ТОПЛИВНЫЙ БРИКЕТ Российский патент 2003 года по МПК C10L5/02 

Изобретение относится к составу брикетируемого твердого топлива, используемого для сжигания в топках малых котельных жилищно-коммунального хозяйства и промышленных предприятий, бытовых печах населения и других энергетических установках малой мощности.

Известен способ получения топливных брикетов на основе угольного шлама, цемента и извести (см. пат. на ИЗ, RU 2006500, МКИ 5 С 10 L 5/00, 5/02, опубл. 30.01.1994 г., бюл. 2) [1].

Недостатком известного технического решения является использование в качестве связующих веществ неорганических продуктов целевого назначения. Использование таких связующих приводит к удорожанию брикета, а также к повышению его зольности. Технология изготовления брикетов достаточно сложна: для обеспечения необходимых характеристик брикета требуется воздействие на смесь переменного поля напряженностью 100-150 кА/м.

Известен также углеродсодержащий брикет на основе термообработанной смеси (температура 250-700^oС), содержащий измельченные отходы металлургического производства - 10-60 мас. %, производное сульфокислоты или мелассы - 1-15 вес.%, извести - 0,1-10 мас.%, коксовой или угольной мелочи - остальное (см. пат. на ИЗ, RU 2123029, МКИ 6 С 10 L 5/48, 5/16, 5/12, опубл. 10.12.1998 г., бюл. 34) [2].

Брикеты приведенного выше состава имеют высокую механическую прочность и термостойкость, но их изготовление связано со значительными энергетическими затратами и трудоемкостью технологии - необходимостью предварительной подготовки каждого отдельного компонента сложной системы, использованием трудновыполнимых операций по введению отдельных компонентов, например, нанесение в виде слоя на поверхность брикета раствора извести с добавками, дополнительной высокотемпературной обработкой брикетов.

Наиболее близким к заявляемому решению по составу, назначению и достигаемому результату при использовании является влагоустойчивый топливный брикет, который содержит в качестве связующего полисахарид - 4-10 мас.%, кубовые остатки нефтепереработки - 0,26-0,78 мас.%, антрацитовую, каменноугольную мелочь, угольный шлам или их смеси - остальное (см. пат. на ИЗ, RU 2149889, МКИ 7 С 10 L 5/16, опубл. 27.05.2000 г., бюл. 15) [3].

Брикеты по известному техническому решению имеют высокую механическую прочность, термостойкость, влагостойкость (низкое водопоглощение). Однако при использовании в качестве связующего одного из полисахаридов - мелассы, наблюдается тенденция снижения прочности брикетов при длительном хранении в условиях повышенной влажности воздуха (относительная влажность выше 75%). Это приводит к механическим повреждениям брикетов и осложняет их транспортировку и использование. Себестоимость таких брикетов в настоящее время достаточно высока, так как стоимость мелассы - отхода сахарного производства - при сложившейся рыночной конъюнктуре возросла и приблизилась к цене целевых продуктов.

Техническим результатом заявляемого изобретении является сохранение необходимой прочности топливных брикетов при длительном хранении в условиях повышенной влажности воздуха и снижение затрат на их производство.

Технический результат достигается тем, что топливный брикет включает антрацитовую, каменноугольную мелочь, угольный шлам или их смеси, кубовые остатки нефтепереработки и в качестве связующего - полисахарид мелассу. При этом, согласно изобретению, топливный брикет содержит дополнительно карбидный ил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Меласса - 3,0-3,6
Кубовые остатки нефтепереработки - 0,4-0,6
Карбидный ил - 0,4-1,0
Антрацитовая, каменноугольная мелочь, угольный шлам или их смеси - Остальное
Меласса - отход сахарно-свекловичного производства, представляет собой густую, сиропообразную, вязкую жидкость от коричневого до темно-бурого цвета. Меласса легко растворяется в любых соотношениях в холодной и горячей воде. Растворы мелассы характеризуются значительной вязкостью, плотность изменяется от 1,30 до 1,52 г/см³. Меласса содержит до 20% воды, 45-50% сахара, 20-25% органических веществ и 10% минеральных несахарных веществ. Чем интенсивнее окрашена меласса в коричневый цвет, тем больше она содержит коллоидов. Коллоиды обладают значительной поверхностной активностью и поэтому хорошо адсорбируются на поверхности склеиваемых частиц.

