本发明属于废物资源化、余热利用技术领域，涉及湿生物质与超临界水处理过程中的热量、废水、油脂、气体的环保综合资源化，特别涉及一种超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统与方法。
背景技术：
超临界水处理是一种高效的高浓度有机废液的无害化处理与资源化利用技术，其是在温度和压力高于其临界状态的水中，利用超临界水高扩散系数、低粘度、低介电常数等特性，在无氧或缺氧状态下迅速将有机大分子转化成水、富氢可燃气，或在过氧条件下，迅速转化成等无污染的小分子化合物和无机盐的过程。
湿生物质是指含水量高的生物质，包括有机废液、动物粪便、水华蓝藻及餐厨垃圾等。以餐厨垃圾为例，其通常包括油脂、剩菜、剩饭、菜叶、果皮、蛋壳等，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨，大中城市餐厨垃圾产量惊人。
影响超临界水反应工业化的一个主要问题是处理过程的经济性。主要体现在系统能量和物质的有效回收和利用方面。一般反应后的流体会维持在较高的温度(＞500℃)，后续需要充分利用这部分能量，才能保证处理系统的经济性。同时，在该处理过程中，有机物充分反应也会生成大量二氧化碳。如果不加以利用，直接排放，会造成温室效应。同时，目前湿生物质传统处理方法，如餐厨垃圾等，但目前绝大多数还是与生活垃圾混合堆放，以传统的焚烧、填埋为主。不能实现其中油脂等资源的回收利用，更是给环境造成了极大的危害。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统与方法，可高效利用超临界水反应产物中资源来协同湿生物质资源化，实现过程中的废水、油脂、气体的环保综合资源化利用，从而解决超临界水反应和普通湿生物质处理处置过程中的难题，具有重要的工程应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，包括：
超临界水反应产物分离系统，进行超临界水反应产物的气液分离；
湿生物质分离回收系统，进行湿生物质的固油水三相分离；
微藻培养与浓缩系统，利用超临界水反应产物分离系统和湿生物质分离回收系统所得的水相以及超临界水反应产物分离系统所得的co2进行微藻光生物反应以培养微藻，藻浆出口接浓缩装置进行浓缩；
水热液化制油系统，利用浓缩装置的浓缩藻浆和湿生物质分离回收系统所得的油相进行水热液化制油。
所述超临界水反应产物分离系统包括换热器一，换热器一的热流体入口接超临界水反应器的出口，换热器一的热流体出口接背压装置一的入口，背压装置一的出口接气液分离器的入口，气液分离器的液体出口接水相储罐，co2气体出口接微藻培养与浓缩系统的气相入口，水相储罐的出口接微藻培养与浓缩系统的水相入口。
所述湿生物质分离回收系统包括破碎机，破碎机的入口接湿生物质物料出口，破碎机的出口接固油水分离器的入口，固油水分离器的固相出口接干馏设备的入口，水相出口接所述水相储罐的入口。
所述微藻培养与浓缩系统包括微藻光生物反应器，微藻光生物反应器的水相入口接所述水相储罐的出口，气相入口接所述co2气体出口，出口接浓缩装置的入口，浓缩装置的水相出口回接所述水相储罐的入口。
所述水热液化制油系统包括换热器二，换热器二的热流体入口通过高压泵接所述浓缩装置的浓缩藻浆出口和所述固油水分离器的油相出口，换热器二的热流体出口接水热液化反应器的入口，水热液化反应器的出口接换热器三的热流体入口，换热器三的热流体出口接背压装置二的入口，背压装置二的出口接油水气固分离器的入口，油水气固分离器的油相出口输出生物原油，气相出口接所述微藻光生物反应器的气相入口，水相出口回接所述水相储罐的入口，固相出口接所述干馏设备的入口。
所述换热器一的冷却水入口与所述换热器二的冷却水出口连接，换热器一的冷却水出口与所述换热器二的冷却水入口连接。
