CN109504411B - 制备生物炭的方法以及实施其的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备生物炭的方法以及实施其的系统，方法包括以下步骤：S1、将生物质在预处理装置内进行预处理，得到含水量在预定重量比之下且粒径在预定范围内的块状原料；S2、将块状原料在热解装置内进行热解反应，得到生物炭和热解油气；S3、将生物炭在除灰装置内进行除灰处理。由此，通过上述方法，采用除灰装置对生物炭进行脱灰，降低了生物炭灰分，增加其利用途径，可作为生产经济价值高的石墨电极、石墨烯、活性炭等的原料，解决了生物炭资品质差、只能生产低端产品的问题，增加处理工艺经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化处理技术领域，尤其是涉及一种制备生物炭的方法以及实施其的系统。
背景技术
生物质每年产量巨大，约1460亿吨，利用其作为能源量占世界能源消耗总量的14％，是当今世界第四大能源。化石能源不可再生，利用过程会产生“酸雨、温室效应”等环境问题，生物质能源具有利用过程中NOX、SOX及碳排放量少等优点受到了国家政府及政策的大力支持，但目前生物质主要的利用方式是焚烧发电，此技术存在污染环境、产品单一(电能)、经济效益差等问题，所以如何将其高效资源化利用引起了国内外学者的关注。
生物质热解属于全球先进的利用技术，热解过程会产生高附加值产品(热解油、热解气和生物炭)，但由于生物质本身还有一定量的灰分，导致生物炭中灰分通常在5％-30％之间，灰分的存在降低了生物炭的利用价值。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备生物炭的方法，该方法可以去除生物炭中的灰分，可以得到高价值的生物炭。
本发明进一步地提出了一种实施制备生物炭的方法的系统。
根据本发明的制备生物炭的方法，包括以下步骤：S1、将生物质在预处理装置内进行预处理，得到含水量在预定重量比之下且粒径在预定范围内的块状原料；S2、将块状原料在热解装置内进行热解反应，得到生物炭和热解油气；S3、将生物炭在除灰装置内进行除灰处理。
由此，通过上述方法，采用除灰装置对生物炭进行脱灰，降低了生物炭灰分，增加其利用途径，可作为生产经济价值高的石墨电极、石墨烯、活性炭等的原料，解决了生物炭资品质差、只能生产低端产品的问题，增加处理工艺经济效益。另外，采用热解技术实现了生物质资源化利用，此过程不产生粉尘、酸性气体、NOx、SOx等污染物，环保效益高，省去了大量的环保投资和运行成本。还有，采用上述方法，解决了现有技术中焚烧工艺环境效益差，生物炭灰分高、品质低、直接燃烧污染物多、经济效益差的问题。
在本发明的一些示例中，在所述步骤S3中，将除灰装置的温度控制在2500-3500℃之间，保温时间控制在0.5-3h之间。
在本发明的一些示例中，在所述步骤S3中，将除灰装置中产生的金属蒸汽送入金属收集器中。
在本发明的一些示例中，所述方法还包括：S4、将热解油气送入余热回收装置，然后再进行油气分离，得到热解废水、热解油和热解气。
在本发明的一些示例中，所述方法还包括：S5、将热解废水送入中水回用处理装置，中水回用处理装置再将热解废水在余热回收装置中换热后送入预处理装置中。
在本发明的一些示例中，所述方法还包括：S6、将热解气送入热解装置以做燃料。
在本发明的一些示例中，在所述步骤S1中，得到含水量在20％之下且粒径在5-10mm内的块状原料。
在本发明的一些示例中，在所述步骤S2中，将块状原料在热解装置内铺设50-300mm厚度，热解温度控制在300-900℃之间，热解时间控制在0.5-3h之间。
根据本发明的实施所述的制备生物炭的方法的系统，包括：预处理装置，所述预处理装置具有生物质进口和原料出口；热解装置，所述热解装置具有原料进口、热解油气出口和生物炭出口，所述原料出口和所述原料进口相连；除灰装置，所述除灰装置具有生物炭进口、金属蒸汽出口和除灰生物炭出口，所述生物炭出口和所述生物炭进口相连。
在本发明的一些示例中，所述系统还包括：余热回收装置，所述余热回收装置具有热解油气进口、余热回收热解油气出口、中水进口和中水出口，热解油气进口和所述热解油气出口相连，所述中水出口和所述预处理装置相连；油气分离装置，所述油气分离装置具有余热回收热解油气进口、热解气出口、热解油出口和热解废水出口，所述余热回收热解油气进口与所述余热回收热解油气出口相连；中水回用处理装置，所述中水回用处理装置具有热解废水进口和中水回用出口，所述热解废水进口与所述热解废水出口相连，所述中水回用出口和所述中水进口相连。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的制备生物炭的方法的工艺流程图；
图2是根据本发明实施例的实施制备生物炭的方法的系统的示意图。
