ПЕЛЛЕТЫ И БРИКЕТЫ ИЗ СПРЕССОВАННОЙ БИОМАССЫ
COMPRESSED BIOMASS PELLETS AND BRIQUETTES

Данная заявка заявляет преимущество предварительной заявки на патент США №61/181101, поданной 26 мая 2009 года, а также заявляет преимущество предварительной заявки на патент США №61/245506, поданной 24 сентября 2009 года. Обе эти предшествующие предварительные заявки на патент включены в данный документ ссылкой во всей своей полноте и для всех целей.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Поскольку человеческое население становится все больше и накладывает больше требований на ограниченные доступные ресурсы, необходимость более широкого использования отходов, особенно таковых из возобновляемых источников, таких как зерновые и другой растительный или животный материал, стала непреодолимой. В то время как программы повторного использования и приемы применения продуктов из возобновляемых источников набирают обороты, многие проблемы остаются. Эти проблемы особенно актуальны в энергетическом секторе мировой экономики. Они включают нахождение композиций, недорогих для производства, легких в транспортировке, легких в хранении и, конечно, экологически безопасных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает спрессованные продукты, обычно в форме брикетов и/или пеллет, которые включают существенные количества сырьевых материалов биомассы.
Эти продукты, чьи композиции и производство описаны подробно в данном документе, находят многие области применения, преимущественно в энергоустановках совместного сжигания, подстиле для животных, абсорбирующих продуктах, благоустройстве и озеленении и обогреве дома.
Определенные аспекты данного изобретения имеют отношение к спрессованной основе, характеризующейся следующими признаками: (а) первые частицы, содержащие материал биомассы, и (b) вторые частицы, содержащие другой материал (который может факультативно представлять собой биомассу). Спрессованная основа, содержащая первые частицы и вторые частицы, является устойчивой к фрагментации. Она часто включает материал, действующий как связующее. В различных вариантах осуществления спрессованная основа является горючей. Тем не менее, вторые частицы необязательно являются горючими. При этом спрессованная основа может включать дополнительные компоненты, такие как третьи частицы, имеющие композицию, отличную от таковой первых частиц и вторых частиц.
Спрессованная основа может иметь свойства, специализированные для отдельных областей применения, таких как сгорание, абсорбция, привлекательный внешний вид и т.д. В некоторых случаях спрессованная основа имеет общее содержание влаги приблизительно 9% по весу или менее. Для областей применения с огневым нагревом спрессованная основа может иметь плотность энергии, по меньшей мере, приблизительно 7000 BTU (британская тепловая единица) на фунт при сгорании. Кроме того, спрессованная основа может быть составлена для получения золы на уровне приблизительно 4% или менее во время сгорания. В некоторых вариантах осуществления вторые частицы представляют собой частицы угля.
Может быть желательным иметь спрессованные продукты, которые стабильно сохраняют определенные свойства (например, отдельные уровни энергосодержания, цена, абсорбция) независимо, остаются ли определенные сырьевые материалы доступными. С этой целью многие различные типы сырьевых материалов применимы для получения спрессованных продуктов, описанных в данном документе.
Многочисленные подходящие компоненты биомассы раскрыты в данном документе, среди которых посадочный материал соевых бобов, шалфей, древесные продукты, посадочный материал кукурузы и посадочный материал подсолнечника. Дополнительно могут применяться различные бумажные и картонные продукты, включая вощеный картон. Другие материалы, которые могут применяться с первыми и вторыми компонентами спрессованной основы, включают крахмал, пластмассу, рыбий жир, соду, известь, парафин, растительное масло, кофейную гущу и животный жир. В определенном варианте осуществления спрессованная основа содержит в основном только картон, сельскохозяйственный посадочный материал и дезодорирующий компонент.
Спрессованный продукт может иметь много различных форм в соответствующих случаях для отдельных областей применения. Во многих случаях продукт представляет собой пеллету или брикет. Разумеется, размер и форма могут изменяться в соответствующих случаях для конечного применения. В некоторых случаях спрессованная основа имеет средний размер приблизительно 0,25-4 дюйма. Часто спрессованную основу обеспечивают совместно с многочисленными другими подобными спрессованными основами (например, пеллеты или брикеты подобных композиций и/или свойств) в контейнере, подходящем для отдельной области применения. Например, основа может быть обеспечена в совокупности спрессованных основ, присутствующих в контейнере на энергетической установке, работающей на угле. Другой аспект данного изобретения относится к способам получения спрессованной основы, как описано выше (например, спрессованный продукт, включающий первые частицы, содержащие биомассу и вторые частицы другого материала). Способ можно охарактеризовать следующими действиями: (а) обработка сырья биомассы для превращения сырьевого материала в форму, содержащую указанные первые частицы; и (b) одновременное прессование первых частиц и вторых частиц для получения спрессованной основы. В некоторых случаях прессование происходит в брикетировочном прессе, и в этом случае спрессованная основа представляет собой брикет.В некоторых других случаях прессование происходит в грануляторе, и в этом случае спрессованная основа представляет собой пеллету. Зачастую прессование осуществляют со связующим, которое может помочь сохранить срок годности оборудования, используемого для производства спрессованных продуктов. В определенных вариантах осуществления связующее представляет собой водоросли или воск. Эти и другие признаки и преимущества данного изобретения будут описаны подробно ниже со ссылкой на сопутствующий чертеж.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На чертеже - схематическое представление, изображающее пример технологического процесса для получения спрессованных продуктов биомассы в соответствии с определенными вариантами осуществления данного изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Введение
Данное изобретение относится к пеллетам, брикетам и другим спрессованным продуктам, содержащим многочисленные компоненты и имеющим композицию, специально разработанную для удовлетворения конкретных требований для данной области применения. Зачастую, по меньшей мере, одним из компонентов является компонент биомассы. Спрессованные композиции данного изобретения можно применять в различных областях применения в зависимости от их композиции и цены. Следующее обсуждение будет сосредоточено на областях применения в получении энергии. Один отдельный вариант осуществления обеспечивает применение спрессованной основы или массы как присадки к топливу низкого качества или замены топлива для угольного или другого ископаемого топлива(топлив) в энергоустановках совместного сжигания. Другие специфические области применения особого интереса включают пеллеты для благоустройства и озеленения и подстил для различных животных, включая домашнюю птицу, лошадей и кроликов. Другая область применения содержит гранулированный абсорбент, такой как наполнитель для кошачьих туалетов для абсорбирования жидких и/или твердых отходов.
Следующие неограничивающие определения предусмотрены с целью понимания изобретения, описанного в данном документе.
Спрессованная масса или основа - механически стабильное соединение частиц, нелегко отделяемых во время обработки в предполагаемой области применения. Иначе говоря, спрессованная основа является устойчивой к фрагментации или расщеплению при обработке традиционным снабжением, транспортировкой и перевозке аппаратуры. Спрессованную основу обычно формируют под давлением (например, сжатие или прессование) с помощью, например, гранулятора или брикетной установки. В некоторых вариантах осуществления спрессованная масса или основа будет гетерогенной композицией (например, она будет содержать частицы различных компонентов).
Сырье - исходный материал, применяемый в изготовлении спрессованной массы или основы. Сырье будет обычно зернистым или порошкообразным материалом, хотя оно также может представлять собой, например, смолу, сироп или жидкость.
Частица - небольшая дискретная масса, применяемая для формирования спрессованной основы. Частица имеет обычно, хотя не обязательно, гомогенное происхождение. Совместно частицы могут представлять собой порошок или гранулярный продукт. Отдельные частицы могут иметь много различных форм и могут быть, например, волокнами.
Биомасса - материал, полученный непосредственно из живого материала, часто растительных материалов или отходов животного происхождения. Зачастую биомассу применяют как один или более компонентов спрессованной массы или основы, описанных в данном документе.
