СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК C10L9/00 C10F7/04 

Изобретение относится к способам изготовления удлиненных гранул и может быть использовано в производстве топлива, преимущественно из торфа или смесей торфа, древесной стружки, угольной мелочи и других главным образом горючих материалов.

Известен способ получения гранулированного топлива в форме удлиненных гранул из смеси целлюлозного волокнистого материала, термопластичной смолы и других добавок по патенту США N 5342418, кл. C 10 L 7/00 от 30.08.93 [1].

Этот способ включает тонкое измельчение целлюлозного волокнистого материала, смешивание с добавками и смолой, формование гранул продавливанием через фильеры гранулирующего устройства.

Способ [1] имеет узкое применение, т.к. для его осуществления необходимо использование дефицитной смолы, а продавливание через фильеры требует дорогостоящих операций - тонкого измельчения и дозирования смеси в жестких границах плотности и влажности.

Известна матрица для прессования торфа, содержащая корпус с каналом и двумя канавками винтовой формы на его поверхности.

На входе в канал имеется сужающийся выпуклый участок, а на выходе - расширяющийся участок по патенту РФ N 2008321, кл. C 10 L 7/06 от 03.05.89 [2] .

Прессование торфа осуществляют циклично штемпелем. Способ прессования состоит из первоначального формования торфа, затем поперечного обжатия на входе в сужающийся выпуклый участок канала и уплотнения в канале путем торможения в его стенках.

Для увеличения сопротивления формуемый брикет поворачивают посредством двух канавок, расположенных на поверхности канала.

Устройство и способ [2] имеют существенные недостатки при формовании топливных гранул удлиненной формы. К ним относятся: нерациональность пресса, связанная с необходимостью обратного хода штемпеля; для прессования с поворотом материала в канавках канала необходимо обеспечить характеристики торфа в жестких границах, а это связано с дополнительными экономическими затратами на сушку, измельчение, гомогенизацию, подбор добавок.

Известно устройство для переработки и формования гранул из пластичных материалов повышенной вязкости, например сапропелей по авт. св. СССР N 893535, B 28 B 3/22, B 30 B 11/24 от 30.12.81 [3], содержащее корпус с бункером, шнек с ножом, матрицу в виде перфорированного диска, сетку и дополнительный перфорированный диск, состоящий из двух половин.

По способу формования гранул известное устройство [3] наиболее близко к предлагаемому изобретению по существенным признакам: предварительное поперечное обжатие продавливанием в каналах матрицы основного перфорированного диска и дополнительное формование в каналах дополнительного перфорированного диска.

По большинству сходных существенных признаков выполняемых при формовании операций с заявляемым способом устройство [3] принято за прототип.

Формование гранул согласно [3] имеет существенные недостатки: уплотненный в матрице материал разрушается сеткой и затем снова одностадийным обжатием уплотняется в коротких каналах дополнительного диска; тем самим не обеспечивается прочность гранул, необходимая для их транспортирования без упаковки, а также оптимальные размеры гранул, необходимые для обеспечения быстрой сушки и эффективного сгорания.

Цель изобретения - формование из торфа или смесей торфа, древесной стружки, угольной мелочи и других преимущественно горючих веществ (далее - "материала") удлиненных топливных гранул оптимальных размеров и повышенной прочности для обеспечения ускоренной сушки, транспортирования с сохранением их целостности и эффективного использования в традиционных топках без их существенных конструктивных изменений. Кроме того, формование гранул должно обеспечиваться также в случае наличия исходного сырья различной консистенции.

Необходимость формования удлиненных гранул продиктована их лучшими потребительскими свойствами и более компактной укладкой в транспортные средства в сравнении с короткими гранулами.

Поставленная цель достигается тем, что после предварительного уплотнения материала в сужающихся участках перфорированной матрицы с углом уклона внутреннего конуса 30 - 50^o осуществляют дополнительное уплотнение со сдвигом периферийных слоев в повторно сужающихся участках с углом уклона внутреннего конуса 15 - 25^o, а окончательное формование - уплотнением в каналах с различным отношением их длин к диаметрам, образующих от центра матрицы к ее периферии из рядов формы правильного шестиугольника блок переменного сопротивления, описанный внутренним контуром прессующего корпуса на выходе, причем в каждом ряду каналы с минимальным и максимальным отношением длины к диаметру чередуются через один.

