СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ
METHOD OF MAKING FUEL BRIQUETTES

Изобретение относится к области цветной металлургии, в часности к переработке углеродсодержащих отходов алюминиевой и электродной промышленности, и может быть использовано при производстве глинозема, цемента и теплоэнергоресурсов.
При производстве алюминия и электродов образуется значительное количество углеродсодержащих отходов, которые используются ограниченно и в основном вывозятся на полигон промышленных и бытовых отходов. Вещественный состав ряда отходов представлен преимущественно аморфным углеродом, составляющими более 90%. Это предопределяет возможную нишу использования углеродных отходов в качестве компонента шихты при производстве топливных брикетов. Вследствие низкого содержания летучих процесс горения углеродсодержащих отходов в окислительных условиях начинается при температуре свыше 500°С, что затрудняет воспламенение материала и лимитирует ее применение для энергетических целей без смешения с более высокореакционным топливом, например бурым углем.
Известны способы получения топливных брикетов на основе смесевых композиций бурого угля, различного типа отходов и связующего.
Известен способ брикетирования угольных шламов и мелких классов бурого угля, включающий смешивание шламов или угля с водорастворимыми связующими и последующей упаковкой, при этом сушка и последующий набор прочности брикетов происходит в процессе нагрева и последующего сжигания брикетов (1). Недостатками данного способа являются необходимость использования дорогостоящей упаковки и создания условий при транспортировке для обеспечения герметичности.
Известен способ получения топливных брикетов на основе угля и гидролизного лигнина в соотношении уголь/лигнин 70/30%, при этом брикетирование осуществляют при температуре 270-330°С и давлении 90-110 МПа (2). Недостатком данного способа является высокие энергозатраты на производство.
Известен способ получения топливного брикета, включающий прессование под давлением утилизованных древесных опилок, насыщенных нефтепродуктами, при очистке сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, в которые добавляют древесную муку. Недостатком данного изобретения является невысокая теплотворная способность, низкие прочностные характеристики брикета (3).
Известен способ получения топливных брикетов из бурого угля, где в качестве связующего используют бытовые отходы полиэтилена, в виде измельченных частиц, размером менее 7 мм, в количестве 6-7% от массы сухого угля, брикетируемую смесь нагревают до температуры 90-130°С и прессование брикетов производят при давлении 98-99 МПа. Недостатком данного изобретения является невысокая теплотворная способность, низкие прочностные характеристики брикета и канцерогенные выбросы при сгорании полиэтилена (4).
Наиболее близким техническим решением является способ получения топливных брикетов, включающий пропитку пористого углеродного наполнителя углеводородсодержащим связующим при перемешивании и нагреве с последующим смешиванием с измельченным углем и брекетированием смеси с добавлением полученного материала к измельченному бурому углю в количестве 5-25 мас.%, их смешивание и прессование при 40-80°С и 80-120 МПа.
Недостатком известного способа является необходимость предварительной пропитки углеродного наполнителя при перемешивании и нагреве с целью исключения смазки матричного канала штемпельного пресса связующим, что приводит к уменьшению прочности брикета (5).
Задачей предлагаемого технического решения является утилизация отходов промышленных производств и повышение экологической безопасности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение из углеродсодержащих отходов высокопрочных топливных брикетов без предварительной пропитки углеродного наполнителя, что обеспечивает его более высокую технологичность и более низкую себестоимость производства брикетов.
Технический результат достигается тем, что способ получения топливного брикета, включающий смешение сухих компонентов шихты, добавление связующего и прессование осуществляется с использованием углеродных отходов от производства алюминия, анодной массы и электродов, имеющих высокую теплотворную способность при высокой температуре воспламенения и бурого угля, обладающего низкой теплотворной способностью и низкой температурой воспламенения при следующем соотношении,  мас.%:
- Углеродные отходы - 25,01÷85,00%;
- Бурый уголь - 15,00÷74,99%.
