CN101831337B - 农作物秸秆燃料生产工艺技术 - Google Patents

Abstract

在国家政策引导下，利用农作物秸秆生产生物质燃料技术发展缓慢，导致下游用能产业(发电、工业及民用等)技术的发展也受阻。秸秆仅被农民部分利用，大部分被焚烧掉。市场上已开发出的主流技术有：生物质燃料颗粒造粒机和环模压块机，均采用机械力压缩技术方案，均未根本解决技术问题。本专利技术方案是：依据秸秆主要成分纤维素、半纤维素和木素的物理、化学性质，在一定的工艺条件下将三者分离，促使纤维素润涨增加交织能力，使半纤维素和木素转化、降解及缩合成酚醛缩合物，起酚醛树脂的作用，在机械力作用下压缩成型，产品燃料块密度在1-1.4吨/立方米之间；每吨秸秆生物质燃料约折合0.5吨标煤。

Description

农作物秸秆燃料生产工艺技术

技术领域：

农作物秸秆燃料生产工艺技术属于生物质能源生产技术领域。

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。煤炭、石油、天然气等化石能源已成为生产生活的主导能源。目前，全球每年能源消费总量已经超过150亿吨标准煤，其中90％左右是化石能源。但是，化石能源是储量有限的不可再生能源。按照目前的能源消耗水平，到下世纪中叶，全球主要化石能源资源将所剩无几。同时，大规模开发和利用化石能源对生态环境的破坏，是未来人类要共同面对的人类赖以生存的生态环境不可逆转的恶化问题。中国作为经济快速增长和人口最多的发展中国家，实现经济可持续发展面临着更为严峻的能源与环境的双重压力。中国是世界第二大能源生产国和消费国，预计到2020年，一次能源需求总量将超过30亿吨标准煤，约占全球能源消费总量的14％左右。但，目前中国一次能源生产总量仅达到约20亿吨标准煤，人均能源资源贫乏，仅为世界平均水平的40％。另外，中国的能源消费结构以煤为主，煤炭所占的比重接近70％。以煤为主的能源结构是造成环境污染严重的主要原因。目前，中国二氧化碳排放量居世界第二位，随着经济的高速发展，中国在能源、环境和经济三者之间的矛盾将更加突出。减少二氧化碳排放，开发“绿色能源”已成为我国在保护好人类赖以生存的生态环境前提下保障经济高速发展的基本国策。

为此，胡锦涛主席在2005年北京国际可再生能源大会上讲话指出，“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”温家宝总理在国家能源领导小组第二次会议上明确指出：“可再生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境起着重要作用。开发利用可再生能源，是建设资源节约型，环境友好型社会和实现可持续发展的重要战略措施。”

面对我国一次能源资源贫乏及二氧化碳排放不断上升的严峻事实，为应对全球二氧化碳减排的新形势。2006年1月1日起正式实施的《可再生能源法》，国家相关部门制定了《可再生能源中长期发展规划》，规划目标：到2020年实现可再生能源占能源消费总量的15％，可再生能源利用量将相当于6亿吨标准煤。其中，生物质能总装机容量将达到3000万千瓦，沼气年利用量将达到440亿立方米，生物燃料乙醇和生物柴油年利用量将达到1200万吨。与此同时，相关配套政策的相继出台，使我国的生物质能源生产、技术开发产业成为热点朝阳产业。

在太阳能、风能、潮汐能、生物质等可再生能源中，农作物的废弃物作为生物质能源资源，是目前应用最为广泛的可再生生物质能源，其消费总量仅次于煤炭、石油、天然气，位居第四位，并且在未来可持续能源系统中占有重要地位。农作物废弃物生物质能源具有可储存、可运输、资源丰富、环境影响小、成本低、可以永续利用等特点受到世界各国的青睐，产业技术发展也在全世界范围内掀起了高潮。

