CN102161926B - 一种替代化石燃料的生物质碳源型煤的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种替代化石燃料的生物质碳源型煤，其以农林生物质原料100质量份为标准，配以以下辅料：膨胀剂质量百分比为：0.01％-0.05％；高锰酸钾氧化剂质量百分比为0.001-0.005％；木质素磺酸钙有机粘结剂为0.1％-0.5％；本发明通过对原料进行粉碎、干燥、配料、搅拌；再将搅拌后的物料进行一级预压、二级压缩成型后再进行防回潮处理；最后成品包装。本发明工艺生产的生物质碳源型煤除具有密度大，便于储存和运输，易着火，燃烧性能好，热效率高的优点外，还具有灰份小，燃烧时几乎不产生SO2、NOx，不会造成环境污染等优点。本发明的碳源燃料，原料来源广泛，无污染，环保效益十分显著。

Description

一种替代化石燃料的生物质碳源型煤的生产工艺

技术领域

本发明涉及一种生物质能源碳源型煤及生产工艺，特别是采用农林业生物质能源替代锅炉用化石燃料的生物质碳源型煤及生产工艺。 

背景技术

生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的世界第四大能源。而生物质是唯一可再生的碳源。因此，生物质能与现代工业技术和现代化生活有着巨大的兼容性。 

目前工业(生活)用锅炉的燃料以煤炭为主，属化石能源，其CO2排放量大，能耗高，污染重。近年来，随着世界各国对节能减排问题愈来愈重视，生物质能(农林废弃物)的综合利用也随之而起。目前其作为锅炉燃料使用，具体应用形式有下列几种： 

1、散烧直燃。即将生物质(农林废弃物)直接投进锅炉炉膛燃烧(比如，各种秸秆、稻壳等)。这种使用方法，燃烧效率极低，仅有10％左右。 

2、简易造粒。即用平模(或环模)将生物质(农林废弃物)粉碎后造粒，再送入锅炉炉膛燃烧。此种颗粒由于其冷、热强度甚微，因而其燃烧效率也仅有15％左右。 

3、压制条棒。即将生物质(农林废弃物)粉碎后，经低压制成条棒状成型燃料，再投入锅炉炉膛燃烧。此种条棒状成型燃烧虽有一定的冷、热强度，但其热稳定性甚微，因而其燃烧效率也只有50％左右。 

因各种生物质(农林废弃物)含有的木质素、纤维素、半纤维素等数值存在差异，其质地的软硬程度也不尽相同，所以简单地造粒或低压成型远远不能满足各种生物质(农林废弃物)的工业成型要求，产品的冷、热强度极弱，热稳定性则趋向为零。严重影响了锅炉的燃烧效率，锅炉的蒸汽压力和产汽量远远低于设计能力，以致不能满足正常的工业生产需求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种替代化石燃料的生物质碳源型煤的生产工艺，具体是一种各项重要指标均能符合GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定要求，并能充分发挥且大幅提高锅炉热效率的生物质碳源型煤的生产工艺。 

本发明的技术解决方案是： 

一种替代化石燃料的生物质碳源型煤，其特征在于：组分及质量百分比如下：以农林生物质原料100质量份为标准，配以以下辅料：膨胀剂质量百分比为：0.01％-0.05％；高锰酸钾氧化剂质量百分比为0.001-0.005％；木质素磺酸钙有机粘结剂为0.1％-0.5％。 

进一步地，所述膨胀剂为蛭石、膨胀珍珠岩；其中，蛭石为以下化学组成的蛭石：质量百分比为37～42％的SiO₂，10～13％的Al₂O₃，14～23％的MgO，5～18％的Fe₂O₃，0.5～0.8％的CaO。 

进一步地，农林生物质原料为：棉花秸秆或水稻秸秆或稻壳或玉米芯或麦秸秆或木屑或花生壳的一种或多种混合。 

进一步地，农林生物质原料为水稻秸秆和花生壳混合，其所述水稻秸秆质量百分比为30％～85％，花生壳质量百分比为：15％～70％。 

进一步地，农林生物质原料为棉花秸秆和花生壳混合，其所述棉花秸秆质量百分比为30％～90％，花生壳质量百分比为：10％～70％。 

本发明还提供了一种制备替代化石燃料的生物质碳源型煤的生产工艺，其特征在于：步骤如下： 

a.粉碎将农林生物质原料粉碎至2～6毫米以下； 

b.干燥用干燥机对步骤a的原料干燥至水份控制在4％～8％以内； 

c.配料以农林生物质原料100质量份为标准，配以以下辅料：高锰酸钾作氧化剂0.001-0.005质量份，膨胀剂0.01-0.05质量份，木质素磺酸钙作有机粘结剂0.1-0.5质量份； 

d.搅拌将c步骤的物料常温搅拌均匀； 

e.一级预压用预压机将d步骤中的物料进行一级预压，使其体积压缩比为4∶1； 

f.二级压缩成型即将e步骤的物料加热至180-260℃，使纤维素、木质素软化，经25MPa的高压固化成型，压缩至体积比为3∶1，最后挤压出生物质碳源型煤； 

g.防回潮处理； 

h.成品包装。 

本发明的优点在于： 

一、方法的优点： 

1、本发明工艺生产的生物质碳源型煤除具有密度大(1.3g/cm³以上)，便于储存和运输，易着火，燃烧性能好，热效率高的优点外，还具有灰份小，燃烧时几乎不产生SO2、NOx，不会造成环境污染等优点。同时对生态环境的最大贡献还在于其具有CO2零排放的特点。堪称为一种理想绿色燃料，有着具大的社会效益和市场前景。 

