Способ получения топливных брикетов из углеродсодержащих отходов
Владельцы патента RU 2773500:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Изобретение относится к топливным брикетам. Предложен способ получения топливных брикетов из углеродсодержащих отходов, характеризующийся тем, что отходы бумажной продукции перемешивают с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы от 45 до 60 %, перед окончанием перемешивания добавляют таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т, далее полученную массу разбавляют водой, подвергают пенной флотации, с получением камерного продукта, который смешивают вместе с древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки, и гидролизным лигнином, проводят сгущение, с последующим формованием топливных брикетов, при этом содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы бумажной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %. Технический результат - упрощение технологии изготовления брикетов и снижение нагрузки на окружающую среду. 4 табл.
Изобретение относится к получению топливных брикетов из углеродсодержащего вторичного сырья, в частности отходов деревообработки и деревопереработки. Одновременно производится утилизация практически невостребованных в настоящее время материалов и, соответственно, решается экологическая проблема.
Известен способ получения топливного брикета (патент РФ № 2533426, опубл. 20.11.2014 г.), который включает измельчение древесных отходов, их смешение, сушку и последующее прессование, при этом в качестве дополнительного элемента брикет содержит сердечник из прессованных опилок осины с отверстием для тяги.
Основные недостатки способа в высокой необходимости измельчения древесных отходов и использование дополнительного элемента сердечника из опилок осины, что ведет к увеличению количества операций по производству брикетов, соответственно усложняя технологию их производства. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен топливные брикеты (патент РФ № 2653513, опубликован 10.05.2018), из двухкомпонентной смеси растительного, предпочтительно древесного, происхождения: первый компонент - измельченные древесные отходы деревозаготовительных предприятий и/или предприятий деревопереработки, а второй компонент - древесный уголь, отличающиеся тем, что двухкомпонентная смесь представлена в виде гомогенизированного композиционного материала, полученного компаундированием матрицы из измельченных древесных отходов и упрочняющих дисперсных частиц древесного угля, осуществляемым в два этапа: первый этап - при совмещении следующих одновременно протекающих процессов: сушка древесных отходов с исходной естественной влажностью, диспергирование исходного древесного угля и адсорбция матрицей диспергированного древесного угля; а второй этап - в процессе брикетирования композиционного материала, предпочтительно, экструзией, причем совмещение сушки, диспергирования и адсорбции осуществляют в динамичном закольцованном тепловом потоке смеси топочных газов с выделяемыми в процессе сушки парами влаги древесных отходов, при этом содержание древесного угля в исходном сырье поддерживают в пределах 5÷30 мас. %.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, что существенно усложняет технологию их производства и увеличивает энергозатраты. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен способ получения топливных гранул брикеты (патент РФ № 2369631, опубликован: 10.10.2009), из биологического материала, предпочтительно опилок, древесины и т.п., в котором, материал подают на стадию сушки и сушат этот материал до значения относительной влажности от 40-65 до 30-45 мас.%, материал подают со стадии сушки, возможно через промежуточную стадию хранения, на реакторную стадию и обрабатывают материал при повышенном давлении и нагревании до 200-300°С путем подачи пара; материал выдерживают в реакторе при достигнутой температуре в течении времени, достаточного для размягчения материала; давление на реакторной стадии снижают по меньшей мере в две стадии, при этом первую стадию снижения давления осуществляют для разделения материала на волокна и выделения лигнина, а вторую стадию снижения давления - для подачи материала с реакторной стадии на дополнительную стадию сушки, возможно, через промежуточную стадию хранения и материал гранулируют.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использования операций нагрева при повышенном давлении, что усложняет технологию их производства и существенно увеличивает энергозатраты. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен способ получения гранул или брикетов (патент РФ № 2518068 опубликован 10.06.2014), из лигнинсодержащего материала, включающий стадии, в которых: пропускают лигнинсодержащий материал, имеющий содержание влаги менее чем около 30% по весу, в реактор; где нагревают лигнинсодержащий материал до температуры 180-235°C нагнетанием пара в реактор; выдерживают материал в реакторе в течение 1-12 минут для выделения лигнина; снижают давление в реакторе; и формуют обработанный материал с образованием гранул или брикетов.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использования операций нагрева с нагнетанием пара, что усложняет технологию их производства и существенно увеличивает энергозатраты.
