本發(fā)明涉及一種制炭方法，特別是一種生物質(zhì)制炭方法。
背景技術(shù)：
由生物質(zhì)制成的炭具有無(wú)煙、無(wú)味、熱值高等特點(diǎn)，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質(zhì)，延長(zhǎng)碳在土壤中的封存時(shí)間，降低溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團(tuán)，可凈化水質(zhì)，吸附土壤中一些常見(jiàn)的環(huán)境污染物如重金屬、農(nóng)藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。同時(shí)，將生物質(zhì)炭化制備成高附加值的炭是改善農(nóng)村環(huán)境、解決生物質(zhì)去路的有效方法之一。
生物質(zhì)炭化爐按照供熱方式分為內(nèi)熱式和外熱式：①內(nèi)熱式是通入一部分空氣，利用生物質(zhì)自身產(chǎn)熱，采用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種組合方式為炭化設(shè)備自身提供所需的熱量。優(yōu)點(diǎn)是不需要外加能源，成本較低，操作簡(jiǎn)單，炭化時(shí)間短，單位容積產(chǎn)炭能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是生物質(zhì)原料消耗較大且溫度不易控制，炭品質(zhì)不如外熱式生產(chǎn)的炭；②外熱式是采用熱傳導(dǎo)的傳熱方式，由外部熱源向炭化爐傳遞熱量。優(yōu)點(diǎn)是炭品質(zhì)高，可靈活控制炭化溫度和加熱速率。缺點(diǎn)是需要消耗外加能源，投資和運(yùn)行成本較高，爐膛溫度始終低于爐壁溫度，不能保證不同形狀和粒徑的原料受熱均勻。
生物質(zhì)炭化爐按照進(jìn)出料方式分為間歇式和連續(xù)式：①間歇式包含管式、窯式，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸料，產(chǎn)能有限。且炭化時(shí)間較長(zhǎng)，溫度不易控制，生物炭品質(zhì)難以把控；②連續(xù)式生物質(zhì)炭化設(shè)備可連續(xù)作業(yè)，有利于工業(yè)化推廣，是生物質(zhì)炭化設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。
另外在生物質(zhì)炭化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的焦油和熱解氣，這些副產(chǎn)物如不加以充分利用，不僅引起環(huán)境污染，而且還造成資源浪費(fèi)、降低能源利用率。
目前，已有的生物炭生產(chǎn)系統(tǒng)都會(huì)至少存在下列問(wèn)題之一：①產(chǎn)能小，難以滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進(jìn)爐等；②爐內(nèi)溫度難以控制，生物炭品質(zhì)難以保證，如豎流式爐等；③對(duì)原料要求高，應(yīng)用范圍受到限制，如回轉(zhuǎn)窯；④能耗大，生產(chǎn)成本高，存在環(huán)境污染。針對(duì)以上問(wèn)題，
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)制炭系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)在生物質(zhì)制炭過(guò)程中采用內(nèi)外聯(lián)合的加熱方式使得碳化溫度和反應(yīng)速率能夠靈活調(diào)節(jié)；本發(fā)明將炭化過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)品焦油和熱解氣進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠捎脙?nèi)外聯(lián)合加熱方式為生物質(zhì)炭化過(guò)程提供熱量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式進(jìn)出料和能量梯級(jí)利用。
發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明提供的生物質(zhì)制炭系統(tǒng)包括生物質(zhì)給料機(jī)、料倉(cāng)、炭化爐、夾套、分離器、燃燒爐、空預(yù)器、除塵器、引風(fēng)機(jī)、煙囪、鼓風(fēng)機(jī)、出料倉(cāng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、啟動(dòng)燃燒室。料倉(cāng)與生物質(zhì)給料機(jī)連通，生物質(zhì)給料機(jī)與炭化爐進(jìn)料口連通；炭化爐外部設(shè)有夾套；炭化爐頂部熱解氣出口與分離器熱解氣進(jìn)口連通；分離器下部為炭粉排出口，炭粉排出口與出料倉(cāng)連通，分離器上部的熱解氣出口與燃燒器的熱解氣進(jìn)口連通；燃燒器的高溫?zé)煔獬隹谂c夾套高溫?zé)煔馊肟谶B通，鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)空預(yù)器與燃燒器的助燃?xì)馊肟谶B通；夾套的煙氣出口分別與空預(yù)器和循環(huán)風(fēng)機(jī)連通；循環(huán)風(fēng)機(jī)與炭化爐內(nèi)部接通，空預(yù)器依次通過(guò)除塵器和引風(fēng)機(jī)最終與煙囪連接；啟動(dòng)燃燒室連接炭化爐。
