Топливный брикет и способ получения топливного брикета Российский патент 2023 года по МПК C10L5/02 C10L5/10 C10L5/12 C10L5/14 C10L5/26 C10L5/28 C10L5/30 

Изобретение относится к области изготовления топливных брикетов на основе древесного угля и может быть использовано в кальянах, для подогрева табачных изделий, а также для подогрева пищевых продуктов.

Известен топливный брикет по патенту РФ на полезную модель №43870, C10L 5/02, 2005, содержащий измельченный древесный уголь – 65-75 %, связующее в виде крахмала в количестве 2-5 %, заваренного кипящей водой в количестве 23-30 %. Измельченный древесный уголь с фракцией 0,1-3,0 мм загружают в основной смеситель. Способ получения заключается с том, что в смеситель для связующего загружают крахмал и заливают нагретую до кипящего состояния воду. Подготовленное связующее в виде заваренного кипятком крахмала подают в основной смеситель, где древесный уголь перемешивается с вязким связующим. Полученную смесь подают на прессование, которое осуществляют с помощью цилиндрической пресс-формы. Спрессованные брикеты поступают в сушильный шкаф, где в течение 12 часов при температуре 40-80 ℃ происходит их сушка.

Недостатком известного топливного брикета является невысокое качество топливных брикетов. Смешивание компонентов топливного брикета происходит в заваренном кипящей водой крахмале, т.е. в вязкой среде, что усложняет перемешивание смеси, снижает однородность брикетной массы и приводит в итоге к неравномерному горению и неполному прогоранию топливного брикета. Кроме того, быстрый режим сушки брикетов способствует образованию трещин и потере формы брикета во время горения.

Известен топливный брикет по патенту РФ на изобретение №2378325, C10L 5/10, 2010, включающий, мас.%: измельченный древесный уголь с размером частиц около 0,1 мм – 92; связующее в виде крахмала – 6 и воды – 2. Способ получения топливного брикета заключается в том, что измельченный древесный уголь до фракции 0,05-5,0 мм и крахмал смешивают с водой, тщательно перемешивают с помощью мешалки при комнатной температуре и выдерживают до набухания крахмала. Подготовленную смесь брикетируют с помощью гидравлического пресса и сушат с принудительной конвекцией воздуха при температуре 120°C до остаточной влажности топливного брикета менее 3%.

Недостатком известного топливного брикета является недостаточно высокое качество, связанное с высоким содержанием твердой фракции, малым количеством связующего и его низкими свойствами, что приводит к неоднородности брикетной массы и, как следствие, к растрескиванию, неравномерному и неполному прогоранию топливного брикета.

Известен топливный брикет и способ его изготовления по патенту РФ на изобретение №2187542, С10L 5/10, 2002, выбранный по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога для группы изобретений. Топливный брикет содержит, в мас.% : измельченный древесный уголь -50-93, крахмал -3-45, вода – остальное. Способ получения топливного брикета заключается в том, что пылевидную крошку высококачественного древесного угля с гранулометрическим составом 3-6 мм смешивают со связующим в виде картофельного или кукурузного крахмала и водой, тщательно перемешивают в мешалке до однородного состояния, выдерживают для набухания связующего. Полученную смесь загружают в экструдер для прессования и формообразования, выходящие из экструдера шнуры разрезают на брикеты, затем осуществляют сушку брикетов, доводя влажность до кондиции.

Недостатком ближайшего аналога является недостаточно высокое качество топливного брикета в связи с низкими свойствами состава связующего, режимом сушки, использованием весьма крупной фракции древесного угля. Все это снижает однородность и прочность топливного брикета, устойчивость его формы при горении, приводит к растрескиванию и большому объему непрогораемых участков в объеме брикета.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества получаемого топливного брикета, а именно: повышение равномерности горения и полноты прогорания, устойчивости формы при горении, уменьшение образования трещин.

