Твердое синтетическое топливо в форме поленьев, используемое в качестве заменителя древесины, и способ его получения

(54) ТВЕРДОЕ СИНТЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО В ФОРМЕ ПОЛЕНЬЕВ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В КАЧЕСТВЕ ЗАМЕНИТЕЛЯ ДРЕВЕСИНЬТ, И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Приоритетные Данные: (56) СсЬ 1 лКИ:(72) Изобретатели: Гарибальди Пьерпаоло Пеллегрини Леонардо (1 Т)Настоящее изобретение относится К синтетическому топливу, заменяющему древесину.Более конкретно, настоящее изобретение относится к твердому топливу в форме поленьев, состоящему в основном из синтетического материала, который может быть использован для замены древесины,а также к способу его получения.Использование древесины в качестве топлива считается существенным фактором, хотя и не единственным, который наносит серьезный экологический и социальный ущерб и приводит к уничтожению лесов, разрушению почвы и водоемов, опустошению природы стран третьего мира. Повышенная потребность в дровах и другом твердом топливе также отмечается в более развитых странах вследствие обычая приготавливать пищу на открытом воздухе (например,барбекью).Использование горючих продуктов, аналогичных древесине, но полученных из ископаемых источников,позволяет значительно сократить уничтожение лесов в зонах заготовки дров. Возможным средством, в том числе и для стран третьего мира, в особенности в тех случаях, когда сопротивление культурных традиций исключает применение такого более ценного топлива, как керосин и сжиженные нефтяные газы, а также в целях экономии времени, может быть поиск дешевых материалов, поставка которых будет осуществляться на надежной и стабильной основе.ИСКУССТВСННЫС дрова, ПОЛУЧЭСМЫС ИЗ растительНЫХ ОТХОДОВ, ХОрОШО ИЗВССТНЫ И имеются на рЫНКС.Проблемы, связанные с этим твердым синтетическим топливом, в общем вызваны тем, что оно характеризуется неполным сгоранием, быстро сгорает,обладая относительно низкой теплотворной способностью, и образует несгораемый остаток (золу).Кроме того, использование восстанавливаемых компонентов, даже в виде отходов, создает ту же самую проблему, что и уничтожение лесов: ритм потребления восстанавливаемых источников энергии гораздо выше, чем их естественный рост, поэтому проблема становится заколдованным кругом.ИЗВССТНО, ЧТО ДЛЯ решения ЭТИХ ПрОбЛСМ предлаГЗЮТСЯ ИСКУССТВСННЫС горючие материалы В фОрМС ПОЛСНЬСВ ИЛИ гранул, СОСТОЯЩИС ИЗ ОТХОДОВ ЦСЛЛЮЛОЗЫ, К КОТОрЫМ добавлены различные КОЛИЧССТВЭ. термопластичных СМОЛ.В литературе (патент США 5342418) рассматривается возможность доведения содержания термопластичной смолы, предпочтительно полиолефинов, до 60%, однако практическим примером иллюстрируется содержание от 15 до 30%.В литературе (патент США 4952216) описан горючий материал, который в качестве основного компонента (66-76%) содержит переработанный полиэтилен. Однако использование материала из этих отходов имеет недостатки, которые связаны с выделением вредных и токсичных веществ в процессе горения.В литературе (патент США 4236897) описан горючий материал, который содержит при комнатной температуре от 50 до 99% целлюлозы и от 1 до 50% частиц термопластичной смолы. Содержание термопластичной смолы предпочтительно составляет менее 25 мас.%, поскольку количество, превышающее данную величину, отрицательно влияет на горючие свойства конечного продукта.СИНТСТИЧССКИС ГОрЮЧИС Материалы, которые СОСТОЯТ ТОЛЬКО ИЗ термопластичного ВСЩССТВЭ, НСПрИГОДНЫ ДЛЯ замены ДрСВССИНЫ, ПОСКОЛЬКУ ОНИ не СГОрают ПОЛНОСТЬЮ И бЫСТрО гаснут. Нами установлено,ЧТО твердое ТОПЛИВО, ПОЛУЧЭСМОС согласно НЗСТОЯЩСМу ИЗООрСТСНИЮ ПуТСМ добавления вспенивателя В расплавленный СИНТСТИЧССКИЙ материал, ПОЗВОЛЯСТ устранить описанные ВЫШС недостатки.В соответствии с этим в настоящем изобретении предложено твердое топливо, которое имеет форму поленьев, состоит в основном из синтетического материала, позволяющего заменить древесину, и которое получено способом, отличающимся тем, что- следующие ПрОДуКТЫ смешивают В расплавленНОМ СОСТОЯНИИ:а) термопластичную смолу с высокой молекулярной массой, с плотностью от 0,8 до 1,0 г/см 3 и температурой плавления, равной или меньшей 230 С, в количестве от 70 до 97 Мас.%;б) смолу с низкой молекулярной массой в количестве от 3 до 30 мас.%;в) вспениватель, выбранный из неорганических или органических соединений в количестве от 0,02 до 0,5 молей на килограмм термопластичной смолы (а),- указанную расплавленную смесь экструдируют через матрицу, и наконец,- экструдированную массу разрезают на куски цилиндрической формы.Термопластичные смолы, которые можно использовать в качестве основного компонента топлива,согласно настоящему изобретению, в общем случае представляют собой полиолефины, в частности полиэтилен, полипропилен, полибутен и их сополимеры.