Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СЖИГАНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к области повышения энергоэффективности и экологической чистоты при сжигании низкореакционных при горении высокоуглеродных твердотопливных ресурсов, в частности мелочи и тонкодисперсных отходов от производства и использования углерод-углеродных композиционных материалов, кокса, древесного угля и других искусственных углеродных и графитизированных материалов, прошедших стадию термической карбонизации органической массы их вещества.

Объектами для применения изобретения являются отопительные и отопительно-варочные печи, камины, мангалы и другие теплогенерирующие устройства, предназначенные для слоевого способа сжигания твердого топлива и не оборудованные специальными системами принудительного поддува воздуха в слой топлива или другими техническими средствами, интенсифицирующими процесс его горения.

Вышеприведенные высокоэнергетические углеродсодержащие вещества характеризуются высокими (более 90%) содержанием углерода и теплотой сгорания на рабочее состояние топлива (более 7500 ккал/кг), а также низким выходом летучих веществ (до 5%), содержанием водорода менее 2,5%, но высокими объемной плотностью (свыше 1,7 г/см³) и температурой воспламенения (порядка 750°С и выше). По совокупности этих параметров эти материалы относятся к трудновоспламеняемым при розжиге и низкореакционным при горении твердотопливным ресурсам.

Известно, что наиболее эффективным способом получения из мелочи и пыли таких высокоэнергетических углеродсодержащих веществ квалифицированного топлива для слоевого способа его сжигания является их брикетирование со связующими добавками органического происхождения. Органические связующие добавки, исходя из существующей практики производства топливных брикетов из высококарбонизированных ресурсов, в частности мелочи кокса и полукокса, должны отвечать следующим требованиям:

- иметь низкую (не более 300°С) температуру воспламенения;

- характеризоваться высокой способностью коксоваться при горении для обеспечения термической устойчивости брикетов в процессе сжигания (коксовый остаток по методу Конрадсона не менее 35%);

- обладать высокой теплотворной способностью, близкой к теплотворной способности брикетируемого топлива (теплота сгорания на рабочее состояние топлива не менее 7500 ккал/кг);

- выделять при горении как можно больше летучих веществ для облегчения розжига и повышения реакционной способности брикетного топлива в процессе его сжигания;

- быть нетоксичными с отсутствием запаха при сжигании.

Из применяемых в настоящее время различных видов связующих материалов органического происхождения при производстве топливных брикетов следует выделить только каменноугольный пек, нефтебитумы, сульфитные щелока и лигносульфонаты, мелассу и крахмал. Для брикетирования высокоэнергетических углеродсодержащих веществ в наиболее полной мере предъявляемым требованиям отвечают только каменноугольный пек и нефтебитумы с высокой степенью коксуемости при горении.

Известны:

1. Способ изготовления отвержденных брикетов полукокса, заключающийся в использовании в качестве связующего пек. (Sentro Sperimental Metallurgico SpA, Италия - з. №908470 от 22.05.78 опубл. 21.08.79 США - п. №41652.20, НКИ 44/23, МКИ С101. 5/16. 5/40).

2. Способ производства брикетов из смеси каменных углей и каменноугольного пека (Mannesmann AG ФРГ, з. №41617 от 23.05.59 опубл. 11.06.64. ФРГ, п. №1171871, МКИ С10Д).

3. Способ получения каменноугольных брикетов, заключающийся в том, что в качестве связующего используют полученный в глубоком вакууме битум с температурой размягчения 80±10°С по Камеру-Сарнову. В связующее добавляется коксообразователь в количестве, обеспечивающем образование из битума не менее 35% коксового остатка по Конрадсону (Preussag AG ФРГ, з. №2407780 от 19.02.74 опубл. 21.08.75 ФРГ, МКИ С10L, 5/16).

К недостаткам применения каменноугольного пека и нефтебитумов в качестве связующих добавок при брикетировании высокоэнергетического топлива относятся:

- значительные капитальные и эксплуатационные затраты на температурную подготовку брикетируемого топлива (нагрев до 70-80°С); разогрев связующих добавок до 170-180°С с целью их перевода в жидкотекучее состояние, пригодное для эффективного усреднения шихты из брикетируемого топлива и связующей добавки; обработка шихты (пропарка) высокотемпературным (до 250°С) перегретым паром при значительных (130-140 кг/т) его расходах на гомогенизацию шихты;

- повышенная дымность и наличие резких запахов при сжигании брикетов;

- трудный розжиг и значительные (до 40-50%) потери органической массы брикетного топлива, связанные с его недожогом в зольном остатке при сжигании топлива без принудительного воздушного дутья в зону горения.

