ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО
SOLID FUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к твердому топливу. В частности, оно относится к твердому топливу, обеспечивающему эффективное использование связующего вещества, формообразующего вещества, а также вещества, содержащего растительное масло. Еще точнее, данное изобретение относится к твердому топливу, которое обеспечивает эффективное использование связующего и формообразующего веществ, полученных из натуральных продуктов с использованием вещества, содержащего растительное масло. При сгорании данное топливо производит минимально возможное количество опасных газов или остаточных продуктов горения, отличается значительной и стабильной теплотворной способностью, обеспечивает низкий выброс диоксида углерода (углекислого газа). Предлагаемое твердое топливо пригодно для использования в качестве топлива для генерации электрической энергии.
Уровень техники
Глобальное потепление относится к общепланетарным экологическим проблемам, привлекающим все большее внимание. Одним из основных факторов глобального потепления является постоянно увеличивающееся содержание диоксида углерода в атмосфере - основного антропогенного парникового газа.
Мировое сообщество использует различные подходы, направленные на снижение выброса диоксида углерода в атмосферу. Одним из таких подходов является разработка и производство биотоплива с целью его использования в автомобилях и энергетических котлах в качестве альтернативы ископаемым видам топлива, таким как уголь и бензин.
Тем не менее, использование продуктов питания (например, кукурузы) в качестве сырья для биотоплива нарушает экологический баланс и приводит к экономическим диспропорциям на планете. Действительно, сжигание в качестве топлива тех ресурсов, которые могут быть использованы для производства пищевых продуктов, одежды или иных полезных вещей, способно создать экономические проблемы, поэтому такой подход нельзя назвать наилучшим.
Таким образом, при разработке новых видов топлива необходимо принимать во внимание проблемы окружающей среды, а также минимизировать влияние процессов производства топлива на производство одежды, продуктов питания и жилья, которые жизненно необходимы для людей. В целях разрешения этой проблемы проводятся различные исследования, однако проблема остается нерешенной.
В области техники известно значительное количество технических решений, относящихся к твердому топливу, в том числе такие решения, которыми предлагается перерабатывать древесные, бумажные и пластиковые отходы в твердое топливо.
Известно, например, твердое топливо, описанное в патентном документе JP-A 7-82581 (Murata F., Inoue М. Solid fuel produced from waste material. // Patent application №JP19930249773. Publication №JP7082581. Prior. 10.09.1993. Publ. 28.03.1995. Перевод - Мурата Ф., Иноуе М. Твердое топливо, полученное из отходных материалов.// Заявка на патент Японии №JP 19930249773. Публикация №JP7082581. Приор. 10.09.1993. Опубл. 28.03.1995). Для производства известного твердого топлива используются, главным образом, отходная бумага и отходные пластики, при этом доля последних достаточно высока (как указывают авторы, предпочтительно 20-50% по весу (по массе)). При формировании известного твердого топлива вместо бумаги может быть применена отходная древесина, т.е. продукт растительного происхождения (количество отходной древесины, используемое в примерах данного патентного документа, не превышает 10% по весу). Известное топливо имеет следующие существенные недостатки. Состав известного твердого топлива характеризуется отсутствием сбалансированности компонентов. В частности, данное твердое топливо содержит отходные пластики в относительно большой пропорции. Значительное присутствие отходных пластиков не позволяет достичь стабильности удельной теплоты сгорания топлива, а также вызывает риски интоксикации людей и повреждения поверхности печи хлорсодержащими газами во время сжигания известного твердого топлива.
