CZ2020331A3 - Způsob výroby paliva ze syntetického polymerního materiálu a palivo připravitelné tímto způsobem - Google Patents

Abstract

Předkládané řešení se týká způsobu výroby paliva ze syntetického polymerního materiálu, kdy se syntetický polymerní materiál, tvořený atomy vodíku, uhlíku a případně kyslíku, dezintegruje na částice o maximálním rozměru nejvýše 70 mm nebo hmotnosti do 10 g; tyto částice se smísí s netavitelným materiálem v hmotnostním poměru v rozmezí od 1:4 do 9:1; a výsledná směs se podrobí lisování, peletizaci, vytlačení na extruderu a/nebo briketování. Řešení se dále týká paliva připravitelného tímto způsobem.

Description

Způsob výroby paliva ze syntetického polymerního materiálu a palivo připravitelné tímto způsobem

Oblast techniky

Vynález se týká energetického využití odpadních syntetických polymemích látek za přídavku dalších netavitelných a pomocí lisování, peletizace, briketování a extruze.

Dosavadní stav techniky

Syntetické polymemí látky (SPL) jako polyethylen, polypropylen, polystyren a polyethylentereftalát i látky na bázi přírodního polymeru jako papír nebo lepenka se velmi často používají v obalové technice a jejich použití je jednorázové. Po splnění jejich funkce, to je ochrana výrobku při dopravě od výrobce ke spotřebiteli, se obaly velmi často stávají součástí komunálního odpadu ať již tříděného, či netříděného. I když nej častěji používané obalové SPL nejsou toxické, v přírodě se přirozenou cestou rozkládají velmi pomalu a produkty degradace známé jako mikroplasty představují potenciální ohrožení životního prostředí v globálním rozsahu. Likvidace odpadních SPL se stává stále naléhavější a není uspokojivě vyřešena.

Nejlepším způsobem likvidace SPL je jejich recyklace, kdy se zpracují na novou surovinu či konečný výrobek, ale recyklovat lze maximálně 50 procent vytříděných SPL. Recyklace směsi SPL je popsána např. v českém patentu 293717. Nerecyklovatelné odpadní SPL, které po vytřídění představují více než 50 procent, a další SPL obsažené ve směsném komunálním odpadu se běžně likvidují skládkováním nebo spalováním ve velkých zařízeních na energetické zpracování odpadu (ZEVO). Stejným způsobem se likviduje i podstatná část odpadních papírů a lepenek, a to buď kvůli znečištění a příměsím, nebo proto, že byly vyrobeny z již recyklované suroviny, jako např. obaly na vejce, a nelze je znovu jinak využít. 22 procent papíru nelze sbírat a recyklovat (Odpadové fórum, ročník 20, číslo 6, str. 10).

Ani jeden ze zmíněných způsobů likvidace není vyhovující, protože skládkování SPL představuje potenciální nebezpečí pro příští desetiletí a ZEVO jsou konstruovány na spalování směsného komunálního odpadu o minimální výhřevnosti 6,5 MJ/kg, zatímco odpadní obalové SPL mají výhřevnost okolo 40 MJ/kg. Kromě velké výhřevnosti a vysoké teploty při hoření se odpadní SPL při spalování taví a tavenina může zanášet spalovací komory a zahřáté dopravní cesty paliva. Ke spalování samotných SPL jsou nutná speciální zařízení, popsaná např. v amerických patentech US10,317,075 a US8,240,258.

Známé jsou rovněž způsoby likvidace odpadních SPL tepelným rozkladem, pyrolýzou, jak je popsáno např. v americkém patentu US10,246,643 a dalších. Všechny pyrolýzní metody jsou však náročné na energii, protože pracují při teplotách nad 500 °C, je třeba složité technologické zařízení, produkují podstatnou část nežádoucí plynné a tuhé frakce a složení žádoucího kapalného produktu je velmi závislé na složení zpracovávané suroviny.

V patentu US5,801,204 je popsáno tepelné zpracování odpadních plastů spolu s živočišnými či rostlinnými tuky a oleji, kdy při teplotě 150 °C až 250 °C vzniká produkt použitelný jako pojivo pro směsi na povrch silnic nebo jako palivo.

V americkém patentu US5,888,256 je popsán další známý způsob tepelného zpracování odpadu obsahujícího SPL v množství do 15 hmotnostních. Tento odpad se přidává k papírenským odpadům a je využit jako palivo při výrobě cementu; přitom je důraz kladen na složení popelu, který musí obsahovat vysoký a definovaný podíl oxidů křemíku, vápníku, hliníku a železa.

