一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料及其制备方法与流程

本发明属于环保新能源材料
技术领域：
，具体涉及一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料及其制备方法。
背景技术：
：随着科学技术的发展，环境污染和能源危机等问题受到广泛关注，农林废弃物的资源化利用、减排成为当今社会发展的重点。有效缓解民用取暖问题，是减轻生活污染的有效途径，也是实现自然环境和社会资源协调与可持续发展的强大推动力。民用取暖问题常归结于供热方式及民用燃料种类的选取。我国民用取暖方式主要为直燃式取暖和间接式采暖，但取暖燃料大都是煤炭和天然气。煤炭燃烧效率低、污染严重，并且随着资源的不断开发利用逐渐枯竭。我国天然气能源紧缺，对外依存度在2010年只有12%，2013年已经攀升到31%，2014、2015、2016年呈现企稳态势，2017年进一步提升，已突破40%的水平。因此，不断改善并发现新型民用取暖燃料是加速民用取暖炉的应用和达到资源最大化利用的有效手段。我国生物质资源丰富，主要以农作物秸秆、农林业加工残余物、薪材和人畜粪便等形式存在，利用率很低，颇具开发潜力。通过高效利用生物质潜在热能，可以使生物质燃料代替部分煤炭和天然气提供取暖用能。生物质燃料具有热效率高、适应性广、经济性强等优点，但现有技术中的生物质燃料点燃速度较慢，燃烧时生成的含氮化合物较多。技术实现要素：本发明提供了一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料及其制备方法以解决现有技术中的生物质燃料点燃速度慢和燃烧时生成含氮化合物多的问题。本发明的目的是以下述技术方案实现的：一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎、热解，其中热解在无氧环境下经220℃-270℃炭化，制得生物质炭；（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭96-98份、助燃剂0.1-1份、固氮剂0.1-1份、催化剂0.2-0.4份；（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒。优选的，一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，步骤（1）中在N2氛围热解，升温速率为0.1-8℃/min，温度达到220℃-270℃后维持2-4h。优选的，一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，步骤（2）中助燃剂包括高锰酸钾、硝酸钾、高氯酸钾，重量组分比为2：0.5-1.5：1.0-2.0。优选的，一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，步骤（2）中固氮剂包括氧化镁、氧化钙，重量组分比为1：0.5-1.0。优选的，一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，步骤（2）中催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.5-1.0。优选的，一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中造粒粒径<8mm，比重为1.0-1.3。一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料，它为采用如上所述的制备方法制备获得。本发明的有益效果如下：1、生物质经过低温炭化后的燃料含水率在10%以下，且添加的助燃剂有助于缩短固化成型后的燃料的点燃速度，降低着火温度，高的固定碳含量也使得燃料热值较高。固氮剂的加入可以有效减少气相中含氮化合物的排放，减少NOX排放量35.3%-38.7%。2、通过控制炭化热解的参数和原料的合理配比，制备出的生物质炭燃料具有更好的稳定性、耐久性、疏水性、防霉变性能，并且采用可再生的生物质燃料供暖，遵循了绿色环保、可持续发展理念，不仅在循环经济中占有重要地位，而且对缓解能源危机、“三农问题”和改善固氮减排等环境问题均有着显著促进作用。