Сущность изобретения заключается в смешении углеродных отходов производства алюминия, анодной массы и электродов (аспирационная пыль, отсевы мелких фракций) с бурым углем, последующим добавлением связующего (битум, поливиниловый спирт) в соотношении 25,01÷85,00 мас.% углеродных отходов, 15,00÷74,99 мас.% бурого угля, 2÷10 мас.% связующего сверх 100% сухой массы.
Способ дополняет частный отличительный признак, также способствующий достижению технического результата.
В состав полученной смеси могут быть введены 1÷5% гидрофобных добавок (мазут) сверх 100% получившейся массы, при использовании в качестве связующего поливинилового спирта.
Гидрофобные добавки используются для повышения влагоустойчивости брикетов.
Повышение прочности брикетов достигается вследствие равномерного распределения частиц мелкодисперсного (пылевидного) углеродного наполнителя (углеродных отходов производства алюминия) и частиц измельченного бурого угля на этапе сухого смешивания, что в дальнейшем при добавлении связующего способствует получению максимальной плотности компоновки компонентов брикетов и при этом для достижения требуемой прочности требуется минимальное количество связующего. При этом минимальное содержание бурого угля в брикете и количество связующего подобрано таким образом, чтобы обеспечить максимальное проникновение связующего в поры бурого угля и формирование монолитного брикета при заполнении пространства между частицами минимальным количеством связующего. Тем самым, исключается вероятность смачивания канала штемпельного пресса избыточным связующим и нивелируется фактор, способствующий снижению прочности брикетов.
Предварительное смешивание углеродного наполнителя и связующего, по прототипу, не решит проблемы смачивания матричного канала штемпельного пресса по причине низкой пористости углеродного наполнителя.
Способ поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображена расчетная низшая теплота сгорания топливных брикетов без учета связующего в зависимости от содержания углеродсодержащих отходов, на Фиг.2 - динамика изменения массы и выхода летучих соединений при нагревании пылеугольных брикетов
(Состав №83:50 мас.% - бурый уголь + 50 мас.% - аспирационная пыль + 8 мас.%(сверх 100%) - битум.
В процессе приготовления брикетов производится сухое смешивание бурого угля, предварительно измельченного до фракции - 13 мм, с пылевидными углеродными отходами с последующим смешиванием смесевой композиции со связующим веществом и гидрофобными добавками при температуре 40÷90°С. Далее полученная смесь подается на брикетирование при 50÷120 МПа. Полученные брикеты охлаждаются естественным путем при транспортировке на участок разгрузки.
Для достижения технического результата в части повышения теплоты сгорания и обеспечения экономической эффективности при сжигании топливных брикетов на основе углеродных отходов их теплотворная способность должна быть не ниже 20 000 кДж/кг (Фиг.1). Для обеспечения этого условия количество углеродсодержащих отходов в брикетах должно быть не менее 25%. Из анализа кривых TG и DSC следует, что аспирационная пыль обладает меньшей реакционной способностью при термоокислительном нагреве в сравнении с бурым углем. Отсюда следует, что реакционная способность пылеугольных брикетов также будет изменяться и зависеть от содержания пыли в составе топливных брикетов.
2
2
Результаты изменения массы пылеугольных брикетов с ростом температуры и выделение промежуточных продуктов приведены на фиг.2. Как видно из чертежа, процесс термоокислительной деструкции данного образца начинается в области 200-300°С. Процесс горения описывается широким экзотермическим эффектом с максимумами при 457,8 и 652,2°С. К 700°С потеря массы составляет 43,63% от исходной массы. При дальнейшем нагреве (область 700-1100°C) процесс убыли массы образца продолжается за счет выхода основных продуктов горения смеси: СО и SO.
Анализ полученных данных показывает, что максимальное содержание углеродсодержащих отходов в брикете, при котором происходит их воспламенение за счет горения бурого угля, ограничено 85%.
Анализ летучих соединений при термоокислительном нагревании брикетов показывает, что при горении аспирационной пыли никаких дополнительных вредных выбросов в сравнении с углем не происходит.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что за счет использования углеродных отходов производства алюминия, анодной массы и электродов повышается теплота сгорания брикетов, уменьшается процент зольности и решается экологическая задача по утилизации промышленных отходов.
