用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料及其制备方法与流程

本发明涉及生物质秸秆燃料化利用技术领域，尤其是一种用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料及其制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

生物质秸秆的主要成分为木质纤维素，具有数量大、分布广泛、可再生性强和低污染等特点。但是大部分生物质秸秆没有得到充分合理的利用，如玉米秸秆少部分作为取暖做饭的材料或动物食用的粗饲料，大部分被用作田地的肥料或就地焚烧。

目前，部分秸秆被炭化制备生物炭用于吸附剂、固态燃料或土壤改良剂，但是受限于炭化工艺，制备得到的生物炭的燃烧特性、成型特性、疏水性以及稳定性等性能较差，表现为在高湿或遇水的情况下容易松散稳定性差，影响运输和储存的同时还易导致微生物活动而引起内部的腐败或自燃或污染气体的排放等问题，从而不利于其作为固态燃料的燃烧和运输，进而限制了秸秆生物炭作为固态燃料的应用范围。

此外，水热炭化后会产生较多的液体副产物，其中的高价值组分未得到充分利用；且液体副产物的处理较困难，提高了秸秆炭化的生产成本；水热炭化持续使用新鲜水，还会造成水资源的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料及其制备方法。

为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料制备方法，包括如下步骤：

将秸秆粉碎后进行水热炭化，水热炭化的温度为220-240℃，水热炭化时间为20-30min，水热炭化过程中水循环2-3次。

第二方面，本发明提供所述制备方法制备得到的用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料。

与现有技术相比，本发明的以上实施例的有益效果为：

1、采用单因素和响应面实验设计优化出了使秸秆水热炭成型燃料达到最优特性的最佳工艺条件：水热炭化温度为231℃，水热炭化时间为25min，水热炭化过程水循环2或3次，水热炭成型水分含量为10-15％，成型压力为130mpa。

2、最优工艺条件下秸秆水热炭成型颗粒特性：灰分含量为2.11％，挥发分含量为78.63％，高位热值为21.03mj/kg(此数值接近煤的燃烧热值)、综合燃烧特性指数为9.55％²/(k³·min²)、抗渗水性为10.24％、抗压强度为6.04mpa、成型能耗为8.92j/g。与秸秆成型颗粒相比，热值增加了约21％，灰分含量降低了约63％，综合燃烧特性指数增加了约25％。与不进行水循环相比，水循环后水热炭质量产率增加了约15％、能量产率增加了约18％。

3、秸秆水热炭化中过程水循环2次或3次可以使水热炭质量产率、能量产率和热值提高。同时，水热炭化过程水循环使用可以达到节约水资源、保护环境的目的，从而使水热炭化成为一种环境友好型技术；还能够减少水热炭化工厂废水处理费用、提高水热炭化系统的整体效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的秸秆水热炭的制备流程图；

图2为本发明实施例的不同水热炭化条件对秸秆水热炭高位热值的影响；

图3为本发明实施例的不同水热炭化条件对秸秆水热炭成型特性的影响；

图4为本发明实施例的水分含量对秸秆水热炭成型特性的影响；

图5为本发明实施例的成型压力对秸秆水热炭成型特性的影响；

图6为本发明实施例的秸秆原料粒径对水热炭成型特性的影响；

图7为本发明实施例的保压时间对秸秆水热炭成型特性的影响；

图8为本发明实施例的压缩速度对秸秆水热炭成型特性的影响；

图9为本发明实施例的水热炭化过程水循环对麦秸水热炭质量产率的影响；

图10为本发明实施例的水热炭化过程水循环对麦秸水热炭能量产率的影响。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料制备方法，包括如下步骤：

