CN105861003A - 一种生物质预增压水热炭化方法 - Google Patents

一种生物质预增压水热炭化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种生物质预增压水热炭化方法，属于复合物制造领域。本生物质预增压水热炭化方法，包括以下步骤：a、准备原料；b、进料；c、预增压；d、加温炭化；e、降温；f、出料。本发明具有能够将生物质碳化形成水热碳，从而实现对秸秆的增值处理的优点。

Description

一种生物质预增压水热炭化方法
技术领域
本发明属于复合物制造领域，涉及一种生物质预增压水热炭化方法。
背景技术
水热炭化法是一种简单、高效、绿色的产炭途径，属液相化学法的范畴。目前，对该方法的研究主要集中在引入模板、加入表面活性剂或利用元素掺杂制备具有特殊性能的炭材料和炭复合材料，以及不断延伸和扩大不同领域的应用方面。
水热炭化采用的方法主要通过水热反应釜，以炭水化合物或木质纤维素为原料，以水为反应媒介，在一定的温度(130-250℃)及自产生的压力下，原料经过一系列复杂反应而转化成炭材料的过程。方法相对单一，升温时间长，反应可控性差，能耗也较高。
生物质作为可再生资源，在农业生产中被大量废弃，既浪费了资源，又污染了环境。开发新的生物质水热炭化，缩短升温时间，增强对反应条件的控制，对加大废弃生物质的循环利用，开发新型炭材料和炭基复合材料，及扩大这些材料的应用领域方面具有重要意义。所以，对于本领域内的技术人员，还有待研发出一种能够将秸秆快速炭化形成水热炭，从而实现对秸秆的增值处理的水热炭化方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种生物质预增压水热炭化方法，本生物质预增压水热炭化方法具有能够将生物质快速炭化形成水热炭，从而实现对秸秆的增值处理的优点。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、准备原料：采用秸秆作为原料，利用清洗装置将秸秆清洗干净，并利用切割装置将秸秆切割整齐，秸秆长度为3cm-5cm，放入5-10倍重量的纯净水充分浸泡；
b、进料：将步骤a中的秸秆按规定加料量加入水热反应釜中；
c、预增压：利用增压泵给反应釜增压，将特定气体泵入釜内，使釜内的压力达到5-10MPa；
d、加温炭化：通过温度控制器控制加热方式，通过加热机构给反应釜程序升温，升至指定温度后，保温炭化20-30min；
e、降温：充分炭化后，关闭加热电源停止加热，反应釜静置室温冷却或通风强制冷却；
f、出料：待反应釜压力降至0MPa，打开釜体上盖，倾出反应液，回收水热炭。
本生物质预增压水热炭化方法在程序增温前，通过增压泵将特定气体泵入反应釜内，给反应釜预增压，使后期升温时间大为缩短，同时，反应气或惰性气体可通过预增压加入，可在水热炭化过程中实现元素掺杂和气氛保护。
在上述生物质预增压水热炭化方法中，所述步骤b中的反应釜包括釜体和加热装置，釜体包括内釜体、外釜体和釜体上盖，外釜体固定在内釜体外，所述内釜体上部具有进口，外釜体上端面上均匀固定有若干根导向柱，釜体上盖处开设有若干与导向柱相对应的导向孔，釜体上盖下部开设有环形凹槽，环形凹槽的截面呈圆形，内釜体上部还固定有与环形凹槽相互匹配的且呈圆环状的凸出环，凸出环能卡入环形凹槽中，所述凹槽的深度大于凸出环的高度，所述釜体上盖呈圆柱状，釜体上盖外周面上开设有加压通道，加压通道外端与一加压管相连接，加压通道内端朝向环形凹槽延伸且与环形凹槽相连通，当凸出环能卡入环形凹槽中时，加压通道处于凸出环上方，凸出环外侧固定有橡胶层，加压管上连接有单向阀和流量阀，导向柱上端具有外螺纹，所述的进口处密封连接有釜体上盖，加热装置包括加热筒，所述的外釜体能设置在加热筒内，加热筒内设置有能对外釜体进行加热的加热机构；所述的加热机构包括升温控制器、电加热管和导热油，所述的导热油设置在加热筒内，电加热管安装在加热筒底部处。加热筒底部处的电加热管能够对导热油进行加热，升温控制器可以对升温方式的速率进行程序上的控制，升温控制器为市场可以买到的现有产品，不需要重新进行设计程序；同时，内釜体固定在外釜体上，且外釜体上端面固定的导向柱能够穿设在釜体上盖的导向孔内，导向柱上端具有外螺纹，从而通过螺母套能够将釜体上盖固定在釜体上；釜体上盖环形凹槽与加压通道相通，内釜体上的凸出环能卡入环形凹槽，且加压通道处于凸出环上方，从而能够与内炉进口相通，实现加压。