Известно также твердое топливо, описанное в патенте РФ №2471859 (Кияма М. Твердое топливо. // Патент РФ №2471859. Приор. 11.07.2008. Опубл. 10.01.2013), отформованное из смеси продукта растительного происхождения -древесных кусков, имеющих размер 1-25 мм, а также из бумажных кусков, имеющих размер 1-25 мм, и термопластичной смолы. При этом смесь содержит 85-95 весовых частей древесных кусков и бумажных кусков и 5-15 весовых частей термопластичной смолы, а весовое соотношение древесных кусков и бумажных кусков составляет 20:80 - 90:10. Предлагаемое твердое топливо генерирует стабильное количество тепловой энергии, хорошо сохраняет форму и является нетоксичным, что достигается путем его изготовления из отходной древесины, отходной бумаги и отходной термопластичной смолы, используемых в заданном сбалансированном соотношении. Поскольку количество генерируемой теплоты (теплотворная способность или удельная теплота сгорания) может контролироваться посредством добавления малого количества смолы, а количество хлорсодержащей смолы, такой как поливинилхлорид, может быть сведено к минимуму, дехлорирование посредством тепловой обработки в данном случае фактически не требуется. Вместе с тем, и это известное топливо выделяет при сгорании, пусть в меньших количествах, хлорсодержащие газы, что обусловлено присутствием незначительного количества пластических материалов.
Общим недостатком вышеуказанных технических решений является то обстоятельство, что в качестве связующего вещества и топлива в известных видах твердого топлива используются пластики в ощутимых количествах. Поскольку пластики производятся из нефтепродуктов, такое твердое топливо не может быть эффективно использовано для снижения выброса диоксида углерода. Кроме того, пластики могут являться причиной выброса хлорсодержащих газов при сгорании топлива.
В области техники существуют также решения, суть которых состоит в изготовлении твердого топлива только из компонентов растительного происхождения. В данной группе технических решений известно твердое топливо, описанное в патентном документе №ЕР 2216387 (Bruintjes Е. Fuel block such as a hearth block. // Patent application №EP 20100152795. Publication №EP 2216387. Prior. 06.02.2009. Publ. 11.08.2010. Перевод - Брюинтьес Э. Топливный блок, такой как топливный блок для домашнего очага. // Заявка №ЕР 20100152795. Публикация №ЕР 2216387. Приор. 06.02.2009. Опубл. 11.08.2010). Данное топливо является наиболее близким к предлагаемому и служит его прототипом. В известном техническом решении для создания твердого топлива применяются горючие (например, древесину) и связующие материалы. В качестве связующих материалов могут использоваться растительные и другие органические масла. Среди связующих материалов могут быть вещества с формообразующей функцией, такие как воски и парафины. Из указанных компонентов изготавливаются блоки твердого топлива. При этом используется формование прессованием со включением в состав топлива древесных гранул в количестве 5-50% по массе.
Основным недостатком известного решения является использование древесных элементов, но не морских водорослей, применение которых в целях производства твердого топлива позволило бы более рационально подойти к решению вопроса об использовании растительных ресурсов на планете. Кроме того, применение в качестве связующих и формообразующих элементов восков и парафинов может приводить к формированию при сгорании вредных газов и остаточных продуктов горения, а также к сравнительно высокой эмиссии диоксида углерода. К тому же, наличие восков и парафинов, при условии их негомогенного смешивания с древесными гранулами, может приводить к нарушению стабильности удельной теплоты сгорания известного твердого топлива.
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые необходимо решить изобретением
Авторы настоящего изобретения провели глубокие исследования, направленные на разработку твердого топлива, пригодного для использования в качестве источника энергии, способного снизить выброс диоксида углерода без использования вырабатываемых из нефтепродуктов пластиков. В результате они обнаружили следующее. Если использовать вещество, содержащее растительное масло, которое является природным растительным ресурсом (вместо древесных отходов, использованной бумаги и пластиков, применявшихся ранее), смешать это вещество в определенных пропорциях со связующим и формообразующим веществами, также полученными из растительных продуктов, и изготовить из полученной смеси путем прессования твердый продукт определенной формы и размеров, то такой топливный элемент будет прекрасно сохранять форму, обладать высокой теплотворной способностью и будет выделять при сгорании вредные газы или остаточные продукты горения в минимальных количествах. При этом данное топливо послужит целям снижения выброса диоксида углерода (ввиду только растительного происхождения всех компонентов) и может быть использовано в качестве твердого топлива для выработки энергии. Таким образом, согласно настоящему изобретению возможно изготовление твердого топлива, которое обеспечивает выработку энергии в качестве источника экологически чистой энергии, так как все его компоненты имеют растительное происхождение без применения пластиков, использовавшихся ранее.
Средства для решения проблем
В соответствии с настоящим изобретением предлагается следующее твердое топливо.
