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CN103215054B - 批式充氮气单相释压的生物炭制备装置及方法 - Google Patents

批式充氮气单相释压的生物炭制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种批式充氮气单相释压的生物炭制备装置及方法。该制备装置包括容器、容器上方设置的至少2个的凸出开孔、与凸出开孔个数相等的盖子，凸出开孔的直径为2～5cm；盖子覆扣在所述凸出开孔上。制备生物炭时，将生物质原材料放入容器中，通过一个凸出开孔向内充入氮气，通过其余凸出开孔排出空气；将盖子扣上凸出开孔，将热解装置放于加热炉中，加热至350～500℃，保持1～4h，降至室温，取出所述容器内的物质，即得所述生物炭。本发明以批式充氮气的方式代替连续流氮气，提供了一种可显著节省氮气的生物炭制备方式，并可降低“碳”元素的损失，提高生物炭的固碳效应，增大生物炭的产率。

Description

批式充氮气单相释压的生物炭制备装置及方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，具体涉及一种批式充氮气单相释压的低成本生物炭制备装置及方法。 
背景技术
热解技术是近几年研究较多的生物质能源化技术，即利用生物质在无氧状态下热分解裂解为小分子气体(生物气)，同时产生固体(生物炭)、液体(生物油)的技术。人们将生物质置于容器中，向其中连续通入惰性气体，排出空气，使之处于无氧状态，然后并同时对其加热至350℃至800℃不等，以回收利用能源。 
近年来，热解过程中所产生的固态残物生物炭受到人们的高度关注，因其不仅具有固碳作用，且可作为重金属或有机物的吸附剂，以及土壤添加剂增加土壤肥力而成为一种环境多功能材料。生物炭的制备原理虽然也等同于热解技术，但其与生产生物油和生物气有区别。制备生物炭的主要目标为固碳，以减少温室气体的排放。因此，其需要在较低温度条件下(350～600℃)制备，且应尽可能减少被氮气“携带”离开系统的碳，减少碳元素的损失，提高产率。 
热解技术常用装置类型有：固定床、流化床、夹带流、多炉装置、旋转炉、旋转锥反应器、分批处理装置等。但是，无论是哪种装置，都遵循一个同样的基础，即连续通入氮气，使装置中保持无氧状态。而热解工艺通常需要保持在高温状态下一小时至几个小时的时间，以较高的流量连续通入氮气，无疑会消耗大量氮气。因此，如果工艺的主要目的是以制备生物炭为目标，而非得到生物气，则耗氮量大将制约运用该工艺制备生物炭技术的推广。 
发明内容
本发明的目的在于针对日前越来越大的生物质废弃物处理处置的需求，和生物炭的应用前景，提供一种批式充氮气单相释压的低成本生物炭制备装置及方法。本发明采用一种封闭式带有开孔的铁制容器，通过向容器中一次性充入氮气，利用容器口气体“只出不进”的单相释压模式阻碍氧气进入系统进行生物质热解制备生物炭；该方法是适宜大量制备生物炭的低成本简易方法，在节氮的同时还可提高产率和固碳效果。 
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 
本发明涉及一种批式充氮气单相释压的低成本生物炭制备装置，所述生物炭制备装置包括容器、所述容器上方设置的至少2个的凸出开孔、与所述凸出开孔个数相等的盖子，所述凸出开孔的直径为2～5cm；所述盖子可覆扣在所述凸出开孔上。 
优选地，所述盖子的内径较所述凸出开孔的外径大0.2～0.4cm，所述盖子可在重力作用下覆扣在所述凸出开孔上。 
优选地，所述容器和盖子的材料为铁或不锈钢。 
优选地，所述生物炭制备装置还包括物料进口和液态生物油排出口；在所述生物炭制备装置内物料发生热解反应期间，所述物料进口和液态生物油排出口均处于封闭状态。 
优选地，所述生物炭制备装置内物料与液态生物油排出口之间设有过滤层。 
本发明还涉及一种采用上述的批式充氮气单相释压的低成本生物炭制备装置制备生物炭的方法，包括如下步骤： 
