60
BULLETIN OF NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
ISSN 1991-3494
Volume 6, Number 358 (2015), 60 – 65 УДК 622.788
INFLUENCE OF MOISTURE ON THE STRENGTH
61
Угольная промышленность Республики Казахстан среди других отраслей топливно- энергетического комплекса имеет наиболее обеспеченную сырьевую базу. Несмотря на большие объемы добычи, их запасы в недрах огромные: по некоторым оценкам, Казахстан сейчас занимает девятое место в мире. В республике выявлено свыше 300 месторождений и углепроявлений ископаемых углей, а также высококачественных горючих сланцев. Основные ресурсы связаны с Центральным и Северным Казахстаном, где расположены такие гиганты, как Карагандинский, Экибастузский, Тениз-Куржункульский, Майкубенский и Торгайский бассейны, а также многочисленные крупные и мелкие месторождения [1].
При переработке и добыче угля, в частности, при его обогащении, образуется огромное количество не утилизируемых или утилизируемых не- квалифицированно тонкодисперсных отходов (в основном, в виде шламов), содержащих, в ряде случаев, до 50-70% угольного вещества.
Накопление и складирование таких отходов не только наносит существенный ущерб экологии регионов, но и крайне невыгодно с экономической точки зрения. Проблема рационального использования этих углей связана, прежде всего, с большим содержанием мелких фракций, достигающим 50-65% от общего добываемого его количества [2,3].
Брикетирование углей – одно из направлений превращения мелких классов углей в бытовое и энергетическое топливо для слоевого сжигания. Брикетирование каменных углей и антрацитов крупностью (0-6 мм) осуществляется, как правило, в вальцевых прессах с применением различных связующих компонентов. В последние годы широкое распространение получает производство топливных брикетов и паллетов (гранул) из растительных отходов (древесные опилки, солома, льнокостра, лузга подсолнечника, початки кукурузы и пр.).
При сжигании отсева угля в слоевой топке коэффициент использования химической энергии угля составляет не более 40-45%. При сжигании в слое брикетов, полученных из того же отсева угля, коэффициент полезного использования химической энергии угля составляет 70-80%. Отсюда очевидны преимущества использования брикетов [2-4].
Основные качественные показатели топливных брикетов сводятся к следующим параметрам:
теплота сгорания, механическая прочность и водостойкость. Теплота сгорания брикетов определяется только качеством и составом компонентов брикетируемой шихты, которые могут целенаправленно изменяться. Механические показатели композиционного брикета зависят как от состава шихты, так и от ряда технологических параметров брикетирования [2-4].
Одним из основных технологических параметров брикетирования композиционной шихты является тип применяемого связующего. Главное требование к связующему – его универсальность, т.е.
высокая адгезионная способность ко всем компонентам брикета. Проектирование брикетных производств на каменном угле базировалось в основном на двух типах связующих, таких как нефтяной битум и каменноугольный пек. Использование связующего на базе местного сырья позволит существенно снизить себестоимость брикетов при сохранении их эксплуатационных качеств.
К основному недостатку по применению брикетов следует отнести их более высокую стоимость по сравнению с отсевом и шламом, которая связана с затратами на брикетирование.
Необходимо тщательное исследование влияния влажности, гранулометрического состава угольного материала, вида и концентрации связующего, давления прессования, режимов тепловой обработки на механические свойства материалов. Поэтому перед принятием решения о брикетировании угольных отсевов и шламов необходимо разрабатывать экономическое обоснование процесса брикетирования. В этом плане перспективным является применение технологии жесткой вакуумной экструзии. Шнековые (экструдерные) брикетировочные прессы, благодаря высоким давлениям в конусных камерах сжатия (до 190 МПа) позволяют изготовить высококачественные брикеты из самых разнообразных сыпучих материалов основе технологии прессования лежат адгезионно-химические процессы, протекающие в вязко-химических системах ископаемых углей, которые сами выступают вяжущими веществами. А попросту говоря, в процессе работы пресса создаются такие физико-химические условия, которые заставляют уже входящие в состав угля ископаемые органические компоненты (фенолы, смолы, воск и т.п.) при участии воды поляризоваться на поверхности частиц, заставляя их связываться между собой.
62
Целью данной работы являлась изучение процесса получения угольно-топливных брикетов на основе местных угольных материалов и исследование технических характеристик разработанных угольных брикетов.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования использовались угольный шлам обогатительной фабрики ЦОФ-7 (г. Караганда), угольные отсевы Кузнецкого месторождения Карагандинской области, а в качестве связующего - каменноугольная смола ТОО «Сары-Арка-спецкокс». Механическая прочность брикетов определялась по ГОСТ 21289-75 «Брикеты угольные. Методы определения механической прочности» [5], а массовая доля общей влаги в рабочем состоянии топлива – по ГОСТ 27314-91 [6]. Для брикетирования угольной мелочи в работе использовался экструдерный пресс ПШ 1000. Качественная характеристика использованных угольных материалов:
- угольный отсев Кузнецкого разреза, марки Б-3: зольность: 17.2-23,00 %; влага общая: 16,56
%; выход летучих веществ: 47,20 %; массовая доля серы: 1,21 %; низшая теплота сгорания: 4600- 4930 ккал/кг.
