СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОГО БРИКЕТА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING FUEL BRIQUETTE (VERSIONS)

Изобретение относится к способу изготовления на основе мелкофракционных углеродсодержащих материалов брикетного твердого топлива, используемого для сжигания в топках малых котельных жилищно-коммунального хозяйства и промышленных предприятий, железнодорожных вагонов, бытовых печах населения и других энергетических установках малой мощности, а также в качестве каминного топлива.
Известен способ изготовления твердого топлива на основе смеси углеродсодержащих материалов растительного и минерального происхождения, включающей измельченные растительные отходы и угольную и/или коксовую мелочи и связующие из группы, включающей лигносульфонат, мелласу, талловый пек или их смеси, связующие из группы синтетический воск, парафин или парафиновый гач, а также цемент или глину (патент РФ №2147029, МПК C10L 5/44, 2000 г.). Недостатком известного способа является усложнение технологии изготовления топливного брикета, так как некоторые компоненты смеси требуют подогрева до температуры 45-70°С, что приводит к повышению расхода электроэнергии. Использование таких компонентов, как парафиновый гач, парафин и др., ухудшает экологические показатели готовой продукции. Использование в качестве связующего цемента, глины приводит к повышению зольности брикетного топлива. Кроме того, цемент является целевым дорогостоящим продуктом.
Известен способ изготовления твердого топлива на основе углеродсодержащих материалов минерального происхождения, включающий смесь угольной мелочи, мелассы и неорганического отвердителя (патент США №4738685, МПК C10L 5/10, 1988 г.). Согласно этому способу получения брикеты отверждают при комнатной температуре в течение 1-3 суток или в печи при температуре от 200 до 300°С в течение 1 ч с целью повышения прочности брикетов, поскольку эффективность операции отверждения в ходе процесса низка, что непосредственно связано с низкой начальной прочностью брикетов.
Известен способ изготовления твердого топлива на основе угольной мелочи с использованием в качестве связующего мелассы, а также добавки для регулирования содержания влаги в угольной мелочи - негашеной извести, когда не требуется дополнительная операция сушки или нагревания с целью удаления влаги из угольной мелочи (патент РФ №2224007, МПК C10L 5/02, 2001). Удаление влаги происходит за счет экзотермической реакции, в ходе которой негашеная известь, поглощая влагу, содержащуюся в угле, превращается в гашеную. Достижение повышенной прочности происходит за счет связующей способности сахарата кальция, образующегося в результате химической реакции между негашеной известью и мелассой. Способ изготовления брикетов включает смешивание 1-5 вес.ч. негашеной извести со 100 вес.ч. угольной мелочи и выдерживание смеси, смешивание 7-15 вес.ч. мелассы с выдержанной смесью и дальнейшее прямое формование смеси с целью получения брикетов.
Недостатком известного способа является использование извести. Использование этого продукта осложняет технологию изготовления угольного брикета, так как необходимо строго соблюдать водоизвестковое соотношение и время выдержки, чтобы масса не теряла свойств схватывания и твердения, иначе не будут достигнуты прочностные свойства брикетов и не обеспечена стабильность их показателей. При работе с негашеной известью имеет место появление едкой пыли, в связи с чем ухудшаются условия труда, известь следует хранить в герметичной таре. Недостатком способа изготовления угольного брикета является также длительность перемешивания и выдерживания массы до формования, а также высокий процент расхода связующего. Все это ухудшает экономические показатели процесса изготовления брикетов и увеличивает стоимость брикетов.
