CN106336885B - 一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质快速活化或快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其包括依次连接的进料系统、热解反应器及其加热装置、活性炭/生物炭收集系统、喷淋冷凝系统、流化气体循环系统及控制系统；进料系统包括依次连通的真空吸料机、称重装置及物料存储罐；活性炭/生物炭收集系统包括旋风分离器及集炭箱，热解反应器的出料口连接旋风分离器的进料口；喷淋冷凝系统包括喷淋冷凝器、换热器、循环泵，旋风分离器的出风口连接置冷凝器的进风口；流化气体循环系统包括循环风机、控制阀及流量计。本发明可以应用于生物质快速活化制备活性炭，制备高比表面积的活性炭；也可以用于生物质快速热解制备生物油，降低生产成本。

Description

一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统

技术领域

本发明属于生物质热解装置，特别是一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统。

背景技术

生物质作为可再生资源，转化为吸附材料活性炭，燃料生物油，可燃气体等都有较高的价值。生物质热解一直是国内外学者的研究热点。生物质热解一般分为慢速热解和快速热解两种，慢速热解一般以制备活性炭为目的，而快速热解以制备生物油为目的。活性炭是拥有发达孔隙结构的炭材料，因为比表面积大，表面官能团丰富，吸附能力强等特点，被广泛应用于医药、环保、食品、电子、化工、农业、国防等领域，尤其是气体储存，催化剂载体，污水处理等方面。而生物质快速热解制备生物油被认为解决能源紧张问题的关键。

总结国内外学者制备活性炭的研究，可以得到许多学者在制备活性炭过程中选择的活化时间太长，以至于难以实现连续生产，只能批量操作。因此要达到增加处理量的目的，只能增加设备的尺寸，会严重增加设备成本和操作成本。

专利201110021089.6中描述了一种生物质废弃物制备活性炭的方法，该方法炭化温度400-600℃，活化时间0.5-1.5小时。

专利201110193274.3中描述了一种制备椰壳活性炭的方法，原物料先在平底炭化炉900℃下炭化5小时，然后在700℃下活化2小时。

同样查询以前的专利可以发现制备活性炭的过程中选择的活化时间都太长。活化时间过长会影响活性炭制备装置的连续生产，自动控制。此外，过长的活化时间会限制设备的放大及处理量的增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，该系统可以应用于生物质快速活化在制备活性炭，也可应用于生物质快速热解制备生物油，整个过程物料处于流态化状态，对于物料的进料和出料都十分有利，可以实现自动控制，连续操作。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：包括依次连接的进料系统、热解反应器及其加热装置、活性炭/生物炭收集系统、喷淋冷凝系统、流化气体循环系统及控制系统；进料系统包括依次连通的真空吸料机、称重装置及物料存储罐，物料存储罐的出料口连接置热解反应器的进料口，热解反应器外部设置加热装置；活性炭/生物炭收集系统包括旋风分离器及集炭箱，热解反应器的出料口连接旋风分离器的进料口；喷淋冷凝系统包括喷淋冷凝器、换热器、循环泵，旋风分离器的出风口连接置冷凝器的进风口；流化气体循环系统包括循环风机、控制阀及流量计，冷凝器的出风口依次通过循环风机控制阀及流量计连接置热解反应器的底部进风口。

而且，所述的进料系统的称重装置与物料存储罐之间设置有第一物料控制阀，在物料存储罐与热解反应器之间设置有第二物料控制阀，所述称重装置的信号输出端、第一物料控制阀、第二物料控制阀均与所述控制系统的控制器连接。

而且，所述的热解反应器为流化床热解反应器，或者为喷动床热解反应器。

而且，所述的热解反应器的进料口伸入热解反应器的内部，热解反应器包括上部的圆柱区及中部的圆锥区及下部进气管，热解反应器的圆柱区及中部的圆锥区及下部进气管均位于加热装置内部。

而且，在所述圆锥区及下部进气管的外部固定安装一与上部圆柱区直径相同的圆柱筒。

而且，所述的圆锥区内设置有温度传感器，所述的进气管内设置有压力传感器，所述温度传感器及压力传感器均与控制系统连接。

而且，所述的加热装置为电加热炉，控温范围50-1000℃，均热带恒温区可达到600mm，均热带恒温区温度梯度≤±3℃，控温精度≤±1℃。

而且，所述的收集系统的旋风分离器的出料口连接第一集炭箱；所述的热解反应器的下部出料口通过第三物料控制阀连接第二集炭箱。

而且，所述的喷淋冷凝器内装有多排喷嘴，喷淋液经循环泵进入换热器后，通过喷嘴喷出，使喷淋液降温。

本发明的优点和有益效果为：

1、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，真空吸料机实现将物料吸入称重装置，吸料能力为1-1000kg/h，称重装置可以设定每次的进料量，称重范围为50g-100kg根据设定的进料量，称取物料进入物料存储罐。

