способ получения кускового коммунально-бытового биотоплива

Формула изобретения

1. Способ получения кускового биотоплива на основе торфа, включающий введение в торф добавки, перемешивание массы, прессование и сушку, отличающийся тем, что фрезерный торф влажностью 40-65% сепарируют, в смесь из предварительно замоченных отходов древесины с угольной мелочью добавляют при непрерывном перемешивании мазут - дизельное топливо или сланцы, смешивают эту смесь с торфом и в однородную массу вводят сапропель естественной влажности 85-94%, полученную смесь перемешивают и доводят до влажности 80-85%, после чего формуют, а сушку осуществляют в два этапа: в искусственном режиме при температуре 150-200°С с доведением до влажности 35-50% и в естественных условиях с доведением до влажности 25-33%, при этом компоненты берут в следующем соотношении, мас.%: отходы древесины - 5-10%, угольная мелочь - 10-20%, мазут или сланец - 5-10%, сапропель естественной влажности - 10-30%, фрезерный торф до 100%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер фракций торфа составляет менее 10 мм, размер фракций древесных отходов 0,1 - 5,0 мм, размер фракций угольной мелочи менее 1 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование торфа производят под давлением методом экструзии через фильеры со скоростью 0,5-10 мм/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что торф формуют в виде брикета диаметром 25-35 мм и длиной 40-60 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству композитного коммунально-бытового топлива на основе отходов торфа и может быть использовано в горной отрасли, малой энергетике, жилищно-коммунальном хозяйстве, металлургии, железнодорожном транспорте и охране окружающей среды.

Известен способ получения торфоугольных брикетов, включающий смешение угольной мелочи, торфа, добавки и формирование брикетов, причем угольную мелочь предварительно обрабатывают водным раствором добавки, в качестве которой используют лигносульфонат из расчета 4-16% по сухому веществу от массы угольной мелочи и влажности смеси 16-21%, а соотношение угольной мелочи и торфа составляет от 2:1 до 1:2 по сухому веществу, причем используют торф при естественной влажности (SU №2019554 А1, 15. 09.1994, MПК:C 10 F 7/06).

Недостатками этого способа являются низкие показатели по плотности и прочности брикета, невысокая теплотворная способность, высокая крошимость куска, значительные энергозатраты при брикетировании и, как следствие, низкое качество топлива.

Известен способ производства кускового торфа из торфяных залежей верхового типа, содержащий введение в торфяную массу перед формованием модифицирующей добавки - экстракта кубового остатка поверхностно-активного вещества в количестве 0,005-0,1% на сухое вещество торфа (SU №717122 А1, 25.02.1980, МПК: C 10 F 7/00).

Недостатком известного способа является низкая плотность и прочность кускового топлива за счет рыхлой структуры верхового вида торфа и, как следствие, низкая теплотворная способность (менее 2200 ккал/кг). Малое количество модифицирующей добавки не оказывает существенного влияния на качество кускового топлива.

Известен также способ производства кускового торфа из торфяных залежей низинного типа, включающий обработку торфа модифицирующей добавкой, формование куска и его сушку, причем сначала производят формование куска, а затем производят обработку поверхности куска модифицирующей добавкой, в качестве которой используют 0,1-3%-ный водный раствор модифицирующей добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дизельное топливо 45-50

Латекс 1-5

Натриевые соли спиртов жирных кислот фракции

C₁₇-C₂₀ 1-2

Вода остальное (SU 1289992 А1, 15.02.1987, МПК: Е 21 С 49/00).

Недостатками известного способа являются узкий диапазон сырьевой базы, так как используются торфяные залежи только низинного типа, и малая величина доз модифицирующих добавок, что связано с трудностями при технической реализации способа - поверхностном нанесении их на кусок. Качество продукции, как коммунально-бытового топлива, повышается несущественно.

Известен способ производства кускового торфа, включающий введение в торф органических отходов производства, перемешивание массы, прессование и сушку, причем в качестве органических отходов производства вводят предварительно измельченные до размеров 0,1-0,5 мм органические отходы кожевенного производства в количестве 1-40 мас.% на сухое вещество, при этом влажность торфа и отходов составляет 78-85%, а сушку осуществляют до влажности 30-33% (RU 2147596 С1, 20.04.2000, МПК: C 10 F 7/06).

