DE69932204T2

DE69932204T2 - Prozessierte feste brennbare Brennstoffzusammensetzung

Info

Publication number: DE69932204T2
Application number: DE69932204T
Authority: DE
Inventors: Rodney K. Nepean Sprules
Original assignee: JAVA LOGG GLOBAL CORP
Current assignee: JAVA LOGG GLOBAL CORP
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: US6113662A; US5910454A; CA2273321A1; EP0962515A1; DE69932204D1; CA2273321C; ES2268830T3; EP0962515B1; ATE332351T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf feste brennbare Brennstoffzusammensetzungen und, insbesondere, auf eine verarbeitete bzw. behandelte („prozessierte") feste brennbare Brennstoffzusammensetzung um Brennscheite, Feueranzünder und Brennstoffpellets herzustellen, die einen größeren Anteil an getrocknetem verbrauchtem Kaffeesatz, das als Träger und als Brennstoffbestandteil dient, enthalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hergestellte Brennscheite, Feueranzünder und Pellets für Feuerstellen und Öfen sind wohlbekannt und weithin benutzt als eine praktische Wärmequelle, aber auch für die ästhetische Freude an einem natürlichem Feuer. Die höhere Brennrate, längere Brennzeit und höhere Energiedichte machen verarbeitete Brennscheite zu einer attraktiven Alternative zu natürlichem Holz. Darüberhinaus hat Holz viele wertvolle Verwendungszwecke und ist dementsprechend im wachsendem Maße schlechter lieferbar. Der Wunsch, den Holzverbrauch auf eine nachhaltige Rate zu vermindern und die beträchtliche Entwaldung, die gegenwärtig weltweit auftritt, zu vermindern, fügt einen zusätzlichen Beweggrund für das Finden einer alternativen Brennstoffquelle hinzu. Zusätzlich haben abnehmende Mülldeponiekapazitäten eine größere Anregungen zum Finden alternativer Verwendungen für Abfall-Nebenprodukte, die gegenwärtig an Mülldeponiestätten abgelagert werden, erzeugt.
In einer Untersuchung von David A. Tillman, „The Combustion of Solid Fuels and Wastes", die in 1991 veröffentlicht wurde, wird die Verbrennung von festen Brennstoffen und Abfällen (einschließlich Kaffeeabfall) vorgeschlagen als möglicherweise wirtschaftlich bei dem Erhöhen der Prozessenergie, dem Erzeugen von Elektrizität und der Verminderung des Volumens von städtischem Abfall in Mülldeponien. Das Verbrennen von festen Brennstoffteilchen – so wie Biomasse, fossilen Brennstoffen und städtischem Abfall – in einem Industrieofen, Kessel oder Ofen bei hohen Raten wird untersucht. Die vielen Vorteile von Kaffee als einer Brennstoffquelle sind aus dieser Untersuchung nicht ersichtlich. Darüber hinaus wird kein Vorschlag gemacht für die Erzeugung von verarbeiteten festen Brennstoffen oder im Haushalt verbrennbaren Brennstoffen.
Hergestellte Brennscheite für häusliche Verwendung nach dem Stande der Technik sind nicht völlig befriedigend gewesen, weder in ihren Brenneigenschaften noch in den Kosten. Die Hauptvorteile von verarbeiteten Brennscheiten weisen im Allgemeinen eine lange Brennzeit, einfache Zündeigenschaften und Bequemlichkeit der Verwendung zur Vorbereitung oder Aufrichterhaltung des Feuers auf. Als ein Ersatz für Feuer aus natürlichem Holz bieten verarbeitete Scheite die Bequemlichkeit, daß man das Feuer nicht schüren muß um eine dauerhafte Flamme sicherzustellen. Ein Scheit brennt typischerweise 2 bis 4 Stunden, in Abhängigkeit von der Größe des Scheites. Jedoch sind diese Vorteile nicht ohne Einschränkungen. Um sowohl eine kräftige Flamme als auch eine schnelle Zündzeit zu erreichen, wird eine beträchtliche Menge an Wachs verwendet. Die hohe Verbrennungsrate in Verbindung mit einer begrenzten Luftzufuhr die in den meisten Häusern verfügbar ist, führt typischerweise zu unvollständiger Verbrennung, was wiederum zu einem Aufbau von Ruß und Kreosot im Abzug führt. Wiederholte Benutzung solcher Brennscheite nach dem Stande der Technik können Brandgefahr erzeugen. Tatsächlich empfehlen Versicherungsgesellschaften aufgrund des Ernstes dieses Problems, daß Verbraucher zwischen der Verwendung von verarbeiteten Brennscheiten und natürlichen Holzfeuern abwechseln, zusätzlich zum häufigen Reinigen des Verbrennungsgerätes.
Die übermäßige Verwendung von Wachs bildet nicht nur ein Sicherheitsrisiko aufgrund des Aufbaus von Ruß, sie bedeutet auch, daß der Verbraucher mit einem ästhetisch weniger ansprechenden Erzeugnis als natürlichen Holzfeuern versehen wird. Während die beträchtliche Verwendung von Wachs eine schnellere Zündung fördert, ist die Flammhöhe für die späteren Stufen der Verbrennung wesentlich geringer als dann, wenn ein Brennscheit zuerst angezündet wird. Folglich ist es schwierig für einen Verwender, eine Flamme, die einem wohlunterhakenen Feuer aus Naturholz vergleichbar ist, zu genießen.
