一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料的制备方法及其应用

本发明涉及一种煤矸石基生物炭燃料的制备方法及其应用，属于环境治理领域。

背景技术：

1、煤矸石(cg)是煤炭开采和洗选过程中废弃的副产品，占煤炭产量的10％～15％，是目前最大的工业副产品之一。它不仅占用了大量的土地资源，还存在自燃、空气污染、地下水污染等危害。cg主要由有机物和矿物组成，具有挥发性低、灰分高、热值低、不易着火等特点。同时，作为农业大国，中国的秸秆资源年产量约为7.4亿吨，相当于2亿吨标准煤。秸秆资源因其丰富的储量、绿色、可再生和碳中和的性质，被认为是替代化石燃料的潜在原料，并在能源领域受到越来越多的关注。此外，秸秆资源具有高挥发性、低灰分、易着火、含硫量和氮含量低等特点，可以天然地补充cg的燃料特性。此外，cg中含有大量的石英和莫来石，可用于在燃烧过程中定向控制秸秆资源中的碱金属，减轻碱金属迁移转化造成的灰垢和结渣危害。认识到潜在的协同效应，cg和秸秆资源的共燃引起了人们的极大关注，并对共燃过程中的污染物排放和燃烧行为进行了广泛的研究。然而，秸秆资源的水分含量高、能量密度低，煤矸石的可燃成分低、热值低等问题，极大地影响了这两种混合原料的共燃过程，导致燃烧不稳定、燃烧效率低。生物质中有机聚合物在高温和缺氧条件下的热解和重组可以增加能量密度，减少生物质体积，促进储存和运输。此外，生物炭的燃料特性与煤相似，但点火和燃烧温度较低。此外，研究表明，cg和生物质的共热解可以通过互补的局限性有效地提高其混合物的热解效率。cg中的高灰分含量可以固定生物质中的细灰，并减少灰尘的产生。一些学者研究了生物质和cg的共热解过程，发现共热解过程主要由两个阶段组成，其中共热解活化能和反应频率因子随着生物质比例的增加而降低。研究发现，随着cg比例的增加，油气产量下降，并且在共热解过程中cg与玉米芯之间存在相互作用。此外，学者们研究了cg、煅烧cg和柳的共热解过程，发现添加煅烧cg可以增强柳中碳的形成，从而提高生物炭的产率。此外，生成的生物炭具有发达的孔结构和稳定的脂族链结构。

2、然而，目前的研究主要集中在cg对生物质热解的机理以及热解过程中焦油和气体的生成规律。从这些研究中获得的生物炭主要用作营养载体、催化剂、储碳介质和吸附剂，以去除水中的有毒元素。然而，关于生物炭作为电燃料的研究有限，特别是在其物理和化学性质、热值、燃烧反应性和稳定性以及燃烧反应动力学方面。此外，发电被认为是大规模综合处理cg和生物质的最有效方法之一。因此，在共热解过程中将cg和生物质结合到合适的电力燃料中具有显著的经济效益。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：从物理和化学性质、热值、燃烧反应性和稳定性以及燃烧反应动力学方面综合研究，得到一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，解决现有技术中单纯从cg对生物质热解的机理以及热解过程中焦油和气体的生成规律研究煤矸石基生物炭燃料的问题，从而得到更高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料。

2、本发明的技术方案是：一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，燃料组份包括：煤矸石和生物质，所述的煤矸石质量比20-40％，所述的生物质质量比60-80％。

3、优选的，燃料组份包括：煤矸石和生物质，所述的煤矸石质量比20％，所述的生物质质量比80％。

4、所述的煤矸石和生物质研磨并筛成小于150μm的颗粒。

5、所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料的制备方法，以煤矸石和秸秆生物质为原料，将煤矸石和秸秆生物质混合得到混合原料，制备过程在气氛管式炉中进行，将混合原料置于炉体内，并通入n2，使炉内处于惰性环境，然后在设定的升温速率升温至300～500℃，然后降温，得到高热值、高燃烧性的煤矸石基生物炭燃料。

6、所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料的应用实验方法，在o2/co2气氛环境下对制备得到的煤矸石基生物炭燃料进行应用实验，利用热重分析考察煤矸石基生物炭的燃烧性，将～10mg的煤矸石基生物炭置于热重的托盘中，在20％o280％co2气氛中升温至800℃，升温速率为10℃/min。

7、利用现代表征手段对煤矸石基生物炭的能量和质量产率、物理化学性质、热值等进行定性和定量的表征，并以此作为制备工艺条件优化的指标之一。

8、通过分析热重实验中煤矸石基生物炭的失重曲线，获得其燃烧开始温度、燃尽温度、燃烧速率最大温度、燃烧速率相关信息，以此作为制备工艺条件优化的另一指标。

9、本发明的有益效果：制备得到的煤矸石基生物炭燃料，相比于煤矸石热值得到了极大提升(提升192％)；该燃料的燃烧性能得到明显提升，燃烧的着火温度和燃尽温度都明显降低；可有效提升煤矸石中可燃组分的高效利用，燃尽灰得到高温活化，也更便于其在建材领域的应用。

技术特征：

1.一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，其特征在于：燃料组份包括：煤矸石和生物质，所述的煤矸石质量比20-40％，所述的生物质质量比60-80％。

2.根据权利要求1所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，其特征在于：燃料组份包括：煤矸石和生物质，所述的煤矸石质量比20％，所述的生物质质量比80％。

3.根据权利要求1所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，其特征在于：所述的煤矸石和生物质研磨并筛成小于150μm的颗粒。

4.如权利要求1-3之一所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料的制备方法，其特征在于：以煤矸石和秸秆生物质为原料，将煤矸石和秸秆生物质混合得到混合原料，制备过程在气氛管式炉中进行，将混合原料置于炉体内，并通入n2，使炉内处于惰性环境，然后在设定的升温速率升温至300～500℃，然后降温，得到高热值、高燃烧性的煤矸石基生物炭燃料。

5.如权利要求1所述的一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料的应用实验方法，其特征在于：在o2/co2气氛环境下对制备得到的煤矸石基生物炭燃料进行应用实验，利用热重分析考察煤矸石基生物炭的燃烧性，将～10mg的煤矸石基生物炭置于热重的托盘中，在20％o280％co2气氛中升温至800℃，升温速率为10℃/min。

技术总结本发明公开了一种高热值、高反应性煤矸石基生物炭燃料，其特征在于：燃料组份包括：煤矸石和生物质，所述的煤矸石质量比20％，所述的生物质质量比80％。制备得到的煤矸石基生物炭燃料，相比于煤矸石热值得到了极大提升(提升192％)；该燃料的燃烧性能得到明显提升，燃烧的着火温度和燃尽温度都明显降低；可有效提升煤矸石中可燃组分的高效利用，燃尽灰得到高温活化，也更便于其在建材领域的应用。技术研发人员：刘浪,杜军,尹彩流,梁丽营,徐纯燕受保护的技术使用者：广西民族大学技术研发日：技术公布日：2024/2/1