PL249183B1 - Pellet mieszany z udziałem biokomponentów - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia są pellety mieszane z udziałem biokomponentów, zawierające łuskę słonecznika, trociny drewna z drzew iglastych, uszlachetnione dodatkiem poprawiającym ich wytrzymałość mechaniczną, które charakteryzują się tym, że jako dodatek poprawiający ich wytrzymałość mechaniczną zawierają węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu, a w skład pelletów wchodzi: od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletów mieszanych z udziałem biokomponentów, uszlachetnionych dodatkiem poprawiającym ich wytrzymałość mechaniczną, składnika I, który składa się z trocin drewna z drzew iglastych w ilości od 49% do 51% (m/m) i łuski słonecznika w ilości od 49% do 51% (m/m); oraz od 0,5% (m/m) do 1,5% (m/m) w przeliczeniu na całkowitą masę pelletów mieszanych z udziałem biokomponentów, uszlachetnionych dodatkiem poprawiającym ich wytrzymałość mechaniczną, składnika II, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu przeprowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszcza się mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min, a wytworzony węgiel wydobywa się z reaktora periodycznie; które to składniki I i II są ze sobą zmieszane i dokładnie ujednorodnione, a następnie poddane procesowi aglomeracji.

Description

Przedmiotem wynalazku jest pellet mieszany z udziałem biokomponentów, uszlachetniony dodatkiem poprawiającym wytrzymałość mechaniczną pelletu.

STAN TECHNIKI

Biopaliwa są paliwami o mniejszej tendencji do tworzenia niebezpiecznych zanieczyszczeń, a ich spalanie ma korzystniejszy bilans dwutlenku węgla od paliw kopalnych.

Pellety wytworzone w procesie aglomeracji z komponentów biomasowych charakteryzują się zbyt niską wytrzymałością mechaniczną, ulegają rozkruszeniu w trakcie transportu i podawania do pieca lub kotła generując straty, zanieczyszczenie oraz zagrożenie pożarowe.

W dokumencie PL439171 opisano sposób wytwarzania pelletów z drewna o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej. Autorzy opisali szczegółowo etapy produkcji tego pelletu obejmujące: suszenie materiału drzewnego, rozdrabnianie surowca, odsiewanie, uszlachetnianie dodatkami oraz produkcję pelletów. Jako dodatki poprawiające wytrzymałość wytworzonego produktu stosowano żelatynę lub sacharozę w ilości od 0,3% mas. do 0,5% mas.

W zgłoszeniu patentowym WO202005392 opisano metodę otrzymywania granulatu z biomasy, charakteryzującego się wysoką wytrzymałością mechaniczną. Podniesienie wytrzymałości uzyskano poprzez wprowadzenie do składu granulatu gliny odpadowej w ilości od 2% mas. do 16% mas.

W dokumencie CN105969441A ujawniono sposób otrzymywania brykietów z biomasy o wysokiej wytrzymałości na ściskanie, dzięki zastosowaniu dodatku. Substancja która zostaje dodana do pelletów oprócz podnoszenia wytrzymałości mechanicznej wpływa korzystnie na proces spalania. Przygotowany brykiet z biomasy charakteryzuje się niską temperaturą zapłonu, niską zawartością substancji lotnych, dużą szybkością spalania, dobrą stabilnością cieplną, wysoką wytrzymałością oraz niską zawartością substancji pyłowych po spaleniu. Autorzy nie podają składu zastosowanego dodatku.

W artykule Wang R, Zhang J, Liu Z, Li Y, Xu C. “Effect of CaO and MgO additives on the compressive strength of pellets: Exploration on the decisive stage during induration”, Powder Technol. 2021; 390: 496-503, opisano wpływ tlenku wapnia i tlenku magnezu na wytrzymałość pelletów. Autorzy zauważyli, że tlenek magnezu wpływa negatywnie na tą właściwość, a tlenek wapnia może ten negatywny wpływ eliminować.

W artykule Wang R, Zhang J, Liu Z, Liu X, Xu C, Li Y. “Interaction between iron ore and magnesium additives during induration process of pellets”, Powder Technol. 2020; 361: 894-902, opisano zastosowanie rud żelaza i ich wpływu na wytrzymałość pelletów z biomasy.

Oprócz wprowadzania dodatków wytrzymałość pelletów może być podnoszona na etapie produkcji, dzięki modyfikacji procesu; taką metodę poprawy wytrzymałości mechanicznej pelletów opisano w opisie patentowym RU2671824. Zaprezentowana w ww. dokumencie technologia opiera się na wstępnej obróbce materiału drzewnego w celu wzbogacenia go w ligninę, a następnie poddania go procesowi pelletowania. Lignina jest naturalnym środkiem poprawiającym tworzenie pelletów o wysokiej wytrzymałości mechanicznej.

