CN111925853A - 固体生物质燃料的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产固体生物质燃料的方法，以及由所述方法生产的固体生物质燃料。该方法包括以下步骤：(i)粉碎一种或多种生物质源，以得到平均粒径为1000μm至6000μm的生物质粉末；(ii)使所述生物质粉末成型以得到生物质成型产品；(iii)将所述生物质成型产品加热0.25至5小时到160℃至420℃的温度，以得到固体生物质燃料；其中所述一种或多种生物质源包括(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。另外，本发明还涉及一种燃烧方法，其包括燃烧所述固体生物质燃料以产生能量。

Description

固体生物质燃料的生产方法
技术领域
本发明涉及一种生产固体生物质燃料的方法，以及由所述方法生产的固体生物质燃料。另外，本发明涉及一种燃烧方法，其包括燃烧所述固体生物质燃料以产生能量。
背景技术
燃煤发电被全世界的发电厂和工业过程所使用。煤炭和其他化石燃料是不可再生的能源。在过去的几十年中，已经有人呼吁减少燃煤电站中的煤炭消耗，并呼吁使用可再生能源来发电。
衍生自生物质的燃料是一种可用于替代或至少部分替代煤的可再生能源。在燃烧过程中，由生物质衍生的燃料可以在发电厂的氧气存在下燃烧，以产生能量。生物质燃料可以在最初设计用于燃煤的传统发电厂中燃烧，或者生物质燃料可以在专门用于生物质燃烧的发电厂中燃烧。某些形式的生物质可以与煤混合并在发电厂内以相同的燃烧过程燃烧。这种过程称为生物质的煤共烧。为了适合与煤共烧，生物质燃料通常必须具有某些特性，例如一定水平的质量和均质性。例如，在共烧过程中特别期望由均一尺寸、密度、水分含量等的颗粒组成的生物质燃料。生物质燃料包含低含量的灰分也是期望的。生物质燃料中的灰分含量通常高于煤炭中的灰分含量。
已知各种方法可以从生物质源生产固体生物质燃料。WO2014/087949公开了一种用于生产固体生物质燃料的方法，其中使生物质源蒸汽爆炸然后成型为生物质块，再加热得到生物质燃料。该方法的目的是生产在储存期间具有足够的可操作性并且在储存期间具有更低的排放水化学需氧量(COD)的生物质燃料。该过程中使用的生物质源是棕榈仁壳。
WO2016/056608以WO2014/087949的教导为基础，并且公开了一种制造固体生物质燃料的方法，其中不需要蒸汽爆炸步骤来生产燃料。该方法包括成型步骤，将生物质源压碎，成型为生物质块，再将生物质块进行加热。用于所述过程的生物质源是树木，例如道格拉斯冷杉、铁杉、雪松、柏树、欧洲赤松、杏仁老树、杏仁壳、合金欢木质部、合金欢树皮、核桃壳、西谷椰子、棕榈空果串、柳桉木和橡胶。
WO2017/175733公开了一种包括成型步骤的类似方法，其中，将生物质源压碎，成型为生物质块，再将生物质块进行加热。WO2017/175733的方法旨在提供生物质燃料，该生物质燃料在暴露于雨水时表现出低的降解性并具有更低的排放水COD。该方法中使用的生物质源选自橡胶树、合金欢、柳桉木、桉树、柚木以及落叶松、云杉和桦树的混合物。
WO2019/069849旨在提供一种易于运输和存储并且在存储期间耐自燃的生物质燃料。生物质燃料通过包括成型步骤的方法来制备，在该成型步骤中，将生物质源压碎，成型为生物质块，再将生物质块进行加热。用于生产燃料的生物质源选自橡胶树、合金欢树、辐射松，落叶松、云杉和桦树的混合物；以及云杉、松树和冷杉。
WO2019/069860公开了一种用于生产固体生物质燃料的设备。该设备包括碳化炉，用于碳化生物质成型产品以获得固体生物质燃料。该设备还包括产量计算单元、温度测量单元和控制单元。控制单元基于生物质燃料的自燃特性控制施加到碳化炉的热量。通过将生物质源粉碎成粒料，然后使所述粒料成型，得到生物质成型产品。生物质源选自橡胶树、合金欢、龙脑香、辐射松，落叶松、云杉和桦树的混合物或云杉、松树和冷杉的混合物。
WO2018/181919公开了与以上讨论的用于生产固体生物质燃料的方法不同的方法。该方法涉及生物质的水热碳化的步骤，其中生物质源在热水中加压以碳化生物质。据报道该方法提供了具有高可磨性、高收率和更低的制造成本的生物质燃料。生物质源选自谷壳、棕榈仁壳、椰子树、竹子、棕榈空果串、杏子和茄子。
WO2017/175737公开了一种用于冷却碳化生物质的冷却设备。该设备提高了半碳化的生物质成型的冷却效率。该设备通过在其上喷水来冷却生物质。该冷却器包括振动平板和用于在平板上喷水的喷淋部。通过与上述相同的方法生产生物质燃料。用于生产生物质燃料的生物质源是道格拉斯冷杉、铁杉、雪松、柏树、欧洲赤松、杏仁老树、杏仁壳、合金欢木质部、合金欢树皮、核桃壳、西谷椰子、棕榈空果串、柳桉木和橡胶。
最后，WO2014/050964公开了一种用于改善生物质的可磨性使得其可以与煤一起磨碎的方法。该方法包括将磨碎的木质生物质的水分含量提高到10％至50％；将生物质致密化至密度为0.55g/cm3以上再对生物质进行烘焙。生物质源包括木屑、树皮、木刨花和锯末。
本发明的发明人已经认识到上述文献中讨论的固体生物质燃料及其生产方法存在各种问题。例如，以上文献中描述的生物质源是通常仅天然存在且不容易以商业规模进行种植和收获的植物和树木。发明人已经认识到，可以容易地以商业规模生长和收获的生物质源将是有利的。可以生长和收获的生物质源可有利于控制生物质源的质量和特定特征。
