生物质颗粒的材料集成型制造方法

摘要

本发明公开了一种生物质颗粒的材料集成型制造方法，所述方法中采用将木材干燥时的燃烧所排出气体等用于还原加热干燥气或空气，通过将木材原料进行干燥并防止自燃（氧化燃烧），着火温度至少要达到220℃以上，因此将200℃以上的干燥木材进行压缩来制造生物质颗粒，并以提高其防水性为目的，采用了还原干燥法来进行生物质颗粒的制造方法。由于该方法中应用防止自燃的还原炉可进行高温处理而增加了木材油脂成分的抽出，其效果是可使得颗粒的耐水性能高于黑色颗粒几倍以上，因而得到了具有高度耐水性能而节能且生产效率高的量产的效果。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种以间伐材或废木材为原料的材料集成型的生物质颗粒的制造方法。

背景技术：

过去，在战后重建家园时为了弥补所缺乏的家用煤炭燃料的不足而将加工木材时所产生的木材的锯屑作为燃料进行回用，当时做成通称为“机制炭”的蜂窝状的易燃烧的燃木同样的形态，为便于搬运而将锯末加热干燥后进行压缩，通过对木材的油脂的碳化而得到固化的原理制作了被称为机制炭的生物质燃料。然而，当时并没有以自动化的形态来制造这种代替燃木和煤的燃料的制造设备的需求。

现在的生物质燃料的目的是将它作为化石燃料、煤及石油的替代燃料，被要求作为适用于发电厂等的燃烧设备的燃料的形态，就是与重油一样可短时间燃烧（可简单地控制燃烧的燃烧形态）及产生的灰量少，还有必须能混烧，因此过去已经验证的技术不再适用。

另一方面，通过将木材进行碳化制作的生物质燃料中有历史悠久的碳。在制作碳时采用的是将木材置于还原炉中通常被称为“烧炭”的方法，可做成纯度高的碳素化的物质。由于所制作的碳可简单地粉碎，所以在技术上适合必要的标准。然而，天然的木材中除了碳素之外还含有大量的氢。单纯地除去水分通过碳化进行固化，在燃烧前能够简单地粉碎的话也可符合理想，但是由于木炭的生产需要大量的能源，燃烧后只留下碳的成分所制成的燃料的能效差。所以缺乏实用性，因此此方法不适用于生物质颗粒的生产。

从这里可看出作为燃烧能源效率最大化的方法是将木材进行干燥然后再在转窑中加热到140℃，然后通过采用旋转式加压辊加压的方法，通过约1MPa的压缩可将含油脂的木材初步碳化的原理生产出生物质颗粒。这种方法是现在主流的生物质颗粒的制作方法，但是它有很大的缺点。

通过初期碳化而固化的生物质颗粒虽然被干燥了，但是它的吸收环境水分的能力比天然木材更强。即不能保管在露天及进行移动。它还会吸收空气中的水分。由于水分的吸收就会导致繁殖细菌诱发恶臭，在物流和管理上都会发生问题。

为了解决这个问题，日本最近发明了被称为“生物质焦炭”燃料。这是利用木材碎片在转窑等以200～220℃的高温干燥空气（高温氧化干燥炉）进行干燥，以10MPa的活塞复动加压保持条件下用180～200℃的温度进行固化，个体的大小约为2kg，表面积少，提高加热碳化温度至自燃的极限使之碳化。具有接近焦炭的燃烧性能的坑状生物质焦炭。由于这个技术以利用间伐材获得的再生燃料为目的而开发的，因此它克服了原来的耐水性差的生物质颗粒的缺点，将间伐材粉碎后作为原料制作了生物质焦炭，其特征是不需较多的能源可进行生产。

然而，作为间伐材再生为目的及解决耐水性问题的生物质燃料，虽然可用于焦炭炉，但是作为用途条件的与重油混烧时必须进行必要的粉碎，而加工较为困难。由于为了提高耐水性而需要提高密度减少表面积且个体较为强固，因而粉碎加工则较为困难。

发明内容：

生物质颗粒通常被称为“黑色颗粒”发明于欧盟和美国，当前注重环保的国家和森林王国正在使用类似的生物质焦碳的工艺规程生产生物质颗粒。由于生产颗粒是目的，因此，压力容器采用的是较小的φ6~8mm。

