ОТВЕРЖДЕННАЯ БИОМАССА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C10L5/44 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к отвержденной биомассе и способу ее получения, более конкретно относится к отвержденной биомассе, используемой в качестве альтернативного вида топлива для угольного кокса, а также в качестве материала, применяемого для различных целей, и к способам ее получения.

В этом описании, максимальная прочность при сжатии (МПа) характеризует твердость на основе испытания JISZ2111 'Compression Test Method of Wood'.

Описание предшествующего уровня техники

В последние годы глобальные проблемы окружающей среды становятся все более и более серьезными, и является неотложно необходимым снижение выброса парникового газа в соответствии с Киотским протоколом, принятым 3-й конференцией стран-участников Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (СОР3), обеспечение ресурсов первичной энергии и разработка чистых и возобновляемых источников энергии, принимая во внимание предсказываемое истощение ископаемого топлива в будущем.

В настоящее время в качестве способа решения проблемы для преодоления этой ситуации привлекает внимание биомасса.

Однако сырая биомасса характеризуется высоким содержанием внутренних пустот, большим объемом и очень низкой экономической эффективностью ее транспортировки. Кроме того, она обладает относительно низкой теплотворностью. Поэтому требуется разработка технологии для превращения ее в более ценный продукт.

С другой стороны, в связи с быстрым ростом потребления чугуна и стали в Китае в последние годы резко выросла стоимость угольного кокса, и управление литейной промышленности и производители чугуна и стали в нашей стране этим заметно обеспокоены. Это связано с тем, что отечественное производство угольного кокса является недостаточным, и производители нашей страны зависят в большей степени от производимого в Китае угольного кокса.

В связи с этим необходимо для литья и производства чугуна активно разрабатывать получение из биомассы твердого топлива с высокой твердостью, которое может заменить от нескольких процентов до нескольких десятков процентов угольный кокс, тем самым снижая затраты на топливо, а также снижая выброс парникового газа в силу углерод-нейтральной природы биомассы.

Кроме того, важно, чтобы не снижалось качество слитка металла при использовании альтернативного коксу топлива.

Что касается технологии использования тепла биомассы, то имеются раскрытые технология производства брикетов (см., например, упомянутую ниже патентную литературу 1) и технология производства огалита (см., например, упомянутую ниже патентную литературу 2), также как широко известная технология карбонизации биомассы.

Брикеты и огалит являются спрессованным под давлением топливом, полученным обезвоживанием путем испарения содержащейся в древесине воды при 100°С, в силу чего улучшается его транспортабельность и сжигаемость.

Кроме того, раскрываются способ обработки, в котором биомассу нарезают на узкие щепочки и карбонизируют для эффективного получения карбонизированного твердого вещества (см., например, упомянутую ниже патентную литературу 3), способ обработки для получения с высоким энергетическим выходом твердого топлива, имеющего высокую плотность энергии по объему и массе (см., например, упомянутую ниже патентную литературу 4), и способ обработки для получения полукарбонизированного и спрессованного под давлением топлива (биокарбонизированное и спрессованное топливо, далее обозначаемое как BCDF) с высокой транспортабельностью для дополнительного повышения транспортабельности (см., например, упомянутую ниже патентную литературу 5).

BCDF является твердым топливом, из которого удаляют часть химически связанной воды, содержащейся в целлюлозе, и так далее, а также свободную воду, содержащуюся в древесине, тем самым дополнительно улучшая транспортабельность и воспламеняемость.

Патентная литература 1-5 посвящена производству твердого топлива с повышенной выработкой тепловой энергии для эффективного использования древесной биомассы в качестве источника тепла.

Однако, твердое топливо из древесной биомассы, получаемое упомянутыми выше способами, не обладает достаточной теплотворностью по сравнению с угольным коксом и, кроме того, не является достаточно твердым. Поэтому твердое топливо не может выдерживать жесткие условия при его сжигании в печи вместе с угольным коксом. Оно разрушается и сгорает в печи, в силу чего оно не может служить в качестве альтернативного вида твердого топлива для угольного кокса.

Кроме того, имеются различные виды биомассы, такие как травяная биомасса (трава, подсолнух, и так далее) и биомасса из отходов пищевых продуктов (отход соцветия бобов, рисовая шелуха и так далее), в которых содержание воды выше и выше паросодержание по сравнению с древесной биомассой, поэтому они менее пригодны для использования в качестве твердого топлива, и их удаляют неиспользуемыми в качестве отходов. Все это время ищут способы для эффективного использования этих типов биомассы.

Патентная литература 1: выложенная заявка на патент Японии S52-101202.

Патентная литература 2: бюллетень полезных моделей Японии Н08-8085.

Патентная литература 3: выложенная заявка на патент Японии 2004-43517.

Патентная литература 4: выложенная заявка на патент Японии 2003-213273.

Патентная литература 5: выложенная заявка на патент Японии 2003-206490.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачи, решаемые изобретением

Настоящее изобретение было создано в свете упомянутых выше проблем, и задачей изобретения является разработка отвержденной биомассы, применяемой в качестве альтернативного вида топлива для угольного кокса, а также в качестве материала, применяемого для различных целей, и также разработка способов ее получения.

Способы решения проблем

Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает отвержденную биомассу, состоящую из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате переработки, в которой исходную биомассу, являющуюся продуктом фотосинтеза, прессуют при нагревании в практически герметических условиях. Полукарбонизированное твердое вещество получают карбонизацией исходной биомассы без отвода горючего газа или жидкости, и перед тем как стать полукарбонизированным твердым веществом оно находится в состоянии предварительно полукарбонизированного твердого вещества. Предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество имеет максимальную прочность при сжатии от 60 до 200 МПа и теплотворность от 18 до 23 МДж/кг.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предварительно полукарбонизированное твердое вещество или полукарбонизированное твердое вещество имеет кажущуюся плотность от 1,2 до 1,38.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения отвержденная биомасса состоит из карбонизированного твердого вещества, которое образуется в результате дополнительного подогрева и прессования полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает отвержденную биомассу, в которой предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество образуется в результате смешения исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, с частицами металла и последующего прессования при нагревании.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает отвержденную биомассу, состоящую из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате смешения исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, с частицами карбонизированного твердого вещества, при содержании биомассы в качестве основных компонентов, и последующего прессования при нагревании полученной смеси.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает отвержденную биомассу, состоящую из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате смешения исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, с золой материала, содержащего биомассу в качестве основного компонента и восстановленного до золы, и последующего прессования при нагревании полученной смеси.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает способ получения отвержденной биомассы, который включает:

измельчение исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза;

загрузку в камеру указанной измельченной исходной биомассы;

введение подвижного, создающего давление приспособления в незаполненную часть указанной камеры, загруженной указанной измельченной исходной биомассой, для того чтобы можно было приложить давление к указанной размельченной исходной биомассе с помощью указанного создающего давления приспособления;

прессование указанной измельченной исходной биомассы путем приложения давления к материалу с помощью указанного создающего давления приспособления, подвижно вводимого в камеру, при нагревании материала;

термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и осуществление низкотемпературной реакции между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов с получением полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества;

