專利名稱：批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及環(huán)境工程技術領域，具體涉及一種批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置及方法。
背景技術：
熱解技術是近幾年研究較多的生物質能源化技術，即利用生物質在無氧狀態(tài)下熱分解裂解為小分子氣體(生物氣)，同時產(chǎn)生固體(生物炭)、液體(生物油)的技術。人們將生物質置于容器中，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注，因其不僅具有固碳作用，且可作為重金屬或有機物的吸附劑，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，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.應盡可能減少被氮氣“攜帶”離開系統(tǒng)的碳，減少碳元素的損失，提高產(chǎn)率。
熱解技術常用裝置類型有:固定床、流化床、夾帶流、多爐裝置、旋轉爐、旋轉錐反應器、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，即連續(xù)通入氮氣，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)下一小時至幾個小時的時間，以較高的流量連續(xù)通入氮氣，無疑會消耗大量氮氣。因此，如果工藝的主要目的是以制備生物炭為目標，而非得到生物氣，則耗氮量大將制約運用該工藝制備生物炭技術的推廣。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對日前越來越大的生物質廢棄物處理處置的需求，和生物炭的應用前景，提供一種批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置及方法。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氣，利用容器口氣體“只出不進”的單相釋壓模式阻礙氧氣進入系統(tǒng)進行生物質熱解制備生物炭；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方案來實現(xiàn)的:
本發(fā)明涉及一種批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，所述生物炭制備裝置包括容器、所述容器上方設 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口和液態(tài)生物油排出口 ；在所述生物炭制備裝置內物料發(fā)生熱解反應期間，所述物料進口和液態(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物料與液態(tài)生物油排出口之間設有過濾層。
本發(fā)明還涉及一種采用上述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置制備生物炭的方法，包括如下步驟:
A、將待熱解的生物質原材料放入所述容器中，通過一個所述凸出開孔向內充入氮氣，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，將所述充入氮氣的生物炭制備裝置放于加熱爐中，加熱至350 500°C，保持I 4h ;
C、將所述加熱爐溫度降至室溫，取出所述容器內的物質，即得所述生物炭。
優(yōu)選地，步驟A中，所述生物質原材料為將生物質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，所述充入氮氣的時間為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入的方式，使得生物質能夠在一次性充入氮氣后，容器中仍可持續(xù)保持缺氧的氛圍。在充氮氣過程中，氣體從一個小孔進入，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，同時伴隨生物質中部分易降解有機物的分解，分解產(chǎn)生煙氣和小分子的有機氣體。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。
當溫度上升至設定溫度并保持恒溫過程中，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時內部壓力的上升主要由于有機物質分解所產(chǎn)生的氣態(tài)物質，這些物質會有少量從開孔溢出以保持系統(tǒng)內外壓力平衡。
當溫度開始下降時，容器內外溫度同時下降，松的孔蓋依靠重力扣住小孔，能夠阻礙外界的空氣進入系統(tǒng)，仍可使得系統(tǒng)在無氧狀態(tài)下保持內外壓力平衡。
相比于連續(xù)通氮氣的熱解系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅大幅度節(jié)省氮氣,還可大大減少氮氣的流動對小分子有機物組成的廢氣的夾裹攜帶，使得這些含“碳”元素的物質仍留在系統(tǒng)中的物料上。有研究報導 ，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。對于一些不能產(chǎn)生燃料氣體的含脂肪基團非常低的生物質如秸桿、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氣的用量，使得大批量制備生物炭的成本更低；并使得該設備一次性投資降得很低，運行極為簡單易操控。
2、采用批式充氮氣的方法，可減少含“碳”熱解氣的隨氣流流出，促進碳元素的固定于生物炭上，并同時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施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
圖1為本發(fā)明的一種生物炭制備裝置的結構圖示意圖2為本發(fā)明的另一種生物炭制備裝置的結構示意其中，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。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
實施例1
本實施例的生物炭制備裝置的結構示意圖如圖1所示，包括容器1、容器上方設置的凸出開孔2、容器兩端設置的端蓋3、蓋子4 ;容器可被設計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，使之嚴格密封與外界空氣隔絕。
從其中一個凸出開孔2中充入氮氣，空氣從另一個凸出開孔2中排出，充氮氣的過程持續(xù)一定時間以上，使之能夠充分將容器內空氣排出，之后用蓋子4將凸出開孔2蓋住，置于加熱設備中升溫至 設定溫度，在該溫度下維持一定炭化時間后，降溫，由此實現(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2000°C，而制備生物炭的溫度一般不會超過700°C ;因此，結合設備成本的考量，該容器和蓋子的材質選用鐵或不銹鋼即可。
本實施例的生物炭制備裝置的優(yōu)選結構如圖2所示，包括鐵制容器1、鐵制容器上方設置的凸出開孔2、鐵制蓋子4、物料進口 5、液態(tài)生物油排出口 6、過濾層7和封蓋11，過濾層7設置在生物炭制備裝置內物料與液態(tài)生物油排出口 6之間。使用時，打開封蓋11，通過物料進口 5向鐵制容器I中填入待處理的生物質廢棄物(即物料10)，關閉封蓋11 (該封蓋11可向左右兩側開啟，合攏時即可密閉鐵制容器I的上方)，此時物料進口 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中充入氮氣，空氣從另一個凸出開孔2中排出，充氮氣的過程持續(xù)一定時間以上，使之能夠充分將鐵制容器I內空氣排出，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升溫至設定溫度，在該溫度下維持一定炭化時間后，降溫，由此實現(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。采用本實施例的圖2所示的生物炭制備裝置進行熱解反應制備生物炭的應用見以下實施例2 6:
