染物，无论是选择性催化还原还是选择性非催化还原，都难以适应其燃烧过程NOx的脱除。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，该方法实现了生物质废弃物的高效能源化且污染物排放低，脱水效果好、对潜在的有毒有害物质处理彻底，费用低。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

[0006] 一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 1)水热处理：细胞结构胶体类生物质糟渣通过水热处理，得到水热处理液；

[0008] 2)机械脱水：冷却后的水热处理液经机械脱水得到含水率35～50％的生物质固体燃料和废水；

[0009] 3)富水蒸汽燃烧：调节生物质固体燃料含水量，使其水碳比为0.9～1.2：1，喂入燃烧装置，在空气过量系数1.1～1.4、温度750～1000℃内绝热燃烧，排放烟气中NOx的排放含量为150～400ppm；

[0010] 4)热量回收：富水蒸汽燃烧的烟气加热锅炉，生产水蒸汽。

[0011] 本发明机械脱水后得到的废水经厌氧发酵得到可燃气。

[0012] 本发明的水热处理可选择：在160～220℃高温水中处理0.5～2h，优选为：在200℃高温水中处理0.5～1h，进一步优选为：在200℃高温水中处理1h。

[0013] 本发明富水蒸汽燃烧步骤中的水碳比优选为1：1。

[0014] 本发明富水蒸汽燃烧步骤中的空气过量系数优选为1.3。

[0015] 本发明机械脱水采用离心脱水，也可采用板框压滤等其他机械脱水方式。

[0016] 本发明中，所述步骤4)生产的水蒸汽用于富水蒸汽燃烧。

[0017] 本发明的水热处理能使普通机械方法难以脱除的细胞外水大部分转化为自由水，同时溢出细胞内水，再经普通机械脱水方法一起予以脱除，最终可获得低含水率生物质固体燃料(含水率35～50％的生物质固体燃料)。所得到低含水率生物质固体燃料中轻质组分多，而且由于水热处理对高含氧有机物有一定的脱氧效果，因此，低含水率生物质固体燃料的氢碳比相比于原料有所提高，是一种热值较高的生物质燃料。

[0018] 本发明的水热处理过程能转化有机氮、氯为氨氮、氯离子，氨氮、氯离子极易溶于水并在脱水过程中进入废液，使得制得的生物质固体燃料品质得以改善；同时，水热处理中，高温水破坏了绝大部分有毒有害的物质，是一个无害化的过程，这对含致病菌、抗生素等的废弃物如发酵制药糟渣处理处置或资源化十分必要；此外，水热处理具有灭菌和改善难降解有机物的可生化性的作用，为水热处理后的高含有机物废液厌氧发酵能源化奠定基础。

[0019] 本发明根据生物质固体燃料特性，充分利用其含水量，通过蒸发或添加蒸汽调节进入绝热燃烧设备的燃料的水碳比0.9～1.2:1，空气过量系数1.1～1.4，控制燃烧温度在750～1000℃内，实现较低NOx(400ppm以下)排放，并可负载锅炉产生水蒸汽，从而实现能量的回收。

[0020] 本发明充分利用燃料中大量的水分在燃料燃烧过程中产生的富水蒸汽气氛对NOx进行脱除，则可减少对生物质燃料燃烧过程的干预、从而保证燃烧的稳定性，也无需昂贵、繁琐的烟气后处理，并能最终实现低污染物排放，从而取得环境、经济双重效应。

[0021] 本发明主要用于以细胞胶体颗粒形式存在的各种细胞结构胶体类生物质糟渣的处理和资源化，尤其是针对工业发酵糟渣的处理和资源化，特别是针对发酵制药糟渣的处理和资源化，比如发酵制抗生素糟渣的处理和资源化。

[0022] 本发明相对于现有技术具有以下优点：

[0023] 1)本发明对生物质原料脱水效果好，对潜在的有毒有害物质处理彻底；

[0024] 2)本发明实现了燃料高效能源化且利用过程中污染物(主要是NOx)排放低；

[0025] 3)本发明实施所需设备少，占地面积小，投资和运行费用低，易工程放大乃至大规模工业化，可适应多种发酵(如生物制药)行业和轻工生物质行业不同规模的企业过程废弃物能源化利用。

附图说明

[0026] 图1为细胞结构胶体类生物质糟渣的传统能源化方法流程图；

[0027] 图2为本发明细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法流程图。

具体实施方式

[0028] 下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0029] 实施例1

[0030] 如图2所示，一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

[0031] 1)以发酵生产抗生素(头孢素C)的糟渣为原料，添加20％的水于原料中并一起置入水热反应釜，搅拌并加热到200℃后恒温处理1.0h，之后停止加热并冷却到100℃以下，打开水热反应釜释放气体(除空气成分外含CO2，CO及少量C1-C3气态烃)，水热处理液继续冷却至室温；

[0032] 2)将冷却后的水热处理液倒入布袋离心机(布袋孔径200目)进行脱水，在离心因素600强度下处理5min得到含水率40％的生物质固体燃料；

[0033] 3)蒸发干燥调节所得生物质固体燃料的水碳比为1:1，喂入沉降炉，在空气过量系数1.3、温度750～1000℃条件下燃烧，经检测，排放的烟气中NOx排放含量在200～300ppm之间，远低于普通生物质燃烧过程NOx排放值(600～1000ppm)；

