СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКИХ БРИКЕТОВ Российский патент 2003 года по МПК C10L5/14 C10L5/28 

Изобретение относится к области получения технологического топлива для использования в шахтной плавке и обжиговых процессах.

Известен способ получения угольных брикетов (патент РФ 2087527, приоритет 06.09.95 г. , МПК C 10 L 5/08, 5/48, 5/28), включающий обезвоживание угольного шлама, формование обезвоженного угольного шлама в брикеты и последующую термообработку брикетов при 200-700 С, угольный шлам обезвоживают до влажности 10-35%. При этом угольный шлам может содержать не менее 25% спекающихся углей.

Данный способ не предусматривает использования связующего, за счет этого достигается снижение затрат, однако в случае необходимости путем добавления спекающихся углей в данном способе добиваются повышения прочности брикетов. При этом в случае добавления спекающихся углей или при их отсутствии способ предусматривает предварительное обезвоживание угольного шлама и термообработку сформованных брикетов, что ведет к увеличению капитальных затрат и потребляемой при производстве брикетов электроэнергии. Кроме того, последующая термообработка брикетов способствует снижению их прочности, возможному возникновению трещин на поверхности брикета, что в свою очередь снижает потребительские свойства брикетов.

Известен способ брикетирования спекающихся, слабоспекающихся и неспекающихся шламов и мелких классов угля (патент РФ 2088636, приоритет 16.09.94 г., МПК C 10 L 5/32), включающий смешивание шламов или мелких классов угля с водорастворимым связующим, дозирование смеси, изготовление брикетов, упаковку. При этом в данном способе отверждение и обеспечение термопрочности брикетов производят одновременно с фазой нагрева при сжигании брикетов непосредственно в разогретой топке сжигающего устройства или при коксовании непосредственно в коксовой камере.

Недостатком данного способа являются низкие потребительские свойства получаемых брикетов. Вследствие того, что брикеты не подвергаются процессу сушки, они имеют низкие прочностные характеристики и могут растрескиваться в процессе их технологического использования при транспортировке в зону горения.

Кроме того, потребительские свойства брикетов, получаемых данным способом, достаточно нестабильны, поскольку свойства исходного сырья резко отличаются друг от друга - спекающиеся, слабоспекающиеся и неспекающиеся угли отличаются друг от друга пластическими свойствами, способностью к коксованию в условиях высоких температур. Поэтому невозможно заранее определить прочностные и теплотворные характеристики брикетов с тем, чтобы решить - возможно или невозможно их технологическое применение.

Для повышения прочностных характеристик брикетов с целью обеспечения их неразрушаемости при транспортировке от изготовителя до потребителя брикеты упаковывают, например, в пергамент, полистирол и т.п.

Наличие операции упаковки, во-первых, ведет к увеличению затрат на производство брикетов, а во-вторых, обеспечивает сохранность брикетов только при их перевозке. В процессе технологического использования брикетов в печи упаковка быстро сгорает, неподготовленные, сырые брикеты в условиях высоких температур будут растрескиваться (что подтверждается и данными, приведенными в описании к данному патенту). Процесс трещинообразования может привести к разрушению брикета, что приведет к резкому снижению времени его сгорания.

Следует отметить, что технологическое использование при температурах более 700^oС брикетов, полученных данным способом, невозможно ввиду высокого содержания в них летучих и смолистых веществ, отрицательно влияющих на прочностные характеристики брикетов, а также на экологические параметры процесса их получения.

