RU2746855C2

RU2746855C2 - Твердое топливо из биомассы

Info

Publication number: RU2746855C2
Application number: RU2018138545A
Authority: RU
Inventors: Сигея ХАЯСИ; Хироси АМАНО; Нобуюки ООИ; Юсукэ ХИРАИВА
Original assignee: УБЭ Индастриз, Лтд.
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2021-04-21
Also published as: MY186936A; JP7267382B2; US11390823B2; WO2017175733A1; JP7003950B2; RU2018138545A; JP2022017460A; JP2019123879A; AU2017247418A1; KR20180133444A; AU2017247418B2; JP6501037B2; US20190119593A1; RU2018138545A3; CA3019888A1; JPWO2017175733A1; KR102431476B1

Abstract

Изобретение относится к твердому топливу из биомассы. Описан способ получения твёрдого топлива из биомассы, в котором взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется после погружения в воду, включающий в себя: стадию формования для осуществления формования частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины, имеющих размер частиц от 100 до 3000 мкм, в ненагретые блоки биомассы и стадию нагревания для осуществления нагревания ненагретых блоков биомассы для получения нагретого твёрдого продукта, причём указанный нагретый твёрдый продукт используют в качестве твёрдого топлива из биомассы; при этом указанный способ не включает в себя стадию парового взрыва биомассы, температура нагревания на стадии нагревания составляет от 150 до 400°C и твёрдое топливо из биомассы характеризуется топливным отношением (связанный углерод/летучее вещество) от 0,15 до 1,50, высшей теплотой сгорания на сухую массу топлива от 4500 до 7000 (ккал/кг на сухую массу), мольным отношением кислорода O к углероду C (O/C) от 0,1 до 0,7 и мольным отношением водорода H к углероду C (H/C) от 0,70 до 1,40, а также не содержит связующего. Технический результат - получение твёрдого топлива из биомассы, которое имеет низкую ХПК отводимой воды в случае воздействия дождевой воды и тому подобного, при одновременном подавлении повышения стоимости. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 табл., 15 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к твёрдому топливу из биомассы.

Уровень техники

Ранее были известны твёрдые топлива, полученные путём формования биомасс на основе древесины. Однако они заключают в себе проблемы, состоящие в том, что обращение с ними затруднительно, поскольку они разделяются на составные части под воздействием дождевой воды и тому подобного при хранении на открытом воздухе, и к тому же ХПК (химическая потребность в кислороде) отводимой воды увеличивается вследствие вымывания органических веществ, таких как смола и тому подобные. С учётом вышесказанного, в Патентном документе 1 раскрыто твёрдое топливо, полученное путём осуществления формования и нагревания после обработки растительного сырья паровым взрывом, при этом полученное твёрдое топливо не разделяется на составные части под воздействием дождевой воды и тому подобного при хранении на открытом воздухе, хотя не используется связующее и тому подобные компоненты, и в дополнение к этому, предотвращается вымывание смоляного компонента и снижается величина ХПК отводимой воды.

Список цитированной литературы

Патентный документ

Патентный документ 1: Описание документа WO2014/087949

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

Однако вышеупомянутая технология предшествующего уровня техники требует осуществления стадии процесса парового взрыва, что приводит к повышению стоимости.

Настоящее изобретение воплощено для решения указанной проблемы, и его цель заключается в получении твёрдого топлива из биомассы, которое имеет низкую ХПК отводимой воды в случае воздействия дождевой воды и тому подобного при одновременном подавлении повышения стоимости.

Решение проблемы

Твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения представляет собой твёрдое топливо из биомассы, полученное путём формования частиц измельчённой в порошок биомассы исходного материала, причем взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой биомассы сохраняется после погружения в воду.

Положительный эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается твёрдое топливо из биомассы, которое имеет низкую характеристику разделения на составные части и достигает пониженного значения ХПК отводимой воды в случае воздействия дождевой воды при одновременном подавлении повышения стоимости, без использования процесса парового взрыва и связующего или тому подобного.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой график, отображающий площади удельной поверхности по БЭТ твёрдых топлив.

Фиг. 2 является графиком, показывающим средний диаметр пор поверхности твёрдых топлив.

Фиг. 3 представляет собой график, отображающий общий объём пор поверхности твёрдых топлив.

Фиг. 4 представляет собой диаграмму, показывающую (оценочный) механизм образования поперечных связей при помощи твёрдого вещества в ходе PBT.

Фиг. 5 является диаграммой, представляющей результаты анализа внешней поверхности пеллет твёрдых топлив методом ИК-Фурье спектроскопии.

Фиг. 6 представляет собой диаграмму, отображающую результаты анализа центра сечения пеллет твёрдых топлив методом ИК-Фурье спектроскопии.

Фиг. 7 представляет собой диаграмму, показывающую результаты анализа ацетонового экстракта твёрдых топлив методом ИК-Фурье спектроскопии.

Фиг. 8 является диаграммой, отображающей результаты анализа методом ИК-Фурье спектроскопии твёрдого остатка твёрдых топлив после экстракции ацетоном.

Фиг. 9 представляет собой диаграмму, показывающую результаты анализа ацетонового экстракта твёрдых топлив методом ГХ-МС.

Фиг. 10 представляет собой фотографию, отображающую форму пеллет после погружения твёрдых топлив в физиологический солевой раствор.

Фиг. 11 представляет собой график, отображающий распределение натрия до и после погружения твёрдых топлив в физиологический солевой раствор.

Фиг. 12 является графиком, показывающим результаты анализа твёрдых топлив методом TG.

Фиг. 13 является графиком, показывающим результаты анализа твёрдых топлив методом DTA.

Фиг. 14 представляет собой график, отображающий результаты испытания твёрдого топлива e на разделение на составные части.

Фиг. 15 является графиком, показывающим результаты испытания твёрдого топлива f на разделение на составные части.

Осуществление изобретения

Твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения представляет собой твёрдое топливо из биомассы, полученное формованием частиц измельчённой в порошок биомассы исходного материала, причем взаимное связывание или сцепление между частицами измельченной в порошок биомассы сохраняется после погружения в воду.

Один из вариантов воплощения твёрдого топлива из биомассы настоящего изобретения характеризуется топливным отношением (связанный углерод/летучее вещество) предпочтительно от 0,15 до 1,50, более предпочтительно от 0,17 до 1,50, ещё более предпочтительно от 0,20 до 1,50; высшей теплотой сгорания на сухую массу топлива предпочтительно от 4500 до 7000 (ккал/кг), более предпочтительно от 4700 до 7000 (ккал/кг); и мольным отношением кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно от 0,1 до 0,7 и мольным отношением водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно от 0,70 до 1,40. Если твёрдое топливо из биомассы обладает физическими свойствами в пределах указанных выше диапазонов, может быть снижена величина ХПК отводимой воды при хранении, уменьшаться разделение на составные части и улучшаться лёгкость обращения во время хранения. Твёрдое топливо настоящего изобретения представляет собой формованный твёрдый продукт, полученный в результате осуществления стадий, включающих в себя стадию формования путём сжатия и формования биомассы, раздробленной и измельчённой до состояния обломков или порошка, в блоки биомассы, и стадию нагревания путём нагревания блоков биомассы после стадии формования. Формованный твёрдый продукт используют в качестве топлива (соответствующего продукту PBT, упоминаемому ниже). Твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения, имеющее предпочтительные свойства (например, водостойкость и размолоспособность), можно получать путём регулирования, например, соотношения разновидностей деревьев биомассы, используемых в качестве исходного материала, их частей и температуры нагревания (на фигурах иногда называется температурой твёрдого вещества) на стадии нагревания и тому подобными способами. Результаты технического анализа (промышленного анализа), результаты полного анализа (элементного анализа) и высшая теплота сгорания, приводимые в настоящем описании, определены на основе стандартов JIS M 8812, 8813 и 8814.

Один из вариантов воплощения твёрдого топлива из биомассы настоящего изобретения представляет собой продукт, полученный путём формования частиц измельчённой в порошок биомассы исходного материала, содержащего по меньшей мере один из материалов, выбранный из группы, состоящей из каучукового дерева, акации, меранти, эвкалипта и тика, или частиц измельчённой в порошок биомассы исходного материала, состоящей из смеси лиственницы, ели и берёзы. Лиственницу, ель и берёзу можно использовать в качестве исходного материала биомассы по отдельности, но их смеси являются предпочтительными. Твёрдое топливо из биомассы представляет собой формованный твёрдый продукт, полученный в результате осуществления стадий, включающих в себя стадию формования путём сжатия и формования биомассы, раздробленной и измельчённой до состояния обломков или порошка, в блоки биомассы, и стадию нагревания путём нагревания блоков биомассы. Формованный и нагретый твёрдый продукт используют в качестве топлива (соответствующего продукту PBT, упоминаемому ниже). Поскольку твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения не требует выполнения стадии парового взрыва и использования связующего, повышение стоимости подавляется. В настоящем документе биомасса как исходный материал также называется просто «исходным материалом» или «биомассой», блоки биомассы, полученные путём осуществления процесса формования перед стадией нагревания, также называются «ненагретыми блоками биомассы», а твёрдое топливо из биомассы также называется просто «твёрдым топливом».

В дополнение к этому, исходные материалы могут дополнительно содержать другие виды деревьев, отличные от указанных выше. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения общее содержание каучукового дерева, акации, меранти, эвкалипта, тика, лиственницы, ели и березы предпочтительно составляет 50% масс. или больше, более предпочтительно 80% масс. или больше, и может составлять 100% масс. в общей массе исходных материалов биомассы.