охлаждение указанных полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества при поддержании давления указанного прессования с получением охлажденного твердого вещества и

выгрузку и сушку указанного охлажденного твердого вещества.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, пар и превращенные в газ компоненты, полученные из исходной биомассы при ее нагревании и прессовании, улавливаются внутри указанной камеры с помощью указанного создающего давление приспособления, вставленного в камеру.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения камера является цилиндрической емкостью, и указанное создающее давление приспособление является поршнем цилиндрической формы, легко скользящим внутри свободного пространства цилиндрической емкости.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения предлагает способ получения отвержденной биомассы, который включает:

измельчение исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза;

загрузку камеры указанной измельченной исходной биомассой;

введение создающего давление поршня в свободное пространство указанной камеры, загруженной указанной измельченной исходной биомассой;

прессование указанной измельченной исходной биомассы путем приложения давления к указанному материалу с помощью создающего давление поршня при нагревании материала при практически герметических условиях в камере;

поддержание нагревания и давления в течение заданного времени с целью получения полукарбонизированного твердого вещества и предварительно полукарбонизированного твердого вещества, при получении полукарбонизированного твердого вещества карбонизацией исходной биомассы без отвода горючего газа или жидкости;

охлаждение указанных полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества при поддержании давления указанного прессования с получением охлажденного твердого вещества и

выгрузку и сушку указанного охлажденного твердого вещества,

в котором указанный, создающий давление поршень и незаполненное пространство указанной камеры изготовлены так, чтобы иметь очень маленький зазор между их внешними и внутренними контурами.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения измельченная исходная биомасса имеет размер частицы 3 мм или менее.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения температура нагревания составляет 115-230°С и давление прессования составляет 8-25 МПа.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения частицы металла добавляют при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения частицы карбонизированного твердого вещества, содержащего биомассу в качестве основного компонента, добавляют в указанную камеру при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения золу материала, содержащую биомассу в качестве основного компонента и восстановленную до золы, добавляют при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой.

Другой вариант осуществления изобретения предлагает способ получения карбонизированной отвержденной биомассы из отвержденной биомассы изобретения, который включает нагревание полученной, как указано выше, отвержденной биомассы, карбонизацию указанной отвержденной биомассы в результате поддержания температуры нагревания и давления воздуха в течение заданного времени с получением карбонизированной отвержденной биомассы, охлаждение указанной карбонизированной отвержденной биомассы при поддержании указанного давления с получением охлажденного карбонизированного твердого вещества, выгрузку и сушку указанного охлажденного карбонизированного твердого вещества.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения температура нагревания составляет 250-350°С и давление воздуха, при котором указанную отвержденную биомассу нагревают, составляет 8-16 МПа.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Отвержденная биомасса изобретения с максимальной прочностью при сжатии 60-200 МПа и теплотворностью 18-23 МДж/кг может быть использована в чугунном литье или производстве чугуна в качестве альтернативного кокса, смешиваемого с угольным коксом. Кроме того, так как она имеет максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа, она может быть использована в качестве материала для различных целей применения.

Отвержденная биомасса с кажущейся плотностью 1,2-1,38, которая не сильно отличается от ее истиной плотности 1,4, имеет мало внутренних пустот, и процент содержания углерода на единицу объема является почти максимальным, поэтому это максимально повышает ее транспортабельность.

Карбонизированная отвержденная биомасса по изобретению может быть получена нагреванием отвержденной биомассы изобретения в атмосфере сжатого воздуха в течение короткого периода времени. Образовавшееся карбонизированное твердое вещество, карбонизированная отвержденная биомасса, имеет почти такие же характеристики горения твердого вещества, как и bincho-tan, самый лучший в Японии активированный уголь из растительного сырья.

Отвержденная биомасса, полученная с использованием в качестве исходного материала смеси исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и частиц металла, может эффективно поглощать тепло благодаря присутствию частиц металла в процессе нагревания и прессования, с получением гомогенного, предварительно полукарбонизированного или полукарбонизированного твердого вещества. Кроме того, частицы металла, добавляемые к исходному материалу и соответственно содержащиеся в биококсе, превращаются в расплавленный металл при литье или получении чугуна. Поэтому путем добавления частиц металла при предварительно скорректированном соотношении металлов и биомассы в смеси может быть достигнуто регулирование содержания ингредиентов при чугунном литье или производстве чугуна.

Отвержденная биомасса, полученная путем использования в качестве материала смеси исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и карбонизированного твердого вещества, включающего биомассу в качестве основного компонента, содержит повышенное количество углерода на единицу массы и единицу объема и, следовательно, имеет повышенную теплотворность и продолжительность горения.

Отвержденная биомасса, полученная путем использования в качестве материала смеси исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и золы материала, включающей биомассу в качестве основного компонента и восстановленную до золы, может быть использована для корректировки содержания кремния в расплавленном металле при чугунном литье или производстве чугуна без воздействия на тепловую характеристику печи.

Согласно способам по настоящему изобретению для получения отвержденной биомассы нагревание и прессование осуществляются путем загрузки в формующую камеру измельченной исходной биомассы и приложением давления на материал путем создающего давления поршня, введенного подвижно в незаполненное пространство камеры с маленьким зазором между внешними и внутренними контурами камеры и поршня, поэтому пар и превращающиеся в газ компоненты, образующиеся из биомассы, задерживаются в камере в процессе нагревания/прессования. Кроме того, биомасса может быть улучшена с помощью перегретого пара. В результате получают предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество с высокой твердостью и высокой теплотворностью. Отвержденная биомасса может быть использована в качестве материала для различных целей применения, например для столбов или наклонных плит.

Материал может быть равномерно загружен в камеру для получения отвержденной биомассы путем использования измельченной исходной биомассы до частиц с размером 3 мм или менее.

Путем использования температуры нагревания 115-230°С и давления прессования 8-25 МПа может быть получено предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество с высокой твердостью и теплотворностью без потребности в избыточной энергии для процесса.

Путем добавления частиц металла к исходной биомассе при загрузке камеры материалом смесь исходной биомассы и частиц металла может эффективно поглощать тепло, и может быть получено однородно образующееся предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество. Кроме того, частицы металла, добавляемые к исходному материалу и соответственно содержащиеся в биококсе, превращаются в расплавленный металл при литье или производстве чугуна. Поэтому путем добавления частиц металлов, количество которых предварительно корректируют на основе отношения металлов к биомассе в смеси, может быть достигнута корректировка ингредиентов при чугунном литье или производстве чугуна.

Путем добавления карбонизированного твердого вещества, содержащего биомассу в качестве основного компонента, к исходной биомассе при загрузке камеры материалом может быть получено предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество с повышенной теплотворностью и продолжительностью горения.

Путем добавления золы материала, содержащего биомассу в качестве основного компонента и восстановленную до золы, к исходной биомассе при загрузке камеры материалом, может быть получено предварительно полукарбонизированное или полукарбонизированное твердое вещество, с помощью которого может быть скорректировано содержание кремния в расплавленном металле при чугунном литье или производстве чугуна без воздействия на тепловую характеристику печи.

Путем нагревания отвержденной биомассы на открытом воздухе в течение заданного времени и затем охлаждения в атмосфере сжатого воздуха может быть получена карбонизированная отвержденная биомасса за короткий промежуток времени.

