CN110331014A - 用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，包括：1)将褐煤、生物质分别干燥、再分别粉碎后得到褐煤试样和生物质试样；2)将生物质试样与褐煤试样按质量比为3:7～4:6进行配比后混合均匀，然后将混合后的试样进行无氧热解；3)热解后得到热解产物，热解产物包括热解气体、热解焦油和热解半焦；4)将热解半焦与褐煤进行混配后得到水泥窑燃烧用燃料。本发明操作简单，成本低廉，以低品位煤为原料制备出优异的水泥窑替代燃料，为水泥行业打开了新的供能思路；同时提高了生物质资源与褐煤资源的利用效率，并且实现了产物固液气三项的全资源综合清洁利用。

Description

用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法
技术领域
本发明涉及资源化利用的制备技术领域，具体涉及一种用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法。
背景技术
我国是一个油气资源匮乏、油气主要来源依赖进口的油气资源消费大国。近年来我国油气对外依存度屡创新高，2017年石油消费量达5.9亿吨，增速为2011年以来最高水平；但国内产量则降至1.92亿吨，连续第二年低于2亿吨。但我国煤炭资源丰富，煤炭储存量位世界第三，因此研究开发高效清洁的煤炭资源以及其他可再生资源成为保证我国可持续发展的重要途径。
随着我国的城市化建设，被誉为“建筑工业的粮食”的水泥需求量日益增大。水泥行业是一种能源资源高消耗的资源密集型产业，而煤炭是水泥工业生产的主要能源。传统水泥工业所用烟煤是一种优质的化工原料，可用来炼焦、气化、液化等，可产生比作燃料更高的价值。因此，探索开发符合经济效益要求与环保标准的水泥窑替代燃料具有明显的社会效益和经济价值。
褐煤目前是我国主要使用的煤。但褐煤属于低品位煤炭资源，其水分太高，能量密度低，运输成本高，且燃烧时水分蒸发吸热会需要较高能耗。另外，褐煤发热量较低，水泥窑燃烧温度在1350℃以上，褐煤发热量较难满足这样的燃烧温度。而生物质资源是一种具有产量高、形成周期短、对环境友好的优良的固体燃料。如何将难以满足水泥窑燃烧要求的褐煤与生物质能源一起制备出可用于水泥窑燃烧的燃料是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，该方法能将难以满足水泥窑燃烧要求的褐煤与生物质共热解后的产物与褐煤一起混配后用做水泥窑燃料，且该燃料燃烧性能优良。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，包括：
1)将褐煤、生物质分别干燥、再分别粉碎后得到褐煤试样和生物质试样；
2)将生物质试样与褐煤试样按质量比为3:7～4:6进行配比后混合均匀，然后将混合后的试样进行无氧热解；
3)热解后得到热解产物，热解产物包括热解气体、热解焦油和热解半焦；
4)将热解半焦与褐煤进行混配后得到水泥窑用燃料。
生物质的灰分小于褐煤的灰分，褐煤过低不利于产热热解产物，褐煤过高易结垢，不利于传热；而生物质掺入比较低时二者协同效果不明显，而生物质掺入比高有利于燃亮排灰和传热，但生物质掺入过多时会阻碍褐煤内小分子物质析出，导致反应不完全；经过发明人多次创造性劳动后得出生物质试样与褐煤试样质量比为3:7～4:6进行热解更利于热解产物的析出和提高产物的燃烧和传热性能。
步骤3中，热解得到的气体经冷凝处理后其中高沸点组分通入集气袋密封保存得到热解气，热解气中主要包括H2、CO、小分子脂肪烃，可作为燃气在工业上使用，还可做液化天然气。
步骤3中热解得到的气体中的低沸点组分在冷凝过程中析出，得到含水热解焦油，含水热焦油经过脱水处理后得到热解焦油，热解焦油中含脂肪类、酚类物质等物质，可用作工业原料提取高附加值化学品，加氢裂解做清洁能源。
热解后炉内剩余固体为热解半焦，热解半焦着火点在450℃左右，已达烟煤水平；燃尽率为95～99％，远优于烟煤；热解半焦燃烧热值为23～24MJ/kg，已达烟煤水平。
进一步地，步骤1中粉碎后的褐煤试样和生物质试样的粒径为50～200目，试样粒径较小时更利于两者共热解时的协同作用，且所得半焦粒径小时着火点更低，但同时粒径过小时，燃烧过程以颗粒吸附聚合过程为主，不利于燃料着火燃烧。
进一步地，步骤2中热解温度为400～450℃，热解过程中升温速度为10～20℃/min，在该升温速度和热解温度下，更利于褐煤和生物质的共热解，使得制备的热解半焦发热量更高，更适宜作燃料。升温速率过快会影响半焦的着火温度，使其变高，加大着火难度；随着热解温度的升高，热解反应越彻底，所得热解半焦发热量越高，但由于共热解是一个煤炭富氢过程，当热解温度升至一定时，生物质中氢不再溢出，所得半焦发热量便有所下降，因此热解温度在400～450℃区间内所得半焦的发热量较为优异。
进一步地，所述生物质包括但不仅限于农业废弃果壳、果叶、秸秆、林业工业废弃下脚料、城市生活垃圾、海洋藻类物质。
本发明将生物质加入到褐煤中共热解可加快褐煤分解速率，减少反应时间，降低能耗，且通过生物质与煤共热解时的协同作用使得热解焦油中轻质组分增加、重质组分减少，焦油品质得到提高；生物质的加入还使得热解反应进行的更彻底，所得热解半焦热值高，灰分低，表面结构粗糙多孔利于燃烧。
同时，本发明将可再生能源和低品位煤炭资源应用于水泥窑，通过优化改良褐煤与生物质共热解工艺条件制得可以满足且优于传统水泥回转窑用燃料，实现了可再生能源在水泥行业的利用，同时缓解了目前水泥行业优质烟煤短缺的压力。以往水泥回转窑是利用优质的烟煤作为燃料，烟煤的着火点一般在430～460℃之间，本发明通过低温热解将高水分的褐煤提质，得到热解半焦，其着火点在440～450℃，已满足着火要求；烟煤的燃尽度在80～90％之间，本发明通过加入灰分较低的生物质制得热解半焦燃尽度高达98％，十分优异；此外，烟煤热值在21～33MJ/Kg之间，本发明制得的热解半焦已达33MJ/Kg，达到高发热量优质烟煤的发热水平。优质烟煤在工业上可用来炼焦、气化、液化，可达到比作燃料更高的价值，而本发明以褐煤这种低品位燃料作原料，制备出可替代优质烟煤的热解半焦，且该热解半焦具有极其优异的燃烧性能，因此，为了降低成本，本发明将热解半焦与褐煤混配制得水泥窑燃烧用燃料，该混配比可以在1:9-9:1之间，具体根据实际需要来定，混配后的燃料不但能完全代替烟煤，还能降低成本，提高能源利用。
