CN107353959A - 一种生物质成型燃料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物质成型燃料及其制备方法。本发明的生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产40～50份，PP木塑废弃物30～40份，林业木本副产35～50份，燃烧助剂0.5～3份，抗结焦助剂0.5～3份。将上述组分进行挤压成型制备生物质成型燃料。本发明通过对原料的筛选及复配，避免使用可能引起二次污染的原料，制备的生物质成型燃料制备热值达5200～6000kcal/kg，具有热值高、易点火、抗结焦、低排放的特点。

Description

一种生物质成型燃料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物能源技术领域，特别涉及一种生物质成型燃料及其制备方法。
背景技术
目前生物质固体燃料主要是以各种秸秆、锯末等农林业废弃物、家禽家畜粪便、中药渣、印染污泥、废旧塑料橡胶、城市有机废弃物等为原料经加工制成。由于生物质原料众多，各类间物理化学特性差异较大，尽管生物质能源具有可观的潜力，但仍存在一些问题，主要体现在：
(1)热值低；如专利CN105482866A提供了一种生物质燃料，包括以下重量份的原料：100-120份秸秆、5-10份偏高岭土、20-50份木炭、10-15份的松脂、1-3份助燃剂：高锰酸钾、氧化铝、磷酸二氢铵，其比例为1:(3-5)：(5-10)、5-10份浓度为25-30％的磷酸、3-5份微生物菌种，其热值只达到5000J/kg。
(2)原料配伍不合理，为提高热值，添加了不可再生能源-煤，或添加产生有毒有害气体的原料；如专利CN106147915A公开的生物质颗粒燃料，包括10-20％的竹子、50-60％的木质、2-6％的稻壳、10-15％的家禽粪便、油脂8-12％、煤矸石粉6-10％及氧化钙0.5-1.0％。其加入不可再生的化石燃料煤粉后，尽管可增加生物质燃料的热值，但不是真正意义的绿色环保燃料，因煤燃烧时会增大二氧化硫等有毒有害气体的排放量。专利CN105861093A中的锅炉用生物质燃料中也添加了煤炭。
(3)工艺过程复杂、造成二次污染、耗能高、产量低、成本高。如专利CN106085543A公开了采用模压工艺制备生物质燃料，工艺过程复杂、能耗高。又如专利CN10596946A公开了一种防腐易贮存的生物质成型燃料，以预处理后的玉米秸秆为原料、以碳酸镁作为抗结渣剂，以过氧化钙、过氧化镁等作为引火助燃剂，压缩成型。其中的助剂制备工艺复杂、成本高、形成二次污染、且废水量大，玉米秸秆发酵和粉碎步骤多、周期长、难以工业化应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种生物质成型燃料及其制备方法。该生物质成型燃料是配比合理的高燃烧值绿色生物质燃料，制造的生物质成型燃料具有热值高、易点火、抗结焦、低排放的特点。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产40～50份，PP木塑废弃物30～40份，林业木本副产35～50份，燃烧助剂0.5～3份，抗结焦助剂0.5～3份。
优选的，以农作草本副产总重计，所述农作草本副产由以下重量份的组分组成：玉米秸秆70～80份，麦秸秆20～30份，高粱秸秆20～30份，瓜子壳2～5份。
优选的，所述林业木本副产为油炸杆生产中的松木副产，或家装过程产生的木质废弃物。
优选的，所述燃烧助剂为氧化钙、氧化锌、氧化铝、氧化镍和氧化铁中的一种或几种。
优选的，所述抗结焦助剂为高岭土、碳酸镁和碳酸钙中的一种或几种。
本发明还提供了上述生物质成型燃料的制备方法，将所述农作草本副产、PP木塑废弃物和林业木本副产粉碎后，烘干至水分含量在10～20％；将烘干后的物料筛分，得到的筛分部分与所述燃烧助剂和抗结焦助剂混合后，挤压成型得到生物质成型燃料。
优选的，所述挤压成型得到生物质成型燃料的颗粒密度大于1100kg/m3，粒度为6～10mm×30～100mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明生物质成型燃料的原料主要以可再生的草本(玉米、麦秆、水稻、高粱、葵花仔皮等农作草本副产)和木本植物(松木或其它木制品的林业木本副产)为主，不添加煤等不可再生资源，属绿色清洁能源。松木屑含有松脂，具有助燃作用，易点火；农作草本副产既可以降低成本，又能改善燃料在加工过程中的成型性。
