CN112090397A - 一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，生物炭为由生物质制备而成的炭，高炉尾气为含有CO2成分的低热值气体燃料；将所述生物炭放置在高温炉中，于高温加热条件下，持续通入高炉尾气进行还原反应，生物炭将高炉尾气中的部分CO2成分高温还原成CO，使得低热值的高炉尾气转变为高热值燃气，同时生物炭表面被持续流过的高炉尾气烧蚀形成多孔隙结构，获得高比表面积炭。本发明的方法中，整个体系环保无污染，所得生物炭的比表面积比直接在无氧或低氧条件下制得的生物炭高出几倍甚至几十倍，从作为农业肥料变成高附加值的生物炭。所得高炉尾气的热值大幅提高，转变为高热值燃气，对社会的经济和环境十分友好。
Description
技术领域
本发明属于尾气利用和材料制备技术领域，具体涉及一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法。
背景技术
随着现代科技的不断发展，人类的生活水平也在不断的提高，究其原因，是各种工业、科技推动了社会的进步。而支撑工业金额科技发展的关键因素在于科研成果的社会转化。近年来，碳材料越来越受到科研工作者的广泛关注。其中生物炭来源广泛，但基本都作为农业肥料重新利用在利用价值低廉的农业上。生物质来源于自然，其各种属性或表面形貌具有潜在的研究价值。其中高比表面积的炭进一步改性后有广泛的应用。因此，把生物炭变成高附加值材料，有大量的科研工作去做。把生物炭转化为高比表面积炭就是一项很有意义的研究工作。
利用氧化还原反应的原理，使用CO2刻蚀碳材料是一种简单易于放大的操作。高炉尾气作为钢厂或冶金高炉释放的尾气，是一种低热值气体燃料，其中含有CO2成分约10~35%，拥有足够高的CO2浓度。，其中含有高含量的CO2气体，是理想的CO2来源。在发生氧化还原反应的过程中，生物炭的表面及内部的孔道被CO2所刻蚀，脱除了高炉尾气中的CO2产生大量CO，为高炉尾气提升了热值，与此同时生物炭转化为高比表面积炭，使生物炭得到高附加值的应用。
目前，针对生物炭和高炉尾气的结合应用，鲜有相关的文献和专利。整个实验过程，生物炭来源广泛，高炉尾气的热值得到进一步提升，所得生物炭的比表面积比直接在无氧或低氧条件下制得高出几倍甚至几十倍，高比表面积炭进一步改性即可获得高性能碳材料，环保无污染，在农业及工业的应用中具有巨大的应用前景。
发明内容
针对高炉尾气和生物炭的应用现状，本发明的目的在于提供一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，制备生物炭所需的原料来源广泛，且制备生物炭的方法简单，在尾气脱除高炉尾气的应用中拥有潜在的工业化前景，与此同时，把廉价的生物炭转变为具有高比表面积的高附加值生物炭。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于生物炭为由生物质制备而成的炭，高炉尾气为含有CO2成分的低热值气体燃料；将所述生物炭放置在高温炉中，于高温加热条件下，持续通入高炉尾气进行还原反应，生物炭将高炉尾气中的部分CO2成分高温还原成CO，使得低热值的高炉尾气转变为高热值燃气，同时生物炭表面被持续流过的高炉尾气烧蚀形成多孔隙结构，获得高比表面积炭。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述生物炭的制备方法步骤如下：
1）生物质用去离子水冲洗后置于水中浸泡，浸泡结束后，将生物质从水中取出干燥，得到预处理的生物质，备用；
2）将预处理的生物质在无氧、低氧或惰性气氛下高温焙烧，焙烧后所得炭即为生物炭。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述生物质为秸秆、果壳、木材、粪便或污泥，优选为果壳或木材。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于步骤1）中，生物质置于水中浸泡时间15~28h，优选为24h；将生物质从水中取出干燥的温度为50~100℃，优选为80℃。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于步骤2）中，高温焙烧的温度为600-900℃，高温焙烧的时间为5-8h。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述高炉尾气为钢厂或冶金高炉释放的尾气，是一种低热值气体燃料，高炉尾气的气体成分为：氢含量2-5%，一氧化碳含量20-30%，二氧化碳含量15-35%，氮气含量45-60%，氧含量0.1-0.4%，其余为杂质气体。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于高温炉的加热温度为500~1300℃，优选为900~1100℃，加热时间为0.5~12 h，优选为2~6 h。
所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于生物炭以热处理1g计，持续通入的高炉尾气的体积流量为10-50mL/min。
通过上述方法，本发明具有以下优势：
制备生物炭所需的原料来源广泛，制备生物炭的方法简单，在高炉尾气气氛中高温焙烧后所得生物炭具有较高的比表面积，扩大生物炭的应用范围，使其从作为植物炭肥变为具有较高附加值的产品。
