CN109628121A - 一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，包括依次相连的水热烘焙子系统(1)、中温热解子系统(2)以及高温炭化子系统(3)；其中，所述水热烘焙子(1)用于制备富含糠醛的液体产物和水热炭；中温热解子系统(2)用于得到富含糖类的生物油及中温热解炭；高温炭化子系统(3)包括旋转进料阀(3‑1)、多级高温电炉(3‑2)、气路分配管路(3‑3)、产物冷却装置(3‑8)、焦炭冷却箱(3‑12)以及挥发分冷凝装置(3‑20)，用于对热解炭进行多级高温炭化及活化，得到具有储能特性的硅炭材料。本发明还提供一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的方法，能同时获得高品质能源化学品和硅炭材料，处理效率高，热利用率高，操作方便。

Description

一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统及方法
技术领域
本发明属于生物质多联产技术领域，更具体地，涉及一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统及方法。
背景技术
生物质的利用是生态涵养发展区的重要内容之一，充分利用废弃生物质资源，变废为宝，是生物质的重要发展方向。水稻是人类最广泛的粮食作物之一，水稻的种植产生了大量的稻壳。稻壳作为一种常规的农业废弃物，每年产量巨大，但其无害化和资源化利用较为困难。
稻壳主要由半纤维素、纤维素和木质素组成，通过热解技术能将稻壳转化为具有一定价值的炭、气、油产物，提高稻壳的利用价值。但半纤维素、纤维素和木质素具有不同的分解温度和热解产物，目前常规热解方式往往是收集特定温度的液体产物，导致所得液体成分较为复杂，后续还需进一步提质。
此外，稻壳具有较高的灰含量，且主要以较为稳定的SiO2为主。稻壳可以利用原本结构中硅炭包覆结构，自碳热反应得到性能优异的硅炭电极材料，用于储能领域，来缓解目前的能源问题。然而，碳热还原反应的反应温度及能耗都很高，这对装置的热效率提出了很高的要求；而且在储能系统的构建中，储能单元的性能差异过大会导致储能系统性能的快速衰减，这对材料的均一性具有较高的要求。如何提升稻壳基硅炭电极的均一性及工艺的热效率也是目前亟待解决的问题。
已有的生物质制备糠醛设备多为间歇型水热釜，存在装料密封程序繁琐、反应器面积过大，加热不均匀、反应产物分离困难等问题，易导致产物品质不高且不均一。另一方面，现有的生物质制备糠醛系统常在氮气氛围下进行，所得糠醛含量较低
专利CN107723017A公开了一种流化床热解炉，包括炉腔，所述炉腔内部设置有高温烟气通过的内部换热管，所述炉腔设置有外部导流管，所述外部导流管与数数内部换热管相连通，所述炉腔底部设置有输入惰性气体到炉腔的进气口。其比热容较低，炉内温度均匀性差，无法实现流化床炉腔内部温度精准控制；同时仅设置一级给料，给料压力大，物料炉内分布不均匀；此外流场设计不合理，物料炉内停留时间短，热裂解不充分，需要研发一种新型供热介质的热裂解反应炉。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，采用依次相连的水热烘焙子系统、中温热解子系统以及高温炭化子系统，并对各子系统的具体结构进和彼此装配关系进行了优化，克服了目前生物质热解中液体产物组分复杂，有效成分浓度低，焦炭品质不高等问题，可以实现稻壳的分级利用，实现糠醛、糖类和焦炭在不同温度段的富集，同时获得高品质能源化学品和硅炭材料，具有处理效率高，热利用率高，操作方便等特点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，包括依次相连的水热烘焙子系统、中温热解子系统以及高温炭化子系统；其中，
所述水热烘焙子系统包括依次连接的原料输送机、盘管式反应釜以及离心机，用于在CO2氛围下对稻壳进行水热烘焙，并对产物进行高效分离，得到富含糠醛的液体产物和水热炭；
所述中温热解子系统包括依次相连的给料器装置、流化床热解炉、旋风分离器、一级生物油冷凝箱和二级生物油冷凝箱，用于实现水热炭在CO2氛围下的热解，以得到富含糖类的生物油及中温热解炭；
所述高温炭化子系统包括旋转进料阀、多级高温电炉、气路分配管路、产物冷却装置、焦炭冷却箱以及挥发分冷凝装置，用于对中温热解炭进行多级高温炭化及活化，以提高炭品质，得到具有储能特性的硅炭材料。
进一步地，所述原料输送机包括进料阀和储料罐，所述进料阀位于所述储料罐的外部上方，所述储料罐的下部出口处设有出料阀，并且所述出料阀与浆料输送机固定连接，所述浆料输送机与所述盘管式反应釜连接；
所述盘管式反应釜设有盘管式反应器，所述盘管式反应器外部套有加热套管，所述盘管式反应器的中心设有所述CO2管道；
所述离心机布置于系统的末端，其侧面上设有排气口和出液口，所述离心机的底部设有固相出口，所述排气口与所述CO2管道的对接，实现连续式水热反应。
进一步地，所述CO2管道上设置若干对冲式CO2喷口，所述对冲式CO2喷口沿所述盘管式反应器的轴向错列布置，所述盘管式反应器的入口处设有节流阀，所述盘管式反应器的出口处设置止回阀。
进一步地，所述给料器装置包括沿所述流化床热解炉高度方向上从下到上依次布置的一级螺旋给料器和二级螺旋给料器，分别与所述离心机的底部设置的所述固相出口相连；
所述流化床热解炉包括依次相连的底部的CO2进风口、裂解炉竖直炉膛、裂解炉水平炉膛；其中，所述裂解炉竖直炉膛和裂解炉水平炉膛分别安装有一级熔融盐换热导管和二级熔融盐换热导管，用于温度均匀的熔融盐换热介质的通过；
所述旋风分离器位于所述裂解炉水平炉膛的尾部，其下部设有集焦箱；
所述一级生物油冷凝箱与所述旋风分离器相连，其底部布置有一级生物油收集箱；所述二级生物油冷凝箱与所述一级生物油冷凝箱相连，其底部布置有二级生物油收集箱。
进一步地，多个所述一级熔融盐换热导管和所述二级熔融盐换热导管分别均匀布置于所述裂解炉竖直炉膛和所述裂解炉水平炉膛中；且多个所述一级熔融盐换热导管两端分别设置共用的一个一级热熔融盐进口和一个一级热熔融盐出口；多个所述二级熔融盐换热导管两端分别设置共用的一个二级热熔融盐进口和一个二级热熔融盐出口。
进一步地，所述给料器装置还包括一级料斗、二级料斗、一级加热箱以及二级加热箱；
所述一级螺旋给料器、二级螺旋给料器的进料口分别与所述一级料斗、二级料斗相连，所述一级螺旋给料器、二级螺旋给料器的外部分别设置所述一级加热箱、二级加热箱。
进一步地，所述旋转进料阀与所述集焦箱相连，所述多级高温电炉上端与所述旋转进料阀连接、下端与所述产物冷却装置连接，根据温度设置的不同由上至下分为中温热解区、物理活化区及高温碳热区；所述高温碳热区下设冷却换热区；其中在所述物理活化区及高温碳热区的电炉壁面上还设有划分周向反应区间的反应单元盒，所述物理活化区还设置环形活化介质分布器；
所述气路分配管路包括气路套管的抽气外管与活化介质进气内管，其中，所述活化介质进气内管延伸到物理活化区；所述抽气外管与所述挥发分冷凝装置的入口相连，并且所述挥发分冷凝装置的出口分别与所述活化介质进气内管和所述CO2进风口相连；所述活化介质进气内管通过所述环形活化介质分布器与所述反应单元盒相连；
所述产物冷却装置内部设有加强换热的换热盘管和集料缩口，其外部设有换热箱，所述换热箱相对两侧设有换热介质进出口，所述换热盘管与所述换热箱相连。
