一种生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法与流程

1.本发明涉及生物质颗粒内燃领域，具体涉及一种生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法。


背景技术：

2.国内外工业回转窑生产常用传统能源有天然气、煤气、原油、煤块、焦炭等。除天然气以外的传统能源燃烧后产生大量的一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、硫氧化物(so2等)、氮氧化物(no、no2等)、炭黑、烟尘等大量污染物，环保和温室气体排放问题日益突出；天然气作为清洁能源，热值高，充分燃烧后污染物极少，但是大部分地区天然气价格高昂，使用成本居高不下，已经成为很多回转窑生产难以为继的首要因素。
3.生物质颗粒的原料是吸收大气co2再生的植物新能源，相对使用价格不断上涨、燃烧后产生大量污染物的传统能源，其使用成本低廉且可保持长期稳定，是可再生的环保新能源；其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素(主要是c、h、o三种元素)，燃烧后主要产生二氧化碳，残留的少量灰分对煅烧产品质量无影响的直接使用，对质量有影响的还可直接回收利用作为钾肥等，属于物美价廉的环保新燃料。
4.利用生物质加工的颗粒燃烧热值较高，一般达到3600～4800千卡/千克，可满足大部分工业回转窑对煅烧产品热量的需求。同时，生物质颗粒燃烧后产生的灰分极少，对大多数煅烧产品的质量不会造成影响，因此生物质颗粒完全可以在生产过程中均匀添加到入窑原料内混合入窑，利用内燃方式提供煅烧所需热量。低廉且长期稳定的使用价格使其完美达到部分替代或全部替代高成本传统能源的目的。
5.生物质颗粒燃料属于可再生的、具有高热值的、环保的植物资源，燃烧产生的烟气成分主要是少量的可被植物吸收的co2，作为工业燃料具有可持续发展的现实意义。因此，生物质颗粒燃料相对于煤、原油、天然气等传统能源，在减少温室气体排放、“碳中和”、降低燃料成本等应用中具有重要的意义和推广价值。
6.现有技术“生物质成型燃料在回转窑内燃烧的数值模拟”(武汉理工大学硕士学位论文)公开了生物质成型燃料在回转窑内燃烧的数值模拟技术，但此技术只针对生物质成型燃料在回转窑内燃烧替代煤粉的数值模拟，替代燃料种类单一，燃烧方式是“外燃”(通过燃烧器形成高温气流给回转窑内物料加热)，所有数据是理论值。
7.为了解决上述问题，本发明可替代能源种类的范围广(回转窑用原油、煤、天然气等皆可替代)，替代方式是补充热量(部分替代或全部替代皆可)；采用内燃方法供热(保留原有燃烧系统，解决了现有窑炉必须通过专用燃烧器才能提供热量的问题，燃料利用率更高)，不用更改设备，使用方法简单，推广方便、成本低；实用性强，本发明的方法已经在实际生产中应用并产生经济和环保效益。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法。
9.本发明所述的一种生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法具体步骤为：1)工艺设计；2)生产设计；3)分类；4)烘干；5)筛分；6)均化。
10.前述所述工艺设计具体步骤为：
11.1)能源替代量计算公式：n替代量＝q在用能源/q生物质颗粒
12.式中“q在用能源”为被替代能源低位发热量；“q生物质颗粒”为生物质颗粒燃料低位发热量；“n替代量”为相同维度计量单位下的比值；