经试验的数据证明，在高炉尾气气氛中高温反应后所得的生物炭，与原始生物炭相比具有较高的比表面积，比表面积增大数倍至几十倍。
反应前后的高炉尾气中CO2的含量能够从20-35%降低到10-15%，由此可知反应后的高炉尾气中含有较高浓度CO，使得低热值尾气的变为高热值燃气。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
以下实施例和对比例中，高炉尾气是某钢厂释放的尾气，其气体体积含量为：氢含量2%，一氧化碳含量22%，二氧化碳含量30%，氮气含量45%，氧含量0.25%，其余为杂质气体。
实施例1-3：
称量质量为20 g的木屑用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将木屑从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的木屑，备用。称量预处理的木屑在900℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为木屑-生物炭，备用。
称量5g上述制备的木屑-生物炭，放置在陶瓷板上均匀的铺展，平铺厚度为2 mm，把陶瓷板和生物炭一起放到高温气氛炉中，以5 ℃/min升温速率进行加热，并将高炉尾气持续通入高温气氛炉中，高炉尾气的流量为100 ml/min，加热升温至900 ℃后保温6 h，保温结束之后，所得生物炭即为高比表面积木屑生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批高比表面积炭，分别记为高比表面积炭1、2、3。
实施例4~6：
称量质量为20 g的稻壳用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将稻壳从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的稻壳，备用。称量预处理的稻壳在600 ℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为稻壳-生物炭，备用。
称量5 g上述制备的稻壳-生物炭，放置在陶瓷板上均匀的铺展，平铺厚度为2 mm，把陶瓷板和生物炭一起放到高温气氛炉中，以5 ℃/min升温速率进行加热，并将高炉尾气持续通入高温气氛炉中，高炉尾气的流量为100 ml/min，加热升温至900 ℃后保温6 h，保温结束之后，所得生物炭即为高比表面积稻壳生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批高比表面积炭，分别记为高比表面积炭4、5、6。
实施例7~9：
称量质量为20 g的猪粪用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将猪粪从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的猪粪，备用。称量预处理的猪粪在600℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为猪粪-生物炭，备用。
称量5 g上述制备的猪粪-生物炭，放置在陶瓷板上均匀的铺展，平铺厚度为2 mm，把陶瓷板和生物炭一起放到高温气氛炉中，以5 ℃/min升温速率进行加热，并将高炉尾气持续通入高温气氛炉中，高炉尾气的流量为100 ml/min，加热升温至900 ℃后保温6 h，保温结束之后，所得生物炭即为高比表面积猪粪生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批高比表面积炭，分别记为高比表面积炭7、8、9。
对比例1~3
称量质量为20 g的木屑用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将木屑从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的木屑，备用。称量预处理的木屑在600 ℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为木屑-生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批生物炭，分别记为生物炭1、2、3。
对比例4~6
称量质量为20 g的稻壳用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将稻壳从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的木屑，备用。称量预处理的稻壳在600 ℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为稻壳-生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批生物炭，分别记为生物炭4、5、6。
对比例7~9
称量质量为20 g的猪粪用去离子水冲洗后置于水中浸泡24 h，浸泡结束后，将猪粪从水中取出，在鼓风干燥箱中80 ℃干燥6 h，得到预处理的猪粪，备用。称量预处理的猪粪在600 ℃高温氮气气氛条件下焙烧6 h，焙烧后所得炭即为猪粪-生物炭。
