CN116492955A - 一种超声震动制备生物炭的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声震动制备生物炭的装置及方法,包括:底座、模具、加载件、超声组件、能量传递件,超声波高频驱动下产生的压力波加之加载件施加的较大的压力载荷作用下,能够产生热量来实现生物质颗粒的炭化,在该过程中,超声波频率较高,压力载荷较大,因此炭化效率较高,且未使用传统的复杂的加热炭化设备,同时由于能量传递件封闭模具的开口且紧紧抵于生物质颗粒,因此也不需要保护气体的加入来实现保护气氛,从而解决了传统炭化技术的设备结构复杂、效率低下、存在过多副产物问题,同时不需要微波炭化技术所需的保护气氛,能够进一步地简化设备与提升效率。
Description
技术领域
本发明涉及生物炭制备领域,具体涉及一种超声震动制备生物炭的装置及方法。
背景技术
我国生物质资源丰富,利用生物质制备固体炭材料是目前唯一的“负碳排放”技术,受到国内外科学家广泛关注。目前现有技术中,主流的生物质炭化方法主要有热解炭化和水热炭化,
然而,主流的热解炭化和水热炭化具有炭化装置要求高,例如热解炭化要求高温条件、水热炭化要求承压设备,还有副产物产生,且副产物不好处理的问题。因此现有技术提出一种新的微波炭化方式,使用微波的热效应对生物质颗粒进行炭化,克服了上述技术问题。
但是微波炭化因其原理,在炭化过程中需要提供保护气氛,这对设备提出了新的密封性需求,也提出了新的生产材料成本需求。因此需要提出一种新的炭化方式,在解决传统炭化技术的设备结构复杂、效率低下问题的前提下,同时不需要微波炭化技术所需的保护气氛,来进一步简化设备与提升效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题,提供一种在解决传统炭化技术的设备结构复杂、效率低下问题的前提下,同时不需要微波炭化技术所需的保护气氛,来进一步简化设备与提升效率的超声震动制备生物炭的装置及方法。
一方面,本发明提供了一种超声震动制备生物炭的装置,包括:
支架;
模具,模具上部开口,模具用于在内部盛放生物质颗粒;
加载件,加载件固定连接于支架的上端侧面,加载件能够竖直向下的压力载荷;
超声组件,超声组件包括超声发生器与换能件,换能件设于加载件的下部,超声发生器与换能件相连接,超声发生器用于发出超声波,换能件用于将超声发生器发出的超声波转换为竖直方向上的压力波;
能量传递件,能量传递件的上端连接于换能件的下端,且能量传递件活动连接于支架的侧面,能量传递件能够沿竖直方向运动,能量传递件的下端能够进入模具中且能够压迫模具内部的生物质颗粒,能量传递件用于将加载件产生的向下压力载荷以及换能件产生的压力波传递至生物质颗粒。
进一步地,还包括底座,支架的底部与模具均设于底座的上表面,加载件包括:气缸与空气压缩机,气缸活动连接于支架上,气缸的底部具有输出端,换能件设于输出端的下部,空气压缩机与气缸相连接。
进一步地,加载件还包括:调节阀,调节阀设于气缸与空气压缩机之间。
进一步地,能量传递件包括:探针与探针座,探针座的上端与换能件相连接,探针座沿竖直方向滑动连接于支架的侧面,探针的上端与探针座的底面相连接,探针的下端能够进入模具中且能够压迫模具内部的生物质颗粒,探针的下端能够封闭模具的上部开口,探针由陶瓷制成。
进一步地,支架的侧面设有竖直方向的滑轨,探针座的侧面与滑轨滑动连接。
进一步地,模具包括筒体与底部垫片,底部垫片固定连接于底座的上表面,筒体的底部套于底部垫片外,筒体与底部垫片之间为过盈配合关系。
进一步地,筒体由陶瓷制成,底部垫片由金属材料制成。
另一方面,本发明还提供了一种超声震动制备生物炭的方法,适用于上述任一项的一种超声震动制备生物炭的装置,一种超声震动制备生物炭的方法包括:
S1,预处理生物质颗粒,将生物质颗粒粉碎、干燥并过筛,取60目筛下的预处理后的生物质颗粒,将2克预处理后的生物质颗粒放入模具内部;
