WO2006005783A1 - Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to obtaining thermal insulation and fire-resistant materials, manufactured with ashes or slags that come from processes such as combustion, pyrolysis or gasification of biomass or mixtures of fossil-biomass fuels, representing the ashes, slags or mixtures of the above, on a dry basis, more than 50% by weight of the constituents of the final product.
- the invention is fundamentally applicable to the field of obtaining insulating materials or for passive fire protection usable in a wide spectrum of the construction of buildings, warehouses and industrial facilities. These materials can be presented in the form of pads, bags, shaped, blankets or felts, coatings, plastering, gunite and panels whether they are flexible, rigid or semi-rigid. Its use can be highlighted in fire-resistant divisions or compartments such as fire doors, partitions, screens, transdos, suspended ceilings, protection of metal structures, etc.
- REPLACEMENT SHEET (Rule 28 ⁇ fossils, in different chemical and thermal processes, by recycling them in the form of materials that can provide significant added value, achieving, at the same time, a reduction in the cost of management and disposal of these by-products.
- thermal insulation and fire resistance are favored, with respect to the products with ashes from the combustion of coal, when ashes or slags are used that come from processes such as combustion, pyrolysis, gasification or other processes of heat treatment using biomass, or mixtures of fossil fuels and biomass, together with various binders and a minor proportion of additives.
- the characteristics of the products obtained from the aforementioned secondary raw materials can make them competitive against other commercial products with thermal insulation or fire resistance properties equal to or less than those of the products presented in this invention. .
- the present invention allows, for the first time, to be used in thermal insulation and for passive protection against fire, ashes or slags that come from processes such as combustion, pyrolysis, gasification or other thermal treatment processes that use biomass, or fuel mixtures fossils and biomass, in more than 50% by weight and dry basis, of the constituents of the final product.
- the most suitable ashes or slags are chosen among the different by-products that generate the heat treatment processes mentioned above.
- the ashes and slags are used without previous pretreatments, although depending on their physicochemical properties they can be subjected to separation, grinding, sieving and chemical attacks with acids or bases.
- the scope of these operations is given by the degree of improvement that is desired in the final product with respect to the following properties: fire resistance, thermal conductivity, density, heat capacity, water storage capacity, acoustic absorption coefficient,
- REPLACEMENT SHEET (Rule 28 ⁇ resistance to compression, flexion and impact, product stiffness, hardness and color, or to eliminate unwanted residue components.
- the ashes, slags or their mixtures are used alone or together with:
- the content of the additives or their mixtures does not exceed, on a dry basis, 50% by weight of the constituents of the final product.
- the manufacturing process consists of either mixing the constituents (waste and additives) without agglomerating or obtaining a homogeneous paste by adding the proportion of water required to the mixture of waste and additive, depending on the properties of the materials residuals and the application you want to obtain from the final product.
- mixtures of the non-agglomerated constituents or the kneaded mixtures can be subjected, during or after the setting period, to a series of operations that help to improve some of their insulating or mechanical properties, such as:
- REPLACEMENT SHEET (Rule 28 ⁇ different heating rates, and isothermal plateaus of different duration, between room temperature and 1800 0 C.
- the consolidation consists of the immersion or bath of the piece already set in a solution that is introduced into the pores of the pieces, creating a mesh that improves the mechanical properties (resistance to compression, flexion and impact, stiffness of the products, hardness) and physical properties (density, water storage capacity). This treatment can also be done by bristle brushes or by low pressure spraying (maximum 0.5 bar).
- the process of this invention allows the pastes made by mixing the constituents to be used in different forms of forming or molding, or by projection by dry or wet (gunite) route of the pastes on the elements to be isolated.
- Un agglomerated materials or pastes are prepared by combining waste, additives and water in different mixtures and proportions, according to the characteristics and insulating and mechanical properties of fire resistance, thermal conductivity, density, heat capacity, water storage capacity, coefficient of acoustic absorption, resistance to compression, flexion and impact, rigidity of the products, hardness and color that are desired to obtain.
- REPLACEMENT SHEET (Rule 28 ⁇ These constituents are placed in a planetary kneader, and mixed for five minutes with an average speed of 140 rpm until a homogeneous mixture is obtained, so that 1883.6 g of pasta are obtained.