二、碳源型煤的优点 

1、本发明的碳源燃料，原料来源广泛，无污染，环保效益十分显著。 

2、本发明的碳源燃料中具有膨胀性能的矿物质和氧化物，本发明的膨胀性能的矿物质具有在灼热时体积膨胀并弯曲的性能，体积可增大15～25倍。上述矿物质和氧化剂的作用在于：碳源型煤在燃烧中后期燃烬壳也随之加厚，内部挥发份、烟气产物和外部氧气扩散阻力都增大，降低了燃烧速度。添加某些高温下具有膨胀性能的矿物质，使碳源型煤的整体结构松散，促进氧气在内部扩散流通，与氧化剂协同起到助燃作用。 

附图说明

图1为本发明的锥体螺旋挤出机结构示意图； 

图2为本发明的二次压制成型机的结构示意图。 

具体实施方式

本发明中，生物质碳源型煤的形成由粉碎、烘干、一级预压、二级压制成型、防回潮处理、成品包装六大步骤构成。在本发明中，上述六大步骤采用的是全自动化生产，高效快捷。 

在本发明中，粉碎采用的是常规粉碎机或切片机，烘干采用的是常规烘干机，一级预压采用的是上海铭新工程科技有限公司生产的设备型号：ZLX-1.5的锥体螺旋挤压机械压缩。二次压制成型采用的是上海铭新工程科技有限公司生产的设备型号：MXSR1500A成型机，回潮处理采用的是防潮剂喷涂装置。除一级预压与二级成型之间直接进物料，其他各设备之间使用常规螺旋输送机输送物料，实现自动化生产。 

如图1所示，本发明的锥体螺旋挤出机与普通的挤出机的区别在于：其螺旋挤出杆1为锥体，与其螺旋挤出杆1配套的预压缸2也为螺旋挤出杆仿型的锥体结构，该结构简单，物料在锥体螺旋挤出过程中，更能有效快速地达到压缩目的。 

如图2所示，本发明的二次压制成型机与普通成型机的区别在于：所述模头3为活塞状，水平设置在压缩缸4的内部，压缩缸4上方为进料口5，压缩缸4的另一水平端为出料口6；且在压缩缸4中的一段外侧装有电热丝加热装置7。二次压制成型机的运动为：模头3向后退，进料口5进料。模头3向前推，活塞3压缩——模头成型(同时加热)-挤出-冷却固化定型(自然冷却)。成型好的生物质碳源型煤经从出料口6出料。本设备的优点：1、运行平稳，噪音小；2、加热装置对物料加热，其主要作用为：①使生物质中的木质素软化，熔融成为粘结剂；②使所压缩生物质碳源型煤的外表层炭化，在通过模具或通道时能够顺利滑出而不会粘连，减少挤压动力消耗，因为生物质炭化产物具有部分石墨性，而石墨是很好的固体润滑剂；③提供物料分子结构变化所需的能量。 

实施例1 

上述步骤中，以棉花秸秆为例，对本发明作进一步说明： 

1、将100kg的棉花秸秆粉碎成2-6mm的碎片，烘干至水分重量含量为4％，加入2g高锰酸钾氧化剂、20g蛭石膨胀剂及400g木质素磺酸钙粘结剂，进行充分的搅拌，使之均匀。本发明使用的蛭石化学组成：SiO237～42％，Al2O310～13％，MgO 14～23％，Fe2O3：5～18％，CaO 0.5～0.8％。 

2、一级预压工序为：步骤1的物料通过螺旋输送机从锥体螺旋压缩机的进 料口进入到预压缸，以锥体螺旋杆向前推料时进行挤压的方式，压缩步骤1的物料至压缩比(体积)为4∶1的物料。此阶段，以较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒(纤维)排列结构开始改变，生物质内部空隙率减少。该处挤压出的物料密实度一般为初具形状，但只要有很小的外力作用，该形状就会散开。 

3、二级压缩成型工序是将步骤2的物料活塞压缩、模头成型(同时加热)、挤出、冷却固化定型(自然冷却)。具体步骤为：步骤2的物料挤出后，直接进入成型机的进口，由进口进入压缩缸；压缩缸的正常温度约为250℃左右。物料进入压缩缸后，模头向压缩缸的另一端以25MPa的高压将物料进一步压缩。压缩(体积)比为3∶1，最后挤压出密度为1.2-1.3g/cm³生物质碳源型煤。将成型后的生物质碳源型煤自然冷却，固化定型。 

此阶段，初具形状的生物质大颗粒在高压作用下破裂，变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动。此时粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。 

