CN101824348B - 利用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了橡胶籽壳生物质致密燃料的制备，是通过以下方法实现的：给予橡胶籽壳原料良好的储存方式，适当的粉碎粒径，再添加适量的有机黏结剂，经过搅拌置于压力式成型机内，通过对压力、湿度、转速等工艺参数的控制，使之固化成型并改变容重，提高热值，改善燃烧性能，生产出质地坚实，结构紧密、储运便捷的致密燃料。作为生物质燃料，可供锅炉直接燃烧或与煤混合后再燃烧；也可制成棒型料，进一步通过窑烧法热解，生产出棒型生物质致密燃料——木炭，广泛应用于民用生活、工业生产的多个领域。

Description

利用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法

技术领域

本发明涉及到利用非常规原料制备生物质致密燃料的技术领域，特别是涉及利用橡胶籽壳制备生物质致密燃料工艺方法。

背景技术

众所周知，进入二十一世纪以来，人类社会面临着严重的能源问题，解决能源短缺和能源开发中引起的环境污染问题是人类可持续发展的关键。生物质致密燃料是生物质能的一种。生物质能它具有可再生和环境友好的双重特点，被认为是未来可持续能源***的重要组成部分。生物质能通过固化成型技术，改变生物质的容重，提高燃烧值，改善了燃烧性能，使其成为质地坚实、结构紧密的固体成型致密燃料。固体成型生物质致密燃料通过直接燃烧转化为有用能(热量或电力)，是生物质能的主要利用方式之一。

生物质是自然界中有生命可以生长的各种有机物质，包括动植物和微生物。生物质中可以被人们当作能源加以利用的部分称为生物质能。其中生物质固体致密燃料具有挥发组分高，碳活性高，硫、氮含量低，灰分低的优点。既有矿物燃料属性，又可储存、运输、再生、转换的特点，是较少受自然条件制约的一种能源。从生命周期的角度分析，生物质燃烧释放二氧化碳，并不给大气中二氧化碳含量增加。因此，根据国际协议，这部分二氧化碳并不作温室气体处理。我国政府将生物质能源纳入了保障国家发展的突出位置，把加快物质能源的技术进步作为可持续稳定地发展和节能减排的重要措施，包括生物质能源在内的可再生能源是中国能源优先发展的领域。

在我国生物质能源十分丰富，许多资源尚未得到很好地利用，在农林牧副等行业产生的剩余物绝大部分沦为废弃物，成为各行业的环境负担。而另一方面，我国的常规能源供应紧张已严重影响了社会经济的快速发展，而且化石能源大规模的集中使用，给人类的生存环境造成了危害。为此国家颁布了多部法律，要大力加强可再生能源技术的开发研究。生物质能作为第四大能源资源，在可再生能源中占有重要地位。开发生物质能既可以补充常规能源的短缺，也具有重大的环境效益。同其他生物质能源技术相比较，生物质致密燃料技术更容易实现大规模生产和使用，其使用方便程度能让老百姓轻松容易的接受。所以，利用生物质致密燃料有广阔的发展空间和良好的市场前景。在众多的生物质能源中，橡胶籽外壳是人们不可遗忘的一种宝贵资源。我国的海南省、云南省、广东省、广西壮族自治区等省区种植有近一千三百万亩的橡胶林。仅云南的西双版纳就有六百多万亩的种植面积，每年能产生三十多万吨的橡胶籽，这些籽含有丰富的油脂和蛋白质，经过当地科研机构和政府部门的大力提倡和推广，目前已引起了产业界的兴趣和关注。橡胶籽在被利用的过程中要产生大量的橡胶籽壳，其比例要占到总重量的百分之四十五。而橡胶籽壳含有大量的木质素(占20％左右)、纤维素(占45％左右)、半纤维素(占14.5％)，氢含量达百分之七；氧含量达百分之三十六。其压制成型燃料后低位热值在19.50MJ/kg，达到标煤热值(29.3MJ/kg)的百分之六十六。是生产制造生物质能致密燃料极佳的原料。但这种“被放错了地方的资源”，长期以来遭受了冷落，被白白浪费了。现在随着人们对生物质资源的重新认识，橡胶籽及其外壳的价值越来越被重视。特别是我国大面积种植橡胶的省区，都是热带雨林地区，生态环境极其敏感、环境保护要求比较高，又远离煤等固体燃料供应地，一次能源的供应不足制约着当地经济的发展。而且在传统习惯上靠砍薪伐树为燃料，给生态环境带来较大压力。利用橡胶籽壳生产制备生物质致密燃料既可满足工业生产和人民群众对能源的需求，又能使废弃物再利用保护环境及生态，是件因地制宜，一举两得，造福于社会的事业。

