CN108728199B - 一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法 - Google Patents

一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，属于新能源技术领域。本发明以生物质原料水稻秸秆为原料，先经高压蒸汽爆破，将气爆物料和有机羧酸以及水共混进行高压蒸煮反应，在加氢反应后水解，得到反应产物，接着自制催化剂，在催化剂的作用下继续对反应产物进行加氢反应，最终制得高燃烧效率生物质固体燃料，本发明制得的高燃烧效率生物质固体燃料燃烧效率高，燃烧充分，烧结后灰分少，不易产生污染，具有广阔的应用前景。

Description

一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，属于新能源技术领域。
背景技术
目前，生物质资源包括有农作物秸秆、农业加工剩余物、树枝及林业加工剩余物、城市生活垃圾、禽畜粪便以及能源植物等，上述的多种生物质资源可通过相应的技术转换成多种终端能源，例如固体燃料、液体燃料等，其中，上述的固体燃料和液体燃料等可以有效地取代现有的煤炭、石油以及天然气等资源，为人类摆脱环境与发展的双重压力提供了有效的解决办法。
现有生物质能源主要集中于固体燃料和液体燃料（生物碳浆）两种形式，其中，现有的生物质固体燃料一般是通过粉碎挤压的方式制备而成，即先将多组分生物质资源通过粉碎机粉碎，再将粉碎后的多组分生物质资源通过挤压成型机挤压成一定形状的固体燃料；现有的生物质液体燃料一般是通过将粮食、秸秆以及生活垃圾等多组分生物质资源液化的方式来制成碳浆。上述生物质固体燃料以及液体燃料制备方式均存在较多缺陷，比如具有粘度高、蒸发性低、燃烧不完全形成积碳，会造成低温启动困难、油路阻塞、敲缸等问题。
因此发明一种燃烧充分，燃烧效率高的新型生物质固体燃料对新能源技术领域具有积极意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前常见的生物质固体燃料，燃烧不充分，燃烧效率低，燃烧后容易产生污染的缺陷，提供了一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至180～200℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.5～1.8MPa，保压1～2min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；
（2）将上述汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，高温高压蒸煮反应；
（3）待上述反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，搅拌反应，反应结束后再次泄压至常压，继续搅拌反应，得到反应产物，备用；
（4）将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下搅拌反应，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗3～5遍后放入烘箱，干燥，得到自制催化剂；
（5）将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0～4.2MPa，并加热升温至250～300℃，保温反应1～2h后出料，放入烘箱中，干燥，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
步骤（2）中所述的汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水的质量比为1:1:5，高温高压蒸煮反应的压力为3.0～3.5MPa，高温高压蒸煮反应的温度为250～300℃，高温高压蒸煮反应的时间为7～9h。
步骤（3）中所述的搅拌反应的压力为4.0～4.5MPa，搅拌反应的温度为150～200℃，搅拌反应时间的1～2h，继续搅拌反应的温度为80～100℃，继续搅拌反应的时间为3～5h。
步骤（4）中所述的活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸的质量比为1:20，搅拌反应的温度为70～80℃，搅拌反应的时间为10～12h，干燥的温度为105～110℃，干燥的时间为1～2h。
步骤（5）中所述的反应产物和自制催化剂以及无水乙醇的质量比为10:1:10，干燥的温度为130～150℃，干燥的时间为1～2h。
本发明的有益效果是：
本发明以生物质原料水稻秸秆为原料，先经高压蒸汽爆破，将气爆物料和有机羧酸以及水共混进行高压蒸煮反应，在加氢反应后水解，得到反应产物，接着自制催化剂，在催化剂的作用下继续对反应产物进行加氢反应，最终制得高燃烧效率生物质固体燃料，本发明制得的高燃烧效率生物质固体燃料，利用气爆后的水稻秸秆纤维在高温高压条件下，吸收热能，并在水热作用以及有机羧酸的作用下进一步水解，水解作用可促使平行的、后继的，甚至交叉的化学作用的发生，并可促使糠醛产生，而产生的糠醛在后续的加氢作用下会反应生成糠醇，糠醇继续水解产生乙酰丙酸，从而得到含有乙酰丙酸的水稻秸秆，接着利用发烟硫酸改性活性炭制成自制催化剂，在自制催化剂的作用下继续对含有乙酰丙酸的水稻秸秆进行加氢反应，使得乙酰丙酸反应生成戊酸酯，最终得到固体燃料，由于本发明在制备过程中将部分纤维以及糖类转化成了含氧物质，因此整体炭链长度变短，在燃烧时可以更加充分的燃烧，同时固体燃料中含有的戊酸酯在燃烧时会产生大量氧气，能够促进燃烧的进行，进一步提高固体燃料的燃烧效率，使得燃烧更加完全，避免产生污染，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至180～200℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.5～1.8MPa，保压1～2min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；将汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水按质量比为1:1:5混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，在压力为3.0～3.5MPa的条件下加热升温至250～300℃，高温高压蒸煮反应7～9h；待反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0～4.5MPa，在150～200℃下搅拌反应1～2h，反应结束后再次泄压至常压，降低温度至80～100℃，继续搅拌反应3～5h，得到反应产物，备用；按质量比为1:20将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下加热升温至70～80℃，搅拌反应10～12h，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗3～5遍后放入烘箱，在105～110℃下干燥1～2h，得到自制催化剂；将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇按质量比为10:1:10混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0～4.2MPa，并加热升温至250～300℃，保温反应1～2h后出料，放入烘箱中，在130～150℃下干燥1～2h，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
实例1