由于流化床反應(yīng)器傳熱傳質(zhì)速率高、床內(nèi)溫度均勻且容易控制、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行可靠且造價(jià)低、操作彈性范圍寬、單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)能力大，符合現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)需要。流化床反應(yīng)器分為鼓泡流化床及循環(huán)流化床兩種?？紤]到循環(huán)流化床對(duì)床料磨損大，后續(xù)工業(yè)推廣成本高，加上生物質(zhì)密度小，揮發(fā)份含量高，相對(duì)于煤較易制炭，本發(fā)明炭化爐采用鼓泡流化床
本發(fā)明的生物質(zhì)給料機(jī)采用螺旋變頻式生物質(zhì)給料機(jī)，利于連續(xù)進(jìn)料并控制送料速度。
本發(fā)明提供的生物質(zhì)制炭系統(tǒng)工作原理：先將炭化爐啟動(dòng)燃燒室點(diǎn)燃，當(dāng)炭化爐內(nèi)溫度上升到一定溫度范圍的時(shí)候，將啟動(dòng)燃燒室熄滅，并關(guān)閉相應(yīng)的燃料閥門(mén)和送風(fēng)閥門(mén)，此時(shí)，將生物質(zhì)原料放入料倉(cāng)，料倉(cāng)內(nèi)的生物質(zhì)原料進(jìn)入生物質(zhì)給料機(jī)，生物質(zhì)給料機(jī)將生物質(zhì)原料連續(xù)送入炭化爐內(nèi)；生物質(zhì)原料在炭化爐內(nèi)受熱發(fā)生反應(yīng)生成的夾帶炭粉的熱解氣從炭化爐頂部的熱解氣出口排出排出至分離器內(nèi)，并在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了氣固分離，炭粉從分離器下部排出，熱解氣從分離器頂部熱解氣出口排出至燃燒器內(nèi)；熱解氣和未被旋風(fēng)分離器分離下來(lái)的炭粉在燃燒爐內(nèi)充分燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)入炭化爐夾套，對(duì)炭化爐進(jìn)行外加熱，為生物質(zhì)在炭化爐內(nèi)熱解提供一部分熱量。夾套出來(lái)的煙氣分成兩路：①一路通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)返回至炭化爐，煙氣中的氧氣與生物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在炭化爐內(nèi)部放出熱量，為生物質(zhì)炭化提供一部分熱量；②一路進(jìn)入空預(yù)器，對(duì)燃燒爐所需助燃空氣進(jìn)行加熱?？疹A(yù)器出來(lái)的煙氣依次經(jīng)過(guò)除塵器、引風(fēng)機(jī)后，通過(guò)煙囪排空。
有益效果：
(1)本發(fā)明采用內(nèi)外聯(lián)合加熱方式，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒爐出來(lái)的煙氣溫度和流量，控制炭化爐夾套向里面?zhèn)鬟f的熱量；通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒爐出口煙氣的含氧量和進(jìn)入炭化爐的循環(huán)煙氣量，控制炭化爐自身反應(yīng)放熱量。這種內(nèi)外聯(lián)合加熱方式可靈活調(diào)節(jié)炭化溫度和反應(yīng)速率，既能夠保證較高的反應(yīng)速率，又能夠保證生物炭品質(zhì)，獲得較高的產(chǎn)炭率。
(2)本發(fā)明采用鼓泡流化床為炭化爐形式，整個(gè)截面反應(yīng)均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象。生物質(zhì)適用性強(qiáng)，能夠適應(yīng)花生殼、稻殼、玉米芯、木質(zhì)顆粒等顆粒狀燃料和農(nóng)作物秸稈成型燃料。單臺(tái)處理量大，有利于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。
(3)炭化爐產(chǎn)生的可燃組分和焦油作通入燃燒爐，一方面實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，無(wú)能量浪費(fèi)，不依賴(lài)或最大限度的減少依賴(lài)外在能源，實(shí)現(xiàn)將生物質(zhì)變成粉末狀炭，運(yùn)行成本低；另一方面有效解決污染環(huán)境問(wèn)題。
(4)連續(xù)式進(jìn)料和出料，有利于工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。
