一种生物质基硬碳材料制备系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种生物质基硬碳材料制备系统及方法，本发明专利技术利用改性物质、可燃气、供能物质对预处理后的炭化料进行改性，该制备系统包括初级炭化装置、炭化料预处理装置、改性装置和硬碳制备装置；生物质在初级炭化装置发生炭化反应产生炭化料和可燃气，可燃气经可燃气出口排出，炭化料经炭化料出口排出；炭化料预处理装置用于对炭化料进行粉碎、酸洗、水洗和干燥处理，得到预处理后的炭化料；可燃气、供能物质、改性物质、预处理后的炭化料在改性装置内发生反应，得到改性料；硬碳制备装置用于对改性料进行热处理，得到硬碳材料。本发明专利技术所制备的硬碳材料，具有丰富的微观结构和活性点位，结构稳定性良好，可用作钠离子电池负极材料。料。料。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基硬碳材料制备系统及方法


[0001]本专利技术属于硬碳材料
，具体涉及一种生物质基硬碳材料制备系统及方法。

技术介绍

[0002]生物质，如木材、果壳、淀粉、木质素类物质，具有丰富的活性基团和天然通道，且来源广泛，将其作为前驱体制备硬碳材料具有结构可调控性良好、环境友好、价格低廉等优点。另外，研究表明，硬碳材料具备良好的钠离子的存储与脱嵌性能，是当前最有希望商业化的钠离子电池负极材料。但是以生物质作为前驱体制备的硬碳材料应用于钠离子电池，存在着首次库伦效率低、可逆容量低、循环性能差等问题，同时，当前主要生物质基硬碳材料的制备方法很难应用于规模化和工业化。
[0003]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术由此而来。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术问题，本专利技术提供了一种生物质基硬碳材料制备系统及方法，本专利技术所制备的硬碳材料，具有丰富的微观结构和活性点位，结构稳定性良好，用作钠离子电池负极材料，电池的可逆容量、循环稳定性、首次库伦效率等性能优异。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]本专利技术提供了一种生物质基硬碳材料制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1、将生物质加入到初级炭化设备中，发生炭化反应，生成炭化料和可燃气；
[0008]S2、炭化料经冷却后，再经过粉碎、酸洗、水洗和干燥处理，得到预处理后的炭化料；
[0009]S3、将预处理后的炭化料送入改性装置，并送入供能物质和改性物质，供能物质、改性物质和预处理后的炭化料在改性装置内发生反应，对炭化料的改性及修饰，得到改性料；
[0010]S4、改性料经冷却后送至硬碳制备装置进行热处理，得到生物质基硬碳材料。
[0011]优选地，所述生物质的固定碳/灰分＞1；
[0012]所述改性物质含有过渡金属元素、碱土金属元素、第14族元素、第15族元素和第16族元素中的至少一种，所述改性物质为含有过渡金属元素、碱土金属元素、第14族元素、第15族元素、第16族元素的单质或化合物中的至少一种；
[0013]改性物质与预处理后的炭化料的质量比为(0.05
‑
30):100。
[0014]所述供能物质为气体，能够为改性装置内的反应提供部分或全部热量，且所述供能物质反应能够产生炭黑或炭颗粒。供能物质的作用是流化炭化料、供热、释放炭黑或者炭颗粒。
[0015]优选地，S3步骤中，将可燃气也送入改性装置，可燃气、供能物质、改性物质、预处理后的炭化料在所述改性装置内发生反应。
[0016]优选地，S1步骤中，炭化反应的温度为350
‑
800℃，反应时间为15
‑
180min；
[0017]S2步骤中，炭化料经冷却至50℃以下；炭化料粉碎至粒径不大于20mm，经酸洗将炭化料中的灰分降低至5％以下，其中酸洗所用的酸为盐酸、硝酸或磷酸的一种或多种，浓度为0.5
‑
12mol/L；
[0018]S3步骤中，改性料经冷却至50℃以下；所述改性装置采用循环流化床结构，改性装置反应温度为700
‑
1200℃，物料在其中的有效停留时间为15s
‑
120min，控制改性装置中气体流速为0.1
‑
6m/s，使得改性装置中物料达到流化状态；
[0019]S4步骤中，在氮气或者氩气气氛下，所述硬碳制备装置热处理温度为850
‑
1500℃，处理时间为0.5
‑
6h。
[0020]本专利技术还提供了一种生物质基硬碳材料制备系统，包括初级炭化装置、炭化料预处理装置、改性装置和硬碳制备装置；
[0021]所述初级炭化装置设有可燃气出口和炭化料出口，生物质在所述初级炭化装置发生炭化反应产生炭化料和可燃气，可燃气经所述可燃气出口排出，炭化料经所述炭化料出口排出；
[0022]所述炭化料预处理装置用于对炭化料进行粉碎、酸洗、水洗和干燥处理，得到预处理后的炭化料，所述炭化料预处理装置包括粉碎单元、酸洗单元、水洗单元和干燥单元，；
[0023]所述改性装置用于生成改性料，供能物质、改性物质、预处理后的炭化料在所述改性装置内发生反应，得到改性料；
[0024]所述硬碳制备装置用于将收集到的改性料进行热处理，得到生物质基硬碳材料。
[0025]优选地，所述改性装置采用循环流化床结构，所述改性装置包括反应器主体，所述反应器主体包括相连通的提升筒和风室，所述提升筒位于所述风室的上方，所述提升筒上设有供预处理后的炭化料进入的炭化料进口和改性物质喷入装置，所述风室底部设有供供能物质进入的供能物质进口；
