Основи хімії і фізики горючих копалин. Частина ІІ - Посібник (Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С.)

16. брикетування вугілля

Видобуток вугілля комбайнами приводить до утворення великої кількості тон- козернистої і пилоподібної сировини, для промислового і комунального використання якої потрібне її грудкування.

Грудкування – це перетворення дрібнозернистих корисних копалин на грудко- вий продукт за рахунок механічних або термічних впливів із застосуванням спеціаль- них добавок або без них. Одним з різновидів грудкування (нарівні з коксуванням і ін.) є брикетування: фізико-хімічний процес отримання механічно і термічно міцного сор- тового продукту – брикету, що має задану геометричну форму, розміри і масу.

Брикети використовуються у коксохімічній, металургійній, хімічній і ін. галу- зях промисловості, а також як побутове паливо. У залежності від властивостей корис- них копалин і призначення, брикети повинні задовольняти наступним вимогам:

а) мати атмосферостійкість, не руйнуватися від температурних коливань і ат- мосферних опадів;

б) мати достатню механічну міцність, витримувати досить високі ударні наван-

таження і чинити опір стиранню і вигину;

в) мати достатню пористість, що забезпечує хорошу проникність газів при ви- соких температурах горіння;

 

г) містити мінімальну кількість вологи, яка зумовлює додаткові витрати енергії

на випаровування і знижує газопроникність брикетів;

д) бути температуростійкими, не руйнуватися від впливу високих температур.

Вуглебрикетне виробництво дозволяє отримати високоякісне і транспорта- бельне паливо, скоротити втрати вугілля при зберіганні, перевезеннях і спаленні, запо- бігти самозайманню вугілля, залучити для коксування додаткові ресурси неспікливого вугілля, ефективно використовувати низькоякісні місцеві види палива і збільшити ви- добуток бурого вугілля для використання в енергетиці.

Брикетування вугілля здійснюється зі зв’язуючими і без зв’язуючих. За призна- ченням вугільні брикети бувають побутовими і промисловими. Побутові брикети мо- жуть бути овальної, подушкоподібної або будь-якої іншої округлої форми масою 30-

50 г. Для надання їм підвищеної термічної і механічної міцності, а також властивостей бездимного палива їх іноді піддають термообробці.

Промислові брикети служать сировиною для напівкоксування бурого і коксу- вання кам'яного неспікливого вугілля. Вони можуть виконувати функції теплоізоля- ційного матеріалу, замінюють дефіцитний графіт, використовуються як основний ма- теріал для отримання різних електродів.

Брикетування, як технологічний процес грудкування корисних копалин, скла- дається з ряду виробничих операцій:

1) Підготовка сировини до пресування: дроблення, грохочення і сушка; підго-

товка зв’язуючих речовин: дозування, змішування, нагрів і охолодження шихти перед пресуванням.

2) Пресування шихти з прикладенням необхідних зусиль, що визначаються в залежності від фізико-хімічних властивостей і складу матеріалу, що брикетується.

3) Обробка свіжих брикетів з метою їх пришвидшеного затвердіння (охолоджу- вання, пропарка, карбонізація, сушка, відновне випалення і ін.).

4) Складування і навантаження готових брикетів.

Формування структури брикетів зі зв'язуючими розглядають як один з випадків склеювання роз'єднаних твердих частинок за допомогою клеїв. Основу структуроут- ворення складають стохастичні процеси взаємного розташування і адгезійної взаємодії окремих контактуючих елементів системи. Агрегатоутворення визначає прилипання і склеювання. Прилипання, як початковий стан процесу склеювання, пов'язане з утво- ренням впорядкованої клейової плівки на поверхні твердих частинок. Для прилипання характерний в’язкотекучий (іноді рідкий) стан зв'язувальної речовини. Подальші про- цеси ведуть до структурування клею і набуття агрегатом максимальної міцності. Роз'- єднані тверді частинки, вкриті зв'язувальною речовиною, об'єднуються (склеюються) в брикет.

