CN107008217A - 一种生物焦炭物理化学联合活化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物焦炭活化装置领域，并具体公开了一种生物焦炭物理化学联合活化装置，包括活化室和活化剂预混室，活化室呈中空结构，其顶部设置有给料器，底部设置有供热烟道和活化剂通道；活化剂预混室设于中空结构的内部，其外壁为开设有多个气孔的圆筒状，圆筒状外壁上还设置有螺旋翅片，由此使得供给到中空结构中的生物焦炭在自身重力及活化剂预混室的旋转带动下，自上而下运动以与含物理活化剂的高温烟气以及化学活化剂充分接触，从而完成整个活化过程。本发明可一步实现生物焦炭的物理化学活化，具有运行稳定，原料适应性广，规模易于控制的优点。

Description

一种生物焦炭物理化学联合活化装置
技术领域
本发明属于生物焦炭活化装置领域，更具体地，涉及一种生物焦炭物理化学联合活化装置。
背景技术
生物质热解多联产技术，可同时生产高热值化的生物燃气、生物焦炭、木焦油和木醋酸，经济效益显著，大力促进了生物质能产业的发展。作为生物质热解多联产三大产品之一的生物质焦炭是一种廉价的吸附剂，可应用于水处理、污染土壤修复、空气净化、CO2捕集、烟气脱硫脱硝等领域，工业用途广泛。改善生物焦炭的吸附性能，提高其附加值，是推动生物质热解多联产技术大规模产业化的重要动力。
生物焦炭的表面特性是影响其吸附性能的重要因素，改善生物焦炭的表面特性是提高其吸附性能的重要手段。目前改善生物焦炭表面特性的方法主要是单一的物理活化或化学活化方法，常用的物理活化剂有CO2及H2O，常用的化学活化剂为KOH、K2CO3；此类活化方式仅仅注重提高生物焦炭的比表面积和孔隙率，而忽略了其表面化学特性，对其吸附性能的改善程度不高。因此，寻求更为高效的方法和装置对生物焦炭进行活化处理是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物焦炭物理化学联合活化装置，其可实现一步活化过程中同时改善生物焦炭的表面物理化学特性，可制备孔隙率发达、含氮官能团丰富的生物焦炭，具有运行稳定，原料适应性广，规模易于控制的优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种生物焦炭物理化学联合活化装置，其包括活化室和活化剂预混室，其中：
所述活化室呈中空结构，其顶部设置有向该中空结构提供生物焦炭的给料器，其底部设置有为生物焦炭活化过程提供富含物理活化剂的高温烟气的供热烟道，该高温烟气为生物焦炭活化过程同时提供热量和物理活化介质，所述活化室的底部还设置有为生物焦炭活化过程提供化学活化剂的活化剂通道；
所述活化剂预混室设于所述中空结构的内部，该活化剂预混室的外壁为开设有多个气孔的圆筒状，所述供热烟道提供的高温烟气以及所述活化剂通道提供的化学活化剂在该活化剂预混室中预混后，通过所述多个气孔均匀的进入所述活化室中；所述圆筒状外壁上还设置有螺旋翅片，由此使得供给到所述中空结构中的生物焦炭在自身重力及所述活化剂预混室的旋转带动下，自上而下运动以与所述含物理活化剂的高温烟气以及化学活化剂充分接触，从而完成整个活化过程。
通过本发明的上述方案可实现一步活化过程中同时改善生物焦炭的表面物理化学特性，制备孔隙率发达、含氮官能团丰富的生物焦炭，生物焦炭由给料器进入活化室，与含有物理活化剂与化学活化剂的高温烟气充分混合，一步完成物理化学联合活化。该装置运行稳定，原料适应性广，规模易于控制，可大批量制备低廉、高性能碳基吸附剂。
作为进一步优选的，所述活化装置还包括冷却装置、出料装置和尾部排烟装置，该冷却装置和出料装置均设于所述活化室的底部侧面，所述生物焦炭完成活化过程后进入所述冷却装置冷却再经所述出料装置排出；所述尾部排烟装置设置在所述活化室的顶部。
