一种低温连续热解生物质制备活性炭的固定床反应器的制作方法

本实用新型涉及生物质处理领域，尤其涉及一种低温连续热解固定床反应器，并利用该反应器由生物质制备活性炭。

背景技术：

我国生物质资源丰富，每年产生大约6.5亿吨农业秸秆，加上薪柴及林业废弃物等，折合能量与4.6亿吨标准煤相当，预计到2050年将增加到9.04亿吨，相当于6亿多吨标准煤。我国每年的森林耗材达到2.1亿立方米，折合1.2亿吨标准煤的能量。另外，全国城市生物质年产量已超过1.5亿吨，到2020年年产量将达2.1亿吨，垃圾中的有机质含量平均约为40％。年产1.5亿吨的“城市垃圾”中，被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元。这些资源若未经治理直接焚烧、排入水体或堆积，不仅造成资源浪费，还会引起空气、土壤、地表水和地下水的污染以及人类生存环境的恶化。然而若将其进行碳化生产油、气、固体碳，可部分替代煤、油、天然气等资源。

活性炭具有高度发达的孔隙结构，以及独特的表面官能团、较好的化学稳定性、机械强度，并且耐酸、耐碱、耐热，是一种优良的吸附剂，广泛应用于环保、化学工业、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域，是国民经济、国防建设以及人们日常生活必不可少的产品。

随着国民经济的发展，特别是近年来治理环境污染呼声的日益高涨，活性炭的市场前景和经济效益日益显著，进一步推动了它的研究、开发和利用。世界活性炭年产量超过60万吨，1992年国内已达7万吨，1993年日本达8万吨。目前，我国活性炭工业发展较快，平均年增长 率高达15％，出口量已超过日本和美国，居世界首位。

现有技术CN101863468A公开了一种制备活性炭的回转式微波加热炉及制备活性炭的系统和方法。该系统选用两台回转式微波加热炉，将预处理的物料进行热解处理，物料在一台回转式微波加热炉内完成炭化过程，进入另一台回转式微波加热炉进行活化，活化后的炭化固留物进入冷却室密封冷却，加工为初级活性炭产品，再转入活性炭精加工系统。然而，该方法使用的原料局限性大，并且微波加热装置能耗高，物料炭化过程产生的粉尘量大，物料温度和流动性难以监控，产生的可燃性气体未得到利用，导致经济效益低，难以实现工业化。

现有技术CN102559222A公开了一种低温干馏炉热解物料的方法。该热解方法采用卧式干馏炉，每一次热解开始前，先需要停止向反应器供热，待反应器降温冷却后卸下反应器炉门或是炉盖，取出前一批热解残留的固体产物，需要人工向反应器内加入下一批次热解的物料。因此该方法无法实现物料热态条件下连续进出料，无自动布料和出料功能，未实现高温热解不凝气自用来提供热量。进出料过程需对反应器升温和降温，降低了装置的处理能力和效率，增加了故障率。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种成本低、热效率高，并且可生产高品质活性炭的适合于工业化的热解活化装置及方法。

本实用新型提出了一种低温连续热解生物质制备活性炭的固定床反应器，所述反应器包括进料口、反应系统、出料口，所述进料口的水平位置比所述出料口的水平位置高；

所述反应系统自上而下依次包括集气室、气体收集区、反应室；所述反应室中具有进料螺旋、出料螺旋、料板，所述料板包括进料端和出料端，所述进料螺旋设置在所述进料口之下，位于所述进料端上部；所述出料螺旋设置在所述出料端上部，所述出料端位于所述出料口之上；

所述进料螺旋包括中心螺杆、左螺旋叶片、右螺旋叶片；所述中心 螺杆横穿所述左螺旋叶片和右螺旋叶片，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片垂直于所述中心螺杆的中心线成轴对称，两者之间的距离为所述进料口口径的1/3～1/2；