在上述生物质预增压水热炭化方法中，所述步骤c中的气体为空气、含N、S活性元素的气体或惰性气体。加入空气主要缩短水热炭化的升温时间；含N、S活性元素的气体如NH3、H2S等，在缩短升温时间的同时，可实现水热炭化过程中N、S等元素掺杂，制备具备特定功能的N、S等元素掺杂炭材料；加入惰性气体，使反应条件在可控的条件下展开。
在上述生物质预增压水热炭化方法中，所述的釜体上盖处还固定有测温管，测温管下端穿过釜体上盖，且测温管与釜体上盖保持密封，测温管处于环形凹槽内，测温管下端封闭住，测温管上端具有开口，测温管内设置有温度传感器。温度传感器设置在测温管内，且测温管下端封闭住从而能够对温度传感器起到一定的保护作用。
在上述生物质预增压水热炭化方法中，所述的加压管通过增压泵连接一氮气罐。增压泵为现有产品，从而实现对内釜体预增压。
在上述生物质预增压水热炭化方法中，所述步骤a中的清洗装置包括第一清洗机构和第二清洗机构，第一清洗机构包括机架和输送带，输送带设置在机架上，输送带通过转动电机驱动，输送带上设置有挡板一和挡板二，挡板一和挡板二之间形成用于放置秸秆的输送通道，在机架上设置有喷枪，喷枪的出水口朝向输送带，喷枪的进水口通过水管一和水泵一与供水箱一相连接，第二清洗机构包括清洗筒，清洗筒上部具有进入口，进入口临近输送带，且进入口处于输送带下方，清洗筒中部设置有隔网，清洗筒底部处固定有防水电机，防水电机的输出轴向上设置，且防水电机的输出轴穿过隔网与一叶片相固定，清洗筒下部处开设有排水孔，清洗筒的内壁处还设置有若干根清洗管，清洗管下部密封，清洗管上部通过水管二和水泵二与供水箱二相连接。转动电机能够带动输送带传送，从而实现对秸秆的输送，出水口朝向输送带的喷枪能够对秸秆进行预清洗，然后，秸秆进入到清洗筒，通过防水电机能够带动叶片转动，清洗后的水能够从排水孔排出，且清洗筒中部设置有隔网能够将秸秆进行分离，从而便于对清洗后的秸秆进行收集。
与现有技术相比，本生物质预增压水热炭化方法具有以下优点：
1、本发明采用预增压的方法，使反应釜内在升温之初就保持5-10MPa的压力，可使釜内温度迅速升温至200℃左右，然后再在水蒸汽自产生压力状态下升温。该方法克服目前100℃以后靠水自产生压力升温，升温速度缓慢的局限，缩短了反应时间1/2以上，节约了能源1/2以上。
2、本发明通过预增压加入含N、S等活性元素的气体，在缩短升温时间的同时，可实现水热炭化过程中N、S等元素掺杂，制备具备特定功能的N、S等元素掺杂炭材料。
3、本发明通过预增压加入惰性气体，可使反应条件在特定的气氛条件下展开，有利于反应条件的控制，使制备的水热炭材料质量更加稳定。
附图说明
图1是本发明的方法流程框图；
图2是本发明中釜体的立体结构示意图；
图3是本发明中釜体的剖视结构示意图；
图4是本发明中清洗装置的结构示意图。
图中，1、内釜体；2、外釜体；3、釜体上盖；4、导向柱；5、环形凹槽；6、加压管；7、供水箱二；8、凸出环；9、加热筒；10、电加热管；11、测温管；12、氮气罐；13、机架；14、输送带；15、挡板一；16、挡板二；17、喷枪；18、水管一；19、供水箱一；20、清洗筒；21、防水电机；22、转动电机；23、过隔网；24、清洗管；25、水管二。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，一种生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、准备原料：采用秸秆作为原料，利用清洗装置将秸秆清洗干净，并利用切割装置将秸秆切割整齐，秸秆长度为3cm-5cm，放入5-10倍重量的纯净水充分浸泡；
b、进料：将步骤a中的秸秆按规定加料量加入水热反应釜中；
c、预增压：利用增压泵给反应釜增压，将气体泵入釜内，使釜内的压力达到5-10MPa；
