CN106336876A - 一种小型化中药渣炭化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化中药渣炭化炉，其包括密闭旋转炉体；密闭旋转炉体上连接有支撑回转机构；密闭旋转炉体一端设置有进料机构，另一端设置有出料口；密闭旋转炉体包括微波预热段和高温炭化段；微波预热段内设置有磁控管；高温炭化段内设置有电热炉；进料机构与微波预热段连通；出料口与高温炭化炉体段连通；密闭旋转炉体外部设置有与微波预热段和高温炭化炉体段连通的泄压阀。本发明结构简单、占地面积小、使用方便，有效地减少了炭化过程的时间，解决的中药渣含水率高的问题，提高了炭化料的表面积和孔隙结构。

Description

一种小型化中药渣炭化炉

技术领域

本发明涉及一种中药渣炭化炉，属于中药废渣资源化利用设备技术领域，具体涉及一种小型化中药渣炭化炉。

背景技术

我国是世界上最大的植物类原料药生产国和出口国，原料药生产量占全世界总产量的80％，出口占到了全世界原料药市场的70％以上。最新数据显示：我国共有中药饮片和保健品企业近3000多家，生产数千种中成药。中药是传统医学的重要组成部分，是中华民族的瑰宝，中药资源在我国的医疗卫生保健行业起到了十分重要的作用。然而中医药产业在迅猛发展的同时也承受了巨大的环境压力，中药有效成分提取过程中会产生一种生物质废弃物——中药废渣。中药废渣初始含水率极高，一般在70～80％，如果得不到及时的处理，这些中药废渣就会滋生细菌、腐化变质、散发恶臭。传统处理方式例如集中填埋以及焚烧等成本极高，且处理过程稍有不慎就会对周边环境产生二次污染。中国科学院成都生物研究所开展了一项以中药废渣为原料生产有机生物复合肥料的研究，运用该技术能将中药废渣变成肥料加以利用。然而这种技术也存在很多缺点——由于中药废渣中含有的氮、磷、钾等植物需要的营养元素较少，将中药废渣作为有机土质肥料使用肥效并不高；其次我国中药材的生产一直存在着种质混杂、农药和重金属残留量超标等问题，长期将中药废渣作为肥料使用会对周边土壤、地下水产生一定的影响。因此寻找一种新的中药废渣资源化、无害化、减量化升级利用方式迫在眉睫。

活性碳是一种用含炭前驱物经破碎、筛分、炭化、活化、成型处理等一系列物理和化学工序制得的内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附性能强的材料。因其独特的表面活性官能团、良好的化学稳定性、可再生性、较高的机械强度和耐酸碱能力，从而在石油化工、食品医药、冶金、军事环保等领域得到广泛应用。目前商业应用的活性碳大多由木质、煤炭等为原料所制备，这些原料价格昂贵，很大程度上限制了活性碳的应用。如何寻找一种低成本的原料来代替煤炭、木材等传统原料来制备活性碳已引起越来越多研究者的关注。采用生物质废弃物为原料制备活性碳不仅拓宽了获得活性碳原料的途径，还解决了生物质废弃物的处理问题，已成为活性碳制备研究的新趋势。中药废渣含炭量高、来源广、数量大，是一种优良的活性碳制备材料。寻求一种将中药废渣制备成活性碳的有效途径，不仅可大大减少中药废渣的污染问题，还可提高中药材废渣资源化利用的附加值。

中国专利CN10438669B的说明书中公开一种中药材废渣制备活性碳的方法，其包括以下步骤：原料处理、一次物理活化、化学浸渍、二次化学活化；发明通过对选用自身水分含量不同的中药材废渣制备活性碳，可实现中药材废渣活性碳的微孔调控，使制备的活性碳具有较好的微孔与中孔结构；不需要前期对中药材废渣进行干燥处理，而且利用自身所含水分进行物理活化，节约了通入水蒸气这一工序，精简了工艺流程，降低了能耗。

