CC BY
49
Долматов С. Н., Никончук А. В., Геваргис М. Ю. Исследование прочности и зольности топливных брикетов ...
УДК 662.8:678.8
Хвойные бореальной зоны. Том XXXVI, № 1. С. 24-27
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ЗОЛЬНОСТИ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
С. Н. Долматов, А. В. Никончук, М. Ю. Геваргис
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: pipinaskus@mail.ru
Обработка древесных материалов путем нагрева без доступа воздуха положена в основу технологии получения древесного угля. Древесный уголь находит применение в различных отраслях промышленности и пользуется хорошим спросом. Одна из проблем, возникающая при производстве древесного угля - образование большого объема мелкой фракции и отсева. Эти отходы производства древесного угля в настоящее время не находят применения. Традиционный путь утилизации мелкофракционных отходов - их брикетирование. Вопросам технологии угольных брикетов уделяется определенное внимание. Однако это касается в основном утилизации отходов каменных и бурых углей. В настоящей работе предложен путь утилизации отходов производства древесного угля путем изготовления топливных брикетов. Представлены экспериментальные данные, полученные при исследовании топливных брикетов изготовленных из отсева древесного угля. Угольные брикеты изготавливались путем прессования смеси отходов угля и вяжущего на гидравлическом прессе. Было исследовано влияние типа связующего вещества на прочностные свойства угольных брикетов. В качестве вяжущих веществ использовался крахмал, жидкое стекло, эмульсии ПВА и латекса. Экспериментальным путем была определена зольность полученных древесноугольных брикетов и предел прочности при сжатии. Выявлены преимущества топливных брикетов, изготовленных на основе латексной эмульсии. Получение топливных древесноугольных брикетов позволит утилизировать ранее неиспользованные древесные ресурсы.
Ключевые слова: древесный уголь, брикетирование, прочность, зольность.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXVI, No. 1, P. 24-27
INVESTIGATION OF STRENGTH AND ZOLOSITY OF FUEL BRIQUETS FROM CHARCOAL WASTES PRODUCED ON THE BASIS OF DIFFERENT BINDERS
S. N. Dolmatov, A. V. Nikonchuk, M. Yu. Gevargis
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: pipinaskus@mail.ru
Treatment of wood materials by heating without access of air is the basis of the technology of charcoal production. Charcoal _ finds application in various industries and is in demand. One of the problems arising while the production of charcoal - the formation of a large amount of fine fraction and drop-out rates. These wastes of charcoal production are not currently used. The traditional way of recycling of fine wastes is their briquetting. The technology of coal briquettes is given some attention. However, this mainly concerns the disposal o f coal and brown coal wastes. We introduce the way of utilization of wastes of charcoal production through the manufacture of fuel briquettes in this paper. The paper presents experimental data obtained in the study of fuel briquettes made from charcoal dropout. Coal briquettes were produced by pressing the mixture of waste coal and the binder in a hydraulic press. We have investigated the influence of type of binder on the strength properties of coal briquettes. Starch, liquid glass, PVA emulsion and latex were used as binders. The ash content of the obtained charcoal briquettes and tensile strength under compression was determined experimentally. Advantages of fuel briquettes made on the basis of the latex emulsion were identified. Production offuel charcoal briquettes will allow to utilize the previously unused woody resources.
Keywords: charcoal, briquetting, strength, ash content.
ВВЕДЕНИЕ
Топливо в виде дров и отходы древесины являются традиционным топливом для лесных районов и источником для технологической переработки. Однако транспортировать дрова в чистом виде нецелесообразно из-за их невысокой плотности, теплоты сгорания. Установ-
лено, что эффективно транспортировать древесное топливное сырье с плотностью более 900 кг/м3 [1]. В полной мере эти требования можно распространить на топливо в виде брикетов различного назначения.
Традиционный продукт пиролизной переработки древесины - древесный уголь. Древесный уголь
используется в быту и различных отраслях промышленности. Древесный уголь применяется в цветной металлургии, в производстве чистого кремния, в химической промышленности, в производстве дымных порохов. Ресурсы для производства древесного угля в России весьма значительны, поскольку здесь сосредоточена 1/4 часть мировых запасов древесины [2].
