CN109675504A - 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法 - Google Patents

一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109675504A
CN109675504A CN201910060346.3A CN201910060346A CN109675504A CN 109675504 A CN109675504 A CN 109675504A CN 201910060346 A CN201910060346 A CN 201910060346A CN 109675504 A CN109675504 A CN 109675504A
Authority
CN
China
Prior art keywords
reaction
temperature
furnace
sideskid
heat exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910060346.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109675504B (zh
Inventor
陈汉平
夏明巍
陈应泉
杨海平
邵敬爱
杨晴
陈伟
王贤华
张世红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201910060346.3A priority Critical patent/CN109675504B/zh
Publication of CN109675504A publication Critical patent/CN109675504A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109675504B publication Critical patent/CN109675504B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/08—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with moving particles
    • B01J8/12—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with moving particles moved by gravity in a downward flow
    • B01J8/125—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with moving particles moved by gravity in a downward flow with multiple sections one above the other separated by distribution aids, e.g. reaction and regeneration sections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/0015—Feeding of the particles in the reactor; Evacuation of the particles out of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/08—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with moving particles
    • B01J8/082—Controlling processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/08—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with moving particles
    • B01J8/087—Heating or cooling the reactor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
    • B01J2208/00203—Coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00796—Details of the reactor or of the particulate material
    • B01J2208/00823—Mixing elements
    • B01J2208/00831—Stationary elements
    • B01J2208/0084—Stationary elements inside the bed, e.g. baffles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，包括多级高温电炉、气路分配管路、周向均匀进料装置、产物冷却装置。其中，多级高温电炉上端与进料装置连接、下端与产物冷却装置连接，用于生物质原料的物理活化及高温碳热反应；气路分配管路用于抽取炉内反应产生的挥发分以及向炉内活化区域输送活化介质；进料装置与炉体相连，用于将生物质原料送入炉内；产物冷却装置与电炉末端的高温碳热区相连，用于冷却所得高温产物，并进行热量回收。本发明可实现物理活化及高温碳热的一体化工艺，并从传热、气氛等方面改善生产过程中反应的均一性。

