CN1742073A - 由压制的生物材料制造燃料的方法和设备及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由经压制的生物材料制备燃料的方法和设备。根据所述方法，所述生物材料，尤其是草，在被压制成颗粒之前进行干燥。本发明还涉及这种类型的燃料，尤其是草质颗粒形式的燃料在产生能量中的用途。

Description

由压制的生物材料制造燃料的方法和设备及其用途

技术领域

本发明涉及由生物材料制得的燃料，特别是由压缩成细粒、压制品、粗粒或块状物的生物材料制得的燃料的制造方法和设备以及它们的用途。

背景技术

除了矿物燃料之外，对生物材料形式的能量载体的使用日益增多。据认为生物材料具体包括植物、植物各成分、来自动植物的生物材料和副产品以及木材。

传统上，用简单燃烧的方法利用生物材料来产生能量。但是这种方法有几个缺点。根据所要燃烧的生物材料的类型，与矿物燃料相比，其运输、贮藏和燃烧操作，尤其是在个人家庭中更加复杂。作为示例性的例子，这里将稻草用作燃料。而且，在这种方法中，如果使用的是未经处理的生物材料，可能会触犯与有害排放物和生物材料燃烧效率相关的法规。

由于其能量高，木材是一种优选的生物材料。为了能够使用木块、木屑等形式的木材，已知可以将其制成所谓的木质颗粒并用该木质颗粒来产生能量。与煤或炭块类似，可以容易地对其进行运输、贮藏和燃烧操作。

考虑到生物材料具有多种不同种类和日益增长的对可供选择的能量载体的需求，除了木材之外，期望能够提供来自不同的生物材料的易于运输、贮藏和燃烧操作的燃料。

发明内容

本发明的目的是利用除了木材这种生物材料形式之外目前还未使用的生物材料来制造燃料，从而提供在运输、贮藏和燃烧操作方面与木质颗粒类似的燃料。

为了达到上述目的，本发明提供一种由生物材料制造燃料的方法、所制造的燃料的用途和制造这种燃料的设备及该设备的用途。

在本发明的方法中，在由干燥的生物材料制成压制形式的燃料之前，考虑采用技术方法对生物材料进行干燥。

本发明下文中使用的术语“以压制形式”、“成型压制”和与此相关的类似名称是指干燥的生物材料受到压缩、压制、压实等。通过这种方式可以生产粒状、可操作形式的燃料。通过这种方法制得的燃料的例子有细粒、压制品、粗粒、块状物形式和更大尺寸的压制形式的燃料，这些燃料由经过干燥和压制的生物材料制得。本发明燃料的形式分别取决于，例如，它们的燃烧方式和燃烧所使用的设备。因此，对于个人家庭取暖，建议使用本发明的压制品、粗粒和块状物形式的燃料。对于更大的产能设备，如生物材料发电厂中使用的本发明的燃料，可以使用更大体积的压制品。本发明的细粒形式的燃料可以用于在如便携式加热器中燃烧。

在制造经成形的燃料之前，对生物材料进行干燥的工序使得可以使用不管水分含量是多少的任何生物材料。目前，在公知的木质颗粒制造中，必须使用水分含量低于预定的或所期望阈值的木材。水分含量过高的木材和其它的生物材料是不被考虑的，尤其是园艺或园林产品和废弃物。这也同样适用于切割的草、谷类等生物材料，这些材料需要在开放的空间经过长时间的自然干燥后才能用作生物燃料以用于产生能量，与本发明又一不同之处还在于，其中用作燃料的生物材料没有经过压挤或压紧以制成颗粒。以前要求生物材料的脂类和/或油类的比例要高，对于本发明不再需要这种要求。与传统的方法相比，对生物材料同时进行干燥和压挤操作导致分别提高了燃料的单位质量和/或体积的热值和能量。

优选地，只使用由园艺和/或园林方式获得的生物材料。特别是考虑使用传统上用作堆肥的来自于园艺和/或园林的生物材料。优选地，使用特别湿润的或潮湿的不适合用于制造燃料的生物材料。

优选地，只使用植物的边角料和/或叶子和/或树叶和/或草和/或树枝作为生物材料。这些生物材料目前还没有被考虑用于燃料制造。相反，这些生物材料被认为是垃圾，至多可以用于堆肥。可以选择地或另外地，可以使用如下材料作为生物材料：专门栽培以用作燃料的园艺和/或园林产品和/或动物废物(如马粪和牛粪)和/或海洋植物(如海藻)。