生物质致密燃料的生产制备主要原理是：在一定的压力作用下(加热或不加热)，使原来松散、细碎、无定形的生物质原料压缩成密度较大的粒状、块状、棒状的各种成型燃料。生物质致密燃料的压缩原理可分为密实填充、表面变形与破坏、塑性变形三种原因的变形结果。首先是密实填充，在外力的作用下密度小、松散细碎的原料在模具内颗粒发生位移及重新排列，颗粒间的接触状态发生了变化，从点、线接触开始向线或面接触变化，接触面积逐渐增加，直至完成对模具有限空间的填充，原料的容重增加，实现了密实填充；随着外部压力的增大，原始微粒产生弹性变形和由于相对位移造成表面变形与破坏；在外部压力进一步增大之后，由应力产生的塑性变形使颗粒间的空隙率进一步缩小，密度继续增高，其接触面积的增加比密度的增高要大几百甚至上千倍，促使产生复杂的机械啮合和分子间的结合力(特别是在有黏结剂的条件下)，此过程称之为塑性变形。

为不使压缩后的物料反弹变形，在压缩中必须有适量的黏结剂。黏结剂可以是在压缩中由物料本身生产的，也可以是按需要添加的。

由于我国地域辽阔、原材料种类繁多，加之经济技术发展的不平衡，各地生产的生物质致密燃料在质量品质上也是千差万别，良莠不齐。主要问题是：

(一)、不重视对原材料的收集保管，致使原料中的有效成分变质流失，降低了生物质致密燃料的燃烧热值；

(二)、在加工成型工艺中，特别是在棒料成型中为提高密实度和强度，采用高温、高压的工艺方式，但却带来了能耗高、机械零件磨损大、产品温度高容易焦糊、自燃等问题。这是各个生物质致密燃料的生产厂家，所面临需要迫切解决的问题。

针对上述存在的不足和问题，本专利提出一定要对原材料进行有严格要求的仓储式保管措施；在压制成型过程中添加黏结剂可起到黏结和润滑作用，能有效地解决上述的问题。

发明内容

本发明的非常规原料特指橡胶籽的外壳。本发明的目的是利用橡胶籽壳为原料生产制备生物质致密燃料，提供一种方便可行的工艺方法。

本发明专利用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法含有以下步骤：

(一)、对新鲜橡胶籽果作快速干燥、壳仁分离处理后，收集和贮存在螺旋钢板立筒仓或专用仓房内，橡胶籽壳原料含水量控制在10～15％，温度≤22℃，堆高≤6m条件下堆放贮存保管；

(二)、粉碎：将橡胶籽壳放入粉碎机内加工粉碎，粉碎粒度为1～1.5mm；

(三)、压制成型：将粉碎后的橡胶籽壳用两种方式压制形成生物质致密燃料，一是利用压辊式成型方式将原料压制成颗粒、块状燃料；另外是利用螺旋挤压方式将原料压制成棒型燃料；

