ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2013 года по МПК C10L5/44 C10L5/48 B09B3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, используемым в качестве твердого топлива. В частности, изобретение относится к твердому топливу, получаемому из отходной древесины, отходной бумаги и отходных пластиков. Более конкретно, изобретение относится к твердому топливу, которое получают путем эффективного использования древесных, бумажных и пластиковых отходов и которое при сгорании производит большое количество тепловой энергии, выделяя при этом минимальные количества вредного газа и вредных остатков (вредных продуктов сгорания). Предлагаемое твердое топливо пригодно для использования в качестве топлива для генерации электрической энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В процессе модернизации жизни отходы, такие как древесные отходы, бумажные отходы и пластики, производятся в больших количествах домашними хозяйствами, производственными, перерабатывающими и другими предприятиями, а утилизация этих отходов является в настоящее время социальной проблемой. Бóльшую часть этих отходов собирают и далее непродуктивно сжигают либо закапывают в землю. Доля отходов, которые повторно перерабатываются в изделия повседневного спроса или используются в качестве источников энергии, постепенно растет, но по-прежнему остается неудовлетворительно малой.

В частности, обычно подвергают непродуктивному сжиганию отходную древесину от старых домов, древесину от прореживающих вырубок леса и отходную бумагу, поскольку сбор и сортировка этих отходов являются крайне дорогостоящими, а их повторная переработка сложна. С отходными пластическими материалами (пластиками, пластмассами) ситуация аналогична. Известно, что лишь бутылки из полиэтилептерефталата (PET) отчасти собираются и повторно перерабатываются (главным образом, местными властями). Бóльшая же часть других пластиков повторно не перерабатывается и подвергается непродуктивному сжиганию, что обусловлено многообразием типов и форм искусственных смол (пластиков), стоимость сбора и сортировки которых в этом случае слишком высока.

В уровне техники известно значительное количество технических решений, относящихся к твердому топливу. Например, в Патентном документе 1 (JP-A 7-82581. Murata F., Inoue M. Solid fuel produced from waste material. // Patent application №JP 19930249773. Publication №JP 7082581. Prior. 10.09.1993. Publ. 28.03.1995. Перевод - Мурата Ф., Иноуе M. Твердое топливо, полученное из отходных материалов. // Заявка на патент Японии №JP 19930249773. Публикация №JP 7082581. Приор. 10.09.1993. Опубл. 28.03.1995) предлагается твердое топливо, являющееся прототипом настоящего изобретения. Для производства известного твердого топлива используются, главным образом, отходная бумага и отходные пластики, при этом доля последних достаточно высока (как указывают авторы прототипа, предпочтительно 20-50% по весу (по массе)). При формировании известного твердого топлива вместо бумаги может быть применена отходная древесина (количество отходной древесины, используемое в примерах Патентного документа 1, не превышает 10% по весу). Известное топливо имеет следующие существенные недостатки. Состав известного твердого топлива характеризуется отсутствием сбалансированности компонентов. В частности, данное твердое топливо содержит отходные пластики в относительно большой пропорции. Значительное присутствие отходных пластиков не позволяет достичь стабильности удельной теплоты сгорания топлива, а также вызывает риски интоксикации людей и повреждения поверхности печи хлорсодержащими газами во время сжигания известного твердого топлива.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Автор настоящего изобретения провел изобретательские исследования, с тем чтобы разработать твердое топливо, которое может быть получено путем использования в качестве источников энергии трех компонентов: 1) отходной древесины и 2) отходной бумаги, повторная переработка которых до настоящего времени была сложна, и 3) отходных пластиков, сортировка которых до настоящего времени вызывала затруднения.

В результате было выяснено следующее. Когда отходная древесина и отходная бумага измельчены на куски заданного размера, отходная древесина использована в заданном соотношении, с отходной древесиной и отходной бумагой смешано заданное небольшое количество отходных пластиков, и полученная смесь нагрета и отформована, полученный продукт представляет собой эффективное твердое топливо, пригодное для генерации электрической энергии. При этом разработанное твердое топливо способно сохранять твердую форму с заданным размером (благодаря действию пластиков в качестве связующего и связующих свойств бумаги), генерирует при сгорании большое количество тепловой энергии. Удельная теплота сгорания данного твердого топлива отличается стабильностью (диапазон значений достаточно узок: 20-30 МДж/кг, как правило, 22-28 МДж/кг). Кроме того, данное твердое топливо выделяет при сгорании предельно малые количества вредного газа и вредных остатков (продуктов сгорания), что предотвращает риски интоксикации людей и повреждения поверхности печи хлорсодержащими газами во время сжигания топлива.

