CN104212530A

CN104212530A - 一种利用烟道气爆破生物质废弃物制备固体燃料的方法

Info

Publication number: CN104212530A
Application number: CN201410497307.7A
Authority: CN
Inventors: 孙付保; 张震宇; 许银彪
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN104212530B

Abstract

本发明公开了一种利用烟道气爆破处理生物质废弃物制备固体燃料的方法，涉及废弃物资源化利用和生物质能源领域。其步骤为：1)生物质废弃物粉碎：将生物质废弃物切碎至10-150mm；2)烟道气爆破：先将所述生物质废弃物装入汽爆罐，密封后通入烟道气，通气时间10-60秒，通气至压力1.0-3.0MPa，维持温度100-200℃，维持时间0.5-30min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；3)挤压成型：将上述气爆生物质废弃物经成型机挤压成型生产固体燃料。本发明具备如下优势：1)降低原料收集运输和储存成本；2)降低原料粉碎和挤压成型的能耗；3)便于烟道气资源化和减量化。本发明具有简便易行、处理效率高、生产成本低和便于大规模工业化生产的特点。

Description

一种利用烟道气爆破生物质废弃物制备固体燃料的方法

技术领域

本发明涉及废弃物资源化和生物质能源领域，包括烟道气净化和资源化以及生物质废弃物资源化利用，具体涉及一种利用烟道气爆破预处理生物质废弃物制备固体燃料的方法。

背景技术

我国是农业生产大国，生物质资源非常丰富，农作物秸秆的年产量超过7亿吨，折合成标准煤约为3.5亿吨，扣除工业、秸秆还田、饲料及农民生活散烧所消耗的部分，还有2.5亿吨左右的秸秆可用于生产成型燃料，此外，每年的林木业生物质资源约13亿吨，城市生活固体垃圾约1.5亿吨，这些有机废弃物将为生物质固体成型燃料的发展提供了保证。另一方面，生物质固化成型以后其燃烧性能平均提高20％，1吨秸秆成型燃料可替代1吨中质煤，而且其燃烧时温室气体排放量仅为煤炭的1/9，NO_x和SO₂排放量分别为煤炭的1/5和1/10，如果用来替代2亿农户的生活用煤，可直接和间接地少向大气排放二氧化碳4.2亿吨、二氧化硫12万吨和烟尘300万吨。可见，生物质成型燃料不仅能充分利用可再生资源，节约能源，而且也减少了环境的污染，尤其能避免秸秆焚烧导致当前雾霾天气的问题。因此，综合开发和利用生物质固体成型燃料具有可观的经济前景和显著的社会效益，已成为生物质能源转化与利用的主要发展方向之一。然而，除了存在生物质原料收集难和运输保存成本较高的问题外，目前国内企业普遍存在生物质成型燃料生产能耗较高的局面，成型机成型能耗在生产成本中占有一定的比重，生产效率偏低、能耗过高制约了企业的生产效益。

另一方面，目前我国约有50万台各种类型的工业民用锅炉和炉窑，每年燃烧数亿吨煤炭所产生的巨大烟气量已成为大气环境严重恶化的污染源。雾霾天气、酸雨和温室效应等环境问题每年都给我国带来巨大的财产损失，国内外都在积极开发各种烟气处理技术以达到改善环境的目的。烟道气的组成很复杂，无污染物占99％以上，主要为N₂、CO₂、O₂和H₂O；污染物含量低于1％，包括灰尘、粉渣和SO₂，若炉子操作不正常，还会有CO、NO_X及其它有害气体；烟道气在排放的同时还夹杂着大量的工业废热，由于其温度较高，可用做高温反应的热载体。因此，如果在大力治理烟道气的同时，可以利用烟道气中的各种资源，不仅保护了环境，还会获得巨大的经济效益。

目前烟道气净化和资源化的公开信息很多(CN101636217B、CN102210966A、CN102179126B、CN102600717A、CN102701465B、CN103785277A)，但都是脱除烟道气中CO₂、SO₂或废热等单一组分的利用，或者采用多步逐级处理以达到净化烟道气，工艺路线繁多，尚无把烟道气多组分同时应用的相关信息，更没有烟道气用于纤维质原料生产固体燃料的研究报道。基于此，本发明提出一种新型的生物基原料挤压成型制备固体颗粒燃料的方法，即以烟道气爆破预处理代替传统的机械粉碎和烟道气作热源用于生物质废弃物的挤压成型工艺。

