CN110452754B - 一种利用生物质焦减排燃烧颗粒物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用生物质焦减排燃烧颗粒物的方法，属于固体燃料的洁净燃烧及污染物排放控制技术领域。将生物质进行热处理后，得到生物质焦，将所述生物质焦粉碎后得到粉末状的生物质焦，或者将生物质粉碎后得到的粉末进行热处理，得到粉末状的生物质焦；将所述粉末状的生物质焦作为燃料进行燃烧，或者将所述粉末状的生物质焦与其它燃料混合后作为混合燃料进行燃烧，使燃烧产生的颗粒物减少。所述颗粒物的粒径小于等于10μm，所述颗粒物的粒径优选地小于等于1μm。本发明工艺简单、成本低廉，通过综合利用生物质来减少固体燃料燃烧的颗粒物排放，保护了环境，降低了对人体的危害，市场前景非常广阔。

Description

一种利用生物质焦减排燃烧颗粒物的方法

技术领域

本发明属于固体燃料的洁净燃烧及污染物排放控制技术领域，涉及一种利用生物质焦减排燃烧颗粒物的方法，更具体地，涉及一种减排细颗粒物的燃烧技术。

背景技术

煤是中国最主要的能源，其在一次能源中的占比达到70％左右，并且能源格局在今后相当长的时间内都不会发生改变。煤在燃烧过程中会产生许多的污染物，如颗粒物、SO₂、NO_x等。目前，针对烟尘排放问题，国内发电厂都安装了专门的除尘设备，如静电除尘器、布袋除尘器及湿式电除尘器等，但是除尘设备普遍存在穿透窗口，即对粒径约为0.1-1μm之间的细颗粒物脱除效率相对不高，从而导致大量超细颗粒物排放进入空气中。

生物质是由有机、无机物组成的固体物质，有着可循环再生、洁净、分布广泛等特点。对生物质进行热预处理(主要是烘焙、热解、水热碳化三种手段)后，可以形成生物质焦。相比原生物质，生物质焦的能量密度更高、疏水性更强、可磨性更强、更利于储存和运输，因此可直接单烧生物质焦来发电，减少煤等化石能源的使用。此外，生物质焦还可以增加煤等固体燃料的燃尽性、缩短燃烧时间，因此还可混烧生物质焦和煤等其它固体燃料发电。由于生物质焦S、N成分更少，且利用生物质燃烧发电只是将生物生长吸收的、空气中本来就存在的CO₂排出，具有碳中性的特点。因此，进行生物质焦和固体燃料混烧时，相比单烧原固体燃料，混烧还可以降低SO₂、NO_x等气体污染物以及CO₂的排放。

应用生物质焦单烧或混烧技术可以减轻现有烟气净化措施的负担，而且不需对现有设备进行很大的改造，因此在我国大力扶持生物质能发展的政策背景下，生物质焦的应用有着极大的市场潜力和应用前景。

发明内容

本发明解决了现有技术煤燃烧过程中颗粒物对环境造成较大的污染且对人体健康造成危害。本发明通过将粉末状的生物质焦进行单烧或者与其它燃料进行混烧，减少了燃烧过程中颗粒物的排放。

根据本发明的目的，提供了一种减排燃烧颗粒物的方法，将生物质进行热处理后，得到生物质焦，将所述生物质焦粉碎后得到粉末状的生物质焦，或者将生物质粉碎后得到的粉末进行热处理，得到粉末状的生物质焦；将所述粉末状的生物质焦作为燃料进行燃烧，或者将所述粉末状的生物质焦与其它燃料混合后得到的混合燃料进行燃烧，使燃烧产生的颗粒物减少。

优选地，所述颗粒物的粒径小于等于10μm。

优选地，所述颗粒物的粒径小于等于1μm。

优选地，所述混合燃料中粉末状的生物质焦与其它燃料的质量比为1:(1-2)。

优选地，所述热处理为直接烘焙、先水洗再烘焙、先烘焙再水洗、热解或水热碳化。

优选地，所述直接烘焙具体为：在保护性气氛中，以8K/min-12K/min的加热速率将温度升至250℃-300℃，然后保温20min-40min。

优选地，所述先水洗再烘焙具体为：将生物质与去离子水混合搅拌后取出，再进行烘焙，即在保护性气氛中，以8K/min-12K/min的加热速率将温度升至250℃-300℃，然后保温20min-40min。

优选地，所述先烘焙再水洗具体为：在保护性气氛中，以8K/min-12K/min的加热速率将温度升至250℃-300℃，然后保温20min-40min；加热后再与去离子水混合搅拌后取出。

