CN111925852B - 一种生物质颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质材料技术领域，本发明涉及一种生物质颗粒及其制备方法和应用。由松子壳、含油污泥和粘结剂组成，生物质颗粒包括第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层，含油污泥层位于第一生物质层和第二生物质层包之间，第一生物质层和第二生物质层分别由松子壳组成，粘结剂分布于第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层中。成型效果好，有利于运输，燃烧效率高，释放热量高，实现了生物质和污泥的回收利用。

Description

一种生物质颗粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物质材料技术领域，具体涉及一种生物质颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

生物质颗粒，主要原料为农林废弃物，包括秸秆、锯末、果壳等。相比于煤等化石燃料，具有环保、充分回收利用农林废弃物的优点。农林废弃物为植物吸收大气中的二氧化碳合成的物质，经过燃烧后，产生的二氧化碳回到大气中，所以不产生多余的二氧化碳，所以具有环保的优点。

污泥是生活污水、工业污水经过处理后产生的固体废物。随着城市化的发展，污泥的产生量逐年增长。现在的污泥处理方法中焚烧处理法，具有处理量大，处理周期短的优势。

现有的生物质颗粒的制备方法为将秸秆等先进行粉碎然后压缩成型。制备得到的生物质颗粒可以用于采暖等用途，但是生物质颗粒的燃烧过程较短，燃烧不充分，用于北方取暖，供暖效率较低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种生物质颗粒及其制备方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种生物质颗粒，由松子壳、含油污泥和粘结剂组成，生物质颗粒包括第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层，含油污泥层位于第一生物质层和第二生物质层包之间，第一生物质层和第二生物质层分别由松子壳组成，粘结剂分布于第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层中。

首先，提高燃烧的热值，松子壳粉碎到一定粒度后，由于每种生物质的组成有一定差异，所以导致其粉碎后的疏松度不同，松子壳粉碎后与含油污泥配合其疏松度和硬度等满足了提高含油污泥的燃烧效果的作用；

其次，含油污泥呈胶状，并且含油污泥中含有一定的油分，所以在提高燃烧热值的优势下，还具有不易成型等问题，通过粘结剂和生物质的配合，解决了含油污泥在成型过程中不牢固的问题，成型不好的问题；

再其次，含油污泥燃烧产生的灰分相比于生物质产生的灰分较多，且更容易团聚在一起，透气性不好，不容易燃烧充分，并且容易粘附燃烧器的内壁(比如锅炉)的内表面等，所以不利于提高燃烧的效率，通过松子壳层和含油污泥的复合，设计的三层的结构，第一生物质层和第二生物质层包裹含油污泥层，并且在制备的过程中，压制成型的过程中，通过设计的密度的差异，使含油污泥部分进入到生物质层，这样将进入生物质层的含油污泥与含油污泥层的燃烧分开，并且，在第一生物质层和第二生物质层的逐渐燃烧的过程中，会带动含油污泥的燃烧，使其充分的燃烧，在第一生物质层和第二生物质逐渐剥落的过程中，会带动已经燃烧的含油污泥的灰分的剥落，提高其燃烧效果。

最后，有利于提高燃烧的时间，生物质经过压制，成型较为紧密，所以可以延长燃烧时间，生物质颗粒的燃烧为分层燃烧，并且燃烧更加充分，所以有助于延长燃烧的时间，提高热量的利用率。

第二方面，上述生物质颗粒的制备方法，具体步骤为：

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，将部分松子壳加入粘结剂通过压制成型，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂混合，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂通过压制成型在含油污泥层的表面。

在压制成型的过程中，通过压缩提高了各层之间或者各层内部的相互连接作用，并且由于污泥和松子壳粉料的性质不同，在压制的过程中，污泥分别进入到两个生物质层一部分，生物质层与污泥形成相互渗透，提高了结合力。

相比于现有采用高温加热喷涂的方法，具有节约能源的作用，只需利用压制机在一定的压力下即可实现成型，现有的复合层的生物质颗粒成型需要将生物质颗粒粉碎后再在高温下进行处理，然后进行球磨，最后喷射成型。这种成型方法耗费的能量较高，然后再进行燃烧，降低了生物质颗粒的燃烧利用的效果，生物质颗粒是为了利用生物质燃烧的能量，并且具有环保的意义，而如果通过高温(1000℃)下进行高温成型，降低了环保的意义。