Технический результат достигается тем, что в способе получения топливного брикета, заключающемся в подготовке связующего из крахмала и воды, смешивании связующего с измельченным древесным углем, формовании и сушке брикетов из полученной брикетной массы, согласно изобретению, при подготовке связующего в него дополнительно добавляют хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия, буру, оксид магния или оксид кремния, полученную массу смешивают с измельченным древесным углем с фракцией не более 2 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: древесный уголь – 49-53, крахмал – 2-3, бура – 0,1-0,15, хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия – 0,25-1,0, оксид магния или оксид кремния – 0,15-0,5, вода – остальное, затем проводят пластификацию полученной брикетной массы с применением шнекового экструдера, после чего осуществляют формование вторичным проведением брикетной массы через экструдер с фильерой, при этом на выходе из экструдера перед фильерой брикетную массу охлаждают, пропускают через фильеру, выходящую из отверстий фильеры брикетную массу разрезают на брикеты и сушат в сушильной камере не менее 40 часов с постепенным нагревом до максимальной температуры 70-80°C и постепенным охлаждением до 35-40°C и достижения влажности брикетов 2-3%. Кроме того, нагрев брикетов в сушильной камере могут осуществлять со скоростью около 1°C в час, а охлаждение со скоростью около 2°C в час. Кроме того, при повышении влажности воздуха в сушильной камере выше 60% могут осуществлять принудительную конвекцию теплым сухим воздухом.

Технический результат обеспечивается за счет того, что брикетная смесь, кроме перемешивания компонентов в смесителе, подвергается дополнительному перемешиванию при двойном прохождении через шнековый экструдер для пластификации брикетной массы и формования, что повышает однородность брикетной массы и способствует повышению равномерности горения и более полному прогоранию брикета, а также уменьшает трещинообразование. В процессе экструзионной пластификации и экструзионного формования уменьшается влажность получаемых на выходе брикетов, что снижает риск растрескивания брикетов во время сушки. Длительный процесс сушки полученных брикетов, не менее 40 часов, с максимальным нагревом до температуры 70-80°C, с постепенным нагревом и охлаждением без перепадов температуры до достижения влажности брикета 2-3%, также способствует предупреждению растрескивания брикетов. В связи с тем, что топливный брикет, помимо древесного угля, крахмала и воды, содержит хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия в количестве 0,25-1,0 мас.ч., обеспечивается улучшение горения брикетной смеси и полноты прогорания брикета, так как хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия при температурном разложении выделяют кислород, который находится внутри объема топливного брикета и проникает в те участки брикета, которые недоступны для атмосферного кислорода, например, к поверхности брикета, соприкасающейся с опорой. При меньшем количестве хлората калия, или хлората натрия, или перхлората калия, или перхлората натрия в заявляемом составе топливного брикета увеличивается объем непрогораемых участков, а большее количество является нецелесообразным. Содержащаяся в составе топливного брикета бура (тетроборат натрия) в количестве 0,1-0,15 мас.ч., повышает прочность брикета, обеспечивает поддержание его формы, поскольку, бура способствует образованию дополнительных поперечных связей в связующем, повышая вязкость дисперсии, что в конечном результате влияет на полноту прогорания брикета. Топливный брикет может содержать также хлорид металла из ряда: кальций, натрий, магний, литий, барий, калий, в количестве 0,15-0,5 мас.ч., что также оказывает некоторое влияние на полноту прогорания и скорость горения брикетной массы.

Для получения топливного брикета в качестве исходного сырья используют любой известный древесный уголь, преимущественно, марки А по ГОСТ 7657-84. Древесный уголь используют с фракцией не более 2 мм. В качестве связующего применяют крахмал картофельный, например, по ГОСТ 53876-2010 или кукурузный, например по ГОСТ 32159-2013. В качестве окислителей используют хлорат натрия (NaClO₃), ГОСТ 12257-93, или хлорат калия (KClO₃), ГОСТ2713-74, или перхлорат калия (KClO₄), ГОСТ 20490-75 или перхлорат натрия (NaClO₄), стандарт GB/T23850-2009. Для упрочнения брикета применяют буру (тетраборат натрия Na₂BO₄). ГОСТ 8429-77. В брикет для декоративных целей добавляют оксид магния (MgO), ГОСТ4526-75, или оксид кремния (SiO), ГОСТ 9428-73, являющиеся инертными наполнителями, не участвующими в горении, но придающие брикету и золе при сгорании светлый оттенок.

