CN116286133A - 一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质能源领域，具体提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，包括如下步骤：破壁干燥步骤，采用超声波破壁和机械压榨工艺对蔬菜秸秆进行物理脱水，将原料水分降低至35‑45％，粒径减小至3‑5mm；气动水解步骤，采用气动低温水解工艺对物理脱水后的秸秆进行粉碎和脱水，将破壁干燥后蔬菜秸秆水分进一步降低至15‑20％，粒径破碎至2‑4mm；本发明制备的生物质粉体燃料有更高热值的生物质粉体燃料，灰分降低，燃烧的更加完全。

Description

一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法和系统

技术领域

本发明涉及生物质能源领域，具体是指一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法和系统。

背景技术

蔬菜秸秆为蔬菜种植和生产过程中的废弃物，具有含水率高，灰分大等特点，处理难度大，燃烧易结焦、热值较低等问题。新鲜蔬菜秸秆含水率达85％以上，目前主要处理方式为作为垃圾填埋以及丢弃在田间地头，但这种处理方式占用大量土地，蔬菜秸秆腐烂会释放大量的CH₄气体，碳排放量大。且腐烂过程中会析出大量的结合水，导致地下水和河道收到严重污染。蔬菜秸秆存量巨大，每年全国蔬菜产量约7.6亿吨，蔬菜秸秆产生量2.3亿吨，蔬菜秸秆处理主要是填埋、露天焚烧、马路囤积等方法，造成了严重的资源浪费和农业环境污染。蔬菜秸秆分布分散，藤曼类秸秆和茄科类秸秆原始长度尾2-5米，直径3-30mm，含有大量的叶子，含水率高达80％-90％，堆积比重仅为0.02-0.07t/m，直接热值＜100kcal/kg，进行直接烘干能耗巨大，投入和产出不成正比。对于资源化利用，存在运输效率低下，成本高、产量低等问题。即使通过高能耗的高温烘干与粉碎工艺结合制备成生物质颗粒燃料，也存在灰分过高，燃烧不完全，热值较低等的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有技术制备的生物质燃料灰分大，直接燃烧热值低的问题，从而提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法和系统。

为此，本发明提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，包括如下步骤：

破壁干燥步骤，采用超声波破壁压榨工艺对秸秆进行第一次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至35-45％，粒径减小至3mm-5mm；

气动水解步骤，采用气动低温水解工艺对第一次粉碎与脱水后的秸秆进行第二次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至15-20％，粒径降低至2mm-4mm。

进一步地，在气动水解步骤之后还包括超微粉碎步骤，优选的，通过超微粉碎处理将秸秆的水分含量降低至10％以下，粒径降低至0.05mm-2mm。

进一步地，所述超微粉碎步骤中，控制进料量1-5t，分级电极的频率10-30Hz，引风机的频率25-45Hz，转速为2800r/min-3000r/min。

进一步地，所述超声波破壁压榨工艺中的超声波的频率为15-30kHz，超声波处理的时间为15-25min，压榨处理的压力为10-35MPa，压榨时间为10-20min。

进一步地，所述气动水解工艺中物料的温度为60-180℃。

进一步地，所述秸秆为蔬菜秸秆。

更进一步地，所述破壁干燥步骤之前还包括将秸秆进行预粉碎的步骤，优选的，将秸秆预粉碎至长度为3-150mm。

一种由秸秆制备生物质粉体燃料的系统，包括超声波破壁压榨装置和气动低温水解装置，其中，所述超声波破壁压榨装置的物料出口与气动低温水解的物料入口相连通。

更进一步地，还包括超微粉碎装置，其中气动低温水解的物料出口与所述超微粉碎装置的物料入口相连通。

进一步地，所述超声波破壁压榨装置包括超声波发生器和机械压榨装置，其中机械压榨装置上设置有压榨辊。

针对不同秸秆原料及不同新鲜度的秸秆，选取不同频率的超声波进行针对性破壁，秸秆细胞壁在超声波的震动作用下完成破壁，析出秸秆组织内水，特别是对水分含量高且纤维素、木质素含量较低的菜叶子，效果显著。

预粉碎可采用移动式粉碎车，就地对蔬菜秸秆进行粉碎，粉碎采用转鼓式旋切设备，通过刀片将秸秆粉碎至3-150mm粒径，在该粒径范围内，秸秆堆积比重可提升至0.5-0.7t/m³，比重提高数十倍，大大减少运输成本，大幅降低运输柴油碳排放。

本发明中，采用的超声波破壁压榨系统为：在现有的压榨机的基础上，将超声波破壁装置加装在物料入口端，超声波破壁装置包括超声波发生器和超声波破壁压榨辊。超声波破壁压榨辊有数量为2-4个。

