CC BY
34
© В.Б. Кусков, Я.В. Кускова, 2015
УДК 553.94: 662.75
В.Б. Кусков, Я.В. Кускова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛОВОСТРЕБОВАННЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Многие виды углеродсодержащих веществ можно использовать как энергоносители. При добыче, транспортировке, обогащении, складировании и переработке угля образуется большое количество всевозможных маловостребованных продуктов, фактически отходов (отсевы, просыпи, шламы и т.п.). Они обычно не используются, к тому же существенно загрязняют окружающую среду и являются пожароопасными. В настоящее время накоплены огромные запасы таких продуктов, которые по содержанию горючей составляющей не уступают, а иногда и превосходят добываемые угли. Наиболее доступный метод утилизации этих мелких продуктов - их брикетирование. Топливные брикеты бывают бытовые и промышленные. Основным потребителем бытовых брикетов является население. Разработаны технологии изготовления бытовых топливных брикетов с низкой температурой воспламенения (зажигаемые от низкоэнергетических источников, например, спички). Брикеты состоят из двух слоев - один зажигательный, другой основной. Горение передается от зажигательного слоя к основному. Кроме того, можно изготавливать часть брикетов с зажигательными слоями, а часть без. В этом случае первые будут воспламенять вторые. Брикеты могут изготавливаться с применением различных связующих веществ как органических, так и нет. Ключевые слова: углеродсодержащие вещества, энергоносители, получение тепловой энергии, маловостребованные углеродсодер-жащие материалы, брикетирование, бытовые топливные брикеты, брикеты с низкой температурой воспламенения.
Многие виды углеродсодержащих веществ можно использовать как энергоносители. Важнейшим из них является уголь, запасы которого на земле весьма велики (они существенно превышают запасы нефти и газа). 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.
Одним из способов вовлечения мелких горючих материалов в процессы получение тепловой энергии является их оку-скование. Наиболее доступным, изученным и технически изученным методом окускования подобных материалов является их брикетирование со связующими веществами. Очевидно, что при необходимости, топливные брикеты могут изготавливаться и из более крупных классов угля.
Брикетирование - процесс механической или термомеханической обработки мелких слабоструктурных руд, концентратов и отходов производства с целью получения из них брикетов - кусков геометрически правильной единообразной формы и постоянных размеров. От других способов окускования брикетирование отличается простотой процесса и дешевизной.
По назначению топливные брикеты бывают бытовые и промышленные. Основным потребителем бытовых брикетов является население. Промышленные брикеты используют как сырье 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. Для такой системы характерны специфические процессы взаимного расположения и взаимосвязи ее отдельных элементов.
В качестве связующих, в принципе, можно использовать очень большое количество самых различных веществ, обладающих «склеивающим» (адгезивным) действием и способных затвердевать при нормальных условиях или при изменении условий (нагревание, охлаждение, изменение рН-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 дороже 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); лигносуль-фаты, лигносульфонаты, меласса, эпоксидные, полиэфирные и другие 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 ис-
пользовании 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 структурного образования 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 взаи-моулучшающих 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.
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. 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.) «На-
дежное» горение брикета обеспечивают отверстия, обеспечивающие, в свою очередь поступление воздуха к горящему брикету. Количество и размеры отверстий подбираются под конкретный вид горючего компонента брикета. Изготавливались брикета массой от 200 гр. (горение до 120 минут, при изготовлении брикета из антрацита, или низкозольного каменного угля) до 1000 гр. - горение до 12 часов.
Для «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 с одним центральным отверстием, обеспечивающим хорошее поступление воздуха. Такие брикеты можно получать методом экструдирования, что энергетически выгоднее, чем прессование. Для упрощения изготовления подобных брикетов они могут изготавливаться и без центрального отверстия.
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. Эти 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 [1 - 9].
Внешний вид брикета приведен на рис. 1.
