CN111847452B - 一种生物质活性炭一步制备装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物质活性炭一步制备装置及其方法，属于生物质再利用领域。该生物质活性炭一步制备装置中，螺旋进料机的进料管设置在加热炉的炉膛中；加热炉的产物出口和分离装置连接；在加热炉的炉膛内设置的进料管外周缠绕螺旋空心盘片，螺旋空心盘片的进料端和蒸汽装置连通；设置在前段炭化炉位置的螺旋空心盘片为不带孔螺旋空心盘片，设置在中段、后段活化炉位置的螺旋空心盘片为带孔螺旋空心盘片，位于中段、后段活化炉的进料管设置有若干通孔。该方法通过该装置依次对生物质进行炭化和活化，一步法制备得到生物质活性炭。采用该方法制备生物质活性炭，能够简化工艺流程，得到的生物质活性炭热值高，孔隙结构优良，微观形貌有序，吸附效果显著。

Description

一种生物质活性炭一步制备装置及其方法
技术领域
本发明属于生物质再利用技术领域，具体涉及一种生物质活性炭一步制备装置及其方法。
背景技术
生物质热解炭化技术是热转化技术的一种，是利用炭化设备将生物质在一定温度和升温速率下热解生成生物炭、液体产物和不可冷凝气体产物的过程，其本质是将生物质中纤维素、半纤维素和木质素的分子结构破碎成小分子和高热值的固态炭，该方法具有对环境友好，便于储存运输的优点。生物质是富含纤维素、半纤维素和木质素的碳质物质，有良好的亲水性和多孔结构，因此作为制备多孔活性炭的原料。生物炭由于其较大的比表面积，发达的孔隙结构以及芳香化的表面官能团可以经活化生成生物质活性炭，同时生物质活性炭物理化学性质稳定，耐酸、耐碱、耐热，被认为是非常优秀的吸附材料，吸附能力较强，在去除水中重金属领域有较大的发展。
在进行生物质热解炭化时，多采用传统炭化炉或者管式炉对生物质原料进行热解炭化，制得的生物炭取出后再经下一步活化处理制得生物质活性炭，最终将制得的生物质活性炭用于吸附领域。同时生物质热解炭化的过程中，多伴有液体产物和气体产物生成，液体产物和气体产物如果处理不当会造成资源的浪费，气体排放至空气中还会产生大气污染。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种生物质活性炭一步制备装置及其方法。该生物质活性炭一步制备装置能够实现一步法制备生物质活性炭，并且，生成的物质能够分离回收再利用，采用该方法制备生物质活性炭，能够简化工艺流程，得到的生物质活性炭热值高，孔隙结构优良，微观形貌有序，吸附效果显著，制备的生物质活性炭具有稳定的物理和化学性质也可以被用于负载催化剂，便于后续在工业、农业、商业、环保等领域的应用。
本发明的一种生物质活性炭一步制备装置，包括螺旋进料机、加热炉、蒸汽装置、分离装置；
螺旋进料机的进料管上设置有加料口，在螺旋进料机的进料管中设置有螺旋叶片，螺旋叶片和驱动装置连接；螺旋进料机的进料管设置在加热炉的炉膛中；
加热炉为三段控温加热炉，为前段炭化炉，中段活化炉和后段活化炉，其中，前段炭化炉设置有炭化加热元件，中段活化炉和后段活化炉至少设置一个活化加热元件；加热炉的产物出口和分离装置连接；
在加热炉的炉膛内设置的进料管外周缠绕螺旋空心盘片，螺旋空心盘片的进料端和蒸汽装置连通；
其中，设置在前段炭化炉位置的螺旋空心盘片为不带孔螺旋空心盘片，设置在中段活化炉和后段活化炉位置的螺旋空心盘片为带孔螺旋空心盘片，并且，位于中段活化炉和后段活化炉的进料管设置有若干通孔。
进一步的，加热元件为电阻、微波发生器、电磁发生器、感应加热元件中的一种或几种。
进一步的，所述的一种生物质活性炭一步制备装置还包括基座，基座上设置有螺旋进料机、加热炉、蒸汽装置和分离装置。
