CN110652784B - 一种生物炭制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物炭制备系统，该生物炭制备系统包括炭化炉和尾气处理系统。尾气处理系统即可去除有害气体，又可对可燃气体进行回收，其进气端与炭化炉上的换气口相连，包括依次串联的水洗机构、旋风分离器、冷却器、水气分离器和集气罐。该生物炭制备系统具对制备的生物炭进行降温冷却的冷却机构，且冷却机构至少包括油冷和水冷两级冷却，加速出炭冷却，以实现连续生产。

Description

一种生物炭制备系统
技术领域
本发明涉及农业废弃物无害化处理和资源化高效利用领域，尤其涉及一种生物炭制备系统。
背景技术
生物炭是生物质在绝氧或缺氧环境下，经过高温热裂解后产生的一类高度芳香化难溶性固体产物。土壤中施用生物质炭可降低土壤容重，提升土壤碳库，提高土壤团聚性和土壤持水能力。另外，由于生物炭特殊的孔隙结构、较大的比表面积和化学官能团，生物炭可以吸附和固定肥料养分，延缓肥料在土壤中的释放和降低养分淋失。此外，生物炭还可作为一种天然的氮素肥料缓释剂在农业生产中发挥巨大作用。因此生物炭在农业发展中具有重要作用。
现有技术中在制备生物炭时，多使用碳化炉对物料进行高温热裂解制粒后直接排出，由于炭化区的温度在400℃～600℃，制备成的生物炭温度较高，直接排出后接触空气可能会导致生物炭复燃，破坏生物炭，导致其成品率降低，影响后期肥效。目前公知的生物炭冷却采用自然冷却，生物炭从400℃～600℃逐步冷却至室温需要20余小时以上，夏季甚至需要几天时间，因为生物炭至干馏时，需要加热至500℃以上才会产生干馏气，而制成的生物炭至冷却过程中亦会氧化发热，因此温度难以降低，且该种操作使得生产不能连续，降低了生产效率。
另外，生物炭在制备过程中会产生HCN、SO2、NH3、NOX等有害气体，现有的对生产中产生的废气由喷淋塔吸收处理，喷淋塔本身是一种保护环境净化废气的一种设备，它可以把废气中含有的有毒有害物质吸收并消除，主要是因为喷淋塔利用酸碱中反应和氧化还原的原理达到了快速净化废气的目的。但是生物炭在制备过程中还会产生CH4、H2、CO等可燃气体，而现有的对尾气进行水洗处理达到排放标准后就会直接排放，从而使该部分的可燃气体浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对制备的生物炭进行强制降温，实现连续生产，并能够对可燃气体进行回收的生物炭制备系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种生物炭制备系统，包括炭化炉和尾气处理系统，所述炭化炉的底部设有支架，于炭化炉的顶部和底部分别设有第一进料口和第一出料口；所述炭化炉内腔的下部设有用于使物料阴燃的点火机构，于其内腔还设有用于推动物料向下输送并搅碎物料呈颗粒状的出料机构，对应点火机构的炭化炉侧壁上开设有换气口，其特征在于：
所述尾气处理系统的进气端与换气口相连，包括依次串联的水洗机构、旋风分离器、冷却器、水气分离器和集气罐，于集气罐前的输气管路上设有抽气泵；
生物炭制备系统包括用于对制备的生物炭进行降温的冷却机构；
所述冷却机构包括油冷室和水冷绞龙；所述油冷室固定于炭化炉底部，其侧壁上开设有进油口和出油口，所述第一出料口贯穿油冷室；所述水冷绞龙倾斜向上设置，其下端的侧壁上具有向上并与第一出料口连接的第二进料口，其上端的侧壁上具有向下的第二出料口，其内部具有用于驱动物料向第二出料口输送的绞龙轴，所述水冷绞龙的壳体呈双层结构，于内、外壳体间形成水冷夹层，所述水冷夹层的上端具有进水口，下端具有出水口，所述进水口和出水口与水冷装置形成环向连接，使得水冷装置能够对水冷夹层循环供给冷却水。