Композиция спрессованной основы
Для применения в энергоустановках совместного сжигания спрессованные продукты должны в определенных вариантах осуществления удовлетворять, по меньшей мере, трем критериям. Они включают (1) высокое энергосодержание на объем или массу (иногда имеющее название значение BTU), (2) малозольное производство и (3) малосерное содержание. Кроме того, возможно продуктам придется удовлетворять четвертому критерию: (4) низкое образование углеродной сетки. Малоуглеродистое, малозольное и малосерное - все это может быть рассмотрено в сравнении с углеродным или другим замещенным ископаемым топливом для энергоустановок. Большинство из сырьевых материалов биомассы, используемых в данном изобретении, будет автоматически удовлетворять четырем критериям. В большинстве случаев они будут также удовлетворять второму и третьему критериям, хотя различные материалы компонентов могут производить различные уровни золы и оксидов серы. Зола представляет собой негорючий твердый компонент топлива. Следует также отметить, что цена на сырьевой материал является важным фактором.
Сырьевые материалы с высокой плотностью BTU включают продукты горючей растительности и отходов (такие как городские твердые отходы). Примеры отходов включают бумажные и картонные отходы (например, журналы), а также отходы пластмассы и пищевые отходы (например, кофейная гуща). Растительные сырьевые материалы включают и сельскохозяйственные культуры, специально выращенные для обеспечения топлива, и растительность, которую не будут иным образом убирать (например, растительность вдоль придорожной полосы и на тюремной территории). Примеры растительных сырьевых материалов включают просо, мискантус, стерню бобовых, посадочный материал соевых бобов (стебли и стручки), посадочный материал и початки кукурузы, кукурузу, подсолнечники (включая целые растения, а также части, включая верхние части, посадочный материал и/или семена), семена других растений, стручки и стебли, шалфей, древесина (например, в форме древесных щепок), древесные отходы (такие как сосновые иголки и сосновые верхушки), сено, солома (например, пшеничная солома и льносолома), сахарный тростник, свекла сахарная, сорго, суданская трава (включая гибриды, такие как гибриды судан-сорго), канареечник птичий, травы холодного времени года, DDG (сушеная барда, побочный продукт производства этанола), морская водоросль, водоросли и кофейная гуща. Другие растительные источники включают травы теплого времени года, листья и лесные отходы. Специально предусматривают, что любые из сырьевых материалов, определенных в данном документе, можно применять отдельно или в комбинации с любым одним или более другими сырьевыми материалами, определенными в данном документе. В определенном варианте осуществления спрессованные основы данного изобретения содержат частицы первого сырья биомассы, которое может быть любым материалом сырья, перечисленным в данном документе, в комбинации с частицами второго сырья биомассы, которое может быть любым из других материалов сырья, перечисленного в данном документе.
Трава Мискантус имеет очень высокое BTU содержание и может быть выращенной стерильной, так что не будет давать семян, которые могли бы непреднамеренно распространяться на других полях поблизости. Цена на посадку травы Мискантус находится в диапазоне $1000 за акр. Тем не менее, ее не нужно снова засаживать каждый год. Она имеет крепкую корневую система, которая будет пускать побеги новой травы каждый год. Мискантус сжигали в промышленном масштабе в Дании с помощью 78-MW камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (50% совместного сжигания с углем) и 160-MW камеры сгорания с порошкообразным топливом (20% совместного сжигания). Смотри J. М. О. Scurlock, Miscanthus: A Review of the European Experience with a Novel Eergy Crop, Environmental Sciences Division Publication No. 4845, ORNL/TM-13732, 1999. Европейские фермеры использовали стерильный гибрид М. китайский и М. сахароносный (Мискантус Гигантский) в качестве топливной сельскохозяйственной культуры с 1980-х.
Посадочный материал соевых бобов имеет особенно высокую плотность энергии и применяется в некоторых важных топливах биомассы данного изобретения.
Посевной материал соевых бобов традиционно оставляют на поле, и они должны быть мелко нарезаны во время сбора, чтобы сделать возможной посадку на следующий сезон. Подходящие грабли могут регенерировать этот материал для применения в данном изобретении.
В определенных вариантах осуществления шалфей используется в качестве сырья. Он имеет очень высокую плотность энергии, но могут быть необходимы меры предосторожности для предотвращения расслоения или разделения масел шалфея, которые могут разделяться и расслаиваться во время отгрузки.
Древесина, особенно в форме древесных щепок, является другим сырьем с высоким BTU, которое можно применять в определенных вариантах осуществления данного изобретения. Тем не менее, древесина обычно содержит приблизительно 49% воды при первом сборе. Для изготовления подходящего сырья для областей применения в совместном сжигании некоторую часть этой воды следует удалить. В некоторых воплощениях содержание воды древесного сырья снижается до приблизительно 15% по весу или менее и в некоторых вариантах осуществления - приблизительно 12% по весу или менее. Древесные щепки, содержащие 49% влаги, имеют только приблизительно 4500 BTU на фунт, между тем как сухие древесные щепки имеют приблизительно 7500 BTU на фунт. Различные методики, известные в данной области техники, могут осуществлять необходимое снижение в содержании воды.
Тем не менее, содержание воды в древесине часто представляет собой существенный экономический ущерб. Так, в определенных вариантах осуществления спрессованные продукты не имеют древесного содержания. Обычно древесину используют в пеллетах для областей применения в обогреве дома. Аспекты настоящего изобретения используют пеллеты или другие спрессованные продукты, которые содержат немного или совсем не содержат древесину, даже когда применяются для областей применения в обогреве/сгорании. Другие варианты осуществления используют только небольшое количество древесины (например, 5% по весу или менее или даже приблизительно 1% по весу или менее) для придания приятного аромата продукту. В некоторых случаях невыгорающие добавки включены в другую горючую композицию. Например, негорючие материалы, которые обычно требуются в электростанциях, работающих на угле, могут быть включены в спрессованные основы. Некоторые из этих добавок помогают снизить выбросы или отходы на заводах. Одним таким примером является известь, которую можно применять для контроля шлаков в энергоустановках, работающих на угле. Могут также быть добавлены другие материалы, которые контролируют скорость горения или другие характеристики сгорания сырья биомассы и/или угля. Примеры включают карбонатные и бикарбонатные соли (например, бикарбонат натрия или пищевая сода). Еще одни негорючие материалы служат для связывания компонентов или частиц спрессованных основ. Один пример такого материала представляет собой материалы, содержащие бор и кислород, такие как бура.
В некоторых вариантах осуществления горючие компоненты ископаемого топлива можно добавлять к спрессованным основам для областей применения в энергоустановках. Примеры таких компонентов включают уголь, кокс, антрацит, лигнит или древесный уголь и их смеси. Угольная мелочь является особенно применимым сырьем для смешивания с сырьевыми материалами биомассы. Смешивание угольной мелочи и компонентов биомассы позволяет обеспечить энергоустановки одним предварительно смешанным продуктом, нежели два отдельных сырьевых потока. В специфическом примере спрессованный продукт содержит приблизительно 85% по весу угольной пыли и приблизительно 15% по весу биомассы (например, сухой древесины, стерни бобовых и/или травы).
В определенных вариантах осуществления другие добавки включают материалы, которые улучшают механические или эксплуатационные свойства спрессованных продуктов. Пример такого материала включает крахмал, который облегчает когезионное связывание отдельных частиц сырья или гранул для формирования спрессованных продуктов. Влага, например, в форме пара, обеспеченная в грануляторе (или другом устройстве для производства пеллет), может также служить в качестве связующего. Многие сырьевые материалы биомассы содержат лигнин или родственный материал, который по природе служит как связующее, когда биомассу обрабатывают термически, что может иметь место в грануляторе или брикетировочном прессе. Другие примеры связующих средств включают буру, смолу, воск (включая парафин, пчелиный и/или карнаубский воск) и водоросли.
