一种生物质发电耦合活性炭制造的方法以及系统装置
技术领域
本发明属于生物质发电领域，涉及一种生物质发电耦合活性炭制造的方法以及系统装置。
背景技术
日益突出的资源短缺和环境污染问题使得大力开发清洁能源成为紧迫的课题，我国生物质能源丰富，生物质发电有着广阔的发展前景。同时，近年来随着国家对环保问题的日益重视，生活垃圾焚烧发电的烟气排放标准日益严格，对用于吸收尾气中的二噁英有毒物质和臭味去除的活性炭需求量剧增，大量外购使焚烧发电成本增加。因此，非常有必要利用生物质发电厂的稳定原料供应、配套建设活性炭生产线，解决垃圾焚烧发电对活性炭的大量需求问题。
活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大内表面积的人工炭材料制品。它主要由碳元素(87％～97％)组成，也含有氢、氧、硫、氮等元素以及一些无机矿物质。活性炭最显著的特征是吸附作用，它可以从气相或液相中吸附各种物质，能够适合多相分子直径不一的吸附质，与其他吸附剂相比，可以在更宽的pH值范围使用。通常，活性炭的孔容积达0.2～1.0cm2/g，比表面积大于400～1000m2/g。与其他种类的吸附剂(树脂、硅胶、沸石等)相比，活性炭具有许多独特且不可替代的特性，即高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积；炭表面上含有(或可以附加上)多种官能团(以增加活性点)；具有催化性能；性能稳定，能够在不同温度、不同酸碱度的环境中使用，可以再生循环利用。因此，活性炭的应用领域不断扩大。从传统的食品、医药脱色、除味和用于防毒面具，到工业上的大规模应用(如溶剂的精制、回收与分离，在有机合成工业中做催化剂和载体，在国防科学上用来脱除原子能设施放出的放射性物质等)，特别是近20年来，活性炭在环境保护方面起到了极其重要的作用；用于净化给水和污水处理、净化空气和工业生产过程中产生的有害烟气。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法以及系统装置。所述系统装置及方法将生物质活性炭生产和生物质燃烧发电有机耦合，工艺简单，生产成本低，既能生产高附加值的活性炭产品、又能利用活性炭生产过程中剩余的可燃气体为燃烧发电增产增效，提高了能源的利用率，还能使原生物质燃烧产生的NOx浓度减排，实现经济效益和环境效益的协同提升。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述系统装置包括外热炭化装置、燃烧装置、内热活化装置以及生物质发电装置；
所述外热炭化装置的可燃气出口与所述燃烧装置的气体入口相连，所述燃烧装置的烟气出口与所述外热炭化装置的热源入口相连，所述外热炭化装置的炭化料出口与所述内热活化装置的原料入口相连，所述内热活化装置的可燃气出口以及所述外热炭化装置的烟气出口分别独立地与所述生物质发电装置的气体入口相连。
作为本发明优选的技术方案，所述外热炭化装置的原料入口连接有进料单元，所述进料单元包括沿物料流向依次连接的破碎装置以及烘干装置。
作为本发明优选的技术方案，所述外热炭化装置的烟气出口与所述生物质发电装置的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有第一换热装置以及第一气体传输装置。
优选地，所述第一换热装置设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干装置相连，气体由所述气体入口进入所述第一换热装置，所述气体经所述外热炭化装置排出的烟气加热后进入所述烘干装置作为烘干热源。
作为本发明优选的技术方案，述所述内热活化装置的可燃气出口与所述生物质发电装置的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有除尘装置、第二换热装置以及第二气体传输装置。
优选地，所述第二换热装置设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干装置相连，气体由所述气体入口进入所述第二换热装置，所述气体经所述内热活化装置排出的可燃气加热后进入所述烘干装置作为烘干热源。
作为本发明优选的技术方案，所述内热活化装置设置有活化气入口。
优选地，所述活化气入口与所述生物质发电装置中的汽轮机相连，所述汽轮机的乏蒸汽作为所述内热活化装置的活化器。
本发明中，通过利用生物质物料在外热炭化装置中炭化时会释放出大量高热值可燃气(含焦油)的特点，将其引入燃烧装置进行不完全燃烧释放出来的高温热烟气输入外热炭化装置为生物质炭化提供热能，使炭化能够持续进行；外热炭化装置产生的的含有可燃气的热烟气和/或内热活化装置产生的可燃气经除尘装置进入换热装置生成热空气，经管道被送入烘干装置中，作为生物质物料干燥的热源；所述增产水蒸汽大部分供给蒸汽发电机组发电，剩余部分送入内热活化装置参与炭化料的活化反应；蒸汽发电机组所增发电量用于提供本发明所用到的设备的动力，其余用于外供；整个系统通过热量的回收利用，进一步提高能量利用效率，从而实现经济效益和环境效益的协同提升。
本发明中，所述外热炭化装置优选但不仅限于外热炭化炉，所述燃烧装置优选但不仅限于燃烧塔，所述内热活化装置优选但不仅限于内热活化炉，所述破碎装置优选但不仅限于破碎除铁机，所述烘干装置优选但不仅限于烘干炉，所述除尘装置优选但不仅限于旋风除尘器，所述第一气体传输装置以及第二气体传输装置优选但不仅限于高温风机。
本发明中，所述烘干装置可以设置依次连接的除尘装置以及排空装置，所述除尘装置可以是旋风除尘器，所述排空装置可以是引风机，用于排出烘干炉中的加热气体。
