一种生物质基燃料及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物质基燃料及其制备方法，包括生物质和生物质添加剂、干燥基全硫分小于0.9的低硫煤、低硫煤添加剂，其中，生物质和生物质添加剂按照重量比100：3～8混合组成第一种混合物，低硫煤和低硫煤添加剂按照重量比100：5～10混合组成第二种混合物，；第一种混合物和第二种混合物按照重量比60～90：10～40混合均匀制成生物质基燃料；所述生物质添加剂为高炉炉渣；所述低硫煤添加剂为钢渣和瓦斯泥中的一种或两种按照任意重量比混合而成。本发明分别将添加剂复合掺入到生物质与低硫原煤中，同时实现了固硫和改善灰熔融性；而且通过综合利用废弃物，降低了添加剂的成本。
【专利说明】一种生物质基燃料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物质基燃料及制备方法。
【背景技术】
[0002] 生物质能源具有可再生和环境友好的双重属性，开发生物质能，既有利于实现能 源多元化，缓解常规化石能源紧张，又减少温室气体排放。生物质燃料成型技术是指在一定 温度与压力条件下，将各类原本松散细碎的生物质废弃物压制成具有形状规则的棒状、块 状、颗粒状成型燃料的高新技术，以解决生物质运输、储存、防火等问题。国家《生物质能发 展"十二五"规划》明确提出建立生物质成型燃料生产、储运和使用体系，在城市推广生物质 成型燃料集中供热，在农村作为清洁炊事和采暖燃料推广应用。生物质成型燃料具有密度 高、体积小、污染物排放少等优点，但是与传统的化石能源相比，单纯的生物质成型燃料能 量密度仍较低，而且因其富含碱金属及氯元素，易引起灰熔融、结渣、腐蚀，超细颗粒物排放 等问题。上述问题制约了生物质固体成型燃料的进一步发展。
[0003] 生物质与煤混合燃烧是一种综合利用生物质能和煤炭资源，并同时降低污染物 排放的新型燃烧方式。生物质混煤燃烧技术简单，投资和运行费用低，可以充分发挥生物质 和原煤的优势，生物质的硫、氮元素含量远低于原煤，可以有效减少N0 X、S02和化石燃料C02 的排放，生物质的挥发分含量高，着火温度低，可以有效改善原煤的燃烧特性。同时，由于生 物质具有较高的挥发分含量、生物质焦具有较高的反应性以及生物质灰中的碱金属对煤焦 气化有很好的催化作用，生物质与煤共气化过程也有很好的协同作用。将生物质与煤混合 压制成型，不仅能够节约原料煤的用量，在一定程度上缓解我国的能源紧缺问题，而且还 能够将废弃生物质资源加以充分利用，大量而高效的利用生物质发电。
[0004] 实际锅炉燃烧中，生物质与煤的混燃比例会受到一定的限制。当生物质的热量输 入小于10%时，混燃技术可充分发挥其技术优势，可能出现的技术问题均在运行可控制的 范围内。但当热输入比例进一步提高时，由于生物质中的碱金属和氯含量较高，会在锅炉炉 膛、过热器及空气预热器等对流受热面发生积灰、结渣、腐蚀等问题。其次，煤中掺入生物质 燃烧会影响锅炉内的温度场分布，从而影响正常热交换。且生物质混燃比例越大，以上问题 就越突出，甚至会影响锅炉的正常运行。生物质与煤共气化时，煤灰分中的钙、硅等元素虽 然对生物质中的碱土金属有一定的固定作用，但是仍会有大量的碱土金属进入烟气中，对 受热面造成腐蚀，影响系统的正常运行。
[0005] 发明专利（CN100386416C)公开了一种采用动力配煤技术的生物质型煤配方，将 黄陵烟煤和晋城无烟煤按质量1:1配煤后，加入5?9%的毛紺壳粉末作为固硫剂，14? 20%的稻草作为粘结剂，并加入膨润土 1?3%作为粘结添加剂，依据该配方制得的生物质 工业型煤虽然具有易着火、燃烧速度快，固硫效果好，灰渣含量低且不结渣的优点，但是适 用范围较窄，且不能解决生物质中碱金属和氯元素带来的积灰、结渣和腐蚀问题。
[0006] 发明专利（CN101550374B)公开了一种生物质固体成型燃料添加剂，采用A120 3、 Fe203、高岭土的混合物作为添加剂，采用一般的方法均匀混合而成，添加剂按重量比3? 8%掺入到秸杆中，该发明虽然达到了提高灰熔点，降低积灰、结渣等作用，但所用添加剂成 分均为资源型矿物或化学品，造成添加剂成本高，而且添加剂各成分依靠机械混合均匀较 难实现。