13.2)在用能源和生物质颗粒在回转窑中共同燃烧需要的氧气量、产生的烟气量需要根据实际使用数量分开计算后做算数加法，混合燃料需要的氧气量、产生的烟气量是根据在用能源和加入的生物质颗粒实际使用量分别完全燃烧时需要的氧气量、产生的烟气量之和，如燃料有不完全燃烧和设备压力泄漏情况，根据生产实际可取1.2～1.5倍的修正系数；
14.3)生物质颗粒完全燃烧后会产生少量灰分，其灰分是否对产品质量造成影响需要进行实验室验证。
15.前述所述生产设计具体步骤为：
16.1)在不改变工厂回转窑现场煅烧装备配置的前提下，根据回转窑在用能源所配置的风量及产生的烟气量，以及回转窑正常生产时最大现场调减在用能源量，计算出所用生物质颗粒完全燃烧后所需的风量及产生的烟气量，确定生物质颗粒的最大替代量；
17.2)生物质颗粒从窑尾与入窑物料同比均匀添加混合入窑内燃煅烧，生物质颗粒入窑煅烧产生高温后，窑头燃烧器根据窑内温度实时参照上述设定值调减在用能源量；
18.3)由于生物质颗粒的热值有限(常用3600～4800千卡/千克)，因此一般对于煅烧温度低于1150℃的回转窑，用生物质颗粒完全替代传统能源内燃煅烧；对于煅烧温度高于1150℃的回转窑，用生物质颗粒部分替代传统能源；
19.4)生物质颗粒由于单位热值比高热值传统能源低，要达到回转窑要求的煅烧温度(常见回转窑要求达到1300℃～1500℃)，生物质颗粒燃料的加入量会比高热值传统能源供给量大，也因此会产生比传统能源大的烟气量和需要较大的空气使用量；因此回转窑操作过程中可以根据实际情况增加窑尾排烟量及增大二次风量或辅助添加氧气，确保生物质颗粒在回转窑内完全燃烧；
20.5)生物质颗粒与入窑原料混合入窑内燃煅烧后会产生少量灰分，因此上述内燃方法只适用于对煅烧产品质量没有影响的回转窑(本发明人对木质颗粒燃烧后的灰分进行了陶粒原料添加试验，试验结果证明没有影响)。
21.前述所述分类具体方法为：将生物质颗粒原料按木质类、竹屑类、秸秆草类分类，需要根据工艺设计要求选择相应的生物质颗粒，满足热值、着火点、灰分、颗粒强度等指标要求；具体的根据煅烧产品选择生物质颗粒种类，其热值必须满足生产需要的高温；待烧产品有的需要“高温快烧”，有的需要“低温满烧”等不同煅烧环境，使用不同着火点的生物质颗粒会影响窑内高温点和高温带距离；不同品种的生物质颗粒产生的不同数量的灰分对不同的产品有不同的影响，需要验证选定的生物质颗粒产生的灰分对待烧物料是否产生影响，产生影响后怎样处理等。
22.前述烘干具体为：将生物质颗粒燃料烘干水分降低至3％以下。
23.前述筛分具体为：在料仓前加一把圆筒筛用于筛分出完整颗粒和破碎的细小颗粒。
24.前述均化具体为：将处理好的生物质颗粒、待煅烧物料和设计所需的助燃物或阻燃物均化后形成混合料，备烧。
25.优选的，所述烘干方法具体为：采购的生物质颗粒用密封皮带运输机输送进仓，将窑尾200℃以上的热风引入密闭皮带运输机用于烘干，窑尾热风温度不够时可以同时引入窑头余热。
26.优选的，所述生物质颗粒其完整颗粒常规尺寸：直径5
㎜
～20
㎜
，长度20
㎜
～50
㎜
。
27.优选的，所述均化方法为：根据热值计算确定生物质颗粒使用量、确定待煅烧物料下料量、选择助燃物或阻燃物及比例(根据待煅烧产品需要，通过添加白磷、木材等助燃物以助燃，用待煅烧物细料部分包裹等以阻燃)，确定比重后通过电子计量皮带秤搭配共同入仓达到均化目的；选择不同燃点、不同粒径范围生物质颗粒，调整风机以控制窑尾氧气含量方式可以调节入窑可燃物起燃点，从而控制窑内高温点和高温煅烧时间。
28.前述方法在其它窑炉设备上同样适用。
29.有益效果：
