本發(fā)明屬于燃料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含有木質(zhì)素的生物質(zhì)燃料及其制備方法。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)資源化綜合利用的重要研究方向之一是將生物質(zhì)資源通過分離技術(shù)得到纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素，三者統(tǒng)稱為“三素”。木質(zhì)素是一種聚集體，結(jié)構(gòu)中存在多種極性基團，造成了很強的分子內(nèi)和分子間氫鍵，因此原本木質(zhì)素不溶于水和任何溶劑。木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中存在多種官能團，如芳香基、酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等，因而可以進行氧化還原、水解、酸解、光解、生物降解、酰化、磺化、鹵化、硝化、縮聚或者接枝共聚等許多化學(xué)反應(yīng)。木質(zhì)素單體間以碳-碳鍵和醚鍵隨機聚合，是一種復(fù)雜的非結(jié)晶性三維網(wǎng)狀高分子化合物，沒有嚴(yán)格的固定結(jié)構(gòu)。目前業(yè)界對于木質(zhì)素的確切結(jié)構(gòu)還尚未找到有效的分析表征手段。

在生物質(zhì)資源綜合利用以及造紙等產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥的處理通常包括沉淀、重力濃縮、脫水、干燥等。另外，干燥的污泥可進一步進行處理。作為處理的方式之一是將污泥進行焚燒，然而，焚燒會進一步產(chǎn)生環(huán)境污染，特別是大氣污染。

雖然生物質(zhì)污泥含有大量有機物，在燃燒時能夠產(chǎn)生一定的熱量，但是這些污泥的熱值較低，通常在500大卡至1000大卡之間，并不能達到作為燃料使用的程度。此外，生物質(zhì)污泥中含有大量不能燃燒的礦物雜質(zhì)等成分，即灰分?；曳趾康脑龃?，使單位質(zhì)量的可燃物質(zhì)的含量相對減少很多，相應(yīng)燃料的熱值減少就越多，并降低燃燒溫度，阻礙燃燒過程中的輻射傳熱，降低燃燒速度，包裹焦炭顆粒，阻礙氧氣向焦炭內(nèi)部擴散，增大機械不完全燃燒熱損失；并在燃燒過程中的熱泳、慣性碰撞、以及煙道、尾部換熱面的凝結(jié)，化學(xué)反應(yīng)過程中，增加受熱面與換熱面的積灰、磨損和腐蝕，使排煙飛灰熱焓增大等。因此，一般視灰分為生物質(zhì)燃料中的渣質(zhì)，增加運行費用。由于上述原因，目前為止，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有將污泥干燥后用于開發(fā)燃料的技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種含有木質(zhì)素的生物質(zhì)燃料，充分利用了生物質(zhì)資源處理得到的有機廢物，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益；本發(fā)明同時提供了含有木質(zhì)素的生物質(zhì)燃料的制備方法，科學(xué)合理、簡單易行。

本發(fā)明所述的含有木質(zhì)素的生物質(zhì)燃料，由如下重量份數(shù)的原料制成：

所述的秸稈輕灰的水分小于30wt％。

所述的含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥中秸稈輕灰的重量為10-600kg，以每噸絕干泥的重量計。

所述的纖維素泥中纖維素含量為40-60wt％，水含量為30-50wt％，灰分含量為1-10wt％。

本發(fā)明所述的含有木質(zhì)素的生物質(zhì)燃料的制備方法，步驟如下：

(1)向未脫水生物質(zhì)污泥中投加秸稈輕灰后進行螺旋壓榨脫水，得到脫水后含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥；

(2)將含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥、秸稈輕灰、纖維素泥和木質(zhì)素進行混合后，壓塊成型，即得。

步驟(1)中所述的未脫水生物質(zhì)污泥的水含量為80-99wt％。

步驟(1)中所述的含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥干度大于35wt％。

在長期的工作實踐中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在生物質(zhì)污泥的燃燒過程中，少量的灰分對燃燒有催化作用(石英砂除外)，有助于加強有焰燃燒與相間的能量傳輸，還能防止有害氣體排放。另外，通過與秸稈輕灰混合能夠提高所得生物質(zhì)燃料的熱值(燃燒值)，再加入特定量木質(zhì)素和纖維素泥利用其粘結(jié)性、分散性、螯合性提高可燃性。從而在避免生物質(zhì)污泥污染的同時，充分利用其中的熱值制成生物質(zhì)燃料。