(四)、根据需要，或用窑烧法对棒形燃料热裂解加工木炭，要求使用在粘土地建造的烘窑，温度达到280℃，才可停止供氧；

(五)、冷却至室温包装入库。

所述的专用仓库的要求是：地坪要完好、坚实、平整，并铺设有效防潮层；墙壁要完好、坚固、内侧平滑，承重墙高6m，隔潮段要敷设防潮材料，外墙涂浅色，保证能做到：上不漏、下不潮、通风、遮蔽、防水。

所述的压辊式成型是：将粉碎后的原料，在含水率12～17％的范围内，添加质量百分数≤3％的黏结剂，经过搅拌机搅拌后，放入卧式环模成型成内，在转速140～220r/min，压缩比(指压模的有效长度和模孔直径之比)1.5～4工艺条件下，得到直径在6-12mm长度在不超过50mm的颗粒状燃料，调整压缩比，可得块状燃料；

所述的螺旋式挤压成型是：将粉碎后的原料，添加质量百分数≤5％的黏结剂，在含水率10～17％的范围内，经过搅拌机搅拌后，放入螺旋挤压机内，在成型压力40～75MPa，螺杆主轴转速450～800r/min的工艺条件下，压制成呈黄黑色的空心圆形或六边形棒体，外径在50～55mm，内孔径在15～20mm，长度为450～500mm的机制棒。

所述的在粉碎后的橡胶籽壳中添加的有机黏结剂为：木焦油、植物油“油脚”、紫胶即虫胶或糖蜜，所添加的黏结剂的质量百分数在3～5％之间。

所述的冷却至室温包装入库是：冷却至室温均需要在有遮棚的场地或库房中用自然风或强制风降温室温；入库的库房应有良好的通风、防潮设施。颗粒、块状致密燃料可袋装，棒型木炭应用防水布、纸包裹，再装箱外运。

本发明通过以下步骤实现：

(一)、原料收集和贮存。将壳仁分离后和橡胶籽壳收集入库，存储在螺旋钢板立筒仓或专用仓房内。如使用专用仓房，对仓库的要求是：地坪要完好、坚实、平整，并铺设有效防潮层；墙壁要完好、坚固、内侧平滑，承重墙高6m，隔潮段要敷设防潮材料，外墙涂浅色。保证能做到：上不漏、下不潮、通风、遮蔽、防水。在含水量10～15％，温度≤22℃，堆高≤6m条件下堆放贮存保管。

(二)、粉碎。将橡胶籽壳放入粉碎机内加工粉碎，粉碎粒度为1～1.5mm；

(三)、压制成型。粉碎后的橡胶籽壳可以用两种方式压制形成生物质致密燃料，一是利用压辊式成型方式将原料压制成颗粒、块状燃料；另外是利用螺旋挤压方式将原料压制成棒型燃料。

1、压辊式成型。将粉碎后的原料，在含水率12～17％的范围内，添加≤3％(质量百分数)的黏结剂，黏结剂可以是木焦油、植物“脚油”、紫胶溶剂、糖蜜中的任何一种。经过搅拌机搅拌后，放入卧式环模成型成内，在转速140～220r/min，压缩比(指压模的有效长度和模孔直径之比)1.5～4工艺条件下，得到直径在6-12mm长度在不超过50mm的颗粒状燃料。调整压缩比，可得块状燃料。

2、螺旋式挤压成型。将粉碎后的原料，添加≤5％(质量百分数)的黏结剂，黏结剂可以是木焦油、植物“脚油”、紫胶溶剂、糖蜜等。在含水率10～16％的范围内，经过搅拌机搅拌后，放入螺旋挤压机内，在成型压力40～75MPa，螺杆主轴转速450～800r/min的工艺条件下，压制成呈黄黑色的空心圆形或六边形棒体，外径在50～55mm，内孔径在15～20mm，长度为450～500mm的机制棒。

