PL245959B1

PL245959B1 - Aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta uszlachetniony kompozycją dodatków

Info

Publication number: PL245959B1
Application number: PL440563A
Authority: PL
Inventors: Grażyna ŻAK; Grażyna Żak; Michał Wojtasik; Jarosław Markowski; Robert Wojtowicz; Mateusz Rataj; Tadeusz Kwilosz; Stefan PTAK; Stefan Ptak
Original assignee: Inst Nafty I Gazu Panstwowy Inst Badawczy
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2024-11-04
Also published as: PL440563A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(III) oraz węglan potasu, charakteryzujący się tym, że w jego skład wchodzi: 99% (m/m) w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika I, w którym od 49% do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych i od 49% do 51% (m/m) stanowi słoma pszenżyta oraz 1% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika II, w którym od 24,0% do 26,0% (m/m) stanowi węglan potasu i od 74,0% do 76,0% (m/m) stanowi tlenek żelaza(III), które to składniki I i II przed procesem aglomeracji są zmieszane i dokładnie ujednorodnione.

Description

Opis wynalazku

DZIEDZINA TECHNIKI

Przedmiotem wynalazku jest aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta uszlachetniony kompozycją dodatków, ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, stosowany jako paliwo.

STAN TECHNIKI

Począwszy od drugiej połowy lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, na całym świecie wprowadzane są i systematycznie zaostrzane przepisy ograniczające wielkość emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery. Wielkość emisji oraz rodzaj emitowanych składników spalin z obiektów energetycznych wykorzystujących biomasę zależy głównie od składu paliwa, stosowanego procesu spalania i metody oczyszczania gazów wylotowych. Emisję toksycznych składników spalin można również ograniczać wykorzystując do tego celu substancje dozowane do paliwa na etapie jego wytwarzania.

W opisie patentowym US 8048243 przedstawiono skład uniwersalnego dodatku do paliw kopalnych takich jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, a nawet do drewna i węgla drzewnego, którego zastosowanie obniża emisję tlenków siarki, tlenków azotu oraz tlenku węgla. Dodatek składa się z azotanu sodu w ilości 12-18% mas., nadmanganianu potasu 0,2-0,4% mas., węglanu sodu 0,5-1,5% mas., dwutlenku krzemu 40-65% mas., tlenku żelaza(II) 3-5% mas., tlenku magnezu 2-5% mas., tlenku potasu 0,3-0,8% mas., tlenku glinu 20-24% mas. oraz tlenku żelaza(III) 2,6-5,3% mas.

W celu obniżenia emisji tlenku węgla, sadzy i cząstek stałych z procesu spalania biomasy stosuje się m.in. odpowiednie dodatki do paliwa, których zadaniem jest katalizowanie procesu spalania. Autorzy prac (B. S. H. Kassmann, C. Andersson, J. Carlsson, U. Bjorklund, “Decreased emissions of CO and NOx by injection of ammonium sulphate into the combustion chamber,” Stockholm, 2005 oraz T. Streibel, F. Muhlberger, R. Geiβler, M. Saraji-Bozorgzad, T. Adam, and R. Zimmermann, “Influence of sulphur addition on emissions of polycyclic aromatic hydrocarbons during biomass combustion,” Proc. Combust. Inst., vol. 35, no. 2, pp. 1771-1777, 2015) przedstawili wyniki badań, w których stwierdzają, że dodatek siarczanu amonu wpływa na obniżenie emisji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, tlenków azotu oraz tlenku węgla.

Autorzy badań, których wyniki zamieszczono w artykule (M. Gehrig, M. Wohler, S. Pelz, J. Steinbrink, and H. Thorwarth, “Kaolin as additive in wood pellet combustion with several mixtures of spruce and short-rotation-coppice willow and its influence on emissions and ashes,” Fuel, vol. 235, pp. 610-616, 2019) stwierdzili, że skutecznym środkiem obniżającym emisję tlenku węgla powstającego w procesie spalania paliwa będącego mieszaniną wierzby energetycznej i świerka jest kaolin. Dodatek tego minerału do paliwa obniżał emisję tlenku węgla, w zależności od jego stężenia w paliwie i składu biomasy od 23,8 do 68,4% w stosunku do paliwa bez dodatku.