所述的纖維素泥為三素分離后得到的富含有機物的污泥。木質(zhì)素原液含有的固形物(細小纖維素，即碎漿)在三級分離中加入氫氧化鈣沉淀過濾壓榨，得到纖維素泥餅；半纖維液含有的固形物(細小纖維素，即碎漿)在廢水處理系統(tǒng)經(jīng)過微濾機過濾，得到纖維素濾渣。纖維素泥餅和纖維素濾渣混合后，即為纖維素泥。

所述的生物質(zhì)污泥是指在生物質(zhì)資源綜合利用過程中，由污水處理工藝三個階段產(chǎn)生三種污泥經(jīng)混合、濃縮、絮凝、脫水后產(chǎn)生的污泥，含水率通常為40％-65％，有機物含量高(通常為60％-80％)，粘度為1cp-30cp。預(yù)處理階段在一沉池產(chǎn)生初級污泥，生化處理階段在二沉池產(chǎn)生剩余活性污泥，深度處理階段在三沉池產(chǎn)生化學(xué)污泥。這些污泥主要由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。本領(lǐng)域已知，作為污泥的固體成分含量及組成會因原料來源及處理方式不同而不同，但這些含量及組成不會影響本發(fā)明技術(shù)方案的實施及本發(fā)明效果的實現(xiàn)。

所述的生物質(zhì)污泥在未脫水之前其主要特性是含水率高(通常為80％至99％)，有機物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細，比重較小，呈膠狀液態(tài)。它是介于液體和固體之間的濃稠物，可以用泵運輸，但它很難通過沉降進行固液分離。

所述的初級污泥是指半纖維素液中懸浮物通過預(yù)處理階段加入聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺，在初沉池(或一沉池)沉淀產(chǎn)生的污泥，因此主要由木質(zhì)纖維和無機物組成(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、氫氧化鋁、氯化鋁)，有機C(碳)含量大約在40％。

所述的剩余活性污泥是指半纖維素液在生化處理階段發(fā)生厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的厭氧活性污泥(本文中有時也稱作“顆粒污泥”)和好氧反應(yīng)產(chǎn)生的好氧活性污泥，主要由有機物組成(微生物群體、微生物代謝產(chǎn)物、不能被微生物降解的有機物)，N、P(氮、磷)含量較高，因為在污水處理系統(tǒng)中通常要加入N、P，以促進C的生物降解。

所述的化學(xué)污泥是指生化處理后的廢水利用化學(xué)方法去除不易被生物降解的污染物時產(chǎn)生的污泥，因為在深度處理中通常要加入凈水劑(主要成分聚合硫酸鐵)或芬頓試劑(主要成分含硫酸亞鐵、雙氧水)，以促進污染物的化學(xué)反應(yīng)，所以主要由無機物組成(氫氧化鐵、硫酸鐵、無機碳)。

所述的秸稈輕灰是秸稈切割處理時作為下腳料的廢棄物，水分小于30wt％，例如，小于25wt％、20wt％或者10wt％，甚至更低例如，5wt％、3wt％或1wt％。作為秸稈輕灰的形狀沒有特別限定，可為短桿狀、片狀、粒狀、粉末，或者這些形狀的組合等。在顆粒的情況下，其粒徑長度小于20mm，優(yōu)選小于10mm，更優(yōu)選小于8mm，還優(yōu)選小于6mm，例如5mm、3mm等。從秸稈來源的角度，優(yōu)選選自玉米稈、小麥稈、大麥稈、谷物稈、蘆葦稈、亞麻莖、雜草、豆類秸稈、棉花稈或薯類秧中的一種或幾種，優(yōu)選小麥稈。從資源綜合利用的角度，優(yōu)選的，作為下腳料的秸稈輕灰為粒徑小于10mm的非均勻的顆粒碎末，長期以來被作為廢料處理，或者即使被回收也只是用作顆粒飼料或用于進一步處理加工為肥料，完全沒有從綜合利用的角度將其與生物質(zhì)污泥混合用于制備生物質(zhì)燃料。因此，本發(fā)明具有預(yù)料不到的效果。

