FI83537C - Metod att underlaetta finfoerdelning av ved och andra typer av vegetabilisk biomassa foer anvaendning som braensle. - Google Patents

Description

83537

Menetelmä polttoaineena käytettävän puun ja muuntyyppisen kasvibiomassan hienontamisen helpottamiseksi

Vaihtoehtoiset polttoaineet ovat viimeisten vuosien aikana olleet kasvavan kiinnostuksen kohteena. Tämä koskee etenkin uusiutuvista energialähteistä peräisin olevia polttoaineita, kuten puuta, olkea ja sentapaista biomassaa, mukaanlukien monenlaiset puu- ja biomassajätteet. Mainittakoon tässä yhteydessä vielä turve, vaikka se ei sinänsä ole uusiutuva polttoaine.

Edellä mainittujen aineiden saattaminen hiukkasmuotoon tekee niiden käytön polttoaineena helpommaksi. Tyypillisenä esimerkkinä mainittakoon kattiloissa öljyn korvikkeena käytettävä puujauhe. Tällaisen aineen keskimääräinen hiukkas-koko riippuu yleensä käyttötarkoituksesta. Tavallisesti pyritään hiukkaskoon pienentämiseen. Niinpä on havaittu poltettaessa jauhemaisia polttoaineita kattiloissa, että pienemmät hiukkaset antavat lyhyemmän, helpommin säädettävän liekin. Erityisen selväksi muodostuu riittävän pienen hiukkaskoon merkitys käytettäessä hiukkasmuotoisia, kiinteitä polttoaineita kaasuturbiineissa tai dieselmoottoreissa. Ensin mainitussa tapauksessa täytyy hiukkasen palaa kulkiessaan erittäin nopeasti turbiinien läpi, jälkimmäisessä tapauksessa ei jauhemainen polttoaine syty, mikäli sen hiukkas-koko ei ole tarpeeksi pieni ennen ruiskutusta dieselmoottorin polttokammioon.

Tunnettua on, että erilaisen biomassan jauhaminen riittävän hienojakeiseksi jauhemaiseksi polttoaineeksi kuluttaa erittäin paljon energiaa. Riittävän hienojakoisen polttoaineen keskimääräisenä hiukkaskokona mainittakoon tässä yhteydessä esimerkinomaisesti 10 pm. On edelleen tunnetusti ehdotettu jauhettavan biomassan kemiallista esikäsittelyä hiukkaskoon pienentämisen helpottamiseksi. Ensisijaisesti on suositeltu 2 83537 happamilla aineilla, etenkin normaalisti laimeina vesiliuoksina käytettävillä hapoilla, suoritettavia esikäsittelyjä. Tällaisen käsittelyn avulla katkaistaan selluloosan glyko-sidisidokset, jolloin ketjun pituus lyhenee. Tämä johtaa puolestaan näin käsitellyn materiaalin selvään haurastumiseen. Tämäntyyppisiä vaikutuksia voidaan nähdä sekä puhtaan selluloosan että erilaisten lignoselluloosa-aineiden, kuten puun, valkaisemattomien selluloosakuitujen jne., kohdalla. Mainitun haurastamisen suoritusesimerkkejä on löydettävissä esim. US-patenttijulkaisusta 3,961,913, jossa on esitetty kunnallisjätteiden käsittely happoliuoksilla korotetussa lämpötilassa, jolloin on pyritty tämän jakeen muuttamiseksi jauheeksi. Toinen esimerkki käsittää puuhakkeen haurastutta-misen laimealla rikkihapolla puuaineksen hienontamiseksi ennen tämän muuttamista nestemäiseksi polttoaineeksi reaktorissa (Schalegger, L.L. et ai.: Soi. Energy Syst. inst., Tech.Rep. 1979, Proc., 119-22). Tässä yhteydessä voidaan myös mainita puun haudonta höyryllä 150*C:n ylittävissä lämpötiloissa, mitä on kuvattu SE-patenttijulkaisussa 84.851. Tämänlaisen käsittelyn yhteydessä vapautuu ja kemiallisten reaktioiden kauttaa muodostuu lukuisia orgaanisia happoja, jotka puolestaan aikaansaavat puheena olevan haurastumisen.

