本公开内容提供了基于水热液化(HTL)处理的方法，用于共同处理高含水量废水污泥和其他木质纤维素生物质，以共同生产生物气和生物原油。废活性污泥和木质纤维素生物质如桦木锯屑/玉米秆/MSW的混合物在作为均相催化剂的KOH存在的情况下在HTL条件下进行转化。基于最大生物原油产量的响应面方法优化操作条件，包括反应温度、反应时间和固体浓度。通过将废活性污泥与木质纤维素生物质共进料，在310℃的最佳温度，10分钟的反应时间和10wt％的固体浓度下获得约34wt％的最高生物原油产率。来自该过程的两种副产物(生物炭和水溶性产品)也可用于产生能量。水溶性产品用于通过生物化学甲烷势测试(BMP)生产生物气，并且发现水溶性产物的每0.816g的总有机碳(TOC)或2.09g的化学需氧量(COD)在30天内累积产生约800mL的生物甲烷。
Synergistic hydrothermal liquefaction of wastewater sludge and lignocellulose biomass for co-production of biogas and bio-oil
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物气和生物油的共同生产的废水污泥和木质纤维素生物质的水热液化协同处理
本公开涉及使用水热液化(HTL)处理从高含水量废水污泥和木质纤维素生物质中共同生产生物气和高质量生物原油。
技术介绍
由于化石燃料储备的收缩和气候变化问题，人们对可再生能源的兴趣日益增长，导致对诸如生物质和废物的可再生能源生产的气态和液态燃料进行了广泛的研究。来自城市和工业废物如废水污泥的能量产生也是处理大量废物处理的环境友好方式，其另外的优点是消除来自能源作物衍生的生物燃料的部分间接温室气体排放[1]。由于废水的生物处理，城市和工业废水处理厂产生大量废活性污泥(WAS)。这种产生的污泥对环境构成威胁，在处理或焚烧之前需要进一步处理[2]。污泥处理和管理成本可能高达废水处理过程总成本的25-50％[3]。最近，人们越来越关注开发更环保的工艺以减少用于处理的污泥量，并通过将污泥转化为生物能来取代传统的污泥处理方法，例如填埋处理和焚烧。改进的生物固体管理已被确定为城市污水排放管理的全加拿大战略的目标研究领域。得到加拿大环境部长理事会的赞同，它与对环境友好型工艺的兴趣不断增加相一致，以减少污泥处理量，并找到利用该物质生产生物能源和更有价值产品的方法。全球正在开发无数的立即使用的生物燃料技术。在商业规模上操作的最先进的方法通常需要相对清洁、干燥和均匀的原料，例如初榨植物油、海藻油、废弃动物脂肪和用过的食用油。纳斯特石油公司(NesteOil)是将植物油加氢处理成烃类液体燃料的全球领导者，其商业规模工厂在芬兰、荷兰和新加坡运营，总生产能力为约每年200万吨。使用木质生物质作为原料，热解技术也正在商业化。初始产品，通常称为热解油或生物油，可用作低级加热油或可升级为工业标准烃类液体燃料。KiOR在密西西比州有一家商业工厂，每年生产40,000吨汽油、柴油和取暖油。霍尼韦尔公司的Envergent技术使用Ensyn的快速热处理技术也用于将木质生物质转化为热解油。荷兰的BTG-BTL公司还开发并商业化了BTL(生物质到液体)热解过程，该过程将高达70wt％的生物质原料转化为生物油，其余部分转化为炭和气体。(参见https://www.btg-btl.com/en/technology)。水热液化(HTL)是一种热化学解聚过程，用于将湿生物质转化为粗制油，有时被称为生物油或生物原油，在中等温度和高压下发展为从生物质产生能量，其在存在水的情况下以避免能量密集型预先干燥[4]。它是一种很有前景的技术，在150-450℃的缺乏氧气的情况下和高达25-30MPa的压力下，用于将含水量高的废弃生物质转化为具有附加值的产品，主要是生物原油和固体残留物(生物炭)[5]。它消除了在其他热/热化学过程中所需要的昂贵的脱水/干燥过程的需要。水的显著特性如低介电常数和高离子产物在液化中起着重要的溶剂作用。使用一部分产出的油和炭可以使该过程在能量上自给自足，从而为HTL过程提供热量。该反应通常使用均相和/或非均相催化剂来改善所生产产物的质量和产率。有机起始原料(例如但不限于生物质、低等级煤(褐煤)和泥煤)的碳和氢被热化学转化成具有低粘度和高溶解度的疏水化合物。根据处理条件，所得到的燃料可以原样用于重型发动机，例如铁路或船用发动机，或者产出可以升级为运输燃料，包括喷气燃料、柴油和普通汽油。HTL技术为新兴快速热解过程提供了多种优势。虽然HTL的工艺操作压力较高，但较低的温度和利用湿污泥的能力是关键优势。已发现，与焚烧相比，它具有成本效益[6]，并且可以实现减少病原体的额外益处，同时满足对污泥土地应用的严格监管。此外，生产的生物油的质量较高，含水量较低(5％)，氧含量较低(20-30％)，且能量含量或热值较高(30-35MJ/kg)。通过利用湿有机废物固体，我们的HTL技术将代表生物燃料工业的重大进步，主要是通过利用现有的高水分有机废物的能力。目前，在基于水解和水热处理的废水污泥中，仅建立或正在开发用于能量回收的单一的污泥到油的技术。