СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПО ТРУБОПРОВОДАМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ УГЛЯ В ВОДЕ Российский патент 1997 года по МПК B65G53/30 

Изобретение касается способа получения концентрированных суспензий угля в воде и транспорта указанных суспензий по трубопроводам.

Концентрированные суспензии мелко измельченного угля (максимальный диаметр ≅300 мкм) в воде (CWM), которые можно непосредственно подавать в паровой котел без предварительного обезвоживания, как раскрывалось, например (патент Великобритании N 2099451, кл. C 10 L 1/32, 1982), представляют собой интересный вариант получения углесодержащего топлива для паровых котлов, предназначенных для работы с дизельным топливом, и которые, следовательно, не могут работать с твердым топливом.

Использование подобных суспензий имеет особые преимущества как с финансовой, так и с точки зрения охраны окружающей среды, когда уголь надо транспортировать на длинные расстояния от места его добычи, где также устанавливается оборудование для получения суспензии, к месту использования.

В интегрированной системе для того, чтобы компенсировать разные ритмы производства и потребления, предусматриваются баки для хранения водных угольных суспензий на начальной и конечной станциях угольного транспортного трубопровода, причем время хранения может превышать два месяца.

Наиболее важными технологическими свойствами CWM являются характеристика сгорания вместе с устойчивостью при перекачке и хранении. Следовательно, оптимальный состав должен иметь оба эти свойства, одновременно минимизируя добавляемые количества добавки для того, чтобы сохранять его стоимость ограниченной.

Высокие концентрации угля, которые определяют суспензию как топливо (≥60% от веса, предпочтительно ≥70% от веса) могут быть получены лишь посредством использования диспергирующих добавок и выбором подходящего гранулометрического состава.

В качестве диспергирующих добавок используются анионные и катионные поверхностно-активные вещества, неионные с высокой молекулярной массой (например: сополимеры алкилен оксида, полученные из алкилфенола или алкиленгликолей, или алкилендиаминов) и полиэлектролиты, в частности, сульфированные поверхностно-активные вещества, содержащие многоядерные, алкилзамещенные ароматические составляющие и имеющие более высокую молекулярную массу, чем 300. Среди них могут быть указаны соли одновалентных катионов алкил нафталинсульфоновых кислот, конденсированных с формальдегидом, и среди них соединения, известные под торговым названием Daxad 15 (W.R. Grace) и Fluidix 05 (Bozzetto).

При прочих одинаковых условиях вязкость суспензии зависит от добавляемого количества диспергирующей добавки. Первоначально вязкость уменьшается с увеличением добавляемых количеств. Поскольку диспергирующая добавка представляет значительную стоимость (приблизительно 30% стоимости производства суспензии), добавление добавки должно быть соответственно ограничено до тех пор, пока не получится значение минимальной вязкости.

Когда уровень добавки превышает это оптимальное значение, то далее не получают улучшений текучести, напротив, во многих случаях наблюдается небольшое увеличение в вязкости, к тому же увеличивается стоимость производства. В случае несовершенного состава известно, что вязкость суспензии может меняться за время в течение продолжительных операций перекачки, потому что перекачка приводит к потреблению добавки, результатом чего является уменьшение концентрации свободной добавки в водном растворе, которая может быть отделена от суспензии центрифугированием или фильтрованием этой же суспензии (11-я Межд. Конф. по Гидравлическому Транспорту Твердых Тел по Трубам, Стратфорд-он-Эйвоне, Соединенное Королевство, 1988).

Если указанное увеличение в вязкости, являющееся следствием потребления добавки в течение перекачки, не контролируется, вязкость суспензии может достичь столь высоких уровней, что делает суспензию трудно перекачиваемой.

Известен способ приготовления и транспортирования по трубопроводам концентрированных смесей угля в воде, включающий стадию приготовления суспензии путем мокрого измельчения в присутствии одной или более диспергирующих добавок и стадию транспортирования посредством одной или более перекачивающих станций (заявка DE, N 3621319, кл. C 10 L 1/32, 1988).

