ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ

Полезная модель относится к области производства брикетов топлива из бурых углей нетоварной угольной, коксовой мелочи, шламовых отходов от процессов углепереработки и углеобогащения, а также торфа. Полезная модель может быть использована при производстве топливных брикетов из влажных, жестких и малопластичных материалов.
Из уровня техники известны технические решения близкие по назначению и основным конструктивным узлам.
Так из уровня техники известен «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ» Согласно данному изобретению способ включает включающий смешение углеродного материала с лигносульфонатом, брикетирование смеси, сушку, отличающийся тем, что в качестве углеродного материала используют шихту из угольного шлама фракции 0-0,5 мм и угольного отсева фракции 0-6 мм, шихту берут влажностью 8-14% добавляют в нее сухой лигносульфонат, полученную смесь брикетируют с последующей сушкой брикета при Т 160-200°С в течение 1,5-1 часа, причем указанные компоненты берут в следующих соотношениях, мас. угольный шлам 50-90%, угольный отсев 46-5%, лигносульфонат 4-5% (заявка РФ № 94026004/04, 12.07.1994, опубл. 27.05.1996).
Также из уровня техники известен «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по СПОСОБУ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ, ТЕПЛА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТОРФА». Технологический комплекс (линия), включает участок добычи торфа, связанный с модульным участком переработки торфа, который снабжен фракционатором и, по крайней мере, двумя параллельно установленными и взаимосвязанными между собой через фракционатор линиями переработки торфа для крупнодисперсных фракций и мелкодисперсных фракций. Первая линия включает в себя последовательно установленные и взаимосвязанные между собой посредством трубопровода и транспортера центрифугу, многоматричный пресс, ленточную сушилку и фасовочно-упаковочный отдел. Вторая линия переработки мелкой фракции включает в себя последовательно установленные и взаимосвязанные между собой посредством трубопровода и транспортера центрифугу, экструдер с фильерами-насадками, барабанную сушилку и фасовочно-упаковочный отдел. Фасовочно-упаковочный отдел линий связан со складом отходов, который, в свою очередь, соединен с газогенератором для пиролизного сжигания некондиционной продукции, связанный через привод с генератором для преобразования тепловой энергии в электрическую. Участок добычи торфа связан с модульным участком переработки торфа пульпопроводом с размещенным в нем насосом-измельчителем. Пресс первой линии оснащен матрицами различных геометрических форм, позволяющих формовать торфоизоплиты, торфяные горшочки, субстратные блоки и т.д. Экструдер на второй линии оснащен насадками-фильерами для формования кусков диаметром 5-7 мм и длиной 10-15 мм для удобрений, топливных энергопеллет, сорбентов-поглотителей и диаметром 25-30 мм и 50-60 мм для производства топливных брикетов-биотоплива. Изобретение позволяет производить различную продукцию, тепло и энергию по патенту RU № 2295556, С10F 5/04, С10F 7/06, опубл. 20.03.2007.
Кроме того известна «КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ТОРФОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ» описанная в полезной модели RU №27382, C10F 7/06. F22B 33/18, опубл., 27.01.2003. Комбинированная система производства изделий на основе торфосодержащих смесей, содержит последовательно соединенные приемные бункера, сепараторы, тэльферную линию, транспортеры, дозаторы, систему подачи нефтеотходов, и дублирующие друг друга две параллельные технологические линии изготовления торфокомпозиционных изделий, содержащие смесители, экструдеры, термокамеры и транспортные контейнеры, отличающаяся тем, что содержит хотя бы один паровой котел и воздухонагреватель, нагнетающий и вытяжной вентиляторы, систему воздуховодов, причем воздухонагреватель установлен на дымоудаляющем газоходе парового котла, нагнетающий вентилятор установлен между воздухонагревателем и каждой термокамерой, а вытяжной вентилятор установлен между термокамерами и дымовой трубой. Система также содержит бетономешалку, дополнительный транспортер загрузки виброформ, вторую тэльферную линию транспортировки шлакоблоков между виброформами, транспортными контейнерами и складом строительных шлакоблоков. Кроме того, система содержит третью тэльферную линию, связывающую топки котлов со складом топливных брикетов и четвертую тэльферную линию, связывающую приемные бункеры, топки котлов и отвалы золы и шлака.
Применительно к брикетированию углеродосодержащих материалов, имеющих высокую жесткость, твердость и упругость штемпельные, кольцевые и вальные процессы по принципу действия и особенностям конструкции формовочных инструментов не дают предпосылок получать механически прочное окускованное топливо по традиционным, экономически приемлемым (без сверхвысокого помола, высокотемпературного до пластического состояния нагрева брикетируемого материала, а также сверхвысоких давлений прессования) технологиям брикетирования без использования связующих веществ, что и подтверждается мировой практикой брикетного производства.
