СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
METHOD FOR OBTAINING FUEL BRIQUETTES FROM CARBON-CONTAINING WASTE

Изобретение относится к получению топливных брикетов из углеродсодержащего вторичного сырья, в частности отходов деревообработки и деревопереработки. Одновременно производится утилизация практически невостребованных в настоящее время материалов и, соответственно, решается экологическая проблема.
Известен способ получения топливного брикета (патент РФ № 2533426, опубл. 20.11.2014 г.), который включает измельчение древесных отходов, их смешение, сушку и последующее прессование, при этом в качестве дополнительного элемента брикет содержит сердечник из прессованных опилок осины с отверстием для тяги.
Основные недостатки способа в высокой необходимости измельчения древесных отходов и использование дополнительного элемента сердечника из опилок осины, что ведет к увеличению количества операций по производству брикетов, соответственно усложняя технологию их производства. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен топливные брикеты (патент РФ № 2653513, опубликован 10.05.2018), из двухкомпонентной смеси растительного, предпочтительно древесного, происхождения: первый компонент - измельченные древесные отходы деревозаготовительных предприятий и/или предприятий деревопереработки, а второй компонент - древесный уголь, отличающиеся тем, что двухкомпонентная смесь представлена в виде гомогенизированного композиционного материала, полученного компаундированием матрицы из измельченных древесных отходов и упрочняющих дисперсных частиц древесного угля, осуществляемым в два этапа: первый этап - при совмещении следующих одновременно протекающих процессов: сушка древесных отходов с исходной естественной влажностью, диспергирование исходного древесного угля и адсорбция матрицей диспергированного древесного угля; а второй этап - в процессе брикетирования композиционного материала, предпочтительно, экструзией, причем совмещение сушки, диспергирования и адсорбции осуществляют в динамичном закольцованном тепловом потоке смеси топочных газов с выделяемыми в процессе сушки парами влаги древесных отходов, при этом содержание древесного угля в исходном сырье поддерживают в пределах 5÷30 мас. %.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, что существенно усложняет технологию их производства и увеличивает энергозатраты. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен способ получения топливных гранул брикеты (патент РФ № 2369631, опубликован: 10.10.2009), из биологического материала, предпочтительно опилок, древесины и т.п., в котором, материал подают на стадию сушки и сушат этот материал до значения относительной влажности от 40-65 до 30-45 мас.%, материал подают со стадии сушки, возможно через промежуточную стадию хранения, на реакторную стадию и обрабатывают материал при повышенном давлении и нагревании до 200-300°С путем подачи пара; материал выдерживают в реакторе при достигнутой температуре в течении времени, достаточного для размягчения материала; давление на реакторной стадии снижают по меньшей мере в две стадии, при этом первую стадию снижения давления осуществляют для разделения материала на волокна и выделения лигнина, а вторую стадию снижения давления - для подачи материала с реакторной стадии на дополнительную стадию сушки, возможно, через промежуточную стадию хранения и материал гранулируют.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использования операций нагрева при повышенном давлении, что усложняет технологию их производства и существенно увеличивает энергозатраты. Также получаемые брикеты обладают невысокой прочностью.
Известен способ получения гранул или брикетов (патент РФ № 2518068 опубликован 10.06.2014), из лигнинсодержащего материала, включающий стадии, в которых: пропускают лигнинсодержащий материал, имеющий содержание влаги менее чем около 30% по весу, в реактор; где нагревают лигнинсодержащий материал до температуры 180-235°C нагнетанием пара в реактор; выдерживают материал в реакторе в течение 1-12 минут для выделения лигнина; снижают давление в реакторе; и формуют обработанный материал с образованием гранул или брикетов.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использования операций нагрева с нагнетанием пара, что усложняет технологию их производства и существенно увеличивает энергозатраты.
Известен способ получения топливных брикетов из углеродсодержащих отходов, (патент № 2653362, опубликован, 08.05.2018) принятый за прототип, включающий измельчение, сушку до влажности 12-16%, смешение компонентов смеси, включающей технический гидролизный лигнин, причем подготовку связующей шихты осуществляют путем добавления к техническому гидролизному лигнину 70-80% карбоната натрия 5-10% и дальнейшей механоактивации с последующим добавлением подогретого до 90°C таллового пека 15-20%, полученную шихту в количестве 10-15% смешивают с древесными отходами, измельченными до 1-5 мм в количестве 85-90%, а брикетирование смеси осуществляют при температуре 90±2°C и давлении 45-50 МПа.
Основные недостатки способа в большом количестве операций по производству брикетов, в том числе использование операций механоактивации и нагрева при повышенном давлении, что усложняет технологию производства и существенно увеличивает энергозатраты.
Техническим результатом является упрощение технологии изготовление брикетов и снижения нагрузки на окружающую среду благодаря удалению в ходе производства брикетов вредных примесей, переходящих при горении в атмосферу, а также утилизации, загрязняющих окружающую среду углеродсодержащих отходов.