进一步的，螺旋进料机包括一级料仓、二级料仓、螺旋叶片、进料管和驱动装置；一级料仓的物料出口和二级料仓的物料进口连接，二级料仓的物料出口和螺旋进料机的加料口连接，并且螺旋进料机的加料口一端设置在加热炉的炉膛外；其中，一级料仓设置粉碎装置，用于将生物质粉碎；二级料仓设置振动装置，用于保证生物质原料连续加料。
进一步的，二级料仓设置一个进气口，便于外接气瓶，用于螺旋进料机的进料管中通入热解反应的惰性气体，保证生物质活性炭一步制备装置的加热炉中处于无氧或少氧氛围中。
进一步的，在加热炉的前段炭化炉，中段活化炉和后段活化炉均设置有热电偶，用于测量各个分段的温度。
进一步的，加热炉的前段炭化炉至少为300mm，温度范围为400-700℃。
其中，中段活化炉和后段活化炉的总长度大于等于前段炭化炉长度的二倍，加热炉的活化炉的温度范围为900-1200℃。
进一步的，所述的分离装置包括固体沉降装置、冷凝装置、循环风机；其中，加热炉的产物出口和固体沉降装置的进口连接，固体沉降装置的上部出口和冷凝器连接，固体沉降装置的下部设置有出炭口，冷凝器上部出口和循环风机连接，不可冷凝气体通过循环风机驱动由管路排到火炬中燃烧或者通过循环风机驱动直接和螺旋空心盘片的进料端连通，冷凝器的外周设置有冷却水套，在冷却水套设置有冷凝水进口和冷凝水出口，冷凝器的下端设置有冷凝液体产物排出口。
本发明的一种生物质活性炭一步制备方法，采用上述生物质活性炭一步制备装置，包括如下步骤：
步骤一，生物质炭化
向生物质活性炭一步制备装置的管道中通入惰性气体，排出装置内空气后，将生物质原料通过螺旋进料机输送至加热炉，先进行生物质热解炭化，生成生物炭；其中，热解炭化温度为400-700℃，热解炭化反应停留时间为30min-90min；
步骤二，生物炭活化
生物炭进入加热炉的中段活化炉和后段活化炉，使得生物炭置于蒸汽环境中，将生物质生物炭活化，得到产物；其中，生物质活化温度为900-1200℃，活化反应停留时间为60-180min；
步骤三，气、固、液分离：
将产物通过多级分离，得到生物质活性炭，还包括伴随生成的冷凝液体产物和不可冷凝气体产物。
所述的步骤一中，惰性气体优选为氮气。
所述的步骤一中，所述的生物质选用玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或几种混合的生物质原料。
所述的步骤三中，产物先经过固体沉积分离，再进行冷凝分离，从而实现固、液、气的分离；
其中，产物进入固体沉降装置，生成的生物质活性炭沉降至固体沉积装置底部，由固体沉降装置的出炭口取出，气体产物进入冷凝器，一部分气体通过冷凝生成液体产物，由冷凝器下部的冷凝液体产物排出口流出，其余不可冷凝气体在循环风机的驱动下由上部出口排入火炬中燃烧或者返回进入螺旋空心盘片。
本发明的一种生物质活性炭一步制备装置及其方法，具有如下优点：
1.本发明提供的生物质活性炭一步制备方法及其装置，加热炉为前段炭化炉和中后段活化炉，即将装置分为两部分：热解部分和活化部分。生物质原料通过螺旋进料机进入，缠绕于进料管的螺旋空心盘片为不带孔螺旋盘片，蒸汽装置输出的蒸汽进入螺旋盘片，加热炉加热，第一个加热元件将前段炭化炉加热至400-700℃，为生物质炭化提供所需温度。中后段活化炉中，缠绕于进料管的螺旋空心盘片为带孔螺旋盘片，并且该部分的进料管设置有通孔，蒸汽装置输出的蒸汽为生物炭活化提供条件，第二个加热元件和第三个加热元件为其供热，所达温度为900-1200℃，为生物炭提供活化温度。生物质原料进入炉体中，通过前段炭化、中后段活化一步法制备，排出的生物炭即为生物质活性炭，无需再进行炉外活化处理。
