УДК 662.74:552
ПОЛУЧЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО БЫТОВОГО ТОПЛИВА ИЗ МЕЛКИХ КЛАССОВ УГЛЕЙ ПОДМОСКОВНОГО И КАНСКО-АЧИНСКОГО БАССЕЙНОВ © 2012 г. А. С. Малолетнев, О. А. Мазнева, К. И. Наумов
Московский государственный горный университет Е-таИ: АпаЫу-Ма1вШпеу@ rambler.ru; knaumov@mail.ru Поступила в редакцию 04.10.2011 г.
Приведены данные по получению гранулированного топлива для коммунально-бытовых потребителей из термоподготовленных мелких классов бурых углей Подмосковного и Канско-Ачинского бассейнов. В результате проведенных теплотехнических испытаний показана высокая эффективность топливных гранул, полученных из смеси углей (50:50 и 70:30), по сравнению с рядовым кусковым углем Подмосковного бассейна. Приведены разработанная схема и конструкционное оформление аппаратуры промышленного производства мощностью 50—100 тыс. т гранулированного топлива в год.
Угольное топливо для коммунально--бытовых потребителей со слоевой системой сжигания (отопительные печи у населения, котельные коммунально-бытового хозяйства и др.) в соответствии с действующими стандартами должно иметь размер более 13 мм и высокую теплоту сгорания. Оба этих показателя оказывают существенное влияние на КПД печей, эффективность и экологическую безопасность использования топлива. Так, если КПД сортового топлива в печи составляет 60—70%, то для топлива, содержащего 50—70% мелочи (рядовой уголь), этот показатель снижается до 40—45%, а в варочных печах — с 20 до 12-15%.
В настоящее время угольная промышленность России выпускает значительное количество сортового топлива, однако потребность в нем не удовлетворяется. Кроме того, в результате железнодорожных перевозок и складирования происходит переизмельчение (табл. 1) и основная масса сортового топлива превращается в уголь, близкий по фракционному составу рядовому. В результате происходит многократный перерасход топлива. Велика зольность так называемых энергетических углей — до 25-30%, достигая 40% по отдельным бассейнам.
Существует проблема окускования мелких классов углей в механически прочное, а для экологической безопасности — в бездымное топливо. Выпускаемые отечественной промышленностью брикеты (в настоящее время менее 0.3 млн.т/год) не удовлетворяют этим требованиям. Для решения проблемы в России проведены многочисленные исследовательские и опытные работы для получения окускованного топлива методами брикетирования с последующей термической об-
работкой, термобрикетирования, непрерывного коксования слабоспекающихся углей, гранулирования и др. Однако указанные процессы не вышли из стадии лабораторных и стендовых испытаний, весьма капиталоемки и сложны в техническом отношении, имеют высокие эксплуатационные затраты, в результате чего цена конечного продукта возрастает в 1.5—2.0 раза по сравнению с натуральным углем. За рубежом в Великобритании, Германии, Бельгии, Франции в промышленном масштабе (12 млн.т в год) из мелких классов углей производят окускованное бездымное бытовое топливо, в США — гранулированное топливо для каминов и бытовых печей (3— 4 млн. т в год) [2, 3].
Наиболее простой метод окускования угольной мелочи — это способ гранулирования, позволяю-
Таблица 1. Переизмельчение сортового угля на складах [1]
Процесс Выход мелочи (класс 0—6 мм), %
При падении в конце отвала ( 5—12.5 м) 3.9—14.6
При растаскивании по складу:
скреперной установкой 9.2—13.4
бульдозером 16.5—24.4
При обратной подаче:
скреперной установкой 10.9—13.2
бульдозером 18.7—28.0
При погрузке на автомашину 4.8
При перевозке автомашиной 0.9
Рис. 1. Схема образования гранул [6].
щий получать из мелких классов углей (0—3 мм) с небольшими добавками связующих достаточно прочные гранулы с размером до 25—30 мм. Испытания сырых гранул в котлоагрегате с цепной решеткой показали, что КПД сжигания повышался на 22%, если предварительно от рядового угля отделить мелкие классы и подвергнуть их гранулированию перед сжиганием [4].
В работе [5] установлено, что для увеличения удельной поверхности объема пор в 5—10 раз и повышения реакционной способности при сжигании исходный уголь класса — 13 мм, содержащий до 30% влаги и до 50% золы, необходимо подвергать термической обработке, например, в вихревых камерах при температуре 400—450°С или в сушильно-размольных отделениях электро-и теплостанций. Термообработанный уголь подвергают гранулированию с добавкой водного раствора лигносульфоната (отходы гидролизного производства). Топливо имеет шарообразный вид диаметром 3—25 мм, прочность на сбрасывание — 97%, истираемость — 99%. Сформированные гранулы высушивают до остаточного содержания влаги 5—10%, затаривают в контейнеры или крафт-мешки и направляют потребителю. Теплота сгорания топлива составляет от 10450 до 27170 кДж/кг в зависимости от качества исходного угля. Топливо сгорает практически без выделения дыма.
