CN104212511B - 燃料棒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料棒及其制备方法，该方法包括：将兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土进行第一混合处理，以便得到第一混合物料；将第一混合物料与粘结剂进行第二混合处理，以便得到第二混合物料；采用环模式成型机对第二混合物料进行成型处理，以便得到成型物料；以及将成型物料进行干燥处理，以便得到燃料棒。采用该方法得到的燃料棒挥发分低、含硫量低、发热量高、价格便宜，可以替代无烟煤用于远郊村民或全国农村地区冬季取暖做饭，进而明显减少雾霾，从而有效改善空气质量。
Description
技术领域
本发明属于清洁燃料领域，具体而言，本发明涉及一种燃料棒及其制备方法。
背景技术
兰炭是煤干馏的产物之一，具有挥发分低、固定碳高、发热量高等优点。兰炭目前处于供大于求的状态，产品价格下滑，企业产能释放率低，经营效益低下，发展陷入低迷。随着今后兰炭块干馏向面煤干馏的转移，兰炭末产量也会大幅增加，再加上其他地区的兰炭末，都将为洁净型煤的生产提供充足的原料。然而兰炭的成型难度较大，这是因为兰炭的弹性很大，塑性很小。文献表明当Cdaf大于90％时，随着煤化程度的提高，弹性模量急剧增加，同时显出各向异性。而兰炭的Cdaf很高，大都在90％以上，从而增加了成型的难度。塑性与弹性相反，塑性越大越容易成型。
目前，已经公开的固体新型清洁燃料主要以煤粉(烟煤或者无烟煤)、生物质(生物秸秆)、或者是两者的混合物为基料，配入粘结剂、固硫剂、助燃剂等添加剂，然后进行加工成型。以兰炭末为基料的固体清洁燃料较少，因为兰炭末的弹性大，塑性小，成型难度大。
专利“CN 103436314 A”公开了“一种利用半焦制备香碳的方法”，该方法以半焦粉末和焦炭粉末两者混合物为基料，其中兰炭末粉末占70～80％，焦炭粉末20～30％，并且半焦的固定碳含量不低于60％，挥发分含量为15±1％，焦炭中固定碳含量大于80％，把兰炭末破碎至3mm以下，焦炭粉碎至1mm以下，然后加入粘结剂加工成型。然而由于焦炭粉末价格较贵，粘结剂为自制粘结剂，成本较高，使其成果转化率低，推广的难度大。
因此，以兰炭为原料的清洁燃料有待进一步研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料棒及其制备方法，采用该方法得到的燃料棒挥发分低、含硫量低、发热量高、价格便宜，可以替代无烟煤用于远郊村民或全国农村地区冬季取暖做饭，进而明显减少雾霾，从而有效改善空气质量。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备燃料棒的方法，包括：
将兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土进行第一混合处理，以便得到第一混合物料；
将所述第一混合物料与粘结剂进行第二混合处理，以便得到第二混合物料；
采用环模式成型机对所述第二混合物料进行成型处理，以便得到成型物料；以及
将所述成型物料进行干燥处理，以便得到所述燃料棒。
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法通过向兰炭中添加生物质粉末和膨润土可以显著改善兰炭末的成型性，使得这种来源丰富且价格低廉的兰炭可以应用到制备燃料领域中。同时由于兰炭具有挥发分低、固定碳高的优点，并通过添加固硫剂，可以进一步降低以兰炭末为原料制备得到的燃料棒在燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物等污染气体的排放量，从而显著减少雾霾，有效改善空气质量，另外，采用环模式成型机进行成型处理，可以显著提高成型物料的抗压强度和跌落强度，并且产量也明显提高，且能耗降低；并且以兰炭为原料制备得到的燃料棒的发热量可以达到26MJ/kg以上，明显高于以半焦和焦炭等为原料制备得到的燃料。其次，本发明上述实施例的制备燃料棒的方法成本低，工艺简单，易于推广。因此，采用本发明上述实施例的方法制备得到的燃料棒能够满足现今对环保清洁燃料的迫切需求，从根本上为治理雾霾提供可靠性帮助。
另外，根据本发明上述实施例的制备燃料棒的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述兰炭末的干燥无灰基挥发分含量不高于8wt％，全硫含量不高于0.4wt％，发热量不低于5000大卡/千克。由此，可以有效提高燃料棒的环保性能。
