一种高性能活性炭的生化物质燃料生产系统及其生产方法与流程

文档序号：12743404阅读：219来源：国知局

本发明属于农业农村节能、减排和资源综合利用领域，具体涉及一种利用农作物自身燃烧能量生产高指标活性炭颗粒的高性能活性炭的生化物质燃料生产系统及其生产方法。

背景技术：

现有技术中，秸秆等生化物质是农业生产的附带产品，作为农业生产大国，我国每年各类作物的秸秆产量可以达到7亿～8亿吨，加上林业废弃物如竹枝、木屑、园林绿化修剪物等，年产农林废弃物达10亿吨以上。每到夏熟秋收，各地就不断传来焚烧秸秆的信息，城市被灰霾笼罩，空气中出现大量的PM2.5悬浮物等物质，能见度急剧下降，造成出行困难。秸秆焚烧屡禁不止，要解决秸秆焚烧的问题，应该提前为秸秆找到出路，让更多的废物变成资源。目前农林废弃物资源的用途主要用于秸秆还田、秸秆饲料、燃料等方面，但由于存在秸秆运输不便、分散难收集、处理技术落后等原因综合利用率不到50％，剩余的废弃物被焚烧或丢弃，不仅影响了农村的卫生环境，农林废弃物焚烧还造成了巨大的环境污染。

经过研究发现，秸秆等生物质是制作活性炭的极佳原料，活性炭是由类石墨微晶按“螺层形结构”排列而成的微晶碳和无定形碳组成的碳质吸附功能材料，性质稳定，具有优良的吸附性能，且耐酸碱性、耐热，不溶于水或者有机溶剂。目前活性炭因其巨大的比表面积、发达的孔隙结构和极强的吸附能力被广泛应用于工业“三废”治理、食品工业、医药、催化剂载体、半导体应用、电能和高能量密度物质(如压实或液化氢气、天然气等)储存领域。活性炭以往主要采用木材、褐煤、椰壳、木炭、沥青煤等为原料经活化炉活化制作，由于木质资源有限且成本较高，因而木质活性炭的发展越来越受到限制，尽管煤质活性炭资源丰富、种类多、价格低，但存在着灰分高和杂质多的缺陷。随着工业化进程的加快，活性炭的需求量迅猛增加，因而在大力发展活性炭生产的同时，人们也在不断尝试选用其它含炭质原料如农作物秸秆为原料生产活性炭，以满足活性炭日益增长的市场需求，同时解决大量的农作物秸秆焚烧带来的资源浪费和空气污染问题。

将秸秆加工成秸秆炭，可以拓宽秸秆在吸附、脱色、精制、分离、催化及催化剂载体等工业范围的应用，从而提高秸秆商品价值。传统秸秆炭化方法是将秸秆堆放在炭化室里，炭化室通入空气气流，空气先和一部分秸秆发生燃烧反应，燃烧放热使剩余秸秆升温并析出挥发分，挥发分和一部分剩余秸秆继续燃烧，维持后续挥发分析出所需的热量及温度平衡。这种方法炭化室既发生燃烧反应又发生气化反应。由于空气流量难以精确控制，加上炭化室内温度和氧分子分布不合理，往往出现部分秸秆炭被燃烧消耗，不仅减少了秸秆炭产量，而且排放出大量高温可燃性烟气。无法维持秸秆炭化所需的高温、低氧甚至无氧等炭化环境条件，是传统炭化方法秸秆炭产量低、炭化率低，浪费能源及污染农村环境的主要原因之一。

专利号201410321809.4的发明专利公开了一种秸秆活性炭制备工艺，它包括a.将鲜玉米秸秆经破碎机破碎后，送入磨桨机磨制成浆料；b.以0.5％～1％的重量比将活化剂加入上述浆料，搅拌均匀后进行固液分离；c.将分离出的固态物送入挤压机挤制成园柱状料；d.将上述园柱状料入密闭活化炉炭化、经冷却后得到活性炭产品。

专利号200910256102.9的发明专利公开了一种碳化活化一体式活性炭烧结装置，包括由壳体、减速机、炉体和炉膛构成的管式烧结炉，炉体设置于壳体内，减速机设置于壳体上，减速机通过联动链条与炉体相连接，炉膛内设置有物料碳化区和物料活化区，物料碳化区设置有碳化区导气口和碳化区排气口，物料活化区设置有活化区导气口和活化区排气口，物料碳化区处的炉体的外壁和物料活化区的炉体的外壁均设有与温度控制装置相连的加热棒。本发明可以制备以农业秸秆、城市水厂污泥等高含碳物质为原料的活性炭，安全洁净无污染，解决了现有技术中水煤气燃烧加热产生的不安全、污染大，废气量多的问题。