附图标记：
系统100；
预处理装置1；破碎机11；烘干机12；成型机13；
热解装置2；除灰装置3；余热回收装置4；
油气分离装置5；冷却塔51；除尘塔52；电捕焦油器53；脱硫塔54；油水分离器55；热解气储罐56；
中水回用处理装置6；中水储罐7；热解油储罐8；生物炭储仓9；金属收集器10。
具体实施方式
下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的制备生物炭的方法。
如图1所示，根据本发明实施例的制备生物炭的方法包括以下步骤：S1、将生物质在预处理装置1内进行预处理，得到含水量在预定重量比之下且粒径在预定范围内的块状原料。预处理的主要目的是将生物质破碎、干燥和成型以得到具有一定粒径的原料，具体地，预处理工艺包括破碎、烘干和成型，将原料水分烘干至20％以下，并制成粒径5-10mm的块状原料，这样得到的块状原料可以为后续处理做准备。
S2、将块状原料在热解装置2内进行热解反应，得到生物炭和热解油气。热解装置2为热解炉。经过预处理的原料含水率为20％以下、形状为方形，将其均匀给入热解炉，铺料厚度50-300mm，在炉内经过阶段升温，完成干燥、热解和活化的反应，热解温度300-900℃，热解时间为0.5-3h。其中，采用热解装置2作为生物质热解制油、气和炭的设备，在同一个热解炉内完成了干燥、干馏以及炭化过程，流程短，能源利用率高，易于放大，实现规模化。
S3、将生物炭在除灰装置3内进行除灰处理。除灰装置3可以为除灰炉。将生物炭经管路送入除灰炉，在2500-3500℃保温0.5-3h，生物炭中灰分CaO、SiO2、MgO、Al2O3等以氧化物状态蒸发或被炭还原以单质形式蒸发，通过真空泵抽出除灰炉外，在金属收集器10中冷凝收集，生产的高纯生物炭灰分0.1-0.5％，可作为生产石墨烯电极、石墨烯、活性炭等高价值原材料。
由此，通过上述方法，采用除灰装置3对生物炭进行脱灰，降低了生物炭灰分，增加其利用途径，可作为生产经济价值高的石墨电极、石墨烯、活性炭等的原料，解决了生物炭资品质差、只能生产低端产品的问题，增加处理工艺经济效益。另外，采用热解技术实现了生物质资源化利用，此过程不产生粉尘、酸性气体、NOx、SOx等污染物，环保效益高，省去了大量的环保投资和运行成本。还有，采用上述方法，解决了现有技术中焚烧工艺环境效益差，生物炭灰分高、品质低、直接燃烧污染物多、经济效益差的问题。
还有，制备生物炭的方法还包括：S4、将热解油气送入余热回收装置4，其中，产生的高温油气经管路进入余热回收装置4，温度由500-800℃降至250-400℃，然后再进行油气分离，得到热解废水、热解油和热解气。低温热解油气进入油气分离装置5，油气分离装置5包括冷却塔51、除尘塔52、电捕焦油器53、脱硫塔54、油水分离器55，其中酸性气体降至10mg/Nm3以下、重金属含量降至20mg/Nm3以下。热解油储存在热解油储罐8内，热解油可以外运销售。
S5、分离后的热解气和热解油分别进入热解气储罐56和热解油储罐8，热解废水进入中水回用处理装置6，中水回用处理装置6再将热解废水在余热回收装置4中换热后送入预处理装置1中。其中，中水回用处理装置6产生的中水经管路先储存在中水储罐7内，再经中水储罐7进入余热回收装置4加热端，温度为200-350℃，作为预处理单元烘干装置热源。S6、气储罐内的热解气可以送入热解装置2以做燃料，具体地，热解气可以在热解装置2中的辐射管内燃烧。
根据本发明实施例的制备生物炭的方法的系统100，包括：预处理装置1、热解装置2和除灰装置3，当然，系统100还可以包括：余热回收装置4、油气分离装置5和中水回用处理装置6。
如图2所示，预处理装置1具有生物质进口和原料出口，其中，根据预处理工艺要求，预处理装置1包括破碎机11、烘干机12和成型机13，其连接顺序为破碎机11-烘干机12-成型机13，破碎机11和成型机13均具有一个进料口和一个出料口，烘干机12具有进料口、出料口和热源进口、出口。其中破碎机11的进料口即为生物质进口，成型机13的出料口即为原料出口。
热解装置2具有原料进口、热解油气出口和生物炭出口，原料出口和原料进口相连，热解装置2为旋转床热解炉。旋转床设置的加热装置为蓄热式辐射管，燃料为洁净的热解气。
除灰装置3具有生物炭进口、金属蒸汽出口和除灰生物炭出口，生物炭出口和生物炭进口相连。其中除灰装置3为除灰炉，生物炭出口与生物炭储仓9进口相连，金属蒸汽出口与所述金属收集器10的进口相连。
余热回收装置4具有热解油气进口、余热回收热解油气出口、中水进口和中水出口，热解油气进口和热解油气出口相连，中水出口和预处理装置1相连，油气分离装置5具有余热回收热解油气进口、热解气出口、热解油出口和热解废水出口，余热回收热解油气进口与余热回收热解油气出口相连，中水回用处理装置6具有热解废水进口和中水回用出口，热解废水进口与热解废水出口相连，中水回用出口和中水进口相连，中水出口与热源进口相连，
