CN109485043B - 生物质两段式制备活性炭的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质两段式制备活性炭的系统及方法，包括用于对生物质原料进行热解炭化的热解炉、用于对生物炭进行活化的活化炉、用于对出活化炉的携带固体颗粒的烟气进行气固分离的旋风分离器以及燃烧炉，还包括用于为热解炉和燃烧炉提供空气的送风机；热解炉为链条炉，其上层区域布置有高温辐射管，旋风分离器的固体出口连接出料斗；燃烧炉用于对热解过程中产生的热解气和焦油以及出旋风分离器的气体进行燃烧、并将燃烧产生的高温烟气供给高温辐射管和活化炉。该系统采用低温慢速热解及高温活化耦合的生产工艺，即时利用生产过程中产生的热解气和焦油为整个系统提供能量，系统热效率高且无二次污染。

Description

生物质两段式制备活性炭的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种生物质两段式制备活性炭的系统和方法，属于生物质热化学转化技术领域。

背景技术

作为一个农业大国，我国农作物秸秆年产量已达9亿t，但随着我国农村生产条件的改善，秸秆在传统燃料及饲料等领域的应用比例大幅降低。为缓解农业废弃物对环境造成的巨大压力，生物质发电产业受到国家大力推行，但目前我国发电产业年处理量为9000万t，仅占农业废弃物年产量的10％，剩余绝大部分仍被直接焚烧或丢弃，导致生物质资源的浪费及生态环境的污染。因此，从工业生产角度出发，将农作物秸秆作为生产原料，生产生物质活性炭是有效解决农村秸秆问题的另一有效出路。

此外，我国土壤污染问题日益加剧，全国土壤点位超标率为16.1％，其中耕地点位超标率已达19.4％，对农业经济的可持续发展造成重大威胁。土壤污染一般可分为有机型和无机型，其中无机型污染占比高达82.8％，主要是砷、镉、汞、铬、铅等无机污染物，土壤修复将是今后我国环境治理的重要环节。而生物质活性炭含有发达的孔隙结构、丰富的含氧官能团以及较好的吸附性能，在土壤修复领域具有广阔的应用前景。

生物质活性炭制备过程主要由炭化及活化两个步骤组成，其中炭化过程是指生物质原料在无氧或厌氧条件下进行脱水、裂解及炭化反应。炭化设备一般可分为固定床和移动床，其中移动床因其能够满足生产连续性而得到较大关注，主要有回转窑、隧道窑、竖流式炭化炉等。生物质活性炭的活化方法主要有物理活化及化学活化法，其中物理活化法一般采用高温水蒸气、二氧化碳、空气或其混合气体作为活化剂，与化学活化法相比，物理活化法在改善生物炭孔隙结构的同时能够避免化学试剂带来的二次污染。作为生物质活性炭生产的核心设备，活化炉炉型主要有机械耙动炉、沸腾炉、回转炉、斯列普炉、流化床等。

目前，生物质活性炭生产工艺仍存在很多问题，例如：生产过程难以控制，炉内温度场不均匀，导致生物质活性炭产品存在夹生现象，生产品质难以得到保证；过度依赖外部热源，资源消耗大，生产成本高；系统副产物利用不当或直接废弃，造成巨大的能源浪费，系统热效率低；生产过程中存在化学试剂污染，焦油问题难以解决，存在设备堵塞问题，且容易引发二次污染。

发明内容

发明目的：针对现有的生物质活性炭生产工艺存在的产品夹生、资源消耗大、热效率低、二次污染等问题，本发明采用低温慢速热解及高温活化耦合的生产工艺，提供一种生物质两段式制备活性炭的系统，并提供一种基于该系统制备生物质活性炭的方法。

技术方案：本发明所述的生物质两段式制备活性炭的系统，包括用于对生物质原料进行热解炭化的热解炉、用于对生物炭进行活化的活化炉、用于对出活化炉的携带固体颗粒的烟气进行气固分离的旋风分离器以及燃烧炉，还包括用于为热解炉和燃烧炉提供空气的送风机；热解炉为链条炉，热解炉上层区域布置有高温辐射管，旋风分离器的固体出口连接出料斗；燃烧炉用于对热解过程中产生的热解气和焦油以及出旋风分离器的气体进行燃烧、并将燃烧产生的高温烟气供给高温辐射管和活化炉、分别作为热源和活化剂。

