ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО
SOLID FUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к твердому топливу. В частности, оно относится к твердому топливу, которое обеспечивает эффективное использование плодов (в особенности семян) некоторых видов растений, произрастающих в больших количествах в природе и содержащих значительные количества масляного компонента, или же эффективное использование жмыха, получаемого после извлечения масляного компонента из семян этих растений. Говоря еще точнее, изобретение относится к твердому топливу, которое обеспечивает эффективное использование указанных плодов (в особенности семян) или их жмыха, производит как можно меньшее количество вредных газов и остаточных продуктов горения, генерирует большое количество тепла и приводит к снижению выброса диоксида углерода в атмосферу. В частности, настоящее изобретение относится к твердому топливу, пригодному для использования в качестве топлива для генерации тепловой энергии.
Уровень техники
К причинам глобального потепления, которое является одной из важнейших экологических угроз современности, относится увеличение количества диоксида углерода в атмосферном воздухе. В мире реализуются различные подходы к снижению выброса диоксида углерода в атмосферу. В качестве одного из таких подходов можно назвать разработку различных видов биотоплива и их использование в автомобилях и энергетических котлах в качестве альтернативы ископаемым видам топлива, таким как каменный уголь и бензин.
Однако использование пищевых продуктов, например кукурузы, в качестве сырья для производства биотоплива нарушает экологический баланс и экономический баланс на планете. Следовательно, нельзя расценивать данный подход как наилучший. Действительно, при решении проблемы глобального потепления необходимо, с одной стороны, принимать во внимание экологические аспекты, но при этом не допускать простого сжигания того сырья, которое могло бы быть применено при производстве одежды, продовольствия и строительных материалов, столь же необходимых для жизни людей, как и топливо.
Различные исследования проводятся в настоящее время для решения данной проблемы, но она пока далека от разрешения. Так, известен подход, в рамках которого в качестве альтернативы нефти и каменному углю применяется твердое топливо, содержащее пластики. Однако эффект данного твердого топлива в плане снижения выброса диоксида углерода в атмосферу не является удовлетворительным.
Растительные плоды, имеющие относительно большое содержание масляного компонента, существуют в природе, при этом они далеко не всегда являются съедобными. Имеется большое количество плодов (семян), из которых извлекается масляный компонент для использования в мыле и промышленных изделиях.
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-А 7-82581 (Murata F., Inoue М. Solid fuel produced from waste material.// Patent application №JP 19930249773. Publication №JP 7082581. 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 №JP 7082581. 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 массе). При формировании известного твердого топлива вместо бумаги может быть применена отходная древесина, т.е. также продукт растительного происхождения (количество отходной древесины, используемое в примерах данного патентного документа, не превышает 10% по массе). 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. За счет наличия пластиков в составе известного твердого топлива его сжигание приводит к значительному выбросу диоксида углерода в атмосферу. Отмечается также нестабильность удельной теплоты сгорания твердого топлива, связанная с негомогенным составом топлива (пластики являются более горючими).
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.
Еще раз отметим, что 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 исключительно 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 №EP2216387. 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 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 (в том числе растительные) и парафины. Из указанных компонентов изготавливаются блоки твердого топлива. При этом используется формование прессованием с включением в состав топлива древесных гранул в количестве 5-50% по массе.
Основным недостатком данного известного решения является использование древесины, но не морских водорослей или растительных отходов, остающихся после сбора семян, зерен или клубней, 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. Характеристики сохранения формы известного твердого топлива авторами не исследовались, но из общих соображений можно заключить, что описанное в прототипе топливо из относительно мягких компонентов растительного происхождения будет менее устойчивым к механическим воздействиям при транспортировке и хранении, чем те виды топлива, которые изготовлены из древесины и пластиков.
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые необходимо решить изобретением
Разработчики настоящего изобретения обратили внимание на тот факт, что семена определенных растений (Ricinus communis, Triadica sebifera, Jatropha curcas, Brassica rapa L. var. nippo-oleifera, Palmae, Zea mays, Prosopis glandulosa) либо их жмых, полученный после того, как масляный компонент был извлечен из семян (далее именуемый просто ″жмыхом″), производятся в мире в больших количествах. Разработчики настоящего изобретения провели глубокие исследования, с тем чтобы разработать твердое топливо, которое обеспечивает эффективное использование семян или жмыха и может быть применено в качестве нового источника энергии, в частности, для снижения производства диоксида углерода. Как известно разработчикам изобретения, жмых производится почти в том же количестве, что и извлеченный масляный компонент, при этом небольшое количество масляного компонента остается в жмыхе. Также известно, что жмых сам по себе находится в форме состоящих из семян кусков и может быть использован в качестве топлива, но такое его использование распространено недостаточно.