所述的木質(zhì)素為固態(tài)：含水量≤5％，生化木素含量＞80％，羥甲基＞18％，酚羥基大于1.5％，常溫常壓下溶解度25g/100g水-35g/100g水；也可以直接使用噴霧干燥之前的液態(tài)木質(zhì)素，含水量≤65％，生化木素含量＞80％，羥甲基＞18％，酚羥基大于1.5％。從燃料含水率的角度考慮，優(yōu)選固態(tài)木質(zhì)素。本發(fā)明中使用的木質(zhì)素純度高，利用電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的球核型聚集結(jié)構(gòu)經(jīng)復(fù)合后變?yōu)樗品涓C狀的富孔結(jié)構(gòu)，三種基本單元結(jié)構(gòu)如圖1。

本領(lǐng)域技術(shù)人員會因生物質(zhì)污泥各組成及其含量的不同而適當(dāng)調(diào)整秸稈輕灰的添加量。含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥中秸稈輕灰是基于每噸絕干泥的重量而進行的添加的。該添加量是根據(jù)污泥調(diào)制池的污泥(即從濃縮池進入調(diào)制池的污泥)濃度計算的，污泥濃度就是污泥中固體物的含量。絕干泥是污泥在干燥后所得的固體物。

在螺旋壓榨脫水之前進行生物質(zhì)污泥調(diào)質(zhì)，生物質(zhì)污泥絮凝，將生物質(zhì)污泥和聚丙烯酰胺陽離子溶液(濃度為0.05％以上至0.2％以下)混合，預(yù)脫水處理。關(guān)于上述各步驟的具體處理條件是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體條件而確定的。

污泥調(diào)質(zhì)在調(diào)質(zhì)池中進行，其作用是混勻污泥濃縮池送來的污泥，保證污泥脫水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行；污泥絮凝在罐中進行，其作用是攪拌混勻藥劑和污泥使之產(chǎn)生絮凝。優(yōu)選的，使用雙螺旋濃縮機對絮凝后污泥預(yù)脫水使之出泥干度＞10％。優(yōu)選的使用螺旋壓榨脫水機來對預(yù)脫水后污泥進一步提高干度，確保污泥脫水系統(tǒng)運出的污泥干度＞35％。

通過螺旋壓榨脫水機，例如單軸螺旋壓榨脫水機或雙軸螺旋壓榨脫水機進行螺旋壓榨脫水步驟。螺旋壓榨脫水機可使用目前市場上銷售的任何螺旋壓榨脫水機。當(dāng)出泥干度＜35％，向污泥調(diào)質(zhì)池中加入秸稈輕灰，攪拌10至100分鐘，優(yōu)選30分鐘混合均勻，投加量根據(jù)出泥干度進行調(diào)整(每噸絕干污泥中秸稈輕灰重量含量為10％至20％，例如16％)。啟動污泥脫水輸送泵和加藥泵，污泥送入絮凝罐，經(jīng)過絮凝后進入雙螺旋濃縮機，隨后進入螺旋壓榨脫水機，螺旋壓榨脫水機運行頻率通常需要＞30Hz。

從運行效果來看秸稈輕灰按一定比例加入污泥調(diào)質(zhì)池，沒有影響污泥絮凝效果，對雙螺旋濃縮機預(yù)脫水同樣沒有影響，能夠有效增加污泥中纖維含量，提高污泥在螺旋壓榨脫水機中摩擦力。從而保證污泥脫水系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，外運的污泥干度＞35％，避免裝卸污泥時產(chǎn)生污水滴灑在路面影響環(huán)境衛(wèi)生。秸稈輕灰本身是下腳料處理，現(xiàn)作為提高污泥干度使用，減少單獨處理費用，而且將秸稈輕灰加到污泥中，提高了污泥的熱值，后期污泥壓塊可作為生物質(zhì)燃料使用。

在螺旋壓榨脫水之后得到的生物質(zhì)污泥干度大于35wt％。在現(xiàn)有技術(shù)中，減小螺旋壓榨脫水機運行頻率提高出泥干度，往往達不到工藝指標(biāo)35wt％，干度只能提高到30wt％。本發(fā)明的方法得到的生物質(zhì)污泥干度大于35wt％。

