CN109609232A - 一种秸秆类生物质预处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆类生物质预处理工艺，方法如下：将秸秆和碎木屑粉碎并筛分获得粒径为60‑400目秸秆生物质和80‑200目碎木屑，之后与添加剂混合均匀，碎木屑添加比例为1‑60%，添加剂的添加比例为0.1‑10%，包括15‑25%的氧化钙，15‑25%的氧化镁和50‑70%的磷酸盐；将所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为180‑350℃，烘焙时间为5‑120min，烘焙氛围为惰性气氛，并将烘焙后生物质样品成型致密化制备成型颗粒。本发明的预处理工艺能有效脱除秸秆生物质中的Cl元素并提高生物质的灰熔点，有效缓解生物质在燃烧过程中引起的高温腐蚀、结渣、烧结等操作问题，有助推动秸秆类生物质在燃烧装置中的应用。

Description

一种秸秆类生物质预处理工艺
技术领域
本发明属于清洁能源生物质技术领域，具体涉及一种秸秆类生物质预处理工艺，将烘焙与添加剂相结合对秸秆预处理后实现生物质脱Cl以及改善灰熔融特性。
背景技术
煤、石油和天然气等化石资源是当今社会能源体系的主要组成部分。但随着社会的发展与进步，化石能源的大量使用造成了严重的社会及环境污染问题。在资源短缺寻找新能源以及环境友好型可再生能源的同时，生物质能作为新能源和可再生能源的一个重要组成部分，不断引起广泛关注。
秸秆类生物质是一种“碳中立”的可再生能源，其燃烧污染物如NOx、SOx和粉尘排放低于燃煤，能有效缓解我国大气环境污染问题。但是其吸湿性强、密度低、热值低、不易运输与储存等缺点极大的限制了生物质燃料的利用。除此之外，秸秆类生物质含有大量碱金属元素（K 、Na等）与Cl元素，在燃烧中面临着严重的腐蚀、积灰、结渣烧结等问题。上述问题制约着秸秆生物质固体成型燃料的进一步应用。
目前国内很多学者研究生物质成型固体燃料的制备，使用Al2O3、高岭土、MgO等混合添加剂，按照重量比掺入到秸秆中，虽然在一定程度上提高生物质灰熔点，减少了积灰、结渣现象，但是实际操作中由于生物质燃烧操作温度要低于燃煤限制了添加剂的效应，因此对秸秆生物质灰熔点提高改善有限。同时秸秆燃烧中含氯化合物释放造成的设备腐蚀问题未综合考虑，限制了秸秆生物质在燃烧领域中的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种秸秆类生物质预处理工艺，其是一种基于烘焙预处理与添加剂混合的方法，用于研究烘焙处理对生物质燃烧时Cl元素释放、改善灰熔融现象等问题的处理。同时本发明提供了一种生物质固体成型燃料与添加剂配比方式，根据生物质中钾的含量添加一定量添加剂，以实现低温下促进Cl元素析出，且改善生物质灰熔融等问题。并且本发明中添加碎木屑（杨木、杉木或桦木），综合利用固体燃料废弃物，减少了添加剂使用成本。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的秸秆生物质进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将碎木屑、添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与筛分的碎木屑和添加剂混合均匀；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为180-350℃，烘焙时间为5-120min，烘焙氛围为惰性气氛。
所述步骤（2）中，以生物质原料的重量为基准，碎木屑添加比例为1-60%，添加剂的添加比例为0.1-10%，木屑中Cl含量低，且富含有Ca、Mg等碱土金属元素，能有缓解生物质灰熔融现象，且减少添加剂使用成本。
所述步骤（2）中的添加剂包括15-25%的氧化钙，15-25%的氧化镁和50-70%的磷酸盐，所述磷酸盐包括磷酸氢二铵和磷酸一氢氨，所述添加剂为多种物质组合，能有效促进Cl元素的析出，有效缓解生物质高温腐蚀、结渣、烧结等问题。
所述步骤（2）中，碎木屑为杨木屑、杉木屑或桦木屑中的至少一种，粒径为80-200目。
所述步骤（4）秸秆类生物质与碎木屑以及添加剂混合烘焙，实验过程更加接近实际情况，实验处理效果好。
将步骤（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料，烘焙后成型燃料体积小，储存方便，且燃烧充分，热值利用率高。
本发明的有益效果：将秸秆生物质原料与木屑以及添加剂按比例进行混合预处理并加工成成型燃料，能有效脱除生物质中大量的Cl元素，缓解生物质在燃烧过程中引起的高温腐蚀、结渣等现象，对其进行研究可减少工程应用中存在的灰相关问题，有助推动秸秆类生物质热转化在实际工程中的应用。具体来说，具有以下有益效果：
（1）烘焙预处理后，生物煤与原样相比能量密度提高30%以上，饱和含水率<10%，提高生物质的能源利用效率。
（2）烘焙预处理方式能全面提高生物质在各项属性，为生物质在以后的能源利用过程中具有一定的指导意义。
（3）本发明的添加剂，促进Cl元素释放，提高生物质灰熔融，而且木屑添加至添加剂中能有效减低添加剂使用成本。
（4）本发明实验流程清楚简单，具有很强的实际操作性。
（5）本发明的秸秆类生物质是一种环境友好型低碳能源，其污染物排放水平低于燃煤锅炉，且秸秆的能源化利用能减少露天焚烧所产生的PM排放，有效缓解我国大气污染等问题，对发展绿色低碳经济有着重要意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
本发明的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的秸秆生物质进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将碎木屑、添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与筛分的碎木屑和添加剂混合均匀；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为180-350℃，烘焙时间为5-120min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例1
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括15%的氧化钙，15%的氧化镁和70%的磷酸盐，所述磷酸盐包括40%磷酸氢二铵和30%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（杨木、杉木和桦木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为1%，添加剂的添加量为0.1%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为220℃，烘焙时间为120min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例2
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括25%的氧化钙，25%的氧化镁和50%的磷酸盐，所述磷酸盐包括25%磷酸氢二铵和25%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（杨木、杉木和桦木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为60%，添加剂的添加量为10%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为300℃，烘焙时间为5min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例3