Natomiast w artykule (L. S. Bafver, M. Ronnback, B. Leckner, F. Claesson, and C. Tullin, “Particle emission from combustion of oat grain and its potential reduction by addition of limestone or kaolin,” Fuel Process. Technol., vol. 90, no. 3, pp. 353-359, 2009) przedstawiono badania nad skutecznością kaolinu i wapienia w redukcji emisji tlenku węgla w procesie spalania ziaren owsa. Dodatek 2% masowych wapienia obniżył emisję w stosunku do czystego ziarna o 40%, natomiast dodatek 2% masowych kaolinu o 66%, a dodatek 4% masowych kaolinu o 69%. Niestety jednocześnie zastosowanie tych minerałów zwiększyło emisję NOx o 5% - 32%, natomiast SOx o 0,8% - 19,7%.

Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie aglomeratu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, uszlachetnionego kompozycją dodatków ograniczających poziom emisji do atmosfery toksycznych składników spalin emitowanych w procesie spalania, który będzie charakteryzował się niższym poziomem emisji powstających w procesie jego spalania organicznych związków węgla, CO oraz SOx niż aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta nie zawierający kompozycji dodatków.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że takie właściwości posiada, zgodny z niniejszym wynalazkiem, aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, uszlachetniony kompozycją dodatków, który charakteryzuje się niższym poziomem emisji powstających w procesie jego spalania organicznych związków węgla oraz CO niż aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych i słomy pszenżyta nie zawierający kompozycji dodatków.

PL 245959 Β1

ISTOTA WYNALAZKU

Aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(lll) oraz węglan potasu, charakteryzuje się tym, że w jego skład wchodzi:

- 99% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika I, w którym od 49 do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych, i od 49 do 51% (m/m) stanowi słoma pszenżyta, oraz

- 1% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika II, w którym od 24,0 do 26,0% (m/m) stanowi węglan potasu, i od 74,0 do 76,0% (m/ni) stanowi tlenek żelaza(lll).

Dla potrzeb niniejszego wynalazku jako aglomerat należy rozumieć produkt poddany procesom zagęszczania lub kompaktowania m.in. pelet oraz brykiet.

Okazało się w trakcie badań, że uszlachetnienie aglomeratu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, kompozycją dodatków wykazujących synergizm działania pozwala ograniczyć emisję pochodzących z jego spalania organicznych związków węgla o ok. 96% oraz CO o ok. 91 % w stosunku do aglomeratu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta nie zawierającego kompozycji dodatków, a także o ok. 97% w przypadku OGC i o ok. 91% w przypadku CO w stosunku do aglomeratu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta zawierającego tlenek żelaza(lll) stosowany indywidualnie.

Niniejszy wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania ilustrujących skład, sposób wytwarzania i skuteczność ograniczania emisji toksycznych składników spalin przez zastosowanie w procesie spalania aglomeratu mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta uszlachetnionego kompozycją dodatków, gdzie przykłady 1 i 2 to przykłady porównawcze, a przykłady 3 i 4 to przykłady według wynalazku, przy czym nie można ich traktować za ograniczenie istoty wynalazku, ponieważ mają one jedynie ilustracyjny charakter.

PRZYKŁADY

Przykład 1 - przykład porównawczy

Odważono 5000 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1 oraz 5000 g słomy pszenżyta o właściwościach z tabeli 2, następnie dokładnie wymieszano komponenty, a mieszaninę poddano aglomeracji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Tabela 1. Charakterystyka trocin z drewna drzew iglastych zastosowanych do badań

Nazwa oznaczenia. metoda badania 1^,	Jednostka	Wartość
Zawartość wilgoci całkowitej	%	11,2
Zawartość popiołu	%	0,3
Ciepło spalania	kj/kg	18918
Wartość opałowa	kJ/kg	16560
Zawartość węgla pierwiastkowego	%	46,7
Zawartość wodoru	%	5,65

PL 245959 Β1

Tabela 2. Charakterystyka słomy pszenżyta zastosowanej do badań

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Zawartość wilgoci całkowitej	%	7,6
Zawartość popiołu	%	4,7
Ciepło spalania	kJ/kg	17794
Wartość opałowa	kj/kg	16260
Zawartość węgla pierwiastkowego	%	43,2
Zawartość wodoru	%	5,45

Przykład 2 - przykład porównawczy

Odważono 4950 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 4950 g słomy pszenżyta o właściwościach z tabeli 2 oraz 100 g tlenku żelaza (III) o właściwościach z tabeli 3, a następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Próbkę z wymieszanymi trocinami, słomą pszenżyta oraz tlenkiem żelaza (III) poddano następnie aglomeracji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Tabela 3. Charakterystyka tlenku żelaza (III) zastosowanego do badań.

