CN111115626A - 一种一步快速炭化活化制取生物质活性炭的制炭系统和方法 - Google Patents

一种一步快速炭化活化制取生物质活性炭的制炭系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种一步快速炭化活化制取生物质活性炭的制炭系统和方法，包括沉降炉、给料装置、蒸汽发生器、供水装置、二次风供气装置，给料装置与沉降炉的进料口连接，给料装置向沉降炉内送入生物质原料，蒸汽发生器的出气口与沉降炉连接，供水装置、二次风供气装置分别与蒸汽发生器的进料口连接，所述二次风供气装置包括氧气供气装置。将生物质和水蒸气和氧气进行制备活性炭，缩短了生物质制备活性炭的时间。时间为3‑10s。

Description

一种一步快速炭化活化制取生物质活性炭的制炭系统和方法
技术领域
本发明属于于生物质综合利用技术领域，具体涉及是一种一步快速炭化活化制取生物质活性炭的制炭系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着经济社会的快速发展，节能减排和新能源利用成为当今时代主题，各种气液固污染物的治理和碳减排提到了前所未有的高度，具备良好吸附性能的活性炭材料得到越来越广泛的应用。如何清洁、高效和低成本制取活性炭，是当前社会关注的焦点问题。生物质材料作为可再生碳中性资源，以生物质材料为原料，制取粉状活性炭 (PowderedActivated Carbon，下文称为PAC)，具有清洁高效和不增加碳排放的特性，是一种行之有效的方法。
传统的PAC的制取多分两步：为保证活性炭的机械强度，首先要以缓慢的升温速率(<10K s-1)下使原料热解，再在高温(800-1000℃)条件下，用CO2或水蒸汽对半焦进行1-6h的活化，制备时间冗长，耗能较高。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统和方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，包括沉降炉、给料装置、蒸汽发生器、供水装置、二次风供气装置，给料装置与沉降炉的进料口连接，给料装置向沉降炉内送入生物质原料，蒸汽发生器的出气口与沉降炉连接，供水装置、二次风供气装置分别与蒸汽发生器的进料口连接，所述二次风供气装置包括混合器、氧气供气装置，氧气供气装置与混合器连接，混合器与蒸汽发生器连接。
本发明的生物质活性炭的制炭系统，氧气供气装置向沉降炉内送入氧气，供水装置通过蒸汽发生器，向沉降炉内送入水蒸气，将生物质和水蒸气和氧气进行制备活性炭，缩短了生物质制备活性炭的时间。
在本发明的一些实施例中，所述二次风供气装置包括氮气供气装置，氮气供气装置包括第一氮气储罐、第一进气阀、第一氮气质量流量计，第一氮气储罐的出气口通过氮气供气管道依次与第一进气阀、第一氮气质量流量计、混合器连接。
在本发明的一些实施例中，所述二次风供气装置包括二氧化碳供气装置，二氧化碳供气装置包括二氧化碳储罐、第二进气阀、二氧化碳质量流量计，二氧化碳储罐的出气口通过二氧化碳供气管道依次与第二进气阀、二氧化碳质量流量计、混合器连接。
在本发明的一些实施例中，所述制炭系统包括一次风供气装置，一次风供气装置第二氮气储罐、第三进气阀、第二氮气质量流量计，第二氮气储罐的出气口通过一次风供气管道依次与第三进气阀、第二氮气质量流量计、给料装置的给料端连接。
在本发明的一些实施例中，氧气供气装置包括氧气储罐、第四进气阀、氧气质量流量计，氧气储罐的出气口通过氧气供气管道依次与第四进气阀、氧气质量流量计、混合器连接。
在本发明的一些实施例中，供水装置包括水箱和蠕动泵，水箱与蠕动泵连接，蠕动泵与蒸汽发生器连接。
在本发明的一些实施例中，沉降炉竖直设置，沉降炉的顶部分别与蒸汽发生器、供料装置连接。
在本发明优选的一些实施例中，沉降炉为管式沉降炉，沉降炉的内部设置加热装置，沉降炉的底部连接收集器，收集器依次与过滤器、真空泵连接。
在本发明的一些实施例中，沉降炉的反应管直径为60-150mm，沉降炉的高度为1.5-5.0m，沉降炉与炉温控制装置连接。