В этом случае предпочтительно нагревать отвержденную биомассу до температуры 250-350°С в атмосфере сжатого воздуха под давлением 8-16 МПа. В результате этого отвержденная биомасса равномерно карбонизируется, и может быть получено карбонизированное твердое вещество с высокой степенью адгезии за короткий промежуток времени.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Отвержденная биомасса изобретения (называемая здесь биококсом) и способы ее обработки далее будут описаны подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи.

На фиг.1 приведен внешний вид в перспективе примера биококса (1) согласно настоящему изобретению. Биококс (1) по изобретению может быть получен с использованием всех видов биомассы, которые являются продуктами фотосинтеза. В качестве типов биомассы, образующихся в результате фотосинтеза, могут быть упомянуты, например, древесная биомасса, травяная биомасса, биомасса из сельскохозяйственных продуктов, биомасса из пищевых отходов и так далее.

В качестве древесной биомассы могут быть упомянуты, например, древесина, опавшая листва, обрезанные или удаленные ветки и листья, сплавная древесина, бумажная макулатура и так далее.

В качестве травяной биомассы могут быть упомянуты, например, стебли кенафа, подсолнечника и так далее.

В качестве биомассы из сельскохозяйственных продуктов могут быть упомянуты, например, стебли банана, стебли кунжута, лоза батата, рисовая шелуха и так далее.

В качестве биомассы из пищевых отходов могут быть упомянуты, например, кофейная гуща, чайная гуща, отход соцветия бобов и так далее.

Такая биомасса в качестве основных компонентов содержит целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

Что касается термостойких свойств этих основных компонентов биомассы, то при атмосферном давлении большая часть свободной воды удаляется путем испарения при 100°С. Изменение цвета, разложение или размягчение, газификация, дальнейшее выделение тепла и развитие карбонизации происходит при температурах выше следующих температур для каждого из компонентов: лигнин (280~550°С), целлюлоза (240~400°С) и гемицеллюлоза (180~300°С). Лигнин обладает самыми высокими термостойкими свойствами, далее следуют целлюлоза и гемицеллюлоза.

Целлюлоза является высококристаллическим цепным полимером с четко упорядоченной структурой связей и степенью полимеризации 2000-15000, поэтому она играет важную роль в обеспечении свойства твердости биомассы в целом.

Лигнин имеет исключительно сложную трехмерную структуру связей, поэтому его вклад в свойство твердости биомассы в целом является также высоким.

В отличие от них гемицеллюлоза имеет разветвленную структуру и степень полимеризации 50~200, которая ниже по сравнению со степенью полимеризации целлюлозы, поэтому ее вклад в свойство твердости биомассы в целом является малым.

Было обнаружено, что может быть получено твердое вещество, то есть биококс, с очень высокой твердостью и превосходной характеристикой горения путем термического разложения гемицеллюлозы, которая является по своей структуре хрупкой и имеет низкую термостойкость, что способствует развитию адгезии, сжатию биомассы с протеканием реакции термоотверждения между целлюлозой и лигнином и в то же время сохранению их углеродных остовов и улучшению характеристики сжигания твердого вещества на открытом воздухе.

Реакция термоотверждения протекает благодаря возбуждению реакционного активного центра между фенольными макромолекулами, содержащимися в лигнине, и так далее.

Это подтверждается тем фактом, что присутствие крезола в молекулах лигнина продукта реакции лигнин-крезол было подтверждено H¹-ЯМР анализом. Это означает, что реакция происходила между лигнином и крезолом, и крезол был внедрен в молекулы лигнина. Это обеспечивает протекание реакции термоотверждения между молекулами фенола и образование относительно однородной и прочной интермолекулярной сетки.

Кроме того, можно активировать реакцию термоотверждения путем конфекции материала и понижения температуры прессования на 10~60°С или более.

Поэтому становится возможным инициирование протекания реакции термоотверждения при более низкой температуре без карбонизации биомассы и достижение характеристики горения отвержденной биомассы, замещающей угольный кокс.

На фиг.2 приведена блок схема, показывающая способ получения биококса согласно настоящему изобретению. Способ получения биококса по изобретению будет далее подробно описан со ссылкой на фиг.2.

Приведенный на фиг.2 способ получения биококса состоит в основном из трех стадий.

На первой стадии биомассу измельчают на фракции с размером 3 мм или менее.

На второй стадии биомассу, измельченную на фракции в первой стадии, нагревают до температуры в интервале 115~230°С и прессуют путем приложения давления, регулируемого в интервале давлений 8-25 МПа.

На третьей стадии сохраняют в течение 10~20 минут используемое нагревание и давление второй стадии.

Затем биомассу охлаждают при сохранении действия давления третьей стадии, затем спрессованную биомассу извлекают и сушат для завершения получение биококса по изобретению.

Упомянутый выше способ получения далее будет объяснен более подробно.

Сама по себе биомасса для получения биококса имеет высокое паросодержание и малую площадь поверхности, в связи с чем ее неудобно нагревать и прессовать. Поэтому, для того чтобы осуществить равномерное прессование, биомассу сначала измельчают на кусочки с размером частиц менее чем 3 мм или менее, предпочтительно до 0,1 мм или менее, с помощью средств для измельчения, таких как смеситель.

В результате биомасса может быть загружена в камеру для формования (упомянутую далее) в однородном состоянии с повышенной плотностью. Соответственно, увеличивается площадь контакта кусочков биомассы при нагревании и прессовании, и твердость спрессованной биомассы.

Затем измельченную биомассу загружают в формующую камеру, такую как цилиндр, и после этого для приложения давления вставляют в формующую камеру создающий давление поршень.

Здесь форму формующей камеры и создающего давление поршня специально не определяют, но предпочтительной является круглая форма их поперечного сечения. Путем использования круглой формы поперечного сечения формование может быть осуществлено стабильно, даже когда формующая камера или создающий давление поршень слегка вращаются в процессе прессования.

Внутренний диаметр формующей камеры и внешний диаметр создающего давление поршня определяют почти равными, и пар и газифицируемые компоненты, образующиеся из биомассы при нагревании и прессовании, могут быть задержаны внутри формующей камеры, что позволяет улучшить качество биомассы с помощью перегретого пара и получить биококс с высокой теплотворностью и высокой твердостью.

После того как измельченную биомассу загружают в формующую камеру осуществляют нагревание и приложение давления при упомянутых выше температурах 115~230°С и давлении 8~25 МПа. Этот процесс нагревания и прессования продолжается в течение 10-20 минут. Что касается способа нагревания, то удобно, чтобы предусматривались такие способы нагревания, как, например, электрический нагрев по внешнему периметру формующей камеры, и нагрев биомассы происходит через формующую камеру. Прессование проводят с помощью создающего давления поршня. Что касается способа приложения давления, то удобно толкать создающий давление поршень с помощью масляно-гидравлического домкрата и так далее. Однако следует учитывать возможность того, что давление пара, образующегося в формующей камере, может превышать давление, создаваемое с помощью поршня.

Путем проведения нагревания и прессования при упомянутом выше условии может быть получен биококс, который имеет высокую твердость и высокую теплотворность без потребления избыточной энергии для процесса.

