RU2043392C1

RU2043392C1 - Solid fuel and a method of its producing

Info

Publication number: RU2043392C1
Authority: RU
Inventors: А.Е. Фогельзанг; А.П. Денисюк; В.Ю. Егоршев; В.В. Серушкин; В.П. Синдицкий; Ю.Г. Шепелев; В.И. Колесов; Н.И. Шишов; В.И. Гордеев; С.А. Седов
Original assignee: Фогельзанг Александр Евгеньевич
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: solid fuels. SUBSTANCE: solid briquetted fuel has, wt.-% carboxymethylcellulose sodium salt 3-5; potassium nitrate 2-6, and charcoal the rest. Method of solid fuel producing involves the mixing milled charcoal, carboxymethylcellulose sodium salt and potassium nitrate as an aqueous solution, mixture holding before forming at 60-80 C for 90-150 min followed by forming in briquette and drying. EFFECT: improved method of fuel producing. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к разработке твердотопливных источников тепла и может быть использовано для автономного, экологически чистого, длительного и экономичного обогрева теплиц и других помещений в холодное время года. The invention relates to the development of solid fuel heat sources and can be used for autonomous, environmentally friendly, long-term and economical heating of greenhouses and other rooms in the cold season.

Известен состав топливного брикета, содержащий до 100% спрессованной каменноугольной пыли и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ) в качестве защищающей добавки (1). A known composition of a fuel briquette containing up to 100% compressed coal dust and sodium salt of carboxymethyl cellulose (NaKMTS) as a protective additive (1).

Из описанных в литературе твердых топлив наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является твердое топливо, один из вариантов которого содержит 50% древесного угля, 15% KNO₃, 1% FeCl₃ и 2% связующего, например карбоксиметилцеллюлозы прототип (2). Это топливо предназначено для сжигания в печах и топках для выработки электроэнергии, отопления жилища и приготовления пищи. При этом большое внимание уделяется вопросам защиты эксплуатационных свойств (воспламеняемости, прочности, стабильности горения и др.) топливных брикетов от повышенной влажности окружающей среды (свыше 60%), характерной для климатических условий Японии, на имя которой выдан Европатент. С этой целью целый ряд агентов, ускоряющих горение (в т.ч. нитраты щелочных металлов и хлориды железа) предварительно микрокапсюлируют водонепроницаемыми способными к горению полимерными материалами (полиэтиленом, полипропиленом и др.). Это значительно усложняет технологию изготовления топлива, так как стадия капсулирования представляет собой дорогостоящий и многооперационный сложный взрывоопасный процесс, заключающийся в смешении агентов, ускоряющих горение, с полимерными добавками, растворенными в органических растворителях, выдержки смеси при 0^оС, отделении твердого осадка, промывке его органическим растворителем и последующей сушке. Высокая скорость горения топлива, необходимая для получения большого количества тепла в короткое время, обеспечивается за счет применения синергетической смеси катализаторов скорости горения KNO₃ + FeCl₃ и их повышенной концентрации в топливе (до 16%).Of the solid fuels described in the literature, the closest in technical essence and the achieved result to the proposed one is solid fuel, one of which contains 50% charcoal, 15% KNO ₃ , 1% FeCl ₃ and 2% binder, for example, prototype carboxymethyl cellulose (2) . This fuel is intended for burning in stoves and furnaces for generating electricity, heating homes and cooking. At the same time, much attention is paid to the issues of protecting the operational properties (flammability, strength, combustion stability, etc.) of fuel briquettes from increased ambient humidity (over 60%), typical for the climatic conditions of Japan, to which Europatent was issued. For this purpose, a number of combustion accelerating agents (including alkali metal nitrates and iron chlorides) are pre-microencapsulated with waterproof, combustible polymeric materials (polyethylene, polypropylene, etc.). This greatly complicates the fuel fabrication technology, because encapsulation step is a costly and multioperational complex explosive process comprising mixing agents, accelerating combustion with polymer additives, dissolved in organic solvents, maintaining the mixture at ⁰ ° C, the solid precipitate separation, washing it organic solvent and subsequent drying. The high burning rate of the fuel necessary to obtain a large amount of heat in a short time is ensured by the use of a synergistic mixture of KNO ₃ + FeCl ₃ burning rate catalysts and their increased concentration in the fuel (up to 16%).