- 750 ml_ of water are taken; this being the water / solid ratio that optimizes the insulating and mechanical properties for this composition, and is added to the mixture of constituents described above, kneading in the planetary kneader for ten minutes at an average speed of 140 rpm until homogenization.
- a mold is filled with the hydrated paste before it begins to set. In this practical example, a 2 cm thick, 27.5 cm high and 18 cm wide plate has been manufactured. Once the mold is filled, it is allowed to set at room temperature, being demoulded at 24 hours. The demoulded piece obtained is allowed to finish curing at room temperature for a period greater than 28 days. Once the material is cured, the consolidation treatment is carried out on the plate.
- This process consists in impregnating the plate, by immersion, in a solution composed of ethyl esters of the silicic acid dissolved in mineral turpentine, at a temperature between 1O 0 C and 25 0 C, until the rejection of the consolidating product occurs.
- the plate remains for 34 minutes immersed in the bath, and outside the bath the consolidation reaction is allowed to complete for approximately four weeks at a temperature of 2 ° C and a relative humidity between 40 and 50%.
- the plate obtained is subjected to a temperature exposure that significantly reproduces the temperature of the fire resistance test according to UNE-EN 1363-1, as shown in the attached graph.
- the plate has been subjected to the thermal program that appears in said standard, and the temperature has been recorded both on the exposed face and on the unexposed face of the plate.
- the time it takes to reach Ia unexposed face has been measured according to the criteria of Ia standard cited above, the time it takes to reach Ia unexposed face the temperature of 18O 0 C.
- the results obtained for the embodiment of the test show that the time to reach the unexposed face of the plate a temperature of 18O 0 C is 33 minutes and 45 seconds. This time is 25% higher than that recorded in the same test with plates of the same dimensions, whose
- REPLACEMENT SHEET (Rule 28 ⁇ Major constituents are fly ash from the combustion of coal, or with fire-resistant plates based on calcium silicate, currently on the market. In addition, during the performance of the test the emission of gases has not been observed, and the plate has maintained the mechanical stability before, during and after the test.
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Abstract
La presente invención tiene por objeto la obtención de materiales con alta capacidad de aislamiento térmico y de resistencia al fuego a base de residuos (cenizas y escorias) que proceden de procesos tales como la combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento térmico que utilizan biomasa o mezclas de combustibles fósiles y biomasa. Los materiales desarrollados se caracterizan porque, en su composición, las cenizas, escorias o la mezclas de las anteriores, representan, en base seca, más del 50% en peso del producto tal como se utiliza como material sin aglomerar o mezclado con agua para conseguir su amasado y posterior conformado o gutinado. El reciclado de estos materiales permite una nueva aplicación de los residuos de los procesos térmicos y químicos antes señalados en aplicaciones de alto valor añadido, al ser utilizados como aislantes térmicos o resistentes al fuego en edificios, naves e instalaciones industriales.
Description
TITULO
Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa
OBJETO DE LA INVENCIÓN Se refiere Ia presente invención a Ia obtención de aislamientos térmicos y de materiales resistentes al fuego, fabricados con cenizas o escorias que proceden de procesos como Ia combustión, pirólisis o gasificación de biomasa o de mezclas de combustibles fósiles-biomasa, representando las cenizas, escorias o las mezclas de las anteriores, en base seca, más del 50 % en peso de los constituyentes del producto final.
La invención es aplicable fundamentalmente al ámbito de Ia obtención de materiales aislantes o para Ia protección pasiva contra el fuego utilizables en un amplio espectro de Ia construcción de edificios, naves e instalaciones industriales. Estos materiales pueden presentarse en forma de almohadillas, sacos, conformados, mantas o fieltros, revestimientos, enfoscados, gunitados y paneles bien sean flexibles, rígidos o semi-rígidos. Se puede destacar su uso en divisiones o compartimentaciones resistentes al fuego como puertas cortafuego, tabiques, mamparas, trasdosados, falsos techos, protección de estructuras metálicas, etc.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Algunos de los productos comerciales empleados como aislantes térmicos o para Ia protección pasiva contra el fuego, tienen una composición química y propiedades que pueden esperarse en mezclas inorgánicas a base de cenizas y escorias. En este sentido, los resultados de estudios desarrollados por los investigadores que presentan esta solicitud de patente, en los que se han analizado las posibles aplicaciones de las cenizas de combustión del carbón junto con aglomerantes como el cemento portland y otros residuos industriales, en el campo de Ia protección pasiva contra el fuego, avalan esta hipótesis ('Development of new fire-proof producís made from coal fly ash: the CEFYR project'. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 77 (2003) 361-366 y
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'Recycling potential of coal fly ash and titanium waste as new fire-proof producís'. Chemical Engineering Journal, 95,(2003) 155-161].