第三方面，上述生物质颗粒在采暖领域中的应用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

生物质颗粒实现了生物质和污泥的充分再利用，生物质和污泥的燃烧可以利用热量进行取暖，制备得到的生物质颗粒提高燃烧效果，热能的利用率提高，使生物质颗粒的利用率提高；

通过生物质层和污泥层的粘结作用结合形成一个整体的生物质颗粒，整体的生物质颗粒在燃烧的过程中，相互作用有助于互相提高燃烧效果，在外层的生物质层燃烧后，由于与污泥层的连接作用燃烧断开，所以外层的生物质层逐渐的剥离开生物质颗粒，然后污泥进行燃烧，所以整体的燃烧过程中可以保证供氧量充足，有助于提高燃烧效果；

生物质颗粒的成型效果好，有利于长途运输，提高使用效果。

生物质颗粒的制备过程中通过设置若干模具，通过进料机分别向各个模具中加入物料，压制机可以设置多个冲头，然后多个冲头与多个模具分别进行压制，实现了生产效率的提高。

附图说明

图1为实施例1的生物质颗粒的结构图；

图2为实施例1和单层生物质层与污泥层燃烧后灰分的对比图；

其中，1、第一生物质层，2、含油污泥层，3、第二生物质层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种生物质颗粒，由松子壳、含油污泥和粘结剂组成，生物质颗粒包括第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层，含油污泥层位于第一生物质层和第二生物质层包之间，第一生物质层和第二生物质层分别由松子壳组成，粘结剂分布于第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层中。

提高燃烧热值并且能够减少灰分的作用，因为生物质包括秸秆(稻壳、玉米杆等)、木屑、果壳(花生壳、干果壳)等，生物质由于所含的物质不同，所以其硬度和疏松度都是不同的，比如木屑较为疏松，但是其较软，具有较好的吸附性，秸秆和花生壳等相比于干果壳具有硬度较低，主要是由于其纤维素所占比例及一些其它成分的差异导致的。松子壳相比于其它干果壳，具有薄而脆，且其粉碎到一定目数后的疏松度和硬度满足成型和配合含油污泥，提高氧气的渗透率，提高燃烧后的剥离效果，使含油污泥燃烧的更充分，减少剩余的灰分或灰渣。所以更有利于提高含油污泥的燃烧效果。

在第一生物质层、第二生物质层燃烧的过程中，第一生物质层、第二生物质层逐渐从生物质颗粒中剥离，含油污泥层逐渐燃烧，第一生物质层、第二生物质层携带一部分含油污泥燃烧(由于压制进入到生物质层中的部分)，氧气逐渐渗透到含油污泥层，位于靠近生物质层的含油污泥部分被生物质层的灰分带走，并且含油污泥层的两个面同时产生剥离，所以污泥可以更好的与烟气进行接触，提高燃烧的效率，有利于采暖的应用中，充分的释放热量，提高燃料的利用率，并且有助于减少含油污泥产生的灰分或灰渣。

利用含油污泥提高热值，但是现有的含油污泥由于灰分会灰渣较多，导致燃烧效率较低，并且含油污泥为污泥中含油一定的原油或成品油成型效果并不好，与松子壳生物质、粘结剂结合后提高了成型的效果。

所述生物质颗粒掺混了含油污泥，含油污泥起到连接第一生物质层和第二生物质层的作用，含油污泥呈胶状，容易呈现流动状态，生物质层中选择松子壳，松子壳粉碎后与粘结剂的配合效果较好，松子壳具有一定硬度和疏松度，与粘结剂配合提高粘合强度，在压制成型的过程中，含油污泥中的轻质组分比如一些油分等，会渗透到生物质层中，起到连接生物质层和含油污泥层的作用，形成较为稳定的生物质颗粒。

生物质中的木质素在较高温度下具有粘结作用，非水溶性纤维具有润滑作用，会影响颗粒的成型。生物质颗粒成型在高温高压下通过分子在接触点从一个粒子扩散到另一个粒子形成；通过加入粘结剂，粘结剂的粘结作用，形成坚固的架桥。