在本发明的一些实施例中，将所述兰炭末与所述生物质粉末、所述助燃剂、所述固硫剂和所述膨润土按照质量比为1:0.01～0.05：0.005～0.01:0.02～0.06:0.01～0.03进行所述第一混合处理。由此，可以明显改善兰炭的成型性。
在本发明的一些实施例中，所述兰炭末的粒径不高于3毫米，所述生物质粉末的粒径不高于2毫米，所述膨润土粒径不低于75微米。由此，可以进一步改善兰炭的成型性。
在本发明的一些实施例中，所述生物质粉末为锯末或秸秆粉末，所述助燃剂为含有氧化铁、氯化钠和高锰酸钾的混合物，其中，所述氧化铁、所述氯化钠和所述高锰酸钾的质量比为2:2:1，所述固硫剂为熟石灰或生石灰。由此，可以进一步改善兰炭的成型性且减少二氧化硫和氮氧化物的排放量。
在本发明的一些实施例中，将所述第一混合物料与所述粘结剂按照质量比为1.045～1.15：0.05～0.1进行所述第二混合处理。由此，可以进一步改善兰炭的成型性。
在本发明的一些实施例中，所述粘结剂为腐殖酸类粘结剂。由此，可以进一步改善兰炭的成型性。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种燃料棒。根据本发明的实施例，该燃料棒由上述方法制备得到。由此，该燃料棒挥发分低、含硫量低、发热量高、价格便宜，可以替代无烟煤用于远郊村民或全国农村地区冬季取暖做饭，进而明显减少雾霾，从而有效改善空气质量。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的制备燃料棒的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备燃料棒的方法，该包括：
将兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土进行第一混合处理，以便得到第一混合物料；
将第一混合物料与粘结剂进行第二混合处理，以便得到第二混合物料；
采用环模式成型机对所述第二混合物料进行成型处理，以便得到成型物料；以及
将成型物料进行干燥处理，以便得到燃料棒。
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法通过向兰炭中添加生物质粉末和膨润土可以显著改善兰炭末的成型性，使得这种来源丰富且价格低廉的兰炭可以应用到制备燃料领域中。同时由于兰炭具有挥发分低、固定碳高的优点，并通过添加固硫剂，可以进一步降低以兰炭末为原料制备得到的燃料棒在燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物等污染气体的排放量，从而显著减少雾霾，有效改善空气质量，另外，采用环模式成型机进行成型处理，可以显著提高成型物料的抗压强度和跌落强度，并且产量也明显提高，且能耗降低；并且以兰炭为原料制备得到的燃料棒的发热量可以达到26MJ/kg以上，明显高于以半焦和焦炭等为原料制备得到的燃料。其次，本发明上述实施例的制备燃料棒的方法成本低，工艺简单，易于推广。因此，采用本发明上述实施例的方法制备得到的燃料棒能够满足现今对环保清洁燃料的迫切需求，从根本上为治理雾霾提供可靠性帮助。
下面参考图1对本发明实施例的制备燃料棒的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：第一混合处理
根据本发明的实施例，将兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土进行第一混合处理，从而可以得到第一混合物料。发明人发现，采用生物质粉末和膨润土作为成型剂可以明显改善兰炭末成型性，并且该成型剂来源丰富且价格低廉，从而可以进一步降低燃料棒生产成本。
根据本发明的实施例，兰炭末的干燥无灰基挥发分含量不高于8wt％，全硫含量不高于0.4wt％，发热量不低于5000大卡/千克。发明人发现，兰炭具有挥发分低、固定碳高、发热量高和价格低廉等优点，由此采用兰炭较无烟煤或焦炭相比可以明显降低原料成本，并减少污染气体的排放，从而有效改善空气质量，另外所得到的燃料棒发热量可以达到26MJ/kg。
根据本发明的实施例，兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土混合比例并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土可以按照质量比为1:0.01～0.05：0.005～0.01:0.02～0.06:0.01～0.03进行混合。发明人发现，若生物质粉末比例过高，会显著增加燃料棒的挥发分，导致燃烧时冒烟，而生物质粉末比例过低，不能形成连续的塑性相，从而无法改善兰炭的成型性；若助燃剂比例过高，使得成本显著增加，并且过高时，助燃效果反而减弱，而比例过低，使得助燃效果不明显，起不到助燃作用；若固硫剂比例过高，会显著增加燃料棒的灰分，增加成本，而比例过低，固硫效果差；若膨润土比例过高，会增加燃料棒的灰分，增加成本，而比例过低，起不到改善兰炭末成型性的作用。由此，选择该范围比例，可以显著改善兰炭末的成型性，且满足环保要求。