Это связано с тем, что при нагревании при температуре 115-230°С гемицеллюлоза термически разлагается, целлюлоза и лигнин взаимодействуют друг с другом при низкой температуре в присутствии перегретого пара, образующегося в формующей камере, при сохранении их углеродных скелетов, что действует синергетически вместе с эффектом прессования, тем самым повышая твердость отвержденной биомассы.

Более предпочтительно, чтобы нагревание и прессование проводили при температуре 185~230°С и давлении 12-19 МПа.

Биококс охлаждают до 40~50°С или ниже в течение 30-60 минут при сохранении повышенного давления, затем биококс извлекают из формующей камеры. Если биококс извлекают, когда его температура выше, чем указанный температурный интервал, или когда поддерживается повышенное давление при охлаждении, то снижается адгезионное действие гемицеллюлозы. Что касается способа охлаждения, то предпочтительным является естественное охлаждение атмосферным воздухом. Если время охлаждения слишком короткое, то это может привести к образованию трещин на поверхности и снижению твердости.

Кроме того, 5-10 мас.% пара конденсируется опять в биококсе сразу после того, как его извлекают из формующей камеры, так как он был сформован практически в герметических условиях, то есть почти под вакуумом. Твердость может быть увеличена путем его обезвоживания с помощью сушки.

Способ сушки специально не ограничивают, и может быть упомянута, например, естественная сушка путем выдержки биококса в атмосфере окружающей среды или сушки в пространстве с регулируемой температурой 80~100°С.

Биококс, полученный с помощью упомянутого выше способа, обладает отличными физическими свойствами: плотностью 1,2-1,38, максимальной прочностью при сжатии 60-200 МПа, теплотворностью 18-23 МДж/кг, что превосходит как по твердости, так по параметрам горения, например, необработанную древесную биомассу с кажущейся плотностью 0,4-0,6, теплотворностью 17 МДж/кг и максимальной прочностью при сжатии 30 МПа.

Биококс по изобретению по твердости и параметрам горения также превосходит угольный кокс, который имеет кажущуюся плотность 1,85, максимальную прочность при сжатии 15 МПа и теплотворность 29 МДж/кг.

Кажущаяся плотность 1,2-1,38 биококса по изобретению является приблизительно такой же, как и истинная плотность биомассы. Таким образом, биококс по изобретению имеет мало внутренних пустот, и поэтому есть возможность практически максимизировать процент содержания свободного углерода на единицу объема и получить почти максимальное образование тепловой энергии около 30 ГДж/м³. Кроме того, максимально увеличивается его транспортабельность.

Здесь будут описаны также варианты способа получения биококса согласно изобретению. В следующих вариантах способа получения технология обработки сама по себе не меняется, меняют только материалы для получения биококса.

В первом варианте частицы металла добавляют к биомассе, и смесь нагревают и прессуют.

В качестве добавляемых частиц металла могут быть упомянуты, например, Fe (железо), Ni (никель), Cu (медь), Mn (марганец) и так далее.

Что касается размера частиц металла, то чем они меньше, тем лучше. Предпочтительно смешивать частицы металла с размером около 3 мм или меньше (более предпочтительно 0,1 мм или меньше). Это позволяет равномерно смешивать частицы металла и обеспечивать равномерный контакт с биомассой в формующей камере.

Полученный таким способом биококс имеет максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа, теплотворность 1-23 МДж/кг и кажущуюся плотность 1,3-6,0.

Биококс эффективно поглощает тепло, подводимое снаружи, и реакция контактирования между кусочками биомассы ускоряется за счет присутствия частиц металла, что приводит к повышенной прочности при сжатии формируемой биомассы.

Частицы металла, добавляемые к исходному материалу и соответственно содержащиеся в биококсе, превращаются в расплавленный металл при литье или производстве чугуна.

Обычно, при литье или производстве стали, требуется корректировка ингредиентов на конечной стадии процесса в соответствии со свойствами, предъявляемыми к чугуну или стали (например, в конвертере для стали и так далее). Путем добавления частиц металла, с предварительно скорректированным соотношением металлов и биомассы в смеси, может быть опущена корректировка ингредиентов на конечной стадии, что приводит к снижению затрат.

Во втором варианте карбонизированное твердое вещество, состоящее из карбонизированной биомассы и так далее, добавляют к биомассе и смесь нагревают и прессуют.

Так как биококс содержит с биохимической точки зрения около 40-50 мас.% углерода, то он хуже по характеристике сжигания превращаемого в уголь вещества с помощью поверхностной твердофазной реакции по сравнению с угольным коксом на 50-60%. Это не сказывается на теплотворности и температуре выделения тепла, но относится к длительности выделения тепла.

Для решения этой проблемы в этом варианте осуществления биококс получают путем смешения карбонизированного твердого вещества (теплотворность 33-42 МДж/кг), состоящего из карбонизированной биомассы, и так далее, с биомассой (смешиваемых так, чтобы карбонизированное твердое вещество охватывало вокруг биомассу).

Таким образом может быть получен биококс с повышенным процентом содержания свободного углерода по объему и по массе и улучшенной продолжительностью горения и теплотворностью. Это означает, что таким способом может быть увеличена характеристика поверхностного горения твердого вещества.

Предпочтительно, чтобы карбонизированное твердое вещество, состоящее из карбонизированной биомассы, и так далее, измельчали на кусочки размером 3 мм или менее, более предпочтительно измельчали в порошок с размером частиц 0,1 мм или менее.

Не только карбонизированное твердое вещество, полученное из биомассы, но также порошок карбонизированного твердого вещества, полученный из отходов, образующихся из ископаемых источников, может также быть успешно использован в качестве упомянутого выше карбонизированного твердого вещества.

Биококс, получаемый как упомянуто выше путем смешения с карбонизированным твердым веществом, имеет максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа, теплотворность 18-27 МДж/кг, кажущуюся плотность 1,3-1,4.

Поэтому, когда порошок карбонизированного твердого вещества добавляют в смесь до его концентрации, например, 50 мас.% от суммарной массы материала, биококс, полученный таким способом, будет иметь повышенное содержание свободного углерода на 75%, теплотворность на 15% до 24,5 МДж/кг и также будет увеличенной продолжительность горения.

В третьем варианте золу биомассы и так далее добавляют к биомассе и смесь нагревают и прессуют.

В качестве материала для получения золы могут быть упомянуты отходы растительной пищи, строительные отходы, непокрытые содержащей ССА (хром, медь, мышьяк) краской, теплоизоляционные материалы и так далее.

Обычно, при литье и производстве чугуна, Fe-Si бросают в печь вместе с угольным коксом с целью добавления Si для корректировки компонента. Хотя биомасса содержит кремний, путем добавления золы биомассы и так далее, к биомассе, и формования с помощью тепла и прессования, содержание кремния в полученном таким способом биококсе, может корректироваться без снижения его теплотворности и твердости.

В четвертом варианте биомассу, содержащую природную серу, добавляют в достаточном количестве к биомассе и смесь нагревают и прессуют.

