Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы облагораживания низкосортных топлив ..13
1.1.Облагораживание топлива обогатительными методами 13
1.2. Окускование низкосортных топлив 23
1.2.1. Брикетирование углей 24
1.2.2. Гранулирование углей 35
1.3.Строение органической массы углей, механизм и кинетика термохимических реакций 44
ГЛАВА 2. Разработка комплексной методики определения технологических и потребительских свойств окомкованного угольного топлива 60
2.1.Отбор и приготовление проб для анализа 61
2.2. Технический и элементный анализ исследуемого топлива 62
2.3.Характеристика компонентов шихты исследуемого топлива 63
2.4.Экспериментальные исследования 64
2.4.1. Аппаратура и реактивы для проведения испытаний..64
2.4.2. Проведение исследований по определению компо нентного состава газообразных продуктов, выделяющихся при хранении и сушке топлива 68
2.4.3. Обработка результатов испытаний по разделению и количественному определению компонентов сухого газа 69
2.4.4. Проведение исследований по сжиганию топлив 72
2.4.5. Обработка полученных экспериментальных данных 73
2.5.Экспериментальные исследования по определению прочностных характеристик окомкованного топлива 78
ГЛАВА 3. Изучение процессов взаимодействия органической массы углей с неорганическими реагентами - модифика торами 81
3.1. Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы бурых углей 82
3.2. Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы каменных углей 91
3.3.Исследование поведения серы твердых топлив в процессе их окисления 102
ГЛАВА 4. Исследование закономерностей процесса производства окомкованного топлива 111
4.1. Принципиальная схема опытов по окомкованию углей 111
4.2. Исследование и оптимизация процесса гранулирования бурого угля 113
4.3. Исследование и оптимизация процесса гранулирования антрацитового штыба 129
4.4. Исследование влияния реагентного модифицирования структуры органической массы углей на потребительские свойства окомкованного топлива 135
ГЛАВА 5. Совершенствованиетехнологии окомкования низ косортных топлив с применением реагентного модифици рования 144
5.1. Разработка технологической схемы производства окомкованного бытового топлива 144
5.2. Оценка эффективности разработанной технологии производства окомкованного бытового топлива 149
5.2.1. Оценка механических свойств окомкованного быто вого топлива 149
5.2.2. Оценка потребительских свойств окомкованного бытового топлива 151
Заключение 156
Список литературы 160
- Окускование низкосортных топлив
- Технический и элементный анализ исследуемого топлива
- Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы каменных углей
- Исследование и оптимизация процесса гранулирования бурого угля
Введение к работе
Твердые горючие ископаемые широко используются в качестве энергетического топлива и успешно конкурируют с нефтью и газом в силу их значительных запасов в земной коре. Особенно большая роль в этом отношении отводится каменным и бурым углям. Основными энергетическими потребителями углей являются электростанции, промышленные котельные, коммунально-бытовое хозяйство и население. Причем, на долю последних приходится более 20% добываемого угля.
Одной из главных задач угольной промышленности является обеспечение потребности страны топливом в полном объеме и требуемого качества. Но на протяжении последних лет экологическая чистота и качество добываемых углей изменялись в нежелательном направлении: увеличивались зольность, влажность и содержание серы, уменьшалась теплота сгорания и снижалась крупность кусков. Качественный состав добываемого твердого топлива ухудшался вследствие смещения добычи топлива в сторону низкометаморфизованных углей. Поэтому наблюдается дефицит в квалифицированном топливе для слоевых топочных устройств, конструктивно рассчитанных на сжигание кускового топлива. По РФ на 2000 год он составляет от 15 до 20 млн.т.
Ухудшение качества углей приводит к дополнительным затратам и большим потерям в сфере их использования. Наличие золы в топливе снижает к.п.д. топливных агрегатов и вызывает преждевременный износ узлов оборудования. Зола в угле является балластом при железнодорожных перевозках.
