CN85103226A - 结块燃料 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种燃料结块和配制这种结块的方法。具体而言，有关一种将纤维素材料和碳质材料结合而制成的燃料块，纤维素材料有如锯末或其他植物材料。碳质材料有如煤，焦炭，木炭或焦化煤或泥炭，二者的比例约在1∶1到1∶6之间，将混合物用150MPa到650MPa左右的压力加压，加压时的温度约在120℃到320℃之间——不使用粘接剂。含水量决定加压作业要求的时间，最佳的含水量约占重量的3％到25％。

Description

本发明一般涉及结块燃料，具体所涉为用碳质材料和纤维素材料混合制造的结块燃料。碳质材料如煤、焦炭，木炭或焦化煤（coal    char），或泥炭;纤维素材料使用诸如锯末及木渣等。

使用煤或煤炭产品制造结块燃料，在现有技术中已有广泛叙述。例如美国专利第233，687号中所公布，是将木料或木产品，在加热炉中用木材闪燃点以下的温度加热。在木材完全炭化以后，加压成结块。但用这方法制造的块体，遇水后易于降质。

这种燃料块常用煤式煤炭产品制造。由于煤具有高能量，故为特别良好的燃料供源。但多数煤或煤炭产品在制造结块时存在的一个问题，是在成形的需要有一种粘结剂，以保持完成产品的整体结构。常用的粘结剂有如淀粉及以沥青为基础的产品。然而这几种类型的粘结剂相当昂贵。每吨数终产品需要增加成本达＄70美元。

至今为止不用粘结剂制造结块的一个缺点是：制造出的产品倾向于在上面产生裂缝和断裂，然后则粉碎而瓦解。此外还不能经受碰撞或潮湿。因此，不用粘结剂制造的结块在包装时及运输途中易被损坏。

有一件透露用煤制造的、无粘结剂燃料块的专利，其号为美国专利第905，693号。将煤加热到炭化开始以下的温度。然后略微加冷，压成煤砖。这方法所存在的一个问题，是必须将煤作多次加工，才能压制。这就给煤砖制造过程增加时间和费用的消耗。

美国专利第1，102，591号揭示了利用木材副产品的木质燃料块的制造方法，其中约掺入5-15%的木炭，焦炭或类似物质作粘结剂。这种燃料块以木材为主，其能量不及煤砖为高。

不用粘结剂制造褐煤（brown    coals    and    lignites）煤砖并无新颖性，但是，由于其总比能相当低，而含灰份及硫的量有时很高，故这种燃料块的商业价值低于硬黑煤。

简言而之，本发明为一种生产结块燃料的方法，包括将碳质材料及纤维素材料混合，把这混合物在适当温度和压力下压制，温度和压力要求能把混合物中多余的水份除去。碳质材料有如煤、焦炭、木炭或焦化煤及泥炭。纤维素材料有如木屑，植物叶碎屑，树皮碎屑，蔗渣，椰子壳碎屑和谷壳等。这方法在相当大程度上消除了混合物的弹性和弹性后效。在本发明中，与习见的结块燃料制造方法不同，不使用粘结剂。

举例而言，纤维素材料相对于碳质材料最好的比例是约在1∶1和1∶6之间。

而且混合物的含水量最好在重量的3%到25%之间，更好是在重量的10%到14%之间。

此外，混合物压块压力，宜在150MPa（兆帕斯卡）和650MPa之间，温度约在120℃和320℃之间。

在方法方面，本发明也提出了制造一种燃料块的条件，包括将纤维素材料和碳质材料混合，在适当的温度和压力下将混合物压制，使此温度和压力足以消除混合物中过多的水份，在相当大的程度上消除混和物的弹性，在相当大的程度上消灭弹性后效，把混合物的构成成份结合起来。

更具体讲，燃料块含有纤维素材料和碳质材料的一种混合物，上述纤维素材料的含水量约在重量的10%和15%之间，上述碳质材料选自一组物质，其中包括煤、焦炭、木炭，焦化煤和泥炭，该碳质材料含水重量占3%到25%，上述纤维素材料及上述碳质材料在上述混合物中的质量比例在1∶1及1∶6之间。这混合物约在150到400MPa和150℃到195℃之间加压。温度在120℃到320℃之间时，则加压压力约在150到650MPa之间。

