本發(fā)明涉及資源循環(huán)，具體涉及一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化方法及其設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、活性焦/炭是冶金、化工等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原燃/燃料。在目前焦煤資源緊缺和環(huán)境約束的雙重挑戰(zhàn)下，亟需尋找清潔綠色的低碳替代原料和制備方法。

2、炭化是指大分子碳?xì)溆袡C(jī)物受熱發(fā)生c-c或c-h或c-o等化學(xué)鍵斷裂，析出揮發(fā)分物質(zhì)，形成固體焦/炭的過程。傳統(tǒng)焦炭是煤在高溫下隔絕氧氣間接加熱炭化（或稱干餾）而成。典型代表即焦?fàn)t焦化過程，通過耐火材料隔墻劃分出眾多間隔排布的炭化室、燃燒室。其中，焦煤集中堆積在炭化室中，而燃料被通入燃燒室燃燒產(chǎn)生火焰和高溫?zé)煔?；火焰和煙氣的熱量則通過輻射或?qū)α鞯刃问絺鬟f至耐火材料隔墻，進(jìn)一步通過導(dǎo)熱或輻射等形式傳遞至另一側(cè)炭化室內(nèi)，從而使炭化室內(nèi)焦煤升溫完成炭化。上述以煤炭為原料的炭化/熱解引發(fā)大量co2排放，同時(shí)間接加熱存在傳熱慢、炭化效率低等問題，造成焦/炭比表面積小、活性提升難的局面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化方法及其設(shè)備，以解決現(xiàn)有技術(shù)中以煤炭為原料的炭化/熱解過程中二氧化碳排放量大、傳熱慢、炭化效率低等問題。

2、為解決上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化設(shè)備，包括由上而下依次設(shè)置的預(yù)熱段、炭化/活化段、料封段和熄焦段，所述預(yù)熱段、炭化/活化段相連通，所述預(yù)熱段通過管道與冷凝裝置連通，所述炭化/活化段通過熱風(fēng)管與富氧燃燒裝置。

4、優(yōu)選的，所述冷凝裝置與儲(chǔ)氣柜連接。

5、一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，基于前文所述的設(shè)備，包括以下步驟：

6、s1、將生物質(zhì)顆粒料從所述設(shè)備的進(jìn)料口中加入預(yù)熱段；

7、s2、向所述炭化/活化段中通入氣體熱載體，與所述生物質(zhì)顆粒料進(jìn)行直熱式炭化反應(yīng)，得到高溫活性焦炭和混合產(chǎn)物氣體，所述氣體熱載體為氣態(tài)的co2和h2o的混合氣體；

8、s3、收集所述混合產(chǎn)物氣體，并調(diào)節(jié)所述料封段以使所述高溫活性焦炭進(jìn)入熄焦段，降溫后得到活性焦炭。

9、優(yōu)選的，s1中所述生物質(zhì)顆粒料的粒徑為10~30?mm。

10、優(yōu)選的，s1中所述生物質(zhì)顆粒料的含水量為≤10%，含碳含量為45%~50%。優(yōu)選的，s1中所述生物質(zhì)顆粒顆粒料所述為玉米秸稈顆粒料。

11、優(yōu)選的，s2中所述氣體熱載體的溫度為350~800℃。

12、優(yōu)選的，s2中所述氣體熱載體中co2和h2o的氣體體積比為1：2。

13、優(yōu)選的，所述混合產(chǎn)物氣體包括氣態(tài)co、h2、cnhm、氣態(tài)h2o中的兩種或兩種以上氣體，所述cnhm為ch4、c2h4、c2h6、c3h6中的一種或多種。

14、優(yōu)選的，所述生物質(zhì)顆粒料與所述co2的質(zhì)量比為1：1-3。

15、生物質(zhì)顆粒料的粒徑為10~30?mm。在該粒徑范圍內(nèi)，既可保證生物質(zhì)顆粒堆積床內(nèi)具有較好的透氣性，同時(shí)又能滿足單顆粒高效傳熱傳質(zhì)的需求。含水量為≤10%，含碳含量為45%~50%，在生物質(zhì)顆粒進(jìn)入炭化爐前通過干燥預(yù)處理，降低其含水量至10%以下，可提高炭化爐內(nèi)熱量利用效率——更多的熱量用于炭化生物質(zhì)，而非干燥其水分。含碳量保證在45%~50%之間可提高炭化產(chǎn)物——生物焦的品質(zhì)。

16、由于co2/h2o(g)直熱式炭化過程同時(shí)涉及化學(xué)反應(yīng)，使得生物質(zhì)炭化和活化過程相互耦合為一體，因而生物質(zhì)豎窯自上而下分為預(yù)熱段、炭化/活化段、料封段和熄焦段。富氧燃燒裝置中需要輸入氧氣、二氧化碳。富氧燃燒裝置中產(chǎn)生的中高溫?zé)煔鈉o2/h2o(g)作為熱載體通入co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化設(shè)備的炭化/活化段，所形成的生物焦炭下落進(jìn)入co2的熄焦段，與底部通入的常溫co2進(jìn)行逆流熱交換以回收焦/炭余熱，升溫后的co2被通入富氧燃燒裝置以調(diào)節(jié)燃燒過程o2濃度、燃燒溫度、以及燃燒煙氣co2/h2o(g)比例；炭化/活化段所形成的co/h2與揮發(fā)分氣體cnhm、h2o(g)等一同引入預(yù)熱段，cnhm為ch4、c2h4、c2h6或c3h6，利用氣體的余熱對生物質(zhì)料塊進(jìn)行干燥和初步升溫；而后混合產(chǎn)物氣co/h2/cnhm/h2o(g)等從生物質(zhì)炭化/活化設(shè)備頂部側(cè)面排出，產(chǎn)物氣經(jīng)冷凝脫除h2o(l)后，形成co/h2/cnhm燃料，儲(chǔ)存到儲(chǔ)氣柜中。

