本发明涉及一种生物质混合固体成型燃料的处理装置及其方法。
背景技术：
长期以来，传统化石燃料一直是人类消耗的主要能源，并为社会、经济及生活水平的发展与提高做出了很大的贡献。但由于煤、石油和天然气等化石资源属于不可再生资源，且燃烧及转化利用过程中存在环境污染严重、处理设备成本较高等问题，目前对于可再生能源的开发与利用是当前的研究热点之一。生物质能是重要的可再生能源。我国拥有丰富的生物质资源，据估算每年有约4.6亿吨标准煤的生物质资源可作为能源利用，其中农作秸秆等约占总量50％以上。此外我国亦是速溶咖啡生产及消费大国，每年咖啡渣的产量十分丰富。咖啡渣属于高热值、高挥发份物质，将咖啡渣直接作为固体燃料时，其对环境污染较大。
生物质低温热处理指的是在缺氧环境下将原料加热到200～300℃以脱除水分和部分轻质挥发分的过程。这种适度的热处理方式可有效地提高生物质原料的能量密度、改善其机械性能，并能在一定程度上解决生物质的水分含量高、亲水性强、热值低、不易存储等缺点。而固体成型处理可增加固体燃料的力学性能，改善燃烧特性。
技术实现要素：
为了克服传统生物质成型燃料热值较低、挥发分和灰分高的缺点，本发明的目的是提供一种低能耗高热值的成型燃料处理装置及其方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种低能耗高热值的成型燃料处理装置，包括第一级秸秆储存仓、第二级秸秆储存仓、咖啡渣储存仓、第一燃气加热炉、第二燃气加热炉、预糊化淀粉池，所述第一级秸秆储存仓通过刮板输送机与生物质气化炉连接，生物质气化炉的出口连接有管式换热器，管式换热器的出口分别与第一燃气加热炉和第二燃气加热炉连接；所述第二级秸秆储存仓通过第一链条炉排与第一燃气加热炉连接；所述咖啡渣储存仓通过第二链条炉排与第二燃气加热炉连接；第一燃气加热炉、第二燃气加热炉、预糊化淀粉池均通过同一个混合搅拌器连接挤压成型机，挤压成型机的出口连接成型燃料储存仓。
进一步的，所述第二级秸秆储存仓与第一链条炉排之间连接有喷淋洗涤塔；喷淋洗涤塔用于洗涤第二级秸秆储存仓输送的秸秆，用以脱出秸秆中钾、钠、钙、镁等碱金属及碱土金属成分。
进一步的，还包括离心式风机，离心式风机与管式换热器连接，管式换热器还与第一链条炉排连接；离心式风机用以输送室外空气冷却生物质气化炉生产的可燃气，室外空气经管式换热器换热升温后用于烘干第一链条炉排进口处的秸秆物料。
进一步的，所述预糊化淀粉池与混合搅拌器之间连接有柱塞加药泵；用于调节预糊化淀粉池中淀粉溶液输送至混合搅拌器时的流量。
成型燃料储存仓用于储存挤压成型机中制备的固体成型燃料。
一种生物质固体成型燃料的处理方法，包括以下步骤：
(1)农业秸秆原料可燃气制备：将农业秸秆原料处理成秸秆粉末，并填充至第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓；将第一级秸秆储存仓内的秸秆粉末通过刮板输送机输送至第一级秸秆储存仓，秸秆粉末经第一级秸秆储存仓气化得到可燃气，可燃气经管式换热器降温并送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉；
(2)碳化秸秆制备：将第二级秸秆储存仓内的秸秆粉末输送至喷淋洗涤塔，秸秆粉末经喷淋洗涤塔洗涤，秸秆粉末经喷淋洗涤塔中的水喷淋后落入第一链条炉排，同时室外空气经管式换热器换热升温后送至第一链条炉排进口处用于烘干秸秆粉末；秸秆粉末由第一链条炉排送入第一燃气加热炉，热处理后得到碳化秸秆，并落入混合搅拌器；
(3)碳化咖啡渣制备：咖啡渣储存仓中的咖啡渣经第二链条炉排输送至第二燃气加热炉，热处理后得到的碳化咖啡渣落入混合搅拌器；
(4)预糊化淀粉制备：将淀粉与水在预糊化淀粉池中混合，并搅拌均匀；
(5)物料搅拌混合：将碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉加入混合搅拌器；
(6)物料挤压成型：将混合搅拌器内物料送至挤压成型机，再送至成型燃料储存仓。
进一步的，步骤(1)和(2)中，第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓内的秸秆粉末为粒径1～2mm粉末。
