CN114381310B - 一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法 - Google Patents

一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法，属于新能源和燃料加工技术领域。本发明生物质木屑颗粒燃料按重量份数计包括如下原料：木材加工废屑50‑70份、农产品废弃物75‑115份、防结渣剂15‑35份、改性灰1.5‑3.5份、聚乙烯醇5‑8份、氧化锌0.6‑1.0份、硅烷偶联剂0.5‑2.0份；其中，所述防结渣剂为凹凸棒石粘土，所述改性灰包括草木灰和粉煤灰；采用所述改性灰对防结渣剂进行预处理改性。本发明通过对凹凸棒石粘土酸处理并采用草木灰、粉煤灰改性，得到的改性物能够大幅度降低生物质燃料燃烧时产生的气态碱金属化合物的浓度从而显著减少燃烧时的积灰结渣现象。本发明制备的生物质木屑颗粒燃料能够很好的代替部分化石能源，具有良好的应用前景。

Description

一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源和燃料加工技术领域，具体涉及一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法。
背景技术
新能源是指传统能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核能等。与传统的不可再生能源相比，新能源周而复始、取之不尽，对环境污染小，是满足人类社会可持续发展的最佳能源选择。
生物质能来源于生物质，是太阳能以化学形式贮存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地源于植物的光合作用。我国拥有丰富的生物质资源，农林业可利用生物质资源总量超过20亿吨。生物质颗粒燃料是以农林废弃物为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成的颗粒状的可直接燃烧的一种新型清洁燃料。生物质颗粒燃料具有发热量大、纯度高且不含硫磷、燃烧时不污染大气、燃烧后的灰烬还是优质的有机钾肥可再利用等众多优点。我国生物质能的利用研究目前主要集中在大中型畜禽场沼气工程技术、秸秆气化集中供气技术等项目，对于生物质颗粒燃料产品的研究利用还刚刚起步。
植物在生长过程中会吸收一定量的金属元素，这些金属元素以盐或氧化物等形式存在于生物质机体内，且熔点相对较低。当该类生物质制成的生物质颗粒燃料在锅炉内燃烧时，炉内温度远高于这些金属化合物的熔点，因此，在温度过高时灰分会全部或者部分发生熔化，形成玻璃状的坚硬炉渣，难以清除。此外，烟气中夹带着熔化或半熔化的碱金属硅酸盐，在接触到锅炉内壁面时凝结，不断积聚，最终产生严重的积灰或结渣问题。
发明内容
生物质燃料在锅炉内积灰或结渣涉及其自身燃烧、潜在结渣性及炉内传热、传质、煤灰离子在炉内运动、煤灰与管壁间的粘附等复杂过程，结渣过程主要是生物质中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果。因此，针对现有技术中生物质燃料燃烧容易在锅炉内壁积灰或结渣的问题，本发明目的在于提供一种生物质木屑颗粒燃料及其制备方法。本发明通过添加改性防结渣剂、改进制备工艺、控制燃料粒径显著降低了所制生物质颗粒燃料中碱金属化合物的浓度，从而能够进一步提高灰分熔点，有效降低了所制生物质木屑颗粒燃料的积灰结渣率。
本发明具体是通过如下技术方案实现的：
本发明一方面提供了一种生物质木屑颗粒燃料，按重量份数计包括如下原料：
木材加工废屑50-70份、
农产品废弃物75-115份、
防结渣剂15-35份、
改性灰1.5-3.5份、
聚乙烯醇5-8份、
氧化锌0.6-1.0份、
硅烷偶联剂0.5-2.0份；
其中，所述防结渣剂为凹凸棒石粘土，所述改性灰包括草木灰和粉煤灰；采用所述改性灰对防结渣剂进行预处理改性。
进一步地，所述生物质木屑颗粒燃料按重量份数计包括如下原料：木材加工废屑55份、农产品废弃物95份、防结渣剂25份、改性灰2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
进一步地，所述木材加工废屑为杨木、红木材料加工过程中产生的废屑。
不同类型的农林生物质资源因纤维素及其他组分含量差异较大所表现出的特性也不同，而不同特性的生物质材料制成的生物质燃料燃烧性能也大不相同。而日常生活中主要使用的生物质原料——农产品废弃物如秸秆、稻壳、玉米芯等沉积灰渣在580℃左右表面就会形成熔融层，因而极易结渣。本发明将纤维素含量较高的杨木、红木木屑与常用农产品废弃物按比例复配，其能够延缓沉积渣熔融层的出现。将该复配生物质原料作为生物质燃料的主要原材料，一方面能够减轻所制生物质燃料的结渣率，另一方面还能提高所制生物质燃料的热值。
进一步地，所述木材加工废屑、农产品废弃物需干燥、控制含水率为12％±3％。
进一步地，所述改性灰中草木灰和粉煤灰的质量之比为(1.4-2.1):1。
进一步地，所述改性灰中草木灰和粉煤灰的质量之比为1.9:1。
进一步地，所述粉煤灰的主要成分包括：SiO2 42.15％-61.50％、Al2O3 8.45％-23.60％、Fe2O3 3.21％-6.82％、CaO 5.69％-17.45％、P2O5 1.64％-4.83％；所述草木灰中钾元素含量为8％-14.5％，磷元素含量为2.4％-4.0％。