17、富氧燃燒裝置設(shè)置在生物質(zhì)豎窯外部，而非一體化裝備，以實(shí)現(xiàn)熱載體co2/h2o(g)氣流在豎窯內(nèi)靈活布置與均勻加熱。該設(shè)計(jì)避免了燃燒火焰與生物質(zhì)料塊直接接觸造成的局部溫度過高、炭化不均勻等問題。

18、在炭化過程中，生物質(zhì)料塊由于其中揮發(fā)分的析出體積逐漸變小。為了保證生物質(zhì)豎窯內(nèi)下料的均勻性，熄焦段的截面尺寸設(shè)計(jì)為小于預(yù)熱段、炭化/活化段。

19、本發(fā)明中將中高溫co2/h2o(g)作為載熱氣體直接引入并穿透生物質(zhì)堆積料層，通過氣/固直接接觸強(qiáng)化傳熱實(shí)現(xiàn)炭化效率提升，進(jìn)行炭化、活化，將單純的加熱炭化轉(zhuǎn)變?yōu)榧訜?熱化學(xué)耦合的高效/高品質(zhì)炭化，炭化的過程中如式ⅰ；

20、（?。?/p>

21、在活化的過程中焦/炭孔隙逐漸增多，轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚越?炭，通過碳熱反應(yīng)（如式ⅱ所示）、水煤氣變換反應(yīng)（如式ⅲ所示）等促進(jìn)生物焦/炭表界面“c”空位的生成，從而促進(jìn)其孔隙生長、提高其比表面積/活性。同時(shí)co2被還原為co、h2o(g)被還原為h2，可獲得高熱值生物質(zhì)炭化產(chǎn)物氣，并實(shí)現(xiàn)co2資源化利用。

22、（ⅱ）

23、?（ⅲ）

24、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下有益效果：

25、本發(fā)明中設(shè)備工藝原理巧妙，易操作，能夠有效利用熱源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。利用富氧燃燒產(chǎn)生的co2/h2o(g)作為熱載體構(gòu)建生物質(zhì)直熱式炭化/活化系統(tǒng)，將傳統(tǒng)炭化的單純加熱過程轉(zhuǎn)變?yōu)榧訜?熱化學(xué)耦合的高效/高品質(zhì)炭化，通過碳熱反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)等促進(jìn)生物焦/炭表界面“c”空位的生成，從而促進(jìn)其孔隙生長、提高其比表面積/活性，實(shí)現(xiàn)傳熱效率和炭化效率的提高，減少二氧化碳的排放，在生產(chǎn)綠色活性焦的同時(shí)將co2轉(zhuǎn)化為co資源，實(shí)現(xiàn)碳素高價(jià)值循環(huán)利用。

技術(shù)特征：

1.一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化設(shè)備，其特征在于，包括由上而下依次設(shè)置的預(yù)熱段、炭化/活化段、料封段和熄焦段，所述預(yù)熱段、炭化/活化段相連通，所述預(yù)熱段通過管道與冷凝裝置連通，所述炭化/活化段通過熱風(fēng)管與富氧燃燒裝置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凝裝置與儲(chǔ)氣柜連接。

3.一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，基于權(quán)利要求1或2中所述設(shè)備，其特征在于，包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，s1中所述生物質(zhì)顆粒料的粒徑為10~30?mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，s1中所述生物質(zhì)顆粒料的含水量為≤10%，含碳含量為45%~50%。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，s1中所述生物質(zhì)顆粒料為玉米秸稈顆粒料。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，s2中所述氣體熱載體的溫度為350~800℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，s2中所述氣體熱載體中co2和h2o的氣體體積比為1：2。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，所述混合產(chǎn)物氣體包括氣態(tài)co、h2、cnhm、氣態(tài)h2o中的兩種或兩種以上氣體，所述cnhm為ch4、c2h4、c2h6、c3h6中的一種或多種。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種co2/h2o直熱式生物質(zhì)炭化/活化的方法，其特征在于，所述生物質(zhì)顆粒料與所述co2的質(zhì)量比為1：1-3。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種CO<subgt;2</subgt;/H<subgt;2</subgt;O直熱式生物質(zhì)炭化/活化方法及其設(shè)備，涉及資源循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，所述設(shè)備包括預(yù)熱段、炭化/活化段、料封段和熄焦段，炭化/活化段通過熱風(fēng)管與富氧燃燒裝置。本發(fā)明還提供一種方法包括以下步驟：將生物質(zhì)顆粒料加入預(yù)熱段；通入氣體熱載體進(jìn)行直熱式炭化反應(yīng)，氣體熱載體為氣態(tài)的CO<subgt;2</subgt;和H<subgt;2</subgt;O的混合氣體；收集混合產(chǎn)物氣體和活性焦炭。本發(fā)明的方法以CO<subgt;2</subgt;/H<subgt;2</subgt;O(g)作為熱載體構(gòu)建生物質(zhì)直熱式炭化/活化系統(tǒng)，通過碳熱反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)等促進(jìn)生物焦/炭表界面“C”空位的生成，從而促進(jìn)其孔隙生長、提高其比表面積和活性，實(shí)現(xiàn)傳熱效率和炭化效率的提高，減少二氧化碳的排放。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣濱繁,張文鋒,夏德宏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15