一种连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化装置的制作方法

本发明涉及固体废弃物处理装置，尤其涉及一种污泥连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化气化装置。

背景技术：

随着社会经济的发展，人类生态环境的保护和绿色循环经济的提倡，废弃物再利用成为当下处理的热门，科学家将以生物质为原料，在无氧状态下干馏、热解所形成的一种炭质材料称为“生物炭”，生物炭是炭的一种形式，可以长期保存在土地中而不被分解成二氧化碳。埋到地下后可以有几百至上千年不会消失。

生物碳可以长期稳定地存在于自然界中，具有持久性的肥田沃土，促进土壤中微生物繁殖，促进植物生长，对二氧化碳吸收，使空气中二氧化碳减少的功能。生物碳富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。生物碳的使用，肥了土地、富了农民。因此生物碳的需求量越来越大，仅从改良土壤角度粗略估计，我国农田对生物碳最低需要量可能在17.6亿吨左右。

目前对污泥主要是进行浓缩、调治、脱水、稳定、干化或焚烧处理。国内外常用的成熟的污泥稳定工艺有：厌氧消化、好氧消化、热处理、加热干化和加碱稳定；常用的污泥处置是土地利用、焚烧、卫生填埋、堆肥、投海等。污泥处理处置的投资和运行费较高，如处置不当，将造成“二次污染”，这已成为环境保护领域难题，备受关注。

近几年来，随着污泥碳化处理技术的发展和成熟，逐渐取代了传统的污泥填埋的处理方式，因为污泥碳化二次污染小，变废为宝，实现了资源的可再生利用，必将是未来污泥处理的新趋势。所谓污泥碳化，就是通过给污泥加温和加压，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来，同时又最大限度地保留了污泥中碳质的过程。污泥碳化的优势在于，污泥碳化是通过裂解方式将污泥中的水分脱出，能源消耗少，剩余产物中的碳含量高，发热量大。

公开号为CN102443404A的中国专利公开了一种制造生物炭的装置：预热室位于热烟气室内，预热室两端分别连接出料滚筒和进料滚筒；出料滚筒的另一端连接一中间料仓，中间料仓的下部连接一进料室；进料滚筒的另一端连接一气体收集室；气体收集室的混合气出口与喷淋洗涤冷却塔的进气口连接；干馏室位于燃烧室内，干馏室两端分别连接前滚筒和后滚筒；前滚筒的另一端与进料室连接，后滚筒的另一端与出料室连接，出料室下方连接冷却室，出料室的混合气出口与喷淋洗涤冷却塔的进气口连接；燃烧室内位与干馏室的下部安装有外来燃料燃烧器和不凝可燃气燃烧器；燃烧室顶部与热烟气室底部之间设有热烟气管道。本发明提供的制造生物碳的装置，可以无污染、低成本、工业化地制造生物碳。该设备应该说比较好，但处理量小，而且是间歇式反应，无法连续化大生产是其弊端。

公开号为CN105601075A的中国专利公开了一种污泥热解碳化处理的工艺方法及其装置：污泥经压榨机压榨、粉碎机粉碎、混合搅拌机混拌、内加热回转窑烘干机内烘干后送入储料仓内后送入热解碳化炉内；污泥在热解碳化炉内发生热解碳化，产物固态碳的混合物输出系统外，产物水蒸气、热解气进入分离提纯塔中进行分离、提纯；提纯后的可燃气送入燃烧器中燃烧为内加热回转窑烘干机输送热源，提纯分离出的重组分送到混合搅拌机与污泥混拌进行二次热解；加热炉产生的烟气排出至热风炉内进行二次烧蚀；整个装置产生的尾气经内加热回转窑烘干机的出口I排出，经过处理后达标排放。此套设备较完整，但最大问题也是间歇式生产，无法自动排生物炭，人工冷却排炭需要较长周期，而且高温生物炭遇空气会自燃、人为烧伤等问题。

