CN104673329A - 生物质移动床内热式连续炭化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质移动床内热式连续炭化方法及装置。其方法是通过生物质原料和液体中间产物靠重力自上而下，气体和蒸汽自下而上的方法，进行分馏塔式的物质和热量交换，依次完成从废气排空直至生物炭冷却全部工艺操作，实现生物质炭化和各种副产物初步分离。其结构包括通过星型下料器和上述工艺操作单元组成的炉体及炭化装置支座组成。炉体由下料斗模块和N个导向模块构成。本发明综合性能好。为实现完全密闭的绿色低碳化、集约化、规模化、规范化、系列化、模块化、连续化、间歇、半间歇、半移动、自动化、甚至遥测，遥控化的超大规模进行生产、尽可能多的得到各种高附加值的化工产品提供了经济效益和社会效益双赢的设备形式和方法。

Description

生物质移动床内热式连续炭化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种制取生物炭的方法及装置，特别是涉及一种生物质移动床内热式连续炭化方法及装置。属于公认的使我们能够同时解决人类四个重大危机：气候变化危机，能源危机，以及食品和水资源危机的生物炭制造和机制木炭生产领域。

背景技术

生物炭(机制炭)是生物质在不完全燃烧情况下，生物质进行热裂解化学反应产生的近百种物质中工艺技术相对成熟的最重要的产品之一。在燃料，钢铁、化工、食品、制药等行业都有着广泛的用途。

目前绝大多数工厂是以烧制机制炭为目的“作坊式”生产工艺。几乎都是仅仅在每个单体设备(窑内或干馏装置内)装置内对生物质进行热裂解全过程，整个工厂由几台、几十台，极少数上百台同样的炭化设备组成，生产能力在几十吨到几千吨之间。每台设备上也绝大多数没有化工生产常用的各种测量仪表，更没有控制仪表，也没有专门的操作控制室和分析检验设置及人员。工厂的扩大和发展完全算术级数外延扩张，是当前创新驱动转型发展淘汰的对象。

家庭作坊式企业投资有限，可燃气难以储存和消化，木醋液，木焦油，和其它副产物数量太少，形不成规模，无利可图，造成每生产一吨机制炭，仅仅“废气”就要排放近2000m³。据不完全统计，我国生物质炭的年产量已达到4000万吨，每年生产生物质炭向大气排放“废气”近800亿立方米，对环境构成极大危害。其技术落后、劳动生产率很低、产品环保生产过程污染环境，与IS014001标准精神完全相悖。

近年来虽有不少如机窑阵列，像一栋栋楼房的“小高层”小区式(CN201648305U，CN201722335U，CN101921606A)、隧道式(ZL200320113581.7，CN1556362A)、列管式(ZL00263035.4)、螺旋推进器(CN102775999A)和其他多种形式新的国内专利技术出现，但是由于多少都存在着原有间歇“个体”生产的固有缺点：不能完全进行密闭生产或炭化装置高温区内有运动部件，难以实现万吨级的规模化生产，以及已经分离存在的副产物反而再混合在一起重新分离，结果造成环保不彻底，以及无谓的能量损失。

生物质炭化技术是公认的解决气候变化问题的可行技术措施之一，具有原材料来源广泛、生产成本低、生态安全、无污染、可大面积推广等显著特点。是地球上唯一的、可再生的有机石油的替代品。

生物炭的这些特性“使我们能够同时解决三四个重大危机：气候变化危机，能源危机，以及食品和水资源危机。”使用生物炭不仅能够使土壤肥沃，还能够帮助土壤保持水分。

毋庸置疑，生物炭的需求量是非常大的。自然界本身拥有的碳循环系目前已经严重地超载，甚至是2000万年间最高的。据全球碳计划统计，2000到2007年，人类排放到大气中的二氧化碳中每年有54％，约48亿吨，被陆地和海洋中的碳汇，例如森林和海洋中的浮游生物等所吸收。然而每年仍然有大约40亿吨的剩余的碳需要我们想办法去降低或者吸收。全世界目前以千万吨计的生物炭生产能力的作用几乎可以忽略不计。

因此如何优化生物质炭化工艺，提高炭化效率、提高成品率，减低总的制造成本，提供一种可以适合不同规模，不同经济发展水平，能够随时很方便的根据自己当前实际情况，因地制宜进行完全密闭的绿色低碳化、、集约化、规模化、规范化、模块化、连续化，间歇，半间歇，半移动，自动化，甚至遥测，遥控的超大规模进行生产、经济效益和社会效益双赢的设备形式和方法是当务之急。