Как описано выше, твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения получено способом, включающим в себя стадию формования и последующую стадию нагревания. На стадии формования блоки биомассы формируют при использовании известных способов формования. Блоки биомассы находятся предпочтительно в форме пеллет или брикетов, а их размер является произвольным. На стадии нагревания сформированные блоки биомассы нагревают.

В твёрдом топливе из биомассы, полученном после стадии нагревания, величина ХПК (химическая потребность в кислороде) погружной воды, использованной для погружения в неё, предпочтительно составляет 3 000 ч./млн. или меньше. В дополнение к этому, отношение величин ХПК твёрдого топлива из биомассы, представляемое отношением (ХПК твёрдого топлива из биомассы после стадии нагревания/ХПК ненагретого твёрдого топлива из биомассы), предпочтительно составляет 1,00 или меньше, а более предпочтительно 0,98 или меньше. Здесь ХПК (химическая потребность в кислороде) погружной воды, использованной для погружения в неё твёрдого топлива из биомассы (можно называть просто «ХПК»), обозначает величину ХПК, полученную в результате испытания в соответствии со стандартом JIS K0102(2010)-17 для образца погружной воды, предназначенной для определения ХПК, приготовленного в соответствии с указанием № 13 Японского агентства по окружающей среде "(A) a method for detecting a metal or the like contained in an industrial waste", 1973.

Твёрдое топливо из биомассы, полученное после стадии нагревания, имеет коэффициент размолоспособности по Хардгрову (HGI), составляющий в соответствии со стандартом JIS M 8801 предпочтительно 15 или больше и 70 или меньше, а более предпочтительно, 20 или больше и 60 или меньше. Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,11 м²/г до 0,80 м²/г, более предпочтительно от 0,15 м²/г до 0,80 м²/г, ещё более предпочтительно от 0,3 до 0,8 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,3 до 0,7 м²/г. Равновесное содержание влаги после погружения в воду предпочтительно составляет от 10 до 65 масс.%, более предпочтительно от 15 до 65 масс.%, ещё более предпочтительно от 15 до 50 масс.%, а ещё предпочтительнее от 15 до 45 масс.%.

Способ изготовления твёрдого топлива из биомассы настоящего изобретения включает в себя стадию формования для осуществления формования частиц измельчённой в порошок биомассы, подвергнутой раздроблению и измельчению, для получения ненагретых блоков биомассы, и стадию нагревания для осуществления нагревания ненагретых блоков биомассы, в результате чего получают нагретый твёрдый продукт, при этом температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 150°C до 400°C. При использовании температуры стадии нагревания, находящейся в пределах указанного выше диапазона, можно получать твёрдое топливо из биомассы, имеющее указанные выше свойства. Температуру нагревания определяют надлежащим образом в зависимости от исходных материалов биомассы, а также от формы и размера блоков биомассы, но предпочтительно она составляет от 150 до 400°C, более предпочтительно от 200 до 350°C, ещё более предпочтительно от 230 до 300°C, особенно предпочтительно от 230 до 290°C. Время нагревания на стадии нагревания конкретно не ограничивается, но предпочтительно оно составляет от 0,2 до 3 часов.

Размер частиц для частиц измельчённой в порошок биомассы конкретно не ограничивается, но средний размер предпочтительно составляет примерно от 100 до 3000 мкм, а более предпочтительно от 400 до 1000 мкм. В качестве способа измерения размера частиц измельчённой в порошок биомассы можно использовать известные способы измерения. Так как взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы поддерживается за счёт образования поперечных связей с помощью твёрдого вещества в твёрдом топливе из биомассы (PBT) настоящего изобретения, как описано ниже, размер частиц измельчённой в порошок биомассы конкретно не ограничивается, если только он находится в пределах диапазона, пригодного для формуемости. Кроме того, поскольку тонкое измельчение становится причиной повышения стоимости, размер частиц может находиться в пределах известного диапазона, если только и стоимость, и формуемость могут согласовываться.

Если A обозначает насыпную плотность ненагретых блоков биомассы перед стадией нагревания, а B обозначает насыпную плотность нагретого твёрдого продукта после стадии нагревания, предпочтительно, чтобы отношение B/A = 0,6 - 1. Величина насыпной плотности A конкретно не ограничивается, если только она находится в пределах такого известного диапазона, что ненагретые блоки биомассы могут быть получены формованием частиц измельчённой биомассы. Насыпная плотность изменяется в зависимости от вида исходных материалов биомассы, и, таким образом, её можно устанавливать надлежащим образом. Насыпную плотность можно измерять способом, описанным ниже в примерах. Если H1 обозначает HGI (коэффициент размолоспособности по Хардгрову в соответствии со стандартом JIS M8801) ненагретых блоков биомассы, а H2 обозначает коэффициент HGI нагретых твёрдых продуктов, предпочтительно, чтобы удовлетворялось условие H2/H1 = 1,1 - 4,0, а более предпочтительно, чтобы соотношение составляло от 1,1 до 2,5. Путём осуществления нагревания таким образом, чтобы одно из значений, значение B/A (отношение насыпных плотностей) и значение H2/H1 (отношение коэффициентов HGI), или оба эти значения находились в пределах указанных диапазонов, можно получать твёрдое топливо из биомассы, характеризующееся улучшенной лёгкостью обращения во время хранения за счёт снижения разделения на составные части при одновременном уменьшении величины ХПК отводимой воды во время хранения.

В твёрдом топливе настоящего изобретения доля расширения длины и/или диаметра до и после погружения в воду предпочтительно составляет 20% или меньше, доля объёмного расширения предпочтительно составляет 173% или меньше, более предпочтительно 160% или меньше. Более предпочтительно, чтобы доли расширения диаметра и длины составляли 15% или меньше, а доля объёмного расширения составляла около 152% или меньше. Ещё более предпочтительно, чтобы доли расширения диаметра и длины составляли 13% или меньше, а доля объёмного расширения составляла около 140% или меньше. Ещё предпочтительнее, чтобы доли расширения диаметра и длины составляли 11% или меньше, а доля объёмного расширения составляла около 137% или меньше. Даже ещё предпочтительнее, чтобы доля расширения длины составляла 10% или меньше. Как описано выше, поскольку доли расширения после погружения в воду находятся в пределах определённого диапазона, твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения не разделяется на составные части даже при погружении, показывая, что оно обладает водостойкостью. Долю расширения длины, долю расширения диаметра и долю объёмного расширения можно измерять способом, описанным в примерах.

В настоящем документе характеристики твёрдого топлива из биомассы можно определять в предпочтительном диапазоне, в зависимости от видов деревьев биомассы, используемой в качестве исходного материала. Далее в настоящем документе предпочтительные диапазоны будут описаны относительно видов исходных материалов биомассы, используемых в настоящем изобретении, свойств полученных твёрдых топлив (соответствующих продукту PBT, упомянутому ниже) и способу их получения, соответственно, но они являются лишь примерами, и настоящее изобретение ими не ограничивается.

[Виды исходного материала биомассы и свойства твёрдого топлива]

(Каучуковое дерево: твёрдое топливо a)

Если исходный материал представляет собой каучуковое дерево, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом a) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 2500 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 1100 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 600 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 1,00 или меньше, более предпочтительно 0,60 или меньше, и даже более предпочтительно 0,55 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду (соответствующее содержанию влаги твёрдого тела, описанному в примерах) предпочтительно составляет от 15 масс.% до 45 масс.%, более предпочтительно от 15 масс.% до 40 масс.%, а ещё предпочтительнее от 15 масс.% до 32 масс.%.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,43 м²/г до 0,80 м²/г, более предпочтительно от 0,44 м²/г до 0,80 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,47 м²/г до 0,80 м²/г.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 30 до 70, более предпочтительно от 35 до 70, а ещё предпочтительнее от 45 до 70. Отношение коэффициентов HGI (описанное ниже) предпочтительно составляет от 1,5 до 4,0, более предпочтительно от 2,0 до 4,0, а ещё более предпочтительно от 2,5 до 4,0.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,20 до 1,50, а более предпочтительно от 0,25 до 1,50.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4700 до 7000 ккал/кг, более предпочтительно от 5000 до 7000 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 5100 до 7000 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,10 до 0,65, более предпочтительно от 0,15 до 0,60. Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 0,70 до 1,38, а более предпочтительно от 0,70 до 1,35.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 20% или меньше, более предпочтительно 15% или меньше, а ещё предпочтительнее 5% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 10% или меньше, более предпочтительно 7% или меньше, а ещё предпочтительнее 4% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 158% или меньше, более предпочтительно 142% или меньше, а ещё предпочтительнее 115% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива a.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива a температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 230 до 350°C, более предпочтительно от 250 до 300°C, а ещё более предпочтительно от 255 до 290°C.

(Акация: твёрдое топливо b)

Если исходный материал представляет собой ксилемную часть акации, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом b) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 400 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 350 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 250 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 1,00 или меньше, более предпочтительно 0,98 или меньше, а ещё предпочтительнее 0,81 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду предпочтительно составляет от 15 масс.% до 30 масс.%, более предпочтительно от 18 масс.% до 27 масс.%, а ещё предпочтительнее от 18 масс.% до 24 масс.%.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 20 до 70, более предпочтительно от 35 до 65, а ещё предпочтительнее от 40 до 65.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,32 м²/г до 0,60 м²/г, более предпочтительно от 0,35 м²/г до 0,60 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,35 м²/г до 0,55 м²/г.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,21 до 0,90, более предпочтительно от 0,21 до 0,88, а ещё предпочтительнее от 0,21 до 0,85.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4790 до 7000 ккал/кг, более предпочтительно от 4800 до 7000 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 4900 до 6500 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,25 до 0,62, более предпочтительно от 0,28 до 0,61, а ещё более предпочтительно от 0,30 до 0,61.

Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 0,80 до 1,30, более предпочтительно от 0,90 до 1,30, а ещё предпочтительнее от 0,90 до 1,29.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 15% или меньше, более предпочтительно 9% или меньше, а ещё предпочтительнее 7% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 8% или меньше, более предпочтительно 5% или меньше, а ещё предпочтительнее 4% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 143% или меньше, более предпочтительно 127% или меньше, а ещё предпочтительнее 119% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива b.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива b температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 200 до 350°C, более предпочтительно от 220 до 300°C, а ещё более предпочтительно от 230 до 290°C.

(Меранти: твёрдое топливо c)

Если исходный материал представляет собой меранти, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом c) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 550 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 500 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 300 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 0,98 или меньше, более предпочтительно 0,89 или меньше, а ещё предпочтительнее 0,54 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду предпочтительно составляет от 15 масс.% до 30 масс.%, более предпочтительно от 15 масс.% до 27 масс.%, а ещё предпочтительнее от 17 масс.% до 26 масс.%.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 25 до 70, более предпочтительно от 30 до 70, а ещё предпочтительнее от 30 до 60.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,30 до 0,45 м²/г, более предпочтительно от 0,30 до 0,41 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,33 до 0,40 м²/г.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,19 до 0,80, более предпочтительно от 0,20 до 0,80, а ещё предпочтительнее от 0,20 до 0,50, и особенно предпочтительно от 0,21 до 0,5.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4800 до 7000 ккал/кг, более предпочтительно от 4800 до 6500 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 4900 до 6000 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,30 до 0,62, более предпочтительно от 0,30 до 0,61, а ещё более предпочтительно от 0,35 до 0,61.

[0056]

Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 0,90 до 1,30, более предпочтительно от 0,95 до 1,30, а ещё предпочтительнее от 1,00 до 1,30.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 15% или меньше, более предпочтительно 12% или меньше, а ещё предпочтительнее 10% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 10% или меньше, более предпочтительно 8% или меньше, а ещё предпочтительнее 6% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 145% или меньше, более предпочтительно 135% или меньше, а ещё предпочтительнее 128% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива c.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива c температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 200 до 350°C, более предпочтительно от 220 до 300°C, а ещё более предпочтительно от 230 до 290°C.

(Эвкалипт: твёрдое топливо d)

Если исходный материал представляет собой эвкалипт, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом d) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 900 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 800 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 650 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 0,95 или меньше, более предпочтительно 0,84 или меньше, а ещё предпочтительнее 0,68 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду (соответствующее содержанию влаги твёрдого тела, описанному в примерах) составляет от 13 масс.% до 25 масс.%, более предпочтительно от 15 масс.% до 24 масс.%, а ещё предпочтительнее от 15 масс.% до 23 масс.%.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,135 м²/г до 0,210 м²/г, более предпочтительно от 0,140 м²/г до 0,210 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,150 м²/г до 0,195 м²/г.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 25 до 50, более предпочтительно от 27 до 45, а ещё предпочтительнее от 30 до 40. Отношение коэффициентов HGI (описанное ниже) предпочтительно составляет от 1,1 до 4,0, более предпочтительно от 1,4 до 2,3, а ещё более предпочтительно от 1,5 до 2,0.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,18 до 0,60, более предпочтительно от 0,19 до 0,50, а ещё более предпочтительно от 0,23 до 0,44.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4690 до 6000 ккал/кг, более предпочтительно от 4900 до 5700 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 5000 до 5600 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,35 до 0,65, более предпочтительно от 0,40 до 0,63, а ещё предпочтительнее от 0,45 до 0,59. Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 1,00 до 1,24, более предпочтительно от 1,05 до 1,24, а ещё предпочтительнее от 1,05 до 1,169.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 8,0% или меньше, более предпочтительно 7,0% или меньше, а ещё предпочтительнее 6,0% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 6,0% или меньше, более предпочтительно 5,5% или меньше, а ещё предпочтительнее 4,5% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 127% или меньше, более предпочтительно 121% или меньше, а ещё предпочтительнее 117% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива d.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива d температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 200 до 350°C, более предпочтительно от 220 до 300°C, а ещё более предпочтительно от 231 до 265°C.

(Тик: твёрдое топливо e)

Если исходный материал представляет собой тик, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом e) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 1500 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 1200 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 1000 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 0,75 или меньше, более предпочтительно 0,60 или меньше, а ещё предпочтительнее 0,50 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду (соответствующее содержанию влаги твёрдого тела, описанному в примерах) предпочтительно составляет от 15 масс.% до 30 масс.%, более предпочтительно от 17 масс.% до 29 масс.%, а ещё предпочтительнее от 17 масс.% до 28 масс.%.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,355 м²/г до 0,550 м²/г, более предпочтительно от 0,425 м²/г до 0,530 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,430 м²/г до 0,490 м²/г.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 21 до 45, более предпочтительно от 22 до 40, а ещё предпочтительнее от 25 до 38. Отношение коэффициентов HGI (описанное ниже) предпочтительно составляет от 1,1 до 4,0, более предпочтительно от 1,1 до 2,0, а ещё предпочтительнее от 1,3 до 1,9.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,23 до 0,60, более предпочтительно от 0,27 до 0,55, а ещё более предпочтительно от 0,27 до 0,49.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4600 до 6000 ккал/кг, более предпочтительно от 4780 до 5500 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 4800 до 5350 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,40 до 0,65, более предпочтительно от 0,40 до 0,58, а ещё предпочтительнее от 0,45 до 0,58. Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 1,0 до 1,3, более предпочтительно от 1,05 до 1,26, а ещё предпочтительнее от 1,10 до 1,25.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 15,0% или меньше, более предпочтительно 12,0% или меньше, а ещё предпочтительнее 11,0% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 6,0% или меньше, более предпочтительно 4,5% или меньше, а ещё предпочтительнее 4,0% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 140% или меньше, более предпочтительно 131% или меньше, а ещё предпочтительнее 128% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива e.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива e температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 200 до 350°C, более предпочтительно от 230 до 300°C, а ещё более предпочтительно от 235 до 269°C.

(Смесь лиственницы, ели и берёзы: твёрдое топливо f)

Если исходный материал представляет собой смесь лиственницы, ели и берёзы, свойства твёрдого топлива из биомассы (далее в настоящем документе может называться твёрдым топливом f) в отношении аспекта настоящего изобретения являются следующими. Хотя отношение смешения лиственницы, ели и берёзы конкретно не ограничивается, их можно смешивать в массовом отношении лиственница : ель : берёза = от 30 до 70 : от 25 до 65 : от 0 до 25.

Его величина ХПК предпочтительно составляет 1200 ч./млн. или меньше, более предпочтительно 1000 ч./млн. или меньше, ещё более предпочтительно 850 ч./млн. или меньше, а отношение его величин ХПК предпочтительно составляет 0,33 или меньше, более предпочтительно 0,28 или меньше, а ещё предпочтительнее 0,24 или меньше.

Равновесное содержание влаги после погружения его в воду предпочтительно составляет от 15 масс.% до 30 масс.%, более предпочтительно от 15 масс.% до 28 масс.%, а ещё предпочтительнее от 15 масс.% до 27 масс.%.

Его удельная площадь поверхности по БЭТ предпочтительно составляет от 0,150 м²/г до 0,250 м²/г, более предпочтительно от 0,160 м²/г до 0,250 м²/г, а ещё предпочтительнее от 0,170 м²/г до 0,250 м²/г.

Его коэффициент HGI предпочтительно составляет от 18 до 45, более предпочтительно от 21 до 40, а ещё предпочтительнее от 22 до 35. Отношение коэффициентов HGI (описанное ниже) предпочтительно составляет от 1,1 до 4,0, более предпочтительно от 1,2 до 2,4, а ещё более предпочтительно от 1,2 до 2,2.

Его топливное отношение предпочтительно составляет от 0,165 до 0,35, более предпочтительно от 0,17 до 0,35, а ещё более предпочтительно от 0,18 до 0,30.

Его высшая теплота сгорания на сухую массу топлива предпочтительно составляет от 4800 до 6000 ккал/кг, более предпочтительно от 4900 до 5700 ккал/кг, а ещё предпочтительнее от 5000 до 5500 ккал/кг.

Его мольное отношение кислорода O к углероду C (O/C) предпочтительно составляет от 0,45 до 0,64, более предпочтительно от 0,47 до 0,62, а ещё предпочтительнее от 0,50 до 0,61. Его мольное отношение водорода H к углероду C (H/C) предпочтительно составляет от 1,0 до 1,3, более предпочтительно от 1,1 до 1,3, а ещё предпочтительнее от 1,10 до 1,29.

Его доля расширения диаметра предпочтительно составляет 15,0% или меньше, более предпочтительно 13,0% или меньше, а ещё предпочтительнее 10,0% или меньше.

Его доля расширения длины предпочтительно составляет 7,0% или меньше, более предпочтительно 6,0% или меньше, а ещё предпочтительнее 4,5% или меньше.

Его доля объёмного расширения предпочтительно составляет 142% или меньше, более предпочтительно 135% или меньше, а ещё предпочтительнее 126% или меньше.

Вышеизложенное описание представляет предпочтительный диапазон свойств твёрдого топлива f.

