Многие виды твердых органических веществ можно использовать как энергоносители. Важнейшим из них является уголь, запасы которого на земле весьма велики. При этом при добыче, транспортировке, обогащении, складировании и переработке угля образуется большое количество всевозможных, обычно мелких, маловостребованных продуктов (отсевы, просыпи, шламы и т.п.) которые, как правило, почти не используются и существенно загрязняют окружающую среду. В настоящее время накоплены огромные запасы таких продуктов, которые по содержанию горючей составляющей не уступают, а иногда и превосходят добываемые угли.
Возможны различные способы использования таких продуктов в качестве энергоносителей (сжигание в кипящем слое, получение водно-угольного топлива, получение жидкого топлива и т.п.) Но наверно самым простым, доступным и технически изученным методом использования маловостребованных продуктов угледобычи и углепереработки является их окускование.
И наиболее изученным и доступным методом окускования такого сырья является брикетирование со связующими веществами. От других способов окускования брикетирование отличается простотой процесса и экономичностью.
По назначению топливные брикеты бывают бытовые и промышленные. Основным потребителем бытовых брикетов является население. Промышленные брикеты используют как сырьё для полукоксования и коксования, а также как индустриальное топливо. Каменноугольные брикеты могут выполнять функцию теплоизоляционного материала и основного сырья для получения различных видов электродов.
Брикетное производство позволяет: получать высокосортное и транспортабельное топливо улучшенного качества; сокращать потери угля при хранении, перевозках и сжигании; предотвращать самовозгорание углей; привлекать для коксования дополнительные ресурсы неспекающихся марок углей; использовать низкокачественные местные виды топлива; повышать темпы добычи бурых углей с целью их использования для энергетики и технологической переработки; вовлекать в использование и соответственно сокращать количество всевозможных отходов, в частности органических.
Брикетирование полезных ископаемых представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия разобщенных твердых частиц. Структура брикетов образуется путем непосредственных контактов частиц между собой или через прослойки связующих и воды за счет прилагаемых усилий прессования.
Формирование структуры брикетов со связующими следует рассматривать как один из видов склеивания разобщенных твердых материалов с помощью клеев (адгезивов). Основу структурообразования составляют процессы взаимного расположения и взаимосвязи отдельных контактирующих элементов системы. Агрегирование определяют прилипание и склеивание. Прилипание как начальная ступень процесса склеивания связана с образованием упорядоченной клеевой пленки на поверхности твердого тела (субстрата). Для прилипания характерно вязкотекучее (иногда жидкое) состояние связующего. Последующие процессы приводят к структурированию (восстановлению) клея до его максимальной прочности. В результате разобщенные твердые частицы, покрытые связующим, объединяются в брикет.
Брикет из любых полезных ископаемых со связующими можно рассматривать как дисперсную систему, где дисперсионная среда – связующее, а дисперсная фаза – полезное ископаемое.
В качестве связующих можно использовать самые различные вещества, обладающие «склеивающим» (адгезивным) действием и способные затвердевать при нормальных условиях или при изменении условий (нагревание, охлаждение, изменение pH-среды, взаимодействие с отвердителем и др.) Однако, на практике, к связующим предъявляется целый ряд дополнительных требований, в частности, они должны быть не токсичны, не дефицитны, достаточно дешевы, быть устойчивы к атмосферным воздействиям и т.д.
Связующие могут быть органическими и неорганическими. Следует отметить, что органические связующие обычно являются более дорогими и поэтому в промышленном производстве применяются реже. Однако подбор и испытания органических связующих в настоящее время продолжаются как в нашей стране, так и за рубежом. При производстве топливных брикетов, органические связующие являются предпочтительными, т.к. они не уменьшают калорийность брикетов. Выбор конкретного связующего производится на основании технико-экономического сравнения. Например, при производстве брикетов, используемых на месте, можно использовать дешевое местное неорганическое связующее (например, глину). Стоимость брикетов получается низкая, а после сгорания глина просто выбрасывается и через некоторое время полностью ассимилируется в окружающей среде, не нанося ей вред.
Наиболее распространенными связующими органического происхождения являются высокомолекулярные соединения, полученные при химической переработке нефти, угля, сланцев и других природных полимеров с большой молекулярной массой (1000 и более). В химическом отношении эти связующие обычно представляют собой гетерополярные высокомолекулярные соединения (ВМС), имеющие сложный состав и структуру.
Наибольшее распространение при окусковании различных материалов получили следующие виды связующих органического происхождения: каменноугольный пек; нефтесвязующие (нефтеполимерные смолы); сульфит-спиртовая барда (ССБ); гуматы; битумы; карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ); лигносульфаты, лигносульфонаты, меласса, эпоксидные, полиэфирные смолы и другие виды связующих.
