CN105131985B

CN105131985B - 微波辅助真空卧式生物炭碳化设备

Info

Publication number: CN105131985B
Application number: CN201510434069.XA
Authority: CN
Inventors: 张望; 王琼; 吴亮亮; 张华�; 孙伟; 周连碧
Original assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN105131985A

Abstract

本发明公开一种微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，包括碳化回转窑，所述碳化回转窑上设置进料口和出料口，在所述碳化回转窑内均匀设置多个电加热装置和微波发生装置，所述碳化回转窑上设置用于使所述碳化回转窑内部呈真空状态的真空泵、真空阀以及真空压力表。本发明的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备通过在碳化回转窑内均匀设置多个电加热装置和微波发生装置，微波发生装置可以辅助电加热装置对生物质热解，生物质的碳化效率可以得到较大提升；通过设置真空泵，可以使碳化回转窑的内部在对生物质进行热解时呈现真空状态，真空状态热解生物质可以提高生物炭的有效产量。

Description

微波辅助真空卧式生物炭碳化设备

技术领域

本发明涉及生物质热解设备技术领域，尤其涉及一种用于处理重金属污染土壤的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备。

背景技术

生物炭是由热解生物质原料得到的。生物炭几乎是纯碳，埋到地下后可以有几百至上千年不会消失，等于把碳封存进了土壤，有助于减缓全球变暖，全世界范围内引发了对生物炭的广泛兴趣。目前，用于制备生物炭的主要原材料包括：木材废弃物、草类、农业副产物、动物粪便和市政污泥等。其中，木质纤维类生物质是最为主要的制备原料，也是被研究最多的原料。

近年来兴起的生物炭技术为土壤重金属污染修复提供了一种新的解决途径。生物炭作为一类新型环境功能材料在土壤养分改良、温室气体减排以及受污染环境修复方面都展现出较高的潜力。目前，国内外研究学者关于生物炭对水溶液中重金属(Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等)的吸附方面做了大量的研究工作，研究结果表明生物炭对这些重金属的吸附机制主要包括以下几个方面：(1)、重金属与生物炭表面含氧官能团(-OH、-O-、-COOH等)之间的表面络合作用；(2)、形成重金属的碳酸盐或磷酸盐等沉淀；(3)、其它吸附机制，例如：表面吸附，C＝Cπ电子与重金属的配键作用等。生物炭对重金属的吸附与其自身的物理化学性质(含氧官能团、矿组成、芳香结构等)相关，而生物炭的性质又取决于生物质原料的组成、热解温度、热解技术和热解条件等影响因素。

目前，我国已经有一些实验性或中试型的生物炭碳化设备，如卧式连续生物炭碳化设备(CN 103614151 A)、自动控温连续生产生物炭的工艺和设备(CN102492509 A)、一种用于生物炭生产的立式热解设备(CN 103396810 A)、一种组合式多联产生物质快速炭化设备及其制炭方法(CN 103773404 A)、内加热连续式生物炭成套设备(CN 203393101 U)等设备均涉及利用生物质生产生物炭领域。但这些设备大多存在以下问题：(1)、多为单一性外源加热，或者仅用热能加热，碳化的效率较低；(2)、设备多为缺氧或少氧状态，特别是连续式反应器很难达到真正意义上的无氧状态，因此，其有效的生物炭产量就会受到影响，即有效的生物炭产量不高。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其结构简单、碳化效率高、有效的生物炭产量高。

本发明的另一个目的在于提供一种微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其能为生物质的碳化提供一个完全无氧状态的碳化环境，可以实现工业级生物炭生产。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，包括碳化回转窑，所述碳化回转窑上设置进料口和出料口，在所述碳化回转窑内均匀设置多个电加热装置和微波发生装置，所述碳化回转窑上设置用于使所述碳化回转窑内部呈真空状态的真空泵、真空阀以及真空压力表。

通过在碳化回转窑内均匀设置多个电加热装置和微波发生装置，微波发生装置可以辅助电加热装置对生物质热解，生物质的碳化效率可以得到较大提升；通过设置真空泵，可以使碳化回转窑的内部在对生物质进行热解时呈现真空状态，真空状态热解生物质可以提高生物炭的有效产量。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，所述碳化回转窑为序批式反应器，所述碳化回转窑的转动速度为3～5弧度每秒。