Некоторые виды биомассы содержат образованные в процессе фотосинтеза серу, фосфор и другие подобные элементы в виде сульфоновой кислоты лигнина или другого подобного соединения при концентрации 10% или более по объему. Это обусловлено тем фактом, что большое количество серы или фосфора и других подобных элементов содержится в почве, на которой растет биомасса.

Как уже упоминалось, свойства, требуемые при литье чугуна и стали, различаются исходя из их предполагаемых применений, поэтому необходимо осуществлять корректировку компонента на конечной стадии переработки. Содержание серы, фосфора и других подобных элементов также необходимо корректировать.

Поэтому путем добавления биомассы, содержащей природную серу и другой подобный элемент в количестве 10% или более по объему, к биомассе, которая имеет аналогичные по размеру частицы, и формования с помощью нагревания и прессования может быть скорректировано содержание серы и другого подобного элемента в биококсе без снижения теплотворности и твердости, и может быть скорректировано содержание серы и другого подобного элемента в чугуне и железном слитке при литье или производстве чугуна. Так как природная сера, фосфор и другие подобные элементы смешивают в качестве добавок, вместо их использования, содержащимися изначально в ископаемом топливе, нагрузка на окружающую среду может быть уменьшена.

Когда требуется чугун или железный слиток, содержащий большое количество серы или другого подобного элемента, удобно получать биококс с использованием только биомассы, содержащей большое количество серы и другого подобного элемента.

Как описано выше, биококс согласно настоящему изобретению можно использовать в качестве источника тепла, восстановителя и так далее в вагранке или доменной печи литейного производства или производства стали. Высокая прочность при сжатии биококса позволяет использовать его в качестве материала для различных целей применения. Биококс по настоящему изобретению может быть сформован в твердое вещество диаметром 0,1-250 мм и высотой 1-1000 мм.

Здесь, в качестве примера использования, будет объяснен случай использования биококса в вагранке в качестве альтернативного кокса.

Схематичный вид в разрезе плавильной печи типа вагранки (2) приведен на фиг.3, ее температурные характеристики - на фиг.4 и вид печи в перспективе с частичным разрезом - на фиг.5.

Плавильная печь типа вагранки (2), показанная на фигурах 3 и 5, является продолговатой цилиндрической печью с глухим дном, имеющей внешнюю поверхность, покрытую стальным листом (3) и имеющей внутреннюю поверхность, образованную стенкой из огнеупорного кирпича (4). Цилиндрическая печь (2) имеет загрузочное окно (5) на ее верхней части, летку (6) и отверстие для выгрузки шлака (7) рядом с ее дном. Ниже загрузочного окна (5) располагается загрузочная платформа (8). Чуть выше летки (6) располагается фурма (11), постоянно соединенная с воздуходувной трубой (9) и воздушной коробкой (10). На дне печи (12) расположена дверка (13).

При использовании плавильной печи типа вагранки (2) для производства чугуна или стали сначала кладут на дно печи (14) холостую завалку кокса (14) и металлическую руду (15) и коксовую завалку (16) кладут так, чтобы металлическая руда (15) и коксовая завалка (16) образовывали чередующиеся слои металлической руды (15) и коксовой завалки (16), и между каждым слоем образовывалось пустое пространство.

Здесь, и холостая завалка кокса (14) и коксовая завалка (16) являются смесями угольного кокса и биококса (1) по изобретению с долей биококса (1) от нескольких % до 50%.

На фиг.4а показано распределение температуры внутри печи.

Распределение температуры внутри печи является следующим. В верхней зоне (А), где заложены металлическая руда (15) и коксовая завалка (16), температура постепенно повышается к низу от 500°С до 1000°С. В нижней зоне (В), где положена холостая завалка кокса (14), температура повышается быстро до 1800°С, затем понижается до 1600°С.

На фиг.4b показана характеристика условий в печи. В левой части фиг.4b показана характеристика условий для металлической руды (15).

Зона подогрева образуется в верхней части, где поочередно закладываются металлическая руда (15) и коксовая завалка (16). Металлическая руда (15) подогревается в этой зоне. Зона плавления образуется в граничной области между верхней зоной (А) и нижней зоной (В). Металлическую руду (15) расплавляют в зоне плавления. Перегретая зона образуется в нижней части печи, где кладут холостую завалку кокса (14), и температура достигает максимума. Металлическую руду (15), расплавленную в зоне плавления, перегревают в зоне перегрева. Зона ванны жидкого металла, где собирается расплавленный металл (18), образуется в нижней части ниже фурмы (11). Расплавленный металл (18) собирается в области горна.

В зоне подогрева образуется пустое пространство, через которое выходит воздух или газообразный продукт сгорания кокса. Так как биококс (1) изобретения имеет прочность при сжатии в 10 раз больше, чем у угольного кокса (17), биококс (1) не разрушается в результате загрузки сверху и свободное пространство может быть сохранено.

В правой части фиг.4b приведена характеристика условия реакции между коксом и газом в печи.

Зона плавления и зона перегрева характеризуется как восстановительная зона и окислительная зона, как показано на чертеже, причем верхняя зона является восстановительной зоной, а нижняя зона является окислительной зоной.

В зоне восстановления СО₂, образующийся по реакции горения в зоне окисления, восстанавливается. Восстановительная зона образуется в результате восстановления СО₂ и также газов, полученных в результате газификации биококса (1), более конкретно газов (СО, Н₂, и так далее), образующихся при термическом разложении и газификации целлюлозы и лигнина биококса (1). Другими словами, это означает, что биококс (1) работает как восстановитель.

При нагреве биомассы в восстановительной атмосфере в результате суммарной экзотермической реакции происходит газификация, и, кроме того, ускоряется реакция самогазификации. Это является причиной того, почему восстановительная зона (то есть область, в которой происходит газификация биококса (1)) образуется в верхней части холостой завалки кокса (14) в печи.

Окислительная зона является нижней зоной зоны перегрева, и температура в окислительной зоне достигает 600°С или более. В окислительной зоне биококс (1) полностью газифицируется или сгорает (окисляется) в золу и выделяет тепло для плавления металлической руды (15).

Причина образования такой окислительной зоны (то есть области, в которой происходит полная газификация или сжигание биококса (1)) в нижней части ниже холостой завалки кокса (14) заключается в том, что реакция горения интенсифицируется воздухом, вдуваемым из нижней части печи через фурму (11).

Далее будут описаны параметры горения биококса (1).

Угольный кокс (17) имеет теплотворность около 29 МДж/кг. С другой стороны, биококс (1) имеет теплотворность в интервале от 18 до 23 МДж/кг, которая немного ниже, чем теплотворность угольного кокса (17). Теплотворность и температура выделения тепла биококса изменяются в соответствии с изменением его массы, вызванным процессами его газификации/карбонизации.

Сначала, при температурах от температуры окружающей среды до 250°С, биококс только нагревается, и экзотермическая реакция не протекает.

При температурах от 250°С до 600°С выделяется тепло, и в то же время выделяются газообразные компоненты, такие как СО, H₂ и так далее, в результате газификации биомассы, однако, температура выделения тепла является низкой.

При 600°С или выше происходит горение превращенного в уголь биококса в результате поверхностной твердофазной реакции и может быть достигнута температура выделения тепла, сравнимая с выделением тепла угольным коксом (17). Температура выделения тепла биококса мгновенно превышает температуру выделения тепла угольного кокса (17), и теплотворность около 33-42 МДж/кг является сопоставимой с теплотворностью, достигаемой при сжигании угля.

