ПЕЛЛЕТЫ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ БИОМАССЫ
PELLETS FROM COMPRESSED BIOMASS

Изобретение относится к составам, предназначенным для приготовления биотопливных пеллет для разного вида энергетических установок.
Известна твердая топливная композиция (патент Канада № 2378098, опубл. 13.07.2010), используемая для изготовления искусственных брикетов, которая по весу содержит от 1 до 50% кофейных отходов, от 10 до 50% опилок и от 30% и до 65% горючего воска. Влажность компонента кофейных отходов составляет от 15% до 80% по весу, размер частиц, по меньшей мере, 0,5 мм.
Недостатком данного состава является использование воска из парафина в качестве связующего компонента, так как при его горении выделяются вредные компоненты, например толуол и бензол.
Известен безвосковой брикет (патент США № 8439988, опубл. 14.05.2013), состоящее из сердцевины, сделанной из высушенной отработанной кофейной гущи, растительного жира, коричневого сахара и кукурузного сиропа, а также из внешней оболочки, сделанной из бумажных полос, при этом ни ядро, ни внешняя оболочка не содержат воска. Высушенная отработанная кофейная гуща составляет 54 масс. %, растительный жир составляет 23 масс.%, коричневый сахар составляет 20 масс.%, кукурузный сироп составляет 2 масс.%.
Недостатком данного состава является дополнительная подготовка ингредиентов, заключающаяся в смешивании растительного жира и коричневого сахара и доведение до кипения с постоянным контролем пригорания и вредные выбросы от сгорания сахаров.
Известны недревесные пеллеты из прессованной биомассы (патент Всемирной организации интеллектуальной собственности № 2011/020190 A1, опубл. 24.02.2011), выполненные в виде композитного состава из воска, одного сухого материала, содержащего целлюлозу, и по меньшей мере одного несухого материала с содержанием влаги не менее 15%. Сухой материал может быть представлен картоном, воском, макулатурой, сухими зелеными остатками, опилками и древесными остатками - обрезками мягкой и твердой древесины и древесными отходами. Несухой материал представляет собой влажные отходы – бумага, стебли кукурузы, кофейная гуща, рождественские елки и отходы цветов. Компоненты соединены между собой связующим на основе водорастворимого крахмала (1-3 масс. %). Водорастворимый крахмал может быть представлен в виде кукурузного крахмала, рисового крахмала или их смеси.
Недостатком этого состава является многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции.
Известно топливо из биомассы (патент США № 2011/0119996А1, опубл. 26.05.2011), состоящее из состоящее из горючей биомассы и адгезивной добавки, содержащей крахмал и различные виды гидроксидов (гидроксид щелочных металлов, гидроксид щелочноземельных металлов, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид кальция, гидроксид лития или каустическая сода). В качестве биомассы предлагается использовать ряску, рисовую шелуху, угольную пыль, опилки, картон, травы, сорняки, сосновые шишки, газетную бумагу, отходы пищевой промышленности, бумажные отходы, поддоны и коробки из-под яиц. Композиция содержит по массе 69-98% биомассы, 1-30% крахмала и менее 1% гидроксида.
Недостатком является многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции. Также включение в состав гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов приведет к быстрому выходу из строя внутренней футеровки котельного агрегата.
Известна твердая топливная композиция (патент США №5910454, опубл. 08.06.1999), которая содержит более 70 масс. % высушенной отработанной кофейной гущи и до 25 масс. % твердого горючего связующего - воска на основе парафина, причем кофейная гуща содержит менее 20% влаги, размер частиц составляет менее 2 мм.
Известна горючая биотопливная композиция из биомассы (патент Всемирной организации интеллектуальной собственности № 2017/093757 Al, опубл. 08.06.2017), взятая за прототип, которая представляет собой пеллеты или брикеты и содержит по меньшей мере 75% отработанной кофейной гущи и менее 50% горючего наполнителя. Наполнитель выбран из опилок, отходов ячменя, отходов хмеля, шелухи какао, сахарной свеклы, соломы, древесины, ореховой шелухи, тростника, хлебных отходов, кукурузы, пшеничной соломы и ячменной соломы. Дополнительно содержит связующий агент - полисахарид, глицерин, парафин, растительное масло, лигносульфонат или патоку.