Согласно этому способу для обеспечения стабильности процесса перекачки уже на стадии приготовления суспензии при измельчении диспергирующую добавку добавляют в избытке над тем количеством добавки, которое было определено как оптимальное количество для получения минимальной вязкости. Ввиду того, что количество избытка добавки, необходимой для транспорта, зависит от большого числа факторов, в частности, от физических и химических свойств угля (например, химического состава, гидрофильно-липофильного баланса (HLB ГЛБ) его поверхности, способности к поглощению воды, механического сопротивления истиранию, гранулометрического распределения, формы частиц, порометрического распределения, от свойств смеси (например, концентрация твердого вещества, реологического поведения, степень агрегации или флокуляции) и от условий гидродинамики при транспорте, включая прохождение через насосы, очевидно, что подобное избыточное количество можно оценить лишь в некотором приближении.

Принимая во внимание значительные убытки, вытекающие из возможной переоценки, на практике применяют консервативные критерии, так, чтобы добавляемое количество находилось в избытке над количеством, которое предполагается строго необходимым количеством для транспортирования.

Согласно известному способу дозы диспергирующих добавок достигают 800% от количества, которое делает возможным получение минимальной вязкости ("количество для минимальной вязкости"). Это оказывает, как установлено нами, несомненно отрицательное влияние на статическую устойчивость суспензии, даже в присутствии стабилизирующих добавок.

Цель изобретения устранение описанных недостатков, которые имели место на предшествующем уровне развития техники.

В частности, в соответствии со способом настоящего изобретения смеси угля в воде можно сделать перекачиваемыми и устойчивыми при хранении без необходимости использования избытка диспергирующего вещества.

В соответствии с этим согласно настоящему изобретению на стадии приготовления суспензии диспергирующие добавки вводят в количестве, минимально необходимом для получения начальной вязкости суспензии в диапазоне от 0,8 до 1,5 Па•с при сдвиговой скорости течения 10 с^-1, а на стадии транспортирования одной или более порциями вводят дополнительную диспергирующую добавку в количестве, обеспечивающем ограничение увеличения вязкости суспензии значением, меньшим, чем 30% относительно начальной вязкости.

Кроме того, на стадии транспортирования вводят дополнительную добавку в количестве, обеспечивающем ограничение увеличения вязкости суспензии значением, меньшим, чем 20% относительно начальной вязкости суспензии.

В соответствии с описываемым способом диспергирующая добавка или смесь диспергирующих добавок принадлежит к классу сульфонатов щелочных металлов или аммония.

Далее в соответствии с описываемым способом диспергирующая добавка может принадлежать к классу нафталинсульфонатов или алкилнафталинсульфонатов щелочных металлов или аммония, конденсированных с формальдегидом.

Кроме того, согласно изобретению, в течение стадии транспортирования контролируют введение диспергирующей добавки посредством установленных на трубопроводной линии вискозиметров и дозаторов этой добавки, приводимых в действие вискозиметрами при превышении предельно допустимой вязкости.

При этом контроль вязкости и доз добавки осуществляют на перекачивающих станциях трубопроводной линии посредством установленных на них вышеупомянутых вискозиметров и дозаторов.

Под выражением "концентрированные смеси угля в воде" имеются в виду водные суспензии мелко измельченного твердого топлива, среди которого лигниты, суббитумные угли, антрациты низкого сорта, антрациты, кокс и другие продукты, полученные из угля при тепловых обработках, нефтяной кокс, графит и другие соединения с высоким содержанием углерода.

Можно также использовать уголь, полученный в процессе деминерализации и/или десульфурирования, в частности, через избирательную агломерацию, например (патент US, 4776859).

Согласно настоящему изобретению суспензии могут содержать, например, от 40 до 85% предпочтительно от 55 до 80% твердого топлива, имеющего гранулометрический состав, характеризуемый средним диаметром ≅200 мкм, предпочтительно ≅50 мкм. Особенно предпочитаемыми являются бимодальные гранулометрические составы, состоящие из двух групп частиц с разным средним размером, где первая группа частиц имеет средний размер, заключающийся внутри диапазона 200-50 мкм, а вторая группа частиц имеет средний размер, заключающийся в диапазоне 1-40 мкм.

