CN107189797A - 内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内热式生物质气化制炭系统，包括空气发生器和气化炉装置，所述空气发生器和气化炉装置之间经管道连接。制炭时，先将生物质送入反应室内，并填满整个气化炉反应室；然后调节空气流速，均匀点燃生物质，盖上炉顶；再对温控仪中最下方k型热电偶的峰值温度进行设定，以实现自动切断空压机与电磁阀电源，停止空气供给，完成制炭反应。该系统以生物质自身的热量作为能量来源，完成生物质气化反应，得到生物炭及其他副产物。针对不同的生物质，通过控制空气发生器中空气量，以及控制生物质的粒径、含水率和催化剂等参数，控制气化反应的温度和条件，得到高品质的生物炭。该内热式生物质气化制炭系统的结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，适用于生物炭制备。
背景技术
近年来，化石燃料日益枯竭，环境污染日趋严重的问题一直是人们关注的焦点。生物炭捕捉碳元素相当稳定，能将碳元素“锁”在地下数百年，并让土壤变得更肥沃；还可以减少二氧化氮和甲烷等温室气体的排放，且对水体中污染物具有吸附作用。
生物炭（biochar）是指生物质在缺氧或无氧条件下形成的稳定的富碳固体。研究表明，向土壤中添加生物炭，可改善土壤肥料，促进农作物生长，同时，生物炭在土壤中的施用可抑制温室气体的释放，减少农药在土壤中的扩散和在动植物体内的积累。另外，生物炭对污染物具有吸附作用，向污染水体中添加生物炭可改良水质、修复水体污染。因此，将废弃生物质炭化成生物炭，被认为是一种能有效固碳和生物质资源化的方法。目前，制备生物炭的装置较多，如专利“外热式生物质热解气化炉及连续热解气化制备木炭的方法”（201110169761.6）对生物质进行热解气化，得到了较高的生物炭产率以及固定碳含量。但该设备构造比较复杂无形之中增加了制造成本，且采用外热式进行生物炭制备能耗高；专利“一种微型生物炭制备炉”（201410134382.7）、“一种简便式生物炭制备装置”（201502321767.4）、“一种密闭式生物炭制备装置”（201410087570.9）等所采用的设备构造虽然体积较小，但直接用加热筒或加热箱对生物质进行热解制炭，能耗高。而且目前国内已有的制炭工艺制得的生物炭在热值、产率和官能团方面很难得到更好的控制。其中，生物炭的热值和产率越高，作为优质燃料潜能越大；羟基、羧基、醛基和酯基等官能团越多，对污水中重金属的吸附越有利。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，不仅结构简单，而且便捷高效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种内热式生物质气化制炭系统，包括空气发生器和气化炉装置，所述空气发生器和气化炉装置之间经管道连接。
优选的，所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机、电磁阀、干燥器、调压阀以及数显流量计。
优选的，所述气化炉装置包括立式的反应室，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有至少三个k型热电偶，k型热电偶与温控仪电性连接。
优选的，所述反应室的顶部为敞口并经限位螺钉连接有敞开式的炉顶。
优选的，所述温控仪的第四端口引线与电磁阀、空压机电性连接。
优选的，所述反应室底部固连有炉底，所述炉底上设有与数显流量计连接的炉底气阀，所述炉底下方由炉底座支撑。
优选的，所述炉底与反应室之间经快速夹紧器进行连接，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆，所述螺杆的底部固设有上压头，所述螺杆的顶部设有旋转扳手，所述反应室的底部与炉底的顶部均设有连接法兰，两相接的连接法兰夹紧在上压头与夹体的下方开口之间。
一种内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，按以下步骤进行：
（1）将生物质进行脱水干燥处理，使生物质的含水量降至30wt%以下；
（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室；
（3）打开气化炉装置底部的炉底气阀，然后打开空压机，调节空压机出气阀开度使空气流量保持在合适的稳定流速范围内；
（4）在反应室内填满生物质，用点火枪在反应室上方均匀点燃生物质，盖上敞开式的炉顶，打开温控仪；
（5）生物质自上而下完成炭化反应，期间在上位机上观察反应过程中k型热电偶的变化曲线，当反应室最下方的k型热电偶达到制炭温度峰值时，停止空气供给，反应结束；
（6）待反应室内部温度自然冷却到室温时，将生物炭倒出。
优选的，空气进气量为2～25L/min，所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该内热式生物质气化制炭系统能够进行生物炭的制备，成本低，与传统相比结构简单，能耗低，操作简便，特别适合生物炭的生产。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图。
图2为本发明实施例中快速夹紧器的构造示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~2所示，一种内热式生物质气化制炭系统，包括空气发生器1和气化炉装置2，所述空气发生器和气化炉装置之间经管道连接。
在本发明实施例中，所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机3、电磁阀4、干燥器5、调压阀6以及数显流量计7。
在本发明实施例中，所述气化炉装置包括立式的反应室8，采用立式结构，结构简单，占地小，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有至少三个k型热电偶9，k型热电偶与温控仪10电性连接，温控仪可根据不同生物质气化的温度来控制空压机和电磁阀。
在本发明实施例中，所述反应室的顶部为敞口并经限位螺钉11连接有敞开式的炉顶12。
在本发明实施例中，所述温控仪的第四端口引线13与电磁阀、空压机电性连接。
