CN115974080B - 一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置。它包括热解炭化炉，所述热解炭化炉包括炉腔壁，所述炉腔壁内设有上下相通的预热区、热解区和活化区，所述活化区底部设有出炭室，所述热解区和活化区根据温度分别包括第一热解区、第二热解区和第一活化区、第二活化区。本发明区段分级炭化能保证物料流动时状态参数的均一性，确保经上一区段处理的物料高效适配下一区段的处理需求，充分利用炉体体积与蒸汽循环，优化制炭流程，提高制炭、活化效率，高效制备吸收养分及水分能力强的新型生物炭，可负载营养物质作为炭基缓释肥料。
Description
技术领域
本发明属于生物质热解炭化及农业环境技术领域，具体涉及一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置。
背景技术
化肥是农业生产中的必需品，化肥中富含氮、磷、钾等农作物生长所必需的营养元素，施肥能提高农作物单位面积产量，但是农业化肥使用量过度，会造成土壤肥力下降、土壤结板等破坏土壤结构的问题，故新型化肥的研发显得极为重要。
生物炭具有多孔隙性且表面积大，这使其具有极强的吸附能力可以把土壤中的营养元素吸附到其周围，且其可以通过提高阳离子的交换性能来贮藏土壤中的营养元素并缓慢释放，实现促进植物生长的长期效应，另外生物炭自身疏松，与土壤混合可以降低土壤容重，改善土壤结构，提高土壤质量。因此，炭基肥料是一种应用前景广阔的新型化肥，其是农业废弃物在无氧或缺氧条件下，经高温热裂解后制得的固体产物。
现有技术中，制备炭基肥料所用的热解气氛主要是N2和CO2，二者均通过罐装气体输入热解反应室进行热解炭化，如：中国发明专利CN201610195110.7公开了一种在CO2气氛下制备炭基肥料的装置及其方法，发现CO2气氛较N2气氛更优，CO2更廉价而且还可以提高炭基肥料中营养元素的含量，但以CO2作为热解反应气氛时其与热解气的分离比较困难，整体所需装置较为复杂。
目前，将水蒸气引入热解炭化系统用于热解炭制备的研究相对较少，特别是作为肥料化应用更是缺乏。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置。循环利用水蒸气作为热解气氛，高效制备一种吸收养料及水分能力强的新型活化炭。
本发明采用的技术方案是：一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，包括热解炭化炉，所述热解炭化炉包括炉腔壁，所述炉腔壁内设有上下相通的预热区、热解区和活化区，所述活化区底部设有出炭室，所述热解区和活化区根据温度分别包括第一热解区、第二热解区和第一活化区、第二活化区，所述预热区设有燃气进气口、预热恒温器、电火花点燃器、预热气出气口，所述第一热解区设有燃气进气口、第一热解恒温器、电火花点燃器，所述第二热解区设有混合气进气口、第二热解恒温器、负压板，所述第一活化区设有燃气进气口、第一活化恒温器和第一匀风壁，所述第二活化区设有第二活化恒温器、第二匀风壁和活化气出气口。
其中，区段间体积比中，V活化区:V进料区＝1:1，V活化区:V热解区＝1:1.18～2.09，V活化区:V预热区＝1:1.14～2.18；V第一热解区：V第二热解区＝1:1.17～1.3，V第一活化区：V第二活化区＝1:1.2～1.33；进料区为进料口所在区域。
所述炉腔壁顶部设有进料绞龙，所述炉腔壁底部设有出料绞龙，所述出料绞龙连接至储炭仓。
还包括燃气系统，所述燃气系统输入端连接储气罐，所述燃气系统输出端分别连通至风机和预热区、第一热解区和第一活化区的燃气进气口，且燃气系统与预热区、第一热解区和第一活化区之间的管道上分别设有燃气进气阀。
所述预热气出气口连接混气罐一端，所述混气罐另一端连接增速喷管装置一端，所述增速喷管装置另一端连接至混合气进气口，所述混气罐与增速喷管装置之间的管道上设有进气阀。
所述活化气出气口连接至冷凝器输入端，所述冷凝器输出端连接至蒸汽发生器输入端，所述蒸汽发生器输出端连接至混气罐；所述冷凝器输出端还连接净化器输入端，所述净化器输出端分别连接混气罐、CO2收集罐和储气罐。
所述预热区与第一热解区之间设有第一流动开关，所述第一热解区与第二热解区之间设有第二流动开关，所述第二热解区与第一活化区之间设有第三流动开关，所述第一活化区与第二活化区之间设有第四流动开关，所述第二活化区与出炭室之间设有第五流动开关。
所述燃气进气口、预热气出气口、混合气进气口和活化气出气口均位于炉腔壁上。
所述热解炭化炉置于墙体支架上。
所述预热区设有水蒸气浓度控制传感器。
一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：
步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混气罐、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一匀风壁、第二匀风壁送往第一活化区、第二活化区；
