一种提高碳材料产率的装置的制作方法

本实用新型涉及生物质热裂解
技术领域：
，具体涉及方法一种提高碳材料产率的装置。
背景技术：
：生物质是目前唯一的可持续的碳资源，我国有巨大的生物质能储量，发展潜力巨大，但当前的利用率仍然很低。因此，实现生物质热裂解转为高产率碳材料，对提高生物质利用率有重要的意义。生物质中含有丰富的纤维素，半纤维素以及木质素等等这些具有芳香性的高分子聚合物。生物质的热裂解过程可以分为三个阶段：自由水的挥发，挥发分(生物油和气体)析出和深度热裂解，过程相对复杂，可以看作是生物质内化学键的接连不断的断裂与重组的过程。以木质素为例，在裂解初期，木质素中芳环上支链的官能团断裂，生成脂肪族物质，经过冷却后收集起来(即生物油)，随着裂解加剧(温度升高)，比较稳定的苯环也发生断键，这样大分子结构降解为小分子并进一步重组。在宏观上，生物质比如木质素，经过热裂解，可以形成微观形貌成球状或半球状，表面存在大量孔隙的结构。人们可以通过这种热裂解过程即可得到生物质前驱体自然形态的碳材料，其应用领域比较广泛，可以用于电催化，电池，工业催化等领域，还可以可用于肥沃土地提高产量并且可以降低21％的碳排放量，以及作为活性炭吸附贵金属或者抗生素等，所以制备生物焦不仅能够变废为宝还能降低人类的碳排放。生物质的裂解按照升温速率分为快速裂解和慢速裂解，慢速裂解时间长，而且残炭率不高，工业上使用慢速裂解制备碳产率不超过30％，原因是裂解过程中产生的沸点较低的液体(生物油)和气体无法全部固定在固体的生物焦中；而快速裂解虽然需要的时间短但产碳率更低，一般焦产率在20％左右，原因是裂解产生的挥发分并没有与生物质焦发生充分的反应。现有的技术手段限制了碳材料的收率的提高，也使得人们无法充分利用生物质中全部的碳元素。现有的生物焦一般作为制备生物油的副产物得到。提高生物焦的产率不仅能够扩大生物焦的应用，还能降低碳排放量。所以需要一种提高碳材产率的装置，利用该装置制备生物焦来提高碳材产率。技术实现要素：针对上述现有技术，本实用新型的目的是提供一种提高碳材料产率的装置。本实用新型的装置可使沸点较低的生物油原位聚合在生物质焦的表面，极大的提高生物质碳材料的收率和含碳量，且操作安全简便，适于工业化应用。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：本实用新型的第一方面，提供一种提高碳材料产率的装置，包括第一反应装置，所述第一反应装置与第一冷凝管连接，所述第一冷凝管的上方设有第二反应装置，所述第二反应装置与第二冷凝管连接；所述第一反应装置包括第一反应器，所述第一反应器外设有第一加热装置，所述第一反应器的顶部与第一冷凝管密封连接；所述第二反应装置包括第二反应器，所述第二反应器外设有第二加热装置，第一冷凝管的内管与第二反应器密封连接；所述第二反应器的顶部与第二冷凝管密封连接；第二冷凝管的内管顶部分别设有第一保护气体入口和排气口。优选的，所述第一反应器与第一加热装置之间填充保温棉；所述第二反应器与第二加热装置之间填充保温棉。优选的，所述第一冷凝管的内管与第二反应器之间设有第二保护气体入口。优选的，所述第一冷凝管的上部设有第一冷凝剂出口，下部设有第一冷凝剂入口；所述第二冷凝管的上部设有第二冷凝剂出口，下部设有第二冷凝剂入口。优选的，所述第一冷凝管的内管与第二冷凝管的内管通过至少一根气体导管连接。优选的，所述气体导管的两端分别设有第一球阀和第二球阀。第一球阀和第二球阀的作用有两个：1.第一球阀和第二球阀可以根据反应情况或反应程度进行调控，可以全打开、全关闭或者部分打开，以控制回流物质的流速。2.反应开始升温时，第一球阀和第二球阀都关闭，防止挥发分从气体导管走，当挥发分上升到第二冷凝管(即第二冷凝管内出现液滴时)时第一球阀和第二球阀都打开。优选的，所述气体导管为金属管。金属管便于弯折，便于改变形状。可以根据气体的回流情况对金属管的形状进行调整。第一反应器的顶部与第一冷凝管密封连接，第二反应器的顶部与第二冷凝管密封连接，密封连接可以通过密封装置(如密封塞等)或密封处理(如绑生胶带，高温胶带等)实现。本实用新型的第二方面，提供上述装置在提高碳材产率中的应用。本实用新型的第三方面，提供上述装置提高碳材产率的方法，包括以下步骤：(1)将原料用蒸馏水洗涤，干燥后打碎过筛；(2)将步骤(1)过筛后的原料放入第一反应器内，将保护气体通入第一保护气体入口和第二保护气体入口，30min后将第一保护气体入口和第二保护气体入口密封，向第一冷凝管和第二冷凝管通冷凝剂，打开第一加热装置和第二加热装置，第一加热装置的加热温度为200-600℃，第二加热装置的温度为100-450℃，保温0-10h；(3)待第一反应装置和第二反应装置冷却到室温后，将产物干燥，称重，计算固体收率。