СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ Российский патент 2000 года по МПК C10L5/44 C10L5/12 

Изобретение относится к связующим, используемым для брикетирования угольных шихт, и может найти применение в производстве топливных брикетов, пригодных для сжигания в промышленных котельных и бытовых печах.

Основными причинами, связывающими развитие брикетирования каменных и старых бурых углей, являются отсутствие недефицитного и безвредного связующего, относительно высокая стоимость переработки угля в брикеты из-за высокой стоимости связующего и образование большого количества копоти при горении брикетов, что ограничивает их применение в бытовых условиях.

Известно, что связующее вещество для брикетирования должно удовлетворять ряду существенных требований: обладать хорошей связующей способностью и придавать брикетам достаточную прочность при их небольшом расходе; иметь хорошие спекающие свойства и придавать брикетам необходимую термическую устойчивость при горении; быть устойчивым к влаге; быстро затвердевать и придавать брикетам устойчивость в летнее время года; быть безвредным как при производстве брикетов, так и при их употреблении; быть недорогим и не усложнять процесс брикетирования; не увеличивать содержание балласта в топливе и не понижать его теплоту сгорания; быть недефицитным и применяться при малом расходе [1] (Крохин В.Н. "Брикетирование углей".- М.: Недра, 1984, 224 с.).

Подобрать связующее, полностью отвечающее перечисленным требованиям, - трудная задача. В литературе известно много попыток использования для брикетирования углей различных материалов, но они не получили постоянного применения, так как не отвечают полностью перечисленным требованиям. Наибольшее применение для брикетирования мелочи каменных углей нашли каменноугольный пек и нефтебитумы.

Известно связующее для угольных брикетов, содержащее каменноугольный пек и углеводородную фракцию с точкой кипения 220 - 450^oC, которое в качестве каменноугольного пека содержит пек с точкой размягчения 120 - 200^oC при следующем содержании компонентов, вес.%:
Каменноугольный пек с точкой размягчения 120 - 200^oC - 35 - 77
Углеводородная фракция с точкой кипения 220 - 450^oC - 23 - 65
Брикеты, изготовленные с использованием описанного выше связующего, обладают высокой прочностью на сжатие и разрыв, однако использование такого связующего потребует значительных энергетических затрат для размягчения связующего, кроме того, при сжигании брикетов, содержащих каменноугольный пек, выделяются и канцергенные вещества, что ограничивает использование таких брикетов в бытовых котельных [2] (РФ N 988196, С 10 L 5/14).

Известно также связующе, содержащее белитовый шлам глиноземного производства, хлорид сульфат тиосульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Белитовый шлам глиноземного производства - 25 - 75
Хлорид сульфат тиосульфат натрия - 0,7 - 2,5
Вода - Oстальное
Для получения брикетов удовлетворительного качества используют такое связующее в количестве 20 - 40%, угольная мелочь - остальное. Технология приготовления брикетов с таким связующим сравнительно простая, так как брикеты сушат и формуют на воздухе, однако брикеты характеризуются высокой зольностью (содержание золы сухой до 32%) и низкой теплотой сгорания (до 2700 ккал/кг) [3] (РФ 2030448, C 10 L 5/48).

Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является связующее из отходов сахарной промышленности, например мелассы, которую предварительно превращают в гидромассу и затем смешивают с угольной мелочью. Мелассу в связующем берут в количестве 10 - 50%, а по отношению к угольной мелочи связующее составляет 10 - 30% [4] (a.c. СССР N 1778160, C 10 L 5/44).

Как видно из описания связующего, приведенного выше, оно позволяет сформовать брикеты, отрицательное действие на окружающую среду при сжигании которых будет минимальным.

