CN102533292A - 生物质材料制备生物质炭的方法和碳化炉 - Google Patents

生物质材料制备生物质炭的方法和碳化炉 Download PDF

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余向阳
王冬兰
陈杰
严海娟
刘敏
刘贤金
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Abstract

本发明涉及一种利用天然物质制备生物质炭的方法，其过程是：收集天然物质经干燥、除去杂质并粉碎后放入碳化炉内，盖上密封盖，打开气流调节阀，加热除去物料的残余水分；继续升温进行预碳化；再调节炉内温度至碳化温度后，关闭气流调节阀，在密封缺氧环境中热解碳化，最后冷却至60℃以下，由出料口排出生物质炭。碳化炉的炉体内壁覆有耐高温隔热材料，炉体由上至下依次设有碳化室、电加热区和斗形卸料区，碳化室下部为斗形结构，电加热区中心为卸料直通通道，所述斗形结构下沿与卸料直通通道上沿对接，在它们的交汇处设有网孔状活动炉排，环形电加热管盘绕在卸料通道周边；进料口上配有密封盖，斗形卸料区的出料口配有密封挡板。

Description

生物质材料制备生物质炭的方法和碳化炉
技术领域：
本发明涉及一种制备生物质炭的方法和专用碳化炉，尤其是利用生物质材料通过高温厌氧热解制备生物质炭的方法和专用可控温碳化炉。 
技术背景：
生物质炭(Biochar)是一种由生物质在厌氧或缺氧条件下高温(一般＜700℃)热解，除去生成的CO2、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质后，产生的一种富含碳的物质。由于生物质在厌氧热解过程中某些养分被浓缩和富集，因此生物质炭中P、K、Ca、Mg的含量往往高于其制备物料，这些元素均是植物生长所需要的，土壤施用生物质炭有促进作物生长、提高农作物抗病性的功效。另外，由于在植物生长过程中对养分的吸收使得植物体内含有一定量的Ca2、Mg2+和K+等金属阳离子，为保持体内电荷平衡，植物在生长过程中会在体内积累一定量的碱基(有机阴离子)，在热解过程中，这些碱基逐渐被浓缩，使生物质炭呈碱性。因此生物质炭还可以用作酸性土壤的改良剂来中和土壤酸度，以提高土壤的pH值。另外，土壤施用生物质炭还可以减少二氧化氮、甲烷和一氧化氮等温室气体的排放，可有效缓解全球气候变暖问题。土壤中施用生物质炭不仅对增强土壤肥力、促进植物生长、缓解气候变暖等具有重要作用，是一种优良的土壤改良剂，而且生物质炭也是土壤中一种重要的吸附活性有机质组分，对土壤残留污染物的转归和生物毒性具有重要影响。近年来，通过土壤中施用生物质炭来改善环境和农业生产中土壤退化问题已成为近年来研究热点。 
制备生物质炭的生物质原料包括各种天然物质及其衍生物，如木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物、城市固体垃圾、畜禽粪便、水生植物和藻类等，但大多数原料来源于农业废弃物。将农作物秸秆等农业废弃物通过热解过程转变为生物质炭不仅可以减少农业废弃物对环境的污染，并可作为再生能源替代不可再生能源，以及作为土壤改良剂改善土壤质量，保障农产品安全高效生产。我国是一个农业大国，农作物秸秆资源十分丰富，据统计，全国各种秸秆的年 产量达7亿吨，这些秸杆除少部分用于饲料、还田和造纸等工业用途外，大部分被废弃和焚烧，这不仅是对环境的破坏，更是造成资源的浪费。此外，全国每年约有10％的秸秆长期堆放于沟渠、路边，不仅浪费了宝贵的自然资源，而且这些秸秆腐烂还会产生大量的甲烷、二氧化碳等气体，破坏大气臭氧层。因此，充分利用我国丰富的农作物秸秆资源，发展秸秆生物质炭产业，用于土地质量改良等，不仅可有效环境环境污染及全球气候变暖问题，还可实现变废为宝，为农民增收，保障我国农业可持续健康发展。 