序批式反应器是一种按时间顺序间隙操作运行的反应器，通过将碳化回转窑设置为序批式反应器，可以使碳化回转窑内的生物质能实现完全混合，进一步增强生物质碳化的均匀度，提高有效的碳化效率，而将碳化回转窑的转动速度设置为3～5弧度每秒，低速且匀速的转动，可以使生物质能更加均匀的被热解。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，所述电加热装置为电加热棒，在所述碳化回转窑内间隔且均匀分布多个所述电加热棒。

通过在碳化回转窑内间隔且均匀分布多个电加热棒，可以使碳化回转窑内的生物质受热更加均匀，进一步使各部分的生物质的碳化速度和质量能达到一致。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，所述电加热棒采用二硅化钨钼或多晶硅碳元件制成，所述电加热棒的运行温度为350～425℃。

二硅化钨钼或多晶硅碳元件制成的电加热棒的加热效率更高，耐热性更好，电加热棒的使用寿命长。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，在所述碳化回转窑加热时，所述碳化回转窑内的真空度保持在10～35Pa之间。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，所述微波发生装置为高能微波发射器。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，所述高能微波发射器的频率为1000MHz～1500MHz。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，在所述碳化回转窑开启时，所述微波发生装置的工作状态为交替启闭状态，即在所述微波发生装置每开启第一时间后再关停第二时间。

通过将微波发生装置的运行状态设置为交替开启和关闭，可以在保证生物质充分碳化的同时，降低能源的消耗。

优选的，所述第一时间为5～20min，所述第二时间为5～20min。

更加优选的，所述第一时间和所述第二时间均为10min。

优选的，所述碳化回转窑的碳化反应时间为2小时。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，还包括用于支撑所述碳化回转窑的独立悬挂支架系统，所述独立悬挂支架系统可以选择性使所述碳化回转窑呈倾斜设置，在所述碳化回转窑出料时，所述进料口的高度高于所述出料口的高度。

作为微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的一种优选方案，在所述碳化回转窑出料时，所述碳化回转窑倾斜角度为10～15度。

通过将碳化回转窑在出料时设置为倾斜结构，可以减少生物炭输出碳化回转窑时的动力消耗，节约了能源。

进一步的，所述出料口设置螺旋出料输送装置。

通过在出料口设置螺旋出料输送装置，可以使生物炭的输送更加顺畅，且螺旋结构输送，可以加快生物炭的降温速度。

本发明的有益效果为：本发明的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备具有以下优点：

1、本发明解决了单一性热源的问题，将微波能和电热能结合用于生物质的碳化过程，将待碳化的生物质置于温度场和电磁辐射耦合场内，极大的加速了生物质碳化的速度，提升了碳化效率；

2、本发明采用抽真空的结构，提高了生物质碳化的质量和效率，进一步提高了生物炭的产量，在本发明设定的温度、真空度以及辐射频率范围内，所产生的生物炭比表面积大，对土壤中重金属的吸附、锁定的效果最好。

附图说明

图1为本发明实施例所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备的结构示意图。

图1中：

1、碳化回转窑；2、进料口；3、出料口；4、真空泵；5、真空阀；6、真空压力表；7、电加热棒；8、高能微波发射器；9、独立悬挂支架系统。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，于本实施例中，微波辅助真空卧式生物炭碳化设备包括碳化回转窑1，碳化回转窑1上设置进料口2和出料口3，在碳化回转窑1内均匀设置多个电加热装置和微波发生装置，碳化回转窑1上设置用于使碳化回转窑1内部呈真空状态的真空泵4、真空阀5以及真空压力表6。

其中，在进料口2处设置蝶阀，蝶阀和进料口2之间设置用于密封进料口2的密封件，出料口3处设置有用于将生物炭输送至碳化回转窑1外的螺旋出料输送装置，此螺旋出料输送装置可以使生物炭的输送更加顺畅，且螺旋结构输送，可以加快生物炭的降温速度。

碳化回转窑1通过独立悬挂支架系统9进行支撑，独立悬挂支架系统9可以选择性使碳化回转窑1呈倾斜设置，在碳化回转窑1出料时，进料口2的高度高于出料口3的高度。进一步的，在碳化回转窑1出料时，碳化回转窑1的倾斜角度为10～15度。通过将碳化回转窑1在出料时设置为倾斜结构，可以减少生物炭输出碳化回转窑1时的动力消耗，节约了能源。