[0007] 发明专利（CN101899345A)公开的生物质成型燃料，阐述了固硫剂为石灰或碳酸 钙。助燃剂采用镁菱土、硝酸镁、氧化镁或氧化铁以及可选的固体氧化剂高锰酸钾或氯酸 钾。其效果是助燃、减少二氧化硫和氮氧化物的排放。燃料添加剂包括重量百分比为〇. 1? 5%的油脂、重量百分比为0. 1?2%的固硫剂以及重量百分比为0. 1?0. 5%的助燃剂。所 选添加剂、助燃剂为资源型矿物或者化工产品，依据添加量和效果会增加燃料成本，未提及 对成型燃料灰熔融性的影响，实际铁化合物、钾化合物将对灰熔融性具有负面影响，是本领 域人员熟知的知识。
[0008] 发明专利（CN102041130A)公开的一种提高生物质灰熔点的方法，提到高岭土与 酸性白土、硅藻土、膨润土、煤、煤矸石的一种或多种组成的混合物作为添加剂，且添加剂的 总质量与生物质灰质量比为20?40%。亦有不少采用高岭土、石灰石、碳酸钙、碳酸镁、石 灰、红土等添加剂可以改善灰熔融特性的研究。这些都是以现有资源型矿物改善灰熔点的 方法，没有兼顾到生物质燃尽性和助燃性。生物质的种类繁多，灰熔点和燃烧性能各异，提 高燃料热值、改善灰熔融性和燃尽性出发协同提升燃料品质。
[0009] 发明专利（CN102787000A)公开的一种具有热值的燃煤锅炉烟气干法脱硫剂，按 照电石渣和生物质材料质量比为1 :(〇. 16?0.36)的比例掺混、造粒工序，制备出来的专用 于炉内掺烧脱硫的颗粒状固体；这种脱硫剂密度为1. 1?1. 4g/cm3,粒径为6?10mm ;所述 的生物质材料为植物秸杆类、农作物下脚料、树叶或杂草。以上发明技术原理：利用生物质 燃烧放热弥补传统钙基吸收剂分解吸热能耗。通过生物质与电石渣复合，燃烧过程有利于 CaO或者生物质灰吸附二氧化硫的硫化反应，提高了脱硫性能。拓宽了电石渣综合利用途 径，降低了处置成本。显然该专利是以提高脱硫剂性能为主体，提高电石渣和生物质利用效 率为目标的。没有提及其他固体工业废弃物的利用及效果，未涉及电石渣对生物质助燃和 灰熔融性的研究。
[0010] 发明专利（CN101935568A)公开的一种高温生物质微米燃料，包括植物纤维粉体 和添加剂，其中，植物纤维粉体质量分数占75?100%，添加剂为煤粉、石灰粉和赤泥占中 的至少一种，植物纤维粉体粒径小于250微米的粒径占70%以上。普通生物质纤维材料通 过微米化技术，能够流态化输送，变成了一种接近燃油和燃气的高品位流体燃料。该发明强 调生物质燃料粒径减小至几百微米级别是带来的强化燃烧效果和用途。加入煤粉、石灰、赤 泥为了提高燃料热值和抑制钾、钠碱金属盐的腐蚀。该专利中的未涉及所选添加剂起助燃 作用，生物质微米粉体与煤粉掺混，生物质的碱金属灰分对煤焦助燃的作用大大减弱，石灰 和赤泥主体成分不能有效助燃生物质微米燃料或者煤粉燃烧也是本领域人员易知的知识。 而对于成型燃料（毫米或厘米级大小）颗粒的燃烧过程与生物质微米颗粒燃烧的过程和原 理有本质的区别，成灰特性也有本质的区别，这是本领域人员熟知的专业知识。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是针对目前生物质固体成型燃料的添加剂成本较高，不能廉价高效 的改善生物质的灰熔融性的不足，煤粉、固硫剂等掺入生物质成型燃料燃尽性降低，提供一 种生物质基燃料及制备方法，分别将添加剂复合掺入到生物质与低硫原煤中，同时实现了 固硫和改善灰熔融性；而且通过综合利用废弃物，降低了添加剂的成本。
[0012] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0013] 一种生物质基燃料，包括生物质和生物质添加剂、干燥基全硫分小于0. 9的低硫 煤、低硫煤添加剂，其中，生物质和生物质添加剂按照重量比100 :3?8混合组成第一种混 合物，低硫煤和低硫煤添加剂按照重量比100 :5?10混合组成第二种混合物，;第一种混合 物和第二种混合物按照重量比60?90 :10?40混合均匀；
[0014] 所述生物质添加剂为高炉炉渣。
[0015] 所述低硫煤添加剂为钢渣和瓦斯泥中的一种或两种按照任意重量比混合而成。
[0016] 所述生物质是指玉米秸杆、小麦秸杆、稻草或棉花秸杆。
[0017] 所述低硫煤为干燥基全硫分小于0. 9的褐煤或烟煤。
[0018] 所述高炉炉渣中，按质量百分含量，CaO为35?44%，Si02S 32?42%，A1203为 6?16%，Mg0为4?13%，Mn0为2?8%，Fe0为1?5%，CaS为0?1%，余量为杂质。