而且，由于木屑中的灰份和硫的含量可以不予考虑，是则有些碳质材料中含有的高量灰分和硫可以减少到80%，或按燃料块原料混合物中的锯末比例相应降低。

此外，至今日止，制造燃料块之煤末和洗煤尾渣常被认为是高价的副产品，而今，通过采用本发明，则可作为经济效益的利用，产生节约能源成本的燃料块。

在用木炭和焦化煤制造燃料块时，可以按比例用锯末补充炭，以降低20%到80%的含炭质量。

在制块的过程中，由于所含锯末的碳化，造成物质的分子混合，乃能产生无烟燃料块，与常用的木炭或使用粘结剂的木炭砖相比，在能源成本方面可以提供较大的节约。

这燃料块的结构强度可以调节到通常燃料块强度的十七倍，致使在1800℃温度下燃烧时，在燃炉中叠放不因本身重量的作用而降低质量。

把本发明的混合物压实，可以产生有明显表面光泽的燃料块，给予块体的耐水性和硬度。

据此，本发明的一个目的是提出一种制造燃料结块的方法。

本发明的另外一个目的，是提出一种用煤制造的燃料结块的方法。

本发明还有一个目的，是提出一种制造不用粘剂的燃料块的方法。

本发明的另外一个目的是提出一种制造燃料块的方法，仅用锯末或其他纤维素材料，以及一种碳质材料，如煤，焦炭，木炭或焦化煤及泥炭等。

然而本发明的一种目的是：提供一种制造结块燃料的方法，在正常搬移和运输中可保持形状不变。

本发明的另一目的，是提出一种廉价的方法制造高质量的结块燃料。

本发明的以上、以及其他的目的，特点和优点，经过审读下文，对于实施方案的详细叙述和所附的权利要求后，便可明确了解。

制造本发明的结块燃料的方法，包括将锯末，木屑或其他纤维素材料，与一种如煤，焦炭，泥炭，木炭或焦化煤等的碳质材料共同混合，然后将这混合物在一定的温度和压力下压制，这温度和压力应适宜于将混合物中过多的水分除去，从而可以基本消除弹性后效，并把混合物的各构成成分结合。

用本发明的方法可以生产一种燃料结块，结块可以保持形状不变，并耐受外界的湿度和温度变化。用本发明制造的燃料结块质地坚硬，可以抵抗在正常搬移和运输中的一般应力。此外，按本发明的方法制造的燃料块，出模后没有膨胀度。因此，这种燃料块甚至在与外部的温度和湿度平衡后，仍可保持形状不变，不会崩解。

本发明使用的纤维素材料包括锯末，木屑，植物叶屑和任何植物材料，但不限于这些材料。

测定一种燃料结块的坚硬度和强度的参数是它的弹性。弹性是物质的一种物理性能，使它可以在压力作用下变形，并可接近恢复原有量度。

在发明人进行的初始试验中，假设弹性使燃料块中的薄弱面平行于它的圆柱形的两端面。例如，当燃料块从一个两米的高度上，落到水泥地面上受到应力时，最后产生横过这个平面的断裂。

当锯末和煤混合物的质量比约为1∶1和1∶2制砖时，锯末的体积比煤的体积大很多。锯末本身可以形成一个坚硬的结块，但是煤的本身并不能单独形成适当的结块。

制块材料需要能在环境条件中保持稳定的含水量，否则，就要对燃料块有保护，防止它们含水量变化。

例1

在本发明的一个较好的实施方案中，用锯末作为一种纤维素材料。在进行初步试验时，使用了可限制的压型机压力，没有加温。

初步试验的结果在例1到例8中叙述。

例9中报告加热和提高压型机压力的作用。

锯末用的是硬木或软材的窑干木材锯末，或干燥的新材锯末。含水量可以达到50%，在有些试验中，用加水的方法改变，低含水量，用干燥的方法降低高含水量。锯末的堆积密度约在200公斤/m³和260公斤/m³之间。

