本发明涉及一种高性能复合机制炭的制备方法，属于资源综合利用技术领域。
背景技术：
长期以来，木炭一直被广泛地用作生活燃料，木炭是将木材在缺氧的条件下燃烧或热解而制取的，生产木炭需要消耗大量的森林资源，严重破坏了生态环境，我国森林覆盖面积不到国土的10%，森林的形成需要一定的生长周期，大量的森林砍伐不符合保护生态环境、创建低炭社会、发展循环经济的要求；传统木炭的生产方法为将木材放入炉窑之中热解进行土窑制炭工艺具有密封性差、生产周期长、产量低、成本高等缺点，且热解过程中的烟气直接排放，不仅浪费资源还造成了环境污染，近年来，随着国家环保要求的提高，土窑制炭被淘汰将是大势所趋；
农林生物质原料是典型的可再生能源，其具有来源广泛，储量丰富，生长周期短等优点。地球上每年生产的生物质总量约为1400~1800亿吨，我国每年废弃的秸秆高达60亿多吨，资源化潜力巨大，且农林生物质原料热解所得生物质炭孔洞结构发达、易于燃烧。但农林生物质资源也存在其局限性，主要表现为：分布不集中，不易收集等，因此单独使用农林生物质为原料制备机制炭，从产量角度考虑远远无法满足日常生产生活对炭质燃料的需求；我国褐煤资源丰富，且价格低廉，但褐煤挥发成分高(>40%)、固定碳含量低、孔洞结构不发达，单独使用褐煤制备的机制炭燃烧效果不理想，这些缺点限制了褐煤的应用，以褐煤为原料，采用中低温干馏对褐煤进行炭化处理，脱去其中的大部分水分和挥发分，得到性能较好的褐煤半焦炭，并将其与生物质炭混合，可以扩大其应用范围。
基于以上背景，本文提出了一种既克服了生物质炭产量小，又解决了褐煤固定碳含量低，孔隙结构不发达等问题的复合机制炭制备方法。本发明旨在充分利用可再生的农林生物质资源和价格低廉、储量丰富的褐煤，首先利用热解（干馏）技术对农林生物质原料进行加工，热解过程中的烟气得到充分利用，并将热解所产生的副产品生物质炭（配比较小）与储量十分丰富的褐煤（配比较大）混合后进行第二步炭化，炭化过程中烟气挥发去除，增加了复合机制炭的孔隙率，且烟气排入水池中被吸收，吸收了烟气的水分被循环用到复合机制炭配料环节。本发明制备的复合机制炭不仅解决了生物质炭和褐煤两者的局限性，而且资源得到循环利用，符合节能环保、绿色发展的要求。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种高性能复合机制炭的制备方法。该制备过程是以来源丰富、价格低廉、可再生且易于粉碎的生物质以及价格低廉的褐煤为碳源，具有大规模生产价格低、收率高、热值高、孔隙率高、广受市场欢迎的复合机制炭的潜能。本发明通过以下技术方案实现。
一种高性能复合机制炭的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将含水率为5%以下的生物质原料、褐煤分别破碎至粒度小于1cm的颗粒；
（2）将步骤（1）得到的生物质原料颗粒在温度为400℃～900℃下热解得到生物炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
（3）将质量百分比为10～40%的步骤（2）得到的生物炭、质量百分比为40～70%步骤（1）得到的褐煤、质量百分比为1～10%粘结剂、质量百分比1～10%为助燃剂、质量百分比为5～14%的水混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成带有中心孔的炭棒；
（4）将步骤（3）得到的带有中心孔的炭棒以30～200℃/min的升温速率升温至400～700℃炭化1～12h，冷却后得到复合机制炭。
所述步骤（1）中生物质原料为核桃壳、松子壳、椰子壳、玉米芯、甘蔗渣、糠醛渣、咖啡壳、花生壳中的一种或者几种任意比例混合物。
所述步骤（3）中粘结剂制备方法为：将含30wt%以上腐植酸的泥煤、褐煤或风化煤粉碎至粒径小于1mm，按照液固比为1～10:1ml/g加入到百分比浓度为5～30%的NaOH溶液中，在温度为80～120℃下搅拌20～40min制备得到粘结剂。
所述步骤（3）得到的助燃剂为50～80wt%二氧化锰、15～30wt%三氧化二铝和5～20wt%碳酸钙混合物。
所述步骤（4）炭化过程产生的热解烟气将通过管道引入到蓄水池中被水吸收，蓄水池中的污水将循环利用于步骤（3）中作为混合物料的水。
本发明的有益效果是：该机制炭的固定碳含量≥80%，灰分≤5%，热值≥35MJ/Kg，燃烧时最低温度大于或等于420℃；该机制炭中所用生物质原料和褐煤价格低廉，脱灰效果好，孔隙率高，本机制炭的制备过程中采用两步炭化，第一步炭化过程为生物质原料的热解（干馏）炭-气联产，热解烟气和副产品生物质炭均得到了充分利用；第二步为生物质炭（配比较小）、褐煤（配比较大）等混合物炭化，提高了褐煤的固定碳含量，且挥发分去除过程中产生的大量孔隙有利于机制炭的燃烧，此外，热解烟气排入水池中被吸收，吸收了烟气的水分被循环用到复合机制炭配料环节。本发明制备的复合机制炭不仅解决了生物质炭和褐煤两者的局限性，而且资源得到综合利用，符合绿色发展的要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该高性能复合机制炭的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将含水率为5%以下的生物质原料（质量比1:1:1:1的核桃壳、松子壳、椰子壳和玉米芯混合生物质原料）、褐煤分别破碎至粒度小于1cm的颗粒；
（2）将步骤（1）得到的生物质原料颗粒在温度为400℃下热解3h得到生物炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