附图说明图1是热解温度为220℃玉米秸秆生物质炭的粒度分布图；图2是热解温度为240℃玉米秸秆生物质炭的粒度分布图；图3是热解温度为250℃玉米秸秆生物质炭的粒度分布图；图4是热解温度为270℃玉米秸秆生物质炭的粒度分布图；图5是玉米秸秆生物质炭的D50随热解温度变化情况示意图。具体实施方式实施例1一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎，在无氧环境下经220℃-270℃热解制得生物质炭；（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭96-98份、助燃剂0.1-1份、固氮剂0.1-1份、催化剂0.2-0.4份；（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒。实施例2一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎，无氧环境N2氛围热解，升温速率为0.1-8℃/min，220℃-270℃后维持2-4h制得生物质炭。（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭96-98份、助燃剂0.5份、固氮剂0.5份、催化剂0.3份。其中助燃剂包括高锰酸钾、硝酸钾、高氯酸钾，重量组分比为2：0.5-1.5：1.0-2.0；固氮剂包括氧化镁、氧化钙，重量组分比为1：0.5-1.0；催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.5-1.0。（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒，造粒粒径<8mm，比重为1.0-1.3。实施例3一种低燃点环保型取暖用生物质炭颗粒燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎、热解，其中热解环境为无氧N2氛围，升温速率为6℃/min，温度达到240℃后维持4h制得生物质炭。（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭97份、助燃剂0.5份、固氮剂0.5份、催化剂0.3份。其中助燃剂包括高锰酸钾、硝酸钾、高氯酸钾，重量组分比为2：1：1.5；固氮剂包括氧化镁、氧化钙，重量组分比为1：0.8；催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.8。（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒，造粒粒径<8mm，比重为1.2。比较例1一种生物质炭燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎、热解，其中热解环境为无氧N2氛围，升温速率为6℃/min，温度达到240℃后维持4h制得生物质炭。（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭97份、助燃剂0.5份、催化剂0.3份。其中助燃剂包括高锰酸钾、硝酸钾、高氯酸钾，重量组分比为2：1：1.5；催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.8。（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒，造粒粒径<8mm，比重为1.2。与实施例3中的制备方法相比，原料中未添加固氮剂。比较例2一种生物质炭燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎、热解，其中热解环境为无氧N2氛围，升温速率为6℃/min，温度达到240℃后维持4h制得生物质炭。（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭97份、固氮剂0.5份、催化剂0.3份。固氮剂包括氧化镁、氧化钙，重量组分比为1：0.8；催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.8。（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒，造粒粒径<8mm，比重为1.2。