ПЕЛЛЕТЫ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ БИОМАССЫ Российский патент 2022 года по МПК C10L5/00 C10L5/06 C10L5/10 C10L5/14 C10L5/44 

Изобретение относится к составам, предназначенным для приготовления биотопливных пеллет для разного вида энергетических установок.

Известна твердая топливная композиция (патент Канада № 2378098, опубл. 13.07.2010), используемая для изготовления искусственных брикетов, которая по весу содержит от 1 до 50% кофейных отходов, от 10 до 50% опилок и от 30% и до 65% горючего воска. Влажность компонента кофейных отходов составляет от 15% до 80% по весу, размер частиц, по меньшей мере, 0,5 мм.

Недостатком данного состава является использование воска из парафина в качестве связующего компонента, так как при его горении выделяются вредные компоненты, например толуол и бензол.

Известен безвосковой брикет (патент США № 8439988, опубл. 14.05.2013), состоящее из сердцевины, сделанной из высушенной отработанной кофейной гущи, растительного жира, коричневого сахара и кукурузного сиропа, а также из внешней оболочки, сделанной из бумажных полос, при этом ни ядро, ни внешняя оболочка не содержат воска. Высушенная отработанная кофейная гуща составляет 54 масс. %, растительный жир составляет 23 масс.%, коричневый сахар составляет 20 масс.%, кукурузный сироп составляет 2 масс.%.

Недостатком данного состава является дополнительная подготовка ингредиентов, заключающаяся в смешивании растительного жира и коричневого сахара и доведение до кипения с постоянным контролем пригорания и вредные выбросы от сгорания сахаров.

Известны недревесные пеллеты из прессованной биомассы (патент Всемирной организации интеллектуальной собственности № 2011/020190 A1, опубл. 24.02.2011), выполненные в виде композитного состава из воска, одного сухого материала, содержащего целлюлозу, и по меньшей мере одного несухого материала с содержанием влаги не менее 15%. Сухой материал может быть представлен картоном, воском, макулатурой, сухими зелеными остатками, опилками и древесными остатками - обрезками мягкой и твердой древесины и древесными отходами. Несухой материал представляет собой влажные отходы – бумага, стебли кукурузы, кофейная гуща, рождественские елки и отходы цветов. Компоненты соединены между собой связующим на основе водорастворимого крахмала (1-3 масс. %). Водорастворимый крахмал может быть представлен в виде кукурузного крахмала, рисового крахмала или их смеси.

Недостатком этого состава является многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции.

Известно топливо из биомассы (патент США № 2011/0119996А1, опубл. 26.05.2011), состоящее из состоящее из горючей биомассы и адгезивной добавки, содержащей крахмал и различные виды гидроксидов (гидроксид щелочных металлов, гидроксид щелочноземельных металлов, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид кальция, гидроксид лития или каустическая сода). В качестве биомассы предлагается использовать ряску, рисовую шелуху, угольную пыль, опилки, картон, травы, сорняки, сосновые шишки, газетную бумагу, отходы пищевой промышленности, бумажные отходы, поддоны и коробки из-под яиц. Композиция содержит по массе 69-98% биомассы, 1-30% крахмала и менее 1% гидроксида.

Недостатком является многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции. Также включение в состав гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов приведет к быстрому выходу из строя внутренней футеровки котельного агрегата.

Известна твердая топливная композиция (патент США №5910454, опубл. 08.06.1999), которая содержит более 70 масс. % высушенной отработанной кофейной гущи и до 25 масс. % твердого горючего связующего - воска на основе парафина, причем кофейная гуща содержит менее 20% влаги, размер частиц составляет менее 2 мм.

Известна горючая биотопливная композиция из биомассы (патент Всемирной организации интеллектуальной собственности № 2017/093757 Al, опубл. 08.06.2017), взятая за прототип, которая представляет собой пеллеты или брикеты и содержит по меньшей мере 75% отработанной кофейной гущи и менее 50% горючего наполнителя. Наполнитель выбран из опилок, отходов ячменя, отходов хмеля, шелухи какао, сахарной свеклы, соломы, древесины, ореховой шелухи, тростника, хлебных отходов, кукурузы, пшеничной соломы и ячменной соломы. Дополнительно содержит связующий агент - полисахарид, глицерин, парафин, растительное масло, лигносульфонат или патоку.