В соответствии с настоящим изобретением достигается порционность добавления диспергирующей добавки, т.е. такое кратное порции количество ее, которое соответствует значению минимальной вязкости на каждый определенный тип твердого компонента и концентрации твердого компонента в суспензии, и которое добавляют на стадии приготовления. Оставшиеся порции добавки добавляют позже, когда вязкость при транспортировании превысит определенное заданное значение, находящееся в диапазоне 5-50% установленной вязкости при транспортировании.

Количество диспергирующей добавки, которое следует добавлять в течение стадии транспортирования, изменяется в соответствии с параметрами, упомянутыми выше.

В качестве диспергирующих добавок можно использовать анионные, катионные, неионные и амфотерные соединения, либо как отдельные соединения, либо как смеси. Предпочтительными являются анионные сульфированные диспергаторы, используемые как соли щелочного металла или аммония. Еще более предпочтительными являются соли щелочного металла или аммония нафталинсульфонатов или алкилнафталинсульфонатов, конденсированных с формальдегидом.

Минимальное количество, которое необходимо для того, чтобы иметь наиболее высокую текучесть в течение стадии получения CWM, является функцией многих параметров, в частности, типа угля, его концентрации в суспензии, типа добавки.

Для показательных целей минимальная концентрация сульфированной добавки, типа соли нафталинсульфоновой кислоты, конденсированной с формальдегидом, необходимая для получения наиболее высокой текучести на стадии получения концентрированной суспензии, заключается в диапазоне 0,4-1,5% по отношению к полной массе суспензии.

Для целей иллюстрирования примерами, минимальная концентрация Daxad 15, необходимая для получения минимальной вязкости в суспензии, содержащей 62 мас. угля, имеющего характеристики, приведенные в табл. 1, оказалась равной 1,0 мас. (в расчете на массу суспензии).

Кроме воды, твердого топлива и диспергирующей добавки, в соответствии с настоящим изобретением суспензии могут содержать: смешивающиеся с водой органические вещества (например, C₁-C₆ алифатические спирты, такие как метанол, этанол и т. д. ), противовспенивающие вещества, стабилизирующие добавки (например, бентонит (раскрываемый патент Италии N 20456 A/85), полисахариды, ксантановые смолы и полиактиламиды), биоцидальные вещества и другие жидкие или полужидкие топлива, например: дизельное топливо, нефтяные остатки, нафта, нефтяной газ и т.д.

В соответствии с настоящим изобретением производство суспензии может быть осуществлено посредством различных процедур, предпочтительно, мокрым измельчением в две стадии, как раскрыто в вышеупомянутом патенте (Великобритания N 2099451).

Что касается решения, состоящего в единственном добавлении диспергирующей добавки на стадии получения суспензии, способ настоящего изобретения имеет преимущество, заключающееся в том, что при той же производительности перекачки достигается более высокая статическая устойчивость суспензии с последующей возможностью хранения в течение более длинных периодов времени как на начальной станции, так и на станции прибытия.

Следующие примеры приведены с целью лучшей иллюстрации настоящего изобретения.

Примеры
Приготовили различные водные суспензии колумбийского битумного угля (его характеристики см. в табл. 1) способом двухстадийного мокрого измельчения (как раскрывается в упомянутом GB, патенте N 2099451), используя Daxad 15 в качестве диспергирующей добавки (в последующем "D15") и в тех же случаях, бентонит в качестве стабилизирующей добавки. Времена измельчения контролировались таким образом, чтобы получить для всех суспензий один и тот же гранулометрический состав, характеризуемый средним диаметром 20±1 мкм и фракцией, остающейся выше сита с размером ячей 200 мкм, 7,0±0,5%
Вязкость суспензий измеряли ротационным вискозиметром, работающим при 10 с^-1, типичном значении для сдвиговой скорости при транспорте на длинные расстояния.