另外，发明人发现上述文件中所述的全部由木材和类似材料组成的生物质源当采用本领域已知的常规粉碎技术处理时，会形成均匀度较低的粒料。此外，由于木材和类似材料难以粉碎的性质，因此粉碎生物质源的成本昂贵。本发明的发明人已经意识到，通过本领域已知的常规粉碎技术更容易粉碎，且在粉碎时形成更均一尺寸的粒料的生物质源是有利的。
另外，发明人已经发现，由以上文献中讨论的生物质源并通过以上文献中的方法制备的固体生物质燃料的防水特性不足。防水特性对固体生物质燃料很重要，因为在燃烧过程中使用(单独使用或与煤共烧时)需要干燥(或至少充分干燥)。生物质燃料在存储或运输过程中经常暴露于湿气中(例如来自雨水)。因此，具有改进的防水能力的生物质燃料值得期待。
本发明人还认识到上述文献中描述的生物质燃料生产方法不能提供具有足够质量和均匀性的燃料。特别地，以上讨论的方法在成型步骤期间无法充分控制生物质的密度。
发明内容
本发明解决了上面讨论的与现有方法有关的问题。令人惊讶的是，本发明的发明人发现可以以商业规模生长和收获可用于得到固体生物质燃料的某些生物质源。这样做可以在生长周期中得到用于生产燃料的固定且恒定的生物质源。另外，以商业规模生长和收获所述生物质源能够例如通过栽培和育种技术来控制生物质源的质量和均匀性。此外发明人还发现所述生物质源比现有技术方法中讨论的树和类似树的源更容易粉碎，从而降低了处理成本。发明人还发现，与现有技术中使用的生物质源相比，当粉碎时本发明中使用的生物质源具有更大的均质性。除此之外，本发明的发明人还发现，可以通过改变方法中的成型步骤和/或加热步骤来得到具有改善的防水特性的生物质燃料。发明人还已经发现，控制本发明方法的成型步骤和加热步骤可改善固体生物质燃料产品的质量和均匀性，并赋予其某些物理特性，非常适合用于燃烧过程中。发明人发现生物质源的性质、以及粉碎、成型和加热步骤的特定特征共同作用可得到优于本领域已知的用于燃烧过程的优良的生物质燃料产品。
本发明的第一方面提供了一种生产固体生物质燃料的方法，其中该方法包括以下步骤：
(i)粉碎一种或多种生物质源，以得到平均粒径(D50)为1000μm至6000μm的生物质粉末；
(ii)使所述生物质粉末成型以得到生物质成型产品；
(iii)将所述生物质成型产品加热0.25至5小时到160℃至420℃的温度，以得到固体生物质燃料；
其中所述一种或多种生物质源包括(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。
优选地，一种或多种生物质源包括朱缨花(Calliandra calothyrsus)。在一个实施方案中，一种或多种生物质源基本上由朱缨花组成，甚至可以完全由朱缨花组成。在另一个实施方案中，一种或多种生物质源包括朱缨花，并且还包含马占相思、楹树、橡胶树、稻草、稻壳或椰子壳。在一些实施方案中，一种或多种生物质源包括、基本上由以下组成或由以下组成：i)朱缨花、马占相思(Acacia mangium)、楹树(Albizia chinensis)和橡胶树(Hevea brasiliensis)；或ii)朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳。
加热生物质成型产品的步骤优选进行0.5至3小时的时间。
加热生物质成型产品的步骤包括：将生物质成型产品加热至180℃至350℃的温度，优选地加热至210℃至280℃的温度。
优选地，加热生物质成型产品的步骤包括：加热生物质成型产品以烘焙生物质成型产品。
优选地，该方法还包括：在使所述生物质粉末成型以得到生物质成型产品之前干燥生物质粉末的步骤。
优选地，该方法包括：在加热步骤之后冷却固体生物质燃料的步骤。
使生物质粉末成型的步骤(ii)可以包括：调整成型步骤以控制生物质成型产品的密度。优选地，调整成型步骤以控制生物质成型产品的密度的步骤包括：控制在所述成型步骤中使用的模具的压缩比。
加热生物质成型产品的步骤(iii)通常适于控制固体生物质燃料的均匀性。优选地，调整步骤(iii)以控制固体生物质产品的均匀性包括：在设备中进行步骤(iii)，在所述设备中，生物质成型产品在加热的同时旋转。更优选地，调整步骤(iii)以控制固体生物质产品的均匀性包括：控制固体生物质产品的旋转速度或旋转方向，任选地，生物质成型产品在设备中沿逆时针和顺时针方向旋转。
根据DIN EN 15103确定的固体生物质燃料的堆密度通常为0.6kg/l至0.8kg/l，优选为0.6kg/l至0.75kg/l，最优选为0.6至0.7kg/l
根据DIN EN 15210-1确定的所生产的固体生物质燃料的机械耐久性通常为95％以上、96％以上、97％以上或98％以上。
在该方法的一些实施方案中，一种或多种生物质源和固体生物质燃料如下：
(i)一种或多种生物质源包括朱缨花，所述固体生物质燃料的堆密度为0.64kg/l至0.66kg/l，机械耐久性为96％以上；
(ii)一种或多种生物质源包括朱缨花、马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.67kg/l至0.69kg/l，机械耐久性为98％以上；
(iii)一种或多种生物质源包括朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.61kg/l至0.63kg/l，机械耐久性为95％以上；
(iv)一种或多种生物质源包括稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.60kg/l至0.62kg/l，机械耐久性为95％以上；或者
(v)一种或多种生物质源包括马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.66kg/l至0.68kg/l，机械耐久性为97％以上；
