基于恒温炭化的制炭工艺及其装置的制作方法

1.本发明涉及生物质能源制备技术领域，特别涉及一种基于恒温炭化的制炭工艺及其装置。


背景技术：

2.活性炭是一种具有选择吸附性能的炭吸附剂，可以由煤炭、果壳、木屑等无机或有机的含碳材料为原料，经过物理高温活化或药品化学活化而成。
3.在制备活性炭时，需先将煤炭、果壳、木屑等原料炭化为炭料，再活化该炭料以得到活性炭。因此，炭料的质量对活性炭的质量有着决定性的影响。这其中，炭料的各个参数中，炭料的比表面积(指单位质量物料所具有的总面积)是影响活性炭质量的关键因素。
4.然而目前的制炭工艺，不仅所制得的炭料比表面积小，且炭料产率低，生产效率低下。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提出一种基于恒温炭化的制炭工艺，旨在提升炭料的比表面积及产率。
6.为实现上述目的，本发明提出的基于恒温炭化的制炭工艺，包括：
7.筛分：筛除待炭化料中的硬质杂质；
8.粉料：将待炭化料粉碎至尺寸在2cm以下；
9.烘干：通过烘干炉将所述待炭化料干燥至水分含量在16％～20％；
10.炭化：以5℃/min
‑
10℃/min的升温速率，将待炭化料从250℃～350℃加热至560℃～750℃，待温度稳定后维持20min～35min，以形成炭料；
11.出炭：将所述炭料通过水冷机冷却，得到所制得的炭。
12.在一实施例中，在烘干步骤之前，所述制炭工艺还包括：
13.烘炉：以低于5℃/min的升温速率加热炭化炉及烘干炉，且每升温50℃～80℃后，维持炭化炉及烘干炉的温度20min～40min后再继续加热，直至炭化炉及烘干炉升温至各自所需的目标温度，并控制炭化炉及烘干炉在各自的目标温度下保持48小时～72小时。
14.在一实施例中，所述制炭工艺还包括：
15.应急操作：在炭化过程中，若炭化炉断电，则在炭化炉供电恢复前，每间隔ts转动炭化炉的减速机w
°
，其中，t和w与碳化步骤中的升温速率及炭化炉各部分的温度相关联。
16.在一实施例中，所述水冷机为水冷螺旋，所述水冷螺旋为四级冷却。
17.在一实施例中，所述筛分步骤包括：
18.振动筛：将待炭化料置于振网上振动15min～20min；以及
19.磁性筛：在振网结束振动前的1min～4min，使振网产生磁性，直至筛分步骤结束。
20.在一实施例中，在筛分步骤之前，所述制炭工艺还包括：
21.破碎：对所述待炭化料进行初次破碎，将初次破碎后尺寸在6cm～8cm内的待炭化
料运输至筛分机，并对尺寸大于8cm的待炭化料进行二次破碎。
22.在一实施例中，在破碎步骤之后，所述制炭工艺还包括：
23.风干：控制风干装置中的风扇以8m/s～11m/s的风速风干破碎后的待炭化料。
24.在一实施例中，在执行风干步骤时，将风干待炭化料后的气流引流至烘干炉及炭化炉的燃烧炉中。
25.在一实施例中，所述制炭工艺还包括：
26.换热：将水冷机中与炭料换热后的冷却液引流至风扇出风侧的换热盘中，以通过风扇的气流冷却所述冷却液，并利用换热后的气流烘干破碎后的待炭化料。
27.本发明还提出一种基于恒温炭化的制炭装置，包括：
28.粉碎机，用于将待炭化料粉碎至尺寸在2cm以下；
29.筛分机，用于剔除待炭化料中的硬质杂质；
30.烘干炉，用于将所述待炭化料干燥至水分含量在16％～20％；
31.炭化炉，用于以5℃/min
‑
10℃/min的升温速率，将待炭化料从250℃～350℃加热至560℃～750℃，并待温度稳定后维持20～35分钟，以形成炭料；
32.水冷机，用于将所述炭料通过水冷机冷却，以得到所制得的炭。
33.可以理解，本技术的基于恒温炭化的制炭工艺，通过筛除待炭化料中的硬质杂质，并通过控制炭化过程中待炭化料的升温速率、炭化终温及炭化时长，而能够极大地提高炭料产率及炭料的比表面积。可见，相较于现有的制炭工艺，本技术的制炭工艺具有炭料产率高、炭料比表面积大的优点。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