Недостатками также являются многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции, а также выделение вредных компонентов при сжигании – толуола и бензола, если в качестве связующего агента используется парафин.

Техническим результатом является разработка недревесных пеллет из биомассы с высокой теплопроводностью.

Технический результат достигается тем, что дополнительно содержат отходы бумаги, а в качестве связующего используют сироп сахарный при следующем соотношении компонентов, масс. %:

кофейная гуща 93,75 - 90,25; отходы бумаги и картона 6-9; сироп сахарный остальное.

Заявляемая пеллета из прессованной биомассы включают в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие, % масс.:

- кофейная гуща от 93,75 до 90,25, полученная в процессе варки кофе натурального жаренного по ГОСТ Р 52088-2003 Кофе натуральный жареный. Общие технические условия;

- отходы бумаги и картона от 6 до 9, выпускаемые по ГОСТ Р 52901-2007 Картон гофрированный для упаковки продукции и ГОСТ Р 57641-2017. Бумага ксерографическая для офисной техники. Общие технические условия;

- сироп сахарный 0,25-0,75, выпускаемый по ГОСТ 28499-2014 Сиропы. Общие технические условия.

Кофейная гуща получается в виде однородной смеси от приготовления эспрессо, заваривания фильтр-кофе, колд-брю, френч-пресса или заваривания кофе в посуду на предприятиях пищевой промышленности и в домашних хозяйствах и является высушенной и отработанной. В среднем отработанная кофейная гуща содержит 57±5% углерода, 8±3% водорода, 2±1% азота, 0,3±0,1% серы и 1,8% зольных элементов (калий, магний, фосфор, кальций, кремний и др.). Высушенная отработанная кофейная гуща высушивается с помощью потока теплого воздуха в вихревой трубе, создаваемого компрессором или воздуходувкой. Влажность высушенной отработанной гущи контролируется и составляет менее 8%.

В качестве структурообразующего компонента используются измельченные отходы бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненные (код ФККО 40510000000), принадлежащие к V классу опасности, и сироп сахарный. Отходы бумаги и картона образуются в результате распаковки сырья, материалов и оборудования из картонной тары и в ходе канцелярской деятельности и делопроизводства. Они состоят из целлюлозы или макулатуры, проклеивающих веществ и минеральных наполнителей.

В качестве связующего компонента используется сахарный сироп для приготовления кофейных напитков на предприятиях пищевой промышленности и в домашних хозяйствах. В составе также может быть использован сахарный сироп с истекшим сроком годности.

В качестве доказательства эффективности использования пеллет из прессованной биомассы и получения сравнительных данных о характеристиках пеллет из прессованной биомассы подготовлены образцы из предлагаемой сырьевой смеси.

Отходы бумаги и картона измельчаются в шредере-измельчителе или дробилке до размера частиц не более 5 мм.

Высушенная отработанная кофейная гуща и измельченные отходы бумаги и картона смешивается в смесителе для сыпучих материалов или в дробилке. Дополнительно в смеситель добавляется сахарный сироп с использованием дозатора диспергирующего типа.

Полученная сырьевая смесь прессуется в форме пеллеты из прессованной биомассы с помощью пресса c помощью гранулятора для комбикорма и пеллет ZL. Лабораторные исследования возможны с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса не менее чем 3 тонны.

Состав поясняется следующими примерами.

Пример 1. Для получения сырьевой смеси взято 98,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 2. Для получения сырьевой смеси взято 93,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 3. Для получения сырьевой смеси взято 90,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 4. Для получения сырьевой смеси взято 89,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 5. Для получения сырьевой смеси взято 98,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 6. Для получения сырьевой смеси взято 93,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 7. Для получения сырьевой смеси взято 90,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 8. Для получения сырьевой смеси взято 89,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 9. Для получения сырьевой смеси взято 98,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 10. Для получения сырьевой смеси взято 93,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 11. Для получения сырьевой смеси взято 90,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 12. Для получения сырьевой смеси взято 89,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 13. Для получения сырьевой смеси взято 98 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 14. Для получения сырьевой смеси взято 93 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 15. Для получения сырьевой смеси взято 90 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Пример 16. Для получения сырьевой смеси взято 89 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).

