本發(fā)明涉及一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)及其制炭方法，適用于生物炭制備。

背景技術(shù)：

近年來，化石燃料日益枯竭，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。生物炭捕捉碳元素相當(dāng)穩(wěn)定，能將碳元素“鎖”在地下數(shù)百年，并讓土壤變得更肥沃；還可以減少二氧化氮和甲烷等溫室氣體的排放，且對(duì)水體中污染物具有吸附作用。

生物炭（biochar）是指生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下形成的穩(wěn)定的富碳固體。研究表明，向土壤中添加生物炭，可改善土壤肥料，促進(jìn)農(nóng)作物生長，同時(shí)，生物炭在土壤中的施用可抑制溫室氣體的釋放，減少農(nóng)藥在土壤中的擴(kuò)散和在動(dòng)植物體內(nèi)的積累。另外，生物炭對(duì)污染物具有吸附作用，向污染水體中添加生物炭可改良水質(zhì)、修復(fù)水體污染。因此，將廢棄生物質(zhì)炭化成生物炭，被認(rèn)為是一種能有效固碳和生物質(zhì)資源化的方法。目前，制備生物炭的裝置較多，如專利“外熱式生物質(zhì)熱解氣化爐及連續(xù)熱解氣化制備木炭的方法”（201110169761.6）對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱解氣化，得到了較高的生物炭產(chǎn)率以及固定碳含量。但該設(shè)備構(gòu)造比較復(fù)雜無形之中增加了制造成本，且采用外熱式進(jìn)行生物炭制備能耗高；專利“一種微型生物炭制備爐”（201410134382.7）、“一種簡(jiǎn)便式生物炭制備裝置”（201502321767.4）、“一種密閉式生物炭制備裝置”（201410087570.9）等所采用的設(shè)備構(gòu)造雖然體積較小，但直接用加熱筒或加熱箱對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱解制炭，能耗高。而且目前國內(nèi)已有的制炭工藝制得的生物炭在熱值、產(chǎn)率和官能團(tuán)方面很難得到更好的控制。其中，生物炭的熱值和產(chǎn)率越高，作為優(yōu)質(zhì)燃料潛能越大；羥基、羧基、醛基和酯基等官能團(tuán)越多，對(duì)污水中重金屬的吸附越有利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)及其制炭方法，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便捷高效。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)，包括空氣發(fā)生器和氣化爐裝置，所述空氣發(fā)生器和氣化爐裝置之間經(jīng)管道連接。

優(yōu)選的，所述空氣發(fā)生器包括經(jīng)管道依次連接的空壓機(jī)、電磁閥、干燥器、調(diào)壓閥以及數(shù)顯流量計(jì)。

優(yōu)選的，所述氣化爐裝置包括立式的反應(yīng)室，所述反應(yīng)室的腔體至上往下依次均勻分布有至少三個(gè)k型熱電偶，k型熱電偶與溫控儀電性連接。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)室的頂部為敞口并經(jīng)限位螺釘連接有敞開式的爐頂。

優(yōu)選的，所述溫控儀的第四端口引線與電磁閥、空壓機(jī)電性連接。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)室底部固連有爐底，所述爐底上設(shè)有與數(shù)顯流量計(jì)連接的爐底氣閥，所述爐底下方由爐底座支撐。

優(yōu)選的，所述爐底與反應(yīng)室之間經(jīng)快速夾緊器進(jìn)行連接，所述快速夾緊器均包括倒u形的夾體，所述夾體的開口上方豎直螺接有螺桿，所述螺桿的底部固設(shè)有上壓頭，所述螺桿的頂部設(shè)有旋轉(zhuǎn)扳手，所述反應(yīng)室的底部與爐底的頂部均設(shè)有連接法蘭，兩相接的連接法蘭夾緊在上壓頭與夾體的下方開口之間。

一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)及其制炭方法，按以下步驟進(jìn)行：

（1）將生物質(zhì)進(jìn)行脫水干燥處理，使生物質(zhì)的含水量降至30wt%以下；

（2）取步驟（1）預(yù)處理后的生物質(zhì)填滿氣化爐裝置的反應(yīng)室；

（3）打開氣化爐裝置底部的爐底氣閥，然后打開空壓機(jī)，調(diào)節(jié)空壓機(jī)出氣閥開度使空氣流量保持在合適的穩(wěn)定流速范圍內(nèi)；

（4）在反應(yīng)室內(nèi)填滿生物質(zhì)，用點(diǎn)火槍在反應(yīng)室上方均勻點(diǎn)燃生物質(zhì)，蓋上敞開式的爐頂，打開溫控儀；