Технология формования брикетов на таком связующем также не требует значительных энергетических затрат, поскольку весь процесс формования и сушки осуществляют в основном на воздухе. Брикеты обладают низкой зольностью, не более 9,9%, и высокой теплотворной способностью - 6500 - 7110 ккал/кг. Однако они обладают значительной пористостью - 40 - 50% и низкой объемной массой - 0,82 - 0,90 г/см³. Их отличает низкая прочность и значительная способность к влагопоглощению. Такие брикеты практически не пригодны к транспортировке на значительные расстояния и к длительному хранению. Кроме того, значительное содержание отходов сахарной промышленности в составе связующего может привести к удорожанию брикетов, несмотря на низкие энергетические затраты на их изготовление.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является разработка связующего, которое позволило бы формовать брикеты, обладающие необходимой прочностью и влагостойкостью.

Поставленная цель достигается тем, что в известное связующее для топливных брикетов, содержащее мелассу, согласно изобретению дополнительно введены минеральный наполнитель и ортофосфорная кислота при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Mинеральный наполнитель - 30 - 55
Oртофосфорная кислота - 15 - 25
Mеласса - Oстальное
В качестве инертного наполнителя может быть использована или глина, или угольный шлам, или зола уноса тепловых электростанций.

Указанное содержание минерального наполнителя и ортофосфорной кислоты является оптимальным, так как их смешивание приводит к образованию нерастворимых фосфатов, что способствует повышению влагостойкости брикетов. Повышение содержания ортофосфорной кислоты нецелесообразно, так как это может привести к удорожанию конечного продукта.

Увеличение содержания минерального наполнителя и снижение содержания мелассы также нецелесообразны, так как это может привести к недостаточной адсорбции связующего с брикетируемым материалом и, следовательно, к снижению прочности брикетов. Увеличение содержания мелассы может привести при невысокой температуре термической обработки брикетов к снижению влагостойкости, а также может быть экономически невыгодным.

Как видно из изложения сущности заявляемого решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования связующего для топливных брикетов, в котором, вследствие протекания реакции образования сахаратов и смешанных солей (фосфат + сахарат) с образованием зачатков пространственной структуры и дополнительных связок в виде полифосфатов (в основном пирофосфатов) обеспечивается образование на поверхности частиц тонкой пленки связующего, обеспечивающего эффективную адгезию и спекание при минимальной усадке, и за счет этого получают топливные брикеты, обладающие необходимой прочностью и влагостойкостью.

В данном случае такие компоненты, как глина, угольный шлам или зола уноса тепловых электростанций, выполняют роль не только наполнителей, уменьшающих усадку, но они способствуют склеиванию и спеканию, образованию достаточно прочного каркаса, обеспечивающего влагостойкость и термическую стойкость при горении.

Известно использование мелассы в качестве связующего [4]. Однако, как показано выше, гидромасса с использованием мелассы не обеспечивает необходимой прочности и влагостойкости брикетов. Известно также использование в качестве связующего мела, глины и тому подобных веществ, подготовленных в виде водной суспензии с добавлением в некоторых случаях коллоидного вещества [5, 6] (a.c. СССР N 54977, 10 B 2, 02.11.39; WO 87/00855, C 10 L 5/12).

Однако брикеты, сформованные на основе таких связующих, не обладают необходимой влагостойкостью. Для того чтобы глина приобрела влагостойкость, необходимо брикеты спекать при температуре порядка 700^oC, что существенно усложняет технологию брикетирования.

Предлагаемое связующее не требует высокой температуры для обработки брикетов. Образование полностью замещенных фосфатов в результате взаимодействия ортофосфорной кислоты с наполнителями обеспечивает влагостойкость, а полимеризация мелассы в сочетании с продуктами реакции ортофосфорной кислоты и минеральных наполнителей после термической обработки брикетов обеспечивает их необходимую прочность.

Предлагаемое связующее может найти широкое применение при производстве топливных брикетов для промышленных и бытовых котельных.