[0019] 所述钢渣中，按质量百分含量，CaO为45?60%，Si02S 10?15%，A1203为1? 5%，FeO为7?20%，Fe20 3为3?9%，Mg0为3?13%，P205为1?4%，余量为杂质；
[0020] 所述瓦斯泥中，按质量百分含量，全铁（TFe)为35?45%，Fe0为3?12%，Fe20 3 为 35 ?55%，CaO 为 1 ?10%，Si02 为 5 ?20%，A1203 为 1 ?5%，MgO 为 0· 5 ?2%，余 量为杂质。
[0021] 所述生物质添加剂为200?400目的粉末。
[0022] 所述低硫煤添加剂为200?400目的粉末。
[0023] 所述第一种混合物和第二种混合物混合均匀后制成密度为0. 8?1. 2g/cm3,直径 5?30mm，长度是直径的1?8倍的颗粒或柱状燃料。
[0024] -种生物质基燃料的制备方法，包括：
[0025] A.生物质添加剂掺配，将生物质添加剂研磨成200?400目的粉末，生物质和生物 质添加剂按照重量比1〇〇 :3?8均匀混合组成第一种混合物；
[0026] B.低硫煤添加剂掺配，将低硫煤添加剂研磨成200?400目的粉末，低硫煤和低硫 煤添加剂按照重量比100 :5?10混合组成第二种混合物；
[0027] C.将第一种混合物和第二种混合物按照重量比60?90 :10?40混合均勻，采用 燃料成型机制成密度为〇. 8?1. 2g/cm3,直径5?30mm，长度是直径的1?8倍的颗粒或 柱状燃料。
[0028] 本发明针对的成型燃料的灰熔融性改善、掺配煤粉和生物质燃尽性，燃烧中固硫 特性协同考虑，提高固体燃料的品质。不同的固体燃料颗粒，燃尽时间差别很大。工程上， 固体燃料脱除挥发分的焦炭燃尽时间近似与焦炭直径平方成正比。另外，煤粉因为挥发分 含量低和固定碳含量较高，与相同粒径的生物质燃料相比，在一般燃烧过程中煤形成焦炭 的颗粒直径大于生物质焦炭，其孔隙率和比表面积远小于生物质焦炭颗粒，因而，煤粉掺入 生物质制备成型燃料，其燃尽性是燃料设计的一个核心问题。本发明充分挖掘对助燃有益 的固体废弃物，强化助燃、协同改善灰熔融性和灰中固硫特性。
[0029] 钢渣与瓦斯泥中含有大量的Fe203，研究表明，Fe 203对S02的氧化有催化作用，使 S02氧化为S03的速度大大加快，从而使整个CaO硫化反应速度加快，促进脱硫反应的进行， 促进脱硫产物的形成，提高固硫反应速率常数、产物层有效扩散系数和最终钙转化率，Fe203 可以显著降低煤粉的着火温度，提高煤粉的燃烧性能。本发明采用还有大量Fe203的钢渣与 瓦斯泥作为煤粉添加剂可以在提高钙基固硫特性的同时改善燃料的燃烧以及气化性能。
[0030] 本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
[0031] 1、本发明可以进一步提升生物质成型燃料的能量密度和热值，拓宽燃料用途和范 围。
[0032] 2、本发明综合利用工业废弃物，解决废弃物堆积处理难题，拓宽废弃物利用途径， 发挥废弃物价值，替代资源型矿物和化工产品，大大降低气化或燃烧所用的催化剂、添加剂 成本。
[0033] 3、本发明可以将工业废弃物耦合用作催化剂、添加剂，协同实现煤、生物质的催化 气化或燃烧、改善生物质灰熔融性，将低熔点碱金属（钾、钠等）、氯元素向底灰转化、固硫 等，充分利用钢渣和瓦斯泥中的铁氧化物对固硫和碳氧化的催化作用，进而解决生物质直 接混煤成型燃料的气化或燃烧不完全，提高燃料的燃尽性或气化碳转化率。显著降低生物 质直接混煤燃料燃烧污染物排放，包括二氧化硫、氮氧化物、氯化钾和颗粒物等；显著降低 气化气中的含硫、含氮成分以及颗粒物组分，减少烟气或燃气净化装置的运行成本。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0035] 实施例1
[0036] -种气化用生物质基燃料，以稻草秸杆为生物质原料，将其粉碎至长度小于 2. 5cm，将高炉炉渣磨成200目的粉末，按照稻草秸杆和高炉炉渣重量比100 :3均匀混合得 到原料A。
[0037] 高炉炉渣中CaO的质量百分含量为38. 5%，Si02的质量百分含量为36. 8%，A1203 的质量百分含量为10. 6%，MgO的质量百分含量为8. 7%，MnO的质量百分比为2. 7%，FeO 的质量百分比为1. 5%，CaS的质量百分比为0. 8%，余量为杂质。