其中堆密度根据DIN EN 15103确定，机械耐久性根据DIN EN 15210-1确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的总干硫含量为0.05wt％以下，优选为0.03wt％以下，最优选为0.02wt％以下，其中总干硫含量根据DIN EN 15289确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的总干氢含量为5wt％以上，优选为5wt％至10wt％，更优选为5wt％至7wt％，其中总干氢含量根据DIN EN 15104确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的总干氧含量为34wt％以上，优选为34wt％至40wt％，更优选为34wt％至38wt％，其中总干氧含量根据DIN EN 15296确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的总干碳含量为50wt％以上，优选为53wt％至60wt％，更优选为53wt％至58wt％，其中总干碳含量根据DIN EN 15104确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的总干氮含量小于0.3wt％，优选为小于0.25wt％，更优选为小于0.2wt％，其中总干氮含量根据DIN EN 15104确定。
通常，所产生的固体生物质燃料在20天内是防水的，优选为30天，更优选为40天。
通常，所生产的固体生物质燃料浸入水中时的化学需氧量(COD)为5000ppm以下，优选为4000ppm以下，最优选为3000ppm以下，其中化学需氧量根据GB/11914-89确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的固定碳含量为25wt％以上，优选为25wt％至35wt％，更优选为25wt％至32wt％，其中固定碳含量根据DIN EN 51734确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的灰分含量小于5wt％，优选小于2.5wt％，最优选小于2wt％，其中灰分含量根据DIN EN 14775在550℃下确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的水分含量小于5wt％，优选小于2.5wt％，最优选小于2wt％，其中水分含量根据DIN EN 14774确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的挥发性物质含量为60wt％至80wt％，更优选为60wt％至70wt％，其中挥发性物质含量根据DIN EN 15148确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的热值为5000至7000kcal/kg干质量，其中热值根据DIN EN 14918确定。
通常，当生物质成型产品的堆密度为A，固体生物质燃料的堆密度为B，则B/A为0.55至1，其中堆密度根据DIN EN 15103确定。
本发明的第二方面提供了可通过本发明的第一方面的方法获得的固体生物质燃料。
本发明的第三方面提供了源自一种或多种生物质源的固体生物质燃料，其中所述一种或多种生物质源包括：(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。
优选地，一种或多种生物质源包括朱缨花。在一个实施方案中，一种或多种生物质源基本上由朱缨花组成，甚至可以完全由朱缨花组成。
在另一个实施方案中，一种或多种生物质源包括朱缨花，并且还包含马占相思、楹树、橡胶树、稻草、稻壳或椰子壳。在一些实施方案中，一种或多种生物质源包括、基本上由以下组成或由以下组成：i)朱缨花、马占相思、楹树和橡胶树；或ii)朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳。
根据DIN EN 15103确定的固体生物质燃料的堆密度通常为0.6kg/l至0.8kg/l，优选为0.6kg/l至0.75kg/l，最优选为0.6至0.7kg/l。
根据DIN EN 15210-1确定的固体生物质燃料的机械耐久性通常为95％以上、96％以上、97％以上或98％以上。
在该方法的一些实施方案中，一种或多种生物质源和固体生物质燃料如下：
(i)一种或多种生物质源包括朱缨花，所述固体生物质燃料的堆密度为0.64kg/l至0.66kg/l，机械耐久性为96％以上；
(ii)一种或多种生物质源包括朱缨花、马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.67kg/l至0.69kg/l，机械耐久性为98％以上；
(iii)一种或多种生物质源包括朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.61kg/l至0.63kg/l，机械耐久性为95％以上；
(iv)一种或多种生物质源包括稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.60kg/l至0.62kg/l，机械耐久性为95％以上；或者
