專(zhuān)利名稱(chēng)：全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由木質(zhì)或草質(zhì)植物材料生產(chǎn)木炭的方法及相應(yīng)機(jī)械設(shè)備。
背景技術(shù)：
在本文中使用的“木質(zhì)或草質(zhì)植物材料”一詞廣泛地包括生物質(zhì)，如木材、木片、木屑、樹(shù)枝、秸稈、果殼，直至草類(lèi)、樹(shù)葉等。本術(shù)語(yǔ)也包括加工后的纖維素材料，如紙類(lèi)、甘蔗渣、甜菜渣等其它源于植物的生物質(zhì)。本文中某工序的“熱啟動(dòng)工況”，是指本工序物料的進(jìn)口溫度與上一工序結(jié)束時(shí)物料的溫度基本相同，即上一工序結(jié)束時(shí)趁物料溫度還未下降，直接進(jìn)入下一工序進(jìn)行加工。文中的“炭化率”即木炭對(duì)全干木材的得率。炭化率高即意味著木炭產(chǎn)量高。
最早的傳統(tǒng)木炭生產(chǎn)方法是采用土炭窯，通過(guò)裝窯、點(diǎn)火、燒窯、閉窯、冷卻等工序進(jìn)行炭化，存在很大弊端1、由于木材的傳熱性能極差，在堆積式的窯爐中，為使大部分木材炭化完全，必需加熱到900℃以上高溫進(jìn)行干餾，閉窯后還要維持10多天的余熱烘烤，才能干餾成炭。高溫干餾常發(fā)生氧化過(guò)度情況，木材消耗大，產(chǎn)炭率(以干基計(jì)，下同)很低，木炭質(zhì)量差。2、土炭窯是以氧化燃燒方式加熱，因此，很大部分原料木材用作燃料被消耗掉，極大影響產(chǎn)炭率，同時(shí)氧化燃燒影響木炭質(zhì)量(欠燒過(guò)燒是常有的事)。3、以砍伐材木粗莖的砍柴燒炭方式，對(duì)木材資源是一極大浪費(fèi)。
國(guó)內(nèi)河南省鞏義市宋陵包裝機(jī)械廠(chǎng)生產(chǎn)的人造木炭系列設(shè)備，如樹(shù)枝粉碎機(jī)，干燥機(jī)，ZTJ螺旋式擠壓成型機(jī)，以及ZTJ-6型炭化爐屬有代表性的第二代設(shè)備。一九九四年本發(fā)明人方面曾兩次引進(jìn)該類(lèi)設(shè)備，最終結(jié)果是失敗的。該設(shè)備弊病太多，尤其是使用在擠壓成型上的螺旋推進(jìn)器(最重要的零部件)，在冷啟動(dòng)中，又突然升至350℃高溫的環(huán)境中運(yùn)行，所遇到的阻力和磨擦力非常大，其尖端部位的損壞極快，而修復(fù)又十分困難(要反復(fù)修補(bǔ)和熱處理淬火)，不能長(zhǎng)期正常運(yùn)行。其炭化爐是采用氧化燃燒方式加熱，在堆積式的爐體中加熱升溫極慢，生產(chǎn)進(jìn)度太廢軟，因要求隔絕空氣的燃燒加熱，其煙塵過(guò)大，連土法砍柴燒炭的效益都比不上，最后上述設(shè)備成為一堆廢鐵。
中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種“木炭的生產(chǎn)方法”(專(zhuān)利號(hào)951978519)，它是將含水量最高達(dá)50％的生物質(zhì)原料直接放入反應(yīng)器的金屬罐中在350-550℃溫度下進(jìn)行干餾，(干餾即炭化煤、木炭等在隔絕空氣條件下加熱，分解為氣體、液體和固體焦炭或木炭。“化工辭典”第三版王箴主編，P41)，制得木炭。其缺點(diǎn)是，一是對(duì)細(xì)小不規(guī)則原料如木屑、木片、刨花、樹(shù)枝等具有不適應(yīng)性。