К основным недостаткам указанного топлива, затрудняющим его использование, в том числе для обогрева теплиц и других неотапливаемых помещений, является: сложность эксплуатации, требующая применения печей для сжигания; образование при горении неутилизируемых соединений железа и хлора, загрязняющих окружающую среду; повышенная пожароопасность из-за образования пламени над поверхностью горящей шашки; сложный многокомпонентный состав катализирующей системы, включающей дорогостоящие микрокапсюлированные агенты KNO₃ и FeCl₃; высокая стоимость брикетов из-за сложной технологии и наличия дефицитных компонентов.The main disadvantages of this fuel, which complicates its use, including for heating greenhouses and other unheated rooms, are: the complexity of operation, requiring the use of furnaces for burning; the formation of uncontaminated iron and chlorine compounds polluting the environment during combustion; increased fire hazard due to the formation of a flame above the surface of a burning checker; a complex multicomponent composition of a catalytic system, including expensive microencapsulated agents KNO ₃ and FeCl ₃ ; the high cost of briquettes due to sophisticated technology and the availability of scarce components.

Совершенствование характеристик указанного топлива может быть достигнуто целенаправленной корректировкой его рецептурного состава, заключающейся в том, что в известном твердом топливе, содержащем древесный уголь, производное метилцеллюлозы и нитрат калия, в качестве производного метилцеллюлозы берут натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении компонентов, приведенном в таблице. Improving the characteristics of this fuel can be achieved by targeted adjustment of its recipe composition, namely, that in the known solid fuel containing charcoal, methyl cellulose derivative and potassium nitrate, carboxymethyl cellulose sodium salt is taken as the carboxymethyl cellulose derivative in the following ratio of components shown in the table.

Как видно из представленных в таблице данных, предложенное твердое топливо выгодно отличается от известного экологической чистотой, безопасностью, простотой изготовления и эксплуатации. As can be seen from the data presented in the table, the proposed solid fuel compares favorably with the known environmental cleanliness, safety, ease of manufacture and operation.

Появление нового, более высокого технического результата обеспечивается использованием в качестве связующего NaКМЦ, совмещающего в заявляемом топливе ранее неизвестные функции эффективного горючего связующего и модификатора скорости горения, позволяющего в сочетании с нитратом калия реализовать беспламенное объемное горение древесного угля, удлинить продолжительность горения и полноту сгорания с образованием утилизируемых остатков, не загрязняющих окружающую среду. Следует отметить, что использование NaКМЦ и KNO₃ эффективно только в отношении древесного угля, который благодаря своей специфической пористой структуре легко и равномерно насыщается ионами К и Na, обеспечивающими беспламенное, медленное твердотельное горение. Кроме этого он имеет хорошую адгезию к NaКМЦ, легко прессуется и обеспечивает высокие физико-механические свойства готового брикета. При выходе за пределы содержания 3-5% NaКМЦ, 2-6% KNO₃, так же как и при использовании других видов связующего, горючего и добавок эти уникальные свойства топлива не реализуются. При этом уменьшение концентрации нитрата калия менее 2% ухудшает воспламенение и горение топлива, а увеличение его содержания свыше 6% приводит к возрастанию скорости горения и быстрому сгоранию шашки. Снижение концентрации NaКМЦ менее 3% не обеспечивает необходимую прочность брикета, а ее повышении более 5% ухудшает процесс сгорания топлива. Следует также отметить, что уровень технических характеристик предложенного топлива во многом определяется технологией его изготовления, отличающейся от ранее известных аналогичных технологий.The emergence of a new, higher technical result is ensured by the use of NaKMTs as a binder, combining previously unknown functions of an effective combustible binder and a combustion rate modifier in the inventive fuel, which, in combination with potassium nitrate, can realize flameless volumetric burning of charcoal, to extend the duration of combustion and the completeness of combustion with the formation Disposable residues that do not pollute the environment. It should be noted that the use of NaKMTs and KNO _{3 is} effective only for charcoal, which, due to its specific porous structure, is easily and uniformly saturated with K and Na ions, which provide flameless, slow solid-state combustion. In addition, it has good adhesion to NaKMTs, is easily pressed and provides high physical and mechanical properties of the finished briquette. When you go beyond the content of 3-5% NaKMTS, 2-6% KNO ₃ , as well as when using other types of binder, fuel and additives, these unique properties of the fuel are not realized. At the same time, a decrease in the concentration of potassium nitrate of less than 2% affects the ignition and combustion of the fuel, and an increase in its content over 6% leads to an increase in the burning rate and rapid combustion of the checkers. A decrease in NaKMC concentration of less than 3% does not provide the necessary briquette strength, and its increase of more than 5% worsens the combustion process. It should also be noted that the level of technical characteristics of the proposed fuel is largely determined by the technology of its manufacture, which differs from previously known similar technologies.

