一种低温制备生物炭的炭化设备及工艺的制作方法

本发明属于生物炭制备技术领域，尤其涉及一种低温制备生物炭的炭化设备及工艺。

背景技术：

生物炭是生物质的炭化物，生物炭用途广泛，既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等。目前生物炭已经广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等领域。

现有技术中生物炭的制备方法皆为将生物质在无氧高温条件下热解炭化，但是生物质在高温热解的过程中反应较为复杂，同时存在吸、放热现象、而且采用外部供热，导致热解温度易升难降，很难做到稳定调控。这不仅降低了生物质的制炭率，而且生物质所制得的生物炭受到高温环境影响，碳结构得到改变，碳原子之间的键合力十分稳定且很难与官能团结合，这就导致生物炭仅保留较强的吸附效果，但其表面活性和生物活性基本全部消失，成为俗称的“死炭”。这种生物炭作为土壤改良剂使用时，可以从土壤中吸附较多的营养成分，但是由于碳原子之间结构稳定，很难作为微生物的碳源被分解利用。而且现有技术中的生物炭加工设备多为一体式设计，生物质的流动性较差且干燥、热解过程相互影响，不仅造成能源的浪费，也影响了生物质在炭化过程中的阶段性温度控制，更重要的是对生物质的种类选择具有一定标准，如花生壳等小体积生物质难以按照工艺设计方向进行顺畅流动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低温制备生物炭的炭化设备及工艺，本发明通过对生物质进行两段式炭化作业，可以有效控制生物质的炭化温度和时间，提高生物质的流动性，提高出炭率和生物炭的品质。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种低温制备生物炭的炭化设备，所述炭化设备包括分离设置的干燥装置、低温炭化装置和高温热解装置，干燥装置的出料口通过上料机构分别与低温炭化装置和高温热解装置的进料口连接，高温热解装置的排气口与低温炭化装置的燃料进口连接，低温炭化装置的排气口与干燥装置的燃料进口连接。

优选的，所述干燥装置和低温炭化装置的结构相同，包括设有进、出料口的筒体、加热机构和推料机构，加热机构位于筒体下方，推料机构位于筒体内部。

优选的，所述筒体呈由内筒壁和外筒壁组成的夹层结构，内筒壁与外筒壁之间设有中空层，筒体顶部的排气口处设有连通外界和筒体内部的排气管。

优选的，筒体的内筒壁上设有从进料口盘旋至出料口的螺旋线型凸起。

优选的，所述加热机构包括顶部被筒体底部外筒壁所密封的箱体，箱体设有燃料进口和废气排管。

优选的，所述推料机构为螺旋输送机，螺旋输送机的传动电机位于筒体外部，设有螺旋叶片的轴杆位于筒体内。

优选的，干燥装置与炭化装置之间设有中转仓，中转仓的进料口与干燥装置的出料口连通，中转仓的出料口通过上料机构分别与低温炭化装置和高温热解装置的进料口连接。

优选的，所述高温热解装置的排气口通过第一可燃气过滤、纯化装置及设有第一风机的管道与低温炭化装置的燃料进口连接；低温炭化装置的排气口通过第二可燃气过滤、纯化装置及设有第二风机的管道与干燥装置的燃料进口连接。

一种使用上述炭化设备低温制备生物炭的工艺，步骤如下：

1）干燥，通过加热机构对干燥装置加热至其筒体内部温度为80-120℃，生物质原料导入干燥装置中并受推料机构推动，当生物质原料脱水率达80-90%时落入中转仓中待用；干燥装置内的温度不能超过120℃，否则会导致生物质原料过度受热而燃烧。

2）低温炭化，通过加热机构对低温炭化装置加热至其筒体内部温度为300-500℃，中转仓中的干燥生物质导入低温炭化装置中并受推料机构推动，干燥生物质炭化15-45min后生成生物炭和可燃性气体，生物炭从出料口排除即得低温生物炭，可燃性气体为干燥装置的加热机构供热；

3）高温热解，将中转仓中的生物质原料导入高温热解装置中于500-800℃条件下热解，热解产生的可燃气经过过滤后，为低温炭化装置的加热机构供热。

优选的，所述低温制备生物炭的工艺，步骤如下：

1）干燥，通过加热机构对干燥装置加热至其筒体内部温度为120℃，生物质原料导入干燥装置中并受推料机构推动，当生物质原料脱水率达85%时落入中转仓中待用；

2）低温炭化，通过加热机构对低温炭化装置加热至其筒体内部温度为350℃，中转仓中的干燥生物质导入低温炭化装置中并受推料机构推动，干燥生物质炭化30min后生成生物炭和可燃性气体，生物炭从出料口排除即得低温生物炭，可燃性气体为干燥装置的加热机构供热；