将秸秆粉碎后进行水热炭化，水热炭化的温度为220-240℃，水热炭化时间为20-30min，水热炭化过程中水循环2-3次，制得生物炭。

在一些实施例中，所述秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和棉花秸秆。

在一些实施例中，秸秆粉碎后的粒径为0.5-5mm。

进一步的，水热炭化过程中，料液比为1:12-17，优选为1:15。

在一些实施例中，水热炭化的温度为230-235℃，水热炭化时间为22-27min。

进一步的，水热炭化的温度为231℃，水热炭化时间为25min。

在一些实施例中，还包括对制备得到的水热炭压制成型的步骤。

进一步的，对水热炭压制成型之前，将水热炭的含水量调整至10-15％，优选为13％。

进一步的，对制备得到的水热炭压制成型的成型压力为120-140mpa。

在一些实施例中，在进行水热炭化之前，向反应容器中通入氮气，以排出氧气。

第二方面，本发明提供所述制备方法制备得到的用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料。

实施例

用于燃烧的基于秸秆水热炭的“类煤”成型燃料制备方法，包括如下步骤：

以秸秆作为原料，将其切短至30-35cm后，用高速粉碎机粉碎至1-5mm；粉碎后的秸秆与水按照1:15的比例混合均匀，在高压反应釜中进行水热炭化反应；设定水热炭化温度为231℃，水热炭化时间为25min，采用自动压力即可；水热炭化实验结束回收液体副产物，按照上述方式再次进行水热炭化反应，共循环2或3次即可；

待反应器冷却至室温后，采用真空抽滤方式将水热炭和液体副产物进行分离，水热炭在60℃烘箱内干燥至水分含量为10-15％；采用万能材料试验机设定成型压力为130mpa，压缩成型制成水热炭成型颗粒燃料。

具体实施方法

如图1所示，选用秸秆作为原料，采用单因素和响应面实验设计对其水热炭化成型工艺进行优化，以期制备出最佳品质的秸秆水热炭成型颗粒，同时使该工艺过程操作简单并具有环保、清洁、可持续的优势。秸秆切短至30-35cm，用retschsm300粉碎机(haan，德国)进行粉碎，粉碎成粒度分别为0.5mm、1mm、2mm、5mm的粉末。用parr4848反应釜(parr仪器公司，美国)对秸秆粉末进行水热炭化处理，将氮气(在标准温度和压力下(stp))以50ml/min的速率通过反应器10分钟，用于排出氧气。

采用pid温控仪对实验温度进行控制，实验过程反应器中压力未受控制，保持自动压力即可，压力范围为1-5mpa。每次实验称取25g秸秆粉末，加375g蒸馏水于1l反应器中，使料液比为1:15，用电磁搅拌器控制搅拌速度为100r/min。水热炭化过程的升温速率为7℃/min。

实验中设定水热炭化温度分别为180℃、220℃、260℃，水热炭化时间为10min、20min、30min、40min。反应结束待反应器冷却至室温后，采用真空抽滤方式将水热炭和液体副产物进行分离，回收液体副产物用于下一次水热炭化实验，加蒸馏水补足液体，加秸秆粉末使料液比为1:15，按照上述操作方法再次进行水热炭化实验，过程水共循环6次。将每次分离出的水热炭在60℃烘箱内干燥24h备用。

采用万能材料仪(instron3367，美国)对制备的水热炭进行压缩成型，成型前将水热炭的水分含量分别调至为2.5％、7.5％、12.5％、17.5％。打开万能材料仪，在压杆上施加压力，压缩速度分别设置为10mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min，推动压杆压缩物料，当压杆压力达到设定压力后停止施压，记录力-位移曲线。同时保持此压力一定时间(保压时间)，保压完成后移除挡板，将压缩好的成型试样取出。其中，压杆压力分别设定为60mpa、100mpa、140mpa、180mpa，保压时间分别设置为0s、15s、30s、45s。

单因素实验

实验设定不同的水热炭化温度(180℃、220℃、260℃)、水热炭化时间(10min、20min、30min、40min)、原料粒径(5mm、2mm、1mm、0.5mm)、成型压力(60mpa、100mpa、140mpa、180mpa)、水分含量(2.5％、7.5％、12.5％、17.5％)、压缩速度(10mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min)、保压时间(0s、15s、30s、45s)等工艺条件，探究不同工艺条件对秸秆水热炭化成型颗粒燃料理化特性、抗渗水性、抗压强度、成型能耗的影响，同时筛选出对各个指标影响显著的工艺条件及其水平。