但是，加热条件同样是采取转窑，采用木材的自燃极限温度进行干燥，需要加热至180～200℃，为此，需要短时间内使温度达到目标温度的高温的热风。加压固化也相同所以需要较多的生产时间与能源消耗。其结果是由于碳化致使产品颜色变深（焦茶色）其耐水性得到提高，即使在雨季将它存放在户外数周后只相当于浸在水中1周左右的膨润程度。这个因碳化而变黑的颗粒即黑色颗粒解决了耐水性问题。

但是本发明有需要进一步解决的问题。由于采用了通过氧化炉加热干燥的方法，水分干燥的临界点很高直至自燃前到碳化直至干燥需要较长的时间即需要较多的能源。还有要抽出木材所含的油脂后进行固化的时间也较长。即所谓生产效率低，并且如果要进一步提高耐水性还需进行微粉碎，需要解决的问题与生物质焦炭的粉碎问题是相同的。

本发明的具体技术方案如下：

生物质颗粒的材料集成型制造方法，所述方法中采用将木材干燥时的燃烧所排出气体等用于还原加热干燥气或空气，通过将木材原料进行干燥并防止自燃（氧化燃烧），着火温度至少要达到220℃以上，因此将200℃以上的干燥木材进行压缩来制造生物质颗粒，并以提高其防水性为目的，采用了还原干燥法来进行生物质颗粒的制造方法。

进一步，所述方法中将粉碎木材从密封干燥容器的上部投入后，从中间部导出被干燥的木材，经过加压、加热后排出到中间部的下部，从堆积了被排出的高温颗粒的密封容器的下部压送冷却空气或空气后使得被排出的高温颗粒得到冷却以及使得从上部投入的含水分的木片原料得到还原加热干燥的目的，将具有节能效果的3个机能有效连接为特征的构造的生物质颗粒的制造法。

进一步，所述方法从材料投入口通过被密封的传送带，进行垂直配置的密封加热干燥炉的上部投料，在最上部的开口处有排出水分蒸汽的排放口，从炉内堆积的木片的下部引入被回收的加热空气，用重油或LPG（液化石油气）等燃烧木片屑，将燃烧气体插入干燥木材的下部进行还原加热，再从插入的下部引出干燥的木片，以至少5MPa～40MPa的加压和至少保持1分钟以上进行加压保持，将干燥炉中的堆积排放到连接在一起的密封容器，从容器内取出下部的制品，进而插入冷却空气进行颗粒的热回收。

根据需要为了进一步提高热效率可将制品取出进行保管，通过与保管密封罐的下部连接进行送风冷却的生物质颗粒的制造设备。

进一步，所述方法从垂直设置的干燥塔罐上部投入含水分的材料并使之堆积，再从下部通过还原的热风加热从下面进行干燥，把充分干燥加热后的材料进行加热固化后排到冷却塔罐，把所需的干燥能源从堆积在热回收塔罐的加热固化制品的最下部通过插入冷却空气进行回收，通过回收热被加热的空气从中间部被吸引后由于干燥木材所含的水分需要追加热能，所以就设置了用于加压所需的电力的发电设备和为了获得干燥木材用的排出气体所需的用于燃烧生产时所产生的废弃物和原料废渣用的锅炉设备。

根据需要设置的具有用于排热回收自发电装置的生物质颗粒制造设备。

本发明的有益效果如下：

由于该方法中应用防止自燃的还原炉可进行高温处理而增加了木材油脂成分的抽出，其效果是可使得颗粒的耐水性能高于黑色颗粒几倍以上，因而得到了具有高度耐水性能而节能且生产效率高的量产的效果。对于用于混烧的颗粒，需要采用的原料粒子的直径为1mm以下，通过调整颗粒的成形压力与时间后制造出粉碎容易的成形颗粒，混烧时通过采用颗粒送风用的特制的高速粉碎吸引风扇，将颗粒冲击粉碎后就可达到与重油燃烧时同样的瞬间燃烧的效果。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中生物质颗粒原料（木片）所需加工的说明图。

图2为本发明的基本构成的说明图。

图3为本发明中所涉及的设备图。

图4为本发明中所涉及的垂直配置的热回收干燥机示意图。

其中，

图1中所谓生物质颗粒的原料主要是采用大小约为2～3mm的被粉末化的，将含水量约为35%的原木加工为含水量约14%的干燥木片。在进行颗粒加工时抽出木材内在的油脂，将水分降低到数%以下的干燥度的状态下进行加压，将木片接合，排出气泡，形成碳化体的生物质颗粒。

图2中

1.将原木制成的粉碎原料中使得在②被热回收的高温空气将制品废料等进行燃烧，通过减少空气中氧量的“还原加热空气”进行干燥。

2.干燥后进行连续的挤出加压，固化后将④制品的冷却，及将热回收进行空气冷却，利用冷却空气进行燃烧加热后干燥。

图3中向自立型加热干燥罐提供原料的密封型材料供应传送带，引入消化废木料锅炉的排出热气（还原加热空气），取出干燥材料连续地进行加压固化，当制品排出后回收来自制品的排热气体，向密闭的制品储藏罐注入加压空气进行换热回收与木材干燥，最终排气基本达到常温并排出大量的水分的密闭构造的热功效最大化的设备。

图4中排热回收是从中部下部向上进行，在回收热风进行的过程中根据需要让木片或油进行燃烧，成为减少氧量的还原加热空气，在垂直式干燥罐的中部送入加热空气，以防止干燥的木材燃烧或快速碳化，自下向上进行必要的加热与干燥，排热回收冷却时利用材料的自由落体的垂直式的热交换干燥机。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，图1是构成本发明原点的日本等温带地区的种植的排名靠前的松树的的情况，以碎木片为例，为了加工成为耐水性优质的碳化颗粒，通过材料与最终制品的物性与碳化导致的固化的理论的概略。在此省略了作为原料的粉碎木片加工相关的说明。不论是天然原木，间伐材，建筑废弃材料其水分含量分别约为10～35%而其他的构造是相同的，适用于加工的木片（原料）粉碎为最大的粒子20～50MM，最小的则为2～3mm左侧为模型图示的加工前常温常压时所含的水分与油脂。

由于将原料作为燃料，就必须要除去不燃烧材料中的水分。一方面通过加热可除去水分。另一方面，所含的油脂类在木材干燥时被作为压缩粘结剂使用，因此必须将油脂材料溶出解析，温度越高熔融性与结合固化效果越大。但是，木材的着火温度为230℃ ，所以当水分蒸发后温度达到230℃时，木材就开始自燃。燃烧时与炭素和氢氧化物是最易燃烧的物质，因此发生了氧化燃烧。即，这样就开始了连锁的燃烧，这时碳也进行氧化燃烧。因此为了限制氧化燃烧的发生而将其干燥条件，高温干燥温度的加热限度规定为 180～200℃。

本发明是发明了将温度提高为200～230℃的加工方法。其结果是得到右侧的模型图示的密度为1.17，水分为1%以下，表观体积为1/8的生物质颗粒。已判明所得到的颗粒其耐水性优于黑色颗粒和生物质焦炭。其发明的原理是由于原来的干燥加热用的是转窑的氧化炉进行的干燥，在进行干燥时进行了氧化催化（促进燃烧发火），因此其临界温度为180～200℃。这个发明的特点是提高临界温度，进行碳化直至达到黑色。

参见图2，图2所示为本发明的构成。将从原木粉碎原料制造机器①输送过来的原料从堆积在自立型垂直固定的除水塔罐中的粉碎木材的空隙中通过～230℃的加热还原气体所构成的加热还原干燥机②与具有与垂直连接的有相同构造的对被固化的生物质颗粒进行的200℃的排热回收有垂直固定的冷却塔，并在连接部将被加热的干燥木材进行压缩加热的机械③设置连接后将制品从下部取出，从上部进行投料的构造，在中心部配置压缩机器，这样就确立了制作可进行高温处理而又具有很强的耐水性能的颗粒的技术，并且由于该机构具有热回收机构，还可成功地防止高温下的热失效，同时碳化养护时间也比原来的方法缩短，以此达到更好的热效率，达到节能地制造生物质颗粒的效果。