Поскольку предлагаемое техническое решение может быть применено для изготовления топливных брикетов, обладающих теплотворной способностью выше каменных углей марки Т, а стоимостью ниже, то можно утверждать, что предложение соответствует критерию «промышленная применимость». В случае использования в качестве наполнителя углеродных отходов с высоким содержанием фтора, брикеты применимы для использования в цементной промышленности как в качестве топлива, так и в качестве минерализатора, обеспечивающего снижение температуры процесса образования клинкера.
В таблице 1 представлены физико-механические свойства брикетов на основе различных вариантов смесевых композиций с различными типами связующих веществ. Как следует из таблицы 1, наилучшими физико-механическими свойствами обладают брикеты при добавлении битума и поливинилового спирта (ПВС).
Пример 1: Состав брикета: 50 мас.% - бурый уголь; 50 мас.% - углеродные отходы; 6 мас.% (сверх 100%) - битум.
В таблице 2 представлены результаты испытаний полученных топливных брикетов.
Таблица 2
Наименование и обозначение показателя
Единица измерения
НД на метод испытания
Результаты испытаний образца (пробы)
Влага общая, <maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>W</mi><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ГОСТ Р 52911-08
2,4
Зола, сухое состояние, A<sup>d</sup>
%
ГОСТ 11022-95
4,0
Выход летучих веществ, сухое беззольное состояние, V<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 6382-2001
25,5
Содержание серы, сухое состояние, <maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>t</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ГОСТ 8606-93
1,15
Содержание углерода, сухое беззольное состояние, C<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 2408.1-95
88,1
Содержание водорода, сухое беззольное состояние, H<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 2408.1-95
2,5
Высшая теплота сгорания, сухое состояние, <maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>s</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000005.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
30942
Высшая теплота сгорания, сухое беззольное состояние, <maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>s</mi><mrow><mi>d</mi><mi>a</mi><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000006.tif" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
32240
Низшая теплота сгорания, рабочее состояние, <maths num="5"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000007.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
29602
Прочность на сжатие
МПа
ГОСТ 21289-75
12,7
Прочность на сбрасывание
%
ГОСТ 21289
87
Кажущаяся плотность
кг/м<sup>3</sup>
ГОСТ 2160-92
1295
Водопоглощение
%
ГОСТ 21290-75
1,3
Пример 2: Состав брикета: 50 мас.% - бурый уголь; 50 мас.% - углеродные отходы; 3 мас.% (сверх 100%) - поливиниловый спирт.
В таблице 3 представлены результаты испытаний полученных топливных брикетов.
Таблица 3
Наименование и обозначение показателя
Единица измерения
НД на метод испытания
Результаты испытаний образца (пробы)
Влага общая, <maths num="6"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>W</mi><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ГОСТ Р 52911-08
7,3
Зола, сухое состояние, A<sup>d</sup>
%
ГОСТ 11022-95
4,4
Выход летучих веществ, сухое беззольное состояние, V<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 6382-2001
23,2
Содержание серы, сухое состояние, <maths num="7"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>t</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
%
ГОСТ 8606-93
0,97
Содержание углерода, сухое беззольное состояние, C<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 2408.1-95
85,2
Содержание водорода, сухое беззольное состояние, H<sup>daf</sup>
%
ГОСТ 2408.1-95
2,5
Высшая теплота сгорания, сухое состояние, <maths num="8"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>s</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000005.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
29560
Высшая теплота сгорания, сухое беззольное состояние, <maths num="9"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>s</mi><mrow><mi>d</mi><mi>a</mi><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000006.tif" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
30942
Низшая теплота сгорания, рабочее состояние, <maths num="10"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000007.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кДж/кг
ГОСТ 147-95
26713
Прочность на сжатие
МПа
ГОСТ 21289-75
5,7
Водопоглощение
%
ГОСТ 21290-75
3,4
Источники информации
(1) Патент №94034400.
(2) Патент №94024381.
(3) Патент №2309976.
(4) Патент №2296794.
(5) Патент №2005770.