Кроме того, количество N формующих каналов в рядах и центре матрицы определяют по зависимости

где j - номер ряда, считая от центрального отверстия к периферии матрицы,
k - коэффициент использования каналов периферийного ряда, k = 0,5 - 1,0,
n - количество рядов каналов, целое число, 5 ≥ n ≥ 0, n = 0,5 • (D/M - 1), (2)
где D - диаметр внутреннего контура прессующего корпуса на выходе,
М - определяющий геометрический параметр формования.

Минимальные (1/d) min и максимальные (1/d) max отношения длин к диаметрам каналов постоянного поперечного сечения определяют по зависимостям:
(1/d)min = A + q • j (3),
(1/d)max = Б + q • j, (4),
где j - номер ряда, n ≥ j ≥ 0,
А и Б - значения 1/d при j=0, т.е. для центрального отверстия,
q - коэффициент, характеризующий рост 1/d в направлении от центра к периферии матрицы.

Параметр "М" является также модулем, характеризующим расположение соседних каналов вдоль сторон правильного шестиугольника соответствующего ряда и вдоль сторон каждого из шести нейтральных углов шестиугольника (см. фиг. 2) и равным диаметру (см. фиг. 3) участка предварительного формования материала на входе.

Параметр "М" выбирается, исходя из требований к размерам гранул и диаметра прессующего корпуса.

Например, для гранулы массой до 150 г и диаметра внутреннего контура прессующего корпуса на выходе 350 мм параметр М = 50 мм.

Коэффициент "k" равен 1 при использовании для формования всех каналов периферийного ряда; k = 0,5 при использовании половины каналов. Коэффициент "k" выбирается исходя из свойств материала с учетом того, что количество формующих каналов должно быть целым числом.

К отличительным признакам заявляемого способа относятся: дополнительное уплотнение материала со сдвигом его периферийных слоев в повторно сужающихся участках; окончательное формование путей уплотнения в каналах с различным отношением длин к диаметрам каналов круглого или близкого к круглому эквивалентного постоянного поперечного сечения; чередующиеся сопротивления внешнему трению в каналах каждого ряда, характеризуемые минимальным и максимальным отношением длин каналов к их диаметрам, обеспечивающими формование удлиненных гранул повышенной прочности из материала различной консистенции; зависимость для определения количества формующих каналов.

Новые признаки можно отнести к существенным на основании нижеследующего.

Дополнительное уплотнение со сдвигом периферийных слоев в повторно сужающихся участках с углом уклона внутреннего конуса 15 - 25^o позволяет более плавно, чем в предыдущих участках с большим углом уклона, уплотнить слои материала путем постепенного повышения напряжения сдвига в периферийных слоях без разрыва сплошности последних.

Дальнейшее продвижение материала по каналу постоянного поперечного сечения благодаря пристенному трению уплотняет и упрочняет материал.

Сущность процесса формования дается ниже в соответствии с современными представлениями в области физико-химической механики.

При формовании вследствие трения торфа или смесей торфа, древесной стружки, угольной мелочи и других преимущественно горючих материалов, в том числе нефтепродуктов, отходов нефтепереработки, о твердую поверхность (в частности рабочих органов экструдера) происходит процесс дислокации, выражающийся в поступлении из основной массы материала к поверхности трения, как области существования наибольших напряжений, пузырьков газа, водяного пара, жидкости и мельчайших частиц дисперсной фазы с образованием гелеподобного слоя.

При принятых конструкции экструдера и скоростях формования дислокация успевает развиться, но не завершается полностью в процессе взаимодействия материала с рабочими органами, следствием чего является различная консистенция материала по поперечному сечению корпуса экструдера, т.е. вблизи от поверхности трения материал наименее жесткий, как содержащий наибольшее количество газа, пара и жидкости. Чем ближе к центру корпуса, тем материал более жесткий и менее подвижный. Ввиду этого сопротивление истечению материала по мере приближения к центру должно уменьшаться. Фактически это осуществляется таким образом, что отношения длин каналов к их диаметрам (отношение согласно общепринятым представлениям характеризует усилие сопротивления внешнему трению) также в целом уменьшаются в направлении к центру.