Прилипання і склеювання залежать від фізичних і хімічних властивостей клею (зв'я-

зуючого) і твердого тіла. Особливе значення мають температура, ступінь полімеризації, по- лярність і структура зв'язуючого, а також природна сумісність взаємодіючих речовин.

Збільшення температури інтенсифікує дифузію клею в пори і тріщини твердого

тіла. Збільшення тиску в місці контакту сприяє рівномірному розподілу клею по пове- рхні частинок. Зі збільшенням часу контакту зростає глибина проникнення молекул зв'язуючого в пори і тріщини. Зі збільшенням шорсткості твердих частинок зростає

 

дійсна площа контакту, поліпшуються умови проникнення зв'язуючого в мікро– і ма-

кродефекти, крім того на нерівній поверхні шматочків можливе заклинення клею в макродефектах, що сприяє прилипанню.

Вплив зв’язуючого зумовлений його специфічними властивостями. Зі змен- шенням молекулярної маси збільшується його рухливість, воно краще розтікається по поверхні твердого тіла, легше дифундує в пори і тріщини, однак не створює достат- нього зчеплення між частинками, і брикет не має необхідної механічної міцності. Зв’язуючі з великою молекулярною масою малорухливі, високов’язкі, мають малу ди- фузійну здатність, що суттєво погіршує контакт “вугілля-зв’язуюче” і в результаті не- гативно впливає на міцність брикетів. Оптимальну склеювальну здатність мають зв’язувальні речовини із середньою молекулярною масою.

Полярність зв’язувальної речовини сприяє виникненню хімічних і дифузійних взаємодій, проте, підвищена полярність посилює структуру, знижує дифузійну актив- ність і зв’яжувальні властивості клею.

Гранулометричний склад визначає сумарну поверхню зерен, кількість і вели- чину порожнин у структурному каркасі брикетів, вміст гострокутних зерен, рельєф твердої поверхні і наявність пилоподібних частинок. Підбір суміші частинок різної крупності полягає в забезпеченні найбільш щільної упаковки. Щільність упаковки ті- сно пов'язана з розміром зерен. Наявність пилоподібних частинок приводить до зрос- тання витрат зв’язувальних речовин, але сприяє ущільненню і зміцненню брикетів. Міцність брикетів тим нижча, чим однорідніший ситовий склад вихідного матеріалу.

Внаслідок нагрівання досягається тонкошарове розтікання зв’язувальних по твердій поверхні і посилення зв'язку в їх адсорбційних шарах. Для посилення міцності брикетів при слабкому нагріві необхідно збільшити витрату зв’язувальної речовини.

Надлишок вологи не дозволяє зв’язуючим міцно прилипнути до твердих части- нок, механічна міцність брикетів знижується.

Фізична суть процесу пресування полягає в пластичній деформації матеріалу під тис-

ком. Під пластичністю брикетної суміші розуміють її здатність змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил без утворення тріщин і зберігати отриману форму після зняття тиску.

Пластичність росте із збільшенням температури і характеризує придатність су- міші до пресування, відображаючи рухливість суміші, кут внутрішнього тертя, зчеп- лення, прилипання і пружність.

Структурна міцність брикетів остаточно набувається в процесі охолоджування. Брикет, що виходить з процесу, має температуру, близьку до температури розм'як- шення зв’язуючого. Охолоджування брикетів здійснюється повітрям.

Як зв’язувальні речовини при брикетуванні кам'яного вугілля і антрацитів ви- користовуються важкі залишки переробки смолистих нафт, кам'яновугільний пек, су- льфід-спиртова барда (побічний продукт переробки деревини на целюлозу за сульфат- ним методом), гумати натрію і амонію, сланцеві бітуми, смола напівкоксування і фуси напівкоксування, а також суміші перерахованих вище органічних речовин.

Молоде буре вугілля, яке брикетують без зв’язуючого, можна розглядати як висо-

комолекулярну сполуку нерегулярної будови, властивості якої багато в чому визначають- ся процесами колоїдного набрякання. Брикетування такого вугілля можна розглядати як складний багатостадійний процес утворення міцного комплексу за рахунок високого тис-

 

ку пресування. Існує кілька гіпотез утворення брикетів з бурого вугілля.

