专利名称：全电能低温干馏木炭生产新工艺及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及由木质或草质植物材料生产木炭的方法及相应机械设备。
背景技术：
在本文中使用的“木质或草质植物材料”一词广泛地包括生物质，如木材、木片、木屑、树枝、秸秆、果壳，直至草类、树叶等。本术语也包括加工后的纤维素材料，如纸类、甘蔗渣、甜菜渣等其它源于植物的生物质。本文中某工序的“热启动工况”，是指本工序物料的进口温度与上一工序结束时物料的温度基本相同，即上一工序结束时趁物料温度还未下降，直接进入下一工序进行加工。文中的“炭化率”即木炭对全干木材的得率。炭化率高即意味着木炭产量高。
最早的传统木炭生产方法是采用土炭窑，通过装窑、点火、烧窑、闭窑、冷却等工序进行炭化，存在很大弊端1、由于木材的传热性能极差，在堆积式的窑炉中，为使大部分木材炭化完全，必需加热到900℃以上高温进行干馏，闭窑后还要维持10多天的余热烘烤，才能干馏成炭。高温干馏常发生氧化过度情况，木材消耗大，产炭率(以干基计，下同)很低，木炭质量差。2、土炭窑是以氧化燃烧方式加热，因此，很大部分原料木材用作燃料被消耗掉，极大影响产炭率，同时氧化燃烧影响木炭质量(欠烧过烧是常有的事)。3、以砍伐材木粗茎的砍柴烧炭方式，对木材资源是一极大浪费。
国内河南省巩义市宋陵包装机械厂生产的人造木炭系列设备，如树枝粉碎机，干燥机，ZTJ螺旋式挤压成型机，以及ZTJ-6型炭化炉属有代表性的第二代设备。一九九四年本发明人方面曾两次引进该类设备，最终结果是失败的。该设备弊病太多，尤其是使用在挤压成型上的螺旋推进器(最重要的零部件)，在冷启动中，又突然升至350℃高温的环境中运行，所遇到的阻力和磨擦力非常大，其尖端部位的损坏极快，而修复又十分困难(要反复修补和热处理淬火)，不能长期正常运行。其炭化炉是采用氧化燃烧方式加热，在堆积式的炉体中加热升温极慢，生产进度太废软，因要求隔绝空气的燃烧加热，其烟尘过大，连土法砍柴烧炭的效益都比不上，最后上述设备成为一堆废铁。
中国专利文献公开了一种“木炭的生产方法”(专利号951978519)，它是将含水量最高达50％的生物质原料直接放入反应器的金属罐中在350-550℃温度下进行干馏，(干馏即炭化煤、木炭等在隔绝空气条件下加热，分解为气体、液体和固体焦炭或木炭。“化工辞典”第三版王箴主编，P41)，制得木炭。其缺点是，一是对细小不规则原料如木屑、木片、刨花、树枝等具有不适应性。由于成品木炭外形尺寸受原料形状限制，上述原料的成品木炭形状不便于用户使用；二是干馏时木材含水率过高，一方面干馏时间加长，燃料的耗量成倍增加；另一方面木材急剧干燥，由于内外受热不均匀，木炭形成裂缝，降低木炭的质量；三是从理论和实验来看，木炭的产量随炭化温度的升高而降低，并且在270～400℃温度范围内降低较大(如对松木和桦木热解实验)。因此，其炭化温度定在350～550℃，其相应木炭产量是不够高的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全电能低温干馏木炭生产新工艺，旨在使原料的升温过程更为合理和进一步提高炭化率。本发明的又一目的在于提供用于上述新工艺的装置，它专用于和满足于该工艺要求。上述目的通过以下技术方案实现一种全电能低温干馏木炭生产新工艺，按以下步骤顺次进行(A)采用木质和草质植物为原料，将原料经粉碎机破碎到后工序方便处理的大小和尺寸；(B)由粉碎机出口送出的原料直接进入干燥器，进行干燥；(C)由干燥器出口来的物料送入一密闭的加温储料仓中，其物料温度控制在80-150℃；(D)由储料仓送出的物料在隔绝空气的情况下，直接进入挤压机，同时进行加热和挤压成型，挤压操作时最终物料温度控制在150～200℃；(E)由挤压机出口来的成型物料在隔绝空气的情况下直接送入电热炭化炉中，在270～350℃温度下干馏，电热炭化的时间30分钟或更少；(F)在隔绝空气的情况下，对干馏后物料进行冷却至常温，最后制得成品木炭。