由此，通过上述系统100，采用除灰装置3对生物炭进行脱灰，降低了生物炭灰分，增加其利用途径，可作为生产经济价值高的石墨电极、石墨烯、活性炭等的原料，解决了生物炭资品质差、只能生产低端产品的问题，增加处理工艺经济效益。另外，采用热解技术实现了生物质资源化利用，此过程不产生粉尘、酸性气体、NOx、SOx等污染物，环保效益高，省去了大量的环保投资和运行成本。还有，采用上述方法，解决了现有技术中焚烧工艺环境效益差，生物炭灰分高、品质低、直接燃烧污染物多、经济效益差的问题。
油气分离装置5包括激冷塔、湿式除尘塔52、电捕焦油器53、脱硫塔54、热解气管道。激冷塔有进气口、出气口和油水出口，油水出口与所述油水分离器55进口相连，除尘塔52有进气口和出气口，进气口与气化气管道相连，出气口与所述脱硫塔54相连进气口相连，所述脱硫塔54出气口与所述脱硝塔进气口相连，脱硝塔出气口与储气罐进气口相连，储气罐出气口与所述旋转床辐射管进气口相连。
下面给出具体实施例。
采用某市水稻秸秆为原料，含水率35.4％。
进厂的生物质经过破碎得到＜1-2mm粒级物料，经过烘干机12后含水率降至20％以下，采用成型机13制成尺寸为5×7×8方块后均匀给入旋转床热解炉，布料厚度100mm，在炉内垃圾随炉底的转动经过干燥、热解、活化完成反应，其中干燥区温度350℃，热解区温度800℃，活化区温度900℃，反应时间1.5h；生物炭产率为42.3％，灰分为23％。生物炭经给料机均匀给入除灰炉，反应温度2800-3000℃，获得的高纯生物炭灰分0.31％；高温油气经油气分离净化后，其酸性气体含量降至8.3mg/Nm3、重金属含量降至12.1mg/Nm3以下。采用本发明系统100可降低投资成本9.7％、吨生物质效益增加671元。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种制备生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将生物质在预处理装置内进行预处理，得到含水量在预定重量比之下且粒径在预定范围内的块状原料；
S2、将块状原料在热解装置内进行热解反应，得到生物炭和热解油气；
S3、将生物炭在除灰装置内进行除灰处理，且将除灰装置的温度控制在2500-3500℃之间，保温时间控制在0.5-3h之间。
2.根据权利要求1所述的制备生物炭的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，
将除灰装置中产生的金属蒸汽送入金属收集器中。
3.根据权利要求1所述的制备生物炭的方法，其特征在于，还包括：
S4、将热解油气送入余热回收装置，然后再进行油气分离，得到热解废水、热解油和热解气。
4.根据权利要求3所述的制备生物炭的方法，其特征在于，还包括：
S5、将热解废水送入中水回用处理装置，中水回用处理装置再将热解废水在余热回收装置中换热后送入预处理装置中。
5.根据权利要求3所述的制备生物炭的方法，其特征在于，还包括：
S6、将热解气送入热解装置以做燃料。
6.根据权利要求1所述的制备生物炭的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，
得到含水量在20%之下且粒径在5-10mm内的块状原料。
7.根据权利要求1所述的制备生物炭的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，
将块状原料在热解装置内铺设50-300mm厚度，热解温度控制在300-900℃之间，热解时间控制在0.5-3h之间。
8.一种实施权利要求1-7中任一项所述的制备生物炭的方法的系统，其特征在于，包括：
预处理装置，所述预处理装置具有生物质进口和原料出口；
热解装置，所述热解装置具有原料进口、热解油气出口和生物炭出口，所述原料出口和所述原料进口相连；
除灰装置，所述除灰装置具有生物炭进口、金属蒸汽出口和除灰生物炭出口，所述生物炭出口和所述生物炭进口相连。
9.根据权利要求8所述的实施制备生物炭的方法的系统，其特征在于，还包括：
余热回收装置，所述余热回收装置具有热解油气进口、余热回收热解油气出口、中水进口和中水出口，热解油气进口和所述热解油气出口相连，所述中水出口和所述预处理装置相连；
油气分离装置，所述油气分离装置具有余热回收热解油气进口、热解气出口、热解油出口和热解废水出口，所述余热回收热解油气进口与所述余热回收热解油气出口相连；
中水回用处理装置，所述中水回用处理装置具有热解废水进口和中水回用出口，所述热解废水进口与所述热解废水出口相连，所述中水回用出口和所述中水进口相连。
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