步骤2：物料在预热区预热60-120min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使200℃左右的物料进入第一热解区，预热区所产生的预热气经预热气出气口至混气罐，此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的50-80％；
步骤3：预热后的物料在第一热解区发生分解反应30-50min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构，为水蒸气分子附着提供换热位点，从而强化第二热解区的换热效果，初步热解的生物炭经第二流动开关至第二热解区反应35-65min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区，混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区，第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一匀风壁、第二匀风壁送往第一活化区、第二活化区；
步骤4：炭颗粒进入第一活化区反应25-45min，炭颗粒经过第四流动开关进入第二活化区反应30-60min，活化炭经过第五流动开关进入出炭室，后经出料绞龙送至储炭仓，活化气体经活化气出气口至冷凝器，冷凝水送往蒸汽发生器产生高温水蒸气，送往混气罐；未冷凝气体送往净化器，被分离的CO2送入CO2收集罐，燃气则被送入储气罐，一部分可用于蒸汽发生器的供热，另一部分可送至燃气系统。
水蒸气的热扩散系数与导热系数均高于CO2，水蒸气与热解气的分离更容易实现，采用水蒸气-高温冷凝水作热解循环气氛可大大简化装置；水蒸气在高温下还可以与生物炭发生气化反应，改善生物炭的表面特性，起到活化作用，提高生物炭的品质；选用水蒸气作为制备活化炭的生产效率更高，而且还利于其中营养元素的富集。
本发明区段分级炭化能保证物料流动时状态参数的均一性，确保经上一区段处理的物料高效适配下一区段的处理需求，充分利用炉体体积与蒸汽循环，优化制炭流程，提高制炭、活化效率，高效制备吸收养分及水分能力强的新型生物炭，可负载营养物质作为炭基缓释肥料。
本发明的有益效果如下：
1、水蒸气除用于导热外，还参与高温区气化反应活化生物炭，此种新型活化炭基肥料富含营养元素且表面特性好，施入土壤后可改善土壤结构、提高土壤质量，增加养料及水分的渗入速度，促进植物生长与繁茂；
2、选用水蒸气作热解循环气氛与CO2相比，水蒸气的热扩散系数和导热系数均高于CO2，水蒸气更利于热量的传递。此外，炭化炉的区段分级设计能保证物料流动时状态参数的均一性，确保经上一区段处理的物料高效适配下一区段的处理需求，充分利用炉体体积与蒸汽循环，优化制炭流程，提高制炭、活化效率；
3、与现有技术中N2、CO2作为热解循环气氛相比，冷凝过程中水蒸气和热解气的分离极易实现，冷凝系统简单，由于冷凝水密度远大于烟气密度，装置得到简化，高温冷凝水短暂加热后又可成为水蒸气用于循环，循环效率高，整个过程中收集罐中的CO2可以作为营养剂供植物使用，多余热解气还可送至燃气系统原位利用。因此，待系统稳定运行后，无需外界能量支持，提供农业废弃物，同时产生生物炭，对外界无污染物排放。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的流程图；
图3是800℃活化时木屑在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像；
图4是800℃活化时谷壳在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像。
图中，1-进料口、2.1-进料绞龙、2.2-出料绞龙、3-炉腔壁、4.1.1-预热恒温器、4.2.1-第一热解恒温器、4.2.2-第二热解恒温器、4.3.1-第一活化恒温器、4.3.2-第二活化恒温器、5.1-燃气进气口、5.2-预热气出气口、5.3-混合气进气口、5.4-活化气出气口、6-电火花点燃器、7-水蒸气浓度控制传感器、8.1-燃气进气阀、8.2-混合气进气阀、9-风机、10-预热区、11.1-第一热解区、11.2-第二热解区、12.1-第一活化区、12.2-第二活化区、13-出炭室、14.1-第一流动开关、14.2-第二流动开关、14.3-第三流动开关、14.4-第四流动开关、14.5-第五流动开关、15-负压板、16.1-第一匀风壁、16.2-第二匀风壁、17-墙体支架、18-燃气系统、19-混气罐、20-增速喷管装置、21-冷凝器、22-净化器、23-蒸汽发生器、24-CO2收集罐、25-储气罐、26-储炭仓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，包括热解炭化炉，热解炭化炉分为相通的预热区10(100-200℃)、热解区和活化区三部分，其中热解区和活化区根据温度分别分为第一热解区11.1(450-500℃)、第二热解区11.2(500-550℃)和第一活化区12.1(700-800℃)、第二活化区12.2(800-900℃)。