СОСТАВ ДЛЯ БРИКЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК C10L5/48 C10L5/16 

Изобретение относится к технологии твердого топлива, в частности к составам для получения брикетов, состоящих в основном из углеродсодержащих материалов минерального происхождения, и может быть использовано в промышленности и быту.

Известен состав для брикетирования угля (авт.св. N 1452841, МКИ C 10 L 5/16, 1985), содержащий в качестве углеродистого наполнителя антрацитовый штыб крупностью 0 - 6 мм, зольностью A^d - 15% и влажностью W^p - 6%, а в качестве связующего - битум (марка БН - 4) и сульфидно-дрожжевую бражку (СДБ, массовая доля сухих веществ 51,6%; зольность - 12,8%; плотность - 1,255 г/см³) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум - 1,2 - 4,2
Сульфидно-дрожжевая бражка - 2,4 - 5,6
Антрацитовый штыб - 93,2 - 93,4
Для брикетирования готовят две шихты. Шихта на основе битума: антрацитовый штыб подсушивают до влажности 3 - 4% и затем смешивают с горячим нефтебитумом, взятым в количестве 6% от массы угля. Температуру при перемешивании поддерживают на уровне 80 - 90^oC.

Шихта на основе СДБ: антрацитовый штыб в воздушно-сухом состоянии (W^p-6%) смешивают с сульфидно-дрожжевой бражкой в количестве 8% от массы угля. Температура смеси при перемешивании - 20^oC.

Из полученных шихт в прессовальной камере формуют двухслойный брикет типа "ядро-оболочка". Количество шихты на основе битума варьируется в пределах 20 - 70% от массы брикета.

В табл. 1 представлена характеристика брикетов, полученных из указанного состава. Как следует из представленных характеристик, брикеты, изготовленные из этого состава, имеют пониженное качество, что характеризуется невысокими значениями прочности на сжатие и термоустойчивости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является состав для получения брикетированного (формованного) топлива (угля, кокса, сажи и т. д.), включающий измельченный углеродистый материал и в качестве органического связующего - отходы производства нефтяных масел с содержанием воды 7 - 30% при массовом соотношении углеродистого материала к отходам от 10 : 1 до 1 : 2 (US, патент N 3592779, кл. C 01 B 31/08, 1971).

Пересчет соотношений углеродистого материала к отходам производства нефтяных масел с учетом воды дает следующий состав, мас.%:
Углеродистый материал - 33,3 - 90,9
Отходы производства нефтяных масел - 8,5 - 45,2
Вода - 0,6 - 21,5
Для оценки качества брикетированного топлива, полученного согласно составу, нами был осуществлен следующий опыт. 100 г антрацитового штыба Аш ГОФ "Красная звезда" крупностью 0 - 6 мм и влажностью 5% смешивают с 22 г отходов производства нефтяных масел следующего состава, мас.%: органическая масса 77,20; серная кислота 1,90; вода 7,20; механические примеси 13,70 и водой в количестве 9,5 г. Указанные ингредиенты перемешивают при 95^oC.

Получают шихту следующего состава, мас.%:
Антрацитовый штыб - 76,0
Отходы производства нефтяных масел - 15,5
Вода - 8,5
Брикеты получали прессованием шихты при 65^oC и давлении 175 кг/см². Получено твердое топливо, обладающее механической прочностью - прочность на сжатие 73,5 кг/см²; прочность на сбрасывание 70,9%; термоустойчивостью 1,7 кгс; при достижении высокой теплотворной способности (табл. 4, пример 23).

Как следует из представленных характеристик брикетированного топлива, основным недостатком брикетов, изготовленных из этого состава, является их низкое качество, что выражается в низких значениях механической прочности (на сжатие и сбрасывание) и термоустойчивости. Это приводит к большим потерям при транспортировке брикетов и их использовании, а также к загрязнению окружающей среды.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав для брикетированного топлива, в котором использование нового органического связующего - нейтрализованных отходов нефтеперерабатывающих производств в сочетании с углеродистым наполнителем - углем обеспечило бы повышение качества топливных брикетов за счет увеличения механической прочности и термоустойчивости.

Следует подчеркнуть, что использование в качестве связующего указанных отходов, в частности так называемых кислых гудронов, занимающих большие площади, одновременно решит экологическую задачу, т.к. позволит освободить земельные площади для более рационального их использования.