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää polttoaineeksi soveltuvan, erittäin hienoksi jakautuneen jauheen valmistamiseksi puusta tai muuntyyppisestä kasvibiomassasta. Tätä menetelmää voidaan soveltaa sekä puhtaan selluloosan että erityyppisten lignoselluloosa-aineiden (esim. puun, valkaisemattomien selluloosakuitujen, oljen jne.) käsittelyyn. Esillä olevan keksinnön yhteydessä on käynyt ilmi, että saadaan kattiloiden, kaasuturbiinien, dieselmoottoreiden ja sentapaisten polttoaineeksi erinomaisesti soveltuva hauras ja erittäin helposti jauhautuva jauhe, jolla on kapea hiuk-kaskokojakautuma, käsittelemällä karkeaksi jauhettu puu tai muuntyyppinen karkeaksi jauhettu kasvibiomassa alkalisesti reagoivien aineiden laimeilla vesiliuoksilla, jolloin karke- 3 83537 aksi jauhettu puujauhe tai muuntyyppinen kasvibiomassa käsitellään mainitulla liuoksella ja saatetaan alttiiksi korotetulle lämpötilalle. Alkalisesti reagoivina aineina voidaan mainita natriumhydroksidi ja kaliumhydroksidi.

Kapean hiukkaskokojakaumansa ansiosta aine soveltuu erittäin hyvin kattiloiden polttoaineeksi, koska se antaa lyhyemmän ja helposti säädettävän liekin. Saatavaan jauheeseen liittyy vielä eräs toinenkin etu. Verrattaessa happamilla aineilla, esim. rikkihapolla, haurastettuihin aineisiin, keksinnön mukaan valmistetulla aineella on pienempi korrodoiva vaikutus ja se tuottaa vähemmän haitallisia päästöjä. Lisäetuna voidaan mainita, että keksinnön mukaisen menetelmän avulla valmistettu jauhe tuottaa palaessaan alkalisen tuhkan, jota voidaan käyttää lannoitteena, esim. happamoitunutta maata käsiteltäessä.

Esimerkkinä niistä tuloksista, jotka saavutetaan hajottamalla puu natriumhydroksidin vesiliuoksilla, esitetään seuraa-vassa muutamia tuloksia, jotka kuvastavat karkeaksi jauhetun poppelijauheen (hiukkaskoko 200...300 pm) haurastumista. Suurimmat hiukkaset olivat kooltaan 3...5 mm. Haurastumisen mittana käytettiin laboratoriokuulumyllyssä 1 minuutin aikana suoritetun jauhatuksen jälkeen saatavaa hiukkaskokoa. Mainitussa myllyssä (Retsch Mixer Mill) sijoitettiin jauhettava aines (0,1 g) sylinterimäiseen syvennykseen, jonka dimensiot olivat 45 x 12 mm (pituus x halkaisija). Jauhatus tapahtui kahdella teräskuulalla, joiden halkaisijat olivat 10 mm. Myllyn tärytysfrekvessi oli 1500 tärytystä minuutissa.

Käsittelemättömästä poppelijauheesta saatiin tällä laitteella jauhettaessa 1 minuutissa hiukkaskoko pienennetyksi siten, että hiukkasten lukumääräisesti suurin osa oli kooltaan 50...75 pm; sen lisäksi voitiin havaita lukuisia pieniä hiukkasia ja etenkin suuria hiukkasia, joiden koot olivat 0,5...1 mm.

4 83537

Koe suoritettiin tämän jälkeen siten, että karkeaksi jauhettu poppelijauhe käsiteltiin natriumhydroksidilla. Jauhe kyllästettiin tällöin huoneenlämpötilassa NaOH:n laimeilla liuoksilla siten, että imeytynyt nestemäärä oli 2 kertaa kuivan lähtöaineen paino.