预热区10设有预热恒温器4.1.1、燃气进气口5.1、电火花点燃器6、水蒸气浓度控制传感器7、预热气出气口5.2。第一热解区11.1设有第一热解恒温器4.2.1、燃气进气口5.1、电火花点燃器6。第二热解区11.2设有第二热解恒温器4.2.2、混合气进气口5.3、负压板15。第一活化区12.1设有第一活化恒温器4.3.1、燃气进气口5.1、第一匀风壁16.1，第二活化区12.2设有第二活化恒温器4.3.2、第二匀风壁16.2、活化气出气口5.4。
本发明农业废弃物经过进料口1、进料绞龙2.1送入预热区10，后依次经过第一热解区11.1、第二热解区11.2、第一活化区12.1、第二活化区12.2，各区域均通过流动开关连接，在第二活化区12.2得到的活化炭进入出炭室13，经出料绞龙2.2送至储炭仓26。燃气系统18中燃气通过风机9送风、燃气进气阀8.1调节后，经燃气进气口5.1分别送入预热区10、第一热解区11.1、第一活化区12.1。预热区10中物料产生的预热气经预热气出气口5.2送至混气罐19储存，通过混合气进气阀8.2、增速喷管装置20，经混合气进气口5.3送往第二热解区11.2。第二热解区11.2中产生的热解气经负压板15以及第一匀风壁16.1、第二匀风壁16.2送至第一活化区12.1、第二活化区12.2，活化气体经活化气出气口5.4送至冷凝器21，冷凝水送往蒸汽发生器23产生高温水蒸气，送往混气罐19；未冷凝气体送往净化器22，被分离的CO2送入CO2收集罐24，燃气则被送入储气罐25，一部分可用于蒸汽发生器23的供热，另一部分可送至燃气系统18。
如图2所示，一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：
步骤1：燃气系统18中的燃气通过风机9、燃气进气阀8.1经燃气进气口5.1送入预热区10、第一热解区11.1、第一活化区12.1，通过电火花点燃器6进行燃烧，预热区10燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口5.2、混气罐19、混合气进气阀8.2、增速喷管装置20、混合气进气口5.3送入第二热解区11.2，第二热解区11.2中的高温烟气经负压板15以及第一匀风壁16.1、第二匀风壁16.2送往第一活化区12.1、第二活化区12.2。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度。待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积5-20％或挥发分燃烧所需化学当量比的50％以内，此时将预处理后的农业废弃物由进料口1加至热解炭化炉中，依次在预热区10、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。
步骤2：物料在预热区10(100-200℃)预热60-120min，可减小与热解区的温差，降低不均匀的温度导致孔隙坍塌的可能性。通过水蒸气浓度控制传感器7确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关14.1，使200℃左右的物料进入第一热解区11.1。重量变化率小于0.1％是为了确保原料中自由水和化合水都已经在预热区段被去除了，防止因为物料自身含水率的差异导致热解、活化的不均一性。预热区10所产生的预热气经预热气出气口5.2至混气罐19。此时开启蒸汽发生器23，蒸汽发生器23运行时压力控制在0.5-1.6MPa，产生的高温水蒸气送往混气罐19，混气罐19中水蒸气占总气体氛围的50-80％。
步骤3：预热后的物料在第一热解区11.1(450-500℃)发生分解反应约30-50min，析出挥发物气体，该温度区间略高于纤维素、半纤维素和木质素的热解温度，在此范围内，温度的升高促进物料反应，化学组分变化更加明显，半纤维素等不稳定成分分解为CO、CO2和少量的醋酸，初步形成表面孔隙结构，为水蒸气分子附着提供换热位点，为水蒸气分子附着提供换热位点，从而强化第二热解区11.2的换热效果。此外，表面积累的热量通过传导、辐射的作用向内层扩散，进一步缩小内外层的温差，防止非均相热解导致孔隙不均。初步热解的生物炭经第二流动开关14.2至第二热解区11.2(500-550℃)反应约35-65min，在该温度区间下C-H、C-O键进一步断裂，深层的挥发分由内向外扩散，打通孔道，水蒸气携带热量由外向内扩散。而将温度限制在550℃以下是为了防止在高温热解时炭颗粒发生软化变形现象，加剧热应力、表面张力导致的孔隙结构重组和缩闭效应，使得孔隙坍塌和贯通，最终导致高温下比表面积的减小。