一种利用生物质生产生物质炭的方法
技术领域
本发明属于生物质利用领域，具体涉及一种利用生物质生产生物质炭的方法。
背景技术
随着人们对环境治理越来越重视，煤碳的使用要求越来越严格，虽然天然气是一种较清洁的能源，然而高昂的使用成本限制了天然气的使用，因此，需要同等或相似品质的燃料来代替煤炭。
世界上的生物质资源相当丰富，但是由于保存和转化技术的落后导致生物质资源浪费严重，如秸秆等农业废弃物在田间焚烧不仅污染了环境，还造成了生物质资源的巨大浪费，如将秸秆粉碎还田，随着时间的延长，粉碎还田的秸秆在土壤中不能完全腐熟利用，致使种子、农药、化肥用量越来越大。因此，如何有效利用生物质资源成为一大研究热点。
生物质炭是一种将废弃生物质转化为具有发达孔隙结构的碳材料，生物质炭巨大的比表面积以及丰富的表面官能团，使其具有很强的吸附性和稳定性，其作为一类新型环境功能材料在农业、环境修复、能源、固碳减排等领域已逐渐显示出一定的潜力。现有生物质炭的制备一般涉及将生物质(如秸秆)在炭化炉中进行高温炭化，然后经气固分离得到生物质炭，然而经过现有制备方法制备得到的生物质炭其热值较低，无法有效替代煤炭等资源。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是现有制备方法制备得到的生物质炭其热值较低，无法有效替代煤炭等资源的缺陷，从而提供一种利用生物质生产生物质炭的方法。
为此，本发明采取的技术方案为，
一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：将生物质与生物质油的混合物在绝氧或者限氧条件下进行炭化，得到所述生物质炭。
本发明所述的在限氧条件下进行炭化是指炭化环境中氧气体积含量不大于3％。
优选的，以重量份数计，所述生物质与生物质油的混合物中包括60-90份的生物质和10-40份的生物质油。
优选的，所述生物质与生物质油的混合物为颗粒状，所述颗粒状的生物质与生物质油混合物的制备方法包括如下步骤：将生物质和生物质油混合，得到混合物料，将混合物料进行挤出造粒，得到颗粒状的生物质与生物质油的混合物。
优选的，所述颗粒状的生物质与生物质油混合物为圆柱形颗粒状的生物质与生物质油混合物，优选的，所述颗粒状的生物质与生物质油混合物的长度为20-50mm，直径为10-12mm。
优选的，所述炭化温度为250-400℃，所述炭化时间为1-1.5小时。
优选的，所述炭化处理后，还包括将炭化处理后得到的炭化产物进行气固分离，得到生物质气和生物质炭的步骤。
优选的，所述气固分离处理后，还包括将气固分离处理后得到的生物质气进行气液分离，得到可燃气体和生物质油的步骤，以及将气固分离处理后得到的生物质炭进行降温的步骤。优选的，在密闭条件下对所述生物质炭进行降温，优选的，将所述生物质炭降温的温度不高于45℃，优选的，将所述生物质炭降温至35-45℃。
优选的，在将生物质和生物质油混合前还包括将生物质油加热至30-50℃的步骤。经过加热的生物质油有利于与生物质混合均匀。
优选的，所述气固分离温度为不小于250℃，所述生物质的粒径不大于5mm。可选的，所述气固分离温度为250-350℃，所述生物质的粒径为1-5mm。
优选的，所述利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将60-90重量份的生物质和10-40重量份的生物质油混合，得到混合物料，将混合物料进行挤出造粒，得到颗粒状的生物质与生物质油的混合物；
2)将颗粒状的生物质与生物质油的混合物在绝氧或者限氧条件下进行炭化，得到炭化产物；
3)对炭化产物进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；
4)对步骤3)中的生物质气进行气液分离，得到可燃气体和生物质油。
可选的，所述可燃气体可作为步骤2)炭化处理的热源进行回收利用。步骤4)得到的生物质油可与生物质混合，制备混合物料。
优选的，所述生物质为农业废弃物或林下植物，优选的，所述生物质为秸秆；本发明所述秸秆可以是麦子、水稻、玉米、高粱等谷类作物秸秆，也可以是大豆、小豆、绿豆、蚕豆等豆科植物秸秆，还可以是棉花、亚麻等纤维作物秸秆，可以是一种秸秆也可以是多种秸秆共同组成的生物质原料。
所述生物质油为木焦油。本发明对木焦油的来源不作具体限定，可为市售产品，也可为通过本发明方法将生物质气进行气液分离得到的木焦油。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的利用生物质生产生物质炭的方法，通过在生物质中添加生物质油，然后将两者的混合物在绝氧或者限氧条件下进行炭化，在炭化过程中利用生物质油对生物质炭的黏合作用，可有效提高生物质炭的热值，同时通过本发明方法制备得到的生物质炭，其固定碳和挥发分总含量、炭产率也获得了明显的提高。经测定，生物质炭热值可达到6300-7600Kcal/kg，与标准煤热值相差无几，可作为燃料煤碳的理想替代品。同时，本发明可有效利用废弃生物质资源，减少废弃物对环境的污染。
2、本发明提供的利用生物质生产生物质炭的方法，进一步的，以重量份数计，所述生物质与生物质油的混合物中包括60-90份的生物质和10-40份的生物质油。本发明通过添加上述特定重量份的生物质和生物质油，可进一步提高生物质炭的热值，以及固定碳和挥发分总含量、炭产率。
3、本发明提供的利用生物质生产生物质炭的方法，进一步的，所述生物质与生物质油的混合物为颗粒状，所述颗粒状的生物质与生物质油混合物的制备方法包括如下步骤：将生物质和生物质油混合，得到混合物料，将混合物料进行挤出造粒，得到颗粒状的生物质与生物质油的混合物。本发明通过将生物质和生物质油混合，然后再挤出造粒，利用颗粒状的生物质与生物质油的混合物进行炭化，可进一步提高生物质炭的热值、以及炭产率。
4、本发明提供的利用生物质生产生物质炭的方法，进一步的，所述炭化温度为250-400℃，所述炭化时间为1-1.5小时，本发明通过调控炭化温度和炭化时间可有效保证生物质炭的高热值、高产率。
5、本发明提供的利用生物质生产生物质炭的方法，进一步的，所述生物质为农业废弃物或林下植物，优选的，所述生物质为秸秆；所述生物质油为木焦油。生物质秸秆硫含量低、来源广泛且可持续、成本低，本发明利用生物质秸秆与木焦油混合，然后在绝氧或者限氧条件下进行炭化，可大大提高生物质炭的热值，以及固定碳和挥发分总含量、炭产率，同时由于秸秆含硫量较低，制备的生物质炭为一种低硫生物质炭，是燃料煤碳的理想替代品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明利用生物质生产生物质炭的方法流程图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
本发明实施例1、实施例3、实施例5、实施例6和对比例1中所用木焦油购自河南拓农公司。
实施例1