В дополнение к этому, при получении твёрдого топлива f температура нагревания на стадии нагревания предпочтительно составляет от 200 до 350°C, более предпочтительно от 230 до 310°C, а ещё более предпочтительно от 240 до 300°C.

Авторы настоящего изобретения полагают, что, поскольку данный способ имеет такой порядок стадий, что стадию нагревания для выполнения нагревания ненагретых блоков биомассы осуществляют после стадии формования, в способе получения твёрдого топлива из биомассы взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы поддерживается за счёт использования компонентов, образующихся из биомассы исходного материала без применения связующего, и это обеспечивает возможность производства твёрдых топлив из биомассы, обладающих высокой водостойкостью, которые не разделяются на составные части при погружении в воду. Согласно анализу авторов настоящего изобретения, были получены следующие результаты исследования, касающиеся механизма сообщения водостойкости твёрдым топливам из биомассы.

Авторы настоящего изобретения выполняли анализы методами ИК-Фурье спектроскопии, ГХ-МС и СЭМ для трёх типов твёрдых топлив из биомассы, приготовленных различными способами получения, конкретно ненагретого твёрдого топлива, полученного формованием частиц измельчённой в порошок биомассы (Белая пеллета: может называться "WP"), и твёрдого топлива, полученного при нагревании после формования частиц измельчённой в порошок биомассы (пеллетизация до торрефикации; может называться "PBT"), и проводили анализ механизма формирования водостойкости твёрдых топлив из биомассы. В настоящем документе связующие не использовали ни в случае WP, ни в случае PBT. На фиг. 5 - 8 показаны примеры с результатами анализа твёрдых топлив из биомассы методом ИК-Фурье спектроскопии, а на фиг. 9 представлен результат анализа ацетонового экстракта твёрдых топлив из биомассы методом ГХ-МС (для получения подробностей приводится отсылка на примеры).

Прежде всего, ацетоновые экстракты соответственных твёрдых топлив анализировали методом ИК-Фурье спектроскопии. В топливе PBT, полученном при помощи стадии нагревания, содержание гидрофильных групп COOH невелико, а содержание связей C=C значительно, по сравнению с ненагретым топливом WP. Это позволяет предполагать, что химическая структура компонентов, образующих биомассу, изменилась и превратилась в гидрофобную в результате нагревания.

В дополнение к этому, компоненты ацетоновых экстрактов соответственных твёрдых топлив анализировали методом ГХ-МС. Предполагается, что терпены, такие как абиетиновая кислота и её производные (далее в настоящем документе может называться «абиетиновая кислота и ей подобные»), термически разложились при нагревании, и этот факт связывается с водостойкостью твёрдого топлива из биомассы. Абиетиновая кислота и ей подобные вещества являются основными компонентами канифолей, содержащихся в сосне и тому подобном.

Фиг. 4 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую (оценочный) механизм образования поперечных связей с помощью твёрдого вещества в ходе PBT. В случае PBT на стадии нагревания, выполняемой после стадии формования, жидкость расплава абиетиновой кислоты вымывается в промежуток между частицами биомассы (промежуток между соседними частицами измельчённой в порошок биомассы, которые были уплотнены в результате формования после измельчения; в настоящем документе биомасса может называться также «измельчённой в порошок биомассой») при повышении температуры, а также имеют место испарение и термическое разложение абиетиновой кислоты с образованием гидрофобных материалов, которые закрепляются в промежутке между частицами измельчённой в порошок биомассы для поперечного сшивания (образование поперечных связей с помощью твёрдого вещества). Таким образом, без добавления связующего, взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы поддерживается при помощи абиетиновой кислоты и подобных ей соединений, образующихся из исходного материала биомассы. Следовательно, предполагается, что, поскольку частицы измельчённой в порошок биомассы соединены или связаны друг с другом для предотвращения проникновения воды, водостойкость улучшается.

С другой стороны, в случае пеллеты WP, которая представляет собой ненагретые и полученные только в результате формования частицы измельчённой в порошок биомассы, между частицами порошка измельчённой в порошок биомассы не существует никакого поперечного сшивания с помощью твёрдого вещества, в отличие от вышеупомянутого продукта PBT. Поскольку на поверхности исходных частиц измельчённой в порошок биомассы, образующих пеллету WP, имеется множество гидрофильных групп COOH и им подобных, вода легко поступает. Проникающая вода ещё больше расширяет промежуток между частицами измельчённой в порошок биомассы, и, таким образом, сформированные пеллеты и им подобные легко разделяются на составные части.

Кроме того, в случае твёрдых топлив, формованных после нагревания частиц измельчённой в порошок биомассы (пеллетизация после торрефикации; далее в настоящем документе может называться PAT), отдельные частицы измельчённой в порошок биомассы сами становятся гидрофобными на своей поверхности вследствие вымывания абиетиновой кислоты и пр. Однако, поскольку измельчение и формование осуществляют после того, как они становятся гидрофобными в результате нагревания, образование поперечного связывания между частицами измельчённой в порошок биомассы не ожидается, в отличие от вышеупомянутого продукта PBT. С учётом вышесказанного, в случае продукта PAT, при получении которого нагревание выполняют до формования, вода легко проникает в промежуток между уплотнёнными частицами измельчённой в порошок биомассы, и, таким образом, он имеет низкую водостойкость, по сравнению с продуктом PBT.

Температура плавления абиетиновой кислоты или её производных составляет примерно от 139 до 142°C, а температура кипения составляет около 250°C. Таким образом, абиетиновая кислота и ей подобные вещества плавятся в результате нагревания при температуре вблизи температуры плавления с формированием поперечного сшивания с помощью жидкости, и абиетиновая кислота и ей подобные вещества термически разлагаются при температуре вблизи температуры кипения с образованием поперечных связей при помощи твёрдого вещества.

Следует отметить, что терпены, в том числе абиетиновая кислота, в общем случае содержатся в биомассе (смотрите Hokkaido Forest Products Research Institute monthly report 171, April 1966, Public Interest Incorporated Association Japan Wood Protection Association, "Wood Preservation" Vol.34-2 (2008) и т.д.). Хотя в их содержании имеются небольшие различия в зависимости от типа биомассы (смотрите "Use of essential oil", Ohira Tatsuro, Japan Wood Society the 6th Research Subcommittee Report p72, Table 1, Japan Wood Society 1999 и т.д.), все примеры, описанные ниже, продемонстрировали формирование водостойкости в результате нагревания при 230°C или выше (разделения на составные части не происходит даже после погружения в воду, смотрите таблицу 2), и с учётом вышесказанного, считается, что нагревание биомассы в общем случае при температуре по меньшей мере от 230°C или выше до 250°C или выше обеспечивает водостойкость.

В дополнение к этому, в случае PBT прочность твёрдого топлива улучшается вследствие образования поперечных связей с помощью твёрдого вещества, и с учётом вышесказанного, полагают, что высокая размолоспособность (HGI, размолоспособность на шаровой мельнице) и высокая лёгкость обращения (испытания на механическую стойкость и разделение на составные части) достигаются без добавления связующего, в результате нагревания при температуре по меньшей мере от 230°C или выше до 250°C или выше, аналогично водостойкости. Как упомянуто выше, величина ХПК уменьшается при использовании PBT. Предполагается, это имеет место вследствие того, что смоляной компонент исходного материала биомассы улетучивается при нагревании, и в то же время отверждённая абиетиновая кислота и подобные ей вещества покрывают поверхность твёрдого топлива PBT, что дополнительно повышает гидрофобность поверхности твёрдого топлива для предотвращения вымывания смоляного компонента, остающегося в исходном материале биомассы.

Пример

Далее в настоящем документе настоящее изобретение будет описано конкретно со ссылкой на примеры, но настоящее изобретение ими не ограничивается.

В следующих ниже примерах a - f твёрдые топлива из биомассы, приготовлены описанными ниже способами получения, соответственно. Свойства и тому подобные характеристики указанных твёрдых топлив приведены в таблицах 1 - 4.

<Пример a: каучуковое дерево>

В следующих ниже примерах a1 - a4 и сравнительном примере a, твёрдое топливо из биомассы получено с использованием каучукового дерева в качестве исходного материала биомассы, как описано ниже.

(Примеры a1 - a4)

Твёрдое топливо a из биомассы (PBT) получали при осуществлении стадии формования, включающей измельчение в порошок биомассы после дробления и формование частиц измельчённой в порошок биомассы, а также последующей стадии нагревания. Связующее не используют ни на какой стадии. В процессе формования каждого примера исходный материал формовали в форму пеллеты с диаметром 8 мм. На стадии нагревания каждого примера 4 кг исходного материала (формованная биомасса) загружают в электрическую печь периодического действия, имеющую диаметр 600 мм, и нагревают до заданных в соответственных примерах значений температуры (температура нагревания в таблице 1) со скоростью 2°C/мин. Далее в настоящем документе заданная температура и температура нагревания относятся к одному и тому же значению. В примерах a1 - a4 температуру не поддерживали при заданном значении температуры (температура нагревания) (это применяется также к следующим ниже примерам b - f). В таблице 1 и таблице 2 показаны температура нагревания на стадии нагревания в примерах a1 - a4 и свойства полученного твёрдого топлива a из биомассы, полученного после стадии нагревания.

(Сравнительный пример a)

Сравнительный пример a представляет ненагретое твёрдое топливо из биомассы (WP), которое получают только путём формования после дробления и измельчения в порошок, и не подвергают стадии нагревания. В сравнительном примере a связующее также не используют. В таблице 1 и таблице 2 также показаны свойства полученного твёрдого топлива сравнительного примера a. В случае ненагретого твёрдого топлива из биомассы (WP) сравнительного примера a пеллеты разделялись на составные части после погружения в воду на 168 часов и, таким образом, невозможно было измерять каждую характеристику.

