Технология получения композиционного твердого топлива из углей Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений и нагретого битума
Автор: Сабиров Б.З., Ташполотов Ы.Т.
Журнал: Бюллетень науки и практики @bulletennauki
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 2 т.10, 2024 года.
Бесплатный доступ
В работе приведены результаты исследования получения композиционных твердых топлив (КТТ) из композиций углей Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений и битумное связующее. Исследованы возможности получения КТТ из смеси битума и предварительно нагретых углей. Для определения зависимости качества получаемых КТТ от крупности помола вышеуказанный уголь был измельчен на три фракции: фракция с крупностью частиц 0-1 мм, фракция с частицами 0-3 мм и фракция 0-5 мм. Указанные 3 фракции угля были подвергнуты ситовому анализу и определены гранулометрический состав, затем каждая фракция в отдельности была подвергнута брикетированию на гидравлическом прессе, в пресс-форме диаметром 40 мм. Прессование происходило при 3-х параметрах, а именно: при давлении 10 МПа, 15 Мпа и 20 МПа. Применение различного давления дало возможность проследить зависимость качества полученного КТТ от давления прессования и определить оптимальный параметр давления. Также проведены брикетирование при различной концентрации шихты и определены механические свойства КТТ при концентрации связующего 6%, 8%, 10%. Установлено, что использование в качестве связующего материала - битумоподобный продукт (битум) полученный в результате терморастворения угля с нефтяным отходом при температуре 320-380°С дает механически прочные брикеты, которые оказывает сопротивление сжатию до 106 кг/см2 и сопротивление на изгиб до 7,5 кг/см2. Показаны, что механическая прочность брикетов увеличивается с увеличением степени помола угля, а также повышение давления прессования увеличивает механическую прочность брикетов. С увеличением степени влажности угля механическая прочность брикета понижается. Установлены оптимальные параметры получения КТТ: крупность угля 0-3 мм, влажность 6,5%, давление прессования 200 кг/см2.
Уголь, композиционное твердое топливо, брикет, сжигание
Короткий адрес: https://sciup.org/14129659
IDR: 14129659 | DOI: 10.33619/2414-2948/99/37
Текст научной статьи Технология получения композиционного твердого топлива из углей Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений и нагретого битума
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice
Получение композиционных твердых топлив с заданными формами и требуемыми технологическими параметрами на основе угольных мелочей КР в настоящее время является актуальной задачей. Однако существующие технологии брикетирования и гранулирования, основанные на использовании органических связующих – горючих отходов или попутных продуктов химических и пищевых производств не могут быть широко использованы в Кыргызстане из-за отсутствия источников этих связующих: нефтедобычи и ее переработки, развитой пищевой промышленности. В известных технологиях и производствах по выпуску угольных окускованных композитных топлив (брикетов), предпочтение отдается органическим связующим, таким как каменноугольная смола, пек, тяжелые нефтяные остатки, битум, отходы масложирового производства и другие из-за их высокой связующей и теплотворной способности [1–4]. Органические связующие отличаются высоким коксовым числом и низкой пенетрацией, что имеет очень важное значение [5].
В исследованиях авторов показано возможность получения связующего вещества битумоподобного вещества (далее битума) за счет процесса термического растворения (рафинирующая гидрогенизация) угля и получены окускованные топлива на их основе [6, 7]. Исследования по получению окускованных композиционных твердых топлив, брикетов с применением битума продолжены, определены основные физико-технические параметры. Исследовались угли Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений с битумом, параметры брикетирования варьировались широко, но результаты показали, что не всегда удается получить из них брикеты удовлетворительные по всем показателям. Целью настоящей работы является разработка технологии получения композиционного твердого топлива из углей Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений с нагретым битумом в зависимости от различных характеристик.