（5）生物質(zhì)自上而下完成炭化反應(yīng)，期間在上位機(jī)上觀察反應(yīng)過程中k型熱電偶的變化曲線，當(dāng)反應(yīng)室最下方的k型熱電偶達(dá)到制炭溫度峰值時(shí)，停止空氣供給，反應(yīng)結(jié)束；

（6）待反應(yīng)室內(nèi)部溫度自然冷卻到室溫時(shí)，將生物炭倒出。

優(yōu)選的，空氣進(jìn)氣量為2～25l/min，所述生物質(zhì)為木質(zhì)類、果核類、殼類等農(nóng)、林業(yè)生物質(zhì)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：該內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)能夠進(jìn)行生物炭的制備，成本低，與傳統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，操作簡(jiǎn)便，特別適合生物炭的生產(chǎn)。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)造示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中快速夾緊器的構(gòu)造示意圖。

具體實(shí)施方式

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。

如圖1~2所示，一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)，包括空氣發(fā)生器1和氣化爐裝置2，所述空氣發(fā)生器和氣化爐裝置之間經(jīng)管道連接。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述空氣發(fā)生器包括經(jīng)管道依次連接的空壓機(jī)3、電磁閥4、干燥器5、調(diào)壓閥6以及數(shù)顯流量計(jì)7。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述氣化爐裝置包括立式的反應(yīng)室8，采用立式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地小，所述反應(yīng)室的腔體至上往下依次均勻分布有至少三個(gè)k型熱電偶9，k型熱電偶與溫控儀10電性連接，溫控儀可根據(jù)不同生物質(zhì)氣化的溫度來控制空壓機(jī)和電磁閥。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述反應(yīng)室的頂部為敞口并經(jīng)限位螺釘11連接有敞開式的爐頂12。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述溫控儀的第四端口引線13與電磁閥、空壓機(jī)電性連接。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述反應(yīng)室底部固連有爐底14，所述爐底上設(shè)有與數(shù)顯流量計(jì)連接的爐底氣閥15，所述爐底下方由爐底座16支撐，爐頂、反應(yīng)室以及爐底均為耐高溫金屬外殼的圓柱形腔體。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述爐底與反應(yīng)室之間經(jīng)快速夾緊器17進(jìn)行連接，拆裝方便，所述快速夾緊器均包括倒u形的夾體18，所述夾體的開口上方豎直螺接有螺桿19，所述螺桿的底部固設(shè)有上壓頭20，所述螺桿的頂部設(shè)有旋轉(zhuǎn)扳手21，所述反應(yīng)室的底部與爐底的頂部均設(shè)有連接法蘭22，兩相接的連接法蘭夾緊在上壓頭與夾體的下方開口之間，所述爐底與反應(yīng)室之間也設(shè)有限位螺釘。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述爐底與反應(yīng)室連接處含有耐高溫密封墊圈，反應(yīng)室外表面設(shè)有隔熱層，爐底與反應(yīng)室連接處含有分隔板，反應(yīng)室外部設(shè)有操作手柄23。

一種內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)及其制炭方法，按以下步驟進(jìn)行：

（1）將生物質(zhì)進(jìn)行脫水干燥處理，使生物質(zhì)的含水量降至30wt%以下；

（2）取步驟（1）預(yù)處理后的生物質(zhì)填滿氣化爐裝置的反應(yīng)室；

（3）打開氣化爐裝置底部的爐底氣閥，然后打開空壓機(jī)，調(diào)節(jié)空壓機(jī)出氣閥開度使空氣流量保持在合適的穩(wěn)定流速范圍內(nèi)，氣化過程的反應(yīng)溫度通過通入的空氣量來控制，其中，通入的空氣量可控制在2～25l/min，在這個(gè)范圍內(nèi)供給的空氣量越小，氣化過程能耗與氣化溫度越低，生物炭產(chǎn)率可高達(dá)近40%，官能團(tuán)可高達(dá)近10種；通入的空氣量越高，氣化過程能耗與氣化溫度越高，生物炭產(chǎn)率越低，官能團(tuán)數(shù)量越少，但生物炭熱值與碳元素含量基本不變；

（4）在反應(yīng)室內(nèi)填滿生物質(zhì)，用點(diǎn)火槍在反應(yīng)室上方均勻點(diǎn)燃生物質(zhì)，蓋上敞開式的爐頂，打開溫控儀，若已知該生物質(zhì)反應(yīng)過程中k型熱電偶的峰值溫度，則可在溫控儀中對(duì)k型熱電偶的峰值溫度進(jìn)行設(shè)定，所設(shè)定的峰值溫度應(yīng)滿足：實(shí)際值-20℃≤設(shè)定值≤實(shí)際值；

