научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ УГОЛЬНЫХ ОТХОДОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ УГОЛЬНЫХ ОТХОДОВ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 5, с. 25-29

УДК 662.8:678.8

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ

УГОЛЬНЫХ ОТХОДОВ1

© 2015 г. Н. И. Буравчук, О. В. Гурьянова

Институт математики, механики и компьютерных наук имени И.И. Воровича Южного федерального университета, Ростов-на-Дону

E-mail: burav@math.rsu.ru

Поступила в редакцию 19.06.2014 г.

Представлены экспериментальные данные, полученные при брикетировании мелкозернистых уг-лесодержащих отходов со связующим. Описан механизм упрочнения топливных брикетов. Показаны способы получения влагоустойчивых брикетов. Приведены результаты опытного сжигания экспериментальных партий топливных брикетов.

DOI: 10.7868/S0023117715050047

Мелкозернистые и тонкодисперсные углесо-держащие отходы (угольный шлам, антрацитовый штыб, каменноугольная мелочь и т.п.) — это ценное углеродистое сырье. На их основе можно получать брикетное топливо (дисперсно-зернистый композит), не уступающее по качеству рядовому углю [1].

В данной работе приведены результаты исследований по совершенствованию технологии брикетирования и обеспечению прочности топливных брикетов при длительном хранении их в условиях повышенной влажности.

В качестве объектов исследования использовали углесодержащее сырье углеобогатительных фабрик ОАО "Гуковская", ОФ "Замчаловская": шламы, мелочь каменных коксующихся углей и антрацитов; связующие вещества, изготовленные из отходов сахарно-свекловичной промышленности Краснодарского края и отходов химических производств Ростовской области.

Антрацитовая мелочь (штыб) — это отсевы антрацита и отходы углеобогатительных фабрик (фракция 0—6 мм). Характеристика антрацитового штыба: содержание углерода в органическом веществе — 93.0—95.0%; плотность — 1.4—1.8 г/см3; выход летучих веществ — 3.5—5.7%; низшая теплота сгорания — 20.6—24.2 МДж/кг; зольность — 15.0-30.0%; влажность рабочая - 9.0-12.0%.

Каменноугольная мелочь — отсевы каменного угля и отходы углеобогатительных фабрик. Ха-

1 Работа выполнена в рамках научного гранта Южного фе-

дерального университета по проекту № 213.01-2014/03-ВГ.

рактеристика каменноугольной мелочи: содержание углерода — 76—90%; плотность — 1.2—1.8 г/см3; выход летучих веществ — 7—55%; низшая теплота сгорания — 15.5—17.4 МДж/кг; зольность — 5.0— 30.0%.

Угольный шлам — отходы углеобогатительных фабрик, мелкий класс каменного, антрацитового углей, размер частиц 0—1 мм, выход летучих — 5.0—8.0%; низшая теплота сгорания — 15.0— 17.0 МДж/кг; влажность 16.0—25.0%, зольность — 35.0—45.0%.

Крупность антрацитовых штыбов 0—6 мм. Гранулометрический состав антрацитовых штыбов включает (%) частиц класса >6 мм — 5—7, 3—6 мм — 25—30, 1—3 мм — 30—33, 0—1 мм — 35— 45. В зерновом составе угольного шлама крупностью 0—3 мм содержание фракций 1—3 и 0—1 мм — по 40—45%, частиц свыше 3 мм — не более 10%.

Меласса — отход свеклосахарного производства, густая сиропообразная вязкая жидкость от коричневого до темно-бурого цвета. Меласса содержит до 20% воды, 45—50% сахара, 20—25% органических веществ и 10% минеральных несахарных веществ. Меласса хорошо растворяется в любых соотношениях в холодной и горячей воде. Растворы характеризуются высокой вязкостью, плотность изменяется от 1.30 до 1.52 г/см3. Меласса используется в качестве основного компонента связующего.

Кубовые остатки термокрекинга парафинов — отходы Новочеркасского завода синтетических продуктов, температура плавления 35—38°С, температура застывания 46—48°С, зольность 0.016—

26

БУРАВЧУК, ГУРЬЯНОВА

0.018%. Высоковязкие застывшие продукты темного цвета с удельным весом 0.88—1.0 г/см3. В состав кубовых остатков входят главным образом углеводороды состава С19Н40—С35Н72 и состава С37Н76—С53Н108. В составе также присутствуют масла в количестве от 2 до 30%. Элементарный состав: 83.5-88.5% С, 10.5-12.5% Н. Кубовые остатки в составе брикета создают объемную гид-рофобизацию брикетной композиции и, как следствие, обеспечивают водостойкость брикетов.

Карбидный ил - тонкодисперсная паста серо-голубого цвета. Химический состав карбидного ила, вес. %: СаО - 84-88; 8Ю2 - 3.0-4.0; А1203 -1.5-2.7; Fe2O3 - 0.1-0.2; М§0 - 0.4-0.6; прочие примеси - до 5.0%. Карбидный ил используется как структурирующий реагент и активатор в системе "углеродсодержащий компонент-связующее".