进一步的，步骤(1)中，生物质气化炉的工作条件为：秸秆粉末进料量为1t/h，气化温度核心为1000℃，反应压力为0.02mpa，反应时间为10min。
进一步的，步骤(2)中，喷淋洗涤塔洗涤工作条件为：秸秆粉末与水的质量配比为1:45，冲洗时间为5min。
进一步的，步骤(2)中，第一链条炉排和第一燃气加热炉的工作条件为：第一链条炉排运转速度为2m/h，第一燃气加热炉内以流量100ml/min通入co2气体，并保持300℃恒温。
进一步的，步骤(3)中，第二链条炉排和第二燃气加热炉的工作条件为：第二链条炉排运转速度为0.5m/h，第二燃气加热炉内以流量50ml/min通入co2气体，并保持275℃恒温。
进一步的，步骤(4)中，预糊化淀粉的条件为：将淀粉和水混合后，于55℃恒温、60转/min匀速搅拌20min；淀粉与水按照质量比为10:1混合。
进一步的，步骤(5)中，混合搅拌器的工作条件为：混合搅拌器内搅拌速度控制在40转/min。
进一步的，步骤(6)中，挤压成型机的工作条件为：常温、压力70～90kn条件下挤压成型为颗粒状。
进一步的，步骤(5)中，通过调节第一链条炉排和第二链条炉排上物料的堆积厚度，同时调节柱塞加药泵的预糊化淀粉流速，以调节碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉的质量配比。
进一步的，步骤(4)中，碳化秸秆、碳化咖啡渣、预糊化淀粉的质量配比为25:25:1
有益效果：利用本发明的装置及方法，可获得低能耗、高热值的固体成型燃料，以降低生物质能源利用成本，促进生物质利用技术的发展应用。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1.本发明以咖啡渣和农业秸秆为主要原料，原料的来源广泛、价格低廉，不仅综合利用了废弃物，减少环境污染，实现资源的可持续发展，还能有效的缓解当今的能源危机问题，同时解决了咖啡厂的残渣问题，给咖啡厂带来了额外的效益。
2.本发明选择咖啡渣作为主要原料，咖啡渣中的c元素含量较高，再经过275℃低温热处理后，咖啡渣的c含量显著提高，同时挥发分比例大大降低，解决了当前生物质成型燃料热值不高，挥发分高，燃烧污染严重的问题。
3.由于碱金属和碱土金属成分不利于低温热处理固体产物产量的提高，本发明选择的农业秸秆在低温热处理前，采用水洗涤脱出碱金属和碱土金属。
4.本发明在成型燃料中加入预糊化淀粉作为粘合剂，在不降低其热值的情况下，挥发较强的粘结性，60～80℃预糊化淀粉溶液，在此温度下淀粉的粘结性得到很大的提升，从而使得到的固体成型燃料结构致密、不松散，易于长期保存。
5.本发明制备的固体成型燃料收到基低位发热量可达27～28mj/kg，c元素含量可达65～70％，挥发分为28～34％，密度1.3～1.5g/cm3，抗压强度16～17mpa，跌落强度大于90％，各项性能优于当前市售的产品。
6.本发明装置具有制备工艺简单、耗能低、生产效率高、成型率高、成本低等优点，制得的生物质燃料热值高、挥发分低，产品的内部空隙小，不松散，能够长期保存，适用于规模化集中生产。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图中标号说明：1-第一级秸秆储存仓；2-刮板输送机；3-生物质气化炉；4-管式换热器；5-离心式风机；6-第二级秸秆储存仓；7-喷淋洗涤塔；8-第一链条炉排；9-第一燃气加热炉；10-第一咖啡渣储存仓；11-第二燃气加热炉；12-第二链条炉排；13-预糊化淀粉池；14-柱塞加药泵；15-混合搅拌器；16-挤压成型机；17-成型燃料储存仓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示为一种低能耗高热值的成型燃料处理装置，包括第一级秸秆储存仓1、第二级秸秆储存仓6、咖啡渣储存仓10、第一燃气加热炉9、第二燃气加热炉11、预糊化淀粉池13；第一级秸秆储存仓1通过刮板输送机2与生物质气化炉3连接，刮板输送机用于将第一级秸秆储存仓内秸秆送入生物质气化炉；生物质气化炉3的出口分别与第一燃气加热炉9和第二燃气加热炉11连接；第二级秸秆储存仓6连接有喷淋洗涤塔7，喷淋洗涤塔用于洗涤第二级秸秆储存仓输送的秸秆，用以脱出秸秆中钾、钠、钙、镁等碱金属及碱土金属成分；喷淋洗涤塔7通过第一链条炉排8与第一燃气加热炉9连接；所述咖啡渣储存仓10通过第二链条炉排12与第二燃气加热炉11连接；第一燃气加热炉9、第二燃气加热炉11、预糊化淀粉池13均通过同一个混合搅拌器15连接挤压成型机16，预糊化淀粉池13与混合搅拌器15之间连接有柱塞加药泵14；挤压成型机16的出口连接成型燃料储存仓17。