在本发明的一些实施方式中，含油污泥的含油量的质量分数为10％-30％。含油污泥具有较好的燃烧效果，但是污泥的含油量过多会使污泥的润滑性提高，所以含油量需要控制在一定范围内，并且在上述范围内，与粘结剂配合，可以较好的起到粘结作用，使生物质颗粒具有较好的机械强度，使生物质颗粒的密度较大，提高燃烧效率。

在本发明的一些实施方式中，粘结剂为腐殖酸钠与糖浆、淀粉、膨润土中一种或多种的混合物；优选为腐殖酸钠与糖浆或腐殖酸钠与膨润土。

在本发明的一些实施方式中，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为30％-50％。腐殖酸钠和粘结剂中的其它成分协同作用具有提高粘结效果的作用，腐殖酸钠主要具有增加颗粒之间的稠密度的作用，其它成分如糖浆等主要起到提高连接强度的作用。

在本发明的一些实施方式中，生物质层中加入的粘结剂占生物质的重量的10％-15％，污泥层中粘结剂占污泥重量的15％-20％。不同层的粘结剂的质量不同，可以控制不同层的粘结性和不同层之间的连接的强度。

在本发明的一些实施方式中，第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层的质量比为20-40:15-20:30-50。每层的质量比可以控制燃烧的效果，关系到剥离的程度。

在本发明的一些实施方式中，生物质颗粒为方圆柱型饼状结构，圆柱型饼状结构的生物质颗粒的直径为4-5cm，第一生物质层的厚度为1.5-2.5cm，污泥层的厚度为0.5-1cm，第二生物质层的厚度为1.5-2.5cm。生物质层的厚度设置有助于提高燃烧效果和减少剩余的灰分的量。

生物质层和污泥层的掺混质量及厚度，有助于互相促进燃烧过程。

第二方面，上述生物质颗粒的制备方法，具体步骤为：

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，将部分松子壳加入粘结剂通过压制成型，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂混合，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂通过压制成型在含油污泥层的表面。

在压制成型的过程中，通过压缩提高了各层之间或者各层内部的相互连接作用，并且由于污泥和松子壳粉料的性质不同，在压制的过程中，污泥分别进入到两个生物质层一部分，生物质层与污泥形成相互渗透，提高了结合力。

在本发明的一些实施方式中，松子壳粉碎后过筛后的粒径为0.5-2.5mm。

在本发明的一些实施方式中，将松子壳分为粒度不同的两部分，这两部分的粒度分别为0.5-1.5mm和1.5mm-2.5mm，第一生物质层和第二生物质层分别包括两种粒度范围的生物质颗粒；优选的，第一生物质层和第二生物质层分别包括50％质量分数的两种粒度范围的生物质颗粒。即第一生物质层包括50％质量分数的0.5-1.5mm粒度范围的松子壳和50％质量分数的1.5mm-2.5mm粒度范围的松子壳，对于生物质层可以具有调节透气性的作用。

在本发明的一些实施方式中，含油污泥在压制成型之前进行干燥处理，干燥后的含水率(质量分数)为20％-40％；优选为20％-30％。

干燥后的污泥中含水率越低，有助于燃烧，但是污泥中含水率太低会导致排放的污染物如NOx的量增多，所以设置含水率在上述范围内，减少NOx的排放，同时利用氧气的充分进入，减少NO的排放，同时利用生物质层协同污泥层，提高燃烧的效果。

在本发明的一些实施方式中，所述含油污泥为经过干燥的含油质量分数为10％-40％的污泥；优选为10％-20％。含油污泥为石油开采、运输、炼制过程中产生的含油固体废弃物，经过干燥去除了一部分水分和一些挥发的物质。

在本发明的一些实施方式中，利用成型装置进行压制成型，成型装置包括圆柱型模具、压制机、进料机。进料机向模具中加入物料，然后利用压制机进行压制，压制机可以为液压机或电动压片机等。

第三方面，上述生物质颗粒在采暖领域中的应用。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料0.5-2.5mm，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，这两部分的粒度分别为0.5-1.5mm和1.5mm-2.5mm，将部分松子壳加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为40％)通过压制成型，压制成型的压力为28MPa，第一生物质层中加入的粘结剂占生物质的重量的12％，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为45％)混合，污泥层中粘结剂占污泥重量的15％，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为40％)，粘结剂占生物质的重量的12％，通过压制成型在含油污泥层的表面。