(2)本发明选用热值高、燃烧后不产生有毒有害气体的建筑、家装的边角余料，如PP木塑为原料。木塑制品以PP树脂和可再生的植物纤维为主，不含有毒有害的重金属和硝基化合物，属环境友好的生物质制品。PP木塑碳含量高，既可提高热值，又因PP木塑中含有石蜡及复合润滑剂，还可减少生物质颗粒燃料在造粒机中模具的机械磨损。
(3)本发明生物质成型燃料的助剂选择市售常规产品，不需特殊预处理和制备，且添加量少，配伍合理。
(4)本发明提供的方法，自动化程度高、能耗低、批量作业、生产能力大。
(5)本发明制备得到的生物质成型燃料，热值可达5200～6000kcal/kg，易点火、抗结焦、减少机械磨损、低排放、燃烧效率高、成本低。可用于取暖、生活炉灶、热水锅炉、工业锅炉、生物质发电厂等。
具体实施方式
本发明对原料进行合理筛选及复配，提供了一种热值高、易点火、抗结焦、低排放的生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产40～50份，PP木塑废弃物30～40份，林业木本副产35～50份，燃烧助剂0.5～3份，抗结焦助剂0.5～3份。
本发明的生物质成型燃料，添加了农作草本副产。以生物质成型燃料的总重计，本发明农作草本副产的添加量为40～50重量份，优选为42～48重量份，更优选为43～47重量份。农作物草本副产为可再生资源，既可以降低成本，又能改善燃料在加工过程中的成型性。林木类生物质的木质化程度高，纤维长且韧性强；农作草本副产与木本类副产相比，木质素含量低，纤维韧性弱，且糖分含量高，相对易于成型。在电机电流、挤出机压缩比相同的情况下，添加40～50重量份农作草本副产制备的生物质颗粒燃料产量大、成型率高。
本发明中，农作草本副产包括农作物秸秆和其它富含木质素的农作外壳类产品。其中农作物秸秆包括玉米秸秆，麦秸秆、高粱秸秆及其他种类的农作物秸秆。农作外壳类产品包括各类瓜子壳、稻壳、花生壳等。在本发明具体实施例中，优选农作草本副产包括玉米秸秆，麦秸秆，高粱秸秆和瓜子壳。以农作草本副产总重计，本发明的农作草本副产优选包括以下重量份的组分：玉米秸秆70～80份，麦秸秆20～30份，高粱秸秆20～30份，瓜子壳2～5份；更优选为包括玉米秸秆73～78份，麦秸秆22～27份，高粱秸秆22～27份，瓜子壳3～4份。
农作草本配比主要考虑三个因素：成本、热值和结渣性。
玉米秸秆、高粱杆和麦秸秆来源广，成本低，其热值顺序：玉米秸秆>麦秸秆≈高粱杆，因此本专利以玉米秸秆为农作草本主料。生物质中含有钾、钠、铁、铝、钙、镁、硅、磷、氯等，这些元素在高温燃烧的过程中，通过化学反应会生成复杂的化合物，其中由碱金属钾、钠等形成的化合物，熔点较低，对生物质灰熔融特性影响最大，灰熔融温度顺序为:葵花籽壳>玉米秸秆>麦杆≈高粱杆，因玉米秸秆与本发明涉及的其它秸秆相比钾含量低，铝含量高，能改变底灰成分，生成熔点较高的化合物，抑制低熔点共晶体的生成，从而缓解生物质颗粒的结焦性。另外，葵花子壳灰分少、油性含量高，在挤出成型过程中起到良好的润滑作用，添加2～5份，可以有效缓解结焦性和模具磨损性，使每套模具的产量由3000吨增加到5000吨以上。
本发明的生物质成型燃料，添加了PP木塑废弃物。以生物质成型燃料的总重计，本发明PP木塑废弃物的添加量为30～40重量份，优选为32～38重量份，更优选为33～37重量份。PP木塑是以PP树脂和植物纤维(木本或草本)为原料，经挤出成型的绿色环保复合材料，主要用于建筑、家装、园林、铺板、栈桥等领域。在其生产和使用过程中，有大量的边角余料产生，因PP树脂在自然环境很难降解，会造成白色污染，亟待进行无害化处理。PP木塑主要由碳、氢元素组成，碳含量高，其热值在7000～9500kcal/kg，具有较高的能源利用价值。又因PP木塑中含有石蜡及复合润滑剂，还可减少生物质颗粒燃料在造粒机模具中的机械磨损。本发明中添加的PP木塑废弃物不含有毒有害的重金属和硝基化合物，属环境友好的生物质材料，在燃烧过程中不会产生二次污染。在不添加PP木塑时，生物质燃料的热值在4000～4400kcal/kg之间，添加30～40重量份PP木塑后，热值可提高到5200～5700kcal/kg。另外，添加PP木塑可改善设备的机械磨损，使每套模具的产量由3000吨增加到6000吨以上。
本发明的生物质成型燃料，添加了林业木本副产。以生物质成型燃料的总重计，本发明林业木本副产的添加量为35～50重量份，优选为38～48重量份，更优选为41～45重量份。林业木本副产为可再生资源，热值较草本秸秆的热值高，是优质的绿色生物质燃料。本发明林业木本副产的热值在4000～4700kcal/kg之间，农作草本副产的热值为3200～3800kcal/kg，因此本发明添加上述比例的林业木本副产，能有效提高生物质颗粒燃料的热值，同时又不会对成本造成大的影响。