Топливный брикет получают следующим образом.

Древесный уголь измельчают в дробильной установке до фракции не более 2 мм.

Подготавливают связующее. Для этого в емкость с расчетным количеством воды постепенно добавляют соответствующее количество крахмала, буры, хлората калия или натрия или перхлората калия или натрия, оксид магния или кремния. Оптимальная температура воды при этом составляет 30°C. Буру вводят в состав для повышения прочности и сохранения формы брикета во время горения, что обеспечивает более равномерное горение и более полное прогорание брикета. Для усиления прочности брикета в его составе также может быть использован хлорид металла из ряда: кальций, калий, натрий, магний, литий, барий. В качестве окислителя используют хлорат калия или натрия или перхлорат калия или натрия. Хлорат или перхлорат калия или натрия используют для лучшего прогорания брикета, уменьшению непрогоревших областей в объеме брикета из-за недостатка в этих областях кислорода, необходимого для поддержания процесса горения. Хлорат или перхлорат калия или натрия при температурном разложении выделяет кислород, что дает возможность горения во всем объеме брикета без появления непрогоревших участков. Вместо указанных окислителей может быть использован хлорат или перхлорат металла из ряда: магний, литий, барий, кальций. В качестве веществ, повышающих декоративные свойства топливного брикета используют оксид магния или оксид кремния, которые придают брикету и золе при сгорании брикета светлый оттенок. Смесь непрерывно перемешивают любым известным смесительным устройством, например, строительным миксером до гомогенного состояния.

Измельченный древесный уголь в расчетном количестве из расходного бункера подают в смеситель. В тот же смеситель с помощью насоса-дозатора подают расчетное количество подготовленного связующего. В смесителе все компоненты перемешивают. Готовую брикетную смесь направляют на пластификацию.

Пластификацию брикетной смеси проводят в экструдере. Брикетную смесь подают в экструдер равными порциями. Состав проходит через экструдер при давлении 190-200 кгс/см². При этом состав разогревается до температуры 60-75°C. Нагрев происходит самопроизвольно за счет трения материала о внутренние поверхности экструдера и частиц смеси друг о друга. В процессе пластификации под действием воды, температуры и давления крахмал меняет свои свойства, переходит в коллоидное состояние. Частицы состава дополнительно измельчаются и перемешиваются. Брикетная смесь гомогенизируется, становится более однородной.

Далее осуществляют формование брикетов, для чего смесь второй пропускают через экструдер, оснащенный на выходе фильерой. Процесс формования проводят при тех же характеристиках давления, что и процесс пластификации. Температура брикетной массы составляет 40-50°C, поскольку трение пластифицированной брикетной смеси о стенки и шнек экструдера меньше изначальной. В процессе формования уменьшается влажность брикетной массы и увеличивается ее гомогенность. Продвигаемая шнеком экструдера брикетная смесь проходит через фильеру. Перед выходом через фильеру брикетная смесь охлаждается с помощью любых известных средств, например, путем внешнего водяного охлаждения корпуса экструдера. Охлаждение смеси необходимо для удержания формы брикета. В фильере выполнены отверстия требуемой формы, например квадратные. Из фильеры брикетная масса в виде непрерывных «шнуров» перемещается на конвейерную ленту с автоматическими формовочными ножами, где брикетная масса разрезается на множество брикетов, призматической, кубической или другой формы в зависимости от формы отверстий в фильере, например на кубики размером 22-25 мм.