S2,设置超声发生器发出的超声波振动频率为40赫兹,设置加载件的向下压力载荷大于等于40Psi,且小于等于50Psi,并运转超声发生器与加载件对模具内部的生物质颗粒进行处理。
进一步地,超声发生器与加载件运作时间大于等于150秒,小于等于450秒。
进一步地,超声发生器与加载件运作时间至少为150秒。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:保持使用加载件对生物质颗粒的加载的同时,启动超声发生器,使得换能件开始产生超声震动,将超声波转换为竖直方向上的压力波,会与加载件产生的压力载荷重叠,从而对被能量传递件底部压紧抵住的生物质颗粒产生作用,超声波高频驱动下产生的压力波加之加载件施加的较大的压力载荷作用下,能够产生热量来实现生物质颗粒的炭化,在该过程中,超声波频率较高,压力载荷较大,因此炭化效率较高,且未使用传统的复杂的加热炭化设备,同时由于能量传递件封闭模具的开口且紧紧抵于生物质颗粒,因此也不需要保护气体的加入来实现保护气氛,从而解决了传统炭化技术的设备结构复杂、效率低下、存在过多副产物问题,同时不需要微波炭化技术所需的保护气氛,能够进一步地简化设备与提升效率。
附图说明
图1为本发明中的整体功能性示意图;
图2为本发明中的主要结构主视示意图;
图3为本发明中的整体结构主视剖面示意图;
图4为本发明中的细节结构主视剖面示意图。
附图标记说明:
1、底座;11、支架;111、滑轨;2、模具;21、筒体;22、底部垫片;3、加载件;31、输出端;32、气缸;33、空气压缩机;34、调节阀;4、超声组件;41、换能件;42、超声发生器;5、能量传递件;51、探针;52、探针座。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。
一方面,本发明提供了一种超声震动制备生物炭的装置,包括:支架11、模具2、加载件3、超声组件4、能量传递件5,其中模具2上部开口,模具2用于在内部盛放生物质颗粒;加载件3固定连接于支架11的上端侧面,加载件3能够竖直向下的压力载荷;超声组件4包括超声发生器42与换能件41,换能件41设于加载件3的下部,超声发生器42与换能件41相连接,超声发生器42用于发出超声波,换能件41用于将超声发生器42发出的超声波转换为竖直方向上的压力波;能量传递件的上端连接于换能件41的下端,且能量传递件5活动连接于支架11的侧面,能量传递件能够沿竖直方向运动,能量传递件5的下端能够进入模具2中且能够压迫模具2内部的生物质颗粒,能量传递件5用于将加载件3产生的向下压力载荷以及换能件41产生的压力波传递至生物质颗粒。
具体地,请参考图1-图4,在使用时,将待炭化的生物质颗粒放入模具2之内,并且将能量传递件5沿竖直方向运动,使其下端进入模具2中且压迫模具2内部的生物质颗粒,此时启动加载件3提供给换能件41竖直向下的压力载荷,换能件41受到的压力载荷将会继续向下传递至能量传递件5上,继而经由能量传递件5的传递至生物质颗粒,使得生物质颗粒被压力载荷压迫从而被压紧实,且同时能量传递件5的下端封闭模具2的上部开口,如图1所示,保持着对生物质颗粒的加载的同时,启动超声发生器42,使得换能件41开始产生超声震动,将超声波转换为竖直方向上的压力波,压力波为上下方向交替的压力,该压力将会与加载件3产生的压力载荷重叠,从而对被能量传递件5底部压紧抵住的生物质颗粒产生作用,超声波高频驱动下产生的压力波加之加载件3施加的较大的压力载荷作用下,能够产生热量来实现生物质颗粒的炭化,在该过程中,超声波频率较高,压力载荷较大,因此炭化效率较高,且未使用传统的复杂的加热设备,同时由于能量传递件5封闭模具2的开口且紧紧抵于生物质颗粒,因此也不需要保护气体的加入来实现保护气氛,从而解决了传统炭化技术的设备结构复杂、效率低下问题,同时不需要微波炭化技术所需的保护气氛,能够进一步地简化设备与提升效率。