本发明另一个发明提供了所述生物质木屑颗粒燃料的制备方法，包括如下步骤：
1)按配方量称取各原料备用；
2)使用改性灰对防结渣剂进行改性预处理，将得到的改性防结渣剂及木材加工废屑、农产品废弃物粉碎后混合；
3)将步骤2)粉碎后混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得。
进一步地，步骤2)所述防结渣剂进行改性预处理之前还需经过酸处理，所述酸处理的具体步骤包括：将所述防结渣剂按料液比1:(14-18)加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理30-45min，最后过滤干燥。
进一步地，所述酸处理液为硫酸和磷酸的混合溶液，其中硫酸、磷酸的体积分数均为5％-7.5％。
进一步地，步骤2)所述改性预处理的具体步骤包括：将酸处理后的防结渣剂与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍2-4h，烘干后即得改性防结渣剂。
凹凸棒石粘土具有独特的分散性、抗高温性、抗盐碱性等多种优异性能，其还具备一定的可塑性及粘结性。发明人实验发现，凹凸棒石粘土在硫酸和磷酸的共同作用及加热超声条件下能够有效清除其中的杂质，而制作及燃烧过程中的杂质含量越低、燃料的结渣率就越低；本发明同时优化了酸处理的工艺参数。而将酸处理后的凹凸棒石粘土进一步采用草木灰、粉煤灰改性处理，所得改性物具有优异的防结渣性：在本发明生物质木屑颗粒燃料制作过程中加入该改性物，能够改变灰形成的化学过程，抑制低熔点共晶体的形成来降低气态碱金属化合物的浓度，提高灰熔点从而大幅度降低结渣率。
进一步地，所述制备方法得到的生物质木屑颗粒燃料还需将粒径控制在130-155目。控制合适的燃料粒径，同样也是控制结渣率的一种途径：粒径过大中心温度过高导致结渣、粒径低又会影响燃烧热值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对凹凸棒石粘土酸处理并采用草木灰、粉煤灰改性，得到的改性物能够大幅度降低生物质燃料燃烧时产生的气态碱金属化合物的浓度。本发明工艺方法制备得到的生物质颗粒燃料充分利用了农林废弃物，较现有常规生物质燃料具有更高的热值，且能够显著减少燃烧时的积灰结渣现象，能够很好的代替部分化石能源，具有良好的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比1.9:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本实施例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为23750千焦/千克、结渣率为6.7％。
实施例2
1、按重量份数称取杨木加工废屑65份、稻壳85份、凹凸棒石粘土30份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比1.5:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本实施例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为21600千焦/千克、结渣率为7.2％。
实施例3
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比1.9:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为7％、磷酸的体积分数为5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:18加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理35min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍2.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本实施例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为23390千焦/千克、结渣率为7.8％。
实施例4
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比2.1:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本实施例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为23080千焦/千克、结渣率为8.0％。
对比例1
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比3:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本对比例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为22140千焦/千克、结渣率为11.6％。
对比例2
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比0.8:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本对比例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为22500千焦/千克、结渣率为12.4％。
对比例3
1、按重量份数称取玉米芯150份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比1.9:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、配制酸处理液(硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸的体积分数为5％、磷酸的体积分数为7.5％)，将凹凸棒石粘土按料液比1:15加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理40min，最后过滤干燥；将酸处理后的凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质颗粒燃料。
对本对比例制备得到的生物质颗粒燃料进行燃烧测试：热值为18320千焦/千克、结渣率为9.6％。
对比例4
1、按重量份数称取红木加工废屑55份、玉米芯95份、凹凸棒石粘土25份、改性灰(草木灰和粉煤灰按质量比1.9:1混合)2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
2、将凹凸棒石粘土与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍3.5h，烘干后即得改性防结渣剂。
3、将改性防结渣剂及红木加工废屑、玉米芯粉碎后混合，混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得生物质木屑颗粒燃料。
对本对比例制备得到的生物质木屑颗粒燃料进行燃烧测试：热值为22490千焦/千克、结渣率为8.9％。
综上，由本发明实施例1-4制备得到生物质木屑颗粒燃料燃烧测试数据可知，本发明生物质木屑颗粒燃料结渣率极低，同时具备很高的热值，较为接近煤的燃烧热值。对比实施例1与对比例1、2制备得到生物质木屑颗粒燃料燃烧测试数据可知，本发明改性灰中草木灰与粉煤灰的质量比对结渣率的影响显著。对比实施例1与对比例3制备得到生物质木屑颗粒燃料燃烧测试数据可知，仅常规农产品废弃物玉米芯为主要原料制备的生物质燃料热值降低，且结渣率也明显升高。对比实施例1与对比例4制备得到生物质木屑颗粒燃料燃烧测试数据可知，未经酸处理制备的生物质燃料的结渣率也小幅度升高。本发明合理选择原料，改善制备工艺，制备得到的生物质木屑颗粒燃料具备高热值的同时克服了生物质燃料结渣率高的缺陷，因此具有较高的应用价值。
以上所描述的实施例仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种生物质木屑颗粒燃料，其特征在于，按重量份数计包括如下原料：
木材加工废屑50-70份、
农产品废弃物75-115份、
防结渣剂15-35份、
改性灰1.5-3.5份、
聚乙烯醇5-8份、
氧化锌0.6-1.0份、
硅烷偶联剂0.5-2.0份；
其中，所述防结渣剂为凹凸棒石粘土，所述改性灰包括草木灰和粉煤灰且二者的质量之比为（1.4-2.1）:1；
采用改性灰对防结渣剂进行改性预处理：将酸处理后的防结渣剂与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍2-4 h，烘干后即得改性防结渣剂；所述酸处理的具体步骤包括：将防结渣剂按料液比1:（14-18）加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理30-45min，最后过滤干燥；所述酸处理液为硫酸和磷酸的混合溶液，其中硫酸、磷酸的体积分数均为5%-7.5%。
2.根据权利要求1所述一种生物质木屑颗粒燃料，其特征在于，所述生物质木屑颗粒燃料按重量份数计包括如下原料：木材加工废屑55份、农产品废弃物95份、防结渣剂25份、改性灰2.5份、聚乙烯醇6份、氧化锌0.8份、硅烷偶联剂1.2份。
3.根据权利要求1所述一种生物质木屑颗粒燃料，其特征在于，所述木材加工废屑为杨木、红木材料加工过程中产生的废屑。
4.根据权利要求1所述一种生物质木屑颗粒燃料，其特征在于，所述改性灰中草木灰和粉煤灰的质量之比为1.9:1。
5.如权利要求1-4任一项所述的生物质木屑颗粒燃料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按配方量称取各原料备用；
2）将防结渣剂按料液比1:（14-18）加入酸处理液中，加热至75℃并超声处理30-45min，最后过滤干燥得到酸处理后的防结渣剂；将酸处理后的防结渣剂与改性灰混合均匀，按料液比1:10加入溴化钾溶液中浸渍2-4h，烘干后即得改性防结渣剂；将得到的改性防结渣剂及木材加工废屑、农产品废弃物粉碎后混合；其中，酸处理液为硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸、磷酸的体积分数均为5%-7.5%；
3）将步骤2）粉碎后混合物与聚乙烯醇、氧化锌、硅烷偶联剂混合搅拌均匀，然后转入成型机挤成颗粒即得。
6.根据权利要求5所述生物质木屑颗粒燃料的制备方法，其特征在于，所述制备方法得到的生物质木屑颗粒燃料还需将粒径控制在130-155目。
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