一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉

1.本发明涉及一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉，其资源化生物质的属性，属于生物质资源化利用技术领域。


背景技术：

2.目前生物质能在农村的能源供给中占比为40％左右，且农业废弃物可回收储量达到7.31 亿吨，其中玉米秸秆、稻草和小麦秸秆分别占总储量的30.08％、19.34％和14.56％，除用于工业原料、畜牧饲料，动物粪便用于生产沼气以外，用于生产能源的有3.5亿吨左右，环境和经济效益显著。秸秆处理的成本太高，机械收割留茬较高，影响下一季农作物的播种；科技转化力度不够，缺乏处置技术，秸秆的经济价值难以发挥；同时，对于动物粪便等其他生物质的利用较为原始，例如直接当做肥料使用，但其生物利用率较低，导致资源浪费。
3.近年来各国研究者进行了诸多探索，证实了生物炭在改善土壤结构与理化性质、提高作物产量等方面的重要作用。但是，对于农民而言，将农业生产产生的生物质如何运输出与处理增加了时间和人力成本，取得的经济效益却非常有限，对于农业生产形成了一定的困扰。然而，现在市面上的炭化炉产品，价格从1.2万到6.5万不等，且体积、重量大，移动不方便，对于普通农户来说，既负担不起又不够简易方便。此外，传统的炭化炉转化效率低，农业废弃物进料多，有效产品量少，存在问题有热解不均匀、产炭效率低、炭产品单一、品相较低。
4.根据研究显示，在生物质热解过程中，液态产物木醋液的产量较高，1t生物质原料大约可产出250kg的木醋液。
5.木焦油，主要成分是酚类和酮类物质，预处理后产物都可作为良好的化工原料，用于生产作用和功能不同的化工产品，即功能型制剂，功能型制剂是指能用于明显改善产品某一方面的物理或化学特性的化工制剂，是化工类功能型制剂的简称，比如胶黏剂、阻聚剂、固化剂等。木醋液又被称为植物酸或生物质热解液，来源于生物质热解制炭过程中析出的烟气，木醋液具有强烈烟熏气味，一般为黄褐色或深棕色。木醋液最早作为木材热解制炭过程中的副产物被收集，经过学者们的广泛研究，木醋液的原料逐渐扩大到各种木料、竹子、果树修剪枝、农作物秸秆等生物质。目前，对木醋液和竹醋液的研究和应用都已较为深入和广泛。因此，秸秆木醋液的研究对促进农业的发展具有重要意义，开发秸秆木醋液一方面解决了农业废弃物高效利用的问题；另一方面所制得的秸秆木醋液成分多样，可用于农业产业作为植物生长调节剂、杂草抑制剂等替代化肥和农药，对环境友好，又可促进农民增收。


技术实现要素：

6.本发明提供一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉，在炭化设备生产生物炭的基础上，加设了烟气冷凝设备，不仅可以生产生物炭，在烟气冷凝设备中，炭化
室烟气冷凝后，还可以生产出木焦油、木醋液，一整套的系统可以提高生物质资源化的效率并降低成本，安全可靠的资源化生物质。
7.本发明通过以下技术方案实现：
8.一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉，包括入料口盖1、电机ⅰ2、推板3、导热板4、燃烧室出烟口5、隔板6、空气室7、燃烧室8、炭化室9、生物炭收集室10、带保温层隔板11、舱门12、炭化室出烟口13、保温层15、不锈钢外壳16、冷凝入口18、电机
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28、烟气冷凝设备；
9.炭化室9顶部设入料口，入料口上设入料口盖1，炭化室9下方为燃烧室8，炭化室9与燃烧室8之间设置导热板4，燃烧室8下方为空气室7，燃烧室8与空气室7之间设置隔板6，炭化室9、燃烧室8、空气室7从上往下排列设置，炭化室9、燃烧室8、空气室7的一侧设置生物炭收集室10，且通过带保温层隔板11隔开，炭化室9与生物炭收集室10之间的带保温层隔板11上设舱门12，燃烧室8侧面设置燃烧室出烟口5，炭化室9上方设炭化室出烟口13，炭化室出烟口13连接烟气连接冷凝入口18，冷凝入口18连接烟气冷凝设备，空气室7、燃烧室8、炭化室9外包裹保温层15，保温层外包裹不锈钢外壳16；推板3竖向设置在炭化室9 内，推板3侧面通过连接杆与电机ⅰ2连接，电机ⅰ2为伸缩电机。