2.本发明提供的生物质活性炭一步制备方法及其装置，设置蒸汽装置，所述蒸汽装置的蒸汽管道连接所述加热炉中的螺旋空心盘片，蒸汽通入螺旋盘片中，在中后段活化炉中，蒸汽通过通孔进入进料管中，与物料接触，为生物炭活化提供条件，其还可以根据物料的不同进行多种变换方案，可以根据产物要求进行设计，能够达到一个装置制备多级产品的功能。
3.本发明提供的生物质活性炭一步制备方法及其装置，生物质原料热解炭化生成的产物通过冷凝器分离出液体，不可冷凝气体流经管道进入火炬中燃烧，其中，可燃性气体通过充分燃烧而消耗，避免生成的有毒气体排放，造成污染。
4. 本发明提供的生物质活性炭一步制备方法及其装置，还可进一步优化处理，不设置火炬装置，而是将分离装置排放出的气体（CO2、CO等）与蒸汽装置输出的蒸汽一同与所述加热炉中的螺旋空心盘片连接，为生物炭活化提供气体活化剂；本发明的优化处理充分利用了生物质炭化产生的可燃性气体，大大节约了能量消耗，不需要直接向外排放，减少环境污染，且实现了生成气体的循环再利用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的生物质活性炭一步制备装置的结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的生物质活性炭一步制备装置的结构示意图。
图中，1-基座，2-螺旋进料机，201-一级料仓，202-二级料仓，203-进料管，2031-带孔进料管，204-螺旋叶片，205-进气口，206-驱动装置，3-加热炉，401-不带孔螺旋空心盘片，402-带孔螺旋空心盘片，5-加热元件，6-蒸汽发生器，7-沉降装置，8-冷凝器，9-循环风机，10-火炬。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明采用带孔螺旋空心盘片和不带孔螺旋空心盘片螺旋盘于螺旋进料机的进料管，加热炉分为前段炭化炉和中后段活化炉，生物质原料通过螺旋进料机进入进料管，先发生热解炭化反应，蒸汽发生器通入的蒸汽通过带孔螺旋空心盘片进入进料管中，使生物炭活化，最终生成的即为生物质活性炭。一步法即可制备生物质活性炭，无需二次活化处理。
下面结合附图对本发明实施例进行完整描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
实施例1
本实施例提供一种生物质活性炭一步制备装置，如图1所示，包括基座1，基座1上设置有螺旋进料机2、加热炉3、蒸汽发生器6、沉降装置7、冷凝器8、循环风机9、火炬10；
螺旋进料机2，包括一级料仓201、二级料仓202、进料管203、螺旋叶片204和驱动装置206，其中，在进料管的一端设置有加料口，远离加料口的另一端的进料管为带孔进料管2031，一级料仓201的进料口为生物质原料的进料口，一级料仓201的物料出和二级料仓202的物料进口连接，二级料仓202的物料出口和螺旋进料机的进料管203的加料口连通，在进料管203内设置有螺旋叶片204，螺旋叶片204和驱动装置206连接，在二级料仓202下端设置有进气口205，且所述二级料仓202与所述进料管203通过密封结构密封连接；
在一级料仓201内设置有粉碎装置，二级料仓202设置有振动装置；
本实施例中，加热炉为三段控温加热炉，其中，前段炭化炉的长度为300mm，中段活化炉的长度为300mm，后段活化炉的长度为300mm；
加热炉3的炉膛内为所述螺旋进料机2的进料管203和螺旋叶片204，螺旋空心盘片螺旋盘于所述进料管203外周，其中，前段为不带孔螺旋空心盘片401，中后段为带孔螺旋空心盘片402，中后段的进料管为带孔进料管2031，所述加热炉3上设置有三个加热元件5；具体为：在前段炭化炉设置有第一加热元件，中段活化炉设置有第二加热元件，后段活化炉设置有第三加热元件；本实施例中，加热元件为电阻，加热方式为电阻加热；
