CN110331021A - 一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及现代农业产业技术领域，公开了一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，通过研究燃烧特性以及燃烧动力学原理的规律，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化得到燃料，其结构特性能够加快氧气的流通，提高传热效率，使得生物质炭周围环境温度迅速升高，保证燃烧连续稳定高速运行，提高燃烧热效率，能够阻止灰分中的碱金属元素生成低熔点的化合物，降低结渣率，提高了秸秆类生物质炭燃料的结渣温度，解决秸秆类生物质炭燃烧过程中容易结块结渣的问题，并且燃烧过程中的有害气体排放量也显著降低。
Description
技术领域
本发明属于现代农业产业技术领域，具体涉及一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法。
背景技术
生物质燃料：是指将生物质材料燃烧作为燃料，一般主要是农林废弃物（如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等），主要区别于化石燃料。在目前的国家政策和环保标准中，直接燃烧生物质属于高污染燃料，只在农村的大灶中使用，不允许在城市中使用。生物质燃料的应用，实际主要是生物质成型燃料，是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等）的，可直接燃烧的一种新型清洁燃料。
秸秆类生物质炭燃料作为新的商品能源已在各个行业得到了大量的使用。而且因其密度高、热值高、形状规则、流动性好，很方便的可以实现燃烧自动控制，可以为企业节省大额的能源成本。我国对于生物质炭燃料的研究起步较晚，技术相对落后，主要表现在秸秆类生物质炭燃烧过程中容易发生积灰成渣等不利于燃烧的现象，阻碍了燃烧的进程，导致燃烧热效率低，这一弊端严重制约了秸秆类生物质炭染料的进一步发展利用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，解决秸秆类生物质炭燃烧过程中容易结块结渣的问题，并且燃烧过程中的有害气体排放量也显著降低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.074-0.076%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化，所述烧结助剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取300-310克白泥粉与40-45克氮化硅细粉，置于振动磨中混合2-3小时，在搅拌下加入2200-2300毫升碳酸钠水溶液，混匀后加入0.45-0.47克十二烷基硫酸钠，持续搅拌2-3小时，静置6-8小时，然后在3000-3500转/分钟下离心处理30-40分钟，倒去上澄清液，得到固体沉淀物置于100-105℃烘箱中烘干10-12小时；
（2）将步骤（1）制备得到的烘干物料与炭粉按照质量比为7-8:1的比例混合，进行研磨，过140-150目筛，然后置于真空碳化硅烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结升温速度为13-14℃/分钟，升温至1800-1900℃，保温3-4小时，自然冷却至室温即得所述烧结助剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述炭化过程中，马弗炉升温分为3个阶段，第一阶段升温速度为3.0-3.5℃/分钟，升温至220-230℃，保温3-4小时，第二阶段升温速度为4.0-4.5℃/分钟，升温至400-410℃，保温40-50分钟，第三阶段升温速度为11-12℃/分钟，升温至950-960℃，保温20-30分钟，自然冷却至室温。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂热导率在210-215W/m·K之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂气孔率在42-44%之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂孔径大小在5-10微米之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述预处理后的生物质秸秆制备过程为：将生物质秸秆清洗除杂后在100-110℃温度下干燥至含水量在6-8%之间，然后切割成长度在2-4毫米范围的段状即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述秸秆类生物质炭燃料制备中使用的生物质秸秆原料为玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆中的一种或几种。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述碳酸钠水溶液质量浓度为2.6-3.0%。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决现有秸秆类生物质炭燃烧过程中容易发生积灰成渣等不利于燃烧的问题，本发明提供了一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，通过研究燃烧特性以及燃烧动力学原理的规律，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.074-0.076%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化得到燃料，其结构特性能够加快氧气的流通，提高传热效率，使得生物质炭周围环境温度迅速升高，保证燃烧连续稳定高速运行，提高燃烧热效率，能够阻止灰分中的碱金属元素生成低熔点的化合物，降低结渣率，提高了秸秆类生物质炭燃料的结渣温度，将燃料结渣温度在原有的基础上提高500-600℃，解决秸秆类生物质炭燃烧过程中容易结块结渣的问题，并且燃烧过程中的有害气体排放量也显著降低，通过模拟燃烧试验可知制备得到的秸秆类生物质炭燃料燃烧热效率得到显著提高，本发明有效解决了现有秸秆类生物质炭燃烧过程中容易发生积灰成渣等不利于燃烧的问题，提高了秸秆废料的利用价值以及对环境保护的力度，能够实现资源极大化利用以及保护环境的现实意义，对于生物质能源的发展具有较高价值，显著促进国民经济健康快速发展以及改善环境治理问题，是一种极为值得推广使用的技术方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.074%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化，所述烧结助剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取300克白泥粉与40克氮化硅细粉，置于振动磨中混合2小时，在搅拌下加入2200毫升碳酸钠水溶液，混匀后加入0.45克十二烷基硫酸钠，持续搅拌2小时，静置6小时，然后在3000转/分钟下离心处理30分钟，倒去上澄清液，得到固体沉淀物置于100℃烘箱中烘干10小时；