Natomiast zgodnie z opisem RU2671824 z jednej strony trociny poddawane są wstępnej obróbce termicznej, co poprawia ich wytrzymałość poprzez zwiększenie gęstości cząstek węgla, dodatkowo zwiększa się wartość cieplna, zmniejsza się ilość substancji lotnych otrzymanego paliwa. Podobną metodę opisano w wielu dokumentach patentowych między innymi WO201267795, EP3184613,

US201305563, WO20170255 oraz KR102289529.

Autorzy publikacji Sarker TR, Nanda S, Meda V, Dalai AK. “Pelletization of torrefied canola residue: Effects of microwave power, residence time and bio-additives on fuel pellet quality”, Fuel 2022; 312: 122728 opisali metodę toryfikacji pelletów za pomocą mikrofal.

W publikacji Xia X, Zhang K, Xiao H, Xiao S, Song Z, Yang Z. “Effects of additives and hydrothermal pretreatment on the pelleting process of rice straw: Energy consumption and pellets quality”, Ind. Crops. Prod. 2019; 133: 178-84 porównano dwie metody podnoszenia wytrzymałości pelletów: za pomocą wprowadzania do ich składu dodatków (gliceryny lub parafiny) oraz za pomocą wstępnej toryfikacji. Uznano, że lepsze efekty uzyskano dzięki zastosowaniu dodatków.

W publikacji Garcia R, Gil M V, Fanjul A, Gonzalez A, Majada J, Rubiera F, et al. “Residual pyrolysis biochar as additive to enhance wood pellets quality”, Renew Energy 2021; 180: 850-9, badano wpływ dodatku biowęgla uzyskanego z pirolizy eukaliptusa na jakość pelletów z drzewa sosnowego.

Do paliwa dodawano biowęgiel w ilości 5%-20%, wykazano, że dodatek tego materiału podnosi jakość wytwarzanych pelletów, jednak nie zbadano jego wpływu na ich wytrzymałość.

Celem niniejszego wynalazku było rozwiązanie problemu technicznego, jakim jest zbyt niska wytrzymałość mechaniczna pelletów wytworzonych z biomasy.

Problemy związane ze zbyt niską wytrzymałością pelletów można ograniczać transportując i spalając pellet uszlachetniony dodatkami dedykowanymi do stosowania do paliw stałych wytwarzanych z biomasy.

Nieoczekiwanie okazało się, że postawiony cel można osiągnąć poprzez opracowanie składu paliwa z udziałem biokomponentów, w formie pelletu mieszanego, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym wytrzymałość mechaniczną pelletu, który to pellet po procesie aglomeracji komponentów biomasowych zawierających dodatek charakteryzuje się wyższą wytrzymałością mechaniczną niż pellet nie zawierający tego dodatku.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że takie pożądane właściwości posiada, zgodny z niniejszym wynalazkiem, pellet mieszany z udziałem biokomponentów, uszlachetniony dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, będącym węglem uzyskanym w procesie pirolizy metanu, który to pellet po procesie aglomeracji komponentów charakteryzuje się wyższą wytrzymałością mechaniczną, niż pellet otrzymany wyłącznie z komponentów biomasowych nie zawierających tego dodatku.

ISTOTA WYNALAZKU

Pellet mieszany z udziałem biokomponentów, według niniejszego wynalazku, zawierający łuskę słonecznika, trociny drewna z drzew iglastych, uszlachetniony dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, charakteryzuje się tym, że jako dodatek poprawiający jego wytrzymałość mechaniczną zawiera węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu, a w skład pelletu wchodzi:

- od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, składnika I, który składa się z trocin drewna z drzew iglastych w ilości od 49% do 51% (m/m) i łuski słonecznika w ilości od 49% do 51% (m/m);

oraz

- od 0,5% (m/m) do 1,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, składnika II, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu przeprowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszcza się mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min.

Wytworzony węgiel wydobywa się z reaktora periodycznie.

Składniki I i II miesza się ze sobą i dokładnie ujednorodnia, a następnie poddaje się procesowi aglomeracji.

Dla potrzeb niniejszego wynalazku jako aglomerację należy rozumieć proces zagęszczania lub kompaktowania w celu uzyskania pelletu.

Okazało się w trakcie badań, że dodanie do komponentów biomasowych, poddawanych procesowi aglomeracji, dodatku będącego węglem uzyskanym w procesie pirolizy metanu pozwala na poprawę wytrzymałości mechanicznej pelletu od ponad 2% do prawie 5% w stosunku do poziomu wytrzymałości mechanicznej pelletu uzyskanego z komponentów biomasowych nie zawierających dodatku będącego węglem uzyskanym w procesie pirolizy metanu.

Niniejszy wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania od 1 do 5, ilustrujących skład, sposób wytwarzania i skuteczność poprawy wytrzymałości mechanicznej wytwarzanego w procesie aglomeracji pelletu, poprzez zastosowanie dodatku będącego węglem uzyskanym w procesie pirolizy metanu, w próbach testowych, nie można ich zatem traktować za ograniczenie istoty wynalazku, ponieważ mają one jedynie ilustracyjny charakter. Przykład 1 to przykład porównawczy, a przykłady od 2 do 5 ilustrują wynalazek.

