CN104212531A - 一种利用外源气体辅助蒸汽爆破生物质废弃物制备固体燃料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用外源气体辅助蒸汽爆破生物质废弃物制备固体燃料的生产方法，涉及废弃物资源化利用和生物质能源领域。包括如下步骤：生物质废弃物破碎至2-30×10-150×10-30mm，调湿至含水量15-50％；将物料装入汽爆罐，密封后通入外源气体，通气时间10-90秒至压力0.5-2.0MPa，再通入饱和水蒸气0-60秒直至压力2.0-3.0MPa，维持2-20min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；汽爆物料通过挤压成型生产生物质固体燃料。本发明：1)汽爆处理可代替部分机械粉碎；2)汽爆打破生物质废弃物致密顽抗性组成结构，使物料变得松散细软，有助于挤压成型；2)外源气体代替水蒸汽可避免汽爆后物料含水量过高。本发明具有简便易行、处理效率高、原料成本低和便于大规模工业化生产的特点。

Description

一种利用外源气体辅助蒸汽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，具体涉及一种新型水蒸汽爆破预处理替代传统机械粉碎来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1/9，NOx和SO₂排放量分别为煤炭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，蒸汽爆破技术在纤维质原料高值化的许多领域已得到广泛应用，如液体生物燃料(CN102061323B、CN103045656A)、活性物质提取(CN1179747C、CN102274249B)和生物基材料(CN100544915C、CN102690525A、CN103362008A)等等。但常见的蒸汽爆破技术是用水蒸汽作为压力和加热源，汽爆后物料由于水蒸汽冷凝致使游离水含量较高，脱水干燥能耗过高，不适用于压缩成型。

基于此，本发明提出了一种新型的生物质废弃物挤压成型制备固体燃料的方法，即以外源气体辅助蒸汽爆破预处理来代替传统的机械粉碎，在避免常见的蒸汽爆破物料含水过高的同时，也能通过改良物料的成型性能来降低能耗。

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较高以及常见蒸汽爆破预处理物料含水量偏高的问题，提供一种简单节能和易于成型的固体燃料成型生产方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案如下：

生物质废弃物物料经初步粉碎尺寸为2-30×10-150×10-30mm，然后调湿至含水量15-50％；

将物料装入汽爆罐，密封后通入CO₂、N₂、空气、氧气或臭氧等外源气体，通气时间10-90秒，通气至压力0.5-2.0MPa，然后再通入饱和水蒸气0-60秒直至压力2.0-3.0MPa，维持2-20min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；

蒸汽爆破后物料含水量在12-25％时可直接经成型机在成型压力100-300MPa和成型温度70-170℃挤压成型生产固体燃料；当物料含水较高时通过风干、流化床或微波脱水干燥至含水量12-25％，然后进入成型机挤压成型生产固体燃料。

本发明中生物质废弃物是指农作物秸秆、农产品生产加工废弃物、各种草本植物、林木废弃物、餐厨垃圾和动物粪便；调湿是当生物质原料较湿时需脱水干燥，新鲜收获生物质含水率一般在46％以上，可稍经脱水直接使用。

对于草木秸秆类废弃物轧碎至10-150mm，但对于林木废弃物要破碎至10-30×10-50×10-30mm。

蒸汽爆破时在高温高压状态维持一段时间有利于物料发生有利于后续成型的理化反应，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，拟申请专利采用外源气体辅助蒸汽爆破物料，在达到常见蒸汽爆破预处理作用同时又避免了汽爆物料中水分过多残留，含水量通常在20-40％，稍经干燥便可满足成型时水分要求。

本发明所制备固体燃料的干基热值可达18-22MJ/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.)采用蒸汽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；

2.)蒸汽爆破预处理打破了天然生物质致密玩抗性组成结构，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；

3.)采用外源气体代替部分水蒸汽可在同样压力下减少水蒸汽用量，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；