10.所述舱门12通过连接钢绳与电机ⅱ28连接，电机ⅱ28为伸缩电机。
11.所述烟气冷凝设备为常规市购烟气冷凝器或组合式烟气冷凝设备，组合式烟气冷凝设备包括木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27，冷凝入口18依次连接木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27。
12.所述燃烧室8、炭化室9、生物炭收集室10、炭化室出烟口13、木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27内设置多个温度传感器14。
13.所述木焦油冷凝室25外设置保温层，木焦油冷凝室25内顶部设置两块竖向挡板ⅰ，底部设置一块竖向挡板ⅰ，顶部和底部的挡板ⅰ交叉设置且高度上重叠，底部的挡板ⅰ两侧与木焦油冷凝室25内壁形成两个木焦油出口20，木焦油冷凝室25内壁设置空心散热层，挡板ⅰ为空心结构，空心散热层和空心结构均与外部空气联通，且在空气入口处设置风机ⅰ。
14.所述木醋液冷凝室26的入烟口连接木焦油冷凝室25的出烟口，木醋液冷凝室26外设置保温层，木醋液冷凝室26内顶部设置三块竖向挡板ⅱ，底部设置两块挡板ⅱ，顶部和底部的挡板ⅱ交叉设置且高度上重叠，两块底部挡板ⅱ之间及两块底部的挡板与木醋液冷凝室26内壁之间形成三个木醋液出口21，木醋液冷凝室26内壁设置空心散热层，挡板ⅱ为空心结构，空心散热层和空心结构均与外部空气联通，且在空气入口处设置风机ⅱ。
15.所述水冷凝室27的入烟口连接木醋液冷凝室26的出烟口，水冷凝室27内顶部设置三块竖向挡板ⅲ，底部设置两块挡板ⅲ，顶部和底部的挡板ⅲ交叉设置且高度上重叠，两块底部挡板ⅲ之间及两块底部挡板ⅲ与水冷凝室27内壁之间形成三个水出口22，水冷凝室27的冷凝后烟气从冷凝后烟气出口23直接排空。
16.本发明炭化室9排出的烟气通过炭化室出烟口-冷凝器接口13，进入烟气处理设备的冷凝入口18，首先进入木焦油冷凝室25，烟气沿冷凝室挡板ⅰ17流动，依次进入木醋液冷凝室26、水冷凝室27，木焦油沿木焦油出口20、木醋液沿木醋液出口21、水沿水出口22排出进行收集。
17.所述保温层为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成。
18.所述木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27内的温度分别控制在250-300℃、 170-250℃、100℃以下。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果是：
20.(1)本发明设置了可移动活塞推板，将炭化室内生物炭推至生物炭收集室，可进行连续烧制，提高生产效率。
21.(2)本发明由于附带烟气处理设备，所以炭化室的烟气进一步被冷凝成木焦油、木醋液等副产品可再利用，避免了以往设备中，只生产生物炭，烟气排入大气，污染环境，浪费资源。
22.(3)本发明炭化设备和烟气处理设备通过温度传感器和风机控制温度，可控制生物炭烧制温度和精准控制烟气处理设备每一阶段温度，烧制不同温度生物炭有相应的作用，烟气处理设备可以在合适的温度进行不同组分的精确冷凝。
23.(4)本发明一体化炭化炉可以使生物炭与木焦油、木醋液的同步生产，生产成本极低，避免了分开生产造成的成本增加，同时提高收益。
24.(5)本发明提供了生物质完全资源化的炭化炉，推广性强，可以应对不同客户需求
附图说明
25.图1为一体化炭化炉炭化部分结构示意图；
26.图2为组合式烟气冷凝设备结构示意图；
27.图3为木焦油冷凝室结构示意图；
28.图4为木醋液冷凝室结构示意图；
29.图5为水冷凝室结构示意图；
30.图中：1-入料口盖；2-电机ⅰ；3-推板；4-导热板；5-燃烧室出烟口；6-隔板；7-空气室；8-燃烧室；9-炭化室；10-生物炭收集室；11-带保温层隔板；12-舱门；13-炭化室出烟口；14-温度传感器；15-保温层；16-不锈钢外壳；17-挡板ⅰ；18-冷凝入口；19-空心散热层；20-木焦油出口；21-木醋液出口；22-水出口；23-冷凝后烟气出口；24-风机ⅰ；25-木焦油冷凝室；26-木醋液冷凝室；27-水冷凝室；28-电机ⅱ。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