Гранулирование мелких классов углей окатыванием осуществляется наслаиванием сухих частиц на смоченные ядра (центры гранулирования) под действием капиллярно-адсорбционных сил сцепления между частицами и при одновременном уплотнении структуры за счет сил взаимодействия между частицами в движущемся слое. В общем виде при формировании угольных гранул действуют силы взаимодействия между частицами благодаря диффузии молекул в точках контакта частиц; капиллярные и поверхностные
силы на границе раздела твердой и жидкой фаз; адгезионные силы, образованные связующим веществом (возникают в адсорбционных слоях); силы притяжения между твердыми частицами (силы Ван-дер-Ваальса и электростатического напряжения); механические связи, обусловленные формой частиц. При этом необходимо обеспечить сближение частиц на расстояния, при которых указанные выше силы проявят свое действие.
Уплотнение частиц угля гранулированием достигается при ударах частиц друг о друга и о борт гранулятора. Частицы в результате многократных перемещений и соударений упаковываются более плотно. Избыточная влага выдавливается на поверхность частицы, в результате чего становится возможным дальнейший рост гранул. По мере приближения частиц друг к другу толщина пленок влаги становится меньше, прочность сцепления увеличивается. Для получения гранул требуемого размера уголь увлажняют постепенно с учетом кинетики влагопоглощения.
В динамике образования гранул участвуют физико-химические взаимодействия твердой и жидкой стадии образования зародышей (когда увлажненный материал обладает сравнительно малой подвижностью на рабочей поверхности грануля-тора). Физико-химические взаимодействия твердой и жидкой фаз играют определяющую роль. Для возникновения зародышей необходимо, чтобы частицы материала постоянно покрывались оболочкой жидкой фазы. Процесс образования гранул можно представить следующим образом (рис. 1). Две смоченные частицы угля а при соударении на тарели гранулятора могут нарушить оболочки и образовать селективное неравновесие б, а при дальнейшем движении — создать селективное равновесие в. Затем столкновение двух таких пар г и д приводит к образованию мета-стабильного зародыша е, а дальнейшее уплот-
г
нение — к образованию стабильного зародыша или ядра ж.
Далее соударение происходит уже между зародышами гранул, которые объединяются, приобретая возрастающую кинетическую энергию. При своем движении по поверхности тарели грануля-тора они уже в состоянии перекатываться по мелким угольным частицам и вдавливать их в себя, а затем даже поглощать зародыши других гранул. В этих условиях механические силы играют основную роль в росте гранул, а физико-химические связи способствуют удержанию частиц в монолите.
Механизм присоединения частицы угля к грануле представлен на рис. 2, из которого следует,
. R - d/2 D что cos а <-—, где R — радиус гранулы, мм;
R + d/2
d — диаметр частицы угля, мм; N1 и N2 — нормальные силы давления, кг/см2; Т1 и Т2 — тангенциальные силы; а — угол между вертикальной осью гранулы и линией, соединяющей центры гранулы и частицы угля (угол захвата); ц — коэффициент трения:
. а
и=tg а.
(1)
Подставив вместо d выражение R/b получим
,2Ъ - 1 ч . ^ 1 + cos а cos а < —-, ^ Ъ >
2Ъ +1
2(1 - cos а)
(2)
P = 4 nV 2(R2/d2 + R/d), 3 g
(3)
где Ь — соотношение между радиусом гранулы и диаметром частицы.
Из формул (1) и (2) следует, что частицы, размер которых меньше R/b, при перекатывании по ним гранулы проникают в скопление зерен гранулы и уплотняют ее. Этому способствует ускоряющий толчок, происходящий в момент перекатывания гранулы по частицам угля. Давление, возникающее при перекатывании гранулы, определяют по формуле
где V — скорость движения гранулы, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Из формулы (3) следует, что с уменьшением диаметра частицы угля и увеличением радиуса гранулы возрастает давление частицы на гранулу, которое может достигнуть сотен атмосфер. Катящаяся шарообразная гранула диаметром 25 мм испытывает давление до 700 кг/см2. Что касается механической прочности гранул, которая уступает брикетам, полученным из угля при давлении 500—700 кг/см2, то это объясняется специфичностью условий образования гранул. Давление на частицы угля передается не по всей поверхности образования гранулы, а локализованно — "точечным контактом". При этом периферийные частицы угля клинообразно внедряются внутрь гранулы и значительная часть нормального давления N затрачивается не на уплотнение, а на расширение гранулы, что приводит к уменьшению ее прочности.
Энергетические угли ряда угольных предприятий России характеризуются настолько высоким содержанием минеральной части (до 50%), что получение из них гранулированного топлива лишено смысла, тем более что, например, угли Подмосковного бассейна содержат значительное количество глинистых примесей, которые при горении спекаются и препятствуют полному сгоранию органической массы углей. В этом случае целесообразно для получения гранулированного топлива применять смеси (добавки) с низкозольными углями.
Для разработки промышленной технологической схемы и аппаратурного оформления процесса окускования угольной мелочи высокозольных углей в смеси с низкозольными углями выполнены исследования с учетом указанн
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.