Большое влияние на теплотехнические показатели потребителей угольного топлива оказывает гранулометрический состав, постоянно изменяющийся в сторону увеличения удельного веса мелочи (размер куска менее 6 мм) в общем, объеме добываемых углей. Сильно измельченный уголь не может использоваться потребителями со слоевой системой сжигания (отопительные печи, промышленные и бытовые котельные, частный сектор и др.), приспособленных к работе только на угле крупных классов (размер куска свыше 13 мм). В противном случае имеют место большие потери энергетических ресурсов.
Содержащиеся в угле сернистые соединения наносят большой вред энергетическому оборудованию и загрязняют окружающую среду. Присутствие серы в энергетическом угольном топливе вызывает коррозию оборудования и преждевременный износ отдельных узлов и деталей, (срок службы оборудования сокращается в 3 - 5 раз), увеличивает стоимость выработки электроэнергии на 15 - 25%. Поступающие в атмосферу большие количества соединений серы определяют ряд от-рицательных последствий загрязнения атмосферы - изменение климата, нарушение круговорота веществ в биосфере, деградацию флоры и фауны. Несмотря на это, извлечение серы из углей на углеподготови-тельной стадии в должных объемах в нашей стране не ведется. Из общего количества серы, содержащейся в добываемых углях, удаляется в лучшем случае 20 - 25% её общего содержания. Трудность обогащения определяется специфическими условиями её распределения в угольном веществе. Современная энергетика для соблюдения санитарных норм по содержанию двуоксида серы в отходящих газах ориентируется на рассеивающую способность газовых труб. С этой целью ис-
кусственно ограничивается мощность топливоэнергетических установок, и сооружаются трубы с высотой более 300 м, на каждый процент серы в угле длина трубы возрастает на 30 - 50 м. Но этим не решается вопрос об использовании серосодержащих топлив и не предотвращается накопления сернистых соединений в воздушном бассейне, так как выброс оксидов серы в высокие слои атмосферы приводит к переносу их на большие расстояния с выпадением «серного дождя».
Влага в углях также как и зола, и сера, является нежелательным компонентом. Её присутствие в топливе снижает теплотехнические показатели технологических и энергетических установок и приводит к дополнительным затратам на транспортирование угля. Все это снижает конкурентоспособность углей, как энергетического топлива.
Улучшение качественных параметров углей может быть достигнуто обогатительными методами, окускованием, а также термической и химической переработкой углей в продукцию с новыми потребительскими свойствами.
Методы обогащения позволяют удалить минеральные примеси и частично извлечь сернистые соединения на стадии подготовки топлива к сжиганию при сильном измельчении угля. И в дальнейшем такое топливо может использоваться только в пылеугольных топках электростанций, что экономически оправдано. Обогащать же низкосортные угли для бытовых потребителей экономически нецелесообразно. А поставлять им сортовой уголь невозможно из-за дефицита последнего.
Возможно облагораживание угля его окускованием методами брикетирования и гранулирования со связующим или без него. Эти методы позволяют получить бытовое топливо с высокой теплотой сгора-
ния и равномерного фракционного состава. Вместе с тем, топливо должно иметь высокую механическую прочность и термическую стойкость, а также отвечать еще одному критерию - бездымности, так как сжигание угля в котельных коммунально-бытового хозяйства и отопительных печах у населения сопровождается выбросами в атмосферу большого количества дымовых газов, содержащих пыль, оксиды углерода, серы, азота. Рассредоточенность и малая энергетическая мощность таких потребителей, практически исключают возможность непосредственной, предварительной подготовки (обогащения, газификации) угля с последующей очисткой газа от вредных компонентов. Следовательно, население необходимо обеспечить бездымным угольным топливом - с содержанием летучих веществ не более 12%.