Ein werterer Nachteil von Brennscheiten, die einen hohen Wachsanteil haben ist die Verschmutzung, die während der Verbrennung erzeugt wird. Die Flüchtigkeit von Wachs erzeugt eine schnelle, rußige anfängliche Verbrennung, die reichliche Mengen von Verbrennungsnebenprodukten einschließlich Ruß und Kohlenmonoxyd in die Atmosphäre ausstößt. Zusätzlich enthalten einige hergestellte Brennscheitzusammensetzungen nach dem Stande der Technik Stoffe, die giftig oder potenziell giftig sind, wenn sie verbrannt werden. Es besteht daher die Notwendigkeit für ein sicheres sauber brennendes Brennscheit, das eine gute Flammenbeschaffenheit über einen ausgedehnten Zeitraum aufrecht erhält.
Ein verarbeitetes Brennscheit ist im US-Patent 5 393 310, das für Wollen im Jahre 1995 ausgegeben wurde, gezeigt, das einen großen Anteil von Abfallprodukten, nämlich Grasabschnitte und Blätter, enthält. Wollens Ziel ist in erster Linie die Zusammensetzung zu verwenden, um Gartenabfall im Abfallstrom zu vermindern, während man einen brennbaren Brennstoff liefert. Blätter und Grasabschnitte alleine liefern jedoch keine Brennstoffquelle mit hoher Energie und selbst mit der Hinzufügung von beträchtlichen Mengen an Paraffinwachs haben solche Scherte einen geringen Heizwert. Wollen schlägt auch vor, daß die Grasabschnitte direkt vom Rasen ohne weitere Verarbeitung eingebracht werden, was einen höheren Feuchtigkeitsgehalt einführt, der sich mit der Verbrennung stören kann.
Die GB-Patentanmeldung No. 2 091 760 für die Tiger Tim Products Limited, die am 19. November 1987 angemeldet wurde, schlägt vor, daß eine gestreckte Feueranzünderzusammensetzung organisches Material aufweisen kann, das einen Feuchtigkeitsgehalt von bis zu 40 Gewichts-% hat. Das bevorzugte Material sind getrocknete Abfallreste von gemahlenen Kaffeebohnen. Das Streckmittel hat auch einen Pflanzenfettgehalt von bis zu 25 Gewichts-%. Die Zusammensetzung hat ein verdünnendes Material, so wie Talk von bis zu 20 Gewichts-%.
In Antwort auf den Druck auf die Beschaffung von Steinöl-Wachsen und folglich ihre zunehmenden Kosten zeigt US-Patent 4 326 854, das im Jahre 1982 an Tanner ausgegeben wurde, ein Brennscheit, das aus einem flüssigen brennbaren Nebenprodukt-Brennstoffbestandteil verbunden mit einem Zellulosederivat- oder Holzzellulosederivat-Teilchenmaterial das als ein Träger für den Brennstoffbestandteil dient. Der Träger liefert ein brennbares Gerüst aus festem Material, so wie Sägestaub oder andere Zelluloseteilchen, die zwischen 25 und 70 Gewichts-% und bevorzugt ungefähr 35 bis 40 Gewichts-% eingeschlossen sind mit einem Bindemittel-Brennstoffbestandteil, der ein flüssiges brennbares Nebenprodukt aufweist, das entweder durch Polymerisation oder Neutralisation durch die Hinzufügung von verschiedenen chemischen Stoffen vertestigt wird. Als eines von vielen Beispielen untersuchte Tanner eine Zusammensetzung, die 60 Teile (Gewicht) flüssigen Pflanzen-Pech-Brennstoffbestandteil, 6 Teile Ölsäure, 3 Teile kaustische Soda und 37 Teile Kaffeesatz als einen Träger für den Brennstoffbestandteil enthielt. Jeglicher Vorteil aus der Verwendung benutzten getrockneten Kaffeesatzes als Brennstoffquelle, so wie eine sauberere Verbrennung und eine höhere Energieabgabe, wurden durch Tanner nicht erkannt.
GEGENSTÄNDE DER ERFINDUNG
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, ein sauberer brennendes verarbeitetes Brennscheit, Feueranzünder oder Brennstoffpellet zu schaffen.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein verarbeitetes Brennscheit mit ausgezeichneten Flammeigenschaften zu schaffen.
Es ist ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung, ein verarbeitetes Brennscheit, Feueranzünder oder Brennstoffpellet zu schaffen, das einen größeren Anteil getrockneten verbrauchten Kaffeesatzes enthält.
Es ist ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung, ein verarbeitetes Brennscheit, Feueranzünder oder Pellet zu schaffen, das weniger Ruß und Rauch als verarbeitete Brennscheite nach dem Stande der Technik erzeugt, wenn es richtig verbrannt wird.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine verarbeitete feste brennbare Brennstoffzusammensetzung geschaffen, in der ein Zellulose-Teilchenmaterial als Träger für einen Brennstoffbestandteil benutzt wird, wobei das Zellulose-Teilchenmaterial als ein Träger und als ein Arbeitsmittel für den Brennstoffbestandteil wirkt, gekennzeichnet durch:
mindestens 50 Gewichts-% der festen brennbaren Bennstoffzusammensetzung sind getrockneter, verbrauchter Kaffeesatz;
mindestens 40 Gewichts-% eines entflammbaren Waches, das bei Raumtemperatur fest ist; und
der Rest ein Verkokungswirkstoff, wobei der Verkokungswirkstoff höchstens 10 % oder weniger Gewichts-% der Gesamtzusammensetzung ist.