专利号201510662656.4的发明专利公开了一种蓄热式秸秆活性炭化罐，包括罐盖，罐壁，罐底，陶瓷蓄热室和阻火网，罐盖和罐壁顶面法兰连接，罐底挥发分通入口和罐盖挥发分排出口用管道联通，罐底底部连通两个陶瓷蓄热室，两个陶瓷蓄热室交替快速预热空气冷却烟气，阻火网将罐体内腔分隔为秸秆挥发分析出室和挥发分燃烧室，阻火网众多16目～40目网孔，供高温(900℃～950℃)低氧(2％～5％)烟气从燃烧室渗入析出室且切断火焰从燃烧室传播至析出室。农业农村领域活性炭化秸秆及生物质废料可使用本发明。应用表明：炭化罐无需外界热量补充，炭化率>95％，排烟温度低至110℃～130℃，烟气污染物排放达到《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)和《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)要求。

通过上述专利的分析可知，目前利用秸秆制作活性炭均是采用自然干燥后的秸秆经粉碎、活化、洗涤、烘干等工艺过程制作，为充分利用农作物秸秆找到了一条可行的途径，但工艺烦琐，且能量耗费极大，制备的活性炭指标还不足以达到高等级活性炭的要求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明的目的在于提供一种能够自循环生产的高性能活性炭的生化物质燃料生产系统。

本发明的目的还在于提供一种高性能活性炭的生化物质燃料生产方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种高性能活性炭的生化物质燃料生产系统包括筛分装置、烘干装置、物料风机、沙克龙、碳化炉、冷却炉、农用粉碎机以及收集装置。

所述的筛分装置由振动筛和重力筛依次连接组合而成，生化物质原料通过传送机构进入烘干装置的进料口；

所述的烘干装置为烘干滚筒，第一烘干滚筒中通过传送机构将生化物质原料进行一次烘干后通过物料风机将生化物质吹散通过形成的气流送入沉降室；沉降室的生化物质经过沉降后再次经过传送机构传送进入第二烘干滚筒中进行二次烘干，二次烘干后的生化物质经过传送机构送入碳化炉进行碳化；

所述的碳化炉与第二烘干滚筒的连接位置安装有沙克龙，经过二次烘干后的生化物质通过沙克龙进入碳化炉，所述的碳化炉为底部燃烧加热的炉体，碳化炉的进料口与碳化管连接，碳化管通过碳化炉内的高温气体加热对管内的生化物质进行碳化，碳化管末端连接出料口，出料口与传送机构连接，传送结构将碳化后的生化物质送入冷却炉；

所述的冷却炉与传送结构的连接位置安装有沙克龙，经过碳化后的生化物质通过沙克龙进入冷却炉，所述的冷却炉为内部充满循环水的炉体，冷却炉的进料口与冷却管连接，冷却管通过冷却炉内的循环水吸热对管内的生化物质进行冷却，冷却管末端连接出料口，出料口与传送机构连接，传送结构将冷却后的生化物质送入农用粉碎机；

农用粉碎机将冷却后的生化物质粉碎成活性炭颗粒，并将活性炭颗粒送入收集装置；

所述的收集装置是将活性炭颗粒收集进入包装袋的管式喷嘴系统。

所述的重力筛为斜向上传送的传送带结构，传送带本体均匀设置有圆形网孔，传送带下方安装有风机系统。

所述的第一烘干滚筒和第二烘干滚筒均为斜向上安装的圆形筒体，筒体内设置有螺旋形叶片。

所述的物料风机的风速为2500-4000m³/min。

所述第一烘干滚筒和第二烘干滚筒的圆形筒体长度为12m，倾斜角度为15°，烘干温度为80-280℃，所述的螺旋形叶片的螺旋形叶片的旋转速度为8-25rad/min。

所述的碳化炉由上到下按照生化物质的传递方向依次分为一级碳化室、二级碳化室、三级碳化室，碳化管按照其所在碳化室分为一级碳化管、二级碳化管和三级碳化管，上述碳化管按顺序依次相连，碳化管内安装有绞龙，碳化炉底部安装有煤气燃烧枪，煤气燃烧枪连接有煤气发生炉。

所述的一级碳化室温度为200-350℃，二级碳化室的温度为400-600℃，三级碳化室的温度为600-800℃。

所述的碳化炉底部安装有八个燃烧枪头，还包括烟气收集装置，烟气收集装置为底部盛有有机溶剂或水的罐体，烟气收集装置分别与一级碳化管、二级碳化管和三级碳化管末端安装的碳化炉烟气输送管连接，所述的烟气输送管埋入燃烧室罐体底部的机溶剂或水内部；烟气收集装置顶部设置有送气管道，送气管道依次通过风机以及燃烧室后与燃烧枪头连接。