本发明的系统将热解过程与活化过程分开进行，采用低温慢速热解及高温活化耦合，其中，热解炉采用链条炉，并采用辐射换热和自燃供热协同加热方式调节并控制热解炉内热解炭化反应温度，使炉内生物质原料能够均匀反应，避免夹生现象，同时，热解过程产生的热解气和焦油通入燃烧炉燃烧，为整个系统提供能量，系统热效率高且无二次污染。

优选的，热解炉内生物质原料的热解反应温度控制在400～450℃。进一步的，燃烧炉内燃烧温度控制在900～950℃，燃烧烟气含氧量控制在2～5％。活化炉内反应温度控制在700～750℃，燃烧炉的高温烟气出口与活化炉的气体入口之间设置循环风机。

其中，燃烧炉中燃烧反应产生的高温烟气中含有含氧活化气体，该含氧活化气体包括水蒸气、二氧化碳和氧气等，从而可作为活化炉的活化剂。

较优的，本发明的系统还包括空气预热器，空气预热器的冷空气入口连接送风机的空气出口，热烟气入口连接高温辐射管的烟气出口，且空气预热器的热空气出口连接燃烧炉的空气入口。本发明的系统还可包括依次连接的布袋除尘器、引风机和烟囱，布袋除尘器的气体入口与空气预热器的烟气出口连接。

为方便系统进料，本发明的系统还可包括斗提机和进料斗，斗提机与进料斗相连接，且进料斗与热解炉的进料口连通、用于连续向炉内输送生物质原料。

其中，热解炉的生物炭出口可通过螺旋输送器与活化炉的进料口连接，将热解炉中的生物炭在热态条件下直接送入活化炉进行活化反应，充分利用固体产物所携带的热量，可减少整个系统的散热损耗。

本发明的利用上述两段式系统制备生物质活性炭的方法，包括如下步骤：

(1)启动燃烧炉顶部的启动燃烧器对系统进行预热，当热解炉内温度达到400℃时，向热解炉内输送生物质原料、并通入空气，热解炉内燃烧反应以及高温辐射换热共同提供热量，使热解炉内温度维持在400～450℃，生物质原料经热解炉炭化后生成生物炭、热解气和焦油；

(2)生物炭进入活化炉活化，反应产生的烟气夹带活性炭颗粒流出活化炉、进入旋风分离器进行气固分离，生物质活性炭落入出料斗，高温气体进入燃烧炉进行燃烧反应；

(3)热解气和焦油进入燃烧炉燃烧，燃烧炉出口的高温烟气一股进入高温辐射管、向热解炉内提供热量，另一股进入活化炉、用作高温活化剂。

有益效果：与现有的生物质活性炭生产工艺相比，本发明存在下述优点：(1)采用链条式热解炉和流化床活化炉两个主要反应装置，可针对不同原料种类、不同含水率以及不同颗粒状态，调节反应器运行工况，生产出高质量的生物质活性炭产品，整个系统原料适应性较强；(2)热解炉主要采用辐射换热和自燃供热协同加热方式，燃烧炉产生的高温烟气通过高温辐射管向热解炉内传递热量，链条上的生物质原料在移动中依次完成脱水、热裂解、炭化三个过程，保证充足的反应时间以达到较好热解炭化效果，并且辐射供热的方式避免了载热气体对可燃组分的稀释作用，且一定程度减少系统的动力消耗；(3)热解炉中生物质原料热解过程中产生的可燃气体及焦油一同进入燃烧炉进行充分燃烧，防止生产过程中焦油堵塞设备及后续污染问题，整个系统无二次污染；燃烧反应产生的热量可为热解炉及活化炉提供热量，节省能源消耗，提高整个系统的热效率；燃烧产生的高温烟气含有水蒸气、二氧化碳、氧气等含氧活化气体，作为生物炭的活化剂促进生物炭进一步开孔扩容，生产出高比表面积的生物质活性炭；整个系统除生物质原料外，无需外在资源消耗。