由于水蒸气的热扩散系数和导热系数均高于二氧化碳，再加之第一热解区11.1提供的换热位点，水蒸气紧密包裹生物质，通过增速喷管装置20提速的紊态过热蒸汽焓值约为2796.2kJ/kg-3074.1kJ/kg，能充分利用蒸汽焓差，强化热解换热效果，还能降低能源消耗，节省能源30％-50％。此外，由于第一热解区11.1的内层预热，提高了热解反应的速率，也使得生物炭表面的孔隙结构趋于均匀分布。反应后的炭颗粒经第三流动开关14.3进入第一活化区12.1。混气罐19内的混合气经混合气进气阀8.2、增速喷管装置20、混合气进气口5.3送往第二热解区11.2。第二热解区11.2反应后的热解气经负压板15以及第一匀风壁16.1、第二匀风壁16.2送往第一活化区12.1、第二活化区12.2。
步骤4：炭颗粒进入第一活化区12.1(700-800℃)反应25-45min。一方面，水蒸气与炭反应速率相对较慢，反应后气体析出导致炭表面产生新的裂纹与微孔，起到“造孔”的作用，为高温活化提供数量庞大的孔隙；另一方面，水蒸气的扩散对原有的孔隙具有“冲刷，疏通”的作用，使原有孔隙中的残留物质被带出，为高温活化提供完整、畅通的气流通路。而随着温度的升高，反应热量趋于饱和，过余热量会破坏C原子的晶格结构，为高温活化提供水蒸气附着活性位点。后炭颗粒经过第四流动开关14.4进入第二活化区12.2(800-900℃)反应30-60min，800-900℃的高温使羟基之间的氢键缔结断裂，自由羟基增多，可及度变大，与C原子反应生成的碳氧配合物增多。除此之外，水蒸气向孔内扩散，与炭充分接触使得反应速率达到最大，在微孔的基础上发生“扩孔”作用，在炭表面产生大量的微孔和中孔。而将温度限制在900℃以下可以防止水蒸气活化过度以及炭的烧蚀导致微孔、中孔坍塌破裂。活化过程中H2O/C为1.25-2，保证水蒸气能充分裹挟生物炭，由表面向孔内扩散，与炭充分接触，在炭表面“微孔”的基础上扩孔产生大量的微孔和中孔；但是水蒸气的浓度也不宜过高，否则温度略微升高，烧蚀率就会大大增加，影响最后炭产品的孔隙特征。活化炭经过第五流动开关14.5进入出炭室13，后经出料绞龙2.2送至储炭仓26。活化气体经活化气出气口5.4至冷凝器21，冷凝水送往蒸汽发生器23产生高温水蒸气，送往混气罐19；未冷凝气体送往净化器22，被分离的CO2送入CO2收集罐24，燃气则被送入储气罐25，一部分可用于蒸汽发生器23的供热，另一部分可送至燃气系统18。
步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器23经加热转变成水蒸气最终引至混气罐19作热解气氛，针对不同农业废弃物原料中含水率，混气罐中水蒸气占总气体氛围的50-80％，保证水蒸气主体氛围强化换热的同时含有一定CO2，为产生CO提供原料。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。
按照上述实施步骤，在不同循环热解条件下针对谷壳、木屑和水稻秸秆三种原料有以下实施案例：
实施案例1：以谷壳为原料
步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为150℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为20％或挥发分燃烧所需化学当量比为45％，此时将预处理后的谷壳由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。
步骤2：谷壳在预热区预热60min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使150℃左右的谷壳进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出气口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为800kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的75％。
步骤3：预热后的谷壳在500℃的第一热解区发生分解反应约40min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的谷壳生物炭经第二流动开关至550℃的第二热解区反应约45min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。
步骤4：炭颗粒进入800℃的第一活化区反应45min，后经过第四流动开关进入900℃第二活化区反应60min，整个活化区的H2O/C保持为2.0，活化谷壳炭经过第五流动开关进入出炭室，后经出料绞龙送至储炭仓。活化气体经活化气出气口至冷凝器，冷凝水送往蒸汽发生器产生高温水蒸气，送往混气罐；未冷凝气体送往净化器，被分离的CO2送入CO2收集罐，燃气则被送入储气罐，一部分可用于蒸汽发生器的供热，另一部分可送至燃气系统。