上述A至F各步骤顺次连续进行，以使各半成品步骤B-E场处于热启动工况。
上述干燥器是气流干燥器，原料在其中由热气流进行加热和干燥；上述挤压机是螺旋挤压机；螺旋挤压成型时采用电加热方式维持物料，温度挤压成型物料是中空的圆柱体形状。
专用于上述新工艺的装置，该装置包括一个粉碎机，用于将上述原料破碎到后工序方便处理的大小和尺寸；
一个气流干燥器，其进料口与粉碎机出料口连接；一个密闭的储料仓，气流干燥器的出料口经、阀门与储料仓进料口连接；一个电加热器，设置在储料仓中，用于对储料仓中物料加热；一个螺旋挤压机，用于将物料成型为中空圆柱棒材，其进料口与储料仓出料口经一阀门连通；一个电加热装置，设置在螺旋挤压机外壳上，用于对物料加热；用于盛装螺旋挤压机出料口送出的棒材的多个电热炭化炉，该炭化炉为一圆柱状壳体，壳体上部设有一气体出口管，壳体底部设置有一活动闸门，壳体中部设置有一电热管，壳体内壁上设置有电热膜片，壳体内腔与上述一个中空圆柱形棒材相适配，并留有一定间隙；壳体外壁设置有可脱式保温层。
本发明在工艺方面的特点是其一，使原各分离工序连续化进行，从粉碎、干燥、挤压成型，以及电热炭化均首尾衔接、连续进行，使各半成品工序均处于热启动工况，并针对生物质原料导热系数低的特点，使原料在前后工序的转换之中热量不致损失、温度不会下降，使原料温度始终处于一个逐步上升和持续上升的过程之中，最后进行炭化时，原料内外的温差达到最小，为炭化操作创造最佳条件。其二是，很好地解决了原挤压成型的难题，尽管生物质物料热传导性能极差，但本工艺在粉碎、干燥等工序中物料均渐次升温，且内外受热均匀，在进入挤压机时，物料温度已达150～160℃，这时物料已处于膨胀、软化阶段(流态化)，已有木焦油分离出，供挤压成型时产生胶合作用，使整个挤压工序可在200℃以下温度顺利进行(原设备是在常温下突升至350℃以温度进行挤压成型的)。其三，从木材热解的理论和实验来看，木炭的产量随最终炭化温度的降低而升高，并且在270～400℃的温度范围内变化较大，而在800～700℃范围内变化不明显。对松木和桦木而言，最终炭化温度为200℃时，木炭对全干木材的得率(炭化率)达90％，当炭化温度为275℃时，炭化率对应为78％和71％；当炭化温度为300℃时，炭化率对应为55％和48％，当炭化温度为350℃时，炭化率分别为43％和38％，当碳化温度为550℃时，炭化率分别为30％和27％。本发明由于进行炭化操作时，物料内外温升非常均匀，所以炭化温度控制在较低范围内(270～350℃或270～300℃)，此外，本发明采用小批量物料炭化也是促成低温炭化成功的因素之一)，因此，本发明降低炭化温度可有效提高炭化率。其四，本发明以挤压成型的棒形料，单根炭化处理即对少量物料单独炭化，因而炭化时间短至20分钟。炭化时间短，热解副反应少，副反应引起的损失就小，产品质量愈高，木炭的机械强度愈高。成型棒材内有圆孔，可使电热棒插入从内向外加热，提高热利用率和炭化效果。其五，本发明成品木炭形状整齐划一，木炭的比重高达1.2克/cm3，一般木炭比重仅0.8～0.9克/cm3，灰分少(低于2％)。其六，本发明对原料的适应面广，无论什么形状大小的边角余料均可加以利用处理。尤其适用于利用农、林废弃物作原料制木炭，有效替代以砍伐林木粗茎为主的土窑烧炭，避免材木资料的破坏性和浪费性使用。
图1是本发明的工艺流程框图；图2是本发明一个实施例的设备流程图；图3是图2所示电热炭化炉的剖面图。