生物质气化炉3的出口连接有管式换热器4，管式换热器4的出口分别与第一燃气加热炉9和第二燃气加热炉11连接；生物质气化炉生成的可燃气经管式换热器降温后，送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉。
还包括离心式风机5，离心式风机5与管式换热器4连接；管式换热器4还与第一链条炉排8连接；离心式风机用以输送室外空气冷却生物质气化炉生产的可燃气，室外空气经管式换热器换热升温后用于烘干第一链条炉排进口处的秸秆物料
一种生物质固体成型燃料的处理方法，包括以下步骤：
(1)农业秸秆原料可燃气制备：将农业秸秆原料处理成秸秆粉末，并填充至第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓；将第一级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的秸秆粉末通过刮板输送机输送至第一生物质气化炉，秸秆粉末经第一级秸秆储存仓气化得到可燃气，可燃气经管式换热器降温并送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉；
其中，生物质气化炉的工作条件为：秸秆粉末进料量为1t/h，气化温度核心为1000℃，反应压力为0.02mpa，反应时间为10min；
(2)碳化秸秆制备：将第二级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的秸秆粉末经喷淋洗涤塔洗涤，秸秆粉末经喷淋洗涤塔中的水喷淋后落入第一链条炉排，同时室外空气经管式换热器换热升温后送至第一链条炉排进口处用于烘干秸秆粉末；秸秆粉末由第一链条炉排送入第一燃气加热炉，热处理后得到碳化秸秆，并落入混合搅拌器；
其中，喷淋洗涤塔洗涤工作条件为：秸秆粉末与水的质量配比为1:45，冲洗时间为5min；第一链条炉排和第一燃气加热炉的工作条件为：第一链条炉排运转速度为2m/h，第一燃气加热炉内以流量100ml/min通入co2气体，并保持300℃恒温；
(3)碳化咖啡渣制备：咖啡渣储存仓中的咖啡渣经第二链条炉排输送至第二燃气加热炉，热处理后得到的碳化咖啡渣落入混合搅拌器；
其中，第二链条炉排和第二燃气加热炉的工作条件为：第二链条炉排运转速度为0.5m/h，第二燃气加热炉内以流量50ml/min通入co2气体，并保持275℃恒温；
(4)预糊化淀粉制备：将淀粉与水在预糊化淀粉池中混合，并搅拌均匀；
其中，淀粉与水按照质量比为10:1混合；预糊化淀粉的条件为：将淀粉和水混合后，于55℃恒温、60转/min匀速搅拌20min；
(5)物料搅拌混合：通过调节第一链条炉排和第二链条炉排上物料的堆积厚度，同时调节柱塞加药泵的预糊化淀粉流速，以调节碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉的质量配比为25:25:1，将碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉加入混合搅拌器；
其中，混合搅拌器的工作条件为：混合搅拌器内搅拌速度控制在40转/min；
(6)物料挤压成型：将混合搅拌器内物料送至挤压成型机，再送至成型燃料储存仓；
其中，挤压成型机的工作条件为：常温、压力70～90kn条件下挤压成型为颗粒状。
步骤(1)中制取的可燃气用于步骤(2)和步骤(3)的第一燃气加热炉和第二燃气加热炉的燃气气源。
下面结合几个具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种生物质固体成型燃料的处理方法,具体操作步骤如下：