例2

在本发明的本实施方案中，使用的煤是产自维多利亚省，西澳大利亚省和新南威尔士省（以上均为澳大利亚省治）;南非，南朝鲜，菲律宾和泰国等的褐煤（Lignite），次烟煤，烟煤，和无烟煤，部份干燥，研碎供用。本发明的理想实施方案中使用的颗粒大小列表如下：

表1

颗粒尺寸（mm）    质量百分数

＞850mm    1.5%

850-600mm    12.0%

600-425mm    21.3%

425-300mm    19.7%

＜300mm    45.5%

煤的堆积密度约为740公斤/m³

例3

在初始试验中，用两具钢模形成了圆柱形的燃料块，其直径分别为28.64mm及41.5mm。在小模具上施加载荷的最大限度为25公吨，相当于压力386MPa（兆帕斯卡）。这相当于56000磅/英寸²。在大模具上施加压力的最大限度为30公吨，相当于压力221MPa，或32000磅/英寸²。

燃料块是用手工操作的液压模具单个压制，这种操作方式使燃料块的弹性有三个方面的表现：

1）施加压力解除后柱塞模具的活动;

2）燃料块排出模具后在量度上的增大;

3）压块力造成的应力经过数小时的释放后，自由放置的燃料块的量度增加。

首要而运动量最大的弹性运动，被称为“弹性后效”，用分别固定在模具底板和柱塞上的标尺和指针测量。弹性的第二和第三种表现，用游标卡尺测量，其量度小于弹性后效很多。

例4

弹性后效的测量，是在解除压力后，测量活塞在模具中的运动。其量度用被压缩的圆柱形燃料块高度的百分数表示。每一试验进行两次，以平均结果作报告。

本例中使用的锯末含水量约为12至13%。锯末用方网眼实验室用筛分选，网眼尺寸约在600到300mM之间。对三种筛出物尺寸在各种压力下的弹性后效测量结果如下：

表2

压力（MPa）    77    1.54    232    309    386

锯末尺寸（微米

＞600    21.0    20.8    19.2    19.4    18.0

600-300    25.2    23.2    22.8    22.8    23.2

＜300    22.9    22.8    22.0    21.6    21.4

不过筛    19.5    20.7    20.0    19.7    19.2

松木锯末（颖为“细    22.6    22.5    23.4    22.4    22.6

锯末”之误一译者）

煤    16.8    19.3    18.9    19.4    19.0

各种样本都显示有相似的弹性后效特性。这一例表明将锯末规定为某一特定尺寸并无优点。

例5

在本例中仅使用锯末测定燃料块的弹性后效。应该知道用煤和锯末制的燃料块，和仅用锯末制的燃料块，都显示相似的弹性后效性质。所用锯末为硬质木材的锯末，含水占重量的12%-13%。有一部分锯末中加了水，使含水量提高到25%，把这部分锯末放在密封的塑料袋内约18小时，使水份平衡。把这部分湿锯末分为若干部分，作不同程度的干燥，取得含水量不同的样本。对加压386MPa作了弹性后效的测量。锯末的其他部分在作相似的弹性后效测量以前，或使之在100℃温下完全干燥，或加热到200℃或300℃。

表3

经处理锯末的含水量    弹性后效百分数

25.0%    59.1

18.7    25.8

15.5    23.2

12.0    19.3

5.7    19.0

0.0    24.1

加热到：-

200℃    22.9

300℃    33.6

上述结果说明：锯末中水分含量约在6和12%之间时，弹性后效最低。

例6

燃料块从模型中取出后，高度和直径都膨胀。（含水量12-13%的）锯末加压到386MPa，在刚从模中取出时，高度膨胀约5-10%，直径膨胀少于1%。在燃料块陈化后，膨胀有增加，高度约增长15%，直径膨胀少于1%。这膨胀量小于将燃料块加压到221MPa。