Разработчики настоящего изобретения провели исследования для решения вышеназванной задачи и выяснили следующее. В том случае, когда семена определенных растений, в особенности их жмых (или композиция, содержащая семена и/или жмых в качестве основного компонента), термически прессуют и формуют при определенных условиях, твердое формованное изделие может быть получено без использования большого количества связующего (например, пластика) или удерживающего форму агента (например, каучука или клея). При этом полученное формованное изделие имеет достаточно большую теплотворную способность в качестве твердого топлива. Кроме того, разработчики настоящего изобретения выяснили, что, как ни удивительно, формованное изделие имеет достаточно высокие твердость и ударную вязкость, т.е. отличные характеристики сохранения формы, несмотря на то, что изделие содержит жмых в качестве основного компонента. Эта способность сохранять форму является одной из чрезвычайно важных характеристик твердого топлива, особенно топлива для генерации тепловой энергии. Твердое топливо после изготовления (формования) проходит через ряд этапов перед использованием, таких как хранение, транспортировка и разгрузка. Во время этих этапов отмечается фрагментация твердого топлива. Если фрагментация становится значительной, изделие становится не пригодным для использования в качестве промышленного твердого топлива.
Разработчики настоящего изобретения также выяснили, что фрагментация и дезинтеграция твердого топлива согласно настоящему изобретению почти не отмечается, в результате чего твердое топливо может сохранять форму в течение длительного времени и может использоваться в качестве промышленного топлива, имеющего подходящий полученный формованием размер. В частности, данное твердое топливо может использоваться для генерации тепловой энергии.
Средства для решения проблем
Настоящее изобретение было разработано на основании вышеописанного знания. Согласно настоящему изобретению предлагается твердое топливо, которое содержит композицию, содержащую 70% по массе или более в пересчете на сухое вещество семян плодов или жмыха семян плодов любого из следующих растений либо любой комбинации семян плодов или жмыха семян плодов любого из следующих растений: Ricinus communis, Triadica sebifera, Jatropha curcas, Brassica rapa L. var. nippo-oleifera, Palmae, Zea mays, Prosopis glandulosa, и которое получено горячим прессовым формованием.
Согласно предпочтительным аспектам настоящего изобретения предлагается следующее твердое топливо.
(1) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество семян плодов указанных растений или жмыха данных семян плодов.
(2) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 85% по массе в пересчете на сухое вещество семян указанных плодов или жмыха данных семян плодов.
(3) Твердое топливо, которое получено прессовым формованием при температуре от 80 до 150°С.
(4) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Ricinus communis.
(5) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Triadica sebifera.
(6) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Jatropha curcas.
(7) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Brassica rapa L. var. nippo-oleifera.
(8) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Palmae.
(9) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Zea mays.
(10) Твердое топливо, в котором композиция содержит не менее 80% по массе в пересчете на сухое вещество жмыха семян плодов Prosopis glandulosa.
(11) Твердое топливо, имеющее теплотворную способность (удельную теплоту сгорания) 15-30 МДж/кг.
3
(12) Твердое топливо, отформованные куски которого имеют средний объем 15-3500 см.
3
(13) Твердое топливо, имеющее кажущуюся плотность 0,3-0,6 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.
(14) Твердое топливо, имеющее степень фрагментации не более 5% по массе в испытании на сохранение формы.
(15) Твердое топливо, которое используется для генерации электроэнергии. Предлагается также использование указанного твердого топлива в качестве топлива для генерации электроэнергии.
Таким образом, согласно настоящему изобретению может быть получено твердое топливо в виде формованного изделия, демонстрирующего отличное сохранение формы. При производстве данного топлива используются семена или жмых семян определенных видов растений, произрастающих в больших количествах в природе (многие из этих семян или их жмых используются в качестве пищи или для получения масла). При этом твердое топливо по существу состоит из семян или жмыха семян растений. Следовательно, твердое топливо согласно настоящему изобретению по существу сформировано из растений в природе, не производит вредных газов при сгорании и приводит к снижению производства диоксида углерода.
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.
4. Предлагаемое твердое топливо демонстрирует более высокие, по сравнению с аналогами, характеристики сохранения формы при механических воздействиях.