Кроме того, отмечается, что применение каменноугольного пека запрещено Минздравом РФ при производстве печного топлива из-за канцерагенных веществ и соединений, содержащихся в пеке, а производство специализированных нефтебитумов с повышенной коксуемостью при их горении в Российской Федерации отсутствует.

Более легкую воспламеняемость брикетов из высокоэнергетических углеродсодержащих веществ и повышение энергоэффективности при их горении, помимо воздушного дутья, возможно достигнуть за счет добавления в шихту для брикетирования специальных добавок, инициирующих процессы воспламенения и горения брикетов.

Известен способ получения брикета, легко загорающегося от пламени спички, который имеет слой нитроклетчатки и/или ацетата целлюлозы, нанесенный на поверхность сформованного брикета, состоящего из порошкообразного горючего материала и окислителя, связанных нитроклетчаткой и/или ацетатом целлюлозы, а также воском. (International monopoly association №8204353 от 15.02.82, опубл. 04.27.83 №56/158127. Приоритет 08.10.81 (Япония) Великобритания, заявка 8107348 МКИ C10L 5/32).

Прецеденты применения добавок, инициирующих розжиг и процесс горения брикетов, известны также в Китае и Ирландии.

В частности, в Китае в шихту для получения зажигательных брикетов вводили аммиачную селитру в качестве мощного окислителя и источника самовозгорания после воздействия пламени; в Ирландии - формальдегидную смолу с последующей пропиткой шихты бензином. При этом ввод в состав брикетируемой шихты специальных добавок не исключал использование традиционных связующих материалов.

Известные добавки в брикетное топливо, инициирующие розжиг и процесс их горения, нетехнологичны для применения: имеют высокую стоимость; пожаро- и взрывоопасны при использовании; повышают в отходящих продуктах от сгорания топлива содержание токсичных химических веществ, а также увеличивают дымность брикетов при сжигании в слое.

В дополнение к вышеизложенному отмечается также, что применяемое в настоящее время прессовое оборудование для изготовления топливных брикетов, а именно штемпельные прессы, вальцевые и кольцевые прессы реализуют высокие давления прессования от 200 до 2000 кг/см², что приводит к получению брикетов с высокой объемной плотностью (не менее 1,2 г/см²). Высокая объемная плотность брикетов топливного назначения негативно сказывается на протекание реакций тепломассобмена в объеме брикетов в процессе их горения и соответственно на их энергоэффективность при использовании.

В связи с тем, что известные способы подготовки и прессования твердотопливных ресурсов, связующие и инициирующие процесс горения добавки, применительно к высокоэнергетическим углеродсодержащим веществам, в должной мере не обеспечивают получение легковоспламеняемого, высокореакционного и бездымного при горении брикетного топлива, возникает необходимость в разработке и создании новых, более эффективных технологических решений и оборудования для их реализации.

При этом совершенствование техники и технологий брикетирования высокоэнергетических углеродсодержащих веществ должно проводиться в направлении не только поиска и разработки специализированных связующих и инициирующих процесс горения брикетов добавок, а, в первую очередь, на повышение реакционной способности при горении непосредственно органической массы брикетного топлива как при подготовке его к брикетированию, так и в процессе формования в брикеты.

В настоящем изобретении в качестве эффективного метода воздействия на механическую структуру и химическую активность при горении топливных брикетов предлагается механоактивация высокоэнергетических углеродсодержащих веществ на операциях их подготовки по крупности и формования.

Механоактивация приводит к частичной деструкции высокомолекулярных составляющих в органическом веществе топлива, которая способствует образованию углеродных структур с меньшей термической стабильностью и смещению основных эффектов термического разложения в более низкотемпературную область и, следовательно, к снижению температуры воспламенения и повышению реакционной способности топлива при горении. Термическое разложение является наиболее существенной частью процесса горения топлива, влияющего на энергоэффективность при его сжигании.