В процессе пиролиза древесины, перевалки и транспортировки образуется значительное количество мелочи древесного угля. Суммарные потери древесного угля в виде отсева и пыли превышают 45 %. Древесный уголь, и особенно угольная мелочь и пыль - материал, который крайне трудно транспортировать на большие расстояния, поскольку интенсивно измельчается от взаимного трения частиц друг о друга и тару при транспортировке и погрузочных операциях. Эти недостатки можно устранить в процессе брикетирования. При брикетировании отходы в виде угольной древесной мелочи преобразуются в высококачественное топливо.
В основу получения брикетов положен процесс склеивания угольных частиц при помощи различных связующих веществ. В качестве склеивающих веществ могут быть использованы пленки жидкостей или расплавленных тел, отверждающихся при охлаждении или в результате химических реакций. В общем случае прочность образованного из частиц тела определяется прилипанием (адгезией) и собственной прочностью клеевого шва (когезией) [3; 8]. Применение органических связующих заслуживает особого внимания, так как они практически свободны от золо-образующих веществ и поэтому увеличивают горючую часть брикетов. В качестве связующих в разное время использовались пек, торфяная и древесная смолы, масла от разгонки смол, нефтяные остатки крахмал и др. Неорганические связующие увеличивают зольность топлива, В качестве неорганических связующих были предложены: цемент, силикаты, хлористый магний, гашеная известь и др. Лабораторные исследования некоторых авторов [4], показывают возможность брикетирования на основе дешевых минеральных вяжущих (каолины). Образцы угольной пыли прессовались в течение 40 мин, и дополнительно нагревались до 190 °С. Давление прессование составляло 270 бар диаметр полученных образцов брикетов 30 мм. Эти брикеты показали прочность до 11 МПа [4].
Исследователи [5-7] изучали брикетирование бурых углей с использованием нефтяного битума, гудрона и сапропеля. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показали возможность и перспективность использования местных сырьевых ресурсов (нефть и озерный сапропель) для разработки связующего, которое позволит получить качественное брикеты. Прочность полученных брикетов (при сжатии) находилась в диапазоне 6-12 МПа [5]. Следует отметить, что полученные величины пределов прочности соответствуют изначально более прочным материалам (бурый уголь). Сравнительно высокие показатели прочности брикетов из бурого угля вызваны требованием транспортировки их насыпью в железнодорожных вагонах [8; 9].
Целью исследований является разработка способов брикетирования древесной угольной мелочи и пыли с использованием экологически безопасных материалов в качестве связующих.
Для достижения цели предстоит решить следующие задачи:
- провести анализ перспективности использования различных органических и неорганических вяжущих веществ;
- провести экспериментальное прессование брикетов в различных режимах;
- исследование влияния технологических параметров на физико-механические свойства брикетов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследования являются древесно-угольные брикеты. Древесный уголь изготавливался по ГОСТ 7657-84. Средняя плотность древесного угля 320 кг/м3 Исходное сырье - отходы лесопиления (крупномерный горбыль). Место производства - Березовский р-н Красноярского края. При производстве угля образовывался отсев угля в виде мелочи и пыли. Отсев использовался в качестве исходного сырья для производства брикетов.
В ходе проведенных экспериментальных исследований для топливных брикетов в качестве вяжущих использовались следующие вещества: картофельный крахмал (ГОСТ 53876-2010), латексная эмульсия (Гидротэкс, ТУ 5775-01-54369894-16), эмульсия ПВА (по ГОСТ 18992-80 марка ДФ51/10С), водный раствор натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81, плотность 1,4 кг/л). Клеящие вещества вводились в угольную мелочь в виде водных растворов. Водные растворы готовились с таким расчетом, чтобы выдержать требующееся количество вяжущего (в % сухого вещества) и общую конечную влажность смеси, не превышающую 60 %. Так как при большей влажности при прессовании идет интенсивное отделение воды из смеси. Связующие вещества добавлялись в количестве 10 % (по массе) в пересчете на массу сухого древесного угля. Технология брикетирования древесной угольной мелочи с вяжущими состоит из процесса измельчения и сортировки древесной у с вяжущим и прессования. Полученные угольные брикеты испыты-вались на прочность при сжатии по ГОСТ 21289-75, зольность, дымность при сжигании.