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括20%的氧化钙，20%的氧化镁和60%的磷酸盐，所述磷酸盐包括35%磷酸氢二铵和25%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（杨木、杉木和桦木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为10%，添加剂的添加量为5%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为260℃，烘焙时间为60min，烘焙氛围为惰性气氛。
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例4
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括20%的氧化钙，15%的氧化镁和65%的磷酸盐，所述磷酸盐包括35%磷酸氢二铵和30%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（杨木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为30%，添加剂的添加量为1%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为180℃，烘焙时间为80min，烘焙氛围为惰性气氛;
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例5
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括25%的氧化钙，20%的氧化镁和55%的磷酸盐，所述磷酸盐包括20%磷酸氢二铵和35%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（杉木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为40%，添加剂的添加量为8%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为300℃，烘焙时间为30min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例6
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括18%的氧化钙，18%的氧化镁和64%的磷酸盐，所述磷酸盐包括32%磷酸氢二铵和32%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（桦木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为30%，添加剂的添加量为6%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为350℃，烘焙时间为50min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
实施例7
本实施例的秸秆类生物质预处理工艺，包括以下步骤：
（1）对收集到的麦秆进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将碎木屑、添加剂进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末，所述添加剂包括20%的氧化钙，25%的氧化镁和55%的磷酸盐，所述磷酸盐包括32%磷酸氢二铵和23%磷酸一氢氨；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与碎木屑（桦木）和添加剂混合均匀，按秸秆生物质原料的重量计，所述碎木屑的添加量为30%，添加剂的添加量为7%；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为220℃，260℃，300℃，烘焙时间为30min，烘焙氛围为惰性气氛；
（5）将（4）所得混合燃料在成型装置中成型并制备成型燃料；
按照GB/T219-2008制备生物质灰样，观测并记录它的四个特征熔融温度：变形温度、软化温度、半球温度、流动温度。Cl的测试可以使用高温燃烧水解法进行测试。
实验结果
基于烘焙预处理与添加剂联合工艺对生物质脱Cl元素以及灰熔融特性的影响，实验结果如下。
表1生物质灰熔融特征温度以及Cl释放率
备注：样品命名：原样-XX，添加剂-原样-XX。原样为70%的麦秆与30%的桦木组成，原样-220℃，为原样在220℃烘焙，添加剂-原样-220℃，为添加剂（20%的氧化钙，25%的氧化镁和55%的磷酸盐，所述磷酸盐包括32%磷酸氢二铵和23%磷酸一氢氨）与原样在220℃下的烘焙。
从表1的实验数据可以看出，烘焙对样品灰熔点的影响较小，直接烘焙后所得生物质灰样的变形温度仍低于常规固定床和流化床的操作温度（850-1100 ℃），因此在实际操作中会面临烧结和结渣等问题；此外，直接烘焙后Cl的脱除效果不佳，仅为7.7-27.9%。而使用专利中所述预处理工艺后，所得生物质灰样的变形温度均高于1100 ℃，因此在实际燃烧应用中可以有效的降低烧结和结渣等灰分问题；并且经专利中所述预处理工艺后，当处理温度高于260 ℃时Cl的脱除率大于80%，可有效降低原样中Cl含量，减少燃烧过程中由于Cl的释放而造成的高温腐蚀问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种秸秆类生物质预处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对收集到的秸秆生物质进行晾晒、破碎，然后筛分获得60-400目粒径的生物质原料；
（2）将碎木屑和添加剂分别进行粉碎并筛分得到80-200目粒径的粉末；
（3）将（1）筛分后获得的秸秆生物质与筛分的碎木屑和添加剂混合均匀；
（4）将（3）所得混合物料在反应器中进行烘焙处理，烘焙温度为180-350℃，烘焙时间为5-120min，烘焙氛围为惰性气氛。
2.根据权利要求1所述的秸秆类生物质预处理工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的添加剂包括15-25%的氧化钙，15-25%的氧化镁和50-70%的磷酸盐，所述磷酸盐包括磷酸氢二铵和磷酸一氢氨。
3.根据权利要求1所述的秸秆类生物质预处理工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，以生物质原料的重量为基准，碎木屑添加比例为1-60%，添加剂的添加比例为0.1-10%。
4.根据权利要求1所述的秸秆类生物质预处理工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，碎木屑为杨木屑、杉木屑或桦木屑中的至少一种，粒径为80-200目。
5.根据权利要求1所述的秸秆类生物质预处理工艺，其特征在于，将步骤（4）所得烘焙样品在成型装置中成型并制备成型燃料。
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