一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置

技术领域

本发明属于生物质热解炭化及农业环境技术领域，具体涉及一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置。

背景技术

化肥是农业生产中的必需品，化肥中富含氮、磷、钾等农作物生长所必需的营养元素，施肥能提高农作物单位面积产量，但是农业化肥使用量过度，会造成土壤肥力下降、土壤结板等破坏土壤结构的问题，故新型化肥的研发显得极为重要。

生物炭具有多孔隙性且表面积大，这使其具有极强的吸附能力可以把土壤中的营养元素吸附到其周围，且其可以通过提高阳离子的交换性能来贮藏土壤中的营养元素并缓慢释放，实现促进植物生长的长期效应，另外生物炭自身疏松，与土壤混合可以降低土壤容重，改善土壤结构，提高土壤质量。因此，炭基肥料是一种应用前景广阔的新型化肥，其是农业废弃物在无氧或缺氧条件下，经高温热裂解后制得的固体产物。

现有技术中，制备炭基肥料所用的热解气氛主要是N

目前，将水蒸气引入热解炭化系统用于热解炭制备的研究相对较少，特别是作为肥料化应用更是缺乏。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法及装置。循环利用水蒸气作为热解气氛，高效制备一种吸收养料及水分能力强的新型活化炭。

本发明采用的技术方案是：一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，包括热解炭化炉，所述热解炭化炉包括炉腔壁，所述炉腔壁内设有上下相通的预热区、热解区和活化区，所述活化区底部设有出炭室，所述热解区和活化区根据温度分别包括第一热解区、第二热解区和第一活化区、第二活化区，所述预热区设有燃气进气口、预热恒温器、电火花点燃器、预热气出气口，所述第一热解区设有燃气进气口、第一热解恒温器、电火花点燃器，所述第二热解区设有混合气进气口、第二热解恒温器、负压板，所述第一活化区设有燃气进口、第一活化恒温器和第一匀风壁，所述第二活化区设有第二活化恒温器、第二匀风壁和活化气出气口。

其中，区段间体积比中，V

所述炉腔壁顶部设有进料绞龙，所述炉腔壁底部设有出料绞龙，所述出料绞龙连接至储炭仓。

还包括燃气系统，所述燃气系统输入端连接储气罐，所述燃气系统输出端分别连通至风机和预热区、第一热解区和第一活化区的燃气进口，且燃气系统与预热区、第一热解区和第一活化区之间的管道上分别设有燃气进气阀。

所述预热气出口连接混气罐一端，所述混气罐另一端连接增速喷管装置一端，所述增速喷管装置另一端连接至混合气进气口，所述混气罐与增速喷管装置之间的管道上设有进气阀。

所述活化气出气口连接至冷凝器输入端，所述冷凝器输出端连接至蒸汽发生器输入端，所述蒸汽发生器输出端连接至混气罐；所述冷凝器输出端还连接净化器输入端，所述净化器输出端分别连接混气罐、CO

所述预热区与第一热解区之间设有第一流动开关，所述第一热解区与第二热解区之间设有第二流动开关，所述第二热解区与第一活化区之间设有第三流动开关，所述第一活化区与第二活化区之间设有第四流动开关，所述第二活化区与出炭室之间设有第五流动开关。

所述燃气进气口、预热气出气口、混合气进气口和活化气出气口均位于炉腔壁上。

所述热解炭化炉置于墙体支架上。

所述预热区设有水蒸气浓度控制传感器。

一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：

步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混气罐、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一匀风壁、第二匀风壁送往第一活化区、第二活化区；

步骤2：物料在预热区预热60-120min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使200℃左右的物料进入第一热解区，预热区所产生的预热气经预热气出口至混气罐，此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的50-80％；

步骤3：预热后的物料在第一热解区发生分解反应约30-50min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构，为水蒸气分子附着提供换热位点，从而强化第二热解区的换热效果，初步热解的生物炭经第二流动开关至第二热解区反应约35-65min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区，混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区，第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一匀风壁、第二匀风壁送往第一活化区、第二活化区；

