СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ КОКСОВОЙ ПЫЛИ
COKE DUST BRIQUETTING METHOD

Изобретение относится к технологии брикетирования горючих компонентов, например угольных шламов, мелких классов угля, коксовой пыли и т.д. Полученные брикеты могут быть использованы в качестве топлива для сжигания в бытовых и промышленных топках, а также для коксования в коксохимической и металлургической промышленности.
Объемы образования коксовой пыли весьма велики, в среднем на одном коксохимическом предприятии в год образуется около 18-20 тыс. т коксовой пыли. Применения коксовая пыль практически не находит из-за тонкодисперсного состояния и высокой зольности, сложности с разгрузкой и транспортировкой. Проблема утилизации коксовой пыли является весьма актуальной.
Изобретение способствует решению экологических проблем, связанных с образованием и утилизацией отходов (коксовой пыли).
Известны способы брикетирования каменных углей и антрацитов, включающие обезвоживание и сушку исходного угля до влажности 2-3%, смешивания его с жидкими или твердыми связующими (нефтебитумы, каменноугольный пек, сульфат-спиртовая барда, твердые глины, цемент), прессование смеси давлением 20-50 МПа, и последующее охлаждение (см. Елишевич А.Т. «Технология брикетирования полезных ископаемых». - М.: Недра, 1989, с.86, 92, 98, 101, 106).
Упомянутым способам присущи следующие недостатки.
Во-первых, необходимость использования предлагаемых связующих значительно усложняет и удорожает процесс брикетирования каменных углей, т.к. предусматривает операции по глубокому обезвоживанию и термической сушке исходного угля до минимальных значений по влажности, т.е. до 2-3%.
Во-вторых, существующие технологии брикетирования каменных углей и антрацитов не предназначены для использования в качестве исходного сырья коксовой пыли (класс крупности 0-1,0 мм) и тонкодисперсных угольных шламов (класс крупности 0-1,0 мм), образующихся при добыче и переработке каменных углей. Угольные шламы и коксовую пыль сбрасывают в отстойники и отвалы углеперерабатывающих предприятий, что ухудшает экологическое состояние окружающей среды в угледобывающих регионах.
Известен способ получения топливных брикетов из бурого угля, который заключается в смешивании бурого угля крупностью менее 6,0 мм с предварительно измельченным до частиц размером менее 2 мм полиэтиленом (бытовыми отходами) в количестве 4,4÷5,0% (на сухую массу угля), нагреве смеси до температуры 120÷140°С с изотермической выдержкой в течение 30 мин, получении брикетов при давлении брикетирования 78 МПа. Механическая прочность на сжатие получаемых брикетов составляет не менее 7,8 МПа (Заявка на патент РФ №2008109775/04, опубл. 20.11.2009 г.).
Недостатки известного способа следующие: используется бурый уголь, имеющий склонность к окислению и самовозгоранию, что затрудняет транспортировку брикетов на дальние расстояния и хранение на срок более 3 недель. Еще одним недостатком является высокое давление прессования 78 МПа.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ получения топливных брикетов, включающий смешивание измельченного твердого топлива на основе коксовой мелочи с размерами частиц 0,05-16,0 мм в количестве 50-80 мас.% со связующим на основе модифицированного лигносульфоната в количестве 8-9% от массы измельченного твердого топлива, брикетирование смеси под давлением 25 МПа и последующую термообработку брикетов (Патент РФ №2298028, опубл. 27.04.2007 г.).
Известный способ получения топливных брикетов имеет следующие недостатки:
1. Высокое давление прессования (25 МПа), что экономически и энергетически невыгодно и технически труднодостижимо.
2. Достаточно высокое содержание связующего - 8-9% от массы твердого топлива.
Предлагается брикетирование коксовой пыли, которая является высококалорийным отходом коксохимических предприятий.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение топливных брикетов с низкой зольностью и сернистостью, приготовленных из концентрата коксовой пыли, что позволит улучшить экологическую обстановку в углеперерабатывающих регионах.
Технический результат достигается тем, что в способе брикетирования коксовой пыли, включающем смешивание измельченного твердого топлива со связующим, брикетирование смеси под давлением, согласно изобретению, в качестве измельченного твердого топлива используют предварительно обогащенную методом масляной агломерации до зольности 5,0-5,5 мас.% и сернистости 0,05 мас.% коксовую пыль с исходной зольностью 10-16,8 мас.%, сернистостью 0,4-0,5 мас.%, с размерами частиц менее 1 мм, в качестве связующего используют карбамид в количестве 4,0-6,0% к массе исходного концентрата, причем карбамид перед введением в исходный концентрат разогревают до 100-133°С, а брикетирование смеси под давлением производят ступенчато, для чего сначала устанавливают нагрузку 5-6 атм, с выдержкой 3-5 мин и далее до 15 атм с выдержкой при максимальной нагрузке 3-5 мин.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Коксовую пыль обогащают на установке методом масляной агломерации для получения глубоко обогащенных концентратов.