(v)一种或多种生物质源包括马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.66kg/l至0.68kg/l，机械耐久性为97％以上；
其中堆密度根据DIN EN 15103确定，机械耐久性根据DIN EN 15210-1确定。
通常，固体生物质燃料的总干硫含量为0.05wt％以下，优选为0.03wt％以下，最优选为0.02wt％以下，其中总干硫含量根据DIN EN 15289确定。
通常，固体生物质燃料的总干氢含量为5wt％以上，优选为5wt％至10wt％，更优选为5wt％至7wt％，其中总干氢含量根据DIN EN 15104确定。
通常，固体生物质燃料的总干氧含量为34wt％以上，优选为34wt％至40wt％，更优选为34wt％至38wt％，其中总干氧含量根据DIN EN 15296确定。
通常，固体生物质燃料的总干碳含量为50wt％以上，优选为53wt％至60wt％，更优选为53wt％至58wt％，其中总干碳含量根据DIN EN 15104确定。
通常，固体生物质燃料的总干氮含量小于0.3wt％，优选为小于0.25wt％，更优选为小于0.2wt％，其中总干氮含量根据DIN EN 15104确定。
通常，固体生物质燃料在20天内是防水的，优选为30天，更优选为40天。
通常，固体生物质燃料浸入水中时的化学需氧量(COD)为5000ppm以下，优选为4000ppm或以下，最优选为3000ppm或以下，其中化学需氧量根据GB/11914-89确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的固定碳含量为25wt％以上，优选为25wt％至35wt％，更优选为25wt％至32wt％，其中固定碳含量根据DIN EN 51734确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的灰分含量小于5wt％，优选小于2.5wt％，最优选小于2wt％，其中灰分含量根据DIN EN 14775在550℃下确定。
通常，所生产的固体生物质燃料的水分含量小于5wt％，优选小于2.5wt％，最优选小于2wt％，其中水分含量根据DIN EN 14774确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的挥发性物质含量为60wt％至80wt％，更优选为60wt％至70wt％，其中挥发性物质含量根据DIN EN 15148确定。
通常，所产生的固体生物质燃料的热值为5000至7000kcal/kg干质量，其中热值根据DIN EN 14918确定。
通常，当生物质成型产品的堆密度为A，固体生物质燃料的堆密度为B，则B/A为0.55至1，其中堆密度根据DIN EN 15103确定。
本发明的第四方面提供了一种燃烧方法，其包括燃烧根据本发明的第二方面和第三方面所述的固体生物质燃料以产生能量的步骤。
在一个实施方案中，固体生物质燃料与化石燃料共烧并燃烧。优选地，化石燃料包括煤。
在一个实施方案中，该方法的PM1.0排放量小于175mg/kg，优选为小于150mg/kg。
本发明的第五方面提供了根据本发明的第二方面和第三方面的固体生物质燃料在该燃烧方法中作为燃料的用途。
优选地，该燃烧方法包括将固体生物质燃料与化石燃料共烧。优选地，化石燃料是煤。
在一个实施方案中，该燃烧方法的PM1.0排放量小于175mg/kg，优选为小于150mg/kg。
本发明的第六方面提供了一种或多种生物质源用于生产固体生物质燃料的用途，其中所述一种或多种生物质源包括：(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。
优选地，一种或多种生物质源如本发明的第一方面和第三方面所述。
优选地，该用途包括在本发明的第一方面所述的方法中使用一种或多种生物质源。
优选地，固体生物质燃料如本发明的第一方面和第三方面所述。
附图说明
以下通过示例并参考附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的方法生产生物质成型产品的压缩比(x轴)相对于产率(y轴)的结果图，其中生物质源由朱缨花组成。
图2是根据本发明的方法生产生物质成型产品的压缩比(x轴)相对于密度(y轴，以kg/L为单位)的结果图，其中生物质源由朱缨花组成。
图3是本发明的生物质燃料产品的照片。
图4示出本发明几种产品的堆密度。
图5示出本发明几种产品的耐久性。
图6示出本发明几种产品的硫含量。
图7示出本发明几种产品的氧含量。
图8示出本发明几种产品的碳含量。
图9示出本发明几种产品的氮含量。
图10示出本发明几种产品的碳含量。
图11示出本发明几种产品的灰分含量。
图12示出本发明几种产品的水分含量。
图13示出本发明几种产品的挥发性物质含量。
图14示出本发明几种产品的PM1.0排放量。
图15示出在人工气候室内对本发明产品的测试结果。
图16示出在人工气候室内对本发明产品的另一测试结果。
图17示出在气候室内测试后本发明几种产品的表面水分含量的结果。
图18示出在人工气候室内对本发明产品的另一测试结果。
图19和图20示出可以在本发明的方法的成型步骤中使用的压缩模具。
图21和图22示出本发明的固体生物质燃料粒料的各种物理性质和化学性质。
具体实施方式
生物质源