本实施例提供一种利用生物质生产生物质炭的方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)将小麦秸秆粉碎至粒径为5mm以下，然后将60kg粉碎后的小麦秸秆与10kg的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在50mm,直径控制在12mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为250℃，所述炭化时间为1小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为250℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭经过连续密闭降温后输送至出口进行包装；所述生物质炭降温后的温度为35℃。
在本实施例中步骤4)得到的可燃气体可通入步骤2)中的炭化炉中作为炭化处理的热源燃料；步骤4)得到的木焦油可通入捏合机中与小麦秸秆进行混合。
实施例2
本实施例提供了一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将小麦秸秆粉碎至粒径为1-5mm，将实施例1步骤4)中得到的木焦油加热至30℃，然后将90kg粉碎后的小麦秸秆与40kg加热后的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在20mm,直径控制在10mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为250℃，所述炭化时间为1.5小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为250℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至45℃后进行包装。
实施例3
本实施例提供了一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将玉米秸秆粉碎至粒径为3-5mm，将木焦油加热至50℃，然后将70kg粉碎后的玉米秸秆与35kg加热后的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在12mm,直径控制在10mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为400℃，所述炭化时间为1小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为300℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至40℃后进行包装。
实施例4
本实施例提供了一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将玉米秸秆粉碎至粒径为3-5mm，小麦秸秆粉碎至粒径为3-5mm，将实施例3步骤4)中得到的木焦油加热至40℃，然后将50kg粉碎后的小麦秸秆、25kg粉碎后的玉米秸秆与20kg加热后的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在15mm,直径控制在10mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为350℃，所述炭化时间为1小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为320℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至40℃后进行包装。
实施例5
本实施例提供了一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将松子壳粉碎至粒径为3-5mm，将木焦油加热至40℃，然后将60kg粉碎后的松子壳与30kg加热后的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在18mm,直径控制在12mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为350℃，所述炭化时间为1.5小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为320℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至40℃后进行包装。
实施例6
本实施例提供了一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将小麦秸秆粉碎至粒径为1-5mm，将木焦油加热至35℃，然后将87kg粉碎后的小麦秸秆与50kg加热后的木焦油放入到捏合机中混合均匀，得到混合物料，将混合物料投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的混合物长度控制在23mm,直径控制在10mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质与生物质油的混合物通过螺旋进料投入到炭化炉中，在限氧条件下(所述限氧条件指的是炭化炉中氧气体积含量不大于3％)进行炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为300℃，所述炭化时间为1小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为300℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至45℃后进行包装。
对比例1
本对比例提供一种利用生物质生产生物质炭的方法，包括如下步骤：
1)将玉米秸秆粉碎至粒径为3-5mm，然后将70kg粉碎后的玉米秸秆投入挤条机进行挤出造粒，得到圆柱形颗粒状的生物质物料，挤条机出口处的切割刀具将上述圆柱形颗粒状的物料长度控制在12mm,直径控制在10mm；
2)将步骤1)得到的圆柱形颗粒状的生物质物料通过螺旋进料投入到炭化炉中，并在炭化炉中进行无氧炭化，得到炭化产物，所述炭化温度为400℃，所述炭化时间为1小时；
3)将步骤2)得到的炭化产物通入气固分离器中进行气固分离，得到生物质气和生物质炭；所述气固分离温度为300℃；
4)将步骤3)得到的生物质气从气固分离器的顶部排出，并通入气液分离器中进行气液分离，得到可燃气体和木焦油；
5)将步骤3)得到的生物质炭降温至40℃后进行包装。
试验例
按GB/T19587-2017对上述各实施例1-6中所制得生物质炭和对比例1所制得的生物质炭中固定碳含量、挥发分含量进行测定，同时计算生物质炭产率，按GB/T 213-2008对上述各实施例1-6中所制得生物质炭和对比例1所制得的生物质炭的热值进行测定，相应的测试结果如下表1所示。
表1、各实施例和对比例所得生物质炭的指标测定
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
