Спосіб виготовлення паливних брикетів з виноградної лози

Реферат: Спосіб виготовлення паливних брикетів з виноградної лози включає збирання рослинної сировини, її подрібнення та обробку. Як рослинну сировину використовують обрізану виноградну лозу, яку подрібнюють до часток 1-1,5 мм, сушать у вакуумі при 45-55 °С до вологості 8-12 %, просіюють до розмірів не більше 1,5 мм та брикетують пресуванням. UA 109682 U (12) UA 109682 U UA 109682 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до утилізації сировини рослинного походження, а саме виноградної лози, з метою виготовлення брикетів для використання як біопалива. Відоме використання брикетів, що отримують з відходів сільського господарства як паливо для котлів з ручною подачею (див. http://goloveshka.prom.ua). Технологія виробництва брикетів схожа з технологією гранулювання, але простіша. Брикети бувають різних форм: у вигляді цеглини з округлими кутами, циліндра, шести- або восьмигранника з отворами усередині. Основним фактором, що визначає механічну міцність, водостійкість, калорійність брикету є його щільність. Чим щільніше брикет, тим вище показники його якості. Чим нижче щільність брикетів, 3 тим нижче їх калорійність. Наприклад, при щільності брикету 650-750 кг/м калорійність брикету 3 дорівнює 12-14 Мдж/кг; при щільності 1200-1300 кг/м -25-31 Мдж/кг. Якість брикетів значною мірою залежить від вологості суміші, з якої вони виготовляються. Розрізняють оптимальну і критичну вологості. Оптимальна вологість брикету складає 8-11 %, при такій вологості досягаються найкращі механічні характеристики брикетів. Критичною називається вологість, при якій можливо утворення брикету, але в ньому будуть дефекти у вигляді тріщин - таким чином, брикет втрачає свій товарний вигляд. Критична вологість знаходиться в межах 12-15 %. При більш високій вологості отриманий брикет буде "розірваний" внутрішнім тиском вологи, що виникає при стисненні подрібненої маси при підвищенні температури брикету понад 250-350 °C. Є три популярні види паливних брикетів. Брикет RUF - виготовляється з будь-якої придатної сировини за допомогою ударного преса, має вигляд цегли. Використовується в твердопаливних котлах. Ця продукція має вигляд прямокутного паралелепіпеда зі скошеними кутами, його розміри залежать від рихлості сировини, з якої він виготовлений, і тиску, який на нього надано. Вони оптимальні по співвідношенню ціни і якості, найбільш популярні серед споживачів. Брикет РіnіКеу - випускається так званим екструдерно-шнековим способом. Пресування відбувається в екструдері методом жорсткого формоутворення в системі гранованих філь'єр за допомогою подачі вихідної сировини конічним обертовим шнеком, що створює тиск, достатній для спікання сировини в тверду масу у вигляді безперервного рукава без додавання зв'язуючого компонента. Як речовина, що зв'язує, є лігнін, що міститься в початковій сировині. Тирса здавлюється шнеком, як в м'ясорубці, і видавлюється вже у вигляді брикету крізь восьмигранну філь'єру (восьми-, шестигранної форми). По центру брикету формується отвір технологічного походження. Такі брикети використовуються в камінах і в твердопаливних котлах як з автоматичною подачею палива, так і вручну, вони обов'язково мають отвір всередині і обпалену зовнішню поверхню. В основі екструдивної технології виробництва таких брикетів лежить процес пресування шнеком під високим тиском при нагріванні від 170 до 220 °C. Температура пресування сприяє оплавленню поверхні брикетів, яка завдяки цьому стає міцною, що важливо при транспортуванні брикетів. Брикет Nestro - випускається за допомогою гідравлічного преса, який вдавлює досить сильним тиском сировину у форму, що звужується (циліндрову). Такі брикети мають нескінченну довжину, і можуть розрізатися як на шайби, так і на поліна. Вони мають достатню щільність і користуються популярністю у Європі та на нашому ринку. Такі брикети можуть мати не лише круглу, але і квадратну або восьмикутну форму, бути з отвором та без нього. Вигляд брикету замовляє покупець, він залежить від того, які форми більш популярні в кожній окремо взятій країні. Личить для всіх типів твердопаливних котлів. Найпривабливішою стороною цього типу брикету є його ціна. Основною сировиною для виробництва паливних брикетів є відходи рослинництва - солома, стебла і листя хлібних злаків, бобів, суха тирса різних порід дерев, лушпиння насіння