Description

一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法
技术领域
本发明属于生物质热化学转化领域，具体涉及一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法。
背景技术
生物质热化学转化是利用生物质资源的有效方式。可再生的生物质资源经热化学转化可生成固、液、气三态产物，通过调节热化学转化的条件及后续的改性处理，可以得到高价值的三态产品。生物炭是生物质热解的主要产物，可用于土壤修复，而近来以生物炭为平台制备的功能型碳材料还可应用于催化转化、能量储存、气体及污染物吸附等领域，具有可期的发展前景。此外，以稻壳为代表的含硅生物质，可以通过脱除碳质及其他无机杂质得到二氧化硅纳米球，再经高温还原获取硅纳米球材料，还可直接通过碱溶剂水热法制得沸石分子筛，含硅生物质已成为制备硅基材料的重要原料。专利文献CN20140351472.1通过热解活化的方法制得了生物质基二氧化硅/多孔碳复合材料，用作锂/钠离子电池的电极材料，表现出了良好的储电性能。可见，以生物质为原料制备碳基或硅基及复合材料具有重要的应用前景。
硅在用作锂离子电池的电极材料时，具有高达4200mAh/g的理论容量。但是，高达360％的锂离子嵌入膨胀率一方面使硅颗粒粉化，导电添加剂与硅活性物质的接触变差，另一方面会导致固体电解质界面膜的重复生成，消耗锂源与电解质，这都会导致器件的循环性能大幅下降。硅碳复合电极可以有效限制硅的膨胀，阻止电解液的渗透，保持稳定的固体电解质界面膜，从而在一定程度上解决上述问题，是未来锂离子电池负极材料的“种子选手”。
现有技术文献及专利中报道的生物质基硅碳复合电极材料的制备方法主要有金属热还原法(高温还原、水热还原、熔融盐床还原)及气相沉积法两类，而生物质自碳热还原则无需加入其他添加剂，可以大幅降低原料成本，同时可以充分利用生物质原本结构中硅碳包覆的结构，减轻硅的团聚现象，而在保持包覆结构的同时，焦碳还原二氧化硅生成气体，使大容量的硅的比例提高，而包覆的焦炭在碳热还原的高温下进一步石墨化，可以有效提高导电性，这有利于导电碳包覆层-大容量硅核心结构的生成。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，所以电极材料的均一性是材料生产中极为重要的指标，若能在反应装置的设计中解决这两个问题，将有效提高含硅生物质自碳热还原法制备硅碳复合电极材料的可行性与经济性。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，通过对装置系统布局及反应单元的考量与设计，可实现物理活化及高温碳热一体化连续生产，并有效改善反应条件包括温度场及反应气氛的均匀性，充分地多级利用反应过程中的热能，从而提高产物的均一性以及装置整体的热效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，包括多级高温电炉、气路分配管路、周向均匀进料装置、产物冷却装置；所述多级高温电炉上端与所述周向均匀进料装置连接、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；高温碳热区下设冷却换热区；
所述多级高温电炉炉壁内周自上而下设有多层物料外侧滑板，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；
所述气路分配管路包括气路套管即抽气外管和内管，设置于所述多级高温电炉的中轴，所述抽气外管外壁对应每个反应区间开有抽气口，外壁还设有多层物料内侧滑板，上出口与挥发分冷凝冷却装置及抽气泵相连；在物理活化区中，所述内管通过分支管路、环形活化介质分布器与所述反应单元盒相连，其顶端具有活化介质进口；所述物料内侧滑板承接于所述物料外侧滑板与所述反应单元盒之间；
所述周向均匀进料装置包括旋转进料阀及周向均匀下落部件相连构成，周向均匀下落部件内侧与位于中轴的所述抽气外管外壁连接，外侧与所述多级高温电炉上端密封连接；
所述产物冷却装置从所述多级高温电炉末端延伸出来，外部包覆有换热箱，内部设有换热盘管，该换热盘管的进出口与所述换热箱相连，所述产物冷却装置下端出口与旋转出料阀相连。
优选地，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，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；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，造成物料近壁面堆积，使物料均匀受热。
优选地，所述多级高温电炉为开合式电炉，所述进料装置与所述气路分配管路构成独立模组，以便于反应装置的制作与安装。
优选地，所述气路分配管路还包括抽气泵、挥发分冷凝冷却装置、气路套管、分支管路、环形活化介质分布器、抽气物料挡板、抽气粉尘挡板；
所述气路套管延伸至高温碳热区末端；所述抽气泵通过所述挥发分冷凝冷却装置与所述抽气外管连接，用于抽出炉内反应生成的挥发分；所述抽气物料挡板及抽气粉尘挡板设于抽气外管外周，用于阻挡物料及粉尘进入到管路中；所述环形活化介质分布器嵌合连接于物理活化区各级的反应单元盒上端，通过分支管路与内管相连，用于将内管内的活化介质均匀输送至对应的反应单元盒；所述活化介质通过与抽气外管高温烟气换热实现预热，提高热效率。
优选地，所述环形活化介质分布器布置有多个出口，出口截面由靠近入口端向远离入口端逐渐扩大，调节出气压力，以实现各出口均匀出气目的。