本发明中，林业木本副产包括松木或其他树木的树皮、木片、木屑等林木副产物，还包括以上述林木副产物制作的木质边角料，如建筑、家装等生产过程中的木质废弃物，如密度板、木线、三合板、纤维板等。本发明中，优选使用油炸杆生产中的松木副产，或家装过程产生的木质废弃物。油炸杆是防腐木杆的别称，主要用于通信防腐木电杆、电柱等，其材质以松木为主，油炸杆的生产需对原木去皮、整形，因此有大量的树皮、木片、木屑等林木副产物需回收利用、实现资源最大化。松木中含有松脂，具有助燃作用，使制备出的生物质成型燃料易点火，改善其燃烧性能。
本发明的生物质成型燃料，添加了燃烧助剂。以生物质成型燃料的总重计，本发明燃烧助剂的添加量为0.5～3重量份，优选为1～2.5重量份，更优选为1.5～2重量份。燃烧助剂有利于燃料的充分燃烧，提高燃烧率，改良燃烧排气质量。燃烧助剂还具有催化氧化反应的功能，可降低生物质燃料的着火温度、提高生物质颗粒表面碳氧反应速率、改变燃烧残碳的结构。本发明中，添加上述比例的燃烧助剂可使生物质燃料燃烧率较未加燃烧助剂时提高3％以上(燃烧率>95％)，排烟的黑度降低1个等级，即低于林格曼1级。
本发明对燃烧助剂的种类没有特殊限定，采用本领域中的常规燃烧助剂即可。在本发明中，优选燃烧助剂为氧化钙、氧化锌、氧化铝、氧化镍和氧化铁中的一种或几种。本发明对燃烧助剂的来源没有特殊限定，采用市售产品即可，不需特殊预处理和制备。
本发明的生物质成型燃料，添加了抗结焦助剂。以生物质成型燃料的总重计，本发明抗结焦助剂的添加量为0.5～3重量份，优选为1～2.5重量份，更优选为1.1～1.5重量份。抗结焦助剂可改善连续燃烧时链排的腐蚀问题，提高热效率。
本发明对抗结焦助剂的种类没有特殊限定，采用本领域中的常规抗结焦助剂即可。在本发明中，优选抗结焦助剂为高岭土、碳酸镁和碳酸钙中的一种或几种。加入高岭土、碳酸镁、碳酸钙等可提高生物质燃料的灰熔点，减轻结渣程度；加入上述比例的抗结焦助剂，热效率可提高3％以上(热效率>88％)。本发明对抗结焦助剂的来源没有特殊限定，采用市售产品即可，不需特殊预处理和制备。
本发明还提供了上述生物质成型燃料的制备方法，将所述农作草本副产、PP木塑废弃物和林业木本副产粉碎后，烘干至水分含量在10～20％；将烘干后的物料筛分，得到的筛分部分与所述燃烧助剂和抗结焦助剂混合后，挤压成型得到生物质成型燃料。
本发明对农作草本副产、PP木塑废弃物和林业木本副产粉碎的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的粉碎方式即可。在本发明中，优选用粉碎机对农作草本副产和林业木本副产中的木屑、木片都等进行粉碎，其中粉碎机以锤片式为主。本发明中，优选用模板破碎机对PP木塑废弃物和林业木本副产中的木板进行粉碎。模板破碎机可加工宽度1500m，厚度10～300mm的木板、木塑板、树皮、密度板、三合板等，具有输送、进料、压板、破碎一体联动控制，操作方便、快捷。本发明中，优选粉碎粒度为1～6mm，更优选为2～5mm。
将粉碎后的物料烘干。本发明对烘干的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的烘干方式即可。在本发明中，优选使用烘干机对粉碎后的物料烘干，进一步优选为转筒式烘干机。转筒式烘干机由上料机、热风炉、烘干机、除尘器、电机、风机、电器控制柜等组成，大大提高烘干的效率。本发明中，将粉碎后的物料烘干至水分含量在10～20％，优选为12～15％。
将烘干后的物料进行筛分，去除金属、石子等杂质。本发明对筛分的方式没有特殊限定，优选使用筛分机进行筛分。
将筛分后的物料与助剂进行混合。本发明对混合的方式没有特殊限定，优选采用搅拌机进行搅拌。具体的，先将林业木本副产粉料与燃烧助剂和抗结焦助剂进入搅拌铰龙搅拌均匀；再将干燥后的农作草本副产粉料、PP木塑废弃物粉料加入铰龙搅拌混合均匀。
将混合均匀的物料挤压成型。本发明对挤压成型的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的挤压成型方式即可。本发明中，优选将混合均匀的物料通过立式环模颗粒机挤压。挤压出的物料优选颗粒密度大于1100kg/m3，粒度为6～10mm×30～100mm便于输送、储存和使用的生物质颗粒，为本发明的生物质成型燃料。
直径6～10mm是国内模具常见的尺寸，颗粒长度一般是直径的5～10倍，从生产、储存、运输和使用角度综合考虑，粒度为6～10mm×30～100mm是较经济合理的尺寸。