图1示出，将木质或草质植物材料即生物质原料首先进行粉碎，粉碎到后工序如干燥工序尤其是气流干燥工序以及挤压成型工序方便处理的大小和尺寸。如对气流干燥而言，原料粒度为直径＜3mm，长度＜5mm，对挤压成型原料粒度可在φ10×20mm。自然，对于原本是细末状物料如木屑等，就不必经过粉碎工序。由于机械粉碎的作用，粉碎后的物料，温度一般可达到30～40℃，不待其温度下降，粉碎后物料直接进入干燥工序处理，最好采用气流干燥方式，热气流使物料快速脱水至10％以下，并使物料出口温度升至70～80℃，干燥后的物料送入一密闭的加温储料仓中，设置储料仓，一是起物料的缓冲作用，使物料流动与在后挤压成型工序的加工能力相匹配，二是控制和调整物料进入挤压成型时的初始温度，以保证挤压成型顺利进行。储料仓中温度控制在80～150℃，最好是130～150℃，实际生产中，物料在储料仓温度下进行挤压成型加工时，物料已处于膨胀和软化的半流态化阶段，已分离出部分木焦油，为挤压成型时提供天然胶粘剂，顺利完成挤压成型操作。一般也可采用液压成型，本发明这里采用螺旋挤压机，螺旋挤压成型时采用电加热方式维持物料温度在150～200℃，最好是180～200℃，并且挤压成型物料是中空的圆柱体形状，尺寸为内径3cm，外径8cm，长80cm，此处并不排除其它尺寸。本领域的技术人员能很容易地计算得出与电热炭化功率相匹配的加工物料的重量。从而得出其具体尺寸。经挤压后的成型物料，在隔绝空气情况下直接送入电热炭化炉，在270～350℃温度下干馏，炭化时间30分钟或更少，最好在270～300℃温度下干馏，炭化时间大约20分钟。与现有技术相比，由于最终炭化温度的降低，使木炭的炭化率(产量)得到提高，同时生物质原料热解的其它产物如焦油，有机物、气体等的得率有所降低。本工艺的木炭经压缩成型烧制而成，密度大，达1.2克/cm3(一般木炭0.8、0.9克/cm3)，热值大于一般木炭，热值为6500～7500大卡/公斤，大于一般木炭。
图2示出，粉碎机1(如树枝粉碎机)出料口接气流干燥器2(以加热空气作为热介质，若以惰性气体——与物料不发生氧化燃烧反应的气体，作为热介质则更好)的进料口；气流干燥器出料口经阀门2b接储料仓3进料口，储料仓出料口经阀门3b与螺旋挤压机4进料口连接，当储料仓的进料口阀门和出料口阀门关闭时，整个储料仓是封闭的，即与空气隔绝的；电加热器3a设置在储料仓3内，对储料仓中物料进行加热；螺旋式挤压机4，用于将物料挤压成型为中空的圆柱形棒材，电加热装置4a，设置在螺旋挤压机4外壳上，用于对物料加料，电动闸门5设置在螺旋挤压机出料口上，用作控制出料口以对电热炭化炉6逐一分次进行装料，(可采用其它控制方式，如通过电器控制螺旋挤压机间歇周期性进行工作，以满足逐一、分次进行装料的要求)。电热炭化炉6(参见图3)，为一圆柱状壳体3a，壳体上部设有一气体出口管6a。(木煤气可引出作干燥加热热源，或引出作其它用)，壳体底部设置有一活动闸门5a，壳体中部设置有一电热管1a，壳体内壁上设置有电热膜片7a，壳体内腔与上述中空圆柱形棒材相适配，并留有一定间隙作气体通路，壳体外壁设置有可脱式保温层4a。使用时，每一炭化炉之中装入一根成型棒材2a，电热管1a插入棒材中心的圆孔中。电热管从内向外对棒材加热与外部的电热膜片7a加热相配合，棒材受热面大，受热均匀，再加上少量物料进行干馏，热解副反应很小，炭化时间短至20分钟左右，所以最终达到了低温干馏和提高木炭产量的技术效果。
实施例1以树枝为原料，粉碎至φ10×20mm以下，粉碎机出口物料温度40℃，干燥后物料温度70℃，干燥后物料含水量10％，料仓出料温度150℃，挤压最终温度200℃，电热炭化温度350℃，炭化时间25分钟，经测试炭化率41％，成品木炭的比重为1.19克/cm3。
实施例2以木屑为原料，不需粉碎，直接干燥，干燥后物料温度80℃，含水量8％，料仓出料温度100℃，挤压最终温度180℃，电热炭化温度300℃，炭化时间20分钟，经测试炭化率49％，成品木炭的比重为1.2克/cm3。
