專利名稱：批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置及方法。
背景技術(shù)：
熱解技術(shù)是近幾年研究較多的生物質(zhì)能源化技術(shù)，即利用生物質(zhì)在無氧狀態(tài)下熱分解裂解為小分子氣體(生物氣)，同時(shí)產(chǎn)生固體(生物炭)、液體(生物油)的技術(shù)。人們將生物質(zhì)置于容器中，向其中連續(xù)通入惰性氣體，排出空氣，使之處于無氧狀態(tài)，然后并同時(shí)對其加熱至350°C至800°C不等，以回收利用能源。
近年來，熱解過程中所產(chǎn)生的固態(tài)殘物生物炭受到人們的高度關(guān)注，因其不僅具有固碳作用，且可作為重金屬或有機(jī)物的吸附劑，以及土壤添加劑增加土壤肥力而成為一種環(huán)境多功能材料。生物炭的制備原理雖然也等同于熱解技術(shù)，但其與生產(chǎn)生物油和生物氣有區(qū)別。制備生物炭的主要目標(biāo)為固碳，以減少溫室氣體的排放。因此，其需要在較低溫度條件下(350 60(TC )制備，且.應(yīng)盡可能減少被氮?dú)狻皵y帶”離開系統(tǒng)的碳，減少碳元素的損失，提高產(chǎn)率。
熱解技術(shù)常用裝置類型有:固定床、流化床、夾帶流、多爐裝置、旋轉(zhuǎn)爐、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、分批處理裝置等。但是，無論是哪種裝置，都遵循一個同樣的基礎(chǔ)，即連續(xù)通入氮?dú)?，使裝置中保持無氧狀態(tài)。而熱解工藝通常需要保持在高溫狀態(tài)下一小時(shí)至幾個小時(shí)的時(shí)間，以較高的流量連續(xù)通入氮?dú)猓瑹o疑會消耗大量氮?dú)狻Ｒ虼?，如果工藝的主要目的是以制備生物炭為目?biāo)，而非得到生物氣，則耗氮量大將制約運(yùn)用該工藝制備生物炭技術(shù)的推廣。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對日前越來越大的生物質(zhì)廢棄物處理處置的需求，和生物炭的應(yīng)用前景，提供一種批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置及方法。本發(fā)明采用一種封閉式帶有開孔的鐵制容器，通過向容器中一次性充入氮?dú)猓萌萜骺跉怏w“只出不進(jìn)”的單相釋壓模式阻礙氧氣進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行生物質(zhì)熱解制備生物炭；該方法是適宜大量制備生物炭的低成本簡易方法，在節(jié)氮的同時(shí)還可提高產(chǎn)率和固碳效果。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明涉及一種批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，所述生物炭制備裝置包括容器、所述容器上方設(shè) 置的至少2個的凸出開孔、與所述凸出開孔個數(shù)相等的蓋子，所述凸出開孔的直徑為2 5cm ;所述蓋子可覆扣在所述凸出開孔上。
優(yōu)選地，所述蓋子的內(nèi)徑較所述凸出開孔的外徑大0.2 0.4cm，所述蓋子可在重力作用下覆扣在所述凸出開孔上。
優(yōu)選地，所述容器和蓋子的材料為鐵或不銹鋼。
優(yōu)選地，所述生物炭制備裝置還包括物料進(jìn)口和液態(tài)生物油排出口 ；在所述生物炭制備裝置內(nèi)物料發(fā)生熱解反應(yīng)期間，所述物料進(jìn)口和液態(tài)生物油排出口均處于封閉狀態(tài)。
優(yōu)選地，所述生物炭制備裝置內(nèi)物料與液態(tài)生物油排出口之間設(shè)有過濾層。
本發(fā)明還涉及一種采用上述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置制備生物炭的方法，包括如下步驟:
A、將待熱解的生物質(zhì)原材料放入所述容器中，通過一個所述凸出開孔向內(nèi)充入氮?dú)猓ㄟ^其余凸出開孔排出空氣；
B、將所述蓋子覆扣上所述凸出開孔，將所述充入氮?dú)獾纳锾恐苽溲b置放于加熱爐中，加熱至350 500°C，保持I 4h ;
C、將所述加熱爐溫度降至室溫，取出所述容器內(nèi)的物質(zhì)，即得所述生物炭。