可以设想上述的膨胀与锯末的弹性复原有关，弹性复原是在燃料块成形加压，应力解除以后的复原。对于干燃料块和湿燃料块，有些量度上的变化是和水分的取得或减失有关。

对例5中的一用各种等级含水量的锯末制成的燃料块，进行了为期六日的观察。一个燃料块在模型中加压（386MPa）时/，其比重为最大而量度为最小。在把燃料块从模型中刚取出时，量度有所增加，因此比重下降。在燃料块陈化后，量度再次增大，最终的比重受到这量度变化的影响，也受到含水量任何变化的影响。这些变化如表3所示。

表4

燃料块参数随时间的变化（a）

含水量    比重    总膨胀量（b）

初始    最终    初始（c）    最终    百分数

百分数

25.0    11.1    0.84    0.62    109.8

18.7    11.7    1.07    0.89    55.7

15.5    11.3    1.11    0.97    47.2

12.0    10.5    1.16    0.99    43.3

5.7    9.2    1.20    0.94    46.5

0.0    8.8    1.18    0.81    61.0

（a）燃料块制造与最后测量之间经过六天。

（b）以燃料块的高度增长为基础，用加压下的最小高度的百分数表示。

（c）这是刚从模型中取出时的比重。在加压386MPa的模型中，比重仅在一个非常窄的范围1.48-1.52中变化。

这些数据说明：当仅含锯末的燃料块的含水占重量的10%-12%时量度的变化最少，这就是燃料块的最佳含水量。燃料块的高比重和高压缩力有关。但是，这些被加压的燃料块中没有一块能有足够的结合强度，能保持在压模中达到的比重1.46-1.52。燃料块从压模中取出后的比重下降，以及燃料块陈化后的比重下降，说明粒子间的结合减弱，燃料块的强度下降。商售锯末木材即使经过长期暴露，仍可保持比重为1.2，含水量为8-9%。

例8

早期的试验表明：锯末/煤燃料结块的特性，由于含有锯末50%到33%，与锯末燃料块的特性相似。

关于含水量不同的锯末/煤燃料块，现摘要列表如下：

（表5见下页）

a）这里的膨胀量指的是燃料块高度的增长，用加压下的最低高度的百分数表示。增长在三个阶段逐步增加，即压力解除阶段（弹性后效），从模型中从出阶段及陈化阶段。

这数据证实锯末/煤燃料块有与单纯锯末块相似的弹性特性。而且，锯末和煤的质量比为1∶1或1∶2时，没有重要的差异。事实上，经过测定：木质和煤的比例为1∶6时可产生使人满意的燃料块。

例9

下表的试验表明：使制块混合物的弹性可以被控制的因素，而且，锯末之起弹性作用的特点是可以被控制的，使燃料块有这种强度。

控制了燃料块混合物的弹性，燃料块从模型中取出时便可避免块体的膨胀。因此，可避免燃料块的边侧裂缝，这种裂缝会造成无法出售。

把锯末和煤的混合物配制成三个初步的样本。每一个袋中约盛放五公斤按1∶1质量比混合的锯末和煤。

进行了三组试验。第一组的试验使用手工操纵的100吨压型机。用高抗张强度钢制造了模具和柱塞作试验，以便制造燃料块。模具的外包尺寸为高150mm，乘直径149mm，内含尺寸为高150mm乘直径82mm。模具壁厚33.5mm，柱塞的量度为高79mm乘直径82mm。

为使压紧时水分可以逃逸，在柱塞内垂直钻孔，使两相对表面贯通。孔有六个，直径各为4mm，安排在60°节圆直径上，各处在柱塞表面的60°点上。第六个孔顺柱塞的中心贯通。

模型用工业焊接灯加热。模型的侧壁上钻有一孔，孔中插入一个 温度计，测量模内热度。温度计的头部距离模型的内表面约8.5mm第二组和第三组试验也用相同的设备进行，并用脚踏150吨机械压形机。