（2）将步骤（1）制备得到的烘干物料与炭粉按照质量比为7:1的比例混合，进行研磨，过140目筛，然后置于真空碳化硅烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结升温速度为13℃/分钟，升温至1800℃，保温3小时，自然冷却至室温即得所述烧结助剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述炭化过程中，马弗炉升温分为3个阶段，第一阶段升温速度为3.0℃/分钟，升温至220℃，保温3小时，第二阶段升温速度为4.0℃/分钟，升温至400℃，保温40分钟，第三阶段升温速度为11℃/分钟，升温至950℃，保温20分钟，自然冷却至室温。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂热导率在210-215W/m·K之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂气孔率在42-44%之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂孔径大小在5-10微米之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述预处理后的生物质秸秆制备过程为：将生物质秸秆清洗除杂后在100℃温度下干燥至含水量在6-8%之间，然后切割成长度在2-4毫米范围的段状即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述秸秆类生物质炭燃料制备中使用的生物质秸秆原料为玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆中的一种或几种。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述碳酸钠水溶液质量浓度为2.6%。
实施例2
一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.075%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化，所述烧结助剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取305克白泥粉与42克氮化硅细粉，置于振动磨中混合2.5小时，在搅拌下加入2250毫升碳酸钠水溶液，混匀后加入0.46克十二烷基硫酸钠，持续搅拌2.5小时，静置7小时，然后在3200转/分钟下离心处理35分钟，倒去上澄清液，得到固体沉淀物置于103℃烘箱中烘干11小时；
（2）将步骤（1）制备得到的烘干物料与炭粉按照质量比为7.5:1的比例混合，进行研磨，过145目筛，然后置于真空碳化硅烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结升温速度为13.5℃/分钟，升温至1850℃，保温3.5小时，自然冷却至室温即得所述烧结助剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述炭化过程中，马弗炉升温分为3个阶段，第一阶段升温速度为3.2℃/分钟，升温至225℃，保温3.5小时，第二阶段升温速度为4.2℃/分钟，升温至405℃，保温45分钟，第三阶段升温速度为11.5℃/分钟，升温至955℃，保温25分钟，自然冷却至室温。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂热导率在210-215W/m·K之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂气孔率在42-44%之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂孔径大小在5-10微米之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述预处理后的生物质秸秆制备过程为：将生物质秸秆清洗除杂后在105℃温度下干燥至含水量在6-8%之间，然后切割成长度在2-4毫米范围的段状即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述秸秆类生物质炭燃料制备中使用的生物质秸秆原料为玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆中的一种或几种。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述碳酸钠水溶液质量浓度为2.8%。
实施例3
一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.076%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化，所述烧结助剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取310克白泥粉与45克氮化硅细粉，置于振动磨中混合3小时，在搅拌下加入2300毫升碳酸钠水溶液，混匀后加入0.47克十二烷基硫酸钠，持续搅拌3小时，静置8小时，然后在3500转/分钟下离心处理40分钟，倒去上澄清液，得到固体沉淀物置于105℃烘箱中烘干12小时；
（2）将步骤（1）制备得到的烘干物料与炭粉按照质量比为8:1的比例混合，进行研磨，过150目筛，然后置于真空碳化硅烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结升温速度为14℃/分钟，升温至1900℃，保温4小时，自然冷却至室温即得所述烧结助剂。