根据本发明的实施例，兰炭末的粒径并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，兰炭末的粒径可以不高于3毫米。发明人发现，若兰炭末的粒径过高，不利于后续成型。
根据本发明的实施例，生物质粉末的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，生物质粉末可以为锯末或秸秆粉末。由此，可以显著降低燃料棒制备成本。
根据本发明的实施例，生物质粉末的粒径并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，生物质粉末的粒径可以不高于2毫米。发明人发现，若生物质粉末粒径过高，不利于混匀和成型。
根据本发明的实施例，助燃剂的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，助燃剂可以为含有氧化铁、氯化钠和高锰酸钾的混合物，根据本发明的具体示例，氧化铁、氯化钠和高锰酸钾的质量比可以为2:2:1。发明人发现，此配比的助燃剂助燃效果好且成本低。
根据本发明的实施例，固硫剂的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，固硫剂可以为熟石灰或生石灰。由此，可以显著较少二氧化硫及氮氧化物的排放，从而减少污染气体的产生。
根据本发明的实施例，膨润土的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，膨润土可以为粒径不低于75微米的工业级膨润土。由此，可以显著改善兰炭的成型性且降低燃料棒制备成本。
发明人发现，兰炭具有挥发分低，固定碳高，发热量高等优点，使得兰炭已经成为生产清洁燃料棒的理想原料，并且目前兰炭处于供大于求的状态，使得兰炭价格下滑，然而兰炭弹性很大且塑性低，使其成型难度较大，并且以兰炭为基料的固体清洁燃料还很少，发明人通过大量实验意外发现，生物质粉末在高温高压下会先软化后塑变，形成塑性相，而膨润土粘粒成分主要由亲水性矿物组成，其具有明显的吸水膨胀和失水收缩性能，因此能够降低物料的弹性模量，增大极限变形，由此可以通过将兰炭末与生物质粉末和膨润土进行混合来改善兰炭的成型性，并且通过添加助燃剂和固硫剂来制备得到清洁燃料棒，同时扭转了目前兰炭产业效益低下的局面，实现了资源的有效利用。
S200：第二混合处理
根据本发明的实施例，将前面所得到的第一混合物料与粘结剂进行第二混合处理，从而可以得到第二混合物料。由此，可以明显改善兰炭末的成型性能。
根据本发明的实施例，第一混合物料与粘结剂的混合比例并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，可以将第一混合物料与粘结剂按照质量比为1.045～1.15：0.05～0.1进行第二混合处理。发明人发现，若粘结剂含量过高，导致成本显著增高，而粘结剂含量过低，使得成型效果较差。由此，选择该范围的混合比例，可以明显改善兰炭的成型性能。
根据本发明的实施例，粘结剂的具体类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，粘结剂可以为腐殖酸类粘结剂，例如可以为腐殖酸钠或腐殖酸钾。发明人发现，腐殖酸类粘结剂作为一种高分子芳香族羟基羧基盐，具有羟基、羧基盐等多种活性基团，因此具有很好的塑性和粘结性能，由此可以改善兰炭的成型性。
S300：成型处理
根据本发明的实施例，采用环模式成型机将以上所得到的第二混合物料进行成型处理，从而可以得到成型物料。由此，可以显著提高兰炭末的适用性。
发明人发现，环模式成型机在动力的驱动下使压辊或环模做回转运动，在运转过程中与进入压辊和环模间隙的物料产生强烈的摩擦挤压，将物料挤入环模成型孔内，物料不断地摩擦、挤压产生高温，在高温高压的作用下，进入模孔中的物料先软化后塑变，形成了塑性相，由此采用环模式成型机对第二混合物料进行成型处理，可以有效改善兰炭的成型性，并且经过环模式挤压使得所得到的燃料棒密度高、且抗碎强度和抗压强度都较高，从而易于运输，同时采用环模式成型机与传统的煤棒机相比，可以明显提高燃料棒产量，且能耗较低(环模式成型机产量5吨/小时，实际功率为26KW，煤棒机产量为3吨/小时，实际功率为50KW)。