Метод анализа, проводимый в случае каждого твёрдого топлива из биомассы, описан ниже.

<До погружения в воду>

[Выход]

В таблицах 1 и 3 выход твёрдого вещества представляет собой отношение масс до и после нагревания (100 × масса сухого вещества после нагревания/масса сухого вещества до нагревания (%)), а выход тепла представляет собой отношение величин теплоты сгорания до и после нагревания (высшая теплота сгорания после нагревания (сухая масса) × выход твёрдого вещества/высшая теплота сгорания до нагревания (сухая масса)). Как упомянуто выше, в каждом примере температуру не поддерживали на уровне заданной температуры (температура нагревания).

Кроме того, в таблицах 1 и 3 приведены высшая теплота сгорания (сухая масса), топливное отношение, вычисленное на основе данных технического анализа (воздушно-сухое состояние), а также результаты полного анализа (сухая масса) и мольные отношения кислорода O, углерода C и водорода H, полученные на основе полного анализа. Величина HGI определена на основе стандарта JIS M 8801, как описано выше, и большее значение указывает на лучшую размолоспособность. Отношение коэффициентов HGI вычислено по формуле: 100 × HGI после нагревания/HGI до нагревания (%). В таблице 1 "HHV" представляет высшую теплоту сгорания (сухая масса), "FC" представляет связанный углерод (воздушно-сухое состояние), "VM" представляет летучее вещество (воздушно-сухое состояние), топливное отношение представляет собой величину, вычисленную по формуле "FC/VM".

[Размолоспособность в шаровой мельнице]

Время измельчения в порошок каждого твёрдого топлива из биомассы составляло 20 минут, и по истечении 20 минут массовую долю частиц, прошедших через ячейки сита размером 150 мкм, определяли как баллы измельчения в порошок. В настоящем документе измерения выполняли с использованием шаровой мельницы, соответствующей стандарту JIS M4002, при этом в цилиндрическую ёмкость, имеющую внутренний диаметр 305 мм × длину оси 305 мм, загружали стандартные шарикоподшипники, определяемые стандартом JIS B1501 (Φ36,5 мм × 43 шарика, Φ30,2 мм × 67 шариков, Φ24,4 мм × 10 шариков, Φ19,1 мм × 71 шариков и Φ15,9 мм × 94 шарика) и вращали ёмкость со скоростью 70 об/мин. Большее значение указывает на улучшение размолоспособности.

[Размер перед погружением в воду (диаметр и длина)]

Измеряли длину (L1) и диаметр (ϕ1) пеллет каждого твёрдого топлива перед погружением в воду. Для определения длины пеллет перед погружением выбирали случайным образом десять пеллет каждого твёрдого топлива и измеряли их длину электронным штангенциркулем (произведён фирмой Mitutoyo: модель CD-15CX, точность воспроизведения составляет 0,01 мм, и измеренные величины округляли до второго знака после запятой.). В случае, если конец пеллеты представлял собой диагональ, измеряли длину до наиболее удалённого участка конца. Диаметр пеллет также измеряли с использованием того же электронного штангенциркуля. Измеренные величины длины и диаметра пеллет представляют собой средние значения для 10 пеллет.

[Прочность твёрдого вещества до и после погружения в воду (механическая стойкость)]

Для каждого твёрдого топлива механическую стойкость DU определяли на основе следующего уравнения в соответствии с сельскохозяйственным стандартом ASAE S 269.4 Соединённых Штатов и немецким промышленным стандартом DIN EN 15210-1. В данном уравнении m0 является массой образца до обработки в условиях вращения, m1 является массой образца, остающейся на сите, после обработки в условиях вращения, при этом использованное сито представляло собой пластинчатое сито с круглыми ячейками диаметром 3,15 мм.

DU = (m1/m0) × 100

[Насыпная плотность]

Согласно национальному стандарту Великобритании BS EN15103: 2009, для каждого твёрдого топлива насыпную плотность BD вычисляли по следующей формуле:

BD = (m2 - m1)/V.

Для измерения использовали ёмкость, имеющую внутренний диаметр 167 мм × высота 228 мм. В данной формуле m1 является массой ёмкости, m2 представляет собой сумму массы ёмкости и массы образца, а V является объёмом ёмкости.

[Распределение по размерам пор]

(Удельная площадь поверхности по БЭТ)

Удельную площадь поверхности по БЭТ определяли с использованием автоматического устройства для измерения удельной площади поверхности/ распределения по размерам пор (фирма Nippon Bell Co., Ltd. BELSORP-min II) для каждого твёрдого топлива, которое разрезали до размера от 2 до 6 мм, заполняли ёмкость и в качестве предварительной обработки дегазировали в вакууме в течение 2 часов при 100°C. В качестве адсорбционного газа использовали газообразный азот. В таблицах 2 и 4 и на фиг. 1 показана взаимосвязь между температурой и удельной площадью поверхности по БЭТ каждого твёрдого топлива.

(Средний диаметр пор, общий объём пор)

Средний диаметр пор и общий объём пор измеряли с использованием того же оборудования, что и для определения удельной площади поверхности по БЭТ. Термин «пора», употребляемый в настоящем документе, обозначает полость, имеющую диаметр от 2 нм до 100 нм. В таблице 2 показан средний диаметр пор на поверхности каждого твёрдого топлива, а в таблице 3 представлен общий объём пор каждого твёрдого топлива.

<После погружения в воду>

Далее в таблицах 2 и 4 представлена величина ХПК погружной воды, когда твёрдые топлива из биомассы погружали в воду. В таблицах 2 и 4 также показан диаметр, длина, pH, содержание влаги в твёрдом веществе и механическая стойкость после погружения твёрдых топлив из биомассы в воду на 168 часов. Методы измерения каждой характеристики являются следующими.

[ХПК]

Величину ХПК (химическую потребность в кислороде) погружной воды определяли при погружении каждого твёрдого топлива из биомассы в воду. Образец погружной воды для определения ХПК приготовляли в соответствии с указанием № 13 Японского агентства по окружающей среде "(A) a method for detecting a metal or the like contained in an industrial waste", 1973, а анализ величины ХПК проводили в соответствии со стандартом JIS K0102(2010)-17.

[Размер после погружения в воду (диаметр и длина)]

Измеряли длину (L2) и диаметр (ϕ2) пеллет каждого твёрдого топлива после погружения в воду. Для определения длины пеллет перед погружением выбирали случайным образом десять пеллет каждого твёрдого топлива и измеряли их длину электронным штангенциркулем (произведён фирмой Mitutoyo: модель CD-15CX, точность воспроизведения составляет 0,01 мм, и измеренные величины округляли до второго знака после запятой.). В случае, если конец пеллеты представлял собой диагональ, измеряли длину до наиболее удалённого участка конца. Диаметр пеллет также измеряли с использованием того же электронного штангенциркуля. Измеренные величины длины и диаметра пеллет представляют собой средние значения для 10 пеллет.

[Доля расширения до и после погружения в воду]

Длину и диаметр пеллет каждого твёрдого топлива до и после погружения в воду измеряли, как описано выше, и вычисляли долю расширения. Если средняя длина для десяти пеллет до погружения в воду составляет L1 (мм), а средняя длина для тех же десяти пеллет после погружения в воду на 168 часов составляет L2 (мм), долю расширения длины вычисляли по следующей формуле:

Доля расширения длины (%) = {(L2-L1) / L1} × 100.

Если средний диаметр для десяти пеллет до погружения в воду составляет ϕ1 (мм), а средний диаметр для тех же десяти пеллет после погружения в воду на 168 часов составляет ϕ2 (мм), долю расширения диаметра вычисляли по следующей формуле:

Доля расширения диаметра (%) = {(ϕ2-ϕ1) /ϕ1} × 100.

Если доля расширения длины (%) составляет ΔL, а доля расширения диаметра (%) составляет Δϕ, долю объёмного расширения вычисляли по следующей формуле:

Доля объёмного расширения (%) = (1+ϕ/100)²×(1+ΔL/100)×100.

[pH]

Каждое твёрдое топливо погружали в воду при соотношении твёрдое тело-жидкость, равном 1:3, и измеряли величины уровня pH.

[Содержание влаги в твёрдом веществе после погружения в воду]

Твёрдое топливо каждого примера погружали в воду, извлекали по истечении 168 часов и вытирали влагу на поверхности твёрдого тела обтирочным материалом для измерения содержания влаги в твёрдом веществе. Содержание влаги вычисляли по формуле:

100 × (масса твёрдого вещества после погружения в воду - масса сухого твёрдого вещества до погружения в воду) / масса твёрдого вещества после погружения в воду.

[Механическая стойкость после погружения в воду]

Механическую стойкость пеллет каждого примера после погружения в воду на 168 часов измеряли тем же способом, что и до погружения в воду.

В таблицах 1 и 2 приведены результаты примеров a1 - a4 и сравнительного примера a, полученные с использованием упомянутого выше способа измерения. В примерах a1 - a4 свойства изменялись при нагревании в условиях примеров a1 - a4, а значения HGI (по стандарту JIS M 8801) были выше, чем в сравнительном примере a (WP: ненагретое твёрдое топливо из биомассы после формования). Типичное значение HGI для угля (битуминозный уголь) составляет около 50, а свойства топлив примеров a1 - a4 в отношении измельчения в порошок ближе к углю и лучше, чем в сравнительном примере a.

