一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置及方法

1.本发明属于有机固废热处置与利用相关技术领域，更具体地，涉及一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置及方法。


背景技术：

2.目前的中药产业繁荣发展，生产规模每年都以20％左右的速度增长，每年产生中药废渣约7000万吨。目前对中药废渣的利用研究大多为填埋、堆积和焚烧，资源利用率低且容易造成环境污染。提取有效成分后的废渣，一般含大量的粗纤维、粗脂肪、淀粉、多糖、蛋白、氨基酸及微量元素等，属于优质的生物质原料。
3.根据目标产物的不同，生物质水热可分为水热碳化、水热液化以及水热气化。利用水热气化(温度为400℃～700℃，压力为16.5～35mpa，停留时间足够长)制取气体燃料和高附加值化学品，具有产率高、适应性强和无污染等优点，但限于反应条件苛刻，目前仍处于试验研究阶段。水热液化(温度为280～380℃，压力为7～30mpa，停留时间为10～60min)产生的生物油经过一定的催化工艺，可以获得品质较高的柴油和汽油。水热碳化(温度为280℃～250℃，压力为1.4mpa～27.6mpa，停留时间为4h～24h)可以得到尺寸均一、形貌较高的炭，通过合成改质可作为高效稳定的电极和燃料电池材料。
4.目前的生物质水热装置能量利用率较低，无法实现能量的高效和最大化利用。存在大量的热量在活化加热过程被浪费。这些低品位的热能如果能进行余热利用，将会极大地提高装置生产过程的经济性和环境效益，带来较大的经济和环境价值。
5.装置运转连续性不强，装置无法实现制备过程完全一体化，属于半自动式的装置。这种半自动的装置需要消耗大量的人力，导致生产过程的成本升高，且制备过程存在潜在的泄露风险，不利于超级活性炭的制取和保存。
6.目前大部分现有的超级活性炭制备装置制得的超级活性炭比表面积较小，吸附能力差，难以进行高值化利用技术路线改造，导致产品附加值低下，经济效益差，因此，现有的超级活性炭生产装置，从经济性角度考虑还有较大的提升空间。


技术实现要素：

7.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置及方法，其利用中药废渣水热反应和活化反应，辅助添加剂和活化剂，将中药废渣制备成高性能超级活性炭，实现了制备流程的自动化和连续性，能量利用率高，一体化程度高，结构紧凑，解决了目前水热和活化流程分割、需要大量人工操作、效率较低、人工成本高等问题。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置，所述装置包括中药废渣水热反应器、过滤干燥器及水热炭活化反应器，所述过滤干燥器连接所述中药废渣水热反应器及所述水热炭活化反应器；所述中药废渣水热反应器用于将水溶液、中药废渣及添加剂进行搅拌以在搅拌作用下完成水热反应，产生的水热
固液产物传输给所述过滤干燥器；所述过滤干燥器用于将来自所述中药废渣水热反应釜感应器的水热固液产物进行固液分离，并将得到的干燥产物传输给所述水热炭活化反应器；所述水热炭活化反应器用于对接收到的干燥产物进行搅拌及加热活化以得到超级活性炭，并产生的乏气传输给所述过滤干燥器，以利用在水热炭活化反应器中未被充分利用的剩余释热完成对分离出来的固体产物的干燥。
9.进一步地，所述过滤干燥器包括水热焦炭传输管、两端分别设置在所述水热焦炭传输管相背的两端的传送绞龙轴、设置在所述传送绞龙轴上的传送绞龙、活化乏气进气管及废液排出管，所述活化乏气进气管与所述水热炭活化反应器相连通；所述废液排出管设置在所述水热焦炭传输管的底端；所述水热焦炭传输管与所述中药废渣水热反应器相连通，进入所述水热焦炭传输管的水热固液产物在传送绞龙的搅拌及重力的作用下进行固液分离，产生的废液经由所述废液排出管排出，产生的固体经由乏气进行干燥后并排出到所述水热炭活化反应器。