Тем самым согласно настоящему изобретению создано твердое топливо, которое может быть использовано в качестве источника экологически чистой тепловой энергии, пригодного для генерации электрической энергии. Данное твердое топливо создано путем эффективного использования отходной древесины, отходной бумаги и отходных пластиков, которые до настоящего времени не имели ценности и непродуктивно сжигались.

Согласно настоящему изобретению предлагается твердое топливо, описанное в следующих абзацах (1)-(6).

(1) Твердое топливо, отформованное из смеси древесных кусков, имеющих размер 1-25 мм, бумажных кусков, имеющих размер 1-25 мм, и термопластичной смолы (термопластика), причем данная смесь содержит 85-95 весовых частей (т.е. частей по массе, далее - весовых частей) древесных кусков и бумажных кусков и 5-15 весовых частей термопластичпой смолы. При этом весовое соотношение (т.е. массовое соотношение, далее - весовое соотношение) древесных кусков и бумажных кусков в топливе составляет 20:80 - 90:10.

(2) Твердое топливо по абзацу (1), в котором средний объем каждого куска составляет 15-60 см³.

(3) Твердое топливо по абзацу (1), которое имеет цилиндрическую форму.

(4) Твердое топливо по абзацу (1), которое имеет кажущуюся плотность 0,4-0,5 г/см³.

(5) Твердое топливо по абзацу (1), которое генерирует при сгорании 20-30 МДж/кг теплоты.

(6) Твердое топливо по абзацу (1), которое используется для генерации электрической энергии.

При этом под кажущейся плотностью вещества понимают плотность вещества в общем объеме. Известно, что плотность вещества - это скалярная физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объема. Для пористых тел, к которым относится предлагаемое твердое топливо, различают истинную плотность, определяемую без учета пустот, и кажущуюся плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объему.

Как мы видим, твердое топливо согласно настоящему изобретению получают путем использования отходной древесины, отходной бумаги и отходных пластиков в сбалансированном соотношении. Предлагаемое твердое топливо представляет собой новое твердое топливо, которое получают путем использования древесных, бумажных и пластиковых отходов, непродуктивно сжигавшихся до настоящего времени. Предлагаемое твердое топливо производит очень малые количества вредного газа и вредных остатков и генерирует большое количество тепловой энергии.

В предлагаемом твердом топливе отходная древесина измельчена на куски определенного размера и использована в заданной пропорции, а искусственная смола (пластик) эффективно действует в качестве связующего, даже несмотря па то, что она используется в относительно малой пропорции, тем самым обеспечивается возможность формования твердого топлива. Поскольку количество генерируемой теплоты (теплотворная способность, или удельная теплота сгорания) может контролироваться посредством добавления малого количества смолы, а количество хлорсодержащей смолы, такой как поливинилхлорид, может быть уменьшено настолько, насколько это возможно, операция дехлорирования, такая как тепловая обработка, не требуется.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описываются предпочтительные варианты реализации изобретения.

Предлагаемое твердое топливо представляет собой твердое тело, получаемое путем формования смеси древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы (термопластичного пластика), а в качестве этих сырьевых материалов используются отходы, подлежащие утилизации. Соотношение сырьевых материалов и способ формования описаны ниже.

(а) древесные куски

В качестве сырьевых материалов древесных кусков используются:

- отходная древесина, собираемая путем измельчения старой мебели и старых строений, таких как старые дома,

- древесная стружка (щепа) и отходы лесопильных заводов,

- древесина от прореживающих вырубок леса,

- отработавшие поддоны (промышленные поддоны, используемые для транспортировки товаров передвижным грузоподъемным устройством).