Наиболее близким является способ изготовления топливного брикета, включающего или антрацитовую, или каменноугольную мелочь, или угольный шлам, или их смеси, кубовые остатки нефтепереработки /0,4-0,6 мас.%/, в качестве связующего полисахарид мелассу /3,0-3,6 мас.%/ и дополнительно карбидный ил /0,4-1,0 мас.%/. Механическая прочность на сжатие полученных топливных брикетов составляет 12-15 МПа (патент РФ №2205204, МПК C10L 5/02, 2001). Способ получения брикетов включает раздельное смешение углесодержащего материала с карбидным илом и кубовых остатков с мелассой при 40-50°С, последующее их смешение и прессование при давлении 30 МПа. Кубовые остатки нефтепереработки, являясь анионактивным гидрофобизатором, повышают смачивающую и адгезионную способность связующего. Карбидный ил как известьсодержащий продукт повышает содержание полярных групп на поверхности угля, тем самым способствуя формированию пространственно сшитых валентными и координационными связями структур с большой плотностью, прочностью и атмосферо- и водостойкостью.
Недостатком способа является использование кубовых остатков нефтепереработки, например кубовых остатков термокрекинга парафинов нормального строения, что снижает экологичность топливных брикетов, особенно при их сжигании. Подготовка исходных компонентов - угольных отходов, мелассы, кубовых остатков нефтепереработки требует их подогрева до температуры 40-50°С, что усложняет технологию изготовления топливных брикетов и увеличивает затраты на их производство, а в конечном итоге приводит к удорожанию готовой продукции.
Задачей изобретения является утилизация при минимальных энергозатратах отходов, имеющих энергетический потенциал, создание экологически безопасных и высокопрочных свежеотформованных топливных брикетов, не требующих для упрочнения нагрева и сушки, упрощение технологии брикетирования.
Техническим результатом изобретения являются повышение экологичности топлива и упрощение процесса за счет отсутствия необходимости нагрева смеси при сохранении механической прочности и влагоустойчивости брикетов.
Технический результат достигается способом, включающим предварительное смешение мелассы и известьсодержащего компонента (например, карбидного ила) с последующим перемешиванием полученного модифицированною связующего с мелкофракционным углеродсодержащим материалом минерального происхождения и дальнейшим формованием брикетов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
меласса
1,8-7,0
известьсодержащий компонент /в пересчете на Са(ОН)<sub>2</sub>/
0,8-3,2
мелкофракционный углеродсодержащий материал
минерального происхождения
остальное.
2
При этом соотношение мелассы и известьсодержащего компонента в пересчете на Са(ОН) составляет 1:(0,25-0,75) частей соответственно.
В качестве известьсодержащего компонента может быть взят карбидный ил, а также другие материалы, содержащие гашеную известь.
В качестве мелкофракционного углеродсодержащего материала минерального происхождения могут быть взяты в том числе или антрацитовая, или каменноугольная, или коксовая мелочь, или угольный шлам, или их смесь.
Формование брикетов предпочтительно проводят при давлении не менее 10 МПа.
Предпочтительным содержанием влаги в материале является содержание влаги не более 12,0% по весу.
Отличительным признаком способа является иной порядок смешения компонентов смеси.
Изобретение обладает изобретательским уровнем, так как неизвестно влияние изменения порядка смешения компонентов на показатели механической прочности и влагоустойчивости получаемых топливных брикетов.
Технический результат достигается также способом получения брикетов, включающим смешивание мелассы и карбидного ила с последующим перемешиванием полученного модифицированного связующего с мелкофракционным углеродсодержащим материалом минерального происхождения и мелкофракционным материалом растительного происхождения и дальнейшим формованием брикетов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
меласса
3,0-9,0
известьсодержащий компонент /в пересчете на Са(ОН)<sub>2</sub>/
1,2-4,5
мелкофракционный углеродсодержащий материал
древесно-растительного происхождения
5,0-20,0
мелкофракционный углеродсодержащий материал
минерального происхождения
остальное.
2
При этом соотношение мелассы и известьсодержащего компонента в пересчете на Са(OH) составляет 1:(0,25-0,75) частей соответственно.
В качестве известьсодержащего компонента может быть взят карбидный ил.
В качестве мелкофракционного углеродсодержащего материала древесно-растительного происхождения могут быть использованы в том числе или опилки, или щепа, или кора, или солома, или мякина, или лузга семян, или листья и стебли подсолнечника, или их смесь.
Формование брикетов предпочтительно проводят при давлении не менее 10 Мпа.
