ТОПЛИВНЫЙ БРИКЕТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
FUEL BRIQUETTE, AND METHOD FOR ITS OBTAINING

Изобретение относится к технологии получения твердотопливных брикетов, состоящих в основном из углеродосодержащих компонентов и предназначенных для использования в металлургии, производстве каменной ваты и различных отраслях промышленности.
Известен топливный брикет и способ его получения, содержащий измельченную коксовую мелочь и связующее - мелассу, которые дозируют, смешивают и брикетируют (патент РФ №2147029, МПК C10L 5/12, 5/14, 5/16, 5/40, опубл. 27.03.2000 г.).
Недостатком данного брикета является его слабая влаго- и термоустойчивость, низкая (менее 7000 ккал) теплотворная способность, что не допускает его использования в металлургии.
Известен влагоустойчивый топливный брикет и способ его получения (патент РФ №2149889, МПК C10L 5/16, опубл. 27.05.2000 г.). Брикет содержит мас.%: 4-10 - мелассы, 0,26-0,78 - кубовые остатки первичной и вторичной нефтепереработки и остальное - каменноугольную мелочь, являющуюся мелким классом каменного и антрацитового углей.
Способ получения данного брикета состоит в нагревании каждого компонента до 51-70°C, смешивании нагретых компонентов и прессовании при давлении 25-45 МПа.
Однако, обладая высокой механической прочностью на сбрасывание, низким влагопоглощением брикет обладает высоким выходом летучих веществ и недостаточной термостойкостью. Кроме этого процесс нагревания каждого компонента брикета перед смешиванием повышает энергозатраты и усложняет способ его получения.
Известен влагоустойчивый топливный брикет на основе коксовой и антрацитовой мелочи и связующего - мелассы. Дополнительным компонентом в данной смеси является термоантрацит при следующем соотношении компонентов, мас.%: антрацит - 20-25, термоантрацит - 25-30, меласса - 5-16, коксовая мелочь - остальное. Способ получения брикета включает дозирование, смешивание компонентов с последующим брикетированием путем двухстороннего сжатия под давлением 35-50 МПа в течение 5-8 с и сушку при температуре 380°C в течение 90 минут (патент РФ №2345124, МПК C10L 5/14, опубл. 27.01.2009 г. - прототип).
Однако высокое содержание антрацита и термоантрацита, с одной стороны, повышает теплотворность брикета, а с другой стороны, как следствие, характеризуется высоким наличием летучих веществ и недостаточной влагостойкостью, термоустойчивостью и механической прочностью, что не позволяет использовать брикет в вагранках для литейного производства. Технической задачей, на которую направлено изобретение является повышение влаго- и термоустойчивости, механической прочности брикетов и снижении энергозатрат при условии достижения соответствия качественных показателей заявленного брикета аналогичным показателям литейного кокса, что позволяет использовать брикет в вагранках при, например, выплавке чугуна и каменной ваты.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту «композиции» достигается тем, что композиция на основе коксовой мелочи и связующего - мелассы дополнительно содержит в качестве связующего техническое растительное масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:
антрацитовая мелочь
- 8-15
меласса
- 9-12
техническое растительное масло
- 0,5-2
коксовая мелочь
- остальное,
при этом брикеты имеют цилиндрическую форму размером: диаметр × высота - 100×100, или 110×110, или 120×120 мм.
3
В качестве антрацитовой мелочи может быть использован антрацитовый штыб (АСШ) - отсевы антрацита и отходы углеобогатительных фабрик класса 0-6. Содержание углерода - 89-98%; плотность - 1,42-1,80 г/см, выход летучих веществ - 1,5-9,0%. Структурная прочность - 84,5%. Высшая удельная теплота сгорания - 25980-27650 кДж/кг.
3
В качестве коксовой мелочи могут быть использованы отсевы каменноугольного кокса класса 0-10, полученного при сортировке валового кокса на коксохимических предприятиях, что составляет 3-5% от общего объема кокса. Содержание углерода - 97,4%; плотность действительная - 1,94 г/см, структурная прочность - 88,5%; теплота сгорания - 25150-26400 кДж/кг.
3
Меласса или патока являются отходами сахарного производства и относятся к связующему класса полисахаридов - аморфных веществ не способных кристаллизоваться и содержащих до 45-50% свекловичного или тростникового сахара. Удельный вес - 1,32-1,52 г/см, значительно вязкое вещество.