但是该专利对于一次物理活化阶段只提出了相应的流程，没有相应的设备能够方便的实现这一点。如果能有一种设备能够高效的实现将中药渣炭化，既能够解决中药渣的污染问题，又能够生产活性碳的原材料，实现经济价值。为了将中药废渣制备成活性碳，可以先将中药废渣制备成活性碳的前驱物——炭化料，一方面中药废渣制备成炭化料后体积大大减小，易于存储运输；另一方面，炭化料的二次活化过程所需要的活化剂用量减少，活化时间减少，降低活性碳的制备成本。

如果利用传统的回转窑锅炉作为反应器则存在以下几点问题：一，传统的回转窑锅炉一般占地面积大，重量大，很难在国内众多的中小型企业场地内布置。另外很多中药厂每年产生的中药渣数量有限，盲目布置大型锅炉会导致锅炉闲置。二，传统回转窑锅炉内部布置有抄板，在回转的作用下能使物料充分反应。但是用在中药渣的炭化过程反而会使得炭化料和空气过分接触氧化，导致得率偏低。三，传统回转窑炭化过程耗时太长，不利于提高生产效率。

在中国实用新型专利说明书CN 205061963U中公开了一种旋转炭化炉，其包括进料口，出料口，滚圈，以及设置于滚圈中的旋转炉体；所述旋转炉体靠近进料口端设置有炭化炉罩，所述炭化炉罩内设有燃烧器，用于加热旋转炉体；所述旋转炉体内壁设有物料推进器，用于在炉体旋转时将物料向出料口端水平推进。所述旋转炉体设有齿圈，通过电机带动齿圈从而为旋转炉体提供旋转动力。所述出料口为一内置冷却装置的螺杆机。该实用新型采用旋转炭化炉，原料装在高温炉内，隔层外部高温真空干馏，产炭量高，受热均匀，炭化率100％，炭化炉出料口设有冷却装置，炭粉可直接装袋。但是，该实用新型的炭化炉无法直接用于中药废渣的物理活化，且无法制备出炭化料比表面积高、孔隙结构发达的炭化料。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化中药渣炭化炉，其不仅能够实现对中药废渣炭化，而且能够制得炭化料比表面积高、孔隙结构发达的炭化料，同时结构简单、占地面积小。

为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种小型化中药渣炭化炉，其包括密闭旋转炉体；所述密闭旋转炉体上连接有支撑回转机构；所述密闭旋转炉体一端设置有进料机构，另一端设置有出料口；所述密闭旋转炉体包括微波预热段和高温炭化段；所述微波预热段内设置有磁控管；所述高温炭化段内设置有电热炉；所述进料机构与所述微波预热段连通；所述出料口与所述高温炭化炉体段连通；所述密闭旋转炉体外部设置有与所述微波预热段和所述高温炭化炉体段连通的泄压阀。

在本发明的一种优选实施方案中，所述微波预热段和所述高温炭化段之间设置有可启闭的密封阀门。

在本发明的一种优选实施方案中，所述密封阀门包括阀座和阀板；所述阀座固接在所述密闭旋转炉体上；所述阀板铰接于所述阀座内；所述阀板的外径等于电热炉的内径。

在本发明的一种优选实施方案中，所述微波预热段包括第一炉体和第一隔热层；所述第一炉体一端设置有进料口；所述第一隔热层固接于所述第一炉体的内部；所述第一隔热层固接有所述磁控管。

在本发明的一种优选实施方案中，所述第一隔热层包括环形基座；所述环形基座内圈上旋转对称布置有多个燕尾槽；所述燕尾槽内可拆卸地配合连接有梯形连接块；所述磁控管可拆卸地与所述梯形连接块连接。