(1)麦秸秆原料可燃气制备：将麦秸秆原料处理成粒径为1～2mm的麦秸秆粉末，并填充至第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓；将第一级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末通过刮板输送机输送至第一生物质气化炉，麦秸秆粉末经第一级秸秆储存仓气化得到可燃气，可燃气经管式换热器降温并送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉；
其中，生物质气化炉的工作条件为：秸秆粉末进料量为1t/h，气化温度核心为1000℃，反应压力为0.02mpa，反应时间为10min；
(2)碳化麦秸秆制备：将第二级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔洗涤，麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔中的水喷淋后落入第一链条炉排，同时室外空气经管式换热器换热升温后送至第一链条炉排进口处用于烘干秸秆粉末；麦秸秆粉末由第一链条炉排送入第一燃气加热炉，热处理后得到碳化秸秆，并落入混合搅拌器；
其中，喷淋洗涤塔洗涤工作条件为：麦秸秆粉末与水的质量配比为1:45，冲洗时间为5min；第一链条炉排和第一燃气加热炉的工作条件为：第一链条炉排运转速度为2m/h，第一燃气加热炉内以流量100ml/min通入co2气体，并保持300℃恒温；
(3)碳化咖啡渣制备：咖啡渣储存仓中的咖啡渣经第二链条炉排输送至第二燃气加热炉，热处理后得到的碳化咖啡渣落入混合搅拌器；
其中，第二链条炉排和第二燃气加热炉的工作条件为：第二链条炉排运转速度为0.5m/h，第二燃气加热炉内以流量50ml/min通入co2气体，并保持275℃恒温；
(4)预糊化淀粉制备：将淀粉与水按照质量比为10:1混合在预糊化淀粉池中混合，于55℃恒温、60转/min匀速搅拌20min；
(5)物料搅拌混合：将50g碳化麦秸秆，50g碳化咖啡渣，2g预糊化淀粉溶液，充分混合；
通过调节第一链条炉排和第二链条炉排上物料的堆积厚度，同时调节柱塞加药泵的预糊化淀粉流速，以调节碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉的质量配比，将碳化麦秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉加入混合搅拌器；
其中，混合搅拌器内搅拌速度控制在40转/min；
(6)物料挤压成型：将混合搅拌器内物料送至挤压成型机，再送至成型燃料储存仓；其中，挤压成型机的工作条件为：常温、压力70kn条件下挤压成型为颗粒状，得到成型燃料。
实施例2
一种生物质固体成型燃料的处理方法,具体操作步骤如下：
(1)麦秸秆原料可燃气制备：将麦秸秆原料处理成粒径为1～2mm的麦秸秆粉末，并填充至第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓；将第一级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末通过刮板输送机输送至第一生物质气化炉，麦秸秆粉末经第一级秸秆储存仓气化得到可燃气，可燃气经管式换热器降温并送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉；
其中，生物质气化炉的工作条件为：秸秆粉末进料量为1t/h，气化温度核心为1000℃，反应压力为0.02mpa，反应时间为10min；
(2)碳化麦秸秆制备：将第二级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔洗涤，麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔中的水喷淋后落入第一链条炉排，同时室外空气经管式换热器换热升温后送至第一链条炉排进口处用于烘干秸秆粉末；麦秸秆粉末由第一链条炉排送入第一燃气加热炉，热处理后得到碳化秸秆，并落入混合搅拌器；
其中，喷淋洗涤塔洗涤工作条件为：麦秸秆粉末与水的质量配比为1:45，冲洗时间为5min；第一链条炉排和第一燃气加热炉的工作条件为：第一链条炉排运转速度为2m/h，第一燃气加热炉内以流量100ml/min通入co2气体，并保持300℃恒温；