背景技术：

由于农作物秸秆(废弃物)的利用长期处于自然利用阶段，30％-40％被农民用于炊事和取暖，很少一部分被用于反刍牲畜饲料。近年来，随着农作物因品种改良带来的单位产量大幅度增长，农作物秸秆的单位产量也急剧增长，农民为方便下年耕种，大量过剩秸秆于秋收时在田间焚毁，经常引起火灾；农民用于炊事和取暖的秸秆，(尤其在北方寒冷地区)堆放在住宅附近的秸秆薪柴也常常引起火灾，给国家、社会及农民带来巨大损失；农民以收获后自然形态秸秆为燃料的原始用能方式，使农民始终不能摆脱因燃烧秸秆带来的室内污染环境；始终不能摆脱玉因燃烧秸秆带来的繁重家务劳动；始终不能摆脱一方面大量燃烧秸秆，而在发展农业产业(种植、养殖和农产品加工业等)方面，却不得不使用高成本、高污染的燃料煤作为能源。因此，面对当前存在的问题，农作物秸秆作为生物质能源资源的利用，必须实现其高品质、商品化目标——高能量密度、高质量密度、高商品化程度。

农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶质等构成，每100g秸杆中，含碳44.2g，氮0.62g，磷0.25g，钾1.44g及钙、镁、铁、硫、硅等微量元素。每千克秸秆热值约4000大卡，燃烧后残留残留物即为草木灰，其肥田成分以钾为主，另含少量的微量元素，属优良钾肥，其肥效比堆肥还大数倍。秆直接还田大100倍。因此，农村以农作物秸秆(废弃物)为主流能源，增加农民收入，改善农村居住环境，促进农业产业化发展，是解决三农问题的核心环节；是发展有机农业、循环经济走可持续发展之路的必经途径。

迄今为止，我国利用农作物废弃物生物质能源发展最快的要数生物质发电项目。据相关资料显示，截至2007年底，我国共核准生物质发电项目81个，在建项目超过40个，而其中的17个项目已经建成投产。大部分项目的技术来源于济南锅炉集团从丹麦BWE公司引进的水冷振动炉排秸秆直燃发电锅炉技术，实践证明，该项目由于存在诸多问题：引进技术导致造价过高，投资过大；秸秆能量密度过小导致运输、储存成本过高；秸秆的季节性生产和散运、散存、散烧导致燃料难以均衡供应等致命问题，使秸秆发电产业的发展速度受阻。

另外，在秸秆生物质能源资源的应用技术方面的发展也处在孕育期，秸秆作为生物质能源资源被广大农村用于炊事和冬季采暖已有逾千年历史，但由于其处于原始能源资源利用和采用落后的燃烧技术及设备阶段，该资源利用的热效率长期处于15％——20％左右。

为此，目前能否以农作物废弃物为生物质能源资源，生产出高品质商品化的生物质燃料，以适用于生物质发电锅炉、工业(热水、蒸汽)锅炉、民用采暖及炊事锅炉等，是我国巨大生物质能源资源利用的发展方向。因此，该项实用性技术的开发是诸多企业的技术公关热点。截止目前，国内在以农作物废弃物为原料生产生物质(压块)燃料的生产技术有三类：

1、应用机制碳制棒机压制生物质燃料，技术优势是：燃料能量密度大，方便储存、运输和适用于民间土灶燃烧；缺点是：应用原料只能添加30％作物秸秆，其余70％必须以木屑为原料，有需要开发新型锅炉，难以在农作物资源利用方面和适用于现有燃烧设备方面发展。

2、生物质燃料颗粒造粒机，生产直径为8mm，长度约1-2cm的颗粒生物质燃料。技术优势为：燃料能量密度大技术优势是：燃料能量密度大，可以利用农作物秸秆为原料，方便储存、运输；缺点是：需要开发新型专用燃烧设备，难以在适用于现有燃烧设备方面发展。

3、应用牧草(秸秆)饲料压块机，以作物秸秆为原料压制生物质燃料。技术优势是：燃料能量密度较大，可以利用农作物秸秆为原料；适用于民间土灶和部分工业锅炉燃烧，尤其在发电用燃料方面有更大的发展空间；缺点是：由于能量密度仅能达到0.7-0.8公斤/立方厘米，由于密度相对较小，吸潮后燃料块会散开，不利于长期储存。

