棉秆芯生物质压缩燃料及其制备方法及棉秆的综合利用方法

摘要

本发明属于生物质燃料及其制备技术领域，具体公开了一种棉秆芯生物质压缩燃料，其中棉秆芯含量为85％～90％，燃料的压缩密度为1100～1400kg/m

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体燃料及其制备和一种植物材料的综合利用方法，尤其涉及一种基于植物物质的固体燃料及其制备和一种农作物秸秆的综合利用方法。

背景技术

棉花是一年生半木本植物。棉花秸秆(以下简称棉秆)是指去掉叶、根部及棉桃的棉花茎秆。棉秆由棉秆皮和棉秆芯两部分构成，其中棉秆皮占25％，棉秆芯占75％。从棉秆的生物质工业分析来看，水分6.87％，灰分3.97％，挥发分68.54％，固定碳20.71％。棉秆的灰分比其他农作物秸秆低的多(如稻草为13.86％，麦秸为8.9％)，棉秆的灰分和阔叶林的杨树接近，灰分少则产生的热量多，燃烧的温度高。棉秆的固定碳为20.71％，高出其他的农作物秸秆，甚至高于杨木、柳木、松木等木材，而固定碳含量高的生物质更加抗烧，热值较高。棉秆的挥发分和其他农作物秸秆相似。从棉秆的化学性质来看，在自然风干状态下，其高位热值17.37MJ/kg，低位热值为15.99MJ/kg，也高于其他农作物秸秆。从棉秆的物理性质来看，其容积密度为63kg/m³，比其他农作物秸秆高。棉秆的机械强度、棉秆的导热系数均高于其他农作物秸秆。从以上分析可见，棉秆同其他农作物秸秆相比，是一种较好的生物质燃料。

目前对于棉秆在生物质能的利用上，主要是将其粉碎作为工业锅炉的燃料，如利用棉秆直接燃烧发电、供暖等。由于棉秆在构造上的特征，直接作为锅炉燃料使用，存在以下问题和困难：第一，棉秆和其他农作物秸秆一样，密度小、体积大，给其收集、运输、贮存带来许多困难，如运输成本高，贮存占地大，防火费用大；第二，对锅炉设备要求比较高；棉秆和其他农作物秸秆一样，水分和挥发分较高，热值、灰分熔点较低，灰分在高温下变成熔融状态后会黏结成难以消除的大渣块，同时秸秆中碱金属含量较高，容易对锅炉造成腐蚀；第三，由于棉秆同其他秸秆一样具有热值低的缺陷，要提高热效率则须加大锅炉的容量，同时燃料输送系统构造复杂，技术要求高，我国现有的大型生物质发电设备均需进口，价格相对昂贵，这也导致我国现有的直接将棉秆粉碎作燃料发电的企业大多处于亏损状态，其原因正是由于建厂初期投入大、机组热效率低、燃料成本高；第四，将棉秆直接粉碎作燃料，没有充分考虑棉秆不同部位的不同特点和功能，未实现物尽其用，尤其是将棉秆皮这一宝贵的工业生产原料燃烧掉，浪费了资源；第五，由于棉秆中棉秆皮韧皮纤维的存在，这也使得棉秆粉碎较为困难，难以压缩成型。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种热效率高、灰分少、污染少、成本低、对锅炉损害小且便于运输和贮存的棉秆芯生物质压缩燃料，还相应提供一种工艺效率高、产品质量好、生产成本低、设备投入小的棉秆芯生物质压缩燃料的制备方法，还提供一种节能减排、能大大提高废弃资源综合利用率的棉秆的综合利用方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种棉秆芯生物质压缩燃料，其特征在于：所述生物质压缩燃料中棉秆芯含量为85％～90％，所述棉秆芯的长度在5mm以下，所述生物质压缩燃料的压缩密度为1100～1400kg/m³，所述生物质压缩燃料的松弛密度为700～900kg/m³；所述生物质压缩燃料的含水率为8％～12％。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种棉秆芯生物质压缩燃料的制备方法，包括以下步骤：以含水率在12％以下的棉秆为原料，采用棉秆皮芯分离机对所述棉秆的棉秆皮和棉秆芯进行分离处理(皮芯分离率一般要达到90％以上)，将分离后得到的碎料状棉秆芯粉碎至5mm长度以下，然后对粉碎后的棉秆芯进行压缩成型，压缩成型时的压力控制在70～100MPa，压缩成型后进行冷却、包装(一般冷却到30℃以下即可)，得到便于贮存和运输的棉秆芯生物质压缩燃料。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种棉秆的综合利用方法，包括以下步骤：以含水率在12％以下的棉秆为原料，采用棉秆皮芯分离机对所述棉秆的棉秆皮和棉秆芯进行分离处理(皮芯分离率一般要达到90％以上)，分离后得到碎料状棉秆芯和带状棉秆皮(棉秆芯的纯净率一般也要达到90％以上)；将所述棉秆皮整理后进行后续脱胶处理，棉秆皮经脱胶后生成的棉秆皮纤维用作纺织工业的原料，处理后的棉秆皮纸浆用作造纸生产原料；同时将所述棉秆芯粉碎至5mm长度以下，然后对粉碎后的棉秆芯进行压缩成型，压缩成型时的压力控制在70～100MPa，压缩成型后进行冷却、包装(一般冷却到30℃以下即可)，得到便于贮存和运输的棉秆芯生物质压缩燃料。