PRZYKŁADY

Przykład 1 - przykład porównawczy

Odważono 500 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1 oraz 500 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, a następnie dokładnie wymieszano składniki i poddano je granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

PL 249183 Β1

Tabela 1. Charakterystyka trocin z drewna drzew iglastych zastosowanych do badań.

Nazwa ihmwi i t, metoda badania > i	Jednostka	Bi A W irtość
Wygląd	—	cb araktcrystyczny
Zawartość wilgoci	%	11,2
Zawartość popiołu	%	0,3
Wartość opałowa	MJ/kg	16,56

Tabela 2. Charakterystyka łuski słonecznika zastosowanej do badań.

Na/W.l 11711:11.·/Λ 111.4 nir>li.iln li;nl;lTii;i	Jednorfka	Wariuje
Wygląd	—	charakterystyczny
Zawartość wilgoci	%	12,6
Zawartość popiołu	%	3,6
Wartość opałowa	MJ/kg	16,09

Przykład 2

Odważono 497,5 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 497,5 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, oraz 5 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy metanu o właściwościach z tabeli 3, który został otrzymany w procesie prowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszczano mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min. Następnie dokładnie wymieszano składniki i poddano je 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 węgla uzyskanego w procesie pirolizy metanu zastosowanego do badań.

N.i/w.i ii/naczeina. nt· oda bądania	Jednostka	W uli >«
Wygląd	—	połyskujący proszek
Zawartość pierwiastka węgla	%	100
Wartość opałowa	MJ/kg	32,88

Przykład 3

Odważono 495 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1,495 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, oraz 10 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy metanu o właściwościach z tabeli 3, który został otrzymany w procesie prowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszczano mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min. Następnie dokładnie wymieszano składniki i poddano je granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

PL 249183 Β1

Przykład 4

Odważono 492,5 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 492,5 g łuski słonecznika o właściwościach z tabeli 2, oraz 15 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy metanu o właściwościach z tabeli 3, który został otrzymany w procesie prowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszczano mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min. Następnie dokładnie wymieszano składniki i poddano je granulacji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Przykład 5

Wykonano badania wytrzymałości mechanicznej produktów z przykładów od 1 do 4. Badania wykonano wg metody PN-EN ISO 17831-1:2016-02 (Biopaliwa stałe - Oznaczanie wytrzymałości mechanicznej peletów i brykietów - Część 1: Pelety) w aparacie „PELTEST” wyprodukowanym przez firmę TESTCHEM.

Badanie polegało na umieszczeniu około 500 g, testowanych pelletów przesianych na sicie o oczku 3,15 mm w obracającym się z prędkością 50 rpm stalowym prostopadłościanie, po 10 minutach ponownym oddzieleniu na tym samym sicie pokruszonych pelletów i zważeniu pozostałości na sicie. Do wyliczenia wytrzymałości badanej próbki pelletów wykorzystuje się poniższe równanie.

DU=(mA/mE)-100 gdzie:

DU - wytrzymałość mechaniczna, % mA - masa próbki po teście, g mE - masa próbki przed testem, g

Uzyskane wyniki badań wytrzymałości mechanicznej zamieszczono w tabeli 4.

Tabela 4. Wytrzymałość mechaniczna wg PN-EN ISO 17831-1:2016-02

Badana próbka	Wytrzymałość mechaniczna [%]
Produkt z przykładu 1 (przykład porównawczy)	77,20
Produkt z przykładu 2	78,85
Produkt z przykładu 3	80,00
Produkt z przykładu 4	81,00

W powyższych przykładach zaprezentowano skład pelletu mieszanego z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, według wynalazku, i wykazano skuteczność w poprawie wytrzymałości mechanicznej poprzez zastosowanie dodatku w próbach testowych, udowadniając przemysłową stosowalność wynalazku.

Wytrzymałość mechaniczną pelletu mieszanego, według wynalazku, z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem porównano z wytrzymałością mechaniczną pelletu nie zawierającego dodatku.

Claims (1)

1. Pellet mieszany z udziałem biokomponentów, zawierający łuskę słonecznika, trociny drewna z drzew iglastych, uszlachetniony dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, znamienny tym, że jako dodatek poprawiający jego wytrzymałość mechaniczną zawiera węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu, a w skład pelletu wchodzi:

- od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, składnika I, który składa się z trocin drewna z drzew iglastych w ilości od 49% do 51% (m/m) i łuski słonecznika w ilości od 49% do 51% (m/m);

oraz

- od 0,5% (m/m) do 1,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem biokomponentów, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną, składnika II, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy metanu przeprowadzonym w kwarcowym reaktorze przepływowym umieszczonym w poziomym piecu rurowym, przez który to reaktor w trybie ciągłym przepuszcza się mieszankę azotu i metanu w stosunku objętościowym wynoszącym 1:1, z szybkością 400 ml/min.