Исходное сырье в виде отходов древесного угля измельчались механически (рис. 1). Затем просеивались на сите с ячейкой 5 мм. Отсев, не прошедший через ячею сита, дополнительно повторно измельчался и снова просеивался. После подготовки исходных компонентов, производилось взвешивание на весах. Использовались навески в 200 гр. угля и 10 % по массе вяжущего. В каждом случае к смеси добавлялось 100 гр. воды. Смесь компонентов перемешивалась. Матрица наполнялась смесью, устанавливался пуансон и помещалась в гидравлический пресс. Образцы прессовались в течение 10-20 с, без дополнительного нагрева. Давление прессование составляло 40 МПа, диаметр полученных брикетов 30 мм, высота 20-25 мм (рис. 2).
Долматов С. Н., Никончук А. В., Геваргис М. Ю. Исследование прочности и зольности топливных брикетов
Для обеспечения высокой достоверности результатов изготавливалось по 30 брикетов каждой разновидности. В ходе прессования, брикеты на основе крахмала получить не удалось (после выхода из матрицы они не сохраняли форму (рассыпались). После прессования брикеты подвергались сушке при комнатной температуре в течении 20 суток.
Рис. 1. Исходное сырье (некондиционный отсев древесного угля)
Рис. 2. Угольные брикеты, полученные при экспериментальном прессовании
Образцы древесноугольных брикетов испытыва-лись на прочность при сжатии на испытательной машине БМ1500. Определялся предел прочности при сжатии образцов. Брикет укладывался в силовую раму испытательной машины, проводилось нагружение, фиксировался момент потери прочности (разрушения) брикета, записывался результат (показание динамометра нагружения) (рис. 3).
Далее определятся средний показатель предела прочности для брикетов каждого вида.
Содержание влаги, золы и летучих веществ в дре-весноугольных брикетах определялась по методике, разработанной для древесного угля.
Навеска измельченного брикета каждого вида помещалась в металлическую емкость и взвешивалась. Затем пробы помещались в тигль и сжигались. Сжигание брикета происходило при вишнево-красном накаливании при температуре около 800°. Сгорание полностью заканчивается после 0,5 часа нагревания емкости.
Рис. 3. Топливный брикет, установленный в силовую раму испытательной машины
Полное сгорание определялось по отсутствию искрящихся точек в массе золы. Для контроля, также сжиганию подвергалась навеска древесноугольного отсева, использованного для изготовления брикетов. Процентное соотношение золы определялось путем измерения массы образца до и после сжигания.
РЕЗУЛЬТАТЫ И обсуждение
Экспериментальные исследования показали возможность успешного формирования древесноуголь-ных брикетов при использовании в качестве вяжущего эмульсий на основе жидкого стекла, ПВА и латекса. Попытки сформировать брикеты на крахмальном вяжущем не удались. Это идет в разрез с дынными [8; 9] о брикетировании в США, где большое распространение получил способ брикетирования с крахмалом. Одной из причин неудачного формирования брикетов на крахмале может являться различие в свойствах крахмала кукурузного (применяемого в США) и картофельного (использованного при проведении экспериментов).
Результаты испытания древесноугольных брикетов
Тип вяжущего Предел прочности при сжатии, МПа Зольность брикетов, %
Жидкое стекло 0,4 18
Эмульсия ПВА 0,22 14
Латесная эмулься 0,85 14
Крахмал картофельный Брикеты сформовать не удалось
Исходный угольный отсев - 12
Максимальную прочность имели древесноуголь-ные брикеты, сформированные на латексной эмульсии. Полученная прочность позволяет успешно транспортировать брикеты. Брикеты, изготовленные на эмульсии жидкого стекла, при достаточной прочности, обладают повышенной зольностью (18 %). Следует отметить, что зольность контрольного образ-
ца древесноугольной мелочи составила 12 %. Это существенно выше нормативного показателя зольности для древесного угля. По ГОСТ 7657-84 этот показатель в зависимости от марки угля равен 3 %. Такое значительное превышение показателя зольности над нормативным можно объяснить тем, что в отсев древесного угля попадают минеральные частицы, которыми было загрязнено сырье для углежжения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Вовлечение в переработку ранее не использованных ресурсов - актуальная задача лесоперерабатывающей отрасли.