在本发明实施例中，所述反应室底部固连有炉底14，所述炉底上设有与数显流量计连接的炉底气阀15，所述炉底下方由炉底座16支撑，炉顶、反应室以及炉底均为耐高温金属外壳的圆柱形腔体。
在本发明实施例中，所述炉底与反应室之间经快速夹紧器17进行连接，拆装方便，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体18，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆19，所述螺杆的底部固设有上压头20，所述螺杆的顶部设有旋转扳手21，所述反应室的底部与炉底的顶部均设有连接法兰22，两相接的连接法兰夹紧在上压头与夹体的下方开口之间，所述炉底与反应室之间也设有限位螺钉。
在本发明实施例中，所述炉底与反应室连接处含有耐高温密封垫圈，反应室外表面设有隔热层，炉底与反应室连接处含有分隔板，反应室外部设有操作手柄23。
一种内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，按以下步骤进行：
（1）将生物质进行脱水干燥处理，使生物质的含水量降至30wt%以下；
（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室；
（3）打开气化炉装置底部的炉底气阀，然后打开空压机，调节空压机出气阀开度使空气流量保持在合适的稳定流速范围内，气化过程的反应温度通过通入的空气量来控制，其中，通入的空气量可控制在2～25L/min，在这个范围内供给的空气量越小，气化过程能耗与气化温度越低，生物炭产率可高达近40%，官能团可高达近10种；通入的空气量越高，气化过程能耗与气化温度越高，生物炭产率越低，官能团数量越少，但生物炭热值与碳元素含量基本不变；
（4）在反应室内填满生物质，用点火枪在反应室上方均匀点燃生物质，盖上敞开式的炉顶，打开温控仪，若已知该生物质反应过程中k型热电偶的峰值温度，则可在温控仪中对k型热电偶的峰值温度进行设定，所设定的峰值温度应满足：实际值-20℃≤设定值≤实际值；
（5）生物质自上而下完成炭化反应，期间在上位机上观察反应过程中k型热电偶的变化曲线，当反应室最下方的k型热电偶达到制炭温度峰值时（不同生物质在不同空气流量下，对应的峰值温度范围为：400～1000℃），电磁阀关闭，停止空气供给，反应结束；
（6）待反应室内部温度自然冷却到室温时，将生物炭倒出，制得的生物炭产率可达到38%以上，碳元素含量可到达95%以上，热值可到达到26MJ/kg以上，产炭能耗可低至0.5Kwh/kg。
在本发明实施例中，空气进气量为2～25L/min，所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质。
在本发明实施例中，气化过程利用生物质本身燃烧热为气化过程提供热源，制得生物炭。系统结构简单，能实现低能耗的制炭工艺，且生物炭的热值达到了高热值煤（24.01～27.00MJ/kg）甚至特高热值煤（大于27.00MJ/kg）水平，碳元素含量高，炭产率高，且官能团多，因此，制得的生物炭品质好。
具体实施过程：
实施例一：
粒径为5～15mm、含水量为11.68wt%的松木屑，在空气流速为20L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为669℃。
将粒径为5-15mm、含水量为11.68wt%的松木屑从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使松木屑填满整个反应室。调节空压机的空气流速为20L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为659℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为659℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为19.67%，碳元素含量为98.52%，热值为28.75MJ/kg，产每千克生物炭耗能为3.57Kwh，主要含有羧基官能团。
实施例二：
粒径为5～15mm、含水量为11.68wt%的松木屑，在空气流速为10L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为596℃。
将粒径为5-15mm、含水量为11.68wt%的木屑从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使木屑填满整个反应室。调节空压机的空气流速为10L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为586℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为586℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为26.3%，碳元素含量为98.33%，热值为28.36MJ/kg，产每千克生物炭耗能为1.32Kwh，主要含有羧基官能团。
实施例三：
粒径为5～15mm、含水量为11.68wt%的木屑，在空气流速为4L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为487℃。
将粒径为5-15mm、含水量为11.68wt%的木屑从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使木屑填满整个反应室。调节空压机的空气流速为4L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为477℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为477℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为39.2%，碳元素含量为98.27%，热值为28.25MJ/kg，产每千克生物炭耗能为0.5Kwh，主要含有羟基和羧基官能团。
实施例四：
