[发明专利]一种高性能玉米秸秆炭固体成型燃料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于植物秸秆生物质能源领域，具体涉及一种以玉米秸秆炭为主要原料制备的固体成型燃料及其制备方法。

背景技术

能源和环境问题已成为全球关注的焦点，虽然煤、石油和天然气这些常规能源至今仍是燃料的主要来源，但是，全球目前已探明储量的可供开采的石油、天然气和煤炭资源分别将在25、27和97年后用尽耗竭。随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重，开发利用洁净可再生能源已经成了紧迫的课题。在此背景下，生物质能作为唯一可储存和运输的可再生绿色能源，其高效转换和洁净利用潜力日益受到世界各国的重视。国家《生物质能发展“十二五”规划》明确提出建立生物质成型燃料生产、储运和使用体系，在城市推广生物质成型燃料集中供热，在农村作为清洁炊事和采暖燃料推广应用。

世界上有约39％的人口在利用秸秆燃料进行炊事和采暖，但绝大部分被就地燃烧或直接作为燃料燃烧，而农村普遍采用老式炉灶，热效率只有10％。并且，秸秆的无组织燃烧是我国大气污染的一大重要来源，每年大约有1.2亿吨秸秆被无序燃烧。秸秆的直接无组织利用，既浪费资源，又污染环境，因此需要加工使用。对秸秆的利用主要是固体生物质的致密成型，即用机械加压的方法，使原来松散、无定型的原料压缩成具有一定形状、一定密度的固体成型燃料，可解决贮运困难的问题，同时使能量利用更加集中，燃烧也更加稳定。目前，国内外对秸秆成型工艺的研究主要集中在热压成型技术上。但是，热压成型工艺虽然改善了生物质的燃烧特性，但热值没有明显增加；工艺流程中，烘干和热压成型两个环节能耗较高；成型设备关键部件易磨损，生产成本较高。因此，应用范围较窄，并且无法作为传统化石燃料的替代品而被大范围推广。

为了弥补热压成型的这些不足，发展出了炭化成型工艺。即生物质在没有氧化剂(空气、氧气等)存在或只提供有限氧气的条件下，通过热化学反应将生物质大分子物质(木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小分子的生物炭质材料。生物炭含有较高的含碳量和热值，较低的灰分、挥发分和含硫量，对于全球碳循环来讲，还可以起到碳固存的环境意义，被冠以“黑色黄金”之称。生物质炭化有着极高的能量转化率，最高可达95.5％，并且经过炭化成型工艺制得的生物质成型炭，与直接固化成型相比，进一步缩小体积20％，提高单位容积的质量和热值，降低燃料挥发分含量，燃烧性能良好。由于原料纤维结构在炭化过程中受到破坏，高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发分(包括可燃气体、木醋液和焦油等)，因而其挤压加工性能得到改善，生产设备投入费用低，成型部件的机械磨损和挤压加工过程中的功率消耗明显降低。

秸秆生物质经过炭化过程后颗粒内部为松散排列的多孔结构，生物质由柔韧的有机物颗粒变成疏松易碎的无机碳颗粒，以其直接制得的成型燃料密度小、抗跌落强度低，并且秸秆中的大量木质素和半纤维素经过炭化过程后在高温下分解为无机碳，导致成型燃料缺乏内部胶黏剂。一直以来，国内外常用的胶黏剂有焦油、石灰、酚醛树脂、木质素、玉米淀粉、木薯粉等。但是，这些传统的胶黏剂在使用上常常各有缺点与不足：焦油类胶黏剂制备的成型燃料往往耐受温度较低，受热容易破碎解体，并且燃烧产生较多烟气，污染环境；石灰胶黏剂会引进更高的灰分含量，同时降低成型燃料的热值；酚醛树脂等通常造价较高，会导致成型燃料成本增加；木质素、淀粉等生物胶黏剂的黏结性和防水性较差，所制备的成型炭运输和贮存性能不佳。因而，传统胶黏剂制备的成型燃料往往因其成型性能、燃烧性能或者环境性能的不足，在应用上有其局限性，不能真正成为传统化石燃料的替代品。

诺沃肥是(中国)生物技术有限公司生产酶制剂的副产物，为面粉、淀粉等原材料经发酵反应之后的残渣。先通过石灰和高温两步灭菌处理，然后将产物脱水，加工而成。诺沃肥含有淀粉、糖类、硅藻土、N、P、K、Ca、Mg、Al等多种成分，傅立叶变换-红外光谱显示诺沃肥表面含有羟基、羰基、羧基等多种官能团，既可与生物炭颗粒之间发生物理结合，又可形成化学键，从而发挥黏结作用。Mg、Ca、Al等元素的加入还可有效改善生物质燃料的燃烧性能。因此，诺沃肥有成为良好胶黏剂的潜力。