CN108424777A - 一种提高生物质炭品质的方法 - Google Patents

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张少明
梁建如
付兴国
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/02—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of cellulose-containing material
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    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Abstract

本发明公开了一种提高生物质炭品质的方法。该方法首次将炭化后产生的生物质气直接燃烧，收集高温烟气，无需对生物质气进行净化分离；接着在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，并将高温烟气通入换热段内；最后利用高温烟气对炭化段内的生物质进行炭化处理，收集生物质炭，通过若干换热段在炭化段内构建了换热区域，生物质一方面会受到换热段内高温烟气的热辐射，另一方面，随着炭化段的旋转，生物质会洒落到换热段，分散了生物质，保证了生物质均匀受热，降低了挥发分含量，提高了固定碳含量，经测试，其固定碳含量在65％以上，挥发分低于18％，生物质炭收率在40wt％以上。

Description

一种提高生物质炭品质的方法
技术领域
本发明属于生物质炭化技术领域，具体涉及一种提高生物质炭品质的方法。
背景技术
生物质炭是一种将废弃生物质秸秆在无氧或限氧的环境下转化为具有发达孔隙结构的碳材料，生物质炭巨大的比表面积以及丰富的表面官能团，使其具有很强的吸附性和稳定性。世界上的生物质资源相当丰富，但是由于保存和转化技术的落后导致生物质资源浪费严重，如秸秆等农业废弃物在田间焚烧，食品加工的壳、皮等被当作垃圾填埋，不仅污染了环境，还造成了生物质资源的巨大浪费，生物质炭作为一类新型环境功能材料在农业、环境修复、能源、固碳减排等领域随着人们对其认识的深入已逐渐显示出一定的潜力。
追溯到生物质炭的制备工艺，均会涉及到高温下炭化步骤，该步骤需要大量的燃料提供热量，耗能较大。为此，现有技术一般是将炭化过程中产生的生物质气先经分离净化后直接引入到炭化炉外部的燃烧器系统点燃，从而实现对炭化炉的加热。采用此方式，虽能利用炭化过程中的秸秆气给炭化炉提供热量，从而在一定程度上降低了能耗。但是，上述技术必须预先对生物质气进行净化分离，否则会因杂质导致其热值忽高忽低，过高时会引起超温现象，导致炭化过度，增加灰度含量；过低时，会导致炭化程度偏低，不能使生物质炭具有适宜的固定炭含量。
综上所述，如何直接利用未经净化分离的生物质气对生物质进行加热，并能保证最终得到的生物质炭的固定碳含量高、挥发分低是本领域亟需解决的一个技术问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的是现有利用生物质气对生物质进行加热时，必须经过净化分离步骤，否则易导致最终制得的生物质炭中固定碳含量偏低、挥发分高的缺陷，进而提供了一种能均匀加热生物质、提高生物质炭中固定碳含量、降低生物质炭中挥发分含量的提高生物质炭品质的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明所提供的提高生物质炭品质的方法，包括如下步骤：
1)将生物质气直接燃烧，收集高温烟气；
2)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，并将所述高温烟气通入换热段内；
3)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，收集生物质炭。
进一步地，步骤1)中，所述高温烟气的温度为700-900℃。
进一步地，步骤2)中，相邻所述换热段间的间距为500mm-700mm；
所述换热段的公称直径为50-80mm。
进一步地，步骤2)中，所述炭化段的长度与所述换热段的长度之比为1：(1-1.2)。
进一步地，步骤3)中，在进行炭化处理时，所述炭化段的旋转速度为3r/min-5r/min。
进一步地，步骤3)中，所述炭化处理的温度为450-550℃，压力为-0.1kpa-0.1kpa；和/或，
所述炭化处理是在限氧条件下进行，所述限氧为向所述炭化段内通入惰性气体至所述炭化段内的氧含量不大于3％。
进一步地，步骤3)中，所述生物质在炭化处理之前，还包括将所述生物质依次进行粉碎和造粒，制得生物质颗粒。
进一步地，所述生物质颗粒的压实密度为0.75-0.8kg/L；
所述生物质颗粒的颗粒直径为8-12mm。
进一步地，所述生物质的含水率为8-15wt％。
此外，本发明还提供了上述方法制得的生物质炭。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明所提供的提高生物质炭品质的方法，首次将炭化后产生的生物质气直接燃烧，收集高温烟气，无需对生物质气进行净化分离；接着在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，并将高温烟气通入换热段内；最后利用高温烟气对炭化段内的生物质进行炭化处理，收集生物质炭，通过若干换热段在炭化段内构建了换热区域，生物质一方面会受到换热段内高温烟气的热辐射，另一方面，随着炭化段的旋转，生物质会洒落到换热段，分散了生物质，保证了生物质均匀受热，降低了挥发分含量，提高了固定碳含量，经测试，其固定碳含量在65％以上，挥发分低于18％，生物质炭收率在40wt％以上。
2)本发明所提供的提高生物质炭品质的方法，优化了相邻换热段的间距及换热段的直径，并与特定旋转速度的炭化段配合，进一步地保证炭化段内的生物质均匀受热，降低了挥发分含量，提高了固定碳含量。同时直接燃烧生物质气，能得到温度达到700-900℃的高温烟气，发明人发现，该温度范围的高温烟气很适合通入换热段内对生物质炭化，其在保证固定碳和挥发分含量的同时，能精确控制炭化的程度，保证最终的生物质炭中含有3-5％的生物质，使其特别适合做炭基肥载体。
3)本发明所提供的提高生物质炭品质的方法，生物质在炭化处理之前，将生物质依次进行粉碎和造粒，制得生物质颗粒，提高堆密度，并在造粒过程中排出其内夹杂的空气，便于控制炭化处理温度，加之将生物质颗粒的压实密度维持在0.75-0.8kg/L，利于生物质颗粒由外向内形成温度梯度，能防止热解过度，同时，合理的压实密度还有利于挥发分或其它气态物挥发；同时优化炭化处理的温度和压力，能有效提高生物质炭产率；通过限定生物质颗粒的直径，均衡了温度梯度与挥发分或其它气态物挥发的需求，同时能提高生产效率；通过限定农作物秸秆的含水率，便于在无粘结剂的条件下造粒成型，同时，其中的水会在热裂解过程中挥发，从而在生物质炭中形成发达孔隙，提高其比表面积。