Концептуально, с позиций существующих представлений о механизме действия молекулярных и капиллярных сил сцепления при образовании структуры окускованного углеродосодержащего материала с учетом его упруго-пластичных свойств, значительно более благоприятные условия для окускования жестких, малопластичных веществ без связующих добавок, в сравнении с существующим прессовым оборудованием, могут быть реализованы только в прессовых агрегатах обеспечивающих:
- значительно более высокое развитие активной (удельной) поверхности и капиллярно-пористой структуры брикетируемой массы, а также увеличения числа и тесноты контактов соприкосновения брикетируемых частиц в процессе их уплотнения под воздействием давления для повышения эффективности действия молекулярных и капиллярных сил сцепления при формировании структуры окускованного топлива.
- снижения сопротивляемости брикетируемой массы в процессе ее уплотнения, обусловленной твердостью брикетируемых частиц и силами трения между ними при их относительном перемещении в межзерновом (межпоровом) пространстве для минимизации энергозатрат на хрупкие деформации, уплотнение и увеличение доли энергии на пластические необратимые деформации, которые определяют механическую прочность структуры брикета.
- повышения активности силового поля поверхности брикетируемых частиц (повышение свободной поверхностной энергии) образования новых некомпенсированных молекулярных и электрических сил взаимодействия за счет деформации кристаллической решетки и разрушения насыщенного окисленного слоя на поверхность частиц.
- существенное увеличение времени действия давления при прессовании, что способствует более глубокому сдвигу прилагаемой энергии в сторону образования пластической деформации, которые с механической точки зрения в итоге и определяют точность образованной структуры окукованного топлива.
С технической стороны эти условия в максимально возможной степени могут быть реализованы в прессовом оборудовании, в котором при окусковывании, дополнительно к действию осевых, накладываются действия сдвигающих и крутящих усилий при уплотнении частиц брикетируемого под давлением материала и имеется возможность в широком диапазоне варьировать его гранулометрическим составом и временем воздействия давления в зависимости от пластичности и упругих свойств конкретного брикетируемого материала.
К такому виду прессового оборудования в наиболее полной мере следует отнести шнековые экструдеры. В настоящее время шнековая экструзия, как способ получения окускованного формованного топлива из влажных углеродосодержащих ресурсов начинает привлекать все большее внимание. Однако существующие в этом направлении разработки нетехнологичны и не обеспечивают в должной мере требуемые эксплуатационные параметры процесса окусковывания и потребительских свойств получаемого топлива. Одной из причин, сдерживающих эффективное промышленное освоение этого способа окусковывания применительно к влажным малопластичным твердотопливным ресурсам, является механическое перенесение в технологические схемы брикетных установок существующих непрофильных конструкций экструзионного шнекового оборудования, разработанных без учета физико-химических и физико-механических свойств твердотопливного сырья. Эти конструкции в достаточной мере в основном отработаны для формования высокопластичных строительных материалов и пластмасс, по своим пластическим и упругим свойствам значительно отличаются от твердотопливных ресурсов и, естественно, не являются специализированным прессовым оборудованием для производства механически прочного брикетного топлива без связующих добавок.
Так из уровня техники известен способ брикетирования буроугольного сырья и используемое при этом оборудование, включающий предварительную подготовку буроугольной мелочи и последующее брикетирование буроугольной мелочи после введения связующего, отличающийся тем, что приготовление шихты для брикетирования реализуют отсеиванием буроугольной мелочи крупностью менее 3 мм, высушиванием отсеянной буроугольной мелочи до влажности не более 20% и подготовкой смеси связующего при соотношении, мас.%: расплавленного битума - 50 с предварительно высушенным и механоактивированным лигнином - 50, полученную шихту при соотношении, мас.%: буроугольная мелочь - 90 и смесь связующего - 10, нагревают до температуры 90°С с последующим брикетированием при давлении 50 МПа. (патент RU 2455345, C10L 5/16, опубл. 10.07.2012 г.)
Известно использование штемпельных прессов с открытым или закрытым матричным каналом, вальцевых прессов, кольцевых прессов, ленточных «мундштучных» прессов - в основном шнековых экструдеров.
Каждый из перечисленных выше прессов, используемых в процессе и технологических линиях брикетирования, обладает своими особенностями.
Штемпельные прессы применяют только для производства брикетов из молодых, высокопластичных бурых углей и торфа.
Кольцевые прессы работоспособны только при брикетировании без связующих добавок только предварительно высушенных полутвердых бурых углей обладающих удовлетворительными прессуемыми свойствами при удельных давлениях прессования 150-2000 кг/см.кв.