发明内容

本发明公开了一种生物质移动床内热式连续炭化方法及装置。其方法是通过生物质原料和液体中间产物靠重力自上而下，气体和蒸汽自下而上移动的方法，依次进行废气排空、木醋液提取、木焦油提取、可燃气提取、焦油提取、练炭、和生物炭冷却等操作，从低温到高温、同时按照各自所需要的温度在连续不断地直接接触之中进行物质质量和热量的无损失交换。并在每一个工艺操作单元提取出符合工艺要求的中间产品和生物炭，完成生物炭炭化和各种副产物初步分离，以便优化、减轻进行下一步再加工的条件，送往相应的精制后处理单元去处理；炭化装置维持正常稳定生产所需要补充的热量，通过炭化装置底部输入的计量空气和生物炭进行的不完全燃烧提供；生物炭冷却操作通过炭化装置炉体下部输入的自来水的气化潜热使生物炭温度降低到105℃；其产生的水蒸气进入到练炭工艺操作单元时和帜热的生物炭反应生成水煤气，然后纳入可燃气之中。

其与现有技术的根本区别的是，在稳定的生产状况下、装置内各组分分布和温度分布及压力分布是炭化装置炉体2内每个生物质颗粒位置高度的函数，与时间无关。而每个炭窑和干馏装置则完全相反，是典型的间歇操作，是时间的函数，与高度无关。

导向板的角度状态是生物质原料和中间产物物化性质、温度和停留时间的函数。

冷却水的用量是生物质原料物化性质和生物炭出口温度的函数，严格控制冷却水数量保持生物炭在生物炭星型下料器12处，温度在105℃左右，以满足对产品质量含水率达标的要求。

空气的摄入量根据生物质原料的热值、炭化装置和工艺操作单元要求的温度确定。

实施上述工艺的关键设备是生物质移动床内热式连续炭化装置。

其结构包括和原料仓相连接的生物质原料星型下料器1、自上而下包含生物炭炭化全过程的进行废气排空3、一级木醋液提取4、二级木醋液提取5、一级木焦油提取6、二级木焦油提取7、可燃气提取8、焦油提取9、练炭10、和生物炭冷却11等工艺操作单元模块组成的炭化装置炉体2和与炉体2相连接的生物炭星型下料器12及炭化装置支座13组成。

炭化装置炉体2由下料斗模块14、导向模块15通过承插式或法兰式连接构成。

该装置炉体横截面可以是圆形、多边形和任意截面的，其外壳可以采用金属或非金属耐温并耐腐蚀材料。壳外根据外壳温度选择保温材料保温，使炉体外表面温度保持在50℃以下。

每个操作单元模块轴向都由至少一个下料斗模块14、两个或者两个以上导向模块15和各个操作单元的进出料口以及各种测量控制仪表组成。

导向模块15在炭化装置炉体2径向尺寸较大时，为了防止沟流和减少下料斗14与炭化装置炉体2所形成的颗粒死角空间，还应该在径向设置多个导向模块15。

下料斗模块14既是一次径向颗粒再分布，也是生产生物炭时各种副产物蒸汽回收的出料口。

这样的好处是在设备制造上，炉体内件可以模块式预制，形成系列化、模块化制造，既降低投资又保证了质量有利于普及和推广。也能轻而易举的改变工艺产品分布(A、增加副产物品种把通常的废气排空、木醋液提取、木焦油提取、可燃气提取、焦油提取、练炭、和生物炭冷却的7段式改为更加合理的废气排空、一级木醋液提取、二级木醋液提取、一级木焦油提取、二级木焦油提取、可燃气提取、焦油提取、练炭、和生物炭冷却的9段工艺操作，只要简单的在炉体上增加两个工艺操作单元模块即可；B、能够在日常生产中根据需要随时进行切换；C、通过增加装置的导向板装置数量，相应的通过星型下料器提高装置内物料移动速度来实现扩产。