32.实施例1
33.一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉，如图1所示，包括入料口盖1、电机ⅰ2、推板3、导热板4、燃烧室出烟口5、隔板6、空气室7、燃烧室8、炭化室9、生物炭收集室10、带保温层隔板11、舱门12、炭化室出烟口13、温度传感器14、保温层15、不锈钢外壳16、冷凝入口18、电机ⅱ28、烟气冷凝设备；
34.炭化室9顶部设入料口，入料口上设入料口盖1，入料口盖1一侧与炭化室9顶部铰接，闭合时，入料口盖1整个紧密压在入料口上，并用插销进行固定(入料口盖1侧面设置插孔，炭化室9设置插销，插销插入插孔进行入料口盖1的固定)，炭化室9下方为燃烧室8，炭化室9与燃烧室8之间设置导热板4，燃烧室8下方为空气室7，空气室7侧面设通风口，燃烧室8与空气室7之间设置隔板6，隔板6为硬质筛网，燃烧室8侧面设置放料门，炭化室9、燃烧室8、
空气室7从上往下排列设置，炭化室9、燃烧室8、空气室7的一侧设置生物炭收集室10，且通过带保温层隔板11隔开，炭化室9与生物炭收集室10之间的带保温层隔板11 上设舱门12，生物炭收集室10侧面设生物炭出口，燃烧室8侧面设置燃烧室出烟口5，炭化室9上方设炭化室出烟口13，炭化室出烟口13连接烟气连接冷凝入口18，冷凝入口18连接烟气冷凝设备，空气室7、燃烧室8、炭化室9外包裹保温层15，保温层15外包裹不锈钢外壳16；推板3竖向设置在炭化室9内，推板3侧面通过连接杆与电机ⅰ2连接，电机ⅰ2为伸缩电机，电机ⅰ2推动推板3左右移动，舱门12通过连接钢绳与电机ⅱ28连接，电机ⅱ28为伸缩电机，电机ⅱ28拉动舱门12开启，燃烧室8、炭化室9、生物炭收集室10、炭化室出烟口13内设置多个温度传感器14，保温层15为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成，烟气冷凝设备为常规市购烟气冷凝器。
35.本实施例炭化炉使用时，将推板3拉到最左边，关闭舱门12，打开入料口盖1，将生物质从入料口放进炭化室9中，关闭入料口盖1，将燃烧材料放入燃烧室8并点燃，开始燃烧，从空气室通风口往空气室7中扇入空气，使燃料持续燃烧，产生热量，对炭化室9内的生物质进行加热炭化，炭化室9内设置温度传感器，当温度达到要求并炭化一定时间之后，炭化完成，停止热解生物质，由电机ⅱ28驱动舱门12，将炭化室9与生物炭收集室10联通，再由电机
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2推动可移动推板3，将生物炭从炭化室9推至生物炭收集室10，待推板3回至原位后，和舱门12关闭后，继续将生物质由入料口盖1放入炭化室9，从而可以实现连续生产，同时保持炭化室9温度不变，减少能源损耗；生物炭收集室10内的温度传感器提示温度降至室温之后，打开侧门收集生物炭。
36.本实施例在生物炭制备的过程中燃烧室8产生的烟气从燃烧室出烟口5出来，燃烧室8 产生的烟气是明火充分燃烧产生，一般不会产生很多有毒气体，可直接排空，炭化室9产生的烟气是不完全燃烧的产物，需要进行处理，炭化室出烟口13将烟气排入常规烟气冷凝器，进行冷凝后进行收集。
37.实施例2
38.一种生物质原位制备生物炭和烟气冷凝一体化炭化炉，如图2、3、4、5所示，在实施例 1的基础上，将常规烟气冷凝器替换为组合式冷凝设备，组合的冷凝设备包括木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27，冷凝入口18依次连接木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27；木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27内设置多个温度传感器，炭化室9排出的烟气通过炭化室出烟口13进入冷凝入口18，然后进入木焦油冷凝室25，烟气沿冷凝室挡板17流动，再依次进入木醋液冷凝室26、水冷凝室27，木焦油冷凝室25、木醋液冷凝室26、水冷凝室27内的温度分别是250-300℃、170-250℃、100℃以下，经过冷凝处理后，木焦油沿木焦油出口20、木醋液沿木醋液出口21、水沿水出口22排出进行收集。
