ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
FUEL CELL

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для изготовления твердотопливных элементов, в частности брикетов, гранул на основе углеродосодержащих материалов.
Уровень техники.
Известен топливный брикет по патенту РФ 2078120, включающий угольную мелочь, пек из кубового остатка ректификации талового масла и связующее.
Данный брикет обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью.
Известен также топливный брикет по патенту РФ 2130047, содержащий смесь измельченных твердых топлив и связующего на основе нефтешлама и/или отработанного машинного масла, а также лигносульфонат или мелассу, глину и парафиновый гач.
Данный брикет также обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Стоимость изготовления брикета высока.
Известен топливный брикет по патенту РФ 2268914, содержащий отходы угледобычи в виде отсева угля, древесные опилки и связующее, и в качестве связующего содержит штыб, являющийся отходом углеобогащения, содержащий природные минералы со связующими свойствами.
Данный брикет также обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью.
Прототипом является топливный элемент по патенту 2206602, содержащий углеродосодержащий материал, связующее. Эти признаки совпадают с признаками изобретения. У прототипа в качестве углеродосодержащего материала используют отходы древесного угля, древесной муки. В качестве связующего используют лигносульфонат, 20-80%-ную водную известково-глиняную смесь.
Недостатки прототипа: низкая теплотворная способность топливного элемента, низкая твердость и стойкость к воздействию влаги топливного элемента.
Раскрытие изобретения.
Задачей настоящего изобретения является повышение влагостойкости топливного элемента.
5
5
Задача решается за счет того, что топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, от прототипа отличается тем, что связующее содержит воду, октадециламин или связующее содержит воду, октадециламин и углеродосодержащий материал, причем смесь воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10 Па до 25·10 Па; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.
Октадециламин - гидрофобное вещество.
Выше описано два варианта изобретения.
1 вариант.
Топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, и связующее содержит воду, октадециламин; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.
2 вариант.
5
5
Топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, и связующее содержит воду, октадециламин и углеродосодержащий материал, причем смесь воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10 Па до 25·10 Па; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.
Техническими результатами по первому варианту изобретения являются: повышение теплотворной способности топливного элемента; существенное повышение стойкости к воздействию влаги. Топливные элементы можно хранить под открытым небом, не боясь воздействия осадков.
Техническими результатами по второму варианту изобретения являются: повышение теплотворной способности топливного элемента, существенное повышение твердости элемента, существенное повышение стойкости к воздействию влаги.
Все технические результаты подтверждены экспериментально.
Перепад давления «Р» определяется по формулам:
,
где Р1 - давление на входе диспергатора;
Р2 - давление на выходе диспергатора.
В зависимости от конструкции диспергатора Р1 может быть больше Р2 и наоборот.
В качестве жидкости используют воду, в частности техническую воду, различные водные растворы, водные смеси. Могут использоваться отходы нефтепереработки, загрязненная нефтепродуктами вода.
Для существенного повышения стойкости топливного элемента к воздействию влаги в связующее может быть добавлен октадециламин или другое гидрофобное вещество. При использовании октадециламина (1% в связующем) время нахождения топливных элементов (без разрушения) в воде составляет месяцы.
5
5
Смесь жидкости и углеродосодержащего материала один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Экспериментально подтверждено, что при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10 Па до 25·10 Па в диспергаторе проходит процесс кавитации. Проходящая через диспергатор смесь подвергается кавитационной обработке - воздействию высокого давления в тысячи атмосфер и высокой, в несколько тысяч градусов, температуры. Кавитационная обработка смеси осуществляется в зоне или зонах кавитации диспергатора.
Такой диспергатор часто называют кавитатором.
В углеродосодержащем материале содержится лигнин и в смеси жидкости с углеродосодержащим материалом также содержится лигнин. В диспергаторе при указанных перепадах давления в процессе кавитации происходит повышение концентрации лигносульфоновых кислот, пиролиз лигнина с образованием смол и полукоксов. Чем дольше смесь подвергают диспергации, тем больше получают из лигнина лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов.