Следует также иметь в виду, что даже на одинаковом расстоянии от центра корпуса консистенция материала разная, что обусловлено как спецификой воздействия на материал рабочих органов, так и различием исходных свойств сырья даже при наличии достаточного перемешивания. Учет свойств сырья особенно важен для таких материалов как торф, являющийся сложной полидисперсной многокомпонентной системой, свойства которой зависят от множества факторов, например степени разложения, глубины залегания, механического воздействия, химического состава.

Таким образом, даже насадки в пределах одного ряда должны иметь различные сопротивления истечению, т.е. различные отношения длин к диаметрам каналов насадок.

Наличие в матрице каналов только равного сопротивления с малыми отношениями их длин к диаметрам (как в известных устройствах) приводит к недостаточному уплотнению и упрочнению гранул.

Наличие только каналов равного сопротивления, но с большим отношением их длин к диаметрам приводит (в случае попадания в зону формования порций материала с повышенной жесткостью, соизмеримых по объему с емкостью корпуса) или к забиванию части каналов (исключая каналы периферийного ряда, через которые происходит истечение нежесткого материала, насыщенного в результате дислокации газом, паром и жидкостью), или к полному забиванию всех каналов матрицы в случае недостаточного поступления к поверхностям трения жидкой и газообразной фаз материала.

При наличии чередующихся каналов большого и малого сопротивления материал стремится течь сначала через каналы с малым сопротивлением и через каналы периферийного ряда, взаимодействующие с наиболее текучим материалом. При имеющей место на практике большой скорости подачи весь материал не успевает пройти через указанные каналы. Поэтому материал течет или стремится течь и через каналы с большим сопротивлением. Однако при попадании в последние более жесткого материала может иметь место их забивание с образованием "пробок", которые, находясь в окружении каналов с движущимся материалом (ввиду чередования каналов с большим и меньшим сопротивлением через один), насыщаются жидкостью, паром и газами, выполняющими функцию смазки и уменьшающими коэффициент внешнего трения. Описанный процесс в конечном итоге приводят к удалению "пробки" и выполнению соответствующим каналом своей функции.

Удаление ускоряется действием на "пробки" подпирающего материала, испытывающего со стороны движущегося рабочего органа пульсирующие нагрузки, характер изменения которых при соответствующей конструкции экструдера можно максимально приблизить к ударному.

Принимая во внимание отсутствие в известных способах трех стадий формования и чередующихся переменных сопротивлений каналов матрицы, в результате приведенного анализа можно сделать вывод, что признаки не известны из информационных источников, являются новыми и существенными.

Способ иллюстрируется фиг. 1 - общий вид корпуса и матрицы с каналами; фиг. 2 - вид А; фиг. 3 - повернутый разрез по Б-Б.

Формование согласно способу состоит в том, что материал шнеком или другим рабочим органом продавливают через корпус 1 в сужающиеся участки 2, цилиндрические участки 3 перфорированной матрицы 4, далее в дополнительные сужающиеся участки 5 и в каналы 6 постоянного поперечного сечения длиной "l" диаметром "d", находящиеся в центре и рядах 7.

Отформованные гранулы под действием собственного веса отделяются от каналов и поступают на следующий технологический передел.

В сужающихся участках 2 матрицы, выполненных с углом уклона внутреннего корпуса внутреннего конуса 30 - 50^o, при предварительном формовании материал объемно уплотняется со сдвигом слоев и возникновением внутренних напряжений, в цилиндрических участках 3 напряжение частично стабилизируется. В сужающихся участках 5, выполненных с углом уклона внутреннего конуса 15 ^oC 25^o, осуществляется дополнительное объемное уплотнение со сдвигом меньших по толщине наружных слоев материала, чем в участках 2, что способствует уменьшению внутренних деформаций и процессу формообразования.

В каналах 6 под воздействием сопротивления от сил трения завершаются уплотнение и процесс формообразования. В этих каналах также имеет место описанный процесс дислокации с образованием гелеподобного слоя на стенках каналов. Благодаря этому слою коэффициент внешнего трения меньше, чем коэффициент внутреннего трения материала, что обеспечивает его движение в каналах как тела с ядром, в котором отсутствует сдвиг частиц относительно друг друга, но имеют место напряжения сжатия, обеспечивающие окончательное уплотнение материала по мере движения в каналах.