d、加温炭化：通过温度控制器控制加热方式，通过加热机构给反应釜程序升温，升至指定温度后，保温炭化20-30min；
e、降温：充分炭化后，关闭加热电源停止加热，反应釜静置室温冷却或通风强制冷却；
f、出料：待反应釜压力降至0MPa，打开釜体上盖3，倾出反应液，回收水热炭。
本生物质预增压水热炭化方法在程序增温前，通过增压泵将特定气体泵入反应釜内，给反应釜预增压，使后期升温时间大为缩短，同时，反应气或惰性气体可通过预增压加入，可在水热炭化过程中实现元素掺杂和气氛保护。
如图2和图3所示，步骤b中的反应釜包括釜体和加热装置，釜体包括内釜体1、外釜体2和釜体上盖3，外釜体2固定在内釜体1外，所述内釜体1上部具有进口，外釜体2上端面上均匀固定有若干根导向柱4，釜体上盖3处开设有与导向柱4相对应的导向孔，釜体上盖3下部开设有环形凹槽5，环形凹槽5的截面呈圆形，内釜体1上部还固定有与环形凹槽5相互匹配的且呈圆环状的凸出环8，凸出环8能卡入环形凹槽5中，凹槽的深度大于凸出环8的高度，釜体上盖3呈圆柱状，釜体上盖3外周面上开设有加压通道，加压通道外端与一环形加压管6相连接，加压通道内端朝向环形凹槽5延伸且与环形凹槽5相连通，当凸出环8能卡入环形凹槽5中时，加压通道处于凸出环8上方，凸出环8外侧固定有橡胶层，环形加压管6上连接有单向阀和流量阀，导向柱4上端具有外螺纹，进口处密封连接有釜体上盖3，加热装置包括加热筒9，所外釜体2能设置在加热筒9内，加热筒9内设置有能对外釜体2进行加热的加热机构，加热机构包括升温控制器、电加热管10和导热油，导热油设置在加热筒9内，电加热管10安装在加热筒9底部处。
加热筒9底部处的电加热管10能够对导热油进行加热，升温控制器可以对升温方式的速率进行程序上的控制，升温控制器为市场可以买到的现有产品，不需要重新进行设计程序；同时，内釜体1固定在外釜体2上，且外釜体2上端面固定的导向柱4能够穿设在釜体上盖3的导向孔内，导向柱4上端具有外螺纹，从而通过螺母套能够将釜体上盖3固定在釜体上；釜体上盖3环形凹槽5与加压通道相通，内釜体1上的凸出环8能卡入环形凹槽5，且加压通道处于凸出环8上方，从而能够与内炉进口相通，实现加压。
步骤c中的气体为空气、含N、S活性元素的气体或惰性气体。加入空气主要缩短水热炭化的升温时间；含N、S活性元素的气体如NH3、H2S等，在缩短升温时间的同时，可实现水热炭化过程中N、S等元素掺杂，制备具备特定功能的N、S等元素掺杂炭材料；加入惰性气体，使反应条件在可控的条件下展开。
釜体上盖3处还固定有测温管11，测温管11下端穿过釜体上盖3，且测温管11与釜体上盖3保持密封，测温管11处于环形凹槽5内，测温管11下端封闭住，测温管11上端具有开口，测温管11内设置有温度传感器。温度传感器设置在测温管11内，且测温管11下端封闭住从而能够对温度传感器起到一定的保护作用。环形加压管6通过增压泵与氮气罐12相连，增压泵为现有产品，从而实现对内釜体1预增压。
如图4所示，步骤a中的清洗装置包括第一清洗机构和第二清洗机构，第一清洗机构包括机架13和输送带14，输送带14设置在机架13上，输送带14通过转动电机22驱动，输送带14上设置有挡板一15和挡板二16，挡板一15和挡板二16之间形成用于放置秸秆的输送通道，在机架13上设置有喷枪17，喷枪17的出水口朝向输送带14，喷枪17的进水口通过水管一18和水泵一与供水箱一19相连接，第二清洗机构包括清洗筒20，清洗筒20上部具有进入口，进入口临近输送带14，且进入口处于输送带14下方，清洗筒20中部设置有隔网，清洗筒20底部处固定有防水电机21，防水电机21的输出轴向上设置，且防水电机21的输出轴穿过隔网23与一叶片相固定，清洗筒20下部处开设有排水孔，清洗筒20的内壁处还设置有若干根清洗管24，清洗管24下部密封，清洗管24上部通过水管二25和水泵二与供水箱二7相连接。转动电机22能够带动输送带14传送，从而实现对秸秆的输送，出水口朝向输送带14的喷枪17能够对秸秆进行预清洗，然后，秸秆进入到清洗筒20，通过防水电机21能够带动叶片转动，清洗后的水能够从排水孔排出，且清洗筒20中部设置有隔网能够将秸秆进行分离，从而便于对清洗后的秸秆进行收集。