（5）生物質(zhì)自上而下完成炭化反應(yīng)，期間在上位機(jī)上觀察反應(yīng)過程中k型熱電偶的變化曲線，當(dāng)反應(yīng)室最下方的k型熱電偶達(dá)到制炭溫度峰值時(shí)（不同生物質(zhì)在不同空氣流量下，對(duì)應(yīng)的峰值溫度范圍為：400～1000℃），電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給，反應(yīng)結(jié)束；

（6）待反應(yīng)室內(nèi)部溫度自然冷卻到室溫時(shí)，將生物炭倒出，制得的生物炭產(chǎn)率可達(dá)到38%以上，碳元素含量可到達(dá)95%以上，熱值可到達(dá)到26mj/kg以上，產(chǎn)炭能耗可低至0.5kwh/kg。

在本發(fā)明實(shí)施例中，空氣進(jìn)氣量為2～25l/min，所述生物質(zhì)為木質(zhì)類、果核類、殼類等農(nóng)、林業(yè)生物質(zhì)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，氣化過程利用生物質(zhì)本身燃燒熱為氣化過程提供熱源，制得生物炭。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)低能耗的制炭工藝，且生物炭的熱值達(dá)到了高熱值煤（24.01～27.00mj/kg）甚至特高熱值煤（大于27.00mj/kg）水平，碳元素含量高，炭產(chǎn)率高，且官能團(tuán)多，因此，制得的生物炭品質(zhì)好。

具體實(shí)施過程：

實(shí)施例一：

粒徑為5～15mm、含水量為11.68wt%的松木屑，在空氣流速為20l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為669℃。

將粒徑為5-15mm、含水量為11.68wt%的松木屑從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使松木屑填滿整個(gè)反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為20l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為659℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為659℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為19.67%，碳元素含量為98.52%，熱值為28.75mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為3.57kwh，主要含有羧基官能團(tuán)。

實(shí)施例二：

粒徑為5～15mm、含水量為11.68wt%的松木屑，在空氣流速為10l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為596℃。

將粒徑為5-15mm、含水量為11.68wt%的木屑從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使木屑填滿整個(gè)反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為10l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為586℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為586℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為26.3%，碳元素含量為98.33%，熱值為28.36mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為1.32kwh，主要含有羧基官能團(tuán)。

實(shí)施例三：

粒徑為5～15mm、含水量為11.68wt%的木屑，在空氣流速為4l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為487℃。

將粒徑為5-15mm、含水量為11.68wt%的木屑從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使木屑填滿整個(gè)反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為4l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為477℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為477℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為39.2%，碳元素含量為98.27%，熱值為28.25mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為0.5kwh，主要含有羥基和羧基官能團(tuán)。

實(shí)施例四：

粒徑為15～25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼，在空氣流速為20l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為750℃。

將粒徑為15-25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使荔枝殼填滿整個(gè)反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為20l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min左右，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為740℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為740℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為19.05%，碳元素含量為96.73%，熱值為26.93mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為3.22kwh，主要含有羧基官能團(tuán)。

實(shí)施例五：

粒徑為15～25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼，在空氣流速為10l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為684℃。

將粒徑為15-25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使荔枝殼填滿整個(gè)反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為10l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min左右，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為674℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為674℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為25.00%,碳元素含量為96.42%，熱值為26.84mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為1.07kwh，主要含有羧基官能團(tuán)。

實(shí)施例六：

粒徑為15～25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼，在空氣流速為4l/min條件下，最下方的k型熱電偶峰值溫度為563℃。

將粒徑為15-25mm、含水量為11.01wt%的荔枝殼從氣化爐裝置的反應(yīng)室頂部送入反應(yīng)室內(nèi)，使荔枝殼填滿整個(gè)氣化爐反應(yīng)室。調(diào)節(jié)空壓機(jī)的空氣流速為4l/min，然后在填滿生物質(zhì)的反應(yīng)室上方用點(diǎn)火槍均勻點(diǎn)燃1min左右，蓋上爐頂，開始反應(yīng)。設(shè)定溫控儀中最下方的k型熱電偶峰值溫度為553℃，當(dāng)最下方的k型熱電偶峰值溫度為553℃時(shí)，空壓機(jī)和電磁閥關(guān)閉，停止空氣供給反應(yīng)結(jié)束。待自然冷卻至室溫時(shí)，將生物炭倒出。得到生物炭產(chǎn)率為38.60%,碳元素含量為96.21%，熱值為26.78mj/kg，產(chǎn)每千克生物炭耗能為0.5kwh，主要含有羥基和羧基官能團(tuán)。

本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可以得出其他各種形式的內(nèi)熱式生物質(zhì)氣化制炭系統(tǒng)及其制炭方法。凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。