第二方面，一种一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭方法，具体步骤为：
生物质经过研磨、干燥得到生物质原料；
沉降炉升温，同时向供料装置的给料端内通入一次风，供料装置送入生物质原料，一次风带动生物质原料进入沉降炉；
在通入一次风的同时向沉降炉内通入二次风，二次风为氮气和活化气体，氮气将活化气体带入沉降炉；
在沉降炉内完成炭化和活化的过程后，在沉降炉底部得到活性炭。
一次风携带生物质进入沉降炉，然后与二次风混合。
在本发明的一些实施例中，生物质原料在沉降炉内停留3-10s。本发明相比于现有技术中的生物质炭化活化的时间大大缩短，提高生产效率。
在本发明的一些实施例中，活化气体为氧气、水蒸气、二氧化碳气体中的两种，优选的，活化气体为氧气和水蒸气的混合气；进一步优选的，氧气占二次风的体积分数为2％-10％，水蒸气占二次风的体积分数为10％-40％。
在本发明的一些实施例中，一次风为氮气，氮气的流速为3-5L/min，二次风的流速为8-10L/min。
生物质为农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物，在本发明的一些实施例中，生物质为松木、椰壳、竹子、秸秆、稻草等中的一种或多种，生物质原料的粒径为 60μm-300μm。生物质原料为生物质研磨后筛选得到的。
在本发明的一些实施例中，沉降炉内部的温度为750-950℃，沉降炉的升温速率为103-104K/s。
在本发明的一些实施例中，生物质原料的进料速度为3-8g/min。生物质原料通过一次风吹入沉降炉内。
在本发明的一些实施例中，生物质干燥的条件为：温度90-120℃，时间为0.5-1.5h。
上述方法制备得到的活性炭。
本发明的有益效果：
1)简化生物质活性炭的制备工艺流程。通过氛围调制，生物质材料在沉降炉中一步快速完成炭化和活化过程，无需耗时均较长的先炭化后活化的两步流程，工艺流程大大缩减。
2)本方法采用生物质粉末作为原材料，添加高反应活性氧气作为活化氛围，采用较高的升温速率(103-104K/s)，炭化活化过程仅需3-10s完成，相较传统的两步法低升温速率分别长达数到十几小时炭化时间和活化时间，大大减少了生产时间和成本。
3)调制氧气/水蒸气/二氧化碳作为活化氛围，既保证了活性炭表面结构不会被烧毁，具有一定的机械强度，又可以通过活化作用促进其表面孔隙结构的生长和发展，获得优良的生物质活性炭产品。
4)制取的粉末状活性炭具有优良的表面结构特征，粉末状的特点使活性炭与污染气体的接触面积更大，且方便储藏和运输，具有良好的吸附效果和实用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的一步法制取生物质活性炭工艺流程图；
图2为本发明实施例的沉降炉制炭系统示意图；
图3为本发明实施例得到的活性炭的孔隙结构示意图；
图中：1、旋转给料机，2、沉降炉，3、蒸汽发生器，4、蠕动泵，5、水箱，6、混合器，7、第一氮气储罐，8、第一进气阀，9、第一氮气质量流量计，10、二氧化碳储罐，11、第二进气阀，12、二氧化碳质量流量计，13、第二氮气储罐，14、第三进气阀，15、第二氮气质量流量计，16、收集器，17、过滤器，18、真空泵，19、炉温控制装置，20、氧气储罐，21、第四进气阀，22、氧气质量流量计。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
给料装置为旋转给料机1，旋转给料机1与沉降炉2的顶部的物料入口连接，一次风供气装置与旋转给料机1的给料端连接，包括第二氮气储罐13、第三进气阀14、第二氮气质量流量计15，通过氮气将生物质原料吹入沉降炉2。
二次风进气装置与蒸汽发生器连接，氧气供气装置、二氧化碳供气装置、氮气供气装置分别与混合器6连接，混合器6与蒸汽发生器3连接，在蒸汽发生器3内二次风与水蒸气混合后进入沉降炉2。