由于成品木炭外形尺寸受原料形狀限制，上述原料的成品木炭形狀不便于用戶(hù)使用；二是干餾時(shí)木材含水率過(guò)高，一方面干餾時(shí)間加長(zhǎng)，燃料的耗量成倍增加；另一方面木材急劇干燥，由于內(nèi)外受熱不均勻，木炭形成裂縫，降低木炭的質(zhì)量；三是從理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)看，木炭的產(chǎn)量隨炭化溫度的升高而降低，并且在270～400℃溫度范圍內(nèi)降低較大(如對(duì)松木和樺木熱解實(shí)驗(yàn))。因此，其炭化溫度定在350～550℃，其相應(yīng)木炭產(chǎn)量是不夠高的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝，旨在使原料的升溫過(guò)程更為合理和進(jìn)一步提高炭化率。本發(fā)明的又一目的在于提供用于上述新工藝的裝置，它專(zhuān)用于和滿(mǎn)足于該工藝要求。上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝，按以下步驟順次進(jìn)行(A)采用木質(zhì)和草質(zhì)植物為原料，將原料經(jīng)粉碎機(jī)破碎到后工序方便處理的大小和尺寸；(B)由粉碎機(jī)出口送出的原料直接進(jìn)入干燥器，進(jìn)行干燥；(C)由干燥器出口來(lái)的物料送入一密閉的加溫儲(chǔ)料倉(cāng)中，其物料溫度控制在80-150℃；(D)由儲(chǔ)料倉(cāng)送出的物料在隔絕空氣的情況下，直接進(jìn)入擠壓機(jī)，同時(shí)進(jìn)行加熱和擠壓成型，擠壓操作時(shí)最終物料溫度控制在150～200℃；(E)由擠壓機(jī)出口來(lái)的成型物料在隔絕空氣的情況下直接送入電熱炭化爐中，在270～350℃溫度下干餾，電熱炭化的時(shí)間30分鐘或更少；(F)在隔絕空氣的情況下，對(duì)干餾后物料進(jìn)行冷卻至常溫，最后制得成品木炭。
上述A至F各步驟順次連續(xù)進(jìn)行，以使各半成品步驟B-E場(chǎng)處于熱啟動(dòng)工況。
上述干燥器是氣流干燥器，原料在其中由熱氣流進(jìn)行加熱和干燥；上述擠壓機(jī)是螺旋擠壓機(jī)；螺旋擠壓成型時(shí)采用電加熱方式維持物料，溫度擠壓成型物料是中空的圓柱體形狀。
專(zhuān)用于上述新工藝的裝置，該裝置包括一個(gè)粉碎機(jī)，用于將上述原料破碎到后工序方便處理的大小和尺寸；
一個(gè)氣流干燥器，其進(jìn)料口與粉碎機(jī)出料口連接；一個(gè)密閉的儲(chǔ)料倉(cāng)，氣流干燥器的出料口經(jīng)、閥門(mén)與儲(chǔ)料倉(cāng)進(jìn)料口連接；一個(gè)電加熱器，設(shè)置在儲(chǔ)料倉(cāng)中，用于對(duì)儲(chǔ)料倉(cāng)中物料加熱；一個(gè)螺旋擠壓機(jī)，用于將物料成型為中空?qǐng)A柱棒材，其進(jìn)料口與儲(chǔ)料倉(cāng)出料口經(jīng)一閥門(mén)連通；一個(gè)電加熱裝置，設(shè)置在螺旋擠壓機(jī)外殼上，用于對(duì)物料加熱；用于盛裝螺旋擠壓機(jī)出料口送出的棒材的多個(gè)電熱炭化爐，該炭化爐為一圓柱狀殼體，殼體上部設(shè)有一氣體出口管，殼體底部設(shè)置有一活動(dòng)閘門(mén)，殼體中部設(shè)置有一電熱管，殼體內(nèi)壁上設(shè)置有電熱膜片，殼體內(nèi)腔與上述一個(gè)中空?qǐng)A柱形棒材相適配，并留有一定間隙；殼體外壁設(shè)置有可脫式保溫層。