生物质颗粒燃料的密度与挤出工艺条件、原料水分含量及配比有关，从生物质燃料的点火性能、燃烧效率、储存和运输角度进行优化，密度大于1100kg/m3可满足民用炉灶、工业锅炉和生物质发电的基本要求。
将得到的生物质成型燃料冷却包装。本发明对冷却和包装的方式没有特殊限定，采用本领域中的常规冷却和包装方式即可。在本发明具体实施例汇总，优选挤压后的生物质成型燃料经风机冷却到30～50℃，装袋入库。
本发明制备的生物质成型燃料与其他生物质成型燃料的各参数对比见表1：
表1生物质成型燃料的各参数对照表
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产40份，PP木塑废弃物40份，松木屑35份，氧化钙0.5份，高岭土1.5份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆70份，麦秸秆20份，高粱秸秆20份，瓜子壳2份。
按照下列步骤制备生物质成型燃料：粉碎→烘干→筛分→混合→挤压→冷却→包装。
(a)粉碎：利用粉碎机对农作草本副产和松木屑分别进行破碎，粒度在1～6mm；利用模板破碎机对PP木塑废弃物进行破碎，粒度在1～6mm。
(b)烘干：利用转筒式烘干机烘干粉碎的上述物料，根据需要控制水分在10％。
(c)筛分：利用筛分装置去除烘干后物料中的金属、石子等杂质。
(d)混合：先将松木屑粉和氧化钙、高岭土计量后进入搅拌铰龙搅拌均匀；再将干燥的农作草本副产粉料、PP木塑废弃物粉料计量后通过铰龙搅拌混合均匀。
(e)挤压：将混合均匀的物料通过立式环模颗粒机挤压为颗粒密度大于1100kg/m3，粒度为6～10mm×30～100mm，便于输送和储存的生物质颗粒。
(f)冷却包装：挤压后经风机冷却到30～50℃，装袋入库。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：5710kcal/kg；
密度：1150～1320kg/m3；
模具更换频率：>10000吨/套；
燃烧率：>96％；
热效率：>88％。
实施例2
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产44份，PP木塑废弃物36份，家装木线42份，氧化镍1.2份，碳酸钙1.5份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆80份，麦秸秆30份，高粱秸秆30份，瓜子壳5份。
其制备方法步骤(a)、步骤(b)和步骤(d)按照下列方式进行制备，其余步骤同实施例1。
(a)粉碎：利用粉碎机对农作草本副产进行破碎，粒度在1～6mm；利用模板破碎机对PP木塑废弃物和家装木线进行破碎，粒度在1～6mm。
(b)烘干：利用转筒式烘干机烘干粉碎的上述物料，根据需要控制水分在18％。
(d)混合：先将家装木线粉体和氧化镍、碳酸钙计量后进入搅拌铰龙搅拌均匀；再将干燥的农作草本副产粉料、PP木塑废弃物粉料计量后通过铰龙搅拌混合均匀。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：5510kcal/kg；
密度：1180～1280kg/m3；
模具更换频率：>7500吨/套；
燃烧率：>95％；
热效率：>88％。
实施例3
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产48份，PP木塑废弃物37份，三合板50份，氧化锌0.5份，氧化铝1份，碳酸镁1.5份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆73份，麦秸秆28份，高粱秸秆28份，瓜子壳3份。
其制备方法步骤(a)、步骤(b)和步骤(d)按照下列方式进行制备，其余步骤同实施例1。
(a)粉碎：利用粉碎机对农作草本副产进行破碎，粒度在1～6mm；利用模板破碎机对PP木塑废弃物和三合板进行破碎，粒度在1～6mm。
(b)烘干：利用转筒式烘干机烘干粉碎的上述物料，根据需要控制水分在15％。
(d)混合：先将三合板粉体和氧化锌、氧化铝、碳酸镁计量后进入搅拌铰龙搅拌均匀；再将干燥的农作草本副产粉料、PP木塑废弃物粉料计量后通过铰龙搅拌混合均匀。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：5490kcal/kg；
密度：1100～1200kg/m3；
模具更换频率：>6500吨/套；
燃烧率：>96％；
热效率：>88％。
实施例4