Карбидный ил - известьсодержащий продукт, образующийся как отход при производстве ацетилена из карбида кальция. Карбидный ил - тонкодисперсная паста серо-голубого цвета.

Химический состав карбидного ила, мас.%:
СаО - 84-88; SiO₂ - 3,0-4,0; Al₂O₃ - 1,5-2,7; Fе₂О₃ - 0,1-0,2; MgO - 0,4-0,6; прочие примеси до 5,0.

Карбидный ил не является дефицитным продуктом, скапливается в отвалах химкомбинатов, имеет низкую стоимость.

Карбидный ил в указанном содержании используется как структурирующий реагент и активатор в системе, состоящей из углеродсодержащего компонента и мелассы. В результате его действия образуются нерастворимые соединения, отличающиеся стабильностью свойств и сохранением прочности при длительном хранении в условиях повышенной влажности воздуха.

Снижение затрат на производство брикетов достигается за счет уменьшения количества мелассы от 4-10 мас.% (прототип) до 3,0-3,6 мас.% - у заявляемого изобретения и снижения энергозатрат на подогрев связующего в связи с меньшим содержанием мелассы.

Доказательством соответствия изобретения критерию "изобретательский уровень" может служить следующее.

Кубовые остатки нефтепереработки, являясь анионактивным гидрофобизатором, адсорбируются на поверхности угольных частиц, усиливают сродство поверхностных сил на границе системы "адсорбент-адгезив" и повышают смачивающую и адгезионную способность связующего. Этот фактор способствует более интенсивному взаимодействию анионактивной мелассы с углем.

Карбидный ил изменяет поверхность угля, повышает содержание полярных групп на ней. При наличии его в системе "адсорбент-адгезив" проявляется действие ионной и ковалентной или ионной и координационной связей между катионами металлов неорганического компонента (карбидного ила) и молекулами органических веществ; при этом образуются сложные адсорбционные комплексно-гетерополярные нерастворимые органо-минеральные соединения. В результате в системе формируется пространственно сшитая валентными и координационными связями структура, кристаллическая фаза которой отличается большой плотностью, прочностью и атмосферостойкостью. Гидрофобизатор создает дополнительный экранирующий эффект, препятствуя проникновению воды при водонасыщении.

Таким образом, в композиции при выбранном сочетании компонентов и указанном количестве каждого из них создается структура, способная длительное время сохранять физико-механические свойства без существенного снижения их показателей при воздействии различных атмосферных факторов.

В табл.1 приведены составы опытных партий топливных брикетов по заявляемому изобретению.

В табл.2 приведены результаты длительных испытаний топливных брикетов.

Для изготовления брикетов использовали антрацитовый штыб ЦОФ "Октябрьская-Южная" ОАО "Ростовуголь" и ЦОФ "Гуковская" ОАО "Гуковуголь". Антрацитовый штыб имеет крупность 0-6 мм. Содержание зерен свыше 6 мм - 5-7%. В качестве связующего использовали мелассу - отход сахарного завода г. Гулькевичи Краснодарского края. В качестве гидрофобизатора использовали кубовые остатки термокрекинга парафинов нормального строения - отход Новочеркасского завода синтетических продуктов. Они представляют собой твердые продукты с температурой застывания 20-25^oС.

Антрацитовый штыб нагревают до температуры 40^oС, дозируют, направляют в смеситель и добавляют отдозированное количество карбидного ила. В мелассу, подогретую до жидкотекучего состояния (40-50^oС), вводят кубовые остатки нефтепереработки, подогретые до той же температуры, перемешивают в пропеллерной или другого типа нескоростной мешалке до получения однородной массы. Подготовленная таким способом смесь смешивается с антрацитовым штыбом и карбидным илом. Перемешивание производится в шнековом смесителе непрерывного действия до равномерного распределения компонентов. Шихту из смесителя подают на вальцевый пресс и прессуют при давлении прессования 30 МПа. Упрочнение брикетов происходит в естественных условиях.

Обоснованием выбранных пределов количественных признаков топливного брикета является следующее.