Материалы и методы исследования
Битум как связующее вещество обладает высокими клеящими свойствами, например, КТТ полученные на основе битума имеют высокую механическую прочность при истирании (89–91%), сбрасывании (90–100%), сжатии (1,2–1,6 МПа). Для определения зависимости качества получаемых КТТ от крупности помола вышеуказанный уголь был измельчен на три фракции: фракция с крупностью частиц 0–1 мм, фракция с частицами 0–3 мм и фракция 0–5 мм. Указанные 3 фракции угля были подвергнуты ситовому анализу и определены гранулометрический состав, затем каждая фракция в отдельности была подвергнута брикетированию на гидравлическом прессе, в пресс-форме диаметром 40 мм. Композиционное твердое топливо из угольных мелочей и нагретым битумом получены при давлении прессования: 10 МПа, 15 МПа и 20 МПа. Применение различного давления дало возможность проследить зависимость качества полученного КТТ от давления прессования и определить оптимальный параметр давления. Также проведены брикетирование смеси при различной концентрации шихты и определены механические свойства КТТ при концентрации связующего 6, 8, 10%. Полученные КТТ подвергались лабораторному испытанию на сжатие и изгиб на термостойкость, на влагоустойчивость. В качестве связующего материала нами были использованы битумоподобный материал (битум), полученный путем терморастворения угля с нефтяным остатком при температуре 320–380°С [6, 7]. Для подготовки шихты уголь нагревали до 250°С, затем добавляли связующий материал соответственно в количестве 6, 8 и 10%.
Результаты и обсуждение
Получение КТТ из фракции 0–1 мм. Указанная фракция угля, полученная путем помола исходного угля в щековой дробилке, имела гранулометрический состав, представленный в Таблице 1.
Таблица 1.
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕЙ ФРАКЦИИ 0–1 мм
|
Наименование |
Класс |
Количество, % |
|
Класс угля с размером частиц |
1–0,6мм |
34 |
|
Класс угля с размером частиц |
0,6-0,4 |
12 |
|
Класс угля с размером частиц |
0,4-0,2 |
25 |
|
Класс угля с размером частиц менее |
0,2 |
29 |
Как видно из приведенного выше состава распределения классов во фракции относительно равномерное, что говорит об однородном составе угля. Формование вышеуказанной фракции угля 0–1 мм производились при давлении: 10, 15 и 20 МПа. В Таблице 2 приведены результаты формования композиции угля с 6, 8 и 10% при давлении 10 МПа.
Таблица 2.
КТТ ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ УГЛЕЙ ФРАКЦИИ 0–1 мм (10 МПа)
|
Связующее, % |
Высота брикета, мм |
Объемный вес брикета, г |
Объем брикета, см3 |
Плотность, г/см3 |
|
6 |
25 |
40,00 |
31,4 |
1,27 |
|
6 |
20 |
30,200 |
25,1 |
1,203 |
|
6 |
20 |
30,370 |
25,1 |
1,54 |
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 10. №2. 2024
|
Связующее, % |
Высота брикета, мм |
Объемный вес брикета, г |
Объем брикета, см3 |
Плотность, г/см3 |
|
6 |
21 |
34,100 |
26,37 |
1,29 |
|
8 |
18 |
30,100 |
22,00 |
1,38 |
|
8 |
21 |
31,970 |
26,37 |
1,21 |
|
8 |
23 |
35,200 |
23,88 |
1,22 |
|
10 |
19 |
28,900 |
23,86 |
1,21 |
|
10 |
18 |
30,100 |
22,60 |
1,33 |
|
10 |
16 |
29,180 |
20,09 |
1,45 |
Полученные КТТ после снятия давления хорошо сохраняли форму, имели плотный блестящий с глянцем вид с незначительными трещинами на цилиндрической поверхности брикета. При падении на плиточный пол с высоты 2 м — часть КТТ разбивались. Для определения механической прочности указанная партия КТТ была подвергнута испытанию на изгиб и на сжатие (Таблица 3, Рисунок 1, 2). Как видно из Рисунков 1 и 2 — прочность КТТ возрастает с увеличением концентрации связующего и давления прессования.
