一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置及其方法与流程

1.本发明涉及生物质炭制备技术领域，特别涉及一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置及其方法。


背景技术：

2.生物质炭是生物质在缺氧高温条件下热解产生的富碳、小颗粒多孔材料，表面带有大量电荷，能够吸附水环境中的重金属和有机污染物，稻壳作为一种产量巨大的农业废弃物，利用其制备生物质炭在废水处理领域有很大的应用潜力。现有技术主要利用生物质炭比表面积大，孔隙结构丰富、以及表面官能团能与水中污染物进行离子交换的特点去除水中污染物。由于水中污染物种类多、水质标准要求高，一般的生物质炭表面基团调节范围窄，吸附选择性较差；生物质炭虽然比表面积大，但是孔隙结构微孔比例较大，中、大孔比例较少，不利于吸附结构复杂的大分子物质；生物质炭表面亲水基团比例少，表现为疏水性，在水中的分散性不好。
3.以农作物秸秆和农林废弃物为原料进行热解可以得到一系列产物，包括生物质炭，液体产物和气体产物。生物质炭是生物质热裂解的重要产物。其高固定碳含量有利于提高土壤的稳定性，并可以作为土壤改良剂和复合肥的有机原料。生物质炭基肥对土壤的化学性质和物理结构有明显的改善。对作物的产量和质量也有显著提升。生产生物质炭和生物质炭基肥对优化化肥结构，促进农业可持续发展有重要贡献。
4.生物质炭在生产过程中通常需要用到炭化炉，然而现有技术中的炭化炉大多结构的较为简单，其损耗的热能较大，能量利用率低，碳化效果也有待提高，故此，本发明提出了一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置及其方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置及其方法，可以有效解决背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置，包括炉体，所述炉体的顶部设有炉盖，所述炉体的外表面下部环形阵列设有三个支撑脚，所述炉盖的顶部外侧对称设有排气管和进料管，所述炉体的顶端中部固定有伺服电机，所述炉体内腔设有两个第一碳化辅助盘和两个第二碳化辅助盘，且两个第一碳化辅助盘与两个第二碳化辅助盘上下依次交错分布，所述伺服电机的输出端延伸至炉体内并固定连接有一中心轴，且该中心轴的外表面固定有两个第一搅拌组件和两个第二搅拌组件，两个所述第一搅拌组件分别设于两个第一碳化辅助盘的上方，两个第二搅拌组件分别设于两个第二碳化辅助盘的上方，所述炉体的下端中部设有出料管，所述炉体内腔还设有四个加热组件，且四个加热组件分别位于两个第一搅拌组件和两个第二搅拌组件上方；
8.所述第一碳化辅助盘包括固定于炉体内壁的第一盘体，所述第一盘体上端面设置
为由外侧向中部凹陷的斜面，且第一盘体的上端面等距开设有多个走料槽一，任意相邻两个走料槽一之间均设有用于下料的下料槽一，所述第一盘体的上端中部轴心处设置为水平的圆形平台一，且该圆形平台一轴心处设有用于连接上述中心轴的轴孔一，所述圆形平台的外侧设有下料管一；
9.所述第二碳化辅助盘包括固定于炉体内壁的第二盘体，所述第二盘体上端面设置为由中部向外侧倾斜的斜面，且第二盘体的上端面等距开设有多个走料槽二，任意相邻两个走料槽二之间均设有用于下料的下料槽二，所述第二盘体的上端中部轴心处设置为水平的圆形平台二，且该圆形平台二轴心处设有用于连接上述中心轴的轴孔二，位于最外侧的走料槽二底部设有下料管二。
