CN107159120A - 一种生物焦炭物理化学联合活化方法 - Google Patents

一种生物焦炭物理化学联合活化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物焦炭活化技术领域，并具体公开了一种生物焦炭物理化学联合活化方法，其以生物焦炭为原料，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，对生物焦炭进行物理化学联合活化。本发明在一步活化过程中同时改善生物焦炭的表面物理化学特性，可制备孔隙发达、表面化学性能优良、价格低廉的生物焦炭，并实现大批量用于污染气体捕集、水体净化、土壤改良及修复等领域，同时具有原料廉价易得，工艺简单，产品适应性广等优点。

Description

一种生物焦炭物理化学联合活化方法
技术领域
本发明属于生物焦炭活化技术领域，更具体地，涉及一种生物焦炭物理化学联合活化方法。
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方法，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、吸附性能好的生物焦炭，具有原料廉价易得，工艺简单，产品适应性广的优点，制备的生物焦炭适用于水处理、污染土壤修复、空气净化、CO2捕集、烟气脱硫脱硝等领域。
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方法，其包括以下步骤：
(1)将生物焦炭从用于进行活化的活化室的顶部送入该活化室中，该生物焦炭在自身重力以及设于所述活化室内部的活化剂预混室的旋转带动下自上而下运动；
(2)将化学活化剂以及富含物理活化剂的高温烟气通入所述活化剂预混室中进行预混以形成高温烟气活化剂混合物，然后将该混合物从所述活化剂预混室中送入所述活化室中，以为活化过程提供热量和物理化学活化剂；
(3)所述生物焦炭在自上而下的运动过程中与所述混合物充分接触，以此完成整个活化过程。
本发明以生物焦炭为原料，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，对生物焦炭进行物理化学联合活化，在一步活化过程中同时改善生物焦炭的表面物理化学特性，可制备孔隙发达、表面化学性能优良、价格低廉的生物焦炭，并实现大批量用于污染气体捕集、水体净化、土壤改良及修复等领域，该方法原料廉价易得，工艺简单，产品适应性广。
作为进一步优选的，所述生物焦炭为农林业生产加工废弃物、藻类、污泥、垃圾中的一种或几种混合物的热解或气化固体残渣。本发明通过利用上述废弃物作为生物质制备的原材料，在节约成本的同时，可实现废物的高值化利用，减少不可再生资源的消耗。作为进一步优选的，所述富含物理活化剂的高温烟气为富含CO2的高温烟气，具体为CO2浓度大于20％，温度大于700℃的烟气。本发明利用该富含CO2的高温烟气在满足物理化学活化温度的同时，也提供了足够的物理活化剂CO2。
作为进一步优选的，所述化学活化剂为含胺或氨的废液，具体为合成有机胺、无机氨工艺废液中的一种或两者的混合溶液，或者为配置的有机胺、无机氨溶液中的一种或两者的混合溶液。本发明利用该含胺或氨的废液作为化学活化剂，改善生物焦炭表面化学特性，促进其吸附性能，同时将本应该耗资处理的废液，变废物为宝，作为高性能吸附剂的活化剂。
作为进一步优选的，所述有机胺、无机氨为脂肪胺、醇胺、酰胺、脂环胺、芳香胺、萘系胺、氨水、铵盐。
作为进一步优选的，所述化学活化剂为浓度10％-100％的氨气，优选的，所述化学活化剂为有机胺、无机氨溶液与10％-100％的氨气的混合物。
作为进一步优选的，所述富含CO2的高温烟气和含胺或氨废液的化学活化剂中CO2与胺或氨的物质量比为1:1-5:1，优选控制在2:1。通过将CO2和胺或氨的体积比控制在上述范围内，使得在一步高温处理过程中同时提高生物焦炭的孔隙结构和表面化学性能。
作为进一步优选的，所述物理化学联合活化的时间为0.5h～2h，优选为1h。在该活化时间下，保证物理化学活化完全的同时，也能减少生物焦炭过度热反应的损失。
作为进一步优选的，所述混合物通过所述活化剂预混室外壁上的气孔均匀的送入所述活化室中，该外壁上设置有螺旋翅片。
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，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方法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.本物理化学联合活化方法中采用富含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；
3.本物理化学联合活化方法中采用合成有机胺、无机氨工艺中废液作为化学活化剂，变污染环境的废液为宝，在降低制备成本同时也增强了环境友好性；
4.本发明通过活化剂预混室进行物理化学活化剂的预混，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；
5.本物理化学联合活化方法制备工艺流程简短，成本低廉，有利于大批量生产高吸附性能的生物焦炭。
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方法的流程图；
图2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方法，其包括以下步骤：
