Наибольшее применение для брикетирования антрацитовых штыбов на сегодняшний день нашли нефтяные битумы [1], основными потребителями которых традиционно являются газовая промышленность и автодорожное хозяйство. Этот дорогой продукт нефтепереработки с каждым годом становится все дефицитней. В настоящее время в угольной промышленности, в связи с дефицитом связующих на нефтяной основе, проводится поиск и разработка составов связующих для брикетирования антрацитовых штыбов с использованием продуктов и отходов различных производств. Имеются сведения о применении в качестве связующих для получения топливных брикетов технических лигносульфонатов (ТЛС) [2], являющихся многотоннажными отходами целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК). Недостатками ТЛС являются их низкие связующие свойства и водостойкость.
В настоящей работе для технологии холодного брикетирования антрацитовых штыбов использовано малотоксичное гидрофобное комплексное связующее на основе модифицированных технических лигносульфонатов (МЛС) и таллового пека (ТП) [3], являющегося также побочным продуктом ЦБК.
Цель работы – исследование потребительских свойств термообработанных брикетов из антрацитовых штыбов на основе нового комплексного связующего из отходов ЦБК.
Оценка потребительских свойств угольных брикетов включала в себя:
– определение химического состава;
– оценку показателей механической прочности и атмосферо-водоустойчивости в соответствии с действующими требованиями на бытовое топливо;
– исследование теплотехнических параметров брикетов при сжигании в типовой отопительно-варочной печи.
Для изготовления брикетов были использованы рядовые штыбы марки А сорта АШ класса 0 – 6 мм шахты «Обуховская» Ростовской области. Исходные штыбы были подвергнуты сушке до влажности 2 – 3 %. Содержание комплексного связующего, состоящего из 60 % МЛС и 40 % раствора ТП в скипидаре, от массы угля составляло 10 %.
Прессование подготовленной угольной шихты осуществляли на универсальной испытательной машине ГРМ-1 при удельном давлении 60 МПа.
Отформованные брикеты подвергались термообработке в сушильном лабораторном электрошкафу СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3-М-2 при 220 оС. Температура измерялась ртутным термометром с точностью ± 10 оС. Время тепловой обработки брикетов 120 мин.
После термообработки готовые брикеты охлаждали при комнатной температуре без принудительной вентиляции воздуха. Через 24 ч исследовали потребительские свойства брикетов.
Результаты анализа полученных брикетов, проведенного в соответствии с действующими стандартами на определение химического состава угольного топлива, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав и качественные характеристики брикетов из антрацитового штыба на основе комплексного связующего МЛС – ТП
|
Качественные характеристики |
Элементный состав, % |
||||||||
|
Общая влага в рабочем состоянии, % |
Зола в сухом состоянии, % |
Общая сера, % |
Выход летучих, % |
Теплота сгорания на горючую массу, ккал/кг |
Теплота сгорания рабочего топлива, ккал/кг |
C |
H |
N |
O |
|
1,9 |
14,5 |
1,0 |
7,6 |
7000 |
6400 |
91,7 |
3,33 |
0,9 |
2,9 |
Как видно из табл. 1 исследуемые брикеты относятся к сравнительно малосернистому и среднеминерализованному, малодымному угольному топливу. Брикеты характеризуются высокой теплотворной способностью в исходном состоянии, имеют низкий выход летучих веществ и незначительное содержание кислорода. Последние два обстоятельства характерны для брикетов из антрацитового штыба и практически не зависят от природы связующего. По причине низкого содержания кислорода в антрацитовых брикетах для их эффективного горения требуется высокая температура в объёме топочного пространства при подаче избыточного воздуха.
Определение показателей механической прочности, атмосферо-водоустойчивости брикетов осуществляли в соответствии с действующими в России нормативными методическими документами на брикетное топливо из бурых, каменных углей и антрацитов.
В соответствии с ГОСТ 21289-75 [4] проводили определение механической прочности брикетов при истирании в барабане, при испытании сбрасыванием и на сжатие. Водостойкость брикетов определяли по ГОСТ 21290-75 [5].
Исследованные брикеты из антрацитового штыба с новым комплексным связующим имели следующие показатели:
– прочность на истирание, не менее, % – 99,0
– прочность на сбрасывание, не менее, % – 99,0
– прочность на сжатие, не менее, МПа – 10,0
– водопоглощение, не более, % – 1,3
– остаточная прочность после 2-х часового пребывания под водой, не менее, МПа – 9,0
Из приведенных выше данных следует, что термообработанные брикеты с новым связующим материалом из отходов ЦБК по показателям механической прочности и атмосферо-водоустойчивости значительно превышают требования потребительских стандартов на угольное топливо коммунально-бытового назначения, действующих в СНГ и за рубежом.