本發(fā)明在工藝方面的特點(diǎn)是其一，使原各分離工序連續(xù)化進(jìn)行，從粉碎、干燥、擠壓成型，以及電熱炭化均首尾銜接、連續(xù)進(jìn)行，使各半成品工序均處于熱啟動(dòng)工況，并針對(duì)生物質(zhì)原料導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，使原料在前后工序的轉(zhuǎn)換之中熱量不致?lián)p失、溫度不會(huì)下降，使原料溫度始終處于一個(gè)逐步上升和持續(xù)上升的過(guò)程之中，最后進(jìn)行炭化時(shí)，原料內(nèi)外的溫差達(dá)到最小，為炭化操作創(chuàng)造最佳條件。其二是，很好地解決了原擠壓成型的難題，盡管生物質(zhì)物料熱傳導(dǎo)性能極差，但本工藝在粉碎、干燥等工序中物料均漸次升溫，且內(nèi)外受熱均勻，在進(jìn)入擠壓機(jī)時(shí)，物料溫度已達(dá)150～160℃，這時(shí)物料已處于膨脹、軟化階段(流態(tài)化)，已有木焦油分離出，供擠壓成型時(shí)產(chǎn)生膠合作用，使整個(gè)擠壓工序可在200℃以下溫度順利進(jìn)行(原設(shè)備是在常溫下突升至350℃以溫度進(jìn)行擠壓成型的)。其三，從木材熱解的理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)看，木炭的產(chǎn)量隨最終炭化溫度的降低而升高，并且在270～400℃的溫度范圍內(nèi)變化較大，而在800～700℃范圍內(nèi)變化不明顯。對(duì)松木和樺木而言，最終炭化溫度為200℃時(shí)，木炭對(duì)全干木材的得率(炭化率)達(dá)90％，當(dāng)炭化溫度為275℃時(shí)，炭化率對(duì)應(yīng)為78％和71％；當(dāng)炭化溫度為300℃時(shí)，炭化率對(duì)應(yīng)為55％和48％，當(dāng)炭化溫度為350℃時(shí)，炭化率分別為43％和38％，當(dāng)碳化溫度為550℃時(shí)，炭化率分別為30％和27％。本發(fā)明由于進(jìn)行炭化操作時(shí)，物料內(nèi)外溫升非常均勻，所以炭化溫度控制在較低范圍內(nèi)(270～350℃或270～300℃)，此外，本發(fā)明采用小批量物料炭化也是促成低溫炭化成功的因素之一)，因此，本發(fā)明降低炭化溫度可有效提高炭化率。其四，本發(fā)明以擠壓成型的棒形料，單根炭化處理即對(duì)少量物料單獨(dú)炭化，因而炭化時(shí)間短至20分鐘。炭化時(shí)間短，熱解副反應(yīng)少，副反應(yīng)引起的損失就小，產(chǎn)品質(zhì)量愈高，木炭的機(jī)械強(qiáng)度愈高。成型棒材內(nèi)有圓孔，可使電熱棒插入從內(nèi)向外加熱，提高熱利用率和炭化效果。其五，本發(fā)明成品木炭形狀整齊劃一，木炭的比重高達(dá)1.2克/cm3，一般木炭比重僅0.8～0.9克/cm3，灰分少(低于2％)。其六，本發(fā)明對(duì)原料的適應(yīng)面廣，無(wú)論什么形狀大小的邊角余料均可加以利用處理。尤其適用于利用農(nóng)、林廢棄物作原料制木炭，有效替代以砍伐林木粗莖為主的土窯燒炭，避免材木資料的破壞性和浪費(fèi)性使用。


圖1是本發(fā)明的工藝流程框圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備流程圖；圖3是圖2所示電熱炭化爐的剖面圖。