与实施例3中的制备方法相比，原料中未添加助燃剂。比较例3一种生物质炭燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）将玉米秸秆粉碎、压块、破碎、热解，其中热解环境为无氧N2氛围，升温速率为6℃/min，温度达到300℃后维持4h制得生物质炭。（2）取如下重量份的原料：步骤（1）中制备的生物质炭97份、助燃剂0.5份、固氮剂0.5份、催化剂0.3份。其中助燃剂包括高锰酸钾、硝酸钾、高氯酸钾，重量组分比为2：1：1.5；固氮剂包括氧化镁、氧化钙，重量组分比为1：0.8；催化剂包括二氧化锰、硝酸铁，按重量份数组分比为1：0.8。（3）将步骤（2）中的原料进行粉碎、混合、造粒，造粒粒径<8mm，比重为1.2。与实施例3中的制备方法相比，步骤（1）中热解温度提高到了300℃。热解温度对生物质炭发热量的影响以玉米秸秆为原料，选择热解温度分别为220℃、240℃、250℃和270℃和，热解时间为4h，在N2氛围下进行实验，考察温度对生物质炭燃料发热量的影响，结果见表1。表1玉米秸秆原料及生物质炭发热量由结果可以看出，220℃~300℃范围内，随着热解温度的升高，玉米秸秆生物质炭燃料发热量不断增加，说明玉米秸秆在220℃~300℃炭化过程中样品的能量密度一直增加。生物质炭化过程一直伴随着挥发分的析出，样品质量不断减少，碳的相对含量不断增加，所以玉米秸秆生物质炭燃料的能量密度不断增加，发热量持续增加。但是随着温度的升高，生物质炭燃料热值的相对增长率并不一样。从220℃到240℃生物质炭燃料的热值升高了1.97%左右，240℃时生物质炭燃料空干基低位热值为18.08MJ/kg，从240℃到250℃生物质炭燃料的热值仅升高了0.39%左右，从250℃到270℃生物质炭燃料的热值升高了0.44%左右，从270℃到300℃生物质炭燃料的热值升高了0.38%左右，240℃以后随着温度的升高，生物质炭燃料的热值增涨趋势变缓。本发明以获得固体燃料炭为目的，对照《煤炭质量分级第3部分：发热量》（GB/T15224.3-2010），见表2，本产品相当于中低发热量煤。对照《生物质固体成型燃料技术条件》（NY/T1878-2010），见表3，发热量比草本类生物质固体成型燃料的发热量高，240℃时生物质炭燃料的热值比草本类生物质固体成型燃料标准高4.68MJ/kg。表2煤炭发热量分级序号级别名称代号发热量（Qgr,d）范围/（MJ/kg）1特高发热量煤SHQ>30.902高发热量煤HQ27.21~30.903中高发热量煤MHQ24.31~27.204中发热量煤MQ21.31~24.305中低发热量煤MLQ16.71~21.306低发热量煤LQ≤16.70表3生物质固体成型燃料性能要求玉米秸秆炭化后发热量得到较大提高，在220℃~270℃范围内，随着温度升高，玉米秸秆生物质炭燃料发热量不断增加。热解温度为240℃时，制备的生物质炭燃料的空干基低位热值为18.08MJ/kg，达到“GB/T15224.3-2010”中低发热量煤的标准，并高于“生物质固体成型燃料技术条件，NY/T1878-2010”中草本类生物质固体成型燃料的发热量。热解温度对生物质炭质量得率和能源得率的影响温度对生物质炭燃料质量得率的影响，结果见表4，可以看出，玉米秸秆生物质炭燃料的产率随着热解温度的升高而下降，这主要是因为在炭化过程中随着温度的升高，生物质炭化程度不断增加，不断地有挥发分和液体析出。在温度较低时，生物质处于干燥阶段，自由水和结合水受热挥发，温度继续升高到达热解阶段后，半纤维素开始受热分解释放出CO、CO2及轻组分有机物等，炭产率越来越小。表4温度对生物质炭质量得率的影响指标220℃240℃250℃270℃300℃质量得率（%）79.877.775.771.269.3生物质炭燃料的热值只是反映了经过低温热解得到的炭单位质量的能量，显示了生物质炭燃料能量密度的提高，能量得率则反映了生物质秸秆炭化过程的能量转化率，它有利于对炭化过程作出合理的评价，为此，本研究考察了温度对生物质炭燃料能源得率的影响，结果见表5，可以看出，生物质炭燃料的能源得率随着温度的增加逐渐减小，220℃时玉米秸秆生物质炭燃料的能源得率为92.84%，240℃时能源得率为92.18%，下降了0.71%，240℃以后能源得率下降速率相对较快，270℃时能源得率下降到85.17%，300℃时能源得率下降到81.65%，说明生物质炭化过程中产生的热解气带走了一些能量，240℃时生物质炭燃料保存了玉米秸秆原料的大部分能量。