根据本发明使用的一种或多种生物质源可以是以上讨论的任何来源。在一个优选的实施方案中，一种或多种生物质源包括朱缨花、基本上由朱缨花组成或由朱缨花组成。当一种或多种生物质源包括朱缨花和一种或多种其他生物质源时，一种或多种生物质源可以包含任意量的朱缨花，例如5wt％至95wt％。通常，当一种或多种生物质源包括朱缨花和一种或多种其他生物质源时，朱缨花的存在量为一种或多种生物质源的50wt％至90wt％。当一种或多种生物质源包括稻草、稻壳和椰子壳的混合物或马占相思、楹树和橡胶树的混合物，或由稻草、稻壳和椰子壳的混合物或马占相思、楹树和橡胶树的混合物组成时，则所述一种或多种生物质源的每种组分都可以以合适的量存在，例如5wt％至95wt％。可以通过本领域已知的常规方法获得或收获以上讨论的一种或多种生物质源中的每一种。
如上所述，发明人已经发现本发明中使用的一种或多种生物质源可以以商业规模生长和收获，与现有技术中使用的树木木材材料相比，能更好地控制生物质源的质量和特定特性。使用所述材料还避免了使用树木造成的环境损害，例如必要的森林砍伐。令人惊讶的是，本发明中使用的一种或多种生物质源比所述先前使用的材料更容易粉碎，从而降低了粉碎过程的成本。当粉碎时使用本发明的材料比所述先前使用的材料表现出更均匀的粒度混合。不受理论的束缚，据信这将赋予最终固体燃料产品有利的性能，例如生物质燃料产品可具有更大的均匀性和连续性。由于多种原因，这在燃烧过程中是理想的。
生物质的粉碎
可通过本领域已知的标准技术将生物质源粉碎成生物质粉末。可以将生物质源粉碎，使得生物质粉末具有1000μm至6000μm的平均粒径(D50)。如上所述，将特定的生物质源粉碎用于本发明可以得到具有比粉碎现有已知生物质源得到的粒径分布更有利的粒径分布的生物质粉末。
生物质粉末的成型
使生物质粉末成型以得到生物质成型产品。成型步骤可以在本领域已知的任何成型设备中并且根据本领域已知的生物质成型技术进行，可以包括挤出系统。优选地，成型步骤在压缩模具中进行。优选地，压缩模具包括模具产品出口孔。可以使用在CN105435708中描述的设备来执行成型步骤。
优选地，成型步骤包括使生物质粉末成型为粒料。因此，在优选的实施方案中，生物质成型产品包括生物质粒料。
虽然已知使生物质粉末成型以得到生物质成型产品，但是本发明的发明人惊奇地发现，调整成型步骤可使得从所述步骤生产的生物质成型产品的密度被控制在一定范围内。该范围赋予最终的固体生物质燃料产品某些有利的性能。具体地，发明人已经发现控制成型步骤使得生物质成型产品的堆密度在0.9至1.6kg/L的范围内可赋予最终的生物质燃料产品有利的性能。优选地，控制成型步骤使得生物质成型产品的堆密度为1.1kg/L至1.25kg/L。
成型步骤可以以多种方式控制。在成型过程包括使用压模的情况下，通过采用3.8至6.5的压缩比来控制密度。通常，压缩比越小，生物质成型产品的密度越低。但是，压缩比越高，生物质成型产品的产率越低。
具有模具产品出口孔的压缩模具的压缩比可以定义为模具产品出口孔的长度与直径之比。
图19和图20示出了可以根据本发明使用的压缩模具的示例。将生物质粉末插入模具的内部，再通过压力将生物质粉末从模具内部挤压，以使其从图中的模具产品出口孔排出。在图中显示的压缩比为产品出口孔长度与其直径之比。
在本发明的方法中，优选地，使生物质粉末成型的步骤(ii)包括：调整成型步骤，使得将生物质成型产品的密度控制在1.1kg/L至1.25kg/L的范围内。优选地，通过使用压模并控制压模的压缩比来控制密度。压缩比更优选为3.8至6.5。
令人惊奇的是，在成型步骤中控制生物质成型产品的密度可以改善最终的生物质燃料产品的防水能力。优选地，由密度为1.1kg/L至1.25kg/L的生物质成型产品生产的固体生物质燃料产品在20天内具有足够的防水性能，优选地为30天。
图1是根据本发明的方法生产生物质成型产品的压缩比(x轴)相对于产率(y轴)的结果图，其中生物质源由朱缨花组成。
图2是根据本发明的方法生产生物质成型产品的压缩比(x轴)相对于密度(y轴，以kg/L为单位)的结果图，其中生物质源由朱缨花组成。
加热生物质成型产品
加热生物质成型产品以得到固体生物质燃料。加热在160℃至420℃的温度下进行0.25小时至5小时。优选地，加热生物质成型产品的步骤进行0.5至3小时。优选地，加热生物质成型产品的步骤包括：将生物质成型产品加热至180℃至350℃，更优选地加热至210℃至280℃。
如上所述，在本发明方法的加热步骤(iii)中加热生物质成型产品时，生物质成型产品优选包含粒料。
优选地，加热生物质成型产品的步骤(iii)包括：在一定条件下加热生物质成型产品以烘焙生物质成型产品。烘焙是温和的热解过程，在该过程中加热在低氧气氛(例如氧含量小于10％)中进行。烘焙的合适条件和过程是本领域已知的。因此，优选地，加热生物质成型产品的步骤(iii)包括烘焙。使用包含粒料的生物质成型产品优于现有的烘焙工艺，在现有技术中，将经磨碎的生物质源(例如木屑)直接进行烘焙而不将其粉碎成粒料。粒料通常比木屑致密得多，这意味着它们含有更多单位体积的能量。体积更小节省了烘焙加热设备的能量需求。因此，使用粒料是更经济的。加热步骤可以在本领域已知的用于加热生物质成型产品以生产固体生物质燃料产品的任何合适的设备中进行。例如，加热步骤可以在EP3287509A1中公开的设备和工艺条件下进行。
优选地，加热生物质成型产品的步骤(iii)适合于控制固体生物质燃料的均匀性，任选地其中调整步骤(iii)以控制固体生物质产品的均匀性包括：在设备中进行步骤(iii)，在所述设备中，所述生物质成型产品在加热的同时旋转，任选地，调整步骤(iii)以控制固体生物质产品的均匀性包括：控制固体生物质产品的旋转速度或旋转方向；任选地，生物质成型产品在设备中沿逆时针和顺时针方向旋转。还可以通过上述加热温度和时长来优化生物质产品的均匀性。