Кроме того, данный способ имеет достаточно узкую область применения - только для брикетирования спекающихся, слабоспекающихся и неспекающихся шламов и мелких классов угля. Ограничение в использовании данного способа связано также с тем, что используется только водорастворимое связующее.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение потребительских свойств брикетов за счет обеспечения стабильных термопрочностных характеристик брикетов; снижение капитальных затрат на их производство; расширение функциональных возможностей способа за счет снятия ограничений при выборе связующего и резкого расширения возможного исходного сырья.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения термостойких брикетов, включающем приготовление брикетируемой смеси из исходного сырья и связующего, формование брикетируемой смеси в брикеты, при этом обеспечение термопрочности брикетов производят одновременно с фазой нагрева при сжигании брикетов в процессе их технологического использования, в качестве исходного сырья используют углеродсодержащее сырье с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, перед приготовлением брикетируемой смеси осуществляют выделение из рассева исходного сырья фракции не более 10 мм, в состав брикетируемой смеси добавляют 5-25% от общей массы брикетируемой смеси спекающихся углей или измельченный нефтяной кокс с содержанием летучих веществ 25-35%, после формования брикетов осуществляют их сушку, а в качестве связующего используют порошкообразное или жидкое связующее, например лигносульфонат, при этом количество связующего в общей массе брикетируемой смеси составляет не более 20%.

Сушку брикетов осуществляют в естественных условиях или в сушилках.

В качестве углеродсодержащего сырья используют нефтяной кокс с содержанием летучих веществ не более 14% и/или отсев металлургического кокса и коксовой мелочи и/или тощие угли и антрациты.

Спекающиеся угли имеют величину пластического слоя Y не менее 6 мм.

Отличительной характеристикой спекающихся углей является наличие у них пластического слоя, что предопределяет наличие у спекающихся углей склеивающих свойств, позволяющих использовать спекающиеся угли в качестве связующего при изготовлении брикетов. Введение в брикетируемую смесь от 5 до 25% спекающихся углей, наряду со связующим, например лигносульфонатом, способствует получению технологичной, хорошо формуемой исходной брикетируемой смеси с дальнейшим получением достаточно прочного сформованного "сырого" брикета.

Также отличительной характеристикой спекающихся углей является их высокая термическая устойчивость в период воздействия высоких температур. В условиях высоких температур (360-460^oС) происходит коксование спекающихся углей. Поэтому включение спекающихся углей в состав брикетируемой смеси будет способствовать тому, что при воздействии высоких температур спекающиеся угли в составе брикета будут образовывать коксовую сетку (каркас), не допускающую распада брикетов.

Наличие у спекающихся углей описанных свойств позволяет изготавливать брикеты без их предварительной термообработки (прокалки) после формования. Брикеты, изготовленные предлагаемым способом, после сушки уже готовы для технологического использования в печах.

Свойствами, аналогичными свойствам спекающихся углей, обладает нефтяной кокс с содержанием летучих веществ 25-35. Поэтому возможно использование вместо спекающихся углей нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35% при сохранении достигаемого технического результата. Схожесть спекающих свойств спекающихся углей и нефтяного кокса обусловлена тем, что нефтяной кокс содержит жидкоподвижные продукты и обладает способностью влиять на процессы пиролиза угольной массы. Свойства спекающихся углей и нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35% являются наиболее похожими.

Отличие данного способа получения термостойких брикетов состоит в том, что в качестве исходного сырья используют любое углеродсодержащее сырье, например нефтяной кокс и/или отсев металлургического кокса и коксовой мелочи и/или тощие угли и антрациты.

Основное требование к исходному сырью - содержание летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, для того, чтобы исключить вспучивание брикетов при их технологическом использовании и тем самым сохранить их прочностные характеристики.

Данный способ не имеет никаких ограничений по типу используемого связующего - главное, чтобы связующее обладало склеивающими свойствами.

Размер фракции исходного сырья составляет не более 10 мм, поскольку при таких размерах частиц достигаются оптимальные прочностные характеристики брикетов.

Осуществление операции сушки брикетов после их формования позволяет удалить из брикетов балластную влагу, подготовить брикеты для их технологического использования. Подсушенные брикеты обладают гораздо меньшей склонностью к образованию трещин и, следовательно, имеют более высокие прочностные характеристики по сравнению с брикетами, подвергающимися для технологического использования "сырыми". Кроме того, брикеты после того, как их подсушили, обладают гораздо более высокой прочностью по сравнению с "сырыми" брикетами и сохраняют свою форму и в процессе их транспортирования, и при их длительном хранении.

