本发明属于农林废弃物生物质能利用技术领域，涉及一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置及方法。
背景技术：
生物氢烷主要由氢气和甲烷组成，是重要的清洁燃料。生物质是世界上应用最广泛的可再生能源，是制备生物氢烷的主要原料，可通过高温气化实现。在生物质中添加废塑料可利用其中的c、h元素来提高生物质气化产物生物氢烷的产量，同时还可以获得固体产物活性炭。然而，现有技术仅仅采用锥形流化床将松木和樟子松来制备氢气，却并不对其中甲烷气体也作回收，也没有考虑固体产物活性炭的品质，造成了生物质利用效率低下，有价值产品白白浪费。因此，有必要研制废塑料和生物质共气化制取生物氢烷和活性炭的方法和装置，来提高生物质和废塑料的高价值产品回收效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置及方法，解决了现有生物质利用率低，缺乏有价值产品的高效回收措施的弊端。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，包括流化炉、用于点火的点燃装置、用于产生水蒸汽的蒸汽发生装置和用于收集生物氢烷的集气装置；
点燃装置设置在流化炉一侧，蒸汽发生装置设置在流化炉底部，流化炉内设有布风板；
在流化炉一侧设有进料管和进料阀，在流化炉内且位于出口一侧设有旋风分离器，旋风分离器的下方通过返料管和流化炉连接，在返料管上安装有活性炭收集器，活性炭收集器的下方安装有排料管和排料阀；
集气装置包括依次连接的出气管、冷凝器、净化器ⅰ、净化器ⅱ、净化器ⅲ和储气筒，出气管与流化炉的出口端连通，冷凝器通过进水管和循环泵连接，在进水管上安装有进水阀，在冷凝器上还安装有排水管；储气筒的末端安装有排气管，排气管上安装有排气阀。
进一步，点燃装置包括氢气瓶和燃烧器，氢气瓶和燃烧器通过进气管连接，进气管上设有压力表ⅰ和流量计ⅱ。
进一步，蒸汽发生装置包括依次连接的蒸汽发生器、过热器和配气箱，配气箱设置在流化炉底部，蒸汽发生器与过热器连接的管路上设有压力表ⅲ，过热器与配气箱连接的管路上设有温度计ⅱ和蒸汽阀；
蒸汽发生器采用阵列管式结构，在管子内表面分布凸凹不平的凹槽，在管中充满有水，在水中添加有纳米石墨稀。
进一步，布风板上开有多个出风口。
进一步，废塑料采用聚丙烯、聚丙烷或聚乙烯，生物质采用秸秆、稻壳、玉米棒芯、栗子壳或椰子壳。
进一步，净化器ⅰ中装有碱性溶液，用于吸收二氧化碳气体；净化器ⅱ中装有焦性末食子酸溶液，用于吸收氧气；净化器ⅲ中装有氯化亚铜氨溶液或血红蛋白溶液，用于吸收一氧化碳。
进一步，流化炉外设有保温层。
进一步，保温层采用岩棉。
进一步，流化炉上设有温度计ⅰ和压力表ⅱ。
本发明还公开了所述采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置的使用方法，包括以下步骤：
s1、开启蒸汽发生装置和排气阀，产生水蒸汽，水蒸汽从布风板进入流化炉炉膛内，再经过集气装置，将气化炉内的空气排出；
s2、关闭蒸汽发生装置和排气阀，打开进料阀，从进料管向流化炉内加装废塑料和生物质热压成型颗粒，使布风板上的料层厚度达到100mm高；
s3、关闭进料阀，开启蒸汽发生装置和点燃装置，流化炉内开始反应，生成气体产物和活性炭；
s4、气体产物经出气管、冷凝器、净化器ⅰ、净化器ⅱ及净化器ⅲ后存储在储气筒中，活性炭从旋风分离器的出口落入活性炭收集器中；
在反应过程中，观察储气筒上真空表的读数，当处于80kpa时，关闭点燃装置和蒸汽发生装置；