4)本发明所提供的提高生物质炭品质的方法，简化了工艺流程，降低了生物质气净化分离所需的能量浪费，充分利用了生物质气及其中夹带的生物质油(如秸秆油)，保证了木醋液的产销平衡。利用高温烟气并结合炭化段内特定换热区，提供了炭化处理的能量，既满足了能量的循环利用，其热能利用率可达到85％以上，也保证了炭化处理的连续运行，达到了工业级的生产水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提高生物质炭品质的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，包括如下步骤：
1)将含水率低于12wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.75kg/L、颗粒直径为10mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至500℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为800℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为700mm，换热段的公称直径为50mm、炭化段的长度与换热段的长度相等，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在500℃、氧含量不大于3％、压力为0kpa下进行1h，收集生物质炭。
实施例2
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)将含水率低于15wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.5kg/L、颗粒直径为12mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至450℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为700℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为500mm，换热段的公称直径为50mm、炭化段的长度与换热段的长度相等，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用一部分所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为4r/min，同时保证炭化处理在450℃、氧含量不大于3％、压力为0.1kpa下进行1.25h，收集生物质炭；
7)剩余部分的高温烟气被带入到发电机组或者蒸汽汽化炉中使用；生物质炭经过一级水冷、夹棍和二级水冷作为化肥的生产原材料或者土壤改良剂等；炭化段内高温烟气经降温后送至炭基肥车间作为烘干热源使用。
实施例3
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，包括如下步骤：
1)将含水率低于8wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.8kg/L、颗粒直径为8mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至550℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为900℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为600mm，换热段的公称直径为80mm、炭化段的长度与换热段的长度之比为1：1.2，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在550℃、氧含量不大于3％、压力为-0.1kpa下进行2h，收集生物质炭。
实施例4
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)将含水率低于10wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.7kg/L、颗粒直径为11mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至480℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为750℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为650mm，换热段的公称直径为75mm、炭化段的长度与换热段的长度之比为1：1.1，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用一部分所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为5r/min，同时保证炭化处理在480℃、氧含量不大于3％、压力为0.05kpa下进行1.6h，收集生物质炭；
7)剩余部分的高温烟气被带入到发电机组或者蒸汽汽化炉中使用；生物质炭经过一级水冷、夹棍和二级水冷作为化肥的生产原材料或者土壤改良剂等；炭化段内高温烟气经降温后送至炭基肥车间作为烘干热源使用。
实施例5
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)将含水率低于13wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.55kg/L、颗粒直径为9mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至520℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为860℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为550mm，换热段的公称直径为68mm、炭化段的长度与换热段的长度之比为1：1，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用一部分所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在510℃、氧含量不大于3％、压力为-0.05kpa下进行2h，收集生物质炭；
