Разработка технологии получения водоугольного топлива и определение оптимальности его горения

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 662.749.2                                      

Гуматы — часть гуминовых веществ (ГВ), которые представляют собой соли гуминовых кислот. Гуматы обладают общими для всех гуминовых веществ свойствами: полидисперсностью, непостоянством состава, нерегулярностью строения и гетерогенностью структурных элементов. Эти свойства проявляются за счет сочетания в молекулярной структуре ароматического ядра и гидрофильной периферии, состоящей в основном из алифатических, полисахаридных и полипептидных фрагментов. Гуматами также называют многочисленную группу препаратов, изготовленных из легкорастворимых солей гуминовых кислот.

Искусственные и синтетические гуматы получают путем переработки лигниносодержащего растительного сырья, которое является отходом целлюлознобумажных комбинатов (ЦБК). К такому сырью относятся лигносульфонаты — продукты получения целлюлозы сульфитным методом, и лигнин — побочный продукт гидролизного производства. Технология предусматривает жидкофазное окисление смеси лигниносодержащего сырья со щелочными агентами при температуре 170–200 °С и давлением 0,5–3,0 МПа с добавлением перекиси водорода и обработкой кислородом воздуха. В результате окисления и частичного синтеза получают темнокоричневый раствор гуминоподобных веществ, по химическим признакам похожих на природные гуминовые кислоты.

Достоинства метода — в утилизации большого количества отходов ЦБК, дешевизна сырья. К недостаткам стоит отнести высокое содержание серы и тяжелых металлов, наследуемых из сырья и меньшую физиологическую активность по отношению к растениям по сравнению с природными гуминовыми препаратами [1].

Производные гуминовых кислот — основная органическая составляющая почвы, воды и твердых горючих ископаемых. Гуминовые вещества образуются при разложении растительных и живых остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. Первостепенная роль в обогащении техногенных элювиев элементами питания принадлежит микроорганизмам, способным расти и размножаться на бедных питательных средах. К ним относятся микроскопические грибы, олиготрофы, микроорганизмы, способны разлагать силикаты. Хорошо известный факт, что основными видами сырья для получения гуминовых кислот являются торф, почва, бурые и выветрившиеся каменные угли [2–3]. Гуминовые кислоты получают из них посредством подкисления щелочным раствором путем экстракции из этих продуктов. Гуминовые вещества используются для различных целей:

–в горнодобывающей отрасли применяют при бурении нефтяных и газовых скважин;

–в пищевой отрасли — для повышения продуктивности пивоварения;

–в медицине;

–в сельском хозяйстве — для повышения плодородия почвы, особенно после истощения этих почв в результате многолетнего использования под одни и те же сельскохозяйственные культуры.

Гуминовые вещества также очень эффективны в качестве добавок, позволяющих значительно, иногда до 50%, повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Их также часто используют для восстановления засоленных земель, земель с высоким содержанием песчаных грунтов и др. Они также применяются в качестве кормовой добавки для удаления токсичных веществ из животных [4].

Гуминовые вещества отдают живым организмам необходимые им элементы питания постепенно, по мере их потребления, сохраняя тем самым необходимый запас этих элементов для последующих поколений. При разработке методики получения гумата калия из окисленной органической массы Кызыл-Кийского месторождения, для получения воднощелочной среды использован метод активации воды. Известно, что в процессе электролиза происходит активация воды, т. е. вода оказывается насыщенной свободным водородом, что в свою очередь, приводит к образованию кислотной и щелочной водной среды [5].

В составе гуминовых веществ найдены от 40% до 60% углерода; 3–5% азота; 30–40% кислорода, а также имеются водород, сера, фосфор, многие металлические катионы, в том числе так называемые микроэлементы [2].

Цель работы : разработка методики получения водо-угольного топлива из гумата калия из пиролизной смолы и бертолетовой соли для повышения кислородного баланса комплексного раствора.

Экспериментальная часть

Для приготовления водоугольного топлива процессы измельчения, помола и создания дисперсности угля являются трудоемкой работой, требуемой больших затрат энергии.

Поэтому для получения водоугольного раствора применяли активированную воду. Для активации воды сделали специальный аппарат электролизер.

В процессе активации в катодной камере образуется католит (щелочная среда), в анодной камере анолит (кислотная среда). рН среды активированной воды измеряли иономером ЭВ-74 и рН-метром И-500.

• а)    Католит (щелочная вода) рН от 10,8 ед. до 11 ед.

• б)    Анолит (кислотная вода) рН от 5,2 ед. до 4,9 ед.

Для экстрагирования окисленного бурого угля использовали Алайское месторождение. Исследуемый уголь пропускали через сито с размером ячеек 1,0 мм.

В электромешалку засыпали 400 г мелкодисперсной угольной мелочи и добавили 1 л щелочной воды рН = 11 ед., оставили стоять на 3 ч, перемешивая каждые 15 мин.

Полученный раствор пропустили через фильтр. Чтобы получить водоугольный раствор используем специальную самодельную установку, представленную на Рисунке.

Рисунок. Схема установки: 1 — компрессор для сжатого воздуха; 2 — емкость для водоугольного раствора (эмульсия); 3 — манометр; 4 — вентиль; 5 — форсунка

Приготовленная смесь водоугольного топлива имеет следующий состав: 94% — раствора гумата калия, 5% — угольной смолы, 1% — бертолетовой соли (сильного окислителя, обогащающего содержание кислорода в растворе).

Технологическая схема горения водоугольного топлива в лабораторных условиях.

Водо-угольный раствор заливаем в емкость и герметично закрываем крышку установки. С помощью компрессора подаем сжатый воздух давлением до 3 кгс/см2.

С открытием вентиля (4) из форсунки (5) под давлением в предварительно нагретую печь впрыскивается смесь водо-угольного топлива в виде аэрозоли. Аэрозоль начинает гореть с выделением огромного количества тепловой энергии.

Выделенную энергию и температуру горения измеряли, пирометром ДТ 8858, показание прибора составляет, 1035 °С.

Стадии сжигания водоугольного топлива

Компрессор для сжатия воздуха

↓

Емкость для водоугольного топлива

↓

Форсунка

↓

Предварительно нагретая печь для сжигания водоугольного топлива

Выводы

• 1.    Исследован химический состав водоугольного топлива состоящего из смеси: 94% раствора гумата калия, 5% угольной смолы, 1% бертолетовой соли (KClO 4 ).

• 2.    Сделана установка для сжигания водо-угольного топлива, давление которого повышается до 3 кг/см². Имеется форсунка для впрыскивания аэрозольной смеси.

• 3.    Исследован технологический процесс горения водоугольного топлива, Бертолетова соль как сильный окислитель повышает кислородный баланс водоугольного раствора.

• 4.    Температура горения водоугольного топлива составляет 1035 °С.