Также возможно изготовление брикетов с большим количеством слоев, например: зажигательный, промежуточный и основной слои. Зажигательный слой воспламеняется от спички,
Рис. 1. Внешний вид прессованных топливныхбрикетов: 1 - основной слой; 2 - зажигательный слой; 3 - перфорационные отверстия
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, как и у «простых» брикетов, т.е. перфорированные прямоугольные параллелепипеды, цилиндры, «макаронооб-разные» брикеты.
Брикеты с низкой температурой воспламенения пригодны для индивидуального сжигания.
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.
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 [6 - 9].
Рис. 2. Внешний вид прессованных топливньхбрикетов с зажигательным слоем оптимизированной формы: 1 -
основной слой; 2 - зажигательный слой; 3 - перфорационные отверстия
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 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 потому, что 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, коаксиальные цилиндры, различных диаметров и др.
Внешний вид брикета приведен на рис. 2.
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, в частности были испытаны такие углеродсодержащие вещества как торф, отходы деревообработки и сланцепереработки, отходы переработки сельхозпродукции, и т.д.).
Таким образом, разработаны технологии получения легковоспламеняющихся топливных брикетов. Это позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и получить дополнительное количество энергоносителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кусков В.Б. Топливный брикет / Кусков В. Б., Кускова E.H.., Назаров Ю.П. // Патент РФ № 2009180, Бюл. № 5, 1994.
2. Кусков В.Б. Слоистый топливный брикет/ Кусков В. Б., Кускова E.H., Назаров Ю.П. // Патент РФ № 2009181, Бюл. № 5, 1994.
3. Кусков В.Б. Легковоспламеняющийся топливный брикет. / Кусков В. Б., Шувалов Ю.В., Маковский А.Н., Маковский С. А. // Патент РФ № 2009181, Бюл. № 5, 1994.
4. Кусков В.Б. Легковоспламеняющийся топливный брикет. / Кусков В. Б., Кускова Я.В., Николаева Н.В., Сухомлинов Д. В. // Патент РФ № 112196, опубл. 10.01.12, бюл. № 1.
5. Кусков В.Б. Легковоспламеняющийся топливный брикет. / Кусков В. Б., Кускова Я.В., Николаева Н.В., Сухомлинов Д. В. // Патент № 2463337, опубл. 10.10.12, Бюл. № 28.
6. Кусков В.Б. Легковоспламеняющийся топливный брикет. / Кусков В. Б., Кускова Я.В. // Патент РФ Патент № 2445347, опубл. 20.03.12, Бюл. № 8.
7. Кусков В.Б. Слоистый топливный брикет. / Кусков В. Б., Кускова Я.В. // Патент РФ Патент № 2441904, опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.
8. Кусков В.Б. Легковоспламеняющийся топливный брикет / Кусков В. Б., Кускова Я.В., Сухомлинов Д. В. // Горный информационно-аналитический бюллетень. № 5, 2013, препринт. М.: из-во «Горная книга», с. 9 - 13.
9. Кусков В.Б. Технология изготовления топливных брикетов с низкой температурой воспламенения из отходов угольной промышленности / Кусков В. Б., Сухомлинов Д. В. // Горный информационно-аналитический бюллетень. № 5, 2013, препринт. М.: из-во «Горнаякнига», с. 14 - 17. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кусков Вадим Борисович — кандидат технических наук, доцент, opikvb@mail.ru, Кускова Яна Вадимовна — кандидат технических наук, ассистент, yana.kuskova@gmail.com,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 553.94: 662.75
USING OF LESS DEMANDED CARBON-CONTAININGPRODUCTS FOR HEAT ENGINE PRODUCING
Kuskov Vadim Borisovich, associate professor, opikvb@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Kuskova Yana Vadimovna, assistant professor, yana.kuskova@gmail.com, National mineral resources university «University of Mines», Russia.