3
Технические растительные масла (подсолнечное, рапсовое, льняное, касторовое) по химическому составу представляют собой смеси различных триглицеридов высших жирных кислот. Динамическая вязкость масел при 20°C от 45 до 850 мПа·с, удельный вес - 927-970 кг/м, летучая доля в % от массы от 0,2 до 0,5, содержание золы в % от массы - 0,1. Масла являются хорошими пластификаторами. Рапсовое масло, например, при 160-250°C обладает способностью образовывать каучукообразную массу и повышает термостойкость брикета, снижает зольность и содержание летучих. Растительные технические масла не являются горючими веществами в формулировке ЧСН 650201.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту «способ» достигается путем дозирования, смешивания коксовой и антрацитовой мелочи и связующего - мелассы, брикетирования смеси под давлением 35-50 МПа и сушку брикетов в тоннельной печи в потоке сушильного агента. В мелассу, перед дозированием, вводят техническое растительное масло при соотношении меласса:масло = 9-12:0,5-2, а коксовую и антрацитовую мелочь измельчают до гранулометрического состава 0-5 мм, при этом брикеты располагают на тележках и сушку осуществляют при непрерывном дискретном, через каждые 10 минут, продвижении тележек на расстояние длины одной тележки, причем температурно-временной режим сушки характеризуется тремя ступенями: первая ступень - 100-300°C в течение 40 минут, вторая ступень - 380-200°C в течение 100 минут, третья ступень - 200-100°C в течение 40 минут, при этом сушка брикетов на первой ступени осуществляется встречным, по отношению к движению тележек, потоком, а на второй и третьей ступенях сопутствующим потоком сушильного агента. Сушильный агент представляет собой смесь продуктов горения природного газа и рециркулирующего газа, отведенного в зону их смешивания из третьей ступени сушки при 200°C. Смешивание мелассы с техническим растительным маслом проводят при температуре 35-45°C.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что найдено оптимальное сочетание и гранулометрический состав компонентов, что обеспечивает более качественное смачивание частиц связующим компонентом и более тесное сближение частиц во время прессования, а трехступенчатая сушка брикетов со щадящим температурным режимом в начале процесса сушки, при использовании рециркуляционного потока, обеспечивает плавное, равномерное удаление влаги из брикета и полимеризацию связующего, что повышает качественные показатели брикета и снижает энергозатраты.
Критическая температура воды, выше которой пар нельзя превратить в жидкость, равна 374°C. Следовательно, при температуре выше 374°C сушильный агент, при наличии в нем влаги из рециркуляционного потока, функционирует как сухой газ. Использование рециркуляционного потока позволяет увеличить объем и теплосодержание сушильного агента. Теплопотери при использовании рециркуляции (возврата тепла в систему) значительно снижены и достигают не более 13% от тепловыделения теплогенератора.
Необходимо указать, что трещинообразование в брикете связано с процессом усадки брикетов, так как скорость усадки отдельных слоев брикета различна. Градиент скорости усадки тем больше, чем выше скорость нагрева. Трещины образуются в случае превышения значения градиента усадки выше определенной величины. Большие внутренние напряжения, возникающие при резком повышении температуры в зоне сырого брикета, обеспечивающей высокую скорость усадки, предопределяют образование трещин.
Кроме этого наличие влаги в сушильном агенте (при использовании рециркуляционного потока) оказывает более мягкое, щадящее воздействие сушильного теплоагента на брикет, предотвращая его обугливание и снижая уровень пожаровзрывоопасности при сушке брикетов. Предложенная и испытанная равноразмерная цилиндрическая форма брикета характеризуется отсутствием краеугольных сторон, которые способствуют образованию осыпи и обеспечивают более оптимальную обтекаемость брикета сушильным агентом и более высокую газопроницаемость шихты в вагранке при использовании брикетов.
Ввод технического растительного масла в связующий компонент, как показали исследования, улучшает гидрофобизацию смеси, образуя в сочетании с мелассой гомогенный полимерный состав.
С целью выявления оптимального соотношения компонентов в брикете и их оптимального фракционного (гранулометрического) состава было проведено ряд опытов.
Опыт 1. Определение термостойкости, механической прочности и прочности на сбрасывание при содержании в брикете, мас.%: антрацитовой мелочи от 7 до 17, мелассы от 8 до 14, при 0,3-3% рапсового масла, коксовая мелочь - остальное. Как показали исследования, оптимальные качественные показатели брикета (термостойкость 83,2-91,1%, механическая прочность в малом барабане по М40 - 85,0-87,5%, по M10 - 9,4-9,6%, прочность на сбрасывание 98,4-99,3%) наблюдались при содержании в брикете антрацитовой мелочи от 8 до 15%, мелассы от 9 до 12% и 0,5-2% рапсового масла при 71-82,5% коксовой мелочи. Более низкое содержание масла не дает положительного эффекта влаго- и термоустойчивости, а более высокое - экономически нецелесообразно и отрицательно влияет на свойства брикета. Высшая теплота сгорания при этом составила 7890-7990 ккал/кг. Опыт проводился при гранулометрическом составе всех компонентов от 0 до 5 мм. Аналогичные результаты (с отклонением в несколько процентов) были получены в опытах при использовании технического подсолнечного, льняного масла и касторового масла.
