一種炭水漿燃料及其製備方法
2023-07-19 04:48:26 2
專利名稱：一種炭水漿燃料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種炭燃料，特別是涉及一種環保型生物質炭水漿燃料及其製備方法。
背景技術：
我國是一個多煤少油的國家，煤炭在一次能源中的生產和消費佔70%。隨著中國改革開放和經濟的持續高速發展，能源消耗量日益增多，然而石油生產與石油勘探儲量的增長速度遠低於需求的增長，使得我國油品等潔淨能源供應長期趨緊。水煤漿是20世紀70年代興起的煤基液態燃料，其是由煤、水和化學添加劑按一定 的要求配製成的混合物，具有較好的流動性和穩定性，易於儲存，可霧化燃燒，是一種燃燒效率較高且廉價的潔淨燃料。其熱值相當於燃料油的一半，可代替燃料油用於鍋爐、電站、工業爐和窯爐，具有燃燒效益高、燃燒穩定、負荷調整便利、汙染排放少、可管道輸送等優點，是適合我國國情的代油、環保、節能技術，在我國能源發展計劃中具有重要的戰略意義。水煤漿製備工藝通常包括選煤(脫硫降灰)、破碎、磨礦、加入添加劑、混捏、攪拌與剪切，以及為剔除最終產品中的超粒與雜物的濾漿等環節。其製備工藝過程相對複雜，產品質量易受多種因素的影響，燃料中硫含量相對較高，使用時易產生黑煙，燃燒熱值有限且不能再生。生物質是指通過光合作用形成含有纖維素、半纖維素、木質素等成分的各種有機體。廣義上包括植物、微生物、動物及其廢棄物，通常包括木材及森林工業廢棄物、農業廢棄物、水生植物、油料植物、城市生活垃圾及工業廢棄物及排洩物，具有可再生、來源廣泛、汙染低、易燃燒、密度小等特點。生物質能是僅次於煤炭、石油和天然氣而居於世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統中佔有重要地位。我國的生物質資源豐富，具有非常大的開發和利用潛力，因此充分合理開發生物質資源，加大生物質的利用度具有十分重要的意義。生物質能轉換技術主要包括直接燃燒、熱化學轉換、生物轉換等途徑。其中熱化學轉換技術是通過熱化學反應的方式將生物質大分子物質(木質素、纖維素和半纖維素)分解成較小分子的燃料物質(固態炭、可燃氣、生物油)的技術方法。根據產物的不同，熱化學轉換技術分為乾餾炭化、熱解氣化、熱解液化三種，其中以乾餾炭化技術開發歷史最為悠久。目前美國、日本等發達國家每年可以生產30萬種炭產品，而我國只能生產5000多種炭產品，因此還存在著巨大的發展潛力和空間。此外，與國外發達國家相比，我國炭化技術的基礎研究和應用研究都還存在著很大差距，炭產品生產存在著能耗高、汙染嚴重、無工藝標準、質量低、品種少等問題，因此還需要極力向資源節約、高效節能、工藝標準、生產清潔、產品高級化、品種多樣化的方向發展
發明內容
本發明的首要目的是針對上述現有技術存在的問題提供一種新型、環保、熱值高的炭水漿燃料及其製備方法，利用生物質尤其是農林剩餘物為原料，製備工藝能耗低、經濟廉價、易於操作，此外製備的炭水漿燃料硫含量低，使用時具有黑煙少、火力旺、燃燒充分，不飛灰、燃燒清潔等優點。為了達到上述目的，本發明一方面提供一種炭水漿燃料，其成份包括木炭、水和添加劑，其中所述添加劑包括分散劑和穩定劑。特別是，炭水漿燃料中各成份的質量百分比含量分別為木炭60-80%，優選為60-70%，進一步優選為70% ;添加劑0. 5-5%，優選為1_2%，進一步優選為1% ;餘量為水。尤其是，所述木炭的粒徑< 200目。其中，分散劑的作用機理主要是提高炭表面的親水性，增大炭的表面張力，使炭達到充分溼潤，此外增加炭的靜電斥力，進一步促使炭分散於水介質中。常規的離子型與非離 子型分散劑均適用於本發明，特別是優選為陰離子型分散劑。本發明中分散劑選自磺酸鹽、木質素磺酸鹽、萘磺酸鹽、磺化腐植酸鹽中的一種，尤其優選為木質素磺酸鹽；所述分散劑的質量百分比含量為0. 1-2%，優選為0. 1-1%，進一步優選為0. 3-0. 8%。穩定劑的作用機理是使炭水漿中已分散的炭粒能與周圍其他炭粒及水結合成一種較弱但又有一定強度的三維空間結構的作用，使已分散的固體顆粒相互交聯，形成空間結構，從而有效地阻止顆粒沉澱，防止固液間的分離。常規的穩定劑如無機鹽、高分子有機化合物等均適用於本發明。