[0034] 4)高温烟可回收热量，如负载锅炉，经核算每吨生物质固体燃料生产250℃水蒸汽约3～4吨，高于原料水热处理所需热量。

[0035] 本实施例中所用抗生素(头孢素C)发酵生产糟渣的含水率85～90％，采用机械脱水(离心因素600离心处理)后含水率仍在70％以上，机械脱水效果较差，而且由于高含水、高有机物含量特别是残留的抗生素效价，使其成为一种潜在的环境污染源，迄今无有效且成本合理的处理和利用方法，只能干燥存留，给企业带来了沉重的经济负担。

[0036] 本实施例中得到的生物质固体燃料的高位热值近14MJ/kg，是一种较易燃烧的生物质燃料。

[0037] 本实施例中抗生素(头孢素C)发酵生产糟渣经水热处理后，固体回收率约70％，所得生物质固体燃料干燥样本中的氮含量从原料中的7.5％下降至5.5％，推算得总氮量脱除50％左右；水热过程脱氯率也在90％以上，从而大大提高了燃料的品质。此外，残余抗生素效价基本完全转化为无抗菌作用的有机物，实现了彻底无害化。

[0038] 本实施例中生物质固体燃烧负载锅炉产生的水蒸汽可以用于水热反应器中加热原料，并可减少水热处理时的加水量。

[0039] 本实施例同步实现了抗生素发酵制药糟渣的能源化利用和无害化处理。

[0040] 实施例2

[0041] 如图2所示，一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

[0042] 1)以发酵生产抗生素(头孢素C)的糟渣为原料，添加40％的水于原料中并一起置入水热反应釜，搅拌并加热到220℃后恒温处理0.5h，之后停止加热并冷却到100℃以下，打开水热反应釜释放气体(除空气成分外含CO2，CO及少量C1-C3气态烃)，水热处理液继续冷却至室温；

[0043] 2)将冷却后的水热处理液倒入布袋离心机(布袋孔径200目)进行脱水，在离心因素600强度下处理5min得到含水率35％的生物质固体燃料；

[0044] 3)蒸发干燥调节所得生物质固体燃料的水碳比为0.9:1，喂入沉降炉，在空气过量系数1.4、温度1000℃条件下燃烧，经检测，排放的烟气中NOx排放含量在150～300ppm之间，远低于普通生物质燃烧过程NOx排放值(600～1000ppm)；

[0045] 4)高温烟可回收热量，如负载锅炉，经核算每吨生物质固体燃料生产250℃水蒸汽约3～4吨，高于原料水热处理所需热量。

[0046] 实施例3

[0047] 如图2所示，一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

[0048] 1)以发酵生产抗生素(头孢素C)的糟渣为原料，直接置入水热反应釜，搅拌并加热到160℃后恒温处理1h，之后停止加热并冷却到100℃以下，打开水热反应釜释放气体(除空气成分外含CO2，CO及少量C1-C3气态烃)，水热处理液继续冷却至室温；

[0049] 2)将冷却后的水热处理液倒入布袋离心机(布袋孔径200目)进行脱水，在离心因素600强度下处理5min得到含水率50％的生物质固体燃料；

[0050] 3)蒸发干燥调节所得生物质固体燃料的水碳比为1.2:1，喂入沉降炉，在空气过量系数1.1、温度750℃条件下燃烧，经检测，排放的烟气中NOx排放含量在250～400ppm之间，远低于普通生物质燃烧过程NOx排放值(600～1000ppm)；

[0051] 4)高温烟可回收热量，如负载锅炉，经核算每吨生物质固体燃料生产250℃水蒸汽约3～4吨，高于原料水热处理所需热量。

[0052] 实施例4

[0053] 如图2所示，一种细胞结构胶体类生物质糟渣能源化的方法，所述方法包括以下步骤：

[0054] 1)以发酵生产抗生素(青霉素)的糟渣为原料，添加20％的水于原料中并一起置入水热反应釜，搅拌并加热到200℃后恒温处理1.0h，之后停止加热并冷却到100℃以下，打开水热反应釜释放气体(除空气成分外含CO2，CO及少量C1-C3气态烃)，水热处理液继续冷却至室温；

[0055] 2)将冷却后的水热处理液倒入布袋离心机(布袋孔径200目)进行脱水，在离心因素600强度下处理5min得到含水率40％的生物质固体燃料；

[0056] 3)蒸发干燥调节所得生物质固体燃料的水碳比为1:1，喂入沉降炉，在空气过量系数1.3、温度750～1000℃条件下燃烧，经检测，排放的烟气中NOx排放含量在150～400ppm之间，远低于普通生物质燃烧过程NOx排放值(600～1000ppm)；

[0057] 4)高温烟可回收热量，如负载锅炉，经核算每吨生物质固体燃料生产250℃水蒸汽约3～4吨，高于原料水热处理所需热量。

[0058] 最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。