所述反应室具有反应室隔板，所述反应室隔板两端分别连接蒸汽入口和蒸汽喷嘴。

进一步的，所述左螺旋叶片和右螺旋叶片的下边缘与所述料板的垂直距离为50～150mm，优选80mm。

进一步的，所述左螺旋叶片间隙和右螺旋叶片间隙等距设置。

进一步的，所述左螺旋叶片间隙和右螺旋叶片间隙变距设置。

进一步的，所述气体收集区为梯形体，所述反应室为立方体；

所述气体收集区的底部与所述反应室的顶部连通；

所述气体收集区的顶部与所述料板的垂直距离为1000～1500mm。

进一步的，所述气体收集区的梯形斜截面与所述反应室的竖直面的夹角为120°～150°，优选135°；

所述梯形斜截面由钢板制成，在其上设置有圆孔。

进一步的，所述反应室中包括辐射管，所述辐射管为蓄热式辐射管，设置在所述料板上部与所述料板平行；

所述辐射管与所述料板之间的垂直距离为400～550mm，优选400mm。

进一步的，所述料板的进料端和出料端设置有传动轴承，用于带动所述料板连续转动；所述传动轴承具有两个或多个。

上述反应器进一步包括壳体，所述壳体包括反应器壁、支撑平台、支架；

所述反应器壁用于密封所述反应室；

所述支撑平台设置在所述料板之下；

所述支架固定在所述支撑平台上，用于连接所述传动轴承。

本实用新型通过采用独特的进料螺旋构造，可实现生物质原料在料板上的均匀分布。料板上方均匀布置有多根辐射管，原料在热解过程中 相对于料板和辐射管静止，可保证其均匀受热。在热解处理过程中，通过料板、进料螺旋、出料螺旋的联合操作，可在不停炉的条件下，实现反应器的连续进料和出料，以及热解产物的分类回收。

本实用新型中气体收集区和集气室的设置可大大降低热解气的含尘量，实现高温热解气的直接回收利用，降低了热损失，提高了热利用率。在反应器内部设置活化气导入管道，在热解生物质的同时制备高品质活性炭，实现了一炉多用，提高了整个装置的处理能力和效率。

附图说明

图1是低温连续热解生物质制备活性炭的固定床反应器的左视图。

图2是低温连续热解生物质制备活性炭的固定床反应器的俯视图。

图3是低温连续热解生物质制备活性炭的固定床反应器的主视图。

附图中的附图标记如下：

1-壳体；

2、2a、2b、2c-辐射管；

3-中心螺杆；3a-出料螺旋；3b-进料螺旋；

4-料板；

5-进料仓；5a-进料口；

6-插板阀；

7-支架；

8-反应室；

9-传动轴承；

10-基底；

11-支撑平台；

12-固体收集仓；12a-出料口；

13-气体收集区；

14-集气室；

15-蒸汽喷嘴；

16-蒸汽入口；

17-反应室隔板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

该固定床反应器既可用于资源化回收利用有机化合物，又可用于无害化处理废弃物，本实用新型实施例中用于由生物质制备活性炭。反应器包括四个部分：进料系统、反应系统、出料系统、壳体。以下结合图1、图2、图3分别显示的固定床反应器的左视图、俯视图、主视图，对该四个部分之间的结构及其关系进行说明。

①壳体：由图1所示，固定床反应器的壳体1包括反应器壁、支架7、基底10、支撑平台11。

反应器壁包括炉顶、侧壁、炉底，用于密封整个反应室8，使得反应室8内的反应气氛与外界气氛充分隔开。

②进料系统：由图1以及图3所示，进料系统自上而下依次包括进料仓5、插板阀6、进料口5a。进料仓5的数量可为一个或多个。

③出料系统：由图1所示，出料系统由出料口12a和固体收集仓12构成。出料口12a在进料口5a之下，且都设置有下料溜槽，用于反应器的进料和出料。固体收集仓12的数量可为一个或多个。