Mezi odbornými názory panuje shoda, že energetické využití odpadních nerecyklovatelných SPL

-1 CZ 2020 - 331 A3 je nejlepší řešení. Předkládaný vynález poskytuje řešení, které je vhodné i pro malé provozy, které se zabývají zpracováním odpadu.

Podstata vynálezu

Předmětný vynález se týká způsobu energetického využití odpadních syntetických polymemích látek (SPL) jejich přeměnou na palivo, vhodné do všech spalovacích zařízení, včetně kamen a domácích nebo průmyslových kotlů.

Předmětem předkládaného vynálezu je způsob zpracování syntetického polymemího materiálu, který obsahuje kroky, kdy se syntetický polymemí materiál, tvořený atomy vodíku, uhlíku a případně kyslíku, dezintegruje na částice o maximálním rozměru nejvýše 70 mm nebo o maximální hmotnosti 10 g, a takto desintegrovaný syntetický polymemí materiál se smísí s netavitelným materiálem v hmotnostním poměm v rozmezí od 1:4 do 9:1 a výsledná směs se podrobí lisování, peletizaci, vytlačení na extruderu a/nebo briketování. S výhodou je velikost částic po desintegraci v rozmezí od 1 do 50 mm, výhodněji od 5 do 30 mm. Popřípadě mohou být částicemi proužky nařezaného syntetického materiálu o maximální hmotnosti 10 g.

Netavitelným materiálem se rozumí jakýkoli organický nebo anorganický materiál, který může být hořlavý či nehořlavý, netaví se při teplotě do 1000 °C, zásadním způsobem neovlivňuje hoření. Tento netavitelný materiál se před smísením s desintegrovaným syntetickým polymemím materiálem upraví tak, aby jeho částice měly nejvýše rozměr srovnatelný s částicemi SPL, s výhodou výrazně menší. Netavitelný materiál lze upravit například drcením, řezáním či mletím. S výhodou je netavitelný materiál vybraný ze skupiny zahrnující papír, lepenku, odpadní kaly z čističek odpadních vod, které mohou být vysušené, například odstředěním nebo lisováním, dřevní štěpku, hobliny, piliny, kůru ze stromů, listí, slámu, rašelinu, kompost, bioodpad, textilní cupaninu a prach, uhelný prach či drť, jíl, písek, jemnou frakci s velikostí částic menší než 1 mm vzniklou při třídění písku, drcení kamene a stavebního odpadu, popel, mletý vápenec, oxid a hydroxid vápenatý.

Syntetickým polymemím materiálem se rozumí nepřírodní organické látky o molámí hmotnosti alespoň 10000 g/mol, tvořené pouze atomy vodíku, uhlíku a popřípadě kyslíku (tj. bez přítomnosti dalších prvků, jako je S, N, halogeny apod.), zejména plasty. Ve výhodném provedení je syntetický polymemí materiál vybraný ze skupiny zahrnující polyolefmy, zejména polyethylen, radiačně síťovaný polyethylen, polypropylen; polystyren; polyethylentereftalát; akryláty; methakryláty a jejich směsi. Nejvýhodněji obsahuje směs syntetických polymemích materiálů alespoň 50 hmota. % polyolefmů.

Nevhodné jsou polymery obsahující atomy dusíku, síry, chlóm, brómu či fluóru, protože při hoření produkují toxické produkty. Jedná se zejména o polyvinylchlorid, polyakrylonitril, epoxidy, polyurethany, polymočoviny, akrylonitril-butadien-styren a pryže.

Výsledný produkt je tuhý, nedrobivý, při hoření se netaví a neodkapává, vydává jasný a nečadivý plamen a oproti samotným odpadním SPL má nižší výhřevnost.

S výhodou má výsledný produkt takovou formu pelet, briket či extrudovaného profilu, které lze buď samotně, nebo ve směsi s jiným pevným palivem použít v běžných spalovacích zařízeních jako jsou kamna a domácí či průmyslové kotle. Výroba pelet, briket nebo extrudovaného profilu může probíhat vsádkově nebo kontinuálně.

Ve výhodném provedení je hmotnostní poměr syntetického polymemího materiálu a netavitelného materiálu v rozmezí od 1:4 do 4:1, výhodněji v poměm 2:3 do 3: 2.

V jednom provedení se směs syntetického polymemího materiálu a netavitelného materiálu před

-2 CZ 2020 - 331 A3 krokem lisování, peletizace, vytlačení na extruderu a/nebo briketování smísí s kapalinou v množství nejvýše 30 hmota. %, vztaženo na hmotnost výsledné směsi, přičemž tato kapalina může být hořlavá nebo nehořlavá a je definována jako látka, která je při teplotě 50 °C a atmosférickém tlaku v kapalném skupenství. S výhodou je kapalina vybraná ze skupiny zahrnující vodu, vodné roztoky a vodné koloidní roztoky, olej, tuk, vosk, kafilemí tuky, odpadní glycerin a jejich směsi. V jednom provedení je kapalinou vodný roztok povrchově aktivní látky o koncentraci v rozmezí od 0,1 % do 5 % (w/w).

V jednom provedení se homogenizace (desintegrace) provede drcením nebo řezáním.

V jednom provedení se lisování, peletizace, vytlačení na extruderu a/nebo briketování provede při teplotě v rozmezí od 10 °C do 350 °C, s výhodou od 150 °C do 300 °C, výhodněji při teplotě v rozmezí od 180 °C do 230 °C.

V jednom provedení se lisování, peletizace, vytlačení na extruderu a/nebo briketování provede při tlaku v rozmezí od 0,1 do 500 MPa, s výhodou při tlaku v rozmezí od 1 do 50 MPa, nejvýhodněji při tlaku 5 až 10 MPa.

Peletami se rozumí mechanicky zhutněná hmota nej častěji válcovitého tvaru o průměru 4 až 25 milimetrů a délce půl- až desetinásobku průměru. Briketami se rozumí mechanicky zhutněná hmota nejčastěji ve tvaru válce, krychle, hranolu či oválného nebo obecného tvaru, o větších rozměrech, než jsou rozměry pelet. Pelety, brikety nebo extrudovaný materiál vyrobený způsobem podle předkládaného vynálezu představuje hodnotné palivo o vhodné výhřevnosti použitelné v běžných spalovacích zařízeních, a přitom dochází k ekologicky přijatelné likvidaci jinak nezpracovatelného odpadu.

Předmětem předkládaného vynálezu je dále palivo pro spalovací zařízení, připravitelné výše uvedeným způsobem podle předkládaného vynálezu, přičemž toto palivo obsahuje syntetický polymemí materiál, tvořený atomy vodíku, uhlíku a případně kyslíku, a dále netavitelný materiál v hmotnostním poměru v rozmezí od 1:4 do 9:1, přičemž toto palivo je ve formě pelet nebo briket nebo vytlačené na extruderu, a přičemž spalovací zařízení je s výhodou vybrané ze skupiny zahrnující kamna a domácí a průmyslové kotle.

V jednom provedení se směs syntetického polymemího materiálu a netavitelného materiálu podle výše uvedeného způsobu vytlačuje pomocí extruderu při teplotě do 300 °C za vzniku struny s průměrem 2 až 50 mm, s výhodou o průřezu ve tvaru kruhu, čtverce, obdélníku, která se následně naseká či nařeže na úseky o délce v rozmezí od 1 do 10 cm, s výhodou o délce 5 cm.

Účinek vynálezu spočívá v tom, že odpadní polymemí látky, které se samostatně obtížně spalují, se účinkem přidaných netavitelných a dalších látek transformují do hmoty, která má vhodný tvar, průběh hoření i výhřevnost, aby mohla být využita v běžných spalovacích zařízeních.

Příklady provedení vynálezu

Vynález je blíže objasněn v následujících příkladech provedení. Tyto příklady mají výhradně ilustrativní charakter a nijak rozsah vynálezu neomezují.

Všechny procentní údaje a poměry uváděné v příkladech jsou hmotnostní.

Příklad 1

Odpadní fólie z nízkohustotního polyethylenu (54 hmota. %) a papír z časopisu (36 hmota. %) byly nařezány na proužky o šířce 3 mm, délce 300 mm a maximální hmotnosti 10 g a smočeny vodou (10 hmota. %). Po homogenizaci byla směs nadávkována do peletovací válcové formy o

-3 CZ 2020 - 331 A3 průměru 15 mm, zahřáta na 220 °C a v mechanickém lisu stlačena tlakem přibližně 40 MPa. Po ochlazení byly vyjmuty tuhé a nedrobivé válcové pelety o délce 15 mm, které po zapálení hořely jasným, nečadivým, krátkým plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 34 % jemného sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 2

Stejným způsobem jako v Příkladu 1 byly ze stejných surovin smíchaných v poměru 72 % : 18 % : 10 % (w/w/w) vyrobeny pelety, které po zapálení hořely jasným, nečadivým, intenzivním plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 11 % jemného sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 3

Ze směsi cupaniny z kartonu 40 hmota. % (o maximálním průměru vlákna 0,2 mm a délce 30 mm), rozdrceného polypropylenu z dutého obalového materiálu 40 hmota. % (hmotnost částic 0,2 g) a vody 20 hmota. % byly za teploty 200 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely jasným, nečadivým, krátkým plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 6 % jemného sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 4

Ze směsi dřevěných pilin o přibližné délce 5 mm a průměru 1 mm, fólie z nízkohustotního polyethylenu nařezané na rozměry 5x5 mm a vody v hmotnostním poměru 60 % : 20 % : 20 % byly za teploty 200 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení pomalu hořely modrým, nečadivým, krátkým plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 7 % jemného sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 5

Ze směsi cupaniny z kartonu 30 hmota. %, desintegrovaného na částice o velikosti o maximálním průměru vlákna 0,2 mm a délce 30 mm, rozdrceného polypropylenu 40 hmota. %, desintegrovaného na částice o hmotnosti 0,2 g, odstředěného kalu z čističky vod 15 hmota. % (obsah sušiny 20 hmota. %), vody 10 hmota. % a odpadního oleje po smažení 5 hmota. % byly po homogenizaci za teploty 220 °C vylisovány tlakem 40 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely jasným, plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 6 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 6

Ze směsi obalu na mléko Tetrapack desintegrovaného na částice o rozměrech 5x5 mm 45 hmota. %, fólie z vysokohustotního PE nařezané na proužky o šířce 5 mm a délce 60 mm 30 hmota. %, rozdrceného polypropylenu desintegrovaného na částice o hmotnosti 0,2 g 20 hmota. % a l%ního roztoku šamponu ve vodě 5 hmota. % byly po homogenizaci za teploty 220 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely jasným, namodralým plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 4,7 % jemného šedého sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 7

Ze směsi dřevěných hoblin 50 hmota. %, desintegrováných na částice o hmotnosti maximálně 0,05 g, a polystyrenu z obalu desintegrovaného na částice o rozměrech 5x5 mm 50 hmota. % byly po homogenizaci za teploty 180 °C vylisovány tlakem 10 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely vysokým čadivým plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 2 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

-4 CZ 2020 - 331 A3

Příklad 8

Ze směsi dřevěných hoblin 50 hmota. %, desintegrovaných na částice o hmotnosti maximálně 0,05 g, a směsi plastů z obalového materiálu desintegrovaných na částice o rozměrech 5x5 mm o složení polystyren 10 hmota. %, vysokohustotní polyethylen 20 hmota. % a polypropylen 20 hmota. % byly po homogenizaci za teploty 200 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely středně vysokým jasným plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 1 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 9

Ze směsi papíru z časopisu 50 hmota. %, desintegrovaného na částice o velikosti 5 mm x 5 mm, a směsi plastů z obalového materiálu desintegrovaných na částice o rozměrech 5x5 mm o složení polystyren 10 hmota. %, vysokohustotní polyethylen 20 hmota. % a polypropylen 20 hmota. % byly po homogenizaci za teploty 200 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely nízkým klidným plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 11,5 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 10

Ze směsi popsané v příkladu 9 byly po homogenizaci za teploty 170 °C vylisovány tlakem 5 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm, které byly kompaktní, avšak ve srovnání s peletami v příkladu 9 se mírně drobily. Pelety po zapálení hořely nízkým klidným plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 11,5 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 11

Ze směsi dřevěných pilin o přibližné délce 5 mm a průměru 1 mm (63 hmota. %), polyethylenterfalátu z nápojové lahve nařezaného na částice o rozměrech 5x5 mm (27 hmota. %) a 2%ního roztoku pracího mýdla ve vodě (10 hmota. %) byly za teploty 230 °C vylisovány tlakem 40 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely nepravidelným vysokým jasným plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 13 % černého sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 12

Ze směsi hnědého uhlí rozdrceného na velikost částic menší než 2 mm (50 hmota. %), a směsi plastů z obalového materiálu desintegrovaného na částice o rozměrech 5x5 mm o složení nízkohustotní polyethylen (23 hmota. %) a polypropylen (27 hmota. %) byly po homogenizaci za teploty 220 °C vylisovány tlakem 20 MPa pelety o průměru 21 mm a délce 15 mm. Pelety po zapálení hořely středně vysokým jasným plamenem a po dokonalém spálení na vzduchu vzniklo 21 % sypkého popela, vztaženo na původní hmotnost pelety.

Příklad 13

Ze směsi cupaniny z kartonu (50 hmota. %) desintegrovaného na částice o velikosti o maximálním průměru vlákna 0,2 mm a délce 30 mm a rozdrceného polypropylenu (50 hmota. %) desintegrovaného na částice o hmotnosti 0,2 g byla v extrudéru za teploty 220 °C vytlačena struna o průměru 4 mm, která byla nasekána na válečky o délce 30 mm, které hořely stejným způsobem a poskytly stejné množství popela, které je uvedeno v Příkladu 3.

-5 CZ 2020 - 331 A3

Příklad 14

Ze směsi dřevěných pilin o přibližné délce 5 mm a průměru 1 mm a fólie z nízkohustotního 5 polyethylenu nařezané na rozměry 5x5 mm v hmotnostním poměru 1:1 byla za teploty 230 °C vylisována tlakem 3 MPa kompaktní a nedrobivá briketa o průměru 69 mm, výšce 32 mm a hmotnosti 107 g.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby paliva ze syntetického polymemího materiálu, vyznačený tím, že obsahuje následující kroky:

   i) syntetický polymemí materiál, tvořený atomy vodíku, uhlíku a případně kyslíku, se dezintegruje na částice o maximálním rozměru nejvýše 70 mm nebo o maximální hmotnosti 10 g;

   ii) desintegrovaný syntetický polymemí materiál z kroku i) se smísí s netavitelným materiálem v hmotnostním poměru v rozmezí od 1:4 do 9:1; přičemž netavíteIný materiál má maximální velikost částic nebo maximální hmotnost nejvýše stejnou jako mají částice syntetického polymemího materiálu;

   iii) směs z kroku ii) se podrobí lisování, peletizaci, vytlačení na extruderu a/nebo briketování.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že při přípravě směsi v kroku ii) se před krokem iii) ke směsi syntetického polymemího a netavitelného materiálu přidá kapalina v množství nejvýše 30 hmota. %, vztaženo na hmotnost výsledné směsi, přičemž tato kapalina je vybraná ze skupiny zahrnující vodu, vodné roztoky povrchově aktivních látek, s výhodou o koncentraci od 0,1 hmota.% do 5 hmota. %, olej, tuk, vosk, kafilemí tuky, glycerin a jejich směsi.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že syntetický polymemí materiál je vybraný ze skupiny zahrnující polyolefiny, zejména polyethylen, radiačně síťovaný polyethylen, polypropylen; polystyren; polyethylentereftalát; akryláty; methakryláty a jejich směsi.
4. 4. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačený tím, že netavitelný materiál v kroku ii) je vybraný ze skupiny zahrnující papír, lepenku, odpadní kaly z čističek odpadních vod, dřevní štěpku, hobliny, piliny, kům ze stromů, listí, slámu, rašelinu, kompost, bioodpad, textilní cupanina a prach, uhelný prach či drť, jíl, písek, prach z drceného kamene, rozdrcený stavební odpad, popel, mletý vápenec, oxid a hydroxid vápenatý.
5. 5. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že desintegrace v kroku i) se provede drcením nebo řezáním.
6. 6. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že lisování, peletizace, vytlačení na extruderu a/nebo briketování v kroku iii) se provede při teplotě v rozmezí od 10 °C do 350 °C, s výhodou od 150 °C do 300 °C, výhodněji při teplotě v rozmezí od 180 °C do 230 °C.
7. 7. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že lisování, peletizace, vytlačení na extruderu a/nebo briketování v kroku iii) se provede při tlaku v rozmezí od 0,1 do 500 MPa, s výhodou při tlaku v rozmezí od 1 do 50 MPa, nej výhodněji při tlaku od 5 do 10 MPa.
8. 8. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 7, vyznačený tím, že syntetický polymemí materiál v kroku i) obsahuje alespoň 50 hmota. % polyolefinů.
9. 9. Palivo pro spalovací zařízení, připravitelné způsobem podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 8, které obsahuje syntetický polymemí materiál, tvořený atomy vodíku, uhlíku a případně kyslíku, a dále netavitelný materiál v hmotnostním poměru v rozmezí od 1:4 do 9:1; přičemž toto palivo je ve formě pelet nebo briket nebo vytlačené na extruderu, a přičemž spalovací zařízení je s výhodou vybrané ze skupiny zahrnující kamna a domácí a průmyslové kotle.