4.)外源酸性气体在汽爆中还可起到催化剂作用来强化汽爆效果。

总之，本发明通过引入蒸汽爆破预处理技术代替传统的机械粉碎，不但在物料粉碎方面能减少能耗，而且汽爆后物料易成型也能显著降低能耗；通过用外源气体辅助或替代水蒸汽爆破，在同样压力下能减少或避免水蒸汽使用，从而避免了常见的汽爆物料含水较高的问题，而且酸性气体起到了催化剂作用，强化了汽爆效果。该方法具有简便易行、处理效率高、原料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CO₂为外源气体辅助蒸汽爆破麦草来制备成型固体燃料，包括以下步骤：

a.原料与处理：含水率17％风干麦草经轧碎为100mm。

b.气体CO₂辅助蒸汽爆破：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CO₂气体，CO₂接通后通气25秒使压力达到1.0MPa；关闭CO₂进气阀后打开蒸汽阀门通入饱和水蒸汽40秒使总压力为2.5MPa，维持10min后对物料进行爆破；

c.汽爆物料干燥：爆破后物料含水32％，风干过夜；

d.成型：风干物料通过成型机挤压成型，得固体成型燃料。本实施例所得的成型固体燃料为颗粒状，直径为8mm，长度为10-50mm，颗粒破碎率为2％，含水率为13％，热值为18.4MJ/kg，固体成型燃料密度为0.9×10³kg/m³。

实施例2

本实施例是以N₂为外源气体辅助蒸汽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，加水过夜调湿至含水量24％；

b.气体N₂辅助蒸汽爆破：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N₂气体32秒，使压力达到1.7MPa；关闭N₂进气阀后打开蒸汽阀门通入饱和水蒸汽50秒使总压力为2.5MPa，维持15min后对物料进行爆破；

c.汽爆物料干燥：爆破后松木物料含水21％，采用流化床干燥至含水量16％；

d.成型：干燥后物料通过成型机挤压成型，得颗粒成型燃料。本实施例所得的成型固体燃料为颗粒状，直径为8mm，长度为20-70mm，颗粒破碎率为2％，含水率为12％，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CO₂为外源气体辅助蒸汽爆破玉米秸来制备成型固体燃料，包括以下步骤：

a.原料与处理：含水率16％风干玉米秸经剪碎为100-150mm；

b.气体CO₂辅助蒸汽爆破：碎玉米秸装入汽爆室，装填量为爆腔体积的2/3，关闭球形阀后通入CO₂气体90秒，使压力达到2.0MPa；关闭CO₂进气阀后打开蒸汽阀门通入饱和水蒸汽65秒使总压力为3.0MPa，维持10min后对物料进行爆破；

c.汽爆物料干燥：爆破后玉米秸物料含水24％，采用微波干燥至含水量15％；

d.成型：干燥后物料通过成型机挤压成型，制得固体燃料。本实施例所得的成型固体燃料为块状，含水率为11％，热值为19.3MJ/kg，固体成型燃料密度为0.9×10³kg/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 (8)

1.一种外源气体辅助蒸汽爆破生物质废弃物制备固体燃料的方法，其步骤为：

1)生物质废弃物切碎：生物质原料经初步粉碎尺寸为2-30×10-150×10-30mm，然后调湿至含水量15-50％；

2)蒸汽爆破：将物料装入汽爆罐，密封后通入外源气体，通气时间10-90秒，通气至压力0.5-2.0MPa，然后再通入饱和水蒸气0-60秒直至压力2.0-3.0MPa，维持2-20min后突然卸阀实现物料的瞬间减压释放；

3)挤压成型：上述汽爆物料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，其步骤1)生物质废弃物是指农作物秸秆、草本植物、林木废弃物、餐厨垃圾或动物粪便的一种或几种混合在一起。

3.根据权利要求1所述的方法，其步骤1)调湿是指当物料含水量在15-50％时，可直接进行下一步的蒸汽爆破；当物料含水量低于此范围时要添加水分使物料含水量在该范围，当物料含水量高于此范围时需要脱水干燥至该范围。

4.根据权利要求1所述的方法，其步骤2)中外源气体选自空气、二氧化碳、氮气、臭氧或它们的混合。

5.根据权利要求1所述的方法，其步骤3)挤压成型前的蒸汽爆破处理物料含水量在12-25％，当爆破后物料含水量在12-25％时直接挤压成型；当物料含水量高于此范围时通过脱水干燥至该范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)的成型条件为：成型压力为100-300MPa，成型温度为70-170℃。

7.根据权利要求1所述方法制备的生物质固体燃料，其固体燃料是块状成型燃料或颗粒成型燃料。

8.根据权利要求1所述方法制备的生物质固体燃料，其特征在于：固体燃料的密度0.9-1.4×10³kg/m³，含水率11-14％，固体成型燃料的干基热值为18-22MJ/kg。