Механоактивация способствует:

- повышению внутренней и поверхностной энергии взаимодействия частиц топлива с кислородом воздуха в поровом пространстве брикета за счет активного развития удельной поверхности путем деформации кристаллической решетки топлива;

- эффективному развитию молекулярных связей, повышающих адсорбционную способность частиц топлива в процессе его горения;

- формированию порового пространства в объеме брикета, достаточного для эффективного газообмена при его сжигании.

При этом применительно к настоящему изобретению, в качестве механоактивирующего оборудования на операции подготовки топлива перед его формованием в брикеты предлагается использовать центробежный измельчитель-механоактиватор, работающий по принципу эффективного самоизмельчения материала под воздействием сил взаимного давления и трения, а также давления со сдвигом одновременно с динамической классификацией готового продукта; формование в брикеты осуществлять в экструдере-механоактиваторе, в котором при формовании брикетов, дополнительно к действию осевых накладываются также действия сдвигающих и крутящих усилий, что позволяет получать брикеты при низких давлениях прессования и более высокой пористостью брикетов, в сравнении с использованием известного прессового оборудования для производства топливных брикетов.

Базовым аналогом по рекомендуемому оборудованию для предлагаемого способа изготовления и сжигания топливных брикетов из высокоэнергетических углеродсодержащих веществ является «Технологическая линия по производству топливных брикетов (Патент РФ на полезную модель №127068, приоритет от 13.11.2012 г.). Заложенные в этом патенте на полезную модель решения представлены, в основном, только принципиальной схемой оборудования и конструктивными параметрами его работы, не содержат технологических параметров подготовки и брикетирования конкретного сырья и, вследствие этого, применительно к высокоэнергетическим углеродсодержащим веществам, учитывая их структурные и физико-химические особенности, недостаточны для полноценного решения поставленной задачи.

Концептуально сущность предлагаемого способа изготовления и сжигания топливных брикетов из высокоэнергетических углеродсодержащих веществ заключается в следующем.

Способ предусматривает изготовление из высокоэнергетических углеродсодержащих веществ самовоспламеняющихся зажигательных (растопочных) и основных топливных брикетов с последующим их совместным сжиганием в слое в топочных устройствах печного или другого теплогенерирующего оборудования без принудительного поддува воздуха, а только за счет естественной тяги, образующейся в конструкциях этих аппаратов, или при открытом способе сжигания навалом.

Отличительными признаками изобретения, которые обеспечивают необходимый технический результат, являются:

1. Самовоспламеняющиеся зажигательные (растопочные) брикеты изготавливаются из механоактивированного в центробежном измельчителе и в шнековом экструдере древесного угля, который представляет собой высокоуглеродистый карбонизированный продукт с удельной теплотой сгорания, сопоставимой с удельной теплотой сгорания основного топливного брикета из высокоэнергетического углеродсодержащего вещества.

Преимуществом древесного угля в качестве растопочного топлива по отношению к основному карбонизированному материалу, направляемому на приготовление топочных брикетов, являются значительно более высокая пористость и сорбционная способность по отношению к кислороду воздуха и парам воды, которые, помимо гранулометрического состава, оказывают решающее влияние на процессы воспламенения и горения топлива.

2. Механоактивированный в центробежном измельчителе древесный уголь, в случае необходимости существенного повышения эффективности горения основного высокоэнергетического вещества, добавляется в шихту для брикетирования этого материала.

3. В качестве связующей добавки при изготовлении растопочных и основных топливных брикетов используется водный раствор жидкого стекла. Преимуществами жидкого стекла как минеральной связующей добавки в шихту для брикетирования по сравнению с известными связующими материалами органического происхождения являются:

- отсутствие летучих веществ, исключающих дымообразование при горении брикетов;

- повышение теплопроводности брикета, способствующее интенсификации его разогрева в процессе розжига;

- способность вспучиваться в массе брикета при его горении с образованием в структуре брикета вторичной капиллярно-пористой структуры, положительно влияющей на газообмен при протекании реакции горения брикета.

