PL247007B1

PL247007B1 - Granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika uszlachetniony kompozycją dodatków

Info

Publication number: PL247007B1
Application number: PL440552A
Authority: PL
Inventors: Grażyna ŻAK; Grażyna Żak; Michał Wojtasik; Jarosław Markowski; Robert Wojtowicz; Mateusz Rataj; Tadeusz Kwilosz; Stefan PTAK; Stefan Ptak
Original assignee: Inst Nafty I Gazu Panstwowy Inst Badawczy
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2025-04-22
Also published as: PL440552A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(III) oraz tlenek wapnia, charakteryzujący się tym, że w jego skład wchodzi: 99% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika I, w którym od 49% do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych i od 49% do 51% (m/m) stanowi łuska słonecznika, oraz 1% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika II, w którym od 24,0% do 26,0% (m/m) stanowi tlenek wapnia i od 74,0% do 76,0% (m/m) stanowi tlenek żelaza(III), które to składniki I i II przed procesem granulacji są zmieszane i dokładnie ujednorodnione.

Description

Przedmiotem wynalazku jest granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika uszlachetniony kompozycją dodatków, ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin.

STAN TECHNIKI

Począwszy od drugiej połowy lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, na całym świecie wprowadzane są i systematycznie zaostrzane przepisy ograniczające wielkość emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery. Wielkość emisji oraz rodzaj emitowanych składników spalin z obiektów energetycznych wykorzystujących biomasę zależy głównie od składu paliwa, stosowanego procesu spalania i metody oczyszczania gazów wylotowych. Emisję toksycznych składników spalin można również ograniczać wykorzystując do tego celu substancje dozowane do paliwa na etapie jego wytwarzania.

W opisie patentowym US 8048243 przedstawiono skład uniwersalnego dodatku do paliw kopalnych takich jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, a nawet do drewna i węgla drzewnego, którego zastosowanie obniża emisję tlenków siarki, tlenków azotu oraz tlenku węgla. Dodatek składa się z azotanu sodu w ilości 12-18% mas., nadmanganianu potasu 0,2-0,4% mas., węglanu sodu 0,5-1,5% mas., dwutlenku krzemu 40-65% mas., tlenku żelaza(II) 3-5% mas., tlenku magnezu 2-5% mas., tlenku potasu 0,3-0,8% mas., tlenku glinu 20-24% mas. oraz tlenku żelaza(III) 2,6-5,3% mas.

W celu obniżenia emisji tlenku węgla, sadzy i cząstek stałych z procesu spalania biomasy stosuje się m.in. odpowiednie dodatki do paliwa, których zadaniem jest katalizowanie procesu spalania. Autorzy prac (B. S. H. Kassmann, C. Andersson, J. Carlsson, U. Bjorklund, „Decreased emissions of CO and NOx by injection of ammonium sulphate into the combustion chamber”, Stockholm, 2005 oraz T. Streibel, F. Muhlberger, R. Geiβler, M. Saraji-Bozorgzad, T. Adam, and R. Zimmermann, „Influence of sulphur addition on emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons during biomass combustion”, Proc. Combust. Inst., vol. 35, no. 2, pp. 1771-1777, 2015) przedstawili wyniki badań, w których stwierdzają, że dodatek siarczanu amonu wpływa na obniżenie emisji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, tlenków azotu oraz tlenku węgla.

Autorzy badań, których wyniki zamieszczono w artykule (M. Gehrig, M. Wohler, S. Pelz, J. Steinbrink, and H. Thorwarth, “Kaolin as additive in wood pellet combustion with several mixtures of spruce and short-rotation-coppice willow and its influence on emissions and ashes”, Fuel, vol. 235, pp. 610-616, 2019) stwierdzili, że skutecznym środkiem obniżającym emisję tlenku węgla powstającego w procesie spalania paliwa będącego mieszaniną wierzby energetycznej i świerka jest kaolin. Dodatek tego minerału do paliwa obniżał emisję tlenku węgla, w zależności od jego stężenia w paliwie i składu biomasy od 23,8 do 68,4% w stosunku do paliwa bez dodatku.