Сразу после выхода гранул из каналов происходит важнейший для топлива процесс влагоудаления путем выброса водяных паров и газов в результате физического эффекта дросселирования давления до атмосферного, что подтверждено замерами влажности материала до и после его выхода из каналов.

Описанный эффект усиливается капиллярно-пористой составляющей структуры, тем большей, чем больше в материале волокнистого компонента, например древесной стружки или слаборазложившегося торфа.

Волокнистая составляющая материала в процессе прессования и формования диспергируется на более мелкие волокна с многократным раскрытием новых поверхностей, которые образуют в структуре каркас, выводящий по капиллярам влагу наружу.

При предлагаемом способе в сравнении с известными имеет место более эффективное использование волокнистого компонента, т.е. его ввод в материал при влажности компонента не более 15% непосредственно перед перемешиванием. В таких условиях волокна не успевают при формовании вобрать в себя максимум влаги, а большая ее часть находится в межчастичном пространстве материала, обеспечивая тем самым процесс его течения в зонах прессующего рабочего органа и формующего устройства.

После формования волокна продолжают вбирать в себя влагу материала и выводить ее в процессе воздушного обдува наружу через капилляры.

Отмеченные особенности ввода волокнистого компонента в материал позволяют уменьшить формовочную влажность на 3 - 6%. Тем самим уменьшаются затраты на последующее влагоудаление.

Кроме того, при наличии сдвиговых напряжений под давлением сжатия образуются путем расщепления волокон на более мелкие новые поверхности, что ввиду недостатка влаги и, как следствие, возникновения "сухого" трения приводит к нагреву материала с парообразованием (при длительной безостановочной работе), а в дальнейшем к усилению эффектов дросселирования и сушки.

Влагоудаление с использованием нагрева материала в рабочей зоне экструдера в сравнении с традиционной сушкой в туннелях, камерах, барабанах и других агрегатах более рационально, так как рабочая зона экструдера герметична, при этом рабочие органы, находясь преимущественно в окружении материала, отдают тепло не в пространство, а в материал. Тем не менее использование нагрева материала в рабочей зоне при наличии высоких коэффициентов внутреннего и внешнего "сухого" трения не исключает применения традиционного влагоудаления, но с меньшим энергопотреблением.

Гелеподобный слой, являясь дисперсной системой с жидкой дисперсионной средой, обладает некоторыми свойствами твердых тел (способность сохранять форму, прочность, упругость, пластичность). Эти свойства обусловлены существованием структурной сетки (каркаса), образуемой частицами дисперсной фазы, которые связаны между собой молекулярными силами, и используются для упрочнения периферийных слоев гранул (с применением сушки путем, например, обдува).

Из изложенного следует, что для максимального использования эффекта дросселирования и свойств гелеподобного слоя при разработке технологического процесса с целью интенсификации влагоудаления из гранул и их упрочнения следует увеличивать количество формующих каналов. Это равносильно увеличению поверхности влагоудаления.

Для корректировки описанных процессов формования каналы выполняются с возможностью изменения их положения в матрице в продольном направлении.

Каналы с минимальным отношением длины к диаметру чередуются через один с каналами с максимальным отношением, т.е. в каждом ряду половина формующих каналов - с минимальным отношением, другая половина - с максимальным.

Часть каналов может быть занята под крепежные элементы. В случае если под них занято четное число каналов, то число формующих каналов с минимальным отношением длин к диаметрам равно числу каналов с максимальным отношением.

Если под крепежные элементы занято нечетное число каналов, то каналов с минимальным отношением на единицу больше каналов с максимальным отношением.

С использованием приведенных выше формул (3) и (4) составлена табл. 1 для наиболее употребительных вариантов формования.

Согласно данным испытаний для различных материалов q = 0,23 (среднее значение); А = 0,9 - 1,2; Б = 1,4 - 1,7.

