[发明专利]农业纤维燃料芯块

说明书

发明背景

本发明涉及从生物质材料，特别是生物纤维制造的燃料芯块。

存在着对作为能源的生物质材料诸如木材、木材副产物、一年生植物等的增加的兴趣。例如，木材残渣如锯屑可以非常广泛地以小的芯块的形式获得。来自锯木厂和木材加工产业的木材残渣典型地具有少于1％的矿物含量。木材主要包含三种结构组成：纤维素(45-50重量％)、半纤维素(20-25％)和木素(20-30％)。纤维素是长的直链均聚物(聚合度5,000-10,000)，所述均聚物由通过[β]1，4糖苷键连接的脱水d-吡喃葡萄糖组成。半纤维素具有更低的聚合度(150-200)，并且可以是相对直的或支化的。这些不同地由5和6-碳糖组成。尽管木材中的半纤维素的类型和量随种类而变化，但是大部分的硬木具有葡糖醛酸木聚糖的优势，所述葡糖醛酸木聚糖由在约10％的木聚糖环上具有4-邻-甲基葡糖醛酸残基的吡喃木糖的直链主链组成。软木主要含有由[β]-D-吡喃甘露糖、[β]-D-吡喃葡萄糖和[α]-D-吡喃半乳糖组成的半乳葡甘露聚糖。纤维素和半纤维素含有赋予木材其内在吸湿性的自由羟基。木质素是大的非晶态聚合物，所述聚合物由各种比率的主要由醚键连接(＞2/3)并且其余由C-C键连接的苯基丙烷前体组成。

已经研究了作为芯块形式的能源的其它材料，例如苜蓿、柳枝稷(switchgrass)等。对于生物质燃料芯块，存在着的许多益处，包括：低水平灰尘、自由流动材料、高能量密度和均匀燃烧速率。为了满足优质芯块燃料的要求，芯块必须含有少于约1重量％的灰分，并且具有每磅燃料至少8,000BTU的燃烧热。

所有谷粒、种子、水果和坚果的外部保护性表面典型地具有所谓的外壳(hull)或壳(shell)、鞘(sheath)或皮(husk)，并且可以称为整谷粒和种子的麸皮，例如，玉米麸皮、燕麦麸皮、稻麸皮、大豆麸皮。

当在处于Pointe Clair Quebec的鲍迪克测试实验室(Bodycote testing lab)比较能含量时，发现来自例如玉米粒、燕麦、大豆、低芥酸菜子、小麦、大麦的外壳可以与木材生物质相比较，典型地在每磅(干基)7,000至约9,000btu的范围内。事实上，含油种子大大超过了此水平而每磅燃料达到了12,000BTU以上。

取决于在收获和加工中使用的加工的类型，源于整谷粒和种子的外壳的最大含湿量典型地在7和26含湿量％之间。典型场干燥的种子和整谷粒的含湿量可以更低。如果它们是在低于16％的含湿量收获的，则它们可以不需要额外的干燥，否则它们在储存期间易受霉菌形成的影响。

用于乙醇生产的玉米湿磨产生例如玉米纤维。这通常在转鼓干燥机中干燥，并且与所谓的糖浆(源于发酵工艺的蛋白质含量)混合，以及作为所谓DDG(干燥酒糟)的动物饲料出售。此方法与同样源于玉米的湿磨的增值食品级产品的生产是非常相似的。这些产品包括在大量食品制备应用中使用的玉米甜味剂和玉米淀粉。此方法还生产纤维和蛋白质(浸渍水)，所述纤维和蛋白质混合在一起并且作为动物饲料出售。

农业和木材基材料之间的主要差异是作为百分数的矿物含量和类型。在玉米麸皮的情况下，灰分或矿物含量可以低于1重量％，或对于燕麦外壳，高达7％或更大，以及对于稻外壳，高达20％或更大。

Verrecchia等的美国专利5,375,540描述了一种可以燃烧燃料芯块的燃烧系统，并且还讨论了与试图燃烧包括整玉米的许多天然生物质材料相联系的问题。该发明人承认，这些燃料表现出了来自灰分的渣块形成的严重问题。他们试图通过更改燃烧器的设计来解决该问题。

渣块是指在芯块炉的火罐中形成的熔岩样块体的形成。这些是当使包含在芯块中的矿物和盐暴露于芯块的高燃烧温度时形成的。此过程被认为是灰分熔融。一年生玉米生物质燃料的灰分中的碱可以引起严重的结垢问题，并且尤其麻烦的碱是钾。

伴随生物质燃料芯块的另一个困难是形成耐受碎化的芯块。一些木材组分在造粒过程期间能够自粘合，而其它的木材需要加入粘合剂。许多其它的天然纤维素材料如农业废物也需要额外的粘合剂。木材生物质和农业纤维之间其它的差异是作为百分数的半纤维素，农业外壳通常含有更高的水平。农业材料的外壳含有12％至约40％的不同水平的半纤维素，而玉米麸皮典型地具有30％-40％或更高水平的半纤维素。半纤维素类似于纤维素，但是不太复杂，并且是自然界中第二丰富的多糖。半纤维素主要由糖和糖酸组成，并且可以在木材或玉米纤维中发现。