Известен способ получения топливных брикетов из углеродсодержащих отходов, (патент № 2653362, опубликован, 08.05.2018) принятый за прототип, включающий измельчение, сушку до влажности 12-16%, смешение компонентов смеси, включающей технический гидролизный лигнин, причем подготовку связующей шихты осуществляют путем добавления к техническому гидролизному лигнину 70-80% карбоната натрия 5-10% и дальнейшей механоактивации с последующим добавлением подогретого до 90°C таллового пека 15-20%, полученную шихту в количестве 10-15% смешивают с древесными отходами, измельченными до 1-5 мм в количестве 85-90%, а брикетирование смеси осуществляют при температуре 90±2°C и давлении 45-50 МПа.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использование операций механоактивации и нагрева при повышенном давлении, что усложняет технологию производства и существенно увеличивает энергозатраты.
Техническим результатом является упрощение технологии изготовление брикетов и снижения нагрузки на окружающую среду благодаря удалению в ходе производства брикетов вредных примесей, переходящих при горении в атмосферу, а также утилизации, загрязняющих окружающую среду углеродсодержащих отходов.
Технический результат достигается тем, что отходы бумажной продукции перемешивают с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы от 45 до 60 %, перед окончанием перемешивания добавляют таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т, далее полученную массу разбавляют водой и подвергают пенной флотации, с получением пенного продукта, который отправляют в отвал, и камерного продукта, который смешивают вместе с древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки и гидролизным лигнином, а затем проводят сгущение, с последующим формованием топливных брикетов, при этом содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы бумажной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %.
Способ осуществляется следующим образом. Отходы печатной бумажной продукции перемешиваются с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т, в смесителе в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы в диапазоне от 45 до 60 %. При этом происходит разрушение бумажных отходов до флотационной крупности, оттирка краски с поверхности бумаги и отделение от бумажных отходов неорганических загрязнений. За некоторое время до окончания процесса перемешивания, в эту операцию подается таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т. Таловое масло является реагентом-собирателем, сосновое масло – пенообразователем. Затем полученная масса разбавляется водой и подвергается пенной флотации во флотационной машине при комнатной температуре. В ходе флотации образуются пенный и камерный продукты. В пенный продукт переходит основная часть краски и всевозможный неорганические примеси, попадающие в бумажные отходы. Пенный продукт отправляется в отвал.
Камерный продукт, состоящий из очищенных бумажных отходов, сгущают и смешивают древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки, и гидролизным лигнином. Затем проводят сгущение полученной смеси, например, в гидроциклоне. Из полученной смеси формуют брикеты, например, экструдированием. Содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы печатной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %. Бумажные отходы выступают и в качестве связующего вещества и как энергоноситель. Использование, бумажных отходов, позволяет вести формование брикетов при относительно низких давлениях, что упрощает технологию и позволяет получать достаточно прочные брикеты.
Способ поясняется следующими примерами.
В качестве исходного сырья использовались отходы печатной продукции, преимущественно газетная бумага. Эти отходы помещалась во флотационную машину и перемешивались с водой без подачи воздуха во флотомашину. Реагенты подавались в процесс перемешивания в следующем порядке: перекись водорода в начало перемешивания, таловое и сосновое масло – за 2 минуты до окончания процесса перемешивания. Затем содержание твердого во флотомашине доводилось до примерно 40 %, путем добавления воды и осуществлялась флотация. Флотация велась в щелочной среде, создаваемой едким натром. Флотационная пена постоянно удалялась из флотомашины.