Недостатком данного способа является получение топлива с невысокой теплотворной способностью, ограниченная сырьевая база (отходы кожевенного производства), невысокие значения плотности и прочности и, как следствие, высокая крошимость куска.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ производства окускованного топливного торфа, включающий введение в торф упрочняющей добавки в виде отходов бумажного производства (органические отходы производства), перемешивание массы, прессование и сушку до требуемой влажности 30-33%, причем в качестве отходов бумажного производства используют скоп влажностью 80-95% в количестве 5-35% на сухое вещество торфа (SU 1705575 А1, 15.01.1992., МПК: Е 21 С 49/00).

Недостатками известного технического решения являются весьма низкие значения плотности, прочности и теплотворной способности окускованного торфа, что снижает его потребительские свойства и конкурентную способность на рынке коммунально-бытового, местного топлива.

В основе настоящего изобретения лежит задача по разработке экологически чистого, экономичного и энергетически эффективного многокомпонентного коммунально-бытового биотоплива, обладающего высокими показателями по плотности и прочности, низкой степенью крошимости и высокой теплотворной способностью, превышающей в 2-2,5 раза дрова и торф (как фрезерный, так и брикетированный). Экономичность определяется утилизацией отходов древесины, угольной мелочи, тяжелых фракций мазута - дизельного топлива, сланцев и сапропеля, накапливающегося в донных отложениях при интенсивной эвтрофикации озер.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения коммунально-бытового биотоплива на основе торфа, включающем введение в торф модифицирующей добавки, перемешивание массы, прессование и сушку, фрезерный торф с влажностью 40-65% и размером фракции до 10 мм сначала сепарируют, а затем в него последовательно добавляют смесь отходов древесины и угольной мелочи, предварительно пропитанных мазутом - дизельным топливом или сланцем, после этого в смесь добавляют сапропель естественной влажности 85-94%, перемешивают и доводят смесь до влажности 80-85%, после чего осуществляют формование куска диаметром 25-35 мм и длиной 40-60 мм под давлением методом экструзии через фильеры со скоростью 0,5-10 мм/с, а затем осуществляют сушку кускового топлива в два этапа: искусственную с доведением до влажности 35-50% при температуре 150-200°С и естественную с доведением до влажности 25-33%, при этом компоненты берут в следующем процентном соотношении, мас.%: отходы древесины в виде опилок - 5-10%, угольная мелочь 10-20%, мазут или сланец - 5-10%, сапропель естественной влажности - 10-30%, фрезерный торф до 100%.

Подвергнутый сепарации фрезерный торф с отделением крупных древесных включений свыше 10 мм обладает насыпной плотностью 200-300 кг/м и при формовании методом экструзии под давлением имеет невысокую плотность 350-400 кг/м, низкую теплотворную способность - 2000-2500 ккал/кг, весьма низкую прочность и высокие значения крошимости (до 80% кусков рассыпается при сушке). Кусок, сформованный из чистого фрезерного торфа, обладает высокой водопоглощаемостью при намокании, теряет полностью потребительские свойства, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к коммунально-бытовому топливу. Предлагаемый же способ предусматривает использование многокомпонентной смеси, при этом полученный топливный брикет отвечает всем требованиям, предъявляемым техническими условиями к современному коммунально-бытовому топливу.

Введение в торф отходов древесины позволяет утилизировать их и использовать как наполнитель, заполняющий пространственный, легко деформируемый торфяной каркас. Причем отходы древесины смешивают с отходами угля, угольной мелочью, формируя тем самым плотную структуру массы.

Размер фракций древесных отходов составляет 0,1-5,0 мм, угольной мелочи менее 1 мм. Угольная мелочь с размером фракции менее 1 мм резко увеличивает насыпную плотность смеси, поскольку ее насыпная плотность в 2-3,5 раза выше насыпной плотности торфа. Кроме того, теплотворная способность угольной пыли в 1,8-2,6 раза выше теплотворной способности древесины и торфа.

В результате проведения экспериментальных исследований было установлено определенное оптимальное соотношение заявленных компонентов.