A、将待热解的生物质原材料放入所述容器中，通过一个所述凸出开孔向内充入氮气，通过其余凸出开孔排出空气； 
B、将所述盖子覆扣上所述凸出开孔，将所述充入氮气的生物炭制备装置放于加热炉中，加热至350～500℃，保持1～4h； 
C、将所述加热炉温度降至室温，取出所述容器内的物质，即得所述生物炭。 
优选地，步骤A中，所述生物质原材料为将生物质废弃物干化后破碎至粒径小于3cm而得的。 
优选地，步骤A中，所述充入氮气的时间为8～15min。 
优选地，步骤B中，所述加热的速率为18℃·min-1。 
本发明的技术原理如下： 
本发明主要利用容器开孔可单相释放压力而阻碍空气进入的方式，使得生物质能够在一次性充入氮气后，容器中仍可持续保持缺氧的氛围。在充氮气过程中，气体从一个小孔进入，将空气从另一个小孔排出。 
在热处理过程中，温度从室温以18℃·min-1的速率升高，容器中的气体在升温过程中压力快速上升，同时伴随生物质中部分易降解有机物的分解，分解产生烟气和小分子的有机气体。上升的压力可通过小孔以及其较松的孔盖释放，升温过程中气流单相向外流出，保持容器压力与外界大气压相同。 
当温度上升至设定温度并保持恒温过程中，系统处于稳定状态，此时内部压力的上升主要由于有机物质分解所产生的气态物质，这些物质会有少量从开孔溢出以保持系统内外压力平衡。 
当温度开始下降时，容器内外温度同时下降，松的孔盖依靠重力扣住小孔，能够阻碍外界的空气进入系统，仍可使得系统在无氧状态下保持内外压力平衡。 
相比于连续通氮气的热解系统，该系统不仅大幅度节省氮气，还可大大减少氮气的流动对小分子有机物组成的废气的夹裹携带，使得这些含“碳”元素的物质仍留在系统中的物料上。有研究报导，在冷却过程中，这些碳化合物有可能再次芳香化形成“二次炭”，使更多的碳被固定在生物炭上，更好的发挥生物炭的固碳减排作用，同时提高了生物炭的产率，得到更大比例的固态组分。 
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 
1、本发明是一种热解系统的简化技术。对于一些不能产生燃料气体的含脂肪基团非常低的生物质如秸秆、树叶等，主要以制备生物炭和固碳为目的，此简化可大大减少氮气的用量，使得大批量制备生物炭的成本更低；并使得该设备一次性投资降得很低，运行极为简单易操控。 
2、采用批式充氮气的方法，可减少含“碳”热解气的随气流流出，促进碳元素的固定于生物炭上，并同时显著提高生物炭功能材料的产率。 
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： 
图1为本发明的一种生物炭制备装置的结构图示意图； 
图2为本发明的另一种生物炭制备装置的结构示意图； 
其中，1为容器、2为凸出开孔、3为端盖、4为盖子、5为物料进口、6为液态生物油排出口、7为过滤层、8为电炉、9为温度控制器、10为物料、11为封盖。 
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 
实施例1
本实施例的生物炭制备装置的结构示意图如图1所示，包括容器1、容器上方设置的凸出开孔2、容器两端设置的端盖3、盖子4；容器可被设计为不同的体积和形状，取决于生产规模的需求，通过将端盖3打开，生物质原料可被批式或连续地填充于该容器1中，之后，闭合端盖3，使之严格密封与外界空气隔绝。 
从其中一个凸出开孔2中充入氮气，空气从另一个凸出开孔2中排出，充氮气的过程持续一定时间以上，使之能够充分将容器内空气排出，之后用盖子4将凸出开孔2盖住，置于加热设备中升温至设定温度，在该温度下维持一定炭化时间后，降温，由此实现生物炭的批式制备。其中容器和盖子的材料为能够耐700℃高温的材料，如铁、不锈钢、耐高温陶瓷、高温耐火砖等，其中耐高温陶瓷、高温耐火砖的耐受温度高达2000℃，而制备生物炭的温度一般不会超过700℃；因此，结合设备成本的考量，该容器和盖子的材质选用铁或不锈钢即可。 