(3)碳化咖啡渣制备：咖啡渣储存仓中的咖啡渣经第二链条炉排输送至第二燃气加热炉，热处理后得到的碳化咖啡渣落入混合搅拌器；
其中，第二链条炉排和第二燃气加热炉的工作条件为：第二链条炉排运转速度为0.5m/h，第二燃气加热炉内以流量50ml/min通入co2气体，并保持275℃恒温；
(4)预糊化淀粉制备：将淀粉与水按照质量比为10:1混合在预糊化淀粉池中混合，于55℃恒温、60转/min匀速搅拌20min；
(5)物料搅拌混合：将50g碳化麦秸秆，50g碳化咖啡渣，2g预糊化淀粉溶液，充分混合；
通过调节第一链条炉排和第二链条炉排上物料的堆积厚度，同时调节柱塞加药泵的预糊化淀粉流速，以调节碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉的质量配比，将碳化麦秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉加入混合搅拌器；
其中，混合搅拌器内搅拌速度控制在40转/min；
(6)物料挤压成型：将混合搅拌器内物料送至挤压成型机，再送至成型燃料储存仓；其中，挤压成型机的工作条件为：常温、压力80kn条件下挤压成型为颗粒状，得到成型燃料。
实施例3
一种生物质固体成型燃料的处理方法,具体操作步骤如下：
(1)麦秸秆原料可燃气制备：将麦秸秆原料处理成粒径为1～2mm的麦秸秆粉末，并填充至第一级秸秆储存仓和第二级秸秆储存仓；将第一级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末通过刮板输送机输送至第一生物质气化炉，麦秸秆粉末经第一级秸秆储存仓气化得到可燃气，可燃气经管式换热器降温并送至第一燃气加热炉和第二燃气加热炉；
其中，生物质气化炉的工作条件为：秸秆粉末进料量为1t/h，气化温度核心为1000℃，反应压力为0.02mpa，反应时间为10min；
(2)碳化麦秸秆制备：将第二级秸秆储存仓内的粒径为1～2mm的麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔洗涤，麦秸秆粉末经喷淋洗涤塔中的水喷淋后落入第一链条炉排，同时室外空气经管式换热器换热升温后送至第一链条炉排进口处用于烘干秸秆粉末；麦秸秆粉末由第一链条炉排送入第一燃气加热炉，热处理后得到碳化秸秆，并落入混合搅拌器；
其中，喷淋洗涤塔洗涤工作条件为：麦秸秆粉末与水的质量配比为1:45，冲洗时间为5min；第一链条炉排和第一燃气加热炉的工作条件为：第一链条炉排运转速度为2m/h，第一燃气加热炉内以流量100ml/min通入co2气体，并保持300℃恒温；
(3)碳化咖啡渣制备：咖啡渣储存仓中的咖啡渣经第二链条炉排输送至第二燃气加热炉，热处理后得到的碳化咖啡渣落入混合搅拌器；
其中，第二链条炉排和第二燃气加热炉的工作条件为：第二链条炉排运转速度为0.5m/h，第二燃气加热炉内以流量50ml/min通入co2气体，并保持275℃恒温；
(4)预糊化淀粉制备：将淀粉与水按照质量比为10:1混合在预糊化淀粉池中混合，于55℃恒温、60转/min匀速搅拌20min；
(5)物料搅拌混合：将50g碳化麦秸秆，50g碳化咖啡渣，2g预糊化淀粉溶液，充分混合；
通过调节第一链条炉排和第二链条炉排上物料的堆积厚度，同时调节柱塞加药泵的预糊化淀粉流速，以调节碳化秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉的质量配比，将碳化麦秸秆、碳化咖啡渣和预糊化淀粉加入混合搅拌器；
其中，混合搅拌器内搅拌速度控制在40转/min；
(6)物料挤压成型：将混合搅拌器内物料送至挤压成型机，再送至成型燃料储存仓；其中，挤压成型机的工作条件为：常温、压力90kn条件下挤压成型为颗粒状，得到成型燃料。
经过检测以上实施例1-3制备的生物质固体成型燃料，产品的热值、挥发分含量、松弛密度、抗压强度、跌落强度如下表1。
表1
从上表检测结果得出，本发明制得的生物质成型燃料产品热值控制为27～28mj/kg，挥发分比例28～34％，密度1.3～1.5g/cm3，抗压强度16～17mpa左右，跌落强度大于90％，各项性能优于当前市售的产品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。