优选地，炉体内部所述气路套管外周的所述物料内侧滑板的下倾角度大于或等于25度，配合炉内周的所述物料外侧滑板共同控制物料的运动路径。
优选地，所述周向均匀进料装置包括多组对称分布、依次相连的旋转进料阀、随机下落扩口、物料分布缩口及环形进口；
所述随机下落扩口截面为空心弧，扩口内部均匀布置径向隔挡棒，生物质原料颗粒碰撞所述隔挡棒在扩口周向上进行初次分布；所述物料分布缩口的下倾斜角度为30～60度，缩口内部被n-1块分布隔板隔开分为n个径向通道；所述环形进口的入口两端的开口比入口中间的开口更宽，出口各开口尺寸相同，用于生物质原料颗粒周向的二次分布，结合缩扩口以实现物料周向的均匀分布；所述环形进口将生物质原料沿进口切向抛落到所述多级高温电炉的物料内侧滑板上。
优选地，所述产物冷却装置的换热箱设有进出口，用于换热介质的外部循环；所述换热盘管平面盘数大于2圈，高度盘数大于1；产物落入产物冷却装置后堆积，通过与所述换热盘管接触换热加热换热介质。
优选地，所述换热盘管管外设螺旋翅片，用于加强换热。
为实现上述目的，按照本发明的另一方面，还提供了一种如前所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置的反应方法，包括如下步骤：
在升温前，首先向炉内加入预堆积料，调节进料速率、出料速率使反应装置达到进出料平衡状态，产生反应区物料的预堆积，冷却换热区被预堆积料覆盖，并使周向进料均匀；
之后，反应装置各级达到预定温度后，生物质原料按固定进料速率由周向均匀进料装置的旋转进料阀进入，随后，原料颗粒抛落到多级高温电炉内物料内侧滑板上，同时也进入了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，经抽气口被抽入抽气外管中，挥发分可凝组分在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；
物料继续从物料内侧滑板缓速滑落到物料外侧滑板上，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，转化为无定形碳与石墨的复合结构，这时抽气口抽出的气体包括不可凝气体；
物料从物料外侧滑板缓速滑落到下一层物料内侧滑板上，迅速滑入物理活化区第一级的反应单元盒内，活化介质通过活化介质进口以固定流量进入内管中，并沿管程与抽气外管的高温烟气换热，通过活化介质环形分布器，活化介质均匀进入到每一个反应单元盒中，在第三设定温度下，堆积物料层发生活化反应；
而后物料从反应单元盒下端缝隙继续滑出，落到下一级的物料内侧滑板上，并迅速转移到接下来的反应单元盒中，抽气口抽出的气体主要为CO、H2；在物理活化区，物料的孔隙得到发展，硅碳比得到调节；
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中，反应温度为第四设定温度，物料中的无定形碳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，从抽气口被抽出，碳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，最终生成碳硅复合物；
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，与换热盘管接触换热，换热介质充满换热箱及换热盘管，回收冷却过程释放的热量，从换热箱出口排出进行下一步的余热利用；
产物冷却至预定温度后，从旋转出料阀排出。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
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，具有以下有益效果：
1.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，将中温热解、物理活化及高温碳热三个反应区结合在同一装置内，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；
2.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，将气路设置在反应器中轴上，并将进出气管路设计成套管形式，外管的抽出烟气温度较高，沿管程给内管的活化介质预热，可以有效提高能量利用率；
3.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，采用环形活化介质分布器向物理活化区供给活化介质，可最大程度上实现反应气氛的均匀性，提高产物的均一性；
4.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，利用反应单元盒划分物理活化区及高温碳热区的独立反应区间，近壁面堆积以及活化介质分布进气保证独立反应区间内物料的反应在反应温度场及气氛更加均匀的情况下进行，有效提高产物的均一性；
5.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，通过设置在炉内壁及管路外周的物料滑板来控制反应物料的下落运动路径，配合反应单元盒来控制物料在各区间的反应时间，避免了动力装置的使用，有效降低能耗水平；
6.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，通过随机下落扩口及物料分布缩口来调节物料在周向分布的均匀性，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；