Kranich和Eralp对污水污泥液化进行了早期研究[7]。在作为还原气体的氢气和催化剂如Na2CO3、NiCO3和Na2MnO4的存在下，污水污泥在不同的反应温度下转化为油。用水作为反应介质，油产率小于20wt％[7]，[8]。Molton等人进行了中试规模研究，其中具有20％总固体(TS)的初级和未消化污泥在连续反应器中在300℃和10MPa压力下加热，流速为30L/h，且液压停留时间为90分钟。该技术作为污泥到油反应系统(STORS)获得了专利，油产率为10-20wt％，且炭为5-30wt％[5]，[6]。它于2005年由ThermoEnergy公司商业化；然而，目前还没有全面安装运行。污泥处理的另一个竞争过程是厌氧消化和沼气生产，并且有两个商业过程在进行。Cambi工艺由三个容器(制浆容器、水解反应器和闪蒸罐)组成，并于160-180℃的温度在压力下处理污泥。Cambi装置现在在挪威、丹麦、英格兰、爱尔兰、苏格兰和波兰进行运营。该技术相对复杂：在处理之前必须将来自废水处理的固体脱水至16％干固体，并且需要中压蒸汽供应。气味问题的报告与该过程相关[9]。污泥消化(Biothelys)工艺用于处理固体浓度高于10％的污泥，并于150-180℃和8-10巴(bar)的压力下进行操作。自1998年以来，法国一直在运营两个全尺寸设施。与Cambi工艺一样，污泥消化(Biothelys)工艺也可能受到气味问题的影响[9]。专利技术概述本文公开了由废活性污泥(WAS)和木质纤维素生物质的组合作为共进料的生物原油和生物气体生产。由于WAS具有高水百分比(＞90％)，添加木质纤维素生物质以增加固体浓度并提高废水液化的经济性。使用中心复合设计(CCD)方法优化操作条件如温度、反应时间和固体浓度。基于作者先前进行的催化剂筛选研究[10]，将氢氧化钾(KOH)在该过程中用作均相催化剂。废活性污泥和木质纤维素生物质如桦木和橡胶木屑/玉米秸秆/MSW的混合物在作为均相催化剂的KOH存在下在HTL条件下进行转化。基于最大生物原油产量的响应面方法优化操作条件，包括反应温度、反应时间和固体浓度。通过将废活性污泥与木质纤维素生物质共进料，在310℃的最佳温度，10分钟的反应时间和10wt％的固体浓度下获得约34wt％的最高生物原油产率。该生物油与先前由锯屑在相同操作条件下产生的生物油的比较显示出生物原油的分子量显著改善，表明存在较轻的组分。生物原油产品的综合表征表明，这些生物油具有较低的热稳定性、较高的挥发性物质和较低的固定碳含量以及较高比例的低沸点化合物，导致其具有较低的分子量。在一个实施方案中，本文提供了用于共同生产生物气和生物原油的方法，包括：a)将废水污泥与废弃木质纤维素生物质混合以形成总固体含量为约5至约25wt％的混合物；b)使混合物在保持温度为约200℃至约350℃，约50巴至约150巴的压力以及存在催化剂的的反应器中进行水热液化，以得到反应产物；c)从反应器的反应产物中除去并收集固体生物炭，从反应器的反应产物中除去并收集生物油，并且从反应器的反应产物中除去并收集水性产物；和d)厌氧消化水性产物以产生并收集由厌氧消化的水性产物所产生的生物气。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于共同生产生物气和生物原油的方法，包括：a)将废水污泥与废弃木质纤维素生物质混合以形成总固体含量为约5至约25wt％的混合物；b)使混合物在保持温度为约200℃至约350℃，约50巴至约150巴的压力以及存在催化剂的反应器中进行水热液化，以得到反应产物；c)从反应器的反应产物中除去并收集固体生物炭，从反应器的反应产物中除去并收集生物油，并且从反应器的反应产物中除去和收集水性产物；和d)厌氧消化水性产物以产生和收集由厌氧消化的水性产物所产生的生物气。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于共同生产生物气和生物原油的方法，包括：a)将废水污泥与废弃木质纤维素生物质混合以形成总固体含量为约5至约25wt％的混合物；b)使混合物在保持温度为约200℃至约350℃，约50巴至约150巴的压力以及存在催化剂的反应器中进行水热液化，以得到反应产物；c)从反应器的反应产物中除去并收集固体生物炭，从反应器的反应产物中除去并收集生物油，并且从反应器的反应产物中除去和收集水性产物；和d)厌氧消化水性产物以产生和收集由厌氧消化的水性产物所产生的生物气。2.如权利要求1所述的方法，其中所述废水污泥和废弃生物质的混合物具有约8wt％至约20wt％的固体含量。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述废水污泥和废弃生物质的混合物的...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐春保，拉蕾·那扎瑞，麦德胡米塔·B·瑞，
申请(专利权)人：西安大略大学，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA
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