本发明中，所述内热活化装置后可以设置冷却装置、除杂装置、磨粉装置、包装装置和储存装置，用于对得到的活性炭进行后处理。上述各装置的连接顺序可由对活性炭产品的要求进行自由调整。
本发明目的之二在于提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法使用上述的系统装置，所述方法包括以下步骤：
(1)所述生物质原料进入所述外热炭化装置进行炭化，炭化后得到可燃气以及炭化料，所述可燃气进入所述燃烧装置中进行不完全燃烧得到热烟气，所述热烟气返回所述外热炭化装置作为热源；
(2)步骤(1)得到的所述炭化料进入所述内热活化装置进行活化，得到活化料以及可燃气，所述可燃气以及所述外热炭化装置产生的烟气进入所述生物质发电装置完全燃烧。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述的生物质原料为块状或片状。
优选地，所述生物质原料的尺寸为5～10cm，优选为6cm，厚度为1～5cm，优选为3cm。其中，所述生物质原料的尺寸可以是5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm或9.5cm等，厚度可以是1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm或4.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述生物质原料在进行炭化前依次进行粉碎处理以及烘干处理。
优选地，所述粉碎处理后的所述生物质原料的粒度不大于220目，如50目、60目、80目、120目、150目、180目或200目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述生物质原料经烘干处理后的含水率小于等于20％，如1％、2％、5％、8％、10％、12％、15％或18％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为12％。
本发明中，当所述生物质原料的粒度不大于220目时，可以不经过粉碎装置的粉碎处理，直接进入烘干装置。所述生物质原料的含水率小于等于20％时，可以不经过烘干装置烘干，直接进入所述外热碳化装置。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述炭化的温度为450～850℃，如500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为600℃。
优选地，步骤(1)得到的所述炭化料中挥发份的含量为12～25wt％，如13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％或24wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为18wt％。
优选地，步骤(1)得到的所述热烟气的温度不低于800℃，如900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1500℃、1800℃或2000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述活化的温度为750～1050℃，如800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述活化的的时间为4～6h，如4.2h、4.5h、4.8h、5h、5.2h、5.5h或5.8h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中所述活化为使用所述生物质发电装置中的汽轮机产生的乏蒸汽对所述炭化料进行活化。
作为本发明优选的技术方案，所述外热炭化装置产生的烟气经所述第一换热装置冷却后通过第一气体传输装置输送进入所述生物质发电装置。
优选地，所述内热活化装置产生的可燃气经所述第二换热装置冷却后通过第二气体传输装置输送进入所述生物质发电装置。
优选地，所述气体在所述第一换热装置或所述第二装置加热后的温度不低于350℃，如400℃、450℃、500℃、600℃、700℃或800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，上述生物质发电耦合活性炭制造的方法包括以下步骤：
(1)所述生物质原料经粉碎和烘干后进入所述外热炭化装置进行炭化，所述炭化的温度为450～850℃，炭化后得到可燃气以及炭化料，得到的所述炭化料中挥发份的含量为12～25wt％，所述可燃气进入所述燃烧装置中进行不完全燃烧得到热烟气，所述热烟气的温度不低于800℃，所述热烟气返回所述外热炭化装置作为热源；
所述粉碎处理后的所述生物质原料的粒度不大于220目，所述生物质原料经烘干处理后的含水率小于等于20％；
(2)步骤(1)得到的所述炭化料进入所述内热活化装置进行活化，所述活化为使用所述生物质发电装置中的汽轮机产生的乏蒸汽对所述炭化料进行活化，所述活化的温度为750～1050℃，得到活化料以及可燃气，所述可燃气以及所述外热炭化装置产生的烟气进入所述生物质发电装置完全燃烧；