39.木焦油冷凝室25外设置保温层，保温层为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成，木焦油冷凝室25内顶部设置两块竖向挡板ⅰ，底部设置一块竖向挡板ⅰ，顶部和底部的挡板ⅰ交叉设置且高度上重叠，对烟气形成绕行通道，便于烟气冷凝，底部的挡板ⅰ两侧与木焦油冷凝室25内壁形成两个木焦油出口20，木焦油冷凝室25内壁设置空心散热层19，挡板ⅰ为空心结构，空心散热层19和空心结构均与外部空气联通，且在空气入口处设置风机ⅰ24，风机ⅰ24将外部冷空气鼓入空心散热层19和空心结构中，实现冷热空气的交换，持续使用冷空气对木焦油冷凝室25的烟气进行降温冷凝处理。
40.木醋液冷凝室26的入烟口连接木焦油冷凝室25的出烟口，木醋液冷凝室26外设置
保温层，保温层为耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制成，木醋液冷凝室26内顶部设置三块竖向挡板ⅱ，底部设置两块挡板ⅱ，顶部和底部的挡板ⅱ交叉设置且高度上重叠，对烟气形成绕行通道，便于烟气冷凝，两块底部挡板ⅱ之间及两块底部的挡板与木醋液冷凝室26内壁之间形成三个木醋液出口21，木醋液冷凝室26内壁设置空心散热层，挡板ⅱ为空心结构，空心散热层和空心结构均与外部空气联通，且在空气入口处设置风机ⅱ，风机ⅱ将外部冷空气鼓入空心散热层和空心结构中，实现冷热空气的交换，持续使用冷空气对木醋液冷凝室26的烟气进行降温冷凝处理。
41.水冷凝室27的入烟口连接木醋液冷凝室26的出烟口，水冷凝室27内顶部设置三块竖向挡板ⅲ，底部设置两块挡板ⅲ，顶部和底部的挡板ⅲ交叉设置且高度上重叠，对烟气形成绕行通道，便于烟气冷凝，两块底部挡板ⅲ之间及两块底部挡板ⅲ与水冷凝室27内壁之间形成三个水出口22，水冷凝室27的冷凝后烟气出口23直接排空。
42.本实施例炭化炉使用时，将推板3拉到最左边，关闭舱门12，打开入料口盖1，将生物质从入料口放进炭化室9中，关闭入料口盖1，将燃烧材料放入燃烧室8并点燃，开始燃烧，从空气室通风口往空气室7中扇入空气，使燃料持续燃烧，产生热量，对炭化室9内的生物质进行加热炭化，炭化室9内设置温度传感器，当温度达到要求并炭化一定时间之后，炭化完成，停止热解生物质，由电机ⅱ28驱动舱门12，将炭化室9与生物炭收集室10联通，再由电机
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2推动可移动推板3，将生物炭从炭化室9推至生物炭收集室10，待推板3回至原位后，和舱门12关闭后，继续将生物质由入料口盖1放入炭化室9，从而可以实现连续生产，同时保持炭化室9温度不变，减少能源损耗；生物炭收集室10内的温度传感器提示温度降至室温之后，打开侧门收集生物炭。
43.本实施例在生物炭制备的过程中，燃烧室8产生的烟气从燃烧室出烟口5出来，燃烧室8 产生的烟气是明火充分燃烧产生，一般不会产生很多有毒气体，可直接排空，炭化室9产生的烟气是不完全燃烧的产物，需要进行处理，炭化室出烟口13将烟气从冷凝入口18排入木焦油冷凝室25内，烟气沿着挡板ⅰ17流动，启动风机ⅰ24对木焦油冷凝室25内壁的空心散热层和挡板ⅰ的空心结构进行空气交换，继而对木焦油冷凝室25进行降温，当木焦油冷凝室25 内的温度传感器检测到温度到达适合木焦油冷凝的温度区间后，停止风机24工作，冷凝的木焦油沿木焦油出口20流出并进行收集；从木焦油冷凝室25出来的烟气进入木醋液冷凝室26，烟气沿着挡板ⅱ流动，启动风机ⅱ对木醋液冷凝室26内壁的空心散热层和挡板ⅱ的空心结构进行空气交换，继而对木醋液冷凝室26进行降温，当木醋液冷凝室26内的温度传感器检测到温度到达适合木醋液冷凝的温度区间后，停止风机ⅱ工作，冷凝的木醋液沿木醋液出口21流出并进行收集；从木醋液冷凝室26出来的烟气进入水冷凝室27，烟气沿冷凝室挡板ⅲ流动，烟气进一步冷凝之后，从水出口22回收水，剩余烟气从冷凝后烟气出口23直接排空。
44.本实施例的冷凝设备可以分离并收集烟气中木焦油和木醋液，达到冷凝回收的资源充分利用的目的。