进一步地，所述多级高温电炉各反应区间互相贯通，电炉外设保温层；所述物料外侧滑板下倾角度为10～45度，平面投影宽度为3/5～4/5炉体半径；所述多级高温电炉的物理活化区壁面上的反应单元盒不少于4个，与所述物料外侧滑板、物料内侧滑板一同限制原料的运动速度。
进一步地，所述抽气外管外周还设置抽气物料挡板及抽气粉尘挡板；其中，所述抽气物料挡板位于中温热解区中，所述抽气粉尘挡板位于高温碳热区中。
按照本发明的另一方面，提供一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统的反应方法，应用所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统实现，包括如下步骤：
S1：通过所述水热烘焙子系统，在CO2氛围下对稻壳进行水热烘焙，并对产物进行分离，得到富含糠醛的液体产物和水热碳：
S11：将生物质原料和水通过所述进料阀送入到所述原料输送机中，混合均匀，并由所述出料阀送入到所述浆料输送机中；
S12：所述原料输送机上的所述出料阀将设定流量的生物质原料和水混合浆液送入所述盘管式反应器中进行水热反应；
S13：水热反应完毕的产物经过尾部所述冷却管道内冷却后进入所述离心机，所述冷却管道采用水为冷却介质，换热完毕的水作为反应物由所述进料阀送入所述原料输送机中；
S14：反应产物在所述离心机中进行分离，分离得到的气体产物依次通过所述排气口、所述CO2管道及所述多级对冲式CO2喷口，重新进入到所述盘管式反应器中，以循环利用；
S15：分离出的液体产物，从所述出液口排出，可得到富含糠醛的生物油和无机矿物质的营养液，分离出的固体产物从固相出口所述排出，而固相出口所述排出的水热炭作为中温热解子系统的原料。
S2：通过所述中温热解子系统，水热碳在CO2氛围下的热解，得到富含糖类的生物油及中温热解碳：
S21：相对更多的水热炭由所述一级螺旋给料器送入所述裂解炉竖直炉膛，而剩余的物料由所述二级螺旋给料器送入；物料在两级螺旋给料器内通过吸收来自于两级生物油冷凝箱的高温导热油的热量实现预热目的；
S22：预热后的物料在由所述CO2进风口进入的CO2流化风的带动下，充分与位于所述裂解炉竖直炉膛的所述一级熔融盐换热导管和位于所述裂解炉水平炉膛的所述二级熔融盐换热导管接触，实现热解过程；
S23：热解完毕的产物进入所述旋风分离器进行旋风分离，分离出的固体产物冷却后形成最终焦炭产品，收集在所述集焦箱中；而气体产物依次通过后续所述一级生物油冷凝箱和所述二级生物油冷凝箱充分冷凝，在所述一级生物油收集箱和所述二级生物油收集箱中分别得到高沸点生物油和低沸点生物油；未冷凝的气体重新通入到所述CO2进风口作为流化风；
S3：通过所述高温碳化子系统对中温热解碳进行多级高温碳化及活化，以提高碳品质，得到具有储能特性的硅碳材料：
S31：反应装置各级达到预定温度后，所述中温热解子系统得到的热解炭按固定进料速率由周向均匀进料装置的所述旋转进料阀进入，随后，原料颗粒抛落到所述物料内侧滑板上，同时也进入了所述多级高温电炉中的中温热解区的第一级，温度为第一设定温度，原料发生热解反应，产生大量挥发分，被抽入所述抽气外管中，挥发分可凝组分在所述挥发分冷凝冷却装置中收集下来，高温不可凝气体经冷却后被抽气泵抽出；
S32：物料继续从所述物料内侧滑板缓速滑落到所述物料外侧滑板上，进入中温热解区第二级，温度为第二设定温度，物料进一步石墨化，转化为无定形炭与石墨的复合结构；
S33：物料从所述物料外侧滑板缓速滑落到下一层所述物料内侧滑板上，迅速滑入物理活化区第一级的所述反应单元盒内，活化介质以固定流量进入所述活化介质进气内管中，并沿管程与所述抽气外管的高温烟气换热，通过所述环形活化介质分布器，活化介质均匀进入到每一个所述反应单元盒中，在第三设定温度下，堆积物料层发生活化反应；
S34：而后物料从所述反应单元盒下端缝隙继续滑出，落到下一级的所述物料内侧滑板上，并迅速转移到接下来的所述反应单元盒中；
S35：物料从物理活化区滑出后，进入到高温碳热区的所述反应单元盒中，反应温度为第四设定温度，物料中的无定形炭进一步石墨化的同时，与二氧化硅组分发生反应，产生的CO从物料的孔隙中析出后被抽出，炭与二氧化硅的界面上生成炭化硅及少量硅单质，随反应时间增长，界面逐渐向二氧化硅内部扩展，最终生成炭硅复合物；
S36：高温碳热后物料滑入冷却换热区，落到预堆积在冷却换热区的预堆积料上，所述旋转出料阀首先放出预堆积料，放料速率与进料速率相同，产物向壁面辐射换热，与所述换热盘管接触换热，产物冷却至一定温度后，从所述旋转出料阀排出，并在所述焦炭冷却箱进行二次冷却，换热完毕的导热油从所述换热箱出口排出与流经所述二级生物油冷凝箱、一级生物油冷凝箱换热的导热油汇合，输入到螺旋给料器加热箱来干燥入炉水热炭，实现余热的充分利用进行下一步的余热利用。
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，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，采用依次相连的水热烘焙子系统、中温热解子系统以及高温炭化子系统，并对各子系统的具体结构进和彼此装配关系进行了优化，克服了目前生物质热解中液体产物组分复杂，有效成分浓度低，焦炭品质不高等问题，可以实现稻壳的分级利用，实现糠醛、糖类和焦炭在不同温度段的富集，同时获得高品质能源化学品和硅炭材料，具有处理效率高，热利用率高，操作方便等特点。
(2)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，反应过程都在CO2氛围中进行，对于目标产物的定向制备具有重要意义：水热烘焙子系统，一方面可以促进糠醛类物质在油相的富集，另一方面也可以促进脱灰，得到低灰、高品质水热炭产物，有益于后续炭化过程；中温热解子系统，CO2氛围下的中温热解，可以促进糖类的生成；高温炭化子系统，CO2对于炭材料的孔隙及调控硅炭比具有重要作用。
(3)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，利用水热烘焙子系统产物的余热加热进入储料罐的水；利用高温炭化子系统硅炭材料初步冷却释放的热量加热中温热解子系统的熔融盐；利用硅炭材料二次冷却释放的热量及中温热解子系统两级生物油冷凝释放的热量加热导热油，进而干燥水热炭；利用抽气外管抽出的高温气体释放的热量预热进入中温热解子系统的流化风和高温炭化子系统的CO2活化介质，实现了余热的高效利用，提高了系统的热利用效率。
(4)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，水热烘焙子系统的气体产物作为水热气氛重新输入到盘管式反应器；中温热解子系统的不可凝气体作为流化床热解炉的流化风和多级高温电炉物理活化区的活化介质，实现了气体产物的重复利用。
(5)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，水热烘焙子系统，其盘管式反应釜采用线绕式布置，外部套有加热套管，中心布置有CO2管路，独特的设计能确保物料在反应器中有足够的停留时间，同时能减少物料内部的温差，保证产物的均匀性。
