一种生物质的碳化工艺与处理设备

技术领域

发明涉及固体弃物的处理技术领域，具体为一种生物质的碳化工艺与处理设备。

背景技术

当前，农业、林业生产，以及城市绿化运维等行业中，各种生物质废弃物主要是通过遗弃、焚烧等方法进行处理。遗弃处理不仅污染环境、占用土地，而且有机质的分解也会释放出巨量的CH

在建筑材料中，墙体材料占比大，但目前的墙体材料多为水泥砂浆制品，如砂加气砌块、ALC墙板、GRC墙板、钢筋混凝土墙板等，不仅自重大，而且不利于实现节能减排。可见，将上述碳基材料用于建筑等材料中，具有十分重要的现实意义。

本发明中的“碳基材料”界定为生物质经过高温碳化后的生成物，包括骨料和粉体，是生产其他高碳材料的原料。

发明内容

发明的目的在于提供一种生物质的碳化工艺与处理设备，以解决上述背景技术中提出的问题，主要发明目的具体如下：

第一，实现垃圾的资源化利用。在缺氧的条件下对生物质进行碳化处理，生成高含碳量的碳基材料，可用来制造其他的高碳材料，实现生物质废弃物的资源化利用。

第二，减少生物质废弃碳排放。生物质一定是含碳的化合物，包括大部分的碳氢化合物及其衍生物，上述生物质的碳化处理，可将有机碳转化为无机碳，将绝大多数的碳元素锁定在碳基材料中，从而减少生物质废弃物的碳排放，如生物质废弃物焚烧中会产生CO

第三，降低生物质废弃物处理成本。本发明的生物质废弃物碳化处理设备体积小、操作简单，可就近布置，减少生物质废弃物的收集、运输和处理等环节的人力、经济、能源等成本的消耗，例如农村秸秆的就地处理等。

第四，降低垃圾处理能源消耗。生物质废弃物的碳化过程多数为吸热反应，需要消耗大量热量。为了减少能耗，发明中需要采取高效的保温措施，尽可能地利用余热进行加热，尤其是，充分利用碳化过程产生的可燃气作为碳化的能源，不仅是节约能源的需要，也是减少污染的需要。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种生物质的碳化工艺与处理设备，包括干燥部、碳化部、机电部和外部装置，其中，干燥部和碳化部垂直设置、上部连通，构成n形结构，其特征在于：经过破碎处理后的生物质原料从进料口进入干燥部，在被提升搅拌的同时加热排气，并干燥装运至碳化部的顶部，然后在加压沉降的过程中依次被加热碳化、保温冷却、密闭排出至外部装置进行收集，成为碳基材料。

提升搅拌是指干燥部内设置的提升装置将生物质原料向上提升，并不断搅拌、排出空气，干燥部的内部从下向上依次为与大气隔绝的进料腔、干燥腔、转运腔。进料口上大下小，下部与进料腔相连通，且由生物质原料封堵进料腔的口部，阻止空气进入进料腔、干燥腔，保障后续的干燥与碳化。

加热排气是指生物质原料在提升搅拌过程中被提升装置内部设置的电热装置和干燥腔外表包围设置的余热加热装置加热，蒸汽和挥发物等高温气体从转运腔顶部侧壁设置的排气孔排入排气腔。

干燥转运是指生物质原料经过加热排气后，完成干燥，并被转运腔内设置的转运机构推入碳化部的挤压腔，成为待碳化物料。

加压沉降是指待碳化物料受到挤压腔顶部中心设置的挤压机构的推挤、加压，均布于挤压腔，并向下沉降，依次进入碳化腔、保温腔、冷却腔、出碳腔。

加热碳化是指待碳化物料被碳化腔外表包围设置的电加热装置和碳化部内部设置的燃烧室加热，生成高温碳化物。

保温冷却是指高温碳化物在保温腔内的沉降过程达到设定的保温时间，然后进入冷却腔冷却成为常温的碳基材料；加热碳化和保温冷却过程中产生的气体上升并依次流经挤压腔、转运腔、排气孔，进入排气腔。