Задача, стоящая в применении присадок к топливу низкого качества биомассы для энергоустановок, заключается в обеспечении достаточного количества присадки, чтобы сделать существенный вклад в снижение ископаемого топлива. Сезонные и другие колебания доступных продуктов биомассы на основе сельскохозяйственной культуры могут приводить к временному недостатку необходимого топлива для обслуживания энергоустановок. С этой целью изобретатели выяснили, что будет желательным включить компонентов топлива не на основе сельскохозяйственной культуры в определенные спрессованные продукты для областей применения в энергоустановках.
Примеры присадок к топливу не на основе сельскохозяйственной культуры, отличных от ископаемых топлив, которые придают одно или более желаемых свойств пеллетам, включает сироп для изготовления напитков, таких как Coca Cola(R). Когда такие сиропы проходят свой пригодный срок годности, их нужно ликвидировать, что может быть дорогостоящим. Захоронение отходов зачастую является единственным вариантом.
Сиропы, такие как сироп кока-колы, обеспечивают умеренное энергосодержание и улучшают связывание спрессованных основ. Другие примеры отходов, имеющие подобные применимые связующие свойства, включают крахмал, пластмассу, рыбий жир, соду, известь, парафин, растительное масло, кофейную гущу и животный жир для улучшения энергосодержания. Кроме соды и извести, все из этих материалов обладают хорошим энергосодержанием. Городские отходы могут служить огромным источником биомассы для спрессованных продуктов данного изобретения. Такие отходы могут включать полимеры высокой и/или низкой плотности, бумагу и т.д. Как уже упоминалось, бумажные продукты, включая картон, могут использоваться в спрессованных продуктах для областей применения в совместном сжигании. В различных вариантах осуществления обработанные формы бумаги, такие как вощеная бумага или вощеный картон, используются в спрессованных продуктах. В специфических вариантах осуществления вощеный картон присутствует в количестве приблизительно 1-10% по весу спрессованного продукта, который может быть доступным для областей применения в сгорании и других областей применения.
Как показано выше, спрессованные продукты, раскрытые в данном документе, могут включать одно или более "связующих", которые служат для сохранения (или облегчения сохранения) продуктов в их спрессованной или загущенной форме. В некоторых случаях это означает, что такое связующее или связующие будут предотвращать (или помогать предотвращать) разделение спрессованной основы на более маленькие части или на частицы ее компонентов. Некоторые спрессованные основы будут устойчивы к такому разделению, когда столкнуться с механическим перемешиванием или толканием, что обычно встречается во время транспортировки (такой как поездом, грузовиком, самолетом и т.д.), обработки или перевозке, предшествующих сгоранию, загрузке в складские хозяйства и т.д. Некоторые спрессованные основы будут устойчивы к такому разделению, когда будут подвергаться воздействию внешней среды, такому как встречается в открытых контейнерах перед сгоранием, которое может включать дождь, ветер, твердые осадки и крайние значения температуры и влажности. В различных воплощениях связующее присутствует в спрессованных основах при концентрации вплоть до приблизительно 10% по весу, или вплоть до приблизительно 5% по весу, или вплоть до приблизительно 2% по весу. В специфическом примере связующее присутствует в диапазоне приблизительно 0,1-1% по весу.
В определенных вариантах осуществления связывание обеспечивается посредством содержания влаги, обеспеченной ранее или во время прессования в прессе, мельнице и т.д. Пар можно применять, как объяснялось в данном документе. Для некоторых областей применения, особенно в совместном сжигании или других вариантах осуществления сгорания, количество влаги будет сравнительно небольшим для того, чтобы не чрезмерно подвергать риску энергосодержание спрессованного продукта. В некоторых таких областях применения спрессованная основа будет содержать не более чем приблизительно 5% по весу влаги как связующего, предпочтительно не более чем приблизительно 2% по весу.
В различных вариантах осуществления связывание обеспечивается материалом высокой плотности энергии, который является липким или становится клейким во время образования спрессованной основы. Следует обратить внимание, что процесс образования часто влечет за собой повышенную температуру и/или давление (повышенные в основном за пределами стандартной температуры и давления (STP)). При таких условиях некоторые растительные или другие материалы изменяют химическую и/или физическую форму, становясь липкими или даже вязкоупругими и, тем самым, связывают вместе компоненты спрессованной основы. Один специфический пример представляет собой древесину, которая содержит лигнины, которые становятся достаточно клейкими при температуре и давлении обработки, чтобы служить в качестве эффективных связующих.
Водоросли и сине-зеленые водоросли (в собирательном значении "водоросли" в данном документе) представляют собой другой материал биомассы, который, как было обнаружено, служит в качестве эффективного связующего. Водоросли часто содержат приемлемо высокую плотность энергии и малосерное содержание для областей применения в сгорании и являются недорогими, легкими в сборе и быстро обрабатываемыми до формы с низким содержанием воды, и устойчивы к абсорбции воды, когда присутствуют как связующее в спрессованных основах данного изобретения. Примеры подходящих водорослей для применения в данном документе включают зеленые водоросли, коричневые водоросли и красные водоросли, а также сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Различные формы бактерий, такие как пурпурные и зеленые серобактерии могут подобно применяться. В соответствии с определенными вариантами осуществления водоросли собирают из питательной среды на основе воды (например, тепличная или наружная водная масса) и факультативно транспортируют для дальнейшей обработки как суспензию, высушенное и/или спрессованное твердое вещество или приводимый в действие буром клейкий материал. Он может быть факультативно профильтрован, спрессован, центрифугирован, высушен на воздухе и т.д. перед объединением с другими компонентами для образования спрессованной основы данного изобретения. Такая обработка может удалить воду и/или изменить свойства водорослей для облегчения транспортировки, обработки до спрессованных основ и/или улучшения в связывающих свойствах. Сбор может включать ловлю сетями, перемешивание с тягой или другим устройством захвата, высушивание и т.д.
Связующее водорослей можно объединить с другими компонентами и обработать для получения спрессованных продуктов согласно одному или более различным способам, описанными где-либо еще в данном документе. В некоторых вариантах осуществления водоросли, применяемые в качестве связующего в конечном продукте, будут содержать некоторое количество влаги (например, вплоть до приблизительно 10% по весу). Независимо от содержания влаги в водорослях, она может присутствовать в конечном спрессованном продукте в количестве, например, приблизительно 0-10% по весу, или даже выше в некоторых вариантах осуществления благодаря ее высокой плотности энергии. В определенных специфических вариантах осуществления водоросли присутствуют в концентрации приблизительно 0,1-2% по весу конечного продукта.
В некоторых случаях водоросли или родственный продукт применяют в качестве покрытия на отдельных спрессованных основах или как покрытие или мембрану через стопку или другую совокупность спрессованных основ для того, чтобы сохранить структуру основ и тем самым быть устойчивыми к разделению на более мелкие части или составляющие частицы. Такие случаи необходимо отличать от ситуации, где водоросли тщательно смешиваются с другими компонентами спрессованных основ, как с традиционными связующими.
На многих рынках цена на сырьевые материалы, применяемые для получения спрессованных продуктов, будет существенно колебаться. Поэтому композиции продукта, предусмотренные для энергоустановок, могут быть отрегулированы соответственно с тем, чтобы цены оставались целесообразно контролируемыми независимо от изменений цены сырья. Тем не менее, будет желательно сохранить стабильно высокое BTU содержание и малозольное образование независимо от композиции спрессованного продукта. Примеры пригодных "гарантированных" критериев для областей применения в совместном сжигании будут приведены ниже.
