CN103221517A - 固体燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以平衡的方式使用废木材、使用过的纸张、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂、具有稳定的发热量并且抑制二氧化碳产生的固体燃料。本发明所述固体燃料的特征在于：由具有1-50mm尺寸的小木碎片、具有1-50mm尺寸的小纸碎片、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂的混合物形成；所述混合物包括并由相对于小木碎片和小纸张/天然纤维碎片的总重量是15-45重量份为55-85重量份的热量增强剂、形态保持剂和粘结剂来形成，小木碎片与小纸碎片的重量比是20:80-80:20。

Description

固体燃料
技术领域
本发明涉及一种固体燃料。更具体地，其涉及有效地利用废木材、废纸、粘结剂、形态保持剂(form retaining agent)和热量增强剂(caloric augmentation agent)的固体燃料。更加具体地，其涉及有效地利用废木材和废纸、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂，燃烧之后产生尽可能少量的有害气体或残渣，具有大的发热值(calorific value)并导致抑制二氧化碳产生的固体燃料，特别是适合于用作发电用燃料的固体燃料。
背景技术
随着生活的现代化，诸如废木材、废纸和废塑料的废弃物从家庭生活、生产工厂、加工工厂等中大量产生，并且这些废弃物的处理现今是一个社会问题。将这些废弃物中的大部分收集并燃烧或者掩埋在土壤中。然而，在收集废弃物之后将它们再循环利用于日常用品或用作能源的废弃物比例逐渐增加，但是仍然令人不满意。尤其是，已经将来自老房子的废木材、间伐材(thinned wood)和使用过的纸张的部分燃烧，因为这些废弃物的收集和分类耗费巨大，并且这些的回收再利用也是困难的。随同近年来似乎是由于全球变暖现象而引起的大规模灾难的频繁发生，各国尝试抑制作为温室效应气体之一的二氧化碳的产生，但是可以说这仍然是不令人满意的。于是，利用废木材、废纸和废塑料的固体燃料作为石油和煤的替代选择用于电站锅炉，但是可以说它们抑制二氧化碳的产生的效果仍然是令人不满意的。
同时，专利文献1-3提出将废木材、废纸和废塑料回收用于固体燃料。
专利文献1提出利用使用过的纸张和废塑料的固体燃料。该固体燃料基于100重量份使用过的纸张实际上包括25-100重量份的废塑料。因而，使用相对大量的废塑料(全体的20-50重量%)。尽管该专利文献1教导可以进一步使用木材类废料，用于实施例的木材类废料的量为不大于全体的10重量%。上述固体燃料以相对大的比例包含废塑料，因此，需要通过将所得固体燃料加热而使其脱氯的步骤从而抑制在燃烧时由于包括聚氯乙烯而引起的问题。
专利文献2提出通过将塑料、木材粉末、树皮和使用过的纸张压接在一起并且将所得的产物成型为粒状而获得的固体燃料。尽管固体燃料中包含的塑料的量指定为10-80%(由图2-4判断出)，但是塑料的量估计在30%以上，优选50%以上。
专利文献3提出通过将5-10重量份合成树脂类废料与100重量份木材类废料捏和并且将捏和的产物粒化而获得燃料的方法。通过该方法获得的颗粒具有约6-12mm的小的直径，这不能说颗粒的发热值是充分大的，此外，其形态保持稳定性(formretention stability)是不能令人满意的。因此，该颗粒是不适于用作火力发电的固体燃料。
与此同时，随同近年来似乎是由于全球变暖现象而引起的大规模灾难的频繁发生，各国尝试抑制温室效应气体之一的二氧化碳的产生，但是可以说这仍然是令人不满意的。于是，利用废木材、废纸和废塑料的固体燃料作为石油和煤的替代选择用于电站锅炉，但是可以说它们抑制二氧化碳产生的效果仍然是令人不满意的。