Брикетирование мелочи, пыли и шлама, старых бурых углей, каменных углей и кокса, которые обладают высокими упругими свойствами и низкой пластичностью осуществляются только со связующими добавками на вальцевых прессах.
В отличие от указанных выше прессов мундштучные пресса (шнековые экструдеры) в технологических линиях по брикетированию применяют исключительно для брикетирования высоковлажных и высокопластичных материалов. Сформированные брикеты после изготовления упрочняются за счет термической их подсушки или естественного проветривания.
Так известен «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ», при котором используют шнековый экструдер (заявка RU №93056068, C10L 5/06, C10L 5/44, C10L 5/14, 27.10.1996 г.) (ближайший аналог).
Производство углесодержащих топливных брикетов осуществляют прессованием каменного угля со связующим на валковых и штемпельных прессах при удельных давлениях 15-14ОМПа. Влажность смесей составляет 3-20%. Необходимая влажность компонентов достигается за счет их предварительной сушки. Целью настоящего изобретения является получение топливных брикетов из сырья исходной влажности, исключающей необходимость предварительной сушки компонентов смеси. Поставленная цель достигается за счет смешивания угля, торфа и отходов лесопереработки исходной влажности и формования смеси методом экструдирования с одновременным частичным обезвоживанием смеси в шнековом уплотнителе экструдера. Влажность смесей составляет 30-50%. После формования осуществляют резку частично обезвоженной массы на брикеты и сушку брикетов
Каждому из указанных выше решений присущи свои недостатки. Общий недостаток для каждого из них заключается в том, что все они эффективны для брикетирования без связующих добавок только предварительно высушенных материалов, обладающих высокой природной пластичностью и малой упругостью.
Данное обстоятельство обусловлено главным образом особенностями используемого в процессе брикетирования оборудования.
В общих чертах конструкции шнековых пресс-экструдеров представляют собой цилиндрический корпус постоянного сечения с конусной насадкой перед входом в формующую матрицу с фильерами; в корпусе транспортирующий шнек с конусной геометрией при входе в конусную насадку.
Формуемый влажный материал перемешивается транспортирующими лопастями шнека и через коническую насадку пресса, в которой уплотняется и продвигается в формующую матрицу с фильерами, имеющими заданные геометрические размеры в сечении и форму.
Известны конструкции шнековых прессов (экструдеров) имеют следующие недостатки, ограничивающие их применение для производства топливных брикетов из малопластичного влажного твердотопливного сырья без связующих добавок, а именно:
- недостаточно высоко развивают удельную поверхность брикетируемого материала и не увеличивают число и тесноту контакта соприкосновения брикетируемых частиц, т.к. активная их деформация, выравнивание гранулометрического состава и разрушение частиц под действием давления осуществляется на узком участке рабочей поверхности экструдера, а именно - преимущественно в конусной насадке.
- время воздействия давления прессования и недостаточная степень измельчения брикетируемых частиц в конусной насадке недостаточна для эффективного перераспределения энергии прессования на перевод упругих деформаций в необратимые пластические, т.е. для повышения пластичности брикетируемой массы;
- в конусной насадке имеет место недостаточно высокая истераемость поверхности частиц брикетируемого материала для разрушения инактивного окислительного слоя и повышения свободной поверхностной энергии частиц для увеличения сил молекулярного сцепления под воздействием давления; кроме того недостаточно эффективно развивается вторичная капиллярно-пористая структура формуемой массы, способствующая упрочнению структуры брикета за счет сил капиллярного воздействия во время высыхания материала
- наличие конусной насадки существенно повышает сопротивление формуемому материалу и на его преодоление требуется значительное количество энергии прессования
Задачей полезной модели является создание усовершенствованной технологической линии по производству топливных брикетов, содержащей модифицированные узлы - центробежный измельчитель-механоактиватор и шнековый экструдер - узлы нового технологического поколения, входящие в ее состав.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы технологической линии и расширения спектра ее использования (универсальности) за счет усовершенствования ее конструкции.
Указанная задача решается за счет того, что технологическая линия по производству топливных брикетов, содержащая, по меньшей мере, загрузочный бункер с дозатором, конвейер, центробежный измельчитель-механоактиватор сырья (работающий на принципе эффективного способа самоизмельчения материала силами взаимного давления и трения, давление со сдвигом совместно с динамической классификацией готового продукта), смеситель для подготовки и гомогенизации формуемого материала, шнековый экструдер, сушилку, согласно заявленной полезной модели, шнековый экструдер модифицирован и содержит подпрессовщик для обеспечения полноты загрузки шнекового экструдера и повышения эффективности транспортирования и давления формирования материала в брикетное топливо, корпус, имеющий форму цилиндрической трубы без конусной насадки, рабочий орган (шнек) с расположенными на его валу лопастями; сменные формирующие матрицы с фильерами для получения брикетов различной формы в зависимости от требований потребителей и оптимизированных применительно к процессу их эффективного сжигания в конкретных теплогенерирующих установках.