表5温度对生物质炭能源得率的影响指标220℃240℃250℃270℃300℃能源得率（%）92.8492.1890.1585.1781.65对玉米秸秆生物质炭燃料的质量得率和能源得率分析发现，玉米秸秆生物质炭燃料的产率随着热解温度的升高而下降，220℃、240℃、250℃、270℃和300℃生物质炭燃料质量得率分别为为79.8%、77.7%、75.7%、71.2%及69.3，主要是因为随着温度升高，挥发分不断析出，生物质炭化程度不断增加。玉米秸秆生物质炭燃料的能源得率随着温度的增加逐渐减小，220℃时玉米秸秆生物质炭燃料的能源得率为92.84%，240℃时为92.18%，下降了0.71%，240℃以后能源得率下降速率相对较快，270℃和300℃时能源得率下降到85.17%和81.65%，说明240℃时生物质炭燃料保存了玉米秸秆原料的大部分能量。热解温度对生物质炭粒度分布的影响粒度分布是指将颗粒群以一定粒度范围按大小顺序分为若干级别（粒级），各级别粒子占颗粒群总量的百分数，分别用D10（小于该值的颗粒占颗粒总数的10%）、D50（小于该值的颗粒占颗粒总数的50%）和D90（小于该值的颗粒占颗粒总数的90%）表示。不同温度制备的玉米秸秆生物质炭燃料粒度分布测定结果见附图1-4，220℃：D50为1827.80nm，240℃：D50为1721.50nm；250℃：D50为1718.80nm；270℃：D50为863.00nm。D50随热解温度变化情况示于附图5，可以看出不同温度条件下制备的生物炭粒度分布存在一定的差异，温度越高、粒径越小，其中240℃、250℃的粒径相差不大，说明在此温度条件下制备的生物质炭燃料性能相近。其结论为随热解温度的升高，生物质炭燃料中D50逐渐减小，但240℃和250℃制备的生物质炭燃料粒径分布变化不明显。生物质炭燃料中添加助燃剂对燃烧特性的影响测试取实施例3、比较例1、比较例2和比较例3中的制备方法制得的生物质炭燃料进行燃烧特性测试，其着火温度（Ti）、燃尽温度（Te）、最大燃烧速率（Vmax）和平均燃烧速率（Vmean）。燃料着火点越低，平均燃烧速率越快，燃烧反应越剧烈。表6生物质炭燃料燃烧特性参数从表6中可知，实施例3、比较例1和比较例3中的制备方法制得的生物质炭燃料的Ti、Te、Vmax和Vmean的值接近；比较例2中的制备方法制得的生物质炭燃料的Ti明显高于其他样品，Te、Vmax和Vmean显著低于其他样品，说明与比较例2中的制备方法制得的生物质炭燃料相比，实施例3、比较例1和比较例3中的制备方法制得的生物质炭燃料的燃烧更剧烈，这是因为比较例2中未添加助燃剂。固氮剂对生物质炭燃料燃烧时含氮化合物排放特性影响测试含氮化合物排放特性实验在管式炉上进行，OPTIMA7型烟气分析仪进行数据在线采集，燃烧气氛为空气。实验样品如下：A：100g（DW）实施例3中的制备方法制得的生物质炭燃料；B：100g（DW）比较例1中的制备方法制得的生物质炭燃料；C：100g（DW）比较例2中的制备方法制得的生物质炭燃料；D：100g（DW）比较例3中的制备方法制得的生物质炭燃料；E：100g（DW）实施例3步骤（1）中制备的生物质炭；F：100g（DW）市面销售的玉米秸秆生物质燃料。上述实验样品在管式炉内进行燃烧，OPTIMA7型烟气分析仪连续记录燃烧烟气中含氮化合物的浓度，当含氮化合物浓度降低至接近零时停止测量。对于燃烧生物质炭燃料排放的含氮化合物主要取决于NOX的生成量，研究表明，在通常的燃烧温度下，燃烧产生的含氮化合物中75%-90%是NOX，其中NO2占5%-10%，而N2O只占1%左右，因此本次实验只研究对NOX的排放特性。表7生物质炭燃料燃烧时NOX排放特性参数样品NOX生成量（mg/g）NOX转化率（%）A1.084.23B1.736.40C1.124.13D1.064.38E1.705.41F1.938.21F样品燃烧NOX释放集中，伴随挥发分燃烧大量释放；而炭化后挥发分明显减少，伴随着挥发分和固定碳同时燃烧，氮析出较为平缓，析出持续时间较长。F样品的NOX生成量和转化率相比其他样品高，说明炭化后的生物质炭具有低排放的优势。B和E的NOX生成量比A、C和D高出35.3%-38.7%，说明燃烧时固氮剂具有明显降低NOX生成量的作用。当前第1页1 2 3