一种生物质燃料及生物质燃料供能水泥窑的制作方法

1.本发明涉及水泥生产技术领域，具体为一种生物质燃料及生物质燃料供能水泥窑。


背景技术：

2.水泥工业是高耗能产业，生产过程中需要消耗大量燃料，传统的水泥窑使用煤炭作为燃料，其生产成本中燃料成本占据了较大比重，随着我国的工业体系不断向节能型、绿色型转变，燃煤型水泥窑已经跟不上时代的发展趋势，在未来终将被取代。
3.我国的农业生产中会产生大量的秸秆，而秸秆的处理一直是难以解决的问题，在2000年以前，焚烧几乎是唯一的处理秸秆的方式，一到收割季，田间地头火光冲天、浓烟滚滚，这种现象直到二十世纪初才开始改善，农民开始将秸秆就地粉碎填埋，但这种方式需要花费资金，增加了种粮成本，且秸秆体积大，就地填埋不足以完全处理所有的秸秆，造成巨大的资源浪费。
4.目前，秸秆在能源领域的应用已经有多个方向的研究，如秸秆发电、秸秆制气、秸秆液化等，使用秸秆代替煤炭、天然气用于工业生产的应用也有多方面的报道，但是，秸秆的热值约为15000kj/kg，约为标准煤的一半，还含有较多的植物纤维等杂质，且堆积密度过低，以稻草为例，其堆积密度仅有0.035kg/m3，在燃料仓中会占用大量空间，在水泥窑中使用秸秆直接代替煤炭作为燃料使用时，热功率不足，难以达到水泥生产所需温度，故目前多通过秸秆制粒机将秸秆制成压缩颗粒，提高堆积密度，但压缩后的颗粒远大于煤粉粒径，在现有的水泥窑中难以充分燃烧，且由于秸秆中的杂质等因素，燃烧时温度波动较大，影响水泥熟料质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种生物质燃料，利用现有的秸秆资源，解决秸秆作为燃料应用在工业生产中存在的问题。
6.本发明的目的还在于：提供一种生物质燃料供能水泥窑，以使用秸秆制成的生物质燃料进行水泥生产，解决生物质燃料不能直接应用于现有的水泥窑的问题。
7.本发明采用的技术方案如下：一种生物质燃料，由以下重量比的原料制成：秸秆粉90%～98%、废猪油3%～10%、聚醚0.01%～0.05%、防霉剂0.3%～2%，所述秸秆粉的粒径不大于1mm，所述废猪油的饱和脂肪酸含量不低于42%。
8.优选的，所述聚醚的分子式为r(po)
x
(eo)y(po)z，其中r选自多乙烯多胺、树脂或脂肪醇，x≥1，y≥1，z≥0。
9.优选的，所述防霉剂为壳聚糖、桂皮油、罗汉柏油中的一种或几种。
10.优选的，所述的生物质燃料通过如下步骤制得：将秸秆粉倒入搅拌釜并开启搅拌，然后将废猪油加热至液化状态，倒入搅拌釜中，再依次向搅拌釜中加入聚醚、防霉剂，混合
均匀后使用造粒机制成直径0.5～2毫米的颗粒，即得。
11.本发明还提供一种使用上述的生物质燃料供能的水泥窑，采用外加热方式，包括窑身、驱动装置、燃烧器、喂料斗、烟室，所述燃烧器、窑身、烟室依次连通，所述驱动装置用于驱动所述窑身旋转。
12.优选的，所述燃烧器包括燃料仓、鼓风机、燃料喷管、燃烧室，所述鼓风机将燃料仓落入燃料喷管的生物质燃料吹入燃烧室，所述燃烧室内设有增氧装置，所述增氧装置包括氧气管路、压缩机、氧气喷管，所述氧气管路将外部氧气送入压缩机加压后，通过设置在所述燃料喷管内的氧气喷管喷出。
13.优选的，所述压缩机的出口管路上依次设有电控阀门、气体流量计，所述烟室内设有气体检测仪，所述气体检测仪用于分析窑尾烟气中的co、o2含量。
14.优选的，所述氧气喷管的出口方向与所述燃料喷管的出口方向交叉。
15.优选的，所述鼓风机的入口管道从所述烟室穿过。
16.优选的，所述鼓风机的入口管道在所述烟室内设有换热段，所述换热段由若干组成鸟笼形的铜管组成。