Many types of carbon-containing substances can be used as energy. Mining, transportation, preparation, storage and processing of coal produces a large number of various little demand products, actually waste. This are spillages, sludge, etc. These products are typically not used, this significantly pollute the environment and fire. Currently accumulated huge stocks of such products. Little demand coal products in their qualitative characteristics suitable for the production of energy. The most accessible method for recycling these fine products is briquetting. Briquetting is the most simple and inexpensive process for sintering. Fuel briquettes are household and industrial. The main consumer of household briquettes is the population. The technologies of production of household fuel briquettes with a low temperature of ignition (lighting by low-energy sources, such as matches) are developed. Briquettes consist of two layers — one incendiary, another major. Briquettes can be produced with different binders both organic and not. Organic binders are preferred, because they do not reduce the calorific value of the briquettes. Forming briquettes manufactured at a relatively low pressing pressures with the use of different types of presses or extruders. Incendiary layer is placed on top so that the burning took place «top — down». In this case, under the combustion zone layers briquette is heated at first, then begin to vothonas. Volatile substances pass through the high temperature zone. When this occurs almost complete combustion of combustible materials, and minimizes the emissions of harmful substances into the atmosphere. Briquettes are made perforated, which also reduces emissions and increases the completeness of combustion of the briquettes. The shape and size of the briquettes can be very different. Optimization of shape incendiary layer. Thus, the developed technologies for flammable fuel briquettes. This allows to reduce the environmental burden on the environment and get more energy.
Key words: carbon-containing substances, energy carriers, products for heat engine, less demanded carbon-containing products, briquetting, household fuel briquettes, briquettes with low ignition temperature.
REFERENCES
1. Kuskov V.B. Toplivnyj briket (Fuel briquette)/ Kuskov V. B., Kuskova E.N.., Nazarov Ju.P. // Patent RF No 2009180, Bjul. No 5, 1994.
2. Kuskov V.B. Sloistyj toplivnyj briket (Layered fuel briquette)/ Kuskov V. B., Kuskova E.N., Nazarov Ju.P. // Patent RF No 2009181, Bjul. No 5, 1994.
3. Kuskov V.B. Legkovosplamenjajushhijsja toplivnyj briket (Easy flammable fuel briquette) / Kuskov V. B., Shuvalov Ju.V., Makovskij A.N., Makovskij S.A. // Patent RF No 2009181, Bjul. No 5, 1994.
4. Kuskov V.B. Legkovosplamenjajushhijsja toplivnyj briket (Easy flammable fuel briquette) / Kuskov V. B., Kuskova Ja.V., Nikolaeva N.V., Suhomlinov D. V. // Patent RF No 112196, opubl. 10.01.12, bjul. No 1.
5. Kuskov V.B. Legkovosplamenjajushhijsja toplivnyj briket (Easy flammable fuel briquette) / Kuskov V. B., Kuskova Ja.V., Nikolaeva N.V., Suhomlinov D. V. // Patent No 2463337, opubl. 10.10.12, Bjul. No 28.
6. Kuskov V.B. Legkovosplamenjajushhijsja toplivnyj briket (Easy flammable fuel briquette) / Kuskov V. B., Kuskova Ja.V. // Patent RF Patent No 2445347, opubl. 20.03.12, Bjul. No 8.
7. Kuskov V.B. Sloistyj toplivnyj briket (Layered fuel briquette) / Kuskov V. B., Kuskova Ja.V. // Patent RF Patent No 2441904, opubl. 10.02.2012, Bjul. No 4.
8. Kuskov V.B. Legkovosplamenjajushhijsja toplivnyj briket (Easy flammable fuel briquette) / Kuskov V. B., Kuskova Ja.V., Suhomlinov D. V. // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. No 5, 2013, preprint. Moscow: iz-vo «Gornaja kniga», pp. 9 - 13.
9. Kuskov V.B. Tehnologija izgotovlenija toplivnyh briketov s nizkoj temperaturoj vos-plamenenija iz othodov ugol'noj promyshlennosti (Technology of production of fuel briquettes with low ignition temperature from the waste coal industry) / Kuskov V. B., Su-homlinov D. V. // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. No 5, 2013, preprint. Moscow: iz-vo «Gornajakniga», pp. 14 - 17.