(1) Твердое топливо, состоящее из смеси связующего вещества (компонент А), формообразующего вещества (компонент В) и вещества, содержащего растительное масло (компонент С), в котором общее количество в смеси компонента А составляет от 1 до 85 частей по массе (далее - весовых частей), содержание компонента В составит от 1 до 55 весовых частей, а количество компонента С составит от 10 до 85 весовых частей из расчета на 100 весовых частей смеси, и полученную смесь отформовывают прессованием. При этом в качестве связующего вещества (компонента А) используется крахмал, полученный из морских водорослей, в качестве формообразующего вещества (компонента В) - растительный (натуральный) каучук, в качестве вещества, содержащего растительное масло (компонент С) используются семена плодов Ricinus communis или Jatropha curcas или же семена этих растений в порошкообразном состоянии.
(2) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо, в котором количество компонентов А и В составляет от 15 до 90 весовых частей из расчета на 100 весовых частей смеси.
(3) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо, в котором количество компонента С составляет от 10 до 80 весовых частей из расчета на 100 весовых частей смеси.
(4) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо, в котором весовое соотношение компонента А к компоненту В составляет от 1:25 до 85:1.
3
(5) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо со средним объемом элементов от 10 до 100 см.
(6) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо с элементами призматической или цилиндрической формы.
3
(7) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо с кажущейся плотностью от 0,3 до 0,6 г/см. При этом под кажущейся плотностью вещества понимают плотность вещества в общем объеме. Известно, что плотность вещества - это скалярная физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объема. Для пористых тел, к которым относится предлагаемое твердое топливо, различают истинную плотность, определяемую без учета пустот, и кажущуюся плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объему.
(8) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо с теплотворной способностью (удельной теплотой сгорания) от 20 до 30 МДж/кг.
(9) Указанное в предыдущем параграфе (1) твердое топливо, используемое для производства тепловой энергии.
Технические результаты изобретения
При осуществлении настоящего изобретения достигаются следующие основные технические результаты.
1. При использовании предлагаемого твердого топлива отмечается сниженное, по сравнению с аналогами, образование вредных газов и вредных остаточных продуктов горения.
2. Применение предлагаемого топлива по назначению снижает, по сравнению с аналогами, выброс диоксида углерода в атмосферу.
3. При использовании предлагаемого твердого топлива обеспечивается более выраженная стабильность удельной теплоты сгорания твердого топлива.
В дополнение к этому следует отметить, что в предлагаемом твердом топливе применяются нетрадиционные растительные компоненты - морские водоросли. Их использование является более рациональным с точки зрения распоряжения растительными ресурсами планеты, поскольку запасы древесины, особенно в прибрежных районах суши, значительно уступают резервам водорослей.
Кроме того, предлагаемое твердое топливо может эффективно применяться в качестве нового источника энергии, главным образом, в качестве источника энергии для генерации электричества. При этом удельная теплота сгорания топлива достаточно высока. Благодаря тому, что соотношение компонентов в предлагаемом твердом топливе сбалансировано, обеспечивается стабильность удельной теплоты сгорания твердого топлива. Тем самым становится возможным рассчитывать используемое количество топлива, параметры огнеупорных материалов печи и др.
Осуществление изобретения
Предлагаемое твердое топливо представляет собой твердое вещество, полученное прессованием связующего и формообразующего веществ, а также вещества, содержащего растительное масло. Соотношение сырьевых компонентов и метод прессования описаны ниже.
(A) Связующее вещество
В качестве связующего вещества применяется крахмал, полученный из морских водорослей, например, агароза, каррагинан, курдлан и глюкоманнан. Допускается применение любого из указанных выше высушенных связующих веществ. Связующее вещество нарезают или разрывают до размера от 1 до 50 мм. Используемый здесь термин "размер" означает размеры частиц связующего вещества, проходящих сквозь сито с ячейкой не более 50 мм. В целом, при отсутствии дополнительных указаний размер означает максимальный диаметр.
Допускается порошкообразное связующее вещество. Может быть также применена комбинация связующего и формообразующего вещества.