Предпочтительным содержанием влаги в мелкофракционном углеродсодержащем материале минерального происхождения является содержание влаги не более 25,0% по весу.
Отличительным признаком является иной порядок смешения компонентов смеси.
Изобретение обладает изобретательским уровнем, так как неизвестно влияние изменения порядка смешения компонентов на показатели механической прочности и влагоустойчивости получаемых топливных брикетов.
2
Топливный брикет изготавливают следующим образом. Предварительным смешиванием готовят модифицированное связующее, состоящее из мелассы и, например, карбидного ила в соотношении в пределах 1:(0,25-0,75) частей соответственно мелассы и карбидного ила в пересчете на Са(ОН). Полученное связующее смешивают с угольным компонентом, например антрацитовым штыбом, или коксовой, или каменноугольной мелочью, или угольным шламом, или их смесью, и перемешивают до равномерного распределения компонентов. Брикет прессуют при давлении прессования предпочтительно 10-20 МПа. Отпрессованные брикеты без термической обработки (нагрева и сушки) транспортируют в бункера для хранения в естественных условиях до использования.
Предпочтительной влажностью угольной основы является влажность не более 12,0%.
Для регулирования влажности (например, свыше 12,0%) угольного компонента дополнительно вводят измельченные древесно-растительные материалы, например опилки, или щепа, или кора, или солома, или мякина, или лузга семян, или листья и стебли подсолнечника, или их смесь. В этом случае топливный брикет изготавливают следующим образом.
Предварительно путем смешивания готовят модифицированное связующее, состоящее из мелассы и, например, карбидного ила предпочтительно в соотношении в пределах 1:(0,25-0,75) частей соответственно. Полученное связующее смешивают с угольным компонентом и с измельченными углеродсодержащими материалами древесно-растительного происхождения. Смесь перемешивают до равномерного распределения компонентов. Брикет прессуют при давлении прессования предпочтительно 10-20 МПа. Отпрессованные брикеты без термической обработки (нагрева и сушки) транспортируют в бункера для хранения в естественных условиях до использования.
Предпочтительной влажностью угольной основы является влажность не более 25,0%.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
В качестве мелкофракционного углеродсодержащего материала минерального происхождения использованы:
- Антрацитовый штыб ОФ "Замчаловская" и ЦОФ "Гуковская"
Антрацитовая мелочь (штыб) - отсевы антрацита и отходы углеобогатительных фабрик. Антрацит - наиболее углефицированная разновидность ископаемого угля. Порода серовато-черного и черно-серого цвета с ярким металлическим блеском.
3
Характеристика антрацитового угля и антрацитового штыба из него: содержание углерода в органическом веществе - 94,9-96,2%; плотность - 1,4-1,8 г/см; выход летучих веществ - 3,5-3,7%; низшая теплота сгорания - 32,4-33,0 МДж/кг; зольность - 5,0-30,0%; влажность рабочая - 9,0-12,0%.
- Каменноугольная мелочь ОФ "Замчаловская"
Каменноугольная мелочь - отсевы каменного угля и отходы углеобогатительных фабрик. Каменный уголь - плотная порода, черного или серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью.
3
Характеристика каменного угля и каменноугольной мелочи из него: содержание углерода - 76-90%; плотность - 1,2-1,8 г/см; выход летучих веществ - 7-55%; низшая теплота сгорания - 31,0-37,0 МДж/кг; зольность - 5,0-30,0%.
- Коксовая мелочь ЦОФ "Донецкая"
Коксовая мелочь - отсев кокса, размер частиц 0-1 мм, зольность - 10,0-45,0%; выход летучих - до 24,0%; низшая теплота сгорания - 15,2-33,5 МДж/кг; влажность до 16,0%.
- Угольный шлам ОФ "Замчаловская"
Угольный шлам - отходы углеобогатительных фабрик, мелкий класс каменного, антрацитового углей, размер частиц 0-1 мм, выход летучих - до 8,0%; низшая теплота сгорания - 15,1-31,1 МДж/кг; влажность до 16,0%, зольность - до 45,0%.