10.优选的，所述第一盘体的底部设置为光滑凸面，且第一盘体内设有夹层一，每个所述走料槽一的底壁均环形阵列开设有多个排液孔一，多个排液孔一均与夹层一相互连通，所述第一盘体的底部均固定安装有排液管一，且排液管一与夹层一内腔相互连通。
11.优选的，所述第二盘体的底部设为中央向上凹陷的弧面，且第二盘体内设有夹层二，每个所述走料槽二的底壁均环形阵列设有多个排液孔二，且多个排液孔二均与夹层二相互连通，所述第二盘体的底部边缘处设有下料管二，所述第二盘体的底部边缘处还设有与夹层二内腔相互连通的排液管二。
12.优选的，所述排液管一和排液管二远离炉体轴心处的一端均贯穿炉体并延伸至炉体外部并共同固定连接有集流管，且集流管的外表面下部位于多个排液管一和排液管二下方的位置设有控制阀。
13.优选的，所述加热组件包括与炉体侧壁固定连接的进气管以及设于炉体内部的多个环形管，所述进气管远离环形管的一端贯穿炉体侧壁延伸至炉体外部并固定安装有电磁阀；
14.多个所述环形管底部均设有出气孔，且多个环形管分别位于多个走料槽一或走料槽二正上方。
15.优选的，所述第一搅拌组件包括两个与中心轴连接并且相互对称的搅拌杆一，且搅拌杆一与第一碳化辅助盘的上端面倾斜斜率相同，所述搅拌杆一的下端外侧固定安装有多个连接座一，所述连接座一的下端面固定安装有第一推板，所述第一推板由两个具有一定间隙的拨料板一组成，多个第一推板底部分别与多个走料槽一底壁相抵，所述搅拌杆一下端靠近中心轴的一侧固定有刮片一，且刮片一下端面与圆形平台一相抵。
16.优选的，所述第二搅拌组件包括两个与中心轴连接并且相互对称的搅拌杆二，且搅拌杆二与第二碳化辅助盘的上端面倾斜斜率相同，所述搅拌杆二下端面内侧固定安装有多个连接座二，所述连接座二的下端面固定安装有第二推板，所述第二推板由两个具有一定间隙的拨料板二组成，多个第二推板分别与多个走料槽二以及圆形平台二底壁相抵，所述搅拌杆二下端外侧固定安装有刮片二，所述刮片二下端与位于最外侧的走料槽二底壁相抵。
17.优选的，所述进料管的内腔中部侧壁设有挡料板，所述挡料板的上端面设置为向炉体的侧壁倾斜的斜面，且挡料板靠近炉体外侧的部分开设有上下贯通的下料口。
18.本发明还公开了一种基于低温裂解的改性生物质炭制备装置制备生物质炭的方法，具体步骤如下：
19.步骤1、秸秆颗粒的制备：从秸秆收集站点/站场等收集到的秸秆，经造粒后形成秸秆颗粒，成型的秸秆颗粒通过公路等运送到生产厂区，然后通过螺旋输送系统经过进料管进入到炉体内；
20.步骤2、干燥：秸秆颗粒通过落到第一个第一碳化辅助盘上，此时通过最上方的加热组件靠外部供热使反应釜中物料升温至150℃左右，蒸发出物料中的水分；
21.步骤3、预热裂解：秸秆颗粒在第一个第一搅拌组件的搅拌作用下落到第一个第二碳化辅助盘上，通过第二个加热组件使加热温度上升到150～300℃，化学组成开始发生变化，不稳定的成分分解成co2、co及少量醋酸等物质；
22.步骤4、固体分解：秸秆颗粒在第一个第二搅拌组件的搅拌作用下落到第二个第一碳化辅助盘上，通过第三个加热组件使温度升至300～600℃，进行固体分解；
23.步骤5、燃烧：秸秆颗粒在第二个第一搅拌组件的搅拌作用下落到第二个第一碳化辅助盘上，此时通过第四个加热组件再加热，此时c-h、c-o键进一步裂解，排出残留在木炭中的挥发物质，提高木炭中固定碳含量；