При этом рабочий орган (шнек) экструдера выполнен с переменным шагом лопастей по всей длине вала шнека. Конструкция шнека имеет вал одного диаметра и не менее трех ступеней рабочих лопастей разного размера на его рабочей длине с переходом между ступенями по архимедовой кривой.
Полезная модель предусматривает энерго- и ресурсосберегающую технологию подготовки и формования в экструдере влажных, жестких и малопластичных твердотопливных ресурсов, обеспечивающую по показателям механической прочности необходимые потребительские параметры окускованного топлива.
Техническое решение поясняется следующими графическими материалами.
На фиг.1 - общая схема технологической линии.
На фиг.2 - схематичное изображение взаимодействия элементов технологической схемы: центробежного измельчителя-механоактиватора сырья и шнекового экструдера.
На фиг 1-фиг.3: 1 - загрузочный бункер с дозатором, 2 - загрузочный конвейер, 3 - центробежный измельчитель-механоактиватор сырья, 4 - шнековый экструдер, 5 - сушилка.
Технологическая линия работает следующим образом.
Обрабатываемый материал, например, влажностью в диапазоне от 19% до 23% для каменноугольной и коксовой мелочи, шлама крупного класса от 0 до 6 мм, а также бурые угли, торф подается на начало технологической линии - в загрузочный бункер (1). Далее по цепочке технологической линии по загрузочному конвейеру (2) он поступает мельницу с истирателем (3) для последующее обработки.
После этого далее по технологической линии обработанный на предыдущем этапе в мельнице (3) материал поступает через загрузочную воронку (4.2) экструдера непосредственно в экструдер (4) для гомогенизации, развития удельной поверхности, формирования вторичной капиллярно-пористой структуры, активации поверхностной энергии частиц брикетируемого материала и повышения его пластичности за счет активного перемешивания и уплотнения брикетируемой массы при числе оборотов рабочего органа (шнека) (4.4) от 70 до 80 об/мин, и времени воздействия давления прессования на брикетируемый материал не менее 3 сек. и формирования брикета за счет продавливания предварительно уплотненного и активированного материала через формующие фильеры пресса требуемого геометрического размера и формы.
Образование механически прочной структуры из сформованного влажного брикета определяется совместным действием молекулярных и капиллярных сил сцепления между активированными частицами брикетируемого материала не под действием механического давления, а сил капиллярного сжатия в образованной в экструдере вторичной капиллярно-пористой структуре брикетируемой массы при испарении из нее не связанной влаги температурным методом при принудительном проветривании.
При этом при осуществления работы технологической линии становиться возможным получать топливные брикеты, как без связующих добавок, так и со связующими, если в этом возникает необходимость с учетом физико-механических свойств направляемого на брикетирование сырья.
В отличие от существующих видов прессового оборудования, в том числе и экструзионного, в предлагаемом винтовом прессе (шнековом экструдере) процесс образования формованного топлива происходит в открытой матрице при совместном действии осевого и сдвигающего усилия прессования, образованных вращающейся поверхностью витков шнека в условиях обеспечивающих:
- ступенчатое уплотнение и воздействие давления прессования по всей длине рабочего объема прессового агрегата, что способствует более эффективному развитию удельной поверхности частиц прессуемого материала, образованию вторичной капиллярно-пористой структуры формуемой массы с меньшими энергетическими затратами и более длительному воздействию давления прессования;
- повышение потенциала силового поля поверхности брикетируемых частиц за счет деформации кристаллической решетки и разрушения инактивного окисленного слоя при крутящих и сдвиговых усилиях, истирающих брикетируемые частицы в стесненных условиях;
- повышение пластичности брикетируемого материала за счет увеличения доли прилагаемой энергии прессования на пластические деформации, определяющие механическую прочность окускованного топлива;
- более эффективное удаление воздуха из межзернового (межпорового) пространства брикетируемого материала в процессе его формирования;
Повышение равномерности распределения и увеличение скорости воздействия давления по площади и в объеме формуемой массы за счет более эффективного ее уплотнения по всей длине рабочего объема пресса.
В совокупности эти условия обеспечивают достижение уплотнения и тесноты связи между брикетируемыми частицами до уровня, в значительной степени, увеличивающего взаимодействие молекулярных и капиллярных сил сцепления в сформованном топливе в сравнении с равнозначными условиями подготовки и прессования в существующих видах брикетного оборудования.