В отношении механической стойкости (DU), в примерах a1 - a4 (PBT), в которых реализовали стадию нагревания, прочность существенно не понижалась, и образование порошка едва ли имело место, даже в сопоставлении со сравнительным примером а до погружения в воду (WP), и таким образом показано, что лёгкость при обращении сохранялась. Механическую стойкость твёрдого топлива сравнительного примера a невозможно было измерять вследствие того, что оно разделялось на составные части при погружении в воду.

В таблице 1 и на фиг. 1 показано, что удельная площадь поверхности по БЭТ увеличивалась с повышением температуры нагревания и при нагревании образовывались поры (термическое разложение). В дополнение к этому, средний диаметр пор становится меньше с повышением температуры нагревания, как в примере a1 и последующих примерах, что указывает на образование большого количества более мелких пор. Предполагается, что это обусловлено разложением целлюлозы.

Величина ХПК в сравнительном примере a (WP: твёрдое топливо из биомассы, полученное только путём формования без стадии нагревания) является высокой, т.e. приблизительно 1100 ч./млн. В отличие от этого, величины ХПК твёрдых топлив из биомассы, нагревавшихся при 250°C или выше, составляют 1000 ч./млн. или меньше, указывая на то, что вымывание смоляного компонента является низким. Соответственно, показано, что твёрдые топлива из биомассы примеров a2 - a4 представляют собой топлива, характеризующиеся очень хорошими свойствами в отношении обращения с ними, поскольку вымывание смоляного компонента является низким даже во время хранения на открытом воздухе. Величины ХПК твёрдых топлив из биомассы примера a1 (230°C) составляют 2200 ч./млн. Это происходит предположительно потому, что смоляной компонент, имеющийся в исходном материале, не переходит в летучее состояние из-за относительно низкой температуры карбонизации, и смоляной компонент легко вымывается вследствие разложения целлюлозы (стенок клеток и тому подобного) в результате карбонизации. На это указывает тот факт, что выход летучего вещества и выход тепла значительно выше в примере a1, чем в примере a2, и, таким образом, указанный продукт является очень хорошим топливом в аспекте характеристик воспламеняемости и нагревания.

Хотя в случае примера a1 и примера a2 наблюдаются слегка пониженные величины, значения уровня pH составляют приблизительно около 6 во всех примерах a1 - a4, и это указывает на то, что не возникает никакой конкретной проблемы, касающейся значений уровня pH отводимой воды, при хранении топлив примеров a1 - a4 на открытом воздухе.

Исходя из результатов размолоспособности топлив примеров a1 - a4 и сравнительного примера a в шаровой мельнице, подтверждается, что баллы измельчения в порошок увеличиваются с повышением температуры нагревания.

Твёрдое топливо сравнительного примера a (WP) разделялось на составные части при погружении в воду, и измерение содержания влаги в твёрдом веществе было невозможно. В отличие от этого, можно считать, что результаты примеров a1 - a4 (PBT) были достигнуты вследствие того, что вымывание и отверждение органических ингредиентов, таких как смола, сопряжённое с нагреванием, делало поверхность твёрдого топлива из биомассы гидрофобной, и это указывает на то, что продукты примеров a1 - a4 (PBT) обладают предпочтительными свойствами в качестве твёрдого топлива, которое часто хранят на открытом воздухе. Поскольку каждое твёрдое топливо a1 - a4 находится в форме пеллеты, которая уплотнялась главным образом в радиальном направлении, то, следовательно, расширение в радиальном направлении становится значительным (что справедливо также и в примере b и примере c). Показано, что доли расширения в примерах a2 - a4 являются особенно низкими.

Исходя из результатов примеров a1 - a4 и сравнительного примера a, путём проведения стадии нагревания после стадии формования при производстве можно получать твёрдое топливо из биомассы (PBT) с низкой стоимостью, в котором достигались понижение величины ХПК, улучшение размолоспособности, уменьшение абсорбции воды, улучшение прочности твёрдого материала и повышение выхода.

<Пример b: акация>

В примерах b1 - b4 (PBT), за исключением использования акации в качестве исходного материала биомассы, исходный материал биомассы нагревали до заданных температур (температур нагревания, описанных в таблице 1) тем же способом, что и в примерах a1 - a4. Свойства образовавшегося твёрдого топлива b из биомассы (примеры b1 - b4), полученного после стадии нагревания, определяли тем же способом, что и в упомянутом выше примере a. Результаты приведены в таблицах 1 и 2. В сравнительном примере b (WP) его свойства определяли при использовании тех же исходных материалов, что и в примерах b1 - b4, за исключением того, что стадию нагревания не осуществляли. В примерах b1 - b4 и сравнительном примере b связующее не использовали, как и в примере a. Поскольку значения содержания влаги после погружения в воду представляют собой величины, равные измеренным после погружения на 168 часов, полагают, что содержание влаги в твёрдом топливе b по существу достигло равновесия.

Топливо сравнительного примера b разделялось на составные части сразу же после погружения в воду. В отличие от этого, в примерах b1 - b4 связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется даже после погружения в воду (168 часов), и они не разделялись на составные части. Таким образом, поскольку твёрдые формы сохранялись даже после погружения, измерение содержания влаги являлось возможным, и, следовательно, подтверждалось формирование водостойкости. Это указывает на то, что продукты примеров b1 - b4 имеют предпочтительные свойства в качестве твёрдого топлива, которое часто хранят на открытом воздухе. Исходя из результатов измерения величины HGI и размолоспособности в шаровой мельнице, было показано, что размолоспособность в примерах b1 - b4 улучшалась в сопоставлении со сравнительным примером b. В отношении значения ХПК, указанная величина снижалась в примерах b2, b3 и b4 в сопоставлении со сравнительным примером b. С точки зрения водостойкости (содержание влаги после погружения, доля расширения), выхода твёрдого материала, механической стойкости и тому подобных характеристик, продукты примеров b1 - b3 являются очень хорошими, а твёрдые топлива примеров b2 и примера b3 показали особенно великолепные свойства. В дополнение к этому, было показано, что доли расширения являются особенно низкими в примерах b2 - b4.

<Пример c: меранти>

В примерах c1 - c4 (PBT), за исключением использования меранти в качестве исходного материала биомассы, исходный материал биомассы нагревали до заданных температур (температур нагревания, описанных в таблице 1) тем же способом, что и в примерах a1 - a4. В таблице 1 и таблице 2 показаны свойства образовавшегося твёрдого топлива c из биомассы, полученного после стадии нагревания. В сравнительном примере c (WP) его свойства определяли при использовании тех же исходных материалов, что и в примерах c1 - c4, за исключением того, что стадию нагревания не осуществляли. Аналогично примеру a, поскольку значения содержания влаги после погружения в воду представляют собой величины, равные измеренным после погружения на 168 часов, полагают, что содержание влаги в твёрдом топливе по существу достигло равновесия. В примерах c1 - c4 и сравнительном примере c связующее не используют. Способ измерения каждой характеристики твёрдого топлива из биомассы является тем же, что и в указанном выше примере a.

Топливо сравнительного примера c разделялось на составные части сразу же после погружения в воду. В отличие от этого, в примерах c1 - c4 связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется даже после погружения в воду и они не разделяются на составные части, а водостойкость улучшается. Исходя из результатов измерения величины HGI и размолоспособности в шаровой мельнице, было показано, что размолоспособность в примерах c1 - c4 улучшалась в сопоставлении со сравнительным примером c. В отношении значения ХПК, указанная величина снижалась в примерах c1 - c4 в сопоставлении со сравнительным примером c. С точки зрения величины ХПК, механической стойкости и выхода твёрдого материала, продукты примеров c1 - c3 являются очень хорошими, а топлива примеров c2 и c3 являются особенно эффективными. В дополнение к этому, было показано, что доли расширения являлись особенно низкими в примерах c2 - с4.

<Пример d: эвкалипт>

В примерах d1 - d4 (PBT), за исключением того, что в качестве исходного материала биомассы использовали эвкалипт и формовали его на стадии формования в форму пеллет, имеющих диаметр 6 мм, исходный материал биомассы нагревали до заданных температур (температур нагревания, описанных в таблице 3) тем же способом, что и в примерах a1 - a4. Свойства образовавшегося твёрдого топлива d из биомассы (примеры d1 - d4), полученного после стадии нагревания, определяли тем же способом, что и в упомянутом выше примере a. Результаты приведены в таблицах 3 и 4. В сравнительном примере d (WP) его свойства определяли при использовании тех же исходных материалов, что и в примерах d1 - d4, за исключением того, что стадию нагревания не осуществляли. В примерах d1 - d4 и сравнительном примере d связующее не использовали, как и в примере a. Поскольку значения содержания влаги после погружения в воду представляют собой величины, равные измеренным после погружения на 168 часов, полагают, что содержание влаги в твёрдом топливе d по существу достигло равновесия.

Топливо сравнительного примера d разделялось на составные части сразу же после погружения в воду. В отличие от этого, в примерах d1 - d4 адгезия или сцепление между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется даже после погружения в воду (168 часов), и они не разделялись на составные части. Таким образом, поскольку твёрдые формы сохранялись даже после погружения, измерение содержания влаги являлось возможным, и, следовательно, подтверждалось формирование водостойкости. Это указывает на то, что продукты примеров d1 - d4 имеют предпочтительные свойства в качестве твёрдого топлива, которое часто хранят на открытом воздухе. Исходя из результатов измерения величины HGI и размолоспособности в шаровой мельнице, было показано, что размолоспособность в примерах d1 - d4 улучшалась в сопоставлении со сравнительным примером d. В отношении значения ХПК, указанная величина снижалась в примерах d1 - d4 в сопоставлении со сравнительным примером d. С точки зрения водостойкости (содержание влаги после погружения, доля расширения), выхода твёрдого вещества, механической стойкости и тому подобного, продукты примеров d1 - d3 являются очень хорошими, а твёрдые топлива примера d2 и примера d3 продемонстрировали особенно великолепные свойства. В дополнение к этому, было показано, что доли расширения являются особенно низкими в примерах d2 - d4.