Поведение суспензии при перекачке моделировалось лабораторным испытанием (извлеченным из метода Metzner и Otto, Aiche Journal, 1957, т. 8, N 1, с. 3 и уже описанным в прошлом: см. 11-я Меж. Конф. по Гидравлическому Транспорту Твердых Тел в Трубах), в котором суспензию обрабатывают при постоянной скорости вращения так, чтобы эквивалентная сдвиговая скорость была бы 10 с^-1, и непрерывно измеряя скручивающее усилие. Посредством подходящих калибровок с жидкостями известной вязкости сигнал скручивания превращается в вязкость.

Результат испытания был суммирован как время, необходимое для достижения значения вязкости, которое является удвоенным относительно начального значения вязкости, или процентного увеличения вязкости, относительно к начальному значению вязкости, после установленного времени перемешивания.

Поведение при перекачке при низких значениях сдвиговой скорости симулировалось, как указано выше, но действуя при таких скоростях вращения, что эквивалентная сдвиговая скорость была 1 с^-1. Высоту осадка в конце перемешивающего испытания оценивали проникновением в указанный осадок твердого стержня из оргстекла массой 15 г ("тест на проникновение стержня"), обычно используемого для оценки устойчивости угольных суспензий (например, The Chem. Eng. Journal, 1985, т. 31, с. 175).

Результат теста был суммирован как высота осадка, которая выдерживает вес стержня.

Устойчивость при статических условиях оценивали посредством тестов на осаждение внутри стеклянных трубок (внутренний диаметр 40 мм, полезная высота 450 мм), термостатированных при 20^oC. В конце срока хранения, который был определен в 60 дн, содержимое трубки подразделяли на три части: головную, центральную и нижнюю части, и для каждой из указанных частей определяли концентрацию твердого вещества посредством гравиметрических измерений. Результат теста приводится как параметр, обозначенный "процент осаждения", S, вычисляемый следующим образом:
S (C_F -C^{среднее}•(C^макс C^{среднее}),
где C^{среднее} (C_т+C_M+C_F)/3,
C_т, C_M, C_F соответственно, концентрации твердого вещества в головной, центральной и нижней долях,
C^макс концентрация максимальной упаковки твердого вещества, полученная в нижней зоне испытательной трубки центрифугированием суспензии при 20000 об/мин (эквивалентно 49,000 раз гравитационного ускорения) в течение 20 мин.

При таком определении процент осаждения S может меняться в диапазоне от 0, для идеально устойчивой суспензии с гомогенным распределением концентрации (C_т= C_M=C_F), до 100, для совершенно неустойчивой суспензии, для которой C_F C^макс. В последнем случае осадок ведет себя как твердое тело и, очевидно, более не перекачиваем.

Характеристики угля, мас.

Влажность 6,1
Летучие вещества 36,4
Зола N 6,6
Связанный углерод (по различию) 50,9
Углерод 69,9
Водород 5,4
Азот 1,5
Сера 0,6
Кислород (по различию) 16,0
Теплоемкость 28,800 кДж/кг
Пример 1. Приготовили пять водных суспензий, содержащих 62,0% колумбийского угля, имеющего характеристики, представленные в вышеуказанной характеристике для угля и различные количества D 15. Оказалось, что оптимальный уровень D 15 для получения минимальной вязкости равен 1,0% (табл. 1).

Пример 2. Суспензии NN 2, 3, 4 и 5 подвергали тестам на устойчивость при перекачке и на осаждение. Устойчивость при перекачке, представленная как время, необходимое для достижения значения вязкости, которое является удвоенным от начальной вязкости, при одном и том же перемешивании увеличивается с увеличением уровней D 15. Напротив, статическая устойчивость уменьшается с увеличением уровней D 15 (табл. 2).

Пример 3. Суспензию N 3, соответствующую минимальному значению вязкости (табл. 1), подвергали симулированному тесту на перекачку, в котором к суспензии добавляли дополнительные количества диспергирующей добавки с помощью бюретки, как только вязкость достигала 5% увеличения относительно начального значения. Тест проводили в течение установленного времени 270 ч, равного времени теста для той же самой суспензии N 3 как в примере 2 (табл. 2), в котором не добавляли диспергирующего вещества. Полное количество D 15 (т.е. количество D 15, добавленное на стадии приготовления, плюс количество D 15, добавленное в течение теста) равно 1,2 мас. в расчете на суспензию.