30.1.现有技术“生物质成型燃料在回转窑内燃烧的数值模拟”(武汉理工大学硕士学位论文)公开了生物质成型燃料在回转窑内燃烧的数值模拟技术，但此技术只针对生物质成型燃料在回转窑内燃烧替代煤粉的数值模拟，替代燃料种类单一，燃烧方式是“外燃”(通过燃烧器形成高温气流给回转窑内物料加热)，所有数据是理论值。
31.本发明解决了上述问题，本发明可替代能源种类的范围广(回转窑用原油、煤、天然气等皆可替代)，替代方式是补充热量(部分替代或全部替代皆可)；采用内燃方法供热(保留原有燃烧系统，解决了现有窑炉必须通过专用燃烧器才能提供热量的问题，燃料利用率更高)，不用更改设备，使用方法简单，推广方便、成本低；实用性强，本发明的方法已经在实际生产中应用并产生经济和环保效益。
32.2.本发明专利涉及用生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法，根据燃料的热值、燃烧所需的氧气量、燃烧产生的烟气量等计算，用生物质颗粒燃料部分替代或全部替代回转窑用天然气、煤等传统能源。生物质燃料属于吸收大气co2可再生的植物资源，价格低廉且可保持长期相对稳定，其燃烧产生的烟气成分主要是co2，经过光合作用被植物所吸收。而天然气、煤等传统能源属于不可再生的有限资源，并且除天然气以外的大部分能源(如煤、原油等)燃烧产生的烟气含有大量有害成分(如二氧化硫)污染空气；同时随着有限资源的逐步减少，其使用成本还在逐年增加。因此，该方法在降低燃料成本、节能减排方面对工业用能源是一次巨大的优化。
33.3.生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法在工厂推广中使用十分方便，同时生物质颗粒是吸收大气co2再生的环保新能源，完美实现“碳循环”，相对天然气、焦炭等使用成本低且长期稳定，相对煤气、原油、煤块、焦炭等使用更环保，具有可持续发展的前景，可以在节能减排、调整工业能源结构方面取得进一步发展。
具体实施方式
34.下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步地具体说明。
35.实施例1生物质颗粒在回转窑上利用内燃方式替代传统能源的方法
36.1.工艺设计：
37.(1)能源替代量计算公式：n替代量＝q在用能源/q生物质颗粒
38.式中“q在用能源”为被替代能源低位发热量；“q生物质颗粒”为生物质颗粒燃料低位发热量；“n替代量”为相同维度计量单位下的比值。
39.(2)在用能源和生物质颗粒在回转窑中共同燃烧需要的氧气量、产生的烟气量需要根据实际使用数量分开计算后做算数加法(混合燃料需要的氧气量、产生的烟气量是根据在用能源和加入的生物质颗粒实际使用量分别完全燃烧时需要的氧气量、产生的烟气量之和，考虑燃料有不完全燃烧和设备压力泄漏等情况，根据生产实际可取1.2～1.5倍的修正系数)，是回转窑助燃风机、排烟风机参数调整的理论依据。
40.(3)生物质颗粒完全燃烧后会产生少量灰分，其灰分是否对产品质量造成影响需要进行实验室验证。
41.2.生产设计：
42.要实现生物质颗粒用内燃方式替代回转窑传统能源，需要对现场回转窑使用的能源种类、生产的产品种类和配套设备仔细考察评估来设定替代使用条件、使用方法和使用数量。
43.(1)在不改变工厂回转窑现场煅烧装备配置的前提下，根据回转窑在用能源所配置的风量及产生的烟气量，以及回转窑正常生产时最大现场调减在用能源量，计算出所用生物质颗粒完全燃烧后所需的风量及产生的烟气量，确定生物质颗粒的最大替代量。
44.(2)生物质颗粒从窑尾与入窑物料同比均匀添加混合入窑内燃煅烧，生物质颗粒入窑煅烧产生高温后，窑头燃烧器根据窑内温度实时参照上述设定值调减在用能源量。