(B) Формообразующее вещество
В качестве формообразующего вещества применяется растительный (натуральный) каучук или каучуксодержащий продукт. Варианты этого следующие: гуаровая смола, камедь тары, смола плодоворожкового дерева, смола семян тамаринда, смола семян подорожника, гуммиарабик, геллановая камедь, курдлан, пектин, целлюлоза, хитин, хитозан, ксантановая камедь, камедь карайи, арабиногалактан, камедь гхатти, трагантовая камедь, фурцеллан, пуллулан, смола аэромонас, сукциногликан агробактерий, смола азотобактера, смола льняных семян, камедь миндаля, камедь велана, камедь бактерий Erwinia mitsuensis, смола элеми, смола энтеробактера, камедь энтеробактерий, олигоглюкозамин, камедь кассии, смола бобов рожкового дерева, глюкозамин, смола семян артемизии, камедь склеро, камедь сесбании, декстран, смола триакантос, абельмускус маниока, смола макрофомопсиса, смола рамсан, леван, смола даруман, камедь персика и тамаринда.
Допускается применение любого из указанных выше высушенных формообразующих веществ. Может быть также применена комбинация связующего и формообразующего вещества.
Из этого предпочтительны следующие варианты: гуаровая смола, камедь тары, смола плодоворожкового дерева, смола семян тамаринда, смола семян подорожника, геллановая камедь, курдлан, ксантановая камедь, гуммиарабик, пектин, целлюлоза, хитин, хитозан, камедь карайи и смола бобов рожкового дерева. Наиболее предпочтительны гуаровая смола, камедь тары, смола плодоворожкового дерева, смола семян тамаринда, смола семян подорожника, геллановая камедь, курдлан и ксантановая камедь.
Формообразующее вещество нарезают или разрывают до размера от 1 до 50 мм. Допускается порошкообразное состояние формообразующего вещества.
(С) Вещество, содержащее растительное масло
В качестве веществ, содержащих растительное масло, применяются: Sapium sebiferum, Quercus suber, просо, рис, пищевой карбид, лен, джут, рами, кенаф, Abutilon avicennae, розелла, Musa basjoo, Juncus effuses L. van decipens Buchen, Cyperus monophyllus Vahl, окра, Morus bombycis, банан, ананас, Agave Tequilana, сараго, глициния, липа, бамбук, камыш, эспарто, трава сабай, Alpinia zerumbet, Hermerocallis aurantiaca, трава раран, трава морочи, папирус, трава риусу, Pueraria lobata, Edgeworthia chrysantha, аотан, орехи кешью, овес, люпин, календула, кофе, фундук, молочай, тыква, кориандр, горчичное семя, Carthamus tinctorius, какао, Tenderstem broccoli, Brassica campestris, орех макадамия, орехи, Ricinus communis, Jatropha curcas, пальма, сахарный тростник, Sorghum bicolor, картофель, пшеница, Oryza sativa, оливки, подсолнечник, соя, сафлор, арахис, ива, тополь, просо, слоновая трава, Evodiopanax innovans, кактус, древесина, сахарная свекла, Pistacia chinesis Bunge, хлопок, копайский бальзам, Pongamia pinnata, жожоба, Euphorbia  tirucalli, Zea mays, батат, Sargassum fulvellum, сезам, артишок, авокадо, кусабиноки, кинуа, Guizotia abyssinica, конопля и адамово дерево. Sapium sebiferum, Ricinus communis, Jatropha curcas, пальма, сахарный тростник, Zea mays и отходы их переработки являются предпочтительными и применяются в качестве источников тепла при сжигании твердого топлива на энергетической установке.