优选的，所述原料选自树皮，树干，树叶，草类，坚果果壳，水果果皮，苹果杆，竹竿，稻草秸秆，海藻，家畜粪便，工业树脂，塑料瓶、煤炭、污泥中的至少一种。优选的，所述保护气体选自氮气，氩气，氦气，二氧化碳中的一种。优选的，所述冷凝剂选自冷却水、冷却油、冷却溶剂或冷却空气。优选的，所述第一加热装置和第二加热装置的升温速率均为1～20℃/min。本实用新型的有益效果：(1)本实用新型的装置可以使沸点较低的生物油原位聚合在生物质焦的表面，极大的提高生物质碳材料的收率、含碳量。(2)采用本实用新型的方法制备得到的生物焦含碳量高，做烧烤碳热值高，做活性炭吸附能力强；应用于各领域中，碳材的质量都高于现有技术制备的碳材。(3)本实用新型的装置简单，操作简便安全，适于大规模生产，能够适于工业应用。附图说明图1为本实用新型提高碳材料产率的装置的结构示意图；其中：1.第一反应装置，2.第一冷凝管，3.第二反应装置，4.第二冷凝管，5.第一保护气体入口，6.气体导管，61.第一球阀，62.第二球阀，11.第一反应器，12.第一加热装置，13.保温棉，21.第一冷凝剂入口，22.第一冷凝剂出口，23.第一冷凝管的内管，31.第二反应器，32.第二加热装置，41.第二冷凝剂入口，42.第二冷凝剂出口，43.第二冷凝管的内管，44.排气口，51.第二保护气体入口。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。正如
背景技术：
部分介绍的，生物质热裂解一般得到三种产物，生物油、气体和生物焦。生物油可以继续深加工做燃料，气体可以用于供热，生物焦的应用最为广泛，碳含量高的生物焦经过处理还可以做石墨烯，活性炭等的原料。而现有技术制备的生物油非常不稳定，收集后生物油会发生一系列反应，使其不能作为燃料使用，所以现阶段生物油的发展受到很大限制。生物焦性质稳定适于大范围应用，但不管采用快速裂解还是慢速裂解的方法，制备的生物焦收率低，且含碳量不高。基于此，本实用新型的目的是提供一种提高碳材料产率的装置。包括第一反应装置1，所述第一反应装置1与第一冷凝管2连接，所述第一冷凝管2与第二反应装置3连接，所述第二反应装置3与第二冷凝管4连接；所述第一反应装置1包括第一反应器11，所述第一反应器11外设有第一加热装置12，所述第一反应器11的顶部与第一冷凝管2密封连接；所述第二反应装置3包括第二反应器31，所述第二反应器31外设有第二加热装置32，第一冷凝管的内管23与第二反应器31密封连接；所述第二反应器31的顶部与第二冷凝管4密封连接；第二冷凝管的内管43顶部分别设有第一保护气体入口5和排气口44。所述第一反应器11与第一加热装置12之间填充保温棉13；所述第二反应器31与第二加热装置32之间填充保温棉13。所述第一冷凝管的内管23与第二反应器31之间设有第二保护气体入口51。所述第一冷凝管2的上部设有第一冷凝剂出口22，下部设有第一冷凝剂入口21；所述第二冷凝管4的上部设有第二冷凝剂出口42，下部设有第二冷凝剂入口41。所述第一冷凝管的内管23与第二冷凝管的内管43通过至少一根气体导管6连接。所述气体导管的两端分别设有第一球阀61和第二球阀62。所述气体导管6为金属管。采用本实用新型的装置制备碳材时，加热开始后，首先在第一反应器11中有裂解反应发生，有少量冲到第一冷凝管2的蒸汽在第一冷凝管2的下端凝聚成液滴，这些液滴主要是无色透明的，然后慢慢流回第一反应器11。温度较低时主要是自由水的挥发，不涉及含碳有机物的反应，且自由水回流到第一反应器11并不会与原料进一步发生聚合。随着温度继续升高到300℃，开始有大量的蒸汽冲到第一冷凝管2，并成股流下，这些回流的液体是透明的淡黄色，未冷凝的气体挥发分进入第二反应器31，其中第二反应器31的温度设定在100-450℃。温度升高，原料开始裂解，原料中木质素的芳环上支链的官能团断裂，生成脂肪族物质，经过冷凝回流到第一反应器11，与裂解后的原料发生聚合反应。其中，回流的脂肪族物质以醛类，羟基醛类，低碳酸类为主，第一反应器11内的固体含有芳香结构的化学品，例如酚类，含苯环的醛类等等，回流的物质与其发生的反应主要有羟醛缩合，或者亲电加成(例如低碳链的醛类和酚类)引发的聚合反应。