45.(3)由于生物质颗粒的热值有限(常用3600～4800千卡/千克)，因此一般对于煅烧温度低于1150℃的回转窑，可以用生物质颗粒完全替代传统能源内燃煅烧；但是对于煅烧温度高于1150℃的回转窑，只能用生物质颗粒部分替代传统能源。
46.(4)生物质颗粒由于单位热值比高热值传统能源低，要达到回转窑要求的煅烧温度(常见回转窑要求达到1300℃～1500℃)，生物质颗粒燃料的加入量会比高热值传统能源供给量大，也因此会产生比传统能源大的烟气量和需要较大的空气使用量。因此回转窑操作过程中将会根据实际情况适当增加窑尾排烟量及增大二次风量(或辅助添加氧气)，确保生物质颗粒在回转窑内完全燃烧。
47.(5)生物质颗粒与入窑原料混合入窑内燃煅烧后会产生少量灰分，因此上述内燃方法只适用于对煅烧产品质量没有影响的回转窑(本发明人对木质颗粒燃烧后的灰分进行了陶粒原料添加试验，试验结果证明没有影响)。
48.3.分类：生物质颗粒原料成分较多，常见的有木质类、竹屑类、秸秆草类等，需要根据工艺设计要求选择合适的生物质颗粒，满足热值、着火点、灰分、颗粒强度等指标要求。
49.4.烘干：市场上一般的生物质颗粒燃料水分在6％-12％左右，烘干后要求水分降低至3％以下。烘干的目的是节约原燃料，避免用过多窑内热量烘干入窑高水分生物质颗粒，同时可尽量保持窑内热工平衡。烘干方法：利用回转窑窑尾(窑头)余热烘干，采购的生
物质颗粒用密封皮带运输机输送进仓，将窑尾200℃以上的热风引入密闭皮带运输机用于烘干(窑尾热风温度不够时可以同时引入窑头余热)。
50.5.筛分：根据工艺设计，选择需要的生物质颗粒粒径范围，以此提高燃烧效率。筛分方法：直接采购的生物质颗粒(完整颗粒常规尺寸：直径5
㎜
～20
㎜
，长度20
㎜
～50
㎜
)会有部分破碎颗粒，经过烘干工序又会有部分颗粒损坏，在料仓前加一把圆筒筛用于筛分出完整颗粒和破碎的细小颗粒，根据工艺要求选择所需生物质颗粒粒径范围(粒径范围选择方法：希望延缓生物质颗粒着火速度选择完整颗粒的，反之选择破碎细小颗粒的生物质颗粒，也可以根据设计比例搭配使用)。
51.6.均化：将处理好的生物质颗粒、待煅烧物料和设计所需的助燃物或阻燃物均化后形成混合料，备烧。均化方法：根据热值计算确定生物质颗粒使用量、确定待煅烧物料下料量、选择助燃物或阻燃物及比例(根据待煅烧产品需要，通过添加白磷、木材等助燃物以助燃，用待煅烧物细料部分包裹等以阻燃)，确定比重后通过电子计量皮带秤搭配共同入仓达到均化目的。选择不同燃点、不同粒径范围生物质颗粒，调整风机以控制窑尾氧气含量等方式可以调节入窑可燃物起燃点，从而控制窑内高温点和高温煅烧时间。
52.为了进一步验证本发明的有效性与可行性，发明人进行了一系列的实验，具体如下：
53.针对以天然气为燃料生产陶粒支撑剂的“φ2.8
×
36米”回转窑，设计出一套完整的生物质颗粒替代传统能源的方法，附表说明。
[0054]“φ2.8
×
36米”陶粒用回转窑生产参数
[0055][0056]
利用生物质颗粒和陶粒半成品在窑尾混合均匀后入窑，回转窑翻滚过程中窑内物料逐渐向窑头移动，天然气通过窑头燃烧嘴燃烧后形成火焰喷入回转窑，生物质颗粒在窑内高温处达到着火点后开始燃烧并提供热量。生物质颗粒燃烧产生的热量替代部分天然气产生的热量，具体替代量根据所用生物质颗粒和天然气热值计算。
[0057]“φ2.8
×
36米”陶粒用回转窑生物质颗粒替代天然气生产参数
[0058][0059]
由于环保政策，现在国内回转窑生产陶粒支撑剂几乎只能使用天然气作为燃料，但是国内大部分地区天然气价格高昂，而且时常面临“用气限制”等问题。面对天然气成本几乎占到陶粒支撑剂总生产成本50％以上的问题，将同样环保型的高热值燃料生物质颗粒应用在陶粒支撑剂的生产中，会极大降低工业企业生产成本。