密闭排出是指碳基材料沉降至出碳腔，通过管式螺旋输送机推出至碳化部外侧设置的提升机中，并由提升机输送到储炭桶中。

碳化部的内部为密闭、等径、竖向、耐高温的圆桶结构，从上向下依次为挤压腔、碳化腔、保温腔、冷却腔、出碳腔，其中，挤压腔与排气转运腔相连通，冷却腔的外表包围设置有冷凝管；冷凝管为螺旋状，其上、下端分别与换热腔的顶部、底部接口连接。

燃烧室为竖向、耐高温的圆管结构，贯穿碳化腔、保温腔、冷却腔、出碳腔的中心，其上部通过弯管与烟气腔的顶部连通，并与碳化腔的腔壁固定，其下部与出碳腔的腔底固定，其底端与大气连通，其内部设有燃烧装置；

燃烧装置从上向下依次为烧嘴传感器、点火器、烧嘴、气管、风机，烧嘴位于燃烧室内的平面中心，高度位于保温腔的中上部，其下部与气管连通、固定，风机固定在燃烧室的底部进风口，烧嘴传感器实时检测燃烧温度，与点火器一起沿气管敷设、固定，气管上方连接烧嘴，下部通过弯头转为横管，在风机的上方横向穿出燃烧室，并与燃气管道和外部备用燃气接入的电磁阀连接。

干燥部的内部温度为上高下低，加热排气和干燥转运中的加热以余热加热装置加热为主，温度不足时才启动电加热装置进行加热。余热加热装置包括排气腔、换热腔、烟气腔，其中，排气孔与排气腔连通。干燥、碳化、保温过程中产生的气体均为高温气体，含热量较高，这些气体从排气孔流入排气腔后从上向下流动，在加热干燥部内壁的同时被逐渐冷却，成为气液混合物，流入排气腔底部设置的气液分离机构中，分离出的可燃气通过燃气管道接至燃烧装置。

燃烧室内燃烧产生的高温烟气通过弯管进入烟气腔的顶部后向下流动，在加热干燥部内壁的同时被逐渐冷却，成为气液混合物，流入烟气腔底部设置的烟气净化机构中，烟气经过净化之后通过烟囱排出。

冷凝管内高温的冷媒从换热腔的顶部流入后向下流动，在加热干燥部内壁的同时被逐渐冷却，然后从换热腔底部流出，并被泵入冷却腔外底层的冷凝管中。

碳化腔从上向下加热温度逐渐提高，以燃烧室的加热为主，温度不足时才启动电加热装置进行加热；碳基材料的碳化深度分一级碳化、二级碳化、三级碳化、四级碳化，与加热温度、保温时间、沉降速度相关，由机电部控制；沉降速度、提升搅拌的速度与出碳腔碳基材料的排出速度相关，由机电部控制。

干燥部、碳化部的高度相等，其底座为钢制的整体结构，进料腔、出碳腔位于底座内，进料腔的下部还设有排水槽和由电机驱动的驱动提升装置的传动机构。出碳腔和燃烧室的底面等高，架空固定在底座上，架空和空余的空间为底座空腔,布置有其他装置，设置有燃烧室空气进入的通道。管式螺旋输送机于燃烧室的底部两侧各设1套，其部分管壁与出碳腔的腔底构成整体、密封的W形腔底，阻止空气进入出碳腔。

干燥部、碳化部的底座以上部分均设有外保温层，外保温层为多层结构，最内侧的保温层采用无机耐高温的保温材料，最外侧的保温层采用蒸汽渗透系数小的保温材料，外保温层的外表还设有整体结构的保护外壳。