在本发明的一种优选实施方案中，所述高温炭化段包括第二炉体和第二隔热层；所述第二炉体的一端设置有出料口；所述第二隔热层固接于所述第二炉体内部。

在本发明的一种优选实施方案中，所述第二炉体的内部靠近所述出料口的一端设置有卸料导向坡。

在本发明的一种优选实施方案中，所述支撑回转机构包括主动辊和从动辊；所述主动辊上设置有用以驱动所述密闭旋转炉体旋转的驱动电机。

在本发明的一种优选实施方案中，所述主动辊的高度高于所述从动辊的高度。

在本发明的一种优选实施方案中，所述进料机构包括料斗和螺旋进料器；所述螺旋进料器一端连接有所述料斗，另一端与所述密闭旋转炉体铰接；所述螺旋进料器上连接有驱动电机。

本发明还公开了一种利用中药渣制备炭化料的方法，其利用磁控管对由螺旋进料器送入的中药渣进行预处理；预处理后，通过连接在泄压阀上的真空泵保持电热炉内的恒定压强并利用支撑回转机构实现电热炉的旋转；通过电热炉实现对中药渣的炭化处理。

在本发明的一种优选实施方案中，预处理时，磁控管(7)的微波频率为915MHZ，功率为5Kw,预处理时间15分钟。

在本发明的一种优选实施方案中，炭化处理时，电热炉(6)内的温度为850℃，电热炉(6)内的压强为1.2MPa，炭化反应时间为60分钟。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、占地面积小、使用方便，整个炉体直径只有1m，长度为4m，重量控制在3吨以内，占地面积很小，即使中小型企业也容易布置。在炭化过程之前使用微波对中药渣进行了预处理，使中药渣内部的高分子纤维裂解，减少了炭化过程的时间，同时还有利于形成发达的孔隙结构。在炭化过程利用中药渣自身的水分由内而外的活化炭化料，免去了额外注入水蒸气的过程，即解决的中药渣含水率高的问题，又能得到高比表面积、发达孔隙结构的炭化料。同时高温使中药渣内部的水分蒸发，膨胀的水蒸气隔绝了空气，避免了炭化料被氧化，提高了炭化料的产率。高温水蒸气又使得密闭旋转炉体内部压力提高，进一步提高了活化速度。通过在炉体内设置密封阀门，保证了对中药渣的预处理工序和高温炭化工序互不干扰；通过将密闭旋转炉体制成分体结构，方便了炉体的加工制造；通过在第一炉体内设置燕尾槽和梯形连接块，方便了磁控管的安装和维修；通过设置卸料导向坡方便了炉体内炭化料的充分排出；通过设置泄压阀，保证了炉体内的压力，从而使得预处理和炭化更充分；本发明制备出的炭化料体积相比中药渣原料大大减小，方便存储运输，具有很高的比表面积与发达的空隙结构，是一种优良的制备活性碳的原料。制备出的炭化料可以直接作为一种吸附材料使用，同时还可以作为土壤改性剂，防止土壤污染，调节肥料消耗，提高农药效用。