燃料块的高度用一组游标卡尺测量。

从试验中确定，需要压实的混合物含水量高低和混合物的量，决定压实所需的压力和温度，以生产可以使用的低弹性和低弹性后效的燃料块。

将各种数量的混合物放入模中加压，以确定为把混合物的弹性降至最低时，每平方英寸所需要的理想压力。

混合物的含水量为3%，在170℃温度下用120吨力加压3-5分钟，产生的燃料块可令人满意。

含水量为12%的混合物4盎斯（OZ），在170℃下用120吨力加压3.5分钟，产生了令人满意的燃料块。

对于含水占重量25%的混合物，必须在温度150℃和170℃之间，用约12吨，或32，480磅/平方英寸的力加压，每一盎斯混合物约加压2分钟。因此，在将锯末和煤的质量比为1∶1的混合物制成燃料块时，压块所需的理想压力在150MPa和650MPa之间。

在压实燃料块时，压模的温度最好约在12.0℃和285℃之间。对于次烟煤，温度特别适宜在150℃到195℃之间。

烟煤和无烟煤，以及木炭需要较高的温度，一直达到285℃-305℃。

混合物含水量在3%和12%之间，为了制造称意的、以次烟煤为基础的燃料块，需要的压实时间约在50-60秒钟之间。

锯末和煤混合物含水量为25%，为了制造称意的以次烟煤为基础的燃料块，需要的压实时间在100秒钟及120秒钟之间。

用含无烟煤，或含木炭及洗煤尾渣的混合物制造燃料块，比较软的碳质材料，如次烟煤和褐煤等，需要有较长的加压时间。

用硬煤和木炭可以在50至60秒钟内制造良好的燃料块，但是抗静重力的强度及抗水性，随压力、温度和加压时间按比例增高。

锯末成分的碳化程度和以后燃料块的无烟块的无烟特性，也和加压时间及加压温度有关。

在压制过程中，温度太高会在成形时、或在排出成品时导致燃料块爆炸。

按照本发明压实混合物，可以生产出有明显的表面光泽的燃料块，这有利于抗水和增加燃料块的硬度。

燃料块的耐静重力强度试验和燃烧试验表明：可以生产有下列特性的燃料块：

-比通常用淀粉粘接剂的燃料块的强度高1700%

-在加载荷状态下进行燃烧以模拟燃烧块在加热炉中燃烧时，可以抵抗1200℃以上的温度，并且燃烧时不崩解。

当然应理解到：以上所述仅涉及本发明的一项优选的实施方案，可以作出无数的修改和变更而不脱离本申请案之权利要求中的精神和范围。

Claims (8)

1、一种制造燃料结块的方法，包括步骤如下：将纤维素材料和碳质材料混合，该碳质材料最好从一组包括煤、焦炭、木炭和焦化煤及泥炭等的材料中选择。

将混合物加压，加压时应有足够的温度和压力，以利除去过多的水分，从而基本消灭混合物的弹性，从而基本消灭弹性后效，并使混合物的组成成分接合。

2、如权利要求第1项中之方法，其锯末及碳质材料之比例约在1∶1和1∶6之间。

3、如权利要求第1项中之方法，其锯末及碳质材料的含水量，约占重量的3%到25%。

4、如权利要求第1项中之方法，其锯末及碳质材料含水量，约占重量的10%到14%。

5、如权利要求第1项中之方法，其混合物在150MPa到650MPa左右的压力下压制。

6、如权利要求第1项中之方法，其燃料结块在120℃到320℃左右的温度下压制。

7、如权利要求第1项中之方法，其燃料结块在150℃到195℃左右的温度下压制。

8、一种燃料块，其中包括下述：

纤维素材料及碳质材料的一种混合物，该锯末有含水量约在重量的10%和15%之间，该碳质材料选自一组包括煤，焦炭，木炭和焦化煤及泥炭等的材料，该碳质材料有占重量3%到25%的含水量，该纤维素材料和该碳质材料，在混合物中的质量比为1∶1到1∶6，该混合物在150℃到195℃的温度下，用150MPa到400MPa左右的压力进行压块;在用大约150到650MPa的压力时，则温度在120℃和320℃之间。