Natomiast w artykule (L. S. Bafver, M. Ronnback, B. Leckner, F. Claesson, and C. Tullin, „Particle emission from combustion of oat grain and its potential reduction by addition of limestone or kaolin”, Fuel Process. Technol., vol. 90, no. 3, pp. 353-359, 2009) przedstawiono badania nad skutecznością kaolinu i wapienia w redukcji emisji tlenku węgla w procesie spalania ziaren owsa. Dodatek 2% masowych wapienia obniżył emisję w stosunku do czystego ziarna o 40%, natomiast dodatek 2% masowych kaolinu o 66%, a dodatek 4% masowych kaolinu o 69%. Niestety jednocześnie zastosowanie tych minerałów zwiększyło emisję NOx o 5% - 32%, natomiast SOx o 0,8% - 19,7%.

Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie granulatu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, uszlachetnionego kompozycją dodatków ograniczających poziom emisji do atmosfery toksycznych składników spalin emitowanych w procesie spalania, który będzie charakteryzował się niższym poziomem emisji powstających w procesie jego spalania organicznych związków węgla, CO oraz SOx niż granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika nie zawierający kompozycji dodatków.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że takie właściwości posiada, zgodny z niniejszym wynalazkiem, granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, uszlachetniony kompozycją dodatków, który charakteryzuje się niższym poziomem emisji powstających w procesie jego spalania organicznych związków węgla, CO oraz SOx niż granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych i łuski słonecznika nie zawierający kompozycji dodatków.

PL 247007 BI

ISTOTA WYNALAZKU

Granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(lll) oraz tlenek wapnia, charakteryzuje się tym, że w jego skład wchodzi:

- 99% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika I, w którym od 49 do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych, i od 49 do 51% (m/m) stanowi łuska słonecznika, oraz % (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika II, w którym od 24,0 do 26,0% (m/m) stanowi tlenek wapnia, i od 74,0 do 76,0% (m/m) stanowi tlenek żelaza(lll).

Dla potrzeb niniejszego wynalazku jako granulat należy rozumieć produkt poddany procesom zagęszczania lub kompaktowania m.in. pelet oraz brykiet.

Okazało się w trakcie badań, że uszlachetnienie granulatu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, kompozycją dodatków wykazujących synergizm działania pozwala ograniczyć emisję pochodzących z jego spalania organicznych związków węgla o ok. 98% oraz CO o ok. 87% w stosunku do granulatu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika nie zawierającego kompozycji dodatków, a także o ok. 94% w przypadku OGC i o ok. 75% w przypadku CO w stosunku do granulatu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika zawierającego tlenek żelaza(lll) stosowany indywidualnie.

Niniejszy wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania od 1 do 4, ilustrujących skład, sposób wytwarzania i skuteczność ograniczania emisji toksycznych składników spalin przez zastosowanie w procesie spalania granulatu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika uszlachetnionego kompozycją dodatków w próbach testowych, nie można ich zatem traktować za ograniczenie istoty wynalazku, ponieważ mają one jedynie ilustracyjny charakter.

Przykłady 1 i 2 są przykładami porównawczymi, a przykłady 3 i 4 to przykłady wynalazku.

PRZYKŁADY

Przykład 1 —przykład porównawczy

Odważono 5000 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1 oraz 5000 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, następnie dokładnie wymieszano komponenty, a mieszaninę poddano granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Tabela 1

Charakterystyka trocin z drewna drzew iglastych zastosowanych do badań

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość .
Zawartość wilgoci całkowitej	%	11,2
Zawartość popiołu	%	0,3
Ciepło spalania	kJ/kg	18918
Wartość opałowa	kJ/kg	16560
Zawartość węgla pierwiastkowego	%	46,7
Zawartość wodoru	%	5,65

PL 247007 BI

Tabela 2

Charakterystyka łuski słonecznika zastosowanej do badań

Nazwa oznaczenia, metoda badania .	Jednostka	Wartość
Zawartość wilgoci całkowitej	%	12,6
Zawartość popiołu	%	3,1
Ciepło spalania	kJ/kg	18495
Wartość opałowa	kJ/kg	16092
Zawartość węgla pierwiastkowego	%	46,0
Zawartość wodoru	%	5,22