После подстановки этих числовых данных формулы приобретают следующий вид:
(1/d)min = (0,9 - 1,2)+0,23•j; (1/d)max = (1,4 - 1,7)+0,23•j
А и Б являются условными значениями, полученными путем аппроксимирования линейной функции отношений применительно к значению j = 0, что соответствует центральному отверстию.

Фактически ввиду того, что центральное отверстие одно, конструктивно выбирается одно значение (минимальное, максимальное или промежуточное) в зависимости от консистенции материала (с увеличением его жесткости отношение длины канала к диаметру уменьшается).

Возможен случай, когда ряды каналов отсутствуют и остается один центральный формующий канал. При этом условии отношение длины канала к его диаметру существенно выше приведенных значений А, Б и находится в пределах 4 - 15, что можно объяснить наличием гелеподобного слоя, образующегося только на внутренней поверхности единственного канала.

Для примерного расчета каналов можно применить аналогичную приведенной выше (1) формулу для определения количества N формующих каналов

В этой формуле первый член - число каналов вне рядов, т.е. в центре матрицы, второй - количество каналов в рядах матрицы, третий - число каналов периферийного ряда, занятое под крепежные элементы, которые осуществляют поджатие насадок с каналами к матрице.

Число занятых каналов периферийного ряда и число формующих каналов того же ряда в сумме равно общему числу каналов ряда, т.е. 6 • n, причем "n" выбирается из условия (см. также фиг. 2, 3):
D = 2 • n • M + M или D = M • (2 • n + 1) (6)
Из последней формулы следует:
n = 0,5 • (D/M - 1) (7)
С использованием формулы (5) составлена табл. 2 для наиболее употребительных вариантов формования.

Система расположения рядов каналов в виде шестиугольников, составленных из элементарных равносторонних треугольников со стороной - параметром "М" (см. фиг. 2), дает способу дополнительные преимущества: горизонтальные оси соседних каналов располагаются вдоль одной линии, причем это справедливо для всех горизонтальных уровней (число таких уровней N_r = 2n + 1).

Изложенная система расположения каналов в матрице позволяет упростить и удешевить изготовление формующего оборудования для реализации способа и применить простое устройство для приема гранул, состоящее из установленных на всех уровнях или их части приемников разной длины.

Устройство обеспечивает сброс гранул в оснастку в заданное место с целью упорядоченного, компактного распределения гранул в ней (с возможностью регулирования) без вмешательства оператора или без применения автоматизированных распределительных устройств.

На фиг. 1-3 устройство не показано.

Расположение каналов не по шестиугольной системе (пяти-, восьмиугольной или любой другой) дает неравномерное по горизонтали и вертикали распределение каналов в матрице, а значит в дополнение к дислокации (которая является неизбежным явлением при деформации материалов, но с достижением положительного эффекта использована в предлагаемом способе формования, см. выше) добавочную неопределенность, связанную с существенным различием условий и скоростей формования материала для различных каналов и как следствие с получением гранул различных плотности и прочности.

Согласно фиг. 2 сторона шестиугольника любого ряда равна M • j (1 ≤ j ≤ 5), расстояние между верхним и нижним уровнями, равное минимальному габариту шестиугольника периферийного ряда, составляет 2 • n • M • cos 30^o или 1,73 • n • M, а максимальный габарит этого же шестиугольника равен 2 • n • M.

Положительный эффект применения предлагаемого способа состоит в том, что он обеспечивает трехстадийное формование в одном экструдере, снабженном одним формующим устройством и выполняющем несколько функций: предварительное, основное и окончательное формование.

Предварительное формование осуществляет подготовку материала к основному формованию (в традиционных технологиях подготовка материала осуществляется в специализированных агрегатах и устройствах, что в сочетании с дополнительными затратами, связанными с оборудованием, нерационально по существу, т.к. под действием сил упругого последействия материал перед поступлением на следующий передел успевает разуплотниться).

Основное формование осуществляет дополнительное уплотнение материала, причем ввиду отсутствия предварительного разрушения и разуплотнения рационально используется уплотнение на предварительной стадии.

Окончательное формование завершает уплотнение и калибрование материала, т.е. в наименьшей степени изменяет его структуру.