17.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：（1）本发明提出的生物质燃料使用秸秆粉作为主要原料，并加入了废猪油作为辅料，一方面利用了我国丰富的秸秆资源和废猪油资源，解决了秸秆、废猪油的处理难题，另一方面，利用猪油的高粘度，使造粒机制得的生物质燃料颗粒更加密实，解决了秸秆作为燃料使用时体积大、密度低的问题，利用猪油水溶性差的性质，起到隔水作用，可有效防止生物质燃料中的秸秆粉吸潮，有效防止制得的生物质燃料颗粒吸潮膨胀、发霉变质，且猪油的主要成分为脂肪酸，热值远远高于秸秆，可提高生物质燃料的能量密度，进而提高水泥窑燃烧室的热功率，克服了使用秸秆作为燃料时水泥窑温度过低、影响水泥质量的问题；（2）本发明提出的生物质燃料通过加入聚醚型表面活性剂，起到了促进生物质燃料燃烧的作用，空载运行时维持1200℃所需的进料量、进风量出现明显下降，烟气中的co排放量、氧气含量也出现显著下降；（3）本发明提出的生物质燃料通过加入壳聚糖等成分，有效阻止了生物质燃料在储存过程中发霉，便于生物质燃料的大批量生产和存储；（4）本发明提出的生物质燃料供能水泥窑，能够使用上述生物质燃料代替煤粉进行供能，并增加了增氧装置，能够确保生物质燃料充分燃烧，并可通过增氧装置与气体检测仪的连锁自动调节供氧量，使烟气中的co排放量、氧气含量均能达到环保节能的标准；（5）增氧装置的氧气喷管设置在燃料喷管内，且位于鼓风机和燃料仓的出口之间，一方面使氧气与鼓风机吹出的空气混合的路径尽可能延长，促进氧气与空气的混合，提高进入燃烧室的空气中氧气的分压，促进生物质燃料燃烧；另一方面，可避免氧气喷管受到生物质燃料的高速撞击，防止氧气喷管受损。
附图说明
18.图1为生物质燃料供能水泥窑的立体图。
19.图2为生物质燃料供能水泥窑的主视图。
20.图3为生物质燃料供能水泥窑的俯视图。
21.图4为图1中a处放大图。
22.图5为图1中b处放大图。
23.图6为图2中c处放大图。
24.图7为鼓风机入口管道换热段的立体图。
25.图8为实施例1～7窑尾烟气中co、o2含量平均值图表。
26.图中标记：1、窑身；2、驱动装置；3、燃烧器；4、喂料斗；5、烟室；6、增氧装置；301、燃料仓；302、鼓风机；303、燃料喷管；304、燃烧室；601、氧气管路；602、压缩机；603、氧气喷管；3021、换热段；6021、电控阀门；6022、气体流量计；6023、气体检测仪。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.实施例1生物质燃料的制备：取玉米秸秆，使用粉碎机制成直径不超过1mm的微粉，然后烘干至水分含量不超过0.5%，得秸秆粉。
29.取秸秆粉18000千克、废猪油2000千克，废猪油选用饱和脂肪酸含量不低于42%的废猪油，饱和脂肪酸含量过低会使废猪油在室温下液化，影响后续制粒的质量，先将秸秆粉全部倒入搅拌釜，设定搅拌釜加热温度为60℃，开启搅拌、加热，至搅拌釜内温达到60℃后，将废猪油加热至液化，以10l/s的速度注入搅拌釜，废猪油加注完成后继续搅拌30min，关闭搅拌釜，将与废猪油混合后的秸秆倒入制粒机，制成直径4mm的颗粒，制得生物质燃料。
30.实施例2取玉米秸秆，使用粉碎机制成直径不超过1mm的微粉，然后烘干至水分含量不超过0.5%，得秸秆粉。
31.取秸秆粉19000千克、饱和脂肪酸含量不低于42%的废猪油1000千克，先将秸秆粉全部倒入搅拌釜，设定搅拌釜加热温度为60℃，开启搅拌、加热，至搅拌釜内温达到60℃后，将废猪油加热至液化，以10l/s的速度注入搅拌釜，废猪油加注完成后继续搅拌30min，关闭搅拌釜，待与废猪油混合后的秸秆粉冷却至室温后，将其倒入制粒机，制成直径4mm的颗粒，制得生物质燃料。