（3）将质量百分比为10%的步骤（2）得到的生物炭、质量百分比为70%步骤（1）得到的褐煤、质量百分比为10%粘结剂、质量百分比1%为助燃剂、质量百分比为9%的水混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成带有中心孔的炭棒；粘结剂制备方法为：将含30wt%以上腐植酸的泥煤粉碎至粒径小于1mm，按照液固比为10:1ml/g加入到百分比浓度为5%的NaOH溶液中，在温度为80℃下搅拌20min制备得到粘结剂；助燃剂为50wt%二氧化锰、30wt%三氧化二铝和20wt%碳酸钙混合物；
（4）将步骤（3）得到的带有中心孔的炭棒以200℃/min的升温速率升温至700℃炭化1h，冷却后得到复合机制炭；炭化过程产生的热解烟气将通过管道引入到蓄水池中被水吸收，蓄水池中的污水将循环利用于步骤（3）中作为混合物料的水。
结果表明，生物质炭化得率为32%；经检测，该复合机制炭的固定碳含量为83wt%，灰分含量为5wt%，热值为35MJ/Kg，燃烧时最高温度可以达到420℃。
实施例2
该高性能复合机制炭的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将含水率为5%以下的生物质原料（甘蔗渣）、褐煤分别破碎至粒度小于1cm的颗粒；
（2）将步骤（1）得到的生物质原料颗粒在温度为600℃下热解2.5 h得到生物炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
（3）将质量百分比为30%的步骤（2）得到的生物炭、质量百分比为50%步骤（1）得到的褐煤、质量百分比为5%粘结剂、质量百分比10%为助燃剂、质量百分比为5%的水混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成带有中心孔的炭棒；粘结剂制备方法为：将含30wt%以上腐植酸的褐煤粉碎至粒径小于1mm，按照液固比为1:1ml/g加入到百分比浓度为20%的NaOH溶液中，在温度为80℃下搅拌20min制备得到粘结剂；助燃剂为60wt%二氧化锰、20wt%三氧化二铝和20wt%碳酸钙混合物；
（4）将步骤（3）得到的带有中心孔的炭棒以100℃/min的升温速率升温至500℃炭化8h，冷却后得到复合机制炭；炭化过程产生的热解烟气将通过管道引入到蓄水池中被水吸收，蓄水池中的污水将循环利用于步骤（3）中作为混合物料的水。
结果表明，生物质炭化得率为28%；经检测，该复合机制炭的固定碳含量为81wt%，灰分含量为4wt%，热值为39MJ/Kg，燃烧时最高温度可以达到440℃。
实施例3
该高性能复合机制炭的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将含水率为5%以下的生物质原料（质量比为1:1:1的糠醛渣、咖啡壳和花生壳混合生物质料）、褐煤分别破碎至粒度小于1cm的颗粒；
（2）将步骤（1）得到的生物质原料颗粒在温度为900℃下热解1.5h得到生物炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
（3）将质量百分比为40%的步骤（2）得到的生物炭、质量百分比为40%步骤（1）得到的褐煤、质量百分比为1%粘结剂、质量百分比5%为助燃剂、质量百分比为14%的水混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成带有中心孔的炭棒；粘结剂制备方法为：将含30wt%以上腐植酸的风化煤粉碎至粒径小于1mm，按照液固比为5:1ml/g加入到百分比浓度为30%的NaOH溶液中，在温度为100℃下搅拌30min制备得到粘结剂；助燃剂为80wt%二氧化锰、15wt%三氧化二铝和5wt%碳酸钙混合物；
（4）将步骤（3）得到的带有中心孔的炭棒以30℃/min的升温速率升温至400℃炭化12h，冷却后得到复合机制炭；炭化过程产生的热解烟气将通过管道引入到蓄水池中被水吸收，蓄水池中的污水将循环利用于步骤（3）中作为混合物料的水。
结果表明，生物质炭化得率为25%；经检测，该复合机制炭的固定碳含量为86wt%，灰分含量为3.5wt%，挥发分含量为10%，热值为37MJ/Kg，燃烧时最高温度可以达到430℃。
实施例4
该高性能复合机制炭的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将含水率为5%以下的生物质原料（花生壳）、褐煤分别破碎至粒度小于1cm的颗粒；
（2）将步骤（1）得到的生物质原料颗粒在温度为800℃下热解2h得到生物炭，将热解过程中产生的生物质气体进一步处理后用作燃气；
（3）将质量百分比为35%的步骤（2）得到的生物炭、质量百分比为50%步骤（1）得到的褐煤、质量百分比为1%粘结剂、质量百分比6%为助燃剂、质量百分比为8%的水混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成带有中心孔的炭棒；粘结剂制备方法为：将含30wt%以上腐植酸的风化煤粉碎至粒径小于1mm，按照液固比为5:1 ml/g加入到百分比浓度为20%的NaOH溶液中，在温度为120℃下搅拌40min制备得到粘结剂；助燃剂为65wt%二氧化锰、20wt%三氧化二铝和15wt%碳酸钙混合物；
（4）将步骤（3）得到的带有中心孔的炭棒以120℃/min的升温速率升温至600℃炭化10h，冷却后得到复合机制炭；炭化过程产生的热解烟气将通过管道引入到蓄水池中被水吸收，蓄水池中的污水将循环利用于步骤（3）中作为混合物料的水。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。