本实施例的生物炭制备装置的优选结构如图2所示，包括铁制容器1、铁制容器上方设置的凸出开孔2、铁制盖子4、物料进口5、液态生物油排出口6、过滤层7和封盖11，过滤层7设置在生物炭制备装置内物料与液态生物油排出口6之间。使用时，打开封盖11，通过物料进口5向铁制容器1中填入待处理的生物质废弃物(即物料10)，关闭封盖11(该封盖11可向左右两侧开启，合拢时即可密闭铁制容器1的上方)，此时物料进口5和液态生物油排出口6(该液态生物油排出口端部设有封盖)均处于封闭状态；从其中一个凸出开孔2中充入氮气，空气从另一个凸出开孔2中排出，充氮气的过程持续一定时间以上，使之能够充分将铁制容器1内空气排出，之后用铁制盖子4将凸出开孔2盖住，置于电炉8中，通过温度控制器9将电炉8升温至设定温度，在该温度下维持一定炭化时间后，降温，由此实现生物炭的批式制备；热解过程中如有生物油产生，过滤层7可将生物油和生物炭分离，打开液态生物油排出口6，排出生成的生物油即可。采用本实施例的图2所示的生物炭制备装置进行热解反应制备生物炭的应用见以下实施例2～6： 
实施例2
取上海市周边农场稻草秸秆，破碎至粒径小于2cm，将物料置于体积为4L的圆柱形铁制容器中，从其中一个凸出的直径为1cm的小孔中充入氮气，充氮气时间为10min，充完氮气后，用便携式测氧仪(CYS-1)测定容器中的氧含量为3％，系统处于接近无氧环境。将2个直径为1.3cm的铁制小盖子盖在小孔上，将容器置于加热装置中以18℃·min-1的速率分别升温至350℃和500℃，保持4h，之后降温至室温，取出生物炭， 称重，计算得到生物炭的产率在两个温度下分别为48.9％和35.1％，产物中未收集到液态的生物油。且生物炭为黑色，没有灰化的成分，证明炭化是在无氧环境下进行。按照该体积的容器连续通氮气0.5L·min-1计算，4h的热解过程将消耗120L氮气，价值约为160元，而采用该设备仅消耗氮气约5L，价值约6元。而采用连续流通氮气制备的生物炭产率在350℃和500℃条件下分别约为37.6％和28.6％。该设备不仅提高了生物炭的产率，且使氮气成本大大降低。 
实施例3
取上海市宝山区农场牛粪，风干后敲碎至粒径为1～3mm，将物料置于体积为4L的圆柱形铁制容器中，从其中一个凸出的直径为1cm的小孔中充入氮气，充氮气时间为8min，充完氮气后，用便携式测氧仪(CYS-1)测定容器中的氧含量为4％，系统处于接近无氧环境。将2个直径为1.3cm的铁制小盖子盖在小孔上，将容器置于加热装置中以18℃·min-1的速率分别升温至350℃和500℃，保持2h，之后降温至室温，取出生物炭，称重，计算得到生物炭的产率在两个温度下分别为68.9％和60.2％，产物中未收集到液态的生物油。且生物炭为黑色，没有灰化的成分，证明炭化是在无氧环境下进行。按照该体积的容器连续通氮气0.5L·min-1计算，2h的热解过程将消耗60L氮气，价值约为80元，而采用该设备仅消耗氮气约4L，价值约5元。而采用连续流通氮气制备的生物炭产率在350℃和500℃条件下分别约为58.6％和52.1％。该设备不仅提高了生物炭的产率，且使氮气成本大大降低。 
实施例4
取河北省花生壳，破碎至粒径小于2cm，将物料置于体积为4L的圆柱形铁制容器中，从其中一个凸出的直径为1cm的小孔中充入氮气，充氮气时间为15min，充完氮气后，用便携式测氧仪(CYS-1)测定容器中的氧含量为2％，系统处于接近无氧环境。将2个直径为1.3cm的铁制小盖子盖在小孔上，将容器置于加热装置中以18℃·min-1的速率分别升温至350℃和500℃，保持3h，之后降温至室温，取出生物炭，称重，计算得到生物炭的产率在两个温度下分别为46.7％和35.9％，产物中未收集到液态的生物油。且生物炭为黑色，没有灰化的成分，证明炭化是在无氧环境下进行。按照该体积的容器连续通氮气0.5L·min-1计算，3h的热解过程将消耗90L氮气，价值约为120元，而采用该设备仅消耗氮气约7.5L，价值约10元。而采用连续流通氮气制备的生物炭产率在350℃和500℃条件下分别约为38.7％和29.9％。该设备不仅提高了生物炭的产率，且使氮气成本大大降低。 
