ТОПЛИВНЫЙ БРИКЕТ И СПОСОБ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ
FUEL BRIQUETTE AND METHOD OF MOULDING SAID BRIQUETTE

Изобретение относится к коксохимической промышленности, а именно к разработке оптимального состава и способа формирования брикетов из мелкодисперсных частиц угля и кокса, которые могут быть использованы в товарном виде как горючее вещество.
Известно, что после замораживания водных растворов поливинилового спирта (ПВС) при отрицательной температуре (ниже 0°С) и последующего их оттаивания при положительной температуре образуются упругие полимерные тела, так называемые криогели. [В.И.Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применений. Успехи химии Т.71. №6, 2002 г.]. Температура плавления получаемых образцов выше 70°С и их механические свойства принципиально отличаются от свойств исходных вязкотекучих композиций, что позволяет использовать упругие криогели в качестве связующего материала.
Известен способ получения коксовых брикетов (пат. РФ №2334785, опубл. 27.09.2008). Недостатком этого способа является то, что входящий в состав брикетов цемент снижает калорийность топлива и повышает их зольность.
Известен способ брикетирования мелкого кокса в присутствии связующего под чрезвычайно высоким давлением 35-50 МПа (пат. РФ №2345124, опубл. 27.01.2009). Недостатком этого способа является сложная технология процесса брикетирования.
Наиболее близким к предлагаемому составу и способу получения топливных брикетов является (пат. РФ №2128685 С1, опубл. 10.04.1999). Брикеты получают на основе спрессованных мелких углеродосодержащих частиц с полимерным связующим, образованным в результате реакции свободных карбоксильных ионов на поверхности углеродосодержащих частиц со стиролом или акрилонитрилом с получением длинноцепного полимера. Недостатком этого способа является использование химически токсичных веществ и сложная технология брикетирования, заключающаяся в обработке углеродосодержащих частиц несколькими последовательными стадиями.
Задача настоящего изобретения - разработать оптимальный состав и способ получения топливного брикета, обладающего высокой тепловой эффективностью и коммерческой ценностью.
Формируя некондиционные по гранулометрическому составу мелкодисперсные частицы угля и кокса (отходы коксохимического комбината) в виде топливных брикетов (наполненных криогелей), можно получить в товарном виде горючее вещество, которое будет востребовано для производственных и бытовых целей.
Исходный состав для получения топливных брикетов содержит мелкодисперсные углеродосодержащие вещества, а связующим компонентом служит полимерный раствор. В качестве углеродосодержащих веществ используют угольную пыль и коксовую мелочь (отходы коксохимического комбината). Известно, что гранулы кокса имеют пористую структуру, поэтому для предотвращения абсорбции воды в капиллярную систему они предварительно пропитываются нефтепродуктами (минеральным маслом), затем их смешивают их с водным раствором поливинилового спирта. Допустимо и целесообразно использование отработанных масел.
Состав брикета содержит поливиниловый спирт, воду, кокс и нефтепродукты при следующих соотношениях, мас.%:
Поливиниловый спирт
- 5-10
Частицы кокса или угля
- 30-70
Минеральное масло
- 3-7
Вода
- остальное
Техническим результатом изобретения является эффективная утилизация отходов производства коксохимического комбината и отработанных нефтепродуктов.
Способ приготовления: в водный раствор поливинилового спирта добавляют мелкодисперсные углеродсодержащие частицы (кокс, угль) с размерами 0,1-10,0 мм предварительно пропитанные отработанными нефтепродуктами. Полученную композицию тщательно перемешивают, переносят в металлические ячейки и замораживают при отрицательной температуре (-20°С) в течение 20 часов, затем размораживают 4 часа при комнатной температуре (+20°С) со скоростью 0,15°С/мин. Получают упругий криогель, наполненный углеродсодержащими частицами, сохраняющий свою структуру до температуры 70°С. Далее криогель сушат при комнатной температуре до постоянной массы (полного испарения воды). После высушивания получают прочные топливные брикеты, содержащие кокс или угль.