响应面实验

在单因素实验基础上，选取对秸秆水热炭成型影响显著的水热炭化条件和成型条件进行组合(选取了水热炭化温度、水热炭化时间、成型压力和水分含量)，设计响应面实验。根据box-behnken中心组合实验设计原理，以各试验单因素最优取值点为中心，上下区域各取1个水平值作为响应面试验设计水平，以成型特性为评价指标，设计四因素三水平29个试验点的响应面分析，其中零点试验重复5次，以估计误差。采用design-expert8.0.6b统计软件对实验结果进行响应面回归分析和方差分析(anova)，拟合出模型最佳多项式方程，优化出秸秆水热炭化成型最佳工艺条件。

实验相关结果如下：

(1)单因素实验

如表1和图2-图8呈现了不同因素和水平条件下的各个指标的具体数值，将其进行了对比；同时也为了说明对水热炭成型燃料影响较显著的因素为水热炭化温度、水热炭化时间、成型压力和水分含量，从而将这些因素用于后续响应面实验设计中。

表1不同水热炭化条件秸秆水热炭的元素和工业成分分析结果

(2)响应面实验

进行秸秆水热炭化成型工艺优化。

表2秸秆水热炭成型工艺响应面中心组合和实验设计方案的因素和水平

表3秸秆水热炭成型工艺的响应面中心组合实验设计结果

注：a为水热炭化温度；b为水热炭化时间；c为成型压力；d为水分含量。

表4抗渗水性、抗压强度成型能耗的响应面方差分析结果

注：a为水热炭化温度；b为水热炭化时间；c为成型压力；d为水分含量。

表5秸秆水热炭化成型响应面变量的方差分析

表6最优工艺秸秆水热炭成型颗粒的燃料和燃烧特性评价表

注：表中的数据为平均值±标准偏差；a，b，同行数据上标不同字母表示差异性显著(p<0.05)；t1表示着火温度；t2表示燃尽温度；sn表示综合燃烧特征指数。

利用design-expert8.0.6b统计软件求解三个响应值的回归方程进行工艺优化，将优化条件设定为：抗压强度高于3mpa，成型能耗低于15j/g，抗渗水性数值最低。根据上述条件，统计软件给出了55组优化工艺，通过比较分析各组优化工艺条件，得出了秸秆水热炭化成型的最佳工艺条件为：水热炭化温度231℃，水热炭化时间25min，成型压力130mpa，水分含量13％，此条件下制备得到的水热炭的各种性能如下：抗渗水性为9.38％，抗压强度为6.08mpa，成型能耗为9.58j/g。采用模型优化的工艺参数进行实验，设置3次重复试验，得出抗渗水性为10.24％、抗压强度为6.04mpa、成型能耗为8.92j/g。采用优化工艺生产秸秆水热炭成型颗粒燃料，对其余特性的测定结果：灰分含量为2.11％，挥发分含量为78.63％，高位热值为21.03mj/kg。与秸秆成型燃料(其制备方法为：采集秸秆，切短至长度为35mm左右，采用高速粉碎机进行粉碎处理至粒径小于1mm，形成秸秆堆料。用电子天平(arc120，奥格斯公司)称量秸秆粉末1.0g，将样品加入到万能材料仪(instron3367，美国)的模具中，打开万能材料仪，在压杆上施加压力，推动压杆压缩物料，压缩速度设置为50mm/min，当压杆压力达到180mpa后停止施压，记录力-位移曲线。同时保持此压力30s(保压时间)，保压完成后移除挡板，即制得秸秆成型颗粒燃料的试样)相比，最优工艺秸秆水热炭成型燃料的热值增加了约21％；灰分含量降低了约63％。

(2)水热炭化水循环实验

如图9和图10所示，水热炭化过程水循环2次或3次效果最佳。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。