3、用窑烧法对棒形燃料热裂解加工木炭，要求使用在粘土地建造的烘窑，温度达到280℃，才可停止供氧。

(四)、冷却至室温包装入库

压制成型后的生物质致密然料温度在70～110℃；热裂解出窑时木炭的温度达280℃。均需要在有遮棚的场地或库房中用自然风、强制风降温至室温。库房应有良好的通风、防潮设施。颗粒、块状致密燃料可袋装，棒型木炭应用防水布包裹，再装箱外运。

本专利的优点为：

(一)、将橡胶籽壳这在传统上废弃的生物质原料，转化为致密型的生物燃料，既提高了橡胶籽果实的利用价值；又保护了环境，减少了对生态的破坏。特别是在我国橡胶大面积种植地区，一般都缺乏固体燃料，传统上是靠柴薪为燃料，其现实意义就更为突出和重要。

(二)、突出强调原料仓库保存的重要性，改变国内部分企业在生产中忽视生产细节的陋习。不仅可以把产业做大，更可以把产业做强。与露天堆放保管原料相比，利用仓库储存保管原料，至少可减少13％的能量损失。

(三)、在压制成型过程中加入适量的黏结剂，可以减少压制设备的磨损，延长压缩螺杆和套筒等关键部件的使用寿命(这对螺旋式挤压设备尤为重要)，同时也省去了螺旋挤压机的电加热装置，从而降低产品的生产成本；同时增加了产品强度，减少运输、储存、使用中的破碎，提高了燃料的品质。

(四)、压制成型后，用橡胶籽壳生产的致密燃料可以达到以下指标见表1：

(五)、生物质致密燃料用途：颗粒、块状的燃料可为工业发电和锅炉、民用家居生活提供环保优质的清洁固体燃料；对棒型燃料通过窑烧法的热裂解，即成木炭。木炭具有广泛和重要的用途，除民用燃料外，木炭可作阻熔剂，用于冶金、炼钢生产；作渗炭剂，可提高钢制零件表面硬度和耐磨性；与硝酸钾和硫磺配制黑火药；可制成石墨，作固体润滑剂，和石墨电极；制成活性炭用于化工、医药、环保等个领域，如化学药剂的提纯、糖的脱色与提纯、脂肪的除臭、气体分离、过滤有害物质、做防毒面具等。

表1：生物燃料技术参数

注：国家标准特低灰分动力煤灰分为：≤10.0％(GB/T17608)一吨标煤的发热量是：29.3MJ/kg

由于橡胶籽壳与其它生物质原料一样主要由纤维素、半纤维和木质素组成。而碳、氢和氧的含量在干燥后的橡胶籽中达到了99％(质量分数)，是燃烧产生热量的主要元素。而橡胶籽壳必须在干燥条件下与橡胶籽仁剥离，这时候橡胶籽壳的含水量在10～12％，如果及时地将橡胶籽壳储存在条件优良的仓库中保管，将能有效地减少碳、氢、氧等成分的流失，保证生产制备出的燃料质量。水分在致密燃料成型中是重要的关键因素，水分含量介于10～15％时压制燃料成型是最为适合。

在生物质致密燃料的成型中，为了使压缩成型后的燃料保持一定的形状和强度，需要有适量的黏结剂把松散的原料在压力作用下黏合成型。通常情况是采取以下方法：

1、利用原料中的木质素在高温(120～250℃)可熔融成原料本身所具有的黏结剂，并且其温度高达300℃时，黏性最高。但高温也带来了负面的问题，最主要的是加大了设备功率消耗，增加了产品成本；成型燃料在高温下容易自燃给安全生产也留下了较大隐患。

2、在燃料成型时额外加入黏结剂。用于生物质致密燃料成型的黏结剂有：无机黏结剂、有机黏结剂和纤维类黏结剂三大类。使用无机黏结剂，如黏土、水泥、水玻璃等，可起到一定的黏结作用，但这类黏结剂增加了燃料的灰分，降低了热值，使用的效果差。而有机类黏结剂石油焦油、沥青、树脂、废纸浆、淀粉等，也具有好的黏结作用，同时存在燃烧烟气大，易吸潮的缺陷。用废纸浆等纤维类黏结剂一般都会使燃烧时有害物质的排放量增加，特别是硫化物SO₂超过150mg/m³，给周边环境造成较大的损害。