为了便于进行干燥处理和/或为了制造各种形式的燃料，优选在干燥之前将生物材料粉碎。所述粉碎可以通过例如剁碎、切碎等来实现。

特别地，对于含水量高的生物材料，优选地，在干燥之前进行压制以降低将在干燥中除去的水分含量。为了便于和/或改善压制处理，可以预先将生物材料粉碎。由于压制处理，所述的预干燥的生物材料会表现出更加难以进行干燥处理的性质；经过这种压制之后，可以将生物材料例如压缩或聚成团。在这种情况下，可以在压制处理后对生物材料再进行粉碎或用任何其它适合的方式进行处理，以改善由于压制处理所导致的不利于干燥的性质。

可以使用例如热空气形式的加热气体、加热的工业气体和两者的结合对生物材料进行干燥。特别优选使用来自用于干燥生物材料的不同的工艺或设备的废热和来自例如热电站或个人家庭或工业区的房屋或建筑中的余热。这里，例如，可以使用逆循环供热泵来提供余热以进行干燥处理。如下所述，可以通过燃烧本发明制造的燃料以提供至少部分干燥所需的能量。可以选择地或另外地，考虑使用微波加热器进行干燥。

干燥中所用的生物材料周围的温度和干燥生物材料时所产生的温度分别取决于生物材料的类型、希望或预先设定的干燥时间、在干燥过程中希望或设定(如法定)的效率。

干燥处理也可以这样进行：在干燥前，分别获取和/或降低和/或去除待处理的生物材料中所含有的一些物质，这样，当燃烧本发明制造的燃料时，可以避免如令人不快的气味、对健康有害或有危险的排放物和烟尘等的形成。

为了减少本发明制造的燃料在燃烧过程中产生的排放物(如果确实产生的话)，可以在对生物材料进行干燥时去除这些排放物。例如，可以考虑例如以液体颗粒的形式吸取干燥生物材料时所产生的气体或液体，并使它们分别通过，例如，适宜的废气和过滤装置，以及如果适当的话，将其当作危险废弃物进行处理。这些方法步骤也可以在粉碎和/或压制生物材料时进行。

根据一个优选实施方案，在干燥的过程中对生物材料进行加压，并且例如经过预定的或期望的干燥时间后，使生物材料继续在该加热条件下暴露于环境压力。由此导致的压力变化促使生物材料的水分进一步散失。

由于在成型压制之前对生物材料进行的干燥，各种不同类型的生物材料混合使用时可以不必考虑不同材料的含水量。如果不同类型的生物材料混合使用的话，至少要进行干燥处理，而且，优选地，如果适当的话，也相应采用粉碎和/或压制处理。虽然这可能延长了不同的方法步骤并使这些方法步骤变得复杂，但是可以使用任何生物材料而不必预先分成不同类型。

如果提供的是分开的生物材料，例如，分为草、木材、植物等，可以分别对每种类型的生物材料进行独立的方法步骤。这使得可以针对各种类型的生物材料所采用的的方法步骤进行优化调整，并且可以基于单一类型的生物材料制造燃料。

除了成型压制之外，如果对不同类型的生物材料采用独立的方法步骤，则可以将不同类型的生物材料进行混合并一起进行成型压制。采用这种方式，可以制造基于不同类型的生物材料并包含不同组成和/或不同百分比的生物材料的燃料。这种不同类型的生物材料的组合，使得用于燃料制造的不仅可以是高热值的生物材料，也可以是低热值的生物材料，否则这种低热值的生物材料由于热值低而不能被单独用作燃料的基础。而且，用于燃料制造的不同类型的生物材料被混合后，不同类型生物材料在燃烧过程中产生的排放物相互抵消、相互反应，由此可以避免不同类型的生物材料单独燃烧时产生的不希望产生的排放物。

制造本发明燃料的一种优选生物材料是草，草也可以例如与包括木材在内的生物材料进行组合。因此，可以考虑用本发明的方法制造草质颗粒和草木颗粒和压制成不同形状的草和草木混合物。

优选地，只使用草作为生物材料。

在另一个实施方案中，只使用树叶和/或叶子作为生物材料。

在另一个实施方案中，只使用草和木材作为生物材料。

这些类型的生物材料目前还没有被认为是适合于燃料制造的生物材料。其中的原因可以被解释为这些生物材料的含水量相对较高以及这些类型的生物材料特别适合用于堆肥的事实，结果，这些生物材料根据本发明的用途是对过去的想法和用途的根本转变。