Die Erfindung schafft auch eine bearbeitete feste brennbare Brennstoffzusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung von Brennscheiten und Brennstoffpellets, die im wesentlichen besteht aus:
mindesten 50 Gewichts-% von getrocknetem verbrauchtem Kaffesatz;
mindesten 35 Gewichts-% eines entflammbaren Wachses; und
der Rest ausgewählt aus mindestens einem eines entflammbaren Zellulosederivat-Materials und eines Verkokungswirkstoffs, wobei der Verkokungswirkstoff in einer Menge, die 10% oder weniger Gewichts-% der Gesamtzusammensetzung ist, vorliegt.
Die festen brennbaren Brennstoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung haben als Hauptbestandteil getrockneten verbrauchten Kaffeesatz. Der getrocknete verbrauchte Kaffeesatz dient eher der Hauptfunktion als eine Brennstoffquelle statt als ein Träger für einen Brennstoffbestandteil. Versuche haben gezeigt, daß Kaffee nicht nur eine überlegene Brennstoffquelle ist, sondern er sauber brennend ist und mehr und hellere Flammen erzeugt pro BTU (British Thermal Unit) als herkömmliche Holzsägemehl/Wachsscheite. Versuche haben auch gezeigt, daß Brennscheite, die aus der festen Brennstoffzusammensetzung hergestellt sind, sauberer brennend sind, weil weniger Wachs für die gleiche Energieabgabe für die Flammendauer benötigt werden. Darüber hinaus ist Kaffee sauberer brennend als Holzsägemehl. Der geringere Wachsgehalt bringt mit sich, daß Ruß und Rauch während der Verbrennung vermindert werden. Darüber hinaus enthält Kaffee weniger aromatische Verbindungen als Holz, aufgrund der Abwesenheit von Lignin und des hohen Verhältnisses von flüchtigem zu festem Kohlenstoff. Folglich besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH, polycyclic aromatic hydrocarbons) während der Verbrennung zu erzeugen.
Um die Brennzeit von Brennscheiten, die aus der festen brennbaren Brennstoffzusammensetzung gemäß der Erfindung hergestellt sind, zu steuern und auszudehnen können kleine Mengen eines Verkokungswirkstoffs der Zusammensetzung hinzugefügt werden. Verkokungswirkstoffe von denen bestimmt wurde, daß sie wirksam sind, weisen Stärken, Molassen, Zucker und Schwarzlauge auf. Verkokungswirkstoffe bilden eine Kohlenstoffkruste über einem brennenden Brennscheit um den Brand zu steuern und während der Verbrennung ein Reißen zu hemmen. Das Reißen eines Scheites während der Verbrennung kann weiter durch den Zusatz von Zellulosederivat-Materialen gesteuert werden, insbesondere faserförmigem Zellulosederivat-Materialien so wie Papier und Pflanzenfasern, Strohen, Fasern aus Baumwolle, Flachs oder Hanf, getrockneten Blättern, Sägemehl und Torf.
Im Allgemeinen kann die feste brennbare Brennstoffzusammensetzung gemäß der Erfindung benutzt werden, um ein Brennscheit mit weniger Wachs als herkömmliche Sägemehlscheite zu erzeugen, was somit die Kosten beschränkt während es ein sauberer brennendes, schöneres Erzeugnis schafft.
INS EINZELNE GEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Kaffee in der Form verbrauchten Kaffeesatzes ist eine sehr verlockende Brennstoffquelle für hergestellte Brennscheite und Brennstoffpellets. Kaffee enthält ein ungefähr 25 % höheres Energiepotenzial als trockenes Hartholz. Verbrauchter Kaffee hat auch eine im hohen Maße gleichförmige Teilchengröße. Gegenwärtig ist keine weitere Verwendung für benutzten Kaffee verfügbar. Somit ist die Verwendung von Kaffee als eine Brennstoffquelle energiewirksam, billig und hält Abfall von Müllkippen fern. Durch Ausnutzen der erwünschten Brennstoffeigenschaften von Kaffeesatz kann ein erstklassiger fester Brennstoff gemäß den festen Brennstoffzusammensetzung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.
Wie in Tabelle 1 angezeigt, hat Kaffee einen Energiegehalt von über 23.311 kJ/kg (10.000 BTU/lb) verarbeitete feste brennbare Bennstoffe werden typischerweise aus einem faserförmigen Teilchenmaterial erzeugt, gewöhnlich verbunden mit einem entflammbaren Bindemittel so wie Wachs, und unter Hitze und Druck zusammengepresst. Die gewöhnlichsten faserförmggen Teilchenmaterialen sind Holz und abgeschälte Rinde, die Heizwerte, die von 18.640 beziehungsweise bis 22.135 kJ/kg (8.000–9.500 BTU/lb) bzw. reichen, haben (Rinde ist normalerweise höher). Somit ist, wenn Kaffesatz als der Hauptbestandteil des Brennstoffes benutzt wir, weniger entflammbares Bindemittel erforderlich, um einen entsprechenden Heizwert zu erhalten.