即，由于塑料用作由上述专利文献1-3提出的固体燃料中的粘结剂和燃料，考虑到塑料是由石油生产的，这些固体燃料在抑制二氧化碳产生的效果方面是令人不满意的。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：JP-A7-82581
专利文献2：JP-A57-57796
专利文献3：JP-A62-43490
发明内容
发明要解决的问题
于是，本发明的发明人进行深入研究，以开发通过使用难以再循环利用的废木材和使用过的纸张而可以用作能够抑制二氧化碳产生而实质上不使用源自石油的塑料的能源的固体燃料。结果，他们发现了，当将废木材和使用过的纸张破碎为指定尺寸的碎片(piece)、将所得碎片与预定少量的替代塑料(所述塑料在燃烧如焚烧时会产生有害气体并且在现有技术中已经使用)的粘结剂、形态保持剂和热量增强剂混合并且将所得混合物成型时，能够形成具有一定形状和一定尺寸的固体，并且该固体具有优异的形态保持性和作为燃料具有大的发热值，极少产生有害气体或有害残渣，因为所有原料均源自植物所以用于大幅抑制二氧化碳的产生，并可用作用于机械发电的固体燃料。因而，根据本发明，能够提供一种如下的固体燃料，其有效地利用不具有任何利用价值和必须通过焚烧处理的废木材和使用过纸张作为能源，并且作为清洁能源能够用于发电。
用于解决问题的方案
根据本发明，提供以下固体燃料。
(1)一种固体燃料，其由具有1-50mm尺寸的木碎片(组分A)、具有1-50mm尺寸的纸碎片(组分B)、粘结剂(组分C-1)、形态保持剂(组分C-2)和热量增强剂(组分D)的混合物形成，其中基于100重量份所述混合物，所述组分A和B的总量是15-45重量份以及所述组分C-1、C-2和D的总量是55-85重量份，所述组分A与所述组分B的重量比是20:80-80:20，将所述混合物压缩成型。
(2)在上述(1)段中的固体燃料，其中基于100重量份所述混合物，所述组分C-1和C-2的总量是25-60重量份。
(3)在上述(1)段中的固体燃料，其中基于100重量份所述混合物，所述组分D的量是15-60重量份。
(4)在上述(1)段中的固体燃料，其中所述组分C-1与所述组分C-2的重量比是6:4-8:2。
(5)在上述(1)段中的固体燃料，其中所述组分A与所述组分B的重量比是25:75-75:25。
(6)在上述(1)段中的固体燃料，其中所述粘结剂(组分C-1)是源自海藻的淀粉。
(7)在上述(1)段中的固体燃料，其中所述形态保持剂(组分C-2)是天然橡胶。
(8)在上述(1)段中的固体燃料，其中所述热量增强剂是含有植物油的物质。
(9)在上述(1)段中的固体燃料各自具有平均尺寸为10-100cm3。
(10)在上述(1)段中的固体燃料是棱状或圆筒状的形状。
(11)在上述(1)段中的固体燃料具有表观比重为0.3-0.6g/cm3。
(12)在上述(1)段中的固体燃料具有发热值为20-30MJ/kg。
(13)在上述(1)段中的固体燃料用于火力发电。
发明的效果
本发明的固体燃料通过以平衡方式使用废木材、使用过的纸张、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂能够有效地用作新能源，尤其是用于发电的能源。本发明的固体燃料能够为如下的新型固体燃料：利用已经通过焚烧处理的木材和纸张废料，极少产生有害气体或有害残渣，具有大的发热值并且导致抑制二氧化碳的产生。
当将废木材和使用过的纸张破碎为具有指定尺寸的小碎片并且将该碎片以一定比例用于本发明的固体燃料时，作为粘结剂的粘结剂和形态保持剂以及热量增强剂有效地用于确保一定的热量，从而使其可以成型为固体燃料。
由于本发明的固体燃料使用源自植物的粘结剂、形态保持剂和热量增强剂而实质上不使用源自石油的塑料，因此其具有抑制二氧化碳的产生的显著效果。
