本技術(shù)涉及農(nóng)林廢棄生物質(zhì)資源化利用及生物炭制備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種火焰幕熱解生物炭的熱解裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、火焰幕熱解是一種利用表層原料接觸空氣充分燃燒來創(chuàng)造原料內(nèi)部的缺氧環(huán)境，從而實現(xiàn)炭化的技術(shù)。生物炭能夠廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)（土壤改良、肥料載體）、環(huán)境治理（重金屬吸附、水質(zhì)凈化）、廢水處理、碳封存等領(lǐng)域。

2、目前，主要通過在戶外土地上挖掘熱解窯的方式進行生物炭制備。在戶外運行，容易受到風吹的干擾，導致燃燒不穩(wěn)定。不利于控制燃燒過程，導致生物炭的可重復性較差，從而無法對進行準確評估，例如不同熄火方式對生物炭性能影響的評估、熱損回收利用方式評估、不同空氣流速和不同氧氣濃度下生物炭性能的評估、在非密閉空間下開展不同空氣流速和不同供氧濃度的生物炭/活性炭制備研究等等；這極大地限制了生物炭制備的研究和應(yīng)用。

3、綜上所述，現(xiàn)有的戶外熱解窯不易控制生物炭的制備過程。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種火焰幕熱解生物炭的熱解裝置及方法。具體地，本技術(shù)提供了一種火焰幕熱解生物炭的熱解裝置，熱解裝置包括熱解腔室，熱解腔室設(shè)置于支架上，熱解腔室的底端懸空，裝置還包括水蒸汽發(fā)生裝置，水蒸汽發(fā)生裝置通過支撐桿架設(shè)于熱解腔室上方，水蒸汽發(fā)生裝置的頂端設(shè)置有出氣口，熱解腔室的底端設(shè)置有進料口，出氣口和進料口之間通過管道連接，管道上設(shè)置有開關(guān)閥門。

2、本技術(shù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)進行熱解制備生物炭的目的；同時，熱解和冷卻過程中通過下端的管道能夠通入特定的輔料，通入輔料的流速和流量都能夠精確控制，熱解和冷卻的過程可控，這些設(shè)置使得生物炭的制備具有較好的重復性，從而有利于研究不同因素對生物炭的影響，例如，熄火方式對生物炭性能的影響、評估熱損回收利用潛力、評估煙氣排放潔凈程度，還能夠?qū)崿F(xiàn)在非密閉空間下開展不同空氣流速和不同供氧濃度的生物炭/活性炭制備研究。

3、水蒸汽發(fā)生裝置中盛放有水，下側(cè)熱解腔室熱解過程中的熱量使得水蒸汽發(fā)生裝置中的水氣化為水蒸汽，在熱解中后期，通過管道進入熱解腔室，生物炭表面與水蒸汽接觸發(fā)生化學反應(yīng)，進行活化，從而改變生物炭的結(jié)構(gòu)，生成更多的孔隙并增加比表面積，使得生物炭的表面活性增強，提升其吸附能力。具體地，高溫碳與水蒸汽接觸，產(chǎn)生表面活化，改變生物炭的結(jié)構(gòu)，生成較多孔隙，增加比表面積，使得生物炭的表面活性增強，提升其吸附能力。c和水蒸汽反應(yīng)生成co和h2，水蒸汽將生物炭表面的部分碳轉(zhuǎn)化為氣體，產(chǎn)生空隙結(jié)構(gòu)，增強炭的孔隙度，從而提升比表面積，從而提升吸附性能，這對于吸附、氣體存儲或催化等應(yīng)用的生物炭尤其重要。水蒸氣自活化不僅有助于生成更多的孔隙，還能減少生物炭的脆性，因為水蒸氣的引入幫助調(diào)節(jié)熱解過程中的溫度波動，使得熱解過程中的冷卻速率更加均勻，從而提高生物炭的穩(wěn)定性。

4、進一步地，水蒸汽發(fā)生裝置為上窄下寬的錐狀容器，底壁的形狀為向下凸起的曲面狀。上窄下寬的設(shè)計使得水蒸汽發(fā)生裝置能夠在熱解腔室的高溫環(huán)境下有效地氣化水，從而確保水蒸汽在熱解過程中能夠均勻地加熱并產(chǎn)生。最終收集在頂部通過管道輸出。

5、更進一步地，水蒸汽發(fā)生裝置的底端的直徑小于等于熱解腔室頂端的直徑。這使得水蒸汽發(fā)生裝置中的水受熱均勻，快速轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，用于蒸汽活化?/p>

6、更進一步地，熱解腔室的形狀為上寬下窄的錐形，頂部敞口。限制氧氣的直接進入下部，在下部形成缺氧環(huán)境，避免原材料的快速燃燒或過度氧化，從而確保熱解過程主要以熱分解為主，而不是完全燃燒。物料在下部的缺氧高溫環(huán)境中分解，產(chǎn)生可燃氣體、焦油和炭，而這些可燃氣體上升到腔室上部后，在氧氣相對充足的環(huán)境中與空氣混合并發(fā)生燃燒，這不僅能夠減少揮發(fā)性氣體的排放，還能釋放大量熱量，為下部熱解反應(yīng)提供熱能支持。上部燃燒釋放的熱量可以直接傳遞給下部的原料層，而揮發(fā)性氣體的上升又能促進下部的熱解反應(yīng)，形成循環(huán)，有助于熱解過程的持續(xù)進行。