優(yōu)選地，步驟A中，所述生物質(zhì)原材料為將生物質(zhì)廢棄物干化后破碎至粒徑小于3cm而得的。
優(yōu)選地，步驟A中，所述充入氮?dú)獾臅r(shí)間為8 15min。
優(yōu)選地，步驟B中，所述加熱的速率為18°C.HiirT1。
本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
本發(fā)明主要利用容器開孔可單相釋放壓力而阻礙空氣進(jìn)入的方式，使得生物質(zhì)能夠在一次性充入氮?dú)夂螅萜髦腥钥沙掷m(xù)保持缺氧的氛圍。在充氮?dú)膺^程中，氣體從一個小孔進(jìn)入，將空氣從另一個小孔排出。
在熱處理過程中，溫度從室溫以18°C.HiirT1的速率升高，容器中的氣體在升溫過程中壓力快速上升，同時(shí)伴隨生物質(zhì)中部分易降解有機(jī)物的分解，分解產(chǎn)生煙氣和小分子的有機(jī)氣體。上升的壓力可通過小孔以及其較松的孔蓋釋放，升溫過程中氣流單相向外流出，保持容器壓力與外界大氣壓相同。
當(dāng)溫度上升至設(shè)定溫度并保持恒溫過程中，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部壓力的上升主要由于有機(jī)物質(zhì)分解所產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)，這些物質(zhì)會有少量從開孔溢出以保持系統(tǒng)內(nèi)外壓力平衡。
當(dāng)溫度開始下降時(shí)，容器內(nèi)外溫度同時(shí)下降，松的孔蓋依靠重力扣住小孔，能夠阻礙外界的空氣進(jìn)入系統(tǒng)，仍可使得系統(tǒng)在無氧狀態(tài)下保持內(nèi)外壓力平衡。
相比于連續(xù)通氮?dú)獾臒峤庀到y(tǒng),該系統(tǒng)不僅大幅度節(jié)省氮?dú)?還可大大減少氮?dú)獾牧鲃訉π》肿佑袡C(jī)物組成的廢氣的夾裹攜帶，使得這些含“碳”元素的物質(zhì)仍留在系統(tǒng)中的物料上。有研究報(bào)導(dǎo) ，在冷卻過程中，這些碳化合物有可能再次芳香化形成“二次炭”，使更多的碳被固定在生物炭上，更好的發(fā)揮生物炭的固碳減排作用，同時(shí)提高了生物炭的產(chǎn)率，得到更大比例的固態(tài)組分。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明是一種熱解系統(tǒng)的簡化技術(shù)。對于一些不能產(chǎn)生燃料氣體的含脂肪基團(tuán)非常低的生物質(zhì)如秸桿、樹葉等，主要以制備生物炭和固碳為目的，此簡化可大大減少氮?dú)獾挠昧浚沟么笈恐苽渖锾康某杀靖?；并使得該設(shè)備一次性投資降得很低，運(yùn)行極為簡單易操控。
2、采用批式充氮?dú)獾姆椒ǎ蓽p少含“碳”熱解氣的隨氣流流出，促進(jìn)碳元素的固定于生物炭上，并同時(shí)顯著提高生物炭功能材料的產(chǎn)率。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
圖1為本發(fā)明的一種生物炭制備裝置的結(jié)構(gòu)圖示意圖2為本發(fā)明的另一種生物炭制備裝置的結(jié)構(gòu)示意其中，I為容器、2為凸出開孔、3為端蓋、4為蓋子、5為物料進(jìn)口、6為液態(tài)生物油排出口、7為過濾層、8為電爐、9為溫度控制器、10為物料、11為封蓋。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的生物炭制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括容器1、容器上方設(shè)置的凸出開孔2、容器兩端設(shè)置的端蓋3、蓋子4 ;容器可被設(shè)計(jì)為不同的體積和形狀，取決于生產(chǎn)規(guī)模的需求，通過將端蓋3打開，生物質(zhì)原料可被批式或連續(xù)地填充于該容器I中，之后，閉合端蓋3，使之嚴(yán)格密封與外界空氣隔絕。