- угольный шлам ЦОФ-7 (марки КЖ, К, К-12): зольность 34,5 %; влага общая 12,1 %; выход летучих веществ 25,6 %; массовая доля серы 0,63 %; низшая теплота сгорания 4450 ккал/кг, высшая теплота сгорания 6390 ккал/кг.
При получении брикетов соблюдалась следующая последовательность операций [2]: сушка угольного материала, классификация и дробление угля, разогрев связующего и угля, дозировка и смешивание компонентов брикетируемой массы, прессование массы в брикетах и воздушная сушка.
Результаты и обсуждение
Технологическая схема брикетирования угольной мелочи со связующими веществами состоял из процессов измельчения угля, сушки его до определенной влажности, смешения шихты со связующим, прессования и температурной обработки. Значительную роль в процессе брикетирования также играет подготовка угольной шихты. Брикетирование мелочи угольного шлама проводилось как с использованием связующего, так и без него. Однако брикеты, полученные из угольного шлама на экструдерном прессе, приводило к трудностям из-за их липкости и влажности. В связи с этим в экспериментах использовались следующие составы композитов: угольный шлам – угольный отсев = 50:50, а в случае со связующим - в шихту добавили каменноугольную смолу (10 масс.%); гранулометрический состав шихты для брикетирования составил: 0-1 мм – 30%; 1-2 мм – 70%.
Угольно-топливные брикеты, полученные с каменноугольной смолой, обладали низкой твердостью, а также при сгорании крошились, что, видимо, связано с низкой адгезией коксовой смолы к компонентам угольно-шламовой шихты. Основные технические характеристики полученных угольно-топливных брикетов приведены в таблице.
Основные характеристики полученных топливных брикетов
№ Состав W, % W, % Std
, % Vdaf, % Qsdaf
, ккал/кг Qir
, ккал/кг
1. Шлам+отсев 1,6 37,7 0,23 30,6 4750 8050
2. Шлам+отсев+
смола
5,7 30,2 0,48 43,1 4720 7480
Проведено исследование влияния влажности твердых компонентов топливного брикета (угольный шлам, отсев) на его прочность с целью выявления оптимального значения влажности сушенки. Давление прессования брикетов составило 140 МПа. Увеличение содержания влаги в угольной шихте от 18 до 22% оказывает ослабляющее влияние на адгезию между углем и
63
связующим из-за резкого нарушения непосредственных адсорбционных контактов в межфазной зоне, что и приводит к падению прочности.
Оптимальное значение влажности сушенки устанавливалось по значениям прочности при сжатии образцов при минимальном и максимальном давлении прессования. Установлено, что оптимальной для брикетирования является влажность воздушно-сухого состояния угольно- шихтовой смеси, находящаяся в пределах 14-16%.
Повышенная влажность шихты для брикетирования отрицательно влияет на адгезионные межфазные взаимодействия внутри брикета. Выполнено исследование влияния влажности твердых компонентов топливного брикета (шлам, отсев) на его прочность с целью выявления оптимального значения влажности сушенки. Проведено изучение зависимости между влажностью и прочностью брикета на сжатие (рис.).
Рисунок – Влияние содержания влаги угольной шихты на прочность брикетов при давлении прессования 50 (1) и 140 (2) МПа. Состав: шлам-отсев = 50:50
Увеличение содержания влаги в угле от 12 до 15% оказывает ослабляющее влияние на адгезию между углем и связующим, возможно, из-за резкого нарушения непосредственных адсорбционных контактов в межфазной зоне, что и приводит к падению прочности. Оптимальной для брикетов является влажность воздушно-сухого состояния композиции, находящаяся в пределах 10-11%. Прочность сцепления частиц брикетируемой угольной смеси в значительной степени возрастает с увеличением давления прессования.
Таким образом, применение технологии экструдерного брикетирования к отходам обогащения углей и/или, их смесей с угольной мелочью, обеспечивает получение топливных брикетов достаточной прочности и теплотворной способностью.
ЛИТЕРАТУРА
[1] «Концепция развития угольной промышленности Республики Казахстан на период до 2020 года». Разработана на основании протокольного решения заседания Правительства Республики Казахстан от 7 сентября 2007 года № 28.