圖1示出，將木質(zhì)或草質(zhì)植物材料即生物質(zhì)原料首先進(jìn)行粉碎，粉碎到后工序如干燥工序尤其是氣流干燥工序以及擠壓成型工序方便處理的大小和尺寸。如對(duì)氣流干燥而言，原料粒度為直徑＜3mm，長(zhǎng)度＜5mm，對(duì)擠壓成型原料粒度可在φ10×20mm。自然，對(duì)于原本是細(xì)末狀物料如木屑等，就不必經(jīng)過(guò)粉碎工序。由于機(jī)械粉碎的作用，粉碎后的物料，溫度一般可達(dá)到30～40℃，不待其溫度下降，粉碎后物料直接進(jìn)入干燥工序處理，最好采用氣流干燥方式，熱氣流使物料快速脫水至10％以下，并使物料出口溫度升至70～80℃，干燥后的物料送入一密閉的加溫儲(chǔ)料倉(cāng)中，設(shè)置儲(chǔ)料倉(cāng)，一是起物料的緩沖作用，使物料流動(dòng)與在后擠壓成型工序的加工能力相匹配，二是控制和調(diào)整物料進(jìn)入擠壓成型時(shí)的初始溫度，以保證擠壓成型順利進(jìn)行。儲(chǔ)料倉(cāng)中溫度控制在80～150℃，最好是130～150℃，實(shí)際生產(chǎn)中，物料在儲(chǔ)料倉(cāng)溫度下進(jìn)行擠壓成型加工時(shí)，物料已處于膨脹和軟化的半流態(tài)化階段，已分離出部分木焦油，為擠壓成型時(shí)提供天然膠粘劑，順利完成擠壓成型操作。一般也可采用液壓成型，本發(fā)明這里采用螺旋擠壓機(jī)，螺旋擠壓成型時(shí)采用電加熱方式維持物料溫度在150～200℃，最好是180～200℃，并且擠壓成型物料是中空的圓柱體形狀，尺寸為內(nèi)徑3cm，外徑8cm，長(zhǎng)80cm，此處并不排除其它尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能很容易地計(jì)算得出與電熱炭化功率相匹配的加工物料的重量。從而得出其具體尺寸。經(jīng)擠壓后的成型物料，在隔絕空氣情況下直接送入電熱炭化爐，在270～350℃溫度下干餾，炭化時(shí)間30分鐘或更少，最好在270～300℃溫度下干餾，炭化時(shí)間大約20分鐘。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于最終炭化溫度的降低，使木炭的炭化率(產(chǎn)量)得到提高，同時(shí)生物質(zhì)原料熱解的其它產(chǎn)物如焦油，有機(jī)物、氣體等的得率有所降低。本工藝的木炭經(jīng)壓縮成型燒制而成，密度大，達(dá)1.2克/cm3(一般木炭0.8、0.9克/cm3)，熱值大于一般木炭，熱值為6500～7500大卡/公斤，大于一般木炭。
圖2示出，粉碎機(jī)1(如樹(shù)枝粉碎機(jī))出料口接氣流干燥器2(以加熱空氣作為熱介質(zhì)，若以惰性氣體——與物料不發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)的氣體，作為熱介質(zhì)則更好)的進(jìn)料口；氣流干燥器出料口經(jīng)閥門(mén)2b接儲(chǔ)料倉(cāng)3進(jìn)料口，儲(chǔ)料倉(cāng)出料口經(jīng)閥門(mén)3b與螺旋擠壓機(jī)4進(jìn)料口連接，當(dāng)儲(chǔ)料倉(cāng)的進(jìn)料口閥門(mén)和出料口閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)是封閉的，即與空氣隔絕的；電加熱器3a設(shè)置在儲(chǔ)料倉(cāng)3內(nèi)，對(duì)儲(chǔ)料倉(cāng)中物料進(jìn)行加熱；螺旋式擠壓機(jī)4，用于將物料擠壓成型為中空的圓柱形棒材，電加熱裝置4a，設(shè)置在螺旋擠壓機(jī)4外殼上，用于對(duì)物料加料，電動(dòng)閘門(mén)5設(shè)置在螺旋擠壓機(jī)出料口上，用作控制出料口以對(duì)電熱炭化爐6逐一分次進(jìn)行裝料，(可采用其它控制方式，如通過(guò)電器控制螺旋擠壓機(jī)間歇周期性進(jìn)行工作，以滿(mǎn)足逐一、分次進(jìn)行裝料的要求)。電熱炭化爐6(參見(jiàn)圖3)，為一圓柱狀殼體3a，殼體上部設(shè)有一氣體出口管6a。