Пример 1. Берут 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, заливают в цилиндрическую кювету и ставят на 20 часов в холодильную камеру при температуре (-20°С). После окончания замораживания из цилиндра вынимают ледяной жесткий образец и размораживают при комнатной температуре (+20°С) в течение 4 часов. После размораживания образец переходит из кристаллического в эластичное (каучукоподобное) состояние. Определяют модуль упругости и температуру плавления криогеля, а также теплоту сгорания высушенного образца. Полученные значения приведены в таблице 1 (строка 1).
Пример 2. Берут 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 10%, заливают в цилиндрическую кювету и проводят цикл замораживания-размораживания при условиях, указанных в 1 примере. Характеристики полученного двухкомпонентного криогеля (модуль упругости, температура плавления, теплота сгорания) приведены в таблице 1 (строка 2).
Пример 3. В 10 г водного раствора поливинилового спирта, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г мелкодисперсного угля (массовое доля угля 50%), перемешивают и замораживают при температуре -20°С в течение 20 часов, затем размораживают 4 часа при комнатной температуре 20°С со скоростью 0,15°С/мин. Получают криогели, наполненные углем. Определяют модуль упругости и температуру плавления криогеля. После высушивания криогеля получают топливный брикет и определяют его теплотворную способность. Результаты приведены в таблице 1 (строка 4).
Пример 4. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 10%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовое содержание кокса 50%). После цикла криогенной обработки (условия указаны в примере 3) получают криогель, наполненный коксом, определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет. Определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 5).
Пример 5. В 14 г водного раствора ПВС массовое содержание полимера, в котором составляет 5%, добавляют 6 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса в общем объеме 30%). После цикла замораживания-размораживания (условия указаны в примере 3) получают криогель, наполненный коксом. Определяют модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет, определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 6).
Пример 6. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса 50%). После цикла замораживания-размораживания (условия указаны в примере 3), получают криогель, наполненный коксом, определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет, определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 7).
Пример 7. В 6 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 14 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса в общем объеме 70%). После цикла криогенной обработки получают криогель,наполненный коксом по методике указанной в примере 3. Определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет. Определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 8).
Пример 8. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовое содержание кокса в общем объеме 50%), пропитанного 1 г минерального масла (5% от общей массы). Проводят цикл замораживания-размораживания и получают криогели, наполненные коксом. Затем криогели сушат при комнатной температуре и получают жесткие топливные брикеты. Определяют их предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик приведены в таблице 1 (строка 9).
Увеличение концентрации ПВС и содержания кокса в криогеле повышает модуль упругости, но прочностные свойства высушенных брикетов практически не меняются. Предел прочности образцов на раздавливание определяли на приборе Crush-BK (Ma. Tec. Materials Technologies Snc, Italy). Термический анализ выполнен на термоанализаторе STA 449C Jupiter фирмы NETZSCH (Германия).
Таким образом, предложенный способ и рекомендуемые составы позволяют формировать прочные брикеты из мелкодисперсных отходов угля и кокса, а также попутно утилизировать отработанные минеральные масла. Полученные топливные брикеты хорошо горят, выделяя при этом большое количество тепла, поэтому могут использоваться в качестве горючего вещества для бытовых и производственных целей.
Таблица 1 - Физико-химические свойства образцов.
№
Составы исходных композиций для криогелей, содержащих ингредиенты, мас.%
Криогели
Высушенные брикеты
Модуль упругости, кПа
Температура плавления, °С
Предел прочности, МПа
Теплота сгорания, МДж/кг
1
Водный раствор ПВС 5
15
70
-
25,1
2
Водный раствор ПВС 10
80
70
-
25,1
3
Мелкодисперсный кокс
-
-
-
29,3
4
Водный раствор ПВС 5
300
70
-
29,0
Мелкодисперсный уголь 50
5
Водный раствор ПВС 10
570
70
28,1
28,5
Мелкодисперсный кокс 50
6
Водный раствор ПВС 5
350
70
27,6
28.5
Мелкодисперсный кокс 30
7
Водный раствор ПВС 5
430
70
27,6
28.7
Мелкодисперсный кокс 50
8
Водный раствор ПВС 5
540
70
27,1
29.0
Мелкодисперсный кокс 70
9
Водный раствор ПВС 5
420
70
27,4
29.8
Мелкодисперсный кокс 50
Минеральное масло 5