Недостатками также являются многокомпонентность и непостоянство состава, что не может обеспечивать стабильные топливные характеристики, а также непредсказуемое и неконтролируемое образование побочных продуктов сгорания композиции, а также выделение вредных компонентов при сжигании – толуола и бензола, если в качестве связующего агента используется парафин.
Техническим результатом является разработка недревесных пеллет из биомассы с высокой теплопроводностью.
Технический результат достигается тем, что дополнительно содержат отходы бумаги, а в качестве связующего используют сироп сахарный при следующем соотношении компонентов, масс. %:
кофейная гуща
93,75 - 90,25;
отходы бумаги и картона
6-9;
сироп сахарный
остальное.
Заявляемая пеллета из прессованной биомассы включают в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие, % масс.:
- кофейная гуща от 93,75 до 90,25, полученная в процессе варки кофе натурального жаренного по ГОСТ Р 52088-2003 Кофе натуральный жареный. Общие технические условия;
- отходы бумаги и картона от 6 до 9, выпускаемые по ГОСТ Р 52901-2007 Картон гофрированный для упаковки продукции и ГОСТ Р 57641-2017. Бумага ксерографическая для офисной техники. Общие технические условия;
- сироп сахарный 0,25-0,75, выпускаемый по ГОСТ 28499-2014 Сиропы. Общие технические условия.
Кофейная гуща получается в виде однородной смеси от приготовления эспрессо, заваривания фильтр-кофе, колд-брю, френч-пресса или заваривания кофе в посуду на предприятиях пищевой промышленности и в домашних хозяйствах и является высушенной и отработанной. В среднем отработанная кофейная гуща содержит 57±5% углерода, 8±3% водорода, 2±1% азота, 0,3±0,1% серы и 1,8% зольных элементов (калий, магний, фосфор, кальций, кремний и др.). Высушенная отработанная кофейная гуща высушивается с помощью потока теплого воздуха в вихревой трубе, создаваемого компрессором или воздуходувкой. Влажность высушенной отработанной гущи контролируется и составляет менее 8%.
В качестве структурообразующего компонента используются измельченные отходы бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненные (код ФККО 40510000000), принадлежащие к V классу опасности, и сироп сахарный. Отходы бумаги и картона образуются в результате распаковки сырья, материалов и оборудования из картонной тары и в ходе канцелярской деятельности и делопроизводства. Они состоят из целлюлозы или макулатуры, проклеивающих веществ и минеральных наполнителей.
В качестве связующего компонента используется сахарный сироп для приготовления кофейных напитков на предприятиях пищевой промышленности и в домашних хозяйствах. В составе также может быть использован сахарный сироп с истекшим сроком годности.
В качестве доказательства эффективности использования пеллет из прессованной биомассы и получения сравнительных данных о характеристиках пеллет из прессованной биомассы подготовлены образцы из предлагаемой сырьевой смеси.
Отходы бумаги и картона измельчаются в шредере-измельчителе или дробилке до размера частиц не более 5 мм.
Высушенная отработанная кофейная гуща и измельченные отходы бумаги и картона смешивается в смесителе для сыпучих материалов или в дробилке. Дополнительно в смеситель добавляется сахарный сироп с использованием дозатора диспергирующего типа.
Полученная сырьевая смесь прессуется в форме пеллеты из прессованной биомассы с помощью пресса c помощью гранулятора для комбикорма и пеллет ZL. Лабораторные исследования возможны с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса не менее чем 3 тонны.
Состав поясняется следующими примерами.