Так известен способ изготовления твердотопливных брикетов, включающий смешение измельченного древесного угля, производного метилцеллюлозы (карбоксиметилцеллюлозы и нитрата калия, введенного в микрокапсюлированном виде, формование и сушку (2) прототип). Однако указанная технология не позволяет изготавливать продукцию с улучшенными эксплуатационными свойствами. Совершенствование потребительских свойств может быть достигнуто тем, что в качестве производного метилцеллюлозы используют NaКМЦ, нитрат калия вводят в виде водного раствора, а смесь перед формованием выдерживают при 60-80^оС в течение 90-150 мин. При выбранных режимах обеспечивается равномерное распределение компонентов, требуемая прочность шашек и образование оптимальной для горения структуры топлив. При других режимах смешения улучшения характеристик топлива не достигается. Так уменьшение времени выдержки смеси перед формованием менее 10 мин и снижение ее температуры ниже 60^оС не обеспечивает механической прочности шашек и стабильного горения из-за неполного набухания связующего и насыщения ионами калия и натрия пористой структуры древесного угля, а их увеличение свыше 150 мин и 80^оС, соответственно, не приводит к дальнейшему росту качества брикетов, но резко повышает расход тепловой энергии и снижает производительность труда.So known is a method of manufacturing solid fuel briquettes, comprising mixing crushed charcoal, a derivative of methyl cellulose (carboxymethyl cellulose and potassium nitrate introduced in microencapsulated form, molding and drying (2) prototype). However, this technology does not allow to produce products with improved performance properties. Improved application properties can be achieved in that a derivative is used NaCMC methylcellulose, potassium nitrate is introduced as an aqueous solution, and the mixture before molding was kept at 60-80 ^{° C} for 90-150 min. With the selected modes, a uniform distribution of components, the required strength of the pieces and the formation of an optimal fuel structure for combustion are ensured. In other mixing modes, improved fuel performance is not achieved. Thus reduction time delay mix before molding of less than 10 minutes, and the reduction of its temperature below 60 ^{° C} does not provide the mechanical strength of the blocks and stable combustion due to incomplete swelling binder, and the saturation of potassium ions and sodium porous structure charcoal, and their increase over 150 minutes and 80 ^о С, accordingly, does not lead to a further increase in the quality of briquettes, but sharply increases the consumption of thermal energy and reduces labor productivity.

Технология получения предложенного твердого топлива и его рецептура иллюстрируются следующими примерами. The technology for producing the proposed solid fuel and its formulation are illustrated by the following examples.