优选地，所述热解具体为：在保护性气氛中，以8K/min-12K/min的加热速率将温度升至400℃-600℃，然后保温20min-40min。

优选地，所述水热碳化为：将生物质与去离子水混合搅拌后取出，再进行加热，即在保护性气氛中，以4K/min-6K/min的加热速率将温度升至200℃-300℃，然后保温20min-40min。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明生物质焦以生物质为原料，经过烘焙、先水解再烘焙、先烘焙再水解、热解或水热碳化等热处理方式制备获得。所述的生物质焦能量密度较高、疏水性更强、可磨性更强、更利于储存和运输，易于制成粉状燃料，可设计合适的锅炉直接单烧生物质焦。所述的生物质焦与煤燃料特性相似，适用于现有大型燃煤锅炉，与煤混烧时，增加了煤粉燃尽性、缩短了燃烧时间，并可减少煤燃烧时的SO₂、NO_x排放。本发明基于生物质焦的燃料优点，进行生物质焦单烧、或混烧的同时实现燃烧颗粒物的减排，从而降低现有烟气净化措施的负担。可替代部分化石能源，减少化石能源燃烧时排放的污染物。

(2)本发明一种是直接将生物质焦送入锅炉单烧，在热处理制备生物质焦的高温过程中析出部分易气化无机元素，导致相同的燃料给入量生物质焦燃烧排放的颗粒物浓度明显低于原生物质燃烧；另一种是将生物质焦掺入其他煤等固体燃料中混烧，生物质焦易气化无机元素和固体燃料硅铝基矿物质发生相互作用，易气化元素被较大矿物质捕获而无法生成细颗粒物，颗粒物排放相比于两种燃料单独燃烧时大大减少。本发明中制焦的方法优选为先水洗再烘焙、先烘焙再水洗和水热碳化，这些制备生物焦的过程通过水洗去除了更多K和Cl的原因，因此能量基准(燃烧产生同等的能量)下生物质焦燃烧排放的颗粒物浓度明显低于原生物质。

(3)生物质焦具有“碳中性”特性，即生物的生长吸收的是从空气中本来就存在的CO₂，生物质发电只是将这些吸收的CO₂排出。因此，单烧生物质焦发电时，理论上CO₂总排放为零；混烧发电时，生物质焦替代了一部分煤，实质上也减少了碳的排放。

(4)本发明的生物质焦制造成本低廉，制备工艺简单，无论单烧或是混烧，颗粒物减排率都很高。由于是直接燃烧发电，因此无需考虑再生的问题，大大降低了运行成本。此外，燃烧生物质焦不需对现有电站进行较大的改造，只需新增生物质燃料处理系统，即可获得很好的混合燃烧效果、发电效率和颗粒物减排效果，初投资很低，非常适合我国国情，具有推广价值。

(5)本发明提供一种利用生物质焦减少燃煤细颗粒物生成的方法，该方法属于炉内减排颗粒物的技术领域，配合末端传统的电除尘器或布袋除尘器，可以有效地降低燃煤颗粒物的排放，进而降低其对环境的污染以及对人体健康的伤害。

附图说明

图1是将生物质应用的流程图。

图2是单烧时生物质焦与原生物质的细颗粒物排放量对比(灰分基准)。

图3是单烧时生物质焦与原生物质的细颗粒物排放量对比(能量基准)。

图4是混烧时细颗粒物排放量理论值与实验值的对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明选择合适的生物质原料、热处理方式、热处理条件，以获得有利于燃烧利用的生物质焦样品。本发明选择农林生物质作为原料，烘焙、水洗烘焙、烘焙水洗、热解、水热碳化五种热处理方式，五种方式的具体条件如表1所示。

表1

参考附图1，先将生物质进行热处理，通过烘焙、先水洗再烘焙、先烘焙再水洗，热解或水热碳化多种方式对生物质进行热预处理，制得生物质焦。之后单烧生物质焦发电，或者掺入其它固体燃料混烧发电。

实施例1：单烧生物质焦的减排颗粒物效果检测

本实施例选取稻草为原料，通过烘焙、热解、水热碳化方式制备生物质焦，并以灰分基准的颗粒物排放对生物质焦减排效果进行机理验证。

先将稻草破碎到粒径小于420μm，然后将30g稻草与300ml去离子水在500ml的不锈钢圆筒内充分混合，之后用300ml/min的N₂赶气10分钟，目标温度为240℃，升温速率为4～5K/min，恒温半小时后，在冰浴锅内迅速冷却至室温，然后通过抽滤、干燥，制得水热碳化焦；将10g稻草放到样品盘里，送入到充满N₂的炉子里面，载气流速为3L/min，分别升温至300℃和500℃，升温速率为10K/min，恒温半小时后再室温下冷却，冷却时继续通N₂，制得烘焙焦和热解焦。

将生物质焦送入燃烧炉，并用等质量的稻草做颗粒物排放对比数据。燃烧炉温度为1400℃，给粉速率设定为0.1g/min，燃烧气氛为空气，流速为5L/min。通过Dekati的低压撞击器收集PM₁₀，PM₁₀₊被配套的旋风分离器进行分离，PM₁₀的质量通过百万分之一天平进行测量。