Tabelle 1: Kennwerte von gebrauchtem (nach dem Brauen) Kaffeesatz
Zusätzlich dazu, daß er einen höheren Heizwert hat, hat Kaffeesatz ein höheres Verhältnis von flüchtigem/festem Kohlenstoff als der von Teilchenmaterialien auf der Basis von Holz. Folglich hat Kaffee ein überlegenes Flammverhalten. Dies ist eine ausgezeichnete Eigenschaft für Anwendungen mit verarbeiteten Brennscheiten, da es die Herstellung eines kleineren Brennscheites mit gleichen Heizwerten und einer längeren Flammdauer erlaubt.
Versuche haben gezeigt, daß eine verarbeitete feste brennbare Brennstoffzusammensetzung, die aus mindestens 50 % benutztem Kaffeesatz gemacht ist, ein sauberer brennendes wirtschaftlicheres Brennscheit schafft als jegliche andere bekannte verarbeitete Brennstoffzusammensetzung.
Diese Brennstoffzusammensetzung bietet gegenüber dem Stande der Technik verschiedene Vorteile. Der Hauptanteil des Heizwertes und des flüchtig/fest Kohlestoffverhältnisses wird bei herkömmlichen Brennstoffzusammensetzungen aus dem Bindemittel geworinen. Das feste Teilchenmaterial (normalerweise Sägemehl) wird in erster Linie benutzt, um eine Tragstruktur (Träger) für das Bindemittel zu schaffen. Da getrockneter gebrauchter Kaffeesatz einen größeren Heizwert und Flüchtig/Fest-Kohlenstoffverhältnis beiträgt, ist das Erfordernis an Bindemittel vermindert. Die Brennstoffzusammensetzung gemäß der Erfindung ist weniger teurer herzustellen, weniger verschmutzend, sicherer zu verbrennen und ästhetisch ansprechender aufgrund besserer Flammeigenschaften als vorhandene verarbeitete Brennscheite.
Überlegene Flammeigenschaften und die Brenndauer unter Flamme werden durch die folgenden Prüfdaten, die dazu dienen, diese unerwarteten Vorteile, die durch die vorliegende verarbeitete Brennstoffzusammensetzung geschaffen werden, zu zeigen, untermauert.
Beispiel 1
Sechzehn Probestücke von festem Brennstoff wurden für die Prüfung vorbereitet. Jedes Probestück enthielt 25% Wachs und der Rest war Kaffee und/oder Sägemehl. Der Prozentsatz am Gesamtengewicht an Kaffee wurde von 0% auf 75% erhöht, in 5%-Schritten. Die Probestücke wurden verbrannt und die Flammenhöhe wurde gemessen bis die Flamme erlosch. Die Flammenhöhe wurde über die Zeit integriert um die Flammenausgabe in cm/s (Inch-Sekunden) größenmäßig festzustellen. Wie in Tabelle 2 gezeigt, erhöht sich die Flammenausgiebigkeit pro Kilojoule (BTU) in dem Maße, als der Kaffeeanteil sich erhöht. Das Kaffee-Wachs-Probestück zeigte 82% mehr Flamme pro Kilojoule (BTU) als das Holzsägemehl-Wachs-Probestück.
Tabelle 2: Flammenausgiebigkeit, pro Kalorie (BTU), von Probestücken, die Wachs und verschiedene Kombinationen von Kaffee und Holzsägemehl enthalten
Die Verbindung einer höheren Kilojoule (BTU)-Ausgangsleistung und die höhere Flammenausgiebigkeit pro kJ (BTU) schafft ein Erzeugnis von beträchtlicher Qualität und Kostenvorteilen. Zusätzlich vermindert ein geringer Wachsgehalt in Scheiten auf der Grundlage von Kaffee die Wahrscheinlichkeit des Tropfens während der Verbrennung, was das Gesamtverhalten verbessert. Um die Vorteile des getrockneten gebrauchten Kaffeesatzes als einer Hauptbrennstoffquelle weiter zu erläutert, liefert Beispiel 2 einen Vergleich der Flammenausgiebigkeit für Holzsägemehl-Brennscheite und Brennscheite auf der Grundlage von Kaffeesatz mit abnehmendem Wachsgehalt.
Beispiel 2
Verschiedene Holzsägemehl-/Wachsprobestücke und Kaffee-/Wachsprobestücke wurden mit zunehmenden Festteilchen/Wachs-Verhältnissen vorbereitet. Die Probestücke wurden verbrannt, und die Flammenhöhe wurde gemessen bis sie erlosch. Die Flammenhöhe wurde über die Zeit integriert um die Flammausgiebigkeit in Zentimeter-Sekunden (Inch-Sekunden) größenmäßig zu erfassen. Die Ergebnisse, in Tabelle 3 gezeigt, zeigen, daß für jede Festteilchen-Wachszusammensetzung das Kaffeeprobestück durchweg einen beträchtlich höheren Flammausstoß erzeugte.
