CN111017926A - 一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法和装置，稻壳、木屑、秸秆生物质原料首先与Fe和Ni的金属盐溶液经搅拌机混合，使其原位负载Fe和Ni金属盐后，送入干燥机进行干燥。干燥后的原料进入桨叶式炭化炉中进行碳热还原，热解固体产物即为磁性碳纳米管/多孔碳材料。同时产生的挥发性可燃气体，经氧化钙过滤器过滤酸性气体后经由燃烧器燃烧，与熔盐锅炉换热，换热后的废气和熔盐分别作为干燥机和碳化炉的热源。本发明的装置回收了热解气体燃烧产生的热量，作为原料干燥和热解的热源，整个系统无需外部供热，并且利用熔盐供热，实现了对碳化炉的精确控温，同时，采用生物质原位负载金属盐，提高了磁性碳材料的品质。
Description
技术领域
本发明涉及生物质热解领域，涉及一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法及装置。
背景技术
传统化石能源的过度开采和使用，加剧了环境污染和资源的枯竭，可再生能源的开发利用，是人类社会急需解决的重大问题。生物质能具有储量丰富、易获取、可再生、低污染等特点，因而被认为是一种重要的可再生能源。
生物质通常指自然植物或者植物基材料。据统计，每年全球生物质的生产量可达1000亿吨以上。我国作为一个农业大国每年也产生大量的生物质，除了满足人们的食用和使用以外，剩余的都是通过简单地掩埋或燃烧处理。这种处理方法不仅会造成资源浪费，同时也导致了一定的环境污染。因此，为提高生物质的利用价值，可使用生物质制备燃气、生物质柴油和碳材料等。不仅实现了对生物质经济价值的提升，同时缓解了环境污染以及能源问题。
生物质碳材料的制备方法一般为，在无氧环境中利用高温对生物质碳材料进行处理，从而对生物质中的碳元素进行保留，从而得到生物质碳材料。生物质具有含碳量高和孔隙结构丰富等特点，因此利用生物质制备碳材料具有显著地优势。通过生物质制备的碳材料具有产率高、比表面积较大和杂原子掺杂等。与此同时，制备的碳材料可以作为催化剂的载体，能源储存与转化的材料，吸附剂等。不仅可以提高生物质原料的利用价值，同时为可持续能源的发展，提供新的思路。
发明内容
针对上述现有技术，提出一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳的方法和装置，能够利用生物质原料，结合金属Fe和Ni的金属盐，加工制成高品质的复合碳材料。
一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，包括如下步骤：将生物质原料送入双螺旋搅拌机中，铁和镍的金属盐溶液通过溶液泵和喷嘴与生物质原料进行搅拌混合；混合后的原料经干燥至含水率5％～10％；干燥后的原料进入桨叶式碳化炉进行碳热还原，控制热解温度为600℃±10℃，热解中产生的固体产物经碳化炉排出从而获得磁性碳纳米管/多孔碳材料，热解中产生的可燃气体经氧化钙过滤器除去与金属盐溶液混合而产生的酸性气体后，进入燃烧器燃烧；
其中，燃烧的高温烟气通过熔盐锅炉进行换热，经加热后的熔盐作为桨叶式碳化炉的热源，换热后的废气作为滚筒式干燥机的热源。
制备的磁性碳纳米管/多孔碳材料为内部多孔碳，外部碳纳米管复合结构，金属盐溶液作为活化剂，促进催化剂多孔结构的生成，且在碳热还原过程中，促进烃类挥发分的产生，其在金属活性位表面气相沉积产生碳纳米管，纳米金属颗粒嵌入并均匀地分散在碳基材料内部。
使用熔盐锅炉为桨叶式碳化炉供热，为碳化炉提供热源的熔盐，其入口温度约为650℃，出口温度约为550℃，对碳化炉实现精确控温，使桨叶式碳化炉中原料的热解温度维持不变，且熔盐供热后经熔盐泵流回储液罐，实现重复换热。
燃烧后的高温烟气经熔盐锅炉换热后产生的废气，作为热源为滚筒式干燥机供热，温度为200-300℃。
生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的装置，包括金属盐溶液储液罐、溶液泵、双螺旋搅拌机、滚筒式干燥机、碳化炉、氧化钙过滤器、燃烧器、风机、熔盐锅炉、熔盐储液罐、熔盐泵；