<Пример e: тик>

В примерах e1 - e4 (PBT), за исключением использования тика в качестве исходного материала биомассы, исходный материал биомассы нагревали до заданных температур (температур нагревания, описанных в таблице 3) тем же способом, что и в примерах a1 - a4. Свойства образовавшегося твёрдого топлива e из биомассы (примеры e1 - e4), полученного после стадии нагревания, определяли тем же способом, что и в вышеупомянутом примере a. Результаты приведены в таблицах 3 и 4. В сравнительном примере e (WP) его свойства определяли при использовании тех же исходных материалов, что и в примерах e1 - e4, за исключением того, что стадию нагревания не осуществляли. В примерах e1 - e4 и сравнительном примере e связующее не использовали, как и в примере a. Поскольку значения содержания влаги после погружения в воду представляют собой величины, равные измеренным после погружения на 168 часов, полагают, что содержание влаги в твёрдом топливе e по существу достигло равновесия.

Топливо сравнительного примера e разделялось на составные части сразу же после погружения в воду. В отличие от этого, в примерах e1 - e4 связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется даже после погружения в воду (168 часов), и они не разделялись на составные части. Таким образом, поскольку твёрдые формы сохранялись даже после погружения, измерение содержания влаги являлось возможным, и, следовательно, подтверждалось формирование водостойкости. Это указывает на то, что продукты примеров e1 - e4 имеют предпочтительные свойства в качестве твёрдого топлива, которое часто хранят на открытом воздухе. Исходя из результатов измерения величины HGI и размолоспособности в шаровой мельнице, было показано, что, размолоспособность в примерах e1 - e4 улучшалась в сопоставлении со сравнительным примером e. В отношении значения ХПК, указанная величина снижалась в примерах e1 - e4 в сопоставлении со сравнительным примером e. С точки зрения водостойкости (содержание влаги после погружения, доля расширения), выхода твёрдого вещества, механической стойкости и тому подобного, продукты примеров e1 - e3 являются очень хорошими, а твёрдые топлива примера e2 и примера e3 продемонстрировали особенно великолепные свойства. В дополнение к этому, было показано, что доли расширения являются особенно низкими в примерах e2 - e4.

<Пример f: смесь лиственницы, ели и берёзы>

В примерах f1 - f3 (PBT), за исключением использования смеси из 50 масс.% лиственницы, 45 масс.% ели и 5 масс.% берёзы в качестве исходного материала биомассы, исходный материал биомассы нагревали до заданных температур (температур нагревания, описанных в таблице 3) тем же способом, что и в примерах a1 - a4. Свойства образовавшегося твёрдого топлива f из биомассы (примеры f1 - f3), полученного после стадии нагревания, определяли тем же способом, что и в вышеупомянутом примере a. Результаты приведены в таблицах 3 и 4. В сравнительном примере f (WP) его свойства определяли при использовании тех же исходных материалов, что и в примерах f1 - f3, за исключением того, что стадию нагревания не осуществляли. В примерах f1 - f3 и сравнительном примере f связующее не использовали, как и в примере a. Поскольку значения содержания влаги после погружения в воду представляют собой величины, равные измеренным после погружения на 168 часов, полагают, что содержание влаги в твёрдом топливе f по существу достигло равновесия.

Топливо сравнительного примера f разделялось на составные части сразу же после погружения в воду. В отличие от этого, в примерах f1 - f3 связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется даже после погружения в воду (168 часов), и они не разделялись на составные части. Таким образом, поскольку твёрдые формы сохранялись даже после погружения, измерение содержания влаги являлось возможным, и, следовательно, подтверждалось формирование водостойкости. Это указывает на то, что продукты примеров f1 - f3 имеют предпочтительные свойства в качестве твёрдого топлива, которое часто хранят на открытом воздухе. Исходя из результатов измерения величины HGI и размолоспособности в шаровой мельнице, было показано, что размолоспособность в примерах f1 - f3 улучшалась в сопоставлении со сравнительным примером f. В отношении значения ХПК, указанная величина снижалась в примерах f1 - f3 в сопоставлении со сравнительным примером f. С точки зрения водостойкости (содержание влаги после погружения, доля расширения), выхода твёрдого вещества, механической стойкости и тому подобного, продукты примеров f1 - f3 являются очень хорошими, а твёрдые топлива примера f2 и примера f3 продемонстрировали особенно великолепные свойства. В дополнение к этому, было показано, что доли расширения являются особенно низкими в примерах f2 - f3.

<Испытание на разделение на составные части>

Испытание на разделение на составные части выполняли на твёрдом топливе, исходный материал которого проверен в примере e, и твёрдом топливе, исходный материал которого представляет собой смесь лиственницы, ели и берёзы в примере f. В таблице 5 приведены совокупные доли в процентах твёрдого топлива e или f из биомассы, прошедшего через сито после осуществления испытания на разделение на составные части, а на фиг. 14 и 15 показаны диаграммы распределения по размерам частиц. С целью оценки характеристик лёгкости обращения с пеллетами осуществляли испытание на разделение на составные части. Для измерения распределения по размерам частиц 1кг образца упаковывали в пластиковый пакет и бросали 20 раз с высоты 8,6 м, а также подвергали испытанию на прочность при вращении по стандарту JIS Z 8841. Полученное распределение по размерам частиц показано на фиг. 14 и 15. В настоящем документе образец, характеризующийся распределением по размерам частиц, в котором количество частиц, прошедших через сито 2 мм, составляет 30 масс.% или меньше, а количество частиц, прошедших через сито 0,5 мм, составляет 15 масс.% или меньше, определяется как образец, имеющий пригодный для обращения размер частиц при транспортировке, хранении и тому подобном. Результаты таблицы 5, а также фиг. 14 и 15 показывают, что хотя размер частиц образца после испытания на прочность при вращении стал меньше, так как повышается температура нагревания, все образцы отчётливо соответствуют критериям оценки, описанным выше и, следовательно, они являются пригодными для обращения без какой-либо проблемы.

Таблица 5

Отверстие сита	Пример e: тик					Пример f : лиственница+ель+берёза
мм	Сравн. прим. e	Прим. e1	Прим. e2	Прим. e3	Прим. e4	Сравн. прим. f	Прим. f1	Прим. f2	Прим. f3
16	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
9,5	93,5	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
4,75	5,8	13,1	14,1	20,0	26,4	3,0	4,8	7,3	10,9
3,35	4,9	11,3	12,2	17,4	22,6	2,8	4,5	6,5	10,0
2	4,0	9,2	9,7	14,0	18,3	2,3	3,8	5,8	8,7
1	2,8	6,5	7,1	10,2	14,0	1,5	2,8	4,7	7,1
0,5	1,6	4,3	4,8	7,0	10,0	0,8	1,8	3,4	5,3
0,3	1,0	2,9	3,3	5,0	7,4	0,4	1,1	2,4	3,8
0,15	0,4	1,4	1,7	2,8	4,2	0,1	0,5	1,2	1,8
0,075	0,1	0,5	0,7	1,3	1,8	0,0	0,1	0,5	0,6

Сравн. прим. = сравнительный пример;

Прим. = пример.

В данной таблице единицей численного значения, относящегося к совокупной доле частиц, прошедших через сито, является «%».

<Воспламеняемость>

Кроме того, авторы настоящего изобретения исследовали теплофизические свойства твёрдого топлива из биомассы настоящего изобретения и твёрдого топлива, полученного при использовании стадии парового взрыва биомассы, как описано в Патентном документе 1, соответственно, и обнаружили, что твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения является великолепным по воспламеняемости.

Для упомянутых выше продуктов примеров (a2), (b2) и (c2), а также сравнительного примера q, который представляет собой твёрдое топливо, полученное путём осуществления парового взрыва смеси хвойных и широколиственных деревьев в качестве биомассы исходного материала и формования её в блоки биомассы, а затем нагревания блоков биомассы при 250°C (твёрдое топливо, произведённое способом получения, описанным в Патентном документе 1), выполняли термогравиметрические измерения (TG) и дифференциальный термический анализ (DTA). Методы измерения TG и DTA являются следующими.

Измерения методами TG и DTA осуществляли с использованием анализатора STA7300, произведённого фирмой Hitachi High-Tech Sciences для одновременного проведения измерений методами дифференциального термического анализа и термогравиметрии. 5 мг образца, размер частиц которого регулировали на уровне от 45 до 90 мкм при помощи резательной мельницы, нагревали в указанном выше анализаторе до 600°C со скоростью повышения температуры 5°C/мин, при этом пропускали кислородно-азотную смесь, имеющую концентрацию 4 об.%, со скоростью 200 см³/мин и поддерживали образец при 600°C в течение 60 минут.