所述外热炭化装置产生的烟气经所述第一换热装置冷却后通过第一气体传输装置输送进入所述生物质发电装置；所述内热活化装置产生的可燃气经所述第二换热装置冷却后通过第二气体传输装置输送进入所述生物质发电装置；所述气体在所述第一换热装置或所述第二装置加热后的温度不低于350℃。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述系统装置实现了将生物质活性炭制造和生物质燃烧发电有机耦合，既能生产高附加值的活性炭产品、又能利用活性炭生产过程中剩余的可燃气体为燃烧发电增产增效，还能使原生物质燃烧产生的NOx浓度减排，实现经济效益和环境效益的协同提升；
(2)本发明提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法中的活化过程所需水蒸气取自生物质电厂汽轮机的乏蒸汽，可以减少资源的浪费和设备的投资，又能将活化过程中的热能输送给生物质发电系统、提高能量的回收利用率；
(3)本发明提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法中炭化产生的燃烧烟气被直接送入生物质燃烧发电系统的烟气净化系统进行净化，减少炭化-活化系统的烟气处理设备投入；
(4)本发明提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述系统装置的烘干装置和/或外热炭化装置和/或内热活化装置在密闭微正压的状态下运行，减少了活性炭制备过程粉尘的二次污染。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置的结构示意图；
图中：1-外热炭化装置，2-燃烧装置，3-内热活化装置，4-生物质发电装置，5-破碎装置，6-烘干装置，7-第一换热装置，8-第一气体传输装置，9-除尘装置，10-第二换热装置，11-第二气体传输装置。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，其结构如图1所示，所述系统装置包括外热炭化装置1、燃烧装置2、内热活化装置3以及生物质发电装置4；
所述外热炭化装置1的可燃气出口与所述燃烧装置2的气体入口相连，所述燃烧装置2的烟气出口与所述外热炭化装置1的热源入口相连，所述外热炭化装置1的炭化料出口与所述内热活化装置3的原料入口相连，所述内热活化装置3的可燃气出口以及所述外热炭化装置1的烟气出口分别独立地与所述生物质发电装置4的气体入口相连。
实施例2
本实施例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，其结构如图2所示，所述系统装置包括外热炭化装置1、燃烧装置2、内热活化装置3以及生物质发电装置4；
所述外热炭化装置1的可燃气出口与所述燃烧装置2的气体入口相连，所述燃烧装置2的烟气出口与所述外热炭化装置1的热源入口相连，所述外热炭化装置1的炭化料出口与所述内热活化装置3的原料入口相连，所述内热活化装置3的可燃气出口以及所述外热炭化装置1的烟气出口分别独立地与所述生物质发电装置4的气体入口相连；
所述外热炭化装置1的原料入口连接有进料单元，所述进料单元包括沿物料流向依次连接的破碎装置5以及烘干装置6。
所述外热炭化装置1的烟气出口与所述生物质发电装置4的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有第一换热装置7以及第一气体传输装置8；
所述第一换热装置7设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干装置6相连，气体由所述气体入口进入所述第一换热装置7，所述气体经所述外热炭化装置1排出的烟气加热后进入所述烘干装置6作为烘干热源；
所述内热活化装置3的可燃气出口与所述生物质发电装置4的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有除尘装置9、第二换热装置10以及第二气体传输装置11；
所述第二换热装置10设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干装置6相连，气体由所述气体入口进入所述第二换热装置10，所述气体经所述内热活化装置3排出的可燃气加热后进入所述烘干装置6作为烘干热源；
所述内热活化装置3设置有活化气入口，所述活化气入口与所述生物质发电装置中的汽轮机相连，所述汽轮机的乏蒸汽作为所述内热活化装置的活化器；
所述烘干装置6和/或外热炭化装置1和/或内热活化装置3在密闭微正压的状态下运行。
实施例3
本实施例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述系统装置包括外热炭化炉、燃烧塔、内热活化炉以及生物质电厂锅炉炉膛；
所述外热炭化炉的可燃气出口与所述燃烧塔的气体入口相连，所述燃烧塔的烟气出口与所述外热炭化炉的热源入口相连，所述外热炭化炉的炭化料出口与所述内热活化炉的原料入口相连，所述内热活化炉的可燃气出口以及所述外热炭化炉的烟气出口分别独立地与所述生物质电厂锅炉炉膛的气体入口相连；
所述外热炭化炉的原料入口连接有进料单元，所述进料单元包括沿物料流向依次连接的破碎除铁机以及烘干炉。
所述外热炭化炉的烟气出口与所述生物质电厂锅炉炉膛的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有第一换热装器以及第一高温风机；
所述第一换热装器设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干炉相连，气体由所述气体入口进入所述第一换热装器，所述气体经所述外热炭化炉排出的烟气加热后进入所述烘干炉作为烘干热源；