s5、打开排料阀，取出活性炭收集器中的活性炭。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置及方法，该装置包括流化炉、旋风分离器、净化器、活性炭收集器、布风板、蒸汽发生装置、点燃装置和各种阀门管件，在流化炉反应后生成气体产物和活性炭，气体产物经过三个净化器的处理，去除了气体产物中的o2、co、co2后，剩余由甲烷和氢气组成的生物氢烷，进入储气筒中存储，方便后续利用；活性炭则通过活性炭收集器存储起来，定期通过打开排料管上安装的排料阀来排出。通过对废塑料和生物质粉碎、混合、热压成型的热解前处理，以及过程中对热解参数的调节，来有效调控活性炭品质，实现了废塑料和生物质共热解向有价值清洁燃料生物氢烷和有价值固体产物活性炭的制备，具有农林固体废弃物利用率高和有价值产品产量高的特点，有效的提高了生物质的利用效率。
进一步，点燃装置包括氢气瓶和燃烧器，选用氢气作为燃烧气体，同时可提供热解气氛，可以有效降低气体产物中二氧化碳的含量和一氧化碳的含量，产生更多的氢气和甲烷。
进一步，蒸汽发生装置采用阵列管式结构，在管子内表面分布凸凹不平的凹槽来增加气化核心点，同时在水中添加纳米石墨稀来提高水的汽化速度，从而提高整套系统的启动效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为氢气瓶；2为进气管；3为压力表ⅰ；4为进气阀；5为燃烧器；6为进料管；7为温度计ⅰ；8为压力表ⅱ；9为流化炉；10为旋风分离器；11为出气管；12为流量计ⅰ；13为冷凝器；14为进水阀；15为进水管；16为循环泵；17为储气筒；18为排气管；19为排气阀；20为接管；21为净化器ⅰ；22为净化器ⅱ；23为净化器ⅲ；24为排水管；25为返料管；26为活性炭收集器；27为排料阀；28为排料管；29为止回阀；30为蒸汽阀；31为蒸汽管；32为温度计ⅱ；33为过热器；34为压力表ⅲ；35为蒸汽发生器；36为流量计ⅱ；37为布风板；38为配气箱；39为进料阀；40为放气阀；41为放气管；42为截止阀；43为真空表。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明公开了一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，包括流化炉9、用于点火的点燃装置、用于产生水蒸汽的蒸汽发生装置和用于收集生物氢烷的集气装置；点燃装置设置在流化炉9一侧，蒸汽发生装置设置在流化炉9底部，流化炉9内设有布风板37；在流化炉9一侧设有进料管6和进料阀39，在流化炉9内且位于出口一侧设有旋风分离器10，旋风分离器10的下方通过返料管25和流化炉9连接，在返料管25上安装有活性炭收集器26和止回阀29，活性炭收集器26的下方安装有排料管28和排料阀27；集气装置包括依次连接的出气管11、冷凝器13、净化器ⅰ21、净化器ⅱ22、净化器ⅲ23和储气筒17，出气管11与流化炉9的出口端连通，冷凝器13通过进水管15和循环泵16连接，在进水管15上安装有进水阀14，在冷凝器13上还安装有排水管24；储气筒17的末端安装有排气管18，排气管18上安装有排气阀19。
止回阀29是单向阀，只允许气流从旋风分离器10流入到流花炉中，而阻止流化炉9中的气流逆行流入到旋风分离器10中。通过设置止回阀29，可以令被气流携带的未燃尽的生物质碎屑和塑料碎屑继续送入流化炉9中燃烧完全，提高了生物质的利用率，降低了飞灰损失。
返料管25用于将流经旋风分离器10的热解气流返回到气化炉中，同时将热解气流中的大粒径颗粒返送回到活性炭收集器26中，实现了活性炭的自动分离收集过程，节能环保。
如图1所示，在流化炉9的出口右下方安装有旋风分离器10，旋风分离器10的下方通过返料管25和流化炉9相互连接，在返料管25上安装有活性炭收集器26和止回阀29，止回阀29的下方安装有排料阀27和排料管28。