Термин "отходы переработки" означает жмых, полученный после отжима масла из плодов и семян следующих растений: Sapium sebiferum, Quercus suber, просо, рис, пищевой карбид, лен, джут, рами, кенаф, Abutilon avicennae, розелла, Musa basjoo, Juncus effuses L. var. decipens Buchen, Cyperus monophyllus Vahl, окра, Morus bombycis, банан, ананас, Agave Tequilana, сараго, глициния, липа, бамбук, камыш, эспарто, трава сабай, Alpinia zerumbet, Hermerocallis aurantiaca, трава раран, трава морочи, папирус, трава риусу, Pueraria lobata, Edgeworthia chrysantha, аотан, орехи кешью, овес, люпин, календула, кофе, фундук, молочай, тыква, кориандр, горчичное семя, Carthamus tinctorius, какао, Tenderstem broccoli, Brassica campestris, орех макадамия, орехи, Ricinus communis, Jatropha curcas, пальма, сахарный тростник, Sorghum bicolor, картофель, пшеница, Oryza sativa, оливки, подсолнечник, соя, сафлор, арахис, ива, тополь, просо, слоновая трава, Evodiopanax innovans, кактус, древесина, сахарная свекла, Pistacia chinesis Bunge, хлопок, копайский бальзам, Pongamia pinnata, жожоба, Euphorbia tirucalli, Zea mays, батат, Sargassum fulvellum, сезам, артишок, авокадо, кусабиноки, кинуа, Guizotia abyssinica, конопля и адамово дерево. Поэтому предпочтительно использовать семена плодов или продукт размола Sapium sebiferum, Ricinus communis, Jatropha curcas, пальмы, сахарного тростника и Zea mays. Из перечисленных особо предпочтительны семена плодов или продукт размола Sapium sebiferum, Ricinus communis и Jatropha curcas. Эти содержащие растительные масла продукты нарезают или разрывают до размера от 1 до 50 мм. Несмотря на использование главным образом семян, допускается частичное примешивание ветвей и стволов.
(D) Состав
Количество компонента А составляет от 1 до 85 весовых частей, а количество компонента В составляет от 1 до 55 весовых частей, а количество компонента С составляет от 10 до 85 весовых частей из расчета на 100 весовых частей смеси всех компонентов. Весовое соотношение компонента А к компоненту В составляет от 15:90 (предпочтительно 20:85), а количество компонента С предпочтительно составляет от 15 до 80 весовых частей. Весовое соотношение компонента А к компоненту В составляет от 1:25 до 85:1 (предпочтительно от 1:29 до 80:1).
В указанных выше диапазонах предлагаемое твердое топливо может затвердевать при использовании относительно небольшого количества связующего вещества, формообразующего вещества, а также вещества, содержащего растительное масло, обеспечивая устойчивую теплотворную способность. Если общее количество связующего вещества и формообразующего вещества составляет от 15 до 90 весовых частей, то количество вещества, содержащего растительное масло, должно составлять от 85 до 10 весовых частей. Это соотношение изменяется в зависимости от необходимой теплотворной способности твердого топлива.
(E) Метод формования
Прессование описанной выше смеси связующего вещества, формообразующего вещества, а также вещества, содержащего растительное масло, в указанном выше соотношении лучше всего производить при максимальном перемешивании компонентов.
Предпочтительным является предварительное смешивание связующего вещества и вещества, содержащего растительное масло, чтобы смешать полученную смесь с формообразующим веществом в мешалке одношнекового или двухшнекового экструдера. Наиболее целесообразно использование двухшнекового экструдера. Сжимаемый и выпрессовываемый экструдером состав выталкивается из призматической или цилиндрической насадки и нарезается на нужную длину для получения призматического или цилиндрического отформованного продукта.
Нужный размер элементов твердого топлива обеспечивается регулированием диаметра цилиндрической насадки в пределах от 5 до 50 мм, а длины - в диапазоне от 10 до 100 мм.
(F) Характеристики твердого топлива
3
Предпочтительным способом изготовления предлагаемого твердого топлива является описанная выше технология промышленного прессования, поэтому целесообразна цилиндрическая или призматическая форма элементов топлива (особо предпочтительна цилиндрическая). Предпочтительный средний объем элементов твердого топлива составляет от 10 до 100 см. Предпочтительная кажущаяся плотность твердого топлива составляет от 0,3 до 0,6 г/см.
Теплотворная способность (удельная теплота сгорания) твердого топлива сохраняется в диапазоне от 20 до 30 МДж/кг. Таким образом, предлагаемое твердое топливо, которое представляет собой соотношение связующего и формообразующего вещества, а также вещества, содержащего растительное масло, имеет стабильную теплотворную способность, низкие значения выброса диоксида углерода при сгорании. Следовательно, оно является предпочтительным топливом для производства тепловой энергии.