Для окускования органические связующие могут применяться как в жидком, так и в твердом виде, однако наибольшее распространение получили связующие, употребляемые в жидком виде (но твердые связующие вполне можно применять при высокой влажности брикетируемых материалов – при этом снижаются затраты на обезвоживание). Это связано с тем, что связующее в жидком виде имеет ряд преимуществ по сравнению с твердыми связующими: жидкофазное связующее легко диспергируется и легко перемешивается с материалом.
К неорганическим связующим относятся системы, в которых растворитель или дисперсионная среда представлены неорганическими жидкостями (водой, водными растворами солей, кислот, щелочей), а растворяемое вещество или дисперсная фаза – минеральными порошками.
По агрегатному состоянию неорганические связующие делятся на следующие группы: связующие – порошки, при использовании которых порошок сначала плавится, а затем кристаллизуется; связующие – растворы; связующие – дисперсные системы, которые подразделяются на системы с химическим взаимодействием порошка и жидкости, кристаллогидраты и системы без химического взаимодействия (например, суспензии глины).
Связующие неорганического происхождения могут вступать с окусковываемым материалом (или одним из его компонентов) в химическую реакцию. При этом интенсивность структурообразования зависит от скорости и полноты химических реакций.
В качестве неорганических связующих наибольшее распространение нашли: цементы, известь; глины; растворимое стекло; гипс; сода; доломит; мочевина и другие.
Также хорошие результаты дают так называемые комбинированные связующие, состоящие либо из нескольких взаимоулучшающих свойства связующего компонентов, либо «организованных» по принципу основное связующее – активизирующие добавки. Например, связующие состоящие из нескольких компонентов: меласса и известь (или сода); нефтяной битум и сульфит-спиртовая барда и др. Либо, бентонитовые глины и различные активизирующие добавки, в том числе, получаемые с применением биотехнологий (энзимы) [1, 2].
Бытовые топливные брикеты могут изготавливаться самых различных форм и размеров, из различных видов органического сырья и с использованием различных видов связующих веществ.
Размеры и форму брикета будет определять способ их сжигания. Здесь могут быть два основных способа: «индивидуальное» сжигание, когда сжигается только один брикет; «массовое» сжигание, когда сжигается сразу несколько брикетов.
В ходе проведенных исследований установлено, что наилучшей формой для брикета «индивидуального» сжигания будут либо прямоугольные параллелепипеды, либо цилиндры. При этом брикеты имеют перфорацию (рис. 1). Брикеты изготавливаются прессованием. Цилиндрический брикет проще в изготовлении, параллелепипеды удобнее для транспортировки. Такой брикет устанавливается на любые термостойкие подставки, либо в специально изловленное «топочное устройство» (печь). Затем разжигается за счет горения легковоспламеняющихся материалов (дерево, бумага и т. п.) «Надежное» горение брикета обеспечивают отверстия, которые, в свою очередь способствуют поступлению воздуха к горящему брикету. Количество и размеры отверстий подбираются под конкретный вид горючего компонента брикета. Масса брикета может составлять от 200 гр. (горение до 120 минут, при изготовлении брикета из антрацита, или низкозольного каменного угля) до 1000 гр. – горение до 12 часов.
Рис.1. Внешний вид прессованных топливных брикетов.
1 – основной слой; 2 – зажигательный слой; 3 – перфорационные отверстия
Д
ля
«массового» сжигания также можно использовать
перфорированные прямоугольные параллелепипеды. Они устанавливаются в
топочное устройство друг на друга, в несколько слоев (перфорационные
отверстия естественного совмещаются). Другим вариантом являются
«макаронообразные» брикеты (рис. 2) с одним центральным
отверстием, обеспечивающим хорошее поступление воздуха. Такие брикеты
можно получать методом экструдирования, что энергетически выгоднее,
чем прессование.
Рис. 2. «Макаронообразные» брикеты.
1 – основная часть; 2 – центральное отверстие; 3 – зажигательный слой
Особым видом топливных брикетов являются брикеты с низкой температурой воспламенения (зажигаемые от низкоэнергетических источников, например спички). Пожалуй, наилучший путь получения таких брикетов – изготовление многослойных перфорированных брикетов [3, 4, 5, 6]. Такие брикеты состоят как минимум из двух слоев – один зажигательный, который содержит, например, окислитель и соответственно легко воспламеняется от спички, и другой основной слой на который горение передается от зажигательного слоя (рис. 3). Обычно в таком брикете в основной слой, в небольшом количестве, добавляются компоненты (такие как, древесные опилки, древесный уголь и т.п.), облегчающее его воспламенение от зажигательного слоя.
Также возможно изготовление брикетов с большим количеством слоев, например: зажигательный, промежуточный и основной слои. Зажигательный слой воспламеняется от спички, передает горение промежуточному слою, который в свою очередь передает горение основному слою. Это позволяет не добавлять в основной слой, компоненты, облегчающие его воспламенение. При этом необходимое количество активных компонентов в зажигательном слое и его размеры уменьшаются.