(木煤氣可引出作干燥加熱熱源，或引出作其它用)，殼體底部設(shè)置有一活動(dòng)閘門(mén)5a，殼體中部設(shè)置有一電熱管1a，殼體內(nèi)壁上設(shè)置有電熱膜片7a，殼體內(nèi)腔與上述中空?qǐng)A柱形棒材相適配，并留有一定間隙作氣體通路，殼體外壁設(shè)置有可脫式保溫層4a。使用時(shí)，每一炭化爐之中裝入一根成型棒材2a，電熱管1a插入棒材中心的圓孔中。電熱管從內(nèi)向外對(duì)棒材加熱與外部的電熱膜片7a加熱相配合，棒材受熱面大，受熱均勻，再加上少量物料進(jìn)行干餾，熱解副反應(yīng)很小，炭化時(shí)間短至20分鐘左右，所以最終達(dá)到了低溫干餾和提高木炭產(chǎn)量的技術(shù)效果。
實(shí)施例1以樹(shù)枝為原料，粉碎至φ10×20mm以下，粉碎機(jī)出口物料溫度40℃，干燥后物料溫度70℃，干燥后物料含水量10％，料倉(cāng)出料溫度150℃，擠壓最終溫度200℃，電熱炭化溫度350℃，炭化時(shí)間25分鐘，經(jīng)測(cè)試炭化率41％，成品木炭的比重為1.19克/cm3。
實(shí)施例2以木屑為原料，不需粉碎，直接干燥，干燥后物料溫度80℃，含水量8％，料倉(cāng)出料溫度100℃，擠壓最終溫度180℃，電熱炭化溫度300℃，炭化時(shí)間20分鐘，經(jīng)測(cè)試炭化率49％，成品木炭的比重為1.2克/cm3。
實(shí)施例3以秸稈為原料，粉碎至長(zhǎng)度在2mm以下，干燥后溫度75℃，含水量9％，料倉(cāng)出料溫度80℃，擠壓最終溫度190℃，電熱炭化溫度270℃，炭化時(shí)間20分鐘，經(jīng)測(cè)試炭化率50％。
實(shí)施例4以甘蔗渣為原料，不需粉碎，直接干燥，干燥后物料溫度72℃，含水量9％，料倉(cāng)出料溫度130℃，擠壓最終溫度150℃，電熱炭化溫度280℃，炭化時(shí)間18分鐘，經(jīng)測(cè)試炭化率41％。
權(quán)利要求
1.一種全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝，按以下步驟順次進(jìn)行(A)采用木質(zhì)和草質(zhì)植物為原料，將原料經(jīng)粉碎機(jī)破碎到后工序方便處理的大小和尺寸；(B)由粉碎機(jī)出口送出的原料直接進(jìn)入干燥器，進(jìn)行干燥；(C)由干燥器出口來(lái)的物料送入一密閉的加溫儲(chǔ)料倉(cāng)中，其物料溫度控制在80-150℃；(D)由儲(chǔ)料倉(cāng)送出的物料在隔絕空氣的情況下，直接進(jìn)入擠壓機(jī)，同時(shí)進(jìn)行加熱和擠壓成型，擠壓操作時(shí)最終物料溫度控制在150～200℃；(E)由擠壓機(jī)出口來(lái)的成型物料在隔絕空氣的情況下直接送入電熱炭化爐中，在270～350℃溫度下干餾，電熱炭化的時(shí)間30分鐘或更少；(F)在隔絕空氣的情況下對(duì)干餾后物料進(jìn)行冷卻至常溫，最后制得成品木炭。上述A至F各步驟順次連續(xù)進(jìn)行，以使各半成品步驟B-E場(chǎng)處于熱啟動(dòng)工況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝，其特征在于，所述干燥器是氣流干燥器，原料在其中由熱氣流進(jìn)行加熱和干燥；所述擠壓機(jī)是螺旋擠壓機(jī)；螺旋擠壓成型時(shí)采用電加熱方式維持物料溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的木炭生產(chǎn)新工藝，其特征在于，所述擠壓成型物料是中空的圓柱體形狀，尺寸為內(nèi)徑3cm，外徑