④反应系统：反应系统自上而下依次包括集气室14、气体收集区13、反应室8。

由图3可见，在反应室8的底部设置有料板4，位于支撑平台11之上。为了便于描述，将料板4的两端分别命名为进料端和出料端。由图1可见，出料端通过出料口12a与固体收集仓12连接。

由图1，在进料端和出料端分别设置一个传动轴承9。支架7的一端固定在支撑平台11上，另一端连接传动轴承9。传动轴承9中一个是主动轮，一个是从动轮，用于带动料板4的连续转动。根据需要，可在料板4的中间段设置若干个从动轮，从动轮上端与料板4接触起到支撑作用，下端固定在支撑平台11上。

由图1所示，进料螺旋3b设置在料板4进料端的上部，位于进料口5a之下；出料螺旋3a设置在料板4出料端的上部，且出料端位于出料口12a之上。在本实用新型实施例中，进料螺旋3b和插板阀6之间还设置有料位计。

由图2和图3所示，进料螺旋3b和出料螺旋3a均由螺旋叶片和中心螺杆3组成，中心螺杆3横穿螺旋叶片。本实用新型实施例中，螺旋叶片之间的间隙等距设置，其下边缘与料板4的垂直距离为50～150mm，其中优选距离为80mm。

在其它实施例中，螺旋叶片之间的间隙可采用变距设置的方式，且靠近中间部分螺旋叶片间隙比中心螺杆两端螺旋叶片间隙要小，使得物料在料板4上的分布更加均匀。

由图2所示，进料螺旋3b位于进料口5a之下，螺旋叶片包括左螺旋叶片和右螺旋叶片，中心螺杆3横穿左螺旋叶和右螺旋叶片。左螺旋叶片和右螺旋叶片垂直于中心螺杆3的中心线成轴对称。本实用新型实施例中，左螺旋叶片和右螺旋叶片之间的距离为进料口5a口径的1/3～1/2。

本实用新型实施例中，进料螺旋3b的特殊构造，使得生物质原料从进料螺旋3b的中间部分向两端运动，可以减少物料随进料螺旋3b的 运转距离，并且实现较宽料板4上物料的均匀分布，优选实施方式为采用单根进料螺旋。

在其它实施例中，可在进料口5a的下料溜槽处增设导流板，有助于物料的均匀分布。

由图2所示，反应室8中设置有3个辐射管，分别为2a、2b、2c，在图1和图3中标示为辐射管2。在其它实施例中，辐射管2的数量可以为除3个以外的任一数量。本实用新型实施例中。辐射管2在反应室8中均匀布置，且与料板4平行，其距离料板4的垂直高度为400～550mm，本实用新型实施例中为400mm。

由图1可见，在反应室8中设置有3个反应室隔板17，反应室隔板17位于3个辐射管之间并平行布置，其两端分别与蒸汽入口16和蒸汽喷嘴15连接。蒸汽入口16为管式结构，位于3个辐射管之上并水平布置，其具有3个出气口，分别与3个反应室隔板17的上端连通。蒸汽喷嘴15具有多个，均设置在反应室隔板17的下端与其连通，其位于料板4之上，与料板4平行。在其他实施例中，反应室隔板17的数量可为除3个以外的任一数量，对应蒸汽入口16出气口的数量与反应室隔板17的数量相同。

本实用新型实施例中，气体收集区13为一梯形体，反应室为一立方体，气体收集区13的底部与反应室8的顶部连通。气体收集区13的顶部水平面和梯形斜截面均由钢板制成，从而与集气室14隔开。在制成梯形斜截面的钢板上设置有圆孔，用于热解气体的流通。

集气室14具有竖直面侧壁和倾斜面侧壁，竖直侧壁和反应室8的竖直面侧壁连接；倾斜面侧壁和气体收集区13的梯形斜截面侧壁连接。

气体收集区13的顶部与料板之间的垂直距离为1000～1500mm，本实用新型实施例中，优选距离为1000～1200mm。气体收集区13的梯形斜截面与反应室8的竖直面之间夹角为120°～150°，优选角度为135°。

