Получение углерод-углеродных композитов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 662.749

М.Б. Школлер

Сибирский государственный индустриальный университет

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

Научно-производственной фирмой

«Сибтермо» (г. Красноярск) разработана и освоена в промышленном варианте технология автотермического полукоксования бурых углей Канско-Ачинского бассейна [1]. Получаемый в этом процессе буроугольный полукокс (БПК) является низкосернистым и низкозольным высокоуглеродистым продуктом, характеризующимся высокой химической активностью, повышенной адсорбционной способностью. Он предназначен для использования в качестве пылевидного энергетического топлива и очистки от примесей газообразных и жидких веществ. Однако ряд потребителей нуждается в кусковом энергоносителе с такими же характеристиками.

По заказу фирмы «Сибтермо» разработали способ химико-термического окускования бу-роугольного полукокса с получением углерод-углеродных композитов.

Основы способа были заложены в работе [2]. Его принцип заключается в следующем. Полукокс, выходящий из реактора с температурой 700 - 800 °С, выполняет функцию твердого теплоносителя для нагрева в специальном смесителе коксующегося угля до температуры максимального размягчения пластической массы. Соотношение компонентов для достижения поставленной задачи рассчитывается на основе совместного решения уравнений материального и теплового баланса смесителя. Если принять допущения о том, что газовая фаза мгновенно удаляется при той температуре, при которой она образуется, а теплоемкости полукокса и нагреваемого угля одинаковы, то можно получить упрощенное уравнение расчета соотношения масс теплоносителя и нагреваемого угля (К):

К = (Те - Ту ) / ( Тпк - Тс),

где Тс - заданная температура нагрева смеси, °С; Ту - температура исходного угля, °С; Тпк -заданная температура теплоносителя, °С.

Для получения композитов была создана экспериментальная установка (рис. 1), состоя-

Рис. 1. Лабораторная установка по получению композитов

щая из шахтной лабораторной электропечи; лабораторного реактора; потенциометра; элек-трообогреваемой матрицы; машины для испытания на сжатие ИП-6012-1000-1.

В корпус шахтной лабораторной электропечи помещался лабораторный реактор - металлический цилиндрический аппарат со съемной крышкой. В крышку был вварен «карман» для термопары, штуцер для измерения давления внутри реактора, предохранительный клапан. В центре крышки имелось отверстие для мешалки. Узел ввода вала мешалки снабжен сальником с набором чередующихся металлических и фторопластовых прокладок и принудительным водяным охлаждением.

Посредством термопары, помещенной в «карман», измерялись температуры в зоне взаимодействия компонентов реакционной смеси. Термопара подсоединялась к потенциометру ТРМ 138-Р, предназначенного для построения автоматических систем контроля и регулирования производственными технологическими процессами.

Электрообогреваемая матрица представляла собой обогреваемую электроспиралью пресс-форму со съемной верхней и нижней частями, в стенку которой помещена хромель-алюмелевая термопара.

Машина для испытания на сжатие ИП-6012-1000-1 с гидравлическим нагружающим

устройством имела пульт управления и измерительную систему, состоящую из измерительного преобразователя и блока измерения. Статическое испытание образцов на сжатие осуществляется путем деформирования образца до разрушения и измерения нагрузки на образце.

Для получения композитов использовали следующую смесь: БПК «Сибтермо» (класс 0 -3 мм), концентрат ГЖ (смесь углей марок Г и Ж) Кузнецкой ЦОФ также крупностью 0 - 3 мм.

Качественная характеристика БПК приведена в работе [3]. Показатели качества концентрата ГЖ следующие: Ай = 7,8 %; V = 38,1 %; х = 30 мм; у = 28 мм.

Выбор угля с высокой толщиной пластического слоя был обусловлен как высокой пористостью БПК, так и его громадной реакционной поверхностью (до 500 м2 /г). Запасы углей этих марок в Кузнецком, Якутском и Улугхемском угольных бассейнах весьма значительны.

Температура нагрева БПК ( Тпк ) была задана на уровне 800 °С, что соответствует возможностям технологии «Сибтермо».