当本发明的方法包括在加热生物质的步骤之后进行冷却的步骤时，该冷却步骤可以包括旋转生物质。可以在诸如EP3287509A1中公开的那些合适的设备中旋转生物质。优选地，加热步骤(iii)和冷却生物质的步骤均包括旋转生物质。当在冷却步骤或加热步骤中旋转生物质时，生物质可以沿不同的方向旋转，例如在连续循环中顺时针和逆时针旋转。
固体生物质产品的术语“均匀性”用于指在固体生物质燃料产品的样品中每个颗粒以及多个颗粒具有恒定或相似性质。例如但不限于，颗粒的密度、颗粒的易燃性、颗粒的化学组成以及颗粒的耐水性。对于燃烧过程中使用的生物质燃料而言，均匀性是非常理想的特性。
发明人还发现，与现有技术的生物质燃料相比，以上述方式控制加热步骤还有助于得到具有增强的防水性能的固体生物质燃料产品。
固体生物质燃料产品
固体生物质燃料产品可以具有以上讨论的任何物理性质。
如上所述，本发明的固体生物质燃料优选包含粒料。粒料可以是任何合适的尺寸。优选地，粒料的直径为3mm至100mm，更优选地为5mm至8mm。优选地，粒料的长度为20mm至60mm，更优选地为30mm至50mm。如上所述，令人惊奇的是，与通过现有技术方法制造的固体生物质燃料产品相比，本发明的固体生物质燃料产品具有增强的防水特性。据信这是由于控制了成型步骤和/或加热步骤，如上所述。发明人发现现有技术的生物质燃料仅在10天的时间内具有足够的防水性能。相反，本发明的固体生物质燃料产品在20天内具有足够的防水性能，优选为30天内，更优选为40天内。
固体生物质燃料的防水性能是根据荷兰能源研究中心(ECN)的标准测试确定的，下面将对此进行详细介绍。
本发明的固体生物质燃料的水分含量也可以通过ECN的标准测试方法来确定。本发明的固体生物质燃料的水分含量通常为5wt％至9wt％，优选为6wt％至8wt％，并且更优选为6wt％至7wt％。
本发明的固体生物质燃料具有出乎意料的优异的机械耐久性。机械耐久性通常高于95％。这是有利的，因为已发现机械耐久性为95％以上的生物质粒料能够储存在室外且无损坏长达两个月。相反，机械耐久性低于95％的生物质粒料通常会受到降雨的破坏，无法存储在室外。因此，优异的机械耐久性是本发明的生物质粒料的另一个优点。
与固体生物质燃料颗粒的高耐久性相关的另一个优点是，如果粒料在某种程度上被力破坏，与低机械耐久性的粒料相比，高耐久性粒料会破碎成更大的碎片。这样可以最大程度地减少粉尘爆炸的风险。
燃烧方法
本发明的产物可以用于多种不同的燃烧方法中。所述产品在特定过程中的适用性对于本领域技术人员是显而易见的。例如，本发明的生物质燃料可单独用于发电厂的燃烧方法或工业方法。或者，本发明的生物质产品可以与附加燃料(例如煤)共烧用于燃烧过程中。
据发现，与本领域已知的其他生物质燃料相比，本发明的产品的PM1.0排放量非常低。此外，该方法的PM1.0排放量低于涉及煤燃烧的过程。
据发现，本发明的生物质燃料的改进的物理性质使该生物质特别适合与煤共烧。例如，产品改进的质量和均匀性使得本发明的生物质燃料能够与煤特别良好地共烧。本发明的生物质燃料改进的防水性能还意味着该生物质特别适合与煤共烧，这样的防水性能使其更易于存储和运输。
实施例1
根据本发明的方法进行。生物质源仅是朱缨花。加热步骤的温度从220℃至280℃，持续0.5至3.5小时，并冷却以获得固体生物质燃料。
固体产品的照片如图3所示。
实施例2
根据本发明的方法进行。生物质源是70wt％的朱缨花，10wt％的马占相思，10wt％的桉树(albizia chinensis)和10wt％的橡胶树(hevea brasiliensis)。
加热步骤的温度从220℃至280℃，持续0.5至3.5小时，并冷却以获得固体生物质燃料。
实施例3
根据本发明的方法进行。生物质源是70wt％的朱缨花，10wt％的稻草，10wt％的稻壳和10wt％的椰子壳。
加热步骤的温度从220℃至280℃，持续0.5至3.5小时，并冷却以获得固体生物质燃料。
实施例4
根据本发明的方法进行。生物质源是40wt％的稻草，10wt％的稻壳和50wt％的椰子壳。
加热步骤的温度从220℃至280℃，持续0.5至3.5小时，并冷却以获得固体生物质燃料。
实施例5
根据本发明的方法进行。生物质源是30wt％的马占相思，30wt％的楹树和40wt％的橡胶树(hevea brasiliensis)。
加热步骤的温度从220℃至280℃，持续0.5至3.5小时，并冷却以获得固体生物质燃料。
实施例1至5的固体生物质燃料的表征
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的堆密度(kg/l)示于图4。使用DIN EN15103确定的堆密度为0.643kg/L。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的耐久性示于图5。耐久性根据DIN EN15210-1确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的硫含量示于图6。硫含量根据DIN EN15289确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的氧含量示于图7。氧含量根据DIN EN15296确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的碳含量示于图8。碳含量根据DIN EN15104确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的氮含量示于图9。氮含量根据DIN EN15104确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的固定碳含量示于图10。固定碳含量根据DIN EN 51734确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的灰分含量示于图11。灰分含量根据DIN EN14775在550℃下确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的水分含量示于图12。水分含量根据DIN EN14774-2确定。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的挥发性物质含量示于图13。