所述内热活化炉的可燃气出口与所述生物质电厂锅炉炉膛的气体入口连接的管路上沿烟气流动方形依次设置有旋风除尘器、第二换热器以及第二高温风机；
所述第二换热器设置有气体入口以及气体出口，所述气体出口与所述烘干炉相连，气体由所述气体入口进入所述第二换热器，所述气体经所述内热活化炉排出的可燃气加热后进入所述烘干炉作为烘干热源；
所述内热活化炉设置有活化气入口，所述活化气入口与所述生物质发电装置中的汽轮机相连，所述汽轮机的乏蒸汽作为所述内热活化装置的活化器；
所述烘干炉和/或外热炭化炉和/或内热活化炉在密闭微正压的状态下运行。
应用实施例3提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，同时进行生物质发电以及活性炭的生产。
应用例1
本应用例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法使用实施例3提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述方法包括以下步骤：
(1)所述生物质原料经粉碎和烘干后进入所述外热炭化炉进行炭化，所述炭化的温度为450℃，炭化后得到可燃气以及炭化料，得到的所述炭化料中挥发份的含量为25wt％，所述可燃气进入所述燃烧塔中进行不完全燃烧得到热烟气，所述热烟气的温度为800℃，所述热烟气返回所述外热炭化炉作为热源；
所述粉碎处理后的所述生物质原料的粒度不大于220目，所述生物质原料经烘干处理后的含水率为20％；
(2)步骤(1)得到的所述炭化料进入所述内热活化炉进行活化，所述活化为使用所述生物质发电装置中的汽轮机产生的乏蒸汽对所述炭化料进行活化，所述活化的温度为750℃，得到活化料以及可燃气，所述可燃气以及所述外热炭化炉产生的烟气进入所述生物质电厂锅炉炉膛完全燃烧；
所述外热炭化炉产生的烟气经所述第一换热器冷却后通过第一高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述内热活化炉产生的可燃气经所述第二换热器冷却后通过第二高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述气体在所述第一换热器或所述第二换热器加热后的温度为350℃。
本应用例使用的生物质原料为木材加工下脚料，制备得到的活性炭的比表面积为800m2/g左右，活性炭的产率为8:1左右。
应用例2
本应用例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法使用实施例3提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述方法包括以下步骤：
(1)所述生物质原料经粉碎和烘干后进入所述外热炭化炉进行炭化，所述炭化的温度为850℃，炭化后得到可燃气以及炭化料，得到的所述炭化料中挥发份的含量为12wt％，所述可燃气进入所述燃烧塔中进行不完全燃烧得到热烟气，所述热烟气的温度为1200℃，所述热烟气返回所述外热炭化炉作为热源；
所述粉碎处理后的所述生物质原料的粒度不大于100目，所述生物质原料经烘干处理后的含水率为10％；
(2)步骤(1)得到的所述炭化料进入所述内热活化炉进行活化，所述活化为使用所述生物质发电装置中的汽轮机产生的乏蒸汽对所述炭化料进行活化，所述活化的温度为1050℃，得到活化料以及可燃气，所述可燃气以及所述外热炭化炉产生的烟气进入所述生物质电厂锅炉炉膛完全燃烧；
所述外热炭化炉产生的烟气经所述第一换热器冷却后通过第一高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述内热活化炉产生的可燃气经所述第二换热器冷却后通过第二高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述气体在所述第一换热器或所述第二换热器加热后的温度为500℃。
本应用例使用的生物质原料为木材加工下脚料，制备得到的活性炭的比表面积为1000m2/g左右，活性炭的产率为11:1左右。
应用例3
本应用例提供一种生物质发电耦合活性炭制造的方法，所述方法使用实施例3提供的生物质发电耦合活性炭制造的系统装置，所述方法包括以下步骤：
(1)所述生物质原料经粉碎和烘干后进入所述外热炭化炉进行炭化，所述炭化的温度为600℃，炭化后得到可燃气以及炭化料，得到的所述炭化料中挥发份的含量为20wt％，所述可燃气进入所述燃烧塔中进行不完全燃烧得到热烟气，所述热烟气的温度为1000℃，所述热烟气返回所述外热炭化炉作为热源；
所述粉碎处理后的所述生物质原料的粒度不大于200目，所述生物质原料经烘干处理后的含水率为15％；
(2)步骤(1)得到的所述炭化料进入所述内热活化炉进行活化，所述活化为使用所述生物质发电装置中的汽轮机产生的乏蒸汽对所述炭化料进行活化，所述活化的温度为800℃，得到活化料以及可燃气，所述可燃气以及所述外热炭化炉产生的烟气进入所述生物质电厂锅炉炉膛完全燃烧；
所述外热炭化炉产生的烟气经所述第一换热器冷却后通过第一高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述内热活化炉产生的可燃气经所述第二换热器冷却后通过第二高温风机输送进入所述生物质电厂锅炉炉膛；所述气体在所述第一换热器或所述第二换热器加热后的温度为400℃。
本应用例使用的生物质原料为木材加工下脚料，制备得到的活性炭的比表面积为1200m2/g左右，活性炭的产率为9:1左右。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
