ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2011 года по МПК C10L5/10 C10L5/14 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для изготовления твердотопливных элементов, в частности брикетов, гранул на основе углеродосодержащих материалов.

Уровень техники.

Известен топливный брикет по патенту РФ 2078120, включающий угольную мелочь, пек из кубового остатка ректификации талового масла и связующее.

Данный брикет обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью.

Известен также топливный брикет по патенту РФ 2130047, содержащий смесь измельченных твердых топлив и связующего на основе нефтешлама и/или отработанного машинного масла, а также лигносульфонат или мелассу, глину и парафиновый гач.

Данный брикет также обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Стоимость изготовления брикета высока.

Известен топливный брикет по патенту РФ 2268914, содержащий отходы угледобычи в виде отсева угля, древесные опилки и связующее, и в качестве связующего содержит штыб, являющийся отходом углеобогащения, содержащий природные минералы со связующими свойствами.

Данный брикет также обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью.

Прототипом является топливный элемент по патенту 2206602, содержащий углеродосодержащий материал, связующее. Эти признаки совпадают с признаками изобретения. У прототипа в качестве углеродосодержащего материала используют отходы древесного угля, древесной муки. В качестве связующего используют лигносульфонат, 20-80%-ную водную известково-глиняную смесь.

Недостатки прототипа: низкая теплотворная способность топливного элемента, низкая твердость и стойкость к воздействию влаги топливного элемента.

Раскрытие изобретения.

Задачей настоящего изобретения является повышение влагостойкости топливного элемента.

Задача решается за счет того, что топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, от прототипа отличается тем, что связующее содержит воду, октадециламин или связующее содержит воду, октадециламин и углеродосодержащий материал, причем смесь воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10⁵ Па до 25·10⁵ Па; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.

Октадециламин - гидрофобное вещество.

Выше описано два варианта изобретения.

1 вариант.

Топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, и связующее содержит воду, октадециламин; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.

2 вариант.

Топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, и связующее содержит воду, октадециламин и углеродосодержащий материал, причем смесь воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10⁵ Па до 25·10⁵ Па; и октадециламина в связующем от 0.1% до 10%.

Техническими результатами по первому варианту изобретения являются: повышение теплотворной способности топливного элемента; существенное повышение стойкости к воздействию влаги. Топливные элементы можно хранить под открытым небом, не боясь воздействия осадков.

Техническими результатами по второму варианту изобретения являются: повышение теплотворной способности топливного элемента, существенное повышение твердости элемента, существенное повышение стойкости к воздействию влаги.

Все технические результаты подтверждены экспериментально.

Перепад давления «Р» определяется по формулам:

,

где Р1 - давление на входе диспергатора;

Р2 - давление на выходе диспергатора.

В зависимости от конструкции диспергатора Р1 может быть больше Р2 и наоборот.

В качестве жидкости используют воду, в частности техническую воду, различные водные растворы, водные смеси. Могут использоваться отходы нефтепереработки, загрязненная нефтепродуктами вода.

Для существенного повышения стойкости топливного элемента к воздействию влаги в связующее может быть добавлен октадециламин или другое гидрофобное вещество. При использовании октадециламина (1% в связующем) время нахождения топливных элементов (без разрушения) в воде составляет месяцы.

Смесь жидкости и углеродосодержащего материала один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Экспериментально подтверждено, что при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10⁵ Па до 25·10⁵ Па в диспергаторе проходит процесс кавитации. Проходящая через диспергатор смесь подвергается кавитационной обработке - воздействию высокого давления в тысячи атмосфер и высокой, в несколько тысяч градусов, температуры. Кавитационная обработка смеси осуществляется в зоне или зонах кавитации диспергатора.

Такой диспергатор часто называют кавитатором.

В углеродосодержащем материале содержится лигнин и в смеси жидкости с углеродосодержащим материалом также содержится лигнин. В диспергаторе при указанных перепадах давления в процессе кавитации происходит повышение концентрации лигносульфоновых кислот, пиролиз лигнина с образованием смол и полукоксов. Чем дольше смесь подвергают диспергации, тем больше получают из лигнина лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов.

После диспергации (обработки смеси в диспергаторе) получают чрезвычайно эффективное связующее на основе лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов, полученных из лигнина.