從其中一個凸出開孔2中充入氮?dú)?，空氣從另一個凸出開孔2中排出，充氮?dú)獾倪^程持續(xù)一定時(shí)間以上，使之能夠充分將容器內(nèi)空氣排出，之后用蓋子4將凸出開孔2蓋住，置于加熱設(shè)備中升溫至 設(shè)定溫度，在該溫度下維持一定炭化時(shí)間后，降溫，由此實(shí)現(xiàn)生物炭的批式制備。其中容器和蓋子的材料為能夠耐700°C高溫的材料，如鐵、不銹鋼、耐高溫陶瓷、高溫耐火磚等，其中耐高溫陶瓷、高溫耐火磚的耐受溫度高達(dá)2000°C，而制備生物炭的溫度一般不會超過700°C ;因此，結(jié)合設(shè)備成本的考量，該容器和蓋子的材質(zhì)選用鐵或不銹鋼即可。
本實(shí)施例的生物炭制備裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括鐵制容器1、鐵制容器上方設(shè)置的凸出開孔2、鐵制蓋子4、物料進(jìn)口 5、液態(tài)生物油排出口 6、過濾層7和封蓋11，過濾層7設(shè)置在生物炭制備裝置內(nèi)物料與液態(tài)生物油排出口 6之間。使用時(shí)，打開封蓋11，通過物料進(jìn)口 5向鐵制容器I中填入待處理的生物質(zhì)廢棄物(即物料10)，關(guān)閉封蓋11 (該封蓋11可向左右兩側(cè)開啟，合攏時(shí)即可密閉鐵制容器I的上方)，此時(shí)物料進(jìn)口 5和液態(tài)生物油排出口 6(該液態(tài)生物油排出口端部設(shè)有封蓋)均處于封閉狀態(tài)；從其中一個凸出開孔2中充入氮?dú)?，空氣從另一個凸出開孔2中排出，充氮?dú)獾倪^程持續(xù)一定時(shí)間以上，使之能夠充分將鐵制容器I內(nèi)空氣排出，之后用鐵制蓋子4將凸出開孔2蓋住，置于電爐8中，通過溫度控制器9將電爐8升溫至設(shè)定溫度，在該溫度下維持一定炭化時(shí)間后，降溫，由此實(shí)現(xiàn)生物炭的批式制備；熱解過程中如有生物油產(chǎn)生，過濾層7可將生物油和生物炭分離，打開液態(tài)生物油排出口 6，排出生成的生物油即可。采用本實(shí)施例的圖2所示的生物炭制備裝置進(jìn)行熱解反應(yīng)制備生物炭的應(yīng)用見以下實(shí)施例2 6:
實(shí)施例2
取上海市周邊農(nóng)場稻草秸桿，破碎至粒徑小于2cm，將物料置于體積為4L的圓柱形鐵制容器中，從其中一個凸出的直徑為Icm的小孔中充入氮?dú)?，充氮?dú)鈺r(shí)間為lOmin，充完氮?dú)夂?，用便攜式測氧儀(CYS-1)測定容器中的氧含量為3%，系統(tǒng)處于接近無氧環(huán)境。將2個直徑為1.3cm的鐵制小蓋子蓋在小孔上，將容器置于加熱裝置中以18°C ^mirT1的速率分別升溫至350°C和500°C，保持4h，之后降溫至室溫，取出生物炭，稱重，計(jì)算得到生物炭的產(chǎn)率在兩個溫度下分別為48.9%和35.1%，產(chǎn)物中未收集到液態(tài)的生物油。且生物炭為黑色，沒有灰化的成分，證明炭化是在無氧環(huán)境下進(jìn)行。按照該體積的容器連續(xù)通氮?dú)?.5L.rnirT1計(jì)算，4h的熱解過程將消耗120L氮?dú)猓瑑r(jià)值約為160元,而采用該設(shè)備僅消耗氮?dú)饧s5L，價(jià)值約6元。而采用連續(xù)流通氮?dú)庵苽涞纳锾慨a(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為37.6%和28.6%。該設(shè)備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮?dú)獬杀敬蟠蠼档汀?br> 實(shí)施例3
取上海市寶山區(qū)農(nóng)場牛糞，風(fēng)干后敲碎至粒徑為I 3mm，將物料置于體積為4L的圓柱形鐵制容器中，從其中一個凸出的直徑為Icm的小孔中充入氮?dú)?，充氮?dú)鈺r(shí)間為8min，充完氮?dú)夂?，用便攜式測氧儀(CYS-1)測定容器中的氧含量為4%，系統(tǒng)處于接近無氧環(huán)境。將2個直徑為1.3cm的鐵制小蓋子蓋在小孔上，將容器置于加熱裝置中以18°C.mirT1的速率分別升溫至350°C和500°C，保持2h，之后降溫至室溫，取出生物炭，稱重，計(jì)算得到生物炭的產(chǎn)率在兩個溫度下分別為68.9%和60.2%，產(chǎn)物中未收集到液態(tài)的生物油。且生物炭為黑色，沒有灰化的成分，證明炭化是在無氧環(huán)境下進(jìn)行。按照該體積的容器連續(xù)通氮?dú)?.5L.mirT1計(jì)算，2h的熱解過程將消耗60L 氮?dú)?價(jià)值約為80元，而采用該設(shè)備僅消耗氮?dú)饧s4L，價(jià)值約5元。而采用連續(xù)流通氮?dú)庵苽涞纳锾慨a(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為58.6%和52.1%。該設(shè)備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮?dú)獬杀敬蟠蠼档汀?br> 實(shí)施例4