气液分离机构和烟气净化机构整合设置于干燥腔的外表下部，由分离腔、限位腔、废水腔、废液腔组成，其中，限位腔和废水腔的顶部相互连通，分离腔的顶部、底部分别与废液腔的顶部、限位腔的底部相连通，并与排气腔垂直连通，承接排气腔内的气液混合物。气液混合物中的可燃气通过废液腔顶部设置的燃气管道排出，液体在分离腔内分层，密度小的混合液体从上部流入废液腔，密度大的液体从底部流入限位腔后再流入废水腔，为废水。限位腔的最高液位低于分离腔的最高液位，且高于废水腔、废液腔的最高液位。废液腔的顶部设有液位传感器，底部设有排放管，且排放管与底座内设置的泵和收集容器相连。废水腔的底部设有排水管，顶部设有液位传感器、喷淋头和烟囱，并与烟气腔垂直连通，烟气腔内废水流入废水腔，烟气经过喷淋头喷水清洗后经烟囱排放，污水、废水经过底座内设置的净水装置净化后，一部分被泵入喷淋头，另一部分储存于外部装置的水箱中。

外部装置包括电源、水箱、储碳桶、备用燃气、碳基材料传送装置，以及生物质原料的储存、破碎、筛分、传送装置。

机电部包括控制主板、电机、电磁阀、泵、风机、电加热装置、点火器、净水装置、电源、温度传感器、液位传感器、气压传感器、气流传感器、红外传感器、物料探测器、外部装置的控制接口，以及这些设备的电性连接，其中，电加热装置为电阻丝加热、微波加热、电磁线圈加热方式中一种或多种，物料探测器设置于进料口，气压传感器设置于挤压腔的顶部，重力传感器设置于出碳腔的底部，温度传感器分布于干燥腔、转运腔、挤压腔、碳化腔、保温腔、冷却腔的腔壁外表，控制主板控制电机、电磁阀、泵、风机、电加热装置、点火器、外部装置的工作，并接收各种传感器的输入信号和外部输入的指令。

碳化的原理为：在隔绝氧气的条件下，一般地，一级碳化的温度为150℃～275℃，干燥后的生物质和其他部分有机物会开始发生热分解反应，尤其是半纤维素、木质素等不稳定的成分开始发生分解，产生二氧化碳、一氧化碳，以及少量的醋酸等物质；二级碳化的温度为275℃～450℃，多数有机物会发生剧烈的热分解反应，产生甲烷、二氧化碳、一氧化碳、醋酸、焦油等物质，并放出一定的反应热能；三级碳化的温度为450℃～600℃，碳化物的内部结构开始发生变化，形成多孔介质；四级碳化的温度为600℃以上。上述的隔绝氧气是通过n形的结构实现的，即进料口内的生物质原料封堵进料腔的口部，阻止空气进入，同时，出碳腔的管式螺旋输送机也封堵空气进入出碳腔，且干燥腔、排气转运腔、挤压腔、碳化腔、保温腔、冷却腔均与大气隔绝。

加热温度是根据碳基材料的碳化深度需要而定的。根据碳化深度的需要，控制系统就会预先设定碳化腔从上到下的温度分布曲线，以及保温时间、沉降速度、进料速度、排出速度等参数。

生物质原料可以是农作物秸秆、林木废弃物等，由于来源多样，种类复杂，其破碎、筛分等处理根据具体情况，做前置处理。

优选的，控制主板密闭安装于底座内，通过5G通讯，接受手机APP和远程计算机的控制。

优选的，一般的生物质废弃物采取一级碳化，产生的碳基材料通过集中分拣后，根据需求再进行二次处理，包括破碎、筛分、碳化等。

优选的，一级碳化的加热温度曲线，从上到下的特征温度点分别为150℃、180℃、210℃、240℃、280℃，保温温度为275℃。

优选的，提升搅拌装置采用304不锈钢材质的竖向管式螺旋输送机，其主轴为空心轴，并在空心轴的内部设置电加热装置，在其顶部设置转运机构和驱动挤压机构的链轮、链条。

与现有技术相比，发明的有益效果是：

1.实现生物质废弃物的资源化利用。在缺氧的条件下对生物质废弃物进行高温处理，不仅减少了污染，而且生成的碳基材料可用来制造其他的高碳材料。

2.减少生物质废弃物产生的碳排放。生物质废弃物的碳化处理，可将绝大多数的碳元素锁定在碳基材料中，避免了生物质废弃物中碳的排放。

3.节省生物质废弃物的处理成本。本发明的生物质废弃物碳化处理设备体积小，操作简单，就近布置，极大减少了生物质废弃物的收集、运输和处理等环节的人力、经济、土地和能源等成本。