Se ha demostrado en muchos casos que es posible obtener materiales aislantes térmicos y resistentes al fuego a partir de residuos industriales sin valor de mercado (cuando no onerosos para el medio ambiente). Así, por ejemplo, en pastas constituidas mayoritariamente por cenizas volantes de Ia combustión del carbón se suelen dar las características generalmente exigibles a los productos aislantes o resistentes al fuego como son: incombustibilidad, estabilidad a temperaturas elevadas, no generación de humos ni gases en condiciones de incendios y ausencia de características ecotóxicas. Además, cuando se conforman como placas o como pastas proyectadas, dichos morteros poseen, a igualdad de espesores, una capacidad aislante comparable a Ia de productos comerciales a base de silicato calcico, un producto muy utilizado en aislamientos térmicos y para Ia protección pasiva contra el fuego de edificios, naves e instalaciones industriales. Asimismo, como alternativa al vertido de las cenizas procedentes de Ia combustión del carbón, han aparecido en los últimos años aplicaciones de reciclado de las mismas en: productos cerámicos, productos a base de silicato calcico, morteros y hormigones, paneles para Ia construcción y puertas corta fuego (JP Patent 09100153 A2 -1997-, JP Patent 2000086348 A2 -2000-, JP Patent 2001151506-A —2001-, WO Patent 9709283-A -1997-, WO Patent 200035826 B1 -2000-, CN Patent 1264688 A -2000-, JP Patent 11180743-A -1999-, EP Patent 999606-A - 1999-, JP Patent 5279136-A -1993-, JP Patent 10025170 A2 -1998-, WO Patent 200181267-A2 -2002-, CN Patent 1198418-A -1999-, DE Patent 19930653-A1 - 2001-, CN Patent 1280962-A -2001-, TW Patent 402658-A -2001-, NZ Patent 333778-A -2000-).
Dado el previsible aumento del uso de Ia biomasa como fuente de energía o como materia prima de otros procesos, en el futuro se van a generar nuevos tipos de cenizas y escorias en grandes cantidades, por Io que diferentes esfuerzos tecnológicos se van a orientar hacia Ia búsqueda de nuevas alternativas de utilización de estos residuos, distintas a su eliminación en vertederos. Por tanto, con Ia presente invención se disminuyen los problemas medioambientales que previsiblemente ocasionarán las cenizas y escorias procedentes de Ia utilización de Ia biomasa o mezclas de biomasa y combustibles
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fósiles, en diferentes procesos químicos y térmicos, mediante su reciclado en forma de materiales que puedan aportarle un valor añadido importante, consiguiéndose, al mismo tiempo, una reducción en el coste de gestión y vertido de dichos subproductos.
Además, las características de aislamiento térmico y de resistencia al fuego se ven favorecidas, con respecto a los productos con cenizas de Ia combustión del carbón, cuando se utilizan cenizas o escorias que proceden de procesos como Ia combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento térmico que utilizan biomasa, o mezclas de combustibles fósiles y biomasa, junto con diversos aglomerantes y una proporción minoritaria de aditivos.
Asimismo, las características de los productos obtenidos a partir de las materias primas secundarias antes mencionadas, pueden hacerlos competitivos frente a otros productos comerciales con propiedades de aislamiento térmico o de resistencia al fuego iguales o inferiores a las de los productos que se presentan en esta invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención permite utilizar, por primera vez, en aislamientos térmicos y para Ia protección pasiva contra el fuego, cenizas o escorias que proceden de procesos como Ia combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento térmico que utilizan biomasa, o mezclas de combustibles fósiles y biomasa, en más del 50 % en peso y base seca, de los constituyentes del producto final.
Para mejorar las propiedades aislantes y de resistencia al fuego de los productos fabricados, se escogen las cenizas o escorias más adecuadas entre los distintos subproductos que generen los procesos de tratamiento térmico citados anteriormente.