上述各技术方案的提出是以我们长期对棉秆结构及成分的研究为基础。棉秆经过适当分离处理后可得到棉秆皮和棉秆芯。棉秆皮含纤维素42.2％、半纤维素18.11％、木质素18.95％，纤维平均长度2.26mm，长宽比为113，壁腔比为2.7，柔性系数为20.9，可见棉秆皮实质上是一种优质的纸浆生产原料，处理后的棉秆皮纸浆可用于生产牛皮纸、高强度包装纸、纸板等产品。棉秆皮经脱胶后生成棉秆皮纤维，棉秆皮纤维的物理机械性能指标为：纤维细度1.86tex，断裂强度42.53CN/tex，断裂伸长率4.18％，标准回潮率9.68％。可见，棉秆皮纤维是一种韧皮纤维，其具有麻类纤维的特性，是一种优质的纺织原料。棉秆芯的木质素含量较高(为21.19％)，其有利于成型燃料颗粒之间的胶接，提高成型块的黏结强度；且棉秆芯的灰分为1.56％，低于棉秆皮(约5.32％)，热效率更高；同时棉秆芯中不含有腊质，不含有碱金属，这都减少了燃料对锅炉系统的侵蚀。因此，本发明充分考虑了棉秆的结构组分及其特点，并在真正意义上实现了棉秆的分类回收、综合利用、变废为宝，大大提高了棉秆的附加值，这也克服了长期以来人们直接将棉秆作为一个整体进行粉碎、回收、利用所出现的种种弊端，大大提高了农作物秸秆资源的综合利用率。

上述技术方案中的棉秆皮芯分离机优选采用CN200996061Y号中国专利文献中公开的棉秆皮芯分离机，其不仅能够成功地实现棉秆皮和棉秆芯的机械化分离，而且能够更好地保证棉秆皮芯的分离率和产物的纯净率。考虑到棉秆皮芯分离的加工要求及对后续分离产物品质要求，我们要求棉秆原料的含水率要求在12％以下，在干燥地区可将棉秆直接自然风干至该含水率，其他地区可采用常规方法对棉秆进行干燥处理。经过棉秆皮芯分离后的棉秆皮与棉秆一般等长，约为40～60cm，且成顺直带状，而分离后的棉秆芯成碎料状，长度约为5～30mm。

上述的方法中，所述的压缩成型步骤优选是采用常温压缩成型工艺、热压成型工艺或者预热压缩成型工艺。

上述的方法中，所述的常温压缩成型工艺优选是指利用生物质成型机将所述棉秆芯压制成粒状、棒状或块状，成型前控制棉秆芯含水率为15％～20％，成型压力优选控制在80～100MPa，压缩时间控制在8～10s，成型后产品的含水率为8％～12％。

上述的方法中，所述的热压成型工艺优选是指利用生物质成型机将所述棉秆芯压制成粒状、棒状或块状，成型前控制棉秆芯含水率为12％～15％，成型压力优选控制在70～75MPa，成型时同时对成型用模具进行加热，使其中的棉秆芯温度控制在140℃～170℃，热压时间控制在40～50s，成型后产品的含水率为8％～12％。在热压成型中，棉秆芯中的木质素在温度升至160℃时，开始熔融形成胶体物质，起到了粘合剂的功能。热压成型工艺还能使产品外部表面碳化，增强其抗跌碎性和抗渗水性。

上述的方法中，所述的预热压缩成型工艺优选是指先将粉碎后的棉秆芯置于一预热器中进行加热，预热前控制棉秆芯含水率为12％～15％，预热温度为140℃～170℃，然后将预热后的棉秆芯送入成型用模具中，同时利用生物质成型机将棉秆芯压制成粒状、棒状或块状，成型压力优选控制在70～75Mpa，成型时所述成型用模具的温度优选控制在180℃～200℃，热压时间控制在30～40s，成型后产品的含水率为8％～12％。