Технический результат достигается тем, что отходы бумажной продукции перемешивают с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы от 45 до 60 %, перед окончанием перемешивания добавляют таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т, далее полученную массу разбавляют водой и подвергают пенной флотации, с получением пенного продукта, который отправляют в отвал, и камерного продукта, который смешивают вместе с древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки и гидролизным лигнином, а затем проводят сгущение, с последующим формованием топливных брикетов, при этом содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы бумажной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %.
Способ осуществляется следующим образом. Отходы печатной бумажной продукции перемешиваются с водой и перекисью водорода в количестве от 10 до 15 кг/т, в смесителе в течение от 50 до 60 минут при влажности перемешиваемой массы в диапазоне от 45 до 60 %. При этом происходит разрушение бумажных отходов до флотационной крупности, оттирка краски с поверхности бумаги и отделение от бумажных отходов неорганических загрязнений. За некоторое время до окончания процесса перемешивания, в эту операцию подается таловое масло в количестве от 100 до 500 г/т и сосновое масло в количестве от 40 до 60 г/т. Таловое масло является реагентом-собирателем, сосновое масло – пенообразователем. Затем полученная масса разбавляется водой и подвергается пенной флотации во флотационной машине при комнатной температуре. В ходе флотации образуются пенный и камерный продукты. В пенный продукт переходит основная часть краски и всевозможный неорганические примеси, попадающие в бумажные отходы. Пенный продукт отправляется в отвал.
Камерный продукт, состоящий из очищенных бумажных отходов, сгущают и смешивают древесными отходами, в качестве которых используют сосново-березовые опилки, и гидролизным лигнином. Затем проводят сгущение полученной смеси, например, в гидроциклоне. Из полученной смеси формуют брикеты, например, экструдированием. Содержание компонентов в брикете составляет сосново-березовые опилки от 30 до 60 %, отходы печатной продукции от 30 до 60 %, гидролизный лигнин от 8 до 20 %. Бумажные отходы выступают и в качестве связующего вещества и как энергоноситель. Использование, бумажных отходов, позволяет вести формование брикетов при относительно низких давлениях, что упрощает технологию и позволяет получать достаточно прочные брикеты.
Способ поясняется следующими примерами.
В качестве исходного сырья использовались отходы печатной продукции, преимущественно газетная бумага. Эти отходы помещалась во флотационную машину и перемешивались с водой без подачи воздуха во флотомашину. Реагенты подавались в процесс перемешивания в следующем порядке: перекись водорода в начало перемешивания, таловое и сосновое масло – за 2 минуты до окончания процесса перемешивания. Затем содержание твердого во флотомашине доводилось до примерно 40 %, путем добавления воды и осуществлялась флотация. Флотация велась в щелочной среде, создаваемой едким натром. Флотационная пена постоянно удалялась из флотомашины.
После флотации, оставшийся во флотомашине камерный продукт сгущался, смешивался с сосново-березовыми древесными опилками, являющимися отходами деревообработки и гидролизным лигнином, являющимся отходом целлюлозно-бумажный промышленности. Затем производилось формование брикетов методом экструдирования. Полученные брикеты сушились либо принудительно, путем нагрева до 105°С, либо путем выдерживания при комнатной температуре.
В таблице 1 показана зависимость технологических показателей флотации и прочности получаемых брикетов от времени перемешивания. Соотношение в брикете – древесные опилки, бумажные отходы, гидролизный лигнин – 44:45:10. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т.
Таблица 1 – Зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от времени перемешивания
№
Время перемешивания, мин
Выход пенного продукта флотации, %
Содержание краски в пенном продукте, %
Извлечение краски в пенный продукте, %
Прочность брикета, МПа/брикет
1
30
3,21
22,32
39,80
3,6
2
50
5,02
32,82
91,53
4,8
3
60
4,98
32,79
90,72
5,2
4
70
4,53
32,16
80,94
5,2
Перемешивание позволяет измельчить бумажные отходы до флотационной крупности и оттереть краску с поверхности бумаги. Одновременно происходит и отделение возможных неорганических примесей, попавших в бумажные отходы. Время перемешивания меньше 50 минут не позволяет достигнуть необходимой степени измельчения бумажных отходов, достаточно полной оттирки краски с поверхности бумаги отделения неорганических примесей с поверхности бумаги. Время перемешивания больше 60 минут ведет к переизмельчению бумаги, что ухудшает результаты флотации и ведет к дополнительному расходу энергии. При этом степень оттирки краски и отделения неорганических примесей практически не увеличивается.
В таблице 2 показана зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от влажности перемешиваемой массы. Соотношение в брикете – древесные опилки, бумажные отходы, гидролизный лигнин – 44:45:10 мас. %. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т, время перемешивания – 55 минут.