Поэтому полное преимущество биококса (1) в качестве источника энергии для плавления может быть реализовано при 600°С или выше.

Процесс чугунного литья или процесс производства стали с использованием плавильной печи типа вагранки (2) описанной выше конструкции будет приведен ниже.

Сначала, металлическую руду (15) и коксовую завалку (16) вводят из загрузочного окна (5) в плавильную печь типа вагранки (2), как показано на фиг.3 и 4, причем коксовая завалка (16) является смесью угольного кокса (17) и биококса (1), смешанным в соответствующем соотношении, например от нескольких % до 50% от суммарного количества смеси.

Затем, когда внутренняя часть печи нагревается при подаче воздуха из фурмы (11), происходит газификация холостой завалки кокса (14) в зоне восстановления, образуются летучие газы для дополнительного ускорения образования зоны восстановления. Холостая завалка кокса (14) в зоне окисления полностью газифицируется или сгорает (окисляется).

Пакет металлической руды (15) и коксовой завалки (16) поочередно штабелируемый в верхней части печи, спадает и двигается вниз при предварительном нагреве, в то время как холостая завалка кокса в нижней области в печи газифицируется и сгорает.

Двигающаяся вниз металлическая руда плавится в результате тепла, выделяемого при горении кокса, положенного в зоне окисления, восстанавливается воздухом, подаваемым из фурмы (11), и затем ее извлекают через летку (6) в виде расплавленного металла (18).

Расплавленный металл (18) может быть получен с такой же температурой, что и расплавленный металл, полученный при использовании традиционного угольного кокса, или даже горячее, благодаря превосходным характеристикам процесса горения биококса (1) в упомянутой выше высокотемпературной области.

Так как биококс по изобретению может быть скорректирован по компонентам на ранней стадии его получения, нет необходимости корректировать компоненты при использовании конвертора. Это делает возможным упростить в целом производственные стадии и тем самым снизить затраты.

Как описано выше, биококс согласно настоящему изобретению может быть использован в качестве альтернативного кокса для смешения с угольным коксом в пропорции от нескольких % до 50% при чугунном литье или производстве стали. В этом случае может быть достигнут эффект, аналогичный или даже превосходящий эффект, получаемый при использовании 100% угольного кокса.

Так как биококс по изобретению может быть получен с использованием аппарата относительно простой конструкции, издержки его производства могут быть уменьшены по сравнению с угольным коксом.

Более того, может быть достигнуто снижение нагрузки на окружающую среду за счет использования альтернативного кокса, биококса по изобретению.

Далее, будет описан пример использования биококса согласно настоящему изобретению в качестве материала для различных целей применения.

Имеется громадное количество легко доступной биомассы, и такая биомасса непрерывно производится. Биомассу с меньшим потенциалом использования, такую как пищевые отбросы, водоросли дна рек или другие подобные виды биомассы обычно относят к отбросам, так как считается, что они представляют во многих случаях малую ценность для использования. Такую биомассу приходиться обычно или дополнительно улучшать, или сжигать.

Поскольку биомасса является углеродом, фиксированным с помощью фотосинтеза, и имеет хорошо упорядоченную структуру, имеется возможность создать непрерывную замкнутую циркуляцию, то есть циркуляцию с нулевым выбросом в окружающую среду в результате превращения такой биомассы в материал для различных целей применения путем использования преимущества ее характеристик.

Биококс согласно настоящему изобретению имеет максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа, которая выше чем максимальная прочность при сжатии железа. Кроме того, биококс может быть получен из пищевых отбросов, водорослей дна рек или других подобных видов биомассы, поэтому ее ценность как материала является очень высокой.

Биококс может быть использован в качестве материалов для продуктов типа стержня, таких как садовые заборы, садовые колышки и гвозди; продуктов типа пластин, такие как пластины для подставок или укрепления откоса, перегородки и так далее.

При использовании биококса по изобретению в качестве стержня требуется некоторая степень прочности при ударе. Для удовлетворения этого требования предпочтительно, чтобы, например, частицы металла добавляли к исходной биомассе для улучшения реакционной способности между компонентами биомассы или чтобы исходную грубо измельченную биомассу с целью использования преимущества ее волокнистой природы добавляли для улучшения сплошности между компонентами.

Как описано выше, согласно настоящему изобретению можно утилизировать выбрасываемую до настоящего времени биомассу и показать, какие изделия, сделанные из пластмассы, полученной из химических веществ, опасных для человеческого организма, могут быть замещены изделиями, сделанными из источников биомассы, постоянно пригодных для повторного использования.

Более того, биококс, используемый в качестве материала для различных целей применения, может, как само собой разумеющееся, быть использован в качестве источника тепла. Поэтому, когда у изделий, сделанных из биококса, заканчиваются срок службы и они перестают выполнять свои функции, они могут быть использованы снова путем утилизации в качестве материала биококса по изобретению, например, путем превращения использованного материала в угольный порошок и смешения с биомассой для получения биококса. Таким образом, реализуется система замкнутой утилизации, то есть циклическая система использования биомассы. Кроме того, так как биококс может естественно разлагаться, его можно возвращать в природу.

Далее будет описан дополнительные пример использования биококса по изобретению.

Карбонизированное твердое вещество с высокой твердостью может быть получено за короткое время за счет дополнительного расширения использования вышеупомянутого способа получения биококса.

В этом случае биококс дополнительно нагревают на открытом воздухе. Температуру и давление устанавливают 250-350°С и 8-16 МПа соответственно с получением выхода от 10 до 30% по массе.

В результате такой переработки почти 100% карбонизированного твердого вещества может быть получено за короткий период времени.

В результате установления температуры до 250-350°С и давления до 8-16 МПа, может быть получено за короткое время гомогенное карбонизированное твердое вещество с высокой степенью адгезии.

При этой переработке в биококсе происходят газификация и экзотермическая реакция, и он уменьшается по массе по мере карбонизации, и затем получают полностью карбонизированное, твердое вещество в виде активированного угля. Когда подвергают карбонизации живые деревья в описанных выше аналогичных условиях, они быстро газифицируются благодаря действию давления, то твердое вещество в виде активированного угля не может быть получено, вместо этого получают только золу.

Карбонизированное твердое вещество, полученное с помощью выше упомянутой переработки, имеет теплотворность 30-35 МДж/кг и более высокую твердость, чем активированный уголь из растительного сырья. Карбонизированное твердое вещество имеет превосходные характеристики процесса горения для твердого вещества и может быть использовано в качестве источника тепла, сопоставимого с bincho-tan, лучшим растительным активированным углем в Японии.

ПРИМЕРЫ

Примеры биококса согласно настоящему изобретению и способ его получения будут подробно описаны далее.

Пример 1

Древесные опилки японского кедра измельчали на кусочки размером около 0,1 мм с помощью машины для измельчения фирмы Matsushita Electric Works.

Измельченный материал загружали в сделанную авторами изобретения формующую камеру (цилиндрический сосуд диаметром 40 мм и высотой 250 мм), и вставляли в камеру создающий давление поршень. Материал нагревали и сжимали до температуры 210°С и давления около 16 МПа в течение 10 минут.