生物质炭的环境功能和土壤改良功效主要决定于其理化性质。制备生物质炭的原材料(如木质材料、草本植物材料、工业废料及畜禽粪便等)以及及生物质炭制备条件(温度、热解时间及氧气含量等)对生物质炭的理化性质有比较大的影响。例如：利用畜禽粪便制备的生物质炭养分含量高于木屑制备的生物质炭；在相同热解温度条件下，木质材料热解制备的生物质炭比表面积大于草本植物残渣制备的生物质炭，而Mg、Na和K等元素含量则低于草本植物残渣制备的生物质炭；比较由油菜秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、稻草、稻糠、大豆秸秆、花生秸秆、蚕豆秸秆和绿豆秸秆制备的生物质炭的元素含量，发现由于4种豆科植物秸秆中Ca、Mg和K含量高于5种非豆科植物残体的，4种豆科秸秆制备的生物质炭中这些养分的含量也明显高于5种非豆科植物残体制备的生物质炭。 
热解温度对制备的生物质炭的理化性质影响最为明显。分别于100-500℃范围内燃烧畜禽粪便制备生物质炭，经分析表明，生物质炭比表面积、灰分含量、pH值均随热解温度的提高而增加，但生物质炭产量降低；元素分析结果表明，制备的生物质炭除富含碳外，还含有大量其他元素，如N、P、Ca和Mg，热解温度越高，制备出的生物质炭的P、Ca和Mg等元素含量越高。厌氧条件下热解农作物秸秆制备的生物质炭的碳含量随制备温度的提高，含量逐渐提高，而H和O的含量则逐渐降低。250-650℃条件下热解木材碎木屑制备的生物质炭的总比表面积随热解温度的升高变大，而微孔孔径随热解温度提升逐渐变小，对环境污染物的吸附作用也逐渐增强。由此可见，不同温度条件下热解生物质制备的生物质炭的营养成分含量、酸碱度、比表面积以及微孔孔径等均有很大差异，施用于土壤中后带来的环境改良及土壤改良功能也存在一定差异。 
目前，报道的生物质炭制备技术主要采用农作物秸秆经晾干切碎后，置于碳化炉内，通过燃烧室秸秆有氧充分燃烧产生的热源或其他热源加热，对热解 温度不加控制，这样制备出来的生物质炭一般热解温度都在500℃以上，制备出的生物质炭性质难以控制，不能达到根据需要制备合适生物质炭的目的。 
发明内容：
本发明的目的在于：针对目前利用农作物秸秆等生物质厌氧热解制备生物质炭的实际应用价值和巨大社会需求，以及现有报道生物质炭制备技术中热解温度不能控制的技术缺陷，提供了一种可以根据需要制备不同热解温度条件下的生物质炭的方法，同时提供一种用于制备生物质炭的可控温碳化炉。 
本发明的目的是这样实现的：一种利用天然物质制备生物质炭的方法，其特征在于：通过加热去除生物质材料的残余水分，在密封的缺氧环境中进行热解碳化，具体过程是： 
a)收集的生物质材料经干燥，除去杂质后，粉碎后经进料口放入热解炉内，分层夯实，直至填满整个碳化炉腔，盖上密封盖； 
b)打开碳化炉上的气流调节阀，接通电源开始加热，使炉内温度在90～120℃保持6～8h，除去物料中的残余水分； 
c)继续升温至190～210℃，保持1.5～2.5h； 
