生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统

本发明属于生物质热化学转化与清洁冶金，具体涉及一种生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统。

背景技术：

1、生物质炭作为可再生碳素材料，替代焦炭用于高炉喷吹具有显著的低碳减排优势。但农林剩余物等木质纤维素原料普遍富含碱金属（k+na），部分草本类原料k含量可达2~5%。碱金属在高炉内循环富集会加剧炉衬侵蚀、催化焦炭粉化并影响铁水质量，因此高炉喷吹用生物质炭通常要求灰分中k+na≤2.0%。

2、然而，现有生物质炭化及脱碱技术仍存在明显不足：脱碱效率低，成本高且缺乏资源化回收。例如，水洗脱碱率有限且耗水处理成本高；酸洗效率高但废液处理复杂、腐蚀设备、成本高；常压炭化碱挥发有限，产物碱含量难达标。因此，亟需一种高效、可控且资源化的碱金属定向调控方法。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的技术问题，本发明提供生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统，旨在解决现有脱碱效率低，成本高且缺乏资源化回收的技术问题。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，包括步骤如下：

3、对生物质原料进行低品位蒸汽预处理，再经固液分离，得到预处理生物质固体与富碱冷凝水；

4、对预处理生物质固体进行高压过热蒸汽炭化，得到低碱生物质炭；

5、其中，低品位蒸汽预处理的温度为60-100℃；

6、高压过热蒸汽炭化时，高压过热蒸汽的压强为2.0-4.0mpa，温度为350-550℃。

7、作为本申请的进一步改进，对生物质原料进行低品位蒸汽预处理前，还包括将生物质原料粉碎至粒径为1-5mm。

8、作为本申请的进一步改进，低品位蒸汽预处理的时间为30-90min，液固质量比为5:1-15:1；低品位蒸汽预处理的热源来自于燃料，燃料包括所述高压过热蒸汽炭化产生的可燃性裂解气和生物质油中的至少一种。

9、作为本申请的进一步改进，固液分离采用压滤或离心，所得预处理生物质固体的含水率为40-60%。

10、作为本申请的进一步改进，高压过热蒸汽炭化包括：在2.0-3.0mpa时，进行第一高压过热蒸汽炭化处理；在3.0-4.0mpa时，进行第二高压过热蒸汽炭化处理。

11、作为本申请的进一步改进，生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统，其特征在于，第一高压过热蒸汽炭化处理的温度为350-400℃，时间为30-40min；

12、第二高压过热蒸汽炭化处理的温度为400-450℃，时间为20-30min。

13、作为本申请的进一步改进，高压过热蒸汽炭化完成后还包括闪爆处理，闪爆处理是将高压过热蒸汽炭化所得物料泄压至常压，再依次进入夹套式闪爆管与旋风分离器；夹套式闪爆管的内壁温度为300-350℃。

14、作为本申请的进一步改进，低碱生物质炭的固定碳含量≥60%，灰分中k、na质量分数总和≤2.0%。

15、作为本申请的进一步改进，还包括对富碱冷凝水进行蒸发结晶处理，蒸发结晶的压力为10-30 kpa，温度为80-100℃，所得碱金属盐产品中含有kcl、k2so4、nacl及na2so4中的至少一种，且碱金属盐的纯度≥85%。

16、第二方面，本申请实施例提供了一种用于实现第一方面所述的方法的生物质碱金属定向调控系统，包括通过管路依次连接的：

17、低品位蒸汽预处理单元，用于执行所述低品位蒸汽预处理；

18、高压过热蒸汽炭化单元，用于执行所述高压过热蒸汽炭化步骤。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1.本申请提供的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统，通过低品位蒸汽预处理定向脱除10~30%的水溶性及离子态碱金属，并在高压过热蒸汽炭化阶段采用“两段压力调控+阶段性排出”方式，先于2.0~3.0mpa下转溶活化使生物质中有机结合态和离子交换态k、na向水溶态、可迁移态转化并排出，再升压至3.0~4.0mpa，促进残余碱金属进一步迁移排出，实现碱金属形态转化、迁移富集与排出的连续协同，最终产品灰分中k+na≤2.0%，固定碳≥60%，粒径d50为0.5~3.0mm，可直接替代化石煤炭用于高炉喷吹，满足绿色冶金对高品质生物质炭的严格要求。

21、2.本申请提供的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法及系统，通过回收富碱冷凝水并蒸发结晶制得kcl、k2so4等高附加值盐产品（纯度≥85%），实现碱金属完全资源化利用并杜绝废液排放；同时构建高温蒸汽-高压炭化-燃烧尾气余热-水热洗脱的梯级热能利用链，使预处理所需低品位热量由炭化尾气余热供给，系统外部燃料依赖度≤20%，并采用模块化并联通道设计实现不停机检修与连续化产出，综合热效率与工程化可行性显著优于现有技术。

1.一种生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，对所述生物质原料进行低品位蒸汽预处理前，还包括将生物质原料粉碎至粒径为1-5mm。

3.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述低品位蒸汽预处理的时间为30-90min，液固质量比为5:1-15:1；和/或，

4.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述固液分离采用压滤或离心方式，所述预处理生物质固体的含水率控制在40-60%。

5.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述高压过热蒸汽炭化的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述第一高压过热蒸汽炭化处理的温度为350-400℃，时间为30-40min；

7.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述高压过热蒸汽炭化完成后，还包括闪爆处理；

8.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，所述低碱生物质炭的固定碳含量≥60%，灰分中k、na质量分数总和≤2.0%。

9.根据权利要求1所述的生物质炭化过程中碱金属定向调控方法，其特征在于，还包括对所述富碱冷凝水的蒸发结晶处理；

10.一种实现权利要求1-9任一项所述方法的生物质碱金属定向调控系统，其特征在于，包括通过管路依次连接的：