10.进一步地，所述水热焦炭传输管倾斜布置，以使得所述水热焦炭的底端低于其末端。
11.进一步地，所述水热炭活化反应器包括水热焦炭活化导管、两端分别设置在所述水热焦炭活化导管两端的活化传送绞龙轴、以及设置在所述活化传送绞龙轴上的活化传送绞龙，所述水热焦炭活化导管的一端部设置有乏气排出管，所述乏气排出管与所述活化乏气进气管相连通。
12.进一步地，所述水热焦炭活化导管的另一端部设置有活化剂加料口，所述活化剂加料口与所述过滤干燥器的水热焦炭输出管道相连通，所述过滤干燥器产生的固体经由所述水热焦炭输出管道进入所述水热焦炭活化导管内进行活化以得到超级活性炭。
13.进一步地，所述传送绞龙及所述活化传送绞龙均通过齿轮组件连接于绞龙动力电机，两者的动力源均为所述绞龙动力电机。
14.进一步地，所述齿轮组件包括行星轮机构、第一齿轮及第二齿轮，所述活化传动绞龙轴通过所述行星轮机构连接于所述绞龙动力电机，所述第二齿轮与所述第一齿轮及所述行星轮机构均相啮合，所述第一齿轮连接于所述传送绞龙轴，所述绞龙动力电机依次通过所述行星轮机构、所述第二齿轮及所述第一齿轮带动所述传送绞龙轴转动，所述传送绞龙轴带动所述传送绞龙转动。
15.进一步地，所述水热焦炭活化导管的外周上设置有电加热丝，所述电加热丝用于对所述水热焦炭活化导管进行加热以使得所述水热焦炭活化导管内部温度维持在预定数值范围内。
16.进一步地，通过所述活化剂加料口向所述水热炭活化反应器中加入活化剂，同时所述活化传送绞龙将活化剂与来自所述过滤干燥器的固体干燥产物搅拌混合，并在氮气的氛围中完成活化以生成最终活化炭产物-超级活性炭，后经活化产物排出管排出与收集。
17.按照本发明的另一个方面，提供了一种采用中药废渣制备超级活性炭的方法，该方法采用如上所述的采用中药废渣制备超级活性炭的装置进行超级活性炭制备。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的采用中药废渣制备超级活性炭的装置及方法主要具有以下有益效果：
19.1.本发明中的中药废渣水热反应器、干燥过滤器及水热炭活化反应器三级相连而
形成装置，通过调节反应器运行工况，可以实现将中药废渣转化为高性能的超级活性炭，通过加入添加剂可以实现中药废渣的高效水热反应，通过往活化剂投料口加入活化剂可以实现水热焦炭的高效活化，得到孔隙结构丰富的超级活性炭。
20.2.过滤干燥器的水热焦炭传输管倾斜布置，在传送绞龙的搅拌和重力的作用下，对来自重要废渣水热反应器的固液混合产物实现固液分离。
21.3.过滤干燥器中的传送绞龙与所述水热炭活化反应器中的活化传送绞龙的动力均通过行星轮机构由绞龙动力电机提供，以实现过滤干燥器和水热炭活化反应器的协同工作，同时使得结构更加紧凑，也减小了能耗。
22.4.通过结构的设计，将活化乏气的余热作为过滤干燥器的热源，实现了能量的充分利用。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置的剖视图；
24.图2是图1中的采用中药废渣制备超级活性炭的装置的局部示意图。
25.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电机，2-第一转轴，3-气压监测表，4-冲洗器，5-上端盖，6-端盖螺栓，7-中药废渣水热反应器，8-温度监测管，9-叶轮搅拌器，10-水热反应釜，11-下端盖，12-水热固液产物输出管，13-阀门，14-水热固液产物进管，15-传送绞龙轴，16-传送绞龙，17-水热焦炭传输管，18-水热焦炭输出管道，19-第一齿轮，20-活化剂加料口，21-第二齿轮，22-行星轮机构，23-绞龙动力电机，24-水热焦炭活化导管，25-活化产物排出管，26-水热炭活化反应器，27-乏气排出管，28-活化传送绞龙，29-活化乏气进气管，30-废液排出管，31-连接件，32-电加热丝，33-过滤干燥器，34-控制阀。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.