本生物质移动床内热式连续炭化方法及装置由于在炭化装置炉体2内所进行的热量交换都是内部直接接触无热量损耗的换热，而且换热效率是固体传热效果的十多倍以上，致使生产能力相应增加或炭化时间大大减少；同时物料在自上而下的移动中，经过下料斗14和导向板18几十次甚至上百次的径向分布再分配的理想混合，炭化装置炉体2内固体物料被加工的死角趋近于零，使径向的物料温度基本一致，这正是炭化窑和干馏装置操作不当往往会欠烧致使成品率下降或过烧生物炭收率下降事故的根本原因。正因为在稳定正常的生产中，装置内每一点的温度稳定不变，特别是同一个横截面上的温度相同从而提高了产品的质量，同时降低了成本。显而易见其占地面积会成十倍的降低，因为科学家试验证明，生物质的炭化时间在1000℃时，只需要几秒钟，900℃也不过几分钟就可以完成。

图6是导向模块15的正视图、图7是导向模块15的侧视图。其结构像一扇横放的老式门板，它包括导向板18、导向板旋转轴16和带有指针式显示固体颗粒休止角的旋转手柄17。导向板18和导向板旋转轴16为可拆卸连接，便于安装和日常维修。以便根据不同的生物质原料和中间固体产物在不同条件下的休止角进行角度调整，以保证使每个生物质颗粒稳定、均匀地自上而下移动，经受同样环境的处理过程。从而得到相同品质的生物炭颗粒，提高产品的成品率，使得有可能以最少的投入和最方便的手段和最低的成本的各种控制测量仪表完成生物质整个热解炭化过程。

同时，即使生产过程中万一出现生物质颗粒架桥堵塞，也可以很方便地无需停产只要通过转动指针式手柄17进行疏通，就可以使炭化过程重新投入正常运转，大大的提高了设备的生产能力和效率，节省了维修费用。

每个导向模块15在装置内有两种安装形式：一种形式是垂直相邻导向板径向移位180度处于相对位置。固体颗粒和液体自上而下，气体和蒸汽自下而上呈之字形折迥流动。另一种形式是垂直相邻导向板装置径向移位在0～180度，固体颗粒和液体自上而下做螺旋式下降流动，气体和蒸汽自下而上做螺旋式上升流动。在相互接触的运动中完成质量和热量的交换。

现有技术中是在一个设备中完成整个生物质炭化过程，而本发明则是同样的操作工序在一个设备内从上而下，从低温到高温依次完成的，完全避免了人为的花费，建筑面积和占地面积都成倍的降低。因为在其它条件不变的情况下，炭化装置的生产能力只与炭化装置的截面积有关，是几何级数平方的关系。

本专利具有如下特点：

a.首期可以投资小，进入门槛低。可以很方便的通过生物质原料星型下料器1和生物炭星型下料器12，根据自己当时的技术经验水平和经济能力的实际情况，因地制宜逐步地从间歇固定床生产向半间歇，半移动，连续化，自动化，甚至遥测，遥控生产进行过渡；

b.对原料适应性强。炭化时间(停留时间)可以随时随地的进行人为控制；能够通过带指针式手柄17调整导向板18角度以适应休止角不同的生物质原料和不同操作状态下的物料；

c.生产工艺灵活。在正常生产之中，如遇例如仪表失灵，阀门损坏及其它(后续工序因故减产、停车)特殊情况，可以方便、简单仅仅通过调节甚至关闭生物质原料星型下料器1和生物炭星型下料器12进行减产或间歇固定床运行，一旦恢复正常，也可以方便简单使用同样办法恢复生产。