二次风进气装置包括氧气供气装置，氧气供气装置包括氧气储罐20、第四进气阀21、氧气质量流量计22，蒸汽发生器3分别与供水装置、供气装置连接，供水装置包括水箱5和蠕动泵4，水箱5与蠕动泵4连接，蠕动泵4与蒸汽发生器3连接。水进入蠕动泵4之后，与氮气相遇形成水汽，水汽与氧气同时进入沉降炉2与生物质原料进行炭化活化，得到活性炭。水汽进入沉降炉2后遇到高温形成水蒸气。
本发明相比于现有的活化方法，具有活化速度快的效果，发明人发现，氧气与碳之间的反应要比碳和其它物质如水蒸汽和CO2等反应更迅速，用氧气作为活化剂能节约时间和成本。但若单独使用氧气作为活化剂难以控制实验过程、容易造成活性炭表面烧毁。所以本发明中通过氮气、氧气、水蒸气配合对生物质原料进行炭化活化。缩短了活化时间，升温速率较快，生产效率高。
发明人发现PAC的表面结构是衡量吸附效果的关键因素，PAC吸附量的大小与 PAC孔隙结构具有密切关系。水蒸汽的容积分数对PAC的孔隙生长有重要影响，氧气对PAC孔隙的形成和生长也有着关键作用。本发明的氧气和水蒸气配合使活性炭形成良好的孔隙结构，吸附量较大。
二次风供气装置包括二氧化碳供气装置，二氧化碳供气装置包括二氧化碳储罐10、第二进气阀11、二氧化碳质量流量计12。本发明可以利用二氧化碳作为活化气体。
二次风供气装置包括氮气供气装置；氮气供气装置包括第一氮气储罐7、第一进气阀8、第一氮气质量流量计9。二次风供气装置的氮气供气装置，具有携带活化气体的作用。二次风的氮气有助于避免活性炭表面烧毁的问题。
沉降炉2竖直设置，沉降炉2的顶部分别与蒸汽发生器、供料装置连接。生物质从沉降炉2的顶部进入后，向下落，在向下落的过程中发生炭化活化过程，最后落入收集器。
收集器16具有加热的功能，收集器16的内部设置加热元件，能够加热烘干活性炭，在烘干的过程中产生的水蒸气通过过滤器17、真空泵18后放空。
沉降炉2与炉温控制装置19连接。炉温控制装置19可以调节沉降炉2的电压和电流，从而调节沉降炉2的温度和升温速率。
在沉降炉2中下落过程即为停留过程，落料结束意味着已经反应完成。停留时间由配风速度和沉降炉2恒温段长度综合确定
实施例1
生物质破碎，研磨，然后在105℃下干燥，干燥1h，最后再进行多次筛选，获得 100-200μm粒径的生物质粉末作为原料；
沉降炉为管式沉降炉，高度2米，内有加热装置，高温反应管直径为100mm左右，外有较厚的保温层，总直径接近1m。
沉降炉升温至800℃，沉降炉的升温速率为104K/s，同时向供料装置的给料端内通入一次风氮气，供料装置送入生物质原料，旋转式给料机供给4g/min，一次风带动生物质原料进入沉降炉；一次风氮气的流速为4L/min；
向沉降炉内通入二次风，二次风的流速为9L/min，二次风为氮气和活化气体，活化气体为氧气和氮气的混合气，二次风中氧气的体积分数为5％，水蒸气的体积分数为20％，氮气将活化气体带入沉降炉；
在沉降炉内完成炭化和活化的过程后，生物质在沉降炉内停留的时间为6s，在沉降炉底部得到活性炭。
得到的活性炭的孔隙结构如图3所示，可以得到活性炭表面为疏松多孔的结构，通过对挥发性有机物甲苯吸附实验，本发明制备的活性炭的吸附量为180mg/g。
实施例2
生物质破碎，研磨，然后在105℃下干燥，干燥1h，最后再进行多次筛选，获得 100-200μm粒径的生物质粉末作为原料；
沉降炉结构与实施例1相同。
沉降炉升温至800℃，沉降炉的升温速率为104K/s，同时向供料装置的给料端内通入一次风氮气，供料装置送入生物质原料，旋转式给料机供给4g/min，一次风带动生物质原料进入沉降炉；一次风氮气的流速为4L/min；
向沉降炉内通入二次风，二次风的流速为9L/min，二次风为氮气和活化气体，活化气体为氧气和水蒸气的混合气，二次风中氧气的体积分数为8％，水蒸气的体积分数为25％，氮气将活化气体带入沉降炉；
在沉降炉内完成炭化和活化的过程后，生物质在沉降炉内停留的时间为6s，在沉降炉底部得到活性炭。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，其特征在于：包括沉降炉、给料装置、蒸汽发生器、供水装置、二次风供气装置，给料装置与沉降炉的进料口连接，给料装置向沉降炉内送入生物质原料，蒸汽发生器的出气口与沉降炉连接，供水装置、二次风供气装置分别与蒸汽发生器的进料口连接，所述二次风供气装置包括混合器、氧气供气装置，氧气供气装置与混合器连接，混合气与蒸汽发生器连接。