所述换热器三的冷却水入口与所述干馏设备的冷却水出口连接，换热器三的冷却水出口与所述干馏设备的冷却水入口连接。
本发明通过设置换热器一和换热器二，采用冷却水将超临界水反应器出口高温流体富裕热量通过换热回收，并用于浓缩藻浆水热液化反应的预热过程。通过设置换热器三对水热反应后富余热量进行回收，并用于系统中固体残渣干馏过程。
本发明超临界水反应产生的h2等可燃气可通过高压气体分离器回收。超临界水流体降压后通过气液分离与水热液化反应后分离的co2回收后在微藻光生物反应器中利用。
本发明超临界水反应后的水、微藻浓缩沥出液与微藻水热反应后产物分离的水，回收后在微藻光生物反应器作为水源回收利用。
本发明湿生物质破碎后通过油水固分离器分离出的油脂回收后与浓缩藻浆混合，用于提高水热制油反应产油量。
本发明湿生物质分离后残余固相残渣与微藻水热反应流体分离后的固相残渣收集后通过干馏，制备生物炭，实现其资源化利用。
本发明还提供了一种可实现超临界水反应产物与湿生物质资源化的方法，包括：
1)超临界水反应产物为温度≥500℃的高温流体，所述高温流体在高压气体分离器中分离出富氢可燃气体后进入气液分离器，分离出co2，将这部分co2回收并在微藻培育过程作为微藻生长中所需的碳源；水相产物中有机物含量大幅降低，cod≤1000mg/l，且没有生物毒性，水相回收后作为培养水体在微藻培育过程回收利用；
2)将湿生物质破碎后在固油水三相分离器中进行固、油、水分离；其中水相富含蛋白质和有机质，经过回收后，在微藻培育过程中利用，固相残渣脱水、干燥、干馏后制备生物炭；
3)在微藻光生物反应器中进行微藻培育过程，成熟后收集，并在浓缩装置中进行浓缩，沥出含n、p元素的液富，经过调配后在微藻光生物反应器中回用，浓缩后藻浆与湿生物质分离得到的油脂掺混预热至250～370℃后进入水热液化反应器，产物流体为油、水、固相与少量气体的混合产物，经过分离后获得生物油，固相产物干馏后制备生物炭，气体产物富含co2，回收后作为微藻生长碳源，返回光生物反应器回用，水相返回光生物反应器回用。
通过换热器一将流体富余热量回收，在微藻水热液化制油工艺的预热过程中利用，利用换热器二将浓缩藻浆与湿生物质分离得到的油脂预热至250～370℃。
过程中冷却水实现循环，无需补充额外冷却水源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过将超临界水反应、水热液化与湿生物质高值利用技术相结合，最大限度回系统热量、产生的co2、固相残渣、餐厨垃圾等湿生物质中的油脂、水资源和其中的营养元素，通过微藻水热液化制备生物油获得资源高值化利用。过程无二次污染，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明系统结构原理示意图。
具体实施方式
以下，结合说明书附图及具体实施例，进一步阐述本发明。实施例仅用于说明本发明，并非限制本公开范围。
本发明主要基于如下原理：
超临界水反应中，由于使用水作为反应媒介，大量的水在该过程中如果能得到有效回收和利用，则可大大节约水资源。
湿生物质尤其是餐厨垃圾，基本不含重金属，富含有机质，生物炭含量高。可将收集到的餐厨垃圾经过初步去除杂物后，利用离心、分离等手段得到有机质干渣和油水混合物。有机质干渣可用来制备生物炭。油水混合物再次分离后，油脂可用于生产生物柴油，而最终剩下的水分除了较高浓度盐分之外，亦含有丰富的有机质，和氮磷等物质，可以用来进行微藻培养，进行二氧化碳固定和制备生物原油。