附图说明

图1是本发明第一种实施例一种小型化中药渣炭化炉的装置示意图；

图2是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的装置示意图；

图3是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的密封阀门关闭状态轴测示意图；

图4是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的左视图；

图5是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的主视图；

图6是图5中本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的A-A剖视图；

图7是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的密封阀门开启状态的轴测示意图；

图8是发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的左视图；

图9是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的主视图；

图10是图8中本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的B-B剖视图；

图11是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的微波预热段结构轴视图；

图12是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的微波预热段结构左视图；

图13是本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的微波预热段结构主视图；

图14是图13中本发明第二种实施例一种小型化中药渣炭化炉的微波预热段C-C剖视图；

图15是本发明实施例一种小型化中药渣炭化炉的炭化料样品的工作流程图；

图16是本发明实施例一种小型化中药渣炭化炉的炭化料样品的各种性能曲线图；

图17是本发明实施例一种小型化中药渣炭化炉的炭化料样品的各种性能曲线图；

图中：1-料斗；2-螺旋进料器；3-主动辊；4-从动辊；5-密闭旋转炉体；6-电热炉；7-磁控管；8-泄压阀；9-出料口；10-卸料导向坡；5.1-微波预热段；5.2-高温炭化段；5.3-密封阀门；5.1-1-第一炉体；5.1-2-第一隔热层；5.2-1-第二炉体；5.2-2-第二隔热层；5.3-1-阀座；5.3-2-阀板；5a-环形基座；5b-燕尾槽；5c-梯形连接块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由说明书附图1可知，本发明一种新型中药渣炭化炉包括密闭旋转炉体5；密闭旋转炉体5上连接有支撑回转机构；密闭旋转炉体5一端设置有进料机构，另一端设置有出料口9；密闭旋转炉体5内部设置有电热炉6；电热炉6内部靠近进料机构的一端设置有磁控管7；密闭旋转炉体5外部设置有泄压阀8；泄压阀8与电热炉6内部连通；电热炉6的回转中心轴线与水平面存在倾角；支撑回转机构包括主动辊3和从动辊4；进料机构包括料斗1和螺旋进料器2；螺旋进料器2一端连接有料斗1，另一端与密闭旋转炉体5铰接。电热炉6为卧式圆柱形，材料为不锈钢，并包含在密闭旋转炉体5内部。电热炉6前端装有磁控管7。密闭旋转炉体5为卧式圆柱形，由主动辊3和从动辊4支撑，并与水平面形成3°的夹角，密闭旋转炉体5在主动辊3的作用下以3-6r/min的速度旋转；密闭旋转炉体5材料为不锈钢，内壁砌有耐火材料；泄压阀8和密闭旋转炉体5相连；密闭旋转炉体5为封闭结构，通过关闭螺旋进料器2、出料口9和泄压阀8完成封闭。料斗1通过螺旋进料器2依次与电热炉6、出料口9连接。主动辊3、磁控管7、泄压阀8与电热炉6的工作状态均由PLC电路控制。

为了使得本发明更便于加工制造以及调试使用，本发明的密闭旋转炉体5可以按照分体结构制造，其如附图2至图6所示，其包括密闭旋转炉体5；密闭旋转炉体5上连接有支撑回转机构；密闭旋转炉体5一端设置有进料机构，另一端设置有出料口9；密闭旋转炉体5包括微波预热段5.1和高温炭化段5.2；微波预热段5.1内设置有磁控管7；高温炭化段5.2内设置有电热炉6；进料机构与微波预热段5.1连通；出料口9与高温炭化炉体段5.2连通；密闭旋转炉体5外部设置有与微波预热段5.1和高温炭化炉体段5.2连通的泄压阀8；微波预热段5.1和高温炭化段5.2之间设置有可启闭的密封阀门5.3；密封阀门5.3包括阀座5.3-1和阀板5.3-2；阀座5.3-1固接在密闭旋转炉体5上；阀板5.3-2铰接于阀座5.3-1内；阀板5.3-2的外径等于第一隔热层5.1-2的内径和电热炉6的内径，即阀板5.3-2关闭时可以将两个腔室间隔开。本发明的密封阀门5.3通过PLC控制开启或者关闭；当阀门处于关闭状态时，整个密闭旋转炉体5被分隔成互不干扰的两段，分别用于对中药渣微波预热和高温炭化，这样有效地可以使得中药渣的预热更充分，且避免了高温炭化段对磁控管的干扰；当预热完毕后，阀门处于开启状态，从而使得预热完毕的中药渣顺利进入炉体内的高温炭化段实现炭化料的加工。为了便于磁控管的安装和维护，微波预热段包括第一炉体5.1-1和第一隔热层5.1-2；第一炉体5.1-1一端设置有进料口；第一隔热层5.1-2固接于第一炉体5.1-1的内部；第一隔热层5.1-2固接有磁控管7；第一隔热层5.1-2包括环形基座5a；环形基座5a内圈上旋转对称布置有多个燕尾槽5b；燕尾槽5b内可拆卸地配合连接有梯形连接块5c，通常，梯形连接块5c可以通过在环形基座5a两端增加限位板实现限位固定，另外还可以通过在环形基座5a上增加螺纹孔通过螺钉或者螺栓实现梯形连接块5c的连接；磁控管7可拆卸地与梯形连接块5c连接，通常采用螺钉或者螺栓实现两者的固接。这种分体结构的布置不仅方便了磁控管的安装，而且便于更换坏损的磁控管。本发明中为了便于炭化料的排出，在第二炉体5.2-1的内部靠近出料口9的一端设置有卸料导向坡10。