在流化炉9的右端出口通过出气管11和冷凝器13连接，冷凝器13通过进水管15和循环泵16连接，在进水管15上安装有进水阀14，在冷凝器13的右端还安装有排水管24；冷凝器13通过接管20与储气筒17相互连接，在接管20上依次安装有净化器ⅰ21、净化器ⅱ22、净化器ⅲ23、截止阀42；在接管20的末端安装有储气筒17，储气筒17的右端安装有排气管18，排气管18上安装有排气阀19，储气筒17上还安装了真空表43。
流化炉9的出口右上方安装有放气管41，放气管41上安装有放气阀40，防止炉中压力过大。
更优地，点燃装置包括氢气瓶1和燃烧器5氢气瓶1通过进气管2与燃烧器5相连接，进气管2上安装有压力表ⅰ3、进气阀4、流量计ⅱ36；燃烧器5安装在流化炉9的左侧布风板37的上方附近。
流化炉9的左侧燃烧器5的上方还安装有进料管6、温度计ⅰ7和压力表ⅱ8，进料管6的进口安装有进料阀39。
更优地，蒸汽发生装置包括依次连接的蒸汽发生器35、过热器33和配气箱38，配气箱38设置在流化炉9底部，蒸汽发生器35与过热器33连接的管路上设有压力表ⅲ34，过热器33与配气箱38连接的蒸汽管31上设有温度计ⅱ32和蒸汽阀30。
本发明公开的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，在使用时：
工作时，废塑料和生物质从进料管6送入到流化炉9的炉膛中，堆积在布风板37上。具有一定压力和温度的水蒸汽从蒸汽发生器35送入配气箱38中，然后穿过配气箱38上方安装的布风板37送入炉膛中，将废塑料和生物质的混合颗粒吹起来，处于流态化。h2或ch4从炉膛左侧布置的氢气瓶1送入燃烧器5中，在流化炉9的炉膛中点火燃烧释放热量，为废塑料和生物质共气化提供热量。废塑料和生物质在催化剂作用下在炉内完成气化过程，气体产物携带活性炭粒子进入旋风分离器10中，在惯性力作用下沿旋风分离器10进入活性炭收集器26中，进行二次处理。气体产物则被送到冷凝器中除去水蒸汽后送入净化器ⅰ21、净化器ⅱ22、净化器ⅲ23中分别除去o2、co、co2后，剩余生物氢烷，然后进一步送入到储气筒17中存放。活性炭可以定期通过打开排料管28上安装的排料阀27来排出。
流化炉9的炉膛采用圆柱形结构，高1.5m，截面直径为0.5m，外部加装岩棉保温层，厚度为25mm。
蒸汽发生器35的单台功率为9kw，共有3、6、9kw三个档，实验中采用0.2～0.5mpa的工作压力，便于将给料托起形成流态化。当给料增加后，可采用2～3台蒸汽发生器35并联供气，整个炉膛工作过程中密封且保温。为了使整个过程处于纯粹的水蒸汽气化中，可采用h2为气化过程提供热量。
给定流态化空隙率为0.4-0.6，根据孔隙率选择流化速度为12m/s。
配风箱采用不锈钢加工成方形，采用岩棉保温。
布风板37根据流化速度和蒸汽量确定，可采用不锈钢板加工，厚度为6mm。
废塑料可以选择聚丙烯、聚丙烷、聚乙烯等，生物质可以选择秸秆、稻壳、玉米棒芯、栗子壳、椰子壳等，将生物质和废塑料分别放入生物质颗粒机和塑料颗粒机中破碎为粒度为0.1-10mm粒径的颗粒备用。根据所选给料密度和空隙率可计算给料用量，以此确定h2或ch4的用量。
将废塑料和生物质继续粉碎为粉末状，以一定比例均匀混合配比，然后热压成型为不同粒径颗粒，以便于热熔废塑料对生物质形成黏连，也方便研究不同粒度和配比的废塑料、生物质成型颗粒的产气量和活性炭性状。
气化过程中，利用废塑料熔融裂解，一方面形成孔隙率，另一方面形成黏连，来调节活性炭的成孔率和孔径。在气化过程中，利用废塑料热解中含有的较高的c、h元素，来提高气体产物中甲烷和氢气的产量。
在流化炉9的运行中，需要调节h2用量、废塑料和生物质颗粒度和配比、热解气氛质量流量来获得最高氢气体积分数。