微藻具有光合作用效率高、固碳能力强、培育周期短、占地面积小，不与粮争地等优点，使其被视为极具潜力的第三代生物燃料原料，微藻的单位产油量是玉米的数百倍，每公顷可产1.5万至8万升生物柴油。使用微藻进行生物油的制备，一方面可减少对石油和煤炭的过度依赖，另一方面可以实现对二氧化碳的吸收和固定，减少温室效应，具有显著的环境效益。采用水热液化技术对微藻进行生物油制备，相较传统技术，具有产油率高、油品质量好等特点。同时，水热液化后的油水混合物经过分离，水相产物中富含微藻生长过程中所必须的营养元素，可以回收使用，具有显著的经济性。
基于此，如图1所示，本发明结合超临界水反应工艺、湿生物质分离回收与微藻培养和水热液化制油工艺，充分利用各技术优点，实现水、co2、营养物质、油脂、固相残渣的回收资源化利用。以餐厨垃圾为例，其主要体现在以下几个方面：
1)超临界水反应后流体温度高达500～600℃，首先经过换热器一回收余热，流体温度降至50℃以下，然后通过高压气体分离器分离出富氢可燃气体。然后通过背压装置降至常压后，分离出水相和二氧化碳。分离出的co2通过布气系统，进入微藻培养光生物反应器，为微藻生长提供碳源。液相主要是水和一些未反应完全的有机化合物、可溶性硝酸盐、磷酸盐等，并混杂焦炭、硅酸盐等不溶性无机盐固体颗粒，其cod<1000mg/l，可作为微藻培养水体，进入水相储罐。
2)湿生物质餐厨垃圾主要成分可能包括木质纤维素、有机化合物、粮食残余物、油脂、果皮、骨头、贝壳、食品包装等。湿生物质首先通过破碎机，固体破碎成1cm以下的颗粒、除臭后进入固油水三相分离器，水相富含水溶性蛋白质、氨基酸，可提供微藻生长必要的营养元素，其通过稀释后进入水相储罐。固相残渣通过干馏制备成生物炭。干馏过程热量取自水热反应后流体回收的富余热量。油脂主要成分是三酸甘油酯，回收后与浓缩后藻浆掺混以提高生物油产量。
3)水相储罐中回收的水、藻种加入光生物反应器，co2通过供气系统均匀进入光反应器，控制co2供气浓度～10％，气流速率控制在0.25～1l/min。水体调节ph值至6～8，氮浓度至80～165mg/l，氮磷比调节至6～9，控制硫酸根离子<0.35mmol/l，苯酚浓度<100mg/l，盐度25～30g/l，钾离子浓度0.8～1.2g/l，钙和镁离子浓度>30mg/l，调节铁/磷比至0.7。调节水温至20～30℃
4)微藻培养后经富集、脱水形成浓缩藻浆，滤出液中含有必要的营养元素，返回水相储罐后在光生物反应器循环使用。藻浆与回收油脂充分混合均匀后，通过高压泵将物料加压至15～25mpa。
5)物料加压后，通过换热器二预热至250～370℃，进入水热液化反应反应器。经过2-5min反应时间流出反应器，反应流体通过换热器三降温至50℃以下，流体富余热量用于系统中固体残渣干馏过程。降温后反应流体通过背压装置二降至常压。反应流体在常温、常压状态是固、油、水三相状态(含有少量气体产物)，经过分离后，获得生物油。水相产物回收后进入水相储罐，在微藻培养过程中回用，固相产物收集后与湿生物质分离后固相残渣混合，通过干馏过程制备生物炭。
6)系统中所有冷却水换热后循环进入系统，不引入额外冷却水源。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均在本发明权利要求书的保护范围之内。
1.一种超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，包括：
超临界水反应产物分离系统，进行超临界水反应产物的气液分离；
湿生物质分离回收系统，进行湿生物质的固油水三相分离；
微藻培养与浓缩系统，利用超临界水反应产物分离系统和湿生物质分离回收系统所得的水相以及超临界水反应产物分离系统所得的co2进行微藻光生物反应以培养微藻，藻浆出口接浓缩装置进行浓缩；
水热液化制油系统，利用浓缩装置的浓缩藻浆和湿生物质分离回收系统所得的油相进行水热液化制油。