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了1、内釜体；2、外釜体；3、釜体上盖；4、导向柱；5、环形凹槽；6、加压管；7、供水箱二；8、凸出环；9、加热筒；10、电加热管；11、测温管；12、氮气罐；13、机架；14、输送带；15、挡板一；16、挡板二；17、喷枪；18、水管一；19、供水箱一；20、清洗筒；21、防水电机；22、转动电机；23、过隔网；24、清洗管；25、水管二等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、准备原料：采用秸秆作为原料，利用清洗装置将秸秆清洗干净，并利用切割装置将秸秆切割整齐，秸秆长度为3cm-5cm，放入5-10倍重量的纯净水充分浸泡；
b、进料：将步骤a中的秸秆按规定加料量加入水热反应釜中；
c、预增压：利用增压泵给反应釜增压，将气体泵入釜内，使釜内的压力达到5-10MPa；
d、加温炭化：通过温度控制器控制加热方式，通过加热机构给反应釜程序升温，升至指定温度后，保温炭化20-30min；
e、降温：充分炭化后，关闭加热电源停止加热，反应釜静置室温冷却或通风强制冷却；
f、出料：待反应釜压力降至0MPa，打开釜体上盖，倾出反应液，回收水热炭。
2.根据权利要求1所述的生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，所述步骤b中的反应釜包括釜体和加热装置，釜体包括内釜体、外釜体和釜体上盖，外釜体固定在内釜体外，所述内釜体上部具有进口，外釜体上端面上均匀固定有若干根导向柱，釜体上盖处开设有若干与导向柱相对应的导向孔，釜体上盖下部开设有环形凹槽，环形凹槽的截面呈圆形，内釜体上部还固定有与环形凹槽相互匹配的且呈圆环状的凸出环，凸出环能卡入环形凹槽中，所述凹槽的深度大于凸出环的高度，所述釜体上盖呈圆柱状，釜体上盖外周面上开设有加压通道，加压通道外端与一加压管相连接，加压通道内端朝向环形凹槽延伸且与环形凹槽相连通，当凸出环能卡入环形凹槽中时，加压通道处于凸出环上方，凸出环外侧固定有橡胶层，加压管上连接有单向阀和流量阀，导向柱上端具有外螺纹，所述的进口处密封连接有釜体上盖，加热装置包括加热筒，所述的外釜体能设置在加热筒内，加热筒内设置有能对外釜体进行加热的加热机构；所述的加热机构包括升温控制器、电加热管和导热油，所述的导热油设置在加热筒内，电加热管安装在加热筒底部处。
3.根据权利要求1所述的生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，所述步骤c中的气体为空气、含N、S活性元素的气体或惰性气体。
4.根据权利要求2所述的生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，所述的釜体上盖处还固定有测温管，测温管下端穿过釜体上盖，且测温管与釜体上盖保持密封，测温管处于环形凹槽内，测温管下端封闭住，测温管上端具有开口，测温管内设置有温度传感器。
5.根据权利要求3所述的生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，所述的加压管通过增压泵连接一氮气罐。
6.根据权利要求1所述的生物质预增压水热炭化方法，其特征在于，所述步骤a中的清洗装置包括第一清洗机构和第二清洗机构，第一清洗机构包括机架和输送带，输送带设置在机架上，输送带通过转动电机驱动，输送带上设置有挡板一和挡板二，挡板一和挡板二之间形成用于放置秸秆的输送通道，在机架上设置有喷枪，喷枪的出水口朝向输送带，喷枪的进水口通过水管一和水泵一与供水箱一相连接，第二清洗机构包括清洗筒，清洗筒上部具有进入口，进入口临近输送带，且进入口处于输送带下方，清洗筒中部设置有隔网，清洗筒底部处固定有防水电机，防水电机的输出轴向上设置，且防水电机的输出轴穿过隔网与一叶片相固定，清洗筒下部处开设有排水孔，清洗筒的内壁处还设置有若干根清洗管，清洗管下部密封，清洗管上部通过水管二和水泵二与供水箱二相连接。
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