本实用新型涉及生物质热解炭化的技术领域，具体地指一种含碳生物质物料炭化制粉一体化系统。
背景技术：
生物质能源是一种理想的可再生能源，具有以下特点：(1)可再生性；(2)低污染性(生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的SO2、NO2较低，生物质作为燃料时，二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应)；(3)广泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能，所以，利用生物质作为替代能源，对改善大气酸雨环境。减少大气中二氧化碳含量从而减少“温室效应”都有极大的好处。生物质能的低硫和CO2的零排放使生物质成为能源生产的研究热点。
生物质炭化是指将生物质(秸秆：棉花、篦麻、向日葵等植物秆，林业废弃物和木材加工剩余物)通过一定的工艺加工、化学反应生成产品及副产品的过程。生物质在无空气、缺氧的情形下发生的不完全热降解，以生成炭及可冷凝的液体等产物的过程。将低品位的生物质能转换成为高品位能源，常见的途径是对其进行炭化，主要方法有：炭化窑间歇炭化法、封闭闷罐炭化法、干馏法，但是其炭化时间长，自动化程度低，炭化产品质量不高，生产环境恶劣，产品质量严重依赖于工人经验等。现有的回转式炭化炉存在炭化效率低下，结构过于复杂，设备成本过高，经济性较差等缺点，并伴有合成气泄漏引发的气爆、木焦油、木醋酸冷凝堵塞管道等有害状况。
目前生物质制取炭粉的工艺，大多采用原料→烘干→粉碎→炭化→粉碎→包装的工艺路线，其中炭化步骤还采用分三段进行低温、中温、高温炭化，这些炭化制粉技术系统复杂、操作困难、碳损失率高、不节能环保。
技术实现要素：
本实用新型的目的就是要提供一种含碳生物质物料炭化制粉一体化系统，该系统采用炭化和制粉相结合，能实现生物质物料的快速炭化与破碎，而且系统简单、操作容易、环保节能、工业化可靠。
为实现上述目的，本实用新型提供的含碳生物质物料炭化制粉一体化系统，包括炭化制粉装置、第一级分离器、以及第二级分离器，所述炭化制粉装置上设置有生物质进料口、进气口、以及混合料出口，所述炭化制粉装置的混合料出口与第一级分离器的混合料进口连接，所述第一级分离器的出料口与第二级分离器的进料口连接；
所述第一级分离器上还设置有第一炭粉排出口，所述第二级分离器上还设置有第二炭粉排出口和排气口，所述第二级分离器的排气口与炭化制粉装置的进气口连接。
进一步地，所述第一级分离器的出料口与第二级分离器的进料口之间的管路上设置有与外界输送管系相连的第一支路。
进一步地，所述第二级分离器的排气口与炭化制粉装置的进气口之间的管路上设置有第二支路，所述第一支路与第二支路汇合后与外界输送管系相连。
进一步地，所述炭化制粉装置包括壳体和设置在壳体内腔下部的旋流板，所述旋流板的上方设置有可高速旋转的破碎刀具。
进一步地，所述炭化制粉装置的底部设置有用于驱动破碎刀具旋转的驱动电机。
进一步地，所述生物质进料口位于破碎刀具的上方，所述进气口位于旋流板的下方。
进一步地，所述旋流板包括与壳体内壁固定的环形斜板、以及设置在环形斜板内圈的实心平板，所述环形斜板上沿其环向设置有若干个用于供热载气喷出的通孔。
再进一步地，所述进气口与炭化制粉装置的底部外壁圆周相切布置，所述混合料出口与炭化制粉装置的顶部外壁圆周相切布置。
更进一步地，所述第一级分离器为旋风分离器，所述第二级分离器为除尘器。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
其一，本实用新型采用炭化与制粉一体化的系统，能将生物质含碳物料快速干燥、炭化、制粉一体化的处理，系统结构简单、操作可靠、全过程无中间产品的转运，能一体化的快速制取生物质炭粉产品。
其二，本实用新型结合生物质物料受热易挥发及生物质炭易制粉的特点，在热载气的作用下，生物质在炭化制粉装置内，实现炭化、制粉两个步骤优势互补，装置内气流流程分布合理，能源能得到充分应用。