步骤4：炭颗粒进入第一活化区反应25-45min，炭颗粒经过第四流动开关进入第二活化区反应30-60min，活化炭经过第五流动开关进入出炭室，后经出料绞龙送至储炭仓，活化气体经活化气出气口至冷凝器，冷凝水送往蒸汽发生器产生高温水蒸气，送往混气罐；未冷凝气体送往净化器，被分离的CO

水蒸气的热扩散系数与导热系数均高于CO

本发明区段分级炭化能保证物料流动时状态参数的均一性，确保经上一区段处理的物料高效适配下一区段的处理需求，充分利用炉体体积与蒸汽循环，优化制炭流程，提高制炭、活化效率，高效制备吸收养分及水分能力强的新型生物炭，可负载营养物质作为炭基缓释肥料。

本发明的有益效果如下：

1、水蒸气除用于导热外，还参与高温区气化反应活化生物炭，此种新型活化炭基肥料富含营养元素且表面特性好，施入土壤后可改善土壤结构、提高土壤质量，增加养料及水分的渗入速度，促进植物生长与繁茂；

2、选用水蒸气作热解循环气氛与CO

3、与现有技术中N

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的流程图；

图3是800℃活化时木屑在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像；

图4是800℃活化时谷壳在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像。

图中，1-进料口、2.1-进料绞龙、2.2-出料绞龙、3-炉腔壁、4.1.1-预热恒温器、4.2.1-第一热解恒温器、4.2.2-第二热解恒温器、4.3.1-第一活化恒温器、4.3.2-第二活化恒温器、5.1-燃气进气口、5.2-预热气出气口、5.3-混合气进气口、5.4-活化气出气口、6-电火花点燃器、7-水蒸气浓度控制传感器、8.1-燃气进气阀、8.2-混合气进气阀、9-风机、10-预热区、11.1-第一热解区、11.2-第二热解区、12.1-第一活化区、12.2-第二活化区、13-出炭室、14.1-第一流动开关、14.2-第二流动开关、14.3-第三流动开关、14.4-第四流动开关、14.5-第五流动开关、15-负压板、16.1-第一匀风壁、16.2-第二匀风壁、17-墙体支架、18-燃气系统、19-混气罐、20-增速喷管装置、21-冷凝器、22-净化器、23-蒸汽发生器、24-CO

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的装置，包括热解炭化炉，热解炭化炉分为相通的预热区10(100-200℃)、热解区和活化区三部分，其中热解区和活化区根据温度分别分为第一热解区11.1(450-500℃)、第二热解区11.2(500-550℃)和第一活化区12.1(700-800℃)、第二活化区12.2(800-900℃)。预热区10设有预热恒温器4.1.1、燃气进气口5.1、电火花点燃器6、水蒸气浓度控制传感器7、预热气出气口5.2。第一热解区11.1设有第一热解恒温器4.2.1、燃气进气口5.1、电火花点燃器6。第二热解区11.2设有第二热解恒温器4.2.2、混合气进气口5.3、负压板15。第一活化区12.1设有第一活化恒温器4.3.1、燃气进口5.1、第一匀风壁16.1，第二活化区12.2设有第二活化恒温器4.3.2、第二匀风壁16.2、活化气出气口5.4。

本发明农业废弃物经过进料口1、进料绞龙2.1送入预热区10，后依次经过第一热解区11.1、第二热解区11.2、第一活化区12.1、第二活化区12.2，各区域均通过流动开关连接，在第二活化区12.2得到的活化炭进入出炭室13，经出料绞龙2.2送至储炭仓26。燃气系统18中燃气通过风机9送风、燃气进气阀8.1调节后，经燃气进气口5.1分别送入预热区10、第一热解区11.1、第一活化区12.1。预热区10中物料产生的预热气经预热气出口5.2送至混气罐19储存，通过混合气进气阀8.2、增速喷管装置20，经混合气进气口5.3送往第二热解区11.2。第二热解区11.2中产生的热解气经负压板15以及第一匀风壁16.1、第二匀风壁16.2送至第一活化区12.1、第二活化区12.2，活化气体经活化气出气口5.4送至冷凝器21，冷凝水送往蒸汽发生器23产生高温水蒸气，送往混气罐19；未冷凝气体送往净化器22，被分离的CO

