如何將廢塑料和廢紙制成顆粒燃料

　　使用生物質或不可回收材料發電的想法已經存在很長一段時間了，但是開發一種穩定的原料來生產一種比煤更經濟、耐潮濕、在儲存中不自燃的燃料一直是一個艱巨的挑戰。

　　愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)的研究人員與密歇根理工大學(Michigan Technological University)以及威斯康星州格林灣(Green Bay)的Convergen Energy公司合作，開創了一種技術，將不可回收的塑料和紙纖維結合起來，形成與煤炭熱值相當的顆粒。

　　關鍵是碳化，這是INL之前使用過的一種將生物質轉化為類似煤的材料的熱過程。Torrefaction使用溫和的加熱，通常在200°C至320°C之間，使生物質材料更加均勻和一致，同時還去除氯和其他化合物，這些化合物在燃燒過程中可能變成有害氣體。

　　Convergen首席執行官泰德·漢森(Ted Hansen)說：“我們正在努力尋找一種解決方案，讓廢塑料遠離環境。”

　　雖然塑料汽水瓶和牛奶容器可以回收，但你在當地超市貨架上走過的大多數東西——疊層袋、標簽、蠟紙——都是不可回收的，只能被送往垃圾填埋場。這些塑料要幾百年才能分解。(雖然生物降解塑料正在開發中，但在2021年，它們只占全球塑料產量的不到1%)

　　另一方面，紙制品雖然可生物降解，但在垃圾填埋場分解會產生甲烷，這是一種比二氧化碳強25倍的溫室氣體。將紙張和塑料結合起來，形成穩定的原料，可以替代煤炭，減少垃圾填埋量，這將是一種雙贏的綠色能源。

　　漢森說：“這些是我們的目標產品。“我們不想把它們送到垃圾填埋場，而是想把它們變成燃料或升級為循環產品。”

　　將伙伴關系的優勢應用于協作

　　多年來，Convergen一直在生產一種工程燃料，將不可回收的工業副產品從垃圾填埋場轉移出來，以減少二氧化碳排放。

　　自2009年以來，該公司向致力于國家要求的綠色能源生產水平的電力公司和將可再生燃料整合到其運營中以減少煤炭消耗的制造商提供燃料芯塊。

　　自2009年成立以來，Convergen已經從垃圾填埋場轉移了超過60萬噸的廢棄材料，以替代煤炭的使用。

　　Convergen與INL和MTU合作開展了一個由美國能源部(DOE)生物能源技術辦公室(BETO)資助的項目，該項目名為“用于統一生物發電原料的分類垃圾顆粒的碳化”。

　　Convergen切碎的材料尺寸小于6英寸（15厘米），并將其運送到INL和MTU進行加工和測試。

　　INL研究人員重點研究了顆粒的形成、特性、耐久性和通過烘烤的均勻性，以及用于分析的樣品生成。INL的分析規模的支持系統發揮了關鍵作用。與此同時，MTU研究人員收集了工藝數據并生成樣本進行分析和跨系統驗證。

　　不可回收塑料壓制成顆粒的研究進展

　　無論它們是來自不可回收材料還是生物質殘渣，在碳化燃料作為廉價的綠色能源被廣泛接受之前，它們必須在化學和物理上均勻，耐候，并且足夠穩定，可以運輸和儲存。

　　產品的一致性對于燃料銷售協議的兼容性至關重要，例如燃料鍋爐所要求的協議，在燃料鍋爐中，一致的加熱量與污染物和無機物水平都得到了認證。

　　對于任何生物質，如果管理不當，顆粒存儲都是一個挑戰。無論是谷倉里的干草，還是貨船貨艙里的木屑顆粒，如果生物質變濕，自熱和自燃就會成為一個嚴重的、潛在的災難性問題。還可能出現與廢氣排放有關的環境、健康和安全問題。

　　碳化生物質在本質上是能量密集和疏水的，已被確定為更安全的替代品。通過他們的合作，INL的Jordan Klinger博士和Eric Fillerup博士，MTU的Ezra Bar-Ziv博士和Hansen發現不可回收塑料可以幫助提高顆粒密度，同時提高安全性。由于在壓實過程中高溫高壓下的柔軟性，塑料提供了一種包裹纖維的骨架結構，并形成一個屏障，防止氧氣和水與碳化纖維發生反應。這減少了可能導致自燃的自熱。

　　隨著材料的聚合運往INL， Klinger和Fillerup研究了尺寸減小技術，以追求特定的平均顆粒尺寸，在INL的生物質原料國家用戶設施中進行致密化和應用熱解條件。¼-½的顆粒具有統一的幾何形狀和成分，并進行了成分、燃料性能、排放和污染物(特別是氯)測試。這些處理方法適用于傳入的廢料原料的組成，從而產生更清潔的燃料。

　　為了證明該工藝的可行性，最終目標是在中試規模(每小時超過10公斤)生產均勻的顆粒，其能量至少與煙煤相當。研究中使用的樣品來自纖維-塑料廢料混合物(40%塑料和60%纖維)，這些混合物來自各種各樣的紙、層壓紙、塑料和含有已知雜質的纖維。Convergen使用強大的電磁鐵去除黑色金屬，而有色金屬是手動去除的。然后用剪切磨床將材料粉碎至75-125mm粒度，隨后風干至含水率5-7%的水平。

　　測試的目的是將氯和硫的含量降低到與使用煙煤相當的水平。到2021年9月項目結束時，MTU的工藝開發和實施實現了所有這些目標，生產顆粒的速度超過100kg/小時。

　　利用垃圾的未來能源

　　Convergen一直在與MTU公司合作，在Green Bay開發一個商業示范裝置。漢森說：“我們已經加工了大量不可回收的紙張和塑料?，F在的目標是擴大我們可以在更大范圍內使用的材料類型和數量。”

　　對于INL來說，該項目具有多重含義。Klinger表示：“INL的研究記錄了如何將這些材料轉化為Convergen所需的首選燃料特性的技術障礙。老實說，我認為它有可能成為產生能源和解決垃圾積累的短期解決方案。這是我們今天可以做的事情。”從長遠來看，INL的研究人員正在尋求一種材料加工途徑，以創造顆粒作為替代化石燃料的先進燃料和化學品源材料。

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