ИСПЫТАНИЕ КТТ НА ИЗГИБ И НА СЖАТИЕ
Таблица 3.
|
Вид испытания |
Концентрация связующего материала, С % |
Прочность, МПа |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
6 |
4,5 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
8 |
5,2 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
10 |
6,3 |
|
Сопротивление на изгиб |
6 |
0,33 |
|
Сопротивление на изгиб |
8 |
0,37 |
|
Сопротивление на изгиб |
10 |
0,45 |
10,6
4,5 5,3 6,8 5,2 6,5 8,2 6,3 7,4
-
■ 10 МПа
-
■ 15 МПа
-
■ 20 МПа
6%
8%
10%
Рисунок 1. Прочность угольного брикета фракции 0–1 мм на сжатие при концентрациях связующего 6, 8 и 10% и при давлении прессования 10, 15 и 20 Мпа
0,75
0,67
0,53
0,33 0,45 0,370,45
■ 10 МПа
-
■ 15, МПа
-
■ 20 МПа
6%
8%
10%
Рисунок 2. Прочность брикета фракции 0–1мм на изгиб при концентрациях связующего 6, 8 и 10% и при давлении прессования 10, 15 и 20 МПа
Брикетирование фракции 0–1 мм при давлении 15 МПа. Следующая партия КТТ была изготовлена при давлении 15 МПа, по внешнему виду они не отличались от предыдущей партии, изготовленной при 10 МПа. КТТ изготовленные при 15 МПа прошли испытание на механическую прочность (Таблица 4).
КТТ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ДАВЛЕНИИ 15 Мпа
ИСПЫТАНИЕ КТТ НА ИЗГИБ И НА СЖАТИЕ (при 15 МПа)
Таблица 3.
|
Связующее, % |
Высота брикета, мм |
Вес брикета, г |
Объем брикета, см3 |
Плотность брикета |
|
6 |
18 |
29,940 |
22,60 |
1,32 |
|
6 |
21 |
33,340 |
26,37 |
1,26 |
|
6 |
18 |
29,760 |
22,60 |
1,32 |
|
6 |
20 |
30,370 |
25,10 |
1,22 |
|
8 |
19 |
29,750 |
23,86 |
1,24 |
|
8 |
20 |
30,050 |
25,10 |
1,23 |
|
8 |
19 |
29,200 |
23,86 |
1,21 |
|
8 |
21 |
32,500 |
26,37 |
1,33 |
|
10 |
20.5 |
32,390 |
25,75 |
1,25 |
|
10 |
19 |
31,000 |
23,86 |
1.3 |
|
10 |
20 |
32,490 |
25,1 |
1,29 |
|
10 |
18 |
27,940 |
22,60 |
1,23 |
Таблица 4.
|
Вид испытания |
Концентрация связующего материала, С % |
Прочность, МПа |
|
Сопротивление на сжатие брикета: |
6 |
5,3 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
8 |
6,5 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
10 |
7,4 |
|
Сопротивление на изгиб |
6 |
0,45 |
|
Сопротивление на изгиб |
8 |
0,57 |
|
Сопротивление на изгиб |
10 |
0,65 |
Брикетирование фракции 0–1 мм при давлении 20 МПа. Брикетирование углей фракции 0–1 мм при давлении 20 МПа производилось при тех же условиях как и в опытах с давлением 10–15 МПа. Полученные КТТ имели меньше трещин на цилиндрической поверхности, чем в предыдущих опытах. Характеристика полученных КТТ представлена в Таблице 5.
Механическое испытание на сжатие и сопротивление на изгиб КТТ показано в Таблице 6.
КТТ ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ДАВЛЕНИИ 20 МПа
Таблица 5.
|
Связующее, % |
Высота брикета, мм |
Вес брикета, г. |
Объем брикета, 3 см |
Плотность брикета, см3 |
|
6 |
19,5 |
29,700 |
24,49 |
1,21 |
|
6 |
22 |
35,910 |
27,63 |
1,29 |
|
8 |
20 |
32,730 |
25,1 |
1,30 |
|
8 |
19 |
31,380 |
23,86 |
1,31 |
|
10 |
18 |
29,470 |
22,60 |
1,30 |
|
10 |
20 |
31,980 |
25,1 |
1,27 |
Брикетирование фракции 0–3 мм. Уголь данной фракции был подвергнут брикетированию в той же пресс-форме и при тех же условиях, которые соблюдались при испытании фракции угля 0–1 мм, при этом получены нижеследующие размеры и результаты на механическую прочность (Таблица 7): Брикетирование фракции 0–5 мм. Уголь данной фракции был подвергнут брикетированию при тех же условиях что и в опытах с фракциями 0–1 и 0–3 мм. Результаты испытаний приведены в Таблице 8.
ИСПЫТАНИЕ КТТ НА ИЗГИБ И НА СЖАТИЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ БРИКЕТИРОВАНИЯ ФРАКЦИИ УГЛЯ 0–3 мм
Таблица 6.
|
Вид испытания |
Концентрация связующего материала, С % |
Прочность, МПа |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
6 |
6,8 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
8 |
8,2 |
|
Сопротивление на сжатие брикета |
10 |
10,6 |
|
Сопротивление на изгиб |
6 |
0,53 |
|
Сопротивление на изгиб |
8 |
0,67 |
|
Сопротивление на изгиб |
10 |
0,75 |
Таблица 7.
|
Связующее, % |
Давление, Па |
Высота брикета, мм |
Вес брикета, г |
Сопротивление на сжатие, МПа |
Сопротивление на изгиб, МПа |
|
6 |
10 |
19.5 |
выйдя из формы рассыпался |
||
|
6 |
15 |
25 |
38,350 |
1,6 |
— |
|
6 |
20 |
24 |
37,760 |
2,2 |
— |
|
8 |
10 |
22 |
34,613 |
2,9 |
0,35 |
|
8 |
15 |
23 |
35,282 |
3,6 |
0,37 |
|
8 |
20 |
24 |
37,680 |
4,6 |
0,43 |
|
10 |
10 |
23 |
35,340 |
3,4 |
0,55 |
|
10 |
15 |
25 |
39,230 |
4,7 |
0,59 |
|
10 |
20 |
25 |
39,280 |
7,3 |
0,67 |
Таблица 8.
|
Связующее, % |
Давление, МПа |
Высота брикета, мм |
Вес брикета, г. |
Сопротивление на сжатие, МПа |
Сопротивление на изгиб, МПа |
|
6 |
10 |
рассыпается |
|||
|
6 |
15 |
24 |
37,450 |
рассыпается |
|
|
6 |
20 |
24 |
36,510 |
2,3 |
|
|
8 |
10 |
25 |
38,300 |
2,8 |
0,33 |
|
8 |
15 |
24 |
37,800 |
3,3 |
0,35 |
|
8 |
20 |
24 |
38,200 |
3,9 |
0,37 |
|
10 |
10 |
24 |
38,650 |
3,6 |
0,45 |
|
10 |
15 |
25 |
39,100 |
4,7 |
0,49 |
|
10 |
20 |
25 |
39,120 |
6,4 |
0,55 |
РЕЗУЛЬТАТЫ БРИКЕТИРОВАНИЯ ФРАКЦИИ УГЛЯ 0–5 мм
Брикетирование при различной влажности шихты. Для определения влияние степени влажности на механическую прочность КТТ и выбора оптимального ее содержания в исходном угле проведено брикетирование угля при содержании влаги 8–10%. Давление прессования составило 20 МПа. Партия КТТ, изготовленная из угля с содержанием влаги 8% имели следующие характеристики (Таблица 9).