Подготовку связующего для использования осуществляют следующим образом. К глине (угольному шламу или золе уноса тепловых электростанций), измельченной до фракций 3-0 мм, и влажностью до 20% добавляют ортофосфорную кислоту и тщательно перемешивают не менее 30 мин. Полученную массу перегружают в другой реактор и добавляют мелассу (отход сахарной промышленности) с содержанием сухих веществ до 80%, в том числе - сахарозы до 48%, и также тщательно перемешивают не менее 30 мин. Подготовленное таким образом связующее сливают в расходную емкость. В холодное время года мелассу следует нагреть до 30-50^oC.

Используют подготовленное таким образом связующее в технологическом процессе брикетирования, который включает смешивание связующего с угольной шихтой, прессование сырья на валковом прессе при давлении 50 МПа. При этом связующее в подготовленном для брикетирования сырье составляет 9 - 11 мас.%.

Сырые брикеты после отсева брикетной мелочи подвергают тепловой обработке. После этого топливные брикеты охлаждают и направляют на склад. Влажность брикетов, прошедших тепловую обработку, составляет 2-5%, а температура охлажденных брикетов не более 40^oC.

Качество брикетов оценивали по прочности на сжатие (ГОСТ 21289 - 75) и влагопоглощению (ГОСТ 21290 - 75), характеризующему влагостойкость.

Вяжущие и спекающие свойства связующего находятся в непосредственной зависимости от соотношения составляющих его компонентов.

Результаты исследования влияния состава связующего на прочность и влагостойкость брикетов, полученных с использованием этого связующего, приведены в табл. 1, 2, 3, 4.

Пример 1. Состав связующего, мас.%: глина 33 - 55%, ортофосфорная кислота 8 - 22%, меласса - остальное. Угольная шихта - антрацитовая мелочь.

Пример 2. Состав связующего, мас.%: глина 30 - 60%, ортофосфорная кислота 5 - 25%, меласса - остальное. Угольная шихта - антрацитовая мелочь.

Пример 3. Состав связующего, мас.%: угольный шлам (зола уноса тепловых электростанций) 55 - 70%, ортофосфорная кислота 5 - 15%, меласса - остальное. Угольная шихта - антрацитовая мелочь.

Пример 4. Состав связующего, мас.%: угольный шлам (зола уноса тепловых электростанций) 50 - 80%, ортофосфорная кислота 3 - 17%, меласса - остальное. Угольная шихта - антрацитовая мелочь.

Как видно из результатов исследования влияния составляющих на основные эксплуатационные характеристики топливных брикетов, предложенное связующее позволит формовать брикеты, обладающие необходимой прочностью и влагостойкостью. Кроме того, это связующее относится к числу тех, которые на увеличивают выделение канцерогенных веществ при сгорании и не увеличивают стоимость топливных брикетов.

Изобретение относится к связующим, используемым для брикетирования угольных шахт, и может найти применение в производстве топливных брикетов, пригодных для сжигания в промышленных котельных и бытовых печах. Описывается связующее для топливных брикетов, содержащее мелассу, согласно изобретению дополнительно введены минеральный наполнитель и ортофосфорная кислота при следующем соотношении компонентов, мас.%: минеральный наполнитель - 30-55, ортофосфорная кислота - 15-25, меласса - остальное. Предложенное связующее позволяет формовать брикеты, обладающие необходимой прочностью и влагостойкостью. Кроме того, это связующее относится к числу тех, которые не увеличивают выделение канцерогенных веществ при сгорании и не увеличивают стоимость топливных брикетов. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Связующее для топливных брикетов, содержащее мелассу, отличающееся тем, что в него дополнительно введены минеральный наполнитель и ортофосфорная кислота при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Минеральный наполнитель - 30 - 55
Ортофосфорная кислота - 15 - 25
Меласса - Остальное
2. Связующее по п.1, отличающееся тем, что в качестве минерального наполнителя использована или глина, или угольный шлам, или зола уноса тепловых электростанций.