2、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，物料存储罐连接与称重装置和热解反应器，物料在进入热解反应器前暂时存储于物料存储罐。当需要进料时，物料存储罐上方的控制阀关闭，下方控制阀开启，物料存储罐和热解反应器达到压力平衡，物料在重力作用进入高温高压的热解反应器，实现进料。物料完全进入反应器后，关闭物料存储罐下方的控制阀。之后可以开启物料存储罐上方的控制阀，下一批物料进入物料存储罐。物料存储罐可以有效防止物料进料过程中反喷现象，另外，物料在物料存储罐内可以实现预活化作用。

3、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，热解反应器可以是喷动床也可以选择流化床，物料需要在热解反应器内达到流态化，增加活化效率，保证进料出料的可操作性。

4、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，喷动床热解反应器，进料口插入到喷动床内部，可以防止物料未经活化，随流化气体直接从出料口吹出，影响产品品质。喷动床圆锥区主反应区位于整个反应器的中间位置，处于加热装置的恒温段区域。喷动床底部的进气管有一段在加热装置内部，对流化气体预热，防止降低反应器内部温度。喷动床圆锥区和喷动床进气管外部包有圆柱筒，与喷动床的圆柱区相接，这样有利于外部加热炉加热均匀。控制阀防止升温过程中，圆柱筒内部压力过大。

5、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，热解反应器，由电加热装置提供热解所需的热量，电加热装置为加热炉，一般选择可开式加热炉，热解反应器作为“内胆”，位于可开式加热炉内部。加热装置为电加热炉，控温范围50-1000℃，均热带恒温区可达到600mm，均热带恒温区温度梯度≤±3℃，控温精度≤±1℃。

6、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，收集系统的旋风分离器的出料口连接第一集炭箱；所述的热解反应器的下部出料口通过第三物料控制阀连接第二集炭箱；活性炭收集装置，可以是上出料，由旋风分离器分离，收集于集炭箱内；也可以是下出料，关闭进入反应器的流化气体，活性炭经控制阀，进入集炭箱。

7、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，在喷淋冷凝器内装有多个喷嘴，可以分为两排，喷淋液经循环泵进入换热器，使喷淋液降温，进入喷嘴喷淋高温烟气。

8、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，循环风机用于将不可冷凝的烟气循环进入反应器作为流化气体。流量计测量循环流化气体的流量，当流量过大时，控制阀开启，排出部分气体。

9、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，保证了物料在活化过程中的流态化，不但保证了物料的颗粒状，减少了粉碎，碾磨等工艺，而且对于物料的进料和出料都十分有利。

10、本生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，可以实现连续进料制备活性炭，自动控制，连续生产；系统易放大。

11、本发明适用范围广，可以应用于生物质快速活化制备活性炭，制备高比表面积的活性炭；也可以用于生物质快速热解制备生物油，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明的流程图示意图。

图2是本发明的热解反应器的结构示意图。

图3是图2的A-A方向视图。

附图标记说明

1-物料箱、2-真空吸料机、3-称重装置、4-第一物料控制阀、5-第二物料控制阀、6-物料存储罐、7-热解反应器、8-温度控制单元、9-加热装置、10-旋风分离器、11-第一集炭箱、12-喷淋冷凝器、13-液体收集箱、14-换热器、15-循环泵、16-循环风机、17-排风控制阀、18-气体控制阀、19-流量计、20-第三物料控制阀、21-控制系统、22-流化气体、23-圆柱筒、24-圆锥区、25-圆柱区、26-进料口、27-出料口、28-温度传感器、29-进气管、30-第二集炭箱、31-喷动床底部进气管、32-压力传感器、33-第二压力传感器

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其包括依次连接的进料系统、热解反应器7及其加热装置9、活性炭/生物炭收集系统、喷淋冷凝系统、流化气体循环系统及控制系统。进料系统包括依次连通的真空吸料机2、称重装置3及物料存储罐6，真空吸料机通过管道连接物料箱1。物料存储罐的出料口连接置热解反应器的进料口26，热解反应器外部设置加热装置。活性炭/生物炭收集系统包括旋风分离器10及集炭箱11，热解反应器的出料口27连接旋风分离器的进料口。喷淋冷凝系统包括喷淋冷凝器12、换热器14、循环泵15，旋风分离器的出风口连接置冷凝器的进风口；流化气体循环系统包括循环风机16、气体控制阀18及流量计19，冷凝器的出风口通过管路依次通过循环风机第一气体控制阀及流量计连接置热解反应器的底部进风口，管路上还安装有排风控制阀17。