Введение отходов древесины в виде опилок менее 5% в расчете на воздушно-сухое вещество структурообразующей матрицы торфа нецелесообразно, поскольку пространственная структура торфа полностью не заполняется. При увеличении концентрации более 10% возрастает граница раздела фаз торф - опилки, снижается интенсивность сушки и теплотворная способность топлива, возрастает крошимость получаемых кусков топлива (Таблица 3).

При добавлении угольной мелочи менее 10% плотность кускового топлива возрастает несущественно, всего в 1,15 раза. При концентрации более 20% сказываются различные усадочные эффекты органических и минеральных материалов, что приводит к росту трещинообразований, снижению прочности и крошимости кусков после их сушки до влажности 33% (Табл. 4), кроме того, в 5-8 раз снижается производительность формования кусков, в 13-25 раз возрастает энергоемкость при формовании куска за счет трения и абразивных качеств угольной мелочи, которая выводит из эксплуатации шнековые механизмы.

Предварительное замачивание отходов древесины (опилки, кора, сучья, корни и т.д.) с угольной мелочью позволяет облегчить процесс перемешивания, снижает абразивность угольной мелочи, энергоемкость формования под давлением, а также повышает качество смешивания смеси.

Введение в полученную смесь при непрерывном перемешивании отходов мазута - дизельного топлива или сланца обусловлено тем, что эти компоненты играют роль уплотняющей и модифицирующей смазки. Снижается энергоемкость, повышается производительность и качество куска при формовании за счет образования гладкой поверхности и отсутствия “ершистости” и трещин, которые при сушке привели бы к разрушению сплошности куска и увеличению крошимости (Таблица 5).

Отходы мазута или дизельного топлива и их тяжелые фракции накапливаются повсеместно в нефтехранилищах и обуславливают проблему их утилизации. При их сжигании или сжигании сланцев, как топлив в чистом виде, выделяется значительное количество серосодержащих и токсичных веществ, что загрязняет атмосферу. Превышение значений ПДК по диоксиду серы при сжигании мазута и сланцев экологически опасно при использовании их в качестве топлива. При их незначительном введении в органосодержащую смесь резко снижается выброс в атмосферу серосодержащих веществ, что положительно сказывается на экологической обстановке и, кроме того, резко повышается общая теплотворная способность биотоплива и качество его горения.

Введение в смесь последнего компонента - модифицирующей добавки сапропеля обеспечивает получение высокопластичной, реологической, полуколлоидной массы с гомогенной микромозаичной полидисперсной структурой оптимальной 80-85%-ной влажности формования под давлением. При данной влажности не наблюдается “ершение” поверхности куска, образование трещин и крошение при экструзии.

Сапропель в составе многокомпозитной смеси играет роль модифицирующей добавки коллоидной структуры, которая при высыхании увеличивает межмолекулярное взаимодействие агрегатов и “склеивает” частицы. Кроме того, компактное агрегирование приводит к росту интенсивности сушки материала в 1,2-1,37 раза и объемной усадке в 1,3-1,6 раза.

При введении в смесь сапропеля в количестве менее 10% и более 30% наблюдаются достаточно низкие показатели по плотности, прочности, возрастает крошимость куска.

Введение сапропеля в смесь в количестве 10-30% является оптимальным диапазоном. При 20%-ной добавке сапропеля плотность кусков возрастает в 1,76 раза, прочность в 4,8 раза, а крошимость снижается в 8 раз (Таблица 2).

Преимуществом является и то, что за счет добавки мазута - дизельного топлива, сланцев и сапропеля при высыхании кускового топлива до потребительской влажности 33% резко возрастают его гидрофобные свойства, что существенно снижает водопоглощаемость атмосферных осадков и повышает качество такого топлива.

Поскольку торф, сапропель, отходы древесины являются широко распространенными природными органическими ресурсами, подлежащими использованию и утилизации, то в данном случае решается вопрос ресурсосбережения, а использование компонентов в определенном количественном соотношении и по новой технологии решает экологическую проблему охраны окружающей среды.

