CN106701233A - 一种秸秆沼渣生物质型煤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种秸秆沼渣生物质型煤及其制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)、将破碎后的秸秆进行厌氧发酵，得到沼渣，再将所述沼渣干燥后粉碎；(2)、将步骤(1)中得到的经粉碎后的沼渣与褐煤混合均匀，再对混合物进行热压成型，得到所述秸秆沼渣生物质型煤。本发明利用较低的热压成型技术将经粉碎后的沼渣与褐煤的混合物压缩成型制备得到生物质型煤，可降低褐煤的水分，并可有效降低加工过程能量消耗以及设备损耗，同时制备过程中无需添加任何粘结剂。本发明制备得到的秸秆沼渣生物质型煤具有较大的抗压强度、跌落强度及浸水强度，其分析基高位发热量较高，而水分含量低，且浸水24h未散掉。

Description

一种秸秆沼渣生物质型煤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种秸秆沼渣生物质型煤及其制备方法，属于洁净煤和农业废弃物资源化应用技术领域。
背景技术
据2015年BP世界能源统计数据显示，中国已连续4年成为世界上最大的一次能源消耗国，其中煤炭占据一次能源消费的比重为64％。在“十三五”期间，化石能源在整个能源结构中依然是主力军，煤炭是我国的优势能源，是保障国家能源供应的重要基础，在短期内煤炭仍将占据主要的能源地位。
根据BP能源统计，截止2015年底，全球煤炭总储量8915多亿吨，我国煤炭储量为1145亿吨，占世界总煤炭储量的12.8％。由于采煤机械化程度不断提高，粉煤产量急剧增加。粉煤直接燃烧效率较低，且运输较困难，粉煤成型是解决该问题的一个较好的途径。但要制取高强度的防水型煤，需解决廉价粘结剂的问题。
我国也是一个农业大国，每年秸秆废物可达7.7亿吨，其中玉米秸秆的产量达到3亿吨，小麦秸秆的产量达到1.1亿吨，稻草秸秆的产量达到1.9亿吨。这些秸秆废物的利用率大约在50％，农作物秸秆的不合理处置对大气及生态系统都会造成严重影响，且造成资源浪费。秸秆中含有大量的木质素、纤维素和半纤维素，在一定温度或压力下，木质素软化可作为粘结剂；因此，利用生物质作为粘结剂，生产型煤可提高生物质与粉煤的资源化利用率，但是生物质直接作为粘结剂会产生膨胀开裂现象，对生物质改性以降低生物质刚性是生产高品质型煤的关键。
我国对于生物质型煤的研究主要集中在企业与高校。专利CN104357120A公开了一种发酵生物质型煤及其生产方法，其是将粉煤、污泥粉末、生物质、固硫剂和固沉剂混合压缩制备得到生物质型煤，该发明需要使用发酵剂、固硫剂等，额外增加了生产成本。专利103265989A公开了一种生物质型煤及其加工工艺，其是将碱液改性的生物质、活性污泥、改性镁冶炼渣与粉煤混合压缩成型制备得到生物质型煤，但是该发明所利用的碱液是氢氧化钠，会导致灰分增加，生产成本较高，且在燃烧过程中碱金属氧化物会对锅炉腐蚀。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种秸秆沼渣生物质型煤的制备方法。
本发明的目的还在于提供由上述秸秆沼渣生物质型煤制备方法制备得到的秸秆沼渣生物质型煤。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种秸秆沼渣生物质型煤的制备方法，其包括以下步骤：
(1)、将破碎后的秸秆进行厌氧发酵，得到沼渣，再将所述沼渣干燥后粉碎；
(2)、将步骤(1)中得到的经粉碎后的沼渣与褐煤混合均匀，再对混合物进行热压成型，得到所述秸秆沼渣生物质型煤。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆及高粱秸秆。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，破碎后的秸秆的粒径小于3cm。其中，秸秆在进行破碎前需要对其进行自然风干处理。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，以经粉碎后的沼渣与褐煤混合均匀后得到的混合物的总重量为100％计，其中经粉碎后的沼渣的含量为5-30wt％。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，粉碎后的沼渣的粒径小于80目，更优选为20-40目。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，褐煤的粒径小于20目。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，厌氧发酵的温度为38±1℃，水力停留时间为28天，初始C/N为25，pH不作调节。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，厌氧发酵为干发酵，发酵过程中需要进行接种液喷淋；
更优选地，干发酵前两周接种液的喷淋量为接种液总喷淋量(体积)的1/2-2/3，第三周喷淋量为总喷淋量的1/3-1/2，第四周无喷淋。其中，本发明对接种液的总喷淋量不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理设置总喷淋量的大小，只要保证可以实现本发明目的即可。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，优选地，厌氧发酵前，将所述秸秆浸泡于接种液中；