Таблица 1- Варианты составов сырьевой смеси для получения пеллет

№№ Кофейная гуща Отходы бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненные Сироп сахарный Общее количество смеси Масса, г Масс.% Масса, г Масс.% Масса, г Масс.% Масса, г Масс.% 1 98,75 98,75 1 1 0,25 0,25 100 100 2 93,75 93,75 6 6 0,25 0,25 100 100 3 90,75 90,75 9 9 0,25 0,25 100 100 4 89,75 89,75 10 10 0,25 0,25 100 100 5 98,5 98,5 1 1 0,5 0,5 100 100 6 93,5 93,5 6 6 0,5 0,5 100 100 7 90,5 90,5 9 9 0,5 0,5 100 100 8 89,5 89,5 10 10 0,5 0,5 100 100 9 98,25 98,25 1 1 0,75 0,75 100 100 10 93,25 93,25 6 6 0,75 0,75 100 100 11 90,25 90,25 9 9 0,75 0,75 100 100 12 89,25 89,25 10 10 0,75 0,75 100 100 13 98 98 1 1 1 1 100 100 14 93 93 6 6 1 1 100 100 15 90 90 9 9 1 1 100 100 16 89 89 10 10 1 1 100 100

Для подтверждения возможности полезного использования пеллеты из прессованной биомассы была выполнена оценка соответствия требованиям, предъявляемым нормативной и справочной документацией к твердому биотопливу.

Влажность определяли с помощью анализатора влажности ANDMX-50 в соответствии с ГОСТ 32975.3 - 2014. Зольность и выход летучих веществ измеряли в термогравиметрическом анализаторе LECO TGA-701 в соответствии с ГОСТ 32988 – 2014 и ГОСТ 32990 – 2014 соответственно. Механическую прочность измеряли с использованием аппарата для испытания пеллет в соответствии с ГОСТ 34090.2 – 2017 (таблицы 2-5).

Таблица 2 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы

Доля связующих компонентов Сироп сахарный 0,25% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Влажность, % 5,54 5,35 5,21 6,72 Зольность, % 2,02 1,83 2,13 2,5 Летучие вещества, % 79,66 80,02 80,42 81,13 Механическая прочность, % 90,1 89,4 91,5 94,7

Таблица 3 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы

Доля связующих компонентов Сироп сахарный 0,5% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Влажность, % 5,72 5,28 5,4 6,89 Зольность, % 1,98 1,97 2,14 2,32 Летучие вещества, % 79,74 79,94 80,04 80,73 Механическая прочность, % 96,2 93,4 92,7 98,6

Таблица 4 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы

Доля связующих компонентов Сироп сахарный 0,75% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Влажность, % 5,83 5,3 5,79 6,98 Зольность, % 1,59 2,31 2,47 2,14 Летучие вещества, % 81,48 79,26 81,84 80,02 Механическая прочность, % 95,5 92,9 94,2 97,3

Таблица 5 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы

Доля связующих компонентов Сироп сахарный 1% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Влажность, % 5,97 5,55 6,14 6,76 Зольность, % 2,4 1,99 2,21 2,58 Летучие вещества, % 81,37 80,66 81,47 80,25 Механическая прочность, % 93,5 93,1 93,8 96,4

Сжигание пеллет из прессованной биомассы производилось в печи анализатора LECO CHN-628S, образующиеся отходящие газы идентифицировались с помощью газоанализатора ЭКОЛАБ, оборудованного датчиками для измерения концентраций угарного газа, метана, аммиака, сероводорода, азота монооксида, азота диоксида и углеводородов алифатических предельных (С1-С10). Высшая удельная теплота сгорания измерялась путем сжигания в калориметре IKA C 2000 в соответствии с ГОСТ 33106 - 2014.