Пример 1. Для получения сырьевой смеси взято 98,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 2. Для получения сырьевой смеси взято 93,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 3. Для получения сырьевой смеси взято 90,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 4. Для получения сырьевой смеси взято 89,75 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,25 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 5. Для получения сырьевой смеси взято 98,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 6. Для получения сырьевой смеси взято 93,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 7. Для получения сырьевой смеси взято 90,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 8. Для получения сырьевой смеси взято 89,5 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,5 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 9. Для получения сырьевой смеси взято 98,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 10. Для получения сырьевой смеси взято 93,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 11. Для получения сырьевой смеси взято 90,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 12. Для получения сырьевой смеси взято 89,25 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 0,75 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 13. Для получения сырьевой смеси взято 98 г высушенной отработанной кофейной гущи, 1 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 14. Для получения сырьевой смеси взято 93 г высушенной отработанной кофейной гущи, 6 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 15. Для получения сырьевой смеси взято 90 г высушенной отработанной кофейной гущи, 9 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Пример 16. Для получения сырьевой смеси взято 89 г высушенной отработанной кофейной гущи, 10 г измельченных отходов бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненных и 1 г сиропа сахарного. Из полученной сырьевой смеси с использованием ручного пресса Carver 4350 L при усилии пресса в 3 тонны спрессованы пеллеты из прессованной биомассы диаметром 15 мм и длиной 14 мм (таблица 1).
Таблица 1- Варианты составов сырьевой смеси для получения пеллет
№№
Кофейная гуща
Отходы бумаги и картона без пропитки и покрытия незагрязненные
Сироп сахарный
Общее количество смеси
Масса, г
Масс.%
Масса, г
Масс.%
Масса, г
Масс.%
Масса, г
Масс.%
1
98,75
98,75
1
1
0,25
0,25
100
100
2
93,75
93,75
6
6
0,25
0,25
100
100
3
90,75
90,75
9
9
0,25
0,25
100
100
4
89,75
89,75
10
10
0,25
0,25
100
100
5
98,5
98,5
1
1
0,5
0,5
100
100
6
93,5
93,5
6
6
0,5
0,5
100
100
7
90,5
90,5
9
9
0,5
0,5
100
100
8
89,5
89,5
10
10
0,5
0,5
100
100
9
98,25
98,25
1
1
0,75
0,75
100
100
10
93,25
93,25
6
6
0,75
0,75
100
100
11
90,25
90,25
9
9
0,75
0,75
100
100
12
89,25
89,25
10
10
0,75
0,75
100
100
13
98
98
1
1
1
1
100
100
14
93
93
6
6
1
1
100
100
15
90
90
9
9
1
1
100
100
16
89
89
10
10
1
1
100
100
Для подтверждения возможности полезного использования пеллеты из прессованной биомассы была выполнена оценка соответствия требованиям, предъявляемым нормативной и справочной документацией к твердому биотопливу.
Влажность определяли с помощью анализатора влажности ANDMX-50 в соответствии с ГОСТ 32975.3 - 2014. Зольность и выход летучих веществ измеряли в термогравиметрическом анализаторе LECO TGA-701 в соответствии с ГОСТ 32988 – 2014 и ГОСТ 32990 – 2014 соответственно. Механическую прочность измеряли с использованием аппарата для испытания пеллет  в соответствии с ГОСТ 34090.2 – 2017 (таблицы 2-5).
Таблица 2 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы
Доля связующих компонентов
Сироп сахарный
0,25%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Влажность, %
5,54
5,35
5,21
6,72
Зольность, %
2,02
1,83
2,13
2,5
Летучие вещества, %
79,66
80,02
80,42
81,13
Механическая прочность, %
90,1
89,4
91,5
94,7
Таблица 3 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы
Доля связующих компонентов
Сироп сахарный
0,5%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Влажность, %
5,72
5,28
5,4
6,89
Зольность, %
1,98
1,97
2,14
2,32
Летучие вещества, %
79,74
79,94
80,04
80,73
Механическая прочность, %
96,2
93,4
92,7
98,6
Таблица 4 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы
Доля связующих компонентов
Сироп сахарный
0,75%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Влажность, %
5,83
5,3
5,79
6,98
Зольность, %
1,59
2,31
2,47
2,14
Летучие вещества, %
81,48
79,26
81,84
80,02
Механическая прочность, %
95,5
92,9
94,2
97,3
Таблица 5 - Результаты испытаний физико-механический свойств пеллеты из прессованной биомассы
Доля связующих компонентов
Сироп сахарный
1%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Влажность, %
5,97
5,55
6,14
6,76
Зольность, %
2,4
1,99
2,21
2,58
Летучие вещества, %
81,37
80,66
81,47
80,25
Механическая прочность, %
93,5
93,1
93,8
96,4
Сжигание пеллет из прессованной биомассы производилось в печи анализатора LECO CHN-628S, образующиеся отходящие газы идентифицировались с помощью газоанализатора ЭКОЛАБ, оборудованного датчиками для измерения концентраций угарного газа, метана, аммиака, сероводорода, азота монооксида, азота диоксида и углеводородов алифатических предельных (С1-С10). Высшая удельная теплота сгорания измерялась путем сжигания в калориметре IKA C 2000 в соответствии с ГОСТ 33106 - 2014.