更优选地，所述浸泡时间为2h。其中，将秸秆浸泡于接种液的目的是为了保证厌氧发酵的快速启动。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，本发明对步骤(1)中干燥的温度及时间不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要设置合适的干燥温度及时间，只要保证可以实现本发明目的即可。
根据本发明具体实施方案，制备过程步骤(1)中所述沼渣可以为不同接种液喷淋量下进行的厌氧发酵所得沼渣的混合物。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法中，厌氧发酵过程是在车库式厌氧发酵反应器内进行的，该车库式厌氧发酵反应器为本领域使用的常规设备，其包括干发酵室、接种液储罐、测温装置以及接种液循环泵等设备及管件，所用接种液经循环泵吸入干发酵室的顶部进行喷淋回流，并采用定时系统进行接种液喷淋。
此外，本发明对厌氧发酵过程中所用的接种液不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要选择合适的接种液，只要保证可以实现本发明的目的即可，在本发明具体实施方式中，所用接种液为取自阿苏卫垃圾填埋场(北京市昌平区)的沼液。
根据本发明具体实施方案，在所述的制备方法，优选地，所述热压成型的压力为2-20MPa，保压时间为60-180s，温度为室温-160℃；
更优选地，所述热压成型的压力为8MPa，保压时间为120s，温度为160℃。
又一方面，本发明还提供了上述秸秆沼渣生物质型煤的制备方法制备得到的沼渣生物质型煤。
根据本发明具体实施方案，优选地，所述秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度为400-900N，分析基高位发热量为4000-4900kcal/kg，水分含量为10-16％，跌落强度大于95％，浸水24h未散掉，浸水强度为200-300N/个。
在本发明最优选的实施方式中，所用褐煤粒径小于20目，沼渣粒径为20-40目，沼渣含量为经粉碎后的沼渣与褐煤的混合物总重的20％，成型压力为8MPa，保压时间为120s，成型温度为160℃，此时制得的秸秆沼渣生物质型煤的性能最优，其抗压强度为871.4N，分析基高位发热量(Qgr,ad)为4829kcal/kg，水分含量为13.3％，体积为7.5cm3，跌落强度为99.8％，浸水24h未散掉，浸水强度为282N/个。由此可见，本发明制备得到的秸秆沼渣生物质型煤具有较大的抗压强度、跌落强度及浸水强度，其分析基高位发热量较高，而水分含量低，且浸水24h未散掉。
厌氧发酵技术对生物质(秸秆)处理产沼气时，厌氧菌对木质素的利用较差，但厌氧发酵过程可改变生物质的立体空间交织的网状结构，使得生物质结构疏松，进而可解决由生物质的刚性造成的生物质型煤易膨胀开裂的难题，同时充分利用了木质素加热具有粘性的特点，提高了生物质型煤的机械强度。
此外，生物质中还含有一定量的碱金属和碱土金属，其具有固硫作用。
本发明利用较低(温度及压力)的热压成型技术将经粉碎后的沼渣与褐煤的混合物压缩成型制备得到生物质型煤，可降低褐煤的水分，且可以有效降低加工过程能量消耗以及设备损耗，且无需添加任何粘结剂。
因此，本发明的制备方法可实现褐煤的高效清洁利用，同时也可有效解决沼渣难处理的问题，实现废弃生物质的资源化和能源化利用，进而拓宽生物质的利用途径。
附图说明
图1为实施例1中热压成型温度对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度与体积的影响示意图；
图2为实施例1中热压成型温度对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的水分含量与发热量的影响示意图；
图3为实施例2中沼渣含量对对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度与体积的影响示意图；
图4为实施例2中沼渣含量对对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的水分含量与发热量的影响示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种秸秆沼渣生物质型煤的制备方法，其包括以下步骤：
(1)、将玉米秸秆粉碎至粒径小于3cm，进料量为1.2kg，并将其放入8L沼液中浸泡2h，再加入到车库式厌氧发酵反应器的干发酵室中，从顶部进行回喷淋沼液，前期喷淋量为1.25L/(kg秸秆1.5h)，系统温度为38±1℃，水力停留时间为28天，初始C/N为25，pH不作调节；
(2)、每个生物质型煤原料重量为10g，其中，褐煤粒径小于20目，添加量为8g，发酵后的玉米秸秆沼渣的粒径20-40目，加入量为2g，成型压力为8MPa，保压时间为120s，成型温度分别为120℃、140℃及160℃。
经检测，成型温度分别为120℃、140℃和160℃制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度分别为573N、626N和835N，Qgr,ad分别为4666kcal/kg、4696kcal/kg和4822kcal/kg，水分分别为16.2％、15.3％和13.0％，体积分别为8.2cm3、7.9cm3和7.5cm3。
