Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЛЛЕТ И БРИКЕТОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА

Изобретение относится к торфоперерабатывающей промышленности, а именно к области производства топливных пеллет и брикетов из торфа или из смеси углеродсодержащих материалов с торфом, которые могут использоваться в качестве топлива для сжигания в быту, в котлоагрегатах коммунально-бытового назначения, на теплоэлектростанциях, в топках железнодорожных вагонов.

Известен топливный брикет по патенту [Патент РФ 2119532, 27.09.1998], включающий сформованную смесь торфа, древесных опилок, каменного угля, органического связующего и окислителя, с продольным отверстием, при этом он содержит 2-5 мас.% окислителя и подвергнутую термообработке при 350-500°C сформованную смесь, включающую компоненты в следующих соотношениях, мас.%: торф - 10-20, древесные опилки - 5-10, органическое связующее - отход целлюлозно-бумажной и нефтеперерабатывающей промышленности - 2-10, каменный уголь - остальное. Брикет имеет дополнительные отверстия различного диаметра. Недостатками способа являются энергозатратность технологического процесса, сложность равномерного перемешивания твердых компонентов топлива, необходимость добавления дополнительных связующих веществ для формования брикета.

Известен способ получения топливных брикетов из торфа, отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности [Патент РФ 2437921, 27.12.2011], включающий подготовку сырья, загрузку в брикетировочное устройство, брикетирование и сушку брикетов, согласно изобретению подготовку сырья осуществляют в дисковом экструдере при температуре 70-100°C и влажности 45-60%. При этом в качестве углеродосодержащих материалов используют торф, и/или растительные отходы, и/или отходы древесины.

Недостатками способа являются энергозатратность технологического процесса, высокая стоимость производственной линии, длительное время естественной сушки топлива.

Наиболее близким по технологической сущности к заявленному изобретению является топливный элемент - брикет, гранула [Патент РФ 2413755, 10.03.2011], состоящий из углеродосодержащего материала и связующего. В качестве углеродсодержащего материала используют торф, связующее выполнено в виде смеси воды и торфа, причем смесь воды и торфа, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·10⁵ до 25·10⁵ Па. Недостатками способа являются технологическая сложность процесса кавитационной подготовки торфяного связующего, высокие энергетические затраты на прокачивание торфоводяной суспензии через диспергатор, низкие реакционная способность и скорость выгорания производимого топлива.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение технологии подготовки связующего на основе торфа, снижение удельных энергетических затрат на единицу продукции, повышение реакционных свойств и скорости выгорания производимого топлива.

Сущность заявляемого способа получения брикетов и пеллет на основе торфа заключается в подготовке торфяного связующего в результате механохимической активационной обработки водоторфяной дисперсии механическим и/или ультразвуковым воздействием при повышенной температуре в присутствии химических реагентов (карбонатов и/или гидроксидов щелочных металлов I группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева).

Технический результат достигается тем, что в способе получения пеллет и брикетов на основе торфа, содержащем механохимическую обработку водоторфяной дисперсии, используемой в качестве связующего, механохимическую обработку водоторфяной дисперсии осуществляют механическим и/или ультразвуковым воздействием при повышенной температуре в присутствии химических реагентов; в качестве химических реагентов используют карбонаты и/или гидроксиды щелочных металлов I группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева в количестве 1-5% от сухой массы механохимически обработанного торфа.

Заявляемый способ производства пеллет и брикетов на основе торфа поясняется схемой, изображенной на фиг.1.

Способ производства пеллет и брикетов на основе торфа включает в себя сепарацию фрезерного торфа 1 (предпочтительно верхового или срединного типа), механохимическую обработку водоторфяной дисперсии 2 (механическое и/или ультразвуковое воздействие при повышенной температуре в присутствии химических реагентов), добавление обработанной водоторфяной дисперсии 3 к углеродсодержащим материалам или торфу 1А, формование пеллет (брикетов) 4 из подготовленной торфокомпозиционной смеси, сушку пеллет (брикетов) 5 до нормированной влажности.

Способ осуществляется следующим образом.

На первой стадии фрезерный торф, предпочтительно верхового или срединного типа, сепарируют, удаляя камни и древесные включения размерами более 15 мм.

На второй стадии производят механохимическую обработку торфа с целью получения связующего. Для этого отсепарированный фрезерный торф, предпочтительно верхового или срединного типа, увлажняют до вязкопластичного состояния с влажностью 50-75%, после чего вводят химические реагенты (карбонаты и/или гидроксиды щелочных металлов I группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева) в количестве 1-5% от массы сухого торфа. При этом водоторфяную дисперсию подвергают механическому и/или ультразвуковому воздействию при повышенных температурах (от 20-70°С) с целью интенсификации химических и массообменных процессов, сокращения времени обработки и повышения клеящих свойств торфа. Время обработки торфяной смеси, в зависимости от выбранного режима и интенсивности воздействия составляет 15-300 минут. В результате обработки получают эффективное связующее, которое представляет собой водоторфяную дисперсию с высокими клеящими свойствами.