Использование параметра "M" позволяет равномерно располагать в матрице формующие каналы, которые обеспечивают формование гранул малых размеров. Это имеет важное значение для влагоудаления, как одного из наиболее затратных переделов технологического процесса.

Эффективность влияния геометрических параметров изделия по предлагаемому способу на интенсивность влагоудаления (сушки) подтверждается также нижеприведенным расчетом.

Применим одно из понятий теории сушки - определяющий размер R изделия, т.е. величину, равную отношению объема V изделия к его полной поверхности S.

Экспериментально установлена следующая зависимость срока сушки t от определяющего размера (см. Духовный М.Л. Коен Г.Н., Копп В.Г., Орделли М.А., Юцис М.Л. Сушка строительной керамики. -М.: Стройиздат, 1967):
t = А • R^p (8)
где А, p - параметры, определяемые опытным путем.

Сравним сроки сушки известных брикетов (диаметр 70 мм, длина 400 мм) и топливных гранул по предлагаемому способу (диаметр 30 мм, длина 100 мм), причем сравниваемые изделия равноплотны и изготовлены из одинакового сырья. Для сопоставимости объемы сравниваемых изделий равны, условия сушки одинаковы, что означает равенство параметров А и p.

Для определения того, во сколько раз срок сушки брикетов t_б больше срока сушки гранул t_г, с использованием формулы (8) для t найдем отношение
t_б/t_г = (S_г/S_б)^p (9)
где S_г - полная поверхность гранул,
S_б - полная поверхность брикетированного топлива того же объема.

С учетом того, что один брикет по объему соответствует 22 гранулам согласно приведенным выше размерам изделий, получено
t_б/t_г=(2,5)^p
Принимая параметр "p" равным 2 (на основании данных испытаний), расчетным путем получено, что срок сушки гранул в 6,2 раза меньше срока сушки брикетов.

В целом предлагаемый способ позволяет уменьшить капитальные затраты в 1,2, а эксплуатационные расходы - в 1,4 раза.

Способ формования топлива в виде удлиненных гранул из торфа или смесей торфа, древесной стружки, угольной мелочи и других преимущественно горючих отходов используется при производстве топлива, применяемого для коммунально-бытовых нужд. Согласно способу в каналах формующего устройства осуществляют предварительное, основное и окончательное формование, причем каналы расположены в центре и рядами в виде правильных многоугольников, а в каждом ряду каналы с минимальными и максимальными отношениями их длин к диаметрам чередуются через один. Предложен расчет оптимального количества формующих каналов с приведением соответствующей математической зависимости. Получаемая удлиненная форма гранул обладает лучшими потребительскими свойствами и более компактной укладкой в транспортные средства в сравнении с короткими гранулами. 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ формования топлива в виде удлиненных гранул из торфа или смесей торфа, древесной стружки и угольной мелочи, включающий предварительное уплотнение материала в сужающихся участках перфорированной матрицы, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное уплотнение со сдвигом периферийных слоев в повторно сужающихся участках с углом уклона внутреннего конуса 15 - 25^o, а окончательное формование - уплотнением в каналах с различными отношениями их длин к диаметрам, образующих от центра матрицы к ее периферии из рядов формы правильного шестиугольника блок переменного сопротивления, описанный внутренним контуром прессующего корпуса на выходе, причем в каждом ряду каналы с минимальными и максимальными отношениями длин к диаметрам чередуются. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество N формующих каналов в рядах и центре матрицы определяют по зависимости

где j - номер ряда, считая от центрального отверстия к периферии матрицы;
k - коэффициент использования каналов периферийного ряда, k = 0,5 - 1,0;
n - количество рядов каналов, целое число, 5 ≥ n ≥ 0, n = 0,5 • (D/M - 1), где D - диаметр внутреннего контура прессующего корпуса на выходе, М - определяющий геометрический параметр формования. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что минимальные (l/d)min и максимальные (l/d)max отношения длин к диаметрам каналов постоянного поперечного сечения определяют по зависимостям
(l/d)min = A + q • j;
(l/d)max = Б + q • j,
где j - номер ряда, n ≥ j ≥ 0;
А и Б - значения l/d при j = 0, т.е. для центрального отверстия;
q - коэффициент, характеризующий скорость роста l/d в направлении от центра к периферии матрицы.