根据本发明的实施例，成型物料的形状并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，成型物料可以为圆型棒状，并且圆形棒状的直径可以为10～60毫米。发明人发现，成型物料太粗或太细都会降低其强度，并且成型物料太粗或太细都不适应现有炉具。
S400：干燥处理
根据本发明的实施例，将以上所得到的成型物料进行干燥处理，从而可以得到燃料棒。由此，可以显著提高燃料棒的发热量。
根据本发明的实施例，干燥处理的条件并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，干燥处理可以在70～90摄氏度下进行180～240分钟。发明人发现，该条件下可以显著提高成型物料的干燥效率。根据本发明的实施例，经过干燥处理所得到的燃料棒的水分含量为2～5wt％。由此，可以进一步提高燃料棒的发热量。
如上所述，根据本发明实施例的制备燃料棒的方法可具有选自下列的优点至少之一：
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法通过将兰炭与生物质粉末、腐殖酸类粘结剂和膨润土混合，并采用环模式成型机用于对兰炭成型，可以明显改善兰炭的成型性，该单机小时产量大，能耗低；
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法得到的燃料棒挥发分低，其干燥无灰基挥发分在10％以下，并且在燃烧时排放的挥发性有机物(VOC)比烟煤大幅降低，从而可以解决农村居民冬季取暖冒烟的问题，改善大气环境；
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法得到的燃料棒全硫含量低，并且加入了固硫剂，燃烧时排放的SO2少，能显著改善大气环境；
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法得到的燃料棒发热量高，能达到26MJ/kg以上；
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法得到的燃料棒的抗碎强度与抗压强度高，易于运输；
根据本发明实施例的制备燃料棒的方法中采用的原料廉价易得，并且加工成本低，工艺简单，易于推广。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种燃料棒。根据本发明的实施例，该燃料棒由上述方法制备得到。由此，该燃料棒挥发分低、含硫量低、发热量高、价格便宜，可以替代无烟煤用于远郊村民或全国农村地区冬季取暖做饭，进而明显减少雾霾，从而有效改善空气质量。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
原料配方：1重量份的膨润土、3重量份的熟石灰、2重量份的生物质粉末、0.5重量份的助燃剂、6重量份的腐殖酸类粘结剂、100重量份的兰炭末；
制备方法：先将兰炭末与生物质粉末、膨润土、熟石灰和助燃剂混合均匀，得到第一混合物料，接着向第一混合物料中加入腐殖酸类粘结剂继续搅拌，得到第二混合物料，然后采用环模式成型机对第二混合物料挤压成型，得到成型物料，然后对所得到的成型物料进行干燥处理，即可得到燃料棒。
所得燃料棒跌落强度92.8％，抗压强度712N/个，干燥无灰基挥发分7.4％，水分3.46％，发热量26.12MJ/kg，密度1.16g/cm3，并且对燃料棒进行试烧，持续旺火时间可以达到8个小时，烟气中排放的SO2浓度为15.5mg/m3，NOx浓度为40mg/m3，明显比《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007的标准还低。
实施例2
原料配方：2重量份的膨润土、2重量份的熟石灰、2重量份的生物质粉末、0.8重量份的助燃剂、8重量份的腐殖酸类粘结剂、100重量份的兰炭末；
制备方法：同实施例1。
所得到的燃料棒，其跌落强度93.5％，抗压强度720N/个，干燥无灰基挥发分8.7％，水分2.86％，发热量27.86MJ/kg，密度1.17g/cm3，并且对燃料棒进行试烧，持续旺火时间可以达到9个小时，烟气中排放的SO2浓度为16.5mg/m3，NOx浓度为42mg/m3，明显比《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007的标准还低。
实施例3
原料配方：2重量份的膨润土、2重量份的熟石灰、3重量份的生物质粉末、0.8重量份的助燃剂、8重量份的腐殖酸类粘结剂、100重量份的兰炭末；
制备方法：同实施例1。