[2] Будаев С.С., Линев Б.И., Чигирин C.B. и др. Разработка техники и технологии брикетирования Канско-Ачинских бурых углей и освоение промышленного производства топливных брикетов // Уголь. – 2000. – № 9. – С. 64-67.
[3] Елишевич А.Т. Брикетирование угля со связующими. – М.: Недра, 1972. – 162 с.
[4] Евстифеев Е.Н. Новая технология производства бытового бездымного топлива // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2011. – № 6 – С. 51-53.
[5] ГОСТ 21289-75. Брикеты угольные. Методы определения механической прочности //
http://gostexpert.ru/gost/gost-21289-75.
[6] ГОСТ 21290-75. Брикеты угольные. Метод определения водопоглощения // http://www.vashdom.ru/gost/27314- 91/
REFERENCES
[1] «The concept of development of the coal industry of the Republic of Kazakhstan for the period till 2020». Developed on the basis of a protocol decision of the meeting of the Government of the Republic of Kazakhstan from September 7, 2007 N 28.
(in Russ.).
[2] Budaev S.S., Linev B.I., Chyhyryn C.B. and etc. Development of techniques and briquetting technology Kansk-Achinsk brown coal and the development of industrial production of fuel pellets. Coal, 2000, N 9, 64-67 p. (in Russ.).
64
[3] Elishevich А.Т. Coal briquetting with binders. М.: Nedra, 1972, 162 p. (in Russ.).
[4] Evstifeev E.N. The new technology of domestic smokeless fuel. International Journal of Applied and fundamental research, 2011, N 6, 51-53 p.
[5] USSR 21289-75. Briquettes of coal. Methods for determining the mechanical strength. http://gostexpert.ru/gost/gost- 21289-75.
[6] USSR 21290-75. Briquettes of coal. The method of determining water absorption. http://www.vashdom.ru/gost/27314- 91/
КӨМІР ҚОҚЫСТАРЫНАН АЛЫНАТЫН БРИКЕТТЕРДІҢ БЕРІКТІЛІГІНЕ ЫЛҒАЛДЫЛЫҚТЫҢ ӘСЕРІН ЗЕРТТЕУ
С.Д. Фазылов, М.А. Абдықалықов, О.А. Нүркенов, А.Ж. Исаева, М.З. Молдахметов, С.З. Закарин, А.Е. Арынова, Ж.Б. Сәтпаева ҚР Органикалық синтез және көмір химиясы институты, Қарағанды, Қазақстан
Түйін сөздер: көмір қалдықтарын жою, брикеттеу технологиясы, көмір қоқысы, көмір қалдығы, көмір-отын брикеттері, брикет беріктілігі.
Аннотация. Көмір өнеркәсібінің, соның ішінде көмір қоқыстары мен көмір қалдықтарын пайдалана отырып, көмір- отын брикеттерін алу үрдістерінің кейбір ерекшеліктері зерттелді. Брикеттеу үрдісі кезінде көмір шихталарының құрауыштарын даярлау зор рөл атқаратыны анықталды. Отын брикеттерінің сапалық көрсеткіштері анықталды: жану жылуы, механикалық тұрақтылығы мен ылғалдылыққа беріктілігі. Мақсатты түрде өзгере алатын брикеттердің жылу жануы брикеттелген шихталар құрауыштарының сапасы мен құрамы бойынша ғана анықталады. Құрама брикеттің механикалық көрсеткіштері шихта құрамына неғұрлым бағынышты болса, соғұрлым брикеттеудің бірқатар технологиялық параметрлеріне де тәуелді болып табылады. Зерттеу кезінде ылғалдылық әсеріне, көмір материалының астық мөлшерлі құрамына, байланыстырушы түрі мен концентрациясына, престеу қысымы мен басқа да материалдардың механикалық құрамын өңдеу ықпалдарына ерекше назар аударылған. Көмірдің 10-11% шамасындағы көмір күйінің әуе- құрғақ ылғалдылығы брикеттеу үшін қолайлы екені көрсетілді. Брикеттелініп отырған көмір қоспасының бөлшектерінің тұтасу беріктілігі қысымның ұлғаюымен өседі.
Cведения об авторах статьи
«Изучение влияния влажности на прочность брикетов из угольных шламов»
(С.Д. Фазылов, М.А. Абдыкалыков, О.А. Нуркенов, А.Ж. Исаева, М.З. Мулдахметов, С.З. Закарин, А.Е. Аринова, Ж.Б. Сатпаева)
№ Ф.И.О Организация Должность
1. Фазылов Серик Драхметович,
д.х.н., проф. Институт органического синтеза и
углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Зам. директора по научной работе
2. Абдыкалыков Мейрам
Ахмеджанович, к.б.н., доцент
Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Ведуший научный
сотрудник 3. Нуркенов Оралгазы Актаевич,
д.х.н., профессор
Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Зав. лаб.