Необходимо также отметить, что использование упомянутых ингредиентов одновременно расширит базу для получения высококалорийного топлива на Украине путем использования отходов перерабатывающей и угледобывающей промышленности.

Для решения поставленной задачи предложен состав для брикетированного топлива, состоящий из угля, отходов производства нефтяных масел, нейтрализованных кальцийсодержащим реагентом, с зольностью 26 - 28%, и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Отходы производства нефтяных масел, нейтрализованные кальцийсодержащим реагентом, с зольностью 26-28% - 14,4 - 22,0
Уголь - 68,5 - 77,1
Вода - До 100
Отличительными признаками предложенного состава является использование в качестве отходов производства нефтяных масел отходов, нейтрализованных кальцийсодержащим материалом, с заявляемой зольностью, а также количественное соотношение используемых ингредиентов.

Отходы производства нефтяных масел, нейтрализованные кальцийсодержащим материалом (в дальнейшем - нейтрализованный продукт) представляют собой продукт, качественные показатели которого представлены в табл. 2.

Для получения нейтрализованного продукта берут отходы производства нефтяных масел, имеющие следующий количественный и качественный состав, мас.%: органическая масса 77,2 - 90,5; серная кислота 1,85 - 3,36; механические примеси 10,0 - 13,75; вода 4,0 - 7,2.

Нейтрализованный продукт получают путем обработки отходов производства нефтяных масел реактивным карбонатом кальция и кальцитом с содержанием CaCO₃ не менее 95% или доломитом с содержанием CaCO₃•MgCO₃ не менее 85%. Степень помола природных карбонатов составляет 80 - 100 мкм.

С целью улучшения условий использования, транспортирования и хранения полученную реакционную массу подвергают сушке с последующим дроблением.

Установлено, что при смешении угля-углеродистого наполнителя (антрацитовый штыб, угольный концентрат) с органическим связующим - отходами производства нефтяных масел, нейтрализованными кальцийсодержащим материалом, с зольностью 26 - 28%, в нагретом состоянии, с последующим механическим воздействием - прессованием под давлением - происходит физико-химическое взаимодействие компонентов связующего с твердыми частицами наполнителя, что приводит к резкому увеличению сил сцепления во всем объеме массы и как следствие к значительному повышению механической прочности и термоустойчивости брикетов, изготовленных из предложенного состава.

Таким образом, заявленный состав для брикетированного топлива обеспечивает получение качественного твердого топлива, обладающего высокой механической прочностью: прочностью на сжатие 116 - 153 кГс/см² и прочность на сбрасывание 97 - 98,5%; невысоким водопоглощением 4,0 - 5,9% и повышенной термоустойчивостью 3 - 4,5 кГс при достижении высокой теплотворной способности Q_низ. - 5825 - 6132 ккал/кг, Q_выш. - 7885 -8224 ккал/кг.

Состав для брикетированного топлива готовят следующим образом.

В качестве твердого углеродистого наполнителя используют антрацитовый штыб, обогащенный ГОФ "Красная звезда", крупностью 0 - 6 мм и угольный концентрат марки "Г" ЦОФ "Луганская" крупностью 0 - 6 мм, технический анализ которых представлен в табл. 3.

Шихту для производства брикетов получают смешением всех ингредиентов: антрацитового штыба с влажностью 4 - 5% или угольного концентрата с влажностью 6 - 8%, нейтрализованного продукта в виде порошка и воды в заявляемых соотношениях. Смешение осуществляют при 90 - 95^oC. Брикетирование полученной шихты осуществляют на вальцовых прессах фабрики "Донецкая": температура прессования 60 - 80^oC; давление прессования 170 - 180 кг/см². Изготовленные брикеты подвергают естественному охлаждению.

Как следует из характеристики отходов производства нефтяных масел, нейтрализованных кальцийсодержащим материалом, нейтрализованный продукт характеризуется высоким содержанием органических веществ и серы. В связи с этим были проведены физико-химические исследования продуктов горения брикетов, содержащих углеродистый наполнитель и нейтрализованный продукт. Исследования выполнены на газовом хроматографе "Цвет-100" и масс-спектрометре ИХ-1320. Согласно санитарно-химическому и санитарно-гигиеническому заключениям Республиканского научно-гигиенического центра Министерства охраны здоровья Украины, полученных авторами, продукты горения брикетов при нормальном давлении и избыточном количестве воздуха представлены смесью органических веществ III и IV классов опасности (вещества "мало" и "умеренно" опасные), содержащей диоксид серы и сероводород. По количественному содержанию в продуктах горения диоксида серы и сероводорода брикеты топливные с добавкой нейтрализованного продукта с точки зрения эколого-гигиенической опасности могут быть приравнены к высокосернистым мазутам - продуктам, широко используемым в топливной энергетике, что подтверждается следующими данными, представленными в табл. 4.