综上所述，本发明相对于现有技术，操作简单，成本低，以低品位煤为原料制备出优异的水泥窑替代燃料，为水泥行业打开了新的供能思路；同时提高了生物质资源与褐煤资源的利用效率，并且实现了产物固液气三项的全资源综合清洁利用。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
将干燥过后的松木屑和褐煤分别粉碎后过筛，得到50～200目的试样，将松木屑试样与褐煤试样按3:7的质量比混合均匀得到总质量为10g的混合试样，然后将混合试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为10℃/min、热解的恒定温度为400℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
实施例2
将干燥过后的松木屑和褐煤分别粉碎后过筛，得到50～200目的试样，将松木屑试样与褐煤试样按4:6的质量比混合均匀得到总质量为10g的混合试样，然后将混合试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为20℃/min、热解的恒定温度为450℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
实施例3
将干燥过后的松木屑和褐煤分别粉碎后过筛，得到50～200目的试样，将松木屑试样与褐煤试样按3:7的质量比混合均匀得到总质量为10g的混合试样，然后将混合试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为10℃/min、热解的恒定温度为450℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
实施例4
将干燥过后的松木屑和褐煤分别粉碎后过筛，得到50～200目的试样，将松木屑试样与褐煤试样按4:6的质量比混合均匀得到总质量为10g的混合试样，然后将混合试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为10℃/min、热解的恒定温度为400℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
对比例1
将干燥过后褐煤粉碎后过筛，得到50～200目试样，取10g试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为10℃/min、热解的恒定温度为400℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
对比例2
将干燥过后褐煤粉碎后过筛，得到50～200目试样，取10g试样置于热解炉中进行密闭无氧热解，热解过程的升温速率为20℃/min、热解的恒定温度450℃，在恒定温度下的热解时间为30min，热解后热解气经循环冷凝装置冷凝，分离出含水热解焦油，含水热解焦油经脱水处理后得到热解焦油，冷凝后的热解气用集气袋收集并密封保存，热解炉中剩余固体产物则为热解半焦，最后再将热解半焦与褐煤分别按质量比1:4、1:1、4:1机械混合均匀得到燃料。
取实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对比例1以及对比例2，对其热解产物产率、半焦燃烧特性，以及半焦与褐煤混配后的燃烧性能进行测试比较，得到如表1所示的试验结果：
表1为几种实施例和对比例的热解产物和掺混燃料燃烧性能对比结果
从表1中可以看出，将生物质与褐煤共热解得到的半焦的燃尽率明显大于单纯的褐煤热解后的半焦。实施例1～实施例4的半焦与褐煤按质量比1:4、1:1、4:1机械混配后，其燃尽度在95～99％，远高于烟煤的燃尽度80～90％，该性能十分优异，且该性能指标也改与对比例1和对比例2。此外，烟煤热值在21～33MJ/Kg之间，实施例1～实施例4的半焦与褐煤按质量比1:4、1:1、4:1机械混配后燃料的热值在23～32之间，达到烟煤的热值。另外，烟煤的着火点一般在430～460℃之间，实施例1～实施例4的半焦与褐煤按质量比1:4、1:1、4:1机械混配后燃料的着火点在330～425℃之间，也完全满足着火要求，故本发明利用褐煤与生物质热解后的半焦与褐煤混配制得的燃料可以代替烟煤作为水泥窑的燃料。本发明采用生物质燃料与褐煤共热解，可以减少对褐煤的消耗，同时可以变废为宝，将废弃的生物质加以利用，达到节约能源的效果。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，其特征在于，包括：
1)将褐煤、生物质分别干燥、再分别粉碎后得到褐煤试样和生物质试样；
2)将生物质试样与褐煤试样按质量比为3:7～4:6进行配比后混合均匀，然后将混合后的试样进行无氧热解；
3)热解后得到热解产物，热解产物包括热解气体、热解焦油和热解半焦；
4)将热解半焦与褐煤进行混配后得到水泥窑用燃料。
2.根据权利要求1所述的用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，其特征在于，步骤1中粉碎后的褐煤试样和生物质试样的粒径为50-200目。
3.根据权利要求1所述的用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，其特征在于，步骤2中热解温度为400～450℃，热解过程中升温速度为10～20℃/min。
4.根据权利要求1所述的用褐煤与生物质共热解产物制备水泥窑燃料的方法，其特征在于，所述生物质包括但不仅限于农业废弃果壳、果叶、秸秆、林业工业废弃下脚料、城市生活垃圾、海洋藻类物质。
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