32.实施例3取玉米秸秆，使用粉碎机制成直径不超过1mm的微粉，然后烘干至水分含量不超过0.5%，得秸秆粉。
33.取秸秆粉19600千克、饱和脂肪酸含量不低于42%的废猪油400千克，先将秸秆粉全部倒入搅拌釜，设定搅拌釜加热温度为60℃，开启搅拌、加热，至搅拌釜内温达到60℃后，将废猪油加热至液化，以10l/s的速度注入搅拌釜，废猪油加注完成后继续搅拌30min，关闭搅拌釜，待与废猪油混合后的秸秆粉冷却至室温后，将其倒入制粒机，制成直径2mm的颗粒，制得生物质燃料。
34.实施例4
检测数据显示，相对其它实施例，实施例1及实施例4的密度最大；实施例5的堆积密度最大，最节约燃料仓空间；实施例1的热值最高，同时实施例4的热值与实施例1较接近；综合来看，实施例4制得的生物质燃料能量密度最高，达到3214
×
10
3 kcal/m3，其次为实施例1，制得的生物质燃料的热值与废猪油的加入量呈正相关，说明加入废猪油可提高制得的生物质燃料的热值。
43.实施例9由于现有的水泥窑主要使用煤粉作为燃料，而煤粉的颗粒很细，容易与风机吹出的气流混合以实现充分燃烧，而制得的生物质燃料颗粒较大，且比较密实，燃烧过程比煤粉长，因此需要针对性地对水泥窑进行改造。
44.如图1～7所示，本实施例提出一种生物质燃料供能水泥窑，采用外加热方式，该水泥窑包括窑身1、驱动装置2、燃烧器3、喂料斗4、烟室5，燃烧器3、窑身1、烟室5依次连通，驱动装置2用于驱动窑身1旋转，窑身1由2个同轴的圆筒组成，其轴线与水平面的夹角为5
°
，其中内筒用于通过水泥生料，外筒用于通过燃烧器3排出的尾气，通过内筒、外筒之间通过的尾气对内筒进行加热，燃烧器3位于窑身1较低的一端，喂料斗4位于窑身1较高的一端，并与窑身1的内筒连通，用于投入水泥生料。
45.燃烧器3包括燃料仓301、鼓风机302、燃料喷管303、燃烧室304，鼓风机302将燃料仓301落入燃料喷管303的生物质燃料吹入燃烧室304，在燃烧室304内被引燃，燃烧室304内设有增氧装置6，用于提高燃烧室304的氧气含量，以促进生物质燃料的燃烧，增氧装置6包括氧气管路601、压缩机602、氧气喷管603，氧气喷管603的出口设置在燃料喷管303内，并位于鼓风机302、燃料仓301的出口之间，以避免生物质燃料颗粒对氧气喷管603产生冲击，氧气喷管603、燃料喷管303的轴线重合，且氧气喷管603的出口方向与燃料喷管303的出口方向交叉，夹角介于15
°
～90
°
，氧气管路601将外部氧气送入压缩机602加压后，通过设置在燃料喷管303内的氧气喷管603喷出，使氧气与燃料喷管303喷出的生物质燃料颗粒充分混合。
46.压缩机602的出口管路上依次设有电控阀门6021、气体流量计6022，烟室5内设有气体检测仪6023，气体检测仪6023用于分析窑尾烟气中的co、o2含量。
47.鼓风机302的入口管道从烟室5穿过，且鼓风机302的入口管道在烟室5内设有换热段3021，换热段3021由若干组成鸟笼形的铜管组成，能够与烟室5内的烟气充分接触，吸收烟气中的部分热量，对进入燃烧室304的空气起到预热作用；此外，喂料斗4的底部与烟室5相连，利用烟气对喂料斗4内的水泥生料进行预热，减少烟气的热量损失。
48.除此之外，还包括中控台，安装有dcs控制系统，便于对水泥窑的燃料进料量、生料投料量、鼓风机302进风量、增氧装置6供氧量等运行参数进行监控及调整，并通过增氧装置6与气体检测仪6023的连锁自动控制供氧量。