4. Мулдахметов Марат
Зайнулович, д.х.н., проф., член- корр. НАН РК
Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Ведущий научный
сотрудник
5. Закарин Сагынгали
Закариянович, к.х.н., доцент
Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Ведущий научный
сотрудник 6. Исаева Аяулым Жанабековна Институт органического синтеза и
углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Инженер
7 Аринова Анара Ериковна Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Научный сотрудник
8 Сатпаева Жанар Болсынбековна Институт органического синтеза и углехимии РК, г. Караганда, ул.
Алиханова, 1, инд 100012
Научный сотрудник
65 Название файла -- Хороший патент
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ
(РФ № 2322480)
Согласно действующим ГОСТ (например, ГОСТ 8584-76. Брикеты из бурых башкирских углей) и требованиям потребителей механическая прочность при сжатии буроугольных брикетов должна быть не менее 7,8 МПа.
Введение углеводородсодержащего связующего в бурый уголь перед брикетированием вызывает смазывание матричного канала штемпельного пресса, который обычно используется при брикетировании бурых углей, что в свою очередь вызывает резкое снижение прочности брикета.
Поэтому, углеводородсодержащее связующее предварительно смешивается с пористым углеродным носителем при температуре, превышающей точку плавления связующего, таким образом, чтобы основная масса связующего находилась в порах наполнителя. После смешения связующего с наполнителем, полученный продукт вводится в измельченный бурый уголь и брикетируется при 40. . . 100оС и 80. . . 120 МПа. Количество связующего наносимого на пористый инертный наполнитель определяется пористостью наполнителя и сыпучестью полученной смеси. Целесообразно, вводить его в количестве 5. . . 25 мас. % , так как при большом количестве увеличивается вероятность смазки матричного канала штемпельного пресса связующим. Полученную смесь связующего и наполнителя целесообразно вводить в измельченный бурый уголь в количестве 5. . . 25 мас. % , так как ресурсы пористого наполнителя и углеводородсодержащего связующего ограничены. В качестве пористого углеродного носителя могут быть использованы нефтяной кокс, активированный уголь, отходы производства электродов и другие. В качестве углеводородсодержащего связующего могут использоваться асфальт, пек, крекинг-остаток, тяжелая каменноугольная смола и другие.
Пример 1. В качестве исходного сырья использован обезвоженный угольный шлам марки ТМСШ с ситовым составом в пределах 0 1 мм 99% влажностью 10,0% теплотой сторания (низшей) 1860 ккал/кг, зольностью 53,9% при содержании в ней оксида кремния 57,88% и оксида алюминия 26,62% примеси - остальное.
Шлам перемешивают для усреднения в шнековом смесителе непрерывного действия. После перемешивания шлам загружается в бункер гидравлического пресса, где при давлении 20 МПа шлам формуется в виде цилиндров диаметром 15 - 25 мм и по направляющим проталкивается на поверхность непрерывной шарнирной цепи специально оборудованного конвейера, которая проходит через термокамеру, где производится обжиг брикетов при температуре 200oC в течение 40 мин в среде отходящих газов.
Далее полученные брикеты по охладительным лоткам перемещают в погрузочный бункер или в бункер упаковочной машины, которая упаковывает топливо в мешки (полиэтиленовые или бумажные).
Полученные топливные брикеты по результатам испытаний имеют прочность на сжатие 20 30 кг/см2, прочность на сбрасывание остаток на сите +25 мм 90 93% хорошую термическую прочность, так как при сжигании до полного сгорания сохраняют форму, имеют устойчивость к влаге.
Пример 2. В качестве исходного сырья использован обезвоженный угольный шлам марки ТМСШ с ситовым составом в пределах 0 1 мм 99% влажностью 24,6% теплотой сгорания (низшей) 1975 ккал/кг, зольностью 58,8% при содержании в ней оксида кремния 50% и оксида алюминия 50% примеси - остальное.
Шлам перемешивают для усреднения в шнековом смесителе непрерывного действия. После перемешивания шлам загружается в бункер гидравлического пресса, где при давлении 10 МПа шлам формуется в виде цилиндров диаметром 15 - 25 мм и по направляющим проталкивается на поверхность непрерывной шарнирной цепи специально оборудованного конвейера, которая проходит через термокамеру, где производится обжиг брикетов при температуре 700oC в течение 1 мин в среде отходящих газов.
http://www.findpatent.ru/patent/208/2087527.html
© FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2015
Поступила 22.09.2015 г.
66
BULLETIN OF NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
ISSN 1991-3494
Volume 6, Number 358 (2015), 66 – 70