35.图1为本发明基于恒温炭化的制炭工艺一实施例的结构示意图；
36.图2为本发明基于恒温炭化的制炭工艺另一实施例的结构示意图；
37.图3为本发明基于恒温炭化的制炭工艺又一实施例的结构示意图；
38.图4为本发明基于恒温炭化的制炭工艺再一实施例的结构示意图；
39.图5为本发明基于恒温炭化的制炭工艺再一实施例的结构示意图；
40.图6为本发明基于恒温炭化的制炭工艺再一实施例的结构示意图；
41.图7为本发明基于恒温炭化的制炭装置一实施例的结构示意图。
42.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
44.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
45.另外，若本发明实施例中有涉及
″
第一
″
、
″
第二
″
等的描述，则该
″
第一
″
、
″
第二
″
等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有
″
第一
″
、
″
第二
″
的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的
″
和/或
″
的含义为，包括三个并列的方案，以
″
a和/或b
″
为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
46.本发明提出一种基于恒温炭化的制炭工艺。
47.在本发明实施例中，如图1所示，该基于恒温炭化的制炭工艺包括以下步骤：
48.筛分：筛除待炭化料中的硬质杂质；
49.粉料：将待炭化料粉碎至尺寸在2cm以下；
50.烘干：通过烘干炉将所述待炭化料干燥至水分含量在16％～20％；
51.炭化：以5℃/min
‑
10℃/min的升温速率，将待炭化料从250℃～350℃加热至560℃～750℃，待温度稳定后维持20min～35min，以形成炭料；
52.出炭：将所述炭料通过水冷机冷却，得到所制得的炭。
53.在上述步骤中，筛分步骤可以筛除待炭化料中的硬质杂质，如此，一方面可避免这些硬质杂质对粉料步骤所需的粉碎机造成破坏，另一方面可避免这些硬质杂质对待炭化料的炭化造成负面影响。
54.粉料步骤可通过粉碎机粉碎待炭化料，以便于待炭化料的快速烘干与充分炭化。在炭化过程中，虽然待炭化料的尺寸越小，越有利于提高待炭化料的烘干速率与炭化速率，但相应的，待炭化料粉碎所需的时长及成本也随之逐渐增加。经实验验证可知，当待炭化料的尺寸在2cm以下时，即可获得较佳的烘干效率与炭化速率，并有利于节约粉料所需成本。
55.烘干步骤可降低待炭化料中的水分，以避免待炭化料中过多的水分对炭化造成负面影响。但是，使待炭化料在炭化前含有一定的水分，也会在炭化时辅助待炭化料裂解，而有利于提升炭化效果。故而，若在烘干步骤中使待炭化料中的水分，如少于16％，反而会影响待炭化料的炭化效果。实践证明，在烘干过程中，使待炭化料中水分保持在18％左右，不仅有利于提高炭料的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)及产量，还有利于降低烘干待炭化料的能量需求，并节约烘干时长。此外，烘干步骤还有利于提高待炭化料的温度，以节约待炭化料在炭化步骤中升温及吸热所需的时长。
56.对于炭化步骤而言，炭化的主要目的是：排出待炭化料中成型料的挥发份及水分；提高炭化料强度，使煤焦油中的沥青成分形成基本炭骨架；使炭颗粒形成初步孔隙。在炭化步骤中，待炭化料中大部分非炭元素(如氢、氧等)会因待炭化料的高温分解而首先以气体形式被排除，而元素碳原子会组合形成通称为基本石墨微晶的有序结晶生成物。炭化不仅决定最终产品的机械强度等级，还决定最终产品的孔结构特性以及常规吸附性能指标等级。