特別是，本發明中穩定劑選自羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素中的一種，優選為羥丙基甲基纖維素；所述穩定劑的質量百分比含量為0. 1-3%，優選為0. 1-1%，進一步優選為0. 5-1%。本發明的炭水漿燃料還可以包括其它輔助添加劑，如消泡劑、調整劑、防黴劑、表面處理劑、促進劑等。本發明再一方面提供一種炭水漿燃料的製備方法，包括如下步驟A)將生物質原料進行水熱炭化處理，製得木炭和水的混合物；B)向木炭和水的混合物中加入添加劑，製得炭水漿燃料粗品。其中，所述的生物質原料為農林剩餘物，包括秸杆、灌木林平茬物、木屑、樹皮、稻殼等，特別優選木質素含量聞的生物質，如木屑、樹皮、廢木頭等。特別是，本發明採用水熱炭化對生物質原料進行處理，不僅反應環境溫和，炭化速度快，而且生物質原料中碳的利用率高。尤其是，所述水熱炭化處理包括Al)將生物質原料進行預炭化處理，製得粗油；A2)將粗油進行亞臨界水熱炭化處理，製得木炭和水的混合物。其中，所述步驟Al)包括將生物質原料與水混合製成半流體物料後再進行所述的預炭化處理，其中所述生物質原料與水的重量配比為I :3_5。特別是，步驟Al)中所述預炭化處理是向半流體物料中加入催化劑後進行加熱及加壓處理；其中所述催化劑為鹼金屬碳酸鹽或鹼土金屬碳酸鹽，所述鹼金屬碳酸鹽選自碳酸鈉或碳酸鉀，所述鹼土金屬碳酸鹽選自碳酸鎂或碳酸鈣；所述催化劑與半流體物料的重量配比為0. 5-0. 7 :100。其中，所述步驟Al)包括如下步驟
al)將生物質原料進行破碎，製得生物質碎末；a2)將生物質碎末與水混合，製成半流體物料；a3)向半流體物料中加入催化劑,攪拌混勻後預熱至85 90°C ；a4)將上述預熱後的混合料進行預炭化處理，製得粗油。特別是，所述預炭化處理的溫度為180_260°C，絕對壓力為8_12MPa，處理時間為15-20min。預炭化處理是在加熱及加壓的條件下將生物質原料中的大分子含碳有機物轉化成小分子含碳有機物，同時去除生物質原料中的灰分及雜質，使最終生成的木炭具有較高的純度，且木炭顆粒的粒徑較小，從而有利於保證燃料產品的質量。其中，步驟A2)中所述亞臨界水熱炭化處理是向粗油中加入催化劑後進行加熱及加壓處理，其中所述催化劑為鹼金屬碳酸鹽或鹼土金屬碳酸鹽，所述鹼金屬碳酸鹽選自碳 酸鈉或碳酸鉀，所述鹼土金屬碳酸鹽選自碳酸鎂或碳酸鈣；所述催化劑與半流體物料的重量配比為0. 5-0. 7 :100。特別是，所述亞臨界水熱炭化處理的溫度為300-350°C，絕對壓力為20_22MPa，處理時間為l_5h。亞臨界水熱炭化處理是在加熱及加壓的條件下將小分子含碳有機物轉化成木炭，特別是生物質原料在亞臨界水中進行水熱炭化處理後，得到的炭化物中含有一定數量的極性官能團，具有極高的親水性，從而有利於炭水漿燃料中木炭的分散和穩定，提高了燃料產品的質量。其中，還包括步驟C):將炭水漿燃料粗品進行蒸餾處理，除去多餘的水分，製得炭水漿燃料；其中所述炭水漿燃料中木炭的質量百分比含量為60-80%，添加劑的質量百分比含量為0. 5-5%，餘量為水；所述添加劑包括分散劑和穩定劑。本發明具有以下優點I、本發明以農林剩餘物作為原料製備炭水漿燃料，開拓了一種新型、環保、可再生的炭燃料產品，不僅節約了木材資源，減少了汙染，而且提高了生物質原料的利用度，具有極大的經濟價值；2、本發明的炭水漿燃料製備工藝不僅簡單、易於操作、能量消耗低、經濟廉價；此外生物質原料的轉換速度快、產品的能量密度高，適合大規模的商業化生產；3、本發明採用水熱炭化處理對生物質進行炭化，不僅炭化速度快，炭化過程相對溫和、生物質中碳的利用效率高，炭化處理後炭水混合物的得率達到40-50% ;此外，得到的炭化物中含有一定數量的極性官能團，親水性高，有利於炭水漿燃料中木炭的分散和穩定，從而提高了燃料產品的質量和穩定性；4、本發明的炭水漿燃料產品硫含量低，使用時具有黑煙少、火力旺、不飛灰、燃燒充分、燃燒清潔等優點；此外燃料熱值高，發熱量大，熱值達到普通市售的精水煤漿(熱值為18. 9MJ/kg)的I. 1-1. 5倍，是生物質固體成型燃料(熱值為14. 6-18. 8MJ/kg)的I. 1-2. 0倍，具有良好的實際應用價值和潛力。