目前制生物炭反应釜装置在无氧裂解完全后，生物炭都留在裂解釜内，这种排渣装置主要是通过螺旋机构旋转来进行排渣，这样生产到一定量后，需要冷却降温，停反应釜设备，温度较高的情况下操作现场人员易烫伤，冷却降温时间较长又使生产效率低下，同时生物炭等固体物的积聚也使反应釜内传质效果大大降低，旋转反应釜负荷加重，不利于工艺参数的稳定运行，不利于稳定生产。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种污泥能连续化大生产，不需要间歇式操作，保证生物炭产品质量的连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化气化装置。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化装置，包括带有第一进料口和第一出料口的反应釜，用于向所述反应釜内输送物料的自动进料装置，以及与出料口连接的排灰冷却装置，所述自动进料装置包括中间料仓、气灰分离器和油封器，与所述气灰分离器底部连通的送料筒，转动配合在送料筒内无轴螺旋，以及驱动无轴螺旋的第一电机；所述送料筒的输出端与进料口衔接；所述的第一进料口同时也是物料A高温碳化的第一出气口。本发明中，污泥制生物炭在前端出气的好处在于能控制反应釜后端出生物炭的温度，达到产品所需，同时能连续化大生产，不用停釜作业。

所述的送料筒顶端分别安装有第二进料口，第三进料口，第四进料口。第三进料口的物料主要来自于后端冷却分离工艺后一些固体炭等杂质较多的生物油和木醋液，简称“泥浆C”；第二进料口来自于原料污泥，含水率小于35％；第四进料口E来自于油封器顶部的含油残渣，进行再次高温分离，简称“泥浆E”。

作为优选的，所述的送料筒横穿气灰分离器的底部，送料筒内的无轴螺旋直径小于或等于送料筒内径的4/5，送料筒与反应釜连接处安装有金属补偿器。

此处的螺旋直径小于等于进料筒体内径正是本发明的关键创新点，是在大量实验的基础上得出来的一个较合理的直径，输送螺旋可采用无轴螺旋和有轴螺旋，建议采用无轴螺旋，因为螺旋无轴，物料不易堵塞，排料口不堵塞，因而可以较低速度运转，平稳传动，降低能耗；输送量是相同直径传统有轴螺旋输送机的1.5倍。既可下方出料，又可端头出料；采用特制衬板，该机可在高温下工作。

作为优选的，所述的中间料仓顶端连接有输送物料A的第一输送机，底部安装有用于输出物料的第二输送机。第二输送机出口安装有第一锁气阀，同时也是送料筒的第二进料口。

中间料仓的大小可根据反应釜的日处理量来决定，目的是为进料筒体进料进行储备和缓冲，当输送螺旋启动时，锁气阀自动开启，中间料仓具有一定的高度，主要是物料的压实高度可以挡住反应釜内气体的压力防止外泄，同时中间料仓不能彻底没料，不然反应釜内的高温油气通过开启的锁气阀逆流而出，所以中间料仓一般安装有料位报警器，当低于一定值时，自动报警，自动加料。

送料筒体内部管道即是高温油气的出气口，也是污泥物料的进料口，因此，送料筒内部的热交换程度的多少，也一定程度决定了反应釜能量的损耗。一般可取5～20米，同时送料筒外侧可用保温棉保温，以使污泥和高温油气充分的热交换。

作为优选的，送料筒的无轴螺旋具有一定的长度，可取10～15米，太短不利于热交换和密封，太长在高温下输送容易变形，甚至断裂等问题。

送料筒的内径、厚度和长度大小可根据实际反应釜的处理量决定；实际使用过程中，无轴螺旋与驱动电机相连。

作为优选的，所述的气灰分离器底端安装有层倒八角结构的导向板，用于引导物料落入底部的送料筒内输出，中间安装有挡板。顶端分别安装有远程控制和现场监测的温度传感器和压力传感器。气灰分离器的大小及高度取决于反应釜的实际处理量及高温油气的流速。气灰分离器的外侧形状既可选择方形体，也可选择圆形体，作为优先的，一般选择圆形体更符合热力学原理。

进一步优选的，所述的挡板由耐高温、耐腐蚀材料拼接成倒角结构，且张角的范围在45°～150°，具体的角度因不同地区污泥性质略有不同，故由裂解气的成分，裂解产生的混合物粘性，灰的比例而定。挡板布置有5～12层，且每层为8～18块，具体由处理量、气流速度和含灰量的多少而定；层与层之间的挡板互相错开，目的使气流能充分地与挡板接触，做迂回路线，而不是一条直线上升，挡板不断阻击含灰的高温油气使裂解气中的灰尘碰撞而粘附在挡板上，积聚到一定程度时，随自身重力下沉至气灰分离器的底部，再通过进料筒体内的无轴螺旋输送至反应釜内，夹带灰尘的高温裂解气通过与挡板不断的碰壁，实现高温裂解气和固体颗粒分离。