В качестве термопластичной смолы предпочтительно используют смолы с точкой плавления, равной или меньшей 180 С, и плотностью от 0,85 до 0,97 г/смз.Термопластичные СМОЛЫ, которые содержат ароматические ГруППЫ, ДЗЖС если ОНИ уДОВЛСТВОрЯЮТ критерию ПО температуре ПЛЗВЛСНИЯ, НСПрИГОДНЫ ДЛЯполучения топлива, согласно настоящему изобретеНИЮ, ВСЛСДСТВИС ИХ ТбНДСНЦИИ ВЫДСЛЯТЬ вредные ВСщества В случае НСПОЛНОГО сгорания.К смолам с низкой Молекулярной массой (от 268 до 2000), которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению, относятся, например, парафины нефтяного происхождения или производные,полученные при синтезе типа Фищера-Тропша.Эти смолы предпочтительно использовать в количестве от 5 до 15% по массе относительно термопластичной смолы.Вспениватель, используемый для регулирования пористости, может быть либо неорганическим, в частности, СО М, воздух, пар, Ат, либо неорганическим,выбранным из-алифатических углеводородов с количеством атомов углерода от 1 до 9, либо химическим соединением, в частности, азодикарбонамидом, азодизобутиронитрилом, 11,11 ддиметил-М ,11 -динитротерефталамидом и тригидразинотриазином. Предпочтительно в качестве вспенивателя использовать СО 2.Количество вспенивателя, который используется для получения топлива, согласно настоящему изобретению, в общем случае изменяется в пределах от 0,02 до 0,5 молей на килограмм термопластичной пластмассы, предпочтительно от 0,05 до 0,3.Топливо, согласно настоящему изобретению,может дополнительно содержать углеродсодержащий материал, выбранный из отходов смол, целлюлозы,древесины или угля, в количестве до 27 мас.% относительно термопластичной смолы.Твердое топливо, согласно настоящему изобретению, может быть изготовлено с использованием обычного оборудования, поставляемого на рынок, в частности экструдеров с продувкой или экструдерных смесителей.Экструдеры с продувкой обычно содержат систему подачи твердой гранулированной смолы, систему нагрева, которая обеспечивает плавление смолы или превращение смеси различных компонентов в расплавленную массу, систему подачи вспенивателя,смесительную систему для однородного распределения вспенивателя в расплавленной массе и охлаждающую систему для охлаждения расплавленной массы до температуры экструзии. Масса продавливается через матрицу из зоны высокого давления в зону низкого давления. Вспененная структура получается за счет расширения вспенивателя при снижении давления.Особенно предпочтительными являются экструдерь 1 тандемного типа, которые состоят из первичного экструдера с высокой скоростью подачи, обеспечивающего смешивание и гомогенное распределение вспенивателя в расплавленной массе, и вторичного экструдера с низкой скоростью подачи для вь 1 полнения операции охлаждения. Распределение температу рь 1 в экструдере относительно температуры плавления используемой термопластичной смолы характеризуется следующим образом: в зоне плавления - на 10-20 С выще, в зоне смешивания и вдувания вспенивателя - на 20-40 С ниже и в зоне охлаждения - на 4060 ниже.Давление в матрице экструдера составляет от 2 до 10 МПа. При работе в предпочтительных условиях СО, подают в расплавленную смесь под давлением от 100 до 200 МПа и при температуре 31 С.Экструдерную мельницу обычно применяют в тех случаях, когда к расплавленной полимерной смеси добавляется углеродсодержащий материал, который необходимо измельчить до состояния частиц с малыми размерами.Твердое синтетическое топливо получают, подавая термопластичную смолу в форме гранул, парафины и углеродсодержащий материал в экструдерную мельницу одного из типов, имеющихся на рынке, в частности, производства СаПГоппа РеПет МШ Сошрапу,при этом при трении материала о стенки мельницы выделяется тепло, необходимое для плавления смолы и парафинов, которые связывают и обволакивают углеродсодержащий материал.После этого в расплавленную полимерную массу, находящуюся в экструдерной мельнице, непрерь 1 вно подают вспениватель. Материал продавливают через матрицу и разрезают ножом на куски цилиндрической формы.При изготовлении при предпочтительных условиях получают топливо с ячейками, которые содержат СО, и имеют размер от 0,1 1 до 0,076 ММ, определяемый согласно АБТМ 133576.Вследствие хорошо известной проницаемости этиленовых полимеров для СО, в процессе старения этот агент постепенно проникает через стенки ячеек и заменяется воздухом, который распространяется внутри. Этот процесс достигает практического равновесия примерно через месяц.