(6)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，中温热解子系统，采用比热容大，传热效率高的熔融盐作为供热介质，能精确控制炉内温度，同时熔融盐换热管道垂直于流化风流动方向布置，能加强与物料颗粒的换热与碰撞，提高换热效率。
(7)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，高温炭化子系统，将中温热解、物理活化及高温炭化三个反应区结合在同一多级高温炉炉体内，通过调节反应气氛及温度来定义反应区间，高度的集成化可降低反应器设计及建造成本，降低物料输运过程中的能量损失，有效简化工序，并提高能量利用率。
(8)本发明的稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统，高温炭化子系统，利用旋转进料阀，使周向的物料供给速率相近，减小周向物料供给速率差异导致的物料在各区的反应时间差异，提高产物的均一性。同时，通过将物理活化区及高温炭化区划分为独立的反应区间(反应单元盒)，促进物料近壁面堆积，并结合气化介质分布式进气方式，保证独立反应区温度场及气氛的均匀性，进而提高产物的均一性。
附图说明
图1是本发明实施例一种稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统的总体结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的水热烘焙子系统的结构示意图；
图3是图2中涉及的盘管式反应器侧视图；
图4是本发明实施例提供涉及的中温热解子系统和高温炭化子系统结构示意图；
图5是本发明实施例图4中涉及的A-A视图；
图6是本发明实施例图4中涉及的B-B视图；
图7是本发明实施例涉及的高温炭化子系统结构示意图；
图8是本发明实施例图7中涉及的C-C视图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-水热烘焙子系统、2-中温热解子系统、3-高温炭化子系统；1-1出料阀，1-2原料输送机，1-3储料罐，1-4进料阀，1-5加热套管，1-6、盘管式反应器，1-7盘管式反应釜，1-8止回阀，1-9冷却管道，1-10物料导出管，1-11出料口，1-12离心机，1-13固相出口，1-14出液口，1-15排气口，1-16、CO2管道，1-17节流阀，1-18浆料输送机，1-19对冲式CO2喷口；2-1给料器，2-2一级加热箱，2-3一级螺旋给料器，2-4一级料斗，2-5二级加热箱，2-6二级螺旋给料器，2-7二级料斗，2-8导流板，2-9裂解炉竖直炉膛，2-10一级熔融盐换热导管，2-11二级熔融盐换热导管，2-12裂解炉水平炉膛，2-13旋风分离器，2-14一级生物油冷凝箱，2-15一级生物油收集箱，2-16二级生物油冷凝箱，2-17二级生物油收集箱，2-18集焦箱，2-19折烟角，2-20流化床热解炉，2-21、CO2进风口，2-22一级热熔融盐进口，2-23一级热熔融盐出口、2-24二级热熔融盐进口，2-25二级熔融盐出口；3-1旋转进料阀，3-2多级高温电炉，3-3气路分配管路，3-4抽气外管，3-5活化介质进气内管，3-6物料内侧滑板，3-7反应单元盒，3-8产物冷却装置，3-9换热箱，3-10换热盘管，3-11旋转出料阀，3-12焦炭冷却箱，3-13环形进口，3-14物料外侧滑板，3-15环形活化介质分布器，3-16抽气粉尘挡板，3-17集料缩口，3-18换热介质进出口，3-19抽气物料挡板，3-20挥发分冷凝装置，3-21抽风机。
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。
图1是本发明实施例一种稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的系统的总体结构示意图，如图1所示，以稻壳为原料，分级联产富含糠醛、富含糖类的生物油及硅炭材料，该系统包括稻壳水热烘焙子系统1，中温热解子系统2以及高温炭化子系统3，其中，水热烘焙子系统用于在CO2氛围中对稻壳进行水热烘焙，通过反应釜结构的优化，改善水热过程，以实现糠醛类产物在液体产物中的富集，同时得到高品质低灰水热炭；中温热解子系统2用于对低灰水热炭进行深度干燥及CO2氛围下的热解反应，通过熔融盐供热式流化床热解炉内部的温度场、流场的优化和采用分级冷凝技术，实现富含糠醛的生物油及品质均一的热解炭的高效制备；高温炭化子系统3用于对热解炭进一步炭化活化，通过优化给料、布风方式，单元化反应空间，实现品质均一硅炭复合物材料的制备。
下面对各子系统逐一进行更为具体的说明。
具体地，图2是本发明实施例涉及的水热烘焙子系统的结构示意图。如图2所示，水热烘焙子系统包括依次连接的原料输送机1-2、盘管式反应釜1-7以及离心机1-12。其中，原料输送机1-2包括出料阀1-1-1、进料阀1-4、储料罐1-3、以及浆料输送机1-18。其中，进料阀1-4位于储料罐1-3外部上方，用于将生物质原料以及水输送入储料罐1-3中；储料罐1-3的下部出口处设有出料阀1-1-1，并且出料阀1-1-1通过弯管与浆料输送机1-18固定连接。
进一步地，浆料输送机1-18与盘管式反应釜1-7固定连接，盘管式反应釜1-7包括依次连接的节流阀1-17、盘管式反应器1-6、止回阀1-8，冷却管道1-9及物料导出管1-10。其中，节流阀1-17设置于盘管式反应器1-6的入口处，止回阀1-8设于盘管式反应器1-6的出口处；物料导出管1-10为弯管结构，冷却管道1-9套设于物料导出管1-10上，冷却管道1-9用于反应产物的冷却。另外，盘管式反应器1-6外部套有加热套管1-5，盘管式反应器1-6的中心设有CO2管道1-16，用于提供足够的物料水热空间及特定的CO2氛围，CO2管道1-16一端为封闭结构。本发明的盘管式反应器1-6物料流通方向布置的节流阀和止回阀，能够有效保证物料正常流动，其中节流阀1-17能够控制浆液流速，止回阀1-8能够控制反应器中的物料单向流动而不倒流。另外，冷却管道1-9内部的水由于吸收水热产物释放的热量而温度升高，为了充分利用余热，可以将换热完毕的水作为反应物由进料阀1-4送入原料输送机1-2，再进入盘管式反应釜1-7，有助于提高入炉温度。一方面提高了水的利用率，另一方面提高了反应系统中的热效率。
进一步地，盘管式反应釜1-7通过弯管与离心机1-12相连，离心机1-12的侧面上布置有排气口1-15和出液口1-14，离心机1-12的底部设有固相出口1-13，其中排气口1-15用于将反应体系中的CO2排出，出液口1-14用于将离心后的液体部分排出，固相出口1-13用于将离心后剩下的固体残渣排出，以实现分离产物的分离。另外，排气口1-15与CO2管道1-16能够实现对接，离心机1-12分离出的气体产物由于富含CO2气体，可以作为反应气氛，因此可以将离心机1-12分离出的CO2重新输送进盘管式反应釜1-7中，实现CO2的循环利用，CO2管道1-16的另一端为封闭结构。本发明的CO2气体经离心机1-12分离后由排气口、CO2管道1-16、对冲式CO2喷口1-19逐步进入盘管式反应器1-6，实现气体的循环过程。