24.步骤6、排出：在第二个第二搅拌组件的搅拌作用下，完成低温碳化的生物质炭从出料管排出。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
26.1、本发明中，通过设置有第一碳化辅助盘和第二碳化辅助盘，与第一搅拌组件和第二搅拌组件配合，能够保证在碳化的过程中，秸秆颗粒能够在炉体内停留足够长的时间，并且停留时间可通过伺服电机的转速不同进行控制，有助于在进行碳化时对碳化进度的把控，从而在一定程度上提高碳化质量和效率。
27.2、本发明通过在第一碳化辅助盘的底部设有排液管一，在第二碳化辅助盘的底部设有排液管二，然后利用排液孔一与排液孔二配合，可实现对生物质油的自动回收，以便于后续进行处理。
28.3、本发明通过将两个第一碳化辅助盘与两个第二碳化辅助盘上下依次交错分布，在炉体内形成四个处理空间，以分别进行干燥、预热裂解、固体分解和燃烧的碳化过程，并且利用四个加热组件分别输入对应温度的热风，达到对温度的精准控制的目的，从而能够提高热能的利用率，降低热能损耗。
附图说明
29.图1为本发明的剖切主视图；
30.图2为本发明的整体结构示意图；
31.图3为本发明的剖切立体图；
32.图4为本发明的第一碳化辅助盘的整体结构示意图；
33.图5为本发明的第一碳化辅助盘的剖切主视图；
34.图6为本发明的第二碳化辅助盘的整体结构示意图；
35.图7为本发明的第二碳化辅助盘的剖切主视图；
36.图8为本发明的加热组件的整体结构示意图；
37.图9为本发明的图1中a处结构放大图；
38.图10为本发明的图1中b处结构放大图；
39.图11为本发明的炉盖剖切示意图；
40.图12为本发明的生物质炭以及炭基肥的生产流程示意图。
41.图中：1、炉体；2、炉盖；3、排气管；4、进料管；41、挡料板；5、伺服电机；6、第一碳化辅助盘；61、第一盘体；62、走料槽一；63、下料槽一；64、排液孔一；65、轴孔一；66、下料管一；67、排液管一；68、夹层一；7、第一搅拌组件；71、搅拌杆一；72、连接座一；73、刮片一；74、拨料板一；8、第二碳化辅助盘；81、第二盘体；82、走料槽二；83、下料槽二；84、排液孔二；85、轴孔二；86、下料管二；87、排液管二；88、夹层二；9、第二搅拌组件；91、搅拌杆二；92、连接座二；93、刮片二；94、拨料板二；10、加热组件；101、电磁阀；102、进气管；103、环形管；11、出料管；12、支撑脚；13、集流管；14、控制阀。
具体实施方式
42.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
43.实施例一
44.本实施例公开了一种基于低温裂解的改性生物质炭的制备装置，如图1-3所示，其包括炉体1，炉体1的顶部设有炉盖2，炉体1的外表面下部环形阵列设有三个支撑脚12，用于对整个装置进行支撑，炉盖2与炉体1采用可拆卸连接的方式，且密封性良好，炉盖2的顶部外侧对称设有排气管3和进料管4，其中，排气管3用于排出碳化过程中所产生的气可燃性气体，并将该可燃性气体输送至气体处理装置，进料管4与一螺旋输送机的输出端连接，用于导入经过颗粒化的秸秆，炉体1的顶端中部固定有伺服电机5，用于进行搅拌下料，保证碳化时秸秆颗粒受热均匀，炉体1内腔设有两个第一碳化辅助盘6和两个第二碳化辅助盘8，且两个第一碳化辅助盘6与两个第二碳化辅助盘8上下依次交错分布，在炉体1内形成四个处理空间，以分别进行干燥、预热裂解、固体分解和燃烧的碳化过程。