2. Для получения древесноугольных брикетов необходимо обоснование вяжущего, обеспечивающего высокую прочность брикетов при низкой зольности. Вяжущее должно быть экологически безопасным, не дорогим и удобным в пользовании.
3. Экспериментальное прессование древесноуголь-ных брикетов на основе латексного вяжущего позволяет получить брикеты достаточной прочности и сравнительно низкой зольности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Парцхава Е. С., Пожарнов В. А. В перспективе Россия - крупнейший поставщик биотоплива на мировой рынок // Энергия: экономика, техника, экология. 2005. № 6. С. 1-10.
2. Кошелев А. А., Шведов А. П. Дрова как основной энергоноситель для удаленных районов // Промышленная энергетика. 1997. № 11. С. 4-8.
3. Ширшиков В. И., Леонович А. А. К вопросу о монолитизации древесно-угольных брикетов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2012. Вып. 198. С. 201-208.
4. Аринова С. К., Саркенов Б. Б., Ашкеев Ж. А. Исследование технологии получения угольных брикетов с заданными физико-механическими характеристиками в лабораторных условиях // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1-5 (49). С. 127-133.
5. Буравчук Н. И., Гурьянова О. В. Влияние технологических параметров на качество топливных брикетов из мелкозернистых угольных отходов // Химия твердого топлива. 2015. № 5. 25 с.
6. Алибеков С. Я., Филина Н. А. Изучение физико-механических свойств брикетов // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 4. С. 93-96.
7. Александрова Т. Н., Рассказова А. В. Исследование зависимости качества угольных топливных брикетов от технологических параметров их производства // Записки Горного института. 2016. Т. 220. С. 573-577.
8. Елишевич А. Г. Брикетирование угля со связующими. М. : Недра, 1972. 216 с.
9. Крохин В. Н. Брикетирование углей. М. : Недра, 1974. 216 с.
REFERENCES
1. Partskhava E. S., Pozharnov V. A. V perspektive Rossiya - krupneyshiy postavshchik biotopliva na mirovoy rynok // Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. 2005. № 6. S. 1-10.
2. Koshelev A. A., Shvedov A. P. Drova kak osnovnoy energonositel' dlya udalennykh rayonov // Promysh-lennaya energetika. 1997. № 11. S. 4-8.
3. Shirshikov V. I., Leonovich A. A. K voprosu o monolitizatsii drevesno-ugol'nykh briketov // Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. 2012. Vyp. 198. S. 201-208.
4. Arinova S. K., Sarkenov B. B., Ashkeyev Zh. A. Issledovaniye tekhnologii polucheniya ugol'nykh briketov s zadannymi fiziko-mekhanicheskimi kharakteristikami v laboratornykh usloviyakh // Sovremennyye nauchnyye issle-dovaniya i innovatsii. 2015. № 1-5 (49). S. 127-133.
5. Buravchuk N. I., Gur'yanova O. V. Vliyaniye tekhnologicheskikh parametrov na kachestvo toplivnykh briketov iz melkozernistykh ugol'nykh otkhodov // Khimiya tverdogo topliva. 2015. № 5. 25 s.
6. Alibekov S. Ya., Filina N. A. Izucheniye fiziko-mekhanicheskikh svoystv briketov // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh'ya. 2011. № 4. S. 93-96.
7. Aleksandrova T. N., Rasskazova A. V. Issledovaniye zavisimosti kachestva ugol'nykh toplivnykh briketov ot tekhnologicheskikh parametrov ikh proiz-vodstva // Zapiski Gornogo instituta. 2016. T. 220. S. 573-577.
8. Elishevich A. G. Briketirovaniye uglya so svyazuyushchimi. M. : Nedra, 1972. 216 s.
9. Krokhin V. N. Briketirovaniye ugley. M. : Nedra, 1974. 216 s.
© Долматов С. Н., Никончук А. В., Геваргис М. Ю., 2018
Поступила в редакцию 27.09.2017 Принята к печати 26.02.2018