Особых ограничений по типу древесины нет. Если указанная отходная древесина является сухой, ее используют в том виде, как она есть. Если же отходная древесина содержит воду, ее высушивают и дробят. Древесная стружка (щепа), собираемая с лесопильных заводов, может быть использована в том виде, как есть без дробления, если размеры древесной стружки находятся в диапазоне, речь о котором пойдет ниже.

Древесные куски, получаемые дроблением, составляют в размере 1-25 мм, предпочтительно 2-20 мм. Термин "размер" в настоящем тексте означает максимальный диаметр каждого древесного куска. Говоря точнее, в качестве сырьевых материалов могут быть использованы древесные куски, проходящие сквозь сито, имеющее отверстие в 25 мм или менее, предпочтительно - 20 мм или менее. Особых ограничений по форме древесных кусков нет при условии, что они дробятся ротационной дробильной машиной, имеющей зубья. Древесные куски предпочтительно представляют собой сухие древесные куски, имеющие содержание воды 20% по весу или менее, предпочтительно - 15% по весу или менее.

(б) бумажные куски

Сырьевые материалы бумажных кусков представляют собой не только отходную бумагу, повторно перерабатываемую в качестве регенерируемой бумаги, такую как бывшие в употреблении книги, газеты, картон и офисная бумага, но и бумагу с покрытием, а также ламинированную бумагу, которые с трудом поддаются повторной переработке в качестве регенерируемой бумаги. Эти бумажные сырьевые материалы нарезают в размер 1-25 мм, предпочтительно - 2-20 мм. Термин "размер" в настоящем тексте означает размер бумажных кусков, проходящих сквозь сито, имеющее отверстие в 25 мм или менее, предпочтительно - 20 мм или менее. Бумажные куски, используемые в качестве сырьевых материалов, предпочтительно являются сухими, но могут содержать воду в количестве 15% по весу или менее, предпочтительно - 10% по весу или менее.

(в) термопластичная смола

В качестве термопластичной смолы используют собираемые отходные пластики, имеющие температуру плавления в диапазоне 80-180°C, предпочтительно - 90-150°C. Примерами термопластичной смолы являются полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэфиры, поликарбонаты, акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), акриловая смола, полиуретановая смола, поливинилацетатная смола и каучуки. Поскольку используются отходные пластики, они, как правило, используются в виде смеси. Несмотря на то, что поливинилхлорид не является предпочтительным компонентом твердого топлива, поскольку при его сгорании выделяется вредный газ, содержание смолы в предлагаемом твердом топливе является относительно низким, и поэтому включение в смолу небольшого количества поливинилхлорида не вызывает проблем.

Необходимо отметить, что если в термопластичную смолу примешана термоотверждаемая (термореактивная) смола в количестве 15% по весу или менее, предпочтительно 10% по весу или менее, формование не нарушается.

Поскольку термопластичная смола при смешивании с древесными и бумажными кусками служит в качестве связующего, желательно, чтобы эта смола была раздроблена на небольшие куски и в результате могла быть тщательно и полностью смешана с этими древесными и бумажными кусками, а также могла быть распределена среди них. В частности, желательно, чтобы куски смолы имели диаметр 50 мм или менее, наиболее предпочтительно - 40 мм или менее. С этой целью используются те куски смолы, которые после дробления проходят сквозь сито, имеющее отверстие в 50 мм или менее, предпочтительно - 40 мм или менее. Термопластичная смола может быть получена путем переплавки отходных пластиков и их формования в тонкие пластины или гранулы, имеющие названный выше размер.

(г) состав

Весовое соотношение древесных кусков и бумажных кусков в предлагаемом твердом топливе составляет 20:80-90:10, предпочтительно - 25:75-85:15, наиболее предпочтительно - 30:70-80:20. Внутри указанного диапазона они могут быть скреплены путем использования относительно малого количества термопластичной смолы (термопластичного пластика), и становится возможной сбалансированная повторная переработка отходной древесины и отходной бумаги, в результате чего количество генерируемой при сгорании топлива теплоты становится стабильным. Количество термопластичной смолы составляет 5-15 весовых частей, если принять общее количество древесных и бумажных кусков за 85-95 весовых частей. Для всех вариантов реализации изобретения предпочтительно, если количество термопластичной смолы составляет 7-13 весовых частей, а 87-93 весовых частей приходится на древесные и бумажные куски.