Далее, материал охлаждали в течение 60 минут при поддержании давления. Затем биококс извлекали и сушили на открытом воздухе.

Полученный биококс проявлял максимальную прочность при сжатии около 100 МПа и теплотворность около 21 МДж/кг.

Пример 2

Биококс получали таким же способом, как в примере 1, за исключением того, что устанавливали температуру нагревания 180°С.

Полученный биококс проявлял максимальную прочность при сжатии около 80 МПа и теплотворность около 20 МДж/кг.

Пример 3

Биококс получали таким же способом, как в примере 1, за исключением того, что устанавливали температуру нагревания 220°С.

Полученный биококс проявлял максимальную прочность при сжатии около 120 МПа и теплотворность около 23 МДж/кг.

Пример 4

Биококс получали таким же способом как в примере 1, за исключением того, что использовали формующую камеру диаметром 20 мм и устанавливали температуру нагревания 220°С и давление 20 МПа.

Полученный биококс проявлял максимальную прочность при сжатии около 200 МПа и теплотворность около 23 МДж/кг.

Пример 5

Биококс получали таким же способом, как в примере 1, за исключением того, что использовали кору японского кипариса вместо опилок японского кедра.

Кора японского кипариса отверждается более легко, чем опилки японского кедра. Полученный биококс проявлял теплотворность около 21 МДж/кг и максимальную прочность при сжатии около 100 МПа.

Пример 6

Биококс получали таким же способом, как в примере 1, за исключением того, что использовали смесь 10% опилок японского кедра и 90% коры японского кипариса, и материал нагревали и сжимали до температуры около 115°С и давления 21 МПа в течение 15 минут.

Полученный биококс проявлял теплотворность около 21 МДж/кг и максимальную прочность при сжатии около 83 МПа. Температуру нагревания можно было понизить на 50°С из-за присутствия макромолекул высших фенолов, полифенола или других подобных соединений, содержащихся в коре.

Сравнительный пример 1

Использовали такой же способ, как и в примере 1, за исключением того, что температуру нагревания устанавливали 240°С. В этом сравнительном примере материал был полностью карбонизирован и не отвержден.

В вышеприведенных примерах и сравнительном примере было обнаружено, что может быть получен биококс, который имеет превосходные характеристики как по теплотворности, так и по максимальной прочности при сжатии, когда температура нагревания составляет 115-230°С. Но если температура нагревания превышала 230°С, биококс не образовывался из-за быстрого протекания карбонизации и газификации.

Следовательно, так как карбонизация и газификация протекала быстро в небольшом интервале температур от 230°С до 240°С, верхним пределом соответствующей температуры нагревания для получения биококса по изобретению была определена температура 230°С.

Кроме того, был проведен эксперимент для демонстрации возможности замещения угольного кокса биококсом путем использования биококса с максимальной прочностью при сжатии около 100 МПа и теплотворностью около 21 МДж/кг в реальной вагранке с внутренним диаметром 300 мм (фирмы Naniwa Roki Co., Ltd.).

Пример 7

10% от кокса заменяли биококсом изобретения при проведении эксперимента в вагранке.

Было подтверждено, что достигается такая же выплавка металла, как и в случае использования 100% угольного кокса.

В последующем испытании на разрыв полученный чугун проявлял предел прочности на разрыв 120-160 МПа.

Пример 8

Кроме того, 50% всего кокса заменяли биококсом изобретения. Результат был такой же, как и в примере 4.

Из этих результатов было выяснено, что операция в вагранке может быть осуществлена практически так же, как и в случае использования 100% угольного кокса, даже если биококс по изобретению составляет 50% от общего количества кокса.

Пример 9

Биококс с максимальной прочностью при сжатии около 100 МПа и теплотворностью около 21 МДж/кг дополнительно нагревали до 300°С в печи для нагревания при давлении 8 МПа в течение 20 минут.

Полученное в результате этой обработки карбонизированное твердое вещество давало выход около 20% и теплотворность около 34 МДж/кг. Карбонизированное твердое вещество можно назвать искусственным bincho-tan, самым лучшим растительным активированным углем в Японии.

Пример 10

Водоросли, собранные со дна рек, использовали в качестве материала, из которого формовали биококс в форме столбиков. Биококс в форме столбиков формовали с использованием создающего давления поршня, с помощью которого в боковой торцовой поверхности материала формовали коническое углубление. Формование проводили при таких же условиях, что и в примере 1.

Полученный столбик проявлял максимальную прочность при сжатии около 80 МПа.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Согласно способу изобретения отвержденная биомасса может быть получена на простом оборудовании с низкими затратами и полученный этим способом биококс может быть использован в качестве альтернативного топлива для угольного кокса, а также как материал для различных целей применения.

КРАТКОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан внешний вид в перспективе примера биококса согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 показана блок-схема, показывающая способ получения биококса согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 показан схематичный вид в разрезе плавильной печи типа вагранки, когда биококс по изобретению используют в качестве альтернативного кокса.

На фиг.4 показана диаграмма, показывающая температурную характеристику в плавильной печи типа вагранки, когда биококс по изобретению используют в качестве альтернативного кокса.

На фиг.5 показан вид плавильной печи типа вагранки в перспективе с частичным разрезом, когда биококс по изобретению используют в качестве альтернативного кокса.

ОБОЗНАЧЕНИЕ СИМВОЛОВ

1 - биококс,

14 - холостая завалка кокса,

16 - коксовая завалка,

17 - угольный кокс.

Изобретение относится к отвержденной биомассе, применяемой в качестве альтернативного вида топлива для угольного кокса, а также в качестве материала для различных целей применения, и способам ее получения. Отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, состоит из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, имеющего кажущуюся плотность 1,2-1,38, полученного в результате переработки, в которой исходную биомассу, которая является продуктом фотосинтеза, прессуют при нагревании в практически герметических условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекает низкотемпературная реакция между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, с получением указанного предварительно полукарбонизированного твердого вещества или полукарбонизированного твердого вещества с максимальной прочностью при сжатии 60-200 МПа и теплотворностью 18-23 МДж/кг. Карбонизованная отвержденная биомасса получается нагреванием на открытом воздухе вышеуказанной отвержденной биомассы. Отвержденная биомасса также может быть получена из смеси исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, с частицами металла или карбонизованным твердым веществом, содержащим биомассу в качестве основного компонента, или золой материала, содержащего восстановленную до золы биомассу в качестве основного материала. Способ получения отвержденной биомассы, включает измельчение исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза; загрузку в камеру указанной измельченной исходной биомассы; введение подвижного создающего давление приспособления в незаполненную часть указанной камеры, загруженной указанной измельченной исходной биомассой, для того чтобы можно было приложить давление к указанной исходной биомассе с помощью указанного создающего давления приспособления; прессование указанной измельченной исходной биомассы путем приложения давления в 8-25 МПа к материалу с помощью указанного создающего давления приспособления, подвижно вводимого в камеру, при нагревании материала до температуры 115-230°С, причем пар и превращенные в газ компоненты, полученные из исходной биомассы при ее нагревании и прессовании, улавливаются внутри указанной камеры с помощью указанного создающего давление приспособления, вставленного в камеру; термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и осуществление низкотемпературной реакции между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов с получением полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества; охлаждение указанных полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества при поддержании давления указанного прессования с получением охлажденного твердого вещества и выгрузку и сушку указанного охлажденного твердого вещества. Способ получения карбонизированной отвержденной биомассы из вышеуказанной отвержденной биомассы включает нагревание вышеуказанной отвержденной биомассы на открытом воздухе; осуществление карбонизации указанной отвержденной биомассы путем поддержания температуры нагревания и давления воздуха в течение заданного времени с получением карбонизированной отвержденной биомассы; охлаждение указанной карбонизированной отвержденной биомассы при поддержании указанного давления с получением охлажденной карбонизованной отвержденной биомассы; выгрузку и сушку указанной охлажденной карбонизованной отвержденной биомассы. Технический результат - получение из биомассы топлива, пригодного для использования в качестве альтернативы угольному коксу, с высокой прочностью и теплотворностью. 8 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, состоящая из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, имеющего кажущуюся плотность 1,2-1,38, полученного в результате переработки, в которой исходную биомассу, которая является продуктом фотосинтеза, прессуют при нагревании в практически герметических условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекает низкотемпературная реакция между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, с получением указанного предварительно полукарбонизированного твердого вещества или полукарбонизированного твердого вещества с максимальной прочностью при сжатии 60-200 МПа и теплотворностью 18-23 МДж/кг.