7.本发明的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，采用盘管接触式冷却，增大了换热装置与产物的接触面积，通过盘管内换热介质的输运，可有效回收高温产物所携带的热量。
附图说明
图1是本发明实施例的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置的结构的一种示意图；
图2是本发明实施例的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置的结构的另一种示意图；
图3为图1中I位置的局部放大侧视图；
图4为图1的A-A剖视图；
图5为图1的实体化B-B剖视图；
图6为图1的实体化C-C剖视图；
图7为图1的D-D剖视图；
图8为图2的E-E剖视图。
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。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其包括物料的环形进口17、多级高温电炉3、抽气外管13、内管14、换热箱7、旋转出料阀9。其中，多级高温电炉3外包覆有10cm厚的石棉保温层；生物质原料经环形进口17输送至电炉中；电炉从上至下依次设置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；气路套管的抽气外管13与内管14设于电炉中轴，用于抽出反应生成的不可凝气体及挥发分；换热箱7与高温碳热区出口相连，用于产物的冷却及热量的回收，产物冷却后经由旋转出料阀9排出。
如图1、2、4、8所示，环形进口17之上设有两组旋转进料阀18、随机下落扩口21及物料分布缩口23，其中物料分布缩口23直接与环形进口17相连通。
具体的，随机下落扩口21内部按固定间距径向布设隔挡棒22，间距与棒体直径相等，为5mm左右，原料颗粒与隔挡棒22碰撞后以旋转进料阀18进口为中心按正态分布在随机下落扩口21末端周向分布；物料分布缩口23内设有3块分布隔板24将缩口在周向上分为4个区域,隔板由固定下板25及可调上板26组成，可调上板26与固定下板25的相连，连接处设有旋转机构，可以调节上板26与固定下板25所成的角度，出口处固定下板25的板间距相等，进口的可调上板26间距可以通过旋转上板进行对称调节，为实现原料在周向的均匀分布，进口边缘区域的间距更大，这里取两侧进口区域所对应的圆心角为60度，中间两区域对应的圆心角为30度，原料颗粒通过缩口的再次分布，基本可以实现周向均匀分布；环形进口17圆截面朝外半圆的下半周全开口，原料颗粒会通过环形进口17切向抛落到多级高温电炉3中。
如图1、5所示，多级高温电炉3内部设有物料外侧滑板15、固定肋板28、反应单元盒4，用于控制物料在炉内的运动路径，划分反应区间。其中物料外侧滑板15呈圆台侧面环状，设于电炉的每个反应级末端，用于承载物料并向下运送物料，滑板下倾角度为10度，平面投影尺寸约为3/5电炉内径。其中反应装置的物理活化区的每级壁面上设有4个反应单元盒4，每只反应盒两侧留有支板，置于固定肋板28上固定，根据活化时间可设置反应级数，本实例中物理活化区共有3个反应级，反应单元盒4与反应级末端的物料外侧滑板15一同控制物料的反应时间，并且造成物料近壁面堆积，使物料受热均匀。另外，可在进料环周预留观察窗口，用于观察给料的周向均匀度。
如图1、5、6所示，气路分配管路包括质量流量计1、挥发分冷凝冷却装置19、抽气泵20、气路套管(抽气外管13和内管14)、分支管路29、环形活化介质分布器6以及设于抽气口周围的抽气物料挡板16、抽气粉尘挡板12和物料内测滑板5。其中气路套管处于电炉中轴上，延伸至高温碳热区末端。抽气泵与抽气外管13连接，抽出气体部分从抽气口27抽入，经挥发分冷凝冷却装置19冷凝可凝组分、冷却不可凝气体后经抽气泵20排出，每级设8个抽气口27，抽气口及开口间隔所对应圆心角均为22.5度，内管14从炉外的外管壁上穿出，活化介质从活化介质进口2进入内管14，由质量流量计控制进气量。内管14在炉内与各物理活化反应级的环形活化介质分布器6通过4根分支管路相连，向各级等温物理活化区内的4个反应单元盒4供应活化介质，分布器环圆截面朝外半圆的下半周全开口，开口弧所对应的圆心角中心位置为±11.25、±22.5、±33.75度(0度位置为分支管路出口对应位置)，开口弧大小为4、6、8度，正对分支管路出口的环面不开口，共计24个开口。抽气物料挡板及抽气粉尘挡板设于每个反应级起始端的气路套管外周，阻挡物料被吸入抽气外管13。物料内侧滑板5设于每级的环形活化介质分布器6之上，下倾角度25度，延伸至分布器的环形管处。
如图1、7所示，换热箱7内设有加强换热的换热盘管11，同时也包覆集料缩口10。具体的，换热箱7相对两侧设有换热介质进出口8，换热盘管11与换热箱7相连，换热介质充满换热箱7，与换热箱7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11后，直接与产物进行导热换热。具体的，换热盘管11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，高度为为换热箱7高度的3/5。集料缩口与冷却换热区相连通，缩口与水平面所成角度为5度，集料缩口出口与旋转出料阀9相连。