Колоїдна гіпотеза оцінює брикетованість бурого вугілля з позиції дії молекуля- рних сил. При зближенні частинок вугілля до відстаней, коли починається дія моле- кулярних сил, відбувається зчеплення поверхневих шарів з утворенням брикетів. Ця гіпотеза оцінює вологу як зв'язувальний прошарок, який сприяє ковзанню частинок одна відносно іншої.

За капілярною гіпотезою буре вугілля розглядається як пружний нееластичний гель, що має велику внутрішню поверхню за рахунок безлічі капілярів, всередині яких міс- титься вода. При пресуванні частина води видавлюється з капілярів, заповнюючи проміж- ки між зернами. У місцях контакту зерен крізь водний шар виникають сили капілярного натягу і сили зчеплення. У залежності від товщини плівки змінюється міцність брикетів. Максимальна міцність досягається при мономолекулярній плівці води.

Бітумна гіпотеза брикетування бурого вугілля розглядає процес як аналог бри-

кетування зі зв'язувальною речовиною, роль якої відіграють бітуми, що містяться в бу- рому вугіллі. Бітуми, вміст яких в молодому вугіллі становить 5-20\%, плавляться при температурі близько 90°С і в розплавленому стані володіють хорошою адгезійною (склеювальною) здатністю. У найвужчій частині формовочного каналу штемпельного пресу (буклі) вугілля нагрівається до 250-300°С, і бітуми, що виділяються при цьому, обволікають тонкою рівномірною плівкою поверхню вугілля і в умовах підвищеного тиску пресування зв'язують окремі зерна в брикет чорного кольору з блиском, харак- терним для бітумів.

За гуміново-кислотною гіпотезою брикетованість вугілля залежить від вмісту в ньому гумінових кислот, які виступають в ролі зв'язувальних речовин, виділяючись в процесі пресування. Чим більше в бурому вугіллі гумінових кислот, тим вища його вологість і краща брикетованість.

Найбільш сучасною і довершеною є гідраційно-молекулярна теорія. Згідно з нею, основними параметрами, що визначають брикетованість, є залишкова волога піс- ля сушки і крупність вугілля. Головними елементами цієї гіпотези є оптимальне спів- відношення адсорбційної і капілярної вологи в зовнішніх і внутрішніх шарах вузьких класів крупності «сушонки» і кількість вологи, що видавлюється при певному тиску пресування.

Основними чинниками, що впливають на процес отримання міцних брикетів з бурого вугілля, є вологість і крупність вугілля, тиск і температура пресування, сушка і охолоджування брикетів. Оптимальна вологість «сушонки», що відповідає найбільшій міцності брикетів, залежить від тиску пресування, крупності «сушонки», природи і ступеня окиснення поверхні вугілля. Гранулометричний склад тісно пов'язаний з про- цесом пресування, оскільки при зниженні крупності меншає час і кількість енергії, що затрачуються на крихкі і пружні деформації матеріалу, і збільшується частка енергії і часу на корисні пластичні деформації. Для брикетів, що використовуються в побуті, верхня межа крупності становить 4-6 мм, для технологічних брикетів до 2 мм. У пер- шому випадку це продиктовано умовами займистості, у другому – підвищеною щільні- стю структури, необхідною для подальшої термічної переробки.

Для ущільнення брикетної суміші при брикетуванні вугілля і антрациту зі зв'я- зувальними речовинами звичайно застосовують вальцові преси, що розвивають зусил-

 

ля пресування 20-50 МПа. Пресування бурого вугілля здійснюють в штемпельних пре-

сах під тиском 80-120 МПа. Іноді буре вугілля брикетують в кільцевих пресах.

Таким чином, брикетування є однією з перспективних галузей, що забезпечує

високий потенціал паливно-енергетичного комплексу і комунального господарства.