d.只需要通过简单方便的调整炭化装置的生物炭星型下料器12的开度，就可以准确、稳定的控制装置内固体物料炭化时间和温度以及相对应的生产能力；

e.装置内没有动设备，不存在易损件的日常消耗；

f.因为固体颗粒在装置内，移动分布均匀、稳定、同一性好，只需要简单便宜的常规测量控制仪表即可保证正常稳定生产的需要；

g.与现有技术的根本区别的是，在稳定的生产状况下、装置内各组分分布和温度分布及压力分布是筒体内每个生物质颗粒位置高度的函数，与时间无关。

h.可以模块式制造和安装施工。工艺操作单元部分完全可以集约化、规范化、模块化、系列化，保证质量、降低成本和基建费用，有利于工艺改造、扩产和普及推广。

附图说明

图1是本发明炭化装置整体结构示意图；

图2是图1工艺操作单元结构的正视示意图；

图3是图1工艺操作单元结构的侧视示意图；

图4是图2下料斗模块结构的正视示意图；

图5是图2下料斗模块结构的侧视示意图；

图6是图2导向模块结构的正视示意图；

图7是图2导向模块结构的侧视示意图；

附图中的标记为：1-生物质原料星型下料器，2-炉体，3-废气排空4-一级木醋液提取，5-二级木醋液提取，6-一级木焦油提取，7-级木焦油提取，8-可燃气提取，9-焦油提取，10-练炭，11-生物炭冷却，12-生物炭星型下料器，13-炭化装置支座，14-下料斗模块，15-导向模块，16-导向板旋转轴，17-带显示固体颗粒物料休止角的旋转手柄，18-导向板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容实现的技术均属于本发明的范围。

本发明的技术原理和具体实施过程：

生产过程中的物料流动及操作程序和要点详细说明如下：

经过初步干燥的生物质原料从装置顶通过生物质原料星型下料器1依靠自身的重力向下移动，在移动的过程中随着装置内温度的不断的增加，完成操作废气排空3→一级木醋液提取4→二级木醋液提取5→一级木焦油提取6→二级木焦油提取7→可燃气提取8→焦油提取9→练炭10→生物炭冷却11工艺操作全部过程。

本发明的技术原理是各个温度段产生的气体和蒸汽沿炉体自下而上，通过导向板18在相互直接接触的运动中完成没有能量损失的质量和热量的交换。

根据用户期望的温度馏分要求和设定的位置引出中间产品，至下一步工序进行后处理加工。

下面是以生物质能源之一——砻糠为例参照附图1依照生物质移动床内热式连续炭化方法及装置工艺生产生物炭的实施例。

其技术原理是通过炉体内各个工艺操作单元生物质原料砻糠和液体中间产物靠重力自上而下，气体和蒸汽自下而上移动的方法，依次进行废气排空、木醋液提取、木焦油提取、可燃气提取、焦油提取、练炭、和生物炭冷却等操作，从低温到高温、同时按照各自所需要的温度在连续不断地直接接触之中进行物质质量和热量的无损失交换全过程。并在每一个工艺操作单元提取出符合工艺要求的中间产品或生物炭，完成生物炭炭化和各种副产物初步分离，以便优化、减轻进行下一步再加工的条件，送往相应的精制后处理单元去处理；炭化装置维持正常稳定生产所需要补充的热量，通过炭化装置底部输入的计量空气和生物炭进行的不完全燃烧提供；生物炭冷却操作通过炉体下部输入的自来水的气化潜热使生物炭温度降低到105℃；其产生的水蒸气进入到练炭工艺操作单元时和帜热的生物炭反应生成水煤气，然后纳入可燃气之中。

下面根据砻糠的物化特性结合附图进行详细的阐述：

图2是由一个下料斗模块14和4个导向模块组成的工艺操作单元的结构的正视图，图3是其侧视图。

导向板模块设置形式是轴向相邻导向板径向移位180度处于相对(即东、西、南、北)位置。固体颗粒和液体自上而下，气体和蒸汽自下而上呈之字形折迥流动。

其导向板的角度，根据砻糠在每个导向模块位置的物化性质，特别是休止角可在45～60°之间调节。

经过干燥预处理含水率10～20％的砻糠通过生物质原料星型下料器1，进入废气排空区3、顺次通过一级木醋液提取区4、二级木醋液提取区5、一级木焦油提取区6、二级木焦油提取区7、可燃气提取区8、焦油提取区9、练炭区10、和生物炭冷却区11。由生物炭星型下料器12根据生物炭的产品质量规格控制整个炭化过程的时间和生产能力。

由于炭化装置炉体2内本实施例砻糠的近百次固体颗粒径向的理想混合及自上而下的“活塞流”移动，使得每个颗粒料，享有相同的被处理环境，为精准的控制炭化温度、炭化时间、副产物分割、生物炭的成品率和质量提供了设备平台，为进行完全密闭的绿色低碳化、连续化、集约化、规模化、规范化、模块化、半移动，自动化，甚至遥测，遥控的超大规模进行生产、经济效益和社会效益双赢创造了基础。

