202391. lajstromszámú szabadalom • Eljárás füstölő cigarettautánzat szén-üzemanyagának és ezt a szén-üzemanyagot tartalmazó üzemanyag egységnek az előállítására
1 HU 202391 B 2 174 645 számú európai közrebocsátási irat; ennek közléseire a továbbiakban hivatkozunk. Az alábbiakban a csatolt rajzokat ismertetjük. Az 1. ábra egy előnyös füstölő cigarettautánzat hosszmetszete, amely egy találmány szerinti eljárással előállított, széntartalmú üzemanyagegységet tartalmaz. A 2A-2C ábrák az előnyös füstölő cigarettautánzatokban alkalmazható üzemanyagegység járatainak az elrendezését mutatják. A találmány szerinti eljárással előállított üzemanyagegységek kiinduló anyaga számos szén-prekurzor-forrás lehet, ezek a szakember számára jól ismertek. Az előnyös üzemanyagegységek előállítására alkalmas, széntartalmú kiinduló anyagnak általában főként szenet, hidrogént és oxigént kell tartalmaznia. Előnyös széntartalmú termékek a cellulózos anyagok, főként a nagy (azaz 80%-nál nagyobb) alfa-cellulóz- tartalmú termékek, például a gyapot, múselyemfonal, papír. Különösen előnyös, magas alfa-cellulóz-tartalmú kiinduló anyag a keményfából készült papír, például a „Grande Prairie Canadian Kraft” minőségű, talkumot nem tartalmazó papír (amely beszerezhető a Buckeye Cellulose Corporation cégtől) (Memphis, TN.). Más, cellulóztartalmú termékek - például fa, dohány, kókuszdió, lignin - is alkalmazhatók, azonban használatuk nem előnyös. Ugyanígy használhatunk egyéb, széntartalmú anyagokat, például kőszenet, szurkot, bitument is, de ezek sem előnyösek. A találmány szerinti eljárás első lépése a kiinduló anyag - előnyösen valamilyen cellulózos kiinduló anyag - pirolízise 400 °C-tól 1250 °C-ig, előnyösen 500 °C-tól 950 °C-ig terjedő hőmérséklettartományban, nemoxidáló környezetben, elegendő időtartammal annak biztosítására, hogy a teljes cellulózanyag elérje a kívánt karbonizálási hőmérsékletet. Amennyiben az előnyös második pirolízis-lépést (azaz a finomítást) is alkalmazni kívánjuk, akkor az első pirolízis-lépést legelőnyösebben 700 °C és 800 °C közötti hőmérsékleten hajtjuk végre. Ha finomítási lépést nem kívánunk végrehajtani, akkor ezt a pirolizáló lépést előnyösen 750 °C-tól 850 °C-ig terjedő hőmérséklettartományban hajtjuk végre. „Nemoxidáló kömyezet”-en az alábbiakban mint közömbös környezetet, mind csökkentett nyomást (vákuumot) értünk. Nemoxidáló környezetnek tekintjük továbbá azt az enyhén oxidáló környezetet, amely akkor jön létre, ha nedvességtartalmat és/vagy más anyagokat (például hidrogént és szénhidrogéneket) vezetünk el a részlegesen karbonizált cellulózból a kemencében történő bevezető hevítés során. Széntartalmú anyagok piroilízise során a közömbös vagy nemoxidáló környezet alkalmazása a kemencében azért kívánatos, hogy maximálissá tegyük a szilárd széntermék hozamát, viszont minimálissá tegyük gázalakú, széntartalmú termékek - azaz a szénmonoxid és szén-dioxid - képződését. Tökéletesen közömbös vagy nemoxidáló környezetet ritkán érhetünk el, mivel a pirolízis termékei önmagukban is gyakran enyhén oxidáló tulajdonságúak. Vákuum vagy közömbös öblítőgáz - például argon vagy nitrogén - alkalmazása, vagy vákuum és öblítőgáz együttes alkalmazása lényegében nemoxidáló környezetet biztosít, azonban egyszersmind eltávolítja azokat a széntartalmú, illékony pirolízistermékeket is, amelyek részben hozzájárulnak a szilárd széntermék hozamához. Kis léptékű gyártás (előállítás) során közömbös gáz - például nitrogén - pozitív nyomással is alkalmazható a kemencébe való levegőbeszivárgás kiküszöbölése céljából, amivel az oxidáció elkerülhető, és a széntartalmú pirolízistermékek elillanása kiküszöbölhető. A széntermékek maximális hozamát általában ennek a módszernek az alkalmazásával érhetjük el még akkor is, ha a környezet némi enyhén oxidáló komponenst, például vízgőzt tartalmaz. Ha cellulózos anyagokból nagy volumenű gyártással állítunk elő szenet, akkor pozitív nyomású közömbös gáz alkalmazása általában a folyamat gazdaságossága szempontjából nem kedvező; továbbá közömbös gáz pozitív nyomással történő áramoltatása vagy vákuum alkalmazása, vagy ezek kombinációja sem gazdaságos. A szilárd széntermék csekély mennyiségének az elvesztése - ami széntartalmú, illékony pirolízistermékek elillanásának vagy oxidációnak tulajdonítható - elfogadható. A veszteség szabályzott csökkenését olyan feltételekkel érhetjük el, hogy a pirolizálandó anyagot zárt edénybe helyezzük, amelyet azután a megfelelő kemencébe teszünk. A zárt edényt szabályozott hőmérsékleti profil szerint hevítjük. A nagyvolumenű széntermelés során a hevítési ciklust előnyösen úgy tervezzük, hogy a szénveszteséget minimálissá tegyük. Cellulózos anyagok esetében a környezet kezdetben levegő, amelyet azután a kezdeti pirolízistermék, azaz a vízgőz kiszorít. A pirolízis előrehaladásával a vízgőz felhígul, és kiszorítják a széntartalmú, illékony termékek - például a mentán - valamint a hidrogén. A hőmérsékleti profilt úgy szabályozzuk, hogy biztosítsuk a minimális mértékű oxidációt. A karbonizáló kemencéket típusosán úgy tervezzük, hogy térfogatuk a szén térfogatához viszonyítva a legkisebb legyen, mivel a hűtés során a zárt edénybe levegő szívódik vissza, és ennek következtében a szilárd széntermék csekély mennyisége oxidálódik. Ezt az oxidációt szabályozott lehűtéssel minimálissá tehetjük. A gyakorlatban egy nagy kemencében számos edényt (konténert) helyezünk el, és ezeket a kemencével együtt hagyjuk lehűlni; így biztosítjuk a lehűlés minimális sebességét, és minimálissá tehetjük az oxidációt. A pirolízis teljes időtartama részben a pirolizálandó anyagok természetétől függ. így például olyan paraméterek, mint a pirolizálandó anyag mennyisége, a zárt edény paraméterei, amelybe ezeket az anyagokat helyezzük a hevítőeszközön belül, a jelenlévő illékony anyagok természete, befolyásolják azt az időtartamot, amely alatt a pirolizálandó anyag legbelső része a kívánt pirolízis-hőmérsékletet eléri. Jóllehet a pirolízis állandó hőmérsékleten is végrehajtható, azt találtuk, hogy lassú pirolízis - aminek során fokozatosan növekvő sebességgel emeljük a hőmérsékletet, például óránként 1 °C-tól óránként 20 °C-ig terjedő mértékben, előnyösen óránként 5 “C-tól óránként 15 °C-ig terjedő mértékben, számos órán át - egységesebb terméket és magasabb szénhozamot eredményez. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