请参阅图1及图2，本发明提供了一种采用中药废渣制备超级活性炭的装置，所述装置包括中药废渣水热反应器7、过滤干燥器33及水热炭活化反应器26，所述过滤干燥器33连接所述中药废渣水热反应器7及所述水热炭活化反应器26。所述中药废渣水热反应器7用于将水溶液、中药废渣及添加剂进行搅拌以在搅拌作用下完成水热反应，产生的水热固液产物传输给所述过滤干燥器33。所述过滤干燥器33用于将来自所述中药废渣水热反应器7的水热固液产物进行固液分离，并将得到的干燥产物传输给所述水热炭活化反应器26。所述水热炭活化反应器26用于对接收到的干燥产物进行搅拌及加热活化，以得到高性能超级活性炭，并将得到的高性能超级活性炭排出。
28.所述中药废渣水热反应器7包括电机1、第一转轴2、气压监测表3、冲洗器4、上端盖5、端盖螺栓6、温度监测管8、叶轮搅拌器9、水热反应釜10、下端盖11、水热固液产物输出管12、阀门13及控制阀34。
29.所述水热反应釜10呈筒状，所述上端盖5及所述下端盖11分别通过所述端盖螺栓6连接于所述水热反应釜10相背的两端。所述气压监测表3、所述冲洗器4、所述温度监测管8及所述控制阀34分别设置在所述上端盖5上。所述电机1也设置在所述上端盖5上，且其连接于所述第一转轴2的一端，所述第一转轴2的另一端穿过所述上端盖5后伸入所述水热反应釜10内并连接于所述叶轮搅拌器9，所述叶轮搅拌器9设置在所述水热反应釜10内。所述水热固液产物输出管12的一端穿过所述下端盖11后伸入所述水热反应釜10内，另一端连接于所述阀门13。所述阀门13连接于所述过滤干燥器33。
30.其中，水溶液、中药废渣及添加剂被送入所述水热反应釜10内，并在所述叶轮搅拌器9的搅拌下完成水热反应，所述水热固液产物输出管12将水热反应后的固液产物输出。所述温度监测管8用于对中药废渣水热反应器7中内部的反应温度进行实时监测，以为系统的控制和反应提供测量数据。所述叶轮搅拌器9用于搅拌所述水热反应釜10内的物质以使得添加剂和中药废渣充分混合，并在加热的条件下使得中药废渣充分完成水热催化反应而产生优质的固液混合产物。所述冲洗器4用于冲洗所述水热反应釜10内壁的残留反应物。
31.在实际工作过程中，无需经过干燥处理的中药废渣原料进入中药废渣水热反应器7，同时尿素等添加剂被加入水热反应釜10中，对中药废渣进行水热反应，在反应进行的同时叶轮搅拌器9对中药废渣不断搅拌，使反应物充分混合，水热反应进行的同时确保反应的均匀性。反应完成后，得到的水热产物以固液混合物的形式通过水热固液产物输出管12进入过滤干燥器33中。
32.所述过滤干燥器33包括水热固液产物进管14、传送绞龙轴15、传送绞龙16、水热焦炭传输管17、水热焦炭输出管道18、活化乏气进气管29、废液排出管30及连接件31。所述水热固液产物进管14的一端连接于所述阀门13，另一端连接于所述水热焦炭传输管17。所述水热焦炭传输管17倾斜设置，所述废液排出管30设置在所述水热焦炭传输管17的底端。所述传送绞龙轴15的一端穿过所述水热焦炭传输管17后连接于所述连接件31，另一端连接于所述水热炭活化反应器26。所述传送绞龙16设在所述传送绞龙轴15上，且其位于所述水热焦炭传输管17内。所述活化乏气进气管29及所述水热焦炭输出管道18分别连接于所述水热焦炭传输管17的底端及末端，且所述水热焦炭输出管道18连接于所述水热炭活化反应器26。
33.所述水热焦炭传输管17倾斜布置，在所述传送绞龙16的搅拌和重力的作用下，对来自所述中药废渣水热反应器7的固液混合产物实现了固液分离，同时，废液经由所述废液排出管30排出，产生的固体产物在所述传送绞龙16的传送与搅拌作用下完成干燥和传送。所述活化乏气进气管29用于接收来自所述水热炭活化反应器26排除的乏气，充分利用在水热炭活化反应器26中未被充分利用的剩余释热，完成对分离出来的固体产物的干燥。
34.所述水热炭活化反应器26包括活化传送绞龙28、电加热丝32、乏气排出管27、活化产物排出管25、水热焦炭活化导管24、绞龙动力电机23、行星轮机构22、第一齿轮21、活化剂加料口20及第一齿轮19。