在实施本发明方法时，用于实施本发明方法的能源，除了传统类型的能源如矿物燃料产生的能量、风能和太阳能之外，可以考虑使用本发明方法制造的燃料来提供至少部分能源。为了达到这个目的，可以燃烧本发明制造的燃料以至少部分提供干燥生物材料所需的能量。而且，可以通过燃烧本发明制造的燃料产生电能，并在实施本方法时使用这些能量。

在本发明的用途中，可以考虑通过在壁炉、炉灶和加热装置等中燃烧上述方法之一制造的燃料来使用该燃料从而产生热和/或电形式的能量。在本发明中，尤其可以考虑使用由经过技术方法干燥的草制备的本发明燃料。

用于由经过压制的生物材料制造燃料的本发明设备包括一个单元，通过该单元在成型压制之前对生物材料进行干燥。

优选地，本发明设备包括粉碎生物材料的单元和/或在将生物材料供应给干燥单元之前对其进行压制的单元。这里，可以考虑将所述的粉碎单元置于压制单元的上游，或相反，或在压制单元的上游和下游都使用粉碎单元。

在本发明设备的一个优选实施方案中，干燥单元包括干燥室，该干燥室用以接收可能经过粉碎和/或压制的生物材料，可以通过加热的气体和/或微波加热器的方式而对其进行加热，从而使生物材料在干燥处理结束后具有期望的和预定的含水量。

为了避免例如干燥所产生的气体和/或液体的逃逸，可以考虑在干燥处理过程中以气密和/或液密的方式将干燥单元密封。通过这种方法，积存的气体和/或液体可以被吸取、去除，并且如果必要的话，可以对其进行处理。如果干燥生物材料时产生气体，本实施方案的干燥单元可以使用所产生的气体压力，如上所述，在干燥过程中对生物材料进行加压。

例如，如果将继续加热的生物材料在经过预定的时间后进行降压，则可以通过在干燥过程中控制作用于生物材料上的压力，对干燥方法进行改善。

特别地，如果生物材料以分开的形式提供和干燥，本发明的设备优选包括用于在成型压制之前将不同类型的经干燥的生物材料进行混合的单元。作为一种选择，可以进行如下考虑：本发明的装置包括在干燥前，如果合适的话，甚至在粉碎和/或压制前，对生物材料进行混合的单元。后者的优点是可以对以分开形式提供的不同类型生物材料一起进行处理。

优选地，本发明的设备还包括将经干燥的生物材料成型压制为燃料的制造单元。这种单元可以以整体形式或分离形式提供。

例如，为了给本发明设备提供至少部分能量，所述设备可以包括用于燃烧所述设备制造的燃料的产能单元。该产能单元可以是，例如，给干燥单元提供热能的单元(例如炉灶)和/或给本发明设备提供电能的单元。

在本发明的一个应用中，上述设备用于由通过园艺和/或园林方式获得的生物材料制造燃料。

在本发明的另一个应用中，上述设备用于由植物修剪产物和/或叶子和/或树叶和/或草和/或树枝制造燃料。

根据本发明的另一个应用，上述设备用于仅由草或仅由树叶和/或叶子或仅由草-木混合物制造燃料。

附图说明

在描述本发明的优选实施方案中参考了附图，这些附图显示：

图1：本发明中由经压制的生物材料制造燃料的方法的一个优选实施方案的示意图，和

图2：本发明中由经压制的生物材料制造燃料的设备的一个优选实施方案的示意图。

具体实施方式

参考图1，通过参考将草这种形式的生物材料制成颗粒形式的燃料的例子，解释由经压制的生物材料制造燃料的方法的实施方案。特别地，这个解释可以参考在个人家庭中用割草机2获得的废草。

通常，割草机2从草坪切割得到草，可以对其进行干燥并制成颗粒，即，未经进一步粉碎而进行制粒。例如，如果由于所使用的割草机的类型或被割的草的长度方面的原因，所获得的草的长度在干燥或制粒过程中可能会造成麻烦，则在将草进行干燥之前可以使用粉碎装置4。粉碎装置4的例子包括切割机和切碎机等。