Опыт 2. Определение оптимального гранулометрического состава компонентов в брикете. Опыт проводился при оптимальном соотношении компонентов, мас.%: антрацитовая мелочь - 9, меласса - 10, рапсовое масло - 1, коксовая мелочь - 80, при гранулометрическом составе от 0 до 6 мм. Исследования показали, что при данном гранулометрическом составе, несмотря на оптимальное соотношение компонентов, наблюдалось снижение качественных показателей брикета на 8-12% по сравнению с использованием фракции от 0 до 5 мм.
Для доказательства преимущества трехступенчатой сушки по заявленному способу и сушки брикетов по прототипу (380°C в течение 90 минут) были проведены сравнительные испытания. Первоначальная влажность брикетов, полученных по заявленному изобретению, в обеих случаях составляла 12%.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Показатели
Сушка брикетов по заявленному способу
Сушка брикетов по прототипу
Снижение показателя, %
Механическая прочность в малом барабане, %
М40
86,9
73,4
15,6
М10
9,5
8,3
12,7
Термическая стойкость (ПТС), %
83,5
71,6
13,0
Прочность на сбрасывание
99,0
84,4
14,8
Как видно из таблицы 1, трехступенчатая сушка брикетов по заявленному способу оказалась более эффективной. Снижение качественных показателей брикетов при использовании технологии сушки по прототипу было на уровне 12,7-15,6%.
Пример. Топливный брикет готовят следующим образом. Брали антрацитовую мелочь (антрацитовый штыб класса 0-6 мм) в количестве 120 кг, коксовой мелочи (отсевы каменноугольного кокса класса 0-10 мм) - 780 кг, 90 кг мелассы предварительно смешанной при температуре 45°C с 10 кг рапсового масла, при этом связующий компонент постоянно находился в перемешиваемом состоянии в расходной емкости. Углеродосодержащий компонент предварительно по ленточному транспортеру направлялся на грохот типа ГИЛ для ситового рассева на фракции 0-5 мм. Просеянный материал нужной фракции направлялся в накопительные силоса, из которых осуществлялась подача ленточным транспортером в бункер смесителя, а более крупная фракция подавалась на дробильное устройство и далее на грохот и в накопительные силоса. Из накопительных силосов коксовая и антрацитовая мелочь подавалась в дозирующий агрегат с весовыми тензодатчиками, где в необходимом количестве происходило смешивание. Смесь коксовой и антрацитовой мелочи подавалась в смеситель, имеющий дозировочные устройства и весовую емкость для связующего на тензодатчиках. Перемешанный материал по транспортеру подавался в приемный бункер пресса типа коленчато-рычажного типа, с помощью которого под давлением 45 МПа производилось прессование брикетов нужной цилиндрической формы и размеров (110×110 мм). С технологической точки зрения форма брикета выбрана, как наиболее оптимальная - цилиндрическая равноразмерная при размерах: диаметр 100-120 мм, высота цилиндра 100-120 при сочетании размеров диаметра и высоты от 100×100 до 120×120 мм. Цилиндрическая форма брикета не имеет краеугольных сторон, способствующих образованию осыпи (обкалыванию) при погрузке - разгрузке и транспортировке брикетов. Кроме этого данная форма брикета обеспечивает более полную обтекаемость брикета сушильным агентом при сушке, а при использовании брикетов - хорошую газопроницаемость шихты в вагранке и соответственно стабильную температуру плавки. Отпрессованные брикеты, автоматоукладчиком укладывались на решетки сушильных тележек и подавались в сушильную камеру туннельного типа с газообразным теплоносителем - сушильным агентом, приготовляемом в теплогенераторе, состоящем из теплоизолированной камеры сгорания, на которой установлена газовая горелка. Камера сгорания имеет цилиндрическую форму с двумя стенками с пережимом на выходе, в промежуток между которыми подаются рециркулирующие газы, отведенные от третьей ступени сушилки при 200°C.