4.降低生物质废弃处理的能源消耗。本发明中不仅采取了高效的保温措施，而且充分利用余热进行加热，极大减少了能源消耗。尤其是，充分利用碳化过程产生的可燃气作为碳化所需的能源，不仅是节约能源的需要，也是减少污染的需要。

5.n形的碳化路径，不仅可以实现生产的连续化、自动化，而且绝氧方便、经济、可靠。

附图说明

图1为生物质废弃物碳化工艺流程示意图；

图2为生物质废弃物碳化处理设备纵向剖面示意图；

图3为底座下部平面示意图；

图4为出碳腔高度处平面示意图；

图5为冷却腔高度处平面示意图；

图6为保温腔高度处平面示意图；

图7为碳化腔高度处平面示意图；

图8为转运腔高度处平面示意图；

图9为气液分离机构和烟气净化机构整合设置的剖面示意图。

图中：1进料口、2提升装置、3进料腔、4干燥腔、5转运腔、6排气孔、7排气腔、8转运机构、9挤压腔、10挤压机构、11碳化腔、12保温腔、13冷却腔、14出碳腔、15燃烧室、16管式螺旋输送机、17提升机、18冷凝管、19换热腔、20弯管、21烟气腔、22烧嘴传感器、23点火器、24烧嘴、25气管、26风机、27燃气管道、28电磁阀、29烟囱、30底座、31排水槽、32传动机构、33底座空腔、34W形腔底、35外保温层、36保护外壳、37分离腔、38限位腔、39废水腔、40废液腔、41喷淋头。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

请参阅图1至图9和上述发明内容中的描述，本发明提供2个实施例：

实施例1

一种300℃的小型生物质废弃物碳化设备。

干燥部：内壁为直径300mm的圆桶结构，下部为与进料口1连通的进料腔3，顶部为与挤压腔9连通的转运腔5，两者之间为干燥腔4，中心处设外径60mm、内径50mm的空心轴和外径295mm、螺距60mm的绞龙叶片构成的提升装置2，其均为304不锈钢材质。绞龙的顶部还设有与绞龙叶片角度相反的不锈钢刮板，构成转运机构8，用于向挤压腔9推送物料。转运腔5设有与排气腔7连通的排气孔6，排出干燥、碳化、保温过程中产生的气体。排气腔7、烟气腔21、换热腔19为余热加热装置，包围设置在干燥腔4的外表，其中排气腔7的底部还设有气液分离机构，烟气腔21的底部烟气净化机构。

碳化部：内壁为直径500mm的圆桶结构，2520不锈钢材质，从上向下依次为挤压腔9、碳化腔11、保温腔12、冷却腔13、出碳腔14。碳化部的中心还设有竖向圆管结构、2520不锈钢材质的燃烧室15，并贯穿的碳化腔11、保温腔12、冷却腔13、出碳腔14的中心，其上部通过弯管20与烟气腔19的顶部连通，并与碳化腔11的腔壁固定，其下与出碳腔14的腔底固定，其底部与大气连通，其内部设有燃烧装置。

机电部：包括控制主板、电机、电磁阀28、泵、风机26、电加热装置、点火器23、净水装置、电源、温度传感器、液位传感器、气压传感器、气流传感器、红外传感器、物料探测器、外部装置的控制接口，以及这些设备的电性连接，其中电加热装置为电阻丝加热，控制主板安装在底座内，控制电机、电磁阀28、泵、风机26、电加热装置、点火器23，并通过5G通讯，接受手机APP和远程计算机的控制。

