CN112111311A - 一种生物质颗粒燃料及其制备方法 - Google Patents

一种生物质颗粒燃料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种生物质颗粒燃料及其制备方法，涉及废弃生物质资源开发利用领域。本发明公开的生物质颗粒燃料是先将生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入所述木质素基粘结剂和添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后，制得所述生物质颗粒燃料，所述木质素基粘结剂是由聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，调节PH值，搅拌，过滤、干燥、粉碎获得的。本发明提供的生物质颗粒燃料，通过加入木质素基粘结剂，提高了生物质颗粒燃料的成型率，且在运输过程中不易破碎，燃烧速度稳定，本发明在燃烧过程中不易产生结渣，提高了燃烧效率，延长了燃烧装置的寿命，减少了环境污染。

Description

一种生物质颗粒燃料及其制备方法
技术领域
本发明属于废弃生物质资源开发利用领域，尤其涉及一种生物质颗粒燃料及其制备方法。
背景技术
随着世界范围内能源危机的出现以及由于大量使用矿物燃料所带来的日益严重的环境问题，世界各国越来越重视对生物质能源的开发利用。我国是一个固体生物质能源大国，各种农作物秸秆、林木废弃物等生物质燃料极为丰富，但长期未能得到有效利用。近几年来，由于能源资源短缺和生态环境保护问题日益突出，开发固体生物质成型燃料引起了人们的关注。
生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。原料的密度一般为0.1-0.13t/m3，成型后的颗粒密度1.1-1.3t/m3，方便储存、运输，且大大改善了生物质的燃烧性能。生物质颗粒燃料是一种新型的能源，主要用于气化和燃烧。由于生物质中储存的能量来源于太阳能，因此，生物质颗粒燃料的燃烧在循环角度讲，不会对环境造成污染。生物质颗粒的含硫量和含氮量低，易着火，燃烧效率高，灰分含量小，燃烧后，SO2和NOx以及烟尘的排放量比化石燃料要小得多，是一种清洁的能源，也是一种既具有矿物质燃料属性，又具有可存储、可再生、可转换、运输方便的特点，并较少受自然条件限制的能源。对保护生态环境，发展社会经济，实施能源可持续发展战略有着重大的现实意义。
生物质颗粒燃料具有高效、洁净、点火容易等优点，但由于生物质本身能量密度低、燃烧速度不稳定、储存和运输困难等导致直接利用遭到限制，通常添加粘合剂，以解决挤压成型困难，结构不紧密的问题。目前通常使用木质素或油脂作为生物质颗粒燃料的粘结剂，但单一使用的木质素或油脂的效果并不佳，在运输的过程中颗粒燃料容易碎裂，且燃烧速度不稳定。由于生物质多数为秸秆、灌木等农林废弃物，其中Na、K、Si及其它挥发性物质含量较高，而且在生物质颗粒制作过程中混有尘土、沙粒等杂质，燃烧中灰渣含量高，且结焦、结渣严重，导致锅炉出现了燃烧效率低、运行不稳定等问题，极大的限制了生物质燃料的使用。
中国发明专利CN201410355716.3公开了一种生物质颗粒燃烧添加剂的制备和使用方法，该添加剂由氧化钙、碳酸钙、氧化铁和凹凸棒石粘土混合制备而成，该添加剂制备的生物质燃料具有燃烧效率高、不容易发生结渣等优点。但本发明中制备的生物质燃料各组分间的结合力不好，产品密度小，易碎料，且燃烧速率不稳定。中国发明专利CN201510258246.3公开了一种生物质颗粒燃料粘结剂的制备方法及其应用，该方法首先通过酸性溶液中和木质加工废液至pH为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液，然后加入絮凝剂使悬浮液中的木质素颗粒凝聚沉淀，再经过干燥、粉碎、筛分后得到生物质颗粒燃料粘结剂，该粘结剂能有效的提高颗粒燃料的成型率、产品密度、耐久度以及低位热值。但本发明中制备的生物质颗粒燃烧中灰渣含量高，易结渣，燃烧效率低，锅炉使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物质颗粒燃料，通过加入木质素基粘结剂，提高了生物质颗粒燃料的成型率，且在运输过程中不易破碎，燃烧速度稳定，本发明在燃烧过程中不易产生结渣，提高了燃烧效率，延长了燃烧装置的寿命，减少了环境污染。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种生物质颗粒燃料，包括生物质原料和木质素基粘结剂，所述木质素基粘结剂的添加量为所述生物质原料质量的2-5％；
