Топливный брикет и способ его формирования
Владельцы патента RU 2467058:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ТГУ) (RU)
Учреждение Российской академии наук Институт химии нефти Сибирского отделения РАН (ИХН СО РАН) (RU)
Изобретение относится к коксохимической промышленности, к разработке оптимального состава и способа формирования брикетов из мелкодисперсных частиц угля и кокса, которые могут быть использованы в товарном виде как горючее вещество. Топливный брикет состоит из мелких углеродосодержащих частиц с полимерным связующим. В качестве связующего используется водный раствор поливинилового спирта и дополнительно брикет содержит минеральное масло при следующем соотношении компонентов, масс.%: поливиниловый спирт - 5-10; частицы кокса или угля - 30-70; минеральное масло - 3-7; вода - остальное. Способ формирования твердого топливного брикета заключается в том, что мелкодисперсные частицы кокса или угля пропитывают отработанными нефтепродуктами. Добавляют их в водный раствор поливинилового спирта и перемешивают. Замораживают смесь при температуре -20°С в течение 20 часов. Затем размораживают при комнатной температуре и высушивают до постоянной массы. Технический результат - эффективная утилизация отходов производства коксохимического комбината и отработанных нефтепродуктов. 2 н.п. ф-лы, 8 пр., 1 табл.
Изобретение относится к коксохимической промышленности, а именно к разработке оптимального состава и способа формирования брикетов из мелкодисперсных частиц угля и кокса, которые могут быть использованы в товарном виде как горючее вещество.
Известно, что после замораживания водных растворов поливинилового спирта (ПВС) при отрицательной температуре (ниже 0°С) и последующего их оттаивания при положительной температуре образуются упругие полимерные тела, так называемые криогели. [В.И.Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применений. Успехи химии Т.71. №6, 2002 г.]. Температура плавления получаемых образцов выше 70°С и их механические свойства принципиально отличаются от свойств исходных вязкотекучих композиций, что позволяет использовать упругие криогели в качестве связующего материала.
Известен способ получения коксовых брикетов (пат. РФ №2334785, опубл. 27.09.2008). Недостатком этого способа является то, что входящий в состав брикетов цемент снижает калорийность топлива и повышает их зольность.
Известен способ брикетирования мелкого кокса в присутствии связующего под чрезвычайно высоким давлением 35-50 МПа (пат. РФ №2345124, опубл. 27.01.2009). Недостатком этого способа является сложная технология процесса брикетирования.
Наиболее близким к предлагаемому составу и способу получения топливных брикетов является (пат. РФ №2128685 С1, опубл. 10.04.1999). Брикеты получают на основе спрессованных мелких углеродосодержащих частиц с полимерным связующим, образованным в результате реакции свободных карбоксильных ионов на поверхности углеродосодержащих частиц со стиролом или акрилонитрилом с получением длинноцепного полимера. Недостатком этого способа является использование химически токсичных веществ и сложная технология брикетирования, заключающаяся в обработке углеродосодержащих частиц несколькими последовательными стадиями.
Задача настоящего изобретения - разработать оптимальный состав и способ получения топливного брикета, обладающего высокой тепловой эффективностью и коммерческой ценностью.
Формируя некондиционные по гранулометрическому составу мелкодисперсные частицы угля и кокса (отходы коксохимического комбината) в виде топливных брикетов (наполненных криогелей), можно получить в товарном виде горючее вещество, которое будет востребовано для производственных и бытовых целей.
Исходный состав для получения топливных брикетов содержит мелкодисперсные углеродосодержащие вещества, а связующим компонентом служит полимерный раствор. В качестве углеродосодержащих веществ используют угольную пыль и коксовую мелочь (отходы коксохимического комбината). Известно, что гранулы кокса имеют пористую структуру, поэтому для предотвращения абсорбции воды в капиллярную систему они предварительно пропитываются нефтепродуктами (минеральным маслом), затем их смешивают их с водным раствором поливинилового спирта. Допустимо и целесообразно использование отработанных масел.
Состав брикета содержит поливиниловый спирт, воду, кокс и нефтепродукты при следующих соотношениях, мас.%:
| Поливиниловый спирт | - 5-10 |
| Частицы кокса или угля | - 30-70 |
| Минеральное масло | - 3-7 |
| Вода | - остальное |
Техническим результатом изобретения является эффективная утилизация отходов производства коксохимического комбината и отработанных нефтепродуктов.
Способ приготовления: в водный раствор поливинилового спирта добавляют мелкодисперсные углеродсодержащие частицы (кокс, угль) с размерами 0,1-10,0 мм предварительно пропитанные отработанными нефтепродуктами. Полученную композицию тщательно перемешивают, переносят в металлические ячейки и замораживают при отрицательной температуре (-20°С) в течение 20 часов, затем размораживают 4 часа при комнатной температуре (+20°С) со скоростью 0,15°С/мин. Получают упругий криогель, наполненный углеродсодержащими частицами, сохраняющий свою структуру до температуры 70°С. Далее криогель сушат при комнатной температуре до постоянной массы (полного испарения воды). После высушивания получают прочные топливные брикеты, содержащие кокс или угль.
Пример 1. Берут 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, заливают в цилиндрическую кювету и ставят на 20 часов в холодильную камеру при температуре (-20°С). После окончания замораживания из цилиндра вынимают ледяной жесткий образец и размораживают при комнатной температуре (+20°С) в течение 4 часов. После размораживания образец переходит из кристаллического в эластичное (каучукоподобное) состояние. Определяют модуль упругости и температуру плавления криогеля, а также теплоту сгорания высушенного образца. Полученные значения приведены в таблице 1 (строка 1).