После флотации, оставшийся во флотомашине камерный продукт сгущался, смешивался с сосново-березовыми древесными опилками, являющимися отходами деревообработки и гидролизным лигнином, являющимся отходом целлюлозно-бумажный промышленности. Затем производилось формование брикетов методом экструдирования. Полученные брикеты сушились либо принудительно, путем нагрева до 105°С, либо путем выдерживания при комнатной температуре.
В таблице 1 показана зависимость технологических показателей флотации и прочности получаемых брикетов от времени перемешивания. Соотношение в брикете – древесные опилки, бумажные отходы, гидролизный лигнин – 44:45:10. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т.
Таблица 1 – Зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от времени перемешивания
| № | Время перемешивания, мин | Выход пенного продукта флотации, % | Содержание краски в пенном продукте, % | Извлечение краски в пенный продукте, % | Прочность брикета, МПа/брикет |
| 1 | 30 | 3,21 | 22,32 | 39,80 | 3,6 |
| 2 | 50 | 5,02 | 32,82 | 91,53 | 4,8 |
| 3 | 60 | 4,98 | 32,79 | 90,72 | 5,2 |
| 4 | 70 | 4,53 | 32,16 | 80,94 | 5,2 |
Перемешивание позволяет измельчить бумажные отходы до флотационной крупности и оттереть краску с поверхности бумаги. Одновременно происходит и отделение возможных неорганических примесей, попавших в бумажные отходы. Время перемешивания меньше 50 минут не позволяет достигнуть необходимой степени измельчения бумажных отходов, достаточно полной оттирки краски с поверхности бумаги отделения неорганических примесей с поверхности бумаги. Время перемешивания больше 60 минут ведет к переизмельчению бумаги, что ухудшает результаты флотации и ведет к дополнительному расходу энергии. При этом степень оттирки краски и отделения неорганических примесей практически не увеличивается.
В таблице 2 показана зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от влажности перемешиваемой массы. Соотношение в брикете – древесные опилки, бумажные отходы, гидролизный лигнин – 44:45:10 мас. %. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т, время перемешивания – 55 минут.
Таблица 2 – Зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от влажности перемешиваемой массы.
| № | Влажность перемешиваемой массы, % | Выход пенного продукта флотации, % | Содержание краски в пенном продукте, % | Извлечение краски в пенный продукте, % | Прочность брикета, МПа/брикет |
| 1 | 40 | 4,25 | 24,46 | 57,75 | 5,1 |
| 2 | 45 | 5,11 | 32,76 | 93,00 | 5,1 |
| 3 | 60 | 5,12 | 32,84 | 93,41 | 5,2 |
| 4 | 70 | 5,02 | 30,82 | 85,95 | 5,2 |
Влажность перемешиваемой массы меньше 45 % дает возможности ее эффективного перемешивания из-за резкого увеличения вязкости массы. Влажность массы выше 60 % ведет к снижению эффективности оттирки краски и отделения неорганических загрязнений из-за уменьшения поверхности контакта трущихся частиц при перемешивании.
В таблице 3 показана прочности брикета от соотношения в брикете древесных опилок, бумажных отходов, гидролизного лигнина. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т, время перемешивания – 55 минут.
Таблица 3 – Зависимость прочности брикета от соотношения в брикете древесных опилок, бумажных отходов, гидролизного лигнина
| № | Содержание камерного продукта в брикете, мас. % | Содержание сосново-березовых опилок в брикете, мас. % | Содержание гидролизного лигнина в брикете, мас. % | Прочность брикета, МПа/брикет |
| 1 | 32 | 62 | 6 | 3,1 |
| 2 | 32 | 60 | 8 | 3,8 |
| 3 | 42 | 50 | 8 | 4,8 |
| 4 | 50 | 40 | 10 | 5,8 |
| 5 | 60 | 30 | 10 | 6,1 |
| 6 | 65 | 27 | 8 | 6,1 |
| 7 | 45 | 40 | 15 | 5,9 |
| 8 | 40 | 40 | 20 | 5,8 |
| 9 | 38 | 40 | 22 | 5,7 |
Количество камерного продукта в брикете, меньше 40 % ведет к снижению прочности производимых брикетов. Количество камерного продукта больше 60 % не увеличивает прочность брикета и ведет к снижению полноты утилизации древесных опилок.