Результаты испытаний при сжигании пеллеты представлены в таблицах 6–9. Содержание измельченных отходов бумаги и картона от 5 до 10 масс. %, сиропа сахарного от 0,25 до 0,75 масс. %, высушенная отработанная кофейная гуща – остальное, является наиболее подходящим для формирования пеллет: при содержании отходов бумаги и картона менее 5% трудно достигнуть гомогенности сырьевой смеси, а при содержании отходов бумаги и картона более 10% значительно падает значение высшей удельной теплоты сгорания пеллет. Содержание сиропа сахарного менее 0,25 % снижает эффект связывание пелет, Содержание сиропа сахарного более 0,75 % является избыточным.
Таблица 6 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании
Доля связующего компонента
Сироп сахарный
0,25%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг
23,65
23,25
22,29
24,59
CO<sub>2</sub>, мг/г
138,59
141,05
158,38
166,23
CO, мг/г
0,23
0,24
0,20
0,23
NO, мг/г
0,59
0,62
0,63
0,60
NO<sub>2</sub>, мг/г
0,23
0,22
0,23
0,24
Таблица 7 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании
Доля связующего компонента
Сироп сахарный
0,5%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг
24,04
23,99
23,62
23,3
CO<sub>2</sub>, мг/г
142,15
144,23
156,44
164,81
CO, мг/г
0,21
0,21
0,21
0,23
NO, мг/г
0,58
0,58
0,6
0,61
NO<sub>2</sub>, мг/г
0,21
0,22
0,22
0,24
Таблица 8 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании
Доля связующего компонента
Сироп сахарный
0,75%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг
24,50
23,57
24,28
23,13
CO<sub>2</sub>, мг/г
144,97
143,63
154,64
166,37
CO, мг/г
0,2
0,23
0,2
0,22
NO, мг/г
0,54
0,59
0,62
0,58
NO<sub>2</sub>, мг/г
0,22
0,22
0,21
0,23
Таблица 9 - Результаты испытаний свойств пеллеты из прессованной биомассы при сжигании
Доля связующего компонента
Сироп сахарный
1%
Отходы бумаги и картона
1%
6%
9%
10%
Кофейная гуща
остальное
остальное
остальное
остальное
Высшая удельная теплота сгорания, МДж/кг
22,24
22,35
23,85
23,63
CO<sub>2</sub>, мг/г
150,35
148,96
157,74
162,57
CO, мг/г
0,24
0,23
0,22
0,23
NO, мг/г
0,53
0,54
0,58
0,62
NO<sub>2</sub>, мг/г
0,19
0,21
0,23
0,22
По результатам испытаний образцов пеллет из прессованной биомассы присвоена классификация по следующим параметрам: происхождение - 3, плодовая биомасса; диаметр D, мм - D12, D = (12±1,0) мм, длина L = 3,15мм<L≤50 мм, cодержание влаги, М - М08, ≤8%, зольность, А - А3.0, ≤3,0%, механическая прочность, DU - DU95.0-92.0, <95,0%, выход летучих веществ, VM - 81%.
Предлагаемые пеллеты из прессованной биомассы позволяют сократить потребление древесины и традиционных видов топлива. Также преимуществом при использовании пеллет из прессованной биомассы является полезная утилизация отходов путем вовлечения их в хозяйственный оборот с перспективой применения в разных видах энергетических установок: пеллетных котлах, каминах для отопления помещений, в походных условиях и др.