进一步地，如图3所示，盘管式反应器1-6是水热反应的空间，为了提高水热产物的品质，本发明的盘管式反应器1-6采用线绕式布置，盘管式反应器1-6的外部套有加热套管1-5，且盘管式反应器1-6温度为150℃～250℃，盘管式反应器1-6中心布置有CO2管道1-16，CO2管道1-16上设置若干对冲式CO2喷口1-19，对冲式CO2喷口1-19在盘管式反应器1-6的轴向错列布置，CO2管道1-16内的气体通过对冲式CO2喷口1-19喷入到盘管式反应器1-6，强化了内部物料的扰动，利于保证物料在流通方向上气氛的均匀性，保证物料的充分反应，从而能有效改善产物的品质，实现糠醛类产物的富集。此外，CO2管道1-16布置于盘管式反应器1-6中心，反应气体可通过吸收盘管式反应器1-6辐射的热量预热，提高自身温度。水热反应以CO2作为反应介质，对糠醛等产物的富集及固体产物的脱灰都具有重要作用。
进一步地，本发明水热反应后经离心机1-12分离出的液体产物，后续萃取分离后，可得到富含糠醛的生物油和富含N、P、K等无机矿物质的营养液，而固相出口1-13排出的水热炭作为原料输入到中温热解子系统2的料斗。
图4是本发明实施例提供涉及的中温热解子系统和高温炭化子系统结构示意图，如图4所示，中温热解子系统2包括依次相连的给料器装置2-1、流化床热解炉2-20、旋风分离器2-13、一级生物油冷凝箱2-14和二级生物油冷凝箱2-16。其中所述给料器装置2-1包括沿所述流化床热解炉2-20高度方向上从下到上依次布置的一级螺旋给料器2-3和二级螺旋给料器2-6，用于将水热炭物料送入流化床热解炉炉膛。流化床热解炉2-20包括依次相连的底部的CO2进风口2-21、裂解炉竖直炉膛2-9、裂解炉水平炉膛2-11，用于提供物料热裂解的反应空间；其中，裂解炉竖直炉膛2-9和裂解炉水平炉膛2-11分别安装有一级熔融盐换热导管2-10和二级熔融盐换热导管2-12，用于流入温度均匀的熔融盐换热介质，实现对CO2流化风携带的物料进行热裂解。旋风分离器2-13位于所述裂解炉水平炉膛2-11的尾部，其下部设有集焦箱2-18，用于热解炭等固体产物收集。旋风分离器2-13与一级生物油冷凝箱2-14相连，一级生物油冷凝箱2-14用于高沸点生物油冷凝，其出口温度控制在80～100℃，一级生物油冷凝箱2-14底部布置有一级生物油收集箱2-15，用于冷凝产物的收集；二级生物油冷凝箱2-16与一级生物油冷凝箱2-14相连，二级生物油冷凝箱2-16用于糠醛类低沸点生物油冷凝，其出口温度控制在20～40℃，二级生物油冷凝箱2-16底部布置有二级生物油收集箱2-17，用于冷凝产物的收集，实现分级冷凝；二级生物油冷凝箱2-16的热解气出口通过部分支路将未冷凝的热解气排入CO2进风口2-21进入到流化床热解炉2-20，实现热解气的重复利用。
优选地，两级生物油冷凝箱均采用导热油作为换热介质。
优选地，一级螺旋给料器2-3用于提供50％～70％的水热炭，而二级螺旋给料器2-6用于提供剩余30％～50％的水热炭，水热炭由对应的一级螺旋给料器2-3、二级螺旋给料器2-6分别送入裂解炉竖直炉膛2-9的下部和上部。热解炉竖直炉膛2-9下部设有CO2进风口2-21，用于提供炉膛流化风，以携带螺旋给料器进入的物料，使其由下至上与熔融盐换热导管的接触。在裂解炉竖直炉膛2-9右侧上部设有折烟角2-19，该折烟角2-19能改变烟气流向，增强上部烟气扰动和卷吸作用，增强换热，提高换热效率。在裂解炉竖直炉膛2-9左侧顶部设有导流板2-8，该导流板2-8能使得烟气转向，优化炉腔内部流场，降低热解炉高度，节省基建成本。
优选地，给料器2-1还包括一级料斗2-4、二级料斗2-7、一级加热箱2-2、二级加热箱2-5。一级螺旋给料器2-3、二级螺旋给料器2-6的进料口分别与一级料斗2-4、二级料斗2-7相连，一级螺旋给料器2-3、二级螺旋给料器2-6的外部分别套设一级加热箱2-2、二级加热箱2-5；一级加热箱2-2、二级加热箱2-5中通入经两级生物油冷凝箱换热的高温导热油，以实现物料的干燥。
优选地，多个所述一级熔融盐换热导管2-10和二级熔融盐换热导管2-12分别均匀布置于所述裂解炉竖直炉膛2-9和裂解炉水平炉膛2-11中，用于与物料充分接触，提供物料预热、部分裂解到完全裂解所需要的热量，流化床热解炉温度控制在350～420℃。换热导管内的熔融盐从外部热源吸收热量，并由对应熔融盐换热导管入口进入各自换热导管，以实现物料加热，而换热完毕的熔融盐由对应熔融盐换热导管出口排出，重新流向外部热源吸收热量，实现循环过程。
进一步地，结合图5和图6，多个一级熔融盐换热导管2-10两端分别设置共用的一个一级热熔融盐进口2-22和一个一级热熔融盐出口2-23；多个二级熔融盐换热导管2-12两端分别设置共用的一个二级热熔融盐进口2-24和一个二级热熔融盐出口2-25。熔融盐分别从一级热熔融盐进口2-22和二级热熔融盐进口2-24进入对应熔融盐换热导管，经充分换热后分别从一级熔融盐出口2-23和二级熔融盐出口2-25流出，回到外部热源进行加热，加热完毕的熔融盐重新循环至一级热熔融盐进口2-24和二级热熔融盐进口2-25。一级熔融盐换热导管2-10和二级熔融盐换热导管2-12由于布置于流化床热解炉2-20内部，换热面积远大于传统外边壁加热方式，利于实现流化床热解炉2-20内部温度场稳定，能够精准控制裂解反应温度。优选地，所述一级熔融盐换热导管2-10的温度高于所述二级熔融盐换热导管2-12的温度5％-10％。优选地，所述一级熔融盐换热导管2-10和二级熔融盐换热导管2-12与所述裂解炉竖直炉膛2-9和裂解炉水平炉膛2-11中水热炭物料颗粒的流动方向交叉布置，能强化流化床内部颗粒扰动，大大增加换热效率。
图7是本发明实施例涉及的高温炭化子系统结构示意图。如图7所示，高温炭化子系统3包括旋转进料阀3-1、多级高温电炉3-2、气路分配管路3-3、产物冷却装置3-8、焦炭冷却箱3-12、挥发分冷凝装置3-20以及抽风机3-21。其中，每个旋转进料阀3-1下方对应设置物料的环形进口3-13，环形进口3-13与多级高温电炉3-2相连；集焦箱2-18收集的热解炭经旋转进料阀3-1以及环形进口3-13输送至多级高温电炉3-2中；多级高温电炉3-2外包覆有10cm厚的石棉保温层；多级高温电炉3-2从上至下依次划分为两级梯度升温中温热解区、三级物理活化区及单级高温碳热区，各反应区互相贯通，物料下落经过各反应区间发生相应的反应；其中，中温热解区温度控制在400～600℃，物理活化区温度控制在800～900℃，高温碳热区温度控制在1600～1800℃，以实现高品质硅炭材料的制备。多级高温电炉3-2炉壁上自上而下设有物料内侧滑板3-6和物料外侧滑板3-14，对应不同的反应区间。其中在物理活化区及高温碳热区的电炉壁面上还设有划分周向反应区间的反应单元盒3-7，物理活化区还设置环形活化介质分布器3-15。物料内侧滑板3-6承接于物料外侧滑板3-14与反应单元盒3-7之间物料，所述物料外侧滑板3-14下倾角度为10～45度，平面投影宽度为3/5～4/5炉体半径，用于控制生物质原料在炉内的运动路径，使其逐一经过各个反应区间。内侧滑板3-6设于每级的环形活化介质分布器3-15之上，下倾角度25度，延伸至分布器的环形管处。
进一步地，多级高温电炉3-2下方设置产物冷却装置3-8，用于产物的冷却及热量的回收，而产物冷却装置3-8的底部设有旋转出料阀3-11与焦炭冷却箱3-12相连，用于产物的的二次冷却。高温碳热得到的硅炭材料落入到产物冷却装置3-8进行初步冷却，并由旋转出料阀3-11送入到焦炭冷却箱3-12进行二次冷却；