将通过粉碎装置4粉碎的草或直接切割下来的草导入干燥装置8中，也有可能如下所述，在应用了压制装置6之后再导入。

在干燥装置8中通过热能方式将草进行干燥。出于分离目的而设有双层壁的干燥装置8可以包括，例如，以集成方式形成在所述双层壁中的微波加热器和/或加热盘管。但是，从能量观点出发，利用未示出的光电压设备来产生用于干燥的热能是有利的。

为容纳在干燥装置8中的草提供热能的一种简单方式是给所述干燥装置8配备透光的覆盖物10。类似于贮藏(be-keeping)领域公知的通过阳光将蜡溶化的装置，从覆盖物10透过的阳光在干燥装置8产生足以对其中所容纳的草进行干燥的温度。

在干燥过程产生的蒸汽、水滴或水可以通过在该图中未示出的气体和水的排放道去除。为了确定干燥装置8中草的干燥时间是否足够长，也就是说，草的含水量是否足以制粒，可以使用作为独立部件或与干燥装置8形成整体的水分测定装置12。考虑到个人家庭消费方面的用途，这种测定也可以通过手工完成。

为了缩短干燥时间和/或降低其中所需能耗，可以在干燥之前在压制装置6中对草进行压制，以去除湿气和水分。为此目的，可以使用在橄榄、葡萄等的加工过程中所应用的压制处理。由于这种压制处理，草可以聚集成团或成块，这使得干燥处理变得复杂。为了避免这种情况，可以将经压制的“预干燥”的草导入粉碎装置4中进一步进行粉碎，以获得利于干燥处理的性能。这个工序通过图1中从压制装置6到粉碎装置4再到干燥装置8的点线箭头来表示。

干燥后，将草从干燥装置8导入到制粒装置14，这里所图示的所述装置14是可以通过控制杆16手动操纵的装置。通过操纵控制杆16，将预定量的草从贮存容器18导入到制粒装置14的实际制粒单元20中，并在那里形成一个或同时形成多个颗粒。重复这一步骤，直到来自贮存容器18的所有的经干燥的草都被制成颗粒。

如图1所示，这样制成的颗粒22可以具有不同的形状，这取决于制粒单元20的设计，这些颗粒离开制粒装置14后，通过例如采用生物材料炉灶的方式燃烧而产生能量以供加热。

参考图2，描述了用于由可燃烧的草质颗粒形式的压制生物材料制造燃料的设备及其操作，所述设备适用于工业化规模的颗粒制造。

将生物材料收集到收集单元50，例如容器中。容纳在收集容器50中的所述生物材料可以是不同的类型和/或具有不同的来源，并且可以是混合形式。出于简化目的，以下假设容纳于收集单元50中的是单一类型的生物材料，即草，如下所述，将所述的草进行加工，并在制粒之前与不同类型的生物材料混合。

将来自收集单元50的草输送到粉碎单元52，该粉碎单元52可以是例如切割机、粉碎机等。为了去除草中可能含有的杂物如石子、土块等，考虑将粉碎单元52包括图中没有示出的以集成方式形成的或置于下游的单元，以按分离方式进一步传送经粉碎的草或杂物。在图2中用箭头54表示经粉碎的草的传送，用箭头56表示杂物的去除。

将经过粉碎的草从粉碎单元52传送到压制单元58，以通过压制方法去除草中的水分。由此产生的水或另外的流体通过排放道60去除。

如果经过压制单元58压制后的草具有难以干燥的性质，特别是延长了干燥时间和/或在干燥过程中需要更多能耗，则可以将这些草在离开压制单元58后输送到另外一个粉碎单元62。

将由单元60获得的预干燥的草传送到干燥单元64，在这里，通过一种或多种加热气体(如热空气)的方式、微波加热方式和/或电加热方式等对这些草进行加热。在干燥中产生的蒸气，尤其是蒸汽和所产生的水或所产生的湿气可以分别通过废气管道66和流体排放道58去除。为了防止例如草发生不希望的燃烧并控制干燥过程，可以通过温度传感器70测量要进行干燥的草的温度和/或干燥装置64内的环境温度。使用湿气测定单元72，以确定在干燥单元64中进行干燥的草是否展示出所希望的或所需要的含水量。

在干燥单元64中对草进行干燥的过程中，草可以在高于环境压力的加压条件下加热。如果在干燥过程接近结束或结束时将压力降低到环境压力，水(如果还存在的话)将由于加热的草和其环境之间的压差而从草中散出。

