一种无焰固体燃料及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种无焰固体燃料及其制备方法与应用 (Flameless solid fuel and preparation method and application thereof ) 是由 周光远 姜敏 刘佳 王瑞 李璐 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种无焰固体燃料及其制备方法与应用,所述无焰固体燃料的原料包括以下质量百分含量组分：主燃剂30％～60％、助燃剂20％～35％、消焰剂1％～5％、粘合固化剂10％～35％。该燃料能在无氧环境下持续稳定燃烧,具有燃烧热值高、燃速低、无黑烟、无异味、无明显火焰、无有害残渣、更环保等特点,且制备过程简单,成本低廉,安全存储周期长。(The application discloses a flameless solid fuel and a preparation method and application thereof, wherein the raw materials of the flameless solid fuel comprise the following components in percentage by mass: 30-60% of main combustion agent, 20-35% of combustion improver, 1-5% of flame retardant and 10-35% of adhesive curing agent. The fuel can be continuously and stably combusted in an oxygen-free environment, has the characteristics of high combustion heat value, low combustion speed, no black smoke, no peculiar smell, no obvious flame, no harmful residue, environmental protection and the like, and is simple in preparation process, low in cost and long in safe storage period.)
技术领域
本申请涉及一种无焰固体燃料及其制备方法与应用，属于固体燃料技术领域。
背景技术
固体燃料因其携带运输方便，使用简单安全，性价比高等特点，已经广泛的应用于户外旅行、餐饮等行业，但是，目前市场上常见的固体燃料多以固体酒精类为主，性能依然存在着一些明显的不足，诸如需要在氧气量充裕的地方使用，燃烧热值低、燃速快，持续时间不长、火焰高、燃烧稳定性较差，且保存期短等缺陷，限制了它的应用范围。在一些特殊的领域，例如高海拔地区，外部环境低氧、风力大，以及深井地下油田作业，存在缺氧、潮湿多水等情形，使用常规的固体燃料，可能会出现固体燃料无法点燃，或者燃烧无法持续的现象，根本满足不了现实加热需求。
虽然，在此之前有专利报道了可以用于低氧，甚至在无氧条件下可持续稳定燃烧的固体燃料，例如专利CN101323806A中公开的固体燃料配方，含有大量的氮元素，虽然通过添加了富氧物来保障内部燃烧的充分性，但依然会释放出大量对人体及环境有害的氧氮化合物，同时也能够看到明显的高火焰，因此，限制了其用于对明火敏感的场景。还有，专利CN1598239A中报道的可无氧燃烧的固体燃料，活泼金属燃料封闭在合金装置中，通过接通电源加热钨丝来点燃燃料，利用铝热剂的反应原理，反应危险性高，需要复杂装置层层保护，成本高昂，导致其产品在常规领域竞争力太低。
发明内容
根据本申请的第一方面，提供了一种无焰固体燃料，该燃料能在无氧环境下持续稳定燃烧，具有燃烧热值高、燃速低、无黑烟、无异味、无明显火焰、无有害残渣、更环保等特点，且制备过程简单，成本低廉，安全存储周期长。
所述无焰固体燃料的原料包括以下质量百分含量组分：
主燃剂30％～60％、助燃剂20％～35％、消焰剂1％～5％、粘合固化剂10％～35％。
可选地，所述主燃剂的质量百分含量的下限选自30％、35％、40％、45％、50％或55％，上限选自35％、40％、45％、50％、55％或60％；
可选地，所述助燃剂的质量百分含量的下限选自20％、25％或30％，上限选自25％、30％或35％；
可选地，所述消焰剂的质量百分含量的下限选自1％、2％、3％或4％，上限选自2％、3％、4％或5％；
可选地，所述粘合固化剂的质量百分含量的下限选自10％、15％、18％、20％、21％、24％、25％或30％，上限选自15％、18％、20％、21％、24％、25％、30％或35％；
可选地，所述主燃剂选自矿物燃料、金属粉末燃料、含氧燃料中的至少一种；
所述矿物燃料选自无烟煤、天然石墨中的至少一种；
所述金属粉末燃料选自铝粉、镁粉、锌粉、铁粉中的至少一种；
所述含氧燃料选自植物油及其酯化燃料、生物质燃料、醇类燃料、醚酯类燃料中的至少一种；
所述植物油选自菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油中的至少一种；