本发明的技术流程是：中药渣进入料斗1后由螺旋进料器2的作用下进入电热炉6，在电热炉6前端进行微波预处理，同时主动辊3通过主动轮带动整个密闭旋转炉体5开始以3-6r/min的速度旋转。由于密闭旋转炉体5与地面具有3°的夹角，当采用第一种实施例时，经过预处理的中药渣会因为重力的作用慢慢向电热炉后端运动，当采用第二种实施例时，则需要由PLC先控制密封阀门的开启，待中药渣进入高温炭化段后再通过PLC控制密封阀门关闭。中药渣在电热炉以40K/min的升温速率升温至750-900℃，并保持30-120min。最终炭化形成炭化料并由出料口9卸出。在炭化过程的同时泄压阀保持电热炉内部压力保持在1-1.5MPa，高于额定压力则开启泄压，低于或等于额定压力则保持关闭。

本发明的特点是整个炉体直径只有1m，长度为4m，重量控制在3吨以内，占地面积很小，即使中小型企业也容易布置。在炭化过程之前使用微波对中药渣进行了预处理，使中药渣内部的高分子纤维裂解，减少了炭化过程的时间，同时还有利于形成发达的孔隙结构。在炭化过程利用中药渣自身的水分由内而外的活化炭化料，免去了额外注入水蒸气的过程，即解决的中药渣含水率高的问题，又能得到高比表面积、发达孔隙结构的炭化料。同时高温使中药渣内部的水分蒸发，膨胀的水蒸气隔绝了空气，避免了炭化料被氧化，提高了炭化料的产率。高温水蒸气又使得密闭旋转炉体内部压力提高，进一步提高了活化速度。本发明制备出的炭化料体积相比中药渣原料大大减小，方便存储运输，具有很高的比表面积与发达的空隙结构，是一种优良的制备活性碳的原料。制备出的炭化料可以直接作为一种吸附材料使用，同时还可以作为土壤改性剂，防止土壤污染，调节肥料消耗，提高农药效用。

具体实施例1

本发明一种新型中药渣炭化炉如图1所示，包括料斗1、螺旋进料器2、主动辊3、从动辊4、密闭旋转炉体5、电热炉6、磁控管7、泄压阀8、出料口9。电热炉6为卧式圆柱形，直径0.9m，长度4m，材料为不锈钢，并包含在密闭旋转炉体5内部。密闭旋转炉体5为卧式圆柱形，由主动辊3和从动辊4支撑，并与水平面形成3°的夹角，密闭旋转炉体5在主动辊3的作用下以4r/min的速度旋转，主动辊3电机功率为5kw；密闭旋转炉体5材料为不锈钢，直径1m，长度4m，内壁砌有5cm的耐火材料粘土砖；密闭旋转炉体5为封闭结构，通过关闭螺旋进料器和出料口完成封闭。料斗1通过功率为1.5kw的螺旋进料器2依次与电热炉6、出料口9连接。主动辊3、螺旋进料器2、磁控管7与电热炉6的工作状态均由PLC电路控制。

原料为含水率70％的混合中药渣，当中药渣进入料斗后，启动螺旋进料器将中药渣送入电热炉。将磁控管启动，设定微波频率为915MHZ，功率为5Kw，预处理时间为15min。在微波的作用下中药渣内部的高分子纤维开始解开相互缠绕，裂解成小分子。同时中药渣内部的水分在微波的影响下剧烈运动，中药渣内部的温度随之上升。同时设定泄压阀将电热炉内气压保持在1.2MPa。

