一种脱除生物质中氯离子和碱金属离子的方法
阅读说明：本技术 一种脱除生物质中氯离子和碱金属离子的方法 (Method for removing chloride ions and alkali metal ions in biomass ) 是由 黎福斌 杨勇 李亚洲 李健 万鹏 孙健 祁文 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及秸秆等农业固体废弃物生物质能源化利用技术领域,特别是涉及一种脱除生物质氯离子和碱金属离子的方法。该方法包括如下步骤：1)将生物质进行破碎处理；2)将步骤1)得到的生物质在浸泡水洗溶液中进行浸泡水洗处理,其中,所述浸泡水洗溶液包括水,以及酸性添加剂或碱性添加剂；3)将步骤2)得到的生物质进行机械脱水处理。本发明在包括酸性添加剂或碱性添加剂的浸泡水洗溶液中进行浸泡水洗处理,促进生物质内部的无机盐析出,提高生物质中氯离子和碱金属离子等无机盐脱除率和处理效率,改善生物质燃料的燃烧特性。(The invention relates to the technical field of energy utilization of agricultural solid waste biomass such as straws and the like, in particular to a method for removing biomass chloride ions and alkali metal ions. The method comprises the following steps: 1) crushing the biomass; 2) soaking and washing the biomass obtained in the step 1) in a soaking and washing solution, wherein the soaking and washing solution comprises water and an acidic additive or an alkaline additive; 3) mechanically dehydrating the biomass obtained in the step 2). The method carries out soaking and washing treatment in the soaking and washing solution containing the acidic additive or the alkaline additive, promotes the precipitation of inorganic salts in the biomass, improves the removal rate and treatment efficiency of inorganic salts such as chloride ions, alkali metal ions and the like in the biomass, and improves the combustion characteristic of the biomass fuel.)
技术领域
本发明涉及秸秆等农业固体废弃物生物质能源化利用技术领域，特别是涉及一种脱除生物质氯离子和碱金属离子的方法。
背景技术
《巴黎协定》要求将全球变暖幅度在工业化前水平基础上控制在低于2℃的范围内，世界气候委员会提出了明确的煤炭减量使用计划：控制地球温升2℃内需关停世界3/4容量的煤电机组。我国煤电装机容量超过10亿千瓦，2018年电力煤炭消耗量37亿吨标煤。我国承诺2030年国内单位生产总值碳排放量比2005年下降60％～65％，面临二氧化碳减排的巨大压力和挑战，为应对这一挑战中国煤电必须走“减煤”和逐步“去煤”的发展道路。
生物质是国际公认的低碳清洁可再生能源，度电二氧化碳排放量与风电持平。我国是农业大国秸秆资源丰富，农作物耕地面积约18亿亩，每年可收集秸秆生物质总量约9亿吨，全部能源化利用可替代4亿吨标煤。秸秆露天焚烧造成严重的粉尘雾霾污染和较高火灾风险系数，国家严令禁止。秸秆体积大密度轻，储运成本高，秸秆中氯离子和碱金属离子高造成锅炉燃烧器结焦结渣和严重的高温氯腐蚀，秸秆处置成了政府和百姓的难点痛点问题。
秸秆中含有大量的钾、钠等碱金属离子和氯离子(含量均高达1％以上)，钾、钠离子是造成秸秆燃烧后灰熔点低的主要原因，当燃料中氯含量大于0.3％时，高温腐蚀倾向严重。在锅炉管的高温腐蚀中，硫的腐蚀是一次性的，而氯的腐蚀是重复性的，其危害性不容忽视。目前生物质颗粒燃料压制成型技术解决了秸秆等生物质燃料运输和储存难题，但无法改善燃烧结焦结渣问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脱除生物质氯离子和碱金属离子的方法，用于解决现有技术中秸秆等生物质燃料直接燃烧灰熔点低导致锅炉结焦结渣受热面高温腐蚀严重等问题。本发明通过浸泡水洗溶液进行浸泡水洗处理，去除生物质如秸秆中氯离子和碱金属离子等不利于燃烧的成分，改善生物质如秸秆的燃料燃烧特性，经本发明脱除生物质中氯离子和碱金属离子的方法处理后的生物质可作为燃料在各种普通锅炉燃烧器燃烧，解决结焦结渣腐蚀问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脱除生物质氯离子和碱金属离子的方法，包括如下步骤：
1)将生物质进行破碎处理；
2)将步骤1)得到的生物质在浸泡水洗溶液中进行浸泡水洗处理，其中，所述浸泡水洗溶液包括水，以及酸性添加剂或碱性添加剂；
3)将步骤2)得到的生物质进行机械脱水处理。
在无酸性添加剂或无碱性添加剂的前提下，浸泡水洗生物质脱除无机盐离子的时间长效率低。在包括酸性添加剂或碱性添加剂的浸泡水洗溶液中进行浸泡水洗处理，可促进生物质内部的无机盐析出，提高离子脱除率和处理效率，改善生物质燃料的燃烧特性。
优选地，步骤1)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
11)进行破碎处理后的生物质长度≤20cm，直径≤2cm。更优选地，进行破碎处理后的生物质长度为2cm～5cm。
12)进行破碎处理后再进行筛分分离处理。筛分分离泥沙、石子等杂物。
优选地，步骤2)中，还包括如下技术特征中的至少一项：
21)所述浸泡水洗溶液为在压力为0bar～1bar下的液体溶液；
22)所述浸泡水洗溶液与所述破碎处理后的生物质的质量比≥2：1，如2：1～3：1、3：1～10:1、10:1～15:1、15:1～20：1等；在相同溶液里浸泡水洗处理脱除生物质中的无机盐离子，生物质离子脱除率与液固比接近于正比关系，液固比越大产物离子脱除率越高；但液固比越大工艺运行成本越高，经济性差。因此，需根据对产物的离子含量要求，确定适宜的液固比例；
23)浸泡水洗处理时间≥5分钟，如5分钟～10分钟、10分钟～20分钟、20分钟～30分钟等；
24)所述浸泡水洗溶液的温度为0℃～95℃，如0℃～20℃、20℃～30℃、30℃～50℃、50℃～60℃或60℃～95℃。
更优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
221)特征22)中，所述浸泡水洗溶液与所述破碎处理后的生物质的质量比为3：1～15：1；
231)特征23)中，浸泡水洗处理时间为10分钟～30分钟。