Формы брикетов с низкой температурой воспламенения такие же, т.е. перфорированные прямоугольные параллелепипеды, цилиндры, «макаронообразные» брикеты.
Брикеты изготавливались с применением различных связующих (крахмал, КМЦ, лигносульфонат, комбинированные связующие и др.) при относительно невысоких давлениях прессования с использованием различных видов прессов или экструдеров.
Рис. 3. Слоистый топливный брикет.
1 – основной слой; 2 – перфорационные отверстия; 3 – зажигательный слой
Рассмотрено два варианта расположения зажигательного слоя в прессованном брикете: снизу и сверху. Расположение слоя снизу позволяет уменьшить массу необходимую для зажигания основного слоя, т.к. пламя распространяется «снизу – вверх». Но расположение зажигательного слоя сверху предпочтительнее, т.к. при этом горение происходит «сверху – вниз» и находящиеся под зоной горения слои брикета сначала нагреваются, затем начинают возгоняться и летучие вещества проходят сквозь высокотемпературную зону. При этом происходит практически полное сжигание горючих веществ, и минимизируются выбросы вредных веществ в атмосферу. Весьма положительно на горение брикетов и на снижение выбросов в атмосферу влияет перфорация брикетов.
Также проведены исследования по оптимизации формы зажигательного слоя. Дело в том, что зажигательные слои, имеющие форму цилиндра и диаметр такой же, что и у основного слоя для некоторых видов углей и связующих недостаточно прочно соединялись с основным слоем и через некоторое время хранения на открытом воздухе (без герметичной упаковки) они полностью или частично отваливались. Поэтому были разработаны новые формы зажигательных слоев [7].
Например, зажигательный слой выполнен в виде тела, часть которого, выходящая на поверхность брикета имеет площадь меньшую, чем площадь горизонтального сечения основного слоя, при этом площадь сечения этого тела увеличивается по мере «погружения» в тело брикета. Такое выполнение зажигательного слоя позволяет существенно повысить надежность соединения основного и зажигательного слоев (зажигательная часть как бы заклинена в основной) и несколько снизить расход сравнительно дорогостоящих компонентов зажигательного слоя за счет уменьшения удельной доли зажигательного слоя в топливном брикете. Также увеличивается надежность воспламенения основного слоя. Надежное воспламенения основной части повышается, так как при горении зажигательной части, какая то масса основной части всегда оказывается выше зажигательной и поэтому легко воспламеняется.
Были испытаны различные формы зажигательных слоев: линзовидная, усеченный конус, пирамида, коаксиальный цилиндр. Схема одного из вариантов таких брикетов изображена на рисунке 4. На данном рисунке изображен брикет с зажигательным слоем в виде объемной многолучевой звезды. Такая форма в наибольшей степени снижает массу зажигательной части, при этом обеспечивает надежное воспламенение основного слоя.
Рис.4. Внешний вид прессованных топливных брикетов с зажигательным слоем оптимизированной формы
1 – основной слой; 2 – зажигательный слой; 3 – перфорационные отверстия
Брикеты могут применяться как эффективное и удобное в использовании топливо в сельской местности, на небольших предприятиях общественного питания, в экспедициях, походах и т.д.
Кроме угля, топливные брикеты могут изготавливаться из других видов горючих материалов (торф, древесные опилки, отходы переработки сельхозпродукции, и т.д.). При этом также решается важная проблема - утилизация всевозможных горючих отходов.
Также были изготовлены опытные партии углеродсодержащих железорудных брикетов.
Кроме того, были проведены предварительные исследования по получению окатышей из углеродсодержащих материалов, показавшие положительные результаты.
Работа выполнена при проведении НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
- Литература:
Дашко Р.Э. и др. Способ подготовки железорудного материала в виде брикетов. Заявка на выдачу патента № 2010114373, от 12.04.2010.
Кусков В.Б. и др. Способ подготовки железной руды к металлургической переработке. Заявка на выдачу патента 2010148939 от 30.11.2010
Кусков В.Б., Кускова Е.Н. Слоистый топливный брикет. Патент № 17559857. Опубл. 07.09.1992, бюл. № 33.
Кусков В. Б, Кускова Я.В., Николаева Н. В., Сухомлинов Д. В. Легковоспламеняющийся топливный брикет. Заявка на получение патента № 2010119907/05 от 18.05.10
Кусков В. Б, Кускова Я.В., Николаева Н. В., Сухомлинов Д. В. Легковоспламеняющийся топливный брикет. Заявка на получение патента № 2010132439/05 от 02.08.10
Кусков В.Б., Шувалов Ю.В., Маковский А.Н., Маковский С.А Легковоспламеняющийся топливный брикет. Патент № 2208044. Опубл. 10.07.2003, бюл. № 19.
Кусков В.Б., Кускова Я.В. Слоистый топливный брикет. Заявка на получение патента № 2010121986/05 от 28.05.10.