Таблица 2 – Зависимость технологических показателей флотации и прочности брикета от влажности перемешиваемой массы.
№
Влажность перемешиваемой массы, %
Выход пенного продукта флотации, %
Содержание краски в пенном продукте, %
Извлечение краски в пенный продукте, %
Прочность брикета, МПа/брикет
1
40
4,25
24,46
57,75
5,1
2
45
5,11
32,76
93,00
5,1
3
60
5,12
32,84
93,41
5,2
4
70
5,02
30,82
85,95
5,2
Влажность перемешиваемой массы меньше 45 % дает возможности ее эффективного перемешивания из-за резкого увеличения вязкости массы. Влажность массы выше 60 % ведет к снижению эффективности оттирки краски и отделения неорганических загрязнений из-за уменьшения поверхности контакта трущихся частиц при перемешивании.
В таблице 3 показана прочности брикета от соотношения в брикете древесных опилок, бумажных отходов, гидролизного лигнина. Расход реагентов: таловое масло – 300 г/т, сосновое масло – 50 г/т, перекись водорода – 12 г/т, время перемешивания – 55 минут.
Таблица 3 – Зависимость прочности брикета от соотношения в брикете древесных опилок, бумажных отходов, гидролизного лигнина
<b>№</b>
Содержание камерного продукта в брикете, мас. %
Содержание сосново-березовых опилок в брикете, мас. %
Содержание гидролизного лигнина в брикете, мас. %
Прочность брикета, МПа/брикет
1
32
62
6
3,1
2
32
60
8
3,8
3
42
50
8
4,8
4
50
40
10
5,8
5
60
30
10
6,1
6
65
27
8
6,1
7
45
40
15
5,9
8
40
40
20
5,8
9
38
40
22
5,7
Количество камерного продукта в брикете, меньше 40 % ведет к снижению прочности производимых брикетов. Количество камерного продукта больше 60 % не увеличивает прочность брикета и ведет к снижению полноты утилизации древесных опилок.
Количество сосново-березовых опилок, используемого как компонент для получения топливных брикетов, больше 60 мас. % ведет к снижению прочности производимых брикетов. Количество сосново-березовых опилок меньше 40 мас. % не увеличивает прочность брикета и ведет к снижению полноты утилизации древесных опилок.
Добавка гидролизного лигнина позволяет повысить прочность получаемых брикетов, при одновременной утилизации гидролизного лигнина. Расход гидролизного лигнина меньше 8 мас. % практически не увеличивает прочность брикета. Увеличение расхода гидролизного лигнина выше 20 мас. % ведет к затруднению процесса из-за усложнения операции смешения камерного продукта и опилок с лигнином и из-за затруднения формования брикетов в связи с увеличением вязкости формуемой массы. Кроме того, увеличение доли лигнина ведет к снижению степени утилизации бумажных отходов и опилок.
В таблице 4 показана зависимость технологических показателей флотации от расхода флотационных реагентов. Время перемешивания – 55 минут, влажность перемешиваемой массы 52 %
Таблица 4 – Зависимость технологических показателей флотации от расхода флотационных реагентов
№
Расход талового масла, г/т
Расход соснового масла, г/т
Расход перекиси водорода, кг/т
Выход пенного продукта флотации, %
Содержание краски в пенном продукте, %
Извлечение краски в пенный продукте, %
1
80
30
8
3,01
20,43
34,16
2
100
40
10
4,97
32,79
90,54
3
300
55
12
5,03
32,81
91,69
4
500
60
15
5,06
32,16
90,41
5
600
70
20
5,47
27,14
82,48
Расход талового масла меньше 100 г/т не позволяет достаточно полно извлечь краску и неорганические загрязнения в пенный продукт. Расход талового масла больше 500 г/т также ведет к снижению извлечения краски и неорганических загрязнений в пенный продукт.
Расход соснового масла меньше 40 г/т ведет к снижению выхода пенного продукта из-за недостаточного пенообразование и как следствие приводит к снижению извлечения краски и неорганических загрязнений в пенный продукт. Расход соснового масла больше 60 г/т ухудшает технологические показатели из-за избыточного пенообразования.
Расход перекиси водорода меньше 10 кг/т не дает заметного повышения эффективности разделения во время флотации. Расход перекиси водорода выше 15 кг/т не повышает эффективность разделения, а стоимость операции увеличивается. Поэтому такое увеличение нерационально.
Заявляемый способ позволяет получить топливные брикеты, пригодные, например, для использования в бытовых целях. При этом производится дополнительное количество энергоносителей по сравнительно простой технологии и одновременно происходит утилизация таких мало востребованных в настоящее время и загрязняющих окружающую среду техногенных отходов, как продукты деревопереработки, бумажные отходы, гидролизный лигнин. Кроме того, из исходного сырья удаляются вредные компоненты, также загрязняющие окружающую среду при горении брикетов.