[0026]所述提升筒的一侧设有启动装置；该启动装置的作用是系统启动时，利用启动装置提高改性装置内部的反应温度。该启动装置可以是燃烧器，也可以是其他能够实现该目的的装置；可以安装于风室，也可以安装于提升筒；
[0027]所述提升筒内的底部设有布风板，供能物质从改性装置的风室送入，通过布风板进入提升筒，为系统提供热量的同时确保炭化料、改性物质在提升筒密相区的良好流化。
[0028]优选地，所述提升筒上设有供可燃气进入的可燃气进口，可燃气、供能物质、改性物质、预处理后的炭化料在所述改性装置内发生反应。
[0029]优选地，所述改性装置还包括旋风分离器和返料器，所述提升筒一侧的上部设有改性料出口，所述提升筒一侧的下部设有改性料回料口，所述改性料出口与所述旋风分离器的进料口相连，所述旋风分离器的底部排料口与所述返料器相连，所述返料器与所述改性料回料口相连；
[0030]所述制备系统还包括改性料冷却装置，所述改性料冷却装置设有进炭口和排炭口，所述返料器的底部排料口与所述改性料冷却装置的进炭口相连，所述排炭口与所述硬碳制备装置相连，经所述返料器排出的物料经改性料冷却装置冷却后进入所述硬碳制备装置。
[0031]优选地，所述改性装置还包括旋风除尘器，所述旋风分离器的顶部尾气口与所述
旋风除尘器的顶部进料口相连，所述旋风除尘器的底部排料口与所述改性料冷却装置的进炭口相连。
[0032]优选地，所述初级炭化装置和所述炭化料预处理装置之间连接有炭化料冷却装置。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034](1)本专利技术利用改性物质、可燃气、供能物质能够对预处理后的炭化料进行改性，从而改善硬碳材料用作钠离子电池负极材料时的性质；
[0035](2)改性物质在高温改性装置中由于足够的停留时间和湍流强度而被预处理后的炭化料的多孔结构充分吸附，炭化料在此过程中引入了过渡金属元素或碱土金属元素或第14/15/16族元素，丰富了炭化料的微孔结构和活性点位，该改性料制备的硬碳材料用于钠离子电池负极材料时，电池的可逆容量高；
[0036](3)可燃气携带的焦油、CH4等物质在炭化料的作用下发生裂解反应，生成炭黑和小分子气体；同时，供能物质释本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质基硬碳材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将生物质加入到初级炭化设备中，发生炭化反应，生成炭化料和可燃气；S2、炭化料经冷却后，再经过粉碎、酸洗、水洗和干燥处理，得到预处理后的炭化料；S3、将预处理后的炭化料送入改性装置，并送入供能物质和改性物质，供能物质、改性物质和预处理后的炭化料在改性装置内发生反应，对炭化料的改性及修饰，得到改性料；S4、改性料经冷却后送至硬碳制备装置进行热处理，得到生物质基硬碳材料。2.根据权利要求1所述的一种生物质基硬碳材料制备方法，其特征在于，所述生物质的固定碳/灰分＞1；所述改性物质含有过渡金属元素、碱土金属元素、第14族元素、第15族元素和第16族元素中的至少一种，所述改性物质为含有过渡金属元素、碱土金属元素、第14族元素、第15族元素、第16族元素的单质或化合物中的至少一种；改性物质与预处理后的炭化料的质量比为(0.05
‑
30):100；所述供能物质为气体，能够为改性装置内的反应提供部分或全部热量，且所述供能物质反应能够产生炭黑或炭颗粒。3.根据权利要求1所述的一种生物质基硬碳材料制备方法，其特征在于，S3步骤中，将可燃气也送入改性装置，可燃气、供能物质、改性物质、预处理后的炭化料在所述改性装置内发生反应。4.根据权利要求1或3所述的一种生物质基硬碳材料制备方法，其特征在于，S1步骤中，炭化反应的温度为350
‑
800℃，反应时间为15
‑
180min；S2步骤中，炭化料经冷却至50℃以下；炭化料粉碎至粒径不大于20mm，经酸洗将炭化料中的灰分降低至5％以下，其中酸洗所用的酸为盐酸、硝酸或磷酸的一种或多种，浓度为0.5
‑
12mol/L；S3步骤中，所述改性装置采用循环流化床结构，改性装置反应温度为700
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1200℃，物料在其中的有效停留时间为15s
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120min，控制改性装置中气体流速为0.1
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6m/s；S4步骤中，改性料经冷却至50℃以下；在氮气或者氩气气氛下，所述硬碳制备装置热处理温度为850
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1500℃，处理时间为0.5
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6h。5.一种生物质基硬碳材料制备系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程东海，辛刚，陶然，
申请(专利权)人：挪唯环境科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：