发明内容：

本发明是农作物秸秆燃料生产工艺技术，是一种以农作物秸秆(农作物废弃物)为原料加工成为生物质燃料的生产工艺技术。首先，将农作物秸秆粉碎成小于1厘米的片状颗粒，使部分纤维素、半纤维素、木质素及果胶质分离；然后，在一定温度、湿度条件下促使秸稈软化，这有利于纤维的进一步分离。这一过程利用半纤维素易于水解使纤维素易于润胀，有利于扩大纤维素比表面积，增加游离羟基的数量，易于氢键结合，增强纤维交织性能。第三，使物料在150-180℃和含水量在17-20％之间的工艺条件下进入有加温及研磨装置的环模压块机进行研磨及缩合，研磨过程使纤维素、半纤维素和木素进一步分离，同时半纤维素可部分转化为糠醛，木素则部分降解为酚类物质，在高温、适当湿度和压力条件下，二者缩合形成酚醛缩合物，起到酚醛树脂的作用，使纤维素压缩成具有一定密度、强度和具有防潮解能力的块状燃料，燃料块规格因压块机环模规格不同而各异，燃料块质量：密度1000千克/立方米——1400千克/立方米；热值：3500——4200千卡/公斤；

这一工艺过程控制物料的温度和含水率最关键，半纤维素的耐热性差，温度偏高导致燃料产生焦糖块，温度偏低会影响半纤维素和木素形成酚醛缩合物从而影响燃料质量；由于半纤维素不能形成结晶区，水分子容易进入，因此半纤维素的吸水性和润胀度均比纤维素高，物料水分偏高超出半纤维素润涨所需水分，超出水分会在高温高压的压缩过程中产生水蒸汽，会使压缩的燃料块在压出环模时爆开，物料中水分低于半纤维素润涨所需水分时，半纤维素和木素会焦化，难以形成缩合物，纤维素也因未充分润涨而失去交织能力，导致燃料块呈现粉末状，最终还是影响产品压缩成型。

具体实施方式：

具体实施工艺为：农作物秸秆——粉碎——输送——烘干——消风、除尘——控湿、加温——研磨——压缩——冷却——包装。农作物秸秆原料采用自动上料、喂料系统；粉碎采用有筛网饲料粉碎机；输送设备采用螺旋输送机；烘干采用气流烘干机，热源采用生物质燃料热风炉；消风采用旋风分离器，除尘采用布袋滤尘器；控湿采用由湿度传感器、变送器、微型压力水泵等构成的负反馈加湿控制系统；加温、研磨、压缩过程选择有加温装置的环模压块机；冷却采用风选冷却网带输送机；包装采用自动秤量封口机(大户供货采取散存、散运，无需包装)。

Claims (1)

1.一种农作物秸秆燃料生产工艺技术，其特征在于：由于农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木素组成，在本工艺条件下使纤维素润涨后增加交织能力，半纤维素部分转化为糠醛，木素则部分降解为酚类物质，二者缩合形成酚醛缩合物，起酚醛树脂的作用，在机械力作用下压缩成型；

权利保护范围：

①、工艺过程：农作物秸秆-粉碎-输送-烘干-消风、除尘-控湿、加温-研磨-压缩-冷却-包装；

②、工艺条件：首先，用粉碎机将工艺物料进行预处理，即将其粉碎成小于1厘米的碎片；其次，将物料送入烘干机加温脱去游离水分，同时使物料软化；第三，消风、除尘；第四，将使物料加湿到含水量在17-20％之间，送入有加温及研磨装置的环模压块机，使物料在150-180℃的工艺条件下进进行研磨，使纤维素、半纤维素和木素进一步分离，同时，增强纤维素的交织能力及促进酚醛缩合物形成；第五，在上述温度、湿度条件下及环模压块机的机械力作用下使物料压缩成具有一定密度、强度和具有防潮解能力的块状燃料；最后，在工艺过程中，采用由温度传感器、湿度传感器、变送器、加温加湿执行元件构成的负反馈控制系统来实现工艺中的温、湿度控制；

③、产品特征：燃料块外形及规格因压块机环模规格不同而各异；燃料块密度因工艺的动态特征所致在1000千克/立方米-1400千克/立方米；热值因原料不同大约在3500-4200千卡/公斤。