П р и м е р 1. В смесителе СПУ-2, снабженном планетарными мешалками и обогревом в течении 15 мин проводят предварительное смешение при комнатной температуре 920 г измельченного древесного угля (любой марки, например уголь для дымных порохов ОСТ 40162) с размером частиц менее 200 мкм и влажностью до 6% с 40 г NaКМЦ (ТУ 6-15-1077-77) с размерами частиц до 100 мкм. В эту смесь вводят раствор 40 г KNO₃ в 1000 г воды и проводят перемешивание в течение 15 мин для усреднения композиции. Полученную однородную смесь выдерживают для набухания связующего в воде в этом же смесителе в течение 120 мин при 70^оС, после чего проводят формование в шнек-прессе под удельным давлением 10 кгс/см² при 20^оС в цилиндрические шашки диаметром 90 и длиной 150 мм, которые сушат в сушильном шкафу марки СНОЛ-3, 5 для удаления влаги при 120^оС в течение 9 ч. Полученные шашки легко воспламеняются от спички, горят с едва различимым красным свечением без образования пламени, копоти, токсичных веществ и без запаха в течение 8-10 ч и выделяют большое количество тепла, достаточное для обогрева теплиц и других помещений в холодное время года. Брикеты имеют плотность 0,4-0,5 г/см³, влажность до 5% удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг, скорость горения 5 мм/ч и максимальную тепловую мощность около 800 Вт при нормальных условиях.PRI me R 1. In a mixer SPU-2, equipped with planetary mixers and heated for 15 minutes, pre-mixing at room temperature 920 g of crushed charcoal (any brand, for example coal for smoke powder OST 40162) with a particle size less than 200 microns and humidity up to 6% with 40 g of NaKMTS (TU 6-15-1077-77) with particle sizes up to 100 microns. A solution of 40 g of KNO ₃ in 1000 g of water is introduced into this mixture and stirring is carried out for 15 minutes to average the composition. The resulting homogeneous mixture was allowed to stand for swelling of the binder in water in the same mixer for 120 min at 70 ° ^C, followed by molding in a screw-press under the specific pressure of 10 kgf / cm ² ^at 20 ° C in a cylindrical checkers diameter 90 and length 150 mm, which were dried in an oven brand SNOL-3, 5 to remove moisture at ¹²⁰ ° C for 9 hours. The resulting checkers easily ignited with a match, burning with subtle red light without flame, smoke, toxic and odorless for 8-10 hours and secrete a large number of those La sufficient for heating greenhouses and other buildings in the cold season. Briquettes have a density of 0.4-0.5 g / cm ³ , humidity up to 5%, specific heat of combustion 7000 kcal / kg, burning speed 5 mm / h and maximum thermal power of about 800 W under normal conditions.

П р и м е р 2. В том же оборудовании проводят смешение 950 г древесного угля вначале с 30 г NaКМЦ. а затем с 20 г нитрата калия, растворенного в 1000 г воды. Полученную смесь выдерживают при 60^оС в течение 90 мин, формуют и сушат по режимам примера 1. Готовые шашки не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,40-0,5 г/см³, влажность до 5% удельную теплоту сгорания 7230 ккал/кг, скорость горения 4 мм/ч и максимальную тепловую мощность около 700 Вт.PRI me R 2. In the same equipment carry out the mixing of 950 g of charcoal initially with 30 g of NaKMTS. and then with 20 g of potassium nitrate dissolved in 1000 g of water. The mixture was kept at ⁶⁰ ° C for 90 min, molded and dried as described in Example 1. Ready modes checkers not inferior in quality to the above, have a density of 0,40-0,5 g / cm ^3, moisture of up to 5% specific heat of combustion of 7230 kcal / kg, burning rate of 4 mm / h and maximum thermal power of about 700 watts.