此外，对于没有来得及冷凝下来的挥发分会进入第二反应器31，继续发生聚合反应，生成的产物流回至第一反应器11，第二反应器31中是未来得及反应的挥发分继续发生聚合反应，沸点低的小分子聚合生成高沸点的大分子，流回第一反应器11。第二反应器31的作用有两个：(1)让没有回流到第一反应器11中的物质在第二反应器31继续反应；(2)若用太长的冷凝管，则有些聚合的大分子产物会冷却在第二冷凝管的内管43管壁上无法流回至第一反应器11，在冷凝管之间加上第二反应器31也是通过加热使得高沸点的聚合的大分子产物顺利流回第一反应器11，便于收集。随着反应温度继续升高，裂解加剧，大量蒸汽冲上第一冷凝管2和第二冷凝管4，并有黄褐色液体回流。温度升高，比较稳定的苯环也发生断键，这样大分子结构降解为小分子并进一步发生聚合反应，最后得到的碳材收率和含碳量都非常高。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。本实用新型实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。实施例1将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以20℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是62.7％。实施例2将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以2℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是63.6％。实施例3将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以5℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是61.0％。实施例4将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是68.3％。实施例5将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入氩气，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是65.9％。实施例6将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入氦气，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是64.6％。实施例7将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入氮气，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是65.1％。实施例8将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，冷凝管内通空气，反应器内通二氧化碳30min后密封，1℃/min升到450℃，保温2h。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是56.4％。实施例9将猪粪100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热，待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是61.2％。实施例10将夏威夷果皮用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是62.9％。实施例11将海藻用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是55.4％。实施例12将煤炭用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是51.5％。实施例13将塑料瓶用蒸馏水洗涤后，剪成小块后，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温6h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是33.4％。