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.