4、防回潮处理：将步骤3中的生物质碳源型煤用防潮剂喷涂装置对成型后的生物质碳源型煤的表面均匀喷覆一层防潮剂。具体方法已经申请专利，其申请号为：201110053240.4，发明创造名称为：一种防止生物质碳源型煤回潮的方法。 

5、常规包装成成品。 

本发明的以棉秸为主要原料生产的生物质碳源型煤与GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定要求的对比： 

实施例2 

上述步骤中，以木屑(杉木)为例，对本发明作进一步说明： 

1、将100kg木屑(杉木)烘干至水分重量含量为6％，加入2g高锰酸钾氧化剂、20g蛭石膨胀剂及100g木质素磺酸钙粘结剂，进行充分的搅拌，使之均匀。本发明实用的蛭石化学组成：SiO237～42％，Al2O310～13％，MgO 14～23％，Fe2O35～18％，CaO 0.5～0.8％。 

制备方法与实施例1相同。 

以木屑(杉木)为主要原料生产的生物质碳源型煤与GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定要求的对比： 

实施例3 

上述步骤中，以花生壳为例，对本发明作进一步说明： 

将花生壳粉碎成2-6mm的碎片，烘干至水分重量含量为6％，加入2g高锰酸钾氧化剂、20g蛭石膨胀剂及400g木质素磺酸钙粘结剂，进行充分的搅拌，使之均匀。本发明实用的蛭石化学组成：SiO237～42％，Al2O310～13％，MgO14～23％，Fe2O35～18％，CaO 0.5～0.8％。 

制备方法与实施例1相同。 

以花生壳为主要原料生产的生物质碳源型煤与GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定要求的对比： 

以下实施例的原料来源：水稻秸秆(稻壳)、花生壳均为各地工、农业生产剩余物。其工业分析成份指标为： 

实施例4： 

首先取20％的花生壳和79.678％的水稻秸秆、0.02％的膨胀剂蛭石(也可以是膨胀珍珠岩或它们的尾矿)、0.002％氧化剂高锰酸钾和0.3％木质素磺酸钙，然后充分搅拌，再一级预压，二级压缩、加热、固化、定型。 

按实施例1的生产工艺所生产出来的型煤具体指标如下： 

所产生的生物质碳源型煤的主要指标为： 

Qnet.ar＝21.417×20％+17.636×79.978％＝18.4(MJ/kg) 

Ad＝1.6％×20％+15.9％×79.978％+0.02％＝13.06％。 

Vad＝68.1％×20％+64.02％×79.978％＝64.82％ 

上述指标均符合GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定。 

实施例5 

首先取40％的花生壳和59.978％的水稻秸秆、0.02％的膨胀剂蛭石(也可以是膨胀珍珠岩或它们的尾矿)、0.002％氧化剂高锰酸钾和0.3％木质素磺酸钙，然后充分搅拌，再一级预压，二级压缩、加热、固化、定型。 

按实施例1的生产工艺所生产出来的型煤具体指标如下： 

所产生的生物质碳源型煤的主要指标为： 

Qnet.ar＝21.417×40％+17.636×59.978％＝19.08(MJ/kg) 

Ad＝1.6％×40％+15.9％×59.978％+0.02％＝10.2％。 

Vad＝68.1％×40％+64.02％×59.978％＝65.63％ 

上述指标均符合GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定。 

实施例6 

首先取70％的花生壳和29.678％的水稻秸秆、0.02％的膨胀剂蛭石(也可以是膨胀珍珠岩或它们的尾矿)、0.002％氧化剂高锰酸钾和0.3％粘结剂木质素磺酸钙，然后充分搅拌，再一级预压，二级压缩、加热、固化、定型。 

按实施例1的生产工艺所生产出来的型煤具体指标如下： 

所产生的生物质碳源型煤的主要指标为： 

Qnet.ar＝21.417×70％+17.636×29.978％＝20.29(MJ/kg) 

Ad＝1.6％×70％+15.9％×29.978％+0.02％＝5.91％。 

Vad＝68.1％×70％+64.02％×29.978％＝66.86％ 

上述指标均符合GB/T 18342-2009《链条炉排锅炉用煤技术条件》的规定。 

Claims (1)

1.一种制备替代化石燃料的生物质碳源型煤的生产工艺，其特征在于：

步骤如下：

a.粉碎将农林生物质原料粉碎至2～6毫米以下；

b.干燥用干燥机对步骤a的原料干燥至水份控制在4％～8％以内；

c.配料以农林生物质原料100质量份为标准，配以以下辅料：高锰酸钾作氧化剂0.001-0.005质量份，膨胀剂0.01-0.05质量份，木质素磺酸钙作有机粘结剂0.1-0.5质量份；

d.搅拌将c步骤的物料常温搅拌均匀；

e.一级预压用预压机将d步骤中的物料进行一级预压，使其体积压缩比为4∶1；

f.二级压缩成型即将e步骤的物料加热至180-260℃，使纤维素、木质素软化，经25MPa的高压固化成型，压缩至体积比为3∶1，最后挤压出生物质碳源型煤；

g.防回潮处理；

h.成品包装。