Укладка брикетов осуществлялась в тележки с просветом 10-15 мм на сетчатые рамки, расположенные одна над другой на расстоянии 50 мм, расстояние между массой брикетов и стенами так же составляет 50 мм, что обеспечивает равномерное движение сушильного агента и соответственно более эффективную сушку брикетов. Движение тележек в сушильной камере осуществлялось потактово с интервалом 10 минут. Общее время нахождения брикетов в печи 180 минут (в первой ступени 40 минут, во второй - 100, в третьей - 40 минут).
При поступлении тележки в сушильную камеру одновременно открываются приемные и выходные ворота. С помощью толкателя тележка закатывается по рельсам в камеру и, соприкасаясь с впереди находящейся тележкой, выталкивает очередную крайнюю тележку с сухими брикетами из камеры. Тем самым все находящиеся в сушильной камере тележки с брикетами одновременно передвигаются каждые 10 минут на одну позицию (тележку) и проходят весь цикл сушки. В конце сушильной камеры (третья ступень) имеется ввод газохода для отвода сушильного агента из печи. На воздуховоде отбора сушильного агента установлен дроссельный механизм, совмещенный с вентилятором, привод которого получает управляющий импульс от датчика дифференцированного давления с импульсной трубкой в сушильной камере, что позволяет поддерживать разрежение в камере. В сушильной камере в каждой зоне установлены термодатчики, показания которых выведены на монитор оператора на пульте управления. Газовая горелка в автоматическом режиме поддерживает температуру в сушильной камере. Для обеспечения активного движения сушильного агента в сушильной камере применяются дутьевые вентиляторы типа ВДН (с напором от 2,2 кПа и более), что обеспечивает эффективное удаление влаги из брикета и полимеризацию связующего.
Таким образом, в первой ступени (по ходу тележек с брикетами) поток сушильного агента, будучи направленный навстречу движению тележек с брикетами, на границе первой и второй ступени воздействует на уже прогретые брикеты и, проходя далее и остывая по ходу до 100°C, воздействует на только что поступившие в печь сырые брикеты. При переходе границы между первой и второй ступенью брикеты, нагретые в первой ступени от 100 до 300°C, попадают во вторую ступень с сопутствующим (а не встречным) потоком сушильного агента с температурой в начале второй ступени 380°C и являющейся ступенью активной теплообработки. По мере остывания сушильного агента (в конце второй ступени) до 200°C брикеты поступали на дальнейшее охлаждение в третью ступень с температурой 200-100°C. Как видно из описанного процесса, сушка брикетов, по заявленному способу получения топливных брикетов, обеспечивает плавное нарастание и снижение величины температурного воздействия на брикет при сушке, что обеспечивало наряду с другими технологическими приемами высокие качественные показатели брикета.
Сравнительные физико-химические показатели заявленных брикетов и литейного кокса отражены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели
Заявленные топливные брикеты
Литейный кокс ОАО «Алтай-кокс»
Крупность, мм
Д=100
>40
Н=100
Технический анализ, %:
W<sup>r</sup>
1,1
6,5
A<sup>d</sup>
13,8
12,6
V<sup>daf</sup>
5,4
1,3
S<sup>d</sup>
0,44
0,48
Содержание фиксированного углерода (C<sub>fix</sub>), %
81,5
86,2
Теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг):
- высшая (Q<sup>daf</sup> <sub>s</sub>)
33,4 (7990)
33,6 (8030)
- низшая (Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>)
27,9 (6660)
27,6 (6600)
Реакционная способность по CO<sub>2</sub> при 1000°C, см<sup>3</sup>/г·с
1,2
0,7
Плотность, г/ см<sup>3</sup>:
действительная
1,861
1,885
кажущаяся
1,220
1,053
Механическая прочность в малом барабане, %:
М40
87,5
74,1
М10
9,6
9,2
Прочность на сбрасывание, %
99,3
-
Термическая стойкость (ПТС), %
83,2
99,2
Содержание золы (%, масс.)
13,6
11-12,5
Содержание серы (%, масс.)
0,36
0,46-0,55
Содержание влаги (%, масс.)
1,1
2
Содержание летучих веществ (%, масс.)
4,1
0,5-1
Как видно из таблицы 2, заявленные брикеты обладают высокой влаго- и термоустойчивостью, при этом механическая прочность при М40 превышает литейный кокс на 13,4% при равнозначной с литейным коксом теплоте сгорания. При этом следует отметить, что наличие технического растительного масла в составе брикета обеспечивает более низкое влагопоглощение.
Принципиальная технологическая схема тепловой сушки брикетов с рециркуляцией газового потока приведена на фиг.1, где 1 - газовая горелка, 2 - камера сгорания, 3 - камера смешения, 4 - дымосос, 5 - труба выброса, 6 - туннельная печь, 7 - тележки с брикетами, 8, 9, 10 - воздуховоды.