本发明利用烟道气中N₂、CO₂、O₂和H₂O等混合气体作气源及其中的废热作为热源，通过代替传统的机械粉碎、改进物料成型特性和避免水蒸汽爆破物料常见的水分过多残留而能降低生物质固体燃料成型工艺的能耗，而且为烟道气净化和资源化利用寻找到新的出路。

发明内容

本发明的目的是针对生物质固体燃料成型难和能耗高以及现有蒸汽爆破预处理物料挤压成型时普遍存在含水较高的问题，提供一种简单节能和易于成型的固体燃料生产方法，同时提供一种烟道气资源化利用的方法。

本发明解决所述技术问题所采用的方案如下：

将生物质废弃物切碎至10-150mm；

先将所述生物质废弃物装入汽爆罐，密封后通入烟道气，通气时间10-60秒，通气至压力1.0-3.0MPa，维持温度100-200℃，维持时间0.5-30min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；

气爆生物质废弃物含水不高，含水率低于25％时，直接进入成型机在成型压力100-300MPa和温度70-170℃经挤压成型生产固体燃料；当含水较高，高于25％时需加热脱水干燥，利用烟道气直接加热或烟道气流化床加热干燥至含水率小于25％，进入成型机在成型压力100-300MPa和温度70-170℃挤压成型制得固体燃料。

本发明中生物质废弃物是指农作物秸秆、各种草本植物、林木废弃物、餐厨垃圾、动物粪便、水生草类和藻类的一种或它们的混合物，本发明原料适用性强。本发明对原料含水(15-80％)要求不高，新鲜收获的、风干的或存放很久的均可，这在减少原料收集运输和储藏的经济成本方面有突出优势。

烟道气爆破时在高温高压状态维持一段时间有利于气体和物料发生有利于后续成型的理化反应，如CO₂和SO₂等酸性气体通过与生物质秸秆内含量较高Ca、K、Mg等矿质元素通过化学反应成盐而被结合到生物质原料中；维持一段时间也有利于灰尘和粉渣的吸附沉积，最终达到烟道气净化；保持高压有助于后续释放时对物料的物理撕裂作用。常见的汽爆预处理使用水蒸汽来提供热源和压力，导致汽爆后物料含水量高达50-80％，挤压成型前脱水干燥消耗大量能量，本发明采用烟道气爆破物料，在达到常见蒸汽爆破预处理作用同时又避免因汽爆导致的过多水分残留，气爆过程兼具机械粉碎、物料改性和脱水干燥作用，气爆后物料不经或稍经干燥便可满足成型时水分要求。

值得说明的是，目前报道较多的是蒸汽爆破技术，简称汽爆，它是使用水蒸汽作为载气。而本发明的爆破是主要是靠常温常压下本身为气态的载气来实现的，含水量较低，因此在这里使用气体爆破或气爆以示区别。

本发明中爆破释放后烟道气可循环回用或进一步回收处理：参照CN103045656A，爆破释放的烟道气经减压舱进入冷凝器后进行气液分离，液体进入污水处理工序，气体经压缩增压可回用到蒸汽爆破工段，也可进入吸收塔进一步处理。

本发明制备的固体成型燃料干基热值可达14-22MJ/kg，固体成型燃料密度900-1,400kg/m³，含水率11-14％。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.气体爆破原料适用性强，对生物质废弃物种类和含水量要求不高，通过气体爆破处理大大降低原料堆积体积，这为降低当前的生物质原料收集运输和储藏成本提供了可能；

2.采用气体爆破代替传统的机械粉碎，为降低固体颗粒燃料的生产能耗提供了可能；

3.气体爆破预处理打破了天然生物质致密顽抗性组成结构，预处理后物料变得松散细软，粗糙结构外露，有助于后续的挤压成型；

4.采用烟道气爆破代替传统的蒸汽爆破预处理，避免汽爆后物料因含水量过高而需脱水干燥，这样有助于降低生产能耗；

5.烟道气中的酸性气体在汽爆中起到催化剂作用来强化汽爆效果；

6.烟道气用于生物质固体燃料成型前处理，有助于烟道气中CO₂、SO₂和NO₂等酸性气体通过化学反应结合到生物质废弃物中，有利于生物质废弃物对其中灰尘和粉渣的吸附沉积，最终实现了烟道气净化和资源化；