Бездымное топливо может быть получено в результате разработки и внедрения таких технологических схем, которые позволят не только превратить низкосортный исходный уголь в куски нужного размера с повышенной теплотой сгорания, но и изменить его природу в нужном направлении. К таким схемам относятся: брикетирование полукокса из старых бурых углей с последующей термоокислительной обработкой брикетов, термическая обработка каменноугольных брикетов твердым теплоносителем, производство бездымного топлива в кольцевых печах, термобрикетирование без связующих материалов, термическое обогащение в вихревых камерах. Все эти технологии требуют доработки и опытной проверки в укрупненных масштабах с тем, чтобы получить результаты, которые можно смоделировать на промышленные предприятия. Следовательно, в перспективе сохраняется дефицит в бездымном окускованном топливе.
Решение задачи удовлетворения спроса на бездымное окускован-ное топливо может быть достигнуто направленным изменением структуры органической массы углей, которое позволит изменить поведение угля в термических процессах, уменьшить выход летучих, в том числе и серосодержащих веществ, получить коммунально-бытовое топливо и удовлетворить запросы большого числа потребителей.
В соответствии с вышеизложенным, при выполнении данной работы ставились задачи:
- исследование влияния реагентов на структуру соединений, входящих в состав органической массы угля;
-разработка и опытно-лабораторные испытания технологии производства гранулированного бездымного топлива.
Выполнение поставленных задач позволит разработать метод повышения качества гранулированного топлива путем реагентного модифицирования структуры органической массы, что позволит решить проблему дефицита бытового топлива.
Цель работы - заключается в установлении закономерностей влияния состава органо-минерального связующего на процесс окомко-вания и их использовании для повышения качества бытового окуско-ванного топлива..
Методы исследований. В работе использованы гранулометрический, фракционный, технический, элементный, термогравиметрический методы анализа угля и продуктов окускования, экспериментально изучено влияние состава связующего на потребительские и технологические свойства окомкованного топлива; методы статистической обработки и математического моделирования.
Научные положения, разработанные лично автором и их новизна:
Установлен механизм изменения структуры органической массы углей разной степени углефикации при воздействии комбинированного органо-минерального связующего. Показано, что щелочное воздействие приводит к замещению протона функциональных групп на ион металла и гидролитическому расщеплению лабильных химических связей. Показано, что щелочное модифицирование структуры органической массы углей обеспечивает снижение температуры термической диссоциации угля за счет ослабления химических связей;
Установлены новые закономерности изменения прочностных свойств окатышей при варьировании гранулометрического состава шихты, расхода и состава комбинированного органо-минерального связующего в процессе окомкования. Показано, что за счет оптимизации состава связующего получают окатыши с прочностью на раздавливание 16 и 30 кг/гран , на сбрасывание - 98%, влагостойкостью — 6 -7% для бурого угля и антрацитового штыба, соответственно. Впервые установлено, что щелочное модифицирование структуры органической массы углей обеспечивает улучшение механических свойств окатышей за счет повышения адсорбционной способности угля к лигносульфо-натному связующему.
Разработан метод повышения качества окомкованного топлива, включающий применение органо-минерального связующего на основе ССБ и гидроксида кальция в заданном соотношении на стадии подготовки шихты к окомкованию.
4. Разработана методика определения потребительских свойств
топлива, включающая определение эффективности сжигания топлива и
компонентного состава газообразных веществ, выделяющихся из топ
лива при его хранении, сушке, сжигании на лабораторных калоримет
рических установках.
5. Установлены закономерности влияния гидроксидного модифи
цирования на снижение содержания окислов серы в продуктах сгора
ния окускованного угольного топлива. Показано, что за счет примене
ния содержащихся в связующем щелочных модификаторов достигается
увеличение доли связываемой серы с 15 до 60%. Впервые установлено,
что наиболее эффективно связывание серы угля в сульфатные произ
водные обеспечивается равномерно распределенными по структуре уг
ля ионами кальция.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью установленных закономерностей реагентного (неорганического, щелочного) воздействия на структуру углей при многократных экспериментах; непротиворечивостью полученных экспериментальных данных современным представлениям химии угля; положительными результатами экспериментальной проверки разработанного метода повышения качества окомкованного угольного топлива.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения структуры и свойств угольных окатышей: гранулометрического состава, прочности, ударостойкости, эффективности связывания серы в сульфатные производные при использовании орга-но-минерального связующего.