本发明中，压榨机可采用现有的机械压榨机，例如本发明中采用的昆明克林轻工机械有限责任公司生产的，型号为

的压榨机，也可自制，压榨机采用齿形对辊压榨，齿形对辊压榨间隙为5-80mm，压辊长度300-2100mm，压辊数量为2-8辊。

秸秆先由超声波破壁辊进行超声破壁，析出菜叶子和秸秆内部的组织水后，通过压榨机对蔬菜秸秆进行破壁压榨进一步降低含水率。压榨机采用齿形对辊压榨，通过机械力咬合及多齿相互碾压作用，对蔬菜秸秆进行破壁和压榨出水，进一步减量。

本发明中，采用的气动低温水解工艺是通过专利公开号为CNZL202122885255.9，发明名称为《一种粉碎和干燥两用一体气动低温水解设备》的中国专利文献中公开的气动低温水解干化系统实现的。该装置具有粉碎和脱水两个功能，可通过调整叶轮的分布和角度，改变物料分离出的粒径，不符合预设粒径的物料将被甩回气动低温水解腔室继续脱水和粉碎。蔬菜秸秆经过气动低温水解系统后，水分含量继续下降。

破壁压榨后的蔬菜秸秆中的水分为秸秆的内水，属于结合水，去除难度更大。本发明采用气动低温水解工艺，将蔬菜秸秆通入气动低温水解干化系统。气动低温水解系统通过高速叶轮秸秆颗粒甩在内衬板上，形成撞击、挤压和反弹，且与后续物料不断进行高速碰撞，将内水进一步析出和分离。同时气动低温水解系统利用内部叶轮高速旋转产生涡流，空气和物料高速摩擦产生温度，然后由空气带走析出的水份，可确保植物秸秆的焦油和木醋液析出，防止二次污染。该工艺结合物料粉碎和脱水两个功能，可通过调整叶轮的分布和角度，改变物料分离出的粒径，使不符合预设粒径的物料将被甩回气动低温水解腔室继续脱水和粉碎。蔬菜秸秆经过气动低温水解系统后，水分含量继续下降。

本发明中，超微粉碎步骤通过现有的超微磨粉装置(潍坊新亚能粉体设备有限公司生产，型号为XYN-CJ1400型冲击式)实现，该装置包括超微磨粉主机、涡轮分级机、旋风收集器、脉冲布袋除尘器、引风机。

气动低温水解后的物料通过螺旋输送机均匀、连续地送入超微磨粉主机内进行研磨。研磨后的物料在引风机抽力作用下随上升气流运动至分级区，在高速旋转的涡轮分级机产生的强大离心力作用下，使粗细物料分离，符合粒度要求的细颗粒通过涡轮分级机进入旋风收集器和脉冲布袋除尘器收集，粗颗粒下降至粉碎区继续粉碎。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

1、本发明提供的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，采用超声波破壁压榨工艺对秸秆进行第一次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至35-45％，粒径减小至3-5mm，然后采用气动低温水解工艺对第一次粉碎与脱水后的秸秆进行第二次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至15-20％，粒径破碎至≤1mm，两个步骤相结合使得在保证较高的产量、较低成本的基础上，制备得到具有更高热值的生物质粉体燃料，灰分降低，燃烧的更加完全。

2、本发明提供的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，因蔬菜秸秆的纤维性强，导致蔬菜秸秆物料在堆放过程流动性差，物料罐体存放存在搭桥等问题，影响粉体燃料的储存和输送。在气动水解步骤之后还包括超微粉碎步骤，尤其是通过超微粉碎处理将秸秆的水分含量降低至10％以下，粒径降低至0.05mm-2mm，不仅能够进一步提高生物质粉体燃料的热值，降低水分含量，而且能够极大提高生物质粉体燃料的流动性，便于罐体储存和气力输送。

3、本发明提供的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，所述超声波破壁压榨工艺中的超声波的频率为15-30kHz，超声波处理的时间为15-25min，利用特定频率的超声波剪切作用以及10MPa-35MPa超高压对辊压榨作用，通过物理挤压方式对蔬菜秸秆进行压榨破壁，使得秸秆的水分含量降低至35-45％，粒径减小至3-5mm。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

本发明提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的系统，包括超声波破壁压榨装置和气动低温水解装置，其中，所述超声波破壁压榨装置的物料出口与气动低温水解的物料入口相连通。还包括超微粉碎装置，其中气动低温水解的物料出口与所述超微粉碎装置的物料入口相连通。超声波破壁压榨装置包括超声波发生器和机械压榨装置，其中机械压榨装置上设置有压榨辊。本发明的机械压榨装置采用的昆明克林轻工机械有限责任公司生产的，型号为