旋风分离器10可选择的结构参数：旋转部分直径为0.4m，粒子入口段直径为0.1m，旋转段高0.25m，气流入口速度为8m/s，当旋转圈数为5-8圈时，可分离出微粒大于0.1m的粒子在活性炭收集器26中，粒径小于0.1mm的则进入流化炉9内继续发生化学反应，生成气体产物。
此处优先选用氢气作为热解气氛，可以有效降低气体产物中二氧化碳的含量和一氧化碳的含量，产生更多的氢气和甲烷。
净化器ⅲ23中可选择放置碱性溶液，比如氢氧化钾来吸收二氧化碳气体。净化器ⅱ22中可装焦性末食子酸溶液，用于吸收氧气。净化器ⅲ23中可装吸收co的溶液，比如氯化亚铜氨溶液、血红蛋白溶液，但是不能采用可放出干扰性气体的物质，比如二氧化靶溶液和co发生化学反应释放出二氧化碳，会对整个测量系统发生干扰。
储气筒17需要处于5kpa的真空度，便于生物氢烷被吸入其中，当真空度为80kpa时，需要将储气筒17更换为真空度为5kpa。
在采用本发明一种废塑料和生物质共热解制备生物氢烷和活性炭的方法和装置，具体的工作可分为以下几个步骤：
1)检查所有的阀门是否可通断、所有的管道是否畅通，将所有的仪表调零；
2)为蒸汽发生器35通电，打开蒸汽阀30和放气阀40，关闭进料阀39，令产生的蒸汽进入过热器过热后通入气化炉10分钟；
3)关闭蒸汽阀30和放气阀40，打开进料阀39，从进料管6向流化炉内加装废塑料和生物质热压成型颗粒，使布风板37上的料层厚度达到100mm高；
4)关闭进料阀39，继续打开蒸汽阀30和放气阀40，调整蒸汽阀30开度，令其低于临界流化速度；
5)打开进气阀4，燃烧器5开始工作，关闭放气阀40，打开截止阀42，流化炉9开始运行；
6)调节进气阀4、蒸汽阀30、截止阀42的开度，观察流化炉9上的压力表ⅱ8和温度计ⅰ7，使流化炉9处于稳态运行；
7)观察储气筒17上真空表43的读数，当处于80kpa时，关闭进气阀4、蒸汽阀30、截止阀42；
8)打开排料阀27，取出活性炭；
9)更换储气筒17，重复操作1)-8)。
实施例1
采用本发明对秸秆碎屑和聚丙烷颗粒进行质量配比为3:2，热压成型的聚丙烷和秸秆颗粒粒径为2-3mm，充装量为1kg，将其放入流化炉9中气化，氢气质量流量与热解颗粒量相匹配，h2质量流量约为3g/mⅰn，运行43分钟后，炉温在560℃，储气筒17上真空表43达到了78.5kpa，测量生物氢烷体积分数79.9％，活性炭的总孔容为0.428m3/kg。
实施例2
采用本发明对玉米芯碎屑和聚丙烷颗粒进行质量配比为5:3，热压成型的聚丙烷和玉米芯碎屑颗粒粒径为3-4mm，充装量为1.5kg，将其放入流化炉9中气化，氢气质量流量与热解颗粒量相匹配，h2质量流量约为2.8g/mⅰn，运行50分钟后，炉温在572℃，储气筒17上真空表43达到了79.1kpa，测量生物氢烷体积分数76.2％，活性炭的总孔容为0.518m3/kg。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
1.一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，包括流化炉(9)、用于点火的点燃装置、用于产生水蒸汽的蒸汽发生装置和用于收集生物氢烷的集气装置；
点燃装置设置在流化炉(9)一侧，蒸汽发生装置设置在流化炉(9)底部，流化炉(9)内设有布风板(37)；
在流化炉(9)一侧设有进料管(6)和进料阀(39)，在流化炉(9)内且位于出口一侧设有旋风分离器(10)，旋风分离器(10)的下方通过返料管(25)和流化炉(9)连接，在返料管(25)上安装有活性炭收集器(26)，活性炭收集器(26)的下方安装有排料管(28)和排料阀(27)；