35.所述乏气排出管27及所述活化剂加料口20分别设置在所述水热焦炭活化导管24相背的两端上。所述乏气排出管27与所述活化乏气进气管29相连通。所述活化传送绞龙28设置在活化传送绞龙轴上，所述活化传送绞龙轴部分地设置在所述水热焦炭活化导管24内，且其一端穿过所述水热焦炭活化导管24后连接于所述行星轮机构22，所述行星轮机构
22连接于所述绞龙动力电机23。所述第二齿轮21分别与所述行星轮机构22及所述第一齿轮19相啮合，所述第一齿轮19连接于所述传送绞龙轴15。所述水热焦炭活化导管24的外周上设置有所述电加热丝32。所述水热焦炭输出管道18与所述活化剂加料口20相连通。
36.所述传送绞龙16及所述活化传送绞龙28的动力均是通过所述行星轮机构22由所述绞龙动力电机23提供，以实现所述过滤干燥器33及所述水热炭活化反应器26的协同工作，同时使得结构更加紧凑，也减小了能耗。
37.通过所述活化剂加料口20向所述水热炭活化反应器26中加入活化剂，同时所述活化传送绞龙28将活化剂与来自所述过滤干燥器33的固体干燥产物搅拌混合，并在氮气的氛围中完成活化以生成最终活化炭产物，后经所述活化产物排出管25排出与收集。
38.所述水热固液产物输出管12连通过滤干燥器33，所述过滤干燥器33末端的水热焦炭输出管道18连通水热炭活化反应器26，所述水热炭活化反应器26末端的乏气排出管27连通过滤干燥器33的活化乏气进气管29。
39.所述水热固液产物输出管12用于输出水热反应固液产物至过滤干燥器33，所述过滤干燥器33用于分离获得液体产物和固体产物，并对固体产物进行干燥，所述固体产物为水热焦炭。
40.所述过滤干燥器33末端与水热炭活化反应器26连通，完成干燥的固体产物向水热炭活化反应器26的传输，所述水热炭活化反应器26的末端与过滤干燥器33的活化乏气进气管29连通，完成水热焦炭在水热炭活化反应器26中活化后剩余乏气向过滤干燥器33的传输，并作为过滤干燥器33中干燥来自于中药废渣水热反应器7的固体产物的热源，实现热量的充分利用。
41.本实施方式中，所述水热固液产物输出管12、所述水热焦炭输出管道18、所述废液排出管30、所述乏气排出管27与所述活化乏气进气管29之间均采用耐高温高压的旋转密封方式连接。
42.所述过滤干燥器33的入口用于接收来自于中药废渣水热反应器7反应所得的固液反应产物，并在过滤干燥器33完成过滤以实现固液分离并将分离出来的废液通过废液排出管30排出，同时过滤干燥器33接收来自于水热炭活化反应器26排除的乏气，利用该乏气的剩余释热将固体产物进行干燥，干燥完成后，将干燥产物通过过滤干燥器33末端的水热焦炭输出管道18输送到水热炭活化反应器26中。
43.所述水热炭活化反应器26接收来自于过滤干燥器33的干燥产物和来自于活化剂加料口20的活化剂，在水热焦炭活化导管24中通过活化传送绞龙28的搅拌和传送在氮气的氛围中加热活化，活化后，活化产物经活化传送绞龙28传送至活化产物排出管25排出、收集，活化过程中的活化乏气经乏气排出管27排向过滤干燥器33中完成余热利用。
44.中药废渣水热反应器7中的水热反应产物经水热固液产物输出管12进入过滤干燥器33中，由于过滤干燥器33的水热焦炭传输管17为倾斜布置，由于液体具有流动性，在重力的作用下液体产物流向较低的一端，最终经废液排出管30排除，而固体产物则在传送绞龙16的传送下向上端移动，完成固液分离。同时，过滤干燥器33的入口处的活化乏气进气管29与水热炭活化反应器26的乏气排出管27连通，使水热炭活化反应器26中参与活化反应后的高温乏气进入到过滤干燥器33中，作为干燥固体产物的热源和气源，充分利用了活化乏气的剩余释热。完成固液分离后的固体产物一边在传送绞龙16的传送下向过滤干燥器33的末