作为进一步优选的，所述供热烟道向所述活化剂预混室内提供富含CO2的高温烟气同时作为热源和物理活化介质，所述活化剂通道向所述活化剂预混室内提供NH3作为化学活化剂。通过提供富含CO2的高温烟气以使该CO2作为物理活化介质，实现对生物焦炭的孔隙改造，该高温烟气同时为活化过程提供热量，通过提供NH3作为化学活化剂，以达到对生物焦炭表面化学性能的改善，提供更多的吸附活性位点。
作为进一步优选的，通过调节高温烟气和NH3的流量以实现CO2和NH3的比例调节，所述CO2和NH3的体积比控制在1:1-5:1，优选控制在2:1。通过将CO2和NH3的体积比控制在上述范围内，使得物理和化学活化过程协同进行。
作为进一步优选的，所述活化剂预混室设有至少两个入射口，分别作为高温烟气和化学活化剂的入口，所述入射口优选采用旋流喷射结构，以加强高温烟气与化学活化剂气流的扰动和混合。
作为进一步优选的，所述活化装置还包括温度、压力检测装置和流量控制装置，该温度、压力检测装置对所述活化室内的温度、压力进行实时监测，所述流量控制装置用于控制所述供热烟道的烟气流量，以保证最佳的活化温度。
作为进一步优选的，所述活化过程的活化温度优选为700-900℃，更为优选为800℃。在温度700-900℃下，可满足物理化学活化温度，尤其在800℃下，保证孔隙结构良好改善的同时，避免生物焦炭因反应温度过高造成表面具有吸附活性的含氮基团分解。
作为进一步优选的，所述冷却装置设置在所述出料装置的外周，以在生物焦炭排出过程中对其进行冷却。
作为进一步优选的，所述活化室的长径比3:1-5:1，活化室与预混室直径比为2:1-3:1。采用上述尺寸的活化室及预混室进行活化时，可以达到更佳的物理化学活化气固反应。
作为进一步优选的，所述气孔为圆孔，直径为2mm-10mm，60度错排，相邻两个圆孔间的中心距为两倍圆孔的直径。采用此种尺寸及布置方式的气孔时，保证含有物理化学活化剂的高温烟气更加均匀地进入活化室。
作为进一步优选的，所述螺旋翅片的翅高为活化室直径与预混室直径差的3/8，螺距为预混室长度的1/4-1/8。在该尺寸的螺旋翅片下，能满足改性过程中生物焦炭更加顺利的自上而下移动，避免堵塞活化室，达到连续生产。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的生物焦炭活化装置采用富含物理活化剂的高温烟气与化学活化剂的混合气同时作为供热热源以及物理化学活化介质，实现对生物焦炭的物理化学特性的一步改性，不仅增加了生物焦炭的比表面积和孔隙率，同时也增加了表面含氮官能团，显著改善其对酸性物质的吸附性能；
2.本发明的生物焦炭活化装置中设置活化剂预混室，能够适用不同活化剂种类，可直接使用气态NH3作为化学活化剂，也可用液态含氮溶液作为化学活化剂，同时能够更精确的控制活化剂的使用比例，使经活化处理的生物焦炭具有更佳的表面物理化学特性；
3.本发明通过圆筒状外壁上设置的螺旋翅片，使得供给到中空结构中的生物焦炭在自身重力的作用下掉落在螺旋翅片上停留一定的时间，并在活化剂预混室带动下实现旋转，以此实现自上而下运动以与物理活化剂和化学活化剂充分接触，提高活化率；
4.本生物焦炭活化装置中设置温度、压力检测装置和流量控制装置，能够精确控制活化温度，改善活化效果，同时采用高温烟气与生物焦炭直接接触供热，热量利用率高；
5.本物理化学联合活化装置中采用富含CO2高温烟气与生物焦炭直接接触供热，热量利用率高，同时也利用了烟气中CO2物理活化作用，无需再加物理活化剂，降低了制备成本；
6.活化生物焦炭的生产规模通过增减活化室的数目即可，技术适应性广，规模易于控制。
附图说明
图1是本发明的一种生物焦炭物理化学联合活化装置的剖视图。