集气装置包括依次连接的出气管(11)、冷凝器(13)、净化器ⅰ(21)、净化器ⅱ(22)、净化器ⅲ(23)和储气筒(17)，出气管(11)与流化炉(9)的出口端连通，冷凝器(13)通过进水管(15)和循环泵(16)连接，在进水管(15)上安装有进水阀(14)，在冷凝器(13)上还安装有排水管(24)；储气筒(17)的末端安装有排气管(18)，排气管(18)上安装有排气阀(19)。
2.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，点燃装置包括氢气瓶(1)和燃烧器(5)，氢气瓶(1)和燃烧器(5)通过进气管(2)连接，进气管(2)上设有压力表ⅰ(3)和流量计ⅱ(36)。
3.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，蒸汽发生装置包括依次连接的蒸汽发生器(35)、过热器(33)和配气箱(38)，配气箱(38)设置在流化炉(9)底部，蒸汽发生器(35)与过热器(33)连接的管路上设有压力表ⅲ(34)，过热器(33)与配气箱(38)连接的管路上设有温度计ⅱ(32)和蒸汽阀(30)；
蒸汽发生器(35)采用阵列管式结构，在管子内表面分布凸凹不平的凹槽，在管中充满有水，在水中添加有纳米石墨稀。
4.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，布风板(37)上开有多个出风口。
5.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，废塑料采用聚丙烯、聚丙烷或聚乙烯，生物质采用秸秆、稻壳、玉米棒芯、栗子壳或椰子壳。
6.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，净化器ⅰ(21)中装有碱性溶液，用于吸收二氧化碳气体；净化器ⅱ(22)中装有焦性末食子酸溶液，用于吸收氧气；净化器ⅲ(23)中装有氯化亚铜氨溶液或血红蛋白溶液，用于吸收一氧化碳。
7.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，流化炉(9)外设有保温层。
8.根据权利要求7所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，保温层采用岩棉。
9.根据权利要求1所述的一种采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置，其特征在于，流化炉(9)上设有温度计ⅰ(7)和压力表ⅱ(8)。
10.权利要求1～9任意一项所述采用废塑料和生物质制备生物氢烷和活性炭的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、开启蒸汽发生装置和排气阀(19)，产生水蒸汽，水蒸汽从布风板(37)进入流化炉(9)炉膛内，再经过集气装置，将气化炉内的空气排出；
s2、关闭蒸汽发生装置和排气阀(19)，打开进料阀(39)，从进料管(6)向流化炉(9)内加装废塑料和生物质热压成型颗粒，使布风板(37)上的料层厚度达到100mm高；
s3、关闭进料阀(39)，开启蒸汽发生装置和点燃装置，流化炉(9)内开始反应，生成气体产物和活性炭；
s4、气体产物经出气管(11)、冷凝器(13)、净化器ⅰ(21)、净化器ⅱ(22)及净化器ⅲ(23)后存储在储气筒(17)中，活性炭从旋风分离器(10)的出口落入活性炭收集器(26)中；
在反应过程中，观察储气筒(17)上真空表(43)的读数，当处于80kpa时，关闭点燃装置和蒸汽发生装置；
s5、打开排料阀(27)，取出活性炭收集器(26)中的活性炭。
技术总结