CN105733730A - 生物质微米碳化粉末高温燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法。燃气组分中不可燃成分多，燃烧温度低，热工值低，不能满足生产和生活燃料的技术要求。一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，该方法包括如下步骤：（1）碳化：采用外热式轻度碳化工艺将生物质进行轻度碳化，碳化温度为350~390℃，馏出生物质中的木醋液和焦油成分；（2）微米化加工：将碳化后的生物质进行微米化加工，生成生物质微米碳粉末燃料；（3）混合：将微米化加工生成的生物质微米碳粉末燃料与空气混合形成碳粉云；（4）喷云：将混合形成的碳粉云喷到燃烧室、炉膛内。本发明应用于生物质高温燃烧。

Description

生物质微米碳化粉末高温燃烧方法

技术领域：

本发明涉及一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法。

背景技术：

长期以来，生物质因直接燃烧温度较低600～800℃，只能用作农村的炊事或取暖。100多年前，美国人发明了生物质成型燃料，其燃烧温度在1000℃左右，虽然欧洲、日本、中国在此方面做了很多的尝试，但是成型燃料在工业方面也未得到很好的普及和应用，其主要原因就是不能满足工业工况高温的需求。人类进入工业革命之后，工业生产的温度越来越高。例如石灰煅烧温度在1200℃左右；建筑陶瓷烧制温度在1300℃左右；而水泥工艺烧制温度在1400℃以上；炼铁高炉炉缸靠近风口区温度1700～2000℃，炉底温度1450～1500℃；炼铜炉头温度1500℃～1550℃，炉尾温度1250℃～1300℃；而以锅炉为核心的大型火力发电***中，燃料燃烧温度要求在1500℃以上。可以看出，现代工业需要燃料燃烧温度大都在1200℃以上。

世界能源发展到今天，人类获得热能的方法仍然是碳氢燃烧占统治地位。化石能源和生物质能源两者都属于碳氢燃料，其化学组成十分相近，煤、石油、天然气等燃料碳氢含量高达70%～95%，其热值一般在5000～8000千卡/kg，是高品位燃料；生物质的碳氢含量在50%以下，平均热值大约为煤的2/3，其热值一般在3600～4600千卡/kg，能量密度比煤低，而体积能量密度只有煤的1/7，长期以来人们将生物质能源列为低品质燃料之内。

迄今为止，直接燃烧能够达到1200℃以上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，是人类进行矿采而获取的燃料；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少，直接燃烧温度较低，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”。工业革命两百多年来，生物质能源技术一直在与化石能源进行抗争，也在不断发展和进步，其研究开发的路线诸如生物质成型碳化技术、生物质气化技术、生物质气碳联产技术，生物质沼气技术等。而这些路线所研发的生物质各种能源产品，在品质、成本和生产规模上与化石能源相比，仍然差距很大，两百多年来困扰的老问题依然没有得到很好的解决。

大家知道，燃气使用方便、清洁，是现代化能源的标志，燃气按热值可分为高热值燃气、中热值燃气和低热值燃气，天然气是典型的高热值燃气，热值在8000千卡/Nm3，甲烷含量高达在95%，主要适合用于化工原料和加热温度特别高温的工业生产以及环保要求高的应用场所。煤气是典型的中热值燃气，热值在2400千卡/Nm3以上，长期以来主要用作城市燃气、工业燃气和工业发电。2400千卡/Nm3是工业燃气和城市燃气最基本的热值，是燃气商业价值的分水岭，燃气热值低于2400千卡/Nm3，则表明燃气组分中不可燃成分多，燃烧温度低，热工值低，不能满足生产和生活燃料的技术要求。