所得到的燃料棒，其跌落强度90.2％，抗压强度703N/个，干燥无灰基挥发分9.5％，水分3.67％，发热量28.65MJ/kg，密度1.15g/cm3，并且对燃料棒进行试烧，持续旺火时间可以达到8.5个小时，烟气中排放的SO2浓度为16mg/m3，NOx浓度为44mg/m3，明显比《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007的标准还低。
对比例
原料配方：70％的半焦粉末、30wt％的焦炭粉末，成型粘合剂为半焦粉末和焦炭粉末总质量的5～7％，其中，成型粘合剂配方为：10wt％的瓜尔豆胶、10wt％的碳酸钠、20wt％的木薯粉、50wt％的面粉、2wt％的檀香木粉和8wt％的羧甲基淀粉；
成型粘合剂的制备方法：首先将木薯粉与面粉均匀混合，得到混合物料，然后在反应容器中加入550重量份的水，并加热至70摄氏度，接着取20重量份的混合物料，并用10倍的水于常温下进行稀释，得到稀释液，然后将稀释液倒入上述反应容器中，并持续搅拌，继续加热至90摄氏度，然后加入碳酸钠，接着将羧甲基淀粉和瓜尔豆胶分别配制为溶液后加入反应容器中，待温度回到90摄氏度时停止加热，并加入檀香木粉并搅拌至分散均匀，即可得到成型粘合剂。
燃料棒制备方法：将半焦粉末与焦炭粉末均匀混合，然后加入成型粘合剂并进行成型处理即可得到燃料棒。
所得到的燃料棒，其跌落强度80％，抗压强度460N/个，干燥无灰基挥发分18％，水分3.79％，发热量23.2MJ/kg，密度1.01g/cm3，并且对燃料棒进行试烧，持续旺火时间可以达到5个小时，烟气中排放的SO2浓度为40mg/m3，NOx浓度为160mg/m3，高于《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007的标准。
评价：
分别对实施例1～3和对比例所得到的燃料棒成本进行分析，分析结果如表1和表2所示。
表1 实施例1～3所得燃料棒成本
表2 对比例所得燃料棒成本
结论：由表1和表2数据分析可知，实施例1～3较对比例所得到的燃料棒价格更低，且采用本发明实施例所得到的燃料棒平均成本较对比例所得到燃料棒成本降低179.92元/吨，可见本发明的制备燃料棒的方法可以显著降低燃料棒成本，并且实施例1～3所得到的燃料棒发热量显著高于对比例所得到燃料棒，且烟气中SO2和NOx排放量显著低于对比例所得到的燃料棒，符合《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007污染物排放标准。
注：《北京市锅炉大气污染物排放标准》DB 11/139-2007污染物排放标准：SO2≤20mg/m3，NOx≤150mg/m3。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种制备燃料棒的方法，其特征在于，包括：
将兰炭末与生物质粉末、助燃剂、固硫剂和膨润土进行第一混合处理，以便得到第一混合物料；
将所述第一混合物料与粘结剂进行第二混合处理，以便得到第二混合物料；
采用环模式成型机对所述第二混合物料进行成型处理，以便得到成型物料；以及
将所述成型物料进行干燥处理，以便得到所述燃料棒，
其中，
将所述兰炭末与所述生物质粉末、所述助燃剂、所述固硫剂和所述膨润土按照质量比为1:0.01～0.05：0.005～0.01:0.02～0.06:0.01～0.03进行所述第一混合处理。
2.根据权利要求1所述的制备燃料棒的方法，其特征在于，所述兰炭末的干燥无灰基挥发分含量不高于8wt％，全硫含量不高于0.4wt％，发热量不低于5000大卡/千克。
3.根据权利要求1所述的制备燃料棒的方法，其特征在于，所述兰炭末的粒径不高于3毫米，所述生物质粉末的粒径不高于2毫米，所述膨润土粒径不低于75微米。
4.根据权利要求1所述的制备燃料棒的方法，其特征在于，所述生物质粉末为锯末或秸秆粉末，所述助燃剂为含有氧化铁、氯化钠和高锰酸钾的混合物，其中，所述氧化铁、所述氯化钠和所述高锰酸钾的质量比为2:2:1，所述固硫剂为熟石灰或生石灰。
5.根据权利要求1所述的制备燃料棒的方法，其特征在于，将所述第一混合物料与所述粘结剂按照质量比为1.045～1.15：0.05～0.1进行所述第二混合处理。
6.根据权利要求5所述的制备燃料棒的方法，其特征在于，所述粘结剂为腐殖酸类粘结剂。
7.一种燃料棒，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述的制备燃料棒的方法得到。
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