具體實施例方式下面結合具體實施例來進一步描述本發明，本發明的優點和特點將會隨著描述而更為清楚。但這些實施例僅是範例性的，並不對本發明的範圍構成任何限制。本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發明的精神和範圍下可以對本發明技術方案的細節和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發明的保護範圍內。本發明所採用的生物質原料主要為農林剩餘物，包括秸杆、灌木林平茬物、木屑、樹皮、稻殼等。實施例II、原料預處理將含水率為15-20%的木屑(木質素含量為25-30%)置於磨漿機中，磨碎為20-40目的碎末；將上述碎末加入到預混罐後，向預混罐內加入水，攪拌混合均勻，製成半流體物料；再向預混罐中加入催化劑，混合攪拌均勻後，於攪拌條件下將混合料預熱至85 90°C，以便使混合料在進入粗油反應器中能夠迅速升溫至預炭化處理的反應溫度；其中木屑與水 的重量配比為I :3，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 6 :100，所述催化劑為碳酸鈉；2、預炭化處理將預熱後的混合料送入粗油反應器，開啟粗油反應器的加熱裝置進行加熱，粗油反應器內的溫度和壓力升高，當粗油反應器內的溫度達到200°C，絕對壓力達到SMPa時開始計算預炭化處理的時間，控制預炭化處理過程的溫度為200°C，絕對壓力為8MPa，處理時間為15分鐘；預炭化處理後形成的少量含有水蒸汽和小分子有機物(如C0、H2、C02、CH4等)的氣體部分從粗油反應器的頂部脫除，形成的固液混合物通過過濾去除固體殘渣及灰分後，即製得粗油；3、亞臨界水熱炭化處理將上述粗油與催化劑混合均勻後送入炭化反應器，開啟炭化反應器的加熱裝置進行加熱，炭化反應器內的溫度和壓力升高，當炭化反應器內的溫度達到350°C，絕對壓力達到22MPa時開始計算亞臨界水熱炭化處理的時間，其中所述的催化劑為碳酸鎂，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 5 :100，控制亞臨界水熱炭化處理過程的溫度為350°C，絕對壓力為22MPa，處理時間為2小時；亞臨界水熱炭化處理後形成的少量氣體部分從炭化反應器的頂部脫除，剩餘的固液混合物送入分離器中進行油水分離，去除生成的少量油份後，得到含水率為60%的木炭和水的混合物(以下簡稱為炭水混合物)；其中炭水混合物的得率為50%，炭水混合物中木炭的粒徑彡200目；4、製備炭水漿燃料向上述炭水混合物中加入分散劑木質素磺酸鈉和穩定劑羥丙基甲基纖維素，混合均勻後進行蒸餾處理，去除多餘的水，即製得炭水漿燃料；其中，炭水漿燃料中含有70% (質量百分含量)的木炭、29%的水、0. 3%的木質素磺酸鈉和0. 7%羥丙基甲基纖維素；炭水漿燃料的熱值為23. OMJ/kg。實施例2I、原料預處理將含水率為15-20%的稻殼(木質素含量為20-22%)置於磨漿機中，磨碎為20-40目的碎末；將上述碎末加入到預混罐後，向預混罐內加入水，攪拌混合均勻，製成半流體物料；再向預混罐中加入催化劑，混合攪拌均勻後，於攪拌條件下將混合料預熱至85 90°C，以便使混合料在進入粗油反應器中能夠迅速升溫至預炭化處理的反應溫度；其中稻殼與水的重量配比為I :4，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 6 :100，所述催化劑為碳酸鈣；2、預炭化處理將預熱後的混合料送入粗油反應器，開啟粗油反應器的加熱裝置進行加熱，粗油反應器內的溫度和壓力升高，當粗油反應器內的溫度達到180°C，絕對壓力達到IOMPa時開始計算預炭化處理的時間，控制預炭化處理過程的溫度為180°C，絕對壓力為lOMPa，處理時間為20分鐘；預炭化處理後形成的少量氣體部分從粗油反應器的頂部脫除，形成的固液混合物通過過濾去除固體殘渣及灰分後，即製得粗油；3、亞臨界水熱炭化處理 將上述粗油與催化劑混合均勻後送入炭化反應器，開啟炭化反應器的加熱裝置進行加熱，炭化反應器內的溫度和壓力升高，當炭化反應器內的溫度達到300°C，絕對壓力達到22MPa時開始計算亞臨界水熱炭化處理的時間，其中所述的催化劑為碳酸鈉，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 