CN101935568B - 一种高温生物质微米燃料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温生物质微米燃料，它包括植物纤维粉体和添加剂，其中，植物纤维粉体质量分数占75～100％，添加剂为煤粉、石灰粉和赤泥占中的至少一种，植物纤维粉体粒径小于250μm的粒径占70％以上。生物质微米燃料由于比表面积大，在炉膛的高温作用下瞬间完成固气转变，分解成为H2、CO、CH4等可燃气体，与氧气迅猛燃烧，能量爆发式释放，形成高温效应，其燃烧温度可达到1300℃以上，燃料效率在96％以上。其燃烧温度比传统方法提高1倍左右，燃烧效率提高1倍以上。普通生物质纤维材料通过微米化技术，能够流态化输送，变成了一种接近燃油和燃气的高品位流体燃料。可广泛应用于火力发电、金属熔炼、海水淡化、城镇取暖、石灰烧制、热制空调、工业加热等。
Description
技术领域
本发明涉及一种可再生清洁能源技术，具体涉及一种高温生物质微米燃料。
背景技术
随着石化能源的日益枯竭及其燃烧对环境危害的逐渐显露，生物质能以其可再生、清洁性日益受到全世界的广泛重视。据瑞典国家能源局统计的资料显示，由于生物质能的使用，矿物能源占总能耗的百分比由1970年的80％降为1998年的33％，而生物质能却由9％增加到15％，并且使用生物能源仍有快速增长的趋势。开发生物质能不仅能将农林废弃物(如秸秆、树枝、树叶、废旧家具等)合理利用起来，防止能源浪费，增加经济效益，而且能减少CO2、SO2、NOX和烟尘等排放，缓解环境污染。
生物质能的利用方式有很多，其中生物质的直接燃烧是应用最多的利用方式。然而，长期以来由于生物质直接燃烧能源利用效率低，燃烧温度低，限制了其应用范围。工业生产中的各种窑炉加热需要大量能源，是一个巨大的利用市场，然而对燃料的燃烧温度要求1100℃以上，而采用传统生物质燃烧方法的温度只有600-700℃，生物质成型燃料的燃烧温度也难以超过1000℃，不能适应工业燃料品质的要求；生物质常规的气化和液化燃料成本高，不能适应工业燃料经济指标的要求。所以，我国每年产生的7亿吨秸秆和2亿吨林业废料，不能进入工业窑炉燃料这个正适合生物质分散性特点的市场。大多数秸秆在田野被焚烧，造成污染和事故，枯枝落叶和杂草更是任其腐烂。
发明者为了制备这种高温生物质微米燃料，专门发明的一种生物质破碎机，专利号为ZL 200410124793.3解决了植物纤维材料高效破碎的难题，同时，发明者发明了一种粉尘云燃烧器，专利号为ZL 200410013375.8，形成了这种高温生物质微米燃料高效率低成本生产和高温高效燃烧利用的成套技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温生物质微米燃料，该燃料可以完成清洁燃烧，燃烧温度高，并可以减少对设备腐蚀。
本发明提供的一种高温生物质微米燃料，其特征在于，它包括植物纤维粉体和添加剂，其中，植物纤维粉体质量分数占75～100％，添加剂为煤粉、石灰粉和赤泥占中的至少一种，植物纤维粉体粒径小于250微米的粒径占70％以上。
作为上述技术方案的改进，添加剂的优选的质量百分比为3～25％，更进一步优选的质量百分比为3～10％；添加剂中，煤粉、石灰粉和赤泥的优选的质量比为：(8～10)∶(1～2)∶(1～2)；植物纤维粉体中，粒径小于100微米粒径的颗粒占40％以上；更进一步优选的是小于100微米粒径的颗粒占60％以上，小于250微米的粒径占95％以上。
本发明提供的高温生物质微米燃料是根据粉尘爆炸高效高温燃烧的原理和颗粒粒径要求制备，将粉尘爆炸的灾害转变为工业燃料和清洁能源服务。本发明制备的这种生物质微米燃料颗粒大小与粉尘爆炸物质颗粒相近，利用的原料是农林生物质纤维材料(如秸秆、刨花、锯末、树枝、树叶、野草、藤蔓、灌木等等)，将它们破碎成为微米燃料粉体，粉体燃料在生产过程中配入添加剂如煤粉、石灰粉、赤泥等，以提高燃烧活性和控制燃烧过程中的气相和固相成分，完成清洁燃烧，同时减少对设备腐蚀。
这种生物质微米燃料与空气按一定比例混合形成粉尘云，生物质微米燃料由于比表面积大，在炉膛的高温作用下瞬间完成固气转变，分解成为H2、CO、CH4等可燃气体，与氧气迅猛燃烧，能量爆发式释放，形成高温效应，其燃烧温度可达到1300℃以上，燃料效率在96％以上。其燃烧温度比传统的方法提高1倍左右，燃烧效率比传统的方法提高1倍以上。普通生物质纤维材料通过微米化技术，能够流态化输送，变成了一种接近燃油和燃气的高品位流体燃料。可广泛应用于火力发电、金属熔炼、海水淡化、城镇取暖、石灰烧制、热制空调、工业加热等。
本发明的高能生物质粉体燃料的优点在于，燃烧温度高，为国民经济生产提供了一种低成本的高温能源，能够满足大多数工业加热和窑炉燃料的温度要求。其燃料与空气混合后形成粉尘云，可以流态化输送，便于工业化控制，使得生物质燃料能广泛应用于工业能源领域，例如，火力发电、金属熔炼、海水淡化、城镇取暖、石灰烧制、热制空调、工业加热，其应用前景极为广阔。