优选地，步骤2)中，所述酸性添加剂选自草酸、柠檬酸和硫酸中的至少一种。
更优选地，所述酸性添加剂的浓度为0.1mol/L～3.0mol/L，如0.1mol/L～1mol/L或1mol/L～3.0mol/L。
优选地，步骤2)中，所述碱性添加剂选自尿素和氢氧化钠中的至少一种。
更优选地，所述碱性添加剂的浓度为0.1mol/L～1.6mol/L，如0.1mol/L～1.2mol/L或1.2mol/L～1.6mol/L。
优选地，步骤3)中，进行机械脱水处理后再进行干燥处理。干燥后可制备生物质燃料或直接燃烧。在较低温度下可通过加热蒸发水分的方式，可以提高生物质的干度，但不能降低离子含量。因为氯离子和钾离子在水蒸气中的溶解度很低，水分蒸发的过程中带走的氯离子和钾离子非常有限，水分蒸发后溶液中的离子将富集在生物质产物中。
更优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：
31)机械脱水处理至生物质中水分质量百分比≤60％，如60％～50％、50％～30％等，利于提高离子脱除率；
32)干燥处理温度为0℃～300℃。
本发明脱除生物质氯离子和碱金属离子的方法通过在水中加入添加剂，提高生物质中氯离子和碱金属离子等无机盐的去除率，改善生物质燃料的燃烧特性。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为2～5厘米，直径不大于2厘米；
(2)浸泡水洗处理：用1mol/L的草酸水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，草酸水溶液的水温为30℃，草酸水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为10:1，浸泡时间为30分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.143％，钾离子含量为0.16％；氯离子脱除率为87.5％，钾离子脱除率为90％，灰熔点为1365℃(GB/T30726-2014)。
实施例2
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为5～10厘米，直径不大于1厘米；
(2)浸泡水洗处理：用1.2mol/L的氢氧化钠水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，氢氧化钠水溶液的水温为60℃，氢氧化钠水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为15:1，浸泡时间为20分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.075％，钾离子含量为0.13％；氯离子脱除率为93.4％，钾离子脱除率为91.9％，灰熔点为1380℃(GB/T30726-2014)。
实施例3
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为2～5厘米，直径不大于1厘米；
(2)浸泡水洗处理：用3mol/L的柠檬酸水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，柠檬酸水溶液的水温为20℃，柠檬酸水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为2：1，浸泡时间为5分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至30％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.759％，钾离子含量为1.08％；氯离子脱除率为33.4％，钾离子脱除率为32.5％，灰熔点为1100℃(GB/T30726-2014)。
实施例4
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为2～4厘米，直径不大于2厘米；
(2)浸泡水洗处理：用0.1mol/L的硫酸水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，硫酸水溶液的水温为50℃，硫酸水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为3：1，浸泡时间为30分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.214％，钾离子含量为0.32％；氯离子脱除率为81.2％，钾离子脱除率为80％，灰熔点为1310℃(GB/T30726-2014)。
实施例5
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为5～10厘米，直径不大于1厘米；
(2)浸泡水洗处理：用1.6mol/L的尿素水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，尿素水溶液的水温为5℃，尿素水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为10：1，浸泡时间为20分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.13％，钾离子含量为0.15％；氯离子脱除率为88.6％，钾离子脱除率为90.6％，灰熔点为1365℃(GB/T30726-2014)。
实施例6
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为5～10厘米，直径不大于1厘米；
(2)浸泡水洗处理：用0.1mol/L的氢氧化钠水溶液浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，氢氧化钠水溶液的水温为95℃，氢氧化钠水溶液与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为20：1，浸泡时间为10分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.06％，钾离子含量为0.1％；氯离子脱除率为95％，钾离子脱除率为93.8％，灰熔点为1390℃(GB/T30726-2014)。
实施例7
(1)秸秆破碎筛分：将玉米秸秆生物质原料破碎成长度为1～5厘米，直径不大于1厘米；
(2)浸泡水洗处理：用60℃自来水(不添加酸碱)浸泡步骤1)得到的玉米秸秆生物质，自来水与步骤1)得到的玉米秸秆生物质的质量比为10:1，浸泡时间为60分钟；
(3)机械脱水处理：通过自然脱水和机械压滤脱水，将步骤2)得到的生物质水分质量含量降低至50％；
(4)生物质原料干基氯离子含量1.14％，钾离子含量1.6％；经上述方法处理后干基生物质中氯离子含量为0.687％，钾离子含量为1.022％；氯离子脱除率为39.7％，钾离子脱除率为36.1％，灰熔点为1110℃(GB/T30726-2014)。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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