Пример 2. Берут 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 10%, заливают в цилиндрическую кювету и проводят цикл замораживания-размораживания при условиях, указанных в 1 примере. Характеристики полученного двухкомпонентного криогеля (модуль упругости, температура плавления, теплота сгорания) приведены в таблице 1 (строка 2).
Пример 3. В 10 г водного раствора поливинилового спирта, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г мелкодисперсного угля (массовое доля угля 50%), перемешивают и замораживают при температуре -20°С в течение 20 часов, затем размораживают 4 часа при комнатной температуре 20°С со скоростью 0,15°С/мин. Получают криогели, наполненные углем. Определяют модуль упругости и температуру плавления криогеля. После высушивания криогеля получают топливный брикет и определяют его теплотворную способность. Результаты приведены в таблице 1 (строка 4).
Пример 4. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 10%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовое содержание кокса 50%). После цикла криогенной обработки (условия указаны в примере 3) получают криогель, наполненный коксом, определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет. Определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 5).
Пример 5. В 14 г водного раствора ПВС массовое содержание полимера, в котором составляет 5%, добавляют 6 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса в общем объеме 30%). После цикла замораживания-размораживания (условия указаны в примере 3) получают криогель, наполненный коксом. Определяют модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет, определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 6).
Пример 6. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса 50%). После цикла замораживания-размораживания (условия указаны в примере 3), получают криогель, наполненный коксом, определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет, определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 7).
Пример 7. В 6 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 14 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовая доля кокса в общем объеме 70%). После цикла криогенной обработки получают криогель,наполненный коксом по методике указанной в примере 3. Определяют его модуль упругости и температуру плавления. После высушивания коксонаполненных криогелей получают топливный брикет. Определяют предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик исходных композиций, криогелей и брикетов кокса приведены в таблице 1 (строка 8).
Пример 8. В 10 г водного раствора ПВС, массовое содержание полимера в котором составляет 5%, добавляют 10 г частиц мелкодисперсного сухого кокса (массовое содержание кокса в общем объеме 50%), пропитанного 1 г минерального масла (5% от общей массы). Проводят цикл замораживания-размораживания и получают криогели, наполненные коксом. Затем криогели сушат при комнатной температуре и получают жесткие топливные брикеты. Определяют их предел прочности и теплотворную способность. Результаты измерений физических характеристик приведены в таблице 1 (строка 9).
Увеличение концентрации ПВС и содержания кокса в криогеле повышает модуль упругости, но прочностные свойства высушенных брикетов практически не меняются. Предел прочности образцов на раздавливание определяли на приборе Crush-BK (Ma. Tec. Materials Technologies Snc, Italy). Термический анализ выполнен на термоанализаторе STA 449C Jupiter фирмы NETZSCH (Германия).
Таким образом, предложенный способ и рекомендуемые составы позволяют формировать прочные брикеты из мелкодисперсных отходов угля и кокса, а также попутно утилизировать отработанные минеральные масла. Полученные топливные брикеты хорошо горят, выделяя при этом большое количество тепла, поэтому могут использоваться в качестве горючего вещества для бытовых и производственных целей.
| Таблица 1 - Физико-химические свойства образцов. | |||||
| № | Составы исходных композиций для криогелей, содержащих ингредиенты, мас.% | Криогели | Высушенные брикеты | ||
| Модуль упругости, кПа | Температура плавления, °С | Предел прочности, МПа | Теплота сгорания, МДж/кг | ||
| 1 | Водный раствор ПВС 5 | 15 | 70 | - | 25,1 |
| 2 | Водный раствор ПВС 10 | 80 | 70 | - | 25,1 |
| 3 | Мелкодисперсный кокс | - | - | - | 29,3 |
| 4 | Водный раствор ПВС 5 | 300 | 70 | - | 29,0 |
| Мелкодисперсный уголь 50 | |||||
| 5 | Водный раствор ПВС 10 | 570 | 70 | 28,1 | 28,5 |
| Мелкодисперсный кокс 50 | |||||
| 6 | Водный раствор ПВС 5 | 350 | 70 | 27,6 | 28.5 |
| Мелкодисперсный кокс 30 | |||||
| 7 | Водный раствор ПВС 5 | 430 | 70 | 27,6 | 28.7 |
| Мелкодисперсный кокс 50 | |||||
| 8 | Водный раствор ПВС 5 | 540 | 70 | 27,1 | 29.0 |
| Мелкодисперсный кокс 70 | |||||
| 9 | Водный раствор ПВС 5 | 420 | 70 | 27,4 | 29.8 |
| Мелкодисперсный кокс 50 | |||||
| Минеральное масло 5 |
1. Топливный брикет на основе мелких углеродосодержащих частиц с полимерным связующим, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего он содержит водный раствор поливинилового спирта и дополнительно содержит минеральное масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Поливиниловый спирт | 5-10 |
| Частицы кокса или угля | 30-70 |
| Минеральное масло | 3-7 |
| Вода | Остальное |
2. Способ формирования твердого топливного брикета путем обработки мелких углеродосодержащих частиц связующим, содержащим раствор полимера, отличающийся тем, что мелкодисперсные углеродосодержащие частицы пропитывают отработанными нефтепродуктами, добавляют в водный раствор поливинилового спирта, перемешивают, замораживают при температуре -20°С в течение 20 ч, затем размораживают при комнатной температуре и высушивают до постоянной массы.
