PL249549B1

PL249549B1 - Pellet mieszany z udziałem komponentów roślinnych

Info

Publication number: PL249549B1
Application number: PL447306A
Authority: PL
Inventors: Michał Wojtasik; Grażyna ŻAK; Grażyna Żak; Jarosław Markowski; Elżbieta Szałkowska; Jan Lubowicz; Stefan PTAK; Stefan Ptak
Original assignee: Instytut Nafty I Gazu - Państwowy Instytut Badawczy; Instytut Nafty I Gazu – Państwowy Instytut Badawczy
Priority date: 2023-12-27
Filing date: 2023-12-27
Publication date: 2026-05-11
Also published as: PL447306A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia są pellety mieszane z udziałem komponentów roślinnych, według niniejszego wynalazku, zawierające trociny drewna z drzew iglastych i słomę zbóż, oraz dodatek poprawiający ich wytrzymałość mechaniczną, będący węglem uzyskanym w procesie pirolizy biomasy, które charakteryzują się tym, że w ich skład wchodzi: od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletów mieszanych z udziałem komponentów roślinnych, 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 słomy zbóż 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 komponentów roślinnych, uszlachetnionych dodatkiem poprawiającym ich wytrzymałość mechaniczną, składnika II, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego; które to składniki I i II są ze sobą zmieszane i dokładnie ujednorodnione, a następnie poddane procesowi aglomeracji.

Description

Opis wynalazku

DZIEDZINA TECHNIKI

Przedmiotem wynalazku jest pellet mieszany z udziałem komponentów roślinnych, 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 zgłoszeniu opisu patentowego 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 opisu patentowego 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 zgłoszeniu opisu patentowego 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 w/w 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 patentowym 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 EP3184613 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 w formie pelletu mieszanego z udziałem komponentów roślinnych, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym wytrzymałość mechaniczną pelletu, który to pellet po procesie aglomeracji komponentów roślinnych 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 komponentów roślinnych, uszlachetniony dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną będącym węglem uzyskanym w procesie pirolizy biomasy, który po procesie aglomeracji charakteryzuje się wyższą wytrzymałością mechaniczną, niż pellet otrzymany wyłącznie z komponentów roślinnych nie zawierających tego dodatku.

ISTOTA WYNALAZKU

Pellet mieszany z udziałem komponentów roślinnych, według niniejszego wynalazku, zawierający trociny drewna z drzew iglastych i słomę zbóż, oraz dodatek poprawiający jego wytrzymałość mechaniczną, będący węglem uzyskanym w procesie pirolizy biomasy, charakteryzuje się tym, że w jego skład wchodzi:

- od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem komponentów roślinnych, 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 słomy zbóż 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 komponentów roślinnych, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną składnika II, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego.

Składniki I i II są ze sobą zmieszane i dokładnie ujednorodnione, a następnie poddane 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 roślinnych poddawanych procesowi aglomeracji dodatku będącego węglem uzyskanym w procesie pirolizy słomy zbóż pozwala na poprawę wytrzymałości mechanicznej pelletu od ponad 3% do 8% w stosunku do poziomu wytrzymałości mechanicznej pelletu uzyskanego z komponentów roślinnych, nie zawierających dodatku będącego węglem uzyskanym w procesie pirolizy słomy zbóż.

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 słomy zbóż, w próbach testowych, nie można ich zatem traktować za ograniczenie istoty wynalazku, ponieważ mają one jedynie ilustracyjny charakter.

Przykład 1 jest przykładem porównawczym.

PRZYKŁADY

P rzy kła d 1 - przykład porównawczy

Odważono 500 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1 oraz 500 g słomy zbóż 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 249549 Β1

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

Nazwa oznaczenia, metoda badania ....	Jednostka	Wartość
Wygląd	—	chara kterystyczn y
Zawartość wilgoci	%	11,2
Zawartość popiołu	%	0,3
Wartość opałowa	MJ/kg	16,56

Tabela 2. Charakterystyka słomy zbóż zastosowanej do badań.

Nazwa ozhaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Wygląd	—	charakterystyczny
Zawartość wilgoci	%	7,60
Zawartość popiołu	%	5,0
Wartość opałowa	MJ/kg	16,26

Przykład 2

Odważono 497,5 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 497,5 g słomy zbóż o właściwościach z tabeli 2, oraz 5 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy słomy zbóż o właściwościach z tabeli 3, który został uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż, przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego. 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 słomy zbóż zastosowanego do badań.

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Wygląd	—	czarny proszek
Zawartość pierwiastka węgla	%	73,17
Wartość opałowa	MJ/kg	24,77

Przykład 3

Odważono 495 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1,495 g słomy zbóż o właściwościach z tabeli 2, oraz 10 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy słomy zbóż o właściwościach z tabeli 3, który został uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż, przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego. 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 4

Odważono 492,5 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1,492,5 g słomy zbóż o właściwościach z tabeli 2, oraz 15 g węgla uzyskanego w procesie pirolizy słomy zbóż o właści

PL 249549 Β1 wościach z tabeli 3, który został uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż, przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego. 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 l%J
Produkt z przykładu 1 (przykład porównawczy)	90,6
Produkt z przykładu 2	93,8
Produkt z przykładu 3	96,4
Produkt z przykładu 4	97,8

W powyższych przykładach zaprezentowano skład pelletu mieszanego, według wynalazku, z udziałem komponentów roślinnych, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną 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 komponentów roślinnych, uszlachetnionego dodatkiem porównano z wytrzymałościami mechanicznymi pelletu nie zawierającego dodatku.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Pellet mieszany z udziałem komponentów roślinnych, zawierający trociny drewna z drzew iglastych i słomę zbóż, oraz dodatek poprawiający ich wytrzymałość mechaniczną będący węglem uzyskanym w procesie pirolizy biomasy, znamienny tym, że w jego skład wchodzi: - od 98,5% (m/m) do 99,5% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę pelletu mieszanego z udziałem komponentów roślinnych, 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 słomy zbóż 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 komponentów roślinnych, uszlachetnionego dodatkiem poprawiającym jego wytrzymałość mechaniczną składnika II, stanowiącego dodatek poprawiający wytrzymałość mechaniczną pelletu, którym jest węgiel uzyskany w procesie pirolizy słomy zbóż przeprowadzonym w reaktorze mikrofalowym w temperaturze 600°C, w czasie 10 minut, w przepływie 16 l/h gazu obojętnego.