45.进一步的，于伺服电机5的输出端延伸至炉体1内并固定连接有一中心轴，且该中心轴的外表面固定有两个第一搅拌组件7和两个第二搅拌组件9，两个第一搅拌组件7分别设于两个第一碳化辅助盘6的上方，两个第二搅拌组件9分别设于两个第二碳化辅助盘8的上方，其分别用于对第二碳化辅助盘8和第一碳化辅助盘6上的秸秆颗粒进行搅拌拨动，使其能够受热均匀，炉体1的下端中部设有出料管11，用于排出碳化后的成品生物质炭，炉体1内腔还设有四个加热组件10，且四个加热组件10分别位于两个第一搅拌组件7和两个第二搅拌组件9上方；
46.其中，需要说明的是，四个加热组件10分别向炉体1内输送不同温度的热空气，目的是满足上述的干燥、预热裂解、固体分解和燃烧四个过程中的温度条件，在此基础上，需要进一步说明的是，本实施例中，第一碳化辅助盘6和第二碳化辅助盘8均采用现有技术中的隔热性能好的材料制成，以保证其四个处理空间内的温度具有差异化，同时，四个处理空间内均额采用温度计进行温度监测，达到控制四个处理空间内的温度的目的。
47.其中，如图4-5所示，第一碳化辅助盘6包括固定于炉体1内壁的第一盘体61，第一盘体61上端面设置为由外侧向中部凹陷的斜面，且第一盘体61的上端面等距开设有多个走料槽一62，任意相邻两个走料槽一62之间均设有用于下料的下料槽一63，第一盘体61的上端中部轴心处设置为水平的圆形平台一，且该圆形平台一轴心处设有用于连接上述中心轴
的轴孔一65，圆形平台的外侧设有下料管一66；而本发明中的进料管4的内腔中部侧壁设有挡料板41，挡料板41的上端面设置为向炉体1的侧壁倾斜的斜面，且挡料板41靠近炉体1外侧的部分开设有上下贯通的下料口；
48.由此可以看出，造粒后的秸秆颗粒在螺旋输送机的输送下通过进料管4进入到炉体1内，通过挡料板41上端的斜面以及靠近炉体1外侧的下料口可以保证秸秆颗粒能够落到第一碳化辅助盘6外侧，即进入到最外侧的走料槽一62内，以便于其在第一搅拌组件7的作用下能够利用下料槽一63进入到下一走料槽一62内，在此过程中，既能够保证秸秆颗粒在炉体1内停留的时间满足碳化要求，又能使其受热均匀，从而可大幅度提高其碳化的效果。
49.另外，如图6-7所示，本实施例中的第二碳化辅助盘8包括固定于炉体1内壁的第二盘体81，第二盘体81上端面设置为由中部向外侧倾斜的斜面，且第二盘体81的上端面等距开设有多个走料槽二82，任意相邻两个走料槽二82之间均设有用于下料的下料槽二83，第二盘体81的上端中部轴心处设置为水平的圆形平台二，且该圆形平台二轴心处设有用于连接上述中心轴的轴孔二85，位于最外侧的走料槽二82底部设有下料管二86；
50.能够看出的是，在第一搅拌组件7的作用下，走料槽一62内的秸秆颗粒最终会沿着多个下料槽一63进入到圆形平台一，并且通过下料管一66落下落到第二碳化辅助盘8内，而下料管一66位于圆形平台二正上方，从而能够使秸秆颗粒落到圆形平台二上，然后在第二搅拌组件9的作用下，秸秆颗粒通过下料槽二83以及走料槽二82配合，最终从下料管二86落下，进入到下一个第一碳化辅助盘6上。