经过长期实验，本专利提出采用更具环保特性的有机黏结剂为橡胶籽壳致密燃料的成型黏结剂。它们可以是以下几种物质中的一种：

1、木焦油。木焦油是对碳化过程中的窑炉气进行冷却回收得到的一种黑色粘稠状液体。木焦油的主要成分是木杂酚油，还含有烃类、酸类、酚类等有机化合物。具有柔和度好、耐老化、耐高温等优点。也可用于燃料，品质等同于燃料油。

2、植物油“油脚”。植物“油脚”，就是在提炼大豆、菜籽、棉籽等植物油脂过程中所产生的下脚料。同样地橡胶籽在榨油过程中也要产生“油脚”。过去“油脚”一直被作为废弃物处理，没有得到很好的利用，不但造成了资源浪费，还造成环境污染。植物“油脚”的主要成分是硬质酸、多种混合脂肪酸和少量油料原料。通过压榨、过滤方式得到的油脚，黏稠度大，有显著的润滑、黏结作用，而不含任何化学添加剂，也是黏结剂中的佳品。

3、紫胶(虫胶)。紫胶是由生活在寄主植物上的紫胶虫分泌的纯天然树脂，具有粘接性强、绝缘、防潮、涂膜光滑、透亮，化学性质稳定等特征，且无毒、无味、无毒副残留，是唯一的热硬化性天然树脂。

4、糖蜜。糖蜜是制糖工业的副产品，量大而价廉。

具体实施方式

下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

本发明运用本专利发明人所拥有的“一种橡胶籽饼(粕)制备蛋白饲料的工艺方法”(国家知识产权局发明专利公开号：CN101194669)专利，和“微波处理和挤压膨化合成法制备橡胶籽油的工艺方法”(国家知识产权局发明专利公开号：CN 101597542A)专利，所采用的新鲜橡胶籽果的快速干燥，壳仁分离等专用技术，再合理应用致密燃料的制备工艺，则每年可获得数以几十万吨乃至上百万吨计的低位发热量达19.5MJ/kg，约为标煤发热量29.3MJ/kg百分之六十六的橡胶籽壳致密燃料。

压制成型后的生物质致密然料温度在70～110℃；热裂解出窑时木炭温度达280℃。均需要在有遮棚的场地或库房中用自然风或强制风降温室温。库房应有良好的通风、防潮设施。颗粒、块状致密燃料可袋装，棒型木炭应用防水布、纸包裹，再装箱外运。

实施例1从仓库中取出橡胶籽壳50KG(存入仓库前经过与仁脱离，水分在12～17％)，放入锤式粉碎机中粉碎至1mm，转入搅拌机同时掺加用乙醇与紫胶调和好的黏结剂1.25KG(按质量分数的2.5％)，经充分搅拌后，在环模式压辊颗粒成型机上，用175r/minr的转速，在压缩比为2的条件下压制成颗粒状燃料，待冷却至室温包装入库。

实施例2从仓库中取出橡胶籽壳100KG(存入仓库前经过与仁脱离，水分在12～17％)，放入锤式粉碎机中粉碎至1.2mm，转入搅拌机同时掺加已调制好的糖蜜黏结剂3KG(按质量分数的3％)，经充分搅拌后，在环模式压辊颗粒成型机上，用220r/minr的转速，在压缩比为3.5的条件下压制成颗粒状燃料，待冷却至室温包装入库。