При непосредственном контакте твердого теплоносителя с углем нагрев происходит в высокоскоростном режиме, что, как известно из работы [3], приводит к значительному снижению газообразования, увеличению выхода нелетучих жидкоподвижных продуктов, сдвигу основополагающих процессов термической деструкции в область более высоких температур. Последнее необходимо учитывать при задании конечной температуры смешивания относительно стандартных температурных показателей пластического состояния используемого типа угля.

Кроме того, следует иметь в виду, что полукокс будет адсорбировать газообразные и жидкие продукты деструкции, а на его поверхности будет формироваться прочный межфазный

Рис. 2. «Сырой» углерод-углеродный композит

слой [1]. С учетом этого расчетный состав смеси оказался следующим: 70 % БПК + 30 % концентрата ГЖ.

Реактор с навеской (35 г) буроугольного полукокса помещали в шахтную электропечь, где осуществляли ее нагрев до 800 °С. По достижении этой температуры в микрореактор засыпали 15 г концентрата ГЖ и осуществляли его перемешивание с полукоксом в течение 30 - 40 с. Скорость нагрева угля составляла 700 - 800 °С/мин

За этот промежуток времени происходило падение температуры смеси с 800 до 550 °С. При этом отмечалось непродолжительное сильное газовыделение в интервале температур от 800 до 600 °С и незначительное газовыделение в интервале температур от 600 до 550 °С. При дальнейшем падении температуры смеси ниже 550 °С газовыделение полностью прекращалось. Затем полученную смесь перегружали в предварительно обработанную изнутри графитовой смазкой обогреваемую матрицу (температура матрицы 330 - 360 °С). На высыпанную смесь сразу же ставили пуансон, и после изотермической выдержки в течение 20 -30 с матрицу помещали на платформу машины сжатия. Применяемое давление на матрицу составляло 100 кН. Конечная температура смеси при загрузке в матрицу и время, необходимое для получения готовой формовки, составляли соответственно 410 - 430 °С и 120 с.

Выданный из матрицы композит (рис. 2) охлаждали в слое песка до температуры окружающей среды. Потеря по массе композита от первоначальной массы смеси (50 г) усреднен-но составляла 14,0 %.

Полученные композиты (рис. 3) испытывали на прочность согласно ГОСТ 21289 - 75

Рис. 3. Термостабилизированный углерод-углеродный композит

«Брикеты угольные. Методы физических испытаний» на машине для испытания на сжатие ИП-6012-1000-1.

Качественная характеристика композитов представляется слудующими данными: Ай = 9,1 %; Vй = 9,2 %; прочность на сжатие 850 Н/см2.

Представляется возможным получение подобным способом и углеродминеральных композитов в качестве шихтовых материалов, например для металлургических процессов, в том числе при утилизации мелкодисперсных отходов.

Примерная принципиальная технологическая схема получения углеродминеральных композитов может, по нашему мнению, выглядеть так, как показано на рис. 4.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. И с л а м о в С. Р. Энерготехнологическая переработка угля. - Красноярск: ООО «Поликор», 2009. - 224 с.

2. А.с. № 388609 СССР. Способ получения формованного кокса и углеродистого восстановителя / Школлер М.Б. и др. Бюллетень изобретений 1973. № 4.

3. Ш к о л л е р МБ., Д ь я к о в С.Н., С у б -б о т и н С.П. Современные энерготехнологические процессы глубокой переработки твердых топлив. - Кемерово: Кузбас-свузиздат, 2012. - 287 с.

© 2015 г. М.Б. Школлер Поступила 8 июня 2015 г.

Рис. 4. Принципиальная технологическая схема получения углерод-минеральных композитов термохимическим способом: 1 - бункер минерального компонента; 2 - бункер коксующегося угля; 3 - устройство для предварительного нагрева минерального компонента; 4 - мельница; 5 - экструдер; 6 - топка; 7 - воздуходувка; 8,13 - дымососы; 9 - устройство термоупрочнения композитов; 10 - устройство для охлаждения композитов; 11 - элеватор; 12 - бункер композитов; 14 - газоочистка; 15 - дымовая труба