51.由于在碳化过冲中会生成生物质油，因此，为了对生成的生物质油进行收集以便于后续的处理，本实施例中的第一盘体61的底部设置为光滑凸面，且第一盘体61内设有夹层一68，每个走料槽一62的底壁均环形阵列开设有多个排液孔一64，多个排液孔一64均与夹层一68相互连通，第一盘体61的底部均固定安装有排液管一67，且排液管一67与夹层一68内腔相互连通；同时，第二盘体81的底部设为中央向上凹陷的弧面，且第二盘体81内设有夹层二88，每个走料槽二82的底壁均环形阵列设有多个排液孔二84，且多个排液孔二84均与夹层二88相互连通，第二盘体81的底部边缘处设有下料管二86，第二盘体81的底部边缘处还设有与夹层二88内腔相互连通的排液管二87；
52.因此，在碳化的过程中，生成的生物质油可以从排液孔二84或者排液孔一64分别进入到夹层二88或者下料管一66内，从而以便于对其进行收集，另外，排液管一67和排液管二87远离炉体1轴心处的一端均贯穿炉体1并延伸至炉体1外部并共同固定连接有集流管13，且集流管13的外表面下部位于多个排液管一67和排液管二87下方的位置设有控制阀14，产生的生物质油经过集流管13汇集以后统一排出，便于后续的处理。
53.如上文，本实施例的碳化包括干燥、预热裂解、固体分解和燃烧四个过程，因此，本实施例中设置有四个加热组件10，进一步的，如图8所示，加热组件10包括与炉体1侧壁固定连接的进气管102以及设于炉体1内部的多个环形管103，进气管102远离环形管103的一端贯穿炉体1侧壁延伸至炉体1外部并固定安装有电磁阀101，多个环形管103底部均设有出气孔，且多个环形管103分别位于多个走料槽一62或走料槽二82正上方，本实施例中，不同的加热组件10中的进气管102接入的热空气温度不同，通过正对走料槽一62或者走料槽二82的出气孔对秸秆颗粒进行加热，从而达以不同温度进行加热的目的。
54.另外，如图9-10所示，第一搅拌组件7包括两个与中心轴连接并且相互对称的搅拌
杆一71，且搅拌杆一71与第一碳化辅助盘6的上端面倾斜斜率相同，搅拌杆一71的下端外侧固定安装有多个连接座一72，连接座一72的下端面固定安装有第一推板，多个第一推板底部分别与多个走料槽一62底壁相抵，搅拌杆一71下端靠近中心轴的一侧固定有刮片一73，且刮片一73下端面与圆形平台一相抵；第二搅拌组件9包括两个与中心轴连接并且相互对称的搅拌杆二91，且搅拌杆二91与第二碳化辅助盘8的上端面倾斜斜率相同，搅拌杆二91下端面内侧固定安装有多个连接座二92，连接座二92的下端面固定安装有第二推板，多个第二推板分别与多个走料槽二82以及圆形平台二底壁相抵，搅拌杆二91下端外侧固定安装有刮片二93，刮片二93下端与位于最外侧的走料槽二82底壁相抵。
55.需要说明的是，本实施例中，搅拌杆一71的底壁与第一盘体61的上端面相互紧贴，搅拌杆二91的底壁与第二盘体81的上端面相互紧贴，以此保证在旋转的过程中秸秆颗粒在搅拌杆一71或者搅拌杆二91的作用下进入大走料槽一62或走料槽二82内，表面秸秆颗粒在第一盘体61或者第二盘体81上残留。
56.另外，第一推板由两个具有一定间隙的拨料板一74组成，第二推板由两个具有一定间隙的拨料板二94组成，其能够保证在对秸秆颗粒进行拨动的过程中还能够对秸秆颗粒进行翻动，使其有一部分停留在走料槽一62或者走料槽二82内，延长其在炉体1内停留的时间。
57.实施例二
58.本实施例公开了一种采用上述的基于低温裂解的改性生物质炭制备装置制备生物质炭的方法，其特征在于，具体步骤如下：
59.步骤1、秸秆颗粒的制备：从秸秆收集站点/站场等收集到的秸秆，经造粒后形成秸秆颗粒，成型的秸秆颗粒通过公路等运送到生产厂区，然后通过螺旋输送系统经过进料管4进入到炉体1内；