В целом, применение предлагаемого топлива обеспечивает более рациональное использование ресурсов на планете, поскольку в производстве данного твердого топлива применяются отходы растений, ранее не находившие применения.
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
Твердое топливо согласно настоящему изобретению получено из семян плодов или из жмыха семян плодов Ricinus communis, Triadica sebifera, Jatropha curcas, Brassica rapa L. var. nippo-oleifera, Palmae, Zea mays или Prosopis glandulos и сформировано из композиции, по существу состоящей из семян плодов или из жмыха указанных семян плодов.
Рассмотрим более подробно растения, используемые для получения разработанного твердого топлива.
(1) Ricinus communis
Также известно под названием ″клещевина обыкновенная″. Многолетнее растение, которое произрастает в больших количествах в Африке, Индии и Китае. Масло, извлекаемое из его семян, используется в качестве сырья для получения касторового масла, однако оно имеет высокую токсичность и не находит широкого применения в качестве пищевого продукта. В настоящее время проводятся исследования масляного компонента данного растения для использования в качестве биотоплива или альтернативного топлива по отношению к сырой (неочищенной) нефти.
(2) Triadica sebifera
Также известно под названием ″сапиум салоносный″ или ″китайское сальное дерево″. Произрастает в больших количествах в Китае и на Тайване. Масляный компонент, извлекаемый из его семян, используется в качестве сырья для получения мыла или свечей, также находит ограниченное применение в медицинских целях.
(3) Jatropha curcas
Известно под названием ″слабительный орех″ или ″ятрофа куркас (ятрофа)″. Его семена имеют высокое содержание масла, оно произрастает в Центральной и Южной Америке. Урожайность данного растения очень высока. Поэтому его культивируют в больших количествах во многих регионах, таких как Индия, Китай, Африка и Южная Америка. Масло, извлекаемое из семян, используется в мыле и свечах и в настоящее время привлекает все большее внимание в качестве биодизельного топлива.
(4) Brassica rapa L., var. nippo-oleifera
Также известно под названием ″репа огородная″. Представляет собой крестоцветное двухлетнее растение, которое относится к роду Brassica. Это - сельскохозяйственная культура, которая культивируется как овощ для извлечения масла.
(5) Palmae
Это обобщающее название пальмовых растений. Они делятся на 11 подсемейств и 29 триб. Пальмовые произрастают в больших количествах в тропической зоне. Мякоть (мезокарпий) плода финиковой пальмы, имеющая высокое содержание сахара, использовалась в качестве пищи в течение 6000 лет на Среднем и Ближнем Востоке, а в наше время применяется при производстве сладостей, фруктозы и спиртов. Большое количество высококачественного масла производят из эндосперма Cocos nucifera L. или Elaeis guineensis Jacq. и используют в техническом мыле и маргарине. Сироп и сахар получают путем надрезания цветоножек некоторых сортов Arenga pinnata, вываривания сока из надрезанных концов и его высушивания.
(6) Zea mays
Данное растение известно под названием ″кукуруза сахарная″ или ″маис″. Является однолетним травянистым растением. Его семена в виде зерен используются в качестве пищи для людей и корма для скота, а также находят широкое применение как сырье для получения крахмала (крахмала из зерен), масла или биоэтанола. Годовое производство данного растения в мире составляет 600 млн тонн. Приблизительно 400 млн тонн из них используется в качестве корма для скота, а 200 млн тонн - для пропитания человека.
(7) Prosopis glandulosa
Называется также прозописом или мескитовым деревом. Распространено на юго-западе США от Техаса до Калифорнии и на севере Мексики. Произрастает на сухих равнинах, холмах и в пустынях. Его высота достигает приблизительно 6 м. Соцветия данного растения являются свисающими, а его ароматные бледно-желтые цветы благоухают с весны до лета. Созревающие летом плоды подобно бобам располагаются в стручках. Индейцы, живущие на юго-западе США, используют эти плоды в пищу.
Как описано выше, некоторые из семян плодов указанных растений используются в качестве сырья для получения пищи и масла. Поэтому твердое топливо согласно настоящему изобретению, предпочтительно, получено из жмыха семян указанных плодов. Жмых семян - это отходы, оставшиеся после того, как высушенные семена подверглись прессованию для выделения из них масляного компонента. Жмых семян содержит остаточные количества масла и он может быть непосредственно использован в качестве сырья в настоящем изобретении.