(д) способ формования

Предпочтительно, если названные выше древесные куски, бумажные куски и термопластичная смола смешаны в названном выше соотношении, а полученная смесь нагрета до 100-160°C, предпочтительно - до 110-150°C, наиболее предпочтительно - до 120-140°C, а также обжата и уплотнена, так чтобы термопластичная смола была расплавлена и тщательно распределена в объеме твердого топлива в качестве связующего.

Наиболее предпочтительно, если древесные куски и бумажные куски смешаны заранее, а термопластичная смола смешивается далее с полученной смесью. Одночервячный (одношнековый) или двухчервячный (двухшнековый) нагревающий экструдер может быть использован в качестве оборудования для такого смешивания и нагрева.

Использование двухчервячного экструдера является наиболее желательным. Состав, который уплотняется и экструдируется экструдером, выходит из круглого выпускного отверстия и отрезается в надлежащую длину для получения цилиндрического формованного изделия.

Если на этом этапе диаметр круглого выпускного отверстия составляет 25-50 мм, предпочтительно - 30-40 мм, а длина отрезания составляет 20-70 мм, предпочтительно - 25-65 мм, может быть получено твердое топливо, имеющее желаемый размер.

(е) характерные свойства твердого топлива

Поскольку с промышленной точки зрения имеет смысл изготавливать предлагаемое твердое топливо вышеописанным способом формования, предпочтительная форма твердого топлива является цилиндрической или призматической, наиболее предпочтительная - цилиндрической. Что касается размера твердого топлива, то объем каждого куска составляет в среднем 15-60 см³, предпочтительно - 20-55 см³.

Кажущаяся плотность твердого топлива составляет 0,4-0,5 г/см³, предпочтительно - 0,42-0,48 г/см³.

Поскольку в твердом топливе содержание древесных кусков и бумажных кусков хорошо сбалансировано, а содержание термопластичной смолы является относительно низким, количество генерируемой теплоты (теплотворная способность, или удельная теплота сгорания) стабильно составляет 20-30 МДж/кг, как правило, 22-28 МДж/кг. Таким образом, поскольку предлагаемое твердое топливо получают путем использования отходной древесины, отходной бумаги и отходных пластиков в сбалансированном соотношении, а количество генерируемой им теплоты является большим и стабильным, оно предпочтительно используется в качестве топлива для генерации тепловой энергии.

ПРИМЕРЫ

Нижеследующие примеры приведены для того, чтобы дополнительно проиллюстрировать настоящее изобретение.

Ниже приведено описание древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы, используемых в последующих примерах.

(1) древесные куски

Древесные куски (размер 25 мм или менее) были получены путем дробления отходной древесины, например:

- отходной древесины, получаемой из строительных материалов, и

- отходов, получаемых при распиловке лесоматериалов.

(2) бумажные куски

Бумажные куски (размер 25 мм или менее) были получены путем дробления отходов упаковочной бумаги и бумажных отходов, имеющих защитную пленку.

(3) термопластичная смола

Термопластичная смола (размер 40 мм или менее) представляла собой дробленый продукт из смеси полипропилена (РР), полиэтилена (РЕ), полистирола (PS), акрилонитрил-бутадиен-стирольной смолы (ABS), полиэтилентерефталата (PET), поликарбоната (PC) и иолиакриловой смолы (РА).

Пример 1

10 весовых частей термопластичной смолы были смешаны со смесью из 80 весовых частей древесных кусков и 10 весовых частей бумажных кусков, а полученная смесь была экструдирована двухчервячным экструдером с нагревом до 130°C для получения цилиндрического твердого топлива, имеющего диаметр приблизительно 35 мм и длину 65 мм. Кажущаяся плотность (плотность вещества в общем объеме), количество генерируемой тепловой энергии (теплоты) и содержание хлора для этого твердого топлива показаны в Таблице 1.

Пример 2

Цилиндрическое твердое топливо (длина 60 мм) было получено тем же путем, что и в Примере 1, за исключением того, что количества древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы были изменены на значения 45 весовых частей, 45 весовых частей и 10 весовых частей соответственно и что температура нагрева составляла 125°C. Кажущаяся плотность (плотность вещества в общем объеме), количество генерируемой тепловой энергии (теплоты) и содержание хлора для этого твердого топлива показаны в Таблице 1.