Пример выполнения по изобретению.

Берут 100 г антрацитового штыба АШ ГОФ "Красная звезда" крупностью 0 - 6 мм и влажностью 5%; 18,2 г нейтрализованного продукта - отходов производства масел, нейтрализованных кальцитом в виде порошка, и 13,9 г воды. Указанные ингредиенты перемешивают при 95^oC.

Полученная шихта имеет следующий состав, мас.%:
Антрацитовый штыб - 75,7
Нейтрализованный продукт - 14,4
Вода - 9,9
Прессование шихты производили на отечественном прессе: температура прессования 60^oC, давление прессования 175 кг/см².

Опытную партию брикетов испытывали на механическую прочность [ГОСТ 21289 - 75] - прочность на сжатие и прочность на сбрасывание (остаток +25 мм); водопоглощение [ГОСТ 21290 - 70]; термоустойчивость (Крохин В.Н. Брикетирование углей./Учебник для техникумов/ - М.: Недра, 1974. - 212 с; и Тайц Е.М. , Андреева И.А. Методы анализа и испытания углей. - М.: Недра, 1983) и теплотворную способность (Карапетьянц Н.Х. Химическая термодинамика, - М.: Химия, 1975 г.).

Характеристика брикетов представлена в табл. 5, пример 1: получено твердое высококалорийное топливо, обладающее высокой механической прочностью - прочность на сжатие 127 кг/см², прочностью на сбрасывание - 97,5%; высокой термоустойчивостью 3,8 кГс при достижении водопоглощения на уровне 4,0%.

В табл. 5 отражены составы для брикетированного топлива, полученные с использованием различной природы углеродистого наполнителя и содержащие отходы производства нефтемасел, нейтрализованные различной природы кальцийсодержащим материалом, количество которых находится как в заявляемом диапазоне, так и за его пределами.

Установлено, что количественный и качественный состав для брикетированного топлива выбран из условий, обеспечивающих повышенное качество твердого топлива, которое характеризуется высокими показателями теплотворной способности, механической прочности, термоустойчивости и водопоглощения (табл. 5, примеры 1 - 14).

Оптимальными с точки зрения достижения технического результата является содержание в составе для брикетированного топлива нейтрализованного продукта в диапазоне (14,4 - 22,0) мас.% с зольностью 26 - 28 A^d%.

Содержание в составе нейтрализованного продукта ниже заявляемого предела не обеспечивает брикетированному топливу высокой механической прочности: прочность на сжатие достигает всего лишь 78,5 кг/см², прочность на сбрасывание - 83,3% (табл. 5, пример 16).

Верхний предел содержания нейтрализованного продукта в заявляемом составе ограничен тем, что дальнейшее увеличение практически не способствует повышению качества брикетированного топлива (табл. 5, пример 15), при этом количество серы в топливе возрастает до такого содержания, при котором в продуктах горения брикетов образуется количество диоксида серы (6,9%), превышающее таковое в продуктах горения мазута высокосернистого (6,0%), что не соответствует санитарным требованиям по содержанию диоксида серы в топочных газах, выбрасываемых в атмосферу.

Заявляемая зольность нейтрализованного продукта, равная 26 - 28%, обеспечивается условиями нейтрализации отходов производства нефтяных масел.

Зольность нейтрализованного продукта, равная, например, 22%, является характеристикой продукта, в котором кальцийсодержащего реагента недостаточно для нейтрализации отходов. Это отрицательно сказывается на таких характеристиках брикетов, как механическая прочность и термоустойчивость (табл. 5, пример 22).

Зольность нейтрализованного продукта выше 28%, например 32%, достигается при избыточном количестве кальцийсодержащего реагента, что придает брикетам низкую термоустойчивость и механическую прочность (табл. 5, пример 21).