在上述优选的三种压缩成型工艺中，根据棉秆芯加工的特点，最优选的是采用预热压缩成型工艺，该预热压缩成型工艺中，先使棉秆芯中的木质素在预热到160℃时开始熔融形成胶体物质，起到了粘合剂的功能；随后的热压成型使产品外部表面碳化，增强了其抗跌碎性和抗渗水性；同时由于对棉秆芯原料进行了预热，在后续热压成型中减少了棉秆芯原料与成型用模具的摩擦作用，不仅可以减少压缩成型时间(同样压力的情况下)，提高所述生物质成型机的工作效率，而且还可延长成型用模具的使用寿命。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明首先提供了一种标准型的清洁燃料。本发明的棉秆芯生物质压缩燃料是一种具有特定形状(根据用户需求)、密度较大的固体燃料，其热效率高，灰分少，污染少，对锅炉无损害，且便于运输和贮存，对发展绿色能源、清洁能源及实施节能减排都有重要的现实意义。

2、本发明的棉秆芯生物质压缩燃料更有利于锅炉的国产化，有效降低企业的生产设备成本及前期投入。普通的生物质燃料由于热值低、容积小、灰熔点低等特点，对锅炉及其原料输送上料系统的要求高，这导致我国的生物质燃料发电设备都主要从国外进口，价格昂贵，建设投资大，设备维修困难。而本发明的棉秆芯生物质压缩燃料作为密度较大的固体成型燃料，能够代替煤炭用作普通工业锅炉的燃料，而且由于燃料中不含棉秆皮，燃料中的灰分含量由原来的4.7％降低为1.56％左右，减小了对锅炉设备的侵蚀，燃煤锅炉稍加改造就可以使用本发明的生物质压缩燃料，这为我国生物质燃料锅炉设备的国产化创造了有利条件。

3、本发明的方法大大提高了棉秆的附加值，产品的应用领域大大拓宽。本发明的方法是将棉秆皮和棉秆芯先行分离再进行利用，将棉秆芯用于生产生物质压缩燃料，该棉秆芯生物质压缩燃料不仅可以用作工业锅炉的燃料，也可广泛用于农村取暖、热水供应、大棚升温和农副产品烘干等，还可作碳化处理，生产木碳和活性碳等。而同时得到的棉秆皮则可用于纺织或生产纸浆的生产原料，这使得棉秆的附加值大大增加。

4、本发明的方法有效解决了直接将棉秆粉碎作燃料存在的各种问题，由于先期进行了皮芯分离处理，这使得棉秆的后续粉碎、压缩成型都更加容易，大大缩短了工艺时间，提高了生产效率和产品质量。

5、本发明的经济效益明显，大大提高了企业的盈利能力。我们以一吨棉秆为例，其收购价格为200元，可生产棉秆皮250kg和棉秆芯750kg，作为纸浆原料，250kg棉秆皮的价格是500元(棉秆皮用作纸浆原料的收购价格约为2000元/吨)，而按照本发明的工艺分离、生产棉秆皮的成本约为100元/吨，因此副产品的增值收益可显著降低成型燃料的生产成本，再加上国家对秸秆类能源生产企业的财政补贴，此类企业可真正实现扭亏为盈。

具体实施方式

实施例1：

一种棉秆的综合利用方法，包括以下步骤：

1、原料预处理：将除掉棉根、棉叶和棉籽的棉秆先进行风干，风干至含水量在12％以下，保证棉秆的脆性，易于折断，为下一步的棉秆皮芯分离作准备；

2、棉秆皮芯分离：将经过预处理后的棉秆用棉秆皮芯分离机进行加工，加工后皮芯分离率达到90％以上，分离得到的棉秆皮与棉秆等长，呈顺直带状；分离后的棉秆芯呈碎料状，纯净率在90％以上，棉秆芯的长度为5～30mm；

3、棉秆皮的回收利用：将棉秆皮芯分离后的棉秆皮收集、整理、包装，运离生产现场用作纺织和造纸的原料；

4、棉秆芯粉碎：利用粉碎机将棉秆皮芯分离后的棉秆芯进一步粉碎至长度在5mm以下；

5、常温压缩成型：将粉碎后的棉秆芯原料的含水率控制在20％，采用常温液压成型机加工，成型压力为85MPa，成型模具为Φ100X100mm，压缩时间为8～10s，成型后每块压缩燃料重4.8～6kg，含水率约为10％；

6、冷却、包装：对成型后的压缩燃料进行自然冷却，当压缩燃料温度低于30℃时进行包装，得到成品。

经过上述步骤生产的棉秆芯生物质压缩燃料中棉秆芯的含量为85％～90％，棉秆芯的长度在5mm以下，压缩燃料的压缩密度为1400kg/m³，松弛密度为840kg/m³，含水率约为10％，压缩燃料的体积缩小十倍以上，非常便于储存和运输。经测试，本实施例的棉秆芯生物质压缩燃料的热效率为36.7％，是普通棉秆燃料(21.5％)的1.71倍；该棉秆芯生物质压缩燃料的灰分含量为1.56％，仅为普通棉秆燃料(4.7％)的约1/3。