进一步地,还包括底座1,支架11的底部与模具2均设于底座1的上表面,加载件3包括:气缸32与空气压缩机33,气缸32活动连接于支架11上,气缸32的底部具有输出端31,换能件41设于输出端31的下部,空气压缩机33与气缸32相连接。加载件3使用了包括气缸32与空气压缩机33的气动加载形式,该形式不仅能够提供有效的压力载荷,气缸32内部的压缩气体同时具有可压缩性,能够用于缓冲换能件41产生的上下反复的压力波中向上的压力,从而具备特别的缓冲能力,提升了设备的使用寿命。
进一步地,加载件3还包括:调节阀34,调节阀34设于气缸32与空气压缩机33之间。调节阀能够调整气缸32内部的气压从而调整加载件3产生的压力载荷的大小,适应于本方案所处的实验室场景,方便根据实验目的来调整压力载荷的大小。
进一步地,能量传递件5包括:探针51与探针座52,探针座52的上端与换能件41相连接,探针座52沿竖直方向滑动连接于支架11的侧面,探针51的上端与探针座52的底面相连接,探针51的下端能够进入模具2中且能够压迫模具2内部的生物质颗粒,探针51的下端能够封闭模具2的上部开口,探针51由陶瓷制成。探针座52起到了滑动连接于支架11的效果,其只能实现竖直的上下运动,从而保证了竖直探针51的竖直运动,保证探针51能够伸入模具2中并封闭模具2的上部开口,而探针51使用陶瓷材料制作能够起到良好的隔热效果,防止热量向上传导至加载件3与换能件41从而影响设备运作。
进一步地,支架11的侧面设有竖直方向的滑轨111,探针座52的侧面与滑轨111滑动连接。用于保证探针51的竖直运动。
进一步地,在完成炭化后,被炭化的生物质颗粒会在模具2中呈现紧实的压缩饼料状态,难以从模具2中取出,因此模具2包括筒体21与底部垫片22,底部垫片22固定连接于底座1的上表面,筒体21的底部套于底部垫片22外,筒体21与底部垫片22之间为过盈配合关系,完成炭化后将筒体21从底部垫片22上拔起,被炭化的生物质颗粒形成的紧实饼料会留于筒体21内部,此时只需将生物质颗粒形成的紧实饼料从筒体21中捅出即可。
进一步地,筒体21由陶瓷制成,底部垫片22由金属材料制成。由于炭化过程中高频震动会产生热量,为了避免较多热量外溢从而影响碳化效率,所以模具2中包括了陶瓷成分,但同时由于使用了超声波转换而来的高频压力波对生物质颗粒进行加载,在高频压力波震动下,位于压力波传播路径上的底部垫片22会受到较大的震动冲击,若是也使用陶瓷材料,便会在实验中极易碎裂,因此为了兼顾模具2的保热性与抗震动冲击性,只将包围生物质颗粒四周的筒体21设为陶瓷制成,而位于压力波传播路径上的底部垫片22则使用具有较好韧性的金属材料制成,例如钢铁或其他合金材料。
另一方面,本发明还提供了一种超声震动制备生物炭的方法,适用于上述任一项的一种超声震动制备生物炭的装置,一种超声震动制备生物炭的方法包括:
S1,预处理生物质颗粒,将生物质颗粒粉碎、干燥并过筛,取60目筛下的预处理后的生物质颗粒,将2克预处理后的生物质颗粒放入模具2内部;
S2,设置超声发生器42发出的超声波振动频率为40赫兹,设置加载件3的向下压力载荷大于等于40Psi,且小于等于50Psi,并运转超声发生器42与加载件3对模具2内部的生物质颗粒进行处理。Psi为压强单位,1Psi即为1磅/平方英寸。
进一步地,超声发生器42与加载件3运作时间大于等于150秒,小于等于450秒。该时间设置下能够避免损失生物质颗粒中的挥发性物质。
进一步地,在一些情形下需要生物质颗粒彻底碳化并清除其中的挥发性物质,便需要使超声发生器42与加载件3运作时间至少为150秒,从而彻底消除这些物质。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,能够理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下能够对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,包括:
支架(11);
模具(2),所述模具(2)上部开口,所述模具(2)用于在内部盛放生物质颗粒;
加载件(3),所述加载件(3)固定连接于支架(11)的上端侧面,加载件(3)能够竖直向下的压力载荷;