本发明装置的具体工作过程为：在升温前，首先向炉内加入预堆积料，调节进料速率、出料速率、物料分布缩口23的可调上板，使装置达到进出料平衡状态，产生反应区物料的预堆积，冷却换热区及集料缩口被预堆积料覆盖，并使周向进料均匀。之后，装置各级达到预定温度后，生物质原料按固定进料速率由旋转进料阀18进入随机下落扩口21，达到周向正态分布，而后原料颗粒进入倾斜的物料分布缩口23，在缩口末端达到周向均匀分布。随后，原料颗粒从环形进口17切向抛落到多级高温电炉3内物料内侧滑板5，同时也进入了多级高温电炉3中的中温热解区的第一级，温度为600℃，原料发生热解反应，产生大量挥发分，经抽气口被抽入抽气外管13中，挥发分可凝组分在挥发分冷凝冷却装置中收集下来，高温不可凝气体经该装置冷却后被抽气泵抽出。物料继续从物料内侧滑板5缓速滑落到物料外侧滑板15上，进入中温热解区第二级，温度为800℃，物料进一步石墨化，转化为无定形碳与石墨的复合结构，这时抽气口抽出的主要为不可凝气体。物料从物料外侧滑板15缓速滑落到大斜度的物料内侧滑板5上，迅速滑入物理活化区第一级的反应单元盒4内，活化介质通过质量流量计1控制以固定流量进入内管14中，并沿管程与抽气外管13的高温烟气换热，通过活化介质环形分布器，活化介质均匀进入到每一个反应单元盒4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4下端缝隙继续滑出，落到下一级的物料内侧滑板5上，并迅速转移到接下来的反应单元盒4中，抽气口抽出的气体主要为CO、H2。在物理活化区，物料的孔隙得到发展，硅碳比得到调节。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4中，反应温度为1600℃，物料中的无定形碳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，从抽气口被抽出，碳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，最终生成碳硅复合物。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9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，换热介质充满换热箱7及换热盘管11，回收冷却过程释放的热量，从换热箱7出口排出进行下一步的余热利用。产物冷却至一定温度后，从旋转出料阀9排出。
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，并不用以限制本发明，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)

1.一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：包括多级高温电炉、气路分配管路、周向均匀进料装置、产物冷却装置；所述多级高温电炉上端与所述周向均匀进料装置连接、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；高温碳热区下设冷却换热区；
所述多级高温电炉炉壁内周自上而下设有多层物料外侧滑板，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；
所述气路分配管路包括气路套管即抽气外管和内管，设置于所述多级高温电炉的中轴，所述抽气外管外壁对应每个反应区间开有抽气口，外壁还设有多层物料内侧滑板，上出口与挥发分冷凝冷却装置及抽气泵相连；在物理活化区中，所述内管通过分支管路、环形活化介质分布器与所述反应单元盒相连，其顶端具有活化介质进口；所述物料内侧滑板承接于所述物料外侧滑板与所述反应单元盒之间；
所述周向均匀进料装置包括旋转进料阀及周向均匀下落部件相连构成，周向均匀下落部件内侧与位于中轴的所述抽气外管外壁连接，外侧与所述多级高温电炉上端密封连接；
所述产物冷却装置从所述多级高温电炉末端延伸出来，外部包覆有换热箱，内部设有换热盘管，该换热盘管的进出口与所述换热箱相连，所述产物冷却装置下端出口与旋转出料阀相连。
2.如权利要求1所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
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，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；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，造成物料近壁面堆积，使物料均匀受热。
3.如权利要求2所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述多级高温电炉为开合式电炉，所述进料装置与所述气路分配管路构成独立模组，以便于反应装置的制作与安装。
4.如权利要求1所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述气路分配管路还包括抽气泵、挥发分冷凝冷却装置、气路套管、分支管路、环形活化介质分布器、抽气物料挡板、抽气粉尘挡板；
所述气路套管延伸至高温碳热区末端；所述抽气泵通过所述挥发分冷凝冷却装置与所述抽气外管连接，用于抽出炉内反应生成的挥发分；所述抽气物料挡板及抽气粉尘挡板设于抽气外管外周，用于阻挡物料及粉尘进入到管路中；所述环形活化介质分布器嵌合连接于物理活化区各级的反应单元盒上端，通过分支管路与内管相连，用于将内管内的活化介质均匀输送至对应的反应单元盒；所述活化介质通过与抽气外管高温烟气换热实现预热，提高热效率。
5.如权利要求4所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述环形活化介质分布器布置有多个出口，出口截面由靠近入口端向远离入口端逐渐扩大，调节出气压力，以实现各出口均匀出气目的。