蒸汽发生器6的蒸汽出口和螺旋空心盘片的蒸汽进口连通；
所述带孔进料管2031和所述带孔螺旋空心盘片402伸入所述沉降装置7，密封连接；
所述冷凝器8与所述沉降装置7连接，在冷凝器上方设置的出口依次和循环风机9、火炬10连通，在冷凝器8的外壁周围设置有冷却水套，在冷却水套中设有冷凝水进口和冷凝水出口。
本实施例提供的生物质活性炭一步制备方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：生物质炭化：
使用时，将干燥后的生物质原料通过一级料仓201粉碎后送入二级料仓202，紧接着随着物料自身的重力作用，以及二级料仓202的振动装置进一步促进物料下降至进料管203的螺旋叶片204上，同时从进气口205通过外接气瓶通入氮气，先通入30min排出装置内空气后，再将加热炉3通过设置的加热元件5升温至炭化温度和活化温度，并调整驱动装置的转速，设置好反应的停留时间；
将生物质原料通过螺旋进料机2的螺旋叶片204输送至加热炉3的前段炭化炉中，进行生物质热解炭化，生成生物炭；其中，热解炭化温度为600℃，热解炭化反应停留时间为60min；
本实施例中，生物质原料为玉米秸秆；热电偶实时监测加热炉3中的温度；
同时，蒸汽发生器6将蒸汽沿管道输送至螺旋空心盘片中。前段炭化炉中，热电偶监测温度加热至600±20℃，生物质完成炭化反应；
步骤2：生物炭活化：
中段活化炉和后段活化炉中，热电偶监测其温度均加热至1000℃，为生物炭提供活化温度，带孔螺旋空心盘片402中的蒸汽通过带孔进料管2031与物料接触，为生物炭提供活化条件。热解后排出的生物炭即为生物质活性炭；
步骤3：气、固、液分离：
生物质热解生成的产物进入沉降装置7，在沉降装置7内部的物料分离通道中实现气体产物和生物质活性炭的分离，生物质活性炭从沉降装置7底端的固体产物出口排出，气相产物从顶部热解气出口引出。气相产物进入冷凝器8，通过冷凝水进口将冷水排入冷凝器8中，将气相产物分离得到不可冷凝气体和液体产物，液体产物从冷凝器8底端的出口排出，不可冷凝气体通过循环风机9排入火炬10中燃烧掉，实验结束后冷凝水由冷凝水出口排出。一系列过程使生物质原料一步制得活性炭，无需用传统装置热解后排出再活化处理。
对制备的生物质活性炭进行检测，通过对其进行微观分析，其孔隙结构为均匀，微观形貌有序。
实施例2
在本实施例中，一种生物质活性炭一步制备装置，其结构示意图如图2所示，同实施例1，不同之处在于：本实施例中，将循环风机9的排气管和螺旋空心盘片的入口连通，排出的气体参与加热炉3中生物炭的活化部分，实现资源回收再利用。
本实施例中，加热元件为电磁发生器，加热方式是电磁波加热；
一种生物质活性炭一步制备方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：生物质炭化
先向一种生物质活性炭一步制备装置中通入氮气，排出装置中空气后，以10mL/min流量持续向装置中通入氮气；
将小麦秸秆加入一级料仓201中，进行粉碎干燥，得到的小麦秸秆颗粒进入二级料仓202中，经过二级料仓的振动作用，进入进料管中的螺旋叶片中，启动驱动装置，将小麦秸秆颗粒通过螺旋叶片204输送到加热炉3的前段炭化炉之后，螺旋进料机2停止工作，接着设置炭化温度为500℃、中段活化温度为900℃、后段活化温度为1000℃、炭化的升温速率为10~20℃/min、炭化反应的停留时间为30min，活化反应的停留时间为120min，将加热炉3通过加热元件升温至炭化温度和活化温度后，开启螺旋进料机2，使生物质原料途经炭化炉生成生物炭，接着进入活化炉完成生物炭活化。
实施例3
一种生物质活性炭一步制备装置，包括螺旋进料机2、加热炉3、蒸汽装置6、分离装置；
