本实用发明涉及一种高效速燃生物质复合清洁燃料及加工方法。
背景技术：
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21世纪，“能源”已成为国家之间的竞争焦点。原煤、石油和天然气三种化石燃料是一次基础性能源，属于一个国家的战略物资。据权威资料显示，世界所剩能源储量为：石油开采的年限为40年，天然气55年，煤炭150年；而我国石油开采的年限为15年，天然气25年，煤炭70年。我国是能源消耗大国，是仅次于美国的世界第二能源消费国，与世界一次能源构成不同的是我国以煤炭燃料消耗为主，2015年，我国煤炭在一次能源消费中的比重为63%，由于煤炭难以实现高效、洁净燃烧，已对人类的生存环境和气候带来了严重的污染。因此，探索开发一种洁净并可持续再生的燃料替代现有的煤炭，已成为国家的紧迫课题。
迄今为止，直接燃烧能够达到1200℃以上的高温且低廉的燃料只有一次性化石能源。如煤、石油、天然气等碳氢燃料，它们是人类进行采矿而获取的燃料；同样碳氢家族的生物质燃料是年复一年的再生能源，其资源量远超过化石能源，生物质每年在全球生长的能源量是全世界能源消耗总量的十倍以上，而且资源十分广泛；但是，生物质因其碳氢含量在50%以下，热值只为煤的2/3，能量密度比煤低，直接燃烧温度较低600～800℃，即使生物质成型燃料，其燃烧温度也在1000℃左右，不能进入能源燃烧的主战场，始终被排斥在工业燃料的大门之外，被大工业所遗弃或者边缘化。几千年来，能源的霸主地位一直被化石能源所独占，生物质燃料一直是化石能源的“手下败将”。
在当前能源危机和环境高度污染的双重压力下，如何开发一种清洁并且可再生的新能源去替代煤炭，占领未来低碳工业和低碳经济以及生物质能源革命的制高点，重新划分世界一次基础性能源的格局，任务十分艰巨。
技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种高效速燃生物质复合清洁燃料及加工方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种高效速燃生物质复合清洁燃料，其组成包括：生物质粉、生物质碳粉、石蜡、砂糖、二氧化锰、三氧化二铁、氧化钙、稀土尾矿、二茂铁，其特征是：所述的生物质粉的重量份数为60~70、所述的生物质碳粉的重量份数为20~30、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.25~0.5、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.25~0.5。
所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为60、所述的生物质碳粉的重量份数为20、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.25、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.25。
所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为70、所述的生物质碳粉的重量份数为30、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.5、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.5。
所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为65、所述的生物质碳粉的重量份数为25、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.37、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.37。
所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉是玉米杆或棉花杆或稻杆或麦秸或蔗渣或木屑或白杨或柳木加工生成的粉末。
