CN105694924A - 一种利用气体循环加热的碳化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用气体循环加热的碳化方法，包括如下步骤：S1：向装有待碳化物料的碳化装置中通入过热水蒸汽，参与物料的碳化反应；S2：将碳化装置中的气体导入加热设备进行再加热；S3：将加热后的气体重新注入碳化装置进行碳化；S4：步骤S2、S3循环进行至物料充分碳化；S5：将反应后的气体导出与处理。本发明具有加热效率高，设备运行成本低、水资源消耗少、污染水处理成本低、压力和温度可调、处理过程不产生二恶英、采收的可燃气体比例高、被加热物可以产出比表面积较高的活性炭的优点。

Description

一种利用气体循环加热的碳化方法

技术领域

本发明涉及对各种植物类、动物类、矿物类、藻类、石油制品类、垃圾、余料、废弃物等主要成分为有机物的各种物料进行碳化处理的装置，具体地说，涉及一种利用气体循环加热的碳化方法。

背景技术

在目前利用过热水蒸气作为热量载体进行碳化的技术已经得到较广泛的研究，其碳化效果也得到认可，但是却没有得到工业化广泛应用。其主要原因是该技术具有热效率不高、水资源较浪费、污水处理成本高的不足之处。纵观现有的过热水蒸气碳化技术，热力提供为过热水蒸汽作热流体，对设备要求苛刻、产生蒸汽耗能高、锅炉占地空间大、热量损失多，水资源消耗大、污水排放量大等条件影响，造成生产成本过高、经济性差，技术实施难度大。

热效率低的主要原因是在利用过热水蒸气对物料进行加热的过程中，经过和物料换热后的大量高温蒸汽被排放到加热设备外，而排出的蒸汽因含有碳氢化合物、硫化物和其他杂质，较难进行再利用。

此外，为了给物料提供足够的热量，需要使用大量的过热水蒸气，并排放大量的污水。这就造成了设备运行成本高、水资源浪费严重、需要污染废水处理成本高，限制了以过热水蒸汽作为热载体进行碳化的生产方式的发展。

碳化装置内除物料之外的空间处有气体，在加热过程中其气体成分含碳氢化合物、水蒸气、氢气等成分，在此我们将碳化装置的空间处的气体统称为碳化装置中的气体。通过研究发现，利用碳化装置中的气体作为热量载体，对其进行循环加热升温，再利用其对物料加热可克服上述过热蒸汽设备的缺点。

因此，本发明提供一种利用气体循环进行碳化的方法，包括设备内的气体进入加热设备进行加热；然后将加热后的气体注入设备，对物料进行加热。本发明中，加热设备产生的可燃气可进入加热设备作为加热设备的燃料使用，形成一套循环加热系统；烟气可用作物料干燥；处理后的高温物料可以和预处理物料进行换热。

本发明克服了目前碳化装置存在的缺陷，具有加热效率高，设备运行成本低、水资源消耗少、污染水处理成本低、压力和温度可调、采收的可燃气体比例高、被加热物可以产出比表面积较高的活性炭的优点。

发明内容

为了解决目前碳化装置存在的的问题，本发明提供一种利用气体循环加热的碳化方法，其具体的技术方案如下：

一种利用气体循环加热的碳化方法，包括如下步骤：

S1：向装有待碳化物料的碳化装置中通入过热水蒸汽，参与物料的碳化反应；

S2：将碳化装置中的气体导入加热设备进行再加热；

S3：将加热后的气体重新注入碳化装置进行碳化；

S4：步骤S2、S3循环进行至物料充分碳化；

S5：将反应后的气体导出与处理。

作为优选方案，所述加热设备将气体加热至150℃～1700℃。

进一步，所述加热设备先将气体加热至150℃～600℃，使物料转化为炭，所述加热设备将气体加热至600℃～1700℃，使炭转化为活性炭，并产生可燃气体；或所述加热设备直接将气体加热至600℃～1700℃，使物料直接转化为活性炭，并产生可燃气体。