实施例14将污泥在100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是30.2％。实施例15将椰子壳用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入第一反应器内，第一冷凝管和第二冷凝管内通冷却水，第一保护气体入口和第二保护气体入口通入二氧化碳，30min后停止，第一反应器和第二反应器以1℃/min升到450℃，保温2h后停止加热。待第一反应器和第二反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是61.2％。对比例1将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入反应装置内，反应装置采用实施例1中的第一反应装置，通二氧化碳30min后停止，20℃/min升到450℃，保温2h。待第一反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是34.5％。对比例2将杨木用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入去掉第二反应装置的实施例1的装置，通二氧化碳30min后停止，20℃/min升到450℃，保温2h。待第一反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是39.8％。对比例3将椰子壳用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入反应装置内，反应装置采用实施例1中的第一反应装置，通二氧化碳30min后停止，1℃/min升到450℃，保温2h。待第一反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是31.9％。对比例4将椰子壳用蒸馏水洗涤后，100℃干燥12h，冷却到室温后打碎过筛选80目-100目的颗粒，称取4.0g筛选的颗粒放入去掉第二反应装置的实施例1的装置，通二氧化碳30min后停止，1℃/min升到450℃，保温2h。待第一反应器冷却到室温后，将产物100℃干燥12h，称重，计算固体收率是41.0％。试验例1分别取实施例1和对比例1～2制备的生物焦0.6g，用元素分析仪(型号：euroea3000)测试c，h，o，n含量，按照gb/t36057-2018对灰分进行检测，并通过公式(1)计算燃烧值，所得结果见表1。公式(1)：燃烧值＝0.3419*c％ 1.1783*h％ 0.1005*s％-0.1034*o％-0.015*n％-0.0211*灰分％表1由表1可知，实施例1制备的生物焦其燃烧值远高于对比例1～2，说明本实用新型的方法可以提高碳材料的燃烧值，实施例1制备的碳材料可以广泛用于烧烤或者提供燃烧能量的领域。同时，由表1可以看出，实施例1制备的生物焦含碳量高于对比例1～2，说明本实用新型的方法制备的生物焦含碳量高，能够提高碳材料的质量。试验例2以实施例15和对比例3～4制备的生物焦作为活性炭，测定其吸附性能。(1)比表面积比表面积的大小反应活性炭孔隙的丰富程度，同时也是衡量其吸附性能大小的一个重要参数，以实施例15和对比例3～4制备的生物焦通过co2活化(活化条件一致)制备得到活性炭(分别记为实施例15组、对比例3组和对比例4组)，采用ssa-6000型孔径比表面积分析仪(彼奥德)检测实施例15组和对比例3组、对比例4组的活性炭的比表面积，所得结果见表2。表2项目实施例15组对比例3组对比例4组比表面积(m2/g)988.2544.1570.9由表2可知，实施例15组的比表面积与对比例3～4组相比大了将近一倍，说明实施例15组的活性炭的孔隙结构比对比例3～4组发达。说明采用本实用新型的装置和方法制备得到的碳材料孔隙结构发达，更适于做活性炭。(2)吸附试验以分别取50mg实施例15组和对比例3～4组的活性炭，分别加入到100ml质量浓度为20mg/l的四环素溶液中，室温下搅拌6h后，取样测试溶液中四环素的去除率，所得结果见表3。表3四环素的去除率(％)实施例15组92.5对比例3组86.0对比例4组88.9由表3可知，实施例15组的活性炭吸附能力最强，高于对比例3～4组的活性炭。说明采用本实用新型的装置和方法制备得到的碳材吸附能力强，作为活性炭能够有效进行吸附处理。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12