Оптимальными значениями содержания углеродистого наполнителя в составе, обеспечивающими высокое качество брикетированного топлива в заявляемом диапазоне содержания нейтрализованного продукта, являются 68,5 - 77,1 мас.%.

Запредельное снижение содержания углеродистого наполнителя, например антрацитового штыба, возможное при запредельном повышении содержания нейтрализованного продукта, приводит к получению брикетированного топлива, характеризующегося высоким водопоглощением, низкими значениями термоустойчивости и теплотворной способности, несмотря на высокую механическую прочность (табл. 5, пример 17).

При запредельном повышении содержания антрацитового штыба, возможном при запредельном снижении содержания нейтрализованного продукта, происходит резкое снижение механической прочности брикетов (на сжатие и сбрасывание), однако при этом брикеты имеют низкое водопоглощение и высокую термоустойчивость (табл. 5, пример 18).

Существенным моментом является содержание воды в составе для брикетированного топлива. Как избыток воды в составе (пример 19), так и ее недостаточное количество (пример 20) приводит к резкому уменьшению механической прочности (на сжатие и на сбрасывание) и термоустойчивости брикетов. Кроме того, при запредельном снижении содержания воды значительно повышается водопоглощение топливных брикетов.

Нами экспериментально установлена оптимальная величина влажности углеродистого наполнителя, обеспечивающая получение брикетов с высокой механической прочностью: для антрацитового штыба 4 -5 мас.%; для угольного концентрата 6 - 8 мас.%. Использование углеродистого наполнителя с влажностью, величина которой находится за указанными диапазонами, приводит к резкому уменьшению механической прочности топливных брикетов.

Преимущества предложенного состава для брикетированного топлива по сравнению с известными подтверждается данными, представленными в табл. 5.

Как следует из сопоставительного анализа характеристик брикетированного топлива, предложенный состав превосходит известный состав для брикетированного топлива, что выражается повышением качества брикетов из предложенного состава путем увеличения механической прочности на сжатие с 73,5 до 116 - 153 кг/см², т.е. в 1,6 - 2,0 раза; механической прочности на сбрасывание с 70,9 до 97 - 98,7%, т.е. в ~1,4 раза; повышения термоустойчивости с 1,7 до 3,0 - 4,5 кГс, т.е. в 1,7 - 2,7 раза; при этом водопоглощение и теплотворная способность находятся на уровне топлива из известного состава.

Следует отметить, что характеристики качества брикетного топлива, полученного согласно техническому решению (аналог), определяющего технические параметры уровня техники, несколько выше характеристик брикетов прототипа. Однако качество брикетов, полученных из предложенного состава, значительно превышает этот уровень: механическая прочность на сжатие увеличивается в 1,8 - 2 раза; термоустойчивость повышается в 1,4 - 1,9 раза; при достижении высокой теплотворной способности брикетов, соответствующий уровню сортового антрацита.

Достоинством предложенного состава является небольшая дымность брикетов при сжигании, о чем свидетельствует низкий выход летучих веществ. При этом следует отметить, что использование топливных брикетов из предложенного состава вносит большой вклад в решение задачи защиты окружающей среды.

Изобретение относится к технологии твердого топлива, в частности к составам для получения брикетов, состоящих из углеродсодержащих материалов минерального происхождения. Задачей изобретения является разработать состав брикетированного высококалорийного топлива, обладающего высокой механической прочностью, термоустойчивостью при достаточно низком водопоглощении. Задача решается составом для брикетированного топлива, содержащим, мас.%: отходы производства нефтяных масел, нейтрализованные кальцийсодержащим материалом, с зольностью 26 - 28% 14,4 - 22,0; уголь 68,5 - 77,1 и вода - до 100. Использование ингредиентов состава позволит также расширить базу для получения высококалорийного топлива на Украине путем использования отходов нефтехимической промышленности и отходов угледобычи. 5 табл.

Состав для брикетированного топлива, включающий уголь, отходы производства нефтяных масел и воду, отличающийся тем, что он содержит отходы производства нефтяных масел, нейтрализованные кальцийсодержащим реагентом, с зольностью 26 - 28% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Отходы производства нефтяных масел, нейтрализованные кальцийсодержащим материалом, с зольностью 26 - 28% - 14,4 - 22,0
Уголь - 68,5 - 77,1
Вода - До 100л