Kyllästetty, karkeaksi jauhettu jauhe sijoitettiin sitten lämpökaappiin 180“:n lämpötilaan 1 ja vastaavasti 2 tunnin ajaksi. Jauheeseen imeytynyt liuos haihtui jauheeseen jäänyttä natriumhydroksidia lukuunottamatta lämpökäsittelyn yhteydessä. Tämän käsittelyn jälkeen saatettiin kuiva jauhe yllä selostetulla kuulamyllyllä suoritettuun jauhatuksen 30 ja vastaavasti 60 sekunnin ajan. Saadut tulokset on esitetty seuraavassa.

Taulukko 1. Karkeaksi jauhetun poppelijauheen haurastuminen natriumhydroksin laimeilla liuoksilla suoritetun kyllästyksen sekä korotetussa lämpötilassa suoritetun kuivatuksen jälkeen

Keski määräinen

NaOH-konsentraatio Lämpötila Aika Jauhatusaika hiukkaskoko [%] [eC] [h] [s] [m] 2.5 180 1 30 1-3 2.5 180 1 60 1-3 1.0 180 1 30 20 - 30 1.0 180 1 60 5 - 10 Nämä tulokset osoittavat erittäin selvästi NaOH-liuoksella suoritetun käsittelyn huomattavaa vaikutusta jauhautuvuuteen. Erittäin tärkeää on havaita, että taulukon hiukkaskokoar-voille on ominaista erittäin kapea kokojakautuma. Tämä merkitsee selvää parannusta verrattaessa käsittelemättömän karkean jauheen jauhatuksesta saatavaan jauheeseen, jossa oli lukuisia karkeita hiukkasia, jotka lisäsivät jaukauman leveyttä. Edellä selostetun, NaOH-liuoksilla suoritetun käsittelyn avulla poistettiin täysin suuret hiukkaset jauhe- 5 83537 tusta tuotteesta. Kuten edellä mainittiin esiintyi siinä käsittelemättömässä jauheessa, jota oli jauhettu kuula-myllyssä 1 minuutin ajan, myös hiukkasia, jotka olivat kooltaan 0,5...1 mm.

Esitettyjen tulosten täydentämiseksi suoritettiin myös koesarja, jossa kyllästettiin kosteaa (noin 70 %:n vesipitoisuus) puujauhetta. Nämä kokeet johtivat seuraaviin tuloksiin.

Taulukko 2. Karkeaksi jauhetun poppelijauheen haurastuminen natriumhydroksin laimeilla liuoksilla suoritetun kyllästyksen sekä korotetussa lämpötilassa suoritetun kuivatuksen jälkeen. Kostean (70 %:n vesipitoisuus) jauheen kyllästäminen

NaOH-konsentraatio Lämpötila Aika Jauhatusaika Hiukkaskoko [%] [*C] [h] [s] [pm] 2.5 180 1 30 10 - 15 2.5 180 1 60 3-5 2.5 180 2 60 3-4 1.0 180 1 30 20 - 30 1.0 180 1 60 5 - 10 1.0 200 1 30 15 - 25 1.0 200 1 60 5-15 1.0 180 2 60 5 0,5 200 1 60 10 - 15 \\ 0,1 200 1 60 15 - 20 Näidenkin kokeiden yhteydessä saatiin hyvin kapeita hiukkas-kokojakautumia jauhatuksen jälkeen, jolloin keskimääräiset hiukkaskokoarvot olivat samaa suuruusluokkaa kuin taulukossa 1 ilmoitetut arvot. Täydellisyyden vuoksi mainittakoon, että pieni määrä isoja hiukkasia esiintyi taulukon kahdessa viimeisimmässä kokeessa. Natriumhydroksidin haurastuttava vaikutus oli selvä kuitenkin myös näissä tapauksissa.