取河北省花生殼，破碎至粒徑小于2cm，將物料置于體積為4L的圓柱形鐵制容器中，從其中一個凸出的直徑為Icm的小孔中充入氮?dú)猓涞獨(dú)鈺r(shí)間為15min，充完氮?dú)夂螅帽銛y式測氧儀(CYS-1)測定容器中的氧含量為2%，系統(tǒng)處于接近無氧環(huán)境。將2個直徑為1.3cm的鐵制小蓋子蓋在小孔上，將容器置于加熱裝置中以18°C -min-1的速率分別升溫至350°C和500°C，保持3h，之后降溫至室溫，取出生物炭，稱重，計(jì)算得到生物炭的產(chǎn)率在兩個溫度下分別為46.7%和35.9%，產(chǎn)物中未收集到液態(tài)的生物油。且生物炭為黑色，沒有灰化的成分，證明炭化是在無氧環(huán)境下進(jìn)行。按照該體積的容器連續(xù)通氮?dú)?.5L.mirT1計(jì)算，3h的熱解過程將消耗90L氮?dú)?，價(jià)值約為120元，而采用該設(shè)備僅消耗氮?dú)饧s7.5L，價(jià)值約10元。而采用連續(xù)流通氮?dú)庵苽涞纳锾慨a(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為38.7%和29.9%。該設(shè)備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮?dú)獬杀敬蟠蠼档汀?br> 實(shí)施例5
取上海市閔行區(qū)生活污水處理廠產(chǎn)生的污泥，干燥至含水率低于5%，研磨破碎至粒徑為I 3_，將物料置于體積為4L的圓柱形鐵制容器中，從其中一個凸出的直徑為Icm的小孔中充入氮?dú)?，充氮?dú)鈺r(shí)間為lOmin，充完氮?dú)夂?，用便攜式測氧儀(CYS-1)測定容器中的氧含量為4%，系統(tǒng)處于接近無氧環(huán)境。將2個直徑為1.3cm的鐵制小蓋子蓋在小孔上，將容器置于加熱裝置中以IfOmirT1的速率分別升溫至350°C和500°C，保持4h，之后降溫至室溫，取出生物炭，稱重，計(jì)算得到生物炭的產(chǎn)率在兩個溫度下分別為47.9%和43.1%,產(chǎn)物中未收集到液態(tài)的生物油。按照該體積的容器連續(xù)通氮?dú)?.5L.mirT1計(jì)算，4h的熱解過程將消耗120L氮?dú)?，價(jià)值約為160元，而采用該設(shè)備僅消耗氮?dú)饧s5L，價(jià)值約6元。而采用連續(xù)流通氮?dú)庵苽涞纳锾慨a(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為39.7%和32.6%。該設(shè)備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮?dú)獬杀敬蟠蠼档汀?br> 實(shí)施例6
取河北省產(chǎn)木屑，粒徑小于1_，將物料置于體積為4L的圓柱形鐵制容器中，從其中一個凸出的直徑為Icm的小孔中充入氮?dú)猓涞獨(dú)鈺r(shí)間為12min，充完氮?dú)夂螅帽銛y式測氧儀(CYS-1)測定容器中的氧含量為5%，系統(tǒng)處于接近無氧環(huán)境。將2個直徑為1.3cm的鐵制小蓋子蓋在小孔上，將容器置于加熱裝置中以18°C ^mirT1的速率分別升溫至350°C和500°C，保持lh，之后降溫至室溫，取出生物炭，稱重，計(jì)算得到生物炭的產(chǎn)率在兩個溫度下分別為36.5%和28.3%，產(chǎn)物中未收集到液態(tài)的生物油。且生物炭為黑色，沒有灰化的成分，證明炭化是在無氧環(huán)境下進(jìn)行。按照該體積的容器連續(xù)通氮?dú)?.5L ^irT1計(jì)算，Ih的熱解過程將消耗30L氮?dú)?價(jià)值約為40元，而采用該設(shè)備僅消耗氮?dú)饧s6L，價(jià)值約8元。