57.具体地，炭化过程中，炭化终温对炭料产量的影响很大。具体为：高升温速率能使
物料洗出更多的焦油和煤气，降低炭化料产率；而升温速率较低时，物料在低温区受热时间长，热解反应的选择性较强，初期热解使物料分子中较弱的键断开，发生了平行的和顺序的热缩聚反应，形成具有较高热稳定性的结构，从而减少高温热解析出物的挥发分产率，获得更高的固体炭化产物(即炭料)产率。
58.在本实施例中，按5℃/min
‑
10℃/min的升温速率，将待炭化料从250℃～350℃加热至560℃～750℃。实践证明，升温速率控制在5℃/min
‑
10℃/min时，可获得更高地的炭料产率。并且，当升温速率控制在5℃/min
‑
10℃/min这个区间时，炭料中的小孔(孔径小于9nm的孔)较多，大孔(孔径大于200nm的孔)较少，由于小孔的表面积大于大孔的表面积，因此，虽然炭料的孔隙率降低，但反而会增加成品炭料的比表面积。可选地，当升温速率为5℃/min时，不仅炭料的产率较高，且炭料的比表面积也较大。
59.具体而言，本实施例所采用的炭化装置是回转式炭化炉，该炭化炉的炉首(待炭化料进料的一端)与炉尾(炭料出料的一端)的温度不同，且炭化炉的温度自炉首向炉尾逐渐升高。在炭化过程中炭化炉会逐渐转动，以通过炉内的螺旋叶片将待炭化料从炉首推向炉尾，进而以逐渐加热待炭化料。在本实施例中，炭化炉加热完成后，炉尾的温度在250℃～350℃之间，故而烘干后待炭化料进入炭化炉时，其初始温度在250℃～350℃，随着其在炭化炉中的移动，可逐渐升温至560℃～750℃，并在移动至炭化炉的炉尾后(即温度稳定后)保持20min～35min，以完成最终的炭化过程。
60.这其中，炭化终温直接影响炭化料的比表面积和强度。温度过低时，炭化产物无法形成足够的机械强度；温度过高时，则会促使炭化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间的孔隙，使炭化料过于坚硬，影响炭料的质量。实验表面，当炭化终温控制在560℃～750℃时，所形成的炭化产物具有很好的良好机械强度，同时也具有较大的比表面积。炭化产物兼备强度和比表面积的这种特点，在炭化温度为650℃尤其明显。
61.值得说明的是，待炭化料从进入炭化炉到离开炭化炉的时间在2小时～4小时之间，即是说，整个炭化过程的持续时间为2小时～4小时。
62.在出炭步骤中，可通过水冷螺旋对炭料进行冷却，将炭料冷却至25℃～30℃，便可认为冷却完成，此时将冷却后的炭料输出，便可得到所需的基质炭。可选地，为提高水冷螺旋的冷却效果，该水冷螺旋可选四级冷却。
63.可以理解，本技术的基于恒温炭化的制炭工艺，通过筛除待炭化料中的硬质杂质，并通过控制炭化过程中待炭化料的升温速率、炭化终温及炭化时长，而能够极大地提高炭料产率及炭料的比表面积。可见，相较于现有的制炭工艺，本技术的制炭工艺具有炭料产率高、炭料比表面积大的优点。
64.值得说明的是，上述的待炭化料可以是果壳、原煤、木废料等原材料中的一种或多种加工而成。
65.如图2所示，在一些实施例中，在烘干步骤之前，本技术的制炭工艺还包括：
66.烘炉：以低于5℃/min的升温速率加热炭化炉及烘干炉，且每升温50℃～80℃后，维持炭化炉及烘干炉的温度20min～40min后再继续加热，直至炭化炉及烘干炉升温至各自所需的目标温度，并控制炭化炉及烘干炉在各自的目标温度下保持48小时～72小时。
67.具体而言，冷炉点火时若快速升温，会导致炉体的耐火材料来不及膨胀而损坏炉体，因此，在进行制炭生产前，需要对烘干炉及炭化炉执行烘炉操作。在该烘炉操作的过程