作为优选的，所述的油封器底部安装有第二锁气阀，出口与送料筒连接，油封器的出口也是送料筒的第四进料口；油封器顶部的进气口处安装一根DN150～DN400的管道。

油封器顶端由DN200～DN400的管道插入液位以下，具体管道直径由高温油气的流速，流量决定，作为优先的，可取DN200～DN350，高温油气经过气灰分离器一级分离除尘后，已经大大减少高温油气里面的含灰量，此时，再进入油封器，可进一步降低高温油气里面的含尘量，含尘量的去除率为98％以上。

油封器的大小及高度取决于高温油气的流量及油气的压力，底部出口安装有阀门，当油封器里面的液位超过规定所需高度时，开启阀门，靠自身重力自动进入送料筒体，通过连续运转的无轴螺旋输入反应釜内，进一步除灰，当油封器里面的液位低于规定所需高度时，一般不低于插入的管道口，关闭阀门，高温油气进入液态油里面，起到一个洗涤除尘的作用。经过充分洗涤除尘后，高温油气再进入后端处理工艺冷却分离。

当反应釜在开启阶段或者大检修以后重新进入大生产阶段，油封器里面的液位可用自来水替代。

作为优选的，所述反应釜外设有加热箱，并设有贯穿所述反应釜的导热管，该导热管与所述加热箱连通；所述导热管垂直反应釜轴线布置，且相邻两导热管垂直交错。

加热箱密封地设置在反应釜的外部，且加热箱内部布置热源，热源形成的热空气通过导热管传输给反应釜内的污泥物料。导热管可增加反应釜内的受热面积，使污泥快速受热，提升物料的裂解速度和升温速度。

作为优选的，所述反应釜为可旋转机构，可使反应釜内的物料受热均匀，驱动反应釜转动的装置包括固定在反应釜外周面的齿环，与齿环相啮合的托轮以及驱动托轮的电机。

作为优选的，所述反应釜内设有倾斜布置且呈螺旋结构的导流板，该导流板处于高位的一端贴近所述第一进料口。导流板分为导流钢板和导流不锈钢板，可采用单螺旋结构或双螺旋结构，也可单、双结合的螺旋导流结构；在反应釜旋转的过程中，倾斜布置的导流板对反应釜内的物料具有导流作用，反应釜内的物料在导流板的作用下向出料口移动，加快反应釜内物料的排出。

本发明的反应釜为渐进循环式连续化生产反应装置，内置6～15个无线温度控制器，用于监测区间的温度，当设备出料口温度还没达到指定温度时(500℃～800℃)，具体的温度由不同的产品生物炭决定，温度传感器通过信号输送传送给电脑及警报装置，提醒工作人员，这是说明产品还没达到合格要求，这时候采取措施主要如下，反应釜可以反转，使快到出口的生物炭再次进入反应釜充分反应，延长停留时间，同时继续加热，反应釜反转时间为30min-120min不等，然后反应釜正转，待料进入第一出料口时，看温度传感器是否报警，如果报警，反应釜再反转，如此重复，保证产品合格下线。如果温度传感器显示温度达标，生物炭通过第一出料口进入分离仓，待料位满时，通过螺旋装置密封自动排放。

优选的，所述排灰冷却装置包括带有第五进料口的分离仓，与所述分离仓底部通过第三输送机密封连接的水冷式冷渣机，该第五进料口与所述第一出料口衔接；所述的水冷式冷渣机出口处通过第四输送机连接，输出生物炭D。

所述水冷式冷渣机能将高温物料进行快速的冷却，同时回收高效热量。水冷式冷渣机一般由由进料装置、出料装置、旋转筒体、旋转接头、防窜装置、驱动装置和底座等部分组成。其特点为：能将100℃以上的高温物料降到80℃以下；水与高温物料间接交换冷却；高温物料热量全部回收；传动平稳，功率小，无振动、结构紧凑、体积小、磨损小、寿命长；进、出料口与筒体传动部位均采用密封装置，无飞灰尘，安装方便、无需固定。

自动进料装置包括第一输送机和第二输送机，排灰冷却装置包括第三输送机和第四输送机，输送结构采用输送螺旋，可采用无轴螺旋或有轴螺旋，作为优先的，采用无轴螺旋。

优选的，所述排灰冷却装置包括转动配合在所述分离仓底部的转轴，布置在转轴上的搅拌叶以及驱动转轴的第三电机。该搅拌装置主要防止生物炭在分离仓的底部架桥或结块，使生物炭能及时的通过输送装置排出。所述分离仓的底部还设有料位感应器和仓壁振动器，该料位感应器发出控制所述第三输送机和驱动转轴的第三电机的信号。