7)剩余部分的高温烟气被带入到发电机组或者蒸汽汽化炉中使用；生物质炭经过一级水冷、夹棍和二级水冷作为化肥的生产原材料或者土壤改良剂等；炭化段内高温烟气经降温后送至炭基肥车间作为烘干热源使用。
实施例6
本实施例提供了一种提高生物质炭品质的方法，包括如下步骤：
1)将含水率低于12wt％的农作物秸秆粉碎至10mm的生物质；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至500℃；
3)将生物质送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为800℃的高温烟气；
5)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，相邻换热段间的间距为700mm，换热段的公称直径为50mm、炭化段的长度与换热段的长度相等，将所述高温烟气通入换热段内，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在500℃、氧含量不大于3％、压力为0kpa下进行1h，收集生物质炭。
对比例1
本对比例提供了一种生物质炭的制备方法，包括如下步骤：
1)将含水率低于12wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.75kg/L、颗粒直径为10mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至500℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气从炭化段引出后，直接进行燃烧，产生温度为800℃的高温烟气；
5)将高温烟气直接引入到炭化段内，与生物质直接接触，并关闭液化气，停止炭化段的外部加热，利用高温烟气提供炭化处理所需热能；
6)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在500℃、氧含量不大于3％、压力为0kpa下进行1h，收集生物质炭。
对比例2
本对比例提供了一种生物质炭的制备方法，包括如下步骤：
1)将含水率低于12wt％的农作物秸秆依次进行粉碎和造粒，制得压实密度为0.75kg/L、颗粒直径为10mm的生物质颗粒；
2)首次开车前将已加热汽化的液化气引至燃烧器前，启动助燃风机，点燃火嘴利用外部加热的方式给炭化炉内的炭化段进行外部加热，使炭化段缓慢升温至500℃；
3)将生物质颗粒送入炭化段内进行热裂解，产生生物质气；
4)将生物质气净化分离后，得到净化后的生物质气，将净化后的生物质气用于燃烧器燃烧，为炭化段内的生物质提供能量，使生物质进行炭化处理，并且在炭化处理时，维持炭化段的旋转速度为3r/min，同时保证炭化处理在500℃、氧含量不大于3％、压力为0kpa下进行1h，收集生物质炭。
试验例1
对上述各实施例和对比例所制得的生物质炭中固定碳含量、挥发分含量进行测定，同时也计算生物质炭产率，相应的测试结果如下表1所示：
表1、生物质炭中固定碳及挥发分含量及生物质炭产率
固定碳含量 挥发分含量 生物质炭产率
实施例1 68.2wt％ ＜15％ 47.1wt％
实施例2 67.5wt％ ＜15％ 46.8wt％
实施例3 68.7wt％ ＜15％ 48.5wt％
实施例4 68.6wt％ ＜15％ 48.1wt％
实施例5 67.0wt％ ＜15％ 46.4wt％
实施例6 65wt％ ＜18％ 40.1wt％
对比例1 33.7wt％ ＞37％ 21.5wt％
对比例2 35.5wt％ ＞30％ 23.7wt％
从表1可得知：本发明通过若干换热段在炭化段内构建了换热区域，生物质一方面会受到换热段内高温烟气的热辐射，另一方面，随着炭化段的旋转，生物质会洒落到换热段，分散了生物质，保证了生物质均匀受热，降低了挥发分含量，提高了固定碳含量。同时也提高了生物质炭产率。
试验例2
对上述各实施例和对比例中生物质炭制备过程中的热能利用率进行计算，相应的测试结果如下表2所示：
表2、生物质炭制备过程中的热能利用率
从表2可得知：本发明通过若干换热段在炭化段内构建了换热区域，生物质一方面会受到换热段内高温烟气的热辐射，另一方面，随着炭化段的旋转，生物质会洒落到换热段，分散了生物质，保证了生物质均匀受热，大大提高了热能利用效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种提高生物质炭品质的方法，包括如下步骤：
1)将生物质气直接燃烧，收集高温烟气；
2)在炭化段内间隔设置若干沿所述炭化段的长度方向延伸的换热段，并将所述高温烟气通入换热段内；
3)利用所述高温烟气对所述炭化段内的生物质进行炭化处理，收集生物质炭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述高温烟气的温度为700-900℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，相邻所述换热段间的间距为500mm-700mm；
所述换热段的公称直径为50-80mm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述炭化段的长度与所述换热段的长度之比为1：(1-1.2)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，在进行炭化处理时，所述炭化段的旋转速度为3r/min-5r/min。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述炭化处理的温度为450-550℃，压力为-0.1kpa-0.1kpa；和/或，
所述炭化处理是在限氧条件下进行，所述限氧为向所述炭化段内通入惰性气体至所述炭化段内的氧含量不大于3％。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述生物质在炭化处理之前，还包括将所述生物质依次进行粉碎和造粒，制得生物质颗粒。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述生物质颗粒的压实密度为0.5-0.8kg/L；
所述生物质颗粒的颗粒直径为8-12mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述生物质的含水率为8-15wt％。
10.权利要求1-9中任一项所述的方法制得的生物质炭。
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