В качестве связующего мелассы использован отход сахарного завода ст. Ленинградская Краснодарского края.
Меласса - отход свеклосахарного производства, густая сиропообразная вязкая жидкость от коричневого до темно-бурого цвета. Меласса содержит до 20% воды, 45-50% сахара, 20-25% органических веществ и 10% минеральных несахарных веществ.
3
Меласса хорошо растворяется в любых соотношениях в холодной и горячей воде. Растворы характеризуются высокой вязкостью, плотность изменяется от 1,30 до 1,52 г/см.
2
В качестве отвердителя карбидный ил использован отход завода синтетических продуктов г. Новочеркасск Ростовской области (СТО 05807999-017-2008), содержащий гашеную известь Са(ОН) в количестве не менее 35%.
2
Карбидный ил - известьсодержащий отход, образующийся при производстве ацетилена, карбида кальция. Карбидный ил - тонкодисперсная паста серо-голубого цвета. Карбидный ил не является дефицитным продуктом, скапливается в отвалах заводов и комбинатов, имеет низкую стоимость. Содержание гашеной извести Ca(OH) колеблется в пределах 30-90%.
В качестве углеродсодержащего материала древесно-растительного происхождения использованы опилки древесные.
Химический состав большинства древесных и растительных материалов практически близок. Уголь, углекислый газ и вода - это важнейшие составляющие энергетического баланса древесно-растительных материалов. Содержание углерода в них составляет от 47,0 до 52,0%, содержание золы не более 6,0%.
Пример 1. Получения топливного брикета (состав 2, таблица 1)
2
Антрацитовый штыб в количестве 78,0 мас.% с влажностью 7,3 мас.% и угольный шлам в количестве 15,0 мас.% с влажностью 8,0 мас.% смешивают между собой и затворяют предварительно подготовленным модифицированным связующим. Подготовка связующего включает смешивание (в выбранном соотношении - 0,5) мелассы в количестве 4,4 мас.% и карбидного ила в пересчете на Са(ОН) в количестве 2,2 мас.%. Смешивание проводят в мешалке пропеллерного типа. Продолжительность смешивания 1-2 мин. Полученным связующим затворяют угольный компонент и перемешивание ингредиентов проводят до равномерного их распределения в смеси. Полученную шихту формуют на вальцевом прессе при давлении прессования 10 МПа. Отпрессованные брикеты без дополнительного нагрева и сушки направляют на хранение в естественных условиях до начала использования.
Аналогично получают другие составы, представленные в таблице 1.
Аналогично получены составы, в которых содержание компонентов, влажность, размеры частиц и давление пресса выходят за предпочтительные пределы.
Пример 2. Получения топливного брикета (состав 4, таблица 2).
2
Антрацитовый штыб с влажностью 12,0 мас.% в количестве 62,25 мас.%, угольный шлам с влажностью 18,5 мас.% в количестве 5,0 мас.% и опилки с влажностью 3,7 мас.% в количестве 20,0 мас.% смешивают между собой и затворяют предварительно подготовленным модифицированным связующим. Размеры частиц составляют до 6 мм. Подготовка связующего включает смешивание (в выбранном соотношении 0,417) мелассы в количестве 9,0 мас.% и карбидного ила в пересчете на Са(ОН) в количестве 3,75 мас.%. Продолжительность смешивания 1-2 мин. Полученным связующим затворяют угольный компонент и опилки и перемешивание ингредиентов проводят до равномерного их распределения в смеси. Полученную шихту формуют на вальцевом прессе при давлении прессования 20 МПа. Отпрессованные брикеты без дополнительного нагрева и сушки направляют до использования на хранение в естественных условиях.
Аналогично получают другие составы, представленные в таблице 2.
Аналогично получены составы, в которых содержание компонентов, влажность, размеры частиц и давление пресса выходят за предпочтительные пределы.