实施例2：

一种棉秆的综合利用方法，包括以下步骤：

1、原料预处理：将除掉棉根、棉叶和棉籽的棉秆先进行风干，风干至含水量在12％以下，保证棉秆的脆性，易于折断，为下一步的棉秆皮芯分离作准备；

2、棉秆皮芯分离：将经过预处理后的棉秆用棉秆皮芯分离机进行加工，加工后皮芯分离率达到90％以上，分离得到的棉秆皮与棉秆等长，呈顺直带状；分离后的棉秆芯呈碎料状，纯净率在90％以上，棉秆芯的长度为5～30mm；

3、棉秆皮的回收利用：将棉秆皮芯分离后的棉秆皮收集、整理、包装，运离生产现场用作纺织和造纸的原料；

4、棉秆芯粉碎：利用粉碎机将棉秆皮芯分离后的棉秆芯进一步粉碎至长度5mm以下；

5、热压成型：将粉碎后的棉秆芯原料的含水率控制在15％，采用生物质成型机和热压成型工艺进行加工，即棉秆芯原料在成型用模具中加压的同时，对模具进行电加热，模具温度控制在230℃～270℃，使模具内的棉秆芯内部温度达到140℃～170℃，成型压力为70MPa，每块燃料的热压时间为40s，成型模具为Φ140X120mm，成型后每块压缩燃料重12～16kg，含水率在10％左右；

6、冷却、包装：对成型后的压缩燃料进行自然冷却，当压缩燃料温度低于30℃时进行包装，得到成品。

经过上述步骤生产的棉秆芯生物质压缩燃料中棉秆芯的含量为85％～90％，棉秆芯的长度在5mm以下，其压缩密度为1200kg/m³，其松弛密度为790kg/m³，含水率约为10％，压缩燃料的体积缩小十倍以上，非常便于储存和运输。经测试，本实施例的棉秆芯生物质压缩燃料的热效率为36.7％，是普通棉秆燃料(21.5％)的1.71倍；该棉秆芯生物质压缩燃料的灰分含量为1.56％，仅为普通棉秆燃料(4.7％)的约1/3。

实施例3：

一种棉秆的综合利用方法，包括以下步骤：

1、原料预处理：将除掉棉根、棉叶和棉籽的棉秆先进行干燥，干燥至含水量在12％以下，保证棉秆的脆性，易于折断，为下一步的棉秆皮芯分离作准备；

2、棉秆皮芯分离：将经过预处理后的棉秆用棉秆皮芯分离机进行加工，加工后皮芯分离率达到90％以上，分离得到的棉秆皮与棉秆等长，呈顺直带状；分离后的棉秆芯呈碎料状，纯净率在95％以上，棉秆芯的长度为5～30mm；

3、棉秆皮的回收利用：将棉秆皮芯分离后的棉秆皮收集、整理、包装，运离生产现场用作纺织和造纸的原料；其中处理后的棉秆皮纸浆用于生产纸板产品，而棉秆皮经脱胶后生成的棉秆皮纤维用于纺织工业的原料；

4、棉秆芯粉碎：利用粉碎机将棉秆皮芯分离后的棉秆芯进一步粉碎至长度5mm以下；

5、预热压缩成型：将粉碎后的棉秆芯原料的含水率控制在15％，在原料进入生物质成型机压缩之前，先将粉碎后的棉秆芯置于一预热器中用电热或燃油加热，预热温度为140℃～170℃，使棉秆芯中所含的木质素软化，起到黏结剂的作用；然后将预热后的棉秆芯送入成型用模具中，同时利用生物质成型机将棉秆芯压制成棒状，成型压力控制在70MPa，成型时成型用模具的温度控制在180℃～200℃，热压时间控制在30s，成型模具为Φ140X120mm，成型后每块压缩燃料重12～16kg，含水率在10％左右；

6、冷却、包装：对成型后的压缩燃料进行自然冷却，当压缩燃料温度低于30℃时进行包装，得到成品。

经过上述步骤生产的棉秆芯生物质压缩燃料中棉秆芯的含量为85％～90％，棉秆芯的长度在5mm以下，该生物质压缩燃料的压缩密度为1150kg/m³，松弛密度为770kg/m³，含水率为10％，压缩燃料的体积缩小十倍以上，非常便于储存和运输。经测试，本实施例的棉秆芯生物质压缩燃料的热效率为36.7％，是普通棉秆燃料(21.5％)的1.71倍；该棉秆芯生物质压缩燃料的灰分含量为1.56％，仅为普通棉秆燃料(4.7％)的约1/3。