На третьей стадии полученное связующее добавляют к необработанному торфу или углеродсодержащим материалам различного происхождения, от 0,1 до 1 части по массе. Смесь гомогенизируют для получения равномерных, стабильных свойств топлива. Влажность рабочего материала подбирают таким образом, чтобы содержание воды в смеси перед формованием находилось в пределах 40-70%.

На четвертой стадии осуществляют формование подготовленной смеси. В зависимости от назначения могут быть использованы устройства для формования округлых гранул, цилиндрических пеллет или брикетов.

На пятой стадии топливо подсушивают до влажности 10-15% при помощи известных технических устройств или естественным способом.

Пример 1. Верховой торф влажностью W^p=60%, с содержанием золы A^d=5,8% сепарируют в вибрационном грохоте, удаляя камни и древесные включения размерами более 15 мм.

В 10 кг отсепарированного торфа добавляют 3,35 кг воды, увлажняя смесь до вязкопластичного состояния с влажностью W^p=70%. В полученную массу вводят 15 г водного раствора гидроксида калия (КОН), осуществляя равномерное перемешивание и нагрев смеси до температуры 70°С. Время обработки торфяной смеси при температуре 70°С составляет τ=15 мин.

В результате обработки получают клейкую водоторфяную дисперсию, которую добавляют к 130 кг предварительно отсепарированного торфа с влажностью W^p=35%. Полученную смесь формуют в виде цилиндрических пеллет в экструзионном прессе червячного типа.

После формования пеллеты сушат на ленточно-сетчатой сушилке в слое 80-100 мм до влажности W^p=10-15%.

Пример 2. Срединный торф влажностью W^p=50%, с содержанием золы A^d=7,0% сепарируют аналогично примеру 1.

В 10 кг отсепарированного торфа добавляют 4,3 кг воды, увеличивая влажность смеси до величины W^p=65%. Полученную массу нагревают до температуры 60°С и подвергают воздействию ультразвука с частотой 22-23 кГц и мощностью излучения 0,2 Вт/см³ в течение 5 минут. Затем в смесь добавляют 17 г водного раствора гидроксида натрия (NaOH) и продолжают обработку ультразвуком еще в течение 30 минут до получения клейкой водоторфяной дисперсии.

Аналогично примеру 1, водоторфяную дисперсию добавляют к 150 кг отсепарированного торфа с влажностью W^p=30%. Формование смеси осуществляют в виде восьмигранного брикета с центральным отверстием в экструзионном прессе червячного типа.

После формования брикеты сушат естественным способом в хорошо вентилируемом помещении до влажности W^p=10-15%.

Пример 3. Верховой торф влажностью W^p=55%, с содержанием золы А^d=6,5% сепарируют аналогично примеру 1.

В 10 кг отсепарированного торфа добавляют 4,3 кг воды, повышая его влажность до значения W^p=70%. В полученную массу вводят 15 г водного раствора гидроксида натрия (NaOH), осуществляя равномерное перемешивание и нагрев смеси до температуры 65°C. Одновременно смесь подвергают воздействию ультразвука с частотой 17-18 кГц и мощностью излучения 0,1 Вт/см³. Обработку осуществляют в течение 10 минут.

В результате обработки получают клейкую водоторфяную дисперсию, которую, аналогично примерам 1 и 2, добавляют к 160 кг отсепарированного торфа с влажностью W^p=40%. Формование смеси осуществляют в тарельчатом грануляторе в виде сфер диаметром 20-25 мм.

После формования топливо сушат на ленточно-сетчатой сушилке в слое 50-75 мм до влажности W^p=10-15%.

Сравнительный анализ технологий производства торфяных пеллет и брикетов с точки зрения энергетических затрат и физико-механических свойств получаемого топлива представлен в таблице 1.

Сравнение реакционных свойств топлива по заявленному способу с существующими аналогами выполнено на основе анализа массовых концентраций горючих газов (водорода, метана) в продуктах термического разложения (летучих) топлива с ростом температуры. Опыты проводились на приборе синхронного термического анализа NETZSCH STA 449 F3 с совмещенным масс-спектрометром. Нагрев осуществлялся в аргоно-кислородной среде (23% кислорода О₂) с шагом 5°C/мин. Результаты опытов приведены на фиг. 2, 3.

На фиг. 2 представлена концентрация водорода Н₂ в продуктах термического разложения в интервале температур от 200 до 600°С. На фиг. 3 - концентрация метана CH₄. в продуктах термического разложения в интервале температур от 200 до 600°С.

Функция 1 характеризует массовое содержание горючего газа (водорода/метана) в продуктах термического разложения для пеллет, полученных по заявленному изобретению. Функция 2 характеризует массовое содержание горючего газа (водорода/метана) в продуктах термического разложения для пеллет спрессованных на матричном грануляторе.