Наличие единых требований к исходному сырью - углеродсодержащее сырье с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, определенный состав брикетируемой смеси, содержащей нормированное количество связующего и спекающихся углей или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%, позволяет получить термостойкие брикеты, обладающие стабильными, вполне определенными прочностными и иными характеристиками, которые задаются именно в процессе приготовления брикетируемой смеси.

При этом необходимо отметить, что действие связующего проявляется, главным образом, при низких температурах, а действие спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) проявляется при повышенных температурах (от 350^oС и выше), вплоть до температур зоны горения топлива (1000-1800^oС). Формирование коксового каркаса из спекающегося угля (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) происходит в условиях сохранения связующих свойств связующего, последнее также дает вклад в коксовую структуру каркаса. Пластические свойства связующего и спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) обеспечат достаточную прочность и неразрушаемость брикета.

Оптимальные прочностные и тепловые характеристики брикета достигаются не в процессе их изготовления, а уже в процессе их использования в печах. В печь брикеты опускают, и дальнейшее их упрочнение происходит в результате воздействия высоких температур на спекающиеся угли (или нефтяной кокс с содержанием летучих веществ 25-35%) в составе брикета, приводящих к образованию прочного коксового каркаса по всему объему брикета.

В процессе опускания брикетов в печь в условиях высоких температур (360-460^oС) осуществляется послойный переход в пластическое состояние и коксование спекающегося угля (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) в составе брикета. В зону горения печи уже подходят брикеты прочные, хорошо спеченные. Спекание брикета происходит по всему его объему, поскольку спекающийся уголь был добавлен в брикетируемую смесь до процесса ее смешения и формования брикетов. Таким образом, в зону горения печи поступают углеродистые брикеты, обладающие высокой "горячей" (термомеханической) прочностью, не подверженные разрушению.

Наличие в составе брикетируемой смеси определенного количества спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) предопределяет прочностные характеристики коксового каркаса и задает тем самым прочностные свойства брикетов при их технологическом использовании.

Равномерное спекание брикетов с образованием прочного коксового каркаса по всему объему значительно улучшает их потребительские свойства, а именно:
- обеспечена высокая равномерная прочность брикетов по всему объему, что ведет к снижению риска их растрескивания в процессе эксплуатации;
- наличие (образование) углеродистого каркаса обеспечивает брикетам необходимую пористость, что в свою очередь ведет к полному выгоранию брикетов в процессе их использования.

При добавлении спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) в состав брикетируемой смеси менее 5% поставленная задача может быть не достигнута.

При наличии в общей массе брикетируемой смеси спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) более 25% возможно неоправданное повышение стоимости брикетов. Кроме того, такое количество спекающихся углей (или нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 25-35%) приведет к увеличению в составе брикетов летучих, смолистых веществ. Излишнее количество летучих веществ может привести к вспучиванию брикета в процессе его технологического использования и к его разрушению, а излишнее количество смолистых веществ будет отрицательно влиять на экологию при технологическом использовании таких брикетов.

Для обеспечения достаточных склеивающих свойств спекающихся углей, а также для обеспечения надежного и прочного коксового каркаса, получаемого при воздействии высоких температур, предпочтительно использовать спекающиеся угли, у которых величина пластического слоя Y составляет не менее 6 мм.

В качестве улеродсодержащего сырья возможно использование нефтяного кокса с содержанием летучих веществ не более 14% и/или отсева металлургического кокса и коксовой мелочи и/или тощих углей и антрацитов с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу.