所述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将尿素溶于水中，然后加入聚丙烯酸、过硫酸铵和戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得所述的木质素基粘结剂。
进一步的，还包括添加剂，所述添加剂为硅藻土、磷酸二氢铵、磷酸钙和氧化铝，所述添加剂的添加量为所述生物质原料质量的0.8-1.5％。
进一步的，所述添加剂的组分按质量百分比计为：25-45％硅藻土、15-20％磷酸二氢铵、20-35％磷酸钙和20-30％氧化铝。
进一步的，所述步骤(2)中尿素与聚丙烯酸的质量比为(0.2-0.5)：1。
进一步的，所述步骤(2)中所述过硫酸铵的添加量为所述尿素和聚丙烯质量和的0.1-0.3％，所述戊二醛的添加量为所述尿素和聚丙烯质量和的0.2-0.5％。
进一步的，所述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为12-30g/L。
进一步的，所述生物质原料为秸秆、木屑、锯末、植物残渣、烟叶废料、竹屑中的一种或多种。
如上述所述的生物质颗粒燃料的制备方法，包括以下具体步骤：将生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入所述木质素基粘结剂和添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后，制得所述生物质颗粒燃料。
进一步的，所述粉料的水分含量≤20％，所述粉料的粒径≤0.5mm。
进一步的，所述木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm，所述添加剂的粒径为0.05-0.1mm。
本发明取得了以下有益效果：
1、本发明通过聚丙烯酸/尿素聚合物沉淀造纸废液中的木质素，使用木质素与聚丙烯酸/尿素聚合物反应生成木质素基粘结剂，该粘结剂中含有-CO-NH、-COO-、NH-、-OH等活性基团，能与生物质原料的基质间形成较强的界面相互作用力，缩小生物质原料间的孔隙率，提高生物质颗粒的成型率和密度，使其在运输和使用过程中不易破碎。
2、本发明粉料的粒径选择小于0.5mm，提高了生物质颗粒燃料的密实度，延长了燃烧时间。
3、本发明的木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm，能实现木质素基粘结剂在生物质原料中分散均匀，使生物质原料间的粘结效果稳定，从而使其燃烧速率稳定。
4、本发明利用造纸废液制得木质素基粘结剂，造纸废液中的木质素含量非常高，但还由一些有毒物质，对环境危害特别大，本发明利用聚丙烯酸/尿素聚合物对造纸废液进行改性，获得了具有优异粘结性能的木质素基粘结剂，不仅合理利用了木质素，还减轻了环境负担，是一种环境友好型粘结剂。
5、本发明的添加剂利用硅藻土、磷酸二氢铵、磷酸钙和氧化铝组合在一起，可将生物原料中易挥发性有机酸转变成相应的有机酸盐固定下来，从而防止了在压制生物质颗粒是或起始燃烧阶段酸性易挥发气体挥发至大气，避免了酸性气体的环境污染和燃烧不充分；本添加剂可将生物质颗粒燃料中的Al、Ca、Fe、K、Mg等碱金属元素固定下来，能有效的改善由于生物质颗粒燃料本身含有的碱金属而引起的积灰和结渣问题；本改性剂还能与生物质颗粒燃料中的氯反应，起到固氯的作用，避免含氯气体的排放污染环境。
6、本发明的硅藻土在高温中燃烧会生成疏松多孔的产物，能增大生物质颗粒燃料与氧气的接触面积，促进燃烧反应的进行，使燃烧反应更充分的进行；本发明的木质素基粘结剂在燃烧的过程中会结焦，延长燃烧时间，从而提高燃烧效率，
7、因为本发明的生物质燃料燃烧后的灰烬中，富含钙、镁、磷、钾、钠等元素，因此可作为循环再生资源，成为高效有机肥。
8、本发明易点燃，燃料热值高，燃烧时间长，每公斤燃烧时间可达2-4h。
9、本发明的制备方法简单，原料简单易得，且成本较低。本发明通过加入木质素基粘结剂，提高了生物质颗粒燃料的成型率，且在运输过程中不易破碎，燃烧速度稳定；本发明通过加入组合型添加剂，使生物质颗粒在燃烧过程中不易产生结渣，提高了燃烧效率，延长了燃烧装置的寿命，减少了环境污染。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明的生物质颗粒燃料及其制备方法予以说明。
本发明的生物质原料可为秸秆、木屑、锯末、植物残渣、烟叶废料、竹屑中的一种或多种。但下面的实施例和对比例中使用的生物质原料为竹屑、植物残渣和秸秆的混合物，且植物残渣、秸秆和竹屑的质量比为3：2：1。
实施例1
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入2kg木质素基粘结剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将0.2kg尿素溶于水中，然后加入1kg聚丙烯酸、1.2g过硫酸铵和2.4g戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得的木质素基粘结剂。