具体实施方式
本发明的固体燃料是通过将木碎片、纸碎片、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂的混合物成型而获得的固体，其中要处理的废弃物用作木碎片和纸碎片的原料。随后给出原料的比例和成型方法的说明。
(a)木碎片
通过将旧家具和建筑物如老房子破碎而收集的废木材，来自锯木厂的木屑和端材(end piece)、间伐材和使用过的货板(pallet)用作木碎片的原料。木材的类型不特别限定。当上述废木材是干燥的时，其可以原样使用，并且当其含水时，将其干燥并且粉碎。当来自锯木厂的木屑的尺寸落入下文中指定的范围内时，木屑可以原样使用而不用粉碎。
通过粉碎获得的木碎片期望为1-50mm的尺寸。用在此处的术语“尺寸”意指各木碎片的最大直径。更具体地说，通过开口为50mm以下的筛的木碎片可以用作原料。优选尺寸是1-25mm。木碎片的形状不特别限定，只要它们通过具有齿的旋转式粉碎机粉碎即可。木碎片期望是干燥的，但是具有水含量为20重量%以下、优选15重量%以下的木碎片也可以使用而没有任何问题。
(b)纸碎片
纸碎片的原料不仅是回收利用为再生纸的使用过的纸张，如二手书、报纸、硬纸板和办公用纸，还是难以回收利用为再生纸的涂层纸(coated paper)和层压纸(laminated paper)。将这些纸张原料割断或切断为1-50mm的尺寸。用在此处的术语“尺寸”意指通过开口为50mm以下的筛的纸碎片的尺寸。纸碎片的优选尺寸是1-25mm。用作原料的纸碎片优选是干燥的，但是可以含水的量是15重量%以下、优选10重量%以下。
(c-1)粘结剂
粘结剂是从包含藻酸的海藻中收集的淀粉，示例为琼脂糖、角叉菜聚糖、凝胶多糖和葡甘露聚糖。可以使用这些中的至少一种干燥的粘结剂或者粘结剂和形态保持剂的组合。将粘结剂割断或切断为1-50mm的尺寸。用在此处的术语“尺寸”意指通过开口为50mm以下的筛的粘结剂的尺寸。粘结剂可以是粉末状的。
(c-2)形态保持剂
天然橡胶或含天然橡胶的产物用作形态保持剂。其实例包括瓜耳胶、塔拉胶(tara gum)、刺槐豆胶、罗望子胶、车前子胶(psyllium seed gum)、阿拉伯树胶、吉兰糖胶(gellan gum)、凝胶多糖、果胶、纤维素、甲壳质、脱乙酰壳多糖、黄原酸胶、刺梧桐树胶、阿拉伯半乳聚糖、茄替胶、黄蓍胶、丹麦琼脂、普鲁分支葡聚糖、气单胞菌属胶(aeromonas gum)、土壤杆菌属(agrobacterium)琥珀酰葡聚糖、固氮菌胶(azotobacter vinelandiigum)、亚麻籽胶(linseed gum)、扁桃胶(almond gum)、威兰胶(welan gum)、欧文氏菌胶(erwinia mitsuensis gum)、榄香(gumelemi)、肠细菌胶(enterobacter gum)、鸭肠菌胶(enterobactersimanus gum)、低聚葡糖胺(oligoglucosamine)、肉桂胶(cassiagum)、角豆树豆胶、葡糖胺、沙蒿籽胶(artemisia sphaerocephalaseed gum)、菌核胶(sclero gum)、田菁胶(sesbania gum)、葡聚糖、三刺胶(triacanthos gum)、黄蜀葵(abelmoschus manihot)、大茎点菌属胶(macrophomopsis gum)、鼠李聚糖胶(rhamsangum)、果聚糖、daruman树脂(daruman resin)、桃胶(peach gum)和酸荚罗望子树。可以使用这些中的至少一种干燥的形态保持剂或者形态保持剂和粘结剂的组合。
这些之中，瓜耳胶、塔拉胶、刺槐豆胶、罗望子胶、车前子胶、吉兰糖胶、凝胶多糖、黄原酸胶、阿拉伯树胶、果胶、纤维素、甲壳质、脱乙酰壳多糖、刺梧桐树胶和角豆树豆胶是优选的，并且瓜耳胶、塔拉胶、刺槐豆胶、罗望子胶、车前子胶、吉兰糖胶、凝胶多糖和黄原酸胶是最优选的。