称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至180℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.5MPa，保压1min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；将汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水按质量比为1:1:5混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，在压力为3.0MPa的条件下加热升温至250℃，高温高压蒸煮反应7h；待反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0MPa，在150℃下搅拌反应1h，反应结束后再次泄压至常压，降低温度至80℃，继续搅拌反应3h，得到反应产物，备用；按质量比为1:20将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下加热升温至70℃，搅拌反应10h，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗3遍后放入烘箱，在105℃下干燥1h，得到自制催化剂；将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇按质量比为10:1:10混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0MPa，并加热升温至250℃，保温反应1h后出料，放入烘箱中，在130℃下干燥1h，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
实例2
称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至190℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.7MPa，保压2min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；将汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水按质量比为1:1:5混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，在压力为3.3MPa的条件下加热升温至280℃，高温高压蒸煮反应8h；待反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.3MPa，在180℃下搅拌反应2h，反应结束后再次泄压至常压，降低温度至90℃，继续搅拌反应4h，得到反应产物，备用；按质量比为1:20将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下加热升温至75℃，搅拌反应11h，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗4遍后放入烘箱，在108℃下干燥1h，得到自制催化剂；将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇按质量比为10:1:10混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.1MPa，并加热升温至280℃，保温反应2h后出料，放入烘箱中，在140℃下干燥1h，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
实例3
称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至200℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.8MPa，保压2min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；将汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水按质量比为1:1:5混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，在压力为3.5MPa的条件下加热升温至300℃，高温高压蒸煮反应9h；待反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.5MPa，在200℃下搅拌反应2h，反应结束后再次泄压至常压，降低温度至100℃，继续搅拌反应5h，得到反应产物，备用；按质量比为1:20将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下加热升温至80℃，搅拌反应12h，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗5遍后放入烘箱，在110℃下干燥2h，得到自制催化剂；将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇按质量比为10:1:10混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.2MPa，并加热升温至300℃，保温反应2h后出料，放入烘箱中，在150℃下干燥2h，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
对照例
以常规的水稻秸秆作为对照例，对本发明制得的高燃烧效率生物质固体燃料和对照例中的水稻秸秆进行性能检测，检测结果如表1所示：
表1 性能检测结果
由上表中检测数据可以看出，本发明制得的高燃烧效率生物质固体燃料燃烧效率高，燃烧充分，烧结后灰分少，不易产生污染，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取水稻秸秆放入蒸汽爆破装置的汽爆罐中，并向汽爆罐中通入预热至180～200℃的蒸汽，直至汽爆罐中压力达1.5～1.8MPa，保压1～2min后，打开汽爆罐出料阀门，使汽爆罐中物料瞬间喷射进入接收罐中，收集接收罐中物料，得汽爆产物；
（2）将上述汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水混合后得到混合液，再将混合液移入高压反应釜中，反应的压力为3.0～3.5MPa，反应的温度为250～300℃，反应的时间为7～9h；
（3）待上述反应结束后，自然泄压，再向高压反应釜中通入氢气，搅拌反应，反应结束后再次泄压至常压，继续搅拌反应，得到反应产物，备用；
（4）将活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸混合后装入反应釜中，向反应釜中通入氮气直至置换出所有空气，在氮气保护下搅拌反应，反应结束后将反应物倒入冰水中，过滤，滤饼用去离子水冲洗3～5遍后放入烘箱，干燥，得到自制催化剂；
（5）将备用的反应产物和上述自制催化剂以及无水乙醇混合后装入高压反应釜，密闭高压反应釜后通入氢气，直至高压反应釜内压力达到4.0～4.2MPa，并加热升温至250～300℃，保温反应1～2h后出料，放入烘箱中，干燥，出料即得高燃烧效率生物质固体燃料。
2.根据权利要求1所述的一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的汽爆产物和质量分数为10%的酒石酸溶液以及去离子水的质量比为1:1:5。
3.根据权利要求1所述的一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的搅拌反应的压力为4.0～4.5MPa，搅拌反应的温度为150～200℃，搅拌反应的时间为1～2h，继续搅拌反应的温度为80～100℃，继续搅拌反应的时间为3～5h。
4.根据权利要求1所述的一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的活性炭和质量分数为20%的发烟硫酸的质量比为1:20，搅拌反应的温度为70～80℃，搅拌反应的时间为10～12h，干燥的温度为105～110℃，干燥的时间为1～2h。
5.根据权利要求1所述的一种高燃烧效率生物质固体燃料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的反应产物和自制催化剂以及无水乙醇的质量比为10:1:10，干燥的温度为130～150℃，干燥的时间为1～2h。
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