7、更進一步地，熱解腔室的側(cè)壁為雙層空心壁，兩層壁之間形成封閉空腔。熱解過程中，雙層空心壁中的空氣被加熱；在冷卻過程中，頂部淬火使得物料快速降溫，快速冷卻有助于增加比表面積，并促進生物炭表面更多孔隙的形成，在生物炭中形成較大的比表面積，雙層空心壁中空氣層的溫度仍然較高，由于空氣層的熱隔離作用，內(nèi)壁的降溫速度得到有效調(diào)控，使得冷卻過程較為平緩，避免了過快的降溫而導致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對內(nèi)部的冷卻過程起到了保溫的作用；也就是，通過空氣層的熱隔離作用，在冷卻過程中幫助內(nèi)壁物料保持適度的降溫速率，避免過快冷卻導致的結(jié)構(gòu)脆化，同時增強比表面積的生成，在溫度不下降過大的前提下延長灰化的時間，提升了高比表面生物炭的穩(wěn)定性。

8、更進一步地，熱解腔室中設(shè)置有柵格，柵格可拆卸固定設(shè)置于熱解腔室的內(nèi)壁上。通過柵格的氣流被分散，使得氣流分布更均勻，從而與物料的反應(yīng)更充分，使得物料充分熱解。柵格還起到支撐作用，隔絕了溫度較高的生物炭與底端接觸，為了確保密封性，底端接口處使用了聚四氟乙烯墊片，高溫會破壞聚四氟乙烯墊片，從而影響密封性。在熱解開始前，柵格有助于搭建木煙囪，木煙囪的有助于從底部充分引燃物料。

9、更進一步地，管道上靠近進料口處設(shè)置有流速調(diào)節(jié)裝置；用于調(diào)節(jié)對應(yīng)管路上輔料的流速，為不同流速下的輔料對生物炭的影響的研究提供了便利。

10、更進一步地，流速調(diào)節(jié)裝置遠離熱解腔室的一端與多通管接頭連接，多通管接頭的一個端口與連接出氣口的管道連接，多通管接頭的其余端口為預留接口。預留接口通過管路根據(jù)需要可以與鼓風機、水泵、氧氣瓶、二氧化碳氣瓶、氮氣瓶等連接。每路道路上設(shè)置有開關(guān)閥，能夠滿足熱解和冷卻過程中的不同需求。根據(jù)制備生物炭的需求或研究目的，可以在熱解過程和冷卻過程中輸送不同的輔料。

11、本技術(shù)還提出了一種火焰幕熱解生物炭的方法，該方法包括如下步驟：

12、s1、將生物質(zhì)原料投入熱解腔室，進行燃燒，火焰燃燒加熱水蒸汽發(fā)生裝置中的水，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通入熱解腔室進行自活化，燃燒至表層物料的火焰熄滅，且無煙產(chǎn)生；

13、s2、降溫冷卻后收集生物炭；

14、方法使用上述熱解裝置實現(xiàn)。

15、進一步地，步驟s1中，水蒸汽由熱解腔室底端的進料口通入；步驟s2中采用淬火的方式快速降溫。

16、自活化過程中，水蒸氣與炭材料的反應(yīng)形成氣體，在生物炭的表面產(chǎn)生較多的微孔和中孔，小孔能夠提供更大的表面區(qū)域用于吸附和反應(yīng)，增加了生物炭的比表面積。淬火是通過快速加入冷卻水或冷卻氣體的方式，迅速降低炭化物的溫度，避免高溫下孔隙結(jié)構(gòu)的進一步變化或熔融。通過迅速冷卻，原本在活化過程中形成的微孔和中孔能夠被“凍結(jié)”在其結(jié)構(gòu)中，從而保持比表面積較高。也就是，淬火較好地保留了自活化過程中形成的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提升了生物炭的比表面積。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

18、（1）本技術(shù)的熱解裝置能夠在室內(nèi)實現(xiàn)生物炭的制備，并確保熱解過程可控，使得生物炭制備過程更加精確，能夠進行性能評估和優(yōu)化，滿足實驗室研究和工業(yè)應(yīng)用的需求。裝置通過精確控制輔料的流速和流量，調(diào)節(jié)熱解和冷卻過程中的各項參數(shù)，提供了更好的重復性，便于研究不同因素對生物炭性能的影響。

19、（2）水蒸汽與高溫的碳材料接觸，反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，在碳材料表面形成孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)增大碳材料的比表面積。淬火冷卻的方式避免了孔隙結(jié)構(gòu)的相互融合，從而增大了生物炭的比表面積。采用蒸汽自活化和淬火方式得到的生物炭的比表面積為84.105m2/g，是蒸汽自活化和退火方式得到生物炭的比表面積的2倍多。

20、（3）水的加熱利用熱解腔室中物料燃燒產(chǎn)生的熱量進行，水蒸汽發(fā)生裝置頂部產(chǎn)生的蒸汽進入熱解腔室的底端，進行蒸汽活化，不額外消耗能源就提升了生物炭的比表面積，能源利用率較高。