端移动，一边由于传送绞龙16同时兼具搅拌作用，在高温乏气热源的加热下完成烘干。此外，由于整个过程，腔内的气体始终处于流动状态而形成扰动，加速了水分的导出，加快了固体产物的干燥过程，增强了干燥效果。干燥完成后，固体产物也被传送绞龙16传送到了过滤干燥器33的末端，然后经水热焦炭输出管道18进入到了水热炭活化反应器26中。
45.当经过干燥后的水热焦炭经过水热焦炭输出管道18进入到了水热炭活化反应器26中后，同时，系统通过位于水热炭活化反应器26入口处的活化剂加料口20将活化剂加入到水热炭活化反应器26中，干燥后的水热焦炭在活化传送绞龙28的传送下向水热炭活化反应器26的末端行进，同时由于活化传送绞龙28兼具搅拌作用，水热焦炭和活化剂在水热焦炭活化导管24中成分搅拌，同时，该腔内被充满了氮气，水热焦炭活化导管24的四周布满了电加热丝，在氮气的气氛中，活化作用下，水热焦炭被充分活化而完成活化反应，最终生成高孔隙率、高比表面积的超级活性炭，在反应进行的末端，生成的超级活性炭也被活化传送绞龙28传送到了水热炭活化反应器26的末端，最终，活化产物经位于水热炭活化反应器26末端的活化产物排出管25排出，并在此处完成收集。
46.在水热焦炭的活化过程中，水热炭活化反应器26中原有的氮气以及活化过程中产生的各种废气被电加热丝加热，会在水热炭活化反应器26末端产生大量活化乏气，这些乏气仍携带有大量的热量，如果将此部分携带有热量的气体直接排除，势必会造成能量的浪费，同时也会对环境造成热污染，又考虑到过滤干燥器33中的干燥过程需要一个恒定的热源，因此，采用将两部分结合，将水热炭活化反应器26中的活化乏气经乏气排出管27和过滤干燥器33的活化乏气进气管29导入到过滤干燥器33中，作为固体干燥的热源和气源，加速干燥过程，并实现能量的充分利用。
47.过滤干燥器33部分存在一传送绞龙16，水热炭活化反应器26部分存在一活化传送绞龙28，两绞龙均需动力源为其提供传动和搅拌所需的动力，于是利用行星轮机构22将绞龙动力电机23的动力按照一定的转速比例分别输送给过滤干燥器33的传送绞龙16和水热炭活化反应器26的活化传送绞龙28，实现两绞龙的协同传动，从而实现过滤干燥器33与水热炭活化反应器26的协同运作。在行星轮机构22中通过设置行星轮的齿数比来实现不同的传送转速比。
48.不同含水率的中药废渣被投入到中药废渣水热反应器7中，同时向中药废渣水热反应器7中加入尿素等添加剂，在一定温度下，经叶轮搅拌器9的充分搅拌完成水解反应，生成的产物以固液混合物的形式存在，该固液混合物经中药废渣水热反应器7底部的水热固液产物输出管12流向过滤干燥器33，过滤干燥器33倾斜布置，在重力和传送绞龙16搅拌的共同作用下实现固液分离，分离出的废液经废液排出管30排出，固体水热焦炭则在传送绞龙16的传送下继续向过滤干燥器33末端传送。同时，具有一定温度和一定流速的活化乏气经过滤干燥器33的活化乏气进气管29被导入过滤干燥器33中，该活化乏气由于具有较高的温度和一定的流速，在过滤干燥器33中作为固体干燥的热源和气源对分离出的固体进行干燥，完成干燥后的水热焦炭由传送绞龙16经水热焦炭传输管17传输到水热炭活化反应器26中。
49.当被干燥后的水热焦炭被传输到水热炭活化反应器26中时，系统同时经水热炭活化反应器26入口端的活化剂加料口20向水热炭活化反应器26中加入活化剂参与活化反应。干燥后的水热焦炭与活化剂在活化传送绞龙28的搅拌作用下充分混合，此时水热炭活化反
应器26中被充满氮气，在氮气的气氛中，由周围的电加热丝为水热炭活化反应器26提供热量，使水热焦炭充分活化，最终生成具有高孔隙率和高比表面积的超级活性炭，生成的超级活性炭在活化传送绞龙28的传送作用下被送到水热炭活化反应器26末端的活化产物排出管25排出，同时活化过程产生的活化乏气经乏气排出管27导向过滤干燥器33中，实现热量的充分利用。
50.本发明装置设计巧妙,利用水热催化反应协同活化反应,可较好地解决中药废渣难处理的难题，同时制备出超级电容器电极炭,其能量利用率高,生产效率高。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。