[0038] 选取全硫含量为0. 7%的烟煤为低硫原煤，将钢渣研磨成200目的粉末，按照低硫 烟煤和钢渣重量比100 :5均匀混合得到原料B。
[0039] 钢渣中CaO的质量百分含量为48. 7%，Si02的质量百分含量为11. 5%，A1203的质 量百分含量为1.9%，FeO的质量百分含量为13.6%，Fe 203质量百分含量为6. 5%，MgO的 质量百分含量为9. 8%，P205的质量百分含量为2. 1 %，余量为杂质。
[0040] 将原料A与原料B按照重量比60 :40机械混匀，采用燃料成型机制成密度约为lg/ cm，直径约为5mm，长度为10?20mm的柱状燃料进行燃烧实验，与稻草秸杆、烟煤原料进行 对比，生物基燃料的着火点低于烟煤，着火性能以及燃尽性能优于烟煤，添加剂的加入使其 具有较好的灰熔融特性，灰熔融性特征温度实验数据如表1所示：
[0041] 表1灰熔融性特征温度实验结果
[0042]
【权利要求】
1. 一种生物质基燃料，其特征是，包括生物质和生物质添加剂、干燥基全硫分小于0. 9 的低硫煤、低硫煤添加剂，其中，生物质和生物质添加剂按照重量比100 :3?8混合组成第 一种混合物，低硫煤和低硫煤添加剂按照重量比100 :5?10混合组成第二种混合物，;第一 种混合物和第二种混合物按照重量比60?90 :10?40混合均匀制成生物质基燃料； 所述生物质添加剂为高炉煤渣； 所述低硫煤添加剂为钢渣和瓦斯泥中的一种或两种按照任意重量比混合而成。
2. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述生物质是指玉米秸杆、小麦秸 杆、稻草或棉花秸杆。
3. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述低硫煤为干燥基全硫分小于0. 9 的褐煤或烟煤。
4. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述高炉炉渣中，按质量百分含量， CaO 为 35 ?44%，Si02 为 32 ?42%，A1203 为 6 ?16%，MgO 为 4 ?13%，MnO 为 2 ?8%，FeO 为1?5%，CaS为0?1%，余量为杂质。
5. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述钢渣中，按质量百分含量，CaO为 45 ?60%，Si02 为 10 ?15%，A1203 为 1 ?5%，FeO 为 7 ?20%，Fe203 为 3 ?9%，MgO 为 3 ? 13%，P205为1?4%，余量为杂质； 所述瓦斯泥中，按质量百分含量，全铁（TFe)为35?45%，FeO为3?12%，Fe203为35? 55%，CaO 为 1 ?10%，Si02 为 5 ?20%，A1203 为 1 ?5%，MgO 为 0· 5 ?2%，余量为杂质。
6. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述生物质添加剂为200-400目的粉 末。
7. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述低硫煤添加剂为200-400目的粉 末。
8. 如权利要求1所述的生物质基燃料，其特征是，所述第一种混合物和第二种混合物 混合均匀后制成密度为〇. 8?1. 2 g/cm3,直径5?30mm，长度是直径的1?8倍的颗粒或 柱状燃料。
9. 一种如权利要求1所述生物质基燃料的制备方法，包括： A. 生物质添加剂掺配，将生物质添加剂研磨成200?400目的粉末，生物质和生物质 添加剂按照重量比100 :3?8均匀混合组成第一种混合物； B. 低硫煤添加剂掺配，将低硫煤添加剂研磨成200?400目的粉末，低硫煤和低硫煤 添加剂按照重量比100 :5?10混合组成第二种混合物； C. 将第一种混合物和第二种混合物按照重量比60?90 :10?40混合均匀，采用燃料 成型机制成密度为〇. 8?1. 2 g/cm3,直径5?30mm，长度是直径的1?8倍的颗粒或柱状 燃料。
【文档编号】C10L5/44GK104232231SQ201410478707
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】韩奎华, 林磊, 李辉, 张新建, 张晓峰, 王兵, 林国栋 申请人:济南宝华新能源技术有限公司