Полученные брикеты испытаны на показатели качества:
Механическая прочность на сжатие, МПа
Механическая прочность на сбрасывание, %
Зольность, %
Выход летучих веществ, %
Содержание серы, %
Высшая теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг)
Низшая теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг)
Испытания проведены по общепринятым методикам (Е.М.Тайу, И.А.Андреев. Методы анализа и испытания углей. М.: Недра. 1970, 301 с.; А.Т.Елишевич. Брикетирование полезных ископаемых. М.: Недра, 1989, 300 с.).
2
Прочность брикетов на сжатие определена на цилиндрах диаметром и высотой 5 мм. Испытания проведены на гидравлическом прессе созданием нагрузки на образец до его разрушения. Разрушающая нагрузка (усилие пресса), деленная на площадь образца, характеризует прочность на сжатие образца в МПа или в кг/см.
м
м
Прочность брикетов подушкообразной формы при испытании сбрасыванием определена следующим образом. Не менее 4 кг целых брикетов, предварительно взвешенных, загружают в ящик с открывающимся дном и помещают его над металлической плитой на высоте 1,5 м. Затем несколько раз проводят сбрасывание брикетов на плиту и рассев испытываемых кусков брикетов на лабораторном грохоте или на сите вручную до прекращения выделения подрешетного продукта. Оставшиеся на сите или грохоте брикеты собирают в ящик и взвешивают. Механическую прочность брикетов после испытания их сбрасыванием (П) в процентах вычисляют по формуле: П=m/М•100, где m - масса надрешетного продукта с размерами частиц 25 мм и более после испытания, кг; М - масса брикетов, подвергнутых испытанию сбрасыванием, кг.
Оценка влагоустойчивости брикетов проведена следующим образом. Брикеты укладывают на металлической сетке в сосуд на расстоянии 30 мм от уровня воды. На таком же расстоянии брикеты должны находиться на сетке от дна и стенок сосуда. Образцы выдерживают во влажной среде (относительная влажность выше 75%) не менее 28 суток. После выдержки брикеты подвергают испытанию на сбрасывание. Брикеты считаются влагоустойчивыми, если механическая прочность на сбрасывание составляет не менее 85%.
Топливные брикеты составов, указанных в таблицах, имеют следующие показатели качества при влажности мелкофракционного углеродсодержащего материала минерального происхождения до 12% для составов по таблице 1 и до 25% для составов по таблице 2 и размерах частиц до 6 мм:
Механическая прочность на сжатие, МПа
- 12,0-19,3
Механическая прочность на сбрасывание, %
- 85,0-100,0
Зольность, %
- 8,5-25,5
Выход летучих веществ, %
- 6,3-8,8
Содержание серы, %
- 0,8-1,0
Высшая теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг)
- 28,60-33,44 (6825-7980)
Низшая теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг)
- 21,55-27,75 (5144-6622)
При содержании мелассы свыше 7,0 мас.% (таблица 1) и 9,0 (таблица 2) механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с ослаблением взаимодействия между контактирующими частицами из-за увеличения толщины пленки связующего, адсорбируемого на поверхности твердых частиц.
2
При содержании карбидного ила в пересчете на Са(ОН) свыше 3,2 мас.% (таблица 1) и 4,5% (таблица 2) механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с повышением пластичности смеси, приводящей к разупрочнению брикета.
2
При содержании мелассы менее 1,8% (таблица 1) и 3,0% (таблица 2) и карбидного ила в пересчете на Са(ОН) менее 0,8% (таблица 1) и 1,2% (таблица 2) механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с недостаточной активностью связующего и отвердителя.
При соотношения между мелассой и активным веществом (гашеной известью) в составе карбидного ила менее 1:0,25 частей механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с недостижением эффекта активации.
При соотношения между мелассой и активным веществом (гашеной известью) в составе карбидного ила более 1:0,75 частей механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с быстрым отверждением смеси.
При содержании древесно-растительных материалов выше 20,0 мас.% механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано со снижением пластичности, удобоукладываемости и формуемости шихты.
