ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2009, № 2, с. 55-59
УДК 662.8:678.8
ТОПЛИВНЫЕ БРИКЕТЫ ИЗ БУРЫХ УГЛЕЙ ЯКУТИИ
© 2009 г. Л. А. Николаева, В. Г. Латышев, О. Н. Буренина
Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутск E-mail: brick305@yandex.ru Поступила в редакцию 30.04.2008 г.
Представлены экспериментальные данные по разработке технологии производства брикетированного топлива из бурых углей с использованием различных нефтяных связующих. Исследовано влияние влажности, гранулометрического состава угля, вида и концентрации связующего, давления прессования, режимов тепловой обработки на механические свойства материалов. Установлены оптимальные составы и технологические режимы производства сортового брикетированного топлива из бурых углей Кангаласского месторождения Республики Саха (Якутия).
В топливно-энергетическом балансе Якутии, как и в ряде других регионов страны, основная доля топлива приходится на низкосортные бурые угли. Не является исключением и Кангаласское буроугольное месторождение, запасы которого составляют основную часть добываемого в Республике Саха (Якутия) топлива. Проблема рационального использования этих углей связана прежде всего с большим содержанием мелких фракций, достигающим 50-60% от общего добываемого его количества.
Было установлено [1], что традиционные методы брикетирования, разработанные для средне- и высокометаморфизованных каменных углей (марки Ж, Т) и антрацитовых штыбов, непригодны для бурых углей Кангаласского месторождения. Эти угли в силу своих специфических свойств, таких как низкое содержание гуминовых кислот, смол и битуминозных веществ, брикетируются только с использованием дорогостоящих переокисленных твердых битумов, доставка которых из Республики Саха (Якутия) приводит к существенному росту дополнительных затрат и негативно отражается на рентабельности производства.
Цель данной работы - разработка технологии брикетирования бурых углей Кангаласского месторождения с использованием местных сырьевых ресурсов в качестве связующего материала.
Использование связующего на базе местного сырья позволит существенно снизить себестоимость брикетов при сохранении их эксплуатационных качеств и перспективно для решения топливной проблемы в отдаленных районах Севера с неудовлетворительной транспортной схемой, от-
сутствием традиционных видов топлива и затрудненным завозом нефтепродуктов.
В качестве объектов исследования использовали кангаласские бурые угли, относящиеся к среднеюрскому периоду. Это типично гумусовые, преимущественно витринитовые, блестящие и плотные угли. По ГОСТ 25543-88 они относятся к классу 04 категории 0 подгруппе 2БВ группы 2Б. Показатели их технического и элементного анализов приведены в табл. 1 [2]. Свежедобытые угли имеют высокую влажность, низкую прочность куска, неустойчивы при хранении и, быстро теряя влагу, распадаются, превращаясь в мелочь и пыль.
Исследования по брикетированию бурых углей Кангаласского месторождения проводили с использованием следующих связующих веществ: 1) нефтяных битумов Ангарского НПЗ марки БНД 90-130 в качестве аналога; 2) гудрона из нефти Талаканского месторождения с НПУ-1000 РС(Я); 3) гудрона, модифицированного высушенным озерным сапропелем. Основные свойства связующих представлены в табл. 2 [2].
Гудрон получали путем отгонки 40% масел при г = 350-370°С, Р = 80 кПа в течение 12 ч на НПУ-1000 [3]. Основные составляющие гудрона -масла, не отогнавшиеся при перегонке нефти; нефтяные смолы; твердые асфальтообразные вещества (асфальтены, карбены, карбоиды); смолистые вещества кислотного характера. Использование гудрона в качестве связующего для брикетирования осложнено избыточным содержанием в его составе остаточных масел, что отрицательно сказывается на адгезионных свойствах.
Таблица 1. Основные свойства бурых углей Кангалас-ского месторождения
Показатель Значение
%, % 30.00
% 8.27
Л4, % 14.80
V4а/, % 49.40
^, % 0.40
С4а/, % 71.40
Н4а/, % 5.50
Теплота сгорания, МДж/кг:
14.8
28.05
Таблица 2. Основные физико-химические характеристики гудронов из нефти Талаканского месторождения
Значение
Параметр гудрон модифицирован-ный
Плотность при 20°С, кг/м3 941.10 940.10
Вязкость условная при 80°, усл. град. 23.30 15.93
Массовая доля смол силикаге-левых, % 18.40 17.20
Массовая доля асфальтенов, % 6.20 7.80
Масла, % 75.44 75.10
Массовая доля парафина, % 0.88 8.60
Коксуемость, % 10.82 14.10
Температура вспышки в открытом тигле, °С 227.50 234.50
Элементный состав, % на 4а/
С 85.00 84.90
Н 13.60 13.00
N 0.50 0.80
Б 0.74 0.81
0 0.16 0.49
С целью ускорения процессов окисления и увеличения адгезионного взаимодействия в системе уголь - связующее в гудрон в качестве структурно-активной добавки вводили сухой озерный са-
пропель. Благодаря своим адсорбционным, каталитическим свойствам и структурным особенностям сапропель сорбирует часть низкомолекулярных масел и ускоряет процессы окисления гудрона до битуминозного состояния при последующей термической обработке.
