ТОПЛИВНЫЙ БРИКЕТ
FUEL BRICK

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области твердотопливных брикетов на основе углеродосодержащих материалов, в частности к топливным брикетам, используемым в бытовых условиях для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева жилых и хозяйственных помещений, теплиц и парников, особенно в районах, не имеющих природных топлив (дров, каменного угля, торфа и т.п.), для каминов, походных печек, самоваров и для отопления железнодорожных вагонов, бытовок для рабочих и военнослужащих, а также приготовления пищи в мангалах, грилях и шашлычницах.
Уровень техники
Известен топливный брикет и способ его получения по патенту РФ 2078120, МКИ C10L 5/16, опубл. 1997, включающий термообработанную формованную смесь угольной мелочи и связующего, содержащего производную сульфокислоты (лигносульфонат или натриевую соль метиленнафталинсульфокислоты) не менее 0,5% от массы угля и пек из кубового остатка ректификации талового масла не менее 0,5% от массы угля (например, омыленный или окисленный таловый пек). Данный брикет обладает недостаточной механической прочностью, сложным и длительным процессом изготовления топливных брикетов, высокой себестоимостью из-за большого ассортимента сырья.
Известен также топливный брикет и способ его получения по патенту РФ 2130047, МКИ C10L 5/12, опубл. 1999 г., содержащий высушенные смеси измельченных твердых топлив и связующего на основе нефтешлама и/или отработанного машинного масла, а также компоненты из группы, включающей, % от массы брикетируемой смеси:
лигносульфонат или мелассу, -2-7 и/или
обезвоженный активный ил, - 3 - 8 и/или
глину, - 3 - 10 и/или
парафин или парафиновый гач - 1-6 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
связующее - 10-32, измельченные твердые топлива из группы древесные опилки, торф, обезвоженный птичий помет, обезвоженный навоз, коксовая или угольная мелочь, угольный шлам, лигнин или их смеси - до 100. Недостатком данного брикета является сложный технологический процесс изготовления брикета, высокая энергоемкость и себестоимость продукции, а также большая остаточная влажность 3-12%.
Кроме того, известен топливный брикет по патенту РФ 2043392, МКИ C10L 5/14, опубл. 1995, предназначенный для обогрева теплиц и других помещений. Топливный брикет содержит натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы 3-5%, нитрат калия 2-6%, измельченный древесный уголь остальное. Основным недостатком данного топливного брикета является выделение в процессе горения топливных брикетов веществ, преимущественно солей натрия и калия, воздействие которых на пищевые продукты в процессе их приготовления в мангалах, грилях и шашлычницах ухудшает органолептические свойства.
Наиболее близким по существу технического решения к заявляемому топливному брикету является известный топливный брикет по патенту РФ 2187542, МКИ C10L 5/12, опубл. 2002, включающий измельченный древесный уголь, связующее и воду, причем в качестве связующего он содержит крахмал, или пшеничную муку, или декстрин при следующем соотношении компотентов, мас.%:
измельченный древесный уголь - 50-93,
крахмал, или пшеничная мука, или декстрин - 3-45,
вода - остальное до 100.
3
К основным недостаткам таких топливных брикетов следует отнести недостаточную механическую прочность (плотность топливного брикета от 350 до 450 кг/м) и довольно высокую остаточную влажность (от 3 до 5 мас.%).
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание экологически чистого брикетированного топлива каталитического горения (горение без пламени) с улучшенными энергетическими и прочностными характеристиками, изготовляемого из доступного, дешевого и экологически чистого сырья и применимого как для обогрева помещений, в том числе жилых, так и для приготовления пищи в мангалах, грилях и шашлычницах без ухудшения ее органолептических свойств.
В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в повышении теплоты сгорания и снижении зольности топливных брикетов, в увеличении их прочности на сбрасывание, а также в улучшении процессов воспламенения и каталитического горения топливных брикетов за счет снижения величины остаточной влажности.
Данные технические результаты достигаются тем, что в топливном брикете, содержащем измельченный древесный уголь с размером частиц от 0,05 мм до 5 мм, воду и связующее, выбранное из крахмала, карбоксилметилцеллюлозы, гидросиликата натрия или сапропеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- крахмал от 4 до 8 или
- карбоксилметилцеллюлоза от 4 до 8, или
- гидросиликат натрия от 2 до 5, или
- сапропель от 2 до 10,
- вода менее 3,
3
3
- измельченный древесный уголь - остальное до 100, а плотность топливного брикета составляет от 500 кг/м до 900 кг/м.