Одна из важных характеристик качества топливных брикетов (и в целом технологического процесса брикетирования) - показатель их механической прочности. Атмосфероустойчивость и водостойкость топливных брикетов оценивается остаточной механической прочностью. Прочностные свойства топливного дисперсно-зернистого композита во многом определяются структурой контакта между углеродистым материалом и связующим. В качестве основного связующего вещества рекомендовано использовать коллоидно-дисперсные растворы мелассы - отхода сахарно-свекловичного производства. Под влиянием процессов, протекающих на границе контакта связующего с поверхностью адсорбента, происходит формирование структурирующих слоев вокруг зернистого углесодержащего компонента, определяющих прочностные и другие технические характеристики топливных брикетов. При формировании структуры и прочности брикета важную роль играет толщина адсорбционного слоя и когезия связующего в тонких слоях [2]. При оптимальной толщине пленочного слоя имеют место максимальное проявление капиллярных сил и усиление адгезионного взаимодействия между частицами и связующим. Механизм образования прочных брикетов основывается на теоретических положениях физико-химической механики дисперсных систем [3]. Образование устойчивого структурного каркаса топливного брикета проходит в несколько стадий. На первой стадии поверхность угольных частиц смачивается связующим. Для обеспечения максимального проявления смачивающей способности связующего поверхность угольных частиц должна быть тщательно подготовлена (максимально активизирована, оптимально доступна, обезвожена и т.п.). Для второй стадии структурообразования характерны проявление в максимальной степени лип-

кости связующего и возникновение коагуляци-онных структур. На третьей стадии имеют место максимальное контактирование и проявление ад-гезионно-когезионных свойств связующего и угольных частиц в результате приложения давления прессования. Увеличение давления прессования способствует усилению адсорбции и проникновению связующего в поры углесодержащих частиц. При прессовании шихты также удаляется избыточная влага, происходит усреднение композиции и стабилизация физико-механических характеристик топливных брикетов. На четвертой стадии происходят образование и упрочнение адгезионных контактов между частицами адсорбента и связующего и превращение коагуляцион-ных структур в конденсационно-кристаллизаци-онные, обеспечивающие механическую прочность топливных брикетов.

На всех стадиях формирования структуры брикета основная роль принадлежит связующему. Немаловажную роль в протекании физико-химических процессов структурирования системы "уг-лесодержащий компонент - связующее" играет характер поверхности угольных частиц. При контакте со связующим угольные частицы активно адсорбируют на своей поверхности молекулы связующего. Благоприятные условия для взаимодействия молекул связующего с поверхностью уг-лесодержащего компонента возникают, когда структура связующего находится в состоянии истинного раствора. Разрушению ассоциатов молекул коллоидно-дисперсного связующего и переходу его из дисперсного раствора в истинный с понижением вязкости способствуют, например, повышение температуры композиции, снижение концентрации мелассы. Молекулы связующего, ориентируясь за счет электростатического поля адсорбента, образуют адсорбционно- связанную пленку, которая находится в ином физическом состоянии, чем свободное связующее. Упрочнение брикетов как процесс преобразования исходных связей и формирования новых коагуляцион-ных, конденсационно-кристаллизационных или иных типов контактов представляет собой явление самоорганизации системы фаз и частиц в определенные структуры упорядоченного баланса в силу стремления многофазной системы, обладающей избытком свободной энергии на границах раздела исходных и новых фаз, к снижению избытка энергии.

При разработке технологии топливных брикетов исходной посылкой явилось положение о том, что создание композиции "углесодержащий компонент - связующее" представляет собой по существу процесс формирования в материале системы контактов и силовых связей в объеме брикета по критериям наиболее эффективной, оптимальной их сопротивляемости атмосферным воздействиям в процессе хранения и температурно-

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

27

механическим нагрузкам при их использовании. В рамках решения этой задачи осуществлялось обоснование требований к размерам зерен угле-содержащего компонента (масштабный критерий структуры композита). Придавалось значение соотношению объемов каркасообразующей составляющей композиции и затворяющей смеси, условиям пространственного их размещения в объеме (плотность и оптимальная упаковка различной дисперсности зерен и пористых включений, толщина клеящей прослойки, параметры структурной их однородности и др.). Следует подчеркнуть, что обоснование указанных требований отвечает условию управления параметрами однородности композиции, от чего зависит эффективность работы связей при действии на топливный брикет различных факторов в условиях их хранения и использования.

Особенности химико-минералогического, фазового состава и структуры порового пространства брикетной композиции обусловливают некоторую нестабильность возникающих систем твердения, что при определенных условиях хранения может способствовать интенсивному изменению свойств вплоть до разрушения брикетов. При постоянных параметрах температуры и относительной влажности среды система в меньшей степени подвергнута структурным изменениям. В естественно-климатических условиях, когда циклически и многократно меняются температура и влажность среды, появляются дополнительные факторы деструкции, выражающиеся в ослаблении структурных связей под действием многораз

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»