соняшнику, рису, гречки, льону. Автори пропонують використовувати як дешеву сировину для виробництва паливних брикетів як обрізану виноградну лозу, так і виноградну лозу, спеціально вирощену на непридатних землях. Виноградна рослина добре росте на непридатних для ведення сільського господарства землях, наприклад безплідних кам'янистих, піщаних, глиняних, що розташовані в долинах річок і лиманів. Вирощування виноградної лози на таких землях з метою отримання сировини для паливних брикетів - ще один спосіб здешевлення вартості сировини для виробництва паливних брикетів з виноградної лози. До переваг такої рослинної сировини слід віднести: низьку собівартість паливних брикетів, пожежна безпека, відсутність шкідливих і небезпечних продуктів горіння, при цьому їх виробництво не вимагає використання деревини, а отже не знижується обсяг лісопосадок. При спалюванні паливних брикетів з виноградної лози в атмосферу викидається рівно стільки СО 2, скільки було поглинуто рослиною під час зростання. Брикети менш схильні до самозаймання, 1 UA 109682 U 5 10 15 20 25 30 35 40 оскільки не містять пилу і спор, які також можуть викликати алергічну реакцію у людей. Деревина складається переважно з органічних речовин (99 % спільної маси). Елементний хімічний склад деревини різних порід практично однаковий. Абсолютно суха деревина в середньому містить 49 % вуглецю, 44 % кисню, 6 % водню, 0,1-0,3 % азоту. Перераховані хімічні елементи утворюють основні органічні речовини: целюлозу, лігнін і геміцелюлозу. При спалюванні деревини залишається її неорганічна частка - зола. До складу золи входять кальцій, калій, натрій, магній та інші елементи. Перераховані хімічні елементи утворюють основні органічні речовини: целюлозу, лігнін і геміцелюлозу. Целюлоза - природний полімер, полісахарид з довгою ланцюговою молекулою. Формула целюлози (С6Н10O5)n, де n - ступінь полімеризації, рівний 6000-14000. Це дуже стійка речовина, нерозчинна у воді і звичайних органічних розчинниках (спирті, ефірі та ін.), білого кольору. Пучки макромолекул целюлози - найтонші волокна - називаються мікроволокниною. Вони утворюють целюлозний каркас стінки клітки. Мікроволокнина орієнтована переважно уздовж довгої осі клітки, між ними знаходиться лігнін, геміцелюлоза, а також вода. Лігнін - полімер ароматичної природи (поліфенол) складної будови; містить більше вуглецю і менше кисню, чим целюлоза. Саме з цією речовиною пов'язаний процес одеревіння молодої клітинної стінки. Лігнін хімічно нестійкий, легко окислюється, взаємодіє з хлором, розчиняється при нагріванні в лугах, водних розчинах сірчистої кислоти та її кислих солей. Геміцелюлоза - група полісахаридів, в яку входять пентозами (С5Н8О4)n і гексозани (С6Н10О5)n. Формула гексозанів на перший погляд ідентична формулі целюлози. Проте ступінь полімеризації у всіх геміцелюлоз значно менше і складає 60-200. Це свідчить про коротші ланцюжки молекул і меншу стійкість цих речовин в порівнянні з целюлозою. Анатомічна будова однорічної виноградної лози багато в чому схожа з анатомічною будовою стовбура дерева. Тут така ж деревина і деревні складові (кірка, перидерма, флоема, луб, ксилема, серцевина). Дослідження вмісту речовин в задерев'янілих частинах виноградної лози показали, що лоза містить до 50 % чистої целюлози, 18-21 % геміцелюлози, 1 % смоли. Відомо, що основною природною зв'язуючою речовиною у виробництві паливних брикетів є лігнін, вміст якого в виноградній лозі становить 20-30 %. У табл. 1 наведено склад різних сортів деревини з зазначенням в них кількості лігніну. Лігнін - складова частина деревини, аморфна безазотиста речовина, що супроводжує целюлозу в оболонках рослинних клітин. Лігнін в процесі росту лози не піддається розпаду і не перетворюється в інші речовини. Як видно з табл. 1, лігніну в виноградній лозі міститься значно більше, ніж в деревині хвойних і листяних порід. При обробці деревини мінеральними кислотами целюлоза і геміцелюлоза розчиняються і видаляються, а лігнін залишається незмінним і зберігає типову будову клітини, так як він пронизує макромолекули полісахаридів і відкладається в порожнинах клітинної стінки. Лігнін не розчиняється у воді, в звичайних органічних розчинниках і концентрованих кислотах. Лише під дією лугів, бісульфату натрію і сірчистої кислоти лігнін частково розкладається і переходить в розчин. Лігнін стійкий до дії ферментів, що утворилися в