生物质气化起源于150年前的德国，经过几代人的努力，至今也未产生令人满意的效果。归纳中外生物质气化的方法，大致可分为两大类：

第一类为中外普遍采用的是沿袭煤气化的方法，即内热式气化方法，它是生物质在气化室与空气不完全燃烧，直接加热生物质使之气化。这种方法加热效率高，但是内燃需要的空气带入的大量氮气，冲淡了燃气的碳氢浓度，因此燃气的热值低，只有1200～1400大卡/Nm3，达不到商品燃气的品质要求，这是致命的缺点。由于燃气品质低，用途不大，即使是民用，燃气的温度也不能保证，特别是在冬季，火力不足的现象特别明显。同时，该法的气化效率仅为70%以下，其余为难以利用的焦油和残留碳，燃气转化率低，浪费能源。同时在燃气净化过程中会产生大量的焦油废水，污染环境。虽然中外对其进行了多年的改进，但内热式气化法终因自身的缺陷而无法推广应用。

第二类是气碳联产方法，它是将木材或秸秆采用传统的燃烧方法对碳化罐中的生物质间接加热气化。由于传统的木材燃烧温度低，只有700～900℃左右，碳化罐内的生物质只能被加热到600℃左右，温度低，产气少。这种方法的优点是生物质在隔离空气的情况下被间接加热气化，没有氮气的干扰，燃气纯，热值高，一般在3500大卡/Nm3左右，适用于炊事和工业燃气。这说明只有对生物质间接加热气化，才能保证生物质燃气有高的热值和商业实用价值。采用间接加热生物质气化，主动热源最佳在1000度以上，在过去1000度以上的高温加热能源只能采用煤、燃气和燃油、电加热等有污染和高成本方法，不宜采取。目前为止人们还没有开发出一种低成本的高温燃料，这正是长期以来全球不能解决生物质气化问题的关键所在。本发明可以提供生物质高温气化的廉价能源方法，为生物质外热式高温加热提供了技术保障。

另一方面，碳化工艺生产的生物质成型碳，即全碳化碳或称为深度碳化碳，它是采用木材或木质化原料经过不完全燃烧，或者在隔绝空气的条件下热解，所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料，一般发热量在7000~8000千卡/千克。中国古代最先掌握了木材烧制成型炭的先进技术，将木的火能高温品质发挥到了至高的境界，这也是继我国火药发明之后的又一杰出的能源发明。在中国商代，人们就用成型木炭冶炼青铜、铸铁和烧制陶瓷等产品而领先世界。烧制成型炭，根据原料的特性，生产过程中炭化温度可达600℃～900℃，因其成型碳生产工艺复杂、能源转化效率只有60%左右，成本高，不利广泛作为大工业的推广能源。

我们知道，生态能源是未来能源发展的方向，生态能源遵循“碳循环理论”，即绿色植物生长过程中将大气中的CO2合成为碳氢化合物，“固碳吐氧”，即创造碳氢能源与材料资源，也减少大气中的温室气体，并提供了动植物生命所需的氧气。这一理念是近年来人们在总结近百年能源发展造成生态环境严重破坏和经验教训的基础上提出的。它强调作为未来化石能源的替代者必须具有“生态性、可再生性和清洁性”三个特点。生物质能源是一个生态可再生能源，每年生长的生物质能源是全世界能源消耗总量十倍（我国每年产生的7亿吨秸秆和2亿吨林业废料），资源取之不尽。

在当前能源和环境的双重压力下，生物质的清洁延伸加工新能源应该去肩负全面替代化石能源的重担，逐步去接替煤炭、石油和天然气在能源和材料领域的任务。为此，解决生物质延伸加工新能源的高品质、高效率、低成本和清洁性是当今世界能源和环境领域最为现实的科学技术。例如，在我国每年消费的40亿吨煤中，有20亿吨用于大型电站锅炉，12亿吨用于中小型工业锅炉，8亿吨用于包括炼铁、水泥和煤化工的工业固体燃料和原料。如果本发明获得推广，可以在短期内迅速减轻或根治雾霾；从长远来看，可以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，重新划分世界一次化石能源格局，意义十分重大。

发明内容：

本发明的目的是提供一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，该方法包括如下步骤：

（1）碳化：采用外热式轻度碳化工艺将生物质进行轻度碳化，碳化温度为350~390℃，馏出生物质中的木醋液和焦油成分；

（2）微米化加工：将碳化后的生物质进行微米化加工，生成生物质微米碳粉末燃料；

（3）混合：将微米化加工生成的生物质微米碳粉末燃料与空气混合形成碳粉云；

（4）喷云：将混合形成的碳粉云喷到燃烧室、炉膛或燃烧机或燃烧器内。

所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，所述的轻度碳化工艺为将清洁轻度碳化产品用高效粉碎机进行粉碎成为微米粉体碳燃料，即获得一种低成本且能形成高温燃烧的生物质微米碳粉末。