d)继续调节炉内温度至所需碳化温度后，关闭碳化炉上的气流调节阀，使物料在密封的缺氧环境中进行热解碳化5～15h； 
e)待碳化后的物料冷却至60℃以下，打开碳化炉底部的活动炉排及出料口的密封挡板，由出料口排出制备好的生物质炭。 
在制备生物质炭的方法中：所述的生物质材料是指：农作物秸秆或其他农业废弃物，所述的粉碎是将所述天然物质及其衍生物切成长度为8～11cm的物料。 
在制备生物质炭的方法中：所述的生物质材料是指：木屑或城市固体垃圾或畜禽粪便或工农业产生的有机废弃物，所述的粉碎是指将颗粒状的固体垃圾或畜禽粪便或工农业产生的有机废弃物粉碎成粒径≤10cm的颗粒。 
在制备生物质炭的方法中：所述的碳化温度为250～650℃。 
一种用于制备上述生物质炭的碳化炉，包括炉体，其特征在于：所述的炉体内壁覆有耐高温隔热材料，进料口设在炉体的顶部，进料口密封盖为水密封盖。炉体由上至下依次设有碳化室、电加热区和斗形卸料区，其中，碳化室下部为斗形结构，电加热区中心为卸料直通通道，碳化室与电加热区的交汇处设 有网孔状活动炉排，防止生物质物料及其热解生成的生物质炭落入加热区，活动炉排的开启/关闭受伸到炉体外的连接杆控制，碳化室斗形结构下沿与卸料直通通道上沿对接，环形电加热管盘绕在卸料通道周边；所述的进料口上配有密封盖，所述的斗形卸料区的出料口配有密封挡板。 
在所述碳化炉中：所述的耐高温隔热材料是指耐火砖或岩棉；进料口上的密封盖为水密封盖。 
在所述碳化炉中：所述炉体下部至少设有三个均匀分布的炉体支脚。 
在所述碳化炉中：碳化室下部斗形结构的上沿位于碳化室下部1/4处；所述的网孔状活动炉排的孔隙≤3cm；所述的电加热区与斗形卸料区的交汇处位于炉体下部1/4处。 
在所述碳化炉中：碳化室下部的斗形结构上方设有热电偶探测孔，并配有热电偶，用于控制碳化室温度。 
本发明的优点是：在制备方法中，由于在制备生物质炭的过程中，对去除残余水分的天然物质在缺氧环境中进行热解碳化，缺氧环境可以避免物料燃烧，减少排放物对环境的污染，提高物料的产出率；在碳化炉中，由于炉体内壁覆有耐高温隔热材料，可以减小碳化过程中的能量损失，提高热量的利用率；由于进料口和出料口都采取了密封措施，可以为热解碳化提供密封缺氧的环境；由于采用电加热方式，并设有用于监控的热电偶，可以根据不同物料调节碳化温度；在碳化室与电加热区之间设置网孔状活动炉排，可以防止在填料过程中及生物质炭热解制备过程中物料落入斗形卸料区；由于碳化室下部为斗形结构，同时碳化炉采用斗形卸料区，有利于生物质炭顺利排出；碳化炉结构紧凑，操作简单，维护方便。 
附图说明：
图1是本发明涉及的一种碳化炉实施例结构示意图。 
图中：1、碳化室，2、气流调节装置，3、进料口，4、水密封盖，5、热电偶探测孔，6、电加热区，7、活动炉排，8、密封挡板，9、耐高温隔热材料，10、加热室，11、环形电加热管，12、炉体支架，13、斗形卸料区。 
具体实施方式
实施例1 
本发明涉及的碳化炉包括炉体，所述的炉体内壁覆有耐高温隔热材料，进料口3设在炉体的顶部，炉体由上至下依次设有碳化室1、电加热区6和斗形卸料区13，其中，碳化室1下部为斗形结构，电加热区6中心为卸料直通通道，斗形结构下沿与卸料直通通道上沿对接，电加热区与碳化室的交汇处设有网孔状活动炉排7，活动炉排7可以通过连接杆控制开关，环形电加热管11盘绕在卸料通道周边；所述的进料口3上配有密封盖4，所述密封盖采用水密封，所述的斗形卸料区13的出料口配有密封挡板8。 