而采用連續(xù)流通氮?dú)庵苽涞纳锾慨a(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為30.6%和22.7%。該設(shè)備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮?dú)獬杀敬蟠蠼档汀?br> 以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí) 質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，其特征在于，所述生物炭制備裝置包括容器、所述容器上方設(shè)置的至少2個的凸出開孔、與所述凸出開孔個數(shù)相等的蓋子，所述凸出開孔的直徑為2 5cm ;所述蓋子可覆扣在所述凸出開孔上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，其特征在于，所述蓋子的內(nèi)徑較所述凸出開孔的外徑大0.2 0.4cm，所述蓋子可在重力作用下覆扣在所述凸出開孔上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，其特征在于，所述容器和蓋子的材料為鐵或不銹鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，其特征在于，所述生物炭制備裝置還包括物料進(jìn)口和液態(tài)生物油排出口 ；在所述生物炭制備裝置內(nèi)物料發(fā)生熱解反應(yīng)期間，所述物料進(jìn)口和液態(tài)生物油排出口均處于封閉狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置，其特征在于，所述生物炭制備裝置內(nèi)物料與液態(tài)生物油排出口之間設(shè)有過濾層。
6.一種采用根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置制備生物炭的方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將待熱解的生物質(zhì)原材料放入所述容器中，通過一個所述凸出開孔向內(nèi)充入氮?dú)?，通過其余凸出開孔排出空氣； B、將所述蓋子覆扣上所述凸出開孔，將所述充入氮?dú)獾纳锾恐苽溲b置放于加熱爐中，加熱至350 500°C，保持I 4h ; C、將所述加熱爐溫度降至室溫，取出所述容器內(nèi)的物質(zhì)，即得所述生物炭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備生物炭的方法，其特征在于，步驟A中，所述生物質(zhì)原材料為將生物質(zhì)廢棄物干化后破碎至粒徑小于3cm而得。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備生物炭的方法，其特征在于，步驟A中，所述充入氮?dú)獾臅r(shí)間為8 15min。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備生物炭的方法，其特征在于，步驟B中，所述加熱的速率為 18。。.min 1O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種批式充氮?dú)鈫蜗噌寜旱牡统杀旧锾恐苽溲b置及方法。該制備裝置包括容器、容器上方設(shè)置的至少2個的凸出開孔、與凸出開孔個數(shù)相等的蓋子，凸出開孔的直徑為2～5cm；蓋子覆扣在所述凸出開孔上。制備生物炭時(shí)，將生物質(zhì)原材料放入容器中，通過一個凸出開孔向內(nèi)充入氮?dú)?，通過其余凸出開孔排出空氣；將蓋子扣上凸出開孔，將熱解裝置放于加熱爐中，加熱至350～500℃，保持1～4h，降至室溫，取出所述容器內(nèi)的物質(zhì)，即得所述生物炭。本發(fā)明以批式充氮?dú)獾姆绞酱孢B續(xù)流氮?dú)?，提供了一種可顯著節(jié)省氮?dú)獾纳锾恐苽浞绞?，并可降低“碳”元素的損失，提高生物炭的固碳效應(yīng)，增大生物炭的產(chǎn)率。
文檔編號C10B47/02GK103215054SQ20131008221
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者趙玲, 曹心德, 王群, 李飛躍, 續(xù)曉云, 楊帆 申請人:上海交通大學(xué)