附图说明
图1是生物质微米燃料电子扫描照片；
图(2a)是常规生物质燃烧原理图；(2b)是生物质微米燃料高温燃烧原理图；
图3是实例一生物质微米燃料燃烧的升温速度示意图。
具体实施方式
燃烧是氧分子和燃料分子一一对应的化学反应，并放出热量。火焰是燃烧生成的气体因高温发出的物理光。生物质燃料由有机挥发分和固定碳组成，在燃烧温度的热作用下，有机挥发分受热挥发并分解成为CO、H2、CH4等燃气以及焦油气，并与空气接触燃烧。CO、H2、CH4很容易和空气燃烧，但焦油分子量大不容易和空气燃烧，需要进一步的高温分解才能与氧气燃烧；固定碳颗粒大，比表面积比焦油更小，燃尽的时间需要的更长。
传统燃烧方式：燃料尺寸大，有机挥发分受热挥发并分解慢。首先只有表面的挥发分受热燃烧，而燃料内部温度不够，分解产生的CO、H2、CH4焦油在进入的空气流束的过程中，因为空气有粘度，有惯性，造成传质较为困难，需要较长时间才能与氧气混合均匀。此外，在波动和流动的炉膛环境中，一部分CO、H2、CH4还没有来得及接触到氧气，就随气流流入排烟道。一部分焦油进入温度较低的区域，不能被高温分解成为CO、H2、CH4，也随气流流入排烟道。而一部分颗粒较大的固定碳在炉灰中则无法与空气完全接触燃烧，从炉灰池排出。所以，传统的燃烧方式燃料燃烧不充分，燃烧效率较低，最后导致燃烧温度低，一般只有600-800℃。
本发明运用粉尘爆炸高效燃烧的原理开发的生物质微米燃料是将各种植物纤维原料(如秸杆、枯枝落叶和杂草等所有非粮食植物)制备成粒径在250微米以下的粉体燃料，简称为微米燃料。这种微米燃料与空气形成云雾状才能高效高温的燃烧。
生物质微米燃料燃烧的原理是，利用微米燃料流态化的特点和粉尘爆炸的原理，将微米燃料通过气体输送实现燃料和成比例的空气炉外均匀混合，既实现了生物质的流态化喂料，又提高了燃烧速率和燃尽程度，从而达到高温高效燃烧的效果。由于微米燃料颗粒尺寸小，在受热时有机挥发分能够充分分解产生CO、H2、CH4进行燃烧。同时燃料和空气的均匀混合保证了燃烧过程中氧分子和燃料分子的一一对应，提高了传质速率，使得微米燃料输送至炉膛，受热后迅速升温，燃烧速度快，燃烧温度高，能量爆发式释放，其燃烧类似燃油和可燃气的燃烧。高的燃烧温度增强了有机挥发分和焦油的分解速度和分解程度，不仅燃料中有机挥发分能够充分分解为CO、H2、CH4完全燃烧，并且产生的焦油气和细粉状的残留碳也能够在微米燃料燃烧条件下充分燃烧。因此，燃料燃烧非常充分，燃烧效率较高，其燃烧温度可达到1300℃以上，这样就打破了千百年来生物质燃烧温度低，不能广泛作为工业燃料的瓶颈。
为了减少生物质中氯和钾、钠对设备的腐蚀，生物质微米燃料中添加了一定量的二价金属化合物。为了提高热值生物质微米燃料最好添加一定量的煤粉。
高温生物质微米燃料的组分及质量百分数为：植物纤维粉体占60～100％，煤粉占0～30％，石灰粉占0～5％，赤泥占0～5％。最适宜的组成为，植物纤维粉体质量分数占80～100％，煤粉占0～15％，石灰粉占0～2％，赤泥占0～3％。
植物纤维粉体是由农业秸秆、林木废料、野草灌木、枯枝落叶等植物纤维材料经过加工制备而成。加工后颗粒的粒径绝大部分在250微米以下(粉尘爆炸要求的颗粒粒径)。植物纤维粉体中粒径小于100微米粒径的颗粒占40％以上，小于250微米的粒径占70％以上时，技术效果较好。植物纤维粉体最适宜的粒径范围是小于100微米粒径的颗粒占60％以上，小于250微米的粒径占95％以上。
实例：
实例一
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为100％的植物纤维粉体，其粉体的质量分数中，颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
生物质微米燃料置于燃料料斗，通过定量给料装置将生物质微米燃料给出，并与适量空气混合形成粉尘云，粉尘云进入本发明人发明的粉尘燃烧炉(专利号ZL2004100133758)，在炉膛(直径300mm)预先点燃的薪柴和废纸的火苗的引火条件下，微米燃料受热气化变成一氧化碳、氢气和甲烷等可燃气体，并与空气燃烧，炉膛温度不断上升，一般在30分钟内达到1000℃以上。当温度越高，生物质微米燃料气化变成可燃气体的速度越快，燃烧效率越高，生物质微米燃料的能源释放越快越完全，其能源在瞬间的释放导致了高温效应。图1和表1是实例一生物质微米燃料燃烧的升温曲线和燃烧温度数据。
表1 生物质微米燃料的燃烧温度数据
实例二
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体75％，煤粉20％，石灰粉5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例三