螺旋进料机2的进料管上设置有加料口，在螺旋进料机2的进料管203中设置有螺旋叶片204，螺旋叶片204和驱动装置206连接；螺旋进料机的进料管203设置在加热炉的炉膛中，并且螺旋进料机2的加料口一端设置在加热炉3的炉膛外；
加热炉3为三段控温加热炉，为前段炭化炉，中段活化炉和后段活化炉，其中，前段炭化炉设置有炭化加热元件，中段活化炉和后段活化炉设置一个活化加热元件；加热炉的产物出口和分离装置连接；其中，本实施例中，加热元件为微波发生器；采用微波加热；
在加热炉3的炉膛内设置的进料管203外周缠绕螺旋空心盘片，螺旋空心盘片的进料端和蒸汽装置6连通，蒸汽水平流通方向和进料管中物料走向逆流，其可以延长反应时间，并使得活化充分；
其中，设置在前段炭化炉位置的螺旋空心盘片为不带孔螺旋空心盘片401，设置在中段活化炉和后段活化炉位置的螺旋空心盘片为带孔螺旋空心盘片402，并且，位于中段活化炉和后段活化炉的进料管203设置有若干通孔。
其中，螺旋进料机2包括螺旋叶片204、进料管203和驱动装置206；
二级料仓202设置一个进气口205，便于外接氮气气瓶，用于螺旋进料机的进料管中通入热解反应的惰性气体，保证生物质活性炭一步制备装置的加热炉中处于无氧氛围中。
加热炉的前段炭化炉为加热炉的1/3长，剩余为中段活化炉和后段活化炉。
所述的分离装置包括固体沉降装置7、冷凝装置8、循环风机9；其中，加热炉3的产物出口和固体沉降装置7的进口连接，固体沉降装置7的上部出口和冷凝器8连接，固体沉降装置7的下部设置有出炭口，冷凝器8上部出口和循环风机9连接，不可冷凝气体通过循环风机9驱动直接和螺旋空心盘片的进料端连通，冷凝器8的外周设置有冷却水套，在冷却水套设置有冷凝水进口和冷凝水出口，冷凝器的下端设置有冷凝液体产物排出口。
一种生物质活性炭一步制备方法，采用上述生物质活性炭一步制备装置，包括如下步骤：
步骤一，生物质炭化
通过进气口205向生物质活性炭一步制备装置的管道中通入惰性气体，排出装置内空气后，将干燥的水稻秸秆颗粒通过螺旋进料机的加料口送入，通过螺旋叶片204输送至加热炉3，先进行生物质热解炭化，生成生物炭；其中，热解炭化温度为400℃，热解炭化反应停留时间为90min；
步骤二，生物炭活化
生物炭进入加热炉的中段活化炉和后段活化炉，使得生物炭置于蒸汽环境中，将生物质生物炭活化，得到产物；其中，生物质活化温度为1200℃，活化反应停留时间为60min；
步骤三，气、固、液分离：
产物进入固体沉降装置，生成的生物质活性炭沉降至固体沉积装置底部，由固体沉降装置的出炭口取出，气体产物进入冷凝器，一部分气体通过冷凝生成液体产物，由冷凝器下部的冷凝液体产物排出口流出，其余不可冷凝气体在循环风机的驱动下由上部出口排入火炬中燃烧或者返回进入螺旋空心盘片，得到生物质活性炭，还包括伴随生成的冷凝液体产物和不可冷凝气体产物。
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)

1.一种生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，该生物质活性炭一步制备装置包括螺旋进料机、加热炉、蒸汽装置、分离装置；
螺旋进料机的进料管上设置有加料口，在螺旋进料机的进料管中设置有螺旋叶片，螺旋叶片和驱动装置连接；螺旋进料机的进料管设置在加热炉的炉膛中；
加热炉为三段控温加热炉，为前段炭化炉，中段活化炉和后段活化炉，其中，前段炭化炉设置有炭化加热元件，中段活化炉和后段活化炉至少设置一个活化加热元件；加热炉的产物出口和分离装置连接；
在加热炉的炉膛内设置的进料管外周缠绕螺旋空心盘片，螺旋空心盘片的进料端和蒸汽装置连通；