每级碳化管长7.5米。

所述的碳化炉底部的三级碳化管末端与出料管连接，出料管内安装有绞龙，该绞龙的转速为碳化管绞龙转速的2倍。

所述的冷却炉由上到下按照生化物质的传递方向依次分为一级冷却室、二级冷却室、三级冷却室，冷却管按照其所在冷却室分为一级冷却管、二级冷却管和三级冷却管，上述冷却管按顺序依次相连，冷却管内安装有绞龙。

所述的烟气收集装置分别与一级冷却管、二级冷却管和三级冷却管末端安装的冷却炉烟气输送管连接，所述的冷却炉烟气输送管埋入燃烧室罐体底部的机溶剂或水内部。

所述的冷却炉的高度和宽度为碳化炉的2/3，所述的冷却管长为5m。

所述的收集装置为水平活性炭输送管道，管道上均匀设置有安装开关的阀体。

一种高性能活性炭的生化物质燃料生产方法，包括如下步骤：

(1)使用由振动筛和重力筛依次连接而成的筛分装置对生化物质原料进行筛分，将其中杂质筛除；

(2)对筛除杂质的生化物质进行一次烘干，将一次烘干后的的生化物质吹散进行沉降后再进行二次烘干；

(3)将二次烘干后的生化物质经过传送机构送入碳化炉进行加热碳化；

(4)将碳化后的生化物质投入冷却炉，通过循环水进行冷却；

(5)将冷却后的生化物质送入农用粉碎机粉碎成活性炭颗粒后进行收集。

所述一次烘干和二次烘干的温度为80-280℃。

所述的加热碳化包括三级碳化，依次为一级碳化，碳化温度为200-350℃；二级碳化，碳化温度为400-600℃；三级碳化，碳化温度为600-800℃。

所述的生化物质包括农作物秸秆、木本植物根茎以及工业废料、污泥。

本发明的有益效果在于：

本发明结构和方法能够通过筛分装置对生化物质原料进行筛分，将其中杂质筛除；同时经过系统的三级碳化后形成比表面积更高、含碳量更加充分、活性炭性能更强的活性炭，合理利用了农业肥料，生化物质还田达到工业标准。此外本发明的烟气收集装置及燃烧室结构将碳化过程中的废气进行再利用，自助循环加热碳化室，工业耗能极少，为农作物还田和循环再利用提供了更有效的途径。

附图说明

图1为本发明结构的简化的装置连接关系图。

图2为筛分装置结构图。

图3为烘干装置结构图。

图4为碳化炉、冷却炉等主体结构示意图。

图5为绞龙的演示图。

图6为本发明烘干曲线。

图7为本发明一级碳化和二级碳化的温度关系。

图8为本发明二级碳化和三级碳化的温度关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明包括一种使用干馏碳化方法合理利用农业肥料制备能够净水净气的高性能活性炭的生化物质燃料生产系统及其生产方法。其工业特点为自循环和自产，不会浪费过多的工业耗能，能够利用原料自身加工过程中形成的燃气进行大规模生产。

如图1所示，一种高性能活性炭的生化物质燃料生产系统包括筛分装置1、烘干装置2、碳化炉3、冷却炉4、农用粉碎机5以及收集装置6，图1为本发明结构的简化的装置连接关系图。

如图2所示，所述的筛分装置由振动筛7和重力筛8依次连接组合而成，生化物质原料通过传送机构进入烘干装置的进料口。生化物质在各结构之间传输时均使用传送机构，该传送机构可以为传送带，也可以为沙克龙、绞龙等已知结构。振动筛是利用振子激振所产生的往复旋型振动而工作的，目前已经有较成熟机械结构。其振子的上旋转重锤使筛面产生平面回旋振动，而下旋转重锤则使筛面产生锥面回转振动，其联合作用的效果则使筛面产生复旋型振动。其振动轨迹是一复杂的空间曲线。该曲线在水平面投影为一圆形，而在垂直面上的投影为一椭圆形。调节上、下旋转重锤的激振力，可以改变振幅。而调节上、下重锤的空间相位角可以改变不同重量的物质的曲线轨迹，利用轨迹的不同将杂质筛分出来。

所述的重力筛为斜向上传送的传送带结构，传送带本体均匀设置有圆形网孔，传送带下方安装有风机系统9。当风机系统内的鼓风机启动时能够将重量过轻的动物毛发等物质吹走，进一步提高了原料的纯度。