在本实施例中：所述的耐高温隔热材料9是指耐火砖或岩棉；进料口3上的密封盖4为水密封盖。所述炉体下部设有三个均匀分布的炉体支脚12。碳化室1下部的斗形结构上方设有热电偶探测孔5，并配有热电偶。 
具体实施时：碳化室下部斗形结构的上沿可以位于碳化室下部1/4处；所述的网孔状活动炉排7的孔隙≤3cm，防止部分小颗粒的物料直接落入加热室影响电加热管寿命，活动炉排的开启/关闭受伸到炉体外的连接杆控制(连接杆未在图中显示)；所述的电加热区6与斗形卸料区的交汇处位于炉体下部1/4处。 
实施例2 
以玉米秸秆为主要原料，经晒干去掉残余土块杂质后，切碎成长度为10cm左右的碎段。将上述处理好的玉米秸秆碎段由实施例1所述的碳化炉(下同)的进料口填入碳化室1内，分层夯实，直至填满整个碳化室(玉米秸秆碎段10kg)，盖上密封盖4，斗形卸料区13出料口的密封挡板8，打开碳化室1顶端气流调节装置2，开启电源总控器，通过环形电加热管11调节碳化室1温度中的温度到90℃，保持6h后，再调节碳化室至200℃，保温2h进行预碳化。预碳化完成后，关闭气流调节阀门，调节碳化室1中碳化温度至450℃，保温10h，使玉米秸秆物料碳化。然后关闭总电源控制器，待碳化炉内温度降至60℃以下时，打开斗形卸料区13出料口的密封挡板8，收集制备好的生物质炭，获得生物质炭1.6kg。整个操作过程中每个环节均通过热电偶监控碳化室1中的温度(下同)。 
实施效果：采用上述方法，共投入玉米秸秆物料10kg，制备生物质炭1.6kg，产率约16％。制备的生物质炭总比表面积为21m2/g，C含量为55％，N含量为1.5％，H含量为1.1％。 
实施例3： 
以水稻秸秆为主要原料，经晒干去掉残余土块杂质后，切碎成长度为10cm左右的碎段。将处理好的水稻秸秆碎段自碳化炉进料口填入碳化室1内，分层夯实，盖上密封盖4，直至填满整个碳化室(水稻秸秆碎段8kg)，再盖上密封盖4，关闭斗形卸料区13出料口的密封挡板8，打开碳化室1顶端气流调节装置2，开启电源总控器，通过环形电加热管11调节碳化室1温度中的温度到90℃，保持6h后，再调节碳化室至200℃，保温2h进行预碳化。预碳化完成后，关闭气流调节装置2，调节碳化室1内的碳化温度至400℃，保温8h，加热使水稻秸秆碳化。然后关闭总电源控制器，待碳化炉内温度降至60℃以下时，打开斗形卸料区13出料口的密封挡板8，收集制备好的生物质炭，获得生物质炭1kg。 
实施效果：采用上述方法，共投入水稻秸秆物料8kg，制备生物质炭1kg，产率约12％左右。制备的生物质炭总比表面积120m2/g，C含量60％，H含量2.5，N含量1.2％。 
实施例4 
以干牛粪为主要原料，经晒干去掉残余土块杂质后，粉碎成粒径为3-5cm左右的碎块。将20kg处理好的畜禽粪便碎块自碳化炉进料口填入碳化室1内，直至填满整个碳化室(牛粪颗粒20kg)，盖上密封盖4，关闭斗形卸料区13出料口的密封挡板8，打开碳化室1顶端气流调节装置2，开启电源总控器，通过环形电加热管11调节碳化室1温度中的温度到90℃，保持6h后，再调节碳化室至200℃，保温2.5h进行预碳化。预碳化完成后，关闭气流调节装置2，调节碳化室1内的碳化温度至500℃，保温10h左右，加热使粪便碳化。然后关闭总电源控制器，待碳化炉内温度降至60℃以下时，打开斗形卸料区13出料口的密封挡板8，收集制备好的生物质炭，获得生物质炭5kg。 