所述的第一出料口后端安装有无轴螺旋，以及驱动无轴螺旋的第二电机；第一出料口与第五进料口之间安装有金属补偿器。

达到设定温度后的生物炭通过反应釜内部的导流板，第一出料口后端的无轴螺旋输送至分离仓第五进料口，自由落体至分离仓的底部。当分离仓内的生物炭累积至一定的量时，料位感应器发出信号控制驱动转轴的第三电机和第三输送机开启，同时人为开启或关闭仓壁制动器。当分离仓内的生物炭少于一定量时，料位感应器发出信号控制驱动转轴的第三电机和第三输送机停止工作。

所述送料筒与反应釜连接处安装有金属补偿器；第一出料口与第五进料口之间安装有金属补偿器。

金属补偿器作为一种柔性耐压管件，利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移，吸收振动能量，能够起到减振、消音等作用，具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温等多项特点。

为检修方便，可在气灰分离器的顶部，油封器的侧面，中间料仓的顶部，反应釜的两端，分离仓的侧面分别设置检修孔，检修孔处设有检修门，当装置出现故障时，现场操作人员可通过检修孔对装置内的部件进行维修，维修完成后将检修门关闭；检修孔设置的位置可根据实际场合确定。

本发明结构简单、密封性好、固气分离率高，污泥处理量大、可持续工作；污泥送入反应釜之前与高温油气先进行热交换，物料水分被带走，大大降低了物料在反应釜中所需要的能量，提高了污泥在反应釜中的分解效率；导流板的设置，便于反应釜内的生物炭排出；导热管的设置，使热量直接进入反应釜的内部，加快了反应釜内物料的裂解碳化速度；密封排灰冷却装置的设置，无需停釜降温，在高温下能连续排生物炭。

附图说明

图1为连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化装置示意图。

图2为图1中A-A向剖面图。

图3为图1中B-B向剖面图。

具体实施方式

如图1所示的碳化装置，包括带有第一进料口21和第一出料口22的反应釜2，用于向反应釜2内输送物料的自动进料装置1，以及与出料口22连接的排灰冷却装置3。自动进料装置1包括中间料仓4、气灰分离器5和油封器6，与气灰分离器5底部连通的送料筒7，送料筒7的内径、厚度和长度可根据实际反应釜2的处理量确定。转动配合在送料筒7内无轴螺旋11，以及驱动无轴螺旋11的第一电机12，以实现连续自动进料；送料筒7的输出端与第一进料口21衔接；第一进料口21同时也兼作物料A高温碳化的第一出气口。本发明采用螺旋推进器喂料，使送入送料筒7内的污泥物料不易被高温油气产生的气流吹出。

送料筒7顶端分别设置有第二进料口A、第三进料口C和第四进料口E。送料筒7横穿气灰分离器5的底部，送料筒7内的无轴螺旋11直径小于等于送料筒7内径的4/5，送料筒7与反应釜2连接处安装有金属补偿器23。物料A为经过烘干(含水率小于35％)的污泥；物料C为后续冷却分离工艺后含灰量较高的生物油混合物；物料E为油封器底部慢慢累积的含生物油的灰渣，与物料C类似，含固率和生物油成分略有不同，都通过送料筒内的无轴螺旋输送进入反应釜再进行气灰分离。

中间料仓4顶端连接有输送物料A的第一输送机15，底部安装有用于输出物料的第二输送机16。第二输送机16出口安装有第一锁气阀13，同时也是送料筒7的第二进料口A。中间料仓4的大小可根据反应釜2的日处理量来决定；中间料仓4内安装有料位感应器，锁气阀的主要功能是开关管路和锁气的目的。

如图2所示，气灰分离器5底端安装有层倒八角结构的导向板17，中间安装有挡板18。挡板18为5～12层，且相邻两层挡板18交错布置，每层挡板18的数量为8～18根，挡板18为倒角结构，张角为45～150度。气灰分离器5的大小及高度取决于反应釜2的实际处理量及高温油气的流速。挡板18的层数及每层的块数，具体由处理量、气流速度和含灰量的多少而定。气灰分离器5是实现高温裂解气和固体颗粒分离的关键设备，气灰分离器5分离效果的好坏直接涉及到后续产品的纯度和品质。

