[发明专利]一种提高碳材料产率的方法和装置

说明书

本发明公开了一种提高碳材料产率的装置，包括第一反应装置、第一冷凝管连接、第二反应装置、第二冷凝管；所述第一反应装置包括第一反应器和第一加热装置，所述第一反应器的顶部与第一冷凝管密封连接；所述第二反应装置包括第二反应器和第二加热装置，第一冷凝管的内管与第二反应器密封连接；所述第二反应器的顶部与第二冷凝管密封连接；所述第二冷凝管的内管顶部分别设有第一保护气体入口和排气口。本发明还公开了使用该装置通过慢速热裂解制备碳材的方法。本发明的装置可以使沸点较低的生物油原位聚合在生物质焦的表面，极大的提高生物质碳材料的收率、含碳量。该装置简单，操作简便安全，适于大规模生产，能够适于工业应用。

技术领域

本发明涉及生物质热裂解技术领域，具体涉及方法一种提高碳材料产率的方法和装置。

背景技术

生物质是目前唯一的可持续的碳资源，我国有巨大的生物质能储量，发展潜力巨大，但当前的利用率仍然很低。因此，实现生物质热裂解转为高产率碳材料，对提高生物质利用率有重要的意义。生物质中含有丰富的纤维素，半纤维素以及木质素等等这些具有芳香性的高分子聚合物。生物质的热裂解过程可以分为三个阶段：自由水的挥发，挥发分(生物油和气体)析出和深度热裂解，过程相对复杂，可以看作是生物质内化学键的接连不断的断裂与重组的过程。以木质素为例，在裂解初期，木质素中芳环上支链的官能团断裂，生成脂肪族物质，经过冷却后收集起来(即生物油)，随着裂解加剧(温度升高)，比较稳定的苯环也发生断键，这样大分子结构降解为小分子并进一步重组。在宏观上，生物质比如木质素，经过热裂解，可以形成微观形貌成球状或半球状，表面存在大量孔隙的结构。

人们可以通过这种热裂解过程即可得到生物质前驱体自然形态的碳材料，其应用领域比较广泛，可以用于电催化，电池，工业催化等领域，还可以可用于肥沃土地提高产量并且可以降低21％的碳排放量，以及作为活性炭吸附贵金属或者抗生素等，所以制备生物焦不仅能够变废为宝还能降低人类的碳排放。生物质的裂解按照升温速率分为快速裂解和慢速裂解，慢速裂解时间长，而且残炭率不高，工业上使用慢速裂解制备碳产率不超过30％，原因是裂解过程中产生的沸点较低的液体(生物油)和气体无法全部固定在固体的生物焦中；而快速裂解虽然需要的时间短但产碳率更低，一般焦产率在20％左右，原因是裂解产生的挥发分并没有与生物质焦发生充分的反应。现有的技术手段限制了碳材料的收率的提高，也使得人们无法充分利用生物质中全部的碳元素。现有的生物焦一般作为制备生物油的副产物得到。提高生物焦的产率不仅能够扩大生物焦的应用，还能降低碳排放量。所以需要一种提高碳材产率的装置，利用该装置制备生物焦来提高碳材产率。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种提高碳材料产率的方法和装置。本发明的装置可使沸点较低的生物油原位聚合在生物质焦的表面，极大的提高生物质碳材料的收率和含碳量，且操作安全简便，适于工业化应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种提高碳材料产率的装置，包括第一反应装置，所述第一反应装置与第一冷凝管连接，所述第一冷凝管的上方设有第二反应装置，所述第二反应装置与第二冷凝管连接；所述第一反应装置包括第一反应器，所述第一反应器外设有第一加热装置，所述第一反应器的顶部与第一冷凝管密封连接；所述第二反应装置包括第二反应器，所述第二反应器外设有第二加热装置，第一冷凝管的内管与第二反应器密封连接；所述第二反应器的顶部与第二冷凝管密封连接；第二冷凝管的内管顶部分别设有第一保护气体入口和排气口。

优选的，所述第一反应器与第一加热装置之间填充保温棉；所述第二反应器与第二加热装置之间填充保温棉。

优选的，所述第一冷凝管的内管与第二反应器之间设有第二保护气体入口。

优选的，所述第一冷凝管的上部设有第一冷凝剂出口，下部设有第一冷凝剂入口；所述第二冷凝管的上部设有第二冷凝剂出口，下部设有第二冷凝剂入口。

优选的，所述第一冷凝管的内管与第二冷凝管的内管通过至少一根气体导管连接。