得到的生物质颗粒的直径为5cm，第一生物质层的厚度为2cm，污泥层的厚度为0.5cm，第二生物质层的厚度为2.5cm。第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层的质量比为35:15:40。得到的生物质颗粒的结构如图1所示，其中含油污泥层2位于第一生物质层1和第二生物质层3之间。

松子壳的成分如表1所示。

表1松子壳的成分

通过表1可以得到松子壳中的各种成分和现有的其它比如稻壳和其它果壳都具有区别，而每种生物质粉碎后的状态与本申请性质有较大的关系，比如纤维素与木质素的比例，纤维素、半纤维素、木质素所占的比例等，比如稻壳，稻壳相比于松子壳灰分含量较高，木质素含量较低，纤维素含量较低。

松子壳粉碎后与含油污泥通过压制成型燃烧，燃烧的总热值提高，灰分较少，如果改为其它的生物质粉碎后与含油污泥压制成型后，燃烧的热值降低，并且灰分的含量增加，比如其它生物质为稻壳。在燃烧的过程中出现的现象为，生物质层的剥离速度较快，但是剩余含油污泥产生较大的灰分，导致燃烧不充分，热值降低，具体结果请看表2所示。产生灰分如图2所示。通过图2可以看到，加入稻壳进行燃烧，产生的灰分较多，说明污泥燃烧的不充分，所以降低了产生的热值。

表2松子壳和稻壳的燃烧对比

	松子壳	稻壳
			燃烧的热值(kCal/kg)	7280	6230

实施例1中设计了第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层复合的结构，通过第一生物质层和第二生物质层的同时剥离，可以较好的提高含油污泥的燃烧效率，同时剩余灰分较少，燃烧较为充分。如果设计为单层的生物质层，比如，只设计第一生物质层、含油污泥层，得到的生物质颗粒进行燃烧，其燃烧过程为：生物质和含油污泥同时燃烧，互相剥离，但是含油污泥远离生物质层的一侧燃烧得到的灰分较多，燃烧较快，但是剩余的灰分较多，所以不利于实现充分燃烧，剩余的灰分含量如图2所示，从图2可以看到，如果设置单层生物质层和污泥层制备生物质颗粒，燃烧产生的灰分较多，说明如果污泥的两侧均包覆生物质层，更有利于污泥进行充分的燃烧，从而减少灰分，因为单纯的污泥燃烧，灰分容易团聚在一起后掉落，没有完全燃烧。

实施例2

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料0.5-2mm，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，这两部分的粒度分别为0.5-1.5mm和1.5mm-2.5mm，将部分松子壳加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为45％)通过压制成型，压制成型的压力为26MPa，第一生物质层中加入的粘结剂占生物质的重量的11％，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为35％)混合，污泥层中粘结剂占污泥重量的15％，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为45％)，粘结剂占生物质的重量的11％，通过压制成型在含油污泥层的表面。

得到的生物质颗粒的，生物质颗粒的直径为4cm，第一生物质层的厚度为2cm，污泥层的厚度为0.5cm，第二生物质层的厚度为1.5cm。第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层的质量比为35:15:30。

实施例3

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料0.5-2mm，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，这两部分的粒度分别为0.5-1.5mm和1.5mm-2.5mm，将部分松子壳加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为35％)通过压制成型，压制成型的压力为25MPa，第一生物质层中加入的粘结剂占生物质的重量的15％，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为35％)混合，污泥层中粘结剂占污泥重量的18％，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂(腐殖酸钠与糖浆，粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为35％)，粘结剂占生物质的重量的15％，通过压制成型在含油污泥层的表面。

得到的生物质颗粒的，生物质颗粒的直径为5cm，第一生物质层的厚度为2cm，污泥层的厚度为0.5cm，第二生物质层的厚度为2.5cm。

对比例1

相比于实施例1，粘结剂为腐殖酸钠，不包括糖浆。粘结剂的加入质量分数和制备步骤与实施例1相同。

对比例2

相比于实施例1，粘结剂为糖浆，不包括腐殖酸钠。粘结剂的加入质量分数和制备步骤与实施例1相同。

对比例3

相比于实施例1，生物质层的粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为60％。

对比例4

相比于实施例1，第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层的质量比为35:30:40，相应的含油污泥层的厚度增加。