本实用新型实施例反应器的整个反应器壁优选四方形，也可设计为 圆柱形或其它形状。采用四方形反应器壁的结构更加有利于辐射管2的设置，从而使物料受热均匀，保证热解气的均匀产生和流动。

利用本实用新型处理生物质制备活性炭的工艺方法流程如下：

①原料要求

本实用新型实施例的固定床反应器对原料无严格要求，为获得较高品质的活性炭，优选生物质原料的粒径为0.3～12mm。

②进料过程

关闭插板阀6，将生物质原料运送至进料仓5中。可在进料仓5中设置搅拌棒，用于防止物料的蓬料现象。打开插板阀6，物料在重力作用下，经由进料口5a处的下料溜槽进入反应室8前段的中部。

生物质原料被连续运送至进料螺旋3b的中间部分，在进料螺旋3b的作用下沿料板4的两侧均匀的分布。料板4在传动轴承9的运转下，可带动生物质向前输送，使整个料板4均匀的布满物料。

料位计可用于检测进入反应室8的物料高度，从而控制单次进料量，也可通过调节进料螺旋3b，改变料板4上物料的分布效果。

在插板阀6处可设置惰性气体接入口，在打开插板阀6向反应器中加入生物质原料时，通入惰性气体，原料在惰性气体气流的协助下进入反应室8中。惰性气体可选择氮气，或为其它非氧化性气体，满足反应室8中热解反应的绝氧性要求。

本实用新型固定床反应器可采用单次进料的方式，也可采用连续进料的方式。当所需处理的物料量较小时，可采用本实用新型实施例中的固定床反应器进行操作。如果处理的物料量较大，可增加料板4的面积，在热解反应过程中保持料板4的连续转动，使物料在料板4上从进料端到出料端完成热解反应，保证进料和出料的连续性。

③进料高度

为了保证反应室8中生物质原料热解的连续性，进料仓5的单次物料储存量不得少于料板4的单次物料分布量。在热解反应过程中，在进 料仓5中储存一定量的生物质原料，保证料板4上物料的高度为100～150mm。

④热解过程和活化过程

热解过程：固定床反应器在350～1200℃的温度范围内运行，生物质原料进入反应室8之后，在辐射管2的辐射传热作用下，逐步升温热解，首先进行干燥脱水，然后脱除挥发分，生成热解气和炭化物料。

活化过程：热解完成后，提高每根辐射管的温度，同时经由蒸汽入口16通入水蒸汽。水蒸气进入由耐高温不锈钢制成的反应室隔板17中加热升温，再通过蒸汽喷嘴15喷入反应室8中。水蒸气与炭化物料充分接触，在辐射管的辐射传热作用下，炭化物料被活化，从而制得活性炭。

料板4上上层物料中的低沸点有机质先进行热解，下层物料和高热解有机化合物后进行热解，可保证整个料板4上物料受热的均匀性。

热解反应过程中要控制反应室8处于绝氧气氛，整个活化过程在水蒸气气氛下完成，维持反应室8的压力在-2～5kPa的范围内。

⑤加热方式

该固定床反应器的加热方式可选择电加热方式、燃料加热方式、高温等离子体加热方式等，本实用新型实施例优选蓄热式辐射管加热方式，满足装置中燃烧加热系统与物料热解系统的隔绝。

热解过程中当物料温度低于280℃时，辐射管2的升温速率控制在40～60℃/min；当物料温度在280～450℃时，辐射管2的升温速率控制在20～40℃/min；当物料温度超过450℃时，辐射管2的升温速率控制在20～60℃/min。