一种所述的高效速燃生物质复合清洁燃料的加工方法，该方法包括如下步骤：
（1）干燥：将生物质放在干燥装置内加热，加热的温度为0~150°；
（2）烘焙与碳化：将步骤（1）的生物质分为两份，一份放置于烘焙装置内加热，加热温度为150°~265°，烘焙的最佳温度为230°~260°，另一份放置在碳化装置内加热，加热温度为265°~600°，此时生物质碳化成生物质炭；
（3）粉碎与混配：将步骤（2）的生物质与生物质炭按比例运进粉碎机进行粉碎到60~120目，同时，将上述的、石蜡、砂糖、二氧化锰、三氧化二铁、氧化钙、稀土尾矿、二茂铁按上述的比例各自粉碎到80~120目后统一加入粉碎机中进行混配，粉碎混配后即成。
有益效果：
本发明设计思路是复合燃料具有突发速燃性，研发的燃料充分利用了生物质的挥发性高、生物质碳燃点比生物质低、加入低燃点的引燃剂和提供氧的助燃剂以及将燃料粉碎到80~120目等能够使燃料产生快速燃烧的组合优势条件，使复合燃料各物质的燃点之间形成一个逐步上升的梯度走势，利于复合燃料燃烧突发性和持续性的形成，从而产生了在短时间内的能量集聚，达到高温燃烧1000~2000℃之目的；但是燃料的安全性与可控性是本发明设计优先考虑的条件。因此，在配方中加入的低燃点的引燃剂和提供氧的助燃剂不能超过燃料总重量1~3%，加入的防焦剂、脱氮剂等不能超过燃料总重量1~5%。
本发明加入的各种添加剂尽量不采用或少采用不环保的物质，如无硫引燃剂，无氮或低氮助燃剂。
本发明加入的各种添加剂尽量不采用或少采用能致使燃料灰熔点变低的碱性添加物，以防止炉窑结焦。
本发明设计配方时要充分考虑各种添加物的协同叠加作用。
本发明燃料具有速燃性，短时间聚集能量，可根据不同工况需要，燃烧温度在1000~2000℃范围内任意可调，可取代一次能源的煤炭；而且制造本发明的原料广泛、成本低，并具有可再生性。
本发明比成型生物质直接燃烧降低氮氧化物和二氧化硫排放的30%以上，锅炉热效率提高20~30%。
本发明比成型生物质燃烧降低了出渣率90%以上。
本发明比成型生物质燃料和直燃生物质粉末提高灰熔点200~300℃，从而有利于生物质高温燃烧，增加传热效率。
具体实施方式：
实施例1：
一种高效速燃生物质复合清洁燃料，其组成包括：生物质粉、生物质碳粉、石蜡、砂糖、二氧化锰、三氧化二铁、氧化钙、稀土尾矿、二茂铁，所述的生物质粉的重量份数为60~70、所述的生物质碳粉的重量份数为20~30、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.25~0.5、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.25~0.5。
实施例2：
根据实施例1所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为60、所述的生物质碳粉的重量份数为20、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.25、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.25。
实施例3：
根据实施例1所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为70、所述的生物质碳粉的重量份数为30、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.5、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.5。
实施例4：
根据实施例1所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉的重量份数为65、所述的生物质碳粉的重量份数为25、所述的石蜡的重量份数为1、所述的砂糖的重量份数为1、所述的二氧化锰的重量份数为1、所述的三氧化二铁的重量份数为0.5、所述的氧化钙的重量份数为0.37、所述的稀土尾矿的重量份数为1、所述的二茂铁的重量份数为0.37。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，所述的生物质粉是玉米杆或棉花杆或稻杆或麦秸或蔗渣或木屑或白杨或柳木加工生成的粉末。