进一步地，气路分配管路3-3包括气路套管的抽气外管3-4与活化介质进气内管3-5，气路套管的抽气外管3-4与活化介质进气内管3-5设于电炉中轴，其中，活化介质进气内管3-5延伸到物理活化区，用于为热解炭物理活化提供活化介质；抽气外管3-4用于抽出各区域反应生成的不可凝气体及挥发分；活化介质进气内管3-5通过环形活化介质分布器3-15与反应单元盒3-7相连；抽气外管3-4出口依次与挥发分冷凝装置3-20和抽风机3-21相连。挥发分可凝组分在挥发分冷凝装置3-20中收集下来，高温不可凝气体经该装置冷却后被抽气泵3-21抽出。
优选地，抽气外管3-4外周还设置抽气物料挡板3-19及抽气粉尘挡板3-16，用于阻挡物料及粉尘进入到管路中；其中，抽气物料挡板3-19位于中温热解区中，抽气粉尘挡板3-16位于高温碳热区中。
优选地，产物冷却装置3-8外部包覆的换热箱3-9和内部换热盘管3-10均采用熔融盐作为换热介质，而焦炭冷却箱3-12采用导热油作为换热介质。
进一步地，图8是本发明实施例图7中涉及的C-C视图。如图8所示，产物冷却装置3-8内设有加强换热的换热盘管3-10，同时也包括集料缩口3-17；产物外部设有换热箱3-9，具体的，换热箱3-9相对两侧设有换热介质进出口3-18，换热盘管3-10与换热箱3-9相连，换热介质充满换热箱3-9，与产物冷却装置3-8内部的产物进行辐射换热，换热介质进入与产物直接接触的换热盘管3-10后，直接与产物进行导热换热。具体的，换热盘管3-10平面圈数为2.75圈，高度层数为4层，外圈直径为冷却换热区直径的9/10，高度为换热箱3-9高度的3/5。集料缩口3-17与冷却换热区相连通，缩口与水平面所成角度为5度，集料缩口3-17出口与旋转出料阀3-11相连。
进一步地，由图4还可以看出，中温热解子系统2中，二级生物油冷凝箱2-16排出的不可凝气体作为冷却介质输入到挥发分冷凝装置3-13，以间接换热的方式冷却抽气外管3-4抽出的高温气体；吸热完毕的不可凝气体通过阀门控制，部分送入到CO2入口2-21作为流化风，剩余部分通过活化介质进气内管3-5送入到多级高温电炉3-2物理活化区，以活化热解炭。一级熔融盐换热导管2-10、二级熔融盐换热导管2-11和产物冷却装置3-8均采用熔融盐作为换热介质，经产物冷却装置3-8吸热的高温熔融盐，从换热介质进出口3-18排出，再通过一级熔融盐进口2-22和二级熔融盐进口2-24进入到两级熔融盐换热导管，用于加热中温热解子系统的物料，而一级熔融盐出口2-23和二级熔融盐出口2-25流出的低温熔融盐重新进入换热箱3-9中吸热，实现熔融盐的循环利用。焦炭冷却箱3-12采用间接换热，以导热油作为换热介质，换热完毕的导热油与流经二级生物油冷凝箱2-16、一级生物油冷凝箱2-14换热的导热油汇合，输入到一级加热箱2-2、二级加热箱2-5来干燥入炉水热炭，加热箱排出的低温导热油重新作为冷却介质分别输入到高温炭化子系统的焦炭冷却箱3-12和中温热解子系统的两级生物油冷凝箱，实现循环过程。
本发明的一种稻壳分级制备能源化学品和硅炭材料的方法，包括如下步骤：
将生物质原料和水通过进料阀1-4送入到原料输送机1-2中，混合均匀，并由出料阀1-1送入到浆料输送机1-18中；原料输送机1-2上的出料阀1-1将设定流量的生物质原料和水混合浆液送入盘管式反应器1-6中进行水热反应，水热反应所需的热量由盘管式反应器1-6外套的加热套管1-5提供，控制盘管式反应器温度为150～250℃，以适于糠醛类产物的生成，水热反应所需的压力由盘管式反应器1-6中心的CO2管道1-16提供；水热反应完毕的产物经过尾部冷却管道1-9内冷却后进入离心机1-12，冷却管道1-9采用水为冷却介质，换热完毕的水作为反应物由进料阀1-4送入原料输送机1-2中；反应产物在离心机1-12中进行分离，分离得到的气体产物依次通过排气口1-15、CO2管道1-16及多级对冲式CO2喷口1-19，重新进入到盘管式反应器1-6中，以循环利用；分离出的液体产物，从出液口1-14排出，可得到富含糠醛的生物油和富含N、P、K等无机矿物质的营养液，分离出的固体产物从固相出口1-13排出，而固相出口1-13排出的水热炭作为中温热解子系统的原料。
进一步地，50％-70％的水热炭由一级螺旋给料器2-3送入流化床热解炉2-20的裂解炉竖直炉膛2-9，而剩余的物料由二级螺旋给料器2-6送入；物料在两级螺旋给料器内通过吸收来自于两级生物油冷凝箱的高温导热油的热量实现预热目的；预热后的水热炭在由CO2进风口2-21进入的CO2流化风的带动下，充分与位于裂解炉竖直炉膛2-20的一级熔融盐换热导管2-10和位于裂解炉水平炉膛2-11的二级熔融盐换热导管2-12接触，实现热解过程；热解完毕的产物进入旋风分离器2-13进行旋风分离，分离出的固体产物冷却后形成最终热解炭产品，收集在集焦箱2-18中；而气体产物依次通过后续一级生物油冷凝箱2-14和二级生物油冷凝箱2-15充分冷凝，在一级生物油收集箱2-15和二级生物油收集箱2-17中分别得到高沸点生物油和低沸点生物油；未冷凝的气体一部分重新通入到CO2进风口2-21作为流化风，另一部分进入到活化介质进气内管3-5参与反应。冷凝箱和螺旋给料器的加热箱均以导热油作为换热介质，导热油通过吸收热解气的余热来预热进炉原料，而预热原料排出的导热油可重新作为冷却介质用于冷却热解气体产物，以提高热解炉热效率。流化床热解炉的温度控制在350℃～420℃之间，以适合糖类产物的生成，热解产物依次通过旋风分离器、一级生物油冷凝箱和二级生物油冷凝箱，得到热解炭、高沸点生物油和富含糖类的低沸点生物油。
进一步地，装置各级达到预定温度后，中温热解子系统2得到的热解炭按固定进料速率由进料机送入到高温炭化子系统3的旋转进料阀3-1；随后，热解炭原料颗粒从环形进口3-13切向抛落到多级高温电炉3-2内物料内侧滑板3-6，同时也进入了多级高温电炉3-2中的中温热解区的第一级，反应温度控制在400～600℃，热解炭发生热解反应，产生大量挥发分，经抽气口被抽入抽气外管3-4中，挥发分可凝组分在挥发分冷凝装置3-20中收集下来，高温不可凝气体经该装置冷却后被抽气泵3-21抽出。物料继续从物料内侧滑板3-6缓速滑落到物料外侧滑板3-14上，进入中温热解区第二级，反应温度控制在800～900℃，物料进一步石墨化，转化为无定形炭与石墨的复合结构。物料从物料外侧滑板3-14缓速滑落到大斜度的物料内侧滑板3-6上，迅速滑入物理活化区第一级的反应单元盒3-7内，活化介质以固定流量进入活化介质进气内管3-5中，并沿管程与抽气外管3-4的高温烟气换热，通过环形活化介质分布器3-15，活化介质均匀进入到每一个反应单元盒3-7中，在温度800～900℃下，堆积物料层发生活化反应。而后物料从反应单元盒3-7下端缝隙继续滑出，落到下一级的物料内侧滑板3-6上，并迅速转移到接下来的反应单元盒3-7中。在物理活化区，物料的孔隙得到发展，硅炭比得到调节。物料从物理活化区滑出后，进入到高温碳热区的反应单元盒3-7中，反应温度控制在1600～1800℃，物料中的无定形炭进一步石墨化的同时，与二氧化硅组分发生C(s)+SiO2(s)→SiC(s)+CO(g)及C(s)+SiO2(s)→Si(s)+CO(g)反应，产生的CO从物料的孔隙中析出后被抽出，炭与二氧化硅的界面上生成炭化硅及少量硅单质，随反应时间增长，界面逐渐向二氧化硅内部扩展，最终生成炭硅复合物。高温碳热后物料滑入冷却换热区，落到预堆积在冷却换热区的预堆积料上，旋转出料阀3-11首先放出预堆积料，放料速率与进料速率相同，产物向壁面辐射换热，与盘管接触换热，导热油充满换热箱3-9及换热盘管3-10，回收冷却过程释放的热量，从换热箱3-9出口换热完毕的导热油与流经二级生物油冷凝箱2-16、一级生物油冷凝箱2-14换热的导热油汇合，输入到螺旋给料器加热箱来干燥入炉水热炭，实现余热的充分利用。炭硅复合物冷却至一定温度后，从旋转出料阀3-11排出，并在焦炭冷却箱3-12进行二次冷却。物理活化区所需的CO2活化介质由活化介质进气内管送入，而各区域的产气由抽气外管抽出，并在挥发分冷凝装置内冷却；挥发分冷却的热量用于加热二级冷凝箱排出的不可凝气体，预热后的不可凝气体部分送入流化床热解炉作为流化风，剩余部分作为CO2活化介质输入到活化介质进气内管，实现气体的重复利用。