外部装置：除了工作电源、备用燃气的接口之外，该设备还配备外置的储水箱、储碳桶、以及原料上料的传送带。

设备底座：干燥部、碳化部的底座30为钢制的整体结构，进料腔19、出碳腔31位于底座30内。进料腔19的下部还设有排水槽31，以及由电机驱动的提升装置2的传动机构32。出碳腔14和燃烧室15的底面等高，架空固定在底座30上，架空和空余的空间为底座空腔33,布置有其他装置，设置有燃烧室15空气进入的通道。底座30以上的干燥部、碳化部均设有外保温层35，外保温层35的外表还设有保护外壳36。干燥部、碳化部等高，高度为2800mm。

燃烧装置：从上向下为烧嘴传感器22、点火器23、烧嘴24、气管25、风机26，其中烧嘴24位于燃烧室15平面的圆心，高度位于保温腔12的中上部，其下部与气管25连通、固定。风机26固定在燃烧室15的底部进风口。烧嘴传感器22实时检测燃烧温度，与点火器23一起沿气管25敷设、固定。气管25上方连接烧嘴24，下部通过弯头转为横管，在风机26的上方横向穿出燃烧室15，并与燃气管道27和外部备用燃气接入的电磁阀28进行连接。

气液净化：气液分离机构和烟气净化机构整合设置于干燥腔4的外表下部，由分离腔37、限位腔38、废水腔39、废液腔40组成，其中，限位腔38和废水腔39的顶部相互连通，分离腔37的顶部、底部分别与废液腔40顶部、限位腔38底部相连通，并与排气腔7垂直连通，承接排气腔7内的气液混合物，这些气液混合物在加热干燥腔4的同时被冷却，其中的可燃气通过废液腔40顶部设置的气管25排至燃烧室15，其中的液体在分离腔37内分层，密度小的混合液体从上部流入废液腔40，密度大的液体多为废水，在底部流入限位腔38后再溢流进入废水腔39。限位腔38的最高液位低于分离腔37的最高液位，且高于废水腔39、废液腔40的最高液位。废液腔40的顶部设有液位传感器，底部设有排放管，且排放管与底座30内设置的泵和收集容器相连。废水腔39的底部设有排水管，顶部设有液位传感器、喷淋头41和烟囱29，并与烟气腔21垂直连通。烟气腔21内的物质为燃烧室15发生燃烧反应之后的产物，在加热干燥腔4的同时被冷却。冷却后的废水流入废水腔39，烟气经过喷淋头41喷水清洗后经烟囱29排放。污水、废水经过底座30内设置的净水装置净化后，一部分被泵入喷淋头41清洗烟气，另一部分储存于外部装置的水箱中。

工作流程：生物质废弃物自动地在提升搅拌的同时加热排气，完成干燥，并装运至碳化部的顶部，之后在加压沉降的过程中被加热碳化、保温冷却、密闭排出至外部装置进行收集，得到碳基材料。在垃圾处理过程中产生的高温气体和冷却余热用于干燥加热，分解出的可燃气用于碳化加热的能源，污水、废水经过净化后再利用，烟气清洗后排放。

加热温度：干燥腔4的底部为常温，顶部为125℃，升温曲线为斜线；碳化腔11的顶部温度130℃，底部温度为275℃，升温曲线也为斜线；保温腔12的温度设置为275±5℃。

碳化深度：一级碳化。

实施例2

一种500℃的小型生物质废弃物碳化设备。

其结构、构造和工作流程同实施例1。

加热温度：干燥腔4的底部为常温，顶部为150±5℃，升温曲线为斜线；碳化腔11的顶部温度150±5℃，底部温度为450±5℃，升温曲线也为斜线；保温腔12的温度设置为450℃。

碳化深度：二级碳化。

以上实施例的工作原理见前文所述。