此外，步骤S1中的过热水蒸气由过热蒸汽发生器及蒸汽锅炉提供。

进一步，步骤S5中，将反应后的气体经催化裂解、换热后进行气液分离,并将分离后的气、液循环利用。

作为优选方案，进行气液分离后，将得到的可燃气体导入过热蒸汽发生器、蒸汽锅炉、加热设备中的一种或多种，作为加热燃料循环使用。

进一步，进行气液分离后，将得到的液体进行油水分离，并将得到的油、水循环利用。

进一步，进行油水分离后，将得到的油进行油品加工后导入过热蒸汽发生器、蒸汽锅炉、加热设备中的一种或多种，作为加热燃料循环使用。

更进一步，进行油水分离后，将得到的水经净化处理后导入蒸汽锅炉作为原材料循环利用。

作为优选方案，物料进入碳化装置前经过干燥处理。

进一步，步骤S5中，将反应后气体导出前进行除尘处理。

作为优选方案，当碳化装置中的物料达到燃点后，向碳化装置中通入氧气或脱氮空气或空气，通过氧化反应加速其碳化进程。

本发明所提供的一种利用气体循环加热的碳化方法，具有以下优点：

第一：采用了对碳化设备中的水蒸汽循环加热的方式，将部分气体导入加热设备，在加热设备中水蒸气的温度得到提升，升温后的水蒸气进入碳化设备中的物料中，水蒸气对物料进行放热，大大提高了系统的热效率，在对同样的物料进行碳化时所消耗的过热水蒸气的量要少，从而使产生过热水蒸气的水资源消耗量大大节省，降低成本；

第二：消耗的水蒸气量的减少这意味着热量损失的降低及设备能效的提高；也使得排出的水蒸汽量减少，排出的水蒸汽冷却后产生的污水的量也相应地减少，后续的污水处理量的减少会减少污水处理成本；

第三：采用循环加热方式使得水蒸气与物料充分接触，使得水蒸气与物料的反应更加彻底，就会使反应转化为氢、一氧化碳、烷烃类气体的比例增加，排出的水蒸汽冷却后产生的污水的量也更少，实现了节能、减排、增效的目的。

附图说明

图1为本发明实施例1一种利用气体循环加热的碳化方法的结构示意图；

图2为本发明实施例2一种利用气体循环加热的碳化方法的结构示意图。

图3为本发明实施例3一种利用气体循环加热的碳化方法的结构示意图。

图中标号：

1，过热水蒸气入口；2，水蒸气出口；3，碳化设备；4，物料；5，除尘器；6，吸气管；7，加热设备；8，喷气管；9，压缩机；10，干燥设备；11，蒸汽锅炉；12，过热蒸汽发生器；13，换热装置；14，分离装置；15，储气装置；16，储水装置；17，油品加工装置；18，水净化装置；19，储油装置；20，催化装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的一种利用气体循环加热的碳化方法作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例中，一种利用气体循环加热的碳化方法的结构如图1所示。一种利用气体循环加热的碳化方法，包括碳化装置3、过热水蒸汽入口1、过热水蒸汽出口2，其还设置吸气管6与喷气管8，所述吸气管6一端连通碳化装置3的空腔，另一端连接至加热设备7的入口；所述喷气管8一端与加热设备7的出口连接，另一端连通至碳化装置3的物料处；所述吸气管6、加热设备7、喷气管8组成气体循环加热回路。

本实施例中采用一种利用气体循环加热的碳化方法进行碳化的实施过程如下：过热水蒸气从过热水蒸气入口1进入碳化设备3，对物料4进行放热，对物料4进行放热后的后的蒸汽中的一部分通过除尘器5经水蒸气出口2排出，另一部分水蒸气在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7，在加热设备7中水蒸气的温度得到提升，升温后的水蒸气经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中，水蒸气对物料进行放热，对物料4进行放热后的水蒸气对物料4进行放热后的后的蒸汽中的一部分通过除尘器5经水蒸气出口2排出，另一部分水蒸气在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7，在加热设备7中水蒸气的温度得到提升，升温后的水蒸气经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中，水蒸气对物料进行放热达到物料4碳化的目的。通过上述步骤，在对物料进行加热的同时，经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中的水蒸气与物料4反应生成氢、一氧化碳、烷烃类气体，反应生成的氢、一氧化碳、烷烃类气体与水蒸气形成混合气体，在碳化设备3内部的上部空间一部分混合气体在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7进行加热，参与对物料4的加热，另一部分混合气体通过除尘器5经水蒸气出口2排出，得到可利用的氢、一氧化碳、烷烃类气体，氢、一氧化碳、烷烃类可以直接作为清洁能源使用，也可以深加工成如乙烯、丙烯、异丁醇或清洁汽柴油类的产品。