(5)系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，方便可控，每個(gè)單元設(shè)備都是成熟產(chǎn)品，運(yùn)行安全穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明生物質(zhì)制炭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
物料方面a-冷卻水；b-高溫?zé)煔?；c-熱解氣；d-生物炭；e-底渣；f-啟動(dòng)用燃料(柴油、天然氣或液化石油氣)；g-循環(huán)煙氣；h-飛灰。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的生物質(zhì)制炭系統(tǒng)其料倉(cāng)2與生物質(zhì)給料機(jī)1連通，生物質(zhì)給料機(jī)為變頻調(diào)節(jié)的螺旋給料機(jī)，可以連續(xù)為炭化爐3送入生物質(zhì)原料，并可調(diào)節(jié)給料速度；生物質(zhì)給料機(jī)1與炭化爐3進(jìn)料口連通；炭化爐3外部設(shè)有夾套4，夾套4內(nèi)的高溫?zé)煔庠趭A套4內(nèi)放熱，加熱炭化爐3；炭化爐3頂部熱解氣出口與分離器5熱解氣進(jìn)口連通；分離器5下部為炭粉排出口，炭粉排出口與出料倉(cāng)12連通，分離器5頂部的熱解氣出口與燃燒器6的熱解氣進(jìn)口連通；燃燒器6的高溫?zé)煔獬隹谂c夾套4高溫?zé)煔馊肟谶B通，鼓風(fēng)機(jī)11通過(guò)空預(yù)器7與燃燒器6的助燃?xì)馊肟谶B通；夾套4的煙氣出口分別與空預(yù)器7和循環(huán)風(fēng)機(jī)13連通；循環(huán)風(fēng)機(jī)13與炭化爐13內(nèi)部接通，空預(yù)器7依次通過(guò)除塵器8和引風(fēng)機(jī)9最終與煙囪10連接；啟動(dòng)燃燒室14內(nèi)含有啟動(dòng)燃料，可以加熱炭化爐，對(duì)炭化爐進(jìn)行預(yù)熱。
為了強(qiáng)化換熱效果與，延長(zhǎng)高溫?zé)煔庠趭A套內(nèi)的停留時(shí)間，夾套材質(zhì)采用耐熱鋼0cr25ni20，夾套內(nèi)設(shè)有翅片和導(dǎo)流板。
使用圖1中的生物質(zhì)制炭系統(tǒng)進(jìn)行制炭的過(guò)程如下：
生物質(zhì)種類(lèi)很多，現(xiàn)以小麥秸稈為例。
(a)將啟動(dòng)燃燒室14內(nèi)的啟動(dòng)用燃料點(diǎn)燃，對(duì)炭化爐進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)炭化爐中心溫度穩(wěn)定在300-650℃時(shí)，將生物質(zhì)原料小麥秸稈放入料倉(cāng)2內(nèi)，小麥秸稈水分6.6％、灰分7.9％、揮發(fā)分70.7％、固定碳14.8％；啟動(dòng)生物質(zhì)給料機(jī)1將生物質(zhì)原料送入炭化爐3內(nèi)，此時(shí)將啟動(dòng)燃燒室14熄滅并關(guān)閉相應(yīng)的燃料閥門(mén)和送風(fēng)閥門(mén)；
(b)生物質(zhì)原料在炭化爐3內(nèi)受熱發(fā)生反應(yīng)，炭化爐3為鼓泡流化床，炭化爐3密相區(qū)和稀相區(qū)溫度控制在約420℃，爐內(nèi)微負(fù)壓約-100pa左右，狀態(tài)風(fēng)速約3m/s；由生物質(zhì)原料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的夾帶炭粉的熱解氣從炭化爐3頂部排出進(jìn)入分離器5，在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣固分離，炭粉從分離器5下部的炭粉排出口排出，進(jìn)入出料倉(cāng)12，出料倉(cāng)12下部排出來(lái)的炭的溫度需低于80℃，防止炭與空氣接觸后發(fā)生燃燒。熱解氣和未被分離器5分解下來(lái)的炭粉進(jìn)入燃燒爐6；
(c)啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)11，助燃空氣經(jīng)過(guò)空預(yù)器7進(jìn)入燃燒爐6內(nèi)部，熱解氣和未被分離器5分解下來(lái)的炭粉進(jìn)入燃燒爐6后充分燃燒；燃燒爐內(nèi)溫度控制在800℃左右，低于小麥的燒結(jié)溫度，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂趿靠刂圃?％左右；燃燒爐6出來(lái)的高溫?zé)煔膺M(jìn)入炭化爐夾套4對(duì)炭化爐3進(jìn)行外部加熱，煙氣從夾套4的煙氣出口排出后分成兩路，一路通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)13返回至炭化爐3，煙氣中的氧氣與生物質(zhì)原料發(fā)生反應(yīng)，在炭化爐3內(nèi)部放出熱量，提供一部分生物質(zhì)炭化所需的熱量；另一路進(jìn)入空預(yù)器7，對(duì)燃燒爐6所需的助燃空氣進(jìn)行加熱；
(d)從空預(yù)器7排出的煙氣依次經(jīng)過(guò)除塵器8、引風(fēng)機(jī)9、煙囪10排入到空氣中。