步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以谷壳为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的75％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。
热解炭化炉以谷壳为原料时，其进料密度约为0.128g/cm3，进料口能容纳2.944t谷壳，制炭周期为4.17h，则原料处理速率为0.707t/h，一天能处理原料16.957t；充分利用炉体体积与蒸汽循环，产炭效率为30％，谷壳炭产出速率为0.212t/h，一天能生产5.087t吸收养分及水分能力强的新型生物炭。
实施案例2：以木屑为原料
步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为180℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为10％或挥发分燃烧所需化学当量比为35％，此时将预处理后的木屑由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。
步骤2：木屑在预热区预热90min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使180℃左右的木屑进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出气口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为400kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的65％。
步骤3：预热后的木屑在500℃的第一热解区发生分解反应约50min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的木屑生物炭经第二流动开关至550℃的第二热解区反应约65min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。
步骤4：炭颗粒进入700℃的第一活化区反应25min，后经过第四流动开关进入800℃第二活化区反应40min，整个活化区的H2O/C保持为1.5，活化木屑炭经过第五流动开关进入出炭室，后经出料绞龙送至储炭仓。活化气体经活化气出气口至冷凝器，冷凝水送往蒸汽发生器产生高温水蒸气，送往混气罐；未冷凝气体送往净化器，被分离的CO2送入CO2收集罐，燃气则被送入储气罐，一部分可用于蒸汽发生器的供热，另一部分可送至燃气系统。
步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以木屑为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的65％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。
热解炭化炉以木屑为原料时，其进料密度约为0.585g/cm3，进料口能容纳13.455t木屑，制炭周期为4.5h，则原料处理速率为2.990t/h，一天能处理原料71.760t；充分利用炉体体积与蒸汽循环，产炭效率为23％，木屑炭产出速率为0.688t/h，一天能生产16.505t吸收养分及水分能力强的新型生物炭。
实施案例3：以水稻秸秆为原料
步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为200℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为15％或挥发分燃烧所需化学当量比为40％，此时将预处理后的水稻秸秆由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。
步骤2：水稻秸秆在预热区预热120min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使200℃左右的水稻秸秆进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出气口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为600kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的55％。
步骤3：预热后的水稻秸秆在450℃的第一热解区发生分解反应约30min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的水稻秸秆生物炭经第二流动开关至500℃的第二热解区反应约35min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。