进一步的技术方案在于：所述水冷夹层通过隔板于轴向上分隔成上下两个独立的夹层，每一夹层的上下两端均分设有进水口和出水口。
进一步的技术方案在于：所述点火机构包括环向均布固定于炭化炉下部内壁上的多个点火器、设于炭化炉下部内的温度传感器和外设的第一控制器，所述第一控制器的信号输入端连接温度传感器，控制输出端连接抽气泵。
进一步的技术方案在于：所述换气口上设有能够调节开口大小的电子流量阀，所述第一控制器的控制输出端还连接有电子流量阀。
进一步的技术方案在于：所述出料机构包括出料电机和搅拌轴，所述搅拌轴竖直设于炭化炉的中心，并借助轴承与炭化炉可转动连接，所述搅拌轴上固定有螺旋叶片，所述搅拌轴的下端贯穿油冷室并借助联轴器与出料电机的输出轴固定。
进一步的技术方案在于：所述水洗机构包括储水池和喷淋塔，所述喷淋塔具有串联的一级喷淋塔和二级喷淋塔；每一喷淋塔的底部镂空，并架设于储水池上；每一喷淋塔内具有位于进气口上方、且上下间隔设置的至少两组水洗单元，每一水洗单元包括填料层和于其上方的喷淋管，所述喷淋管通过抽水泵与储水池连通；所述一级喷淋塔下部的内壁上周向等距开设有至少两道滑槽，于一级喷淋塔下方的所述填料层上固定有与滑槽相匹配的滑块，所述一级喷淋塔的侧壁上水平固定有与滑块对应的气缸，所述气缸的缸杆伸长后贯穿一级喷淋塔的侧壁，并位于滑块下方对其支撑，所述一级喷淋塔的出气口设有气体流量传感器，所述气体流量传感器和气缸分别连接于一第二控制器的信号输入端和控制输出端。
进一步的技术方案在于：所述储水池内壁的上部固定有过滤网，所述抽水泵的进水管位于过滤网的下方，所述喷淋塔的底部位于过滤网的上方。
进一步的技术方案在于：所述冷却器包括上下设置的集气箱和集水箱，所述集气箱和集水箱之间连通有多根散热管，所述集气箱通过竖向的隔板分隔成独立的进气腔和出气腔，所述进气腔与旋风分离器的出气端连通，所述出气腔与水气分离器的进气端连通，所述集水箱上开设有排水口。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
在尾气处理系统中增加了对可燃气体的回收部分，通过旋风分离器、冷却器和水气分离器的设置，可去除水洗过程中的水气，以及对高温的气体进行降温，以保证可燃气体的干燥性以及高效的存储，提高生物炭制备的价值。
生物炭制备系统具对制备的生物炭进行强制降温冷却的冷却机构，且冷却机构至少包括两级冷却。炭化完成后，首先在出料口周围设置油冷室，在出料的流动过程中，利用冷却油进行快速冷却到200℃以下；然后再利用水冷绞龙进行循环水冷，一方面生物炭经水冷绞龙输送的时间和行程较长，延长了水冷时间，另一方面生物炭在水冷绞龙内经绞龙轴不断搅拌，使生物炭与水冷夹层能够充分的、均匀的接触。通过两级冷却能够有效的保证生物炭出料后与空气不会复燃，有效保证了生物炭的质量，且利用该生物炭制备装置能够连续进行制炭生产，提高了生产效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中炭化炉与冷却机构连接的结构示意图；
图3是本发明中一级喷淋塔的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1和图2所示，一种生物炭制备系统，用于将生物质在绝氧或缺氧环境下，经过高温热裂解后生物炭颗粒。该生物炭制备系统包括炭化炉101和尾气处理系统。
炭化炉101可由耐火砖砌筑构成，可耐受高温，并且于耐火砖的外层设有保温层，可使炉内温度不受外界环境影响。炭化炉101的底部设有支架，于炭化炉101的顶部和底部分别设有第一进料口102和第一出料口103。所述炭化炉101内腔的下部设有用于使物料阴燃的点火机构，点火机构为生物炭制备提供所需的热量，但又不产生明火，使生物质处于阴燃的状态。于炭化炉101内腔内腔还设有用于推动物料向下输送并搅碎物料呈颗粒状的出料机构，对应点火机构的炭化炉101侧壁上开设有换气口104。