将形态保持剂割断或切断为1-50mm的尺寸。用在此处的术语“尺寸”意指通过开口为50mm以下的筛的形态保持剂的尺寸。形态保持剂可以是粉末状的。
(d)热量增强剂
乌桕，栓皮栎(Quercus suber)，小米，大米，食品碳化物(foodcarbide)，亚麻，黄麻，苎麻，槿麻，苘麻(Abutilon avicennae)，洛神花(roselle)，芭蕉(Musa basjoo)，灯心草(Juncus effuses L.var.decipens Buchen.)，短叶茳芏(Cyperus monophyllus Vahl)，秋葵，桑白(Morus bombycis)，香蕉，菠萝，龙舌兰(AgaveTequilana)，雁皮(sarago)，紫藤，椴树(linden)，竹，芦苇，西班牙草(esparto)，印度草(sabai grass)，艳山姜(Alpiniazerumbet)，常绿萱草(Hermerocallis aurantiaca)，raran草(rarangrass)，柔软滨麦草(morochi grass)，纸莎草(papyrus)，龙须草(ryusu grass)，葛根(Pueraria lobata)，结香(Edgeworthiachrysantha)，青檀(aotan)，腰果(cashew nut)，燕麦，羽扇豆(lupine)，金盏花(calendula)，咖啡，榛子(hazelnut)，大戟(spurge)，南瓜，芫荽(coriander)，芥菜籽(mustard seed)，红花(Carthamustinctorius)，可可豆，嫩茎花椰菜(Tenderstem broccoli)，油菜(Brassica campestris)，澳洲坚果(macadamia nut)，坚果，蓖麻，桐油树，棕榈，甘蔗，高粱(Sorghum bicolor)，马铃薯，小麦，水稻(Oryza sativa)，橄榄，向日葵，大豆，红花(safflower)，花生，柳树，杨树，柳枝稷(switchgrass)，象草(elephant grass)，木薯(Evodiopanax innovans)，仙人掌，木材(lumber)，甜菜(sugarbeet)，黄连木(Pistacia chinesis Bunge)，棉花，古巴香脂(copaiba)，水黄皮(Pongamia pinnata)，藿藿巴油，青珊瑚(Euphorbia tirucalli)，玉米，甘薯，马尾藻(Sargassum fulvellum)，芝麻，刺棘蓟，鳄梨(avocado)，kusabinoki，奎藜籽(quinua)，小葵子(Guizotia abyssinica)，大麻和泡桐(paulownia)(所有这些均为含有植物油的物质)用作热量增强剂。乌桕、蓖麻、桐油树、棕榈、甘蔗、玉米和它们的加工残渣是优选的并且作为在发电设备中的燃料用作燃料固体燃料用热源。术语“加工残渣”意指是从以下物质的果实和种子中榨出油之后获得的压饼(presscake)：乌桕，栓皮栎，小米，大米，食品碳化物，亚麻，黄麻，苎麻，槿麻，苘麻，洛神花，芭蕉，灯心草，短叶茳芏，秋葵，桑白，香蕉，菠萝，龙舌兰，雁皮，紫藤，椴树，竹，芦苇，西班牙草，印度草，艳山姜，常绿萱草，raran草(raran grass)，柔软滨麦草，纸莎草，龙须草，葛根，结香，青檀，腰果，燕麦，羽扇豆，金盏花，咖啡，榛子，大戟，南瓜，芫荽，芥菜籽，红花，可可豆，嫩茎花椰菜，油菜，澳洲坚果，坚果，蓖麻，桐油树，棕榈，甘蔗，高粱，马铃薯，小麦，水稻，橄榄，向日葵，大豆，红花，花生，柳树，杨树，柳枝稷，象草，木薯，仙人掌，木材，甜菜，黄连木，棉花，古巴香脂，水黄皮，藿藿巴油，青珊瑚，玉米，甘薯，马尾藻，芝麻，刺棘蓟，鳄梨，kusabinoki，奎藜籽，小葵子，大麻和泡桐。乌桕、蓖麻、桐油树、棕榈、甘蔗和玉米的果实种子或其粉碎产物是优选的。这些之中，乌桕、蓖麻和桐油树的果实种子或其粉碎产物是特别优选的。将这些含有植物油的物质割断或切断为1-50mm的尺寸。用在此处的术语“尺寸”意指通过开口为50mm以下的筛的含有植物油的物质的尺寸。尽管主要使用种子，但是也可以部分混合树枝或树干。