如图3所示，所述的烘干装置为烘干滚筒，第一烘干滚筒10中通过传送机构将生化物质原料进行一次烘干后通过沉降室11内的物料风机12将生化物质吹散通过形成气流；所述的物料风机的风量为2500-4000m³/min。由于一次干燥的的木质在高温过程中是无法干透的，其含水率在25-30％，因此进行二次烘干，沉降室的生化物质经过沉降后再次经过传送机构传送进入第二烘干滚筒13中进行二次烘干，二次烘干后的生化物质经过传送机构送入碳化炉进行碳化。

在这里提出值得注意的一点是,风机的风量是与生化物质重量相匹配的,因为如果生化物质重量较大，风量不能够达到足够需求，那么就无法达到烘干效果，如果风量过大虽然烘干效果较好，但是耗能过大，会间接提高生产成本，此外，随着生化物质质量的提高，风量需要呈指数升高，因为生化物质质量提升意味着其堆积度要进一步提高，风量不变会有过多的水分被压在物料堆内部，影响烘干效果，此外，烘干效果还受到物料在烘干筒内烘干的时间以及烘干温度的影响，根据有限元分析软件以及实际操作的数据对比，我们得到了烘干效果与风量的关系曲线，经过拟合，得到了具体的烘干关系图谱：

S＝(-15999.556t+500T)G²+2500

其中t为烘干时间，2.5min≤t≤3min，T为温度，80℃≤T≤280℃，G为每十公斤数，10≤G≤30，该单位并不是常规单位，当G取10时，为100公斤物料，当G取30时为300公斤物料。为了拟合其关系曲线，我们将上式中括号内的参数统一代表为A，如图6所示，其中曲线为拟合曲线，点为实际采样点。

通过本关系烘干的物料，第一次烘干后含水率可达到30％以下，第二次烘干后可达到5％以下。

其中，所述第一烘干滚筒和第二烘干滚筒的圆形筒体长度为12m，倾斜角度为15°，烘干温度为80-280℃，所述的螺旋形叶片的螺旋形叶片的旋转速度为8-25rad/min。使用螺旋形叶片，当物料进入滚筒内时会附着在叶片上，随着螺旋形叶片的旋转，物料会根据自身重力下降，最终被传递到烘干滚筒末端。

如图4所示，所述的碳化炉与第二烘干滚筒的连接位置安装有沙克龙14，经过二次烘干后的生化物质通过沙克龙进入碳化炉，所述的碳化炉为底部燃烧加热的炉体，碳化炉的进料口与碳化管15连接，碳化管通过碳化炉内的高温气体加热对管内的生化物质进行碳化，碳化管末端连接出料口16，出料口与传送机构连接，传送结构将碳化后的生化物质送入冷却炉；

沙克龙是利用气流沿管路输送散粒物料的装置。有吸送式、压送式和混合式三种。其工作原理是利用气流的动能使散粒物料呈悬浮状态随气流沿管道输送。①吸送式。抽风机启动后，整个系统呈一定的真空度，在压差作用下空气流使物料进入吸嘴，并沿输料管送至卸料处的分离器内,物料从空气流中分离后由分离器底卸出,气流经除尘器净化后再经消声器排入大气。优点是供料简单，能从数处同时吸取物料。但输送距离短，生产率低。密封性要求高。②压送式。鼓风机将空气压入输送管，物料从供料器供入，空气和物料的混合物沿输料管被压送至卸料处,物料经分离器后卸出,空气经除尘器净化后排入大气。特点与吸送式相反,可同时将物料输送到几处,输送距离较长，生产率较高，但结构复杂。③混合式。为上述两种形式的组合。与机械式输送装置相比，其特点是:物料在输送过程中完全密闭，受气候和环境的影响小，工人工作条件好,物料不致受潮、污损或混入杂质，设备简单,结构紧凑，布置灵活，占地较小，设备费用低，可同时进行某些工艺(如粉碎、烘干、分级)作业，易于集中控制，可实现自动化，提高输送能力。除易碎、粘附性强、磨琢性大、有腐蚀性和易起化学变化的物料需特殊处理外，一般松散物料均可输送。缺点是能耗较大，对物料的块度、粘性和湿度有一定限制，风机噪声大，输送磨削性物料时，管道易磨损。为克服上述缺点，本发明采用一种静压式输送装置。其基本原理是在输送管中形成许多彼此相间的料栓和气栓，用空气压力推送料栓前进以达到输送的目的。此外,还有将气流充入粉状物料中,使物料流动性好而便于输送的空气输送斜槽沙克龙与输送管道、球形三通、增压器、增压弯头等组成密封输送系统，可以配自动控制电控系统，实现整个系统无人控制及配合PLC自动控制。