实施例1至5中生产的固体生物质燃料的PM1.0排放量示于图14。PM1.0排放量根据德国ECN测试机构的标准方法确定。
在以上附图中，实施例1的产物表示为A，实施例2的产物表示为B，实施例3的产物表示为C，实施例4的产物表示为D，实施例5的产物表示为E。
实施例6
在人工气候实验中测试实施例1的固体生物质燃料，将其暴露于人工气候室10天。该测试是ECN标准测试，用于评估生物质燃料颗粒的水分含量。
该测试的结果示于图15中。图15的结果表明，在27℃和90％相对湿度的条件下暴露约14天后，生物质粒料的平衡水分吸收稳定在6至7wt％。对于烘焙过的生物质粒料而言，该水分含量较低，表明与现有技术中已知的固体生物质燃料相比，生物质粒料具有高疏水性和高度防水性。
在气候室的第二个实验中，将固体生物质燃料在27℃温度下在水中浸泡15分钟后，将其暴露在气候室中。浸入水中后，样品的水分含量为90wt％。在气候室内暴露10天后，燃料的水分含量稳定在7.6％左右。该结果示于图16和图18。粒料的浸没对10天后达到的平衡水分含量没有影响。
实施例7
对实施例2至5的产物重复气候室实验。
图17示出实施例1至5的产品的表面水分含量。可以看出，生物质粒料的表面水分和实际水分含量非常相似。
在图15至图18中，y轴上的值是生物质粒料中水分的重量百分比。
实施例8
图21和图22示出本发明的固体生物质燃料粒料的各种物理性质和化学性质。

Claims (25)

1.一种生产固体生物质燃料的方法，其中所述方法包括以下步骤：
(i)粉碎一种或多种生物质源，以得到平均粒径(D50)为1000μm至6000μm的生物质粉末；
(ii)使所述生物质粉末成型以得到生物质成型产品；
(iii)将所述生物质成型产品加热0.25至5小时到160℃至420℃的温度，以得到固体生物质燃料；
其中所述一种或多种生物质源包括(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种生物质源包括朱缨花；任选地所述一种或多种生物质源进一步包括马占相思、楹树、橡胶树、稻草、稻壳或椰子壳。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述一种或多种生物质源包括、基本上由以下组成或由以下组成：i)朱缨花、马占相思、楹树和橡胶树；或ii)朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述生物质成型产品加热0.5至3小时，和/或加热所述生物质成型产品的步骤包括：加热所述生物质成型产品到180℃至350℃的温度，任选地加热到210℃至280℃的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述生物质成型产品加热的步骤(iii)包括：在一定条件下加热所述生物质成型产品以烘焙所述生物质成型产品。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：在使所述生物质粉末成型以得到生物质成型产品之前干燥所述生物质粉末的步骤，和/或所述方法包括：在加热步骤之后冷却所述固体生物质燃料的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使所述生物质粉末成型的步骤(ii)包括：调整所述成型步骤以控制所述生物质成型产品的密度，任选地，调整所述成型步骤以控制所述生物质成型产品的密度的步骤包括：控制在所述成型步骤中使用的模具的压缩比。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中调整加热所述生物质成型产品的步骤(iii)以控制所述固体生物质产品的均匀性；任选地调整步骤(iii)以控制所述固体生物质产品的均匀性包括：在设备中进行步骤(iii)，在所述设备中，所述生物质成型产品在加热的同时旋转；任选地调整步骤(iii)以控制所述固体生物质产品的均匀性包括：控制固体生物质产品的旋转速度或旋转方向；任选地所述生物质成型产品在所述设备中沿逆时针和顺时针方向旋转。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据DIN EN 15103确定的所述固体生物质燃料的堆密度为0.6kg/l至0.8kg/l，优选为0.6kg/l至0.75kg/l，最优选为0.6至0.7kg/l，和/或根据DIN EN 15210-1确定的固体生物质燃料的机械耐久性为95％以上、96％以上、97％以上或98％以上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
(i)所述一种或多种生物质源包括朱缨花，所述固体生物质燃料的堆密度为0.64kg/l至0.66kg/l，机械耐久性为96％以上；