Таким образом, предлагаемый способ получения термостойких брикетов позволяет получать брикеты со стабильными характеристиками, предопределяющими возможность их дальнейшего использования. Возможность использования в качестве исходного сырья углеродсодержащее сырье с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, а также возможность использования в качестве связующего любой материал, обладающий склеивающими свойствами, значительно расширяют функциональные возможности и область применения предлагаемого способа. Наличие операции сушки брикетов перед их технологическим использованием снижает возможность образования трещин на поверхности брикетов в процессе их технологического использования, увеличивая тем самым прочностные характеристики и теплотворные возможности брикетов. Отсутствие операции упаковки сырых брикетов упрощает технологический цикл их изготовления и ведет к снижению затрат на их производство.

Анализ известных технических решений, касающихся способов получения термостойких углеродистых брикетов, а также анализ совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет сделать вывод о соответствие данного изобретения критерию "новизна".

Возможность достижения поставленной технической задачи предлагаемой совокупностью существенных признаков позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения критерию "изобретательский уровень".

Использование предлагаемого способа иллюстрируют примеры.

Пример 1.

Дозированные количества отсевов металлургического кокса и коксовой мелочи крупностью не более 10 мм, 10% спекающегося угля с величиной пластического слоя 12 мм, с крупностью частиц не более 3 мм и жидкого технического лигносульфоната марки А по ТУ 13-0281036-029-94 перемешивались и одновременно подсушивались дымовыми газами с температурой 700-900^oС в барабанной сушилке при скорости вращения барабана 6 об/мин. Влажность шихты на выходе из барабана сушилки поддерживалась в интервале 7,5-9,0%. Шихта накапливалась в промежуточном бункере и брикетировалась на промышленном валковом ячейковом прессе.

Брикеты отсевались от облоя и мелочи на сите 20•20 мм и подсушивались в естественных условиях в течение 3 дней до остаточной влажности 4,5-5%.

Мелочь возвращалась в шихту для брикетирования.

Полученные брикеты имели следующие характеристики:
Объем, см³ - 100
Масса, г - 135-140
Зольность, % - До 15
Прочность на точечное сжатие, кГс/бр - 150-230
Получено 2,5 тыс. т брикетов.

Испытание брикетов, полученных по примеру 1.

Испытание 1.

Брикеты 10 шт. помещались в разогретый до 450^oС муфель и при ограниченном доступе воздуха в течение двух часов нагревались до 950^oС в режиме, близком к режиму нагрева материалов в шахтной печи для плавки окисленных никелевых руд при получении никелевого штейна и ряда других материалов, например чугунолитейных вагранок.

Брикеты после нагрева сохранились целыми, недеформированными, не имели трещин и выдерживали усилие на точечное сжатие в интервале 190-210 кГс/бр.

Такие прочностные показатели позволяют применять полученные углеродистые брикеты как заменители металлургического кокса в шахтной плавке руд или в вагранках.

Испытание 2.

Полученные углеродистые брикеты 2,5 тыс. т использованы в шахтной плавке окисленной сбрикетированной никелевой руды. Заменялось углеродистыми брикетами до 50% металлургического кокса. Показатели плавки сохранялись на прежнем уровне: суммарный расход топлива 30%, величина проплава 28 т/м²•час.

Испытание 3.

Углеродистые брикеты использовались в качестве топлива для обжига известняка в шахтной печи с полезным объемом 90 м². Проектный расход кокса 160 кГ/т извести. При расходе брикетов 145 кГ/т извести получена известь с содержанием СаО 80%.

Пример 2.

Дозированные количества отсева кокса сухого тушения - 83% крупностью не более 10 мм, спекающегося угля с величиной пластического слоя 12 мм и крупностью не более 3 мм - 10% и 7% (по сухой массе) жидкого технического лигносульфоната марки А по ТУ 13-0281036-029-94 смешивались при температуре в интервале от 10 до 40^oС в двухвальном смесителе типа СД-200, накапливались в промежуточном бункере и брикетировались на валковом ячейковом прессе типа УБМ. Влажность шихты для брикетирования поддерживалась в интервале 6,5 -9,0%.