Tabelle 3: Flammausstoß pro Festteilchengehalt
Es kann aus Tabelle 3 ersehen werden, daß z.B. ein Scheit, das 90% Kaffee und 10% Wachs enthält, etwas mehr Flammausstoß als ein Scheit, das 50% Holzsägemehl und 50% Wachs enthält, liefert. Da Wachs der Hauptbeitragende zu den Kosten einer verarbeiteten Brennstoffzusammensetzung ist, sind die Brennstoffzusammensetzung gemäß der Erfindung weniger teuer herzustellen.
Die Folgerungen für die Erzeugniskosten gemessen am Energiegehalt oder am Flammverhalten sind bedeutend. Die hineingesteckten Kosten und die Heizwerte für Wachs, Kaffee und Holzsägemehl werden in Tabelle 4 vorgestellt.
Tabelle 4: Gegenwärtige Kosten (kanadische Dollar) und Energiewert von Wachs, Kaffee und Holzsägemehl
Tabelle 5 zeigt die Materialkosten für verschieden Brennscheite auf der Basis von Kaffee und der Basis von Holz mit gleichem Energiegehalt. Die Unterschiede bei den Kosten sind bedeutend, insbesondere wenn Kaffee ungefähr mindestens die Hälfte des Gesamtgewichtes des Brennscheites ausmacht.
Tabelle 5: Vergleich von Scheiten auf der Grundlage von Kaffee und Holz mit gleichen Energiewerten.
Die Daten aus Tabelle 3 und die Rohmaterialwerte aus Tabelle 4 können verwendet werden, um die Kosten der Herstellung von Holzsägemehl-Brennscheiten, die eine gleiche Flammenausgabe wie Brennscheite auf der Grundlage von Kaffee haben, zu schätzen. Tabelle 6 zeigt die Kosten von Brennscheiten auf der Grundlage von Kaffee in Schritten von 5 % im Kaffeegehalt verglichen mit den Kosten von Holz/Wachs-Brennscheiten mit gleicher Flammenausgabe. Die Kostenersparnisse, die mit der Verwendung von Kaffee als Hauptbestandteil (50% +) verbunden sind, sind ganz beträchtlich.
Tabelle 6: Vergleich von Scheiten auf der Grundlage von Kaffee und der Grundlage von Holz mit gleicher Flammausgabe.
Verschiedene Produktionsersparnisse sind bei der Herstellung von Brennstoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung ebenfalls erreichbar. Da Kaffee als eine verhältnismäßig homogene Mischung von Nahrungsverarbeitungseinrichtungen erhalten werden kann, enthält er wahrscheinlich weniger Unreinheiten wie sie in Sägemehl (z.B. Schmutz, Gestein und Metalle aus Rinde, Möbelfertigstellungsvorgängen, Sägemühlen) gefunden werden. Folglich werden weniger Energie und Kapital benötigt, um den Materialeingangsstrom zu reinigen.
Die verbrauchtem Kaffeesatz innewohnenden Eigenschaften vermitteln auch verschiedene Produktionseinsparungen. Da Kaffee natürliche Öle enthält, ist er weniger abrasiv und vermindert somit die Abnutzung bei den Maschinen. Zusätzlich hinterläßt der Röstvorgang ein im wesentlichen trockenes Kaffeesatzüberbleibsel, und somit benötigt Kaffeesatz weniger Energie zum Trocknen als Holz-Sägemehl.
Die Massenhandhabungseigenschaften werden auch vereinfacht wegen der engen Teilchengrößenverteilung (PSD, particle size distribution), die im allgemeinen im gebrauchten getrockneten Kaffeesatz gefunden werden. Unregelmäßigkeiten bei der Teilchengröße bei verarbeiteten festen Brennstoffen können ein Reißen während der Verbrennung verursachen, was zu einer unerwünscht heftigen und möglicherweise gefährlichen Verbrennungsrate führt. Getrockneter verbrauchter Kaffeesatz hat eine in hohem Maße gleichförmige Teilchengrößenverteilung, im Gegensatz zu Holzerzeugnissen, die im Allgemeinen unregelmäßigere Teilchengrößen enthalten. Brennstoffzusammensetzungen auf der Basis von Kaffee haben daher einen homogeneren Aufbau, was eine bessere Formbeständigkeit und Widerstand gegen Reißen oder Brechen während der Handhabung oder der Verbrennung sicherstellt.
Herstellungsvereinfachungen werden auch geworinen weil Brennstoffzusammensetzungen auf der Grundlage von Kaffee weniger Kompressionsdruck erfordern um einen zusammenhaltenden Aufbau zu erzielen, wenn sie in Brennscheite oder Brennstoffpellets geformt werden. Somit werden Ersparnisse aus der Verminderung im Energieverbrauch während der Extrusion oder während des Gießens erzielt. Tabelle 7 zeigt den Druck in kg/cm² (und pounds pro inch²) um ein zusammenhängendes Brennstoffscheit zu bilden unter Verwendung von Kaffee/Wachs und dem Flammenausstoß, der den Holzsägemeh/Wachsbrennstoffmischungen gleich ist.