(e)组成
基于100重量份所有组分的混合物，木碎片(组分A)和纸碎片(组分B)的总量是15-45重量份、优选20-40重量份，粘结剂(组分C-1)、形态保持剂(组分C-2)和热量增强剂(组分D)的总量是55-85重量份、优选60-80重量份。组分A与组分B的重量比是20:80-80:20，优选25:75-75:25。
基于100重量份混合物，组分C-1和C-2的总量是25-60重量份、优选30-55重量份，组分D的量是15-60重量份、优选18-55重量份。
组分C-1与组分C-2的重量比是6:4-8:2，优选6.5:3.5-7.5:2.5。组分A与组分B的重量比是20:80-80:20，优选25:75-75:25。
在上述范围内，本发明的固体燃料可以通过使用相对少量的粘结剂、形态保持剂和热量增强剂来固化，废木材和使用过的纸张的平衡地回收再利用变得可行，并且发热值变得稳定。当木碎片和纸碎片的总量是15-45重量份时，粘结剂、形态保持剂和热量增强剂的总量是55-85重量份。该比例通过固体燃料的期望的发热值来改变。
(f)成型方法
优选将上述比例的上述木碎片、纸碎片、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂的混合物加压并压缩以致它们紧密地分散。
其中木碎片和纸碎片预混合在一起并将粘结剂、形态保持剂和热量增强剂与所得混合物混合的方法是特别优选的，可以使用单螺杆或双螺杆挤出机作为混合机器。使用双螺杆挤出机是特别期望的。将已经通过挤出机压缩并挤出的组合物从棱状或圆形喷嘴排出，并且切断为适当的长度，从而获得棱状或圆筒状成形品。
具有期望尺寸的固体燃料能够通过将圆筒状喷嘴的直径设定为5-50mm和切断长度为10-100mm来获得。
(g)固体燃料的特性
由于本发明的固体燃料优选通过上述成型方法来工业上制造，因此其形状期望为圆筒状或棱状，并特别有利地是圆筒状。固体燃料的尺寸以体积计的平均值各自期望为10-100cm3。固体燃料的表观比重期望在0.3-0.6g/cm3的范围内。
固体燃料的发热值稳定在20-30Mj/kg。因此，本发明的固体燃料以平衡方式包括废木材、使用过的纸张、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂，具有高度稳定的发热值和抑制二氧化碳产生的极好效果，从而可有利地用作火力发电用燃料。
实施例
提供以下实施例以进一步说明本发明。
将以下木碎片、纸碎片、粘结剂、形态保持剂和热量增强剂用于以下实施例。
(a)木碎片(组分A)
木碎片(25mm以下的尺寸)通过将废木材(如从建筑材料中获得的废木材和通过将木材锯切而获得的端材)粉碎来获得。
(b)纸碎片(组分B)
纸碎片(25mm以下的尺寸)通过将包装纸废品和具有保护膜的废纸粉碎来获得。
(c)粘结剂(组分C-1)、形态保持剂(组分C-2)
粘结剂(组分C-1)通过将干燥的海藻粉碎为25mm以下的尺寸(琼脂糖)来获得。
瓜耳胶粉末用作形态保持剂(组分C-2)。
(d)热量增强剂(组分D)
从栽培的蓖麻收集种子及其粉碎产物。
[实施例1]
将15重量份组分C-1、10重量份组分C-2和55重量份组分D与5重量份组分A和15重量份组分B的混合物混合，并且将所得混合物通过双螺杆挤出机挤出从而获得直径为约35mm的圆筒状固体燃料(50mm长)。该固体燃料的表观比重(堆积比重)、发热值、氯含量和通过以下方法测试的形态保持稳定性示于下表1。
[实施例2]