рослині, вже не втягується в обмін речовин. Внаслідок відкладення лігніну клітинні стінки стають жорсткими і міцними. Іноді порівнюють целюлозу, просочену лігніном, з залізобетоном, де роль цементу відводиться лігніну. Лігнін, присутній в виноградній лозі, є зв'язуючою речовиною при виробництві брикетів та виключає необхідність додавання інших зв'язуючих речовин. Таблиця 1 Деревина листяних порід (в процентному співвідношенні від абсолютно сухої речовини) 1 2 3 4 5 6 7 Зольні речовини Речовини, які екстрагуються етиловим ефіром Речовини, які екстрагуються при 900 °C Полісахариди, що легко гідролізуються Полісахариди, що важко гідролізуються Целюлоза Лігнін 45 2 Виноградна Лоза 2,7 Береза Модрина 0,4 0,3 0,9 0,9 1,1 7,2 27,2 30,2 28,3 38,9 0,9 27,2 36,3 32 25,8 12,2 24,2 38,3 34,5 27,4 UA 109682 U Продовження таблиці 1 8 9 10 11 12 13 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Гексозани Пентозани (без уронових кислот) Спільні метоксильні групи Уронові кислоти Ацетилові групи Вміст полісахаридів: Галактози Глюкози Маннози Арабінози 37,8 16,6 4,4 8,6 5,1 36,8 22,4 5,6 5,6 5,4 36,1 5,2 4,5 3,2 1,4 1,9 6,9 1,5 15,7 1 2,1 1,2 22,2 10,7 1,9 2,1 2,9 Виноградна рослина характеризується сильним ростом всіх вегетативних органів, що пов'язано з великою силою кореневої системи. Стебло винограду довге і тонке. Довжина і товщина стебла винограду може варіюватися в значних межах. На родючому і вологому ґрунті, при достатній кількості тепла та світла виноградне стебло, при довгому виростанні, може досягати в діаметрі 70-80 мм і більше ніж 30 м в довжину. Однорічні пагони, що утворилися навесні з нирок, трав'янисті, але до осені вони поступово дерев'яніють. Крім зростання в довжину, виноградне стебло зростає в товщину. Дуже важливим і суттєвим значенням при переробці виноградної лози на паливо є кількість деревини. В лозі вміст деревини (ксилема) безпосередньо залежить від співвідношення деревини і серцевини в поперечному перерізі лози. Ступінь розвитку деревини також є сортовою ознакою зрілості стебла: чим більше розвинена деревина, тим більше зрілим є стебло. Проведені дослідження показали, що в низько штамбових кущах з висотою штамбу до 0,4 м, середня кількість шарів твердого лубу у флоемі стебла на 12-17 % вище, ніж у стеблах на високо штамбових кущах. Будова стебла більш рихла, діаметр більший і співвідношення серцевини до деревини значно більше, чим у стебла при високо штамбовому вирощуванні кущів. Відмічені анатомічні особливості виноградної лози вказують нам на необхідність враховувати їх при утилізації виноградної лози на паливо. Відомий спосіб утилізації виноградної лози, що використовують для отримання біопалива, та добрив (див. http://vinograd-vino.ru/utilizatsiya-vinogradnoj-lozy). Виноградарські господарства застосовують стандартну технологію обрізання і прибирання виноградника. Процес обрізання починається з кінця жовтня і закінчується наприкінці січня. Період обрізання - це період утилізації виноградної лози, технологія якої складається з наступних етапів: - обрізування виноградної лози без формування вала; - вигрібання виноградної лози із міжряддя на міжклітинну дорогу; - виволікання виноградної лози волокушею за межі плантації; - спалювання виноградної лози. Відходи, які отримують після спалювання виноградної лози, використовують як пальне або добрива. Утилізація виноградної лози відомим способом приводить до втрати джерела дешевого пального. Щорічно в Україні спалюється близько 500 тисяч тонн виноградної лози (що порівняно зі спалюванням 450 тисяч тонн вугілля антрациту). При цьому з кожного гектара втрачається мінімум 10-15 кг азоту, 6-8 кг фосфору, 12-16 кг калію, тобто гине весь енергетичний потенціал органічної маси виноградної лози, що була обрізана. Відомий спосіб виготовлення паливних брикетів з рослинних відходів (див. Пат. UA № 30664 А, МПК C10L 5/44, опубл 15.12.2000), що включає подрібнення рослинних відходів, їх теплову обробку теплоносієм в режимі фільтрування і подальше пресування, при цьому як теплоносій використовують вологий генераторний газ і продукти згорання генераторного газу, причому обробку проводять в потоці, спочатку через рослинні відходи в режимі фільтрування пропускають суміш вологого генераторного газу і повітря, нагріту до 200 °C, після чого відходи охолоджують до 30 °C повітрям, яке далі використовують для виробництва вологого генераторного газу, а перед пресуванням рослинні відходи обробляють сумішшю продуктів згорання генераторного газу з повітрям, нагріваючи їх до 170 °C, причому частку суміші продуктів згорання генераторного газу з повітрям, яка пройшла в режимі фільтрування крізь рослинні відходи, повторно направляють на обробку відходів перед пресуванням. Відомий спосіб вибраний як прототип. Прототип і корисна модель, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: збирання рослинних відходів; подрібнення; обробка. 