(1)将生物焦炭从用于进行活化的活化室的顶部送入该活化室中，该生物焦炭在自身重力以及设于所述活化室内部的活化剂预混室的旋转带动下自上而下运动；
(2)将化学活化剂以及富含物理活化剂的高温烟气通入所述活化剂预混室中进行预混以形成高温烟气活化剂混合物，然后将该混合物从所述活化剂预混室中送入所述活化室中，以为活化过程提供热量和物理化学活化剂；
(3)所述生物焦炭在自上而下的运动过程中与所述混合物充分接触，以此完成整个活化过程。
具体的，生物焦炭为农林业生产加工废弃物、藻类、污泥、垃圾中的一种或几种混合物的热解或气化固体残渣。
优选的，富含物理活化剂的高温烟气为富含CO2的高温烟气，具体为CO2浓度大于20％，温度大于700℃的烟气，以保证活化过程的活化温度控制在700℃-900℃，优选控制在800℃，而物理化学联合活化的时间优选控制在0.5h～2h，优选为1h。
进一步的，化学活化剂为含胺或氨的废液，具体为合成有机胺、无机氨工艺废液中的一种或两者的混合溶液，或者为配置的有机胺、无机氨溶液中的一种或两者的混合溶液。所述有机胺、无机氨优选为脂肪胺、醇胺、酰胺、脂环胺、芳香胺、萘系胺、氨水、铵盐。
进一步的，化学活化剂为浓度10％-100％的氨气，优选的，化学活化剂为有机胺、无机氨溶液与10％-100％的氨气的混合物。
更为具体的，富含CO2的高温烟气和含胺或氨废液的化学活化剂中CO2与胺或氨的物质量比为1:1-5:1，优选控制在2:1。
此外，该方法还包括步骤(4)完成活化处理的生物焦炭冷却后排出。
图2为实现本发明活化方法的活化装置，如图2所示，该装置包括给料器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剂，优选的，活化室10设计成中空结构；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优选设计成圆筒状，该圆筒状外壁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。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。
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活化过程的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。本发明通过设置温度、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。
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方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将生物焦炭从用于进行活化的活化室的顶部送入该活化室中，该生物焦炭在自身重力以及设于所述活化室内部的活化剂预混室的旋转带动下自上而下运动；
(2)将化学活化剂以及富含物理活化剂的高温烟气通入所述活化剂预混室中进行预混以形成高温烟气活化剂混合物，然后将该混合物从所述活化剂预混室中送入所述活化室中，以为活化过程提供热量和物理化学活化剂；
(3)所述生物焦炭在自上而下的运动过程中与所述混合物充分接触，以此完成整个活化过程。
2.根据权利要求1所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述生物焦炭为农林业生产加工废弃物、藻类、污泥、垃圾中的一种或几种混合物的热解或气化固体残渣。
3.根据权利要求1或2所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述富含物理活化剂的高温烟气为富含CO2的高温烟气，具体为CO2浓度大于20％，温度大于700℃的烟气。
4.根据权利要求1所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述化学活化剂为含胺或氨的废液，具体为合成有机胺、无机氨工艺废液中的一种或两者的混合溶液，或者为配置的有机胺、无机氨溶液中的一种或两者的混合溶液。
5.根据权利要求4所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述有机胺、无机氨为脂肪胺、醇胺、酰胺、脂环胺、芳香胺、萘系胺、氨水、铵盐。
6.根据权利要求1所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述化学活化剂为浓度10％-100％的氨气，优选的，所述化学活化剂为有机胺、无机氨溶液与10％-100％的氨气的混合物。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述富含CO2的高温烟气和含胺或氨废液的化学活化剂中CO2与胺或氨的物质量比为1:1-5:1，优选控制在2:1。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述物理化学联合活化的时间为0.5h～2h，优选为1h。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，所述混合物通过所述活化剂预混室外壁上的气孔均匀的送入所述活化室中，该外壁上设置有螺旋翅片。
10.如权利要求9所述的生物焦炭物理化学联合活化方法，其特征在于，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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