在本实施例中，碳化回转窑1为序批式反应器，碳化回转窑1的转动速度为3～5弧度每秒。序批式反应器是一种按时间顺序间隙操作运行的反应器，通过将碳化回转窑1设置为序批式反应器，可以使碳化回转窑1内的生物质能实现完全混合，进一步增强生物质碳化的均匀度，提高有效的碳化效率，而将碳化回转窑1的转动速度设置为3～5弧度每秒，低速且匀速的转动，可以使生物质能更加均匀的被热解。

电加热装置为电加热棒7，在碳化回转窑1内间隔且均匀分布多个电加热棒7。通过在碳化回转窑1内间隔且均匀分布多个电加热棒7，可以使碳化回转窑1内的生物质受热更加均匀，进一步使各部分的生物质的碳化速度和质量能达到一致。

电加热棒7采用二硅化钨钼或多晶硅碳元件制成，电加热棒7的运行温度为350～425℃。二硅化钨钼或多晶硅碳元件制成的电加热棒7的加热效率更高，耐热性更好，电加热棒7的使用寿命长。

在碳化回转窑1加热时，碳化回转窑1内的真空度保持在10～35Pa之间。

微波发生装置为高能微波发射器8，高能微波发射器8的频率为1000MHz～1500MHz，在碳化回转窑1开启时，微波发生装置的工作状态为交替开启状态，即开启第一时间再停止第二时间。通过将微波发生装置的开启状态设置为交替开启，可以在保证生物质充分碳化的同时，降低能源的消耗。其中，第一时间为5～20min，第二时间为5～20min。在本实施例中，第一时间和第二时间均为10min，整个碳化回转窑1的碳化反应时间为2小时。

工作过程如下：

将待碳化的物料(密度100～150公斤/方)由进料口2投入到碳化回转窑1内，关上进料口2处的蝶阀，启动真空泵4，使碳化回转窑1内的真空度保持在10～35Pa范围内，启动电加热棒7，使运行温度保持在350～425摄氏度之间，同时开启高能微波发射器8，其频率保持在1000MHz～1500MHz的范围内，时间每开启10分钟后，关停10分钟，整个碳化反应持续时间为2小时。

本发明的“第一”、“第二”等等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，包括碳化回转窑，在所述碳化回转窑内均匀设置多个电加热装置，在所述碳化回转窑内设置有微波发生装置，所述碳化回转窑上设置真空阀以及真空压力表，所述微波发生装置为高能微波发射器；

所述碳化回转窑沿其长度方向的一端设置有出料口，另一端设置有用于使所述碳化回转窑内部呈真空状态的真空泵，所述碳化回转窑的外周且邻近所述真空泵设置有进料口，所述微波发生装置位于所述碳化回转窑靠近所述真空泵的一端并与所述真空泵的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，所述碳化回转窑为序批式反应器，所述碳化回转窑的转动速度为3～5弧度每秒。

3.根据权利要求1所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，所述电加热装置为电加热棒，在所述碳化回转窑内间隔且均匀分布多个所述电加热棒。

4.根据权利要求3所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，所述电加热棒采用二硅化钨钼或多晶硅碳元件制成，所述电加热棒的运行温度为350～425℃。

5.根据权利要求1所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，在所述碳化回转窑加热时，所述碳化回转窑内的真空度保持在10～35Pa之间。

6.根据权利要求1所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，所述微波发生装置为高能微波发射器。

7.根据权利要求6所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，所述高能微波发射器的频率为1000MHz～1500MHz。

8.根据权利要求7所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，在所述碳化回转窑开启时，所述微波发生装置的工作状态为交替启闭状态，即在所述微波发生装置每开启第一时间后再关停第二时间，所述第一时间为５～20min，所述第二时间为5～20min。

9.根据权利要求1所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，还包括用于支撑所述碳化回转窑的独立悬挂支架系统，所述独立悬挂支架系统可以选择性使所述碳化回转窑呈倾斜设置，在所述碳化回转窑出料时，所述进料口的高度高于所述出料口的高度。

10.根据权利要求9所述的微波辅助真空卧式生物炭碳化设备，其特征在于，在所述碳化回转窑出料时，所述碳化回转窑倾斜角度为10～15度。