如图2所示，一种水蒸气循环区段分级热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：

步骤1：燃气系统18中的燃气通过风机9、燃气进气阀8.1经燃气进气口5.1送入预热区10、第一热解区11.1、第一活化区12.1，通过电火花点燃器6进行燃烧，预热区10燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口5.2、混气罐19、混合气进气阀8.2、增速喷管装置20、混合气进气口5.3送入第二热解区11.2，第二热解区11.2中的高温烟气经负压板15以及第一匀风壁16.1、第二匀风壁16.2送往第一活化区12.1、第二活化区12.2。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度。待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积5-20％或挥发分燃烧所需化学当量比的50％以内，此时将预处理后的农业废弃物由进料口1加至热解炭化炉中，依次在预热区10、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。

步骤2：物料在预热区10(100-200℃)预热60-120min，可减小与热解区的温差，降低不均匀的温度导致孔隙坍塌的可能性。通过水蒸气浓度控制传感器7确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关14.1，使200℃左右的物料进入第一热解区11.1。重量变化率小于0.1％是为了确保原料中自由水和化合水都已经在预热区段被去除了，防止因为物料自身含水率的差异导致热解、活化的不均一性。预热区10所产生的预热气经预热气出口5.2至混气罐19。此时开启蒸汽发生器23，蒸汽发生器23运行时压力控制在0.5-1.6MPa，产生的高温水蒸气送往混气罐19，混气罐19中水蒸气占总气体氛围的50-80％。

步骤3：预热后的物料在第一热解区11.1(450-500℃)发生分解反应约30-50min，析出挥发物气体，该温度区间略高于纤维素、半纤维素和木质素的热解温度，在此范围内，温度的升高促进物料反应，化学组分变化更加明显，半纤维素等不稳定成分分解为CO、CO

步骤4：炭颗粒进入第一活化区12.1(700-800℃)反应25-45min。一方面，水蒸气与炭反应速率相对较慢，反应后气体析出导致炭表面产生新的裂纹与微孔，起到“造孔”的作用，为高温活化提供数量庞大的孔隙；另一方面，水蒸气的扩散对原有的孔隙具有“冲刷，疏通”的作用，使原有孔隙中的残留物质被带出，为高温活化提供完整、畅通的气流通路。而随着温度的升高，反应热量趋于饱和，过余热量会破坏C原子的晶格结构，为高温活化提供水蒸气附着活性位点。后炭颗粒经过第四流动开关14.4进入第二活化区12.2(800-900℃)反应30-60min，800-900℃的高温使羟基之间的氢键缔结断裂，自由羟基增多，可及度变大，与C原子反应生成的碳氧配合物增多。除此之外，水蒸气向孔内扩散，与炭充分接触使得反应速率达到最大，在微孔的基础上发生“扩孔”作用，在炭表面产生大量的微孔和中孔。而将温度限制在900℃以下可以防止水蒸气活化过度以及炭的烧蚀导致微孔、中孔坍塌破裂。活化过程中H

步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器23经加热转变成水蒸气最终引至混气罐19作热解气氛，针对不同农业废弃物原料中含水率，混气罐中水蒸气占总气体氛围的50-80％，保证水蒸气主体氛围强化换热的同时含有一定CO

按照上述实施步骤，在不同循环热解条件下针对谷壳、木屑和水稻秸秆三种原料有以下实施案例：

实施案例1：以谷壳为原料

步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为150℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为20％或挥发分燃烧所需化学当量比为45％，此时将预处理后的谷壳由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。