这里需要指出的是，鉴于砻糠灰分高达15％以上，特别是其熔点在1000℃左右，对炭窑和干馏装置来说由于内部温度梯度大，温度控制精度低，为了避免灰分熔融、堵塞，不得不留有很大的温度缓冲，力不从心、很难生产高温炭或者通过提高炭化温度提高装置生产能力，但是对温度场均匀，稳定、精准的生物质移动床内热式连续炭化装置，采用本发明的工艺是轻而易举的事情。

最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (9)

1.生物质移动床内热式连续炭化方法及装置，包括以下步骤：

经过预处理的生物质原料和液体中间产物靠重力自上而下，气体和蒸汽自下而上移动的方法，从上到下依次进行废气排空、木醋液提取、木焦油提取、可燃气提取、焦油提取、练炭、和生物炭冷却等工艺操作单元；从低温到高温、同时按照各自所需要的温度在连续不断地直接接触之中进行物质质量和热量的无损失交换；并在每一个工艺操作单元提取出符合工艺要求的副产物中间产品或生物炭，完成生物炭炭化和各种副产物初步分离，以便优化、减轻进行下一步再加工的条件，送往相应的精制后处理单元去处理；炭化装置维持正常稳定生产所需要补充的热量，通过炭化装置底部输入的计量空气和生物炭进行的不完全燃烧提供；生物炭冷却通过炭化装置炉体下部输入的自来水的气化潜热使其冷却到105℃；其产生的水蒸气进入到练炭工艺操作单元时和帜热的生物炭反应生成水煤气，然后纳入可燃气之中；炭化装置炉体由下料斗模块、导向模块通过承插式或法兰式连接构成；炭化装置炉体横截面可以是圆形、多边形和任意截面的，其外壳可以采用金属或非金属耐温并耐腐蚀材料；壳外根据外壳温度选择保温材料保温，使装置体外表面温度保持在50℃以下。

2.根据权利要求1所述生物质移动床内热式连续炭化方法，其特征在于：所述炭化装置炉体2内的温度沿高度是连续且稳定的；径向的温度分布是相同的；靠重力自上而下的生物质原料和液体中间产物与自下而上移动的气体和蒸汽连续不断地进行着直接接触的无损失的物质和热量的交换；炭化装置炉体2中没有运动部件，和外部全都通过管道连接实现密封无泄漏生产。

3.根据权利要求1所述生物质移动床内热式连续炭化方法，其特征在于：所有工艺操作单元的停留时间可以通过导向板18的休止角进行调节，以适应不同的生物质原料。

4.根据权利要求1所述生物质移动床内热式连续炭化方法，其特征在于：通过生物质原料星型下料器1和生物炭星型下料器12能使生产从间歇固定床操作向半间歇，半移动，连续化生产平缓过渡或相互之间任意切换。

5.根据权利要求1所述生物质移动床内热式连续炭化方法，其特征在于：所述炭化装置维持正常稳定生产所需要补充的热量，通过炭化装置底部输入的计量空气进行的不完全燃烧提供；生物炭冷却操作通过炭化装置炉体2下部输入的自来水的气化潜热使生物炭温度降低到105℃；其生成的水蒸气进入到练炭工艺操作单元时和帜热的生物炭反应生成水煤气，然后纳入可燃气之中。

6.按照权利要求1～5任一权利要求所述的生物质移动床内热式连续炭化方法构成的装置，其特征在于：所述每个工艺操作单元都是由至少一个下料斗模块14、多个导向模块15和各个工艺操作单元的进出料口以及各种测量控制仪表组成。

7.根据权利要求6所述装置，其特征在于：所述导向模块15在炭化装置炉体2径向至少有一个或者两个以上导向模块；每个导向模块15在装置内有两种安装形式：一种形式是垂直相邻导向板径向移位180度处于相对位置；固体颗粒和液体自上而下，气体和蒸汽自下而上呈之字形折迥流动；另一种形式是垂直相邻导向板装置径向移位在0～180度，固体颗粒和液体自上而下做螺旋式下降流动，气体和蒸汽自下而上做螺旋式上升流动，在相互直接接触的运动中完成质量和热量的无损失交换。

8.根据权利要求6所述装置，其特征在于：所述导向模块15包括导向板18、导向板旋转轴16和与其固定在一起的、带有指针式显示固体颗粒休止角的旋转手柄17；导向板18和导向板旋转轴16为可拆卸连接。

9.导向模块15在炭化装置炉体2径向尺寸较大时，为了防止沟流和减少下料斗14所形成的死角空间，还应该在径向设置多个导向模块。