进料系统的称重装置与物料存储罐之间设置有第一物料控制阀4，在物料存储罐与热解反应器之间设置有第二物料控制阀5，称重装置的信号输出端、第一物料控制阀、第二物料控制阀均与控制系统的控制器连接。热解反应器为流化床热解反应器，或者为喷动床热解反应器。热解反应器的进料口伸入热解反应器的内部，热解反应器包括上部的圆柱区25及中部的圆锥区24及下部进气管29，热解反应器的圆柱区及中部的圆锥区及下部进气管均位于加热装置内部。在圆锥区及下部进气管的外部固定安装一个与上部圆柱区直径相同的圆柱筒23。加热装置的温度控制单元8与控制系统连接。

圆锥区内设置有温度传感器28，进气管内设置有压力传感器32，热解反应器顶部内部设置第二压力传感器33。温度传感器及压力传感器均与控制系统连接。加热装置为电加热炉，控温范围50-1000℃，均热带恒温区可达到600mm，均热带恒温区温度梯度≤±3℃，控温精度≤±1℃。收集系统的旋风分离器的出料口连接第一集炭箱11；热解反应器的下部出料口通过第三物料控制阀20连接第二集炭箱30。喷淋冷凝器内装有多排喷嘴，喷淋液经循环泵进入换热器后，使喷淋液降温，进入喷嘴喷淋高温烟气。

由图1所示，物料1由真空吸料机2吸入到称重装置3内，称重装置3可设定真空吸料机2的吸入量以及每批进入热解反应器7的进料量的控制，例如每批进料量为10kg，当称重装置3内部物料达到20kg时，真空吸料机2停止吸料，称重装置3内部物料少于15kg时，真空吸料机2启动吸料。每次称重10kg进入物料存储罐6，10kg物料进入物料存储罐6后，第一物料控制阀4自动关闭，第二物料控制阀5同样处于关闭状态。进料的频率可由时间控制，例如每5min进料一次。

在进料之前，需开启加热装置9，加热热解反应器7，对于图2中的喷动床热解反应器，主反应区位于喷动床圆锥区24，因此喷动床圆锥区24需位于加热装置9的恒温区域。

物料存储罐6，是物料在进入热解反应器7前暂时存储的地方。当控制系统21给出进料信号时，此时热解反应器处于高温高压状态，并通有流化气体，第二物料控制阀5开启，物料存储罐6和热解反应器7达到压力平衡，物料重力作用进入高温高压的热解反应器7，物料完全进入反应器后，关闭第二物料控制阀5。之后可以开启第一物料控制阀4，下一批物料进入物料存储罐6。物料存储罐6可以有效防止物料进料过程中反喷现象，物料在物料存储罐6内可以实现预活化过程。

物料进入热解反应器7后，快速活化，在一定活化时间后，得到的产品活性炭。对于密度小的物料，可以由流化气体从出料口27带出，在旋风分离器10分离，收集于集炭箱11；对于密度较大的物料，很难从旋风分离器出料，可以考虑从热解反应器喷动床热解反应器底部通过开启控制阀20出料，收集于集炭箱11。

在快速热解制备活性炭过程中，会有大量烟气产生。若采用化学活化法制备活性炭，烟气中的成分会更加复杂，因此需要采用冷凝装置喷淋冷凝。其中，冷凝装置包括喷淋冷凝器12，换热器14，循环泵15和液体收集箱13。在喷淋冷凝器12内装有多个喷嘴，分为两排，喷淋液的选择可以根据热解气的成分选择经循环泵15进入换热器14，再进入喷嘴雾化喷淋高温烟气，因为烟气的温度较高，喷淋液易被加热，因此换热器14用于冷却喷淋液。

从喷淋冷凝装置出来的不可冷凝气体可以再次作为流化气体，循环进入喷动床。在此过程中需要循环风机16提供动力，在快速活化热解过程中会有更多的不可冷凝的气体产生，因此采用流量计19测量循环流化气体的流量，当流量过大时，控制阀17开启，放出部分流化气体。

举例说明：

1：应用该系统快速活化制备松木锯末活性炭。

松木锯末粒径0.2-1mm提前与磷酸按质量比1：1浸泡3h，在烘箱内烘干。

热解反应器选择喷动床反应器尺寸直径300mm，高度900mm，锥角45°，喷嘴27mm，流化气体流量20m2/h，加热炉功率15kw，三段式加热，喷动床圆锥区位于加热炉恒温区。加热炉将喷动床反应器包住，并提供热解所需的热量。