超声组件(4),所述超声组件(4)包括超声发生器(42)与换能件(41),所述换能件(41)设于所述加载件(3)的下部,所述超声发生器(42)与所述换能件(41)相连接,所述超声发生器(42)用于发出超声波,所述换能件(41)用于将超声发生器(42)发出的超声波转换为竖直方向上的压力波;
能量传递件(5),所述能量传递件的上端连接于所述换能件(41)的下端,且所述能量传递件(5)活动连接于所述支架(11)的侧面,能量传递件能够沿竖直方向运动,所述能量传递件(5)的下端能够进入所述模具(2)中且能够压迫模具(2)内部的生物质颗粒,所述能量传递件(5)用于将加载件(3)产生的向下压力载荷以及换能件(41)产生的压力波传递至生物质颗粒。
2.如权利要求1所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,还包括底座(1),所述支架(11)的底部与所述模具(2)均设于所述底座(1)的上表面,所述加载件(3)包括:气缸(32)与空气压缩机(33),所述气缸(32)活动连接于所述支架(11)上,气缸(32)的底部具有输出端(31),所述换能件(41)设于所述输出端(31)的下部,所述空气压缩机(33)与所述气缸(32)相连接。
3.如权利要求2所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,所述加载件(3)还包括:调节阀(34),所述调节阀(34)设于所述气缸(32)与所述空气压缩机(33)之间。
4.如权利要求3所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,所述能量传递件(5)包括:探针(51)与探针座(52),所述探针座(52)的上端与所述换能件(41)相连接,所述探针座(52)沿竖直方向滑动连接于所述支架(11)的侧面,所述探针(51)的上端与探针座(52)的底面相连接,所述探针(51)的下端能够进入所述模具(2)中且能够压迫模具(2)内部的生物质颗粒,所述探针(51)的下端能够封闭所述模具(2)的上部开口,所述探针(51)由陶瓷制成。
5.如权利要求4所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,所述支架(11)的侧面设有竖直方向的滑轨(111),所述探针座(52)的侧面与所述滑轨(111)滑动连接。
6.如权利要求5所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,所述模具(2)包括筒体(21)与底部垫片(22),所述底部垫片(22)固定连接于所述底座(1)的上表面,所述筒体(21)的底部套于所述底部垫片(22)外,所述筒体(21)与底部垫片(22)之间为过盈配合关系。
7.如权利要求6所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,所述筒体(21)由陶瓷制成,所述底部垫片(22)由金属材料制成。
8.一种超声震动制备生物炭的方法,适用于权利要求1-7任一项所述的一种超声震动制备生物炭的装置,其特征在于,包括:
S1,预处理生物质颗粒,将生物质颗粒粉碎、干燥并过筛,取60目筛下的预处理后的生物质颗粒,将2克预处理后的生物质颗粒放入所述模具(2)内部;
S2,设置超声发生器(42)发出的超声波振动频率为40赫兹,设置加载件(3)的向下压力载荷大于等于40Psi,且小于等于50Psi,并运转超声发生器(42)与加载件(3)对模具(2)内部的生物质颗粒进行处理。
9.如权利要求8所述的一种超声震动制备生物炭的方法,其特征在于,所述超声发生器(42)与加载件(3)运作时间大于等于150秒,小于等于450秒。
10.如权利要求8所述的一种超声震动制备生物炭的方法,其特征在于,所述超声发生器(42)与加载件(3)运作时间至少为150秒。
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