КТТ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ УГЛЯ С СОДЕРЖАНИЕМ ВЛАГИ 8%
Таблица 9.
|
Высота брикета, мм |
Вес брикета, г. |
Объем брикета, см3 |
Плотность брикета, см3 |
|
17 |
27,330 |
21,35 |
1,28 |
|
18 |
28,740 |
22,61 |
1,27 |
|
18 |
28,380 |
22,61 |
1,25 |
|
17 |
27,720 |
21,35 |
1,29 |
|
18 |
28,590 |
22,61 |
1,26 |
|
17,5 |
27,990 |
21,98 |
1,27 |
Термостойкость КТТ. Сжигание в муфельной печи показали, что форма КТТ сохраняется до конца процесса горения, при этом давая легкие трещины и осыпаясь по мере выделения золы на поверхность. Выделение летучих и их горение давало языки пламени длиной до 8–10 см высоты над КТТ. Брикет рассыпался под действием нагрузки только в момент его полного озоления. Влагоустойчивость КТТ. Наиболее механически крепкие (давление 20 МПа и влага 8%) КТТ были опущены в сосуд с водой. Брикеты после погружения в воду рассыпались частично. Сопротивление на сжатие брикета — 6,8 МПа, а сопротивление на изгиб — 0,56.
КТТ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ УГЛЯ С СОДЕРЖАНИЕМ ВЛАГИ 10%
Таблица 10.
|
Высота брикета мм |
Вес брикета, г |
Объем брикета, см3 |
Плотность брикета, 3 см |
|
17 |
26,340 |
21,35 |
1,23 |
|
18 |
28,060 |
22,61 |
1,24 |
|
18 |
28,420 |
22,60 |
1,30 |
|
18,5 |
29,700 |
23,24 |
1,27 |
|
19 |
30,120 |
23,86 |
1,26 |
|
19 |
29,530 |
23,86 |
1,23 |
Брикетирование шихты с влагой 10%. КТТ полученные из угля с влагой 10% имели характеристику представленную в Таблице 10. Результаты испытаний показали, что прочность КТТ на сжатие составляет — 6,3 МПа, а на изгиб — 0,51 МПа.
Выводы:
-
1. Применение в качестве связующего материала — битумоподобный продукт (битум) полученный в результате терморастворения угля с нефтяным отходом при температуре 320– 380°С дает механически прочные брикеты, которые оказывает сопротивление сжатию до 106 кг/см2 и сопротивление на изгиб до7,5 кг/см2.
-
2. Механическая прочность брикетов повышается с увеличением степени помола угля, а также повышение давления прессования увеличивает механическую прочность брикетов. С увеличением степени влажности угля механическая прочность брикета понижается.
-
3. Оптимальными параметрами при производстве механически крепких брикетов следует считать: крупность угля 0–3 мм, влажность 6,5% и давление прессования 200 кг/см2.
Список литературы Технология получения композиционного твердого топлива из углей Кызыл-Булакского и Кожо-Келенского месторождений и нагретого битума
- Текенов Ж. Т., Исманжанов А. И., Джолдошева Т. Д. Утилизация низкосортных углей кыргызстана окускованием с неорганическими связующими. Бишкек: Илим, 2008. 147 с.
- Rubiera F., Hall S. T., Shah C. L. Sulfur removal by fine coal cleaning processes // Fuel. 1997. V. 76. №13. P. 1187-1194. DOI: 10.1016/S0016-2361(97)00015-X EDN: AFZWYD
- Methods of shaping, e.g. pelletizing or briquetting with the aid of binders, e.g. pretreated binders. DE3114141C2. Germany.
- Андреева Л. М. Асфальто-битумные сплавы, как связующее для брикетирования шаргуньских углей // Брикетирование углей и углеродистых материалов. М., 1973. С. 51-57.
- Зорин А. Ж. Разработки технологии брикетирования угля бурого со связующими нефтяного происхождения // Тезисы докладов конференции. Уфа, 1991. С. 28.
- Сабиров Б. З., Цой А. В., Джапарова Ш., Полотов И. Ж., Коназарова Ч. К. Терморастворение угля // Вестник Ошского государственного университета. 2017. №1. С. 155-164. EDN: YKKBTF
- Кошназарова Ч. К., Сабиров Б. З., Джапарова Ш., Полотов И. Ж. Исследование получения термо и водостойкого угольного брикета на основе битума (полученного терморастоврением угля) и бентонитовой глины // Вестник Ошского государственного университета. 2017. №1. С. 76-79. EDN: YKKBGX