Содержание мелассы свыше 3,6 мас.% (состав 7, табл.1) увеличивает толщину адсорбционного слоя, что снижает когезию связующего и ухудшает показатели свойств брикета. Содержание кубовых остатков нефтепереработки свыше 0,6 мас. % (состав 7, табл.1) снижает прочность структурных связей ("разрыхляет" структуру брикета), снижает стойкость к действию влаги. Кроме того, более высокое содержание мелассы и кубовых остатков приводит к удорожанию брикета.

Содержание мелассы и кубовых остатков ниже минимального предела является недостаточным для протекания физико-химических процессов, обеспечивающих необходимые показатели качества брикетов (состав 1, табл.1).

Увеличение количества карбидного ила свыше 1,0% (состав 7, табл.1) приводит к перенасыщению им поверхности угля, образованию полислоя, который снижает эффективность взаимодействия между мелассой и углем. Для проявления структурирующего действия карбидного ила его содержание должно быть не ниже 0,4 мас.% (состав 2, табл.1).

Содержание компонентов в пределах, приведенных в составах 2-6 табл.1, обеспечивает достижение необходимого технического результата.

Для проведения испытаний брикетов при длительном хранении их в условиях повышенной влажности воздуха были изготовлены в лабораторных условиях опытные партии образцов (составы приведены в табл.1).

Технология изготовления брикетов включала подготовку компонентов, дозирование, перемешивание и прессование шихты. Для проведения испытаний в различные сроки хранения в условиях насыщенного влагой воздуха брикеты помещали в гидростатическую камеру на сетчатую подставку, расположенную над водой.

С периодичностью в один месяц контролировались прочность на сжатие (R_сж, МПа) и влагосодержание (W, %) образцов. Результаты испытаний приведены в табл.2.

Как следует из результатов испытаний, брикеты заявляемого технического решения имеют высокую механическую прочность (прочность на сбрасывание - не менее 99,8%), низкое водопоглощение, пониженное на 2-3% по сравнению с прототипом содержание летучих веществ (за счет связывания карбидным илом серы и других летучих компонентов).

При испытании брикетов установлено, что по истечении года брикеты заявляемого изобретения практически не изменили прочности и влагосодержания. Снижение прочности к концу года составило от 2,73 до 4,17%, а увеличение влагосодержания - от 4,22 до 4,46%, т.е. брикеты заявляемого изобретения не проявляют выраженной тенденции к снижению прочности при длительном хранении в условиях повышенной влажности воздуха (у прототипа в этих условиях существенное падение прочности отмечается после первого месяца хранения), что повышает их потребительские качества.

Источники информации
1. Патент РФ 2006500. Способ получения топливных брикетов. Лезгин Л.А., Нифонтов Ю.А., Блинов В.А. Бюл. "Изобретения", 1994, 2.

2. Патент РФ 2123029. Углеродсодержащий брикет и способ его получения. Лурий В.Г., Бюл. "Изобретения", 1998, 34.

3. Патент РФ 2149889. Влагоустойчивый топливный брикет и способ его получения. Айрапетьян М.А., Буравчук Н.И., Гурьянова О.В., Бюл. "Изобретения", 2000, 15 - прототип.

Изобретение относится к составу брикетируемого твердого топлива, используемого для сжигания в топках малых котельных жилищно-коммунального хозяйства и промышленных предприятий, бытовых печах населения и других энергетических установках малой мощности. Брикет содержит 3,0-3,6% полисахарида мелассы; 0,4-0,6% кубовых остатков нефтепереработки; 0,4-1,0% карбидного ила и остальное до 100 - антрацитовой, каменноугольной мелочи, угольного шлама или их смеси. Состав имеет высокую механическую прочность (прочность на сбрасывание - не менее 99,8%), низкое водопоглощение и содержание летучих веществ. 2 табл.

Топливный брикет, включающий антрацитовую, каменноугольную мелочь, угольный шлам или их смеси, кубовые остатки нефтепереработки и в качестве связующего полисахарид мелассу, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбидный ил при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Меласса - 3,0 - 3,6
Кубовые остатки нефтепереработки - 0,4 - 0,6
Карбидный ил - 0,4 - 1,0
Антрацитовая, каменноугольная мелочь, угольный шлам или их смеси - Остальное