的压榨机，气动低温水解装置采用专利公开号为CN202122885255.9，发明名称为《一种粉碎和干燥两用一体气动低温水解设备》的中国专利文献中公开的粉碎和干燥两用一体气动低温水解设备。超微粉碎装置采用潍坊新亚能粉体设备有限公司生产，型号为XYN-CJ1400型冲击式的超微磨粉装置。

实施例1

本实施例提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，采用上述超声波破壁压榨装置、气动低温水解装置和超微粉碎装置进行，包括如下步骤：

(1)对新鲜的辣椒秸秆(平均含水量为85％)预粉碎至平均长度为15mm。

(2)通过超声波破壁压榨工艺进行第一次粉碎与脱水，开启超声波发生器，控制超声波的频率为20kHz，超声波处理的时间为25min，压榨处理的压力为10MPa，压榨时间为20min，得到平均含水量为45％，平均粒径为5mm的秸秆颗粒。

(3)采用气动低温水解工艺对第一次粉碎与脱水后的秸秆进行第二次粉碎与脱水，物料的温度为60℃，处理时间为8min，得到平均含水量为20％，平均粒径为4mm的秸秆颗粒。

(4)对气动低温水解工艺之后的秸秆进行超微粉碎，进料量3t，分级电极的频率20Hz，引风机的频率35Hz，转速为3000r/min，得到平均含水量为10％、平均粒径为2mm的生物质粉体燃料。

实施例2

本实施例提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，采用上述超声波破壁压榨装置、气动低温水解装置和超微粉碎装置进行，包括如下步骤：

(1)对新鲜的番茄秸秆(平均含水量为85％)预粉碎至平均粒径为10mm，

(2)通过超声波破壁压榨工艺进行第一次粉碎与脱水，其中超声波的频率为30kHz，超声波处理的时间为15min，压榨处理的压力为35MPa，压榨时间为15min，得到平均含水量为40％，平均粒径为3mm的秸秆颗粒。

(3)采用气动低温水解工艺对第一次粉碎与脱水后的秸秆进行第二次粉碎与脱水，物料的温度为150℃，处理时间为8min，得到平均含水量为15％、平均粒径为2mm的秸秆颗粒。

(4)对气动低温水解工艺之后的秸秆进行超微粉碎，进料量1t，分级电极的频率30Hz，引风机的频率45Hz，转速为2800r/min，得到平均含水量为5％、平均粒径为0.05mm的生物质粉体燃料。

实施例3

本实施例提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，与实施例1基本相同，区别仅在于未进行步骤(4)的超微粉碎处理；在完成步骤(3)后最终得到平均含水量为15％、平均粒径为4mm的生物质粉体燃料。

对比例1

本对比例提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，与实施例3基本相同，区别仅在于在步骤(2)中将超声波破壁压榨工艺更换为常规的破壁压榨工艺，即未开启超声波发生器，未进行超声波处理，仅进行压榨处理，压榨处理的压力为10MPa，压榨时间为20min，得到的物料平均含水量为60％；在完成步骤(3)后最终得到平均含水量为30％、平均粒径为4mm的生物质粉体燃料。

对比例2

本对比例提供了一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，与实施例3的区别仅在于将气动低温水解工艺更换为常规的先高温烘干再粉碎，具体为在温度250℃下烘干1.5h，再粉碎0.5h，得到平均含水量为15％、平均粒径为4mm的生物质粉体燃料。

实验例1

参照《固体生物质燃料发热量测定方法》GB/T 30727-2014标准，测试各实施例和对比例制得的生物质粉体燃料的热值，参照《固体生物质燃料工业分析方法》GB/T 28731-2012标准，测试各实施例和对比例制得的生物质粉体燃料的灰分，结果见下表所示。

表1生物质粉体燃料的热值和灰分含量

	灰分含量(％)	燃料热值(kcal/kg)
			实施例1	7.18	3325
实施例2	7.56	3567
			实施例3	6.78	2678
对比例1	10.53	2215
			对比例2	8.26	2537

由上表可知，相比于对比例1-2，本发明实施例1-3制得的生物质粉体燃料的热值明显提高，灰分含量明显降低。

实验例2

各实施例和对比例制得的生物质粉体燃料的产率如下表所示，产率计算公式如下：产率＝粉体燃料产量/秸秆进料量*100％，其中，秸秆进料量为预粉碎后的秸秆质量，粉体燃料产量为最终制备的生物质粉体燃料的质量，结果见下表所示：