Las cenizas y escorias se usan sin pretratamientos previos, aunque en función de sus propiedades físico-químicas pueden ser sometidas a tratamientos de separación, molienda, tamizado y ataques químicos con ácidos o bases. El alcance de estas operaciones viene dado por el grado de mejora que se desee conseguir en el producto final con respecto a las siguientes propiedades: resistencia al fuego, conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica, capacidad de almacenamiento de agua, coeficiente de absorción acústico,
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resistencia a compresión, flexión e impacto, rigidez de los productos, dureza y color, o bien eliminar componentes del residuo indeseados. Para Ia fabricación del producto final, las cenizas, escorias o sus mezclas se utilizan solas o junto con:
• Aditivos con propiedades aglomerantes (yeso, cal, cemento, escayola, cenizas volantes procedentes de Ia combustión del carbón, óxido de magnesio, alúmina, fosfatos de magnesio, arena , gravilla o similares) • Aditivos con Ia capacidad de producir reacciones endotérmicas (sales hidratadas, hidróxidos)
• Aditivos que aumentan Ia capacidad de almacenamiento de agua (silica gel, vermiculita, perlita, arlita, geles super-absorbentes de agua)
• Aditivos con Ia capacidad de producir poros en el material (polvo de aluminio, agua oxigenada)
• Aditivos que mejoran Ia resistencia mecánica (fibras orgánicas o inorgánicas)
• Aditivos que alteran Ia presentación de los productos finales (colorantes)
• Aditivos que alteran el tiempo de fraguado del material (cloruro sódico, aditivos fluidificantes, aditivos plastificantes)
El contenido de los aditivos o de sus mezclas no supera, en base seca, el 50 % en peso de los constituyentes del producto final.
El proceso de elaboración consiste bien en Ia mezcla de los constituyentes (residuo y aditivos) sin aglomerar o bien en Ia obtención de una pasta homogénea añadiendo Ia proporción de agua requerida a Ia mezcla de residuo y aditivo, en función de las propiedades de los materiales residuales y de Ia aplicación que se desee obtener del producto final.
Adicionalmente, las mezclas de los constituyentes sin aglomerar o las mezclas amasadas, pueden ser sometidas, durante o tras el periodo de fraguado, a una serie de operaciones que ayudan a mejorar alguna de sus propiedades aislantes o mecánicas, como:
El tratamiento térmico del material sin aglomerar o de las piezas obtenidas. Dicho tratamiento consiste en rampas de calentamiento, con
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distintas velocidades de calentamiento, y mesetas isotérmicas de distinta duración, entre Ia temperatura ambiente y 18000C. La utilización de consolidantes. La consolidación consiste en Ia inmersión o baño de Ia pieza ya fraguada en una solución que se introduce en los poros de las piezas, creando una malla que mejora las propiedades mecánicas (resistencia a compresión, flexión e impacto, rigidez de los productos, dureza ) y las propiedades físicas (densidad, capacidad de almacenamiento de agua). Este tratamiento puede hacerse igualmente mediante brochas de cerdas o mediante un rociado a baja presión (máximo de 0,5 bar).
El procedimiento de esta invención permite que las pastas elaboradas por mezcla de los constituyentes se utilicen en distintas formas de conformado o moldeado, o mediante proyección por vía seca o húmeda (gunitado) de las pastas sobre los elementos que se van aislar.
Los materiales sin aglomerar o las pastas se preparan combinando los residuos, aditivos y agua en diferentes mezclas y proporciones, según las características y propiedades aislantes y mecánicas de resistencia al fuego, conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica, capacidad de almacenamiento de agua, coeficiente de absorción acústico, resistencia a compresión, flexión e impacto, rigidez de los productos, dureza y color que se desean obtener.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Para Ia fabricación del material ejemplo de realización práctica, se toman 1300 g de residuo procedente de Ia combustión de Ia biomasa residual presente en el residuo de extracción de aceite de oliva (orujillo), 18,8 g de residuo procedente de Ia combustión de Ia biomasa residual presente en Ia cascarilla de arroz, 546 g de yeso y 18 gramos de fibra de vidrio, Io cual lleva a una composición como Ia mostrada en Ia Tabla 1.
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Estos constituyentes se colocan en una amasadora planetaria, y se mezclan durante cinco minutos con una velocidad media de 140 rpm hasta conseguir una mezcla homogénea, de forma que se obtienen 1883,6 g de pasta.