干燥过程结束后，将经过干燥的草从干燥单元64传送到制粒单元74并被制成颗粒。

为了制造不只是含有草的颗粒，以分开的方式对不同类型的生物材料进行处理一直到如上所述的干燥处理结束。这可以通过使用装置50、52、58、62和64来依次完成，或可以通过另外的相应的单元平行进行而基本同时完成。后一种情况在图2中通过箭头76示出，该箭头表示干燥的、选择性地粉碎的和/或压制的不同类型的生物材料的供应。将所述生物材料与获白干燥单元64的草在没有示出的单元中混合，并传送到制粒单元74以制造基于不同类型生物材料的颗粒。通过这种方式，例如，可以制造含有草和木材的颗粒。

Claims (27)

1.由成型压制的生物材料制造燃料的方法，其中，所述的生物材料在成型压制处理之前进行干燥处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中，只将通过园艺和园林方式获得的生物材料用作所述生物材料。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，只将来自植物的修剪产物和/或叶子和/或树叶和/或草和/或树枝用作所述生物材料。

4.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述生物材料在干燥处理之前进行第一次粉碎处理。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述生物材料在第一粉碎处理的下游进行压制处理。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述生物材料在压制处理的下游进行第二次粉碎处理。

7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述生物材料用经加热的气体进行干燥。

8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述生物材料通过微波加热方式进行干燥。

9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，将所述生物材料在加压条件下加热并且随后在加热状态下减压至环境压力以进行干燥。

10.如权利要求1～9任一项所述的方法，其中，以混合形式使用不同类型和/或来源的生物材料。

11.如权利要求1～9任一项所述的方法，其中，以分离形式对不同类型和/或来源的生物材料单独进行干燥，并且只在成型压制时混合；或者其中，对单一类型和/或来源的生物材料进行处理。

12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，将生物材料通过成型压制制成细粒、压制品、粗粒或块状物。

13.如权利要求1～12任一项所述的方法，其中，只将草用作生物材料。

14.如权利要求1～12任一项所述的方法，其中，只将树叶和/或叶子用作生物材料。

15.如权利要求1～12任一项所述的方法，其中，只将草和木材用作生物材料。

16.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，用于实施所述方法所需的能量至少部分产生于根据所述方法制造的燃料的燃烧。

17.前述任一项权利要求所述方法制造的燃料在通过燃烧方式产生热能和/或电能中的用途。

18.由成型压制的生物材料制造燃料的设备，该设备包括生物材料的干燥单元(8、64)和置于干燥单元(8、64)下游的用于对所述生物材料进行成型压制的单元(74)。

19.如权利要求18所述的设备，该设备包括置于所述干燥单元(8、64)上游的用于对所述生物材料进行粉碎的第一单元(4、52)。

20.如权利要求18或19所述的设备，该设备包括用于对所述生物材料进行压制的单元(58)，该单元(58)置于所述干燥单元(8、64)的上游和用于粉碎所述生物材料的所述第一单元(4、52)的下游。

21.如权利要求18～20任一项所述的设备，该设备包括用于粉碎所述生物材料的第二单元(4、52)，该第二单元(4、52)置于所述压制单元(58)的下游和所述干燥单元(8、64)的上游。

22.如权利要求18～21任一项所述的设备，

-其中所述干燥单元(8、64)包括可通过加热气体和/或电加热和/或微波加热方式进行加热的干燥室，和/或

-其中所述干燥单元(8、64)可以以气密和/或液密的方式进行密封以用于干燥，和/或

-其中所述干燥单元(8、64)包括在干燥过程中控制作用于所述生物材料上的压力的单元，和/或

-包括在干燥之前和/或之后对所述生物材料进行混合的单元，和/或

-包括通过燃烧利用所述设备制造的燃料以产生热能和/或电能的单元，和/或

-包括通过燃烧利用所述设备制造的燃料以产生热能和/或电能的单元，其中，所述能量生成单元用于供应所述设备运行过程中的能量。

23.如权利要求18～22任一项所述的设备在由生物材料制造燃料中的用途，所述生物材料通过园艺和园林方式获得。

24.如权利要求18～22任一项所述的设备在由植物的修剪产物和/或叶子和/或树叶和/或草和/或树枝制造燃料中的用途。

25.如权利要求18～22任一项所述的设备在只由草制造燃料中的用途。

26.如权利要求18～22任一项所述的设备在只由树叶制造燃料中的用途。

27.如权利要求18～22任一项所述的设备在只由草和木材制造燃料中的用途。

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