Практическое знамение работы заключается в разработке эффективной технологии производства бытового угольного топлива на основе окомкования, предусматривающей применение комбинированного органо-минерального связующего, обеспечивающей повышение технологических и потребительских свойств товарной продукции.
Реализация результатов работы. Разработаны «Рекомендации по производству бытового угольного топлива на основе технологии окомкования, предусматривающей применение комбинированного органо-минерального связующего», принятые к внедрению на предприятиях объединения «Гуковуголь», «Ростовуголь». Результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке лекционного и лабораторного курсов для студентов специальностей «Обогащение полезных ископаемых» и «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2000, 2001гг.), IV конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2003 г.), семинарах кафедры «Обогащение полезных ископаемых» МГГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 117 наименований, содержит 39 рисунков и Збтаблиц.
Окускование низкосортных топлив
Наиболее эффективное сжигание топлива в слоевых печах происходит при использовании сортовых углей (фракция более 13 мм).
Из всех видов сортового топлива только антрацит полностью отвечает требованиям к качеству и бездымности, предъявляемым к бытовому топливу. Однако, ресурсы сортовых антрацитов недостаточны, особенно, если учитывать, что при подземной добыче объем угольной мелочи составляет 70 - 80%, согласно данным, приведенным в [28].
Кроме того, сжигание топлива в отопительных печах у населения, в котельных коммунально-бытового хозяйства исключает возможность применения оборудования улавливания и очистки газообразных продуктов сгорания от пыли, золы, сернистых соединений, оксидов азота. Необходимость обеспечения потребителей бездымным топливом делает актуальным производство качественного окускованного топлива на основе низкосортных углей и мелочи.
Окускование можно осуществлять при помощи технологий брикетирования и гранулирования. Общепринятым является положение о том, что производимое твердое топливо должно отвечать критериям качества и экологической чистоты [29]. Одним из основных критериев качества является теплота сгорания. Она определяется уровнем расхода топлива для удовлетворения одного и того же объема потребности и расходами на его транспортирование.
Технология брикетирования угля широко распространена во всем мире. В Германии, Франции, Польше, Японии, США, Великобритании, России и др. странах изготавливают брикеты различного назначения и формы. По сравнению с обычным топливом они обладают более высокими теплотой и полнотой сгорания, лучшей транспортабельностью, большей устойчивостью при хранении.
По мнению авторов [30,31], брикет из угольной мелочи образуется при значительном внешнем давлении в результате молекулярного прилипания, которое зависит от природы частичек и размера соприкасающихся поверхностей. Образование угольного брикета с применением связующего, согласно [32], происходит в результате сцепления частиц. Этот процесс состоит из трех стадий: 1) адсорбции связующего вещества угольными частицами с образованием на их поверхности тонкой пленки жидкого вещества; 2) сближения частиц и установления контакта между ними при прессовании; 3) затвердевания спрессованной массы в виде различной формы брикетов.
Выбор технологической схемы брикетирования и пресса определяется физико-механическими свойствами перерабатываемого угля и направлением использования брикетов. Наиболее распространены вальцовые и штемпельные прессы. Брикетирование старых бурых, каменных углей, антрацитов, полукоксовой и коксовой мелочи проводят со связующими веществами при давлениях 1,35-2,25 КПа, а торфа, молодых бурых углей без них при повышенном давлении прессования - выше 7,8 КПа. Принципиальная схема брикетирования со связующим приведена на рис.1.3. В качестве связующих используют органические вещества: каменноугольные пеки, нефтебитумы и их производные, буроугольную смолу, концентраты сульфитно-спиртовой барды; и неорганические: цементы, вяжущие на основе природных карбонатов, гипсовые вяжущие, жидкое стекло, бентонит и т.д.