其三，本实用新型采用紊流与旋流相结合的热解炭化方式，并且该装置能有效将生物质炭破碎至2mm以下粒度，且生物质炭微粒热解充分，炭粉质量高。
其四，本实用新型能利用热解气为系统热载气能源的补充，也能结合各种余热作为热解炭化的能量来源，系统节能环保，避免了大量电能等高位能源的消耗。
附图说明
图1为一种含碳生物质物料炭化制粉一体化系统的结构示意图；
图2为图1中沿A-A方向的剖视结构示意图；
图3为图1中沿B-B方向的剖视结构示意图；
图中，炭化制粉装置1(生物质进料口1.1、进气口1.2、混合料出口1.3、壳体1.4、旋流板1.5、环形斜板1.51、实心平板1.52、通孔1.53、破碎刀具1.6、驱动电机1.7)、第一级分离器2(混合料进口2.1、出料口2.2、第一炭粉排出口2.3)、第二级分离器3(进料口3.1、第二炭粉排出口3.2、排气口3.3)、第一支路4.1、第二支路4.2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1～3所示的含碳生物质物料炭化制粉一体化系统，包括炭化制粉装置1、第一级分离器2、以及第二级分离器3。本实施例中，第一级分离器2选用旋风分离器，第二级分离器3选用除尘器。炭化制粉装置1的中部设置有用于供生物质物料进入的生物质进料口1.1，炭化制粉装置1的底部沿外壁切向设置有用于供热载气进入的进气口1.2，炭化制粉装置1的顶部沿外壁切向设置有用于供炭粉和混合气输出的混合料出口1.3；炭化制粉装置1的混合料出口1.3与第一级分离器2的混合料进口2.1连接，第一级分离器2的出料口2.2与第二级分离器3的进料口3.1连接，第一级分离器2上还设置有用于供粗颗粒炭粉排出的第一炭粉排出口2.3，第二级分离器3上还设置有用于供细颗粒炭粉排出的第二炭粉排出口3.2和用于供混合气排出的排气口3.3，第二级分离器3的排气口3.3与炭化制粉装置1的进气口1.2连接。第一级分离器2的出料口2.2与第二级分离器3的进料口3.1之间的管路上设置有第一支路4.1，第二级分离器3的排气口3.3与炭化制粉装置1的进气口1.2之间的管路上设置有第二支路4.2，第一支路4.1与第二支路4.2汇合后与外界输送管系相连。
上述技术方案中，炭化制粉装置1包括壳体1.4和设置在壳体1.4内腔下部的旋流板1.5，旋流板1.5的上方设置有可高速旋转的破碎刀具1.6，炭化制粉装置1的底部设置有用于驱动破碎刀具1.6旋转的驱动电机1.7。生物质进料口1.1位于破碎刀具1.6的上方，进气口1.2位于旋流板1.5的下方。旋流板1.5包括与壳体1.4内壁固定的环形斜板1.51、以及设置在环形斜板1.51内圈的实心平板1.52，环形斜板1.51上沿其环向设置有若干个用于供热载气喷出的通孔1.53。
利用上述含碳生物质物料炭化制粉一体化系统的方法，以含水率为20％的林业木材作为生物质物料为例，包括以下步骤：
1)物料炭化：在高温缺氧条件下，生物质物料(粒径为50～200mm)送入炭化制粉装置1的中部，首先与来自炭化制粉装置1底部喷入从下至上的200～500℃高温的热载气(热载气为二氧化碳、水蒸汽、氮气中的一种或者多种混合)形成物料紊流，生物质物料与热载气进行强烈的气固混合换热发生炭化反应，热载气的来源可以是外部系统余热，也可以是采用热解气循环的燃烧热、炭粉循环的燃烧热、电加热、电磁加热、等离子加热、生物质燃烧热、生物质气化热等多种形式。优选地，优选地，热载气为来自步骤5)第二级气固分离处理后的热解气。由于生物质具有受热易分解的特性，特别是在本装置的该区间内，生物质物料在缺氧的条件下，被快速加热到较高的反应温度，从而引发了大分子的分解，产生了热解气(小分子的可燃气体、可凝性挥发分，如包含一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷、焦油气中一种或多种的混合气体)和生物质炭。生物质物料在以100～200℃/s的升温速率下热解可以得到生物质炭和热解气两种产品，依据生物质物料工业分析中固定碳的含量不同，生物质炭的产量略有不同，本实施例中生物质炭的热解产率为20～35％之间，生物质炭热值为4000～5500kcal/kg之间，气孔率为60～90％之间，反应活性在60～90％之间，是非常好的活性炭及化工反应原料。