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，并不用于限制本发明，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)

1.一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，包括依次相连的水热烘焙子系统(1)、中温热解子系统(2)以及高温炭化子系统(3)；其中，
所述水热烘焙子(1)系统包括依次连接的原料输送机(1-2)、盘管式反应釜(1-7)以及离心机(1-12)，用于在CO2氛围下对稻壳进行水热烘焙，并对产物进行高效分离，得到富含糠醛的液体产物和水热炭；
所述中温热解子系统(2)包括依次相连的给料器装置(2-1)、流化床热解炉(2-20)、旋风分离器(2-13)、一级生物油冷凝箱(2-14)和二级生物油冷凝箱(2-16)，用于实现水热炭在CO2氛围下的热解，以得到富含糖类的生物油及中温热解炭；
所述高温炭化子系统(3)包括旋转进料阀(3-1)、多级高温电炉(3-2)、气路分配管路(3-3)、产物冷却装置(3-8)、焦炭冷却箱(3-12)以及挥发分冷凝装置(3-20)，用于对中温热解炭进行多级高温炭化及活化，以提高炭品质，得到具有储能特性的硅炭材料。
2.根据权利要求1所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，
所述原料输送机(1-2)包括进料阀(1-4)和储料罐(1-3)，所述进料阀(1-4)位于所述储料罐(1-3)的外部上方，所述储料罐(1-3)的下部出口处设有出料阀(1-1)，并且所述出料阀(1-1)与浆料输送机(1-18)固定连接，所述浆料输送机(1-18)与所述盘管式反应釜(1-7)连接；
所述盘管式反应釜(1-7)设有盘管式反应器(1-6)，所述盘管式反应器(1-6)外部套有加热套管(1-5)，所述盘管式反应器(1-6)的中心设有所述CO2管道(1-16)；
所述离心机(1-12)布置于系统的末端，其侧面上设有排气口(1-15)和出液口(1-14)，所述离心机(1-12)的底部设有固相出口(1-13)，所述排气口(1-15)与所述CO2管道(1-16)的对接，实现连续式水热反应。
3.根据权利要求2所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，所述CO2管道(1-16)上设置若干对冲式CO2喷口(1-19)，所述对冲式CO2喷口(1-19)沿所述盘管式反应器(1-6)的轴向错列布置，所述盘管式反应器(1-6)的入口处设有节流阀(1-17)，所述盘管式反应器(1-6)的出口处设置止回阀(1-8)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，
所述给料器装置(2-1)包括沿所述流化床热解炉(2-20)高度方向上从下到上依次布置的一级螺旋给料器(2-3)和二级螺旋给料器(2-6)，分别与所述离心机(1-12)的底部设置的所述固相出口(1-13)相连；
所述流化床热解炉(2-20)包括依次相连的底部的CO2进风口(2-21)、裂解炉竖直炉膛(2-9)、裂解炉水平炉膛(2-11)；其中，所述裂解炉竖直炉膛(2-9)和裂解炉水平炉膛(2-11)分别安装有一级熔融盐换热导管(2-10)和二级熔融盐换热导管(2-12)，用于温度均匀的熔融盐换热介质的通过；
所述旋风分离器(2-13)位于所述裂解炉水平炉膛(2-11)的尾部，其下部设有集焦箱(2-18)；
所述一级生物油冷凝箱(2-14)与所述旋风分离器(2-13)相连，其底部布置有一级生物油收集箱(2-15)；所述二级生物油冷凝箱(2-16)与所述一级生物油冷凝箱(2-14)相连，其底部布置有二级生物油收集箱(2-17)。
5.根据权利要求4所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，多个所述一级熔融盐换热导管(2-10)和所述二级熔融盐换热导管(2-12)分别均匀布置于所述裂解炉竖直炉膛(2-9)和所述裂解炉水平炉膛(2-11)中；且多个所述一级熔融盐换热导管(2-10)两端分别设置共用的一个一级热熔融盐进口(2-22)和一个一级热熔融盐出口(2-23)；多个所述二级熔融盐换热导管(2-12)两端分别设置共用的一个二级热熔融盐进口(2-24)和一个二级热熔融盐出口(2-25)。
6.根据权利要求4或5所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，
所述给料器装置(2-1)还包括一级料斗(2-4)、二级料斗(2-7)、一级加热箱(2-2)以及二级加热箱(2-5)；
所述一级螺旋给料器(2-3)、二级螺旋给料器(2-6)的进料口分别与所述一级料斗(2-4)、二级料斗(2-7)相连，所述一级螺旋给料器(2-3)、二级螺旋给料器(2-6)的外部分别设置所述一级加热箱(2-2)、二级加热箱(2-5)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，
所述旋转进料阀(3-1)与所述集焦箱(2-18)相连，所述多级高温电炉(3-2)上端与所述旋转进料阀(3-1)连接、下端与所述产物冷却装置(3-8)连接，根据温度设置的不同由上至下分为中温热解区、物理活化区及高温碳热区；所述高温碳热区下设冷却换热区；其中在所述物理活化区及高温碳热区的电炉壁面上还设有划分周向反应区间的反应单元盒(3-7)，所述物理活化区还设置环形活化介质分布器(3-15)；
所述气路分配管路(3-3)包括气路套管的抽气外管(3-4)与活化介质进气内管(3-5)，其中，所述活化介质进气内管(3-5)延伸到物理活化区；所述抽气外管(3-4)与所述挥发分冷凝装置(3-20)的入口相连，并且所述挥发分冷凝装置(3-20)的出口分别与所述活化介质进气内管(3-5)和所述CO2进风口(2-21)相连；所述活化介质进气内管(3-5)通过所述环形活化介质分布器(3-15)与所述反应单元盒(3-7)相连；