将20重量份组分C-1、5重量份组分C-2和55重量份组分D与15重量份组分A和5重量份组分B的混合物混合，并且将所得混合物通过双螺杆挤出机挤出从而获得直径为约35mm的圆筒状固体燃料(50mm长)。该固体燃料的表观比重(堆积比重)、发热值、氯含量和形态保持稳定性示于下表1。
[实施例3]
将28重量份组分C-1、7重量份组分C-2和25重量份组分D与10重量份组分A和30重量份组分B的混合物混合，并且将所得混合物通过双螺杆挤出机挤出从而获得直径为约35mm的圆筒状固体燃料(50mm长)。该固体燃料的表观比重(堆积比重)、发热值、氯含量和形态保持稳定性示于下表1。
[实施例4]
将24重量份组分C-1、16重量份组分C-2和20重量份组分D与30重量份组分A和10重量份组分B的混合物混合，并且将所得混合物通过双螺杆挤出机挤出从而获得直径为约35mm的圆筒状固体燃料(50mm长)。该固体燃料的表观比重(堆积比重)、发热值、氯含量和形态保持稳定性示于下表1。
表1
Figure BDA00003200476700121
<对固体燃料的形态保持稳定性试验>
检测各上述样品(1)-(4)的形态保持稳定性。“碎片的重量比”的表述意指通过筛分固体燃料而获得的具有约10cm3以下的尺寸的碎片的总重量与筛分之前的固体燃料的重量的比例。
形态保持稳定性通过借助使用拉动式装载机(reach loader)从储存设施中将成型之后的500kg固体燃料装载在运送车辆来检测。
评价结果如下。
样品(1)：固体燃料具有良好的成型状态并且即使在运送至储存设施和装载至运输车辆的时候也保持一定的形状和一定的尺寸(碎片的重量比：3%)
样品(2)：固体燃料具有良好的成型状态并且即使在运送至储存设施的时候也保持一定的形状和一定的尺寸(碎片的重量比：5%)
样品(3)：固体燃料具有良好的成型状态并且即使在运送至储存设施的时候也保持一定的形状和一定的尺寸(碎片的重量比：2%)
样品(4)：固体燃料具有良好的成型状态并且即使在运送至储存设施的时候也保持一定的形状和一定的尺寸(碎片的重量比：4%)
(评价：碎片的重量比%)
0-5%：好
6-10%：中等
11-15%：差

Claims (13)

1.一种固体燃料，其由具有1-50mm尺寸的木碎片(组分A)、具有1-50mm尺寸的纸碎片(组分B)、粘结剂(组分C-1)、形态保持剂(组分C-2)和热量增强剂(组分D)的混合物形成，其中基于100重量份所述混合物，所述组分A和B的总量是15-45重量份以及所述组分C-1、C-2和D的总量是55-85重量份，所述组分A与所述组分B的重量比是20:80-80:20，将所述混合物压缩成型。
2.根据权利要求1所述的固体燃料，其中基于100重量份所述混合物，所述组分C-1和C-2的总量是25-60重量份。
3.根据权利要求1所述的固体燃料，其中基于100重量份所述混合物，所述组分D的量是15-60重量份。
4.根据权利要求1所述的固体燃料，其中所述组分C-1与所述组分C-2的重量比是6:4-8:2。
5.根据权利要求1所述的固体燃料，其中所述组分A与所述组分B的重量比是25:75-75:25。
6.根据权利要求1所述的固体燃料，其中所述粘结剂(组分C-1)是源自海藻的淀粉。
7.根据权利要求1所述的固体燃料，其中所述形态保持剂(组分C-2)是天然橡胶。
8.根据权利要求1所述的固体燃料，其中所述热量增强剂是含有植物油的物质。
9.根据权利要求1所述的固体燃料，其各自具有10-100cm3的平均尺寸。
10.根据权利要求1所述的固体燃料，其为棱状或圆筒状的形状。
11.根据权利要求1所述的固体燃料，其具有表观比重为0.3-0.6g/cm3。
12.根据权利要求1所述的固体燃料，其具有发热值为20-30MJ/kg。
13.根据权利要求1所述的固体燃料，其用于火力发电。
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