对于以前所发明的黑色颗粒或生物质焦炭常规焦炭有些必须要解决的问题。采用由氧化炉进行的加热干燥时，不能将水分的干燥极限设置得过高，因为进行干燥时易发生自燃，而为了获得耐水性必须以高温加热并在起火的临界点以下，这样就需要较多的用于干燥材料的能源。加之木材所含的油脂不能以高温抽取，因此进行固化就需要较大的压力与较长的时间，就是说生产效率很低。产品长期保管在户外更需要提高耐水性。另外，黑色颗粒可适用于煤炭炉，可是对于重油混烧炉，自动化炉则需要进行微粉碎的微粉末化，其难度与生物质焦炭一样。这些都是需要解决的问题。

图1，图2所示在进行木材的加热和干燥时构建了一个不充分供氧环境提供的燃烧气体，干燥木材堆积高度约为5～10米，将约230℃的燃烧气体以0.3～1m的秒速从底部插入，小粒子的木材约需1分钟，大粒子的木材约需10分钟就可在绝干的约在200～230℃防止自燃的情况下抽出接合油，再以2～20MPa的低压在短时间内进行固化，这样就可以节能且大规模地生产耐水性比黑色颗粒更好的生物质颗粒。

图3所示的生产设备是一种将通过垂直固定的除水塔的～230℃的加热还原气体的加热还原干燥机与垂直连接的具有同样构造的将从被固化的生物质颗粒回收到的约200℃热量的进行热回收的具有垂直固定的冷却塔，它将从连接部吸引来的排热回收加热空气导入进行废品及原料木屑燃烧的还原炉的上部送风，将被干燥的干燥木材引入压缩加热机械，使之生产颗粒后再返回热回收塔体，从最下部插入冷却空气进行排热热回收的节能设备。

如图3所示，材料以被粉碎的形态送入料斗，通过密封的传送带在干燥塔罐的上部投料，在干燥炉的顶部排出水蒸气与从下部注入回收制品排热的冷却空气，在中央部引出排热回收空气，形成生物质的碎屑等进行还原燃烧的约230℃的高温干燥气体，然后再次返回干燥塔罐，从中央部引出被充分加热干燥的木材粒子，通过机械方式螺杆的旋转进行连续加压和压力的压缩加压等加压手段，使得材料被固化为颗粒状后返回排热回收塔罐，使得木材水分蒸发所需的能源与加压所需的能源仅仅是黑色颗粒所需能源的1/10，另外还原炉具有自发电机能，因此所有的生产过程不需外加的能源与电力。

如图4所示，干燥及热回收条件是来自底部的冷却空气的温度与排出的水蒸汽的温度大致相同，高于外面空气温度的10～20℃，塔罐内的温度在中央部约为200～230℃逐并次降低。干燥冷却空气速度约为0.3～0.5M/s，1～2mm的粒子的生木材的含水量为35％，需要在1分钟达到200℃，因此塔罐的高度与干燥空气的速度是由含水量确定的。塔罐的高度一般10米的高度基本适用。然而，还原炉是必须密封的。

这样的生物质颗粒工厂的选址与用途被选择在原木栽培地是最合适的。如果以消费地附近的森林为对象进行生产或是在遥远的国际栽培地区进行生产时，只要能够保证其耐水性就可使得运输费和保管费下降，国际运费与消费地的高价的间伐材的利用可抵消，一样具有竞争力。即在劳动力高价的地区采伐原材料的设备的效率影响了成本的竞争力。

另一方面，作为生物质颗粒的木材的种植，适合在干燥地带种柳树，温带种松树，热带地区种桉树，无论哪个树种在种植后都可以其剪枝作为原料。此外，每个品种均可达到1～3公斤/平方米/每年，可在不适合种植粮食的任何地方种这些树。如果煤炭石油涨价，只要能大量提供这样的生物质燃料也可降低成本。作为生物质颗粒的原木材料，在日本栽种松树则栽培效率高，东南亚则栽培桉树较好，中国的沙漠地区种植柳树，实施例是以松树材料的成果进行的说明。其他材料也的情况也基本相同。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。