Влажность брикетов после формования и резки составляет ~ 40 %. Поэтому сразу после резки полученные брикеты подвергают сушке в сушильной камере. Для избежания образования трещин сушку брикетов осуществляют с постепенным медленным нагревом температуры до 70-80°C со скоростью нагрева ~1°C за 1 час и таким же постепенным охлаждением со скоростью ~2°C в час до температуры брикетов около 40°C при влажности брикетов не более 2-3%.

Если в процессе сушки влажность воздуха в сушильной камере превысит 60%, то осуществляют принудительную подачу теплого сухого воздуха для снижения влажности до 40%.

В таблице приведены примеры состава топливного брикета

Таблица

Компоненты брикетной смеси Со-став 1 Со-став 2 Со-став 3 Со-став 4 Со-став 5 Со-став 6 Со-став 7 Со-став 8 Со-став 9 Со-став 10 Древесный уголь сухой, мас.% 50 49 53 51 51 51 51 51 51 51 Крахмал картофельный, мас.% 2,5 2,0 3,0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 - - Крахмал кукурузный, мас. % - - - - - - - - 2,5 2,5 Бура, мас% 0,125 0,1 0,15 0,127 0,124 0,127 0,128 0,13 0,13 0,135 Хлорат калия - - - - - - 0,3 0,3 Хлорат натрия - - - - - - - - 0,4 0,4 Перхлорат калия 0,3 0,2 1,0 0,3 - - - - - - Перхлорат натрия - - - 0,3 0,3 - - - - Оксид магния 0,3 0,25 0,5 - - 0,3 0,3 - 0,3 - Оксид кремния - 0,3 0,3 0,3 0,3 Вода Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное Ос-таль-ное

Пример.

Древесный уголь марки А по ГОСТ 7657-84 измельчали в дробильной установке до фракции 1-2 мм. Из дробильной установки древесный уголь сбрасывали в расходный бункер. В емкость для подготовки связующего наливали воду с температурой 30°C. В воду постепенно добавляли крахмал картофельный по ГОСТ 53876-2010, буру по ГОСТ 8429-77, перхлорат калия по ГОСТ 20490-75 и оксида магния по ГОСТ 4526-75. Все компоненты использовали в пропорциях, соответствующих составу 1 из таблицы 1. Компоненты добавляли в воду в сухом виде при постоянном перемешивании строительным миксером.

Связующее с помощью насоса-дозатора и древесный уголь с помощью конвейерной ленты подавали в смеситель, из которого полученную массу равными порциями загружали в экструдер для пластификации. Состав проходил через экструдер под давлением 200 кгс/см². При пластификации на выходе из экструдера диск фильеры устанавливали на расстоянии 75 мм от пера шнека. На выходе из экструдера пластифицированную смесь собирали в емкость. Из емкости пластифицированную брикетную смесь вторично загружали равными порциями в экструдер для формования. На выходе из экструдера перед диском фильеры брикетную смесь охлаждали путем внешнего водяного охлаждения корпуса экструдера, затем пропускали через формующие отверстия фильеры. Выходящую из отверстий фильеры брикетную массу разрезали на кубики со стороной 25 мм. Температура полученных брикетов составила 35°C, влажность – 40%. Брикеты сушили в сушильном шкафу с периодической конвекцией теплым сухим воздухом при достижении влажности воздуха в сушильном шкафу 60%. Сушку брикетов осуществляли при постепенном нагреве до 80°C со скоростью нагрева 1 °C/час, затем до исходной температуры со скоростью 2 °C/час. После сушки влажность полученных брикетов составила 2%.

Технология изготовления топливных брикетов с составами 2-10 аналогична приведенному примеру. Но топливные брикеты с составами 7-10 сушили при постепенном нагреве до максимальной температуры 70°C с той же скоростью нагрева, что и в приведенном выше примере. После сушки влажность полученных брикетов составила около 3%.

Осуществление технического результата подтверждают проведенные опыты.

Образцы для испытаний выполняли в виде кубов со стороной 25 мм с составами 1-10, указанными в таблице 1. Для испытаний брали по три образца каждого состава.