Количество сосново-березовых опилок, используемого как компонент для получения топливных брикетов, больше 60 мас. % ведет к снижению прочности производимых брикетов. Количество сосново-березовых опилок меньше 40 мас. % не увеличивает прочность брикета и ведет к снижению полноты утилизации древесных опилок.
Добавка гидролизного лигнина позволяет повысить прочность получаемых брикетов, при одновременной утилизации гидролизного лигнина. Расход гидролизного лигнина меньше 8 мас. % практически не увеличивает прочность брикета. Увеличение расхода гидролизного лигнина выше 20 мас. % ведет к затруднению процесса из-за усложнения операции смешения камерного продукта и опилок с лигнином и из-за затруднения формования брикетов в связи с увеличением вязкости формуемой массы. Кроме того, увеличение доли лигнина ведет к снижению степени утилизации бумажных отходов и опилок.
В таблице 4 показана зависимость технологических показателей флотации от расхода флотационных реагентов. Время перемешивания – 55 минут, влажность перемешиваемой массы 52 %
Таблица 4 – Зависимость технологических показателей флотации от расхода флотационных реагентов
| № | Расход талового масла, г/т | Расход соснового масла, г/т | Расход перекиси водорода, кг/т | Выход пенного продукта флотации, % | Содержание краски в пенном продукте, % | Извлечение краски в пенный продукте, % |
| 1 | 80 | 30 | 8 | 3,01 | 20,43 | 34,16 |
| 2 | 100 | 40 | 10 | 4,97 | 32,79 | 90,54 |
| 3 | 300 | 55 | 12 | 5,03 | 32,81 | 91,69 |
| 4 | 500 | 60 | 15 | 5,06 | 32,16 | 90,41 |
| 5 | 600 | 70 | 20 | 5,47 | 27,14 | 82,48 |
Расход талового масла меньше 100 г/т не позволяет достаточно полно извлечь краску и неорганические загрязнения в пенный продукт. Расход талового масла больше 500 г/т также ведет к снижению извлечения краски и неорганических загрязнений в пенный продукт.
Расход соснового масла меньше 40 г/т ведет к снижению выхода пенного продукта из-за недостаточного пенообразование и как следствие приводит к снижению извлечения краски и неорганических загрязнений в пенный продукт. Расход соснового масла больше 60 г/т ухудшает технологические показатели из-за избыточного пенообразования.
Расход перекиси водорода меньше 10 кг/т не дает заметного повышения эффективности разделения во время флотации. Расход перекиси водорода выше 15 кг/т не повышает эффективность разделения, а стоимость операции увеличивается. Поэтому такое увеличение нерационально.
Заявляемый способ позволяет получить топливные брикеты, пригодные, например, для использования в бытовых целях. При этом производится дополнительное количество энергоносителей по сравнительно простой технологии и одновременно происходит утилизация таких мало востребованных в настоящее время и загрязняющих окружающую среду техногенных отходов, как продукты деревопереработки, бумажные отходы, гидролизный лигнин. Кроме того, из исходного сырья удаляются вредные компоненты, также загрязняющие окружающую среду при горении брикетов.
Способ получения топливных брикетов из углеродсодержащих отходов, включающий смешивание компонентов смеси, включающей технический гидролизный лигнин и древесные отходы, и брикетирование смеси, отличающийся тем, что отходы бумажной продукции перемешивают с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы от 45 до 60 %, перед окончанием перемешивания добавляют таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т, далее полученную массу разбавляют водой и подвергают пенной флотации, с получением пенного продукта, который отправляют в отвал, и камерного продукта, который смешивают вместе с древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки, и гидролизным лигнином, а затем проводят сгущение, с последующим формованием топливных брикетов, при этом содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы бумажной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %.