步骤4：炭颗粒进入750℃的第一活化区反应35min，后经过第四流动开关进入850℃第二活化区反应50min，整个活化区的H2O/C保持为1.25，活化水稻秸秆炭经过第五流动开关进入出炭室，后经出料绞龙送至储炭仓。活化气体经活化气出气口至冷凝器，冷凝水送往蒸汽发生器产生高温水蒸气，送往混气罐；未冷凝气体送往净化器，被分离的CO2送入CO2收集罐，燃气则被送入储气罐，一部分可用于蒸汽发生器的供热，另一部分可送至燃气系统。
步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以水稻秸秆为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的55％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。
热解炭化炉以水稻秸秆为原料时，其进料密度约为0.0.37g/cm3，进料口能容纳0.851t水稻秸秆，制炭周期为4.5h，则原料处理速率为0.189t/h，一天能处理原料4.539t；充分利用炉体体积与蒸汽循环，产炭效率为42％，水稻秸秆炭产出速率为0.079t/h，一天能生产1.906t吸收养分及水分能力强的新型生物炭。
同原料在对应热解氛围下得到生物炭特征：
图3为800℃活化时木屑在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像(经放大1000倍所得)及SEM图像数据处理(木屑：N2，CO2，N2/H2O，从左到右)：
由此可知，H2O参与木屑的热解反应与N2、CO2气氛相比，所得生物炭气孔数量增多且气孔变大，表面特性更好，施入土壤后可改善土壤结构、提高土壤质量，且利于植物对土壤中水分与养料的吸收。
图4为800℃活化时谷壳在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像(经放大1000倍所得)及SEM图像数据处理(谷壳：N2，CO2，N2/H2O，CO2/H2O，从左到右)：
由此可知，H2O参与谷壳的热解反应与N2、CO2气氛相比，所得生物炭的表面存在许多气孔，比表面积增大，平均尺寸会变小，施入土壤利于植物对土壤中水分与养料的吸收，从而促进植物的生长与繁茂。
在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO2/(CO2+H2O)比值(记为R)条件下，由水稻秸秆制备的生物炭对比表如下：(其中水稻秸秆原样与生物炭(R＝1)作为参考组)
在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO2/(CO2+H2O)比值(记为R)条件下，由谷壳制备的生物炭对比表如下：(其中谷壳原样与生物炭(R＝1)作为参考组)
在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO2/(CO2+H2O)比值(记为R)条件下，由木屑制备的生物炭对比表如下：(其中木屑原样与生物炭(R＝1)作为参考组)
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，包括热解炭化炉，其特征在于：所述热解炭化炉包括炉腔壁（3），所述炉腔壁（3）内设有上下相通的预热区（10）、热解区和活化区，所述活化区底部设有出炭室（13），所述热解区和活化区根据温度分别包括第一热解区（11.1）、第二热解区（11.2）和第一活化区（12.1）、第二活化区（12.2），所述预热区（10）设有燃气进气口（5.1）、预热恒温器（4.1.1）、电火花点燃器（6）、预热气出气口（5.2），所述第一热解区（11.1）设有燃气进气口（5.1）、第一热解恒温器（4.2.1）、电火花点燃器（6），所述第二热解区（11.2）设有混合气进气口（5.3）、第二热解恒温器（4.2.2）、负压板（15），所述第一活化区（12.1）设有燃气进气口（5.1）、第一活化恒温器（4.3.1）和第一匀风壁（16.1），所述第二活化区（12.2）设有第二活化恒温器（4.3.2）、第二匀风壁（16.2）和活化气出气口（5.4）；
还包括燃气系统（18），所述燃气系统（18）输入端连接储气罐（25），所述燃气系统（18）输出端分别连通至风机（9）和预热区（10）、第一热解区（11.1）和第一活化区（12.1）的燃气进气口（5.1），且燃气系统（18）与预热区（10）、第一热解区（11.1）和第一活化区（12.1）之间的管道上分别设有燃气进气阀（8.1）；
所述预热气出气口（5.2）连接混气罐（19）一端，所述混气罐（19）另一端连接增速喷管装置（20）一端，所述增速喷管装置（20）另一端连接至混合气进气口（5.3），所述混气罐（19）与增速喷管装置（20）之间的管道上设有进气阀（8.2）；