Следует понимать, что требуемые сочетания свойств продукта будут изменяться от области применения к области применения или от потребителя к потребителю. С помощью смешивания сырьевых материалов и определенных добавок можно обеспечить специализированные продукты топлива биомассы, которые сохраняют стандарты качества, требуемые для различных областей применения. Кроме того, если одно сырье становится недостижимым можно выбрать одну или более замен сырьевых материалов и обработать их до аналогичного продукта, который удовлетворяет всем требованиям потребителя.
В некоторых случаях композиции спрессованного продукта данного изобретения содержат до и включая 100% биомассы. Тем не менее, как показано, часто используются более сложные композиции. В определенных вариантах осуществления композицию спрессованного продукта можно, в общем, охарактеризовать как изложено далее: от приблизительно 5 до 100% по весу биомассы, до приблизительно 25% по весу выгорающей добавки, такой как известь, и до приблизительно 95% по весу ископаемого топлива, такого как угольная мелочь. Более обычно, спрессованный продукт будет содержать от приблизительно 15 до 100% по весу биомассы до приблизительно 5% по весу выгорающей добавки и до приблизительно 85% по весу ископаемого топлива. В вариантах осуществления, которые не используют ископаемое топливо, негорючий компонент, если он присутствует, может присутствовать на уровне приблизительно 5% по весу или менее. Кроме того, в вариантах осуществления без компонента ископаемого топлива, часть биомассы может содержать еще два различных типа биомассы, иногда выбранных для обеспечения смешанного среднего значения плотности энергии, содержания золы и содержание серы для удовлетворения общественного требования (например, правительственное требование) или критериев потребителей. Следует отметить, что поскольку бумажные продукты получают из растительного материала, они считаются "биомассой", как это выражение используется в данном документе.
Следующие примеры иллюстрируют диапазоны компонентов биомассы в спрессованных основах, имеющих два или более компонентов.
Макулатура (например, картон) - приблизительно 50-95% по весу, и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 60-85% по весу.
Известь - приблизительно 0,5-10% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 2-7% по весу.
Отходы соевых бобов - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 50-80% по весу.
Высушенная древесина (приблизительно 15% по весу или менее воды) -приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 25-75% по весу.
Просо - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 50-90% по весу.
Мискантус - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 40-90% по весу.
Кукуруза - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 40-90% по весу.
DDG - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 20-80% по весу.
Городские отходы - приблизительно 5-100% по весу и в более специфических вариантах осуществления приблизительно 30-90% по весу. Они могут включать один или более из следующего: бумага, картон, пластмасса высокой плотности и пластмасса низкой плотности.
В некоторых специфических вариантах осуществления композиция включает комбинацию пригодных городских отходов, природных трав и сырья из сельского хозяйства, с факультативными и меняющимися другими продуктами. Сырье из сельского хозяйства может включать стебли, шелуху, стручки и подобное. В различных вариантах осуществления композиция включает приблизительно 30-90% городских отходов, приблизительно 40-90% трав и приблизительно 40-80% сельскохозяйственных сырьевых материалов, все процентные отношения по весу. Городские отходы могут включать картон, особенно вощеный картон.
Иллюстративные композиции спрессованного продукта являются следующими:
(1) посадочный материал соевых бобов приблизительно 25%, картон приблизительно 75%, (2) посадочный материал кукурузы приблизительно 25%, картон приблизительно 75%, (3) Мискантус приблизительно 25%, картон приблизительно 75%, (4) посадочный материал подсолнечника приблизительно 25%, картон приблизительно 75%, (5) целые подсолнечники, сырье, верхние части и семена приблизительно 20%, картон приблизительно 80%, (6) трава теплого времени года приблизительно 25%, картон приблизительно 75%, (7) солома приблизительно 20%, картон приблизительно 75%, и (8) просо приблизительно 25%, картон приблизительно 75%. Древесные щепки, сосновые иголки, верхушки сосновых деревьев, шалфей и все травы отдельно или в комбинации могут замещать или добавляться в картон. Все процентные отношения предусмотрены на вес основы. В вышеприведенных примерах и по всему документу, когда упоминаются картон или бумага, некоторая фракция, или все компоненты могут быть вощеными, что означает, что компонент имеет некоторое количество воска (например, парафина или пчелиного воска), нанесенного на или пропитывающего бумагу или картон. Для областей применения в совместном сжигании спрессованные продукты данного изобретения могут использовать один или более следующих компонентов биомассы: шалфей, посадочный материал соевых бобов, посадочный материал кукурузы, посадочный материал подсолнечника, семена и верхние части, высушенную древесину и травы. Для областей применения в совместном сжигании производственного масштаба, например областей применения в энергоустановках, эти продукты будут обеспечены в больших объемах, часто порядка от тонны до нескольких тонн за день. Считается, что биомасса может замещать до приблизительно 15% общей энергии, вводимой на электростанциях, работающих на угле лишь с незначительными модификациями.
В определенных вариантах осуществления, таких как некоторые из тех, что используются для областей применения в рекультивации мест захоронения отходов, спрессованные продукты могут включать удобрение и/или семена травы. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления спрессованные структуры (особенно пеллеты) окрашены для областей применения в обустройстве и озеленении и рекультивации мест захоронения отходов. Например, природно-черные, зеленые и/или красные пеллеты могут использоваться для областей применения в обустройстве и озеленении. В определенных специфических вариантах осуществления пеллеты для обустройства и озеленения могут использоваться для клумб и насаждений.
Форма спрессованной основы
Как указывалось, варианты осуществления данного изобретения принадлежат к спрессованным продуктам, таким как пеллеты или брикеты. Другие формы спрессованной основы включают блоки и шарики. Можно обеспечить мягкое сырье для энергоустановки, но было обнаружено, что транспортировка такого материала представляет определенные проблемы. В частности, вибрация, которую испытывает сырье в кузове во время транспортировки, может спрессовывать сырье до такого размера, что некоторые его части становятся достаточно тяжелыми и очень трудными для удаления. Гранулированное или брикетированное сырье биомассы избегает этой проблемы. Кроме того, гранулированные смеси комбинированных материалов сырья (и возможно другие материалы в комбинации с такими сырьевыми материалами) устойчивы к разделению во время транспортировки.
Спрессованные основы, используемые в данном изобретении, могут иметь широкий диапазон размеров и форм. В некоторых вариантах осуществления основы представляют собой пеллеты, имеющие в основном цилиндрические или сферические формы. Они составляют обычно не больше, чем приблизительно два дюйма в длину или диаметр, и обычно не больше, чем приблизительно один дюйм. В определенном варианте осуществления спрессованные основы представляют собой пеллеты, имеющие длину наиболее приблизительно 1,5 дюйма и диаметр от приблизительно 0,25 до приблизительно 0,313 дюймов как определено Институтом гранулированных видов топлива (Pellet Fuels Institute) для гарантии предсказуемого количества топлива и предотвращения защемления.
Брикеты обычно имеют квадратный или прямоугольный профиль и могут иметь изогнутый или угловой срезы. В определенных вариантах осуществления они будут обычно иметь размеры от приблизительно 1 до 4 дюймов вдоль прямоугольных сторон и иметь размеры от приблизительно 0,5 до 3 дюймов в третьем измерении.
Независимо от конечной формы (размера и формы) спрессованных основ они должны быть устойчивы к распаду или крошению во время обработки в соответствии со своими предполагаемыми областями применения. Они должны производить только ограниченное количество пыли при разложении во избежание пыли по мере загрузки и эксплуатации. В определенном варианте осуществления спрессованные основы производят мелкие частицы, проходя через 1/8-дюймовый фильтр на уровне не более чем приблизительно5 процентов по весу спрессованных основ. Обычно, хотя не обязательно, спрессованные основы в совокупности таких основ имеют сравнительно равномерный размер и форму. В некоторых случаях стандартное отклонение в размере спрессованных пеллет в совокупности составляет приблизительно 0,3 дюйма или менее.