(ii)所述一种或多种生物质源包括朱缨花、马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.67kg/l至0.69kg/l，机械耐久性为98％以上；
(iii)所述一种或多种生物质源包括朱缨花、稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.61kg/l至0.63kg/l，机械耐久性为95％以上；
(iv)所述一种或多种生物质源包括稻草、稻壳和椰子壳的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.60kg/l至0.62kg/l，机械耐久性为95％以上；或者
(v)所述一种或多种生物质源包括马占相思、楹树和橡胶树的混合物，所述固体生物质燃料的堆密度为0.66kg/l至0.68kg/l，机械耐久性为97％以上；
其中堆密度根据DIN EN 15103确定，机械耐久性根据DIN EN 15210-1确定。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中
(i)所述固体生物质燃料的总干硫含量为0.05wt％以下，优选为0.03wt％以下，最优选为0.02wt％以下，其中总干硫含量根据DIN EN 15289确定；
(ii)所述固体生物质燃料的总干氢含量为5wt％以上，优选为5wt％至10wt％，更优选为5wt％至7wt％，其中总干氢含量根据DIN EN 15104确定；
(iii)所述固体生物质燃料的总干氧含量为34wt％以上，优选为34wt％至40wt％，更优选为34wt％至38wt％，其中总干氧含量根据DIN EN 15296确定；
(iv)所述固体生物质燃料的总干碳含量为50wt％以上，优选为53wt％至60wt％，更优选为53wt％至58wt％，其中总干碳含量根据DIN EN 15104确定；和/或
(v)所述固体生物质燃料的总干氮含量小于0.3wt％，优选为小于0.25wt％，更优选为小于0.2wt％；其中总干氮含量根据DIN EN 15104确定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固体生物质燃料在20天内是防水的，优选为30天，更优选为40天。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中
(i)所述固体生物质燃料浸入水中时的化学需氧量为5000ppm以下，优选为4000ppm以下，最优选为3000ppm以下，其中化学需氧量根据GB/11914-89确定；
(ii)所述固体生物质燃料的固定碳含量为25wt％以上，优选为25wt％至35wt％，更优选为25wt％至32wt％；
(iii)所述固体生物质燃料的灰分含量小于5wt％，优选为小于2.5wt％，最优选为小于2wt％；和/或
(iv)所述固体生物质燃料的挥发性物质含量为60wt％至80wt％，更优选为60wt％至70wt％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述固体生物质燃料的水分含量小于5wt％，优选为小于2.5wt％，最优选为小于2wt％，和/或所述固体生物质燃料的热值为5000至7000kcal/kg干质量。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，当所述生物质成型产品的堆密度为A，所述固体生物质燃料的堆密度为B，则B/A为0.55至1，其中堆密度根据DIN EN 15103确定。
16.通过前述权利要求中任一项所述的方法获得的固体生物质燃料。
17.源自一种或多种生物质源的固体生物质燃料，其中所述一种或多种生物质源包括：(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物。
18.根据权利要求17所述的固体生物质燃料，其中所述一种或多种生物质源或固体生物质燃料如权利要求2、3或9至15中任一项或多项所定义。
19.一种燃烧方法，包括燃烧根据权利要求16至18中任一项所述的固体生物质燃料以产生能量的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述固体生物质燃料与例如煤的化石燃料共烧并燃烧。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法的PM1.0排放量小于175mg/kg，优选为小于150mg/kg。
22.根据权利要求16至18中任一项所述的固体生物质燃料在所述燃烧方法中作为燃料的用途；任选地所述燃烧方法包括：将所述固体生物质燃料与例如煤的化石燃料共烧。
23.根据权利要求22所述的用途，其中所述燃烧方法的PM1.0排放量小于175mg/kg，优选为小于150mg/kg。
24.一种或多种生物质源用于生产固体生物质燃料的用途，其中所述一种或多种生物质源包括：(i)豆科的物种，(ii)稻草、稻壳和椰子壳的混合物，或(iii)马占相思、楹树和橡胶树的混合物；任选地所述一种或多种生物质源如权利要求2或3所定义。
25.根据权利要求24所述的用途，其中所述用途包括：在根据权利要求1至15中任一项所述的方法中使用所述一种或多种生物质源，和/或所述固体生物质燃料如权利要求16至18中任一项所定义。
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