Характеристики полученных брикетов после выдержки в течение 10 дней в естественных условиях:
Объем, см³ - 150
Масса, г - 200
Зольность, % - До 15%
Прочность на сжатие, кГс/бр. - 180-200
Произведено 16 т брикетов.

Испытание брикетов, полученных по примеру 2.

Испытание 1.

Сырые брикеты 10 шт. сушились при 160-180^oС в сушильном шкафу в течение 0,5 часа. За период сушки влажность брикетов понизилась на 3%. Прочность подсушенных брикетов на сжатие составила 220-250 кГс/бр.

Испытание 2.

Испытано изменение влажности брикетов при сушке их в монослое в естественных условиях при 23^oС. Прочность брикетов, подсушенных в течение трех суток на сжатие, составила 150-180 кГс/бр.

Испытание 3.

Брикеты испытаны при плавке чугуна в вагранках. Заменялось брикетами 100% литейного кокса при плавке чугуна в вагранке производительностью 8 т/час. При плавке на брикетах возрастала по сравнению с плавкой на коксе на 20-30^oС температура чугуна на выходе из вагранки при сохранении других показателей плавки.

Пример 3.

Дозированные количества коксовой мелочи крупностью до 10 мм - 82%, спекающегося угля с величиной пластического слоя 12 мм и крупностью до 3 мм - 10% и порошкового лигносульфоната по ТУ 2455-002-00281039-00 - 8% смешивались в двухвальном смесителе периодического действия. Влажность смеси регулировалась в интервале 6,5-9,0% путем дополнительного смачивания водой или "мятым" паром.

Смесь брикетировалась на прессе типа УБМ. Характеристика брикетов: объем - 150 см³, масса - 200 г, прочность брикетов, подсушенных в естественных условиях в течение 3 суток - 150-180 кГс/бр.

Получено 10 т брикетов.

Испытание 1.

Брикеты 10 шт. помещены в разогретый муфель при 450^oС и в течение двух часов температура в муфеле доводилась до 950^oС. Брикеты сохранили форму и не имели трещин. Прочность брикетов на точечное сжатие после испытания была в интервале 180-200 кГс/бр.

Испытание 2.

Брикеты использовались взамен литейного кокса при плавке чугуна в вагранках производительностью 8 т/час. Расход брикетов (и литейного кокса до испытания) составил 12% от металлической части шихты. При сохранении всех расходных показателей плавки на прежнем уровне температура чугуна на выходе из вагранки при плавке с использованием брикетов возросла на 20^oС.

Пример 4.

Дозированные количества отсевов металлургического кокса - 25% (с размером частиц не более 10 мм), нефтяного кокса - 25%, антрацита - 18%, спекающегося угля с величиной пластического слоя 7 мм - 25% и жидкого технического лигносульфоната - 7% по сухой массе перемешивались в двухвальном смесителе периодического действия до получения однородной гомогенной массы. Влажность смеси составляла 8,5-9,5%, температура - 20^oС. Смесь брикетировалась на валковом прессе типа УБМ. Получено 2 т брикетов. Брикеты 10 шт. испытаны на термомеханическую прочность, при этом прочность брикетов на сжатие после нагрева составила 150 кГс/бр.

Пример 5.

76% отсева нефтекокса с крупностью частиц не более 10 мм с содержанием летучих веществ 7%, 16% нефтекокса (с крупностью частиц не более 5 мм) с содержанием 30% летучих веществ и 8% по содержанию сухих веществ жидкого технического лигносульфоната перемешивались в течение 10 минут в смесителе периодического действия до получения однородной массы, имеющей следующие характеристики:
Температура, ^oС - 20-25
Влажность,% - До 9
Полученная смесь (шихта) брикетировалась на прессе типа УБМ.

Характеристика получаемых брикетов:
Объем, см³ - 100
Масса, г - 138-140 - 140
Получено 2 т брикетов.