所述的碳化炉由上到下按照生化物质的传递方向依次分为一级碳化室17、二级碳化室18、三级碳化室19，碳化管按照其所在碳化室分为一级碳化管20、二级碳化管21和三级碳化管22，上述碳化管按顺序依次相连，所述的一级碳化管20、二级碳化管21和三级碳化管22均为水平放置的管道，碳化管内安装有绞龙，绞龙在机器工作时不停的搅动使正在碳化的物料随管道向前运行，碳化炉底部安装有煤气燃烧枪23，煤气燃烧枪连接有煤气发生炉24。所述的一级碳化室温度为200-350℃，二级碳化室的温度为400-600℃，三级碳化室的温度为600-800℃。使用本装置时打开煤气燃烧枪，加热碳化炉，当碳化炉温度达到标准后，由沙克龙投料，对生化物质进行碳化，最终生产出碳化的生化物质。

该碳化炉结构是本发明的最重要部分，在本发明的碳化管内的时间每级碳化管不少于1分钟，在一分钟碳化后，其效果变化不明显，但是三级碳化管的温度需要互相配合以达到最佳的比表面积。

其温度关系为

T₂＝1.33T₁+133.33，

T₃²＝1*10^-3T₂²-2T₂+1440,

T₁为一级碳化室温度，T₂为二级碳化室温度，T₃为三级碳化室温度，200℃≤T₁≤350℃。如图7-8所示，该条件下，碳化后活性炭颗粒相对于其他活性炭比表面积提高10％以上。

所述的碳化炉底部安装有八个燃烧枪头25，还包括烟气收集装置，烟气收集装置为底部盛有有机溶剂或水的罐体26，烟气收集装置分别与一级碳化管、二级碳化管和三级碳化管末端安装的碳化炉烟气输送管27连接，所述的烟气输送管埋入燃烧室罐体底部的机溶剂或水内部；烟气收集装置顶部设置有送气管道28，送气管道依次通过风机29以及燃烧室30后与燃烧枪头连接。当碳化管加热物料碳化后，会形成大量的一氧化碳和氢气气体，同时还会产生焦油和木醋液等烟气物质，传统工艺中均采用蒸馏塔或者过滤塔、燃烧塔等传统设备进行燃烧过滤处理，但是通过本发明的烟气收集装置将一氧化碳和氢气通过风机导入燃烧枪头，通过燃烧室点燃，可产生足够维持生化物质后续碳化的能量，此时可以关闭煤气燃烧枪，使本结构循环自助生产。所述的每级碳化管长7.5米。

如图4所示，所述的冷却炉与碳化炉结构相似，其与传送结构的连接位置安装有沙克龙，经过碳化后的生化物质通过沙克龙进入冷却炉，所述的冷却炉为内部充满循环水的炉体，冷却炉的进料口与冷却管连接，冷却管通过冷却炉内的循环水吸热对管内的生化物质进行冷却，冷却管末端连接出料口，出料口与传送机构连接，传送结构将冷却后的生化物质送入农用粉碎机；

所述的冷却炉由上到下按照生化物质的传递方向依次分为一级冷却室、二级冷却室、三级冷却室，冷却管按照其所在冷却室分为一级冷却管、二级冷却管和三级冷却管，上述冷却管按顺序依次相连，冷却管内安装有绞龙。述的冷却炉的高度和宽度为碳化炉的2/3，所述的冷却管长为5m。

绞龙是螺旋输送机的俗称，适用于颗粒或粉状物料的水平输送，倾斜输送，垂直输送等形式。输送距离根据畸形不同而不同，一般从2米到70米。

螺旋输送机旋转轴上焊有螺旋叶片，叶片的面型根据输送物料的不同有实体面型、带式面型、叶片面型等型式。螺旋输送机的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推轴承以随物料给螺旋的轴向反力，在机长较长时，应加中间吊挂轴承。绞龙叶片双螺旋输送机就是有两根分别焊有旋转叶片的旋转轴的螺旋输送机。说白了，就是把两个螺旋输送机有机的结合在一起，组成一台螺旋输送机。螺旋输送机旋转轴的旋向，决定了物料的输送方向，但一般螺旋输送机在设计时都是按照单项输送来设计旋转叶片的。当反向输送时，会大大降低输送机的使用寿命。参考图见图5。

农用粉碎机5将冷却后的生化物质粉碎成活性炭颗粒，并将活性炭颗粒送入收集装置；

所述的收集装置是将活性炭颗粒收集进入包装袋的管式喷嘴系统31。