整个热解过程控制辐射管2的温度为600～850℃，并在进行活化过程之前保证炭化物料的最低温度≥600℃。

活化过程控制辐射管2的升温速率为20～80℃/min，温度为650～1100℃，物料温度为600～1000℃。

⑥出料过程

在启动进料螺旋3b的同时启动出料螺旋3a，在出料螺旋3a的运转下，制备的活性炭经由出料口12a处的下料溜槽进入固体收集仓12中。

该出料过程可满足料板4在均匀分布生物质原料的同时，对制备的活性炭进行出料，从而保证反应器中进料和出料的连续性。

⑦热解气的回收利用

热解产生的热解气膨胀汇集到气体收集区13中，在其中升温并加快裂解，然后经由梯形斜截面钢板上的圆孔，进入到集气室14中。

气体收集区13斜截面上的圆孔，可使热解气的流动速度变慢，导致其中的灰尘沉淀并降落，从而降低进入集气室14热解气的含尘量。集气室14既可储存热解气，又可确保热解气处于高温状态，充分回收热解气的热量，提高热利用率。

气体收集区13的梯形体结构有助于汇集热解气体，且梯形斜截面与反应室8的竖直面之间夹角的大小，可直接影响热解气的流动方向和停留时间。

该固定床反应器从进料到完成热解活化后出料所需时间为3～5h，该时间会受到生物质的物理性质、单次进料量、升温速率等的影响。

本实用新型实施例的固定床反应器与传统固定床反应器的区别之一在于：本实用新型的固定床反应器在处理完单批次的生物质之后，无需进行降温，便可进行下一批生物质的进料和活性炭的出料。因此，本实用新型反应器中的辐射管2只需在首次进料时进行开工点火，在接下来的整个连续运行过程中，只需维持辐射管2的正常加热温度即可。由此，在反应器运行过程中，避免了因每一次的进料和出料对反应器的升温和降温，降低反应器的故障率；区别之二在于：本实用新型的固定床反应器可通过控制进料螺旋3b、料板4、出料螺旋3a之间的运转速率，实现热解过程中连续的进料和出料。

实施例

由满洲里提供粒度0.3～0.6mm的生物质作为原料(生物质分析数据见表1)，物料先储存于进料仓5中，打开插板阀6，物料在重力作用下，从进料仓5处的下料溜槽滑落到反应室8中。

在进料螺旋3b转动下和传动轴承9带动下，生物质原料均匀分布在料板4上，同时向出料端水平移动。控制进料螺旋3b和传动轴承9的速率，使整个料板4上物料厚度为100mm，然后关闭插板阀6。开启辐射管燃烧系统，当物料温度低于280℃时，控制辐射管2升温速率为45℃/min；当物料温度高于280℃时，控制辐射管2升温速率为25℃/min。热解过程产生热解气和炭化物料，反应器压力控制在800Pa以内。

当热解过程基本不产生热解气之后，提高每根辐射管温度到700～950℃，同时由蒸汽入口16通入水蒸汽，通入的水蒸汽在反应室隔板17内被加热升温后，通过蒸汽喷嘴15喷入反应室8中，与炭化物料充分接触，炭化物料活化获得活性炭。活性炭制备完成后，进行第二批次生物质的进料，进料的同时对固定床反应器上一次反应制得的活性炭进行出料，保持进料和出料的连续性。输送出的活性炭送入固体收集仓12中储存。

本实用新型所述工艺方法可长期平稳操作，所得到比较稳定的热解产物的产率见表2。

表1生物质原料分析结果

表2活性炭数据结果

(备注：表1中M_ad表示空干基水分、A_ad表示空干基灰分、V_ad表示空干基挥发分、FC_ad表示空干基固定碳、S_t,ad表示空干基硫、C_ad表示空干基碳、H_ad表示空干基氢，Q_Net.ar的单位为MJ/kg，％为质量百分比)

本实用新型实施例所述工艺方法可长期平稳操作，并制备高品质的活性炭，反应器故障率极低。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。