预处理15分钟后，启动主动辊上的电机，使得整个密闭旋转炉体开始旋转，中药渣在重力的作用下缓慢的向电热炉后端移动。设定电热炉的升温速率为40K/min，目标温度为850℃。此时在电热炉内发生如下化学反应：

①CnH_2mO_m＝nC+mH₂O

②C+H₂O＝CO+H₂

③C+CO₂＝2CO

随着反应的进行，中药渣内部有机质的氢氧原子以水分子的形式被脱除形成炭骨架，同时中药渣内部的水分子和炭反应形成一氧化炭，不断侵蚀炭骨架，打通了炭骨架的内部空洞，扩充了炭骨架的微孔形成发达的孔隙结构。

炭化反应60min后关闭电热炉，待温度降低后打开出料口。此时得到的就是具有高比表面积和发达孔隙结构的炭化料。制备出来的炭化料经过测量，比表面积为212.62m2/g，总孔容积为0.163cm3/g，炭化料得率为21.29％。炭化料的各种性能曲线如图4。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种小型化中药渣炭化炉，包括密闭旋转炉体(5)；所述密闭旋转炉体(5)上连接有支撑回转机构；所述密闭旋转炉体(5)一端设置有进料机构，另一端设置有出料口(9)；其特征在于：所述密闭旋转炉体(5)包括微波预热段(5.1)和高温炭化段(5.2)；所述微波预热段(5.1)内设置有磁控管(7)；所述高温炭化段(5.2)内设置有电热炉(6)；所述进料机构与所述微波预热段(5.1)连通；所述出料口(9)与所述高温炭化炉体段(5.2)连通；所述密闭旋转炉体(5)外部设置有与所述微波预热段(5.1)和所述高温炭化炉体段(5.2)连通的泄压阀(8)。

2.根据权利要求1所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述微波预热段(5.1)和所述高温炭化段(5.2)之间设置有可启闭的密封阀门(5.3)。

3.根据权利要求2所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述密封阀门(5.3)包括阀座(5.3-1)和阀板(5.3-2)；所述阀座固接在所述密闭旋转炉体(5)上；所述阀板(5.3-2)铰接于所述阀座(5.3-1)内；所述阀板(5.3-2)的外径等于电热炉(6)的内径。

4.根据权利要求1所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述微波预热段(5.1)包括第一炉体(5.1-1)和第一隔热层(5.1-2)；所述第一炉体(5.1-1)一端设置有进料口；所述第一隔热层(5.1-2)固接于所述第一炉体(5.1-1)的内部；所述第一隔热层(5.1-2)固接有所述磁控管(7)。

5.根据权利要求4所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述第一隔热层(5.1-2)包括环形基座(5a)；所述环形基座(5a)内圈上旋转对称布置有多个燕尾槽(5b)；所述燕尾槽(5b)内可拆卸地配合连接有梯形连接块(5c)；所述磁控管(7)可拆卸地与所述梯形连接块(5c)连接。

6.根据权利要求1所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述高温炭化段(5.2)包括第二炉体(5.2-1)和第二隔热层(5.2-2)；所述第二炉体(5.2-1)的一端设置有出料口(9)；所述第二隔热层(5.2-2)固接于所述第二炉体(5.2-1)内部。

7.根据权利要求6所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述第二炉体(5.2-1)的内部靠近所述出料口(9)的一端设置有卸料导向坡(10)。

8.根据权利要求1所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述支撑回转机构包括主动辊(3)和从动辊(4)；所述主动辊(3)上设置有用以驱动所述密闭旋转炉体(5)旋转的驱动电机。

9.根据权利要求8所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述主动辊(3)的高度高于所述从动辊(4)的高度。

10.根据权利要求1所述的一种小型化中药渣炭化炉，其特征在于：所述进料机构包括料斗(1)和螺旋进料器(2)；所述螺旋进料器(2)一端连接有所述料斗(1)，另一端与所述密闭旋转炉体(5)铰接；所述螺旋进料器(2)上连接有驱动电机。