6 :100，控制亞臨界水熱炭化處理過程的溫度為300°C，絕對壓力為22MPa，處理時間為3小時；亞臨界水熱炭化處理後形成的少量氣體部分從炭化反應器的頂部脫除，剩餘的固液混合物送入分離器中進行油水分離，去除少量的油份後，得到含水率為70%的炭水混合物；其中炭水混合物的得率為48%，炭水混合物中木炭的粒徑< 200目；4、製備炭水漿燃料向上述炭水混合物中加入分散劑萘磺酸鈉和穩定劑羥丙基甲基纖維素，混合均勻後進行蒸餾處理，去除多餘的水，即製得炭水漿燃料；其中，炭水漿燃料中含有80% (質量百分含量)的木炭、18%的水、1%的萘磺酸鈉和1%羥丙基甲基纖維素；炭水漿燃料的熱值為27. 2MJ/kg。實施例3I、原料預處理將含水率為10-15%的玉米秸杆(木質素含量為10-12%)置於磨漿機中，磨碎為20-40目的碎末；將上述碎末加入到預混罐後，向預混罐內加入水，攪拌混合均勻，製成半流體物料；再向預混罐中加入催化劑，混合攪拌均勻後，於攪拌條件下將混合料預熱至85 90°C，以便使混合料在進入粗油反應器中能夠迅速升溫至預炭化處理的反應溫度；其中玉米秸杆與水的重量配比為I :5，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 5 :100，所述催化劑為碳酸鎂；2、預炭化處理將預熱後的混合料送入粗油反應器，開啟粗油反應器的加熱裝置進行加熱，粗油反應器內的溫度和壓力升高，當粗油反應器內的溫度達到220°C，絕對壓力達到12MPa時開始計算預炭化處理的時間，控制預炭化處理過程的溫度為220°C，絕對壓力為12MPa，處理時間為15分鐘；預炭化處理後形成的少量氣體部分從粗油反應器的頂部脫除，形成的固液混合物通過過濾去除固體殘渣及灰分後，即製得粗油；3、亞臨界水熱炭化處理將上述粗油與催化劑混合均勻後送入炭化反應器，開啟炭化反應器的加熱裝置進行加熱，炭化反應器內的溫度和壓力升高，當炭化反應器內的溫度達到320°C，絕對壓力達到20MPa時開始計算亞臨界水熱炭化處理的時間，其中所述的催化劑為碳酸鉀，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 7 :100，控制亞臨界水熱炭化處理過程的溫度為320°C，絕對壓力為20MPa，處理時間為5小時；亞臨界水熱炭化處理後形成的少量氣體部分從炭化反應器的頂部脫除，剩餘的固液混合物送入分離器中進行油水分離，去除少量的油份後，得到含水率為65%的炭水混合物；其中炭水混合物的得率為40%，炭水混合物中木炭的粒徑< 200目； 4、製備炭水漿燃料向上述炭水混合物中加入分散劑木質素磺酸鈉和穩定劑羧甲基纖維素，混合均勻後進行蒸餾處理，去除多餘的水，即製得炭水漿燃料；其中，炭水漿燃料中含有75% (質量百分含量)的木炭、24%的水、0. 5%的木質素磺酸鈉和0. 5%羧甲基纖維素；炭水漿燃料的熱值為25. 5MJ/kg。實施例4I、原料預處理將含水率為10-15%的大豆秸杆(木質素含量為15-18%)置於磨漿機中，磨碎為20-40目的碎末；將上述碎末加入到預混罐後，向預混罐內加入水，攪拌混合均勻，製成半流體物料；再向預混罐中加入催化劑，混合攪拌均勻後，於攪拌條件下將混合料預熱至85 90°C，以便使混合料在進入粗油反應器中能夠迅速升溫至預炭化處理的反應溫度；其中大豆秸杆與水的重量配比為I :3，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 7 :100，所述催化劑為碳酸鉀；2、預炭化處理將預熱後的混合料送入粗油反應器，開啟粗油反應器的加熱裝置進行加熱，粗油反應器內的溫度和壓力升高，當粗油反應器內的溫度達到260°C，絕對壓力達到IOMPa時開始計算預炭化處理的時間，控制預炭化處理過程的溫度為260°C，絕對壓力為lOMPa，處理時間為20分鐘；預炭化處理後形成的少量氣體部分從粗油反應器的頂部脫除，形成的固液混合物通過過濾去除固體殘渣及灰分後，即製得粗油；3、亞臨界水熱炭化處理將上述粗油與催化劑混合均勻後送入炭化反應器，開啟炭化反應器的加熱裝置進行加熱，炭化反應器內的溫度和壓力升高，當炭化反應器內的溫度達到350°C，絕對壓力達到22MPa時開始計算亞臨界水熱炭化處理的時間，其中所述的催化劑為碳酸鈣，催化劑與半流體物料的重量配比為0. 