П р и м е р 3. В том же оборудовании проводят смешение 890 г древесного угля вначале с 50 г NaКМЦ, а затем с 60 г нитрата калия, растворенного в 1000 г воды. Полученную смесь выдерживают при 80^оС в течение 150 мин, формуют и сушат. Готовые шашки соответствуют требованиям к твердому топливу, применяемому для обогрева теплиц, и имеют следующие показатели: плотность 0,4-0,5 г/см³, влажность до 5% удельная теплота сгорания 6900 ккал/кг, скорость горения 6 мм/ч и максимальную тепловую мощность около 950 Вт.PRI me R 3. In the same equipment carry out the mixing of 890 g of charcoal, first with 50 g of NaKMTS, and then with 60 g of potassium nitrate, dissolved in 1000 g of water. The resulting mixture was kept at 80 ^about C for 150 minutes, molded and dried. Ready-made checkers meet the requirements for solid fuel used for heating greenhouses, and have the following indicators: density 0.4-0.5 g / cm ³ , humidity up to 5%, specific heat of combustion 6900 kcal / kg, burning speed 6 mm / h and maximum thermal power of about 950 watts.

П р и м е р 4. В том же оборудовании проводят смешение 970 г древесного угля вначале с 20 г NaКМЦ, а затем с 10 г нитрата калия, растворенного в 1000 г воды. Полученную смесь выдерживают при 50^оС в течение 80 мин, формуют и сушат по режимам примера 1. Готовые шашаки имеют малую механическую прочность, плохо воспламеняются и затухают после воспламенения.PRI me R 4. In the same equipment carry out the mixing of 970 g of charcoal, first with 20 g of NaKMTS, and then with 10 g of potassium nitrate dissolved in 1000 g of water. The mixture was kept ^at 50 ° C for 80 min, molded and dried as described in Example 1. Ready Shashak modes have small mechanical strength, and ignite poorly damped after ignition.

П р и м е р 5. В том же оборудовании проводят смешение 860 г древесного угля вначале с 60 г NaКМЦ, а затем с 80 г нитрата калия, растворенного в 1000 г воды. Полученную смесь выдерживают при 90^оС в течение 160 мин, формуют и сушат. Готовые шашки имеют высокие физико-механические характеристики, но характеризуются быстрыми временами сгорания, 2-3 ч, что явно недостаточно для обогрева теплиц, например, в течение ночи. Кроме этого, при сгорании наблюдается искрение и возможно образование очагов пламени, что также снижает потребительские свойства продукции.PRI me R 5. In the same equipment carry out the mixing of 860 g of charcoal, first with 60 g of NaKMTS, and then with 80 g of potassium nitrate dissolved in 1000 g of water. The resulting mixture was kept at 90 ^{° C} for 160 min, molded and dried. Ready checkers have high physical and mechanical characteristics, but are characterized by fast combustion times, 2-3 hours, which is clearly not enough to heat greenhouses, for example, during the night. In addition, during combustion, sparking is observed and the formation of foci of flame is possible, which also reduces the consumer properties of the product.

Валовый выпуск шашек может быть осуществлен на действующих заводах, имеющих промышленное смесительное (смесители любого типа: бетономешалки, "пьяные бочки", тестомесители, смесители с мешалками) и формовочное (шнек-прессы, прессы для проходного прессования, прессы для глухого прессования) оборудование, а так же сушильные шкафы с температурой сушки от 80 до 120^оС и принудительной конвекцией воздуха.Gross production of checkers can be carried out at existing factories having industrial mixing (mixers of any type: concrete mixers, drunken barrels, dough mixers, mixers with mixers) and molding (screw presses, presses for continuous pressing, presses for dull pressing) equipment, as well as drying cabinets with drying temperature from 80 to ¹²⁰ ° C and forced air convection.

Claims

1. Solid fuel containing charcoal, a derivative of methyl cellulose and potassium nitrate, characterized in that as a derivative of methyl cellulose it contains the sodium salt of carboxymethyl cellulose in the following ratio, wt.

Carboxymethyl cellulose sodium salt 3 5
Potassium nitrate 2 6
Charcoal rest
2. A method of manufacturing a solid fuel, comprising mixing crushed charcoal, a methyl cellulose derivative and potassium nitrate, forming and drying, characterized in that the carboxymethyl cellulose sodium salt is used as a methyl cellulose derivative, potassium nitrate is introduced as an aqueous solution and the mixture is kept at 60 before molding - 80 ^o C for 90 150 minutes