Коксовая пыль тонкодисперсная, крупностью менее 1 мм. По количеству зольности коксовая пыль относится к среднезольным угольным отходам, что препятствует ее возвращению в шихту коксования и прямому сжиганию, поэтому первоначальным этапом ее подготовки является обогащение.
Так как коксовая пыль тонкодисперсная (<1 мм), то оптимальный метод ее обогащения - масляная агломерация. К основным достоинствам метода масляной агломерации относят высокую селективность при разделении частиц менее 100 мкм (что и характерно для коксовой пыли), широкий диапазон зольности обогащаемого угля, возможность вести процесс при плотности пульпы до 600 г/л, дополнительное обезвоживание концентрата вытеснением воды маслом при образовании углемасляных гранул.
В емкость наливают техническую или питьевую воду, загружают коксовую пыль. До визуального перемешивания в течение 1-2 мин проводят интенсивное смешивание коксовой пыли и воды при помощи лопастной мешалки, соединенной с двигателем. Перемешивание более 3 мин нецелесообразно. Во избежание образования «воронки», снижающей интенсивность перемешивания, в емкость устанавливают специальные преградители. Затем добавляют углеводородный реагент и перемешивают еще в течение 5-8 мин. Перемешивание менее 5 мин не приводит к образованию масляных агломератов, так как углеводородный реагент не успевает полностью смочить поверхность пылевых частиц. Увеличение времени перемешивания свыше 8 мин нецелесообразно, так как расходуется дополнительная энергия.
В результате турбулизации пульпы (смеси воды, коксовой пыли и реагента) происходит селективное образование коксомасляных агрегатов, которые уплотняются, структурно преобразуясь в прочные гранулы сферической формы при этом топливо избавляется от балласта - минеральных примесей. Зольность полученных концентратов не превышает 5,5 мас.%, сернистость - 0,05 мас.%, что говорит о приемлемости полученных концентратов для технологии коксования и энергетики; высокий выход продукта (до 84% мас.) и более низкая зольность и сернистость концентратов обусловлены полнотой разделения органической и минеральной частей коксовой пыли в процессе обогащения методом масляной агломерации.
На выходе с установки получают концентрат со следующими характеристиками (табл.1).
Таблица 1
Характеристики концентрата
A<sup>d</sup>, % (зольность)
Wa, % (влажность)
V<sup>dat</sup>, % (выход летучих веществ)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, ккал/кг (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, мас.% (сернистость)
5,0-5,5
8,5-10,5
1,25-2,0
9550-9600
0,05
Полученный концентрат и разогретый до 100-133°С карбамид в количестве 4,0-6,0% к массе исходного концентрата смешивают в пресс-форме.
Выбор в качестве связующего карбамида обусловлен его доступностью и невысокой стоимостью. Карбамид легкодоступен вследствие больших его производств в промышленности и низкой стоимости на рынке. Расход связующего (карбамида) определяют потребностью для формирования прочного топливного брикета.
Полученную смесь прессуют в штемпельном прессе ступенчато: сначала устанавливают нагрузку 5-6 атм, с выдержкой 3-5 мин и далее до 15 атм с выдержкой при максимальной нагрузке 3-5 мин. При ступенчатом прессовании достигается оптимальное взаимодействие компонентов в смеси, с образованием структуры топливного брикета.
На выходе получают топливные брикеты со следующими техническими характеристиками (табл.2).
Пример конкретного применения способа.
Коксовую пыль обогащают на экспериментальной установке методом масляной агломерации для получения глубоко обогащенных концентратов.
Таблица 2
Технические характеристики полученных топливных брикетов
Физические испытания
Топливные характеристики
сжатие, кг/см
истирание, % содержание кусков размером >25 мм
сбрасывание % содержание кусков размером >25 мм
Ad, мас.% (зольность)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, ккал/кг (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, мас.% (сернистость)
18-20
90
96
5,4
9600
0,05
В емкость наливают техническую или питьевую воду объемом 850 мл, загружают коксовую пыль массой 200 г. В течение 1-2 мин проводят интенсивное смешивание коксовой пыли и воды при помощи лопастной мешалки, соединенной с двигателем. Во избежание образования «воронки», снижающей интенсивность перемешивания, в емкость устанавливают специальные преградители. Затем добавляют углеводородный реагент (отработанное эксгаустерное масло) в количестве 30 мл и перемешивают еще в течение 5-8 мин.
На выходе с установки получают концентрат со следующими характеристиками (табл.3).