Примеры
Приведенные ниже примеры обеспечивают дополнительное пояснение к настоящему изобретению.
В приведенных примерах используется связующее вещество, формообразующее вещество, а также повышающая теплотворную способность добавка.
(a) Связующее вещество
Связующее вещество получают путем измельчения каррагинана до размера не более 25 мм.
(b) Формообразующее вещество
Продукт размола гуаровой смолы используется в качестве формообразующего вещества.
(c) Вещество, содержащее растительное масло
Семена культурного Ricinus communis и его остатки (жмых).
Пример 1
10 весовых частей компонента В смешивается с 48 частями компонента А и 42 частями компонента С, а полученная смесь выпрессовывается на двухшнековом экструдере для получения цилиндрических элементов твердого топлива диаметром около 35 мм (длина 50 мм). Кажущаяся плотность (плотность вещества в общем объеме, или удельный вес сыпучего материала), теплотворная способность, содержание хлора и устойчивость формы определяются по соответствующей методике для данного твердого топлива и указаны в Табл. 1.
Пример 2
5 весовых частей компонента В смешивается с 15 весовыми частями компонента А и 80 весовыми частями компонента С, а полученная смесь выпрессовывается на двухшнековом экструдере для получения цилиндрических элементов твердого топлива диаметром около 35 мм (длина 50 мм). Кажущаяся плотность, теплотворная способность, содержание хлора и устойчивость формы для данного твердого топлива указаны в Табл. 1.
Пример 3
50 весовых частей компонента В смешивается с 1 весовой частью компонента А и 49 весовыми частями компонента С, а полученная смесь выпрессовывается на двухшнековом экструдере для получения цилиндрических элементов твердого топлива диаметром около 35 мм (длина 50 мм). Кажущаяся плотность, теплотворная способность, содержание хлора и устойчивость формы для данного твердого топлива указаны в Табл. 1.
Пример 4
5 весовых частей компонента В смешиваются с 80 весовыми частями компонента А и 15 весовыми частями компонента С, а полученная смесь выпрессовывается на двухшнековом экструдере для получения цилиндрических элементов твердого топлива диаметром около 35 мм (длина 50 мм). Кажущаяся плотность, теплотворная способность, содержание хлора и устойчивость формы для данного твердого топлива указаны в Табл. 1.
Проверка устойчивости формы твердого топлива
3
Выполнена проверка устойчивости формы каждого из образцов твердого топлива, описанных выше в примерах. Выражение "весовое соотношение частиц" означает соотношение полной массы частиц размером около 10 см или менее, полученных просеиванием твердого топлива, к массе твердого топлива до просеивания.
Стабильность сохранения формы проверялась путем загрузки 500 кг прессованного твердого топлива из складского сооружения в транспортное средство с помощью погрузочного механизма.
Получены следующие результаты
Образец из примера 1: Элемент твердого топлива имеет хорошую прессованную форму и сохраняет соответствующую форму и размеры даже после доставки в складское сооружение (весовое соотношение частиц: 3%)
Образец из примера 2: Элемент твердого топлива имеет хорошую прессованную форму и сохраняет соответствующую форму и размеры даже после доставки в складское сооружение (весовое отношение частиц: 5%)
Образец из примера 3: Элемент твердого топлива имеет хорошую прессованную форму и сохраняет соответствующую форму и размеры даже после доставки в складское сооружение (весовое соотношение частиц: 3%)
Образец из примера 4: Элемент твердого топлива имеет хорошую прессованную форму и сохраняет соответствующую форму и размеры даже после доставки в складское сооружение (весовое соотношение частиц: 2%)
Оценки в связи с используемым весовым соотношением частиц: 0-5% -хорошо, 6-10% - удовлетворительно, 11-15% - плохо.
Любое из положений (в том числе квалифицируемых как признаки предлагаемого изобретения), приведенных в любом из следующего: в разделе описания "Область техники, к которой относится изобретение", в разделе описания "Раскрытие изобретения", в разделе описания "Осуществление изобретения", в реферате - может быть и при необходимости будет включено в формулу настоящего изобретения. Последнее предложение следует расценивать как указание на необходимость включения в формулу изобретения признаков изобретения, приведенных в перечисленных разделах описания и в реферате.