[0060]
生产陶粒支撑剂生物质颗粒替代天然气成本优势对比
[0061][0062]
生产lwp40/70陶粒支撑剂用“φ2.8
×
36米”回转窑添加生物质颗粒替代部分高成本天然气的方法具体实验例。
[0063]
1.搭配比例计算：
[0064]
(1)生物质颗粒替代天然气数量计算：n替代量＝q天然气/q生物质颗粒；
[0065]
已知式中“q天然气”低位发热量取8200千卡/立方米，“q生物质颗粒”低位发热量取4100千卡/千克；计算得“n替代量”＝2千克/立方米，代表2千克生物质颗粒可替代1立方米天然气。考虑到生物质颗粒在陶粒半成品混料和在回转窑窑尾收尘中会损失一部分，损失量取总加入量的10％，得“n替代量”修正值取2.25千克/立方米，表示每立方米天然气需要2.25千克生物质颗粒替代。
[0066]
(2)混合燃料所需空气量、产生烟气量计算：
[0067]
天然气主要燃烧反应：ch4 2o2＝co2 2h2o
[0068]
生物质颗粒主要燃烧反应：(c6h
10
o5)n 6no2＝6nco2 5nh2o
[0069]
生产每吨lwp40/70产品设定燃气量调减35立方米天然气，用生物质颗粒替代部分天然气后，生产每吨lwp40/70产品从需要110立方米天然气到需要75立方米天然气加78.75千克生物质颗粒。
[0070]
已知所用天然气主要成分是甲烷(ch4)，计算中设定甲烷完全燃烧，每立方米ch4完全燃烧需要2立方米氧气，空气中氧气含量为21％，可计算得每立方米纯天然气完全燃烧需要10立方米左右空气量，产生的烟气量取14立方米；所用生物质颗粒每千克完全燃烧需要5
立方米左右空气量，产生的烟气量取7立方米。
[0071]
实例中lwp40/70陶粒支撑剂台时产量为6.25吨/小时，每小时需要687.5立方米天然气，完全燃烧需要6875立方米空气量，产生9625立方米烟气量；用生物质颗粒替代后每小时需要468.75立方米天然气加492.20千克生物质颗粒，完全燃烧需要7148.5立方米空气量，产生11484.5立方米烟气量。
[0072]
综上所述，加入生物质颗粒后同等生产情况下混合燃料比天然气需要更多的空气量，产生更多的烟气量，这就需要在实际生产时调整窑头助燃风量和窑尾排烟风量，也是回转窑关联设备选型的重要理论依据之一。
[0073]
2.进料方式：窑尾建仓(可储存15吨生物质颗粒)，仓底利用电子计量皮带秤输送，圆筒筛筛出的陶粒半成品由另一电子计量皮带秤输送，生物质颗粒和陶粒半成品按照设计比例搭配混合后进入窑尾半成品料仓备用。
[0074]
3.回转窑参数调整：加入生物质颗粒后生产时根据上诉计算结果结合实际情况调整助燃风量、窑尾排烟风量、窑速、入窑混合料量等参数，尽量保证回转窑内热工平衡。
[0075]
4.陶粒成品指标验证与控制：加入生物质颗粒前取陶粒成品做多组全指标检测，加入生物质颗粒正常生产后取陶粒成品做多组全指标检测。进行指标对比，判断生物质颗粒的加入对陶粒产品指标是否有影响，有何影响，出现质量问题及时分析与调整(实际生产证明生物质颗粒替代部分天然气生产陶粒支撑剂对其性能指标没有任何影响)。
[0076]
混合燃料生产lwp40/70陶粒支撑剂配料方案
[0077][0078]
混合燃料生产lwp40/70陶粒支撑剂指标对比
[0079][0080]
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及实验例，对本发明作了详尽的描
述，但在本发明基础上，可以对之作出一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。