2.根据权利要求1所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，其特征在于：所述二次风供气装置包括氮气供气装置，氮气供气装置包括第一氮气储罐、第一进气阀、第一氮气质量流量计，第一氮气储罐的出气口通过氮气供气管道依次与第一进气阀、第一氮气质量流量计、混合器连接。
3.根据权利要求1所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，其特征在于：所述二次风供气装置包括二氧化碳供气装置，二氧化碳供气装置包括二氧化碳储罐、第二进气阀、二氧化碳质量流量计，二氧化碳储罐的出气口通过二氧化碳供气管道依次与第二进气阀、二氧化碳质量流量计、混合器连接。
4.根据权利要求1所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，其特征在于：所述制炭系统包括一次风供气装置，一次风供气装置第二氮气储罐、第三进气阀、第二氮气质量流量计，第二氮气储罐的出气口通过一次风供气管道依次与第三进气阀、第二氮气质量流量计、给料装置的给料端连接；
或，氧气供气装置包括氧气储罐、第四进气阀、氧气质量流量计，氧气储罐的出气口通过氧气供气管道依次与第四进气阀、氧气质量流量计、混合器连接；
或，供水装置包括水箱和蠕动泵，水箱与蠕动泵连接，蠕动泵与蒸汽发生器连接。
5.根据权利要求1所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统，其特征在于：沉降炉竖直设置，沉降炉的顶部分别与蒸汽发生器、供料装置连接；
或，沉降炉为管式沉降炉，沉降炉的内部设置加热装置，沉降炉的底部连接收集器，收集器依次与过滤器、真空泵连接；
优选的，沉降炉的反应管直径为60-150mm，沉降炉的高度为1.5-5.0m，沉降炉与炉温控制装置连接。
6.利用权利要求1-5任一所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统的制炭方法，其特征在于：体步骤为：
生物质经过研磨、干燥得到生物质原料；
沉降炉升温，同时向供料装置的给料端内通入一次风，供料装置送入生物质原料，一次风带动生物质原料进入沉降炉；
在通入一次风的同时向沉降炉内通入二次风，二次风为氮气和活化气体，氮气将活化气体带入沉降炉；
在沉降炉内完成炭化和活化的过程后，在沉降炉底部得到活性炭；
优选的，生物质原料在沉降炉内停留3-10s。
7.根据权利要求6所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统的制炭方法，其特征在于：活化气体为氧气、水蒸气、二氧化碳气体中的两种，优选的，活化气体为氧气和水蒸气的混合气；进一步优选的，氧气占二次风的体积分数为2％-10％，水蒸气占二次风的体积分数为10％-40％。
8.根据权利要求6所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统的制炭方法，其特征在于：一次风为氮气，氮气的流速为3-5L/min，二次风的流速为8-10L/min；
或，生物质为松木、椰壳、竹子、秸秆、稻草中的一种或多种，生物质原料的粒径为60μm-300μm。
9.根据权利要求6所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统的制炭方法，其特征在于：沉降炉内部的温度为750-950℃，沉降炉的升温速率为103-104K/s；
或，生物质原料的进料速度为3-8g/min。生物质原料通过一次风吹入沉降炉内；
或，生物质干燥的条件为：温度90-120℃，时间为0.5-1.5h。
10.权利要求6-9任一所述的一步快速炭化活化制取粉末状生物质活性炭的制炭系统的制炭方法制备得到的活性炭。
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