Спрессованные основы данного изобретения будут обычно составлены из сравнительно небольших частиц, имеющих размеры порядка приблизительно 0,1 дюйма или менее. Часто частицы имеют средний размер от приблизительно 0,1 до 5 миллиметров.
Свойства спрессованной основы
Спрессованные продукты, раскрытые в данном документе, могут быть определены, по меньшей мере, отчасти, на основе их свойств. Часто эти свойства будут применимы к отдельной области применения. Кроме того, свойства могут быть неизменными независимо от составляющих материалов, используемых для изготовления продуктов. Зачастую это необходимо, потому что свойства сырьевых материалов биомассы могут изменяться широко и потому что некоторые сырьевые материалы могут становиться недоступными или чрезмерно дорогими. Как указывалось, композиции спрессованных продуктов могут быть отрегулированы, чтобы приспосабливаться к изменяющимся потребностям и доступности. Часто два или более материалов сырья биомассы используются в данном спрессованном продукте.
В случае продукта для областей применения в совместном сжигании следующие свойства могут определять спрессованную основу, обеспеченную в соответствии с определенными вариантами осуществления.
BTU плотность составляет, по меньшей мере, приблизительно 7000 BTU/фунт, и в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 8500 BTU/фунт, и в дополнительных вариантах осуществления, по меньшей мере, приблизительно 9500 BTU/фунт.
Содержание серы составляет менее чем приблизительно 1% по весу и в некоторых случаях менее чем приблизительно 0,5% по весу.
Производство золы составляет менее чем приблизительно 10%, и в некоторых случаях менее чем приблизительно 7,5%, и в определенных вариантах осуществления менее чем приблизительно 5% по весу. В некоторых случаях содержание золы составляет приблизительно 4% по весу или менее. Разумеется, более высокие содержания золы могут встречаться в композициях, таких как те, что используются в угольной мелочи. Содержание золы можно выразить как процентное отношение остатка, оставшегося после сухого окисления (например, окисление при 550-600°С в кислороде). В некоторых случаях содержание золы определяют по отношению к содержанию твердых веществ горючего материала перед сжиганием.
Примеры типичных значений этих параметров для различных сырьевых материалов представлены в следующей таблице (которая содержит данные, адаптированные из общественно имеющихся источников).
Продукт
ВTU/фунт
Сера, %
Зола, %
Влага, %
Люцерна
6934
7,94%
12,25%
Люцерна
7729
9,06%
0%
Осина
7786
0,02%
2,48%
6,02%
Осина
8501
0,02%
2,67%
0%
Кукурузный глютеновый корм
7199
0,33%
3,78%
12,06%
Кукурузный глютеновый корм
8097
0,38%
4,30%
0%
Обмолоченная кукуруза
6924
0,11%
1,13%
13,43%
Обмолоченная кукуруза
8100
0,11%
1,23%
0%
Початок кукурузы
7369
0,04%
2,16%
7,12%
Початок кукурузы
7911
0,04%
2,32%
0%
Посадочный материал кукурузы
7057
0,04%
6,81%
9,14%
Стебли кукурузы
7768
0,04%
7,64%
0%
Сухая барда с гидролизатами
8459
0,40%
4,16%
9,27%
Сухая барда с гидролизатами
9422
0,45%
4,13%
0%
Сухая барда без гидролизатов
8473
0,34%
1,96%
13,25%
Сухая барда без гидролизатов
9848
0,36%
2,24%
0%
Овес
7143
0,14%
3,17%
12,49%
Овес
8242
0,16%
3,58%
0%
Соевые бобы
8783
0,29%
5,19%
10,25%
Соевые бобы
10230
0,33%
6,22%
0%
Стручки соевых бобов
6660
0,07%
4,17%
11,38%
Стручки соевых бобов
7570
0,08%
4,22%
0%
Стручки соевых бобов
9042
3%
15%
Пшеничная солома
6839%
0,07%
10,40%
8,26%
Пшеничная солома
7375
0,08%
11,33%
0%
Овсяная солома
7153
0,05%
7,90%
6,91%
Овсяная солома
7626
0,06%
8,49%
0%
Жом сахарной свеклы
6597%
0,14%
3,80%
9,70%
Жом сахарной свеклы
7345
0,16%
4,31%
0%
Стручки подсолнечника
8474
0,14%
2,86%
8,56%
Стручки
9654
0,16%
3,13%
0%
подсолнечника
Семена
12000
8%
подсолнечника
Отруби
7228
0,15%
5,18%
12,58%
Отруби
8415
0,17%
6%
0%
Газеты
7975
1,50%
6%
Коричневая бумага
7250
1%
6%
Гофрированная бумага
7040
5%
5%
Бумага с покрытием из
7340
2,60%
5%
пластмассы
Пакеты для молока с покрытием
11330
1%
3,50%
Цитрусовая кожура
1700
0,75%
75%
Сапожная кожа
7240
21%
7,50%
Композиция подошвы Вutу
10900
30%
1%
Полиэтилен
20000
0%
0%
Полиуретан
13000
0%
0%
Латекс
10000
0%
0%
Резиновые
10000
20%
0%
отходы
Сажа
14093
0%
0%
Парафиновый
18621
0%
0%
воск
Вощеная
11500
3%
1%
бумага
Смола и
17000
1%
0%
асфальт
Древесные
8000
3%
10%
опилки
Лоскуты
7200
2%
5%
Животные
17000
0%
0%
жиры
Хлопковые
8000
2%
10%
семена
Кофейная гуща
10000
2%
20%
Другие подходящие свойства спрессованных продуктов могут включать плотность, максимальную концентрацию определенных элементов, общее содержание жидкости. В различных вариантах осуществления спрессованные основы представляют собой основы, которые существенно более плотные, чем их неспрессованные компоненты (сырье). В качестве примера, спрессованную основу можно уменьшить в объеме, по меньшей мере, в приблизительно 5 раз по сравнению с соответствующим объемом неспрессованного сырья. Обычно, но в зависимости, отчасти, от содержания влаги и размера частиц, прессование приводит к снижению объема в приблизительно 10-15 раз. Как объяснялось выше, связующее может облегчать этот уровень уплотнения. В типичных вариантах осуществления спрессованный продукт будет иметь плотность от приблизительно 20 до 40 фунтов/кубический фут. В некоторых случаях плотность даже больше, например, по меньшей мере, приблизительно 40 фунтов/кубический фут.
В другом специфическом варианте осуществления хлориды присутствуют на уровне не более чем приблизительно 300 частей на миллион, например, чтобы избежать ржавления камеры сгорания и входного отверстия или других форм коррозии. В определенных вариантах осуществления содержание влаги спрессованных продуктов составляет приблизительно 15% или менее, в некоторых случаях менее чем приблизительно 10% или менее и в специфическом варианте осуществления приблизительно 9% или менее - все по весу.
Кроме того, различные композиции имеют значения энергосодержания (например, на основе массы плотности энергии), которые составляют приблизительно на 15-30% больше, чем плотности энергии аналогичных древесных пеллет. Примеры композиций продукта, имеющих такие высокие плотности энергии, являются теми, которые используют комбинацию городских отходов, природных трав и сырья из сельского хозяйства. В специфическом примере композиция продукта включает приблизительно 30-90% картона, приблизительно 5-40% природных трав и приблизительно 5-60% сельскохозяйственного сырья.
Среди различных преимуществ прессования имеют место следующие: обезвреживание продукта из тепла, произведенного в процессе, улучшенная стабильность при хранении, сравнительно постоянный размер продукта, устранение расслоения материалов, которые придают продукту форму, снижение пыли, улучшенный срок годности, легкость в обращении и транспортировке.