其中，热压成型温度对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度与体积的影响示意图如图1所示，热压成型温度对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的水分含量与发热量的影响示意图如图2所示，从图1-2中可以看出，成型温度升高有利于秸秆沼渣生物质型煤抗压强度增加，水分脱除，体积减小，这也说明温度升高，沼渣充分发挥了粘结剂的作用，增强了与褐煤颗粒之间的粘结。
实施例2
本实施例提供了一种秸秆沼渣生物质型煤的制备方法，其包括以下步骤：
(1)、将玉米秸秆粉碎至粒径小于3cm，进料量为2kg，并放入12L的沼液中浸泡2h，再加入到车库式厌氧发酵反应器的干发酵室中，从顶部进行回喷淋，系统温度为38±1℃，水力停留时间为28天，初始C/N为25，pH不作调节；
本实施例中进行三次厌氧发酵反应，其中，三次厌氧发酵过程中沼液的喷淋量分别为0.75L/(kg秸秆1.5h)、0.9L/(kg秸秆1.5h)、1L/(kg秸秆1.5h)，三次厌氧发酵反应后得到的沼渣分别记为沼渣A-C，将该沼渣A-C混合后作为制备秸秆沼渣生物质型煤的原料，记为沼渣D；
(2)、每个生物质型煤原料重量为10g，褐煤粒径小于20目，添加量分别为70％、75％、80％、85％和90％(7g、7.5g、8g、8.5g和9g)，沼渣D的粒径为20-40目，添加量分别为30％、25％、20％、15％和10％(3g、2.5g、2g、1.5g和1g)，成型压力为8MPa，保压时间为120s，成型温度分别为160℃。
经检测，沼渣D添加量分别为30％、25％、15％和10％时制备得到的生物质型煤的抗压强度分别为893N、877N、693N和605N，Qgr,ad分别为4805kcal/kg、4817kcal/kg、4955kcal/kg和4977kcal/kg，水分分别为12.1％、12.3％、13.7％和14.5％，体积分别为7.7cm3、7.7cm3、7.3cm3和7.2cm3。
而沼渣D添加量为20％时，本实施例中制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度为871.4N，分析基高位发热量(Qgr,ad)为4829kcal/kg，水分含量为13.3％，体积为7.5cm3，跌落强度为99.8％，浸水24h未散掉，浸水强度为282N/个。
其中，沼渣含量对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度与体积的影响示意图如图3所示，沼渣含量对制备得到的秸秆沼渣生物质型煤的水分含量与发热量的影响示意图如图4所示，从图3-4中可以看出，沼渣含量的增加有利于秸秆沼渣生物质型煤抗压强度的增加，这也说明沼渣的可塑性与粘结性较好，但体积随着沼渣含量增加而增加，分析基高位发热量随之下降，因此沼渣含量也不易过高。

Claims (10)

1.一种秸秆沼渣生物质型煤的制备方法，其包括以下步骤：
(1)、将破碎后的秸秆进行厌氧发酵，得到沼渣，再将所述沼渣干燥后粉碎；
(2)、将步骤(1)中得到的经粉碎后的沼渣与褐煤粉混合均匀，再对混合物进行热压成型，得到所述秸秆沼渣生物质型煤。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆及高粱秸秆。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以经粉碎后的沼渣与褐煤粉混合均匀后得到的混合物的总重量为100％计，其中经粉碎后的沼渣的含量为5-30wt％。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述粉碎后的沼渣的粒径小于80目，优选为20-40目。
5.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述褐煤的粒径小于20目。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述厌氧发酵的温度为38±1℃，水力停留时间为28天，初始C/N为25，pH不作调节。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述厌氧发酵为干发酵，发酵过程中需要进行接种液喷淋；
优选地，干发酵前两周接种液的喷淋量为接种液总喷淋量的1/2-2/3，第三周喷淋量为总喷淋量的1/3-1/2，第四周无喷淋。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，厌氧发酵前，将所述秸秆浸泡于接种液中；
优选地，所述浸泡时间为2h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型的压力为2-20MPa，保压时间为60-180s，温度为室温-160℃；
优选地，所述热压成型的压力为8MPa，保压时间为120s，温度为160℃。
10.权利要求1-9任一项所述的秸秆沼渣生物质型煤的制备方法制备得到的秸秆沼渣生物质型煤；
优选地，所述秸秆沼渣生物质型煤的抗压强度为400-900N，分析基高位发热量为4000-4900kcal/kg，水分含量为10-16％，跌落强度大于95％，浸水24h未散掉，浸水强度为200-300N/个。
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