ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ ГРАНУЛИРОВАННАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК C10L5/00 C10L5/40 

Изобретение относиться к производству твердого топлива в виде брикетов, гранул, прессовок и может быть использовано в качестве природного топлива в быту, в котельных коммунально-бытового назначения, в промышленности и топках вагонов.

Известен топливный брикет, содержащий углеродсодержащий компонент (антрацитовый штыб, каменноугольную мелочь и т.д.), в качестве связующих - сульфитно-дрожжевую бражку и нефтебитум, последний одновременно играет роль гидрофобизатора, при следующем соотношении компонентов, мас.%: сульфитно-дрожжевая бражка (2,4÷6,4); нефтебитум (1,2÷4,2); антрацитовый штыб или угольная мелочь - остальное [SU 1452841, 1989].

Недостатком композиции является небольшая влагоустойчивость и термостойкость.

Известен топливный брикет на основе смеси измельченного углеродного топлива (коксовая мелочь, уголь, древесный уголь), не менее 5% (10÷40%) воска (парафинового, полиэтиленового, нефтяного, растительного) и не менее 2,5% (4÷15%) связующего - маисовый крахмал, лигнин, смолы, который получают формованием и последующим разрезанием на брикеты (GB 2240341 C10L 5/14, опубл. 31.07.91).

Так же известен брикет на основе смеси измельченного твердого топлива из группы растительных отходов переработки косточковых плодов 40-75% мас., угольной или коксовой мелочи 15-40% мас., и связующего из группы, включающей лигносульфонат, мелассу, таловый пек или их смеси - до 100% мас. (RU 2114902, C10L 5/44, опубл. 10.07.98).

Данные брикеты, обладая достаточной реакционной способностью, имеют сравнительно низкую механическую прочность, что приводит к их разрушению при погрузочно-транспортных операциях и, таким образом, к повышенным затратам при использовании этих брикетов.

Наиболее близким является топливный брикет на основе смеси измельченного твердого топлива из группы растительных отходов и/или угольной, и/или коксовой мелочи и связующего из группы, включающей лигносульфонат, мелассу, таловый пек или их смеси (1÷8)% мас., и дополнительно в качестве связующего используют, при определенном соотношении компонентов, мас.%, синтетический воск или парафин (1÷7), и/или цемент, глину (1÷20) и/или осадок от очистки сточных вод (2÷25) при общем содержании не менее трех связующих (5÷50) и измельченное твердое топливо (до 100) [RU 2147029, C10L 5/12, опубл. 27.03.2000]. Брикеты имеют высокую реакционную способность, уменьшенное время горения, невысокую прочность брикетов на раскалывание, высокую влажность брикета и широкий спектр вредных оксидов газа при сжигании (NO_x, CO₂, P₂O₅ и т.д.), низкую тепловую мощность. Кроме того, в нем отсутствуют вещества, инициирующие процесс горения компонентов. В тоже время известен способ брикетирования трудносжигаемых измельченных отходов табачного и/или деревообрабатывающего производства, предназначенных для сжигания в топках, включающий смешивание компонентов и брикетирование. В качестве инициирующих горение компонентов в брикете используют отработавшее машинное масло и торф при следующем соотношении компонентов, мас.%: измельченные отходы табачного и/или деревообрабатывающего производства (20÷45), отработавшее моторное масло (3,5÷14,0), торф (41,0÷76,5), вода (сверх 100%) - необходимое количество [RU 2157402, C1, опубл. 10.10.2000].

Брикетирование осуществляют в следующем порядке. Измельченные отходы табачного или деревообрабатывающего производства (крошка, опилки) смешивают с торфом, добавляют отработанное машинное масло и воду в количестве 10% от массы имеющихся компонентов и производят смешивание в течение 3-5 минут в смесителе до получения тестообразной консистенции, из которой после экструдирования получают цилиндрические гранулы, или после брикетирования под давлением 75÷100 МПа получают брикеты, а затем сушат при температуре t=100÷150°С.

Недостатками известного топливного брикета и способа его получения являются: низкая теплотворная способность, использование в качестве инициатора горения торфа и машинного масла, что увеличивает содержание вредных примесей в газовых выбросах, а использование воды в качестве связующего приводит к высокой влажности брикета, его низкой прочности и высоким энергозатратам при гранулировании. Полученные брикеты имеют низкую тепловую мощность.

Основной задачей изобретения является получение топливных брикетов с высокой реакционной способностью, повышенной тепловой мощностью, высокой прочностью брикетов (прессовок) с низким содержанием вредных примесей в газовых выбросах.