作为对上述方案的进一步描述，所述炭化过程中，马弗炉升温分为3个阶段，第一阶段升温速度为3.5℃/分钟，升温至230℃，保温4小时，第二阶段升温速度为4.5℃/分钟，升温至410℃，保温50分钟，第三阶段升温速度为12℃/分钟，升温至960℃，保温30分钟，自然冷却至室温。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂热导率在210-215W/m·K之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂气孔率在42-44%之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述制备得到的烧结助剂孔径大小在5-10微米之间。
作为对上述方案的进一步描述，所述预处理后的生物质秸秆制备过程为：将生物质秸秆清洗除杂后在110℃温度下干燥至含水量在6-8%之间，然后切割成长度在2-4毫米范围的段状即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述秸秆类生物质炭燃料制备中使用的生物质秸秆原料为玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆中的一种或几种。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述碳酸钠水溶液质量浓度为3.0%。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，烧结助剂制备中，省略步骤（1）中白泥粉的添加，使用等量的二氧化硅代替，其余保持一致。
对比例2
与实施例2的区别仅在于，烧结助剂制备中，省略步骤（1）中氮化硅的添加，其余保持一致。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，烧结助剂制备中，省略步骤（1）中氮化硅的添加，使用等量的碳化硅代替，其余保持一致。
对比例4
与实施例3的区别仅在于，步骤（2）中烘干物料与炭粉按照质量比为5:2的比例混合，其余保持一致。
对比例5
与实施例3的区别仅在于，步骤（2）中烧结升温速度为10℃/分钟，升温至2000℃，保温2小时，其余保持一致。
对比实验
分别使用实施例1-3和对比例1-5的方法提高秸秆类生物质炭燃烧热效率，以添加占生物质秸秆质量分数0.5%的云母粉作为烧结助剂的方法作为对照组，以相同来源大豆秸秆与玉米秸秆按照质量比为1:1的比例混合作为生物质秸秆原料，按照同样的加工工艺制备生物质炭燃料，制备过程中使用各组方法进行处理，试验中保持无关变量一致，通过模拟燃烧试验对制备得到的生物质炭燃料跟踪记录，进行结果统计分析（实验前利用统计学方法进行试验设计，然后进行试验并记录试验数据，分析得到试验结果，过程中充分利用统计学工具对结果加以最大程度的解释），结果如下表所示：
（将各组制备得到的生物质炭燃料样品放在马弗炉中燃烧，制取灰样测定结渣温度、结渣率）
本发明有效解决了现有秸秆类生物质炭燃烧过程中容易发生积灰成渣等不利于燃烧的问题，提高了秸秆废料的利用价值以及对环境保护的力度，能够实现资源极大化利用以及保护环境的现实意义，对于生物质能源的发展具有较高价值，显著促进国民经济健康快速发展以及改善环境治理问题，是一种极为值得推广使用的技术方案。
Claims (8)
1.一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，在生物质炭燃料生产过程中，将制备得到的烧结助剂掺入到预处理后的生物质秸秆中，掺入量为生物质秸秆质量的0.074-0.076%，在高速混炼机中混匀后压制成块，置于耐高温云母板容器中，送入马弗炉中加热，进行炭化，所述烧结助剂的制备方法包括以下步骤：
（1）称取300-310克白泥粉与40-45克氮化硅细粉，置于振动磨中混合2-3小时，在搅拌下加入2200-2300毫升碳酸钠水溶液，混匀后加入0.45-0.47克十二烷基硫酸钠，持续搅拌2-3小时，静置6-8小时，然后在3000-3500转/分钟下离心处理30-40分钟，倒去上澄清液，得到固体沉淀物置于100-105℃烘箱中烘干10-12小时；
（2）将步骤（1）制备得到的烘干物料与炭粉按照质量比为7-8:1的比例混合，进行研磨，过140-150目筛，然后置于真空碳化硅烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结升温速度为13-14℃/分钟，升温至1800-1900℃，保温3-4小时，自然冷却至室温即得所述烧结助剂。
2.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述炭化过程中，马弗炉升温分为3个阶段，第一阶段升温速度为3.0-3.5℃/分钟，升温至220-230℃，保温3-4小时，第二阶段升温速度为4.0-4.5℃/分钟，升温至400-410℃，保温40-50分钟，第三阶段升温速度为11-12℃/分钟，升温至950-960℃，保温20-30分钟，自然冷却至室温。
3.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述制备得到的烧结助剂热导率在210-215W/m·K之间。
4.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述制备得到的烧结助剂气孔率在42-44%之间。
5.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述制备得到的烧结助剂孔径大小在5-10微米之间。
6.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述预处理后的生物质秸秆制备过程为：将生物质秸秆清洗除杂后在100-110℃温度下干燥至含水量在6-8%之间，然后切割成长度在2-4毫米范围的段状即可。
7.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，所述秸秆类生物质炭燃料制备中使用的生物质秸秆原料为玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆中的一种或几种。
8.如权利要求1所述一种提高秸秆类生物质炭燃烧热效率的方法，其特征在于，步骤（1）所述碳酸钠水溶液质量浓度为2.6-3.0%。
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