3）高温热解，将中转仓中的生物质原料导入高温热解装置中于800℃条件下热解，热解产生的生物炭被收集且可燃气经过过滤后，为低温炭化装置的加热机构供热。

具体的，本发明所述工艺流程如下：

点燃干燥装置下方加热机构箱体内预留的燃料，并对干燥装置的筒体进行预热，然后提升机或其他等类型的上料机构将生物质原料从干燥装置的进料口导入筒体内部，并在螺旋输送机的推动下朝向出料口方向移动。生物质原料在移动中受到螺旋线型凸起的导向，可以作螺旋运动，不仅提高了流动性能，而且均匀受热，提高干燥效率，生物质原料中的水分通过排气管排出至外界。干燥后的生物质原料从出料口排除，通过管道进入中转仓中待用；

将中转仓中的干燥生物质分别通过上料机构导入低温炭化装置和高温热解装置中，高温热解装置按照现有技术的热解方式对生物质进行热解，并分离出生物燃气、高温生物炭、木焦油和木醋液，生物燃气从排气口排出，经过第一可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第一风机吹入低温炭化装置中作为燃料供热；低温炭化装置的加热机构采用高温热解装置的生物燃气作为燃料，并对低温炭化装置的筒体进行加热，筒体内的生物质在筒体内低温热解，并在15-45min内被螺旋输送机推至出料口。生物质低温热解生成的可燃性气体经过第二可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第二风机吹入干燥装置的加热机构中作为燃料供热。

干燥装置和低温炭化装置的加热机构内燃料燃烧后的烟气从废气排管排出，经过净化处理后达标排放。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）采用低温炭化工艺，将生物质炭在300-500℃之间进行炭化，所得的生物炭具有良好的生物活性和表面活化性能，不仅可以作为微生物的良好碳源，而且可以吸附多种官能团，作为催化剂使用。

2）采用螺旋输送机配合筒体内筒壁上的螺旋线型凸起推动生物质原料，可以使得生物质原料匀速旋转前进，提高各类生物质原料的流动性，进而准确控制干燥和炭化的时间，同时也使生物质原料可以均匀受热；

3）筒体采用中空夹层结构，一方面提高筒体内部的保温效果，另一方可以防止加热机构直接对筒体内壁进行煅烧，导致筒体内部受热面分布不均匀，呈现温度梯度，影响生物质干燥和低温炭化热解的进行；

4）整个工艺只需预留点火预热时的燃料，工艺后期的燃料完全依靠生物质热解生成的可燃气自给自足，同时生物质热解生成的污染气体通过燃烧实现自我供热，对环境十分友好；

5）通过可燃气过滤、纯化装置对生物质高温热解和低温炭化产生的可燃气进行过滤并稳定其纯度，以满足其作为燃料供给时的均匀性要求，实现控制燃料量→控制温度的工艺要求。

附图说明

图1为具体实施方式中低温制备生物炭的炭化设备的结构示意图；

图2为图1所示炭化设备的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，一种低温制备生物炭的炭化设备，所述炭化设备包括分离设置的干燥装置3、中转仓15、低温炭化装置9和高温热解装置12，

所述干燥装置和低温炭化装置的结构相同，包括设有进、出料口的筒体、加热机构和推料机构；筒体呈由内筒壁和外筒壁组成的夹层结构，内筒壁与外筒壁之间设有中空层，筒体顶部的排气口处设有连通外界和筒体内部的排气管5，筒体的内筒壁上设有从进料口盘旋至出料口的螺旋线型凸起；所述加热机构包括顶部被筒体底部外筒壁所密封的箱体，箱体设有燃料进口和废气排管4、8；所述推料机构为螺旋输送机2、6，螺旋输送机2、6的传动电机位于筒体外部，设有螺旋叶片的轴杆位于筒体内。

干燥装置3的进料口与提升机1连接，干燥装置的出料口与中转仓15的进料口通过出料机16连接，中转仓15的出料口通过提升机7和提升机13分别与低温炭化装置9和高温热解装置12的进料口连接，高温热解装置的排气口顺次通过第一可燃气过滤、纯化装置11及设有第一风机10的管道与低温炭化装置的加热机构18燃料进口连接；低温炭化装置的排气管顺次通过第二可燃气过滤、纯化装置20及设有第二风机21的管道与干燥装置的加热机构22燃料进口连接。

低温炭化装置9的出料口处设有出料机17，高温热解装置12的出料口处设有出料机14.