中，需要以低于5℃/min的升温速率加热烘干炉及炭化炉。以这个升温速率加热冷却状态下的烘干炉及炭化炉，可确保烘干炉及炭化炉不会因快速升温而出现炉体损坏的问题。通过控制炭化炉及烘干炉每升温50℃～80℃后，保持当前温度20min～40min，如此，可分阶段的升温炉体，使炉体在不同温度梯度下均具有足够的膨胀时间，以最大程度的保证炉体的安全性。
68.此外，目标温度是指炭化炉与烘干炉在烘炉阶段所需加热的最终温度，该目标温度与烘干炉及炭化炉的实际工作温度相关联，因此可根据实际生产条件做适应性调整。而控制炭化炉及烘干炉在各自的目标温度下保持48小时～72小时，是为了使炉体完全受热而膨胀，以最大限度地确保生产的安全性。
69.可见，本技术的技术方案的制炭工艺通过在生产前的烘炉操作，可极大地提高生产的安全性。
70.如图3所示，在一些实施例中，本技术的制炭工艺还包括：
71.应急操作：在炭化过程中，若炭化炉断电，则在炭化炉供电恢复前，每间隔ts转动炭化炉的减速机w
°
，其中，t和w与碳化步骤中的升温速率及炭化炉各部分的温度相关联。
72.值得说明的是，由于炭化炉在炭化过程中需要转动以将待炭化料从炉首移动至炉尾，故而若是在碳化过程中发生断电事故，炭化炉会停止转动，此时，炭化炉中的待炭化料在炭化炉中静止，从而不仅会导致炭化终止，且炭化炉中的待炭化料会持续受热而造成坏料，并对后续的生产造成影响。为避免上述问题，此时，可通过手动转动炭化炉的减速机，以转动炭化炉，进而确保炭化过程继续进行。
73.具体地，将炭化路减速机的转动间隔t、及减速机的转速角度w与炭化步骤中的升温速率及炭化炉各部分的温度相关联，如此，可通过实际生产时的升温速率及炭化炉各部分的温度计算出炭化炉的转动频率及转动角度，进而使得手动转动炭化炉的转速与炭化炉自动转动时的转速基本保持一致，以确保炭化过程可持续进行。示例性的，若炭化炉断电，可每间隔20s～40s转动炭化炉的减速机15
°
～25
°
。
74.值得说明的是，当炭化炉断电后，可通过备用发电机发电，以为炭化炉供电。
75.在本实施例中，所述筛分步骤包括：
76.振动筛：将待炭化料置于振网上振动15min～20min；以及
77.磁性筛：在振网结束振动前的1min～4min，使振网产生磁性，直至筛分步骤结束。
78.具体地，筛分步骤依靠筛分机实现，该筛分机包括振网、驱动机构及磁性机构，该驱动机构可驱动振网上下振动，该磁性机构为电磁铁机构，该电磁铁机构可使振网生成磁性、或消除振网的磁性。
79.具体而言，在筛除待炭化料中的硬质杂质时，可将待炭化料运输至振网上，并控制驱动机构驱动振网振动15min～20min，如此，可使用待炭化料中的硬质杂质，如砂石、金属等，从振网的网眼中掉落，以将砂石等杂质与待炭化料分离。而在振网结束振动前的1min～4min，使振网生成磁性，可通过具有磁性的振网吸引待炭化料中尚未筛除的磁性杂质，如金属等，进而以提高筛分机对待炭化料的筛分效果。这其中，控制振网的振动时间维持在15min～20min，是由于振动时间小于15min，则会降低振动筛分的效果，而振动时间大于20min后，待炭化料中大多数杂质已被筛除，继续延长振动时间，不仅对筛分效果没有显著地提升，且会增加筛分所需的能源成本与时间成本。故而，将振网的振动时长控制在15min
～20min，既可以获得较优的筛分效果，还有利于降低筛分成本。至于将振网的生磁时间控制在1min～4min，亦是基于磁性筛的筛分效果与成本所出发的。具体为，当振网的生磁时间小于1min时，不利于筛除带炭化料中的磁性杂质，而当振网的生磁时间大于4min后，则无法有效提升对待炭化料中剩余磁性杂质的筛除效果，且不利于控制筛分成本。
80.可以理解，通过上述振动筛及磁性筛的配合，便可极大地去除待炭化料中的硬质杂质。
81.值得说明的是，在当前批次的待炭化料筛分完成后，在下一批次的待炭化料筛分之前，可控制振网消除磁性，并控制振网继续振动2min～3min，以使吸附于振网上的磁性杂质掉落。