Полученное биотопливо может быть использовано не только для нужд малой энергетики при решении вопросов отопления в жилищно-коммунальном хозяйстве, но может быть применено для получения легированных сталей как малосернистое топливо в металлургии, в железнодорожном транспорте для отапливания вагонов и т.д.

Полученное биотопливо обусловлено более чем на 70% биологическим происхождением компонентов: отходы древесины, торф и сапропель - донный ил.

Пример осуществления способа.

Брали 100 кг низинного, крошащегося древесно-тростникового торфа со степенью разложения 30%, добытого фрезерным способом (методом послойного фрезерования и раздельной уборки из наращиваемых валков) влажностью от 40 до 65%. Такой диапазон влажности торфа объясняется различной степенью его увлажненности атмосферными осадками на поверхности и внутри штабеля. Затем торф подвергали сепарированию и отделению фракций свыше 10 мм. В процессе сепарации и фракционирования происходило осреднение влажности торфа как исходного сырья. Затем брали предварительно замоченные опилки хвойных пород деревьев массой 8 кг при влажности 14% и угольную мелочь массой 15 кг и добавляли в эту смесь 7 дм³ мазутно-дизельного топлива при постоянном перемешивании в шнековом аппарате. После получения однородной и жидкообразной массы в виде текучей пасты смешивали ее с торфом и при непрерывном перемешивании добавляли 100 кг 90%-ной влажности органического сапропеля, добытого из озера Серемо, водной системы оз. Селигер.

Пропорция сапропеля по отношению к торфу составила 20%. После тщательного перемешивания в шнековом механизме однородную массу подавали в экструдер, где методом давления через фильеры диаметром 30 мм выдавливали со скоростью 10 мм/сек куски, которые секатором отсекали равной длиной в 40 мм. Сформованные куски выстилали на сетчатый непрерывный транспортер и подавали в сушильную камеру с температурой воздуха 150-200°С. Куски размером 30 мм в диаметре и длиной 40 мм в течение часа высыхали до влажности 35-50%, а затем их подвергали естественной 36-часовой досушке при температуре 20-25°С.

Куски меньших размеров, как показали эксперименты, в течение часа пересыхали и раскрашивались, а большего - не высыхали до требуемой влажности и деформировались при их ссыпании в бункер для досушки в естественных условиях.

Далее, полученные куски в виде окускованного топлива подвергали лабораторным механическим - теплофизическим испытаниям и результаты сравнивались с прототипом (Таблица 1).

Таким образом, заявляемый способ получения топливных брикетов является достаточно доступным и эффективным для реализации в производственных условиях. Использование данных топливных брикетов как твердого топлива при существенном повышении их качественных характеристик значительно снижает экологическую опасность от выбросов вредных веществ в атмосферу.

Таблица 1
Показатели	Ближайший аналог SU 1705575	Изобретение
Прочность на сжатие кПа	141	386
Плотность, кг.м3	1100	1475
Крошимость,%	32,6	4,1
Теплотворная способность (низшая теплота сгорания), ккал/кг/мдж/кг	2456/17,6	5551/39,8

Таблица 4
Наименование параметра	Концентрация угольной мелочи,%
	0	5	10	15	20	25	30	50
Плотность относительная	1,0	1,1	1,3	1,4	1,5	1,56	1,58	1,60
Прочность относительная	1,0	1,3	2,1	2,8	3,0	2,6	2,1	1,8
Крошимость,%	4,0	4,1	4,2	4,6	4,7	5,8	9,2	25,0
Теплотворная способность, относительная	1,0	1,2	1,6	2,1	2,3	2,7	2.8	3,0
Энергоемкость формования, относительная	1,0	1,05	1,1	1,2	1,8	2,9	13,8	25,5

Таблица 5
Наименование параметров	Концентрация мазута, сланца,%
	0	3	5	8	10	15	20
Теплотворная способность, относительная	1,0	1,2	1,8	2,2	2,5	2,6	2,6
Интенсивность сушки, относительная	1,0	0,95	0,92	0,90	0,85	0,60	0,40
Водопоглощаемость, относительная	1,0	0,96	0,80	0,60	0,56	0,52	0,51
Энергоемкость формования, относительная	1,0	0,98	0,75	0,70	0,61	0,58	0,56