4. Формование растопочных и основных топливных брикетов осуществляется в шнековом экструдере, конструкция которого обеспечивает ступечатое уплотнение брикетируемой шихты и воздействие на нее заданным давлением по всей длине рабочего пространства аппарата, что способствует:

- более эффективному развитию удельной поверхности частиц брикетируемого материала;

- повышению их химической активности при горении за счет удаления окисленного слоя с поверхности частиц;

- получению брикетного топлива с регулируемой объемной плотностью, достаточной для обеспечения требуемой реакционной способности брикетов при их горении.

5. Розжиг зажигательных (растопочных) брикетов может осуществляться без применения традиционных органических растопочных материалов, в частности дров и др., которые имеют значительно более низкую теплотворную способность в сравнении с высокоэнергетическими углеродсодержащими веществами, требуют значительного их расхода для организации очага горения с температурой, необходимой для воспламенения высокоэнергетического топлива, и повышают дымность при его сжигании.

Растопочные брикеты, полученные из механоактивированного древесного угля, самопроизвольно переходят в процесс горения от тлеющего очага, созданного от пламени спички или другого источника открытого огня.

Возгорание растопочных брикетов происходит за счет цепной реакции автоокисления, которая развивается в топочном пространстве печи или открытом слое брикетов, с достижением температуры в очаге горения до уровня достаточного для возгорания и дальнейшего горения основных брикетов.

Возгорание растопочных брикетов может происходить без открытого пламени в «режиме тления», но с достижением высоких температур.

Принципиальная схема осуществления способа включает следующие технологические операции:

1. Дробление высокоэнергетического углеродсодержащего вещества (вариант получения основных топливных брикетов) и древесного угля (вариант получения запальных брикетов) до фракции кл. 0-4 (6) мм. Дробление производится в щековой дробилке, если максимальная крупность исходного карбонизированного материала превышает 25 мм, или в молотковой дробилке при крупности исходного материала не более 25 мм.

2. Измельчение высокоэнергетического углеродсодержащего вещества до кл. 0-1,0 мм в любом измельчительном аппарате, а древесного угля в центробежном измельчителе-механоактиваторе до крупности кл. 0-0,5 мм. Измельчение древесного угля осуществляется в увлажненном состоянии при числе оборотов ротора 3000 об/мин или более.

3. Интенсивное перемешивание измельченного высокоэнергетического углеродсодержащего вещества (вариант получения основных брикетов) и измельченного древесного угля (вариант получения запальных брикетов) с раствором жидкого стекла в количестве до 10 мас.% от массы направляемого на брикетирование материала по вариантам изготовления брикетов.

При необходимости значительного повышения энергоэффективности при горении основных брикетов, в зависимости от реакционной способности высокоэнергетического вещества в последние добавляется не менее 30 мас.% механоактивированного древесного угля.

4. Формование полученной шихты для основных и запальных брикетов осуществляется в шнековом экструдере-механоактиваторе при удельном давлении порядка 70-80 кг/см. Размер и форма брикетов регулируется сменными насадками с получением основных брикетов после их подсушки до равновесного с окружающей средой состояния с объемной плотностью не более 1,2 г/см³, для запальных с объемной плотностью 0,65 0,75 г/см³.

5. Запальные брикеты нагревают пламенем от спички или другого источника огня до появления тлеющего очага на поверхности брикета. После возникновения тлеющего очага брикеты укладываются нижним слоем в топочном пространстве печи. После возникновения пламенного горения на запальные брикеты укладываются основные брикеты.

Энергоэффективность и экологическая чистота при сжигании запальных и основных брикетов из высокоэнергетических углеродсодержащих веществ проверена на примере сжигания основных брикетов, полученных из мелочи пекового кокса. Опытное сжигание осуществляли в индивидуальном печном аппарате, оборудованном колосниковой решеткой с размером щели 13 мм. При этом время розжига запальных брикетов до пламенного состояния составило порядка 15-20 мин с достижением температуры в очаге горения 800-830°С. Засыпка основных брикетов выгорала ровным стабильным пламенем без заметного дымовыделения в течение 5 часов с момента засыпки. Потери органической массы в зольном остатке от сгорания топочных брикетов составляли 5-6% в сравнении с 40-50%, имеющими место при сжигании брикетов из пекового кокса, изготовленных традиционным способом с применением органического связующего.