82.如图4所示，在筛分步骤之前，本技术的制炭工艺还包括：
83.破碎：对所述待炭化料进行初次破碎，将初次破碎后尺寸在6cm～8cm内的待炭化料运输至筛分机，并对尺寸大于8cm的待炭化料进行二次破碎。
84.具体地，可通过破碎机以对待炭化料进行初次破碎，并将初次破碎后的待炭化料运送至筛分机，这其中，由于破碎机的工作精度较低，因此在初次破碎后，并无法保证所有的待炭化料均满足6cm～8cm的尺寸要求，故而可通过横跨选机，以将尺寸大于8cm的待炭化料输送回破碎机进行二次破碎，而尺寸满足要求的待炭化料可进行后续的筛分或粉料操作。
85.可以理解，在对待炭化料进行筛分和粉碎操作前，对待炭化料进行破碎操作，可极大地缩减待炭化料的体积，如此，一方面可便于筛分步骤中筛除待炭化料中的硬质杂质，并能够降低对筛分机的硬件要求；另一方面可便于粉料步骤的执行。
86.如图5所示，在一些实施例中，在破碎步骤之后，本技术的制炭工艺还包括：
87.风干：控制风干装置中的风扇以8m/s～11m/s的风速风干破碎后的待炭化料。
88.可以理解，在待炭化料在粉碎之前经过破碎，破碎后待炭化料其基本单位尺寸变小(如从木桩变为木渣)，此时，通过风干装置对破碎后的待炭化料进行风干，不仅可加速待炭化料的干燥，并且在风干的过程中，破碎后的待炭化料中质量较轻的杂质可随风干气流而被筛除待炭化料。
89.在一些实施例中，在执行风干步骤时，将风干待炭化料后的气流引流至烘干炉及炭化炉的燃烧炉中。
90.具体地，该燃烧炉用于为烘干炉及炭化炉供热。
91.可以理解，风干待炭化料后的气流即自风干装置吹出的气流，将该气流引流至烘干炉及炭化炉的燃烧炉中，不仅可利用该气流辅助燃烧炉燃烧，并且该风干气流还可携带一定的可燃烧的物质，如木屑等，这些可燃烧的物质可辅助燃烧炉燃烧。可见，通过将风干待炭化料的气流引流至燃烧炉，有助于提升燃烧炉的燃烧强度。
92.如图6所示，在上述实施例的基础上，本技术的制炭工艺还包括：
93.换热：将水冷机中与炭料换热后的冷却液引流至风扇出风侧的换热盘中，以通过风扇的气流冷却所述冷却液，并利用换热后的气流烘干破碎后的待炭化料。
94.具体地，风干装置还包括换热盘，该换热盘设于风扇的出风侧，且该换热盘的进水口与水冷设备的出水口连通，该换热盘出水口与水冷设备的进水口连通，如此，当水冷机中的冷却液与炭料换热后，可流向换热盘，进而可依靠风扇进行冷却。而风扇吹出的气流在与
换热盘中的冷却液进行热交换后温度升高，而从冷风变为热风，此时通过该热风风干待炭化料，可提升风干装置对待炭化料进行风干效果。
95.可以理解，将水冷机中与炭料换热后的冷却液引流至风扇出风侧的换热盘中，并利用换热后的气流烘干破碎后的待炭化料，不仅可辅助水冷机中冷却液的散热，还有利于提高风干装置对待炭化料的风干效果。
96.如图7所示，本发明还提出一种基于恒温炭化的制炭装置，该基于恒温炭化的制炭装置包括：
97.粉碎机110，用于将待炭化料粉碎至尺寸在2cm以下；
98.筛分机120，用于剔除待炭化料中的硬质杂质；
99.烘干炉130，用于将所述待炭化料干燥至水分含量在16％～20％；
100.炭化炉140，用于以5℃/min
‑
10℃/min的升温速率将待炭化料从250℃～350℃加热至560℃～750℃，并待温度稳定后维持20～35分钟，以形成炭料；
101.水冷机150，用于将所述炭料通过水冷机冷却，以得到所制得的炭。该基于恒温炭化的制炭装置可实现上述基于恒温炭化的制炭工艺，故而至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
102.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。