2.根据权利要求1所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述超临界水反应产物分离系统包括换热器一，换热器一的热流体入口接超临界水反应器的出口，换热器一的热流体出口接背压装置一的入口，背压装置一的出口接气液分离器的入口，气液分离器的液体出口接水相储罐，co2气体出口接微藻培养与浓缩系统的气相入口，水相储罐的出口接微藻培养与浓缩系统的水相入口。
3.根据权利要求2所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述湿生物质分离回收系统包括破碎机，破碎机的入口接湿生物质物料出口，破碎机的出口接固油水分离器的入口，固油水分离器的固相出口接干馏设备的入口，水相出口接所述水相储罐的入口。
4.根据权利要求3所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述微藻培养与浓缩系统包括微藻光生物反应器，微藻光生物反应器的水相入口接所述水相储罐的出口，气相入口接所述co2气体出口，出口接浓缩装置的入口，浓缩装置的水相出口回接所述水相储罐的入口。
5.根据权利要求4所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述水热液化制油系统包括换热器二，换热器二的热流体入口通过高压泵接所述浓缩装置的浓缩藻浆出口和所述固油水分离器的油相出口，换热器二的热流体出口接水热液化反应器的入口，水热液化反应器的出口接换热器三的热流体入口，换热器三的热流体出口接背压装置二的入口，背压装置二的出口接油水气固分离器的入口，油水气固分离器的油相出口输出生物原油，气相出口接所述微藻光生物反应器的气相入口，水相出口回接所述水相储罐的入口，固相出口接所述干馏设备的入口。
6.根据权利要求5所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述换热器一的冷却水入口与所述换热器二的冷却水出口连接，换热器一的冷却水出口与所述换热器二的冷却水入口连接，所述换热器三的冷却水入口与所述干馏设备的冷却水出口连接，换热器三的冷却水出口与所述干馏设备的冷却水入口连接。
7.根据权利要求5或6所述超临界水反应产物协同湿生物质资源化的系统，其特征在于，所述湿生物质为餐厨垃圾。
8.一种可实现超临界水反应产物与湿生物质资源化的方法，其特征在于，包括：
1)超临界水反应产物为温度≥500℃的高温流体，所述高温流体分别在高压气体分离器和气液分离器中分离出富氢可燃气体和co2，将这部分co2回收并在微藻培育过程作为微藻生长中所需的碳源；水相产物中有机物含量大幅降低，cod≤1000mg/l，且没有生物毒性，水相回收后作为培养水体在微藻培育过程回收利用；
2)将湿生物质破碎后在固油水三相分离器中进行固、油、水分离；其中水相富含蛋白质和有机质，经过回收后，在微藻培育过程中利用，固相残渣脱水、干燥、干馏后制备生物炭；
3)在微藻光生物反应器中进行微藻培育过程，成熟后收集，并在浓缩装置中进行浓缩，沥出含n、p元素的液富，经过调配后在微藻光生物反应器中回用，浓缩后藻浆与湿生物质分离得到的油脂掺混预热至250～370℃后进入水热液化反应器，产物流体为油、水、固相与少量气体的混合产物，经过分离后获得生物油，固相产物干馏后制备生物炭，气体产物富含co2，回收后作为微藻生长碳源，返回光生物反应器回用，水相返回光生物反应器回用。
9.根据权利要求8所述可实现超临界水反应产物与湿生物质资源化的方法，其特征在于，通过换热器一将流体富余热量回收，在微藻水热液化制油工艺的预热过程中利用，利用换热器二将浓缩藻浆与湿生物质分离得到的油脂预热至250～370℃。
10.根据权利要求8所述可实现超临界水反应产物与湿生物质资源化的方法，其特征在于，过程中冷却水实现循环，无需补充额外冷却水源。
技术总结