实施例6：
一种实施例1-5之一所述的高效速燃生物质复合清洁燃料的加工方法，该方法包括如下步骤：
（1）干燥：将生物质放在干燥装置内加热，加热的温度为0~150°；
（2）烘焙与碳化：将步骤（1）的生物质分为两份，一份放置于烘焙装置内加热，加热温度为150°~265°，烘焙的最佳温度为230°~260°，另一份放置在碳化装置内加热，加热温度为265°~600°，此时生物质碳化成生物质炭；
（3）粉碎与混配：将步骤（2）的生物质与生物质炭按比例运进粉碎机进行粉碎到60~120目，同时，将上述的、石蜡、砂糖、二氧化锰、三氧化二铁、氧化钙、稀土尾矿、二茂铁按上述的比例各自粉碎到80~120目后统一加入粉碎机中进行混配，粉碎混配后即成。
实施例7：
根据实施例1-6所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，本发明是根据黑火药爆炸的物理现象设计发明的，大家知道，黑火药爆炸是一种急骤性燃烧。是在短时间内，由火花、火焰等引发剧烈的化学反应，瞬间聚集大量的热量，产生高温，使周围气体的体积迅速膨胀的过程。黑火药是中国四大发明之一，黑色火药由木碳（C）、硝酸钾（KNO3）和硫磺（S）组成。黑火药引燃后最初燃烧的是硫磺，硫磺在黑火药中燃点最低190℃，硫磺引起木炭快速燃烧。木炭的燃点为340℃，助燃剂硝酸钾380℃开始分解释放出氧气，其燃烧次序为硫磺→木炭→硝酸钾热分解提供氧原子助推快速燃烧。传统火药配方为：1份硫磺，2份硝酸钾，3份木炭。即在配方中木炭占50%，硝酸钾占33.3%，硫磺占16.7%。黑火药在空气中爆炸的化学方程式为：
则S、KNO3、C完全反应时的质量比为32：2×（39+14+16×3）：3×12=32：202：36，因KNO3分解时产生的氧原子比空气中的氧气氧化性强，所以黑火药爆炸时不会产生K2S，而是生成K2O和SO2。由于SO2对人的支气管、肺、眼结膜和大气环境有污染。因此，环保型无硫黑火药相继研发成功，目前，国内外很多学者都对无硫型黑火药的最优配方和输出效应等进行了研究。实验表明，无硫黑火药KNO3/C的合理比值为65~75/15~30，而且无硫黑火药在生产、储存和运输过程中更为安全。
实施例8：
根据实施例1-6所述的高效速燃生物质复合清洁燃料，本发明的燃烧过程与生物质的燃烧过程基本相似，但本发明燃烧具有急速燃烧和安全可控的特点。本发明燃烧过程分为四个阶段，即复合燃料干燥阶段、气化与碳化阶段、挥发分燃烧阶段和炭燃烧阶段，复合燃料在实际燃烧过程中，燃烧炉内的温度场始终在1000度以上，因此自燃料进入炉体内到燃料分子燃烧结束这四个阶段是在瞬间完成的。
复合燃料干燥阶段，复合燃料初加热１５０~160℃以前排出的都是水蒸气，这个过程是燃料的干燥过程，含水分越多的物料，这个过程就越长，消耗的能源就越多，只有把水分蒸干了，燃料成分才能开始热解，所以燃料的原料应尽量减少水分。实践证明生物质的水分对燃烧过程影响很大，甚至主宰整个燃烧过程，所以将燃料水分干燥作为一个独立的过程进行分析，本发明复合燃料将水分含量控制在14%以下。
复合燃料的气化和碳化阶段，在该阶段，当燃料被加热到160℃时，开始释放出少量的挥发分。挥发分的组成为：二氧化碳、一氧化碳、低分子碳氢化合物（如：甲烷、乙烯等）、还有氢气、氧气和氮气等气体。挥发分中的氢气、低分子碳氢化合物和一氧化碳是可燃成分，二氧化碳和氮气是不能燃成分。当燃料温度为１6０～２７５℃区间时，燃料中的半纤维素等不稳定成分开始分解，这时从排气孔中冒出的“烟”，主要是ＣＯ２、ＣＯ和少量的醋酸。以上两个阶段都是吸热反应，都需要不断地外加热才行。