2)生物质炭制粉：生物质炭在自重的作用下进入炭化制粉装置1的下部，在炭化制粉装置1的下部旋流区间内500℃以上的高温热载气从旋流板的通孔中高速喷出，环向倾斜布置的通孔，实现气流高速喷出推动生物质炭在底部区间内旋向流动，热载气出口速度在30～100m/s之间，并形成正旋向的物料旋流，推动热解生物质炭在底部形成旋流场，同时，底部旋流段布置有带多层倾角布置的破碎刀具，该破碎刀具能通过旋转轴与外部驱动电机连接，通过驱动电机旋转带动破碎刀具高速旋转，破碎刀具的旋转速率范围为800～20000转/分钟，生物质炭冲击旋流的速率范围为30～100m/s，被旋流推动的生物质炭又被逆向高速旋转的破碎刀具进行切割、撞击而破碎成粒径≤2mm的炭粉(优选为粒径＜1mm的炭粉占90～95％；更优选地，粒径＜0.5mm的炭粉占50～80％)。热载气进入炭化制粉装置1形成的旋流方向与旋转刀片旋转的方向相反，通过高速气流形成的旋流产生的吸引力来强制吸附生物质炭位于炭化制粉装置1的底部区域，形成高浓度的物料聚集场，能在底部区域形成便于生物质炭旋转切割、撞击的破碎场，相比于生物质本身而言，生物质物料由于含有大量的纤维素组分，不易直接制粉，而生物质热解炭化后，形成的生物质炭却具有非常好的破碎特性，在该温度范围内生物质炭质地很脆，破碎容易，不需要进行反复多次的撞击、碾压等破碎形式，所以破碎时对破碎刀具的磨损较少，能耗较低。
3)炭粉换热：破碎后粒径≤2mm的炭粉从炭化制粉装置1下部逸出随气流上升，由于气流速度大于颗粒临界携带速度，炭粉随气流上升又重新进入炭化制粉装置1中部的反应区间形成紊流，在紊流区间内炭粉能再次进行剧烈的传热交换，一方面干燥和炭化新入炉的生物质物料，另一方面炭粉能与物料紊流进行强烈的传热传质交换，部分炭粉能在高水蒸汽环境下进行二次炭化反应，进一步提高颗粒表面的高微孔率，提高炭粉反应活性至90％以上。换热后的含有炭粉的混合气从物料紊流区间内流出进入炭化制粉装置1上部，通过装置上部设置有切向气流引出口，该引出口引导气流进行切向旋流运动，换热后的炭粉继续随气流上升至炭化制粉装置1的上部形成炭粉旋流，进一步发生热交换；同时，将气流中携带的粒径大于2mm的炭粉通过旋流作用，在装置内进行简单气固分离，大粒径颗粒会在旋流及重力双重作用下截留在装置内，从而减少未进行破碎处理的大粒径颗粒的带出，生物质物料从进入炭化制粉装置1经过炭化、制粉、换热至最后随气流逸出，在炭化制粉装置1内的停留时间为30～60s。
4)第一级气固分离：从炭化制粉装置1顶部逸出的炭粉随气流进入第一级分离器2，进行第一级气固分离处理，在第一级分离器2中将混合气携带的粒径小于设定粒径的颗粒物料进行气固分离，分离出粗颗粒炭粉(粒径为1～2mm)，粗颗粒炭粉从第一级分离器2底部引出、收集，而第一级分离器2顶部排出含有细颗粒炭粉(粒径＜1mm)的混合气。
5)第二级气固分离：将含有细颗粒炭粉的混合气分为两部分，第一部分含有细颗粒炭粉的混合气送入第二级分离器3(优选为除尘器，滤芯孔径为0.01mm～0.1mm)，进行第二级气固分离处理，分离出细颗粒炭粉和混合气，收集下细颗粒炭粉，该细颗粒炭粉可以作为打印机粉或水体净化、空气净化、海洋油管泄露海水净化等多种应用场合，而洁净的混合气也可以分为两部分，第一部分混合气被加压泵加压输送，第一部分混合气循环送入步骤1)中进行炭化反应，第二部分混合气与第二部分含有细颗粒炭粉的混合气汇流后应用于加氢液化、气化或者燃烧发电、或者含碳原料化工生产、直接制取液体燃料等工艺。
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。