Сапропель - продукт физико-механических и химико-биологических преобразований в естественных условиях остатков озерных растительных и животных организмов, а также неорганических компонентов биогенного происхождения. Благодаря коллоидной структуре сапропель после удаления свободной воды приобретает свойства природного сорбента. Органическая составляющая сапропеля (~75%) определяет такие важные свойства, как биологическая активность, биохимическая устойчивость, клеящая способность [4]. Кроме того, она служит катализатором процессов окисления тяжелых смол на границе уголь-связующее, что позволяет получить конечный продукт - брикет с требуемыми физико-механическими свойствами. Исследования показали высокую поглощающую способность сапропеля по отношению к гудронам, равную 70-75% [3]. Технологическая схема брикетирования угольной мелочи со связующими веществами включает следующие процессы: измельчение угля, сушку до определенной влажности, смешение со связующим, прессование и термообработку.
Исследовали следующие физико-механические свойства брикетов: прочность при сжатии (ГОСТ 21289-75), водопоглощение (ГОСТ 21290-75), слипаемость, выход летучих веществ (ГОСТ 6383-2001), массовую долю общей серы (ГОСТ 8606-93), зольность (ГОСТ 11022-95), теплоту сгорания (ГОСТ 147-74). Бездымность топлива определяли по двум критериям, принятым в исследовательской практике Института горючих ископаемых: 1) по выходу летучих веществ (менее 20%); 2) по отсутствию коптящего пламени в течение ^ 90 с при сжигании в печи при температуре 850°С.
Содержание влаги в углях играет важную роль в механизме образования брикетов. Находясь на поверхности угольных зерен, вода способна создавать гидратную пленку, влияющую на прочность соединения связующего и угля [2]. Многочисленными исследованиями доказано, что при избытке влаги на поверхности угля образуется жидкая пленка, не позволяющая связующему прочно прилипать к углю, при этом смачивающая способность связующего уменьшается и механи-
ческая прочность брикетов снижается. Кроме того, находящаяся на поверхности угля влага при соприкосновении с горячим связующим интенсивно испаряется, что вызывает охлаждение связующего и уменьшение его смачивающей способности [4].
Оптимальное значение влажности угольной мелочи устанавливали по значениям прочности при сжатии образцов при минимальном и максимальном давлениях прессования. Анализ полученных результатов показал, что прочность при сжатии образцов максимальна при влажности угля 10-11%. Дальнейшее увеличение содержания влаги в угле от 12 до 20% приводит к снижению адгезии между углем и связующим из-за резкого нарушения адсорбционных контактов в межфазной зоне, в результате чего происходит падение прочности. Следовательно, оптимальна для брикетирования влажность воздушно-сухого угля, находящаяся в пределах 10-11%.
Значительную роль в процессе брикетирования также играет подготовка угольной шихты. Ситовый состав угля и распределение зерен различной крупности в шихте должны соответствовать ее максимальной уплотняемости, при которой обеспечиваются наибольшая прочность контактов между зернами и высокая прочность брикетов при минимальном расходе связующего на брикетирование.
Важный момент в технологии брикетирования -соблюдение принципа подбора смеси, состоящей из частиц различной крупности и характеризуемой оптимальной насыпной плотностью. При неправильно выбранном ситовом составе шихты или плохой ее подготовке пространство между зернами угля заполняется связующим или его смесью с мелкими зернами угля. Вследствие этого нарушается необходимая связь между угольными зернами, что делает невозможным получение брикетов необходимой прочности [5].
Исследования влияния гранулометрического состава угля на механические свойства брикетов показали, что повышение прочности на сжатие особенно заметно в брикетных образцах, содержащих уголь с наименьшей крупностью (класс угля 0-1.25 мм) и смеси угля различной крупности: 0-1.25 мм (60 мас. %), 1.25-2.5 мм (30 мас. %), 2.55.0 мм (10 мас. %). В то же время их использование для брикетирования нерационально в связи с введением в технологический цикл трудоемких операций измельчения и фракционирования, поэтому для дальнейших исследований использова-
ли уголь с оптимальным размером частиц менее 2.5 мм.
Интенсивность сцепления частиц брикетируемого угля в значительной степени возрастает с увеличением давления прессования. Установлено оптимальное давление прессования, равное 150 МПа [2].
Исследование влияния режимов термообработки на механические свойства брикетов показало, что прочность при сжатии брикетов увеличивается с ростом температуры конечной обработки и достигает максимального значения при 230°С с выдержкой при этой температуре в течение 180 мин. Повышение температуры выше 230°С приводит к возгоранию и разрушению брикетов.
Рост прочности брикетов с повышением температуры, вероятнее всего, связан с увеличением скорости процесса окисления гудрона. В результате окислительной полимеризации и поликонденсации связующего происходят его отверждение, образование твердых высокомолекуля
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.