所述活化气出气口（5.4）连接至冷凝器（21）输入端，所述冷凝器（21）输出端连接至蒸汽发生器（23）输入端，所述蒸汽发生器（23）输出端连接至混气罐（19）；所述冷凝器（21）输出端还连接净化器（22）输入端，所述净化器（22）输出端分别连接混气罐（19）、CO2收集罐（24）和储气罐（25）。
2.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，其特征在于：所述炉腔壁（3）顶部设有进料绞龙（2.1），所述炉腔壁（3）底部设有出料绞龙（2.2），所述出料绞龙（2.2）连接至储炭仓（26）。
3.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，其特征在于：所述预热区（10）与第一热解区（11.1）之间设有第一流动开关（14.1），所述第一热解区（11.1）与第二热解区（11.2）之间设有第二流动开关（14.2），所述第二热解区（11.2）与第一活化区（12.1）之间设有第三流动开关（14.3），所述第一活化区（12.1）与第二活化区（12.2）之间设有第四流动开关（14.4），所述第二活化区（12.2）与出炭室（13）之间设有第五流动开关（14.5）。
4.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，其特征在于：所述燃气进气口（5.1）、预热气出气口（5.2）、混合气进气口（5.3）和活化气出气口（5.4）均位于炉腔壁（3）上。
5.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，其特征在于：所述热解炭化炉置于墙体支架（17）上。
6.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，其特征在于：所述预热区（10）设有水蒸气浓度控制传感器（7）。
7.根据权利要求1所述的一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置制备生物炭的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：燃气系统（18）中的燃气通过风机（9）、燃气进气阀（8.1）经燃气进气口（5.1）送入预热区（10）、第一热解区（11.1）、第一活化区（12.1），通过电火花点燃器（6）进行燃烧，预热区（10）燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口（5.2）、混气罐（19）、混合气进气阀（8.2）、增速喷管装置（20）、混合气进气口（5.3）送入第二热解区（11.2），第二热解区（11.2）中的高温烟气经负压板（15）以及第一匀风壁（16.1）、第二匀风壁（16.2）送往第一活化区（12.1）、第二活化区（12.2）；
步骤2：物料在预热区（10）预热60-120min，通过水蒸气浓度控制传感器（7）确认其重量变化率小于0.1%时即可打开第一流动开关（14.1），使200°C左右的物料进入第一热解区（11.1），预热区（10）所产生的预热气经预热气出气口（5.2）至混气罐（19），此时开启蒸汽发生器（23），蒸汽发生器（23）运行时压力控制在0.5-1.6MPa，产生的高温水蒸气送往混气罐（19），混气罐（19）中水蒸气占总气体氛围的50-80%；
步骤3：预热后的物料在第一热解区（11.1）发生分解反应30-50 min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构，为水蒸气分子附着提供换热位点，从而强化第二热解区（11.2）的换热效果，初步热解的生物炭经第二流动开关（14.2）至第二热解区（11.2）反应35-65 min，反应后的炭颗粒经第三流动开关（14.3）进入第一活化区（12.1），混气罐（19）内的混合气经混合气进气阀（8.2）、增速喷管装置（20）、混合气进气口（5.3）送往第二热解区（11.2），第二热解区（11.2）反应后的热解气经负压板（15）以及第一匀风壁（16.1）、第二匀风壁（16.2）送往第一活化区（12.1）、第二活化区（12.2）；
步骤4：炭颗粒进入第一活化区（12.1）反应25-45min，炭颗粒经过第四流动开关（14.4）进入第二活化区（12.2）反应30-60min，活化炭经过第五流动开关（14.5）进入出炭室（13），后经出料绞龙（2.2）送至储炭仓（26），活化气体经活化气出气口（5.4）至冷凝器（21），冷凝水送往蒸汽发生器（23）产生高温水蒸气，送往混气罐（19）；未冷凝气体送往净化器（22），被分离的CO2送入CO2收集罐（24），燃气则被送入储气罐（25），一部分可用于蒸汽发生器（23）的供热，另一部分可送至燃气系统（18）。
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