49.设备选型：鼓风机302，选用tr110系列磁悬浮风机，流量40～100m3，压力20～80kpa；压缩机602，选用gbs-p20氧气增压机，驱动气压力3～8bar，试验压力20mpa；电控阀门6021，选用yk43f高压气体减压阀；气体流量计6022：选用flqw系列气体涡轮流量计，耐压等级4.0mpa，流量范围200-4000m3/h；气体检测仪6023：选用niton-fxl型气体分析仪，主要对烟气中的co、o2进行分析，
此外还能对no、no2、so2、so3含量进行分析。
50.实施例10使用实施例9的设备进行生物质燃料进行燃烧试验，使用实施例1～7制得的生物质燃料供能，喂料斗4不进料，通过燃料仓301的计量装置调整生物质燃料进料速度，并调节鼓风机302进风量、电控阀门6021的氧气流量，将窑身1的内筒中段温度加热至1200℃以上并保持24h，在排除水泥生料吸热干扰的情况下，统计升温至1200℃后保持温度所需燃料进料量、进风量、进氧量的平均值以及温度波动范围，如下：
实施例1234567燃料进料量/(kg/h)460.0485.9491.4444.2441.2455.5422.3进风量/(m3/h)2309229222262213214821311963进氧量/(m3/h)1151097889645641温度波动/℃ 18，-22 26，-12 14，-11 13，-7 15，-11 12，-8 9，-6
通过燃烧试验发现，使用实施例1～7的生物质燃料时，实施例9的生物质燃料供能水泥窑均能稳定升温至1200℃以上，达到水泥生产的温度要求；此外，将内筒中段温度维持1200℃时，实施例1所需的进风量、进氧量最高，而实施例7所需的进风量、进氧量最低；实施例7到达1200℃后的温度波动幅度最小，实施例1和实施例2最大。
51.分析可知，将内筒中段温度维持1200℃时所需的进风量、进氧量和生物质燃料中的猪油含量呈正相关；到达1200℃后的温度波动幅度随生物质燃料的颗粒直径降低而减小，呈正相关。
52.在燃烧试验过程中还对烟室5排出的烟气成分进行了在线分析，统计了实施例1～7保持1200℃时的烟气中co排放量、o2含量，并求平均值，如附图8所示。
53.由附图8可知，实施例1～7的烟气中co排放量呈下降趋势，和生物质燃料的颗粒直径相关性较大，实施例1、2的烟气中co排放量超过80mg/nm3的排放标准，因此，生物质燃料的颗粒直径不宜超过2mm。
54.实施例11对比实施例6和实施例7，在主要成分的比例未出现明显变化的前提下，实施例7所需燃料进料量、进风量、进氧量显著降低，分别比实施例6低7.88%、26.8%，温度波动也有所减小；此外，实施例7的烟气中co排放量、o2含量也出现了显著降低；显然，这不是偶然因素造成的，故设计了如下试验进行分析：取玉米秸秆，使用粉碎机制成直径不超过0.5mm的微粉，再使用研磨机研磨至直径不超过0.1mm，然后烘干至水分含量不超过0.5%，得秸秆粉。
55.取秸秆粉19000千克、饱和脂肪酸含量不低于42%的废猪油640千克、壳聚糖粉末360千克，所用的废猪油不含水，未发生乳化，先将秸秆粉、壳聚糖粉末全部倒入搅拌釜，设定搅拌釜加热温度为60℃，开启搅拌、加热，至搅拌釜内温达到60℃后，将废猪油加热至液化，以10l/s的速度注入搅拌釜，废猪油加注完成后加入聚醚破乳剂2千克并继续搅拌30min，关闭搅拌釜，将与废猪油混合后的秸秆倒入制粒机，制成直径0.5mm的颗粒，制得生物质燃料。