Пример 3

Цилиндрическое твердое топливо (длина 60 мм) было получено тем же путем, что и в Примере 1, за исключением того, что количества древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы были изменены на значения 50 весовых частей, 40 весовых частей и 10 весовых частей соответственно и что температура нагрева составляла 125°C. Кажущаяся плотность, количество генерируемой тепловой теплоты и содержание хлора для этого твердого топлива приведены в Таблице 1.

Пример 4

Цилиндрическое твердое топливо (длина 10 мм) было получено тем же путем, что и в Примере 1, за исключением того, что количества древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы были изменены на значения 50 весовых частей, 45 весовых частей и 5 весовых частей соответственно и что температура нагрева составляла 120°C. Кажущаяся плотность, количество генерируемой тепловой теплоты и содержание хлора для этого твердого топлива показаны в Таблице 1.

Пример 5

Цилиндрическое твердое топливо (длина 70 мм) было получено тем же путем, что и в Примере 1, за исключением того, что количества древесных кусков, бумажных кусков и термопластичной смолы были изменены на значения 45 весовых частей, 40 весовых частей и 15 весовых частей соответственно и что температура нагрева составляла 125°C. Кажущаяся плотность, количество генерируемой тепловой теплоты и содержание хлора для этого твердого топлива показаны в Таблице 1.

Любое из положений (в том числе квалифицируемых как признаки предлагаемого изобретения), приведенных в любом из следующего: в разделе описания "Область техники, к которой относится изобретение", в разделе описания "Раскрытие изобретения", в разделе описания "Осуществление изобретения", в реферате - может быть и при необходимости будет включено в формулу настоящего изобретения. Последнее предложение следует расценивать как указание на необходимость включения в формулу изобретения признаков изобретения, приведенных в перечисленных разделах описания и в реферате.

Таблица 1 Пример Изделие: твердое топливо Условия смешивания: температура формования, °C Размер (длина), мм Кажущаяся плотность, г/см³ Удельная теплота сгорания Содержание хлора, % в джоулях: МДж/кг в калориях: кал/г Пример 1 130 65 0,45 25,16 6010 0,186 Пример 2 125 60 0,42 25,20 6020 0,254 Пример 3 125 60 0,37 25,18 6015 0,247 Пример 4 120 10 0,41 24,07 5750 0,294 Пример 5 125 70 0,43 26,37 6300 0,218

Изобретение относится к техническим средствам, используемым в качестве твердого топлива. Описано твердое топливо, отформованное из смеси древесных кусков, имеющих размер 1-25 мм, бумажных кусков, имеющих размер 1-25 мм, и термопластичной смолы, при этом смесь содержит 85-95 весовых частей древесных кусков и бумажных кусков и 5-15 весовых частей термопластичной смолы, а весовое соотношение древесных кусков и бумажных кусков составляет 20:80-90:10. Предлагаемое твердое топливо генерирует стабильное количество тепловой энергии и является нетоксичным, что достигается путем его изготовления из отходной древесины, отходной бумаги и отходной термопластичной смолы, используемых в заданном соотношении. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.

1. Твердое топливо, отформованное из смеси древесных кусков, имеющих размер 1-25 мм, бумажных кусков, имеющих размер 1-25 мм, и термопластичной смолы (пластика), отличающееся тем, что смесь содержит 85-95 вес. ч. древесных кусков и бумажных кусков и 5-15 вес. ч. термопластичной смолы, а весовое соотношение древесных кусков и бумажных кусков составляет 20:80-90:10.

2. Твердое топливо по п.1, отличающееся тем, что средний объем каждого куска отформованного топлива составляет 15-60 см³.

3. Твердое топливо по п.1, отличающееся тем, что куски отформованного топлива имеют цилиндрическую форму.

4. Твердое топливо по п.1, отличающееся тем, что его кажущаяся плотность составляет 0,4-0,5 г/см³.

5. Твердое топливо по п.1, отличающееся тем, что его удельная теплота сгорания составляет 20-30 МДж/кг.

6. Твердое топливо по п.1, отличающееся тем, что используется для генерации электрической энергии.