Результаты при одном и том же времени перемешивания, включая полученные в Примере 2, в котором всю добавку добавляли на стадии приготовления, представлены в табл. 3. В третьей колонке указанной Таблицы представлено процентное увеличение вязкости после 270 ч перемешивания. При том же полном количестве D 15 (1,2 мас.) получили эквивалентную характеристику устойчивости при перемешивании.

Пример 4. На образцах, уже подвергнутых тесту на симулированную 270-часовую перекачку, как в Примере 3, провели тест на статическую устойчивость. Результаты представлены в табл. 4.

При том же самом полном количестве D 15 получены эквивалентные значения статической устойчивости.

Мы напоминаем, что, прежде чем быть подвергнутой стадии перекачки, суспензия N 3 проявляла более высокую устойчивость к осаждению, чем суспензия N 4 (Табл. 2).

Суспензия N 5, отличающаяся большим избытком D 15, оказалась, напротив, гораздо менее устойчивой, чем суспензия NN 3 и 4.

Пример 5 (Сравнительный пример). На суспензиях NN 3, 4 и 5 проводили симулированный тест перекачки с низкой сдвиговой скоростью в течение установленного времени 270 ч, полученные результаты представлены в табл. 5.

Суспензия N 5, отличающаяся большим избытком D 15, проявляет свидетельства осаждения.

Пример 6 (Сравнительный пример). Приготовили четыре суспензии одной и той же вязкости (1,20 Па•с при 10 с^-1) и содержащие один и тот же уровень D 15 (1,2 мас.) с различными количествами угля и бентонита, действующего как стабилизирующая добавка. Тот же самый показатель статической устойчивости суспензии N 3, т.е. имеющей минимальное значение вязкости (табл. 2), получили при содержании бентонита около 1,5% в расчете на суспензию, но за счет большого снижения уровня угля, который упал от 62 до 57 мас. Для суспензии, содержащей только 57 мас. угля, могут возникнуть трудности в горении из-за низкого значения теплоемкости такой суспензии.

Результаты представлены в табл. 6.

Использование: для получения концентрированных дисперсий угля в воде и транспортирования указанных дисперсий по трубопроводам. Сущность изобретения: согласно изобретению осуществляют приготовление и транспортирование концентрированных смесей угля в воде посредством особенной последовательности, подачи порций диспергирующей добавки. 5 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ приготовления и транспортирования по трубопроводам концентрированных смесей угля в воде, включающий стадию приготовления суспензии путем мокрого измельчения в присутствии одной или более диспергирующих добавок и стадию транспортирования посредством одной или более перекачивающих станций, отличающийся тем, что на стадии приготовления суспензии диспергирующие добавки вводят в количестве, минимально необходимом для получения начальной вязкости суспензии в диапазоне 0,8 1,5 Па•с при сдвиговой скорости течения 10 с^- 1, а на стадии транспортирования одной или более порциями вводят дополнительную диспергирующую добавку в количестве, обеспечивающем ограничение увеличения вязкости суспензии на величину, меньшую, чем 30% относительно начальной вязкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одной или более порциями вводят дополнительную добавку в количестве, обеспечивающем ограничение увеличения вязкости суспензии на величину, меньшую, чем 20% относительно начальной вязкости суспензии. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что диспергирующая добавка или смесь диспергирующих добавок принадлежит к классу сульфатов щелочных металлов или аммония. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что диспергирующая добавка принадлежит к классу нафталинсульфонатов или алкилнафталинсульфонатов щелочных металлов или аммония, конденсированных с формальдегидом. 5. Способ по одному из пп.1 4, отличающийся тем, что в течение стадии транспортирования контролируют величину диспергирующей добавки посредством установленных на трубопроводной линии вискозиметров и дозаторов этой добавки, приводимых в действие вискозиметрами при превышении предельно допустимой вязкости. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что контроль вязкости и доз добавки осуществляют на перекачивающих станциях трубопроводной линии посредством установленных на них вышеупомянутых вискозиметров и дозаторов.