Se toman 750 ml_ de agua; siendo ésta Ia relación agua/sólido que optimiza las propiedades aislantes y mecánicas para esta composición, y se añaden a Ia mezcla de constituyentes antes descrita, amasándose en Ia amasadora planetaria durante diez minutos a velocidad media de 140 rpm hasta su homogeneización. Una vez mezclados, se rellena un molde con Ia pasta hidratada antes de que comience su fraguado. En este ejemplo de realización práctica, se ha fabricado una placa de 2 cm de espesor, 27,5 cm de altura y 18 cm de ancho. Una vez relleno el molde, se deja fraguar a temperatura ambiente, siendo desmoldada a las 24 horas. La pieza desmoldada obtenida se deja que finalice su curado a temperatura ambiente durante un periodo superior a 28 días. Finalizado el periodo de curado del material, se realiza sobre Ia placa obtenida un tratamiento de consolidación. Este proceso consiste en impregnar Ia placa, por inmersión, en una solución compuesta por esteres etílicos del ácido silícico disueltos en aguarrás mineral, a una temperatura entre 1O0C y 250C, hasta que se produce el rechazo del producto consolidante. En este ejemplo, Ia placa permanece durante 34 minutos inmersa en el baño, y fuera del baño se deja completar Ia reacción de consolidación durante aproximadamente cuatro semanas a una temperatura de 2O0C y una humedad relativa entre el 40 y el 50 %. Finalizado el periodo de consolidación, se somete Ia placa obtenida a una exposición de temperatura que reproduce significativamente Ia temperatura del ensayo de resistencia al fuego según norma UNE-EN 1363-1 , como se muestra en el gráfico que se adjunta. Para ello, se ha sometido Ia placa al programa térmico que aparece en dicha norma, y se ha registrado Ia temperatura tanto en Ia cara expuesta como en Ia cara no expuesta de Ia placa. Para analizar Ia capacidad aislante de Ia placa, se ha medido, de acuerdo con los criterios de Ia norma citada anteriormente, el tiempo que tarda en alcanzar Ia cara no expuesta Ia temperatura de 18O0C. Los resultados obtenidos durante Ia realización del ensayo muestran que el tiempo en alcanzar Ia cara no expuesta de Ia placa una temperatura de 18O0C es de 33 minutos y 45 segundos. Este tiempo es un 25% superior al registrado en el mismo ensayo con placas de las mismas dimensiones, cuyo
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constituyente mayoritario son cenizas volantes de Ia combustión del carbón, o con placas resistentes al fuego a base de silicato calcico, actualmente en el mercado. Además, durante Ia realización del ensayo no se ha observado Ia emisión de gases, y Ia placa ha mantenido Ia estabilidad mecánica antes, durante y después del ensayo.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 28)
Claims
1. Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa caracterizado porque más del 50% en peso y base seca del producto final está constituido por cenizas, escorias o mezclas de las anteriores, procedentes de los residuos de procesos de combustión, pirólisis, gasificación u otros procesos de tratamiento térmico que utilizan biomasa o mezclas de biomasa y combustibles fósiles.
2. Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según reivindicación 1 , caracterizado porque las cenizas, escorias o mezclas de las anteriores empleadas son pretratadas mediante separación, molienda, tratamiento térmico y ataque con ácidos o bases, para Ia eliminación de los componentes de los residuos indeseados.
3. Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material se somete a un tratamiento térmico que consta de rampas de calentamiento y mesetas isotérmicas con distintas velocidades de calentamiento y duración, desde Ia temperatura ambiente hasta 1800 0C, mejorando las características y propiedades aislantes y mecánicas del producto final.
4. Obtención de materiales aislantes a partir de residuos de procesos térmicos que utilizan biomasa según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material se somete a un tratamiento de consolidación, mejorando las características y propiedades aislantes, mecánicas y físicas del producto final.
5. Utilización del material aislante obtenido según reivindicaciones anteriores, para su uso en elementos destinados a Ia protección pasiva contra el fuego.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 28}
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| ES200401702A ES2245895B1 (es) | 2004-07-08 | 2004-07-08 | Obtencion de materiales aislantes a partir de residuos de procesos termicos que utilizan biomasa. |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| AK | Designated states |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| WWW | Wipo information: withdrawn in national office |
Country of ref document: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |