[發明專利]一種提高碳材料產率的方法和裝置

在審

• 申請號: 202011383218.1
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112322313A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 胡勛;孫愷;汪一;張書;張麗君
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C10B53/02
• 分類號: C10B53/02;C10B57/00
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 薛鵬喜

本發明公開了一種提高碳材料產率的裝置，包括第一反應裝置、第一冷凝管連接、第二反應裝置、第二冷凝管；所述第一反應裝置包括第一反應器和第一加熱裝置，所述第一反應器的頂部與第一冷凝管密封連接；所述第二反應裝置包括第二反應器和第二加熱裝置，第一冷凝管的內管與第二反應器密封連接；所述第二反應器的頂部與第二冷凝管密封連接；所述第二冷凝管的內管頂部分別設有第一保護氣體入口和排氣口。本發明還公開了使用該裝置通過慢速熱裂解制備碳材的方法。本發明的裝置可以使沸點較低的生物油原位聚合在生物質焦的表面，極大的提高生物質碳材料的收率、含碳量。該裝置簡單，操作簡便安全，適于大規模生產，能夠適于工業應用。

技術領域

本發明涉及生物質熱裂解技術領域，具體涉及方法一種提高碳材料產率的方法和裝置。

背景技術

生物質是目前唯一的可持續的碳資源，我國有巨大的生物質能儲量，發展潛力巨大，但當前的利用率仍然很低。因此，實現生物質熱裂解轉為高產率碳材料，對提高生物質利用率有重要的意義。生物質中含有豐富的纖維素，半纖維素以及木質素等等這些具有芳香性的高分子聚合物。生物質的熱裂解過程可以分為三個階段：自由水的揮發，揮發分(生物油和氣體)析出和深度熱裂解，過程相對復雜，可以看作是生物質內化學鍵的接連不斷的斷裂與重組的過程。以木質素為例，在裂解初期，木質素中芳環上支鏈的官能團斷裂，生成脂肪族物質，經過冷卻后收集起來(即生物油)，隨著裂解加劇(溫度升高)，比較穩定的苯環也發生斷鍵，這樣大分子結構降解為小分子并進一步重組。在宏觀上，生物質比如木質素，經過熱裂解，可以形成微觀形貌成球狀或半球狀，表面存在大量孔隙的結構。

人們可以通過這種熱裂解過程即可得到生物質前驅體自然形態的碳材料，其應用領域比較廣泛，可以用于電催化，電池，工業催化等領域，還可以可用于肥沃土地提高產量并且可以降低21％的碳排放量，以及作為活性炭吸附貴金屬或者抗生素等，所以制備生物焦不僅能夠變廢為寶還能降低人類的碳排放。生物質的裂解按照升溫速率分為快速裂解和慢速裂解，慢速裂解時間長，而且殘炭率不高，工業上使用慢速裂解制備碳產率不超過30％，原因是裂解過程中產生的沸點較低的液體(生物油)和氣體無法全部固定在固體的生物焦中；而快速裂解雖然需要的時間短但產碳率更低，一般焦產率在20％左右，原因是裂解產生的揮發分并沒有與生物質焦發生充分的反應。現有的技術手段限制了碳材料的收率的提高，也使得人們無法充分利用生物質中全部的碳元素。現有的生物焦一般作為制備生物油的副產物得到。提高生物焦的產率不僅能夠擴大生物焦的應用，還能降低碳排放量。所以需要一種提高碳材產率的裝置，利用該裝置制備生物焦來提高碳材產率。

發明內容

針對上述現有技術，本發明的目的是提供一種提高碳材料產率的方法和裝置。本發明的裝置可使沸點較低的生物油原位聚合在生物質焦的表面，極大的提高生物質碳材料的收率和含碳量，且操作安全簡便，適于工業化應用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明的第一方面，提供一種提高碳材料產率的裝置，包括第一反應裝置，所述第一反應裝置與第一冷凝管連接，所述第一冷凝管的上方設有第二反應裝置，所述第二反應裝置與第二冷凝管連接；所述第一反應裝置包括第一反應器，所述第一反應器外設有第一加熱裝置，所述第一反應器的頂部與第一冷凝管密封連接；所述第二反應裝置包括第二反應器，所述第二反應器外設有第二加熱裝置，第一冷凝管的內管與第二反應器密封連接；所述第二反應器的頂部與第二冷凝管密封連接；第二冷凝管的內管頂部分別設有第一保護氣體入口和排氣口。

優選的，所述第一反應器與第一加熱裝置之間填充保溫棉；所述第二反應器與第二加熱裝置之間填充保溫棉。

優選的，所述第一冷凝管的內管與第二反應器之間設有第二保護氣體入口。

優選的，所述第一冷凝管的上部設有第一冷凝劑出口，下部設有第一冷凝劑入口；所述第二冷凝管的上部設有第二冷凝劑出口，下部設有第二冷凝劑入口。

優選的，所述第一冷凝管的內管與第二冷凝管的內管通過至少一根氣體導管連接。