表2生物质粉体燃料的产率

	实施例3	对比例2
			产率(％)	18.76％	17.64％

由上表可知，相比于对比例2来说，本发明实施例3的制备方法得到的生物质粉体燃料的产量或者产率提高。

实验例3

参照《颗粒材料物理性能测试第3部分：流动性指数的测量》GB/T 31057.3-2018标准，测试各实施例和对比例制得的生物质粉体燃料的流动性，结果见下表所示。

表3生物质粉体燃料的流动性

	休止角(°)
		实施例1	50
实施例2	15
		实施例3	65
对比例1	75
		对比例2	66

由上表可知，相比于对比例来说，本发明实施例1-3的制备方法得到的生物质粉体燃料的休止角明显降低，流动性明显提高。

实验例4能耗

实施例3的能耗：步骤(1)采用设备移动式粉碎车，功率为220kw，秸秆处理量为20吨/h，时间为60min，经计算能耗为11kwh/吨，换算吨产品能耗：11/(1-85％)*(1-10％)＝66kwh/吨。

步骤(2)超声波破壁压榨装置，功率为510kw，秸秆处理量45吨/h，时间为60min，经计算能耗为11.33kwh/吨，换算吨产品能耗：11.33/(1-85％)*(1-10％)＝67.98kwh/吨。

步骤(3)粉碎和干燥两用一体气动低温水解设备，功率为240kw，秸秆处理量为3吨/h，时间60min，经计算能耗为80kwh/吨，换算吨产品能耗：80/(1-45％)*(1-10％)＝130.9kwh/吨。

吨产品总能耗为：66kwh/吨+67.98kwh/吨+130.9kwh/吨＝264.9kwh/吨。

对比例2的能耗：步骤(1)和步骤(2)与实施例3步骤(1)和步骤(2)的相同，则共耗能66kwh/吨+67.98kwh/吨＝133.98kwh/吨；

步骤(3)采用传统烘干和粉碎工艺，烘干一吨水需要能耗700kwh/t，获得一吨产品需要6吨原料，即获得一吨产品需要能耗约为：(6*85％-1*0.1％)*700＝3500kwh/吨；粉碎的功率为320kw，秸秆处理量为3t/h，时间60min，经计算能耗为106.7kwh/吨，换算吨产品能耗：106.7/(1-20％)*(1-10％)＝120.4kwh/吨。

吨产品总能耗为：133.98kwh/吨+3500kwh/吨+120.4kwh/吨＝3754.4kwh/吨。

由上述结果可知，本发明实施例3相比于对比例2来说，明显降低了能耗，降低成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

破壁干燥步骤，采用超声波破壁压榨工艺对秸秆进行第一次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至35-45％，粒径减小至3mm-5mm；

气动水解步骤，采用气动低温水解工艺对第一次粉碎与脱水后的秸秆进行第二次粉碎与脱水，将秸秆的水分含量降低至15-20％，粒径降低至2mm-4mm。

2.根据权利要求1所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，在气动水解步骤之后还包括超微粉碎步骤，优选的，通过超微粉碎处理将秸秆的水分含量降低至10％以下，粒径降低至0.05mm-2mm。

3.根据权利要求2所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，所述超微粉碎步骤中，控制进料量1-5t，分级电极的频率10-30Hz，引风机的频率25-45Hz，转速为2800r/min-3000r/min。

4.根据权利要求1-3中任一所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，所述超声波破壁压榨工艺中的超声波的频率为15-30kHz，超声波处理的时间为15-25min，压榨处理的压力为10-35MPa，压榨时间为10-20min。

5.根据权利要求1-4中任一所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，所述气动水解工艺中物料的温度为60-180℃。

6.根据权利要求1-5中任一所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，所述秸秆为蔬菜秸秆。

7.根据权利要求1-6中任一所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的方法，其特征在于，所述破壁干燥步骤之前还包括将秸秆进行预粉碎的步骤，优选的，将秸秆预粉碎至长度为3-150mm。

8.一种由秸秆制备生物质粉体燃料的系统，其特征在于，包括超声波破壁压榨装置和气动低温水解装置，其中，所述超声波破壁压榨装置的物料出口与气动低温水解的物料入口相连通。

9.根据权利要求8所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的系统，其特征在于，还包括超微粉碎装置，其中气动低温水解的物料出口与所述超微粉碎装置的物料入口相连通。

10.根据权利要求8或9所述的由秸秆制备生物质粉体燃料的系统，其特征在于，所述超声波破壁压榨装置包括超声波发生器和机械压榨装置，其中机械压榨装置上设置有压榨辊。