60.步骤2、干燥：秸秆颗粒通过落到第一个第一碳化辅助盘6上，此时通过最上方的加热组件10靠外部供热使反应釜中物料升温至150℃左右，蒸发出物料中的水分；
61.步骤3、预热裂解：秸秆颗粒在第一个第一搅拌组件7的搅拌作用下落到第一个第二碳化辅助盘8上，通过第二个加热组件10使加热温度上升到150～300℃，化学组成开始发生变化，不稳定的成分如半纤维素分解成co2、co及少量醋酸等物质；
62.步骤4、固体分解：秸秆颗粒在第一个第二搅拌组件9的搅拌作用下落到第二个第一碳化辅助盘6上，通过第三个加热组件10使温度升至300～600℃，进行固体分解；
63.步骤5、燃烧：秸秆颗粒在第二个第一搅拌组件7的搅拌作用下落到第二个第一碳化辅助盘6上，此时通过第四个加热组件10再加热，此时c-h、c-o键进一步裂解，排出残留在木炭中的挥发物质，提高木炭中固定碳含量；
64.步骤6、排出：在第二个第二搅拌组件9的搅拌作用下，完成低温碳化的生物质炭从出料管11排出。
65.在进行碳化后，生物质炭还可生产炭基肥，来自炭化装置的生物质炭与钾肥、磷肥、尿素一起进入炭基肥生产装置生产炭基肥；来自炭化装置的中间产品木醋液等作为添加剂添加到炭基肥中；
66.其中，炭基肥装置工艺流程包括：
67.原料配料
→
搅拌混合
→
粉碎结块
→
造粒
→
一级烘干
→
一级冷却
→
筛分
→
二级烘
干
→
二级冷却
→
成品颗粒包膜
→
成品定量包装。
68.(1)原料的配料：将生物质炭、钾肥、磷肥、尿素通过计量系统，按一定比例配混(主要根据当地市场需求和当地土壤检测结果决定)；
69.(2)混合搅拌：将配好的原料搅拌均匀提高肥料颗粒整体的均匀肥效含量，采用卧式搅拌机或盘式搅拌机进行混合搅拌；
70.(3)结块粉碎：将混合搅拌均匀的原料大块结块等粉碎，便于后续造粒加工，主要采用链式粉碎机等；
71.(4)物料造粒：将搅拌均匀、粉碎好后的物料通过皮带输送机送入造粒机进行造粒(可用转鼓造粒机，也可选用对辊挤压造粒机、圆盘造粒机等)，此步骤为炭基肥生产工艺中必不可少、最重要的一个环节；
72.(5)一级颗粒烘干：将造粒后颗粒送入烘干机，将颗粒内含的水分烘干，增加颗粒强度，便于保存，一般用转筒烘干机；
73.(6)一级颗粒冷却：一级烘干后的肥料颗粒温度过高，易结块，经过冷却后的，便于装袋保存，和运输，采用冷却机进行冷却；
74.(7)一级筛分：初步筛分颗粒半成品，不合格的颗粒返回混合搅拌环节再加工，一般用滚筒筛分机；
75.(8)二级颗粒烘干：将一级筛分的合格颗粒送入烘干机，将颗粒内含的水分烘干，增加颗粒强度，便于保存，一般用转筒烘干机；
76.(9)二级颗粒冷却：二级烘干后的肥料颗粒温度过高，易结块，经过冷却后的，便于装袋保存，和运输，采用冷却机进行冷却；
77.(10)二级颗粒筛分：将冷却过后的颗粒分级，不合格的颗粒经粉碎重新造粒，把合格的产品筛分出来，可用二级滚筒筛分机来进行筛分；
78.(11)成品颗粒包膜：将合格的产品进行涂衣包膜增加颗粒的亮度与圆润度，使外表更加漂亮，一般用包膜机进行包膜；
79.(12)成品颗粒定量包装：包过膜的颗粒也就是成品颗粒通过皮带输送机送入料仓暂时储存，再连接电子定量包装秤、缝包机等自动定量包装封袋，放置通风处保存，实现全自动化。
80.(13)尾气除尘：粉碎、造粒、烘干等过程产生的粉尘废气通过车间室外除尘器除尘合格之后通过烟囱进行排放。
81.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。