一沉池絕干污泥灰分50％，二沉池絕干污泥灰分≤30％，三沉池絕干污泥灰分≤75％，絕干生物質(zhì)污泥灰分≤55％；秸稈灰分3-7％。

生物質(zhì)燃料可制備為任何形狀。例如，通過壓實處理制備為壓塊。具體地，生物質(zhì)壓塊可為任何形狀，包括，但不限于長條狀，例如圓形長條狀，方形長條狀等；橢圓球狀；顆粒狀等。優(yōu)選圓形長條狀，因為表面積大，規(guī)格：長度40-60mm，直徑6-10mm。

壓塊處理可使用本領(lǐng)域已知的任何機械裝置進行。壓塊后生物質(zhì)燃料的堆積密度優(yōu)選0.8-1.4g/cm³，再優(yōu)選0.9-1.3g/cm³，更優(yōu)選1.0-1.2g/cm³，最優(yōu)選1.1g/cm³。

本發(fā)明制得的生物質(zhì)燃料的低位熱量為2500kcal/kg至5000kcal/kg之間，優(yōu)選3000kcal/kg至4500kcal/kg，更優(yōu)選3500kcal/kg至4000kcal/kg。生物質(zhì)燃料的灰分通?？刂圃?-10wt％，優(yōu)選控制在5.5-9.5wt％，更優(yōu)選控制在6-9wt％，進一步優(yōu)選控制在7-8wt％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

本發(fā)明的生物質(zhì)燃料充分利用了生物質(zhì)資源處理得到的有機廢物(生物質(zhì)污泥、秸稈輕灰、纖維素泥)，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。此外，將秸稈輕灰等植物材料加到未脫水污泥中，可提高脫水后污泥的熱值，由于秸稈輕灰等植物纖維混合在污泥中，增加了預(yù)脫水后的污泥在螺旋壓榨脫水機中摩擦力，進而可以加大螺旋壓榨脫水機運行頻率，有效提高機器的運行效率和出泥干度。

本發(fā)明的燃料還具有以下特征：

高燃燒值：添加木質(zhì)素和纖維素泥用于生物質(zhì)燃料制備，利用其粘結(jié)性、分散性、螯合性，提高對燃料的分散能力，增加燃料的發(fā)熱率和利用率，大大降低燃料灰中的含生物質(zhì)量，同時減少搭橋和結(jié)塊，提高爐體壽命。

多孔結(jié)構(gòu)：添加秸稈輕灰可以減小復(fù)合型污泥燃料密度，增加燃料內(nèi)部微孔和表面積，使污泥燃料更容易燃燒。

致密性：本發(fā)明中的生物質(zhì)污泥，含有細胞外聚合物(主要是多糖和蛋白質(zhì)等)，有機物中微生物形成的菌團與其吸附的有機物和無機物(少量的粘土，相當(dāng)于生物質(zhì)中的灰分)，形成一個穩(wěn)定的膠體分散系統(tǒng)，有很強的粘結(jié)性。這是污泥脫水的大難題，而用于生物質(zhì)燃料成型，則是一種極佳的復(fù)合型粘結(jié)劑。干度＞35％(含水率＜65％)的生物質(zhì)污泥粘度為1cp-30cp。

環(huán)保性：生物質(zhì)污泥中含有氫氧化鋁、氯化鋁、氫氧化鐵、硫酸鐵，盡可能抑制燃燒過程中硫、重金屬離子等的釋放，將污染物盡可能固定在殘渣中，防止有害氣體排放，特別是酸性氣體。

附圖說明

圖1是木質(zhì)素的三種基本單元結(jié)構(gòu)；圖中，左邊為愈瘡木基木質(zhì)素，中間為紫丁香基木質(zhì)素，右邊為對-羥基苯基木質(zhì)素。

圖2是本發(fā)明的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1

原料組成如下：

秸稈輕灰為小麥稈。

木質(zhì)素為固態(tài)：含水量3％，生化木素含量85％，羥甲基25％，酚羥基5％，常溫常壓下溶解度30g/100g水。

纖維素泥中纖維素含量為50wt％，水含量為45wt％，灰分含量為5wt％。

制備方法如下：

(1)向未脫水生物質(zhì)污泥中投加秸稈輕灰后進行螺旋壓榨脫水，得到脫水后含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥；