本实施例中，采用加热设备对气体进行循环加热，使整个系统的热效率大提高。以碳化设备进口过热水蒸气温度600℃的蒸汽对300℃的物料进行加热为例，碳化设备平均出口蒸汽温度在300℃左右，则每吨蒸汽的有效利用热量（对物料释放的热量）为300MCal，而排出的300℃蒸汽携带的热量为：汽化热539＋温升275（从常温25℃到300℃的温差值）=814MCal。对物料进行加热部分的热效率为300÷（814＋300）≈24%；如果考虑到设备保温的热损失部分，即便产生蒸汽的热效率高达95%，整套设备的热效率也不易大于23%（0.95×0.24≈23%）。因此现阶段过热水蒸气碳化技术主要停留在研究阶段，而较难实现工业化应用。

采用本套系统后，由于对气体进行循环加热，使得所需蒸汽的量大大减少，热损失大大减少。随着循环加热次数的增加，在产生相等的有效热量的前提下，所需蒸汽的量减少到原来的十分之一、百分之一，甚至只需极少量的蒸汽，即可实现相同的碳化的效果。以所需蒸汽减少至原来的十分之一为例，同样产生300MCal有效热量的前提下，由于蒸汽使用量减少至原来的十分之一，热损失同样降为原来的十分之一，即81.4MCal,对物料进行加热部分的热效率为300÷（81.4＋300）≈78.6%，热效率大大提高，完全可以达到产业化生产的要求；如果将蒸汽用量降低至原来的百分之一，则对物料进行加热部分的热效率为300÷（8.14＋300）≈97.3%，热效率显著提高。

实施例2：

本实施例一种利用气体循环加热的碳化方法的结构参照图2，一种利用气体循环加热的碳化方法，包括碳化装置3、过热水蒸汽入口1、过热水蒸汽出口2，其还设置吸气管6与喷气管8，所述吸气管6一端连通碳化装置3的空腔，另一端连接至加热设备7的入口；所述喷气管8一端与加热设备7的出口连接，另一端连通至碳化装置3的物料处；所述吸气管6、加热设备7、喷气管8组成气体循环加热回路。蒸汽出口2处设置除尘器5。所述过热水蒸汽入口1与过热蒸汽发生器12及蒸汽锅炉11连接。

所述蒸汽出口2与分离装置14连接，所述分离装置包括气液分离装置及油水分离装置，分别用于气液分离及油水分离。所述气液分离装置通过一路气体管路分别连接至加热装置7、过热蒸汽发生器12及蒸汽锅炉11。还设置与所述油水分离装置连接的储油管路与储水管路。所述储油管路分别连接至加热装置7、过热蒸汽发生器12及蒸汽锅炉11。所述储油管路中设置油品加工装置17及储油装置19。所述储水管路连接至蒸汽锅炉11。所述储水管路中设置储水装置16及水净化装置18。

优选方案中，碳化装置3与还与干燥设备10连接，有机物进行碳化前经干燥设备10进行脱水或干燥。水蒸汽出口2与分离装置14之间设置催化装置20与换热装置13，催化装置20用于将大分子链有机物进行催化裂解，换热装置13与软化水存储装置连接，用软化水与反应气体进行换热。

本实施例中采用一种利用气体循环加热的碳化方法进行碳化的实施过程如下：

原料进入干燥设备10，干燥设备10可以是单纯的降低物料含水率的干燥设备，也可以是具有造粒功能的设备，经干燥后的原料进入碳化设备3，产生水蒸气用的水进入蒸汽锅炉11，产生的水蒸汽由蒸汽锅炉11进入过热蒸汽发生器12，蒸汽锅炉11和过热蒸汽发生器12可分别设置也可一体化设置，过热蒸汽发生器12产生的过热水蒸气从过热水蒸气入口1进入碳化设备3，对物料4进行放热。