当温度继续上升，超过２７５℃时，燃料处于热解阶段原料开始加快分解，随着温度提高，分解速度加快，生成大量分解物，如甲烷、乙烷、乙烯、醋酸、甲醇、丙醇、木焦油等，由于生物质中含有氧元素，这一阶段表现出是放热反应，可以说这一阶段不用外加热就可以使反应进行下去，这一阶段温度在４５０℃左右，称为热解阶段，生物质的干馏热解主要产物都是在这个阶段形成的，特别是木醋液、木焦油几乎全部都是在这个阶段中形成的，如果这时停止加热的话，得到的产物有生物炭、木煤气、木焦油、木醋液，其中炭的产量最高，木煤气产量很低，因为炭中还有一些挥发物没被分解出来，这时的气化燃气的热值不太高，一般在３０００ｋｃａｌ／ｍ３左右。
此阶段参照黑火药次序燃烧和助燃的原理，添加的初燃剂应为低燃点固体物质，考虑到环保与安全可控性，本发明不采用黑火药中低熔点190℃的硫磺成分，而采用低燃点的199℃石蜡、燃点280℃的苘麻杆粉和燃点350℃的砂糖三种物质。此外，在复合燃料加入燃料总量10～30%的80～120目生物碳粉（燃点340℃）提前燃烧，用以提高了复合燃料的挥发分析出速率，降低了燃料的着火温度，缩短了点火延迟时间。特别强调的是木炭还具有催化裂解生物质燃烧产生的焦油作用。在此阶段不设计添加这一区间分解温度助燃剂的原因是使燃料在燃烧初期阶段处于欠氧燃烧状态，以保证达到燃料低氮排放之效果。
挥发分燃烧阶段，复合生物质燃料经加热所释放出的挥发分在高温下开始燃烧，同时释放出大量热量，由于挥发分的成分比较复杂，其燃烧反应也比较复杂。几种主要挥发分气体的燃烧次序与反应方程式如下：
此阶段不采用黑火药中助燃剂硝酸钾的原因有两个：一是硝酸钾助燃剂含有强碱金属离子，在锅炉或高炉容易产生结焦；二是硝酸钾的热分解温度比较低380℃，不利于低氮燃烧。
本发明采用的助燃剂为高温分解助燃剂，助燃剂发挥作用阶段设计在复合燃料挥发分燃烧的后期和碳燃烧时段。所采用的添加物质如MnO2分解温度530℃、Fe2O3或稀土助燃剂等，用以加快生物质复合燃料中的挥发分与炭的燃尽速率，并具有脱硫脱氮的明显作用。
炭燃烧阶段，因生物质燃料中挥发成分在燃烧初期将生物质固定碳包裹着，氧气不能接触到炭的表面，因而炭在挥发分的燃烧初期是不燃烧的，经过一段时间以后，挥发分燃烧结束，剩下的炭与氧气接触并发生燃烧反应。生物炭的初始燃烧温度为340℃，但生物炭主要燃烧温度在400℃以上，当温度加到6００℃以上时，碳在燃烧的同时也随着温度的升高不再产生木醋液和焦油，而只是产生木煤气，其中主要是ＣＨ４和Ｈ２，这样的木煤气热值很高，木煤气的热值可达６０００ｋｃａｌ／ｍ３。炭燃烧时的反应方程式如下：
在此阶段设计加入燃料的防焦剂和脱氮固硫剂。大家知道，生物质在燃烧的过程中，其灰分中的碱金属的主要成分为氧化钾与灰中的二氧化硅（详见表2）发生化学反应，生成硅酸钾与硅酸钠等粘结性很强的结焦络合物，该络合物的熔点温度均小于700℃，这是秸秆燃烧导致灰熔点低的主要原因。
表2：几种代表性的秸秆灰分成分表：
从上表看出生物质燃料燃烧后灰分中成分有很大差异，灰分中各种不同成分的物质含量及比例变化，其生物质的灰熔点就不同，详见表3几种代表性的秸秆的灰熔点。由表2与表3可以看出几种代表性秸秆灰熔点的已经形成规律。即秸秆的灰熔点与灰中的碱性氧化物：如氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化铁（Fe2O3）和两性化合物：如三氧化二铝（AI2O3）以及酸性氧化物：二氧化硅(SiO2)的含量有关，其中碱性氧化物含量越高，碱性越强，秸秆的灰熔点就越低；相反酸性氧化物含量越高，灰的熔点就越高。
表3：几种代表性的秸秆的灰熔点表：
从表1和表2中生物质灰分和灰分组分含量可以推知：生物质燃料中含SiO2的在0.6%～8%之间，生物质秸秆灰分中二氧化硅(SiO2)含量高，因此防焦剂中可不添加SiO2，只选择具有多效协同作用的氧化钙（CaO还具有脱氮固硫和提高灰熔点的作用）和氧化铁（Fe2O3还具有催化和提高灰熔点的作用）等做为防焦的添加物是比较合理的。因CaO具有较好的脱氮固硫作用，所以本发明的脱氮固硫剂选择CaO比较合理。而且添加剂Fe2O3和CaO的协同作用，起到了助燃、防焦和脱氮固硫的叠加效应。此外，本发明中添加二茂铁可起到良好的降烟作用，可消烟8～15%。