6.如权利要求4所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
炉体内部所述气路套管外周的所述物料内侧滑板的下倾角度大于或等于25度，配合炉内周的所述物料外侧滑板共同控制物料的运动路径。
7.如权利要求1所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述周向均匀进料装置包括多组对称分布、依次相连的旋转进料阀、随机下落扩口、物料分布缩口及环形进口；
所述随机下落扩口截面为空心弧，扩口内部均匀布置径向隔挡棒，生物质原料颗粒碰撞所述隔挡棒在扩口周向上进行初次分布；所述物料分布缩口的下倾斜角度为30～60度，缩口内部被n-1块分布隔板隔开分为n个径向通道；所述环形进口的入口两端的开口比入口中间的开口更宽，出口各开口尺寸相同，用于生物质原料颗粒周向的二次分布，结合缩扩口以实现物料周向的均匀分布；所述环形进口将生物质原料沿进口切向抛落到所述多级高温电炉的物料内侧滑板上。
8.如权利要求1所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述产物冷却装置的换热箱设有进出口，用于换热介质的外部循环；所述换热盘管平面盘数大于2圈，高度盘数大于1；产物落入产物冷却装置后堆积，通过与所述换热盘管接触换热加热换热介质。
9.如权利要求8所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置，其特征在于：
所述换热盘管管外设螺旋翅片，用于加强换热。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置的反应方法，其特征在于，包括如下步骤：
在升温前，首先向炉内加入预堆积料，调节进料速率、出料速率使反应装置达到进出料平衡状态，产生反应区物料的预堆积，冷却换热区被预堆积料覆盖，并使周向进料均匀；
之后，反应装置各级达到预定温度后，生物质原料按固定进料速率由周向均匀进料装置的旋转进料阀进入，随后，原料颗粒抛落到多级高温电炉内物料内侧滑板上，同时也进入了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，经抽气口被抽入抽气外管中，挥发分可凝组分在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；
物料继续从物料内侧滑板缓速滑落到物料外侧滑板上，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，转化为无定形碳与石墨的复合结构，这时抽气口抽出的气体包括不可凝气体；
物料从物料外侧滑板缓速滑落到下一层物料内侧滑板上，迅速滑入物理活化区第一级的反应单元盒内，活化介质通过活化介质进口以固定流量进入内管中，并沿管程与抽气外管的高温烟气换热，通过活化介质环形分布器，活化介质均匀进入到每一个反应单元盒中，在第三设定温度下，堆积物料层发生活化反应；
而后物料从反应单元盒下端缝隙继续滑出，落到下一级的物料内侧滑板上，并迅速转移到接下来的反应单元盒中，抽气口抽出的气体包括CO、H2；在物理活化区，物料的孔隙得到发展，硅碳比得到调节；
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中，反应温度为第四设定温度，物料中的无定形碳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，从抽气口被抽出，碳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，最终生成碳硅复合物；
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，与换热盘管接触换热，换热介质充满换热箱及换热盘管，回收冷却过程释放的热量，从换热箱出口排出进行下一步的余热利用；
产物冷却至预定温度后，从旋转出料阀排出。
CN201910060346.3A 2019-01-22 2019-01-22 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法 Active CN109675504B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910060346.3A CN109675504B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910060346.3A CN109675504B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109675504A true CN109675504A (zh) 2019-04-26
CN109675504B CN109675504B (zh) 2020-07-07

Family

ID=66192544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910060346.3A Active CN109675504B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109675504B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113000138A (zh) * 2021-02-28 2021-06-22 梁玉静 一种用于畜牧业饲料生产的无尘粉碎装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101638590A (zh) * 2009-08-24 2010-02-03 中国科学院广州能源研究所 一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器