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产46份，PP木塑废弃物33份，密度板23份，松木皮20份，氧化铁1.0份，高岭土1.5份，碳酸钙0.5份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆77份，麦秸秆21份，高粱秸秆23份，瓜子壳4份。
其制备方法步骤(a)、步骤(b)和步骤(d)按照下列方式进行制备，其余步骤同实施例1。
(a)粉碎：利用粉碎机对农作草本副产进行破碎，粒度在1～6mm；利用模板破碎机对PP木塑废弃物和密度板进行破碎，粒度在1～6mm。
(b)烘干：利用转筒式烘干机烘干粉碎的上述物料，根据需要控制水分在12％。
(d)混合：先将密度板粉体和氧化铁、高岭土、碳酸钙计量后进入搅拌铰龙搅拌均匀；再将干燥的农作草本副产粉料、PP木塑废弃物粉料计量后通过铰龙搅拌混合均匀。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：5400kcal/kg；
密度：1100～1280kg/m3；
模具更换频率：>6800吨/套；
燃烧率：>95％；
热效率：>88％。
对比例1
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产40份，PP木塑废弃物0份，松木屑35份，氧化钙0份，高岭土0份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆70份，麦秸秆20份，高粱秸秆20份，瓜子壳2份。
制备方法同实施例1。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：4230kcal/kg；
密度：1100～1280kg/m3；
模具更换频率：2500～3800吨/套；
燃烧率：90～93％；
热效率：83～84％。
对比例2
一种生物质成型燃料，由以下重量份的组分组成：农作草本副产44份，PP木塑废弃物36份，家装木线42份，氧化镍1.2份，碳酸钙1.5份。
其中，以农作草本副产总重计，农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆30份，麦秸秆30份，高粱秸秆80份，瓜子壳5份。
制备方法同实施例2。
制备得到的生物质成型燃料的技术参数指标如下：
热值：5120kcal/kg；
密度：1180～1250kg/m3；
模具更换频率：>5500吨/套；
燃烧率：>94％；
热效率：>84％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种生物质成型燃料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：农作草本副产40～50份，PP木塑废弃物30～40份，林业木本副产35～50份，燃烧助剂0.5～3份，抗结焦助剂0.5～3份。
2.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于：以农作草本副产总重计，所述农作草本副产包括以下重量份的组分：玉米秸秆70～80份，麦秸秆20～30份，高粱秸秆20～30份，瓜子壳2～5份。
3.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于：所述林业木本副产为油炸杆生产中的松木副产，或家装过程产生的木质废弃物。
4.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于：所述燃烧助剂为氧化钙、氧化锌、氧化铝、氧化镍和氧化铁中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于：所述抗结焦助剂为高岭土、碳酸镁和碳酸钙中的一种或几种。
6.权利要求1～5任意一项所述生物质成型燃料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述农作草本副产、PP木塑废弃物和林业木本副产粉碎后，烘干至水分含量在10～20％；
将所述烘干后的物料筛分，得到的筛分部分与所述燃烧助剂和抗结焦助剂混合后，挤压成型得到生物质成型燃料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：经挤压成型后得到的所述生物质成型燃料的颗粒密度大于1100kg/m3，粒度为6～10mm×30～100mm。
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