Способы получения спрессованных основ
Различные методики могут использоваться для получения продуктов спрессованной биомассы в соответствии с данным изобретением. Обычно, один или более сырьевых материалов обеспечен в устройстве прессования. Могут быть проведены некоторые операции, предшествующие прессованию. Дополнительно или в качестве альтернативы могут быть проведены некоторые операции после прессования. Все композиции и свойства всех спрессованных основ, описанные где-либо еще в данном документе, можно получить в соответствии со способами данного раздела.
В зависимости от условий сырья может быть необходимым осуществить одно или более разделений или других процедур перед прессованием. Например, вагон для смешивания, который является вагоном, традиционно применяемым на фермах с целью разрушения брикетов из сена или другого овощного материала до соломы и т.д., можно применять, чтобы приспособить брикетированные сырьевые материалы в условие, подходящее, кроме того, для обработки. Таким образом, в некоторых случаях, брикеты травы и/или других исходных сырьевых материалов вначале поставляют в вагон смешивания, где брикеты разрушаются, полученный материал смешивают и доставляют на один или более этапов перемалывания. Может быть использован конвейер для перемещения материала из разрушенных брикетов на эти этапы.
В некоторых случаях сырье является компонентом городских отходов, получаемым путем сортирования компонентов этих отходов. В одном примере перерабатываемые отходы, содержащие пластмассы и/или бумагу с высокой плотностью энергии в дополнение к стеклу, металлу и/или пластмассе с низкой плотностью, сортируют для выделения пластмасс и/или бумаги с высокой плотностью. Различные инструменты доступны для облегчения такого сортирования. Один такой продукт продается Komar Industries of Groveport, Огайо. Огромные количества биомассы, необходимые для некоторых энергоустановок для замены или присадки к углю, могут быть обеспечены частично с помощью городских отходов. Кроме того, применение таких отходов для топлива или других областей применения для сгорания снижает цену и разрушение окружающей среды путем вывоза отходов на свалку.
Может быть желательным использование специализированных конвейеров для работы с различными сырьевыми материалами, используемыми в способе. Поэтому независимо от того, необходима ли для способа бумага, картон, городские отходы, сельскохозяйственные продукты (такие как брикеты трав или отходы фермерской сельскохозяйственной культуры) или другое сырье, механизмы перевозки будут соответственно работать с отдельным сырьем на основе их конкретных характеристик (размер, плотность, форма, хрупкость и т.д.).
В некоторых случаях исходные сырьевые материалы будут обеспечиваться с размером частиц и плотностью, которые позволяют им подаваться непосредственно в устройство прессования. В других случаях, однако, сырьевые материалы обеспечивают в форме, требующей провести некоторую предварительную обработку для достижения желаемого размера частиц и полной плотности. То есть, сырье должно быть превращено в состояние, подходящее для подачи в гранулятор, брикетировочный пресс или другое устройство прессования. Для многих областей применения, желательно, чтобы сырье, подаваемое в устройство прессования, имело низкую плотность и даже иногда мягкую структуру. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления устройство для обработки включает один или более этапов измельчения сырья до этапа прессования. Такое устройство может включать молотковые мельницы и подобные инструменты.
Некоторые сырьевые материалы, такие как сырые сельскохозяйственные сырьевые материалы, могут нуждаться в частичном высушивании для получения уровня влаги, подходящего для данного способа. Высушивание можно осуществить различными методиками, известными в данной области техники. В одном примере энергия отходов из других аспектов данного способа используется для высушивания сырья. Например, некоторые устройства для обработки используют циклонный уловитель для удаления пыли на различных этапах способа. Воздух из выхлопа циклонного уловителя может использоваться для высушивания сырых сырьевых материалов.
В некоторых случаях разделение и/или измельчение осуществляли раздельно на каждом отдельном типе сырья, так что все сырьевые материалы обрабатывались раздельно. Следует помнить, что многочисленное различные сырьевые материалы можно объединить для формования пеллет заданной композиции. В других случаях два или более сырьевых материала обрабатывают вместе в одном обрабатывающем устройстве (например, молотковой мельнице). Следует отметить, что в вариантах осуществления использование многочисленных сырьевых материалов отдельные сырьевые материалы обычно смешивают до устройства прессования. Смешивание сырьевых материалов можно осуществить непрерывно или отдельными порциями. В случае порций рабочий-оператор может сгребать или иным образом доставлять отдельные сырьевые материалы в смеситель. Различные смесители являются подходящими для применения с данным изобретением. Примеры включают кормосмесители для скота и подобное. В определенном варианте осуществления устройство может смешивать до четырех различных сырьевых материалов и регулировать скорости подачи одного или более из них, чтобы компенсировать различные плотности исходных сырьевых материалов. В определенном варианте осуществления две раздельные молотковые мельницы используются, чтобы полностью превратить траву, картон или другое сырье в порошкообразное состояние, подходящее для гранулирования. Первая молотковая мельница частично превращает исходное сырье в пригодное состояние для гранулирования, в то время как вторая нижняя молотковая мельница завершает изменение до полностью порошкообразного состояния. В некоторых случаях три или более раздельных молотковых мельницы или других измельчающих станций используют для проведения тонкого измельчения или перемалывания. Было обнаружено, что этот подход работает особенно хорошо в случае бумажного или картонного сырьевых материалов. Было также обнаружено, что молотковые мельницы, оснащенные ножами, особенно пригодны для измельчения определенных сырьевых материалов.
Как уже упоминалось, порошкообразное сырье предпочтительно имеет характеристики, подходящие для применения в грануляторе или другом устройстве прессования. Такие характеристики могут представлять собой степень сухости (например, приблизительно 8-14% влаги по весу), размеры гранул (например, приблизительно 0,1-5 миллиметров), плотность и т.д. Для составления пеллет, содержащих многочисленные различные сырьевые материалы, могут существовать различные раздельные подводящие линии в гранулятор, по одной для каждого из различных компонентов. В определенных вариантах осуществления устройство, изготовляющее пеллеты, будет включать камеру смешивания, расположенную до гранулятора. Различные компоненты сырьевых материалов, применяемые для формования составных пеллет, подают в камеру смешивания через раздельные подводящие линии. Камера смешивания объединяет эти различные сырьевые материалы в хорошо перемешанную, обычно равномерно распределенную смесь, которая затем подается в гранулятор. В других вариантах осуществления многочисленные сырьевые материалы смешивают до устройства прессования (например, в вагоне смешивания) партиями или непрерывным способом.
Различные методики могут использоваться для повышения качества и транспортировки исходного сырья или порошкообразного сырья, например, из молотковой мельницы или другого устройства для тонкого измельчения в устройство прессования. В одном варианте осуществления воздуходувная машина перемещает порошкообразный материал на линию или другой канал (например, 8-дюймовая линия). В одном варианте осуществления обработанное сырье временно хранят в сборнике или другом сосуде до тех пор, пока оно не понадобится для переработки в пеллеты. В определенном варианте осуществления линия передачи с винтовым транспортером обеспечивается на нижней части сборника или в другом месте для перевозки сырья через технологическую установку. В определенном варианте осуществления винтовая линия передачи перемещает обрабатываемый материал на конвейер в пределах завода по производству пеллет. В особенности, конвейер может подавать материал на верхнюю часть гранулятора. В некоторых вариантах осуществления бокс захвата материала расположен на верхней части гранулятора. На чертеже изображен специфический вариант осуществления, в котором собранная трава или другое сырье 101 и 103 подается посредством конвейера 105 вверх на верхнюю молотковую мельницу 107. Сила тяжести подтягивает материал, обрабатываемый в верхней молотковой мельнице 107, на выход, расположенный внизу этой молотковой мельницы. Оттуда частично превращенный сырьевой материал спускается к нижней молотковой мельнице 109, где переработка завершается, как уже упоминалось выше. Факультативно, обрабатываемое сырье можно хранить в резервуаре-хранилище (не показано). В изображенном варианте осуществления винтовой транспортер или приложение сжатого воздуха управляет транспортировкой порошкообразного сырья через линию передачи 111 до бокса захвата 113, где оно затем проходит в гранулятор 115. Получившиеся пеллеты 117 охлаждают, факультативно упаковывают и делают доступными для предполагаемой области применения (например, сгорания). Многие типы грануляторов являются подходящими для получения пеллет в соответствии с настоящим изобретением. В различных примерах гранулятор включает паровой инжектор для облегчения связывания исходного материала в пеллеты. Одним поставщиком подходящих грануляторов является California Pellet Mills (CPM) Waterloo Iowa. Когда пеллеты экструдируют и спрессовывают в матрицы, удаляют много остаточной влаги, вводимой паровой обработкой. Как уже упоминалось, некоторые пеллеты, получаемые в соответствии с данным изобретением, будут иметь заданный размер и форму. Матрицы, применяемые в грануляторе, разрабатываются для получения пеллет желаемого размера и формы. В специфических примерах применяются кольцевые или плоские матрицы.