实施例5
取上海市闵行区生活污水处理厂产生的污泥，干燥至含水率低于5％，研磨破碎至粒径为1～3mm，将物料置于体积为4L的圆柱形铁制容器中，从其中一个凸出的直径为1cm的小孔中充入氮气，充氮气时间为10min，充完氮气后，用便携式测氧仪(CYS-1)测定容器中的氧含量为4％，系统处于接近无氧环境。将2个直径为1.3cm的铁制小盖子盖在小孔上，将容器置于加热装置中以18℃·min-1的速率分别升温至350℃和500℃，保持4h，之后降温至室温，取出生物炭，称重，计算得到生物炭的产率在两个温度下分别为47.9％和43.1％，产物中未收集到液态的生物油。按照该体积的容器连续通氮气0.5L·min-1计算，4h的热解过程将消耗120L氮气，价值约为160元，而采用该设备仅消耗氮气约5L，价值约6元。而采用连续流通氮气制备的生物炭产率在350℃和500℃条件下分别约为39.7％和32.6％。该设备不仅提高了生物炭的产率，且使氮气成本大大降低。 
实施例6
取河北省产木屑，粒径小于1mm，将物料置于体积为4L的圆柱形铁制容器中，从其中一个凸出的直径为1cm的小孔中充入氮气，充氮气时间为12min，充完氮气后，用便携式测氧仪(CYS-1)测定容器中的氧含量为5％，系统处于接近无氧环境。将2个直径为1.3cm的铁制小盖子盖在小孔上，将容器置于加热装置中以18℃·min-1的速率分别升温至350℃和500℃，保持1h，之后降温至室温，取出生物炭，称重，计算得到生物炭的产率在两个温度下分别为36.5％和28.3％，产物中未收集到液态的生物油。且生物炭为黑色，没有灰化的成分，证明炭化是在无氧环境下进行。按照该体积的容器连续通氮气0.5L·min-1计算，1h的热解过程将消耗30L氮气，价值约为40元，而采用该设备仅消耗氮气约6L，价值约8元。而采用连续流通氮气制备的生物炭产率在350℃和500℃条件下分别约为30.6％和22.7％。该设备不仅提高了生物炭的产率，且使氮气成本大大降低。 
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。 

Claims (6)

1.一种批式充氮气单相释压的生物炭制备装置，其特征在于，所述生物炭制备装置包括容器、所述容器上方设置的至少2个的凸出开孔、与所述凸出开孔个数相等的盖子，所述凸出开孔的直径为2～5cm；所述盖子可覆扣在所述凸出开孔上；所述盖子的内径较所述凸出开孔的外径大0.2～0.4cm，所述盖子可在重力作用下覆扣在所述凸出开孔上；所述生物炭制备装置还包括物料进口和液态生物油排出口；在所述生物炭制备装置内物料发生热解反应期间，所述物料进口和液态生物油排出口均处于封闭状态。
2.根据权利要求1所述的批式充氮气单相释压的生物炭制备装置，其特征在于，所述容器和盖子的材料为铁或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的批式充氮气单相释压的生物炭制备装置，其特征在于，所述生物炭制备装置内物料与液态生物油排出口之间设有过滤层。
4.一种采用权利要求1～3中任一项所述的批式充氮气单相释压的生物炭制备装置制备生物炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将待热解的生物质原材料放入所述容器中，通过一个所述凸出开孔向内充入氮气，通过其余凸出开孔排出空气；
B、将所述盖子覆扣上所述凸出开孔，将所述充入氮气的生物炭制备装置放于加热炉中，加热至350～500℃，保持1～4h；所述加热的速率为18℃·min-1；
C、将所述加热炉温度降至室温，取出所述容器内的物质，即得所述生物炭。
5.根据权利要求4所述的制备生物炭的方法，其特征在于，步骤A中，所述生物质原材料为将生物质废弃物干化后破碎至粒径小于3cm而得。
6.根据权利要求4所述的制备生物炭的方法，其特征在于，步骤A中，所述充入氮气的时间为8～15min。
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