Полученные заявляемым способом брикеты визуально проверяли на наличие трещин, затем поджигали и проверяли равномерность горения и устойчивость формы во время горения, после сгорания брикетов определяли наличие и объем непрогоревших участков.

Испытания образцов топливных брикетов, полученных заявляемым способом, показали, что горение всех образцов равномерное, все образцы хорошо удерживают форму, непрогоревшие участки преимущественно отсутствуют или имеются в незначительном объеме, не более 0,5-1% (образцы с составами 1 и 5) В образцах с составом 2 с минимальным количеством буры и перхлората калия объем непрогоревших участков составляет около 3%. Однако это количество является незначительным и мало влияет на качество топливного брикета. Полученные образцы не растрескиваются. Некоторые из образцов с составами 1 и 2 имеют незначительное количество трещин с суммарной площадью от 3 мм² до 10 мм² соответственно, которое практически не влияет на качество топливного брикета.

Таким образом, изобретение позволяет повысить однородность брикетной массы, равномерность горения и устойчивости формы брикетов при горении, полноту его прогорания и снизить растрескивание, следовательно, повысить этим качество топливных брикетов.

Изобретение относится к области изготовления топливных брикетов на основе древесного угля. Предложен способ получения топливного брикета, заключающийся в подготовке связующего из крахмала и воды, смешивании связующего с измельченным древесным углем, формовании и сушке брикетов из полученной брикетной массы, характеризующийся тем, что при подготовке связующего в него дополнительно добавляют хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия, буру, оксид магния или оксид кремния, полученную массу смешивают с измельченным древесным углем с фракцией не более 2 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: древесный уголь – 49-53, крахмал – 2-3, бура – 0,1-0,15, хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия – 0,25-1,0, оксид магния или оксид кремния – 0,15-0,5, вода – остальное, затем проводят пластификацию полученной брикетной массы с применением шнекового экструдера, после чего осуществляют формование вторичным проведением брикетной массы через экструдер с фильерой, при этом на выходе из экструдера перед фильерой брикетную массу охлаждают, пропускают через фильеру, выходящую из отверстий фильеры брикетную массу разрезают на брикеты и сушат в сушильной камере не менее 40 часов с постепенным нагревом до максимальной температуры 70-80°С и постепенным охлаждением до 35-40°С и достижения влажности брикетов 2-3%. Технический результат - повышение качества получаемого топливного брикета, в частности повышение равномерности горения и полноты прогорания, устойчивость формы при горении, уменьшение образования трещин. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Способ получения топливного брикета, заключающийся в подготовке связующего из крахмала и воды, смешивании связующего с измельченным древесным углем, формовании и сушке брикетов из полученной брикетной массы, отличающийся тем, что при подготовке связующего в него дополнительно добавляют хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия, буру, оксид магния или оксид кремния, полученную массу смешивают с измельченным древесным углем с фракцией не более 2 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: древесный уголь – 49-53, крахмал – 2-3, бура – 0,1-0,15, хлорат калия, или хлорат натрия, или перхлорат калия, или перхлорат натрия – 0,25-1,0, оксид магния или оксид кремния – 0,15-0,5, вода – остальное, затем проводят пластификацию полученной брикетной массы с применением шнекового экструдера, после чего осуществляют формование вторичным проведением брикетной массы через экструдер с фильерой, при этом на выходе из экструдера перед фильерой брикетную массу охлаждают, пропускают через фильеру, выходящую из отверстий фильеры брикетную массу разрезают на брикеты и сушат в сушильной камере не менее 40 часов с постепенным нагревом до максимальной температуры 70-80°C и постепенным охлаждением до 35-40°С и достижения влажности брикетов 2-3%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев брикетов в сушильной камере осуществляют со скоростью около 1°C в час, а охлаждение со скоростью около 2°C в час.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении влажности воздуха в сушильной камере выше 60% осуществляют принудительную конвекцию теплым сухим воздухом.