实施例3从仓库中取出经过与仁皮脱离的，水分在10～16％之间的橡胶籽壳75KG，放入锤式粉碎机中粉碎至1.5mm转入搅拌机，同时掺加已调制好的橡胶籽油的“油脚”黏结剂3KG(按质量分数的4％)，经充分搅拌后，置入螺旋式挤压机内，用螺杆主轴475r/min的转速、60MPa的压力，挤压成长550mm，直径50mm带内孔直径为20mm的六边形机制炭棒。

实施例4从仓库中取出经过与仁皮脱离的，水分在10～16％之间的橡胶籽壳120KG，放入锤式粉碎机中粉碎至1.5mm转入搅拌机，同时掺加已调制好的木焦油黏结剂6KG(按质量分数的5％)，经充分搅拌后，置入螺旋式挤压机内，用螺杆主轴650r/min的转速、40MPa的压力，挤压成长500mm，直径55mm带内孔直径为15mm的六边形机制炭棒。

上述所得的棒形燃料，根据需要可进一步炭化加工成木炭，则需采用窑烧法进行热裂解处理，要求使用在粘土地建造的烘窑，温度达到280℃，才可停止供氧，冷却后即为木炭成品。

Claims (4)

1.一种用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法，其特征在于含有以下步骤：

(一)、对新鲜橡胶籽果作快速干燥、壳仁分离处理后，收集和贮存在螺旋钢板立筒仓，橡胶籽壳原料含水量控制在10～15％，温度≤22℃，堆高≤6m条件下堆放贮存保管；

(二)、粉碎：将橡胶籽壳放入粉碎机内加工粉碎，粉碎粒度为1～1.5mm；

(三)、压制成型：将粉碎后的橡胶籽壳用两种方式压制形成生物质致密燃料，一是利用压辊式成型方式将原料压制成颗粒、块状燃料；另外是利用螺旋挤压方式将原料压制成棒型燃料；

(四)、根据需要，或用窑烧法对棒形燃料热裂解加工木炭，要求使用在粘土地建造的烘窑，温度达到280℃，才可停止供氧；

(五)、冷却至室温包装入库；

所述的压辊式成型是：将粉碎后的原料，在含水率12～17％的范围内，添加质量百分数≤3％的黏结剂，经过搅拌机搅拌后，放入卧式环模成型机内，在转速140～220r/min，压模的有效长度和模孔直径之比为压缩比，在压缩比1.5～4工艺条件下，得到直径在6-12mm长度在不超过50mm的颗粒状燃料，调整压缩比，可得块状燃料；

所述的螺旋式挤压成型是：将粉碎后的原料，添加质量百分数≤5％的黏结剂，在含水率10～17％的范围内，经过搅拌机搅拌后，放入螺旋挤压机内，在成型压力40～75MPa，螺杆主轴转速450～800r/min的工艺条件下，压制成呈黄黑色的空心圆形或六边形棒体，外径在50～55mm，内孔径在15～20mm，长度为450～500mm的机制棒。

2.根据权利要求1所述的用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法，其特征在于：在粉碎后的橡胶籽壳中添加有机黏结剂，有机黏结剂为：木焦油、植物油“油脚”、紫胶或糖蜜，所添加的黏结剂的质量百分数在3～5％之间。

3.据权利要求1所述的用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法，其特征在于：所述的冷却至室温包装入库是：冷却至室温均需要在有遮棚的场地或库房中用自然风或强制风降温室温；入库的库房应有良好的通风、防潮设施；颗粒、块状致密燃料可袋装，棒型木炭应用防水布、纸包裹，再装箱外运。

4.根据权利要求1所述的用橡胶籽壳制备生物质致密燃料的方法，其特征在于：所述在螺旋钢板立筒仓可用专用仓房代替，专用仓房是：地坪要完好、坚实、平整，并铺设有效防潮层；墙壁要完好、坚固、内侧平滑，承重墙高6m，隔潮段要敷设防潮材料，外墙涂浅色，保证能做到：上不漏、下不潮、通风、遮蔽、防水。