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体75％，煤粉20％，赤泥粉5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例四
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体95％，煤粉2.5％，赤泥粉2.5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例五
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体95％，石灰粉5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例六
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体95％，赤泥5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
表2 生物质微米染料燃烧实例数据表
实例七
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体60％，煤粉30％，赤泥粉10％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例八
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体80％，石灰粉10％，赤泥粉10％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例九
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体90％，石灰粉5％，赤泥粉5％(＜150微米)。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例十
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体97％，石灰粉3％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例十一
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体97％，石灰粉3％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占22.6％，小于100微米占40％，小于250微米占100％。
实例十二
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体97％，石灰粉3％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占40％，小于100微米占60％，小于250微米占100％。
实例十三
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体86％，煤粉10％，赤泥粉2％(＜150微米)，石灰粉2％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例十四
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体88％，煤粉10％，赤泥粉1％(＜150微米)，石灰粉1％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
实例十五
生物质为棉杆，棉杆经过预加工(长小于50mm)和干燥(水分小于12％)后，采用本发明人发明的生物质破碎机制备成为生物质微米燃料，其组成为植物纤维粉体88％，煤粉8％，赤泥粉2％(＜150微米)，石灰粉2％。其植物纤维粉体的颗粒小于50微米占30.5％，小于100微米占71％，小于250微米占96.5％，小于400微米占100％。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种高温生物质微米燃料，其特征在于，利用微米燃料流态化的特点和粉尘爆炸的原理，将微米燃料通过气体输送实现燃料和成比例的空气炉外均匀混合，实现生物质的流态化喂料，提高燃烧速率和燃尽程度，从而达到高温高效燃烧的效果；它由植物纤维粉体和添加剂组成，其中，植物纤维粉体质量分数占75～97%，添加剂为煤粉、石灰粉和赤泥；
添加剂的质量百分比为3～25%，添加剂中，煤粉、石灰粉和赤泥的质量比为：（8～10）：（1～2）：（1～2）；
植物纤维粉体中，小于100微米粒径的颗粒占60%以上，小于250微米的粒径占95%以上。
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