步骤2：谷壳在预热区预热60min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使150℃左右的谷壳进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为800kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的75％。

步骤3：预热后的谷壳在500℃的第一热解区发生分解反应约40min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的谷壳生物炭经第二流动开关至550℃的第二热解区反应约45min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。

步骤4：炭颗粒进入800℃的第一活化区反应45min，后经过第四流动开关进入900℃第二活化区反应60min，整个活化区的H

步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以谷壳为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的75％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。

热解炭化炉以谷壳为原料时，其进料密度约为0.128g/cm

实施案例2：以木屑为原料

步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为180℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为10％或挥发分燃烧所需化学当量比为35％，此时将预处理后的木屑由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。

步骤2：木屑在预热区预热90min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使180℃左右的木屑进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为400kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的65％。

步骤3：预热后的木屑在500℃的第一热解区发生分解反应约50min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的木屑生物炭经第二流动开关至550℃的第二热解区反应约65min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。

步骤4：炭颗粒进入700℃的第一活化区反应25min，后经过第四流动开关进入800℃第二活化区反应40min，整个活化区的H

步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以木屑为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的65％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。

热解炭化炉以木屑为原料时，其进料密度约为0.585g/cm

实施案例3：以水稻秸秆为原料

步骤1：燃气系统中的燃气通过风机、燃气进气阀经燃气进气口送入预热区、第一热解区、第一活化区，通过电火花点燃器进行燃烧，预热区燃烧后产生的高温烟气经预热气出气口、混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送入第二热解区，第二热解区中的高温烟气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。此外，各区段恒温器辅助控制区段温度，维持预热区的温度为200℃，待炉体各区域温度都稳定在指定区间后，控制空气进量占总气体体积为15％或挥发分燃烧所需化学当量比为40％，此时将预处理后的水稻秸秆由进料口加至热解炭化炉中，依次在预热区、热解区、活化区进行预热、热解炭化、活化。

步骤2：水稻秸秆在预热区预热120min，通过水蒸气浓度控制传感器确认其重量变化率小于0.1％时即可打开第一流动开关，使200℃左右的水稻秸秆进入第一热解区。预热区所产生的预热气经预热气出口至混气罐。此时开启蒸汽发生器，蒸汽发生器运行时压力控制在0.5-1.6MPa，水蒸气流量为600kg/h，产生的高温水蒸气送往混气罐，混气罐中水蒸气占总气体氛围的55％。

步骤3：预热后的水稻秸秆在450℃的第一热解区发生分解反应约30min，析出挥发物气体，初步形成表面孔隙结构。初步热解的水稻秸秆生物炭经第二流动开关至500℃的第二热解区反应约35min，反应后的炭颗粒经第三流动开关进入第一活化区。混气罐内的混合气经混合气进气阀、增速喷管装置、混合气进气口送往第二热解区。第二热解区反应后的热解气经负压板以及第一、二匀风壁送往第一、二活化区。

步骤4：炭颗粒进入750℃的第一活化区反应35min，后经过第四流动开关进入850℃第二活化区反应50min，整个活化区的H

步骤5：整个过程中必要时外界会通过向冷凝水处补充少量水进入蒸气发生器经加热转变成水蒸气最终引至混气罐作热解气氛，以水稻秸秆为原料时，混气罐中水蒸气占总气体氛围的55％。同时，当系统中水蒸气过多时可通过将高温冷凝水适量排出至补充水处。

热解炭化炉以水稻秸秆为原料时，其进料密度约为0.0.37g/cm

同原料在对应热解氛围下得到生物炭特征：

图3为800℃活化时木屑在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像(经放大1000倍所得)及SEM图像数据处理(木屑：N

由此可知，H

图4为800℃活化时谷壳在不同热解气氛下制备的生物炭的SEM图像(经放大1000倍所得)及SEM图像数据处理(谷壳：N

由此可知，H

在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO

在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO

在活化温度为650℃、不同循环热解气氛CO

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。