炭化炉101的炉膛内由于温度的不同，由上至下可分为干燥区、预热区和炭化区，点火机构设于炭化区内。在制炭过程中，随着生物炭的排出会不断的向炭化炉101内投入新的生物质。生物质经第一进料口102进入炉内，随着出料机构的推动不断向下移动，依次经过干燥区、预热区最后到达温度最高的炭化区进行炭化，随着出料机构的搅碎和高温裂解，生物质被制成生物炭颗粒，并由第一出料口103排出。
在炭化过程中，会产生尾气，其中包含有HCN、SO2、NH3、NOX等有害气体，以及CH4、H2、CO等可燃气体，即可去除有害气体，又可对可燃气体进行回收。尾气处理系统的进气端与换气口104相连，包括依次串联的水洗机构201、旋风分离器202、冷却器203、水气分离器204和集气罐205，于集气罐205前的输气管路上设有抽气泵206，通过抽气泵206的助力，使气体能够顺利的流经各处理设备，并最终存储于集气罐205内。
通过该尾气处理系统对生物炭制备过程中的尾气进行处理时：
第一步，尾气由制备罐排出进入水洗机构201，通过水洗机构201主要用于去除气体中的有害气体，并一定程度上对气体进行水冷降温；
第二步，经水洗机构201水洗后的气体中，含有大量的水气及可燃气体，气体由水洗机构201的出气口进入旋风分离器202中，利用离心力分离气流中的液滴，分离出的液珠从下方排出；
第三步，由于生物炭制备过程中的温度在400℃至600℃间，由旋风分离器202排出的气体中还夹杂着大量的水蒸气，气体由旋风分离器202的排气口进入冷却器203内，使水蒸气冷凝，实现气液分离。此冷却器203的目的主要是为了进一步去除气体中的水蒸汽，同时还对气体进行降温，以缩小其膨胀的体积。
第四步，气体由冷却器203处理后进入水气分离器204中，进一步的进行水气分离处理，以保证可燃气体的干燥性。其中，水气分离器204可包括串联的两个或多个。
第五步，经上述处理后的可燃性气体存储在集气罐205内，该气体干燥且温度低，同时在集气罐205上设有压力传感器，以保证其内部压力的安全性。
为了使排出的生物炭与空气接触后不会复燃，生物炭制备系统包括用于对制备的生物炭进行降温的冷却机构301，冷却机构301包括油冷室302和水冷绞龙303。所述油冷室302固定于炭化炉101底部，其侧壁上开设有进油口和出油口，所述第一出料口103贯穿油冷室302。所述水冷绞龙303倾斜向上设置，其下端的侧壁上具有向上并与第一出料口103连接的第二进料口304，其上端的侧壁上具有向下的第二出料口305，其内部具有用于驱动物料向第二出料口305输送的绞龙轴，所述水冷绞龙303的壳体呈双层结构，于内、外壳体间形成水冷夹层306，所述水冷夹层306的上端具有进水口307，下端具有出水口308，所述进水口307和出水口308与水冷装置形成环向连接，使得水冷装置能够对水冷夹层306循环供给冷却水。该装置中，水冷装置采用冷却塔，绞龙属于现有设备，用于输送物料使用，绞龙轴上设有螺旋的叶片，其两端通过轴承与壳体内壁可转动连接，且其一端连接有驱动其旋转的电机，电机通过电机架与壳体固定。
该生物炭制备系统具对制备的生物炭进行降温冷却的冷却机构301，且冷却机构301至少包括两级冷却。炭化完成后，首先在出料口周围设置油冷室302，在出料的流动过程中，利用冷却油进行快速冷却到200℃以下。然后生物炭由第一出料口103进入第二进料口304，利用水冷绞龙303对生物炭进行循环水冷，一方面生物炭经水冷绞龙303输送的时间和行程较长，延长了水冷时间，另一方面生物炭在水冷绞龙303内经绞龙轴不断搅拌，使生物炭与水冷夹层306能够充分的、均匀的接触。通过两级冷却能够有效的保证生物炭出料后与空气不会复燃，有效保证了生物炭的质量，且利用该生物炭制备装置能够连续进行制炭生产，提高了生产效率。在此过程中，水冷夹层306内的水处于不断循环状态，吸热后的冷却水由出水口308排出进入冷却塔内，经冷却塔冷却后的冷却水再由进水口307进入水冷夹层306内，完成循环冷却。