После диспергации (обработки смеси в диспергаторе) получают чрезвычайно эффективное связующее на основе лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов, полученных из лигнина.
Эксперименты, которые провели авторы, показали, что с увеличением времени диспергационной обработки смеси в конечном итоге твердость и влагостойкость полученного в дальнейшем топливного элемента растет.
Так, при однократной обработки смеси (50% воды и 50% торфа, содержащего 50% влаги, то есть 75% воды и 25% сухого торфа по весу) в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных топливных элементов составляет величину 125-130 НВ. При десятикратной обработке смеси в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных топливных элементов составляет величину 230-250 НВ.
Процентное отношение воды и торфа может быть различное, в зависимости от конструкции диспергатора и мощности привода диспергатора или насосной установки.
Процентное отношение гидрофобного вещества в связующем может быть от 0.1% до 10%. На сегодняшний день экспериментально не доказано, что с увеличением концентрации гидрофобного вещества в связующем более 10% растет стойкость к влаге.
В качестве топливных элементов могут изготавливать гранулы, брикеты, пилеты и другие по форме изготовления конструкции (пластины, цилиндры, шары, куски и др.). Топливные элементы, для упрощения сушки и улучшения горения, могут изготавливать полыми внутри.
Осуществление изобретения.
В качестве углеродосодержащего материала могут использовать торф, опилки, уголь, всевозможные отходы (в частности, помет) и их смеси.
Далее приведем примеры получения топливных элементов из торфа. Примеры описывают эксперименты, которые авторы провели при разработке изобретения.
По второму варианту изобретения производство топливных элементов, в частности топливных брикетов, проходит несколько стадий.
1 стадия. Предварительная подготовка торфа.
На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размеры частиц обусловлены используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.
После этой стадии часть торфа поступает на оборудование по подготовке смеси для получения связующего, а остальная часть используется непосредственно для последующего получения торфяных брикетов.
Если оборудование по производству брикетов допускает использование торфа с частицами больших размеров, чем допускает диспергатор (например, при производстве кускового торфа с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000 максимальный размер частиц торфа, поступающих на формование не превышает 0,5 от диаметра формуемого куска, что соответствует 10 мм или 25 мм в зависимости от диаметра мундштуков на формовалике), то в этом случае торф, поступающий для производства связующего, либо проходит дополнительное просеивание, либо просеивание этого торфа выделяется в отдельную линию.
2 стадия. Подготовка смеси углеродосодержащего материала (торфа) с жидкостью (водой). Изготовление связующего.
2.1. Предварительное перемешивание воды с торфом в определенной пропорции для подачи этой смеси на диспергатор. Это может облегчить автоматизацию процесса и повысить эффективность работы диспергатора (кавитатора).
Предварительно подготовленная смесь позволяет непосредственно в нужной пропорции подать смесь в приемный бак на входе диспергатора (кавитатора). Обработка смеси диспергатором (кавитатором), в зависимости от его конструкции и требований к качеству выходной смеси, происходит в один или несколько циклов. При многоцикличном режиме обработанная смесь поступает обратно в приемный бак диспергатора (кавитатора).
2.2. Возможна работа без предварительного перемешивания воды с торфом. Без предварительной подготовки в приемный бак диспергатора заливается вода. Торф засыпается в воду при работающем диспергаторе (кавитаторе).
2.3. Возможна предварительная подготовка непосредственно в приемном баке диспергатора, но это займет некоторое время, в течение которого диспергатор (кавитатор) работать не будет.
5
3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной (обработанной в диспергаторе) смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки выходного топлива. Например, при формовке брикетов низким давлением на брикет (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы топливная масса не прилипала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·10 Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.
4 стадия. Формирование топлива осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения. С последующей сушкой готовых топливных элементов.