按照上述方法重复实验三次，获得三批生物炭，分别记为生物炭7、8、9。
对上述实施例1~9和对比例1~9制备的生物炭，进行比表面积检测。
利用BET测试实施例1~3和对比例1~3所制备炭的比表面积和孔径，如表1所示。可以看出，木屑所制备的生物炭，比表面积大约为412-487 m2/g，平均孔径为2.05-2.08 nm。生物炭在高温条件下通入高炉尾气后，比表面积有较大的的提高，比表面积大约为997-1062m2/g，平均孔径为3.04-4.18 nm。由数据分析可知，高炉尾气对木屑生物炭的扩孔作用十分显著，一方面可能因为木屑本属于疏松多孔炭材料，其生物炭所含灰分较少，利于生物炭表面及孔道的刻蚀。由木屑生物炭比表面积增加比较显著，反应前后生物炭的质量损失在59%左右。可进一步推测：木屑生物炭对高炉尾气中CO2的脱除力度大，氧化还原反应程度高，产生较高浓度的CO，增加了高炉尾气的热值，使得高炉尾气变为高热值燃气。
利用BET测试实施例4~6和对比例4~6所制备炭的比表面积和孔径，如表2所示。可以看出，稻壳所制备的生物炭，比表面积大约为15.7-25.2 m2/g，平均孔径为4.15-4.45nm。生物炭在高温条件下通入高炉尾气后，比表面积有较大的的提高，比表面积大约为365-406 m2/g，平均孔径为2.68-2.85 nm。由数据分析可知，高炉尾气对稻壳生物炭的扩孔作用十分显著，提高了近20倍。可能由于稻壳含有致密疏层，导致其生物炭的比表面积较小，但其所含灰分较少，利于生物炭表面及孔道的刻蚀，提高了稻壳生物炭的比表面积。反应前后生物炭的质量损失在54%左右。进一步推测：稻壳生物炭对高炉尾气中CO2的脱除力度大，氧化还原反应程度高，产生的CO浓度高，增加了高炉尾气的热值，使得高炉尾气变为高热值燃气。
利用BET测试实施例7~9和对比例7~9所制备炭的比表面积和孔径，如表3所示。可以看出，猪粪所制备的生物炭，比表面积大约为41-44m2/g，平均孔径为3.2-3.8 nm。生物炭在高温条件下通入高炉尾气后，比表面积有较大的提高，比表面积大约为130-152 m2/g，平均孔径为3.51-3.75 nm。由数据分析可知，高炉尾气对猪粪生物炭的扩孔作用十分显著。可能因为猪粪含有较多杂质，灰分含量高，碳含量相对较低，其制备的生物炭比表面积较低，对其生物炭表面及孔道的刻蚀，比表面积有较大程度提高。反应前后生物炭的质量损失在32%左右。进一步推测：猪粪生物炭对高炉尾气中CO2的脱除力度大，氧化还原反应程度高，产生的CO浓度高，使得高炉尾气变为高热值燃气。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (8)
1.一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于生物炭为由生物质制备而成的炭，高炉尾气为含有CO2成分的低热值气体燃料；将所述生物炭放置在高温炉中，于高温加热条件下，持续通入高炉尾气进行还原反应，生物炭将高炉尾气中的部分CO2成分高温还原成CO，使得低热值的高炉尾气转变为高热值燃气，同时生物炭表面被持续流过的高炉尾气烧蚀形成多孔隙结构，获得高比表面积炭。
2.如权利要求1所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述生物炭的制备方法步骤如下：
1）生物质用去离子水冲洗后置于水中浸泡，浸泡结束后，将生物质从水中取出干燥，得到预处理的生物质，备用；
2）将预处理的生物质在无氧、低氧或惰性气氛下高温焙烧，焙烧后所得炭即为生物炭。
3.如权利要求2所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述生物质为秸秆、果壳、木材、粪便或污泥，优选为果壳或木材。
4.如权利要求2所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于步骤1）中，生物质置于水中浸泡时间15~28h，优选为24h；将生物质从水中取出干燥的温度为50~100℃，优选为80℃。
5.如权利要求2所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于步骤2）中，高温焙烧的温度为600-900℃，高温焙烧的时间为5-8h。
6.如权利要求1所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于所述高炉尾气为钢厂或冶金高炉释放的尾气，是一种低热值气体燃料，高炉尾气的气体成分为：氢含量2-5%，一氧化碳含量20-30%，二氧化碳含量15-35%，氮气含量45-60%，氧含量0.1-0.4%，其余为杂质气体。
7.如权利要求1所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于高温炉的加热温度为500~1300℃，优选为900~1100℃，加热时间为0.5~12h，优选为2~6 h。
8.如权利要求1所述的一种利用生物炭来提高高炉尾气的热值并得到高比表面积炭的方法，其特征在于生物炭以热处理1g计，持续通入的高炉尾气的体积流量为10-50mL/min。
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