另外，在该生物炭制备装置中，水冷绞龙303还起到了提升并输送物料的作用，可在第二出料口305处放置用于收集生物炭的收集装置，相较于由较低的第一出料口103直接出料，省去了倒运生物炭的操作，节省人工。
为了进一步提高水冷效果，将水冷夹层306通过隔板于轴向上分隔成上下两个独立的夹层，每一夹层的上下两端均分设有进水口307和出水口308，以保证水冷温度，提高对生物炭的降温效果。
点火机构包括环向均布固定于炭化炉101下部内壁上的多个点火器105、设于炭化炉101下部内的温度传感器和外设的第一控制器，所述第一控制器的信号输入端连接温度传感器，控制输出端连接抽气泵206。换气口104与第一进料口102之间可形成循环的气道，第一控制器的信号输入端连接温度传感器，控制输出端连接抽气泵206。通过对抽气泵206的调控，可在保证炭化区有氧进入的情况下，又能够保证物料不会产生明火燃烧。具体的，当温度传感器检测到炭化区温度过高时，为避免物料产生明火燃烧，第一控制器就会使抽气泵206的转速降低，减小换气量，使炭化区始终处于阴燃的状态。反之，当温度传感器检测到炭化区温度过低时，为保证炭化区能够进行阴燃炭化，第一控制器就会控制抽气泵206的转速提高，加大换气量。通过对换气量的调节，能够有效保证对生物质炭化的顺利进行。
进一步的为提高换气调控的准确性，在换气口104上设有能够调节开口大小的电子流量阀106，所述第一控制器的控制输出端还连接有电子流量阀106。当温度传感器检测到炭化区温度过高时，第一控制器就会调控电子流量阀106的开口关小，反之，当温度传感器检测到炭化区温度过低时，第一控制器就会调控电子流量阀106的开口开大，通过电子流量阀106与抽气泵的协调控制，可达到对换气量的精准调节。
另外，为了促进实验研究，为生物炭制备提供更多有效的参考数值，在换气口104上还设有流量计，从而得到进风量与温度之间的有效联系。
出料机构包括出料电机107和搅拌轴108，所述搅拌轴108竖直设于炭化炉101的中心，并借助耐高温轴承与炭化炉101可转动连接，所述搅拌轴108上固定有螺旋叶片，所述搅拌轴108的下端贯穿油冷室302并借助联轴器与出料电机107的输出轴固定。通过出料电机107驱动搅拌轴108旋转，利用旋转的螺旋叶片，一方面可实现对物料向下的推进，另一方面可对物料进行破碎形成颗粒物。其工作原理与绞龙相同。
水洗机构201包括储水池2011和喷淋塔，所述喷淋塔具有串联的一级喷淋塔2012和二级喷淋塔2013，所述一级喷淋塔2012的入口端接收生物炭制备尾气。每一喷淋塔的底部镂空，并架设于储水池2011上，具体的，在喷淋塔下部的侧壁上周向固定有多个角铁，所述角铁卡在储水池2011侧壁顶部，实现对喷淋塔的固定架设，为了使喷淋塔能够稳固的假设与储水池2011上，因此在一级喷淋塔2012和二级喷淋塔2013之间的储水池2011上固定有横梁，从而使得所述角铁周向均布于喷淋塔上，卡在储水池2011和横梁上。每一喷淋塔内具有位于进气口上方、且上下间隔设置的至少两组水洗单元，每一水洗单元包括填料层2014和于其上方的喷淋管2015，所述喷淋管2015通过抽水泵与储水池2011连通。储水池2011内的水通过抽水泵打入每一喷淋管2015内，喷淋管2015向其下方的填料层2014喷水，水洗后的液体由塔体的底部回流至储水池2011内，该水洗方式为现有技术。