8cm，長(zhǎng)80cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的木炭生產(chǎn)新工藝，其特征在于，所述儲(chǔ)料倉(cāng)中物料溫度控制在130～150℃，所述擠壓操作最終物料溫度控制在180～200℃，所述電熱炭化時(shí)間大約20分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的木炭生產(chǎn)新工藝，其特征在于，所述粉碎機(jī)出口物料的溫度為30～40℃，所述干燥后物料出口溫度為70～80℃。
6.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1的新工藝的裝置，該裝置包括一個(gè)粉碎機(jī)(1)，用于將上述原料破碎到后工序方便處理的大小和尺寸；一個(gè)氣流干燥器(3)，其進(jìn)料口與粉碎機(jī)出料口連接；一個(gè)密閉的儲(chǔ)料倉(cāng)，氣流干燥器的出料口經(jīng)一閥門(mén)與儲(chǔ)料倉(cāng)進(jìn)料口連接；一個(gè)電加熱器，設(shè)置在儲(chǔ)料倉(cāng)中，用于對(duì)儲(chǔ)料倉(cāng)中物料加熱；一個(gè)螺旋擠壓機(jī)(4)，用于將物料成型為中空?qǐng)A柱形棒材，其進(jìn)料口與儲(chǔ)料倉(cāng)出料口經(jīng)一閥門(mén)連通；一個(gè)電加熱裝置，設(shè)置在螺旋擠壓機(jī)外殼上，用于對(duì)物料加熱；用于盛裝螺旋擠壓機(jī)出料口送出的棒材的多個(gè)電熱炭化爐，該炭化爐為一圓柱狀殼體(3a)，殼體上部設(shè)有一氣體出口管(6a)，殼體底部設(shè)置有一活動(dòng)閘門(mén)(5a)，殼體中部設(shè)置有一電熱管(1a)，殼體內(nèi)壁上設(shè)置有電熱膜片(7a)，殼體內(nèi)腔與上述一個(gè)中空?qǐng)A柱形棒材相適配，并留有一定間隙；殼體外壁設(shè)置有可脫式保溫層(4a)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述螺旋擠壓機(jī)出料口上設(shè)置有一電動(dòng)閘門(mén)，用作控制出料和對(duì)電熱炭化爐逐一進(jìn)行裝料。
全文摘要
一種全電能低溫干餾木炭生產(chǎn)新工藝及其裝置，采用生物質(zhì)植物為原料，將原料經(jīng)破碎機(jī)破碎后，直接送入干燥器，特別是氣流干燥器進(jìn)行干燥和升溫，干燥后物料進(jìn)入儲(chǔ)料倉(cāng)，并同時(shí)對(duì)物料加溫，再由儲(chǔ)料倉(cāng)進(jìn)入擠壓機(jī)，特別是螺旋擠壓機(jī)，在150～200℃的溫度下擠壓成型，最后送入電熱炭化爐中在270～350℃的溫度下低溫干餾，炭化時(shí)間30分鐘以?xún)?nèi)，最后得成品木炭，它具有生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化，各半成品工序均處于熱啟動(dòng)狀況，物料在加溫過(guò)程中受熱均勻以及低溫干餾，木炭產(chǎn)量高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10B53/02GK1436833SQ0211331
公開(kāi)日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2002年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月4日
發(fā)明者王國(guó)全 申請(qǐng)人:王國(guó)全