Результаты испытаний при сжигании пеллеты представлены в таблицах 6–9. Содержание измельченных отходов бумаги и картона от 5 до 10 масс. %, сиропа сахарного от 0,25 до 0,75 масс. %, высушенная отработанная кофейная гуща – остальное, является наиболее подходящим для формирования пеллет: при содержании отходов бумаги и картона менее 5% трудно достигнуть гомогенности сырьевой смеси, а при содержании отходов бумаги и картона более 10% значительно падает значение высшей удельной теплоты сгорания пеллет. Содержание сиропа сахарного менее 0,25 % снижает эффект связывание пелет, Содержание сиропа сахарного более 0,75 % является избыточным.

Таблица 6 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании

Доля связующего компонента Сироп сахарный 0,25% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг 23,65 23,25 22,29 24,59 CO₂, мг/г 138,59 141,05 158,38 166,23 CO, мг/г 0,23 0,24 0,20 0,23 NO, мг/г 0,59 0,62 0,63 0,60 NO₂, мг/г 0,23 0,22 0,23 0,24

Таблица 7 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании

Доля связующего компонента Сироп сахарный 0,5% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг 24,04 23,99 23,62 23,3 CO₂, мг/г 142,15 144,23 156,44 164,81 CO, мг/г 0,21 0,21 0,21 0,23 NO, мг/г 0,58 0,58 0,6 0,61 NO₂, мг/г 0,21 0,22 0,22 0,24

Таблица 8 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании

Доля связующего компонента Сироп сахарный 0,75% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг 24,50 23,57 24,28 23,13 CO₂, мг/г 144,97 143,63 154,64 166,37 CO, мг/г 0,2 0,23 0,2 0,22 NO, мг/г 0,54 0,59 0,62 0,58 NO₂, мг/г 0,22 0,22 0,21 0,23

Таблица 9 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании

Доля связующего компонента Сироп сахарный 1% Отходы бумаги и картона 1% 6% 9% 10% Кофейная гуща остальное остальное остальное остальное Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг 22,24 22,35 23,85 23,63 CO₂, мг/г 150,35 148,96 157,74 162,57 CO, мг/г 0,24 0,23 0,22 0,23 NO, мг/г 0,53 0,54 0,58 0,62 NO₂, мг/г 0,19 0,21 0,23 0,22

По результатам испытаний образцов пеллет из прессованной биомассы присвоена классификация по следующим параметрам: происхождение - 3, плодовая биомасса; диаметр D, мм - D12, D = (12±1,0) мм, длина L = 3,15мм<L≤50 мм, cодержание влаги, М - М08, ≤8%, зольность, А - А3.0, ≤3,0%, механическая прочность, DU - DU95.0-92.0, <95,0%, выход летучих веществ, VM - 81%.

Предлагаемые пеллеты из прессованной биомассы позволяют сократить потребление древесины и традиционных видов топлива. Также преимуществом при использовании пеллет из прессованной биомассы является полезная утилизация отходов путем вовлечения их в хозяйственный оборот с перспективой применения в разных видах энергетических установок: пеллетных котлах, каминах для отопления помещений, в походных условиях и др.

Изобретение относится к топливным пеллетам. Предложена пеллета из прессованной биомассы, которая включает высушенную отработанную кофейную гущу и связующее, при этом дополнительно содержит отходы бумаги, а в качестве связующего используется сироп сахарный при следующем соотношении компонентов, мас.%: кофейная гуща 93,75-90,25; отходы бумаги и картона 6-9; сироп сахарный - остальное. Технический результат - разработка недревесных пеллет из биомассы с высокой теплопроводностью. 9 табл., 16 пр.

Пеллета из прессованной биомассы, включающая высушенную отработанную кофейную гущу и связующее, отличающаяся тем, что дополнительно содержит отходы бумаги, а в качестве связующего используется сироп сахарный при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кофейная гуща 93,75 - 90,25 отходы бумаги и картона 6-9 сироп сахарный остальное