所述生物质燃料为农林废弃物，所述农林废弃物是指秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮、刨花、锯末等生物质资源；
所述醇类燃料选自甲醇、乙醇中的至少一种；
所述醚酯类燃料选自二甲醚、乙酸-2-甲氧基乙酯中的至少一种。
本申请中主燃剂为固体时优选粉末状。
在一具体实施例中，所述主燃剂为秸秆等生物质燃料，实现了生物废渣的再利用，提高其附加值的意义，适用于在农村火灶中用来替代传统的木材或者蜂窝煤等最原始的烧火做饭，取暖等要求。特别是取暖，由于体系中自带丰富氧，能够极大的降低不完全燃烧的风险而导致的室内中毒现象。
在另一具体实施例中，所述主燃剂为天然石墨和/或无烟煤粉，采用该主燃剂的燃料热值高、在经济性和可携带性方面最为均衡，特别适合户外野营烧烤等场景。
可选地，助燃剂由过碳酸钠和高氯酸钾按照质量比1～4：1的比例混合而成。对于单纯的高氯酸钾或者高锰酸钾，属于高活性的强氧化剂，高温时、量多时，具有一定的危险性，采用其他种类的过氧化物，例如过碳酸钠与其搭配，可以降低整体的氧化活性，但同等单位质量下的氧释放量没有受到太大影响，即提高了安全性又没损失燃烧的充分性。
可选地，所述主燃剂包含醇类燃料，所述原料还包括质量百分含量为1～5％的防爆剂。
可选地，所述防爆剂的质量百分含量下限选自1％、2％、3％或4％，上限选自1％、2％、3％、4％或5％；
可选地，所述防爆剂选自氢氧化钠、氯化钠、醋酸钠中的至少一种。
可选地，所述助燃剂为强氧化剂；
所述强氧化剂选自过氧化氢、过氧化钙、过碳酸钠、高锰酸钾、高氯酸钾、高铁酸钾中的至少一种。
可选地，所述消焰剂选自草酸钾、邻苯二甲酸钾、硬脂酸钾、山梨酸钾中的至少一种。
可选地，所述粘合固化剂为室温固化的树脂；本申请中，室温是指15～35℃。
所述树脂为环氧树脂和/或聚氨酯树脂；
本申请中，市面可采购到的室温固化环氧树脂/聚氨酯树脂均可使用，所述环氧树脂优选TG3024，所述聚氨酯树脂优选PU-201。
可选地，所述无焰固体燃料的原料包括以下质量百分含量组分：
主燃剂50％～60％、助燃剂20％～25％、消焰剂2％～5％、粘合固化剂10％～24％。
本申请的第二方面，提供了上述任一项所述的无焰固体燃料的制备方法，包括：
称取原料，将称取的所述原料混合、除气泡、固化，得到所述无焰固体燃料。
在一可选实施例中，所述无焰固体燃料的制备方法，包括：
常温条件下，将下述质量百分比含量的原料：主燃剂30％～60％；助燃剂20％～35％；防爆剂0％～5％；消焰剂1％～5％；粘合固化剂10％～35％，依次加入带有搅拌及抽真空功能的烧瓶中，开启搅拌，充分混合均匀后，开启抽真空脱除内部的气泡，然后，空气补至常压，将均匀无气泡的混合料倾倒入模具内，室温放置，待完全固化即得到固体燃料
本申请的第三方面，提供了上述任一项无焰固体燃料在高海拔、地下、水下、低氧环境、有风环境、潮湿环境中的应用。
具体地，本申请中，高海拔指的是海拔1500～3500米；地下指的是地面以下的作业环境，例如深井地下油田作业环境；低氧环境指的是环境中的氧气的质量浓度低于空气当中的20.9％；风环境指的是风力达1级以上的环境；潮湿环境指的是相对湿度大于70％的环境，例如下雨、下雪、海边、雨林等环境下。
本申请能产生的有益效果包括：
1、本申请提供的无焰固体燃料容易被点燃，且可在无氧、风雪等恶劣环境下持续稳定燃烧，除非燃尽，极难熄灭，燃烧热值高，持续时间长，无有害气体产生，环保无污染，成本低廉，可直接替代常规固体酒精燃料应用于餐饮行业。
2、本申请提供的无焰固体燃料没有明显的火焰，可用于对明火敏感的野外场景；燃烧释放气体、内部压力大，使其可用于诸如水下特殊条件下加热作业。
3、本申请提供的无焰固体燃料无易燃气体产生，无异味及可见挥发性组分释放，满足军需装备的要求，可替代现有传统的军用食品加热包用于野外训练加热食品。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种环保可无氧燃烧的无焰固体燃料的制备方法进行说明，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
其中，植物油甲酯购自山东恒创新材料有限公司，种类为大豆油酸甲酯，cas号为112-62-9；
聚氨酯树脂购买自广州吉必盛科技实业有限公司，牌号为PU-201；
环氧树脂购买自北京太戈科技有限公司，牌号为TG3024；
无烟煤粉购自灵寿县金源矿业加工厂，型号为高效无烟煤粉N01；
铝粉购自章丘市黄河银粉浆长，型号为110F；
铁粉购自无锡市红金源金属制品有限公司，型号为FE-90-99；
生物质锯末购自东莞市亿林生物能源有限公司，种类为橡木，产品规格为8-10mm；
天然石墨购自青岛金涛石墨源头厂家，型号为JT-19；
秸秆粉购自如东县祥胜秸秆能源化利用专业合作社，型号为DDGS饲料。
如无特别说明，实施例中反应均为室温下进行。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用购自青岛骏源环保设备有限公司的JY-62型便携式烟气分析仪，进行固体燃料燃烧释放气体的组分种类及含量的测试；
利用上海亮研智能科技有限公司生产的型号为6800的高精度全自动量热仪，进行固体燃料单位质量的燃烧热值测试；