附图说明

图1为本发明的生物质两段式制备活性炭的系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的生物质两段式制备活性炭的系统主要包括热解炉4、活化炉6、旋风分离器7和燃烧炉8。

其中，热解炉4用于对生物质原料进行炭化。生物质原料可通过斗提机1和进料斗2联合输送，斗提机1与进料斗2相连，进料斗2与热解炉4的进料闸门相通，从而可连续向热解炉4内输送生物质原料。热解炉4上层区域布置有高温辐射管3，通过辐射换热的方式向炉内传递热量；热解炉4采用链条炉，生物质原料均匀铺设在的链条上，在移动中依次完成脱水、热裂解、炭化三个过程，生成生物炭、热解气和焦油。

热解炉4热解过程所需空气由送风机15提供，送风机15为热解炉4提供常温空气，热解炉4主要采用辐射换热和自燃供热协同加热方式，热解反应过程中，可通过调节送风机15送入的空气的量将热解炉内温度控制400～450℃。

热解炉固相产物进入活化炉6中进行活化。热解炉4底部生物炭出口可通过螺旋输送器5与活化炉6进料口连接，将固相产物生物炭在热态条件下直接送入活化炉6进行活化反应，减少热量损耗。活化炉6采用鼓泡流化床，上部直径大，下部直径小，增加生物炭在活化炉内的停留时间；流化床活化炉整个截面温度较为均匀，且传热效率高，能够保证较好的活化效果；活化炉6顶部烟气出口与旋风分离器7连接，烟气携带活性炭固体颗粒进入旋风分离器7内进行气固分离，旋风分离器7底部固体出口与出料斗9连接，顶部气体出口与燃烧炉8连接。

热解炉4顶部热解气出口与燃烧炉8热解气进口连接，将热解炉内热解气及焦油产物送入燃烧炉8内充分燃烧，即时解决焦油问题，为整个系统提供能量。燃烧炉8可为圆柱形燃烧室，可燃气体与助燃空气在炉内切圆燃烧，底部设有灰斗；燃烧产生的高温烟气含有大量的热量，且高温烟气中含有水蒸气、二氧化碳和氧气等含氧活化气体，高温烟气出口分别与高温辐射管3入口和活化炉6气体进口连接，一方面为高温辐射管3输送热量，另一方面为活化炉6提供活化剂；燃烧炉8的高温烟气出口与活化炉6之间可通过高温循环风机14连接。

燃烧炉8燃烧过程所需空气由送风机15提供。燃烧炉8的空气入口与送风机15的空气出口之间可设置空气预热器10，将常温空气加热后送入燃烧炉8中参与燃烧反应。空气预热器10的冷空气入口连接送风机15的空气出口，热烟气入口连接高温辐射管3的烟气出口，且空气预热器10的热空气出口连接燃烧炉8的空气入口，烟气出口依次通过布袋除尘器11、引风机12，与烟囱13连接。空气预热器10选用管壳式换热器，热态烟气走管程，冷态空气走壳程，壳内设置折流板增加空气侧流程数，增强换热效果。

使用本发明的系统以生物质原料两段式制备活性炭的过程如下：

(1)启动燃烧炉8顶部的启动燃烧器及循环风机14、送风机15、引风机12，对燃烧炉8进行预热，燃烧产生的高温烟气进入热解炉4内的高温辐射管3中，对热解炉4进行预热；当热解炉4达到400℃时，启动斗提机1，向炉内输送生物质原料；向热解炉4内通入空气，氧气与原料的燃烧反应提供自燃供热，与辐射换热一同为生物质热解炭化提供热量；调节空气流量，使热解炉内反应温度维持在400～450℃，保证稳定的热解炭化工况；