Yllä selostetuista koesarjoista käy siten selvästi ilmi, että puujauheen kyllästäminen natriumhydroksidin laimeilla « 83537 liuoksilla sekä sen lämpökäsittely korotetuissa lämpötiloissa tämän jälkeen johtaa puuhiukkasten voimakkaaseen haurastumiseen. Kun pidetään mielessä käsittelemättömän puuaineksen jauhatuksen suuri energiankulutus, edustaa tämä tietenkin kiinnostavaa mahdollisuutta päästä tarkoituksenmukaisempaan jauhatusprosessiin. Sen lisäksi että haurastuneen aineksen jauhatuksen energiankulutus on pienempi voidaan laitteiston suunnittelussa myös lähteä pienemmistä pääomakustannuksista koska jauhimien kapasiteetti on suurempi. Tämän lisäksi on huomattava ne edut, joita isojen hiukkasten puuttuminen merkitsee, eli jauhatusprosessin yhteydessä suoritettava seulonnan tarpeen vähentyminen.

Natriumhydroksidin haurastuttava vaikutus, joka on osoitettu yllä, ei rajoitu tässä selostettuun menetelmään, eli puuaineksen kyllästämiseen NaOH-liuoksella ja sitä seuraavaan käsittelyyn korotetussa lämpötilassa. Tämä menetelmä on valittu kyseessä olevan vaikutuksen selostamiseksi sen yksinkertaisia tehdassovelluksia ajatellen. Esimerkkinä näistä mainittakoon puujauhetehdas hienoksi jakautuneen biopolttoaineen valmistamiseksi. On siten osoittautunut, että vastaavanlaisiin tuloksiin päästään suspensiokäsittelyllä, jossa puujauhe suspendoidaan NaOH-liuokseen. Tämä suspensio saatetaan sitten korotettuun lämpötilaan, mikä liuoksen kiehumispisteen ylittävissä lämpötiloissa merkitsee käsittelyn suorittamista paineen alaisena.

Kyllästämismenetelmää voidaan myös tarvittaessa modifioida. Niinpä halutun konsentraation omaavan NaOH-liuoksen ruisku-tusapplikaatio saattaa olla keksinnön sopivin suoritusmuoto. Liuoksen natriumhydroksidikonsentraatio sovitetaan lisäksi siten, että puujauheen ruiskutuksen yhteydessä ottama hydroksidimäärä johtaa haluttuun haurastumiseen. Tämän suoritusmuodon etuna on se, että mm. haurastuskäsittelyn yhteydessä käsiteltävät nestemäärät ovat huomattavasti pienemmät.

7 83537

Keksintö ei tietenkään rajoitu natriumhyudroksin käyttöön aktiivisena aineena. Muita puun haurastamiseen soveltuvia, alkalisesti vaikuttavia aineita ovat kaliumhydroksidi sekä eräät orgaaniset emäkset, kuten amiinit tai esim. kvaternaa-risiin ammoniumsuoloihin perustuvat emäkset.

Claims (6)

8 83537

1. Menetelmä polttoaineena käytettäväksi soveltuvan, erittäin hienoksi jakautuneen puujauheen ja muuntyyppisen kasvibiomassan jauheen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että käsitellään karkeaksi jauhettu puu tai muuntyyppinen karkeaksi jauhettu kasvibiomassa alkalisesti reagoivan aineen laimealla vesiliuoksella ja sen jälkeen saatetaan aines korotettuun lämpötilaan, minkä jälkeen saatetaan käsitelty aines jauhatukseen, jolloin saadaan hienoksi jakautunut jauhe, jolla on kapea hiukkaskokojakautuma.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään alkalisesti reagoivana aineena natriumhydroksidia.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään alkalisesti reagoivana aineena kaiiumhydroksidia.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että karkeaksi jauhetun aineen käsittely alkalisen aineen laimealla vesiliuoksella suoritetaan kyllästämällä tai absorptiolla.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alkalisella aineella suoritettava käsittely tapahtuu suspensiossa, jolloin karkeaksi jauhettu aine suspendoidaan alkalisen aineen laimeaan liuokseen.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alistetaan kostea, karkeaksi jauhettu aines alkalisella aineella suoritettuun käsittelyyn. 9 83537