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Zawartość FC2O3	%	96,0
pH (zawiesina 5%), 20°C		5
Gęstość	kg/dm³	5,24
Ciężar nasypowy	kg/dm·³	0,7

Przykład 3

Odważono 4975 g trocin z drewna drzew iglastych o właściwościach z tabeli 1, 4925 g słomy pszenżyta o właściwościach z tabeli 2, następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Odważono 75 gramów tlenku żelaza(lll) o właściwościach z tabeli 3 oraz 25 g węglanu potasu o właściwościach z tabeli 4, a następnie je połączono i dokładnie wymieszano. Wymieszane trociny z drewna drzew iglastych oraz słomę pszenżyta zmieszano z kompozycją dodatków: tlenku żelaza(lll) i węglanu potasu i dokładnie wymieszano. Otrzymaną próbkę poddano aglomeracji w urządzeniu peletującym ZLSP-150B firmy Haven Polska Sp. z o.o. z zastosowaniem matrycy o średnicy oczek równej 6 mm.

Tabela 4. Charakterystyka węglanu potasu zastosowanego do badań.

Nazwa oznaczenia, metoda badania	Jednostka	Wartość
Zawartość K2CO3	%	98,0
pH (roztwór 50 g/1), 20°C	-	11,5 12,5
Gęstość, 20^uC	g/cm³	2,43

PL 245959 Β1

Przykład 4

Wykonano testy spalania produktów z przykładów od 1 do 3 w piecu kominkowym na pelet model AIRPELL 8 firmy Defro o nominalnej mocy cieplnej 8 kW.

W trakcie testów wykonano pomiary zawartości w spalinach: tlenku węgla(ll) oraz organicznych związków węgla. Spaliny przeznaczone do analizy zawartości substancji szkodliwych pobierano z króćców zamontowanych w odcinku pomiarowym łączącym ogrzewacz z przewodem kominowym. Do badania zawartości tlenku węgla(ll) wykorzystano analizator gazu model MRU ECU 3000, natomiast do badania zawartości organicznych związków węgla wykorzystano analizator gazu model Thermo-FID TG. Pomiar tlenku węgla(ll) realizowano zgodnie z normą PN-EN 14785:2009 (Ogrzewacze pomieszczeń opalane peletami Wymagania i metody badań). Pomiar organicznych związków węgla realizowano zgodnie z normą PN-EN 303-5:2012 (Kotły grzewcze. Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW - Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie). Oznaczone wyniki średnich 25 minutowych zawartości CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w trakcie spalania produktów z przykładów od 1 do 3 zamieszczono w tabeli 5.

Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 14785:2009 oraz ROZPORZĄDZENIA KOMISJI (UE) 2015/1185 z dnia 24 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących miejscowych ogrzewaczy pomieszczeń na paliwo stałe zmierzone wartości substancji w spalinach przeliczono na 13% zawartości tlenu.

Tabela 5. Zawartości CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w trakcie spalania produktów z przykładów od 1 do 3.

Składnik spalin [jednostka]	CO przeliczone IppHl]	OGC przeliczone [nig/ni$l
Produkt z przykładu 1 (porównawczy)	2031,4	191,8
Produkt z przykładu 2 (porównawczy)	2148,0	200,1
Produkt z przykładu 3	191,0	6,8

W powyższych przykładach wykazano działanie kompozycji dodatków według wynalazku ograniczające poziom emisji CO oraz organicznych związków węgla emitowanych w procesie spalania, poddanych procesowi aglomeracji, paliw z biomasy oraz udowodniono jej przemysłową stosowalność.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Aglomerat mieszaniny trocin z drewna drzew iglastych oraz słomy pszenżyta, uszlachetniony kompozycją dodatków ograniczającą poziom emisji toksycznych składników spalin, zawierającą tlenek żelaza(lll) oraz węglan potasu, znamienny tym, że w jego skład wchodzi:

- 99% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika I, w którym od 49 do 51% (m/m) stanowią trociny z drewna drzew iglastych, i od 49 do 51% (m/m) stanowi słoma pszenżyta, oraz

- 1% (m/m), w przeliczeniu na całkowitą masę aglomeratu, składnika II, w którym od 24,0 do 26,0% (m/m) stanowi węglan potasu, i od 74,0 do 76,0% (m/m) stanowi tlenek żelaza(lll).