Поставленная цель достигается тем, что в твердотопливной гранулированной композиции на основе углеродсодержащих компонентов и/или угольной пыли, и/или коксовой мелочи, растительных отходов, связующего и интенсифицирующего горение компонента в качестве углеродсодержащего компонента вводят дисперсный активированный продукт низкотемпературного пиролиза отходов резинотехнических изделий (в частности автомобильных покрышек) и полимерных отходов пирокарбон с удельной поверхностью S=5000÷8000 см²/г, в качестве растительных отходов вводят древесные опилки. При этом в качестве компонента, инициирующего горение, используют азотсодержащие компоненты, такие как аммиачная селитра и/или известково-аммиачная селитра или карбамид, связующее полимерную пластифицирующую добавку вводят в виде водного раствора поливинилацетата с пластификатором и/или технический лигносульфонат, с общей исходной влажностью W_исх=10÷35% мас., при следующем соотношении компонентов в гранулированном продукте (% мас.):

Пирокарбон 50÷70 Древесные опилки 30÷20 Азотсодержащие вещества 10÷5 Водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 10÷5

Предлагаемую гранулированную твердотопливную композицию получают следующим образом. Сначала смешивают азотсодержащие компоненты и древесно-растительные отходы и одновременно проводят их дробление и механоактивацию в скоростной шаровой мельнице, затем эту смесь смешивают с пирокарбоном, с удельной поверхностью S=5000÷8000 см²/г с заявленным связующим при общей влажности смеси W_исх=10÷20% мас. в высокоскоростном смесителе, а затем гранулируют при удельном давлении 20÷115 МПа.

Прессование можно осуществлять методом таблетирования при давлении 20÷60 МПа, прокаткой на валковом прессе с получением плитки при давлении 40÷115 МПа (далее дробление на гранулы), брикетирования на брикетном прессе (или в роторном грануляторе с кольцевой или плоской матрицей) при давлении 20÷80 МПа.

Особенностью данной гранулированной твердотопливной композиции и способа ее получения является увеличение тепловой мощности за счет значительного ускорения сгорания топлива при сниженном количестве вредных газовых выбросов в атмосферу. Заявленные соотношения компонентов и вводимое количество NH₄NO₃ в качестве окислителя вместо кислорода при сжигании обеспечивают образование NO₂, N₂ и H₂O. При этом избыточный кислород расходуется на окисление компонентов топлива.

Поэтапное проведение процесса механоактивации позволяет повысить удельную поверхность гранулируемой смеси и увеличить поверхностную энергию частиц. Активированные частицы смеси с заданной удельной поверхностью в сочетании с заявленными связующими (водный раствор поливинилацетата и/или технический лигносульфонат) и при пониженном содержании связующего (W_исх=10÷20% мас.) позволяют получать плотнопрочные прессовки с прочностью на раскалывание σ_раск=2÷8 МПа и с прочностью на сжатие σ_сж=10÷20 МПа.

Пример 1.

Были использованы следующие компоненты: в качестве твердого топлива - пирокарбон 50%, опилки 30%, азотсодержащие компоненты 10% (аммиачная селитра), водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 10%.

Указанные компоненты, после смешения и активации, при влажности смеси W_исх=10%, подвергали гранулированию прессованием (40÷75 МПа) различными способами: таблетированием (удельное давление прессования 40 МПа), компактированием (удельное давление прессования 60 МПа) и брикетированием (удельное давление прессования 75 МПа). При таблетировании получали прессовки цилиндрической формы диаметром 15 мм, высотой 5÷15 мм, плотность прессовок 1250 кг/м³, прочность при сжатии 12÷15 МПа, с теплотворной способностью 6800 ккал/кг. Прессовки загораются в течение 7 минут при температуре 600°C и полностью прогорают за 3,5÷4,5 часа без остатка в золе горючих веществ.

Пример 2.

Были использованы следующие компоненты: в качестве твердого топлива - пирокарбон 70%, опилки 20%, азотсодержащие компоненты (известково-аммиачная селитра) 5%, водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 5%.

Указанные компоненты, после смешения и активации, при влажности смеси W_иcx=15%, подвергали гранулированию таблетированием. Удельное давление прессования составило 115 МПа. При этом получали прессовки цилиндрической формы диаметром 15 мм, высотой 5÷15 мм, средняя плотность прессовок 1300 кг/м³, прочность при сжатии 15÷17 МПа, с теплотворной способностью 6950 ккал/кг. Прессовки загораются в течение 6 минут при температуре 550°C и полностью прогорают за 3÷4 часа без остатка в золе горючих веществ.

Пример 3.

Были использованы следующие компоненты: в качестве твердого топлива - пирокарбон 65%, опилки 20%, азотсодержащий компонент (карбамид) 10%, водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 5%.

Вначале проводили смешение твердых компонентов композиции и их механоактивацию, затем в полученную смесь вводили связующее (водный раствор полимерной пластифицирующей добавки), затем активированную смесь подвергали гранулированию с исходной влажностью смеси W_иcx=20%. При компактировании удельное давление прессования составило 115 МПа. При этом получали плитки толщиной 5 мм, средняя плотность прессовок 1400 кг/м³, прочность при сжатии 25÷30 МПа, с теплотворной способностью 7250 ккал/кг. Прессовки загораются в течение 4-5 минут при температуре 550°C и полностью прогорают за 3÷4 часа без остатка в золе горючих веществ.

Пример 4.

Были использованы следующие компоненты: в качестве твердого топлива - пирокарбон 60%, опилки 30%, азотсодержащие компоненты (известково-аммиачная селитра) 5%, технический лигносульфонат 5%.