Przykład 2 - przykład porównawczy

Odważono 4950 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 4950 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2 oraz 100 g tlenku żelaza(lll) o właściwościach z tabeli 3, a następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Próbkę z wymieszanymi trocinami, łuską słonecznika oraz tlenkiem żelaza(lll) poddano następnie granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Tabela 3

Charakterystyka tlenku żelaza(lll) zastosowanego do badań

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Zawartość FeaOs	%	96,0
pH (zawnesina 5%), 20°C		5
Gęstość	kg/dm³	5,24
Ciężar nasypowy	kg/dm³	0,7

Przykład 3

Odważono 4975 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 4925 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Odważono 75 gramów tlenku żelaza(lll) o właściwościach z tabeli 3 oraz 25 g tlenku wapnia o właściwościach z tabeli 4, a następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Wymieszane trociny z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika zmieszano z kompozycją dodatków: tlenku żelaza(lll) i tlenku wapnia i dokładnie wymieszano. Otrzymaną próbkę poddano granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

PL 247007 BI

Tabela 4

Charakterystyka tlenku wapnia zastosowanego do badań

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Zawartość CaO	%	92,2
Zawartość MgO	%	2,0
Reaktywność teo		1’57”
Ciężar nasypowy	kg/dm³	0,952

Przykład 4

Wykonano testy spalania produktów z przykładów od 1 do 3 w piecu kominkowym na pelet model AIRPELL 8 firmy Defro o nominalnej mocy cieplnej 8 kW.

W trakcie testów wykonano pomiary zawartości w spalinach: tlenku węgla(ll) oraz organicznych związków węgla. Spaliny przeznaczone do analizy zawartości substancji szkodliwych pobierano z króćców zamontowanych w odcinku pomiarowym łączącym ogrzewacz z przewodem kominowym. Do badania zawartości tlenku węgla(ll) wykorzystano analizator gazu model MRU ECU 3000, natomiast do badania zawartości organicznych związków węgla wykorzystano analizator gazu model Thermo-FID TG. Pomiar tlenku węgla(ll) realizowano zgodnie z normą PN-EN 14785:2009 (Ogrzewacze pomieszczeń opalane peletami - Wymagania i metody badań). Pomiar organicznych związków węgla realizowano zgodnie z normą PN-EN 303-5:2012 (Kotły grzewcze. Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW - Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie). Oznaczone wyniki średnich 25-minutowych zawartości CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w trakcie spalania produktów z przykładów od 1 do 3 zamieszczono w tabeli 5.

Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 14785:2009 oraz ROZPORZĄDZENIA KOMISJI (UE) 2015/1185 z dnia 24 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących miejscowych ogrzewaczy pomieszczeń na paliwo stałe zmierzone wartości substancji w spalinach przeliczono na 13% zawartości tlenu.

Tabela 5

Zawartości CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w trakcie spalania produktów z przykładów od 1 do 3

Składnik spalin [jednostka]	CO przeliczone [ppill]	OGC przeliczone [lTLg/ΠΙ®]
Produkt z przykładu 1 (porównawczy)	8600,1	367,1
Produkt z przykładu 2 (porównawczy)	4523,0	138,9
Produkt z przykładu 3	1143,0	8,0

W powyższych przykładach wykazano działanie kompozycji dodatków według wynalazku ograniczające poziom emisji CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w procesie spalania poddanych procesowi granulacji, paliw z biomasy oraz udowodniono jej przemysłową stosowalność.

Claims

1. Granulat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz łuski słonecznika, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(III) oraz tlenek wapnia, znamienny tym, że w jego skład wchodzi:

- 99% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika I, w którym od 49 do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych, i od 49 do 51% (m/m) stanowi łuska słonecznika, oraz

- 1% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę granulatu, składnika II, w którym od 24,0 do 26,0% (m/m) stanowi tlenek wapnia, i od 74,0 do 76,0% (m/m) stanowi tlenek żelaza(III).