所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，所述的空气与碳微米燃料的配合比例是3.8~5.5L:1kg，碳粉云借助高压风机的风压将其直接喷入预先加热的燃烧室或炉膛，形成高速旋转的火焰或者烛焰形状的火焰，去加热锅炉、冶炼炉、煅烧窑或者推动热机工作。

所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧室，其组成包括：燃烧室壳，所述的燃烧室壳的内部具有燃烧室，所述的燃烧室的一端具有燃烧室门，所述的燃烧室的另一端具有火焰喷口，所述的燃烧室壳上具有进料口、注风口。

所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧机，其组成包括：燃烧机壳，所述的燃烧室壳的内部具有火焰筒，所述的火焰筒一端具有火焰喷口，所述的火焰筒另一端与进料口连接，所述的火焰筒上具有进气口，所述的火焰喷口与燃烧机壳一端连接，所述的燃烧机另一端具有空气入口。

所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧器，其组成包括：燃烧器壳，燃烧器壳，所述的燃烧器壳一端安装有火焰喷口，所述的火焰喷口分别与进料口、净风进口连接，所述的净风进口分别与涡流风可调装置、旋流风调节装置连接。

本发明的有益效果：

本发明奖蓬松难以储存和运输的生物质材料通过轻度碳化后，极易破碎成微米碳燃料，体积近十几倍减容，自然堆积质量密度可以达到350kg/m3，从根本上改变了秸秆不易储运的特性。

本发明生物质轻度碳化微米燃料从料斗定量给出，并与空气形成碳粉云，流态化输送至燃烧室或炉膛，成为了一种接近燃油和燃气可以精确定量和控温燃烧的高品位流体燃料，容易实现自动控制加料和燃烧温度，像燃油和燃气一样使用方便。

本发明可以实现各种工业高温的需求：石灰煅烧温度在1200℃左右；建筑陶瓷的烧成温度大多在1300℃左右；而水泥工艺温度烧制温度在1400℃以上；高炉炉缸靠近风口区温度1700～2000℃，炉底温度1450～1500℃；炼铜炉头温度1500℃～1550℃，炉尾温度1250℃～1300℃；而以锅炉为核心的火力发电***中，燃料的燃烧温度要求在1500℃以上。

本发明生物质轻度碳化微米燃料按比例和空气流态化密封输送，气态燃烧，碳零排放，无焦油和木醋液，氮氧化物低，无炭黑清洁燃烧，无机物灰分经高温熔化，尾气少灰分，为此有人将其称为固体天然气或固态柴油燃料。

本发明本发明绕开了成型碳或浓缩生物质碳含量的高成本路线，而是走提高生物质能源释放速率来提供燃烧温度科学方法，该燃料比煤成本略高，但燃烧效率比煤提高30%以上，成本比天然气和焦炭成本都低。

本发明轻度碳化微米燃料成本测算如下：1.5吨秸秆可生产1吨生物碳，耗电29度/吨碳（耗电29元/吨碳），碳化温度370~390℃，日产15吨碳粉需要4个工人（27元/吨碳粉，每日工作10小时），加工成微米级碳粉成本22.75元/吨碳粉（每小时生产2吨微米碳粉耗电55KW，日产20吨微米碳粉需要4个工人，每日工作10小时），考虑到设备折旧与生物质秸秆加热消耗，每吨生物质轻度碳化微米碳粉末的加工费用150元/吨以下。该燃料成本与当地秸秆收购成本不同而不同。不同生物质轻度碳化微米粉体发热量表：