Пеллеты, только что полученные гранулятором, обычно очень горячие, иногда в диапазоне 140-200°F. Поэтому пеллеты следует охладить перед дальнейшей обработкой или транспортировкой. В определенных вариантах осуществления устройство для получения пеллет использует охладитель пеллет, который охлаждает пеллеты до подходящей температуры (например, приблизительно 60-120°F). Затем охлажденные пеллеты можно вводить в вибрационное сито для отсеивания мелких частиц. Мелкие частицы можно повторно использовать для другого пропускания через гранулятор.
Различные этапы в способе могут производить пыль или другие обломки, которые могут препятствовать операциям. В одном варианте осуществления планировка оборудования способа на полу обеспечивает конвейеры определенного сырья в положениях, где брикеты сельскохозяйственных продуктов могут отфильтровывать пыль или другие обломки. Посредством захвата пыли из способа в брикеты сельскохозяйственного сырья некоторые отходы возвращаются в способ. В одном примере оборудование способа включает вакуумную систему (например, лопасть циклонного уловителя), чтобы двигать пыль или другие обломки из отдельных положений на полу (например, ниже конвейеров и/или грануляторов) к брикетам сырья, которые действуют как фильтры.
Часто спрессованные продукты должны иметь сравнительно низкое содержание влаги. Это тот случай, например, когда продукты используют для областей применения в совместном сжигании, где содержание влаги снижает BTU плотность. В определенных вариантах осуществления способ, образующий спрессованный продукт, использует небольшое высушивание или не использует его. Эту цель можно реализовать использованием сырьевых материалов, которые уже являются, в основном, сухими; примеры включают материалы, которые сохнут в природе на земле, под солнцем. В отличие от этого спрессованные древесные продукты изготовляют из древесных щепок, которые обычно имеют содержание влаги порядка приблизительно 30% по весу и должны быть высушены перед формованием пеллет. Некоторые сырьевые материалы, используемые в настоящем изобретении, имеют уровни влаги приблизительно 20% по весу или меньше или даже приблизительно 15% по весу или меньше (или приблизительно 10% по весу или меньше). Как описано ниже, некоторые инструменты для прессования могут сами облегчать удаление влаги из сырья, такого как древесина. Кроме этого, как уже упоминалось в другом месте, определенные варианты осуществления данного изобретения используют пеллеты, не имеющие древесного содержания. Другие варианты осуществления используют только небольшое количество древесины (например, приблизительно 5% по весу или менее или даже приблизительно 1% по весу или менее) для придания приятного аромата продукту.
В одном варианте осуществления древесные продукты или другой продукт со сравнительно высоким содержанием воды обрабатывают в брикетировочном прессе для удаления избытка воды. Древесные щепки или другой древесный продукт может обрабатываться отдельно или в комбинации с другими компонентами (биомасса или ископаемое топливо) для производства полученного продукта с существенно сниженным содержанием воды. Например, если древесные щепки содержат приблизительно 49% воды по весу перед обработкой, прессование в брикетировочном прессе может снижать содержание воды до приблизительно 10-20% по весу. Брикетировочный пресс обеспечивает энергетически эффективную методику для удаления содержания воды из древесных щепок и других сырьевых материалов с высоким содержанием влаги. В определенных вариантах осуществления брикетировочный пресс содержит два противоположных ролика с матрицами или выемками, расположенными по периметру роликов. Выемки представляют собой размер брикетов, которые нужно получить. Ролики могут управляться огромными моторами, например двумя гидромоторами с 200 лошадиными силами. Сырьевой материал подается из накопителя, расположенного выше пресса. Материал падает между роликами и прессуется в брикеты посредством вращающего/спрессовывающего действия роликов.
Как уже упоминалось, брикеты обычно имеют тупой профиль и обычно размеры приблизительно 1-4 дюйма вдоль сторон. Эта сторона и форма делает их пригодными для прямой подачи в энергетическую установку, работающую на угле. Никакая дальнейшая обработка не является необходимой; брикеты биомассы могут смешиваться непосредственно с углем, поскольку подаются в энергоустановку или камеру сгорания. Брикетировочный пресс может работать на месте энергоустановки и производить брикеты для прямого применения, без необходимости транспортировки конечного продукта. Брикетировочные прессы получаются различных размеров. В некоторых вариантах осуществления, подходящих для применения в получении брикетов для областей применения в совместном сжигании, пресс выбирают так, чтобы он мог производить, по меньшей мере, приблизительно 50 тонн брикетов/час.В некоторых случаях пресс может производить приблизительно 150 тонн брикетов/час.
В определенных вариантах осуществления ископаемое топливо и компоненты биомассы комбинируют для формирования спрессованного продукта данного изобретения. Один пример такого продукта включает биомассу совместно с угольной мелочью или частицами угля. Продукт может представлять собой, например, пеллету или брикет. В некоторых случаях биомассу и компоненты угля смешиваются раздельно (в раздельном смесителе) и затем передвигаются на конвейер, где они транспортируются до бункера, который может находиться наверху брикетировочного пресса. Брикетировочный пресс затем производит брикеты из угля и биомассы как составные топливные продукты. В определенных вариантах осуществления связующее, такое как просроченный кокосовый сироп или пластмассу, можно добавить в брикетировочный пресс (вместе с углем и биомассой) для получения гарантии стабильного продукта.
Сравнительные количества ископаемого топлива и компонентов биомассы в спрессованных продуктах могут отражать сравнительные количества, необходимые для предполагаемой области применения в сгорании, такой как совместное сжигание в энергоустановке. В типичной области применения в совместном сжигании приблизительно 5-20% по объему (например, приблизительно 15% по объему) топлива, предусмотренного для сгорания в энергоустановке, является спрессованным материалом биомассы с остатком, являющимся углем или другим ископаемым топливом. Общее ежедневное количество топлива в типичной энергоустановке может составлять несколько тонн, даже сотни тонн. В определенных вариантах осуществления способ производства, как описано в данном документе, применяют для производства приблизительно 10-15 тонн спрессованной присадки к топливу низкого качества за смену рабочего. В типичном примере энергоустановка может требовать приблизительно один миллион тонн в год горючего продукта, по меньшей мере, некоторые из которых содержат спрессованные материалы биомассы типа, раскрытого в данном документе.