2. Карбонизированная отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, полученная нагреванием на открытом воздухе отвержденной биомассы, состоящей из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученных путем обработки, в которой исходную биомассу, которая является продуктом биосинтеза, прессуют при нагревании в практически герметичных условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекание низкотемпературной реакции между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, при этом указанные предварительно полукарбонизированное твердое вещество или полукарбонизированное твердое вещество имеют максимальную прочностью при сжатии 60-200 МПа и теплотворность 18-23 МДж/кг.

3. Отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, состоящая из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате переработки, в которой смесь исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и частиц металла прессуют при нагревании в практически герметических условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекает низкотемпературная реакция между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, в результате чего указанные предварительно полукарбонизированное твердое вещество или полукарбонизированное твердое вещество имеют максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа и теплотворность 18-23 МДж/кг.

4. Отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, состоящая из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате обработки, в которой смесь исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и карбонизованного твердого вещества, содержащего биомассу в качестве основного компонента, прессуют при нагревании в практически герметических условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекает низкотемпературная реакция между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, в результате чего указанные, предварительно полукарбонизированное твердое вещество или полукарбонизированное твердое вещество, имеют максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа и теплотворность 18-27 МДж/кг.

5. Отвержденная биомасса, пригодная для использования в качестве альтернативного угольному коксу топлива, а также в качестве углеродного материала, пригодного для различных целей, состоящая из полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества, полученного в результате обработки, в которой смесь исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза, и золы материала, содержащей биомассу в качестве основного компонента и восстановленного до золы, прессуют при нагревании в практически герметических условиях, в результате чего происходит термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и протекает низкотемпературная реакция между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов, в результате чего указанные предварительно полукарбонизированное твердое вещество или полукарбонизированное твердое вещество имеют максимальную прочность при сжатии 60-200 МПа и теплотворность 18-23 МДж/кг.

6. Способ получения отвержденной биомассы, который включает:
измельчение исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза;
загрузку в камеру указанной измельченной исходной биомассы;
введение подвижного создающего давление приспособления в незаполненную часть указанной камеры, загруженной указанной измельченной исходной биомассой, для того чтобы можно было приложить давление к указанной исходной биомассе с помощью указанного создающего давления приспособления;
прессование указанной измельченной исходной биомассы путем приложения давления в 8-25 МПа к материалу с помощью указанного создающего давления приспособления, подвижно вводимого в камеру, при нагревании материала до температуры 115-230°С, причем пар и превращенные в газ компоненты, полученные из исходной биомассы при ее нагревании и прессовании, улавливаются внутри указанной камеры с помощью указанного создающего давление приспособления, вставленного в камеру;
термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и осуществление низкотемпературной реакции между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов с получением полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества;
охлаждение указанных полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества при поддержании давления указанного прессования с получением охлажденного твердого вещества; и
выгрузку и сушку указанного охлажденного твердого вещества.

7. Способ получения отвержденной биомассы по п.6, в котором указанная камера является цилиндрической емкостью, и указанное создающее давление приспособление является поршнем цилиндрической формы, легко скользящим внутри свободного пространства цилиндрической емкости.

8. Способ получения отвержденной биомассы, который включает:
измельчение исходной биомассы, которая является продуктом фотосинтеза;
загрузку в камеру указанной измельченной исходной биомассы;
введение создающего давление поршня в незаполненную часть указанной камеры, загруженной указанной измельченной исходной биомассой;
прессование указанной измельченной исходной биомассы путем приложения давления в 8-25 МПа к материалу с помощью указанного создающего давления поршня, подвижно вводимого в камеру, при нагревании материала до 115-230°С в камере в практически герметических условиях;
термическое разложение гемицеллюлозы из числа основных компонентов исходной биомассы, то есть лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, и осуществление низкотемпературной реакции между целлюлозой и лигнином при сохранении их остовов с получением полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества;
охлаждение указанных полукарбонизированного твердого вещества или предварительно полукарбонизированного твердого вещества при поддержании давления указанного прессования с получением охлажденного твердого вещества; и
выгрузку и сушку указанного охлажденного твердого вещества, в котором указанный создающий давление поршень и незаполненное пространство указанной камеры изготовлены так, чтобы иметь очень маленький зазор между их внешними и внутренними контурами.

9. Способ получения отвержденной биомассы по п.6 или 8, в котором указанная измельченная исходная биомасса имеет размер частицы 3 мм или менее.

10. Способ получения отвержденной биомассы по п.6 или 8, в котором температура нагревания составляет 115-230°С, и давление прессования составляет 8-25 МПа.

11. Способ получения отвержденной биомассы по п.6 или 8, в котором при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой добавляют частицы металла.

12. Способ получения отвержденной биомассы по п.6 или 8, в котором при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой добавляют в указанную камеру частицы карбонизованного твердого вещества, содержащего биомассу в качестве основного компонента.

13. Способ получения отвержденной биомассы по п.6 или 8, в котором при загрузке указанной камеры указанной измельченной исходной биомассой добавляют в указанную камеру золу материала, содержащую биомассу в качестве основного компонента и восстановленную до золы.

14. Способ получения карбонизированной отвержденной биомассы из отвержденной биомассы изобретения, который включает:
нагревание отвержденной биомассы, полученной способом по п.6 или 8, на открытом воздухе;
осуществление карбонизации указанной отвержденной биомассы путем поддержания температуры нагревания и давления воздуха в течение заданного времени с получением карбонизированной отвержденной биомассы;
охлаждение указанной карбонизированной отвержденной биомассы при поддержании указанного давления с получением охлажденной карбонизованной отвержденной биомассы; и выгрузку и сушку указанного охлажденной карбонизованной отвержденной биомассы.