Брикеты помещались в нагретый до 450^oС муфель, а затем температура в муфеле в течение двух часов поднималась до 950^oС. Брикеты в период испытания сохранили форму, не деформировались и не имели трещин. Прочность на сжатие таких брикетов составила 160-180 кГс/бр.

Испытание 1.

Брикеты испытаны на опытно-промышленной печи при плавке окисленной никелевой руды. Заменялось брикетами 50% металлургического кокса. Расход кокса до испытаний и суммарный расход кокса и брикетов в период испытаний сохранялись на уровне 30% от рудной части. Величина проплава сохранялась на уровне 28 т/м²•час.

Пример 6.

82% отсева металлургического кокса, 10% спекающегося угля с величиной пластического слоя 12 мм и 8% (по сухому веществу) жидкого стекла (ГОСТ 13078-81) смешивались в двухвальном смесителе при температуре 20^oС, а затем прессовались на гидравлическом прессе ПГ-50 при давлении 200 кГс/см². Изготовлено 4 кГ брикетов. Масса брикета составила 100 г, объем - 74 см³. Брикеты были подсушены в сушильном шкафу в течение 90 минут при 150^oС.

Испытание 1.

Брикеты 10 шт. испытаны на сжатие. Прочность на сжатие составила 260 кГс/бр.

Испытание 2.

Брикеты 10 шт. помещены в муфель, нагретый до 450^oС, а затем в течение двух часов температура в муфеле доведена до 950^oС. Прочность охлажденных брикетов на сжатие составила 150 кГс/бр.

Таким образом, при высокой температуре обеспечено сохранение высокой прочности брикетов.

Изобретение относится к получению технологического топлива для использования в шахтной и обжиговых процессах. В способе получения термостойких брикетов обеспечение термопрочности брикетов производят одновременно с фазой нагрева при сжигании брикетов в процессе их технологического использования, в качестве исходного сырья используют углеродсодержащее сырье с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, перед приготовлением брикетируемой смеси осуществляют выделение из рассева исходного сырья фракции не более 10 мм, в состав брикетируемой смеси добавляют 5-25% от общей массы брикетируемой смеси спекающихся углей или измельченный нефтяной кокс с содержанием летучих веществ 25-35%, после формования брикетов осуществляют их сушку, а в качестве связующего используют порошкообразное или жидкое связующее, например лигносульфонат, при этом количество связующего в общей массе брикетируемой смеси составляет не более 20%. Изобретение позволяет повысить потребительские свойства брикетов за счет обеспечения стабильных термопрочностных характеристик брикетов, снизить капитальные затраты на их производство; расширить функциональные возможности способа за счет снятия ограничений при выборе связующего и резкого расширения возможного исходного сырья. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ получения термостойких брикетов, включающий приготовление брикетируемой смеси из исходного сырья и связующего, формование брикетируемой смеси в брикеты, при этом обеспечение термопрочности брикетов производят одновременно с фазой нагрева при сжигании брикетов в процессе их технологического использования, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют углеродсодержащее сырье с содержанием летучих веществ не более 14% на сухую беззольную массу, перед приготовлением брикетируемой смеси осуществляют выделение из рассева исходного сырья фракции не более 10 мм, в состав брикетируемой смеси добавляют 5-25% от общей массы брикетируемой смеси спекающихся углей или измельченный нефтяной кокс с содержанием летучих веществ 25-35%, после формования брикетов осуществляют их сушку, а в качестве связующего используют порошкообразное или жидкое связующее, например, лигносульфонат, при этом количество связующего в общей массе брикетируемой смеси составляет не более 20%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сушку брикетов осуществляют в естественных условиях или в сушилках. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего сырья используют нефтяной кокс с содержанием летучих веществ не более 14%, и/или отсева металлургического кокса и коксовой мелочи, и/или тощих углей и антрацитов с содержанием летучих веществ. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекающиеся угли имеют величину пластического слоя Y не менее 6 мм.