Таблица 3
Характеристики концентрата
Название реагента
A<sup>d</sup>, % (зольность)
W<sup>a</sup>, % (влажность)
V<sup>daf</sup>, % (выход летучих веществ)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, кал/кг (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, мас.% (сернистость)
Отработанное эксгаустерне масло
5,0
8,5
1,25
9600
0,05
Берут 100 г полученного концентрата и 4 г разогретого до 133°С карбамида, смешивают в пресс-форме и прессуют в штемпельном прессе ступенчато: сначала устанавливают нагрузку 5 атм, с выдержкой 3 мин и далее до 15 атм с выдержкой при максимальной нагрузке 5 мин.
На выходе получают топливные брикеты, приемлемые для коксования и прямого сжигания, технические характеристики которых представлены в таблице 4.
Таблица 4
Технические характеристики полученных топливных брикетов
Физические испытания
Топливные характеристики
сжатие, кг/см<sup>2</sup>
истирание, % содержание кусков размером >25 мм
сбрасывание % содержание кусков размером >25 мм
A<sup>d</sup>, мас.% (зольность)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, ккал/кг  (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, мас.% (серниcтость)
18-20
90
96
5,4
9600
0,05
Пример 2. Коксовую пыль обогащают на экспериментальной установке методом масляной агломерации для получения глубоко обогащенных концентратов.
В емкость наливают техническую или питьевую воду объемом 850 мл, загружают коксовую пыль массой 200 г. В течение 1-2 мин проводят интенсивное смешивание коксовой пыли и воды при помощи лопастной мешалки, соединенной с двигателем. Во избежание образования «воронки», снижающей интенсивность перемешивания, в емкость устанавливают специальные преградители. Затем добавляют углеводородный реагент (отработанное эксгаустерное масло) в количестве 30 мл и перемешивают еще в течение 5-8 мин.
На выходе с установки получают концентрат со следующими характеристиками (табл.5):
Таблица 5
Характеристики концентрата
Название реагента
A<sup>d</sup>, % (зольность)
W<sup>a</sup>, % (влажность)
V<sup>dat</sup>, % (выход летучих веществ)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, ккал/кг (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, мас.%  (сернистость)
Отработанное эксгаустерное масло
5,0
8,5
1,25
9600
0,05
Полученный концентрат массой 100 г и разогретый до 50°С карбамид массой 5 г смешивают в пресс-форме и прессуют в штемпельном прессе с нагрузкой 5 атм 5 мин.
На выходе не получают топливный брикет, так как:
1. Температура разогретого карбамида не достаточна для его полного расплавления и соответственно невозможно его распределение по всей массе коксового концентрата, что приводит к уменьшению прочности топливного брикета.
2. Снижение давления прессования менее 15 атм приводит к уменьшению прочности топливного брикета.
Пример 3. Коксовую пыль обогащают на экспериментальной установке методом масляной агломерации для получения глубоко обогащенных концентратов.
В емкость наливают техническую или питьевую воду объемом 850 мл, загружают коксовую пыль массой 200 г. В течение 1-2 мин проводят интенсивное смешивание коксовой пыли и воды при помощи лопастной мешалки, соединенной с двигателем. Во избежание образования «воронки», снижающей интенсивность перемешивания, в емкость устанавливают специальные преградители. Затем добавляют углеводородный реагент (отработанное эксгаустерное масло) в количестве 30 мл и перемешивают еще в течение 5-8 мин.
На выходе с установки получают концентрат со следующими характеристиками (табл.6).
Таблица 6
Характеристики концентрата
Название реагента
A<sup>d</sup>, % (зольность)
W<sup>a</sup>, % (влажность)
V<sup>daf</sup>, % (выход летучих веществ)
Q<sub>s</sub> <sup>r</sup>, ккал/кг (теплота сгорания)
S<sup>d</sup> <sub>t</sub>, % мас. (сернистость)
Отработанное эксгаустерное масло
5,0
8,5
1,25
9600
0,05
Полученный концентрат массой 100 г и разогретый до 160°С карбамид массой 15 г смешивают в пресс-форме и прессуют в штемпельном прессе с нагрузкой 25 атм 5 мин.
На выходе не получают топливный брикет, так как:
1. Разогрев карбамида до 150°С приводит к его разложению.
2. Согласно математической зависимости, рассчитанной доктором А.Т.Елишевичем, вовлечение более 10% связующего реагента в систему является экономически и технологически неоправданным.
3. Применение резкого повышения давления до 25 атм приводит к получению непрочного топливного брикета из-за неоднородного распределения связующего по массе концентрата.
Предложенный способ получения топливных брикетов позволяет снизить зольность и сернистость топливных брикетов. Кроме того, в предложенном способе для получения топливных брикетов используется коксовая пыль, являющаяся отходом коксохимических предприятий, утилизация которой позволит улучшить экологическую обстановку в углеперерабатывающих регионах.