Эксперименты, которые провели авторы, показали, что с увеличением времени диспергационной обработки смеси в конечном итоге твердость и влагостойкость полученного в дальнейшем топливного элемента растет.

Так, при однократной обработки смеси (50% воды и 50% торфа, содержащего 50% влаги, то есть 75% воды и 25% сухого торфа по весу) в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных топливных элементов составляет величину 125-130 НВ. При десятикратной обработке смеси в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных топливных элементов составляет величину 230-250 НВ.

Процентное отношение воды и торфа может быть различное, в зависимости от конструкции диспергатора и мощности привода диспергатора или насосной установки.

Процентное отношение гидрофобного вещества в связующем может быть от 0.1% до 10%. На сегодняшний день экспериментально не доказано, что с увеличением концентрации гидрофобного вещества в связующем более 10% растет стойкость к влаге.

В качестве топливных элементов могут изготавливать гранулы, брикеты, пилеты и другие по форме изготовления конструкции (пластины, цилиндры, шары, куски и др.). Топливные элементы, для упрощения сушки и улучшения горения, могут изготавливать полыми внутри.

Осуществление изобретения.

В качестве углеродосодержащего материала могут использовать торф, опилки, уголь, всевозможные отходы (в частности, помет) и их смеси.

Далее приведем примеры получения топливных элементов из торфа. Примеры описывают эксперименты, которые авторы провели при разработке изобретения.

По второму варианту изобретения производство топливных элементов, в частности топливных брикетов, проходит несколько стадий.

1 стадия. Предварительная подготовка торфа.

На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размеры частиц обусловлены используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.

После этой стадии часть торфа поступает на оборудование по подготовке смеси для получения связующего, а остальная часть используется непосредственно для последующего получения торфяных брикетов.

Если оборудование по производству брикетов допускает использование торфа с частицами больших размеров, чем допускает диспергатор (например, при производстве кускового торфа с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000 максимальный размер частиц торфа, поступающих на формование не превышает 0,5 от диаметра формуемого куска, что соответствует 10 мм или 25 мм в зависимости от диаметра мундштуков на формовалике), то в этом случае торф, поступающий для производства связующего, либо проходит дополнительное просеивание, либо просеивание этого торфа выделяется в отдельную линию.

2 стадия. Подготовка смеси углеродосодержащего материала (торфа) с жидкостью (водой). Изготовление связующего.

2.1. Предварительное перемешивание воды с торфом в определенной пропорции для подачи этой смеси на диспергатор. Это может облегчить автоматизацию процесса и повысить эффективность работы диспергатора (кавитатора).

Предварительно подготовленная смесь позволяет непосредственно в нужной пропорции подать смесь в приемный бак на входе диспергатора (кавитатора). Обработка смеси диспергатором (кавитатором), в зависимости от его конструкции и требований к качеству выходной смеси, происходит в один или несколько циклов. При многоцикличном режиме обработанная смесь поступает обратно в приемный бак диспергатора (кавитатора).

2.2. Возможна работа без предварительного перемешивания воды с торфом. Без предварительной подготовки в приемный бак диспергатора заливается вода. Торф засыпается в воду при работающем диспергаторе (кавитаторе).

2.3. Возможна предварительная подготовка непосредственно в приемном баке диспергатора, но это займет некоторое время, в течение которого диспергатор (кавитатор) работать не будет.

3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной (обработанной в диспергаторе) смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки выходного топлива. Например, при формовке брикетов низким давлением на брикет (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы топливная масса не прилипала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·10⁵ Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.

4 стадия. Формирование топлива осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения. С последующей сушкой готовых топливных элементов.

По первому варианту изобретения производство топливных элементов, в частности топливных брикетов, проходит несколько стадий.

1 стадия. Предварительная подготовка торфа.

На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размеры частиц обусловлены используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.

После этой стадии весь торф используется непосредственно для получения торфяных брикетов.

2 стадия. Подготовка связующего. Связующее приготавливается путем смешения воды и гидрофобного вещества.

3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки выходного топлива. Например, при формовке брикетов низким давлением на брикет (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы топливная масса не прилипала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·10⁵ Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.

4 стадия. Формирование топлива осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения. С последующей сушкой готовых топливных элементов.

Пример изготовления связующего.

Исходный материал:

10 кг измельченного торфа с влажностью 50% (5 кг торфа и 5 кг воды);

8 кг воды;

180 грамм октадециламина.

Загрузка диспергатора исходным материалом.

Сначала октадециламин (порошок) засыпается в воду, затем в приемный бак заливается полученная жидкость - смесь воды и октадециламина и включается диспергатор. Жидкость из приемного бака проходит через диспергатор, а затем возвращается в приемный бак. Постепенно примерно в течение 3 минут в приемный бак работающего диспергатора засыпается измельченный торф (это делается для того, чтобы входной патрубок диспергатора не забился). Время обработки смеси после засыпки всего торфа составляет 2 минуты. После этого связующее для получения топливных элементов готово.

Пример изготовления связующего только на основе воды и гидрофобного вещества.

Исходный материал:

8 кг воды;

180 грамм октадециламина.

Вода и октадециламин перемешиваются вручную. Получается связующее.

Пример смешивания связующего с торфом.

Смеситель - бетономешалка.

На 32 кг торфа (с влажностью 50%) берется 5-8 кг связующего.

Перемешивание в течение 15 мин.

Количество возможных замесов - 3 замеса в час.

Пример прессования. Далее полученная смесь торфа со связующим поступает в валковый пресс. Через пресс можно пропустить до 30 кг смеси в минуту. С учетом 70% выхода брикетов - 20 кг брикетов в минуту. Оставшиеся 30% смеси возвращаются в пресс. Малая производительность и малый выход обусловлены необходимостью регулировки подачи смеси на валки. Из-за липкости смеси происходит ее прилипание к стенкам приемного бака пресса (бак не приспособлен к смеси с такой вязкостью) и шнек подачи малоэффективен, так как рассчитан на менее липкую смесь. Приходится одному рабочему постоянно находиться над приемным устройством пресса и регулировать подачу.

В процессе экспериментальных работ был проведен сравнительный анализ заявленных топливных элементов с их аналогами. Результаты сравнения размещены в таблице ниже.

Таблица Сравнительный анализ заявленных топливных элементов с их аналогами № Состав топливного элемента Теплотворная способность рабочая низшая, ккал/кг Твердость по Бринеллю, НВ Стойкость к воздействию влаги, час* 1 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4300 150 90 2 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (8 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4400 180 140 3 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе
торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4800 210 165 4 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (1%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4800 210 840 5 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (10%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4800 210 Более 2000 6 Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 20% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 3600 35 3 7 Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 60% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенного
топливного элемента 15%. 3800 55 5 8 Отходы древесного угля, древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 80% водно-известково-глиняная смесь. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4100 75 7 9 Заявленный топливный элемент. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе воды и октадециламина (10%), полученное после ручного перемешивание в емкости. Влажность высушенного топливного элемента 15%. 4300 70 Более 2000 *) время полного разрушения топливного элемента, полностью помещенного в сосуд с водой.
**) пятикратная обработка смеси в диспергаторе.

Удельный вес получаемых заявленных топливных элементов из торфа составляет величину от 0.4 до 1.5 т/м³.

Вышеприведенные данные подтверждены результатами экспериментов.

Таким образом, заявленный топливный элемент обеспечивает, по сравнению с прототипом:

- повышение теплотворной способности;

- существенное повышение твердости элемента;

- существенное повышение стойкости к воздействию влаги.

Изобретение относится к топливному элементу, выполненному из углеродосодержащего материала и связующего. При этом связующее состоит из воды и октадециламина или связующее состоит из воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, причем связующее, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·10⁵ Па до 25·10⁵ Па. Количество октадециламина в связующем составляет от 0,1 до 10%. Технический результат - изобретение позволяет получить топливный элемент с повышенной стойкостью к воздействию влаги. 1 табл.

Топливный элемент, выполненный из углеродосодержащего материала, связующего, отличающийся тем, что связующее содержит воду, октадециламин; или связующее содержит воду, октадециламин и углеродосодержащий материал, причем смесь воды, октадециламина и углеродосодержащего материала, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·10⁵ Па до 25·10⁵ Па; и октадециламина в связующем от 0,1 до 10%.