粒径为15～25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳，在空气流速为20L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为750℃。
将粒径为15-25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使荔枝壳填满整个反应室。调节空压机的空气流速为20L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min左右，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为740℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为740℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为19.05%，碳元素含量为96.73%，热值为26.93MJ/kg，产每千克生物炭耗能为3.22Kwh，主要含有羧基官能团。
实施例五：
粒径为15～25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳，在空气流速为10L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为684℃。
将粒径为15-25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使荔枝壳填满整个反应室。调节空压机的空气流速为10L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min左右，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为674℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为674℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为25.00%,碳元素含量为96.42%，热值为26.84MJ/kg，产每千克生物炭耗能为1.07Kwh，主要含有羧基官能团。
实施例六：
粒径为15～25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳，在空气流速为4L/min条件下，最下方的k型热电偶峰值温度为563℃。
将粒径为15-25mm、含水量为11.01wt%的荔枝壳从气化炉装置的反应室顶部送入反应室内，使荔枝壳填满整个气化炉反应室。调节空压机的空气流速为4L/min，然后在填满生物质的反应室上方用点火枪均匀点燃1min左右，盖上炉顶，开始反应。设定温控仪中最下方的k型热电偶峰值温度为553℃，当最下方的k型热电偶峰值温度为553℃时，空压机和电磁阀关闭，停止空气供给反应结束。待自然冷却至室温时，将生物炭倒出。得到生物炭产率为38.60%,碳元素含量为96.21%，热值为26.78MJ/kg，产每千克生物炭耗能为0.5Kwh，主要含有羟基和羧基官能团。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：包括空气发生器和气化炉装置，所述空气发生器和气化炉装置之间经管道连接。
2.根据权利要求1所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述空气发生器包括经管道依次连接的空压机、电磁阀、干燥器、调压阀以及数显流量计。
3.根据权利要求2所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述气化炉装置包括立式的反应室，所述反应室的腔体至上往下依次均匀分布有至少三个k型热电偶，k型热电偶与温控仪电性连接。
4.根据权利要求3所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述反应室的顶部为敞口并经限位螺钉连接有敞开式的炉顶。
5.根据权利要求3所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述温控仪的第四端口引线与电磁阀、空压机电性连接。
6.根据权利要求3所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述反应室底部固连有炉底，所述炉底上设有与数显流量计连接的炉底气阀，所述炉底下方由炉底座支撑。
7.根据权利要求6所述的内热式生物质气化制炭系统，其特征在于：所述炉底与反应室之间经快速夹紧器进行连接，所述快速夹紧器均包括倒U形的夹体，所述夹体的开口上方竖直螺接有螺杆，所述螺杆的底部固设有上压头，所述螺杆的顶部设有旋转扳手，所述反应室的底部与炉底的顶部均设有连接法兰，两相接的连接法兰夹紧在上压头与夹体的下方开口之间。
8.一种内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，其特征在于，采用如权利要求1-7所述的任一种内热式生物质气化制炭系统，并按以下步骤进行：
（1）将生物质进行脱水干燥处理，使生物质的含水量降至30wt%以下；
（2）取步骤（1）预处理后的生物质填满气化炉装置的反应室；
（3）打开气化炉装置底部的炉底气阀，然后打开空压机，调节空压机出气阀开度使空气流量保持在合适的稳定流速范围内；
（4）在反应室内填满生物质，用点火枪在反应室上方均匀点燃生物质，盖上敞开式的炉顶，打开温控仪；
（5）生物质自上而下完成炭化反应，期间在上位机上观察反应过程中k型热电偶的变化曲线，当反应室最下方的k型热电偶达到制炭温度峰值时，停止空气供给，反应结束；
（6）待反应室内部温度自然冷却到室温时，将生物炭倒出。
9.根据权利要求8所述的内热式生物质气化制炭系统及其制炭方法，其特征在于：空气进气量为2～25L/min，所述生物质为木质类、果核类、壳类等农、林业生物质。
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