实施效果：采用上述方法，共投干牛粪物料20kg，制备生物质炭5kg，产率约25％。制备的生物质炭总比表面积为225m2/g，C含量70％，N含量3％，P含量2.5％。 
以上各实施例不是对本发明的限制，只要本领域的普通技术人员根据权利要求的记载，结合本领域的基本常识，采用相同的技术手段和专用碳化炉，都属于本发明的保护范围。，例如，由于采用不同的天然物质，各种天然物质的碳化温度和碳化时间不尽相同，完全可以根据权利要求限定的范围进行调整。 

Claims (9)

1.一种利用生物质材料制备生物质炭的方法，其特征在于：通过加热去除生物质材料的残余水分，预碳化后，再在密封的缺氧环境中进行热解碳化，具体过程是：
a)收集的生物质材料经干燥，除去杂质并粉碎后经进料口放入热解炉内，直至填满整个碳化炉腔，盖上密封盖；
b)打开碳化炉上的气流调节阀，接通电源开始加热，使炉内温度在90～120℃保持6～8h，除去物料中的残余水分；
c)继续升温至190～210℃，保持1.5～2.5h，进行预碳化；
d)继续调节炉内温度至所需碳化温度后，关闭碳化炉上的气流调节阀，使物料在密封的缺氧环境中进行热解碳化5～15h；
e)待碳化后的物料冷却至60℃以下，打开碳化炉底部的活动炉排及出料口的密封挡板，由出料口排出制备好的生物质炭。
2.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备生物质炭的方法，其特征在于：所述的生物质材料是指：农作物秸秆或其他农业废弃物，所述的粉碎是将所述天然物质切成长度为8～11cm的物料，粉碎后经进料口放入碳化炉内，分层夯实。
3.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备生物质炭的方法，其特征在于：所述的生物质材料是指：木屑或城市固体垃圾或畜禽粪便或工农业产生的有机废弃物，所述的粉碎是指将颗粒状的固体垃圾或畜禽粪便或工农业产生的有机废弃物粉碎成粒径≤10cm的颗粒。
4.根据权利要求1～3所述的利用生物质材料制备生物质炭的方法，其特征在于：所述的碳化温度为250～650℃。
5.一种用于制备权利要求1所述生物质炭的碳化炉，包括炉体，其特征在于：所述的炉体内壁覆有耐高温隔热材料，进料口设在炉体的顶部，进料口上设有密封盖，炉体由上至下依次设有碳化室、电加热区和斗形卸料区，其中，碳化室下部为斗形结构，电加热区中心为卸料直通通道，碳化室与电加热区的交汇处设有网孔状活动炉排，活动炉排的开启/关闭受伸到炉体外的连接杆控制，碳化室斗形结构下沿与卸料直通通道上沿对接，环形电加热管盘绕在卸料通道周边；所述的进料口上配有密封盖，所述的斗形卸料区的出料口配有密封挡板。
6.根据权利要求5所述的碳化炉，其特征在于：所述的耐高温隔热材料是指耐火砖或岩棉；进料口上的密封盖为水密封盖。
7.根据权利要求5所述的碳化炉，其特征在于：所述炉体下部至少设有三个均匀分布的炉体支脚。
8.根据权利要求5所述的碳化炉，其特征在于：碳化室下部斗形结构的上沿位于碳化室下 部1/4处；所述的网孔状活动炉排的孔隙≤3cm；所述的电加热区与斗形卸料区的交汇处位于炉体下部1/4处。
9.根据权利要求5～8所述的碳化炉，其特征在于：碳化室下部的斗形结构上方设有热电偶探测孔，并配有监测碳化室温度的热电偶。 
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