进料机每批进料2kg物料，当称重装置内物料达到4kg时，真空吸料机停止吸料，当称重装置内物料少于3kg时，真空吸料机开启吸料。进料间隔为4min活化时间3min，每批料在喷动床反应器活化3min。

松木锯末的处理量可达30kg/h，整个过程实现自动控制，连续操作，得到的活性炭比表面积可达到1000-1300m²/g。

2：应用该系统快速活化制备核桃壳活性炭。

核桃壳粒径0.4-0.8mm提前与磷酸按质量比1：1浸泡3h，在烘箱内烘干。

热解反应器选择喷动床反应器尺寸直径300mm，高度900mm，锥角45°，喷嘴27mm，流化气体流量20m²/h，加热炉功率15kw，三段式加热，喷动床圆锥区位于加热炉恒温区。加热炉将喷动床反应器包住，并提供热解所需的热量。

进料机每批进料3kg物料，当称重装置内物料达到6kg时，真空吸料机停止吸料，当称重装置内物料少于4.5kg时，真空吸料机开启吸料。进料间隔为5min活化时间5min，每批料在喷动床反应器活化5min。

松木锯末的处理量可达36kg/h，整个过程实现自动控制，连续操作，得到的活性炭比表面积可达到1300-1400m²/g。

3：应用该系统快速热解制备生物油。

物料选取松木锯末，粒径0.56-0.9mm，热解反应器选择喷动床反应器尺寸直径300mm，高度900mm，锥角45°，喷嘴27mm，流化气体流量20m²/h，加热炉功率15kw，三段式加热，喷动床圆锥区位于加热炉恒温区。加热炉将喷动床反应器包住，并提供热解所需的热量。快速热解温度选择500℃。

喷动床反应器内放置5kg石英砂，石英砂粒径0.4-0.9mm，进料机每批进料1kg松木锯末，当称重装置内物料达到6kg时，真空吸料机停止吸料，当称重装置内物料少于4.5kg时，真空吸料机开启吸料。进料间隔为1.5min，处理量可达到40kg/h。

实验得出生物油的得率为57.8％-69.4％，得到的生物油中包含大量的酚类，醛类，醇类有机物，热值较高，可达到14MJ/kg。

本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：包括依次连接的进料系统、热解反应器及其加热装置、活性炭/生物炭收集系统、喷淋冷凝系统、流化气体循环系统及控制系统；进料系统包括依次连通的真空吸料机、称重装置及物料存储罐，物料存储罐的出料口连接至 热解反应器的进料口，热解反应器外部设置加热装置；活性炭/生物炭收集系统包括旋风分离器及集炭箱，热解反应器的出料口连接旋风分离器的进料口；喷淋冷凝系统包括喷淋冷凝器、换热器、循环泵，旋风分离器的出风口连接至 冷凝器的进风口；流化气体循环系统包括循环风机、控制阀及流量计，冷凝器的出风口依次通过循环风机、 控制阀及流量计连接至 热解反应器的底部进风口；

所述的热解反应器为喷动床热解反应器；

所述的热解反应器的进料口伸入热解反应器的内部，热解反应器包括上部的圆柱区及中部的圆锥区及下部进气管，热解反应器的圆柱区及中部的圆锥区及下部进气管均位于加热装置内部；

加热装置为电加热炉，控温范围50-1000℃，均热带恒温区可达到600mm，均热带恒温区温度梯度≤±3℃，控温精度≤±1℃；

加热炉为三段式加热，喷动床圆锥区位于加热炉恒温区。

2.根据权利要求1中所述的生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：所述的进料系统的称重装置与物料存储罐之间设置有第一物料控制阀，在物料存储罐与热解反应器之间设置有第二物料控制阀，所述称重装置的信号输出端、第一物料控制阀、第二物料控制阀均与所述控制系统的控制器连接。

3.根据权利要求1中所述的生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：在所述圆锥区及下部进气管的外部固定安装一与上部圆柱区直径相同的圆柱筒。

4.根据权利要求1中所述的生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：所述的圆锥区内设置有温度传感器，所述的进气管内设置有压力传感器，所述温度传感器及压力传感器均与控制系统连接。

5.根据权利要求1中所述的生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：所述的收集系统的旋风分离器的出料口连接第一集炭箱；所述的热解反应器的下部出料口通过第三物料控制阀连接第二集炭箱。

6.根据权利要求1中所述的生物质快速活化或快速热解制备活性炭或生物油的系统，其特征在于：所述的喷淋冷凝器内装有多排喷嘴，喷淋液经循环泵进入换热器后，通过喷嘴喷出，使喷淋液降温。