附图说明：

附图1是本发明燃烧室的结构示意图。

附图2是本发明燃烧机的结构示意图。

附图3是本发明燃烧器的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，该方法包括如下步骤：

（1）碳化：采用外热式轻度碳化工艺将生物质进行轻度碳化，碳化温度为350~390℃，馏出生物质中的木醋液和焦油成分；

（2）微米化加工：将碳化后的生物质进行微米化加工，生成生物质微米碳粉末燃料；

（3）混合：将微米化加工生成的生物质微米碳粉末燃料与空气混合形成碳粉云；

（4）喷云：将混合形成的碳粉云喷到燃烧室、炉膛或燃烧机或燃烧器内。

实施例2：

根据实施例1所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，所述的轻度碳化工艺为将清洁轻度碳化产品用高效粉碎机进行粉碎成为微米粉体碳燃料，即获得一种低成本且能形成高温燃烧的生物质微米碳粉末。

实施例3：

根据实施例1或2所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，所述的空气与碳微米燃料的配合比例是3.8~5.5L:1kg，碳粉云借助高压风机的风压将其直接喷入预先加热的燃烧室或炉膛，形成高速旋转的火焰或者烛焰形状的火焰，去加热锅炉、冶炼炉、煅烧窑或者推动热机工作。

实施例4：

一种如实施例1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧室，其组成包括：燃烧室壳1，所述的燃烧室壳的内部具有燃烧室2，所述的燃烧室的一端具有燃烧室门3，所述的燃烧室的另一端具有火焰喷口4，所述的燃烧室壳上具有进料口5、注风口6。

实施例5：

一种如实施例1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧机，其组成包括：燃烧机壳7，所述的燃烧室壳的内部具有火焰筒8，所述的火焰筒一端具有火焰喷口9，所述的火焰筒另一端与进料口10连接，所述的火焰筒上具有进气口11，所述的火焰喷口与燃烧机壳一端连接，所述的燃烧机另一端具有空气入口12。

实施:6：

一种如实施例1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧器，其组成包括：燃烧器壳13，所述的燃烧器壳一端安装有火焰喷口14，所述的火焰喷口分别与进料口15、净风进口16连接，所述的净风进口分别与涡流风可调装置17、旋流风调节装置18连接。

Claims (6)

1.一种生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（1）碳化：采用外热式轻度碳化工艺将生物质进行轻度碳化，碳化温度为350~390℃，馏出生物质中的木醋液和焦油成分；

（2）微米化加工：将碳化后的生物质进行微米化加工，生成生物质微米碳粉末燃料；

（3）混合：将微米化加工生成的生物质微米碳粉末燃料与空气混合形成碳粉云；

（4）喷云：将混合形成的碳粉云喷到燃烧室、炉膛或燃烧机或燃烧器内。

2.根据权利要求1所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，其特征是：所述的轻度碳化工艺为将清洁轻度碳化产品用高效粉碎机进行粉碎成为微米粉体碳燃料，即获得一种低成本且能形成高温燃烧的生物质微米碳粉末。

3.根据权利要求1或2所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法，其特征是：所述的空气与碳微米燃料的配合比例是3.8~5.5L:1kg，碳粉云借助高压风机的风压将其直接喷入预先加热的燃烧室或炉膛，形成高速旋转的火焰或者烛焰形状的火焰，去加热锅炉、冶炼炉、煅烧窑或者推动热机工作。

4.一种如权利要求1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧室，其组成包括：燃烧室壳，其特征是：所述的燃烧室壳的内部具有燃烧室，所述的燃烧室的一端具有燃烧室门，所述的燃烧室的另一端具有火焰喷口，所述的燃烧室壳上具有进料口、注风口。

5.一种如权利要求1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧机，其组成包括：燃烧机壳，其特征是：所述的燃烧室壳的内部具有火焰筒，所述的火焰筒一端具有火焰喷口，所述的火焰筒另一端与进料口连接，所述的火焰筒上具有进气口，所述的火焰喷口与燃烧机壳一端连接，所述的燃烧机另一端具有空气入口。

6.一种如权利要求1-3之一所述的生物质微米碳化粉末高温燃烧方法所用的燃烧器，其组成包括：燃烧器壳，其特征是：燃烧器壳，所述的燃烧器壳一端安装有火焰喷口，所述的火焰喷口分别与进料口、净风进口连接，所述的净风进口分别与涡流风可调装置、旋流风调节装置连接。