油封器6底部安装有第二锁气阀14，出口与送料筒7连接，油封器6的出口连通送料筒的第四进料口E；油封器6内部安装一根DN150～DN400的管道19。油封器6的大小及高度取决于高温油气的流量及油气的压力，主要作用是高温油气里面的灰进一步的除去。

反应釜2外设有加热箱24，且加热箱24内部布置热源，反应釜2内设有垂直反应釜2轴线布置的导热管25，该导热管25的两端与反应釜2的侧壁密封连接，且导热管25的两端连通加热箱24。加热箱24内的热量通过导热管25传递至反应釜2内部，为污泥等物料的裂解提供能量。为提升物料与导热管25的接触面积，加快物料的分解速度，相邻两导热管25垂直交错布置。

如图3所示，反应釜2内壁设有倾斜布置且呈螺旋结构的导流板26，且导流板26处于高位的一端贴近第一进料口21，另一端贴近第一出料口22，第一出料口22后端安装有无轴螺旋27，以及驱动无轴螺旋27的第二电机28，有利于反应釜2内的物料转移至排灰冷却装置3内；同时，反应釜2为可旋转机构，驱动反应釜2旋转的装置包括固定在反应釜2外周面的齿环，与齿环相啮合的托轮以及驱动托轮的电机。转动的反应釜2使物料受热更加均匀，且在反应釜2转动的过程中，反应釜2内的物料沿螺旋结构的导流板26向第一出料口22移动，便于产品生物炭的排出。本发明反应釜2的两端还设有检修孔，一般呈对称开孔，利于交叉检查反应釜内部情况。

反应釜2的前端第一进料口21和后端第一出料口22都安装有金属补偿器。以吸收反应釜2等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，补偿反应釜2的轴向、横向和角向位移，吸收振动能量。

排灰冷却装置3包括带有第五进料口31的分离仓8，与分离仓8底部通过第三输送机32密封连接的水冷式冷渣机9。分离仓8的底部设有转轴36，布置在转轴上的搅拌叶37以及驱动转轴36的第三电机，还设有料位感应器34和仓壁振动器38，该料位感应器34发出控制第三输送机32和驱动转轴36的第三电机的信号。分离仓8内的固体料搅拌装置防止生物炭在分离仓8的底部架桥或结块，使生物炭能及时的通过第三输送机32排出。水冷式冷渣机9采用密封卧式旋转结构，能将高温物料进行快速的冷却，同时回收高效热量。冷却后的生物炭D通过第四输送机33输送，成品打包。

上述的一种连续式进料和固气自动分离还原气化制生物炭的碳化装置工作过程如下：物料A通过第一输送机15进入中间料仓4储存，首先开启送料筒7内的无轴螺旋11，再开启中间料仓4与送料筒7之间的第一锁气阀13，最后开启已经物料满仓的中间料仓4底部的第二输送机16，此时物料A就连续的通过第一进料口21进入已经加热和正在旋转的反应釜2内部，待充分反应碳化气化后，高温油气B通过自身产生的压力再从反应釜2流出，进入送料筒7，再进入气灰分离器5分离，一部分灰尘随自身重力掉入送料筒7，由无轴螺旋11再次进入反应釜2，从气灰分离器5顶部流出的高温油气B再进入油封器6除尘，净化后的高温油气B再进入后端处理工艺，当油封器B含有较多杂质时，开启油封器B底部阀门14，高含渣的膏状液体泥浆E流入送料筒7体内，通过无轴螺旋11再次进入反应釜2碳化气化，从而达到连续进料和自动出气。裂解形成的生物炭D在导流板26的作用下通过第一出料口22，第二电机的无轴螺旋27和第五进料口31进入分离仓8内，当分离仓8底部的生物炭D积聚一定量时，触动料位感应器34，该料位感应器34控制第三电机的转轴36和第三输送机32开始工作，同时开启水冷式冷渣机9和第四输送机33，将分离仓8内部的生物炭D排出，当分离仓8底部的生物炭D少于一定量时，料位感应器34发出信号控制第三电机的转轴36和第三输送机32停止工作。待生物炭D在水冷式冷渣机9和第四输送机33内排干净后，关闭水冷式冷渣机9和第四输送机33。

以上仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。