实验例1

对实施例1-3和对比例1-3进行成型效果的测试，如表3所示。

表3成型测试结果

通过表3，可以得到，对比例1中不加入糖浆，降低了粘合的效果，含油污泥和生物质之间的部分位置发生了弯曲，说明部分位置并没有发生粘合，结合效果并不好，对比例2中能够粘合，但是由于不均匀，所以结合脱落不利于长途运输，对比例3中腐殖酸钠加入量较多，其起到的粘合和稠化的效果会降低，会增加了润滑的效果，不利于相互粘合成型。在生物质颗粒的搬运和长途运输的过程中，需要生物质颗粒具有一定的抗压强度和结合较为紧密的优点，才能使其不降低燃烧性能，提高使用的效果，如果抗压强度较低，或者具有一定的缺陷会导致生物质颗粒的部分结构缺失，损失一部分生物质，降低了燃烧所持续的时间。

实验例2

对实施例1-3和对比例1-3进行燃烧性能测试，如表4所示。

表4燃烧性能测试结果

通过表4，实施例1和实施例2中，燃烧的过程中为分层次燃烧有利于提高燃烧时间，第一生物质和第二生物质层几乎同时进行燃烧，然后污泥层逐渐燃烧起来，生物质颗粒是一个立体的结构，类似于具有一定厚度的饼状结构，燃烧过程中具有持续的火焰，在燃烧的过程中，灰分逐渐落下，落灰较为松散，对比例1和对比例2、对比例3中灰分掉落不均匀，灰分有部分结块。对比例1、对比例2、对比例3中由于结合情况不好或者结合的并不均匀，会导致燃烧不均匀，某个位置燃烧的不充分，会导致燃烧热值的降低，并且会提前结束燃烧，火焰的持续时间会缩短。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生物质颗粒，其特征在于：由松子壳、含油污泥和粘结剂组成，生物质颗粒包括第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层，含油污泥层位于第一生物质层和第二生物质层之间，第一生物质层和第二生物质层分别由松子壳组成，粘结剂分布于第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层中；

粘结剂为腐殖酸钠与糖浆的混合物；

粘结剂中腐殖酸钠的重量分数为30%-50%；

松子壳分为粒度不同的两部分，这两部分的粒度分别为0.5-1.5mm和1.5mm-2.5mm，第一生物质层和第二生物质层分别包括50%质量分数的两种粒度范围的松子壳；第一生物质层、含油污泥层、第二生物质层的质量比为20-40:15-20:30-50；所述含油污泥为经过干燥的含油质量分数为10%-40%的污泥。

2.如权利要求1所述的生物质颗粒，其特征在于：含油污泥的含油量的质量分数为10%-30%。

3.如权利要求1所述的生物质颗粒，其特征在于：生物质层中加入的粘结剂占生物质的重量的10%-15%，污泥层中粘结剂占污泥重量的15%-20%。

4.如权利要求1所述的生物质颗粒，其特征在于：生物质颗粒为方圆柱型饼状结构，圆柱型饼状结构的生物质颗粒的直径为4-5cm，第一生物质层的厚度为1.5-2.5cm，污泥层的厚度为0.5-1cm，第二生物质层的厚度为1.5-2.5cm。

5.权利要求1-4任一所述的生物质颗粒的制备方法，其特征在于：具体步骤为：

将松子壳进行粉碎，过筛得到松子壳粉料，将松子壳粉料分为粒度不同的两部分，将部分松子壳加入粘结剂通过压制成型，得到第一生物质层；

然后将含油污泥和粘结剂混合，将混合后的含油污泥压制成型在第一生物质层的表面；

将剩余松子壳粉料加入粘结剂通过压制成型在含油污泥层的表面。

6.如权利要求5所述的生物质颗粒的制备方法，其特征在于：松子壳粉碎后过筛后的粒径为0.5-2.5mm。

7.如权利要求5所述的生物质颗粒的制备方法，其特征在于：含油污泥在压制成型之前进行干燥处理，干燥后的含水率为20%-40%。

8.如权利要求1-4任一所述的生物质颗粒在采暖领域中的应用。

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