Твердое топливо согласно настоящему изобретению содержит не менее 70% по массе, предпочтительно - не менее 80% по массе, наиболее предпочтительно - не менее 85% по массе (в пересчете на сухое вещество) семян или их жмыха. Масса сухого вещества означает массу, полученную путем вычитания массы воды, содержащейся в семенах или их жмыхе.
Поскольку семена или их жмых содержат масло в некотором количестве, твердое топливо, имеющее отличное сохранение формы и достаточно большую теплотворную способность, может быть получено путем прессования и формования семян плодов или их жмыха без добавления связующего.
Дополнительным обязательным компонентом предлагаемого твердого топлива является натуральный каучук или крахмал растительного происхождения в количестве менее 30% по массе, предпочтительно - менее 20% по массе, наиболее предпочтительно - менее 15% по массе.
Как один из вариантов реализации настоящего изобретения может также расцениваться такой состав твердого топлива, который не включает в себя натуральный каучук или крахмал растительного происхождения, а представляет собой лишь семена вышеуказанных растений или жмых этих семян.
Из названных выше плодов растений плоды Ricinus communis, Triadica sebifera, Jatropha curcas, Brassica rapa L. var. nippo-oleifera или Palmae являются предпочтительными, а плоды Ricinus communis, Jatropha curcas или Palmae - наиболее предпочтительными.
Для формования твердого топлива согласно настоящему изобретению указанную композицию подвергают прессовому формованию при температуре 80-150°С, предпочтительно - 100-130°С. Для горячего прессования может быть использован одночервячный (одношнековый) или двухчервячный (двухшнековый) нагревающий экструдер.
Использование двухчервячного экструдера является наиболее желательным. Спрессованная композиция, экструдируемая экструдером, выходит из круглого отверстия и отрезается в подходящую длину для получения цилиндрического формованного изделия.
На этом этапе твердое топливо, имеющее желаемый размер, может быть получено путем задания диаметра круглого отверстия из диапазона 25-50 мм, предпочтительно - 30-40 мм, и длины отрезания из диапазона 20-70 мм, предпочтительно - 25-65 мм. Термин ″размер″ здесь и далее означает максимальный размер куска твердого топлива.
3
3
В связи с тем что твердое топливо согласно настоящему изобретению предпочтительно изготавливается вышеописанным способом формования, с промышленной точки зрения, его форма является предпочтительно цилиндрической или призматической, наиболее предпочтительно - цилиндрической. Что касается объема твердого топлива, его средний объем составляет 15-3500 см, предпочтительно - 20-1000 см.
3
3
Кажущаяся плотность этого твердого топлива составляет 0,3-0,6 г/см, предпочтительно - 0,4-0,5 г/см.
Разработанное твердое топливо имеет стабильную теплотворную способность в диапазоне 15-30 МДж/кг, предпочтительно - 20-28 МДж/кг. Таким образом, твердое топливо согласно настоящему изобретению имеет высокостабильную теплотворную способность и отличную способность сохранять форму, поэтому оно может быть успешно использовано в качестве топлива для генерации тепловой энергии.
Примеры
Испытание на сохранение формы проводили на твердых топливах, полученных в примерах, следующим образом.
100 кг твердого топлива помещали внутрь металлического цилиндрического резервуара, имеющего емкость 200 литров; резервуар катили 100 м по плоской асфальтированной дороге в течение 3 минут туда и столько же обратно и такое перемещение повторяли 5 раз (суммарное расстояние - 1000 м). После этого твердое топливо извлекали из металлического резервуара. Массовую долю твердого топлива (в процентах), проходящего сквозь сито, имеющее множественные отверстия диаметром 10 мм или менее, определяли в качестве меры сохранения формы. При этом массовую долю твердого топлива, проходящего сквозь сито, имеющее отверстие в 10 мм или менее, в диапазоне 0-5% расценивали как удовлетворительную, 6-10% - как приемлемую, 11-15% - как неудовлетворительную.
Примеры 1-7
Цилиндрическое твердое топливо, имеющее диаметр экструдирования приблизительно 50 мм (длину 65 мм), получали из жмыха семян каждого из плодов, показанных в Таблице 1, в качестве сырьевой композиции (каждая композиция содержала 80% по массе жмыха и 20% по массе натурального каучука) с помощью двухчервячного экструдера при нагреве до 130°С. Кажущаяся плотность (плотность вещества в общем объеме), теплотворная способность и результат испытания на сохранение формы каждого из полученных вариантов твердого топлива приведены в Таблице 1. Полученные фактические данные подтверждают заявленные свойства твердого топлива.
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.