如图3所示，为防止在水洗过程中应填料堵塞造成的停产问题发生，在一级喷淋塔2012下部的内壁上周向等距开设有至少两道滑槽2017，于一级喷淋塔2012下方的所述填料层2014上固定有与滑槽2017相匹配的滑块2018，所述一级喷淋塔2012的侧壁上水平固定有与滑块2018对应的气缸2019，所述气缸2019的缸杆伸长后贯穿一级喷淋塔2012的侧壁，并位于滑块2018下方对其支撑，所述一级喷淋塔2012的出气口设有气体流量传感器2010，所述气体流量传感器2010和气缸2019分别连接于一第二控制器的信号输入端和控制输出端。
在水洗过程中，通过气体流量传感器2010监测一级喷淋塔2012的排气量，并将监测的信号传输给第二控制器，一旦排气量降低则证明一级喷淋塔2012最底部的过滤层被堵塞，第二控制器就会控制气缸2019收缩，撤回缸杆对该过滤层的支撑，使得该过滤层就会沿滑槽2017从塔体内滑出落在储水池2011内。从而实现将水洗机构201中，最易被颗粒物堵塞的一级喷淋塔2012最底部的过滤层与塔体活动连接，一旦其被堵塞，则被弃用，同时落下的过滤层更易被操作人员发现，避免了频繁的定期排查，只要等生产完成后重新更换该处的过滤层即可。并且将喷淋塔设置为串联的两级，以保证后续的填料层2014能够进行有效的水洗处理，不影响生产顺利、有效的进行。
其中，第一控制器和第二控制器可集成于一个基于PLC的可编程逻辑控制器。
在储水池2011内壁的上部固定有过滤网，所述抽水泵的进水管位于过滤网的下方，所述喷淋塔的底部位于过滤网的上方。过滤网的设置，能够分离喷淋后液体中的固体杂质，使循环的喷淋液保持洁净。另外，过滤网还能够拦截掉落的填料层2014，以便被操作人员发现和打捞。
在该尾气处理系统中，冷却器203采用空冷降温，包括上下设置的集气箱和集水箱2031，所述集气箱和集水箱2031之间连通有多根散热管2032，所述集气箱通过竖向的隔板分隔成独立的进气腔2033和出气腔2034，所述进气腔2033与旋风分离器202的出气端连通，所述出气腔2034与水气分离器204的进气端连通，所述集水箱2031上开设有排水口。进气腔2033通过其对应的多根散热管2032与集水箱2031实现串联，集水箱2031又与出气腔2034通过剩余的多根散热管2032实现串联。在使用时，气体由进气腔2033进入，通过两部分散热管2032形成的U通道进入出气腔2034后排出，气体分散进入多根散热管2032内，相邻的散热管2032间具有间隙，以增加与空气的接触面积，通过空气的流通，带走散热管2032内的热量，冷凝的液珠在重力的作用下落在集水箱2031内，从而实现对高温蒸汽的冷凝回流。
进一步为提高气体分离效果，在集水箱2031上固定有包围所有散热管2032的散热套，所述散热套的外壁上以其为中心呈放射状固定有散热翅片，通过散热翅片以增大散热面积，使冷却器203的处理效果更好。另外，在散热套内填充有导热体，导热体填充在各个散热管2032之间，可将散热管2032的热量传导至热套上，加快散热，其中导热体可以为导热油或导热硅脂等导热材料。
以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种生物炭制备系统，包括炭化炉(101)和尾气处理系统，所述炭化炉(101)的底部设有支架，于炭化炉(101)的顶部和底部分别设有第一进料口(102)和第一出料口(103)；所述炭化炉(101)内腔的下部设有用于使物料阴燃的点火机构，于其内腔还设有用于推动物料向下输送并搅碎物料呈颗粒状的出料机构，对应点火机构的炭化炉(101)侧壁上开设有换气口(104)，其特征在于：
所述尾气处理系统的进气端与换气口(104)相连，包括依次串联的水洗机构(201)、旋风分离器(202)、冷却器(203)、水气分离器(204)和集气罐(205)，于集气罐(205)前的输气管路上设有抽气泵(206)；