Вначале проводили смешение твердых компонентов композиции и их механоактивацию, затем в полученную смесь вводили связующее (технический лигносульфонат), затем активированную смесь подвергали гранулированию с исходной влажностью смеси W_иcx=26%. При брикетировании удельное давление прессования составило 120 МПа. При этом получали прессовки диаметром 15 мм, высотой 14 мм, средняя плотность прессовок 1350 кг/м³, прочность при сжатии 18÷22 МПа, с теплотворной способностью 7000 ккал/кг. Прессовки загораются в течение 4 минут при температуре 550°C и полностью прогорают за 4÷5 часов без остатка в золе горючих веществ.

Пример 5.

Были использованы следующие компоненты: в качестве твердого топлива - пирокарбон 70%, опилки 20%, азотсодержащие компоненты (известково-аммиачная селитра) 5%, водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 5%.

Вначале проводили смешение твердых компонентов композиции и их механоактивацию, затем в полученную смесь вводили связующее, затем активированную смесь подвергали гранулированию с исходной влажностью смеси W_исх=16%. При таблетировании удельное давление прессования составило 70 МПа. При этом получали прессовки цилиндрической формы диаметром 15 мм, высотой 12 мм, средняя плотность прессовок 1370 кг/м³, прочность при сжатии 20÷25 МПа, с теплотворной способностью 7400 ккал/кг. Прессовки загораются в течение 3 минут при температуре 500°C и полностью прогорают за 1,5÷2 часа без остатка в золе горючих веществ.

Рассмотренные примеры показали, что достижение поставленной задачи реализуется при предложенном составе твердотопливной композиции. Способы ее получения позволяют повысить теплотворную способность композиции, интенсифицировать процесс горения за счет оптимального соотношения заявленных компонентов. При этом получаемые гранулы, прессовки и брикеты обладают высокой механической прочностью, плотностью, что снижает затраты на их использование и облегчает транспортировку, позволяют использовать большое количество отходов. Топливные брикеты обладают невысокой зольностью, и при сжигании имеют минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу на уровне ПДК.

Изобретение относится к производству твердого топлива, в котором описана твердотопливная гранулированная композиция на основе углеродсодержащего компонента, где в качестве углеродсодержащего компонента вводят дисперсный активированный продукт низкотемпературного пиролиза отходов резинотехнических изделий и полимерных отходов (пирокарбон с удельной поверхностью S=5000-8000 см²/г), в качестве растительных отходов вводят древесные опилки. При этом в качестве компонента инициирующего горение вводят азотсодержащие компоненты, а связующее вводят в виде водного раствора полимерной пластифицирующей добавки с общей исходной влажностью W_исх=10÷35% мас. Особенностью данной гранулированной твердотопливной композиции и способа ее получения является увеличение тепловой мощности за счет значительного ускорения сгорания топлива при сниженном количестве вредных газовых выбросов в атмосферу. Заявленные соотношения компонентов и вводимое количество NH₄NO₃ в качестве окислителя вместо кислорода при сжигании обеспечивают образование NO₃, N₂ и H₂O. При этом избыточный кислород уходит на окисление компонентов топлива. Технический результат - получение топливных брикетов с высокой реакционной способностью, повышенной тепловой мощностью, высокой прочностью брикетов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Твердотопливная гранулированная композиция на основе углеродсодержащих компонентов и/или угольной пыли, и/или коксовой мелочи, растительных отходов, связующего и интенсифицирующего горение компонента, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего компонента вводят дисперсный, активированный продукт низкотемпературного пиролиза отходов резинотехнических изделий - пирокарбон с удельной поверхностью S=5000÷8000 см²/г, в качестве растительных отходов - древесные опилки, а в качестве интенсифицирующего горение компонента используют азотсодержащие вещества, связующее вводят в виде водного раствора полимерной пластифицирующей добавки, не содержащей хлор с общей влажностью 10÷35 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пирокарбон 50÷70 Древесные опилки 30÷20 Азотсодержащие вещества 10÷5 Водный раствор полимерной пластифицирующей добавки 10÷5

2. Твердотопливная гранулированная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве азотсодержащих компонентов используют аммиачную селитру, и/или известково-аммиачную селитру, и/или карбамид.

3. Твердотопливная гранулированная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют водный раствор поливинилацетата с пластификатором, и/или технический лигносульфонат.

4. Способ получения твердотопливной гранулированной композиции на основе углеродсодержащих компонентов, включающий дозирование и смешение углеродсодержащих компонентов и древесно-растительных отходов, их активацию, смешение со связующим и гранулирование смеси с получением брикетов или прессовок, отличающийся тем, что сначала смешивают древесные опилки и азотсодержащие вещества, полученную смесь подвергают дроблению и механоактивации в скоростной шаровой мельнице до удельной поверхности S=5000÷8000 см²/г, затем полученную смесь смешивают с пирокарбоном и со связующим, а прессование ведут при влажности смеси w_исх=10÷20 мас.% и удельном давлении 20÷115 МПа.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что прессование проводят таблетированием при давлении 20÷60 МПа, и/или прокаткой на валковом прессе при давлении 40÷115 МПа, и/или брикетированием при давлении 20÷80 МПа.