其中，上述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为30g/L。
实施例2
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入5kg木质素基粘结剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将0.5kg尿素溶于水中，然后加入1kg聚丙烯酸、4.5g过硫酸铵和7.5g戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得的木质素基粘结剂。
其中，上述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为12g/L。
实施例3
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入3.5kg木质素基粘结剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将0.4kg尿素溶于水中，然后加入1kg聚丙烯酸、3.2g过硫酸铵和4.8g戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得的木质素基粘结剂。
其中，上述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为25g/L。
实施例4
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入4.2kg木质素基粘结剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将0.3kg尿素溶于水中，然后加入1kg聚丙烯酸、2.6g过硫酸铵和3.0g戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得的木质素基粘结剂。
其中，上述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为20g/L。
对比例1
一种生物质颗粒燃料的原料与制备方法与实施例3相同，不同的是，本对比例1中未加入木质素基粘结剂。
将实施例1-4与对比例1中的生物质颗粒燃料挤压成直径为8mm，长度为15-30mm的圆柱形颗粒，自然冷却后，计算产品的成型率、密度、灰分及空气干燥基发热量，如下表1。
表1木质素基粘结剂对生物质颗粒燃料产品质量的检测结果
成型率(％) 密度(g/cm<sup>2</sup>) 灰分(％) 低位热值(kcal/kg)
实施例1 97.3 1.41 1.32 4848
实施例2 99.5 1.52 1.45 4959
实施例3 99.1 1.48 1.01 5025
实施例4 98.7 1.46 1.13 5001
对比例1 82.4 1.01 1.55 4096
从表1的检测结果可以看出，添加木质素基粘结剂后，本发明的成型率、密度和低位热值均有明显增高，灰分减少，提高了燃烧热值，提高了整体的燃烧性能。
实施例5
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入2kg木质素基粘结剂和1.5kg添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述添加剂的组分按质量百分比计为：25％硅藻土、15％磷酸二氢铵、35％磷酸钙和25％氧化铝。
上述木质素基粘结剂的制备方法与实施例1相同，具体参照实施例1。
实施例6
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入5kg木质素基粘结剂和0.8kg添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述添加剂的组分按质量百分比计为：45％硅藻土、15％磷酸二氢铵、20％磷酸钙和20％氧化铝。
上述木质素基粘结剂的制备方法与实施例2相同，具体参照实施例2。
实施例7
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入3.5kg木质素基粘结剂和0.9kg添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述添加剂的组分按质量百分比计为：30％硅藻土、20％磷酸二氢铵、20％磷酸钙和30％氧化铝。