Tabelle 7: Formdruck für Kaffee und Sägemehl-Probestücke mit gleichem Flammenausstoß
Geringere Produktionskosten werden auch erzielt wegen der kompakten Form von Kaffeesatz. Obwohl die längliche Form von Holzfasern bei der Verwendung in Pappmaschee/Papiererzeugnissen ideal ist, ist es eine weniger wünschbare Eigenschaft während der Verarbeitung von verarbeitetem Brennstoff auf Holzgrundlage. Um die Ausdehnung bei einem Brennscheit auf Holz/Wachs-Grundlage nach dem Formen zu vermindern, sind mehr Druck, Hitze und Abkühlzeit erforderlich. Z.B. wurde ein Probestück aus 80% Holz und 20% Paraffinwachs auf eine Dichte von 950 kg/m³ komprimiert. Nach einem Abkühlzeitraum von 5 Minuten wurde der Druck aufgehoben und das Probestück wurde aus der Form entfernt. Bevor es sich stabilisierte dehnte sich das Probestück bis zu einer Dichte von 432 kg/m³ aus, was eine Ausdehnung von 220 % darstellt. Ein Scheit, das aus 80% Kaffee und 20% Wachs gemacht wurde, das unter den gleichen Bedingungen gegossen wurde, stabilisierte sich bei einer Dichte von 861 kg/m³, was ein Ausdehnungsverhältnis von nur 110% darstellt. Um ein gleiches Ausdehnungsverhältnis zu erhalten, muß ein Brennscheit auf der Grundlage von Holz 70–75% Wachs enthalten. Alternativ muß, um das Ausdehnungsverhältnis eines Holz/Wachs-Brennscheites, das 80% Holz und 20% Wachs enthält zu vermindern, entweder mehr Hitze oder höherer Druck im Zusammenwirken mit einer längeren Abkühlungszeit verwendet werden. Somit mindern die inhärenten mechanischen Eigenschaften von getrocknetem gebrauchtem Kaffeesatz die Verarbeitungskosten, die mit der Herstellung von gegossenen festen Brennstoffen verbunden sind, erheblich.
Die feste brennbare Brennstoffzusammensetzung schafft auch verschieden Umwelt- und sicherheitsbezogene Vorteile. Aufgrund von Abwesenheit von Lignin und des hohen Verhältnisses von flüchtigem zu festen Kohlenstoff enthält Kaffee weniger aromatische Verbindungen als Holz. Folglich gibt es eine geringere Wahrscheinlichkeit, daß polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) währen der Verbrennung erzeugt werden.
Der hohe Wachsgehalt, der für langvorhaltende Brennscheite auf der Grundlage von Holz erforderlich ist, führt zu wesentlich mehr Rauch und Ruß. Dies trägt zur Verschmutzung der Atmosphäre bei und bildet ein Sicherheitsrisiko, weil entzündliche Ablagerungen in Kaminen belassen werden.
Beispiel 3
Verschiedene Holzsägemehl-/Wachs-Probestücke und Kaffee-/Wachs-Probestücke wurden vorbereitet mit zunehmenden Gehalt an festem Brennstoff. Zwei Untersuchungen wurden mit jedem Probestück durchgeführt. Zuerst wurde, zwei Minuten nach der Entzündung, eine Glasplatte 2,5 cm (1 inch) über der Flamme für 15 Sekunden gehalten. Der Durchmesser des Rußmusters wurde dann aufgezeichnet. Als Zweites wurde nach 2,5 Minuten ein Glasbecher 2,5 cm (ein Inch) über der Flamme für 10 s gehalten. Die Menge und Klarheit des Rauchs wurde auf einer Skala von 0 bis 5 bestimmt, wobei 0 keinem Rauch (nur Verbrennungsfeuchtigkeit) und 5 schwarzem, dichtem Rauch entsprach. Die Ergebnisse, die in Tabelle 8 gezeigt sind, zeigen, daß für jedes untersuchte Probestück das Kaffee-/Wachs-Probestück beständig deutlich weniger Rauch und Ruß erzeugte als ein Sägemehl-/Wachs-Probestück mit einem gleichen Flammenausstoß.
Tabelle 8: Vergleich von Ruß und Rauch für Probestücke mit gleichem Flammenausstoß in cm-Sekunden (Inch-Sekunden)
Die in Tabelle 8 gezeigten Prüfergebnisse erläutern, daß Holz-/Wachs-Probestücke zwischen 0,5 und 8 mal so viel Ruß und Rauch wie Kaffee-/Wachs-Probestücke die einen gleichen Flammenausstoß liefern, erzeugen. Die Umweltvorteile von festen Brennstoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung sind daher klar gezeigt.
Nachdem wir die Wirksamkeit von getrocknetem verbrauchten Kaffeesatz als einer primären Brennstoffquelle bei Festbrennstoffzusammensetzungen gezeigt haben, werden nun verschiedene Zusammensetzungen, die die technische Wirkung der Erfindung erläutern, beschrieben.
Der feste brennbare Brennstoff enthält mindestens 50% verbrauchten Kaffeesatz, vorzugsweise mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20%, und ein entflammbares Bindemittel. Der Vorgang zur Herstellung eines festen Brennstoffes bringt das anfängliche Trocknen des verbrauchten Kaffeesatzes, falls erforderlich, auf eine bestmöglichen Feuchtigkeitsgehalt, mit sich. Die Bindemittel/Additive werden dann mit dem getrockneten verbrauchten Kaffeesatz gemischt und die sich ergebene Mischung wird unter Druck in eine gewünschte Form geformt. Diese feste Brennstoffmischung wird bevorzugt auf eine Dichte zwischen 650 und 1200 kg/m³ komprimiert; Eigenschaften so wie die Verbrennungsrate und die Flammdauer können durch Abwandlungen des Oberflächenbereichs und Dichte gesteuert werden und durch einen Zusatz von weniger flüchtigen Stoffen, wie der Fachmann wohl weiß.