Области применения в абсорбентах отходов и подстилах
Во многих случаях биомасса, содержащая гранулированный материал, может служить в качестве наполнителя для кошачьих туалетов или других подобных пригодных абсорбирующих продуктов. Компоненты таких продуктов могут придавать одно из следующих свойств: низкая цена, уменьшение аромата, маскировка аромата, цвет и, конечно, абсорбция. Примеры подходящих абсорбирующих материалов с низкой ценой включают бумагу, включая картон, и различные сельскохозяйственные сырьевые материалы или другие растительные отходы, такие как стручки, шелуха, стебли и мякоть. Специфические примеры включают продукты соевых бобов (стебли и стручки), продукты кукурузы (шелуха, стебли и початки кукурузы) и продукты подсолнечника (стебли). На основе бумаги абсорбирующие продукты используют, по меньшей мере, приблизительно 40% бумаги и/или картона, любой или оба из которых могут быть вощеным.
Зачастую, абсорбирующие спрессованные основы не включают, в основном, наполнитель для кошачьих туалетов, использующий глину или подобный традиционный материал. В некоторых вариантах осуществления абсорбирующий материал может включать другой абсорбирующий материал, такой как суперабсорбирующий полимер (SAP). SAP широко применяются в пеленках и подобных продуктах. Они часто представляют собой полимеры на основе акрилата, но все больше получаются из возобновляемых растительных ресурсов.
Различные уничтожающие запах компоненты, такие как циклодекстрин, кукурузный крахмал, бикарбонаты и/или известь, могут присутствовать в небольших или даже следовых количествах (например, менее чем приблизительно 2% по весу или даже менее чем приблизительно 1% по весу). Когда используется циклодекстрин или подобный продукт, он может присутствовать на уровне приблизительно 0,05 - 0,1 весового процента. Определенный маскирующий запах компонент, такой как кофейная гуща, может также присутствовать в небольших количествах (например, менее чем приблизительно 5% по весу). Другие добавки, которые могут быть обеспечены в продуктах наполнителя для кошачьих туалетов, включают небольшое или даже следовое количество мыла и/или растительного масла, обычно менее чем приблизительно 0,1% по весу (например, приблизительно от 0,01 до приблизительно 0,02% по весу).
Обычно абсорбирующий материал содержит, по меньшей мере, приблизительно 50% по весу продуктов биомассы. В различных вариантах осуществления абсорбирующий материал включает от приблизительно 5 до 50% по весу отходов сельскохозяйственных культур и от приблизительно 30 до 95% по весу бумажных отходов, таких как картон, совместно с небольшим количеством материала, удаляющим или маскирующим запах. В более специфических вариантах осуществления материал включает от приблизительно 10 до 30% по весу отходов сельскохозяйственных культур и от приблизительно 65 до 90% по весу бумажных отходов. В одном специфическом варианте осуществления абсорбирующая композиция содержит пеллеты приблизительно 80% по весу картона (или в более общем смысле целлюлозного бумажного материала), приблизительно 20% по весу отходов соевых бобов, кукурузы и/или подсолнечника и небольшое количество абсорбирующего запах материала (например, циклодекстрина, кукурузного крахмала, извести или пищевой соды). Другая специфическая композиция содержит от приблизительно 50 до 90% по весу бумажного продукта, приблизительно 10-40% по весу продукта кукурузы, и уничтожающего запах компонента, как указано выше.
3
3
В некоторых случаях наполнитель или другой абсорбирующий материал составляют из гетерогенной смеси (смешанного размера) из частиц и смешивают целлюлозные волокна с подобными плотностями. В определенных примерах плотность конечного продукта составляет от приблизительно 0,4 до 0,8 г/см, или более определенно приблизительно 0,5-0,7 г/см (30-42 фунтов на кубический фут). Средний размер пеллеты наполнителя может составлять от приблизительно 1/8 до А дюймов в диаметре (например, приблизительно 3/16 дюйма) и от приблизительно А до 11А дюймов в длину. Пеллеты обычно экструдируют через матрицу и большинство из них обламывают так, что конец пеллеты может быть вогнутым, плоским или округленным. Обычно данная партия имеет диапазон длин.
Абсорбирующие материалы, описанные в данном документе, можно получить посредством процесса гранулирования, такого как те, что описаны выше. Обычно способ использует сравнительно небольшие количества влаги, например, менее чем приблизительно 10% по весу. Способ изготовления абсорбентов включает тестирование сырья (картона и сельскохозяйственных продуктов) на содержание влаги. Если содержание влаги составляет менее чем 9% по весу, то влагу можно добавлять посредством пара или слабого распыления во время гранулирования. В одном примере рабочий диапазон составляет от приблизительно 9 до 14% влаги по весу. Обычно можно выбрать сырье с надлежащим содержанием влаги так, чтобы не требовалось добавлять пар или воду.
В определенных вариантах осуществления композиции подстила для животных являются композициями на бумажной основе и включают в основном бумагу и отходы сельскохозяйственных культур в комбинации. Обычно спрессованные основы подстила для животных имеют композицию, которая не съедобна для животных, которые будут ее использовать. Например, лошади могут съедать спрессованные продукты, содержащие более чем приблизительно 30% съедобной биомассы. Поэтому композиции для подстила для лошадей обычно содержат не более приблизительно 30% по весу съедобной биомассы. В некоторых случаях продукты подстила для животных включают бумагу или картон, известь, бикарбонатные соли или другие несъедобные компоненты в общем количестве приблизительно 70% по весу или более. Композиции подстила для животных могут включать небольшое количество влаги, как определено выше (например, приблизительно 4-6% влаги по весу). Небольшие количества уничтожающего запах компонента, мыла и/или растительного масла могут быть включены в продукт-наполнитель для кошачьих туалетов (например, не более приблизительно 1% композиции по весу).
В специфических вариантах осуществления композиция подстила для животных включает приблизительно 70-80% по весу картона или бумаги и приблизительно 20-30% съедобной биомассы, такой как отходы кукурузы. Дополнительно продукт может также включать известь в количестве приблизительно 0,02-0,05% по весу.
В некоторых вариантах осуществления подстил для животного получают обработкой сырья в измельчителе и затем в молотковых мельницах для уменьшения размера так, что оно будет протекать через матрицу пеллеты. Мелкие частицы удаляются в способе для устранения любой пыли и небольших частиц, которые могут вызвать респираторные проблемы у животных.
Посредством уплотнения материал спрессованного подстила для животных обеспечивает огромную экономию в транспортировке и хранении. Если хранить солому или древесные щепки в их природном состоянии, они будут занимать огромный объем. В некоторых вариантах осуществления сырье уплотняют до 17 раз для обеспечения спрессованного подстила для животных. Конечно, различное сырье уплотняется до различных степеней. В общем, продукт спрессованного подстила для животных можно применять в меньших количествах и его будет хватать дольше, чем традиционных материалов подстила для животных. И, конечно, продукт является разлагаемым микроорганизмами и из него можно готовить компост.
Разумеется, приготовленный спрессованный продукт можно получать для подстила посредством разбрасывания в стойле и затем незначительным увлажнением материала. Например, 40 фунтов материала можно увлажнить с приблизительно 1 квартой воды. Вскоре после этого, обычно в течение приблизительно одного часа, пеллеты расширяются (иногда разбухают в несколько раз от своего начального размера), таким образом, давая в результате более глубокий и мягкий подстил. Добавленная влага имеет дополнительное преимущество в снижении пыли.
Полученный подстил является хорошим абсорбентом, имеет прекрасные уничтожающие запах характеристики и образует комки, когда животное выделяет мочу так, что использованная часть легко удаляется из стойла. Твердые отходы животных не загрязняют сильно продукт и также удаляются с легкостью.
Заключение
Несмотря на то, что данное изобретение было описано в выражениях определенных специфических вариантов осуществления, оно этим не ограничивается. Например, пеллеты, описанные в данном документе, могут применяться в широком диапазоне областей применения, отличных от промышленного получения энергии, подстила для животных и абсорбирующих материалов для отходов. Среди других областей применения находятся рекультивация мест захоронения отходов и обогрев домов.