3 UA 109682 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Проте відомий спосіб вимагає значних енерговитрат і дозволяє отримувати паливні брикети лише з м'яких рослинних відходів, наприклад соломи озимої пшениці, лушпиння гречки, соняшнику з розмірами часток 5-20 мм, тому він не може бути використаний для отримання брикетів з виноградної лози. В основу корисної моделі поставлено задачу розширення асортименту твердого палива за рахунок використання нової сировинної бази для виготовлення паливних брикетів, зниження технологічних витрат на їх виробництво. Поставлена задача вирішена в способі виготовлення паливних брикетів з виноградної лози що включає збір рослинних відходів, подрібнення і обробку тим, що як рослинні відходи використовують зрізану виноградну лозу, яку подрібнюють до часток 1-1,5 мм, сушать у вакуумі при 45-55 °C до вологості 8-12 % та брикетують. Новим в корисній моделі, яка заявляться, є те, що як рослинні відходи використовують зрізану виноградну лозу, яку подрібнюють до часток 1-1,5 мм, сушать у вакуумі при 45-55 °C до вологості 8-12 % та брикетують. Процес брикетування - це процес стискування матеріалу під високим тиском, з виділенням температури від сили тертя. За рахунок даної дії в деревині виноградної лози відбувається виділення лігніну, який є зв'язуючою речовиною для формування брикету. При виробництві даної продукції слід звернути особливу увагу на вологість сировини - дуже важливий параметр, що впливає на щільність брикету. В разі перевищення 13 % вологості сировини брикет розвалиться на довільні шматки із-за надлишку вологи. Об'єм брикету складає 1/10 від об'єму, витраченого на виробництво сировини, що дає значну економію при транспортуванні і зберіганні даного виду біопалива. Для виробництва брикетів з виноградної лози застосовують поршневі і шнекові преси, сировина - подрібнена виноградна лоза 1-1,5 мм. Перед пресуванням матеріал додатково подрібнюють (якщо необхідно) і підсушують (вологість не повинна перевищувати 8-13 %). Поршневий прес працює циклічно. При кожному ході поршня продавлюють певну кількість матеріалу через конічне сопло, на брикетах чітко помітні відповідні циклам шари. У приводі завжди застосовується маховик, що дозволяє вирівняти навантаження двигуна. Зношення поршня невелике, оскільки відносне переміщення між пресованим матеріалом і поршнем мале, швидко зношується сопло. Поршневі преси відносно дешеві і тому широко поширені. Шнековий прес легший за поршневий, оскільки відсутні масивні поршні і маховики. Продукція виходить безперервно, тому її розрізають на потрібні шматки. Щільність продукції вища, ніж в поршневих пресів. Шнекові преси менш шумні, завдяки відсутності ударних навантажень. До недоліків можна віднести велику витрату енергії і швидке зношення шнека. Виходячи з наведеного вище, використання виноградної лози як сировини для паливних брикетів є дуже перспективним. Технічний результат - зниження технологічних витрат на виробництво - досягається завдяки використанню як сировини виноградної лози, можливість використання рослинного лігніну, присутнього у виноградній лозі, як зв'язуючої речовини при формуванні паливних брикетів, а відсутність багатоступінчастого сушіння і обробки сировини генераторним газом також здешевлюють виробництво паливних брикетів з виноградної лози. Заміна пресового устаткування на шнековий або поршневий преси дозволяє понизити собівартість і енергоємність технологічної лінії. Спосіб, що заявляється, здійснюють таким чином: Виноградну лозу збирають після обрізування виноградника та формують у валки. Пристрій для подрібнення заїжджає в міжряддя, підбирає та подрібнює лозу в бункер-накопичувач. Довжина подрібнених частинок регулюється від 20 до 50 мм. Після наповнення бункера подрібнену виноградну лозу вивантажують і відправляють в переробний цех. Після складування привезена подрібнена лоза шнековим транспортером