(2)將含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥、秸稈輕灰、纖維素泥和木質(zhì)素進行混合后，壓塊成型，即得。

其中，未脫水生物質(zhì)污泥的水含量為94wt％；含有秸稈輕灰的生物質(zhì)污泥中秸稈輕灰的重量為160kg，以每噸絕干泥的重量計。

實施例2

原料組成如下：

秸稈輕灰為小麥稈。

木質(zhì)素為固態(tài)：含水量3％，生化木素含量85％，羥甲基25％，酚羥基5％，常溫常壓下溶解度30g/100g水。

纖維素泥中纖維素含量為50wt％，水含量為45wt％，灰分含量為5wt％。

制備方法同實施例1。

實施例3

原料組成如下：

秸稈輕灰為小麥稈。

木質(zhì)素為固態(tài)：含水量3％，生化木素含量85％，羥甲基25％，酚羥基5％，常溫常壓下溶解度30g/100g水。

纖維素泥中纖維素含量為50wt％，水含量為45wt％，灰分含量為5wt％。

制備方法同實施例1。

具體操作步驟如下：

生物質(zhì)燃料試驗基地：安徽格義循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園有限公司顆粒車間；

壓塊機廠家河南德潤鍋爐有限公司，型號HMB系列生物質(zhì)成型機。

1、污泥調(diào)質(zhì)池：建造位置在污泥脫水機房一樓，規(guī)格長4m×寬4m×高3.5m，正上方在二樓位置留有直徑1.5m圓孔。

2、污泥脫水輸送泵功率7.5kW、流量70m³/h、揚程22m；陽離子PAM(廠家：江蘇富淼科技股份有限公司，型號：瑞力水清3810DF)加藥泵功率3kW、流量8m³/h、揚程60m。

3、陽離子PAM(聚丙烯酰胺)配藥槽規(guī)格直徑2m、高度2m；污泥絮凝罐規(guī)格直徑1.53m、高度2.2m。

4、污泥調(diào)質(zhì)池污泥量只有15％時，根據(jù)螺旋壓榨脫水機出泥干度適量加入第一量秸稈輕灰(小麥稈)，投加量如表1污泥脫水工藝運行數(shù)據(jù)。秸稈輕灰投加完成后，從污泥濃縮池向污泥調(diào)質(zhì)池進泥至液位50％，打開攪拌器攪拌30分鐘方可啟動設(shè)備。

5、雙螺旋預(yù)濃縮機規(guī)格直徑0.65m、長度6m；螺旋壓榨脫水機規(guī)格直徑1m、長度10m；膠帶輸送機寬度0.65m、長度9m。

表1污泥脫水工藝運行數(shù)據(jù)

6、螺旋壓榨脫水機運行頻率與處理污泥調(diào)質(zhì)池污泥量關(guān)系，見表2設(shè)備頻率與處理污泥量關(guān)系。

表2設(shè)備頻率與處理污泥量關(guān)系

7、污泥脫水開機運行：

(1)污泥操作工完成開機前檢查與準(zhǔn)備，污泥操作工通知中控依次打開雙螺旋預(yù)濃縮機、噴淋水、濾網(wǎng)清洗泵、污泥絮凝罐攪拌器、污泥脫水輸送泵、陽離子PAM加藥泵。

(2)雙螺旋預(yù)濃縮機開始向螺旋壓榨脫水機料倉進泥，通知中控依次打開2#膠帶輸送機、1#膠帶輸送機、螺旋壓榨脫水機。

(3)若螺旋壓榨脫水機出泥干度不符合工藝指標(biāo)(干度＜35％)，則按表1向污泥調(diào)質(zhì)池投加適量輕灰后，攪拌30分鐘方可開機繼續(xù)運行。

8、向脫水的生物質(zhì)污泥投加第二量秸稈輕灰、纖維素泥和木質(zhì)素，混合攪拌均勻。

9、接下來，使用河南德潤鍋爐有限公司的秸稈壓塊機壓塊制成生物質(zhì)燃料塊。結(jié)果見表3。

表3第二量秸稈輕灰的投加量以及生物質(zhì)燃料塊的灰分、熱值和密度

注：熱值測量采用國標(biāo)GB/T213-2008《煤的發(fā)熱量測定方法》進行。