对物料4进行放热后的后的蒸汽中的一部分通过除尘器5经水蒸气出口2排出，另一部分水蒸气在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7，所述压缩机9可为带有风扇、泵等装置的任何设备。在加热设备7中水蒸气的温度得到提升，升温后的水蒸气经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中，水蒸气对物料进行放热，对物料4进行放热后的水蒸气对物料4进行放热后的后的蒸汽中的一部分通过除尘器5经水蒸气出口2排出，另一部分水蒸气在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7，在加热设备7中水蒸气的温度得到提升，升温后的水蒸气经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中，水蒸气对物料进行放热达到物料4碳化的目的。

通过上述步骤，在对物料进行加热的同时，经喷气管8进入碳化设备3中的物料4中的水蒸气与物料4反应生成氢、一氧化碳、烷烃类气体，反应生成的氢、一氧化碳、烷烃类气体与水蒸气形成混合气体，在碳化设备3内部的上部空间一部分混合气体在压缩机9的作用下通过除尘器5通过吸气管6进入加热设备7进行加热，参与对物料4的加热，另一部分混合气体通过除尘器5经水蒸气出口2排出，进入催化装置20，催化装置20中放置触媒，对混合气体进行催化，软化水进入换热装置13，催化装置20排出的混合气体进入换热装置13，与软化水进行换热，混合气体换热后得到可利用的氢、一氧化碳、烷烃类气体和少量液体，软化水换热后得到高温的水或水蒸气，冷却得到的的氢、一氧化碳、烷烃类气体和少量液体进入分离装置（气液分离装置与油水分离装置）14分离，得到气体、水和油类，得到的气体为气体组成大致为：CO为10%-40、H为20%-80%，CO2为0.5%-10%，烷烃类气体为1%-15%。

上述气体进入储气装置15储存，储存的气体可以提供给本设备以外的燃烧器当作燃料使用，也可以直接当作商品销售，也可以分成CO2、H，CO，烷烃类气体分别进行销售，也可以深加工成如乙烯、丙烯、异丁醇或清洁汽柴油等产品。

储存的气体也可以作为设备自身的燃料使用，由储气装置15进入蒸汽锅炉11或/和过热蒸汽发生器12或/和加热设备7，为设备提供能源，实现设备的能源自我提供功能，

软化水换热后得到高温的水或水蒸气由换热装置13进入蒸汽锅炉11或/和过热蒸汽发生器12，实现热量回收，提供设备热效率。

分离装置（气液分离装置与油水分离装置）14分离得到的水进入储水装置16，然后进入水净化装置18进行净化；或直接进入水净化装置18进行净化处理。净化处理后的水可以排放或循环利用。

分离装置（气液分离装置与油水分离装置）14分离得到的油进入油品加工装置17进行处理，处理后的油进入储油装置19储存，油可以提供给本设备以外的燃烧器当作燃料使用，也可以当作商品销售，也可以进入蒸汽锅炉11或/和过热蒸汽发生器12或/和加热设备7，为设备提供能源，实现设备的能源自我提供功能。碳化后的物料4由碳化设备3排出，的得到成品碳化物，碳化物可以提供给本设备以外的燃烧器当作燃料使用，也可以作为产品销售，一部分也可作为蒸汽锅炉11或/和过热蒸汽发生器12或/和加热设备7的燃料使用，实现设备的能源自我提供。

一部分碳化物可以作为水净化装置18的吸附剂使用，使当作吸附剂使用后的碳化物可以当作垃圾处理，也可以和物料4一起进入碳化设备3进行碳化，实现资源的循环使用。

本实施例中，加热设备7、蒸汽锅炉11、过热蒸汽发生器12中产生的烟气可循环导入干燥装置10中进行换热；本实施例中的整套系统由自动化系统控制，操作方式可选择连续加料生产模式或间歇式加热、半连续式生产模式。

加热设备7、蒸汽锅炉11、过热蒸汽发生器12中的加热可使用其如煤炭、油、生物质能源等其他燃料进行加热，或采用非燃烧加热方式进行加热，如电加热、等离子加热、热泵加热、地热、磁加热、太阳能加热等方式。