подається у вакуумну сушарку ВК 777, де відбувається процес вакуумного сушіння при температурі 45-50 °C. Із сушильні лоза потрапляє на просіювання через перше сито із отворами 10 мм і далі на друге сито із отворами діаметром 1,5 мм. Подрібнена лоза, що не пройшла через перше сито, відправляється шнековим транспортером на додатковий подрібнювач, який розташований над першим ситом. А з другого сита - шнековим транспортером подається в дозатор, з якого подається на поршневий або шнековий прес. Таким чином може бути отримана будь-яка формоутворювальна поверхня паливного брикету. Заявлені істотні ознаки дозволяють отримати наступний технічний результат: - отримати паливо з високою теплопровідністю і низькою собівартістю; - низькою зольністю і вологістю - при згоранні виноградних брикетів утворюється в 20 разів менше золи; 4 UA 109682 U 5 10 15 20 - розширити сировинну базу для виробництва паливних брикетів. Собівартість 500 кг паливних брикетів з виноградної лози рівна 800 грн., отже, 1 КВт=0,95 грн. Енергетичні витрати на виробництво паливних брикетів в 2,37 разів менше ніж та енергія, яку ми отримаємо при спалюванні паливних брикетів з виноградної лози. Економічний розрахунок розробки і ефективності виробництва паливних брикетів: 1. Майдан виноградника: 1000 га. 2. Урожай лози з 1 га: 2 т. 3. Спільний збір лози: 1000 га2 т=2000 т. 4. ККД використання лози для паливних брикетів дорівнює 0,8. 5. Кількість палива в брикетах: 20000,8=1600 т. 6. Дохід від реалізації цього палива: 16002200 грн=3520000 грн. 7. Тепловіддача паливних брикетів з виноградної лози становить 21-23 Мдж, бурого вугілля 16 Мдж, чорного вугілля - 20 Мдж, газу - 32 Мдж. 8. Тепловіддача паливних брикетів з виноградної лози в 1,2 разів вище за кам'яне вугілля 1600 т1,2=1920 т кам'яного вугілля. 9. Вартість 1 т кам'яного вугілля складає 2850 грн. (брикетів з виноградної лози - 2200 гр.) 1920 т2850 грн=5472000 грн. 1600 т2200 грн=3520000 грн. Виноградник площею 1000 га дозволяє отримати брикети, які замінюють 1920 т кам'яного вугілля, при цьому собівартість 1т паливних брикетів рівна 1600 грн. У табл. 2 наведена вага і ціна різних видів палива, необхідних для виробництва 17000 Мдж енергії. Таблиця 2 Середня вага палива для виробництва Порівняльна ціна енергії, яка була 17000 Мдж енергії отримана для споживача України, грн. Паливні брикети 1000 кг 2200 Деревина 1600 кг 1840 3 Газ 478 м 3055 Дизельне 500 л 7735 паливо Мазут 685 л 4795 Вугілля кам'яне 1000 кг 2850 Вид палива 25 30 35 40 45 Паливні брикети мають вищу щільністю, ніж деревина. Паливні брикети - це горюче паливо, яке набирає велику популярність під час енергетичної кризи. Воно має свої особливості, такі як: висока пожежна та екологічна безпека палива, низька вартість. Опалювання приміщень паливними брикетами на спеціальних котлах - сьогодні найбільш популярне вживання для даної продукції. В результаті використання паливних брикетів з виноградної лози як палива споживачі отримують незначну кількість золи, яка є високоякісним добривом для всіх видів рослин, в тому числі для виноградників, так як в золі знаходиться 17 % азоту, 10 % фосфору і 25 % калію. Ринок споживання паливних брикетів зростає з кожним днем. До 2020 року Європейський Союз планує на 20 % понизити кількість шкідливих викидів в атмосферу. Для цього планується вже в 2016 році збільшити об'єми використання твердого біопалива до 50 %. Сьогодні ми знаходимося на самому початку розвитку використання нового палива. Потреби в ньому зростатимуть постійно. Важливо відзначити, що у малого або домашнього бізнесу вже зараз є можливість почати виробляти паливо нового покоління при невеликих інвестиціях. Вже зараз потрібно бути готовим до активного росту ринку. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб виготовлення паливних брикетів з виноградної лози, що включає збирання рослинної сировини, її подрібнення та обробку, який відрізняється тим, що як рослинну сировину використовують обрізану виноградну лозу, яку подрібнюють до часток 1-1,5 мм, сушать у вакуумі при 45-55 °С до вологості 8-12 %, просіюють до розмірів не більше 1,5 мм та брикетують пресуванням. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як рослинну сировину використовують виноградну лозу, яка вирощена на непридатних для ведення сільського господарства землях. 5 UA 109682 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6