7.烟道气废热不但在气爆时提供热源，而且也可用于物料成型前的脱水干燥，使烟道气废热得到资源化利用。

总之，本发明通过对固体燃料成型前进行烟道气爆破预处理，不但减少原料收集运输和储存成本、降低物料粉碎能耗，而且汽爆后物料易成型也能显著降低能耗；避免了蒸汽爆破处理物料存在的含水普遍偏高问题，烟道气中酸性气体起到了催化剂作用，而且强化了汽爆效果。该方法具有简便易行、处理效率高、生产成本低和便于大规模工业化生产的特点。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例是以烟道气爆破麦草来制备成型颗粒燃料，包括以下步骤：

a.原料与处理：新鲜收获麦草含水率46％，被轧碎至20-40mm。

b.烟道气爆破：轧碎麦草装入汽爆室，装填量为爆腔体积的2/3，关闭球形阀后通入已压缩的高压高温烟道气，通气45秒使压力达到2.5MPa，关闭进气阀后罐内温度130-140℃维持15min后对物料进行爆破；

c.气爆物料干燥：爆破后物料含水量为32％，通过烟道气流化床脱水干燥至含水量15-17％；

d.成型：干燥物料通过环模成型机挤压成型，得颗粒成型燃料。

本实施例所得的固体成型燃料为颗粒状，直径为8mm，长度为10-50mm，颗粒破碎率为2％，含水率为13％，热值为15.4MJ/kg，固体成型燃料密度为0.9×10³kg/m³。

实施例2

本实施例是以烟道气爆破松木块来制备成型颗粒燃料，包括以下步骤：

a.原料与处理：含水率9％风干松木块经破碎为10-30×20-30×10-30mm，加水调湿过夜至含水量18％；

b.烟道气爆破：破碎松木屑装入汽爆室，装填量为爆腔体积的2/3，关闭球形阀后通入高温高压烟道气42秒，使压力达到2.5MPa后关闭进气阀，罐内温度160-170℃维持15min后对物料进行爆破；

c.气爆物料的直接成型：爆破后松木物料含水量14％，可直接用于成型，通过环模成型机挤压成型，得颗粒成型燃料。

本实施例所得的固体成型燃料为颗粒状，直径为8mm，长度为20-70mm，颗粒破碎率为2％，含水率为11％，热值为21.3MJ/kg，固体成型燃料密度为1.3×10³kg/m³。

实施例3

本实施例是以烟道气爆破新鲜水稻来制备成型块状燃料，包括以下步骤：

a.原料与处理：含水率60％新鲜稻秆剪碎为100-150mm；

b.烟道气蒸汽爆破：剪碎稻草装入汽爆室，装填量为爆腔体积的2/3，关闭球形阀后通入烟道气45秒，使压力达到2.6MPa后关闭进气阀，罐内温度160-170℃维持10min后对物料进行爆破；

c.汽爆物料干燥：爆破后水稻秸物料含水38％，采用烟道气流化床脱水干燥至含水量17％；

d.成型：干燥后物料通过环模成型机挤压成型，得成型块状燃料。

本实施例所得的固体成型燃料为块状，含水率为13％，热值为18.3MJ/kg，固体成型燃料密度为1.1×10³kg/m³。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用烟道气爆破生物质废弃物制备固体燃料的方法，其步骤为：

1)将生物质废弃物切碎：将生物质废弃物切碎至10-150mm；

2)烟道气爆破：先将所述生物质废弃物装入汽爆罐，密封后通入烟道气，通气时间10-60秒，通气至压力1.0-3.0MPa，维持温度100-200℃，维持时间0.5-30min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；

3)挤压成型：上述气爆生物质废弃物经成型机挤压成型生产固体燃料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述的生物质废弃物选自农作物秸秆、各种草本植物、林木废弃物、餐厨垃圾、动物粪便、水生草类和藻类，或其一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：加入气爆罐前所述生物质废弃物适用于新鲜收获物料、风干物料、晾干物料和其它经脱水干燥处理的物料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：加入气爆罐前所述生物质废弃物含水率在15-80％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：气爆后生物质废弃物含水率通常在12-25％，可直接用于挤压成型；当气爆生物质废弃物含水量高于此范围时，通过加热脱水干燥至含水率15-25％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)的烟道气是指各种类型烟道或烟囱排出的一切废热混合气体。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述烟道气以氮气、二氧化碳、氧和水蒸气为主要组分，无污染物占99％以上，含有少量灰尘、粉渣和二氧化硫，以及可能还有微量HCl和HF，其含量低于1％。

8.根据权利要求1所述的方法，其步骤3)挤压成型特征在于：成型压力为100-300MPa，成型温度为70-170℃。

9.由前述权利要求任一项所述方法制备的生物质固体燃料，其特征在于：所述固体燃料特征为块状成型燃料或和颗粒成型燃料。

10.根据权利要求9所述的生物质固体燃料，其特征在于：所述固体燃料的密度为0.9×10³-1.4×10³kg/m³，含水率为11-14％，干基热值为14-22MJ/kg。