实施例3以秸秆为原料，粉碎至长度在2mm以下，干燥后温度75℃，含水量9％，料仓出料温度80℃，挤压最终温度190℃，电热炭化温度270℃，炭化时间20分钟，经测试炭化率50％。
实施例4以甘蔗渣为原料，不需粉碎，直接干燥，干燥后物料温度72℃，含水量9％，料仓出料温度130℃，挤压最终温度150℃，电热炭化温度280℃，炭化时间18分钟，经测试炭化率41％。
权利要求
1.一种全电能低温干馏木炭生产新工艺，按以下步骤顺次进行(A)采用木质和草质植物为原料，将原料经粉碎机破碎到后工序方便处理的大小和尺寸；(B)由粉碎机出口送出的原料直接进入干燥器，进行干燥；(C)由干燥器出口来的物料送入一密闭的加温储料仓中，其物料温度控制在80-150℃；(D)由储料仓送出的物料在隔绝空气的情况下，直接进入挤压机，同时进行加热和挤压成型，挤压操作时最终物料温度控制在150～200℃；(E)由挤压机出口来的成型物料在隔绝空气的情况下直接送入电热炭化炉中，在270～350℃温度下干馏，电热炭化的时间30分钟或更少；(F)在隔绝空气的情况下对干馏后物料进行冷却至常温，最后制得成品木炭。上述A至F各步骤顺次连续进行，以使各半成品步骤B-E场处于热启动工况。
2.根据权利要求1所述的全电能低温干馏木炭生产新工艺，其特征在于，所述干燥器是气流干燥器，原料在其中由热气流进行加热和干燥；所述挤压机是螺旋挤压机；螺旋挤压成型时采用电加热方式维持物料温度。
3.根据权利要求2所述的木炭生产新工艺，其特征在于，所述挤压成型物料是中空的圆柱体形状，尺寸为内径3cm，外径8cm，长80cm。
4.根据权利要求1或2或3所述的木炭生产新工艺，其特征在于，所述储料仓中物料温度控制在130～150℃，所述挤压操作最终物料温度控制在180～200℃，所述电热炭化时间大约20分钟。
5.根据权利要求4所述的木炭生产新工艺，其特征在于，所述粉碎机出口物料的温度为30～40℃，所述干燥后物料出口温度为70～80℃。
6.一种用于实现权利要求1的新工艺的装置，该装置包括一个粉碎机(1)，用于将上述原料破碎到后工序方便处理的大小和尺寸；一个气流干燥器(3)，其进料口与粉碎机出料口连接；一个密闭的储料仓，气流干燥器的出料口经一阀门与储料仓进料口连接；一个电加热器，设置在储料仓中，用于对储料仓中物料加热；一个螺旋挤压机(4)，用于将物料成型为中空圆柱形棒材，其进料口与储料仓出料口经一阀门连通；一个电加热装置，设置在螺旋挤压机外壳上，用于对物料加热；用于盛装螺旋挤压机出料口送出的棒材的多个电热炭化炉，该炭化炉为一圆柱状壳体(3a)，壳体上部设有一气体出口管(6a)，壳体底部设置有一活动闸门(5a)，壳体中部设置有一电热管(1a)，壳体内壁上设置有电热膜片(7a)，壳体内腔与上述一个中空圆柱形棒材相适配，并留有一定间隙；壳体外壁设置有可脱式保温层(4a)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述螺旋挤压机出料口上设置有一电动闸门，用作控制出料和对电热炭化炉逐一进行装料。
全文摘要
一种全电能低温干馏木炭生产新工艺及其装置，采用生物质植物为原料，将原料经破碎机破碎后，直接送入干燥器，特别是气流干燥器进行干燥和升温，干燥后物料进入储料仓，并同时对物料加温，再由储料仓进入挤压机，特别是螺旋挤压机，在150～200℃的温度下挤压成型，最后送入电热炭化炉中在270～350℃的温度下低温干馏，炭化时间30分钟以内，最后得成品木炭，它具有生产过程连续化，各半成品工序均处于热启动状况，物料在加温过程中受热均匀以及低温干馏，木炭产量高的特点。
文档编号C10B53/02GK1436833SQ0211331
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月4日 优先权日2002年2月4日
发明者王国全 申请人:王国全