6 :100，控制亞臨界水熱炭化處理過程的溫度為350°C，絕對壓力為22MPa，處理時間為I小時；亞臨界水熱炭化處理後形成的少量氣體部分從炭化反應器的頂部脫除，剩餘的固液混合物送入分離器中進行油水分離，去除少量的油份後，得到含水率為50%的炭水混合物；其中炭水混合物的得率為43%，炭水混合物中木炭的粒徑< 200目；4、製備炭水漿燃料向上述炭水混合物中加入分散劑木質素磺酸鈉和穩定劑羥丙基甲基纖維素，混合均勻後進行蒸餾處理，去除多餘的水，即製得炭水漿燃料；
其中，炭水漿燃料中含有60% (質量百分含量)的木炭、35%的水、2%的木質素磺酸鈉和3%羥丙基甲基纖維素；炭水漿燃料的熱值為20. 4MJ/kg。
權利要求
1.一種炭水漿燃料，其成份包括木炭、水和添加劑，其中所述添加劑包括分散劑和穩定劑。
2.如權利要求I所述的炭水漿燃料，其特徵在於，所述各成份的質量百分比含量分別為木炭60-80%，添加劑0. 5-5%，餘量為水。
3.如權利要求I或2所述的炭水漿燃料，其特徵在於，所述分散劑選自磺酸鹽、木質素磺酸鹽、萘磺酸鹽、磺化腐植酸鹽中的一種或多種；所述穩定劑選自羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素中的一種或多種。
4.一種製備權利要求I或2所述炭水漿燃料的方法，其特徵在於，包括如下步驟 A)將生物質原料進行水熱炭化處理，製得木炭和水的混合物； B)向木炭和水的混合物中加入添加劑，製得炭水漿燃料粗品。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述水熱炭化處理包括 Al)將生物質原料進行預炭化處理，製得粗油； A2)將粗油進行亞臨界水熱炭化處理，製得木炭和水的混合物。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟Al)包括將生物質原料與水混合製成半流體物料後再進行所述的預炭化處理，其中所述生物質原料與水的重量配比為I :3-5。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述預炭化處理是向半流體物料中加入催化劑後進行加熱及加壓處理，所述亞臨界水熱炭化處理是向粗油中加入催化劑後進行加熱及加壓處理；其中所述催化劑為鹼金屬碳酸鹽或鹼土金屬碳酸鹽。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述催化劑與半流體物料的重量配比為0.5-0. 7 :100 ;其中所述鹼金屬碳酸鹽選自碳酸鈉或碳酸鉀,所述鹼土金屬碳酸鹽選自碳酸鎂或碳酸鈣。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述預炭化處理的溫度為180-260°C，絕對壓力為8-12MPa，處理時間為15-20min。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述亞臨界水熱炭化處理的溫度為 300-350°C，絕對壓力為20-22MPa，處理時間為l_5h。
全文摘要
本發明公開了一種炭水漿燃料及其製備方法，所述炭水漿燃料的成份包括木炭、水和添加劑，其中所述添加劑包括分散劑和穩定劑。所述炭水漿燃料的製備方法是先將生物質原料進行水熱炭化處理，製得木炭和水的混合物；然後向木炭和水的混合物中加入添加劑，製得炭水漿燃料粗品。本發明利用生物質尤其是農林剩餘物為原料製備新型、環保、熱值高、發熱量大的炭水漿燃料，製備工藝能耗低、經濟廉價、易於操作，炭水漿燃料產品硫含量低，使用時具有黑煙少、火力旺、燃燒充分，不飛灰、燃燒清潔等優點。
文檔編號C10L1/32GK102746912SQ20121020442
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者張維, 頡二旺 申請人:北京金驕生物質化工有限公司