图中：1.给料器 2.外壁 3.气孔 4.螺旋翅片 5.供热烟道 6.活化剂通道 7.出料装置 8.冷却装置 9.活化剂预混室 10.活化室 11.尾部排烟装置。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种生物焦炭物理化学联合活化装置，其包括给料器1、供热烟道5、活化剂通道6、活化剂预混室9、活化室10，其中给料器1设置在活化室10顶部，向活化室10内提供生物质焦炭；所述供热烟道5位于活化室底部，用于提供作为生物焦炭活化过程中的热量和物理活化剂的高温烟气；所述活化剂通道6位于活化室底部，为活化过程提供化学活化介质，所述活化室10呈中空结构；所述活化剂预混室9设于活化室中空结构中，该活化剂预混室9的外壁2呈圆筒状，该圆筒状外壁2上有序的设置有多个气孔3，高温烟气和化学活化剂首先通入活化剂预混室9中并在活化剂预混室9中进行预先混合以形成预混气，然后预混气通过圆筒状外壁2上的气孔3进入活化室10的中空结构中，该活化剂预混室9为活化室10提供热源及均匀、具有特定比例的活化剂混合物；此外，圆筒状外壁2上焊接有螺旋翅片4，由此使得生物焦炭从顶部进入活化室10后，在自身重力及活化剂预混室9的旋转带动下，自上而下运动与高温烟气和活化剂的预混气充分接触，以完成活化过程。
具体的，活化装置还包括冷却装置8和出料装置7，该冷却装置8和出料装置7均设于活化室10的底部侧面，生物焦炭完成活化过程后进入冷却装置冷却再经出料装置排出。优选的，冷却装置设置在出料装置的外周，以使得在生物焦炭排出过程中对该生物焦炭进行冷却，冷却装置为水冷或空冷装置，优选水冷装置。具体的，活化装置还包括尾部排烟装置11，该尾部排烟装置11设置在活化室10的顶部。
优选的，供热烟道向活化剂预混室内提供富含CO2的高温烟气同时作为热源和物理活化介质，该CO2作为物理活化介质，活化剂通道向活化剂预混室内提供NH3作为化学活化剂，实际操作时，通过调节高温烟气和NH3的流量以实现CO2和NH3的比例的调节，优选的CO2和NH3的体积比控制在1:1-5:1，更为优选的控制在2:1。
具体的，活化室长径比3:1-5:1，活化室与预混室直径比为2:1-3:1，在该尺寸下，可以达到更佳的物理化学活化气固反应；更为具体的，圆筒上的气孔为圆孔，直径为2mm-10mm，优选5mm，60度错排，相邻圆孔间中心距为两倍圆孔直径，在该尺寸下，保证含有物理化学活化剂的高温烟气更加均匀地进入活化室；更进一步的，螺旋翅片的翅高为活化室直径与预混室直径差的3/8，螺距为预混室长度的1/4-1/8，在该尺寸下，能满足改性过程中生物焦炭更加顺利的自上而下移动，避免堵塞活化室，达到连续生产。
进一步的，活化剂预混室设有至少两个入射口，分别作为高温烟气和化学活化剂的入口，入射口优选采用旋流喷射结构，以加强高温烟气与化学活化剂气流的扰动和混合。
此外，活化装置还设置有温度、压力检测装置和流量控制装置，该温度、压力检测装置对活化室内的温度、压力进行实时监测，流量控制装置用于控制供热烟道的烟气流量，以保证最佳的活化温度。优选的，活化过程的活化温度控制在700℃-900℃，优选控制在800℃。
下面对采用本发明的活化装置进行活化处理的具体过程进行说明。
(1)以生物焦炭为原料，富含CO2高温烟气和含胺或氨废液的混合物同时作为热源和物理化学活化剂，生物焦炭自活化室10上的给料器1进入活化室10中，在自身重力及活化剂预混室9的旋转带动下，自上而下运动；
(2)供热烟道5向活化剂预混室9提供富含CO2的高温烟气，活化剂通道6向活化剂预混室9提供含胺或氨废液，高温烟气与含胺或氨废液按一定比例在活化剂预混室9中进行预混，然后活化剂预混室9向活化室10供应具有特定比例的富含CO2的高温烟气和含胺或氨废液的混合物；
(3)生物焦炭在活化室内与活化剂混合物充分接触完成活化；
(4)完成活化处理的生物焦炭在冷却装置中被冷却并被出料装置排出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，包括活化室和活化剂预混室，其中：