实验结果如图2所示。其结果表明，在所述实验条件下，单烧生物质焦排放的颗粒物(灰分基准)相比于单烧稻草大量减少：烘焙焦PM₁减排比例达到了52.5％，PM_1-10减排比例达到了16.2％；热解焦PM₁减排比例达到了65％，PM_1-10减排比例达到了40％；水热碳化焦PM₁减排比例达到了93.4％，PM_1-10减排比例达到了69.6％。整体来看，PM₁₀的减排比例为28.6％～77.6％。生物质焦相比原生物质拥有明显的颗粒物减排能力的原因是，在热处理制备生物质焦的高温过程中析出部分易气化无机元素，本应生成细颗粒物的易气化无机元素以气态形式排放掉，因此灰分基准(即燃烧产生相同灰分条件下)下生物质焦燃烧排放的颗粒物浓度明显低于原生物质。

实施例2：单烧有水洗过程生物质焦的减排颗粒物效果检测

本实例选取另一种稻草为原料，通过先水洗后烘焙、先烘焙后水洗、水热碳化三种方式制备生物质焦，并对生物质焦的颗粒物减排效果进行检测。

水洗是将生物质与水以1：10的比例混合，然后以400rpm的速率搅拌2小时。水热碳化以及烘焙的方式与实施例1相同。通过这些步骤，制得水洗烘焙焦、烘焙水洗焦和水热碳化焦。

单烧生物质及检测颗粒物的方法与实施例1相同。

实验结果如图3所示。其结果表明，在所述实验条件下，单烧生物质焦排放的颗粒物(能量基准)相比于单烧稻草大量减少：烘焙水洗焦PM₁减排比例达到了77.0％；水洗烘焙焦PM₁减排比例达到了91.0％；水热碳化焦PM₁减排比例达到了94.6％。但是三种焦燃烧产生的PM_1-10相比于原生物质没有减少，反而增多。整体来看，PM₁₀的减排比例为63.2％～80.1％。生物质焦相比原生物质拥有明显的颗粒物减排能力的原因除实施例1所述原因之外，还有水洗去除了更多K和Cl的原因，因此能量基准(燃烧产生同等的能量)下生物质焦燃烧排放的颗粒物浓度明显低于原生物质。

实施例3：混烧生物质焦的减排颗粒物效果检测

本实施例依然选取稻草为原料，通过烘焙、热解、水热碳化方式制备生物质焦，并对生物质焦与煤混烧时的颗粒物减排效果进行检测。

制焦方式与实施例1相同。

将生物质焦与PDS煤按照质量比1:1混合，并设置另外两组单烧生物质焦、单烧PDS煤的对比工况，燃烧及检测颗粒物的方法与实施例1相同。

混烧过程的实验值和由两种燃料单烧获得的实验值线性叠加计算出来的理论值如图4所示。其结果表明，在所述实验条件下，将生物质焦与煤混烧后，生物质焦的减排效果很明显：热解方式制备的生物质焦PM₁减排比例达到了31.6％，PM_1-10减排比例达到了14.3％；烘焙方式制备的生物质焦PM₁减排比例达到了40.4％，PM_1-10减排比例达到了14.5％；水热碳化方式制备的生物质焦对PM₁几乎没有减排，PM_1-10减排比例达到了17.6％。整体来看，PM₁₀的减排比例为17.0％～18.6％，虽然减排比例较小，但是这是建立在颗粒物原始排放低的基础上的。生物质焦与煤混烧拥有明显的颗粒物减排能力的原因是，生物质焦内存在的易气化无机元素和煤等固体燃料中硅铝基矿物质发生相互作用，易气化元素被较大矿物质捕获而无法生成细颗粒物，因此颗粒物排放相比于两种燃料单独燃烧时大大减少。

本发明方法中，所制备的生物质焦可以为稻草经过热预处理后所得产物，亦可为其它农林生物质甚至是城市生活垃圾等类似燃料进行热预处理之后的固体产物，通过该发明，单烧发电时可以轻易有效地减少28.6％～77.6％燃煤颗粒物(PM₁₀)的生成，混烧发电时可以轻易有效地减少17.0％～18.6％燃煤颗粒物(PM₁₀)的生成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种减排燃烧颗粒物的方法，其特征在于，将生物质粉碎后得到的粒径小于420 μm的粉末进行热处理，得到粉末状的生物质焦；将所述粉末状的生物质焦与煤混合后得到的混合燃料进行燃烧，使燃烧产生的颗粒物减少；

所述热处理为先烘焙再水洗或水热碳化；所述生物质为稻草；

所述颗粒物的粒径小于等于1 μm。

2.如权利要求1所述的减排燃烧颗粒物的方法，其特征在于，所述混合燃料中粉末状的生物质焦与煤的质量比为1:（1-2）。

3.如权利要求1所述的减排燃烧颗粒物的方法，其特征在于，所述先烘焙再水洗具体为：在保护性气氛中，以8 K/min-12 K/min的加热速率将温度升至250℃-300℃，然后保温20 min-40 min；加热后再与去离子水混合搅拌后取出。

4.如权利要求1所述的减排燃烧颗粒物的方法，其特征在于，所述水热碳化为：将生物质与去离子水混合搅拌后取出，再进行加热，即在保护性气氛中，以4 K/min-6 K/min的加热速率将温度升至200℃-300℃，然后保温20 min-40 min。

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