实施例3：

本实施例采用的方案的结构参照图3，与实施例2的不同之处在于，在方案3所述流程中，产出物中因几乎不含油，所以设备不需要油水分离装置、油品加工装置、储油装置。

所述加热设备先将气体加热至150℃～300℃，对物料进行预热处理，循环反应0.1～24小时（根据物料量的多少和物料在碳化装置内的运动方向不同反应时间而不同）后，所述加热设备将气体加热至700℃～1700℃对物料进行加热碳化，循环反应0.1～48小时（根据物料量的多少和物料在碳化装置内的运动方向不同反应时间而不同）；或所述加热设备直接将气体加热至700℃～1700℃对物料进行加热碳化，循环反应0.1～72小时（根据物料量的多少和物料在碳化装置内的运动方向不同反应时间而不同）。在700℃～1700℃温度下，物料迅速碳化并放出H和烷烃类气体，同时和气体中的水蒸气进行反应，生成以H和CO为主的气体；所述H和CO和烷烃类气体的产出量可达物料量（不包含物料中的水分）的65%-95%，活性炭产出量为物料量（不包含物料中的水分）的5%-35%。

在上述反应进行的同时，可向碳化装置中通入氧气或空气或脱氮后的空气，与物料进行氧化反应，在物料内部释放出热量，加速其碳化进程。向碳化装置中通入氧气或脱氮空气或空气的方法可与上述循环加热的方法同时进行，也可以与其交替进行或单独进行。在采用此工艺时，所述H和CO和烷烃类气体的产出量可达物料量的60%-95%，CO2产出量为物料的0.5%-5%、活性炭产出量为物料量的5%-35%。

在方案3所述流程中，产出物中因几乎不含油，所以设备可以不设置油水分离装置、油品加工装置、储油装置。

在本发明的实施例2及实施例3中，换热装置13及分离装置14产生的废水，可以调制成弱碱性溶液掺入到碳化前的物料中；或直接作为活性炭的赋活添加剂的溶剂，与赋活添加剂一起掺入到碳化前的物料中，优选将上述溶液导入干燥设备10中，以提高所得碳化制品的活性炭的比表面积。使整套系统实现废水的循环利用，实现零废水排放。

Claims (10)

1.一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：向装有待碳化物料的碳化装置中通入过热水蒸汽，参与物料的碳化反应；

S2：将碳化装置中的气体导入加热设备进行再加热；

S3：将加热后的气体重新注入碳化装置进行碳化；

S4：步骤S2、S3循环进行至物料碳化；

S5：将反应后的气体导出。

2.根据权利要求1所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：所述加热设备将气体加热至150℃～1700℃。

3.根据权利要求1所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：所述加热设备先将气体加热至150℃～600℃，使物料转化为炭，所述加热设备将气体加热至600℃～1700℃，使炭转化为活性炭，并产生可燃气体；或所述加热设备直接将气体加热至600℃～1700℃，使物料直接转化为活性炭，并产生可燃气体。

4.根据权利要求3所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：步骤S5中，将反应后的气体经催化裂解、换热后进行气液分离,并将分离后的气、液循环利用。

5.根据权利要求4所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：进行气液分离后，将得到的可燃气体导入过热蒸汽发生器、蒸汽锅炉、加热设备中的一种或多种，作为加热燃料循环使用。

6.根据权利要求4所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：进行气液分离后，将得到的液体进行油水分离，并将得到的油、水循环利用。

7.根据权利要求6所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：进行油水分离后，将得到的油进行油品加工后导入过热蒸汽发生器、蒸汽锅炉、加热设备中的一种或多种，作为加热燃料循环使用。

8.根据权利要求6所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：将得到的水经净化处理后导入蒸汽锅炉作为原材料循环利用。

9.根据权利要求1所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：物料进入碳化装置前经过脱水干燥处理；步骤S5中，将反应后气体导出前进行除尘处理。

10.根据权利要求1所述的一种利用气体循环加热的碳化方法，其特征在于：当碳化装置中的物料达到燃点后，向碳化装置中通入氧气或空气或脱氮空气，通过氧化反应加速其碳化进程。