Вспененная структура, содержащая воздух во внутренних ячейках, способствует развитию пиролиза только с внешней поверхности искусственного полена, при этом только продукты полного сгорания, а не продукты пиролиза, образующиеся внутри ячеек,могут выходить на поверхность. Таким образом, за счет увеличения времени пребывания при высокой температуре продуктов пиролиза и промежуточныхПрОДуКТОВ ГОрСНИЯ обеспечивается полное сгорание до СО, и Н 2 О.Такая структура обеспечивает продолжительное время горения с видимым пламенем и в то же время гарантирует полное сгорание без выделения продуктов неполного сгорания, в частности золы, альдегидов, кетонов или многоядерных ароматических соединений.Синтетическое топливо, согласно настоящему изобретению, имеет удельный вес (по сравнению с водой при 4 С) от 0,4 до 1,40, предпочтительно от 0,60 до 0,90 мм, и размер ячеек от 0,11 до 0,076 мм.Теплотворная способность этого материала составляет от 16 до 32 Г Дж/т, предпочтительно от 22 до 27 Г Дж/т.Содержание золы (сухой остаток) - менее 3%, а для синтетического топлива, не содержащего повторно используемых материалов, - от 1 до 0,1%.Содержание связанного углерода, рассчитанное по разности согласноАТМ 133172-73, составляет от 5 до 10%.Содержание серы в случае чистого синтетического топлива без повторно используемых материаловПо сравнению с известными горючими материалами синтетическое топливо, согласно настоящему изобретению, имеет следующие преимущества:- возможность организации крупномасштабного производства, соответствующего современному потреблению древесины в качестве источника энергии: более 600 миллионов тэн (эквивалентных тонн нефти), из которых 30% - в зонах истребления лесов, и,наконец,- меньшее воздействие на окружающую среду,поскольку данный материал практически не содержит гетероатомов (хлора, серы, тяжелых металлов и т.д.), в особенности по сравнению с используемыми повторно пластмассами, производными углерода и материалами, которые классифицируются как биомассы.1. Твердое синтетическое топливо в форме поленьев, используемое в качестве заменителя древесины,отличающееся тем, что оно получено способом, заключающимся в том, что: смешивают в расплавленном состоянии:а) термопластичную смолу с высокой молекулярной массой, плотностью от 0,8 до 1,0 г/см 3 и точкой плавления, равной или меньшей 230 С, в количестве от 70 до 97% по массе, б) смолу с низкой молекулярной массой в количестве от 3 до 30% по массе, В) ВСПСНИВЗТСЛЬ, выбранный ИЗ органических ИЛИнеорганических соединений, в количестве от 0,02 до 0,5 мол на кг термопластичной смолы, полученную расплавленную смесь экструдируют и экструдированную массу разрезают на куски цилиндрической формы.2. ТОПЛИВО ПО П. 1 , отличающееся ТОМ, ЧТО ТбрМОпластичная смола ЯВЛЯСТСЯ полиолефином, вь 1 бранНЫМ ИЗ ГруППЫ ВКЛЮЧЗЮЩСЙ ПОЛИЭТИЛСН, ПОЛИПРОПИЛСН, ПОЛИбуТСН ИЛИ ИХ СОПОЛИМСрЫ.3. Топливо по п.2, отличающееся тем, что термопластичная смола имеет точку плавления, равную или меньшую 180 С.4. Топливо по п. 1 , отличающееся тем, что смола с низкой молекулярной массой выбрана из парафинов нефтяного происхождения или из производных,полученных при синтезе типа Фишера-Тропша.5. Топливо по п.4, отличающееся тем, что смолу с низкой молекулярной массой используют в количестве от 5 до 15% по массе относительно термопластичной смолы.6. Топливо по п. 1, отличающееся тем, что вспениватель выбран из группы, включающей неорганические соединения, например СО 2, М Аг, пар, органические соединения, например алифатические углеводородь 1 с количеством атомов углерода от 1 до 9,или такие химические вещества, как азодикарбонамид,азодибутиронитрил, 11,11-диметил-11,11 динитротерефталамид и тригидразинотриазин.7. Топливо по п.6, отличающееся тем, что вспенивателем является СО 2.8. Способ получения твердого синтетического топлива по п.1 путем смешения в расплавленном состоянии термопластичной смолы с высокой молекулярной массой, плотностью от 0,8 до 1,0 г/см 3 и точкой плавления, равной или меньшей 230 С, в количестве от 70 до 97% по массе, смолы с низкой молекулярной массой в количестве от 3 до 30% по массе и вспенивателя, экструзии расплава и разрезания экструдата на куски цилиндрической формы, отличающийся тем,что количество вспенивателя составляет от 0,05 до 0,3 мол на 1 кг термопластичной смолы.9. Топливо по п.7, отличающееся тем, что вспениватель вводят в смесь полимеров под давлением от 100 до 200 МПа.10. Топливо по п.1, отличающееся тем что оно дополнительно включает углеродсодержащий материал, выбранный из группы, включающей рециклированнь 1 е пластмассы, целлюлозу, древесину или углеродный материал в количестве не более 27 мас.% по отношению к термопластичной смоле.11. Топливо по п.1, отличающееся тем, что оно имеет удельную массу от 0,60 до 0,90 г/см 3 и содержит ячейки размером от 0,11 до 0,076 мм.