实施例1

使用上述炭化设备低温制备生物炭的工艺，步骤如下：

1）干燥：

点燃干燥装置下方加热机构箱体内预留的燃料，并对干燥装置的筒体进行预热至80℃，然后提升机将生物质原料从干燥装置的进料口导入筒体内部，并在螺旋输送机的推动下朝向出料口方向移动和干燥，生物质原料中的水分通过排气管排出至外界，脱水率达到80%后的生物质原料从出料口排除，通过管道进入中转仓中待用；

2）低温炭化：将中转仓中的干燥生物质通过提升机导入低温炭化装置和高温热解装置中，低温炭化装置的加热机构采用高温热解装置的生物燃气作为燃料，并对低温炭化装置的筒体进行加热至300℃，筒体内的生物质在筒体内低温热解，并在15min内被螺旋输送机推至出料口即得所述生物炭。生物质低温热解生成的可燃性气体经过第二可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第二风机吹入低温炭化装置的加热机构中作为燃料供热。

3）高温热解：提升机将中转仓中的生物质原料导入高温热解装置中于500℃条件下热解，并分离出生物燃气、高温生物炭、木焦油和木醋液，生物燃气从排气口排出，经过第一可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第一风机吹入低温炭化装置中作为燃料供热。

加热机构中燃烧后的废气通过废气排管排出，经过处理后，达标排放即可。

实施例2

使用上述炭化设备低温制备生物炭的工艺，步骤如下：

1）干燥：

点燃干燥装置下方加热机构箱体内预留的燃料，并对干燥装置的筒体进行预热至120℃，然后提升机将生物质原料从干燥装置的进料口导入筒体内部，并在螺旋输送机的推动下朝向出料口方向移动和干燥，生物质原料中的水分通过排气管排出至外界，脱水率达到90%后的生物质原料从出料口排除，通过管道进入中转仓中待用；

2）低温炭化：将中转仓中的干燥生物质通过提升机导入低温炭化装置和高温热解装置中，低温炭化装置的加热机构采用高温热解装置的生物燃气作为燃料，并对低温炭化装置的筒体进行加热至500℃，筒体内的生物质在筒体内低温热解，并在45min内被螺旋输送机推至出料口即得所述生物炭。生物质低温热解生成的可燃性气体经过第二可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第二风机吹入低温炭化装置的加热机构中作为燃料供热。

3）高温热解：提升机将中转仓中的生物质原料导入高温热解装置中于800℃条件下热解，并分离出生物燃气、高温生物炭、木焦油和木醋液，生物燃气从排气口排出，经过第一可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第一风机吹入低温炭化装置中作为燃料供热。

加热机构中燃烧后的废气通过废气排管排出，经过处理后，达标排放即可。

实施例3

使用上述炭化设备低温制备生物炭的工艺，步骤如下：

1）干燥：

点燃干燥装置下方加热机构箱体内预留的燃料，并对干燥装置的筒体进行预热至120℃，然后提升机将生物质原料从干燥装置的进料口导入筒体内部，并在螺旋输送机的推动下朝向出料口方向移动和干燥，生物质原料中的水分通过排气管排出至外界，脱水率达到85%后的生物质原料从出料口排除，通过管道进入中转仓中待用；

2）低温炭化：将中转仓中的干燥生物质通过提升机导入低温炭化装置和高温热解装置中，低温炭化装置的加热机构采用高温热解装置的生物燃气作为燃料，并对低温炭化装置的筒体进行加热至350℃，筒体内的生物质在筒体内低温热解，并在30min内被螺旋输送机推至出料口即得所述生物炭。生物质低温热解生成的可燃性气体经过第二可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第二风机吹入低温炭化装置的加热机构中作为燃料供热。

3）高温热解：提升机将中转仓中的生物质原料导入高温热解装置中于800℃条件下热解，并分离出生物燃气、高温生物炭、木焦油和木醋液，生物燃气从排气口排出，经过第一可燃气过滤、纯化装置的过滤后，被第一风机吹入低温炭化装置中作为燃料供热。

具体的温度控制，可以通过风机的鼓风量、可燃气的纯度、空气的进入量来进行配合作业，达到通过控制燃料的供给量实现温度控制的工艺目的。

加热机构中燃烧后的废气通过废气排管排出，经过处理后，达标排放即可。

效果例：

采用本发明所述设备和工艺，分别对以麦秆、稻杆为生物质原料，并于300℃、450℃和500℃下制炭，其他参数相同，采用boehm滴定法对两种物料三种温度炭化的生物炭表面官能团进行定量分析，结果如表1：

由表1可得，随着炭化温度的升高，所得生物炭中羟基、羰基、甲基和亚甲基逐渐消失，含氧官能团和酸性官能团总量减少。

因此，本申请所述碳化设备和工艺，能够有效保证生物质原料在低温下进行炭化，且生成的生物炭表面含氧官能团数量多，活性大，能够有效被生物菌分解利用，改善土壤品质。