所述产物冷却装置(3-8)内部设有加强换热的换热盘管(3-10)和集料缩口(3-17)，其外部设有换热箱(3-9)，所述换热箱(3-9)相对两侧设有换热介质进出口(3-18)，所述换热盘管(3-10)与所述换热箱(3-9)相连。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，所述多级高温电炉(3)各反应区间互相贯通，电炉外设保温层；所述物料外侧滑板(15)下倾角度为10～45度，平面投影宽度为3/5～4/5炉体半径；所述多级高温电炉(3-2)的物理活化区壁面上的反应单元盒不少于4个，与所述物料外侧滑板(3-14)、物料内侧滑板(3-6)一同限制原料的运动速度。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统，其特征在于，所述抽气外管(3-4)外周还设置抽气物料挡板(3-19)及抽气粉尘挡板(3-16)；其中，所述抽气物料挡板(3-19)位于中温热解区中，所述抽气粉尘挡板(3-16)位于高温碳热区中。
10.一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统的方法，应用如权利要求1-9任一项所述的一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统实现，包括如下步骤：
S1：通过所述水热烘焙子(1)系统，在CO2氛围下对稻壳进行水热烘焙，并对产物进行分离，得到富含糠醛的液体产物和水热碳：
S11：将生物质原料和水通过所述进料阀(1-4)送入到所述原料输送机(1-2)中，混合均匀，并由所述出料阀(1-1)送入到所述浆料输送机(1-18)中；
S12：所述原料输送机(1-2)上的所述出料阀(1-1)将设定流量的生物质原料和水混合浆液送入所述盘管式反应器(1-6)中进行水热反应；
S13：水热反应完毕的产物经过尾部所述冷却管道(1-9)内冷却后进入所述离心机(1-12)，所述冷却管道(1-9)采用水为冷却介质，换热完毕的水作为反应物由所述进料阀(1-4)送入所述原料输送机(1-2)中；
S14：反应产物在所述离心机(1-12)中进行分离，分离得到的气体产物依次通过所述排气口(1-15)、所述CO2管道(1-16)及所述多级对冲式CO2喷口(1-19)，重新进入到所述盘管式反应器(1-6)中，以循环利用；
S15：分离出的液体产物，从所述出液口(1-14)排出，可得到富含糠醛的生物油和无机矿物质的营养液，分离出的固体产物从固相出口所述(1-13)排出，而固相出口所述(1-13)排出的水热炭作为中温热解子系统的原料。
S2：通过所述中温热解子系统(2)，水热碳在CO2氛围下的热解，得到富含糖类的生物油及中温热解碳：
S21：相对更多的水热炭由所述一级螺旋给料器(2-3)送入所述裂解炉竖直炉膛(2-9)，而剩余的物料由所述二级螺旋给料器(2-6)送入；物料在两级螺旋给料器内通过吸收来自于两级生物油冷凝箱的高温导热油的热量实现预热目的；
S22：预热后的物料在由所述CO2进风口(2-21)进入的CO2流化风的带动下，充分与位于所述裂解炉竖直炉膛(2-20)的所述一级熔融盐换热导管(2-10)和位于所述裂解炉水平炉膛(2-11)的所述二级熔融盐换热导管(2-12)接触，实现热解过程；
S23：热解完毕的产物进入所述旋风分离器(2-13)进行旋风分离，分离出的固体产物冷却后形成最终焦炭产品，收集在所述集焦箱(2-18)中；而气体产物依次通过后续所述一级生物油冷凝箱(2-14)和所述二级生物油冷凝箱(2-15)充分冷凝，在所述一级生物油收集箱(2-15)和所述二级生物油收集箱(2-17)中分别得到高沸点生物油和低沸点生物油；未冷凝的气体重新通入到所述CO2进风口(2-21)作为流化风；
S3：通过所述高温碳化子系统(3)对中温热解碳进行多级高温碳化及活化，以提高碳品质，得到具有储能特性的硅碳材料：
S31：反应装置各级达到预定温度后，所述中温热解子系统(2)得到的热解炭按固定进料速率由周向均匀进料装置的所述旋转进料阀(3-1)进入，随后，原料颗粒抛落到所述物料内侧滑板(3-6)上，同时也进入了所述多级高温电炉(3-2)中的中温热解区的第一级，温度为第一设定温度，原料发生热解反应，产生大量挥发分，被抽入所述抽气外管(3-4)中，挥发分可凝组分在所述挥发分冷凝冷却装置(3-20)中收集下来，高温不可凝气体经冷却后被抽气泵(3-21)抽出；
S32：物料继续从所述物料内侧滑板(3-6)缓速滑落到所述物料外侧滑板(3-14)上，进入中温热解区第二级，温度为第二设定温度，物料进一步石墨化，转化为无定形炭与石墨的复合结构；
S33：物料从所述物料外侧滑板(3-14)缓速滑落到下一层所述物料内侧滑板(3-6)上，迅速滑入物理活化区第一级的所述反应单元盒(3-7)内，活化介质以固定流量进入所述活化介质进气内管(3-5)中，并沿管程与所述抽气外管(3-4)的高温烟气换热，通过所述环形活化介质分布器(3-15)，活化介质均匀进入到每一个所述反应单元盒(3-7)中，在第三设定温度下，堆积物料层发生活化反应；
S34：而后物料从所述反应单元盒(3-7)下端缝隙继续滑出，落到下一级的所述物料内侧滑板(3-6)上，并迅速转移到接下来的所述反应单元盒(3-7)中；
S35：物料从物理活化区滑出后，进入到高温碳热区的所述反应单元盒(3-7)中，反应温度为第四设定温度，物料中的无定形炭进一步石墨化的同时，与二氧化硅组分发生反应，产生的CO从物料的孔隙中析出后被抽出，炭与二氧化硅的界面上生成炭化硅及少量硅单质，随反应时间增长，界面逐渐向二氧化硅内部扩展，最终生成炭硅复合物；
S36：高温碳热后物料滑入冷却换热区，落到预堆积在冷却换热区的预堆积料上，所述旋转出料阀(3-11)首先放出预堆积料，放料速率与进料速率相同，产物向壁面辐射换热，与所述换热盘管(3-10)接触换热，产物冷却至一定温度后，从所述旋转出料阀(3-11)排出，并在所述焦炭冷却箱(3-12)进行二次冷却，换热完毕的导热油从所述换热箱(3-9)出口排出与流经所述二级生物油冷凝箱(2-16)、一级生物油冷凝箱(2-14)换热的导热油汇合，输入到螺旋给料器加热箱来干燥入炉水热炭，实现余热的充分利用进行下一步的余热利用。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110616077A (zh) * 2019-10-18 2019-12-27 南京理工大学 一种联合烘焙-碳化制备高收益率焦炭的方法与装置
CN111394112A (zh) * 2020-04-23 2020-07-10 华中农业大学 一种梯级温度空气氧化定向调控生物炭的系统及方法
CN115354150A (zh) * 2022-07-29 2022-11-18 北京科技大学 高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07126645A (ja) * 1993-10-29 1995-05-16 Nippon Steel Corp コークバケット内におけるコークスの加熱焼成方法
JPH08120279A (ja) * 1994-10-25 1996-05-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多孔質炭化物の製造方法
CN101700883A (zh) * 2009-06-29 2010-05-05 成如山 稻壳综合利用制取活性炭和稻壳焦油并联产水玻璃或磷酸硅的方法
CN101723362A (zh) * 2009-12-29 2010-06-09 山东大学 一种碳化活化一体式活性炭烧结装置