US20130247454A1 (en) * 2012-03-26 2013-09-26 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for internally heated radiant tubes in a chemical reactor
CN106642081A (zh) * 2016-12-12 2017-05-10 大连理工大学 一种有机物自供能热解燃烧分时反应装置及方法
US20170166818A1 (en) * 2015-11-25 2017-06-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fast pyrolysis reactor for organic biomass materials with against flow injection of hot gases
CN107008217A (zh) * 2017-06-16 2017-08-04 华中科技大学 一种生物焦炭物理化学联合活化装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101638590A (zh) * 2009-08-24 2010-02-03 中国科学院广州能源研究所 一种可燃固体废弃物化学链气化制合成气的方法及串行流化床反应器
US20130247454A1 (en) * 2012-03-26 2013-09-26 Sundrop Fuels, Inc. Various methods and apparatuses for internally heated radiant tubes in a chemical reactor
US20170166818A1 (en) * 2015-11-25 2017-06-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fast pyrolysis reactor for organic biomass materials with against flow injection of hot gases
CN106642081A (zh) * 2016-12-12 2017-05-10 大连理工大学 一种有机物自供能热解燃烧分时反应装置及方法
CN107008217A (zh) * 2017-06-16 2017-08-04 华中科技大学 一种生物焦炭物理化学联合活化装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113000138A (zh) * 2021-02-28 2021-06-22 梁玉静 一种用于畜牧业饲料生产的无尘粉碎装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109675504B (zh) 2020-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103140569A (zh) 用于颗粒状碳质原料的研磨热解的方法和系统
CN206109306U (zh) 一种利用槽式太阳能热解生物质多联产的装置
CN110137446B (zh) 纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺
CN106479545A (zh) 一种移动床热解反应器
CN105670709A (zh) 荒煤气净化装置
CN107603646A (zh) 一种移动式内外组合加热生物质热解炭油联产系统
CN106276889B (zh) 活性炭活化炉的炉体
CN109675504A (zh) 一种用于含硅生物质自碳热还原的连续式反应装置及方法
CN109628121B (zh) 一种稻壳分级联产能源化学品及硅炭材料的系统及方法
CN104810065B (zh) 一种含钴包覆颗粒及其制备方法
CN111747416B (zh) 生产SiOx的装置及方法
CN106433726A (zh) 一种废旧轮胎处理系统和处理方法
CN107723012A (zh) 多级流化床粉煤热解及除尘耦合制取煤焦油煤气的系统及方法
CN110617721A (zh) 倾斜列管颗粒/超临界co2移动床换热器
CN206318948U (zh) 一种废旧轮胎处理系统
CN205687862U (zh) 一种内外加热、间接和直接加热结合的移动床热解系统
CN104610990B (zh) 一种低阶煤绝热热解装置
CN205653407U (zh) 煤热解系统
CN214140648U (zh) 一种提高粉状煤炭回转炉干燥质量的分级加料装置
JP2020521822A (ja) 石炭熱分解処理装置
CN204138620U (zh) 高温含尘荒煤气冷却过滤热解装置
CN106479539A (zh) 一种快速热解生物质的系统及方法
CN104962302B (zh) 基于循环流化床锅炉燃烧室高温混合料的热解工艺及装置
CN114941958B (zh) 一种基于流化床和相变材料的换热设备
CN106744942B (zh) 一种活性焦的制备方法和制备装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant