CN106635224A - 一种利用木质纤维原料发酵残渣制备高热值燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用木质纤维原料发酵残渣制备的高热值燃料及其制备方法，即将发酵残渣水洗离心分离出游离糖和蛋白后干燥，采用研磨或机械粉碎的方式制成0.5mm以下的颗粒，与木焦油或煤粉共混，挤压成型制备出棒状或块状的固体燃料。该发明为生物乙醇生产过程中产生的固体残渣提供了一种新的利用途径，可以实现液体燃料与固体燃料的联产。本发明涉及的固体燃料热值可以达到5000-6000kcal，原料粉碎能耗低，添加剂的质量少，成型条件温和，机械性能好，燃烧产物中氮氧化物和硫化物的含量低，是一种绿色环保的高品位固体燃料。

Description

一种利用木质纤维原料发酵残渣制备高热值燃料的方法
技术领域
本发明涉及利用工业废料制备高品位燃料固体燃料，尤其是一种木质纤维原料发酵残渣与煤或焦油共混制备的燃料。
背景技术
随着世界经济不断发展，工业化程度日益加深，人们对能源需求量也随之增大，能源储备量成为了影响社会运转的重要因素。利用生物质这种可再生资源生产能源能够很大程度缓解当前日益严重的环境问题和能源问题。然而，单纯利用生物质燃烧存在发热量低、热效率低、体积大、不易运输等问题，直接燃烧生物质的热效率仅为10％-30％，燃烧过程中产生的燃料灰还具有灰熔点低、易结渣等特点，因此，生物质能成为高效洁净的固体燃料必须加工成型。
当前制备生物质固体燃料主要采用木粉和秸秆等农林残渣，这些残渣中主要包括纤维素，半纤维素，木质素等组分。相较于纤维素和半纤维素，木质素的含氧量较低，并且形成木质素的苯环结构单元，彼此之间可以互相交联，在成型过程中可以有效的提高产品的机械强度。当前工业生产中木质素主要来自两方面，一是造纸工业产生的碱木素，这些碱木素经过浓缩干燥后会作为纸厂的供热燃料，提供生产必须的热量；另一部分是生物乙醇的生产过程产生的发酵残渣，该部分木质素通常没有得到有效的利用，只是单纯的焚烧或堆积，对环境产生巨大的影响。
将发酵残渣成型，或与焦油或煤炭共混后热压或冷压成型，可以制备出高品质的固体燃料。热压成型工艺主要是利用生物质中的木质素加热软化后具有粘性的特征，通过加压使其成型地一种方式，不需要粘合剂，热压的温度升高可以通过两种方式：一是对原料进行预处理，即先加热后压缩，二是在机械模具部分加加热装置，在物料成型过程中进行加热。与热压成型相对的是冷压成型，冷压成型时通过原料在常温下高压挤压而成型的一种，利用压力和成型过程中产生的热量使原料形成颗粒或小块状燃料，其工艺过程一般分为：原料粉碎，调节含水率，挤压成型，包装。在成型过程中，加入一些高热值的焦油或煤可以有效提高产品热值，同时得到的产品也具有很好的机械强度，易于储存与运输。
目前，利用秸秆或木粉等全生物质制备的固体燃料已经实现工业化，但是单纯利用发酵残渣，发挥其中木素高热值，可交联性的优势的相关技术尚无报道。
发明内容
本发明的目的在于开发一种利用发酵残渣制备的高热值固体燃料，以缓解石油等化石资源的短缺造成的能源问题。该燃料热值高，可以部分或完全代替煤炭在锅炉中燃烧，原料丰富，成本低，制造过程简单，成型后产品具有良好的机械性能与抗渗水性能，燃烧尾气中氮氧化物和硫化物含量都要明显低于煤炭。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明所采用的发酵残渣来自生物乙醇工业发酵后的底物，共混物为焦油或煤炭，可以采用热压或冷压成型：
本发明的发酵残渣，可以是木粉，如杨木粉，杉木粉，柳木粉等经过预处理后发酵得到的残渣，也可以是甘蔗渣，糠醛渣等工业纤维渣经过预处理后发酵的残渣，也可以是上述原料与木薯渣，麦麸等淀粉基原料混合发酵后得到的残渣中的一种或几种；
发酵残渣在共混成型前，需要经过蛋白与游离糖的分离，分离后进行干燥粉碎。分离过程可以采用水洗后快速离心的方式将蛋白与游离糖与发酵木素分离。分离后产品烘干后粉碎至粒径为0.5mm以下的颗粒；
发酵残渣与焦油共混时，可以采用木焦油或煤焦油。首先将一定量的焦油加入到粉碎后的发酵残渣中，充分搅拌，使二者混合均匀。焦油的加入量为混合物总质量的5％-30％，从经济成本与产品性能角度考虑，加入混合物总质量的8％-15％的焦油较优：