Результаты приведены на фиг. 12 и 13. Исходя из результатов TG, поскольку продукт сравнительного примера q демонстрирует медленную потерю массы, его летучее вещество имеется в малом количестве и, таким образом, его воспламеняемость является низкой по сравнению с топливом примера (a2), примера (b2) и примера (c2). К тому же, исходя из результатов DTA, сравнительный пример q показывает, что выделение тепла происходит с высокотемпературной стороны, а воспламеняемость является низкой по сравнению с топливом примера (a2), примера (b2) и примера (c2). Причиной этого предполагается следующее. В сравнительном примере q твёрдое топливо из биомассы получают способом, воплощаемым в следующем порядке: измельчение в порошок и высушивание, осуществление парового взрыва, формование и нагревание биомассы, и в ходе парового взрыва органические вещества появляются на поверхности частиц измельчённой в порошок биомассы и улетучиваются при последующем нагревании (карбонизации). С другой стороны, в условиях способа PBT настоящего изобретения, включая примеры (a2), (b2) и (c2), подразумевается, что остаточные количества летучих веществ являются значительными вследствие того, что топливо не подвергалось паровому взрыву.

Таким образом, предполагается, что, поскольку твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения получают способом, не включающим в себя стадию парового взрыва, оно является великолепным по воспламеняемости, в дополнение к снижению стоимости по сравнению с продуктом сравнительного примера q.

Кроме того, предполагается, что, поскольку остаточное количество терпенов, образующих поперечные связи с помощью твёрдого вещества в условиях PBT, увеличивается по той же причине и достигается более прочное поперечное связывание с помощью твёрдого вещества, продукт PBT настоящего изобретения превосходит топливо сравнительного примера q по прочности и водостойкости.

<Анализ топлив PBT и WP методом ИК-Фурье спектроскопии>

Фиг. 5 - 9 представляют собой диаграммы, показывающие результаты анализа методом ИК-Фурье спектроскопии твёрдого топлива r из биомассы, полученного из красной европейской сосны как исходного материала тем же способом, что и в примере a2 (твёрдое топливо (PBT), полученное путём измельчения в порошок и формования исходного материала в пеллеты, а также нагревания при 250°C). В дополнение к этому, также приведены данные для ненагретого твёрдого топлива (WP), полученного путём измельчения в порошок и формования того же исходного материала, но без нагревания. И на внешней поверхности пеллеты (фиг. 5), и в центре сечения (фиг. 6) количество групп COOH соответствует соотношению WP > PBT, а число связей C=C соответствует соотношению PBT > WP. Далее, количество групп COOH, вымываемых в ацетоновый экстракт (фиг. 7), соответствует соотношению WP > PBT, указывая на то, что продукт PBT содержит меньше гидрофильных групп COOH. В дополнение к этому, в твёрдых веществах после экстракции ацетоном (фиг. 8) продукт PBT содержит больше C=C-связей, чем продукт WP. Таким образом, понятно, что топливо PBT является великолепным по водостойкости.

Фиг. 9 представляет собой диаграмму, показывающую результаты анализа раствора ацетонового экстракта методом ГХ-МС. Использовали твёрдое топливо q (PBT) и ненагретое твёрдое топливо (WP), как на фиг. 5 - 8. Как показано на фиг. 9, количество абиетиновой кислоты, которая представляет собой разновидность терпенов, и подобных ей веществ, подвергаемых вымыванию в ацетон, меньше в случае PBT, чем в случае WP. Таким образом, результаты, как полагают, показывают, что абиетиновая кислота, расплавленная при нагревании с образованием поперечных связей при помощи жидкости и с образованием поперечных связей при помощи твёрдого тела, сформировалась в результате испарения абиетиновой кислоты и подобных ей веществ. Предполагается, что, поскольку твёрдое топливо из биомассы настоящего изобретения также представляет собой продукт PBT, полученный путём формования и нагревания частиц измельчённой в порошок биомассы, продукт PBT является великолепным по водостойкости за счёт действия того же механизма, что и в случае твёрдого топлива q из биомассы.

<Распределение абсорбции воды в продуктах PBT и PAT>

С целью сравнения водостойкости продуктов PAT и PBT авторы настоящего изобретения проверили распределение натрия в твёрдых топливах из биомассы после абсорбции воды с использованием солевого раствора. В качестве образца продукта PAT использовали твёрдое топливо, полученное путём нагревания исходного материала красной европейской сосны при 250°C, а затем формования его в пеллеты, имеющие диаметр 6 мм. В качестве образца продукта PBT использовали твёрдое топливо, полученное путём формования исходного материала красной европейской сосны в пеллеты, имеющие диаметр 6 мм, а затем нагревания его при 250°C. Продукты PBT и PAT погружали в солевой раствор с концентрацией 0,9 масс.% на 5 дней. В результате, продукт PBT сохранял свою форму пеллет (фиг. 10, слева) таким образом, как показан их внешний вид на фиг. 10, тогда как продукт PAT в значительной степени разделялся на составные части (фиг. 10, справа). Далее, в случае каждого продукта, PAT и PBT, до и после погружения образцов в солевой раствор концентрации 0,9 масс.% на 5 дней проводили анализ их сечения при помощи EPMA (электронно-зондовый микроанализатор) для сравнения распределения Na. В продукте PBT распределённый Na остаётся на поверхности пеллет и не проникает внутрь, тогда как в продукте PAT Na широко распределяется во внутренней части (смотрите фиг. 11). Это означает, что степень проникновения солевого раствора меньше в продукте PBT, чем в продукте PAT. Исходя из данного результата предполагается, что в топливе PBT продукты термического разложения экстрагированных компонентов создают поперечное связывание с помощью твёрдого вещества в промежутке между соседними частицами измельчённой в порошок биомассы и становятся гидрофобными для предотвращения проникновения воды, тогда как в случае топлива PAT, поскольку вода может проникать в промежуток между частицами измельчённой в порошок биомассы, вода проникает внутрь пеллет и расширяет промежуток между частицами измельчённой в порошок биомассы, что приводит к разделению на составные части.

Claims

1. Способ получения твёрдого топлива из биомассы, в котором взаимное связывание или адгезия между частицами измельчённой в порошок биомассы сохраняется после погружения в воду, включающий в себя:

стадию формования для осуществления формования частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины, имеющих размер частиц от 100 до 3000 мкм, в ненагретые блоки биомассы, и

стадию нагревания для осуществления нагревания ненагретых блоков биомассы для получения нагретого твёрдого продукта, причём указанный нагретый твёрдый продукт используют в качестве твёрдого топлива из биомассы; при этом

указанный способ не включает в себя стадию парового взрыва биомассы,

температура нагревания на стадии нагревания составляет от 150 до 400°C, и

твёрдое топливо из биомассы характеризуется топливным отношением (связанный углерод/летучее вещество) от 0,15 до 1,50, высшей теплотой сгорания на сухую массу топлива от 4500 до 7000 (ккал/кг на сухую массу), мольным отношением кислорода O к углероду C (O/C) от 0,1 до 0,7, и мольным отношением водорода H к углероду C (H/C) от 0,70 до 1,40, а также не содержит связующего.

2. Способ получения твёрдого топлива из биомассы по п. 1, в котором исходный материал частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины содержит по меньшей мере один из материалов, выбранных из группы, состоящей из каучукового дерева, акации, меранти, эвкалипта и тика, или смеси лиственницы, ели и берёзы.

3. Способ получения твёрдого топлива из биомассы по п. 1 или 2, в котором удовлетворяется условие B/A = 0,6 - 1, где A является насыпной плотностью ненагретых блоков биомассы, а B является насыпной плотностью нагретого твёрдого продукта.

4. Способ получения твёрдого топлива из биомассы по любому из пп. 1-3, в котором удовлетворяется условие H2/H1 = 1,1 – 4,0, где H1 представляет собой величину HGI (коэффициент размолоспособности по Хардгрову) ненагретых блоков биомассы, а H2 представляет собой величину HGI нагретого твёрдого продукта.

5. Способ получения твёрдого топлива из биомассы по любому из пп. 1-4, в котором удовлетворяется по меньшей мере одно условие, выбранное из следующих условий (а)-(с):

условие (а): исходный материал частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины представляет собой по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из каучукового дерева, акации, меранти и тика, или смеси лиственницы, ели и берёзы;

условие (b): исходный материал частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины представляет собой эвкалипт и температура нагревания на стадии нагревания ненагретых блоков биомассы составляет 150°С или более и менее чем 250°С;

условие (с): исходный материал частиц измельчённой в порошок биомассы на основе древесины представляет собой эвкалипт и твёрдое топливо из биомассы характеризуется мольным отношением кислорода O к углероду C (O/C) от более чем 0,50 до 0,65 или менее, и мольным отношением водорода H к углероду C (H/C) от более чем 1,14 до 1,24 или менее.

6. Твёрдое топливо из биомассы, полученное способом по любому из пп. 1-5.

7. Твёрдое топливо из биомассы по п. 6, характеризующееся значением ХПК (химическая потребность в кислороде), равным 3000 ч./млн. или меньше.

8. Твёрдое топливо из биомассы по п. 6 или 7, имеющее удельную площадь поверхности по БЭТ от 0,11 м²/г до 0,80 м²/г.

9. Твёрдое топливо из биомассы по любому из пп. 6-8, имеющее равновесное содержание влаги после погружения в воду от 10 до 65 мас.%.

10. Твёрдое топливо из биомассы по любому из пп. 6-9, характеризующееся долей расширения диаметра после погружения в воду, составляющей 20% или меньше.

11. Твёрдое топливо из биомассы по любому из пп. 6-10, характеризующееся долей расширения длины после погружения в воду, составляющей 10% или меньше.

12. Твёрдое топливо из биомассы по любому из пп. 6-11, характеризующееся долей объёмного расширения после погружения в воду, составляющей 160%.