Содержание мелкофракционного материала древесно-растительного происхождения менее 5,0 мас.% не оказывает существенного влияния на уменьшение влажности углесодержащих отходов, но механическая прочность незначительно уменьшается.
При влажности мелкофракционного углеродсодержащего материала минерального происхождения выше 12,0% механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано со снижением адсорбционных свойств связующего.
При влажности мелкофракционного углеродсодержащего материала минерального происхождения в присутствии измельченных древесно-растительных отходов выше 25,0% механическая прочность на сжатие уменьшается, что также связано со снижением адсорбционных свойств связующего.
При давлении прессования топливного брикета ниже 10 МПа механическая прочность на сжатие уменьшается, что связано с недостижением условий для молекулярно-поверхностного взаимодействия между частицами углеродсодержащего материала и связующим.
При давлении прессования свыше 20 МПа механическая прочность на сжатие не уменьшается, но повышение давления нерационально из-за перерасхода энергии и использования более мощного прессового оборудования.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить экологическую безопасность топливного продукта исключением из состава брикета кубовых остатков нефтепродуктов, упростить процесс за счет отсутствия необходимости нагрева смеси (в соответствии с прототипом смесь нагревают при 40-50°С) и соответственно уменьшить энергопотребление, капитальные и эксплуатационные затраты при этом сохранить или повысить механическую прочность на сжатие топливных брикетов (механическая прочность находится в пределах 12,0-19,3 МПа). Топливные брикеты имют высокую влагоустойчивость (механическая прочность на сбрасывание после испытания на влагоустойчивость составляет 85,6-100%). Изобретение позволяет регулировать влажность шихты введением дополнительно древесно-растительных отходов.
Таблица 1
№ состава
Антрацитовый штыб, мас.%
Коксовая мелочь, мас.%
Угольный шлам, мас.%
Меласса, мас.%
Карбидный ил (в пересчете на Са(ОН)<sub>2</sub>), мас.%
Соотношение: Са(ОН)<sub>2</sub>, содержащийся в карбидном иле, на 1 ч. мелассы
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на сбрасывание, %
Прочность на сбрасывание (%) после испытания на влагоустойчивость
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
86,85
5,0
5,0
1,8
1,35
0,750
12,37
89,6
85,7
2
78,40
-
15,0
4,4
2,20
0,500
18,60
100,0
97,7
3
70,00
-
20,0
7,0
3,00
0,429
19,30
100,0
100,0
4
92,00
5,0
-
2,2
0,80
0,364
13,77
87,3
86,6
5
79,00
10,0
5,0
4,0
2,00
0,500
16,75
98,8
94,1
6
70,10
10,0
10,0
6,7
3,20
0,478
19,10
100,0
100,0
7
71,25
20,0
-
7,0
1,75
0,250
13,70
90,2
86,8
Таблица 2
№ состава
Антрацитовый штыб, мас.%
Коксовая мелочь, мас.%
Угольный шлам, мас.%
Опилки, мас.%
Меласса, мас.%
Карбидный ил (в пересчете на Са(ОН)<sub>2</sub>), мас.%
Соотношение: Са(ОН)<sub>2</sub>, содержащийся в карбидном иле, на 1 ч. мелассы
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на сбрасывание, %
Прочность на сбрасывание (%) после испытания на влагоустойчивость
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
79,90
-
10,0
5,0
3,0
2,10
0,700
12,9
85,6
85,0
2
71,95
5,0
15,0
4,6
3,45
0,750
15,7
94,4
92,3
3
76,20
5,0
-
10,0
6,0
2,80
0,467
18,2
100,0
99,3
4
62,25
5,0
-
20,0
9,0
3,75
0,417
17,5
98,8
98,0
5
87,05
-
5,0
5,0
3,75
1,20
0,320
16,4
96,5
95,1
6
70,70
-
10,0
10,0
6,5
2,80
0,431
16,8
97,0
96,7
7
61,5
15,0
-
10,0
9,0
4,50
0,500
17,0
96,3
95,4
8
74,50
-
12,0
7,0
5,2
1,30
0,250
11,2
87,7
85,2