Viele verschiedene Bindemittel können verwendet werden, wobei die Wahl durch so einfache Kriterien wie Entflammbarkeit bestimmt wird. Bindemittel auf der Grundlage von Steinöl und Zucker wurden bei verarbeiteten festen Brennstoffen seit der Jahrhundertwende verwendet wegen ihrer wünschbaren Eigenschaften, so wie einem hohen Heizwert. Um die Umweltvorteile von brennendem Kaffeesatz zu erhöhen, sollte ein umweltverträgliches Bindemittel verwendet werden. Wachsbindemittel sind die wünschbarsten, da sie einen hohen Energiegehalt haben, bei Raumtemperatur fest sind und weniger komplexe Verbrennungsprodukte als die meisten entflammbaren Nebenprodukte haben.
Verschiede Arten von Wachsen können verwendet werden, darunter von Insekten, Tieren, Pflanzen und Mineralien. Jedoch sind die Kosten in Abhängigkeit von der Quelle beträchtlich unterschiedlich und somit sind Paraffin und mikro-kristalline Wachse typischerweise die kostengünstigsten. Paraffin wird bevorzugt, da es typischerweise geringeren Ölgehalt hat, und somit eine reinere Verbrennung hat. Paraffin ist im Allgemeinen teurer als mikro-kristallines Wachs, aber der Unterschied bei den Nettokosten pro Brennscheit ist vernachlässigbar, da weniger Wachs für Brennscheite, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, erforderlich ist. Die bevorzugten Eigenschaftsbereiche für Bindemittel auf der Grundlage von Wachs sind in Tabelle 9 aufgezählt.
Tabelle 9: Annehmbare Bereiche von Wachsbindemitteln
Um die technische Wirkung der Erfindung weiter zu erläutern, wurde ein weiteres brennbares Brennstoff-Scheit aus einer homogenen Mischung gemacht, die aufwies: mindestens 50% getrockneten Kaffeesatz, zwischen 0 und 25% Zellulosederivat-Material und 35% oder weniger Wachs als Bindemittel. Das extrudierte Scheit hat eine Dichte zwischen 800 und 1100 kg/m³. Die Dichte und Oberflächen-Fläche können verwendet werden, um die Verbrennungsrate zu steuern und das Reißen bei der Verbrennung wie oben beschrieben zu verhindern. Wenn praktische Dichtegrenzen erreicht sind, können andere feste Nebenerzeugnisse, die weniger flüchtig sind, dann zur weiteren Verbrennungssteuerung hinzugefügt werden. Diese Zusammensetzung erzeugt einen festen brennbaren Brennstoff, der vernachlässigbar wenig Rauch und Ruß bei der Verbrennung erzeugt.
Das Zellulosederivat-Material kann jegliches Material sein, das dazu dient, entweder geschmolzenes Wachs aus dem Zentrum des Scheites dochtartig aufzunehmen, oder die strukturelle Integrität des Brennscheites während der ganzen Verbrennung zu erhöhen. Die wünschenswertesten Zellulosederivat-Materialien sind solche, die einen langen fadenförmigen Aufbau haben und einen hohen Heizwert. Die möglichen Zellulosederivat-Materialien sind zahlreich, darunter Pflanzenfasern, Strohe, Fasern aus Baumwolle, Flachs, Hanf, Sisal oder Lumpen aus natürlichem Stoff, Holzfasern, getrocknete Blätter, Torf, zerschnitzeltes Papier USW.
Tabelle 10 liefert Prüfergebnisse, die aus der Verbrennung von verschiedenen Probestücken dieser Zusammensetzung erhalten wurden. In allen Fällen wurde der Kaffee zuerst auf einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 15% getrocknet und die Mischung wurde auf eine Dichte von 950 kg/m³ komprimiert. Das Bindemittel wurde geschmolzen, mit dem Kaffee und dem Zellulosederivat vermischt und in ein Scheit geformt. Die Probestücke wurden mit einer Presse geformt, aber eine beliebige Anzahl von Formvorgängen ist annehmbar, abhängig von der gewünschten Herstellungsrate (z.B. Extrusion). Das geformte Brennscheit enthielt Nuten entlang der Seiten um die Oberflächen-Fläche möglichst groß zu machen um die Brennzeit zu verbessern.
Tabelle 10: Beispiele
Zusätzliche Materialien könne in geringen Mengen (vorzugsweise 1 % oder weniger) hinzugefügt werden, so wie ein Geruchsverstärker oder ein Flammenfärbemittel, so wie Metallsalze, die im Stand der Technik wohlbekannt sind. Annehmbare Geruchsverstärker sind natürliche Öle, so wie Zitronenöl, Fichtenöl usw.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein brennbares Brennscheit eine Mischung, die enthält: mindestens 50% getrockneten verbrauchten Kaffeesatz, bis zu 10% eines Verkokungsmittels und bis zu 40% Bindemittel mit einem niedrigen Entzündungspunkt, so wie Wachs, auf. Das extrudierte Scheit hat vorzugsweise eine Dichte zwischen 800 und 1000 kg/m³. Die Dichte und die Oberfläche werden abgewandelt, um die Verbrennungsrate zu steuern und das Reißen bei der Verbrennung zu verhindern. Diese Zusammensetzung erzeugt einen festen brennbaren Brennstoff, der einen sehr hohen Flammenausstoß, gleich dem Brennscheit der höchsten Qualität nach dem Stand der Technik, aber mit weniger Rauch und Ruß bei der Verbrennung, erzeugt.
Der höhere Wachsgehalt dient nur dazu, die Flammdauer zu erhöhen. Die Zusammensetzung schafft ein Brennscheit, das dem eines Scheites auf Holzgrundlage mit einem Wachsgehalt von 60% gleichwertig ist. Folglich, wie in Beispiel 3 und Tabelle 8 gezeigt, überschreitet ein Wachsgehalt von 35% das, was für eine wirkungsvolle Verbrennung erforderlich ist. Jedoch, mit der Hinzufügung eines Verkokungsmittels kann die Verbrennungsrate auf einen bestmöglichen Grad gesteuert werden.
Das Verkokungsmittel kann jegliches Material sein, das dazu dient, sowohl die Verbrennungsrate eines Scheites mit hohem Wachsgehalt zu vermindern, um ein sicheres und wirkungsvolles Brennen aufrechtzuerhalten, und eine Kohlenstoffoberflächenstruktur bei der Verbrennung zu bilden, um geschmolzenes Wachs am Tropfen vom Brennscheit zu hindern, dient. Die wünschenswertesten Verkokungsmittel sind jene, die diesen Kriterien entsprechen und eine verhältnismäßig hohen Heizwert haben. Annehmbare Verkokungsmaterialen sind Stärken, so wie Mais-, Weizen-, Kartoffel- oder jegliche andere Pflanzenstärken; Molassen so wie Zuckerrohr, Zuckerrübe oder Sorgho; Zucker in roher, unbehandelter oder Abfallform; Schwarzlauge, usw.
Tabelle 11 zeigt Ergebnisse von mehreren geprüften Zusammensetzungen. In allen Fällen wurde der Kaffee zuerst auf einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 15% getrocknet und die Mischung wurde auf eine Dichte von 950 kg/m³ komprimiert. Das geformte Scheit enthielt Nuten längs der Seiten, um den Oberflächenbereich möglichst groß zu machen und die Brennzeit zu verbessern. Die flüssigen Verkokungsmittel wurden nicht verfestigt oder chemisch behandelt bevor oder nachdem sie in die Brennstoffzusammensetzung eingeschlossen wurden.
Tabelle 11: Beispiele bevorzugter Ausführungsformen
Wie oben beschrieben können zusätzliche Materialien in geringen Mengen hinzugefügt werden um Duft zu erzeugen (Geruchsverstärker) und die Flammenfarbe zu verändern (Flammenfärbemittel) so wie Metallsalz.
Die Erfindung schafft dadurch erstklassige Brennstoffzusammensetzungen, die nützlich bei der Herstellung von Brennscheiten und Brennstoffpellets sind, die einen überlegenen Flammen und Wärmeausstoß bieten, während sie weniger Ruß und Rauch als vergleichbare Zusammensetzungen nach dem Stande der Technik erzeugen.

Claims

Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung in der Zellulosederivat-Partikel als ein Träger für einen Brennstoffbestandteil benutzen werden, wobei die Zellulosederivat-Partikel als ein Träger und als ein Arbeitsmittel für den Brennstoffbestandteil wirken, gekennzeichnet durch: mindestens 50 Gewichts-% der festen brennbaren Brennstoffzusammensetzung sind getrockneter, benutzter Kaffeesatz; mindestens 40 Gewichts-% eines entflammbaren Wachses, das bei Raumtemperatur fest ist; und der Rest ein Verkokungswirkstoff, wobei der Verkokungswirkstoff 10 oder weniger Gewichts-% der Gesamtzusammensetzung ist.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das entflammbare Wachs mindestens 35 Gewichts-% der Zusammensetzung aufweist und ein Rest aus mindestens einem entflammbaren Zellulosederivat-Material ausgewählt ist.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, worin das Wachs ein Petroleumwachs ist.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in Anspruch 3 beansprucht, worin das Petroleumwachs Paraffin ist.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin der Verkokungswirkstoff aus einer Gruppe gewählt ist, die besteht aus Stärke, Molassen, Schwarzlauge und Zucker.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, worin das Zellulosederivat-Material aus einer Gruppe gewählt ist, die besteht aus: Pflanzenfaser, Strohen, Papier, getrockneten Blättern, Sägemehl und Torf.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, aufweisend einen Geruchsverstärker in einer Menge von 1 Gewichts-% oder weniger der Gesamtzusammensetzung.
Eine behandelte, feste, brennbare Brennstoffzusammensetzung wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin die Brennstoffzusammensetzung in ein Kaminscheit, eine Zündhilfe oder ein Brennstoff-Pellet zusammengepreßt ist.