利用上海金枭电子有限公司生产的型号为JX1000-1F皮托管风速计测量控节固体燃料表明燃烧时风力的大小。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或固体燃料技术领域的常规纯度。
实施例1
常温条件下，依次将60克植物油甲酯，25克过氧化钙，5克山梨酸钾，10克PU-201,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置30分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例2
常温条件下，依次将30克铝粉，30克过氧化钙，5克山梨酸钾，35克PU-201,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置30分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例3
常温条件下，依次将55克无烟煤粉，20克过氧化钙，5克山梨酸钾，20克PU-201,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌10分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置30分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例4
常温条件下，依次将55克生物质锯末，20克双氧水，5克高铁酸钾，2克的硬脂酸钾，18克TG3024,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌10分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置45分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例5
常温条件下，依次将50克甲醇，20克过碳酸钠，5克高氯酸钾，2克氢氧化钠，3克草酸钾，20克TG3024,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置50分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例6
常温条件下，依次将30克秸秆粉，15克二甲醚，5克甲醇，20克过碳酸钠，5克高氯酸钾，2克氢氧化钠，3克草酸钾，20克TG3024,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置50分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例7
常温条件下，依次将45克天然石墨，15克乙酸-2-甲氧基乙酯，10克过碳酸钠，10克高锰酸钾，2克硬脂酸钾，18克TG3024,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置50分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
实施例8
常温条件下，依次将20克铝粉，10克甲醇，30克过氧化钙，2g氯化钠，3克山梨酸钾，35克PU-201,加入到500毫升带有搅拌及抽真空功能的三口圆底烧瓶中，搅拌5分钟，瓶中各物料充分混合均匀后，缓慢开启真空，将物料中包含的气泡尽量脱除后，关闭搅拌，空气补至常压，将瓶中物料倾倒入模具内，室温放置30分钟后，表面已经固化成型，得到环保固体燃料。
对实施例1～8的固体燃料密度、燃烧性能进行了测试：
其中，燃烧性能测试包括：
1、在空气中通过明火方式点燃，观察燃烧外观Ⅰ、燃烧时间Ⅰ、剩余残渣重量Ⅰ、热值Ⅰ；
2、在风速计显示风速为20m/s下，通过高温炙热固体接触方式点燃，观察燃烧外观Ⅱ、燃烧时间Ⅱ、剩余残渣重量Ⅱ；其中，高温炙热固体为烧红的煤炭或点燃的烟头等高温固体。
3、在水面上以明火方式点燃后，迅速放入水底，观察燃烧外观Ⅲ、燃烧时间Ⅲ、剩余残渣重量Ⅲ；
所有固体燃料皆在明火或者高温炙热固体作用下，能够迅速被点燃，具体测试结果参见表1。
表1中性能测试第3条中的剩余残渣总量是将体系的水分完全去除干燥后，称重的剩余物质量。
表1：实施例1～8的固体燃料相关测试参数
从表1的结果可以看出，本发明可以根据不同的组分搭配，得到不同密度的固体燃料，实施例1～8提供的燃料通过明火或者高温炙热固体方式即可迅速点燃，且实施例2产生的H2被与氧气燃烧反应消耗，生成水，因而固体燃料燃烧方式安全可靠；实施例1～8提供的燃烧外观几乎都无冒烟，无明显火焰，燃烧后的残渣根据配方中不同的成分，结果差异比较大，但无论是在有氧、无氧、大风等燃耗环境下，燃烧均基本完全，剩余几乎都是稳定的无害无机物，其中，实施例4在热值达到1万+的前提下，残渣率均在20％以下。
本发明制备工艺简单、原料成本低廉，可根据不同的应用场景灵活调整初始原料配比，具有非常广阔的应用前景。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
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