上述木质素基粘结剂的制备方法与实施例3相同，具体参照实施例3。
实施例8
一种生物质颗粒燃料，是将100kg生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入4.2kg木质素基粘结剂和1.2kg添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后所得。其中，粉料的水分含量≤20％，粉料的粒径≤0.5mm，木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm。
上述添加剂的组分按质量百分比计为：35％硅藻土、18％磷酸二氢铵、22％磷酸钙和25％氧化铝。
上述木质素基粘结剂的制备方法与实施例4相同，具体参照实施例4。
对比例2为未加添加剂的实施例3。
将实施例5-8与对比例2制成的生物质颗粒燃料挤压成直径为8mm，长度为15-30mm的圆柱形颗粒，测量灰分、燃烧热值和挥发气体的排放量，如下表2。
表2添加剂对生物质颗粒燃料产品质量的检测结果
Figure BDA0002711326700000111
从表2的检测结果可以看出，本发明中加入添加剂后，灰分有少量增加，但挥发性气体的排放量明显减少，燃烧热值显著增加，因此，添加剂的加入，提高了生物质颗粒燃料的燃烧效率，减少了有害气体的挥发以及锅炉的结渣率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物质颗粒燃料，其特征在于，包括生物质原料和木质素基粘结剂，所述木质素基粘结剂的添加量为所述生物质原料质量的2-5％；
所述木质素基粘结剂的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)将造纸废液用盐酸溶液调节PH值为3.5-6，得到含木质素颗粒的悬浮液；
(2)将尿素溶于水中，然后加入聚丙烯酸、过硫酸铵和戊二醛，搅拌均匀，用质量分数为50％的氢氧化钠溶液调节PH值为7-8，缓慢升温至60-70℃，并在250-350r/min速率下搅拌反应2-3h，制得聚丙烯酸/尿素共混物；
(3)将聚丙烯酸/尿素共混物冷却后，干燥，粉碎，过筛，制得所需的聚丙烯酸/尿素聚合物；
(4)将上述制得的聚丙烯酸/尿素聚合物加入到含木质素颗粒的悬浮液中，搅拌均匀，然后加入盐酸溶液调节PH值为3-4，搅拌30-50min，过滤，将获得的固体沉淀干燥、粉碎，制得所述的木质素基粘结剂。
2.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，还包括添加剂，所述添加剂为硅藻土、磷酸二氢铵、磷酸钙和氧化铝，所述添加剂的添加量为所述生物质原料质量的0.8-1.5％。
3.根据权利要求2所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，所述添加剂的组分按质量百分比计为：25-45％硅藻土、15-20％磷酸二氢铵、20-35％磷酸钙和25-30％氧化铝。
4.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，所述步骤(2)中尿素与聚丙烯酸的质量比为(0.2-0.5)：1。
5.根据权利要求4所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，所述步骤(2)中所述过硫酸铵的添加量为所述尿素和聚丙烯质量和的0.1-0.3％，所述戊二醛的添加量为所述尿素和聚丙烯质量和的0.2-0.5％。
6.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，所述聚丙烯酸/尿素聚合物的添加量为12-30g/L。
7.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃料，其特征在于，所述生物质原料为秸秆、木屑、锯末、植物残渣、烟叶废料、竹屑中的一种或多种。
8.如权利要求1-7任一所述的生物质颗粒燃料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：将生物质原料烘干、粉碎，得到粉料，然后向粉料中加入所述木质素基粘结剂和添加剂，通过搅拌机搅拌均匀后，通过机械压缩、制粒和冷却后，制得所述生物质颗粒燃料。
9.根据权利要求8所述的生物质颗粒燃料的制备方法，其特征在于，所述粉料的水分含量≤20％，所述粉料的粒径≤0.5mm。
10.根据权利要求8所述的生物质颗粒燃料的制备方法，其特征在于，所述木质素基粘结剂的粒径为0.03-0.06mm，所述添加剂的粒径为0.05-0.1mm。
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