双螺旋搅拌机包括原料入口，喷嘴，物料出口；滚筒式干燥机包括物料入口，物料出口，气体入口以及废气出口；桨叶式碳化炉包括物料入口，熔盐入口，熔盐出口以及气体出口；氧化钙干燥器包括气体入口，气体出口，氧化钙入口以及氧化钙出口；熔盐锅炉包括气体出口，熔盐入口以及熔盐出口；
金属盐储液罐的出口与溶液泵相连，溶液泵与双螺旋搅拌机的喷嘴相连，双螺旋搅拌机的出料口连接滚筒式干燥机的入料口，滚筒式干燥机的出料口连接桨叶式碳化炉的入料口，碳化炉的气体出口与氯化钙过滤器的入口相连，过滤器的气体出口经燃烧器连接到熔盐锅炉，熔盐锅炉的废气出口与滚筒式干燥机的气体入口相连；
熔盐储液罐与熔盐锅炉的熔盐入口相连，熔盐锅炉的出口与桨叶式碳化炉的熔盐入口相连，碳化炉的熔盐出口与熔盐泵相连，熔盐泵与熔盐储液罐相连。
本发明与现有技术相比，本发明显著优点有：(1)使用生物质原位负载金属盐，金属盐溶液作为活化剂，一方面促进了催化剂多孔结构的生成。另一方面，在碳热还原过程中，促进了烃类挥发分的产生，其在金属活性位表面气相沉积产生碳纳米管，纳米金属颗粒嵌入并均匀地分散在碳基材料内部，使得该碳材料为外部碳纳米管/内部多孔碳的复合碳材料；(2)采用了熔盐锅炉为桨叶式碳化炉供热，将碳化炉的热解温度控制在600±10℃，并且实现了熔盐的循环使用；(3)利用反应产生的可燃气体燃烧产生的热量来实现对整个系统的供热，整个系统装置实现了能量的梯级利用，基本无需外供能量，且系统运行安全性高、成本低。
附图说明
图1为本发明的绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料装置的结构图。
图中：1-金属盐储液罐，2-溶液泵，3双螺旋搅拌机物料入口，4-喷嘴，5-双螺旋搅拌机，6-双螺旋搅拌机物料出口，7-滚筒式干燥机物料入口，8-滚筒式干燥机，9-滚筒式干燥机气体入口，10-滚筒式干燥机废气出口。11-滚筒式干燥机物料出口，12-桨叶式碳化炉物料入口，13-桨叶式碳化炉，14-桨叶式碳化炉熔盐出口，15-桨叶式炭化炉熔盐入口，16-热解气体出口，17-氧化钙干燥器气体入口，18-氧化钙干燥器，19-氧化钙干燥器气体出口，20-氧化钙入口，21-氧化钙出口，22-燃烧器，23-风机，24-熔盐锅炉，25-锅炉熔盐入口，26-锅炉熔盐出口，27-熔盐锅炉废气出口，28-熔盐储液罐，29熔盐泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的装置，包括：金属盐溶液储液罐1、溶液泵2、双螺旋搅拌机5、滚筒式干燥机8、桨叶式碳化炉13、氧化钙干燥器18、燃烧器22、风机23、熔盐锅炉24、熔盐储液罐28、熔盐泵29；
金属盐储液罐1的出口与溶液泵2相连，溶液泵2与双螺旋搅拌机5的喷嘴相连，双螺旋搅拌机5的出料口6连接滚筒式干燥机8的入料口7，滚筒式干燥机的出料口11连接桨叶式碳化炉13的入料口12，碳化炉的气体出口16与氯化钙过滤器18的入口17相连，过滤器的气体出口19经燃烧器22连接到熔盐锅炉24，熔盐锅炉的废气出口27与滚筒式干燥机8的气体入口9相连。
熔盐储液罐28与熔盐锅炉24的熔盐入口25相连，熔盐锅炉的出口26与桨叶式碳化炉13的熔盐入口15相连，碳化炉的熔盐出口14与熔盐泵29相连，熔盐泵与熔盐储液罐28相连。
绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，具体步骤为：将生物质原料木屑送入双螺旋搅拌机5，铁和镍金属的氯化盐溶液通过溶液泵2和喷嘴4与生物质原料进行充分的搅拌混合；混合后的原料送入滚筒式干燥机8在200℃左右干燥至含水率5％～10％；干燥后的原料进入桨叶式碳化炉13进行碳热还原，控制热解温度为600℃±10℃，热解时间为2h，热解中产生的固体产物经碳化炉排出从而获得磁性碳纳米管/多孔碳材料，热解中产生的可燃气体经氧化钙过滤器18除去因与金属盐溶液混合而产生的氯化氢气体后，进入燃烧器22燃烧。
其中，燃烧的高温烟气通过熔盐锅炉24进行换热，使熔盐温度达到650℃，经加热后的熔盐作为桨叶式碳化炉13的热源，换热后的废气作为滚筒式干燥机8的热源。
绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，生物质原料首先经过双螺旋搅拌机与金属盐溶液搅拌混合，原位负载Fe和Ni元素后进行干燥，随后干燥的原料在碳化炉中进行碳热还原，生成的碳材料为内部多孔碳，外部碳纳米管复合结构，且纳米金属颗粒嵌入并均匀地分散在碳基材料内部。同时，本发明回收了热解气体燃烧产生的能量，作为原料干燥和热解的热源，整个系统无需外部供热。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种绿色环保型生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：将生物质原料送入双螺旋搅拌机中，铁和镍的金属盐溶液通过溶液泵和喷嘴与生物质原料进行搅拌混合；混合后的原料经干燥至含水率5％～10％；干燥后的原料进入桨叶式碳化炉进行碳热还原，控制热解温度为600℃±10℃，热解中产生的固体产物经碳化炉排出从而获得磁性碳纳米管/多孔碳材料，热解中产生的可燃气体经氧化钙过滤器除去与金属盐溶液混合而产生的酸性气体后，进入燃烧器燃烧；
其中，燃烧的高温烟气通过熔盐锅炉进行换热，经加热后的熔盐作为桨叶式碳化炉的热源，换热后的废气作为滚筒式干燥机的热源。
2.根据权利要求1所述的生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，其特征在于：制备的磁性碳纳米管/多孔碳材料为内部多孔碳，外部碳纳米管复合结构，金属盐溶液作为活化剂，促进催化剂多孔结构的生成，且在碳热还原过程中，促进烃类挥发分的产生，其在金属活性位表面气相沉积产生碳纳米管，纳米金属颗粒嵌入并均匀地分散在碳基材料内部。
3.根据权利要求1所述的生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，其特征在于：使用熔盐锅炉为桨叶式碳化炉供热，为碳化炉提供热源的熔盐，其入口温度约为650℃，出口温度约为550℃，对碳化炉实现精确控温，使桨叶式碳化炉中原料的热解温度维持不变，且熔盐供热后经熔盐泵流回储液罐，实现重复换热。
4.根据权利要求1所述的生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的方法，其特征在于：燃烧后的高温烟气经熔盐锅炉换热后产生的废气，作为热源为滚筒式干燥机供热，温度为200-300℃。
5.生物质制备磁性碳纳米管/多孔碳材料的装置，其特征在于：包括金属盐溶液储液罐(1)、溶液泵(2)、双螺旋搅拌机(5)、滚筒式干燥机(8)、碳化炉(13)、氧化钙过滤器(18)、燃烧器(22)、风机(23)、熔盐锅炉(24)、熔盐储液罐(28)、熔盐泵(29)；
双螺旋搅拌机(5)包括原料入口(3)，喷嘴(4)，物料出口(6)；滚筒式干燥机(8)包括物料入口(7)，物料出口(11)，气体入口(9)以及废气出口(10)；桨叶式碳化炉(13)包括物料入口(12)，熔盐入口(15)，熔盐出口(14)以及气体出口(16)；氧化钙干燥器(18)包括气体入口(17)，气体出口(19)，氧化钙入口(20)以及氧化钙出口(21)；熔盐锅炉(24)包括气体出口(27)，熔盐入口(25)以及熔盐出口(26)；
金属盐储液罐(1)的出口与溶液泵(2)相连，溶液泵(2)与双螺旋搅拌机(5)的喷嘴相连，双螺旋搅拌机(5)的出料口(6)连接滚筒式干燥机(8)的入料口(7)，滚筒式干燥机的出料口(11)连接桨叶式碳化炉(13)的入料口(12)，碳化炉的气体出口(16)与氯化钙过滤器(18)的入口(17)相连，过滤器的气体出口(19)经燃烧器(22)连接到熔盐锅炉(24)，熔盐锅炉的废气出口(27)与滚筒式干燥机(8)的气体入口(9)相连；
熔盐储液罐(28)与熔盐锅炉(24)的熔盐入口(25)相连，熔盐锅炉的出口(26)与桨叶式碳化炉(13)的熔盐入口(15)相连，碳化炉的熔盐出口(14)与熔盐泵(29)相连，熔盐泵(29)与熔盐储液罐(28)相连。
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