发酵残渣与煤炭共混时，需先将煤炭粉碎至粒径为0.5mm以下的颗粒，然后加入到一定量的发酵残渣中，充分搅拌，使二者混合均匀。煤粉与发酵残渣可以以任意比例共混，考虑经济成本与产品性能，加入混合物总质量的15％-30％的煤粉较优；
混合物可以通过冷压或热压的方式成型，成型需要在一定压力下，利用压块机压成块状或利用挤条机挤成棒状。成型压力为5MPa-30Mpa，其中10MPa最优。
与现有文献相比，本发明具有如下优点：
1.有效利用燃料乙醇生产过程中的残渣，解决其难以处理的问题，可以实现液体燃料和固体燃料的联产；
2.发酵残渣在共混成型前，经过蛋白与游离糖的分离，既可以提高发酵残渣木质素的热值，又可是原料组分得到有效梯级利用；
3.用木质素本身的热塑性，成型得到致密的棒状或块状的固体燃料；
4.相比于其他生物质固体原料，该产品热值高，发热量接近一类煤燃烧所释放的热量；
5.相比于煤炭，该产品燃烧产生的氮氧化物与硫化物含量低，同时机械性能较好，抗摔性与抗渗水性好，在锅炉中燃烧时可以降低锅炉的着火温度和鼓风量，节约锅炉能耗。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明：
实施例1
取一定质量的甘蔗渣发酵残渣，水洗后离心，离心速度为4000转/分钟，离心10分钟，将离心后的液体倾出，固体部分有浅色的蛋白层和深色木素层，用药匙分离出蛋白层，木素层在50℃烘箱烘干后粉碎。粉碎后的固体与木焦油分别以95/5，90/10和85/15的质量比混合，搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如下：热值采用河南恒科仪器厂生产的ZDHW-5000型量热仪测量；抗摔性测试是将将固体燃料从2m高处自由落下，测量落地后质量；抗渗水性是将燃料放入水中5秒，取出后吸干表面的水，称量质量变化。具体实验数据见表1。
表1：
从表1中可以看出，随着木焦油的加入，燃料热值也逐渐升高，但是同时燃料密度逐渐降低，渗水率变大，这说明焦油的加入会影响燃料的机械性能。综合燃料性能与机械性能两方面因素考虑，木焦油加入量为10％比较适宜。
实施例2
取一定质量的秸秆发酵残渣，按例1中方法制备发酵残渣粉末。粉碎后的固体与木焦油分别以95/5，90/10和85/15的质量比混合，搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如例1中所述，具体实验数据见表2。
表2：
从表2中可以看出，秸秆发酵残渣的燃烧性能与机械性能与甘蔗渣发酵残渣变化趋势相似，随着木焦油的加入，燃料热值也逐渐升高，但是同时燃料密度逐渐降低，渗水率变大，但是其热值与密度都略高于甘蔗渣发酵残渣，说明该燃料性能更优。
实施例3
取一定质量的糠醛渣发酵残渣，按例1中方法制备发酵残渣粉末。粉碎后的固体与木焦油分别以95/5，90/10和85/15的质量比混合，搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如例1中所述，具体实验数据见表3。
表3：
表中可见，糠醛渣发酵残渣的燃烧性能与机械性能与甘蔗渣发酵残渣变化趋势相似，但是抗摔性和渗水率都较差，这是因为糠醛渣木素与其他纤维原料的木素结构不同，自身发生了严重的缩合，所以成型过程中难以形成交联，导致机械性能相对较差。
实施例4
取一定质量的甘蔗渣发酵残渣，按例1中方法制备发酵残渣粉末。粉碎后的固体与煤粉分别以90/10，80/20和70/30的质量比混合，本研究所采用的煤粉为山西焦煤。搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如例1中所述，具体实验数据见表4。
表4：
表4说明随着煤粉质量增加，燃料热值也逐渐升高，但是同时燃料密度增大，渗水率变低，这说明煤粉的加入会影响明显改善燃料的各方面性能。然而，从环境与成本角度考虑，煤粉加入量提高会产生大量的氮氧化物与硫化物。故煤粉加入量以不超过总质量的30％为宜。
实施例5
取一定质量的秸秆发酵残渣，按例1中方法制备发酵残渣粉末。粉碎后的固体与煤粉分别以9/1，8/2和7/3的质量比混合，搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如例1中所述，具体实验数据见表5。
表5：
表中可见，秸秆发酵残渣的燃烧性能与机械性能与甘蔗渣发酵残渣变化趋势相似，随着木焦油的加入，燃料热值也逐渐升高，但是同时燃料密度逐渐降低，渗水率变大，但是其热值与密度都略高于发酵残渣，说明该燃料性能更优。
实施例6
取一定质量的糠醛渣发酵残渣，按例1中方法制备发酵残渣粉末。粉碎后的固体与煤粉分别以9/1，8/2和7/3的质量比混合，搅拌均匀后，放入压块机以10Mpa压力压成小块，并测试其燃烧性能与机械性能。
具体测试方法如例1中所述，具体实验数据见表6。
表6：
表中可见，糠醛渣发酵残渣成型后的燃烧性能和机械性能与甘蔗渣和秸秆的发酵残渣成型后变化趋势相似，随着煤粉的加入量提高，燃料热值也逐渐升高，燃料渗水率较前两者增大幅度变大。
以上对本发明做了示例性描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的同等替换，均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用木质纤维原料发酵残渣制备高热值燃料的方法，其特征在于：将木质纤维原料发酵后的残渣，烘干后通过研磨粉碎至0.5mm以下的颗粒，与总质量5％-15％的焦油或煤粉共混，利用木质素本身的热塑性，通过冷压或热压的方式，成型得到致密的棒状或块状的固体燃料。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维原料包括木粉，秸秆，甘蔗渣，糠醛渣中的一种或多种。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维原料发酵后的残渣包括木粉，秸秆，甘蔗渣，糠醛渣单独发酵后的残渣中的一种或多种，同时也包括与木薯渣，玉米淀粉，麦麸，豆粕等进行混合底物发酵得到的残渣中的一种或多种。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维原料发酵后的残渣，经干燥后通过研磨的方式就可以粉碎成0.5mm以下的颗粒，相比于木粉或秸秆等生物质原料，粉碎方式能耗更低。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：烘干粉碎前，残渣的蛋白及游离糖可以进行离心分离。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：加入的焦油包括木焦油，煤焦油或其他化工过程中产生的焦油中的一种或多种；加入的煤包括褐煤、烟煤和无烟煤中的一种或多种。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：加入的煤或焦油的量为5％-15％，其中以7％为最优，得到的固体燃料热值为5000-5600千卡/千克，相当于0.7-0.8吨标准煤热值。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：采用冷压工艺时，其压力为5-10Mpa，当压力超过5Mpa时即可得到致密的固体燃料；采用热压工艺时，200℃左右得到成型的样品即可具有较好机械性能，相比于其他生物质原料，成型条件温和，成型效果好。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：固体燃料挤压为棒状或块状中的一种或多种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107880965A (zh) * 2017-11-24 2018-04-06 福建农林大学 一种农林剩余物成型燃料及其制备方法
CN111349502A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 中国石油化工股份有限公司 一种利用纤维乙醇精馏残渣制备成型燃料的方法
RU2738709C1 (ru) * 2020-05-25 2020-12-15 Эдуард Владимирович Алексеенко Способ получения формованного топлива

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