Исследование теплотехнических параметров брикетов осуществляли путём их сжигания при 800 оС на стенде стандартной бытовой отопительно-варочной печи. Топочное устройство этой печи оснащено неподвижной колосниковой решёткой с размером щели 13 мм и предназначено для слоевого сжигания твердого топлива.
Время работы печи определялось от момента воспламенения растопочного материала до момента, характеризуемого содержанием СО2 в продуктах сгорания ~ 3 % об.
В течение всего рабочего цикла через каждые 30 мин производились измерения температуры продуктов сгорания в дымоходе и содержания в них СО и СО2 волюмометрическим методом Орса (газоанализатор ГХ-1).
Расчет теплотехнических параметров угольного топлива при его сжигании проводили в соответствии с ГОСТ 9817-82 [6]. Некоторые теплотехнические параметры сжигания брикетов из антрацитового штыба приведены в табл. 2.
Как видно из данных табл. 2 при розжиге брикетов из антрацитового штыба требуется значительное количество растопочного материала. Эффективность сжигания брикетов в существующих бытовых печах, оцениваемая по коэффициенту полезного действия печи, является значительно более низкой по сравнению с сортовыми углями и брикетами с высоким выходом летучих веществ.
В результате исследований установлено:
– брикеты из антрацитового штыба являются труднорозжигаемым видом бытового угольного топлива;
– горение антрацитовых брикетов характеризуется высокими потерями органической массы топлива из-за механического недожега;
– коэффициент полезного действия типовой отопительно-варочной печи при сжигании брикетов из антрацитового штыба является значительно более низким, чем аналогичный показатель при сжигании сортовых углей и брикетного топлива из каменных и бурых углей.
Для эффективного использования на отечественном рынке термообработанных брикетов из антрацитового штыба с комплексным связующим МЛС – ТП необходимы новые типы бытовых печей, дающих возможность развития процесса горения при более высокой температуре порядка 1000 оС.
Таблица 2
Некоторые теплотехнические параметры сжигания брикетов из антрацитового штыба на основе комплексного связующего МЛС – ТП
|
Наименование показателей сжигания брикетов |
Показатели теплотехнических параметров брикетов |
|
Масса топлива, загружаемого в камеру сгорания печи, кг |
6,5 |
|
Масса растопочного материала, кг |
3,0 |
|
Время работы печи, ч |
5,0 |
|
Средняя температура продуктов сгорания на выходе из печи за рабочий цикл, оК |
433,0 |
|
Средняя температура воздуха в помещении за рабочий цикл, оК |
299,0 |
|
Жаропроизводительность топлива, оК |
2468,0 |
|
Максимально возможная объемная доля сухих трёхатомных газов при теоретическом расходе воздуха, RO2max, % |
19,4 |
|
Объёмная доля трёхатомных газов в продуктах сгорания, RO2ў |
13,9 |
|
Объёмная доля окиси углерода в продуктах сгорания, СО, % |
– |
|
Объёмная доля метана в продуктах сгорания, СН4ў |
– |
|
Потери тепла с уходящими газами, % |
6,7 |
|
Потери тепла от химического недожога, % |
0 |
|
Потери тепла от механического недожога, % |
27,7 |
|
Потери тепла, связанные с физическим теплом очагового остатка, % |
17,5 |
|
Рабочая зольность исходного топлива, % |
14,2 |
|
Масса годного для сжигания топлива в очаговом остатке, извлеченном с колосниковой решетки за рабочий цикл, кг |
0,75 |
|
Зольность годного для сжигания топлива, % |
40,2 |
|
Масса очагового остатка, извлеченного из зольника и камеры сгорания, кг |
1,975 |
|
Приведенная масса непригодного для сжигания топлива в очаговом остатке, кг |
0,83 |
|
Зольность непригодного для сжигания топлива в очаговом остатке, % |
51,0 |
|
Низшая теплота сгорания растопочного материала, кДж/кг |
9660 |
|
Низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг |
27804 |
|
Часовой расход топлива, кг/ч |
0,6 |
|
Средняя температура очагового остатка, оК |
873 |
|
Номинальная тепловая мощность, кВт |
4,6 |
|
Коэффициент полезного действия, % |
48,1 |
Из потенциальных зарубежных партнеров, которые могут быть заинтересованы в таком виде брикетного топлива, являются в первую очередь Франция, Великобритания и Германия, которые используют в бытовом секторе потребления бездымное топливо в виде брикетов и полукокса. По основным требованиям – зольности и содержанию общей серы, полученные брикеты удовлетворяют требованиям внешнего рынка.