其中，设置在前段炭化炉位置的螺旋空心盘片为不带孔螺旋空心盘片，设置在中段活化炉和后段活化炉位置的螺旋空心盘片为带孔螺旋空心盘片，并且，位于中段活化炉和后段活化炉的进料管设置有若干通孔。
2.根据权利要求1所述的生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，加热元件为电阻、微波发生器、感应加热元件中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，螺旋进料机包括一级料仓、二级料仓、螺旋叶片、进料管和驱动装置；一级料仓的物料出口和二级料仓的物料进口连接，二级料仓的物料出口和螺旋进料机的加料口连接，并且螺旋进料机的加料口一端设置在加热炉的炉膛外；其中，一级料仓设置粉碎装置，用于将生物质粉碎；二级料仓设置振动装置，用于保证生物质原料连续加料。
4.根据权利要求1所述的生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，二级料仓设置一个进气口，便于外接气瓶，用于螺旋进料机的进料管中通入热解反应的惰性气体。
5.根据权利要求1所述的生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，加热炉的前段炭化炉至少为300mm，中段活化炉和后段活化炉的总长度大于等于前段炭化炉长度的二倍。
6.根据权利要求1所述的生物质活性炭一步制备装置，其特征在于，所述的分离装置包括固体沉降装置、冷凝装置、循环风机；其中，加热炉的产物出口和固体沉降装置的进口连接，固体沉降装置的上部出口和冷凝器连接，固体沉降装置的下部设置有出炭口，冷凝器上部出口和循环风机连接，不可冷凝气体通过循环风机驱动由管路排到火炬中燃烧或者通过循环风机驱动直接和螺旋空心盘片的进料端连通，冷凝器的外周设置有冷却水套，在冷却水套设置有冷凝水进口和冷凝水出口，冷凝器的下端设置有冷凝液体产物排出口。
7.一种生物质活性炭一步制备方法，其特征在于，采用权利要求1~6任意一项所述的生物质活性炭一步制备装置，包括如下步骤：
步骤一，生物质炭化
向生物质活性炭一步制备装置的管道中通入惰性气体，排出装置内空气后，将生物质原料通过螺旋进料机输送至加热炉，先进行生物质热解炭化，生成生物炭；其中，热解炭化温度为400-700℃，热解炭化反应停留时间为30min-90min；
步骤二，生物炭活化
生物炭进入加热炉的中段活化炉和后段活化炉，使得生物炭置于蒸汽环境中，将生物质生物炭活化，得到产物；其中，生物质活化温度为900-1200℃，活化反应停留时间为60-180min；
步骤三，气、固、液分离：
将产物通过多级分离，得到生物质活性炭，还包括伴随生成的冷凝液体产物和不可冷凝气体产物。
8.根据权利要求7所述的生物质活性炭一步制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，惰性气体为氮气。
9.根据权利要求7所述的生物质活性炭一步制备方法，其特征在于，所述的生物质选用玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种或几种混合的生物质原料。
10.根据权利要求7所述的生物质活性炭一步制备方法，其特征在于，所述的步骤三中，产物进入固体沉降装置，生成的生物质活性炭沉降至固体沉积装置底部，由固体沉降装置的出炭口取出，气体产物进入冷凝器，一部分气体通过冷凝生成液体产物，由冷凝器下部的冷凝液体产物排出口流出，其余不可冷凝气体在循环风机的驱动下由上部出口排入火炬中燃烧或者返回进入螺旋空心盘片。
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