其中，所述水洗机构(201)包括储水池(2011)和喷淋塔，所述喷淋塔具有串联的一级喷淋塔(2012)和二级喷淋塔(2013)，所述一级喷淋塔(2012)的入口端接收生物炭制备尾气；每一喷淋塔的底部镂空，并架设于储水池(2011)上；每一喷淋塔内具有位于进气口上方、且上下间隔设置的至少两组水洗单元，每一水洗单元包括填料层(2014)和于其上方的喷淋管(2015)，所述喷淋管(2015)通过抽水泵与储水池(2011)连通；所述一级喷淋塔(2012)下部的内壁上周向等距开设有至少两道滑槽(2017)，于一级喷淋塔(2012)下方的所述填料层(2014)上固定有与滑槽(2017)相匹配的滑块(2018)，所述一级喷淋塔(2012)的侧壁上水平固定有与滑块(2018)对应的气缸(2019)，所述气缸(2019)的缸杆伸长后贯穿一级喷淋塔(2012)的侧壁，并位于滑块(2018)下方对其支撑，所述一级喷淋塔(2012)的出气口设有气体流量传感器(2010)，所述气体流量传感器(2010)和气缸(2019)分别连接于一第二控制器的信号输入端和控制输出端；
所述点火机构包括环向均布固定于炭化炉(101)下部内壁上的多个点火器(105)、设于炭化炉(101)下部内的温度传感器和外设的第一控制器，所述换气口(104)上设有能够调节开口大小的电子流量阀(106)，所述第一控制器的信号输入端连接温度传感器，控制输出端连接抽气泵(206)和电子流量阀(106)；
所述出料机构包括出料电机(107)和搅拌轴(108)，所述搅拌轴(108)竖直设于炭化炉(101)的中心，并借助轴承与炭化炉(101)可转动连接，所述搅拌轴(108)上固定有螺旋叶片，所述搅拌轴(108)的下端贯穿油冷室(302)并借助联轴器与出料电机(107)的输出轴固定；
生物炭制备系统还包括用于对制备的生物炭进行降温的冷却机构(301)；
所述冷却机构(301)包括油冷室(302)和水冷绞龙(303)；所述油冷室(302)固定于炭化炉(101)底部，其侧壁上开设有进油口和出油口，所述第一出料口(103)贯穿油冷室(302)；所述水冷绞龙(303)倾斜向上设置，其下端的侧壁上具有向上并与第一出料口(103)连接的第二进料口(304)，其上端的侧壁上具有向下的第二出料口(305)，其内部具有用于驱动物料向第二出料口(305)输送的绞龙轴，所述水冷绞龙(303)的壳体呈双层结构，于内、外壳体间形成水冷夹层(306)，所述水冷夹层(306)的上端具有进水口(307)，下端具有出水口(308)，所述进水口(307)和出水口(308)与水冷装置形成环向连接，使得水冷装置能够对水冷夹层(306)循环供给冷却水。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭制备系统，其特征在于：所述水冷夹层(306)通过隔板于轴向上分隔成上下两个独立的夹层，每一夹层的上下两端均分设有进水口(307)和出水口(308)。
3.根据权利要求1所述的一种生物炭制备系统，其特征在于：所述储水池(2011)内壁的上部固定有过滤网，所述抽水泵的进水管位于过滤网的下方，所述喷淋塔的底部位于过滤网的上方。
4.根据权利要求1所述的一种生物炭制备系统，其特征在于：所述冷却器(203)包括上下设置的集气箱和集水箱(2031)，所述集气箱和集水箱(2031)之间连通有多根散热管(2032)，所述集气箱通过竖向的隔板分隔成独立的进气腔(2033)和出气腔(2034)，所述进气腔(2033)与旋风分离器(202)的出气端连通，所述出气腔(2034)与水气分离器(204)的进气端连通，所述集水箱(2031)上开设有排水口。
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