實施例2
取上海市周邊農場稻草秸桿，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的小孔中充入氮氣，充氮氣時間為lOmin，充完氮氣后，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)境下進行。按照該體積的容器連續(xù)通氮氣0.5L.rnirT1計算，4h的熱解過程將消耗120L氮氣，價值約為160元,而采用該設備僅消耗氮氣約5L，價值約6元。而采用連續(xù)流通氮氣制備的生物炭產(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為37.6%和28.6%。該設備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮氣成本大大降低。
實施例3
取上海市寶山區(qū)農場牛糞，風干后敲碎至粒徑為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的小孔中充入氮氣，充氮氣時間為8min，充完氮氣后，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)境下進行。按照該體積的容器連續(xù)通氮氣0.5L.mirT1計算，2h的熱解過程將消耗60L 氮氣,價值約為80元，而采用該設備僅消耗氮氣約4L，價值約5元。而采用連續(xù)流通氮氣制備的生物炭產(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為58.6%和52.1%。該設備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮氣成本大大降低。
實施例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的小孔中充入氮氣，充氮氣時間為15min，充完氮氣后，用便攜式測氧儀(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)境下進行。按照該體積的容器連續(xù)通氮氣0.5L.mirT1計算，3h的熱解過程將消耗90L氮氣，價值約為120元，而采用該設備僅消耗氮氣約7.5L，價值約10元。而采用連續(xù)流通氮氣制備的生物炭產(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為38.7%和29.9%。該設備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮氣成本大大降低。
實施例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的小孔中充入氮氣，充氮氣時間為lOmin，充完氮氣后，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)通氮氣0.5L.mirT1計算，4h的熱解過程將消耗120L氮氣，價值約為160元，而采用該設備僅消耗氮氣約5L，價值約6元。而采用連續(xù)流通氮氣制備的生物炭產(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為39.7%和32.6%。該設備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮氣成本大大降低。
實施例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的小孔中充入氮氣，充氮氣時間為12min，充完氮氣后，用便攜式測氧儀(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)境下進行。按照該體積的容器連續(xù)通氮氣0.5L ^irT1計算，Ih的熱解過程將消耗30L氮氣,價值約為40元，而采用該設備僅消耗氮氣約6L，價值約8元。而采用連續(xù)流通氮氣制備的生物炭產(chǎn)率在350°C和500°C條件下分別約為30.6%和22.7%。該設備不僅提高了生物炭的產(chǎn)率，且使氮氣成本大大降低。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實 質內容。
權利要求
1.一種批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，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)權利要求1所述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，其特征在于，所述蓋子的內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)權利要求1所述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，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)權利要求1所述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，其特征在于，所述生物炭制備裝置還包括物料進口和液態(tài)生物油排出口 ；在所述生物炭制備裝置內物料發(fā)生熱解反應期間，所述物料進口和液態(tài)生物油排出口均處于封閉狀態(tài)。
5.根據(jù)權利要求4所述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置，其特征在于，所述生物炭制備裝置內物料與液態(tài)生物油排出口之間設有過濾層。
6.一種采用根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的批式充氮氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置制備生物炭的方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將待熱解的生物質原材料放入所述容器中，通過一個所述凸出開孔向內充入氮氣，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，將所述充入氮氣的生物炭制備裝置放于加熱爐中，加熱至350 500°C，保持I 4h ; C、將所述加熱爐溫度降至室溫，取出所述容器內的物質，即得所述生物炭。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備生物炭的方法，其特征在于，步驟A中，所述生物質原材料為將生物質廢棄物干化后破碎至粒徑小于3cm而得。
8.根據(jù)權利要求6所述的制備生物炭的方法，其特征在于，步驟A中，所述充入氮氣的時間為8 15min。
9.根據(jù)權利要求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氣單相釋壓的低成本生物炭制備裝置及方法。該制備裝置包括容器、容器上方設置的至少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，將生物質原材料放入容器中，通過一個凸出開孔向內充入氮氣，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，取出所述容器內的物質，即得所述生物炭。本發(fā)明以批式充氮氣的方式代替連續(xù)流氮氣，提供了一種可顯著節(jié)省氮氣的生物炭制備方式，并可降低“碳”元素的損失，提高生物炭的固碳效應，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