所述活化室呈中空结构，其顶部设置有向该中空结构提供生物焦炭的给料器，其底部设置有为生物焦炭活化过程提供富含物理活化剂的高温烟气的供热烟道，该高温烟气为生物焦炭活化过程同时提供热量和物理活化介质，所述活化室的底部还设置有为生物焦炭活化过程提供化学活化剂的活化剂通道；
所述活化剂预混室设于所述中空结构的内部，该活化剂预混室的外壁为开设有多个气孔的圆筒状，所述供热烟道提供的高温烟气以及所述活化剂通道提供的化学活化剂在该活化剂预混室中预混后，通过所述多个气孔均匀的进入所述活化室中；所述圆筒状外壁上还设置有螺旋翅片，由此使得供给到所述中空结构中的生物焦炭在自身重力及所述活化剂预混室的旋转带动下，自上而下运动以与所述含物理活化剂的高温烟气以及化学活化剂充分接触，从而完成整个活化过程。
2.如权利要求1所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述活化装置还包括冷却装置、出料装置和尾部排烟装置，该冷却装置和出料装置均设于所述活化室的底部侧面，所述生物焦炭完成活化过程后进入所述冷却装置冷却再经所述出料装置排出；所述尾部排烟装置设置在所述活化室的顶部。
3.如权利要求1或2所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述供热烟道向所述活化剂预混室内提供富含CO2的高温烟气同时作为热源和物理活化介质，所述活化剂通道向所述活化剂预混室内提供NH3作为化学活化剂。
4.如权利要求3所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，通过调节高温烟气和NH3的流量以实现CO2和NH3的比例调节，所述CO2和NH3的体积比控制在1:1-5:1，优选控制在2:1。
5.如权利要求1-4任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述活化剂预混室设有至少两个入射口，分别作为高温烟气和化学活化剂的入口，所述入射口优选采用旋流喷射结构，以加强高温烟气与化学活化剂气流的扰动和混合。
6.如权利要求1-5任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述活化装置还包括温度、压力检测装置和流量控制装置，该温度、压力检测装置对所述活化室内的温度、压力进行实时监测，所述流量控制装置用于控制所述供热烟道的烟气流量，以保证最佳的活化温度。
7.如权利要求1-6任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述活化过程的活化温度优选为700-900℃，更为优选为800℃。
8.如权利要求2所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述冷却装置设置在所述出料装置的外周，以在生物焦炭排出过程中对其进行冷却。
9.如权利要求1-8任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，所述活化室的长径比3:1-5:1，活化室与预混室直径比为2:1-3:1。
10.如权利要求1-9任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化装置，其特征在于，优选的，所述气孔为圆孔，直径为2mm-10mm，60度错排，相邻两个圆孔间的中心距为两倍圆孔的直径；优选的，所述螺旋翅片的翅高为活化室直径与预混室直径差的3/8，螺距为预混室长度的1/4-1/8。
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