56.使用该生物质燃料，按实施例10中的方法再次进行燃烧试验，并统计升温至1200℃后保持温度所需燃料进料量、进风量、进氧量的平均值以及温度波动范围，得燃料进料
量、进风量、进氧量的平均值分别为415kg/h、1944m3/h、38m3/h，略低于实施例7。
57.所使用的聚醚破乳剂分子式为d(po)x(eo)y(po)zh，其中d为多乙烯多胺，po为聚氧丙烯，eo为聚氧乙烯，分子量2000～4000。
58.实施例12根据实施例11的结果，又挑选了多种相近类型的破乳剂代替多乙烯多胺聚醚，按实施例7的配比，制备了多种不同的生物质燃料a～c，按实施例10中的方法再次进行燃烧试验，并统计升温至1200℃后保持温度所需燃料进料量、进风量、进氧量的平均值以及温度波动范围，见下表：
生物质燃料abc破乳剂种类sp型ar型ae型分子式r(po)x(eo)y(po)zh，r为脂肪醇ar(po)x(eo)yh，ar为树脂d(po)x(eo)yh，d为多乙烯多胺分子量2000～40002000～40002000～4000燃料进料量/(kg/h)417.0425.9411.4进风量/(m3/h)194320071916进氧量/(m3/h)374435温度波动/℃ 8，-9 11，-12 7，-6烟气co排放量/(mg/nm3)171814烟气中氧气含量/%4.35.14.9
与实施例6的数据相比，显然，其它多个类型的聚醚破乳剂也具有和多乙烯多胺聚醚类似的效果。
59.实施例13聚醚破乳剂添加量的选择：按照实施例7中秸秆粉、废猪油、壳聚糖的比例，使用多乙烯多胺聚醚分别制得聚醚破乳剂含量为0.005%、0.02%、0.05%、0.1%的生物质燃料，按实施例10中的方法再次进行燃烧试验，并统计升温至1200℃后保持温度所需燃料进料量、进风量、进氧量的平均值以及温度波动范围，见下表：聚醚破乳剂含量0.005%0.02%0.05%0.1%燃料进料量/(kg/h)427.1415.9413.2429.8进风量/(m3/h)2017192218792087进氧量/(m3/h)47363353温度波动/℃ 10，-8 7，-6 6，-7 9，-8如上表，聚醚破乳剂的添加量由0.05%增加到0.1%时效果变差，添加量在0.02%～0.05%时效果较佳。
60.实施例14生物质燃料的防腐处理：秸秆粉、废猪油均含有大量有机物，储存时需要避免发霉，将实施例1～7制得的生物质燃料在湿度60%、温度25
±
2℃的仓库中储存90天，每10天取样一次观察是否发霉、颗粒是否粉碎、变软，见下表：实施例1234567颗粒发霉是是是否否否否不发霉天数50708090909090
颗粒粉碎否否否否否否否颗粒变软是是否否否否否如上表，实施例4～7制得的生物质燃料均未出现发霉、变软情况，加入壳聚糖能够有效阻止生物质燃料发霉变质、变软。
61.实施例14防霉剂添加量的选择：按照实施例4～7的方法，保持废猪油的含量不变，调整秸秆粉的用量，分别制备壳聚糖含量为0.1%、0.3%、0.8%、2%的生物质燃料，按实施例13的方法进行储存试验，试验结果如下：防霉剂含量0.1%0.3%0.8%2%颗粒发霉是否否否不发霉天数80909090颗粒粉碎否否否否颗粒变软否否否否如上表，壳聚糖添加量为0.3%及以上较为合适，可防止生物质燃料在短期内发霉变质。
62.防霉剂种类选择：经试验，除壳聚糖外，使用桂皮油、罗汉柏油等防霉剂可起到等效的防霉作用，添加量为0.3%时均可保持90天不发霉，可合理推测将壳聚糖、桂皮油、罗汉柏油进行混合使用时也具有相近的防霉效果。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。