По первому варианту изобретения производство топливных элементов, в частности топливных брикетов, проходит несколько стадий.
1 стадия. Предварительная подготовка торфа.
На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размеры частиц обусловлены используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.
После этой стадии весь торф используется непосредственно для получения торфяных брикетов.
2 стадия. Подготовка связующего. Связующее приготавливается путем смешения воды и гидрофобного вещества.
5
3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки выходного топлива. Например, при формовке брикетов низким давлением на брикет (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы топливная масса не прилипала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·10 Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.
4 стадия. Формирование топлива осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения. С последующей сушкой готовых топливных элементов.
Пример изготовления связующего.
Исходный материал:
10 кг измельченного торфа с влажностью 50% (5 кг торфа и 5 кг воды);
8 кг воды;
180 грамм октадециламина.
Загрузка диспергатора исходным материалом.
Сначала октадециламин (порошок) засыпается в воду, затем в приемный бак заливается полученная жидкость - смесь воды и октадециламина и включается диспергатор. Жидкость из приемного бака проходит через диспергатор, а затем возвращается в приемный бак. Постепенно примерно в течение 3 минут в приемный бак работающего диспергатора засыпается измельченный торф (это делается для того, чтобы входной патрубок диспергатора не забился). Время обработки смеси после засыпки всего торфа составляет 2 минуты. После этого связующее для получения топливных элементов готово.
Пример изготовления связующего только на основе воды и гидрофобного вещества.
Исходный материал:
8 кг воды;
180 грамм октадециламина.
Вода и октадециламин перемешиваются вручную. Получается связующее.
Пример смешивания связующего с торфом.
Смеситель - бетономешалка.
На 32 кг торфа (с влажностью 50%) берется 5-8 кг связующего.
Перемешивание в течение 15 мин.
Количество возможных замесов - 3 замеса в час.
Пример прессования. Далее полученная смесь торфа со связующим поступает в валковый пресс. Через пресс можно пропустить до 30 кг смеси в минуту. С учетом 70% выхода брикетов - 20 кг брикетов в минуту. Оставшиеся 30% смеси возвращаются в пресс. Малая производительность и малый выход обусловлены необходимостью регулировки подачи смеси на валки. Из-за липкости смеси происходит ее прилипание к стенкам приемного бака пресса (бак не приспособлен к смеси с такой вязкостью) и шнек подачи малоэффективен, так как рассчитан на менее липкую смесь. Приходится одному рабочему постоянно находиться над приемным устройством пресса и регулировать подачу.
В процессе экспериментальных работ был проведен сравнительный анализ заявленных топливных элементов с их аналогами. Результаты сравнения размещены в таблице ниже.
Таблица
Сравнительный анализ заявленных топливных элементов с их аналогами
№
Состав топливного элемента
Теплотворная способность рабочая низшая, ккал/кг
Твердость по Бринеллю, НВ
Стойкость к воздействию влаги, час*
1
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4300
150
90
2
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (8 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4400
180
140
3
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основеторфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4800
210
165
4
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (1%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4800
210
840
5
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (10%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4800
210
Более 2000
6
Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 20% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
3600
35
3
7
Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 60% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенноготопливного элемента 15%.
3800
55
5
8
Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 80% водно-известково-глиняная смесь. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4100
75
7
9
Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе воды и октадециламина (10%), полученное после ручного перемешивание в емкости. Влажность высушенного топливного элемента 15%.
4300
70
Более 2000
*) время полного разрушения топливного элемента, полностью помещенного в сосуд с водой.**) пятикратная обработка смеси в диспергаторе.
3
Удельный вес получаемых заявленных топливных элементов из торфа составляет величину от 0.4 до 1.5 т/м.
Вышеприведенные данные подтверждены результатами экспериментов.
Таким образом, заявленный топливный элемент обеспечивает, по сравнению с прототипом:
- повышение теплотворной способности;
- существенное повышение твердости элемента;
- существенное повышение стойкости к воздействию влаги.