Отличительная особенность заявляемого топливного брикета состоит в том, что связующее выбрано из крахмала, карбоксилметилцеллюлозы, гидросиликата натрия или сапропеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- крахмал от 4 до 8 или
- карбоксилметилцеллюлоза от 4 до 8, или
- гидросиликат натрия от 2 до 5, или
- сапропель от 2 до 10,
- вода менее 3,
3
3
- измельченный древесный уголь с размером частиц от 0,05 мм до 5 мм - остальное до 100, а плотность топливного брикета составляет от 500 кг/м до 900 кг/м. В результате повышается теплотворная способность и прочность заявляемых топливных брикетов, а также уменьшается время их разжигания. Причем экспериментально было установлено, что выбранные диапазоны связующего и плотности топливного брикета обеспечивают увеличение прочностных и эксплуатационных характеристик топливных брикетов, лишь при выполнении топливных брикетов с определенными вышеприведенными параметрами и при содержании остаточной влаги в топливных брикетах после их сушки менее 3 мас.%.
Таким образом, из приведенного выше следует, что новые технические результаты могут быть получены при реализации всех существенных признаков, характеризующих заявляемый топливный брикет.
Кроме того, в качестве же связующего может быть использован картофельный крахмал, кукурузный крахмал или их смеси и/или карбоксилметилцеллюлоза, а также водный раствор гидросиликата натрия с содержанием воды 10% (жидкое стекло) или сапропель озера Руковского Владимировской области.
Причем топливный брикет выполнен в виде таблетки (цилиндрической шашки) с диаметром от 30 мм до 100 мм и отношением длины L таблетки к ее диаметру d от 0,4 до 2,0 или призматической шашки с высотой от 20 мм до 40 мм, шириной от 40 мм до 80 мм и длиной от 80 мм до 150 мм.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В качестве исходного сырья для изготовления топливных брикетов используют измельченный древесный уголь с размером частиц от 0,05 мм до 5 мм, например пылевидную крошку - отходы производства (по фракционному составу) высококачественного древесного угля (ГОСТ 7637-84, ГОСТ 7657-88). В качестве связующего используют картофельный крахмал (ГОСТ 4567-89), кукурузный крахмал или их смесь и/или карбоксиметилцеллюлозу, или гидросиликат натрия (силикат-глыба - отход стекольного производства), например жидкое стекло - водный раствор гидросиликата натрия с 10% содержанием воды или сапропель, например сапропель озера Руковского Владимировской области.
Вышеуказанные исходные компоненты после дозирования смешивают с водой и тщательно перемешивают при комнатной температуре, например, в смесителе СПУ-2, снабженном планетарными мешалками и обогревом. Дозирование исходных компонентов осуществляют общеизвестными методами путем взвешивания на весах соответствующего класса точности или с применением дозаторов. Полученную однородную смесь выдерживают для набухания связующего, после чего производят брикетирование.
2
2
Брикетирование исходных компонентов осуществляют посредством гидравлического пресса (давление прессования от 50 кг/смдо 200 кг/см) в таблетки или цилиндрические шашки диаметром от 30 мм до 100 мм и отношением длины L таблетки к ее диаметру d от 0,4 до 2,0, а также в призматические шашки высотой от 20 мм до 40 мм, шириной от 40 мм до 80 мм и длиной от 80 мм до 150 мм. Затем топливные брикеты подвергают сушке, например, при температуре 120°С до содержания остаточной влаги в топливном брикете менее 3%.
Промышленный выпуск топливных брикетов может быть осуществлен на предприятиях, имеющих промышленное смесительное (смесители любого типа: бетономешалки, «пьяные бочки», тестомесители, смесители с мешалками) и формовочное (шнек-прессы, прессы для проходного прессования, прессы для глухого прессования) оборудование, а также сушильные шкафы с температурой сушки от 80°С до 180°С и принудительной конвекцией воздуха.
Рецептура заявляемого топливного брикета иллюстрируются следующими примерами.