(2)热解炉4内的生物质原料在移动过程中依次发生脱水、热裂解、炭化反应，生成生物炭热解气和焦油；生物炭经过炉排尾部后下落，通过螺旋输送器5进入活化炉6进行物理活化；热解气及焦油从热解炉4顶部出口排出，进入燃烧炉8进行充分燃烧，燃烧温度控制在900～950℃，燃烧产生的高温烟气含氧量控制在2～5％；燃烧炉8出口的高温烟气分为两股：一股进入高温辐射管3，通过辐射散热向热解炉4内提供热量，另一股通过高温循环风机14进入活化炉6，作为生物炭的高温活化剂；

(3)生物炭在活化炉6内与高温烟气中的水蒸气、二氧化碳、氧气等含氧活化气体发生反应，进一步开孔扩容，反应温度控制在700～750℃，反应产生的烟气夹带炭颗粒从顶部出口流出，进入旋风分离器7进行气固分离，生物质活性炭从旋风分离器7底部排出落入出料斗9，出料斗外壁设有水冷夹套，保证生物质活性炭在出料斗内充分冷却后排出，防止高温炭与空气接触反应从而影响出炭效果；高温气体从分离器7上部排出，重新进入燃烧炉8进行燃烧反应；

(4)高温辐射管3出口的烟气进入空气预热器10，预热送风机15输入的助燃空气，助燃空气被预热后进入燃烧炉8；空气预热器10出口烟气依次通过布袋除尘器11、引风机12，从烟囱13排出。

Claims (7)

1.一种生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，包括用于对生物质原料进行热解炭化的热解炉、用于对生物炭进行活化的活化炉、用于对出活化炉的携带固体颗粒的烟气进行气固分离的旋风分离器以及燃烧炉，还包括用于为热解炉和燃烧炉提供空气的送风机；所述热解炉为链条炉，热解炉上层区域布置有高温辐射管，所述旋风分离器的固体出口连接出料斗；所述燃烧炉用于对热解过程中产生的热解气和焦油以及出旋风分离器的气体进行燃烧、并将燃烧产生的高温烟气供给高温辐射管和活化炉、分别作为热源和活化剂；所述热解炉内生物质原料的热解炭化反应温度控制在400～450℃，所述燃烧炉内燃烧温度控制在900～950℃，燃烧烟气含氧量控制在2～5％，所述活化炉内反应温度控制在700～750℃；所述高温烟气中含有含氧活化气体，所述含氧活化气体包括水蒸气、二氧化碳和氧气。

2.根据权利要求1所述的生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，燃烧炉的高温烟气出口与活化炉的气体入口之间设置循环风机。

3.根据权利要求1所述的生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，所述系统还包括空气预热器，空气预热器的冷空气入口连接送风机的空气出口，热烟气入口连接高温辐射管的烟气出口，且空气预热器的热空气出口连接燃烧炉的空气入口。

4.根据权利要求3所述的生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，所述系统还包括依次连接的布袋除尘器、引风机和烟囱，所述布袋除尘器的气体入口与空气预热器的烟气出口连接。

5.根据权利要求1所述的生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，所述系统还包括斗提机和进料斗，该进料斗与热解炉的进料口连通、用于连续向炉内输送生物质原料。

6.根据权利要求1所述的生物质两段式制备活性炭的系统，其特征在于，所述热解炉的生物炭出口通过螺旋输送器与活化炉的进料口连接。

7.一种利用权利要求1所述的系统制备生物质活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)启动燃烧炉顶部的启动燃烧器对系统进行预热，当热解炉内温度达到400℃时，向热解炉内输送生物质原料、并通入空气，热解炉内燃烧反应以及高温辐射换热共同提供热量，使热解炉内温度维持在400～450℃，生物质原料经热解炭化后生成生物炭、热解气和焦油；

(2)生物炭进入活化炉活化，反应产生的烟气夹带活性炭颗粒流出活化炉、进入旋风分离器进行气固分离，生物质活性炭落入出料斗，高温气体进入燃烧炉进行燃烧反应；

(3)所述热解气和焦油进入燃烧炉燃烧，燃烧炉出口的高温烟气一股进入高温辐射管、向热解炉内提供热量，另一股进入活化炉、用作高温活化剂。

Images