WO2010092040A1 (en) * 2009-02-10 2010-08-19 Csl Carbon Solutions Ltd. Hydrothermal process for the preparation of coal-like material from biomass and evaporation column
CN103011072A (zh) * 2012-12-16 2013-04-03 天津大学 利用生物质制取高纯度氢气的方法及装置
CN104087329A (zh) * 2014-07-25 2014-10-08 樊金鑫 联动螺旋回程式油砂干馏工艺系统
CN104861996A (zh) * 2015-04-29 2015-08-26 武汉光谷蓝焰新能源股份有限公司 一种生物质热解炭气油多联产系统
WO2016164965A1 (en) * 2015-04-13 2016-10-20 Curtin University Of Technology Method of and system for producing solid carbon materials
US20170137715A1 (en) * 2014-06-24 2017-05-18 South China Agricultural University Method of continuous pyrolysis and carbonization of agricultural and forestry biomass
CN106995711A (zh) * 2017-04-25 2017-08-01 华中科技大学 一种联产富酚液体和掺铁碳电极材料的装置
US20170233659A1 (en) * 2014-11-04 2017-08-17 Suez International Method for the hydrothermal carbonisation of a biomass and associated device
CN107159120A (zh) * 2017-06-16 2017-09-15 华中科技大学 一种生物焦炭物理化学联合活化方法
CN108102673A (zh) * 2017-12-20 2018-06-01 华中科技大学 一种生物质热解液化多联产系统
CN108753323A (zh) * 2018-08-14 2018-11-06 李新方 一种小型可移动式轻纺垃圾多级分室裂解制燃气系统

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07126645A (ja) * 1993-10-29 1995-05-16 Nippon Steel Corp コークバケット内におけるコークスの加熱焼成方法
JPH08120279A (ja) * 1994-10-25 1996-05-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多孔質炭化物の製造方法
WO2010092040A1 (en) * 2009-02-10 2010-08-19 Csl Carbon Solutions Ltd. Hydrothermal process for the preparation of coal-like material from biomass and evaporation column
CN101700883A (zh) * 2009-06-29 2010-05-05 成如山 稻壳综合利用制取活性炭和稻壳焦油并联产水玻璃或磷酸硅的方法
CN101723362A (zh) * 2009-12-29 2010-06-09 山东大学 一种碳化活化一体式活性炭烧结装置
CN103011072A (zh) * 2012-12-16 2013-04-03 天津大学 利用生物质制取高纯度氢气的方法及装置
US20170137715A1 (en) * 2014-06-24 2017-05-18 South China Agricultural University Method of continuous pyrolysis and carbonization of agricultural and forestry biomass
CN104087329A (zh) * 2014-07-25 2014-10-08 樊金鑫 联动螺旋回程式油砂干馏工艺系统
US20170233659A1 (en) * 2014-11-04 2017-08-17 Suez International Method for the hydrothermal carbonisation of a biomass and associated device
WO2016164965A1 (en) * 2015-04-13 2016-10-20 Curtin University Of Technology Method of and system for producing solid carbon materials
CN104861996A (zh) * 2015-04-29 2015-08-26 武汉光谷蓝焰新能源股份有限公司 一种生物质热解炭气油多联产系统
CN106995711A (zh) * 2017-04-25 2017-08-01 华中科技大学 一种联产富酚液体和掺铁碳电极材料的装置
CN107159120A (zh) * 2017-06-16 2017-09-15 华中科技大学 一种生物焦炭物理化学联合活化方法
CN108102673A (zh) * 2017-12-20 2018-06-01 华中科技大学 一种生物质热解液化多联产系统
CN108753323A (zh) * 2018-08-14 2018-11-06 李新方 一种小型可移动式轻纺垃圾多级分室裂解制燃气系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高英等: "生物质水热过程中水热炭理化结构演变特性", 《太阳能学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110616077A (zh) * 2019-10-18 2019-12-27 南京理工大学 一种联合烘焙-碳化制备高收益率焦炭的方法与装置
CN110616077B (zh) * 2019-10-18 2021-11-09 南京理工大学 一种联合烘焙-碳化制备高收益率焦炭的方法与装置
CN111394112A (zh) * 2020-04-23 2020-07-10 华中农业大学 一种梯级温度空气氧化定向调控生物炭的系统及方法
CN115354150A (zh) * 2022-07-29 2022-11-18 北京科技大学 高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法
CN115354150B (zh) * 2022-07-29 2023-11-10 北京科技大学 高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法

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