3
2
Пример 1. На вышеуказанном оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, картофельный крахмал 6 и вода 2. Прессуют и сушат по вышеуказанной технологии. Полученные топливные брикеты легко воспламеняются от спички, горят с едва различимым красным свечением без образования пламени, дыма, копоти, токсичных веществ и без запаха в течение 2 часов и выделяют большое количества тепла, достаточное для обогрева теплиц и других помещений, в том числе жилых помещений в холодное время года. Топливные брикеты имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 2. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~ 0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, карбоксилметилцеллюлоза 6 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 3. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 94, гидросиликат натрия 4 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты обладают повышенной механической прочностью, а в остальном не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 4. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 94, сапропель 4 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 5. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 80, крахмал 18 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 6000 ккал/кг и тепловую мощность менее 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 6. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~ 0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, крахмал 3, карбоксилметилцеллюлоза 3 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты по качеству аналогичны топливным брикетам примеров 2, 3 и 4, имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 7. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 96, крахмал 2 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях, но имеют малую механическую прочность.
3
2
Пример 8. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 88, крахмал 6 и вода 6. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты имеют плотность 700 кг/м, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях, но плохо воспламеняются и затухают после воспламенения.
3
2
Пример 9. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~5,5 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 48 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, крахмал 6 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты имеют плотность 600 кг/м, удельную теплоту сгорания 6500 ккал/кг и тепловую мощность менее 2 Вт/см при нормальных условиях и при этом имеют малую механическую прочность.
3
2
Пример 10. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных таблеток диаметром 50 мм и высотой 80 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, крахмал 6 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты имеют плотность 600 кг/м, удельную теплоту сгорания 6500 ккал/кг и тепловую мощность менее 2 Вт/см при нормальных условиях, и при этом имеют малую механическую прочность.
3
2
Пример 11. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных призматических шашек высотой 30 мм, шириной 60 мм и длиной 90 мм. Состав призматических шашек, мас.%: уголь древесный 92, крахмал 6 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты превосходят по качеству брикеты, описанные в примере 1, имеют плотность 720 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 12. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных призматических шашек высотой 30 мм, шириной 60 мм и длиной 90 мм. Состав призматических шашек, мас.%: уголь древесный 92, карбоксилметилцеллюлоза 6 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты превосходят по качеству брикеты, приведенные в примере 1, имеют плотность 720 кг/м, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 13. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных призматических шашек высотой 30 мм, шириной 60 мм и длиной 90 мм. Состав призматических шашек, мас.%: уголь древесный 94, гидросиликат натрия 4 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты превосходят по качеству брикеты, приведенные в примере 1, имеют плотность 740 кг/м, удельную теплоту сгорания 7400 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 14. На том же оборудовании из измельченного древесного угля с размером частиц ~0,1 мм изготовлена партия топливных призматических шашек высотой 30 мм, шириной 60 мм и длиной 90 мм. Состав призматических шашек, мас.%: уголь древесный 94, сапропель 4 и вода 2. Смешивают, прессуют и сушат по режимам примера 1. Готовые топливные брикеты превосходят по качеству брикеты, приведенные в примере 1, имеют плотность 740 кг/м, удельную теплоту сгорания 7400 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
Из вышеприведенных примеров видно, что энергетические и прочностные характеристики топливных брикетов варьируются в зависимости от конкретных количественных соотношений ингредиентов. Увеличение количества связующего свыше заявленных пределов приводит к снижению энергетических показателей топливных брикетов, а уменьшение количества связующего приводит к снижению прочностных свойств топливных брикетов и даже их разрушению. Увеличение количества воды ухудшает процесс воспламенения и приводит к парообразованию.
Испытания, проведенные в ОКБ-1 ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, подтвердили соответствие заявляемых топливных брикетов ТУ 2162-465-00209591-97. Кроме того, испытания показали, что при использовании в качестве связующего жидкого стекла или силиката-глыбы прочность топливного брикета на раздавливание увеличивается в 1,5 раза, а на истирание - в 2 раза.
Необходимо отметить, что отсутствие открытого пламени при горении топливных брикетов исключает воспламенение при попадании на поверхность горящего брикета легко воспламеняющихся жидкостей, например бензина, спирта, ацетона и т.п. Это свойство топливных брикетов позволяет расширить их область применения за счет использования заявляемых топливных брикетов при разогреве в зимних условиях автомобильных двигателей, газопроводной арматуры и т.п.