Вяжущие вещества должны обеспечивать достаточную механическую прочность, водо- и термоустойчивость брикетов, отвечать санитарно-гигиеническим требованиям и быть по возможности дешевым, недефицитиым. Прежде всего, они должны обладать хорошими адгезионными свойствами, которые зависят от их химического состава и строения.
Согласно анализу, проведенному в [33,34], наиболее распространены в процессах брикетирования угля каменноугольный пек и нефте-битумы. Однако технологические и экологические ограничения при их использовании требуют поиска новых нетоксичных связующих. Таковыми являются лигносульфонаты. Сульфитные щелоки получают как побочный продукт при переработке древесины. После переработке сахара щелока на спирт, получают вторичный отход - сульфитно-спиртовую барду (ССБ). Качество и физико-химические свойства связующего на базе ССБ зависят от свойств перерабатываемой древесины и технологии его получения. Концентраты барды выпускают в виде жидкости (КБЖ), порошка (КБП) и твердом (КБТ). Средние данные технического анализа жидкой барды (БЖ) и твердой барды (БТ) представлены в таблице 1.1 [35].
Технический и элементный анализ исследуемого топлива
Экспериментальные исследования по определению эффективности сжигания топлива и компонентного состава газообразных веществ, выделяющихся из топлива при его хранении, сушке и сжигании производятся в следующем порядке: -подготовка лабораторной установки к исследованию состава газовыделений из топлива при его хранении и сушке; -подготовка калориметрической установки к испытаниям, розжиг и загрузка топлива; -отбор проб для определения содержания вредных веществ (ГОСТ 12.1.005-76); -разделение и количественное определение компонентов сухого газа осуществляется при помощи газовой и газоадсорбционной хроматографии (ГОСТ 14920-79). Лабораторная калориметрическая установка. Схема установки приведена на рис.2.1.Калориметрическая установка состоит из камеры сгорания (1), камеры охлаждения (2), канала отвода газообразных продуктов сгорания (3), теплоизолирующего слоя (4), канала подачи окислителя (5), штуцера отбора проб газа (6). Камера сгорания выполнена из стали марки ст.З с толщиной стенок 3 мм в виде стакана. Габаритные размеры камеры сгорания: 1 00x1 00x260 мм. Камера охлаждения, выполненная также из ст.З, заполнена водой. Габариты камеры охлаждения: 675x660x815 мм. Объем воды составляет 345 литров. Корпус изготовлен из дерева. Между корпусом и камерой охлаждения находится теплоизолирующий слой (песок). В качестве окислителя используется воздух, подаваемый через воздухозаборную трубу (5) диаметром 40 мм в камеру сгорания. Через воздухозаборную трубу осуществляется розжиг. Продукты сгорания выводятся по каналу отвода газов, который погружен в воду. Лабораторная установка по определению компонентного состава газа, выделяющегося при хранении и сушке топлива. Схема установки приведена на рис.2.2. Она состоит из трубчатой печи (1) с реостатом (5), кварцевой трубки (2), керамической лодочки (3), гребенки (8), электрического аспиратора (9), термопары (4) с самопишущим потенциометром (6).
Термометр с погрешностью измерения: ± 1С для измерения температуры воздуха, ±0,2С для измерения температуры воды. Секундомер по ГОСТ 5072-79 для измерения продолжительности испытаний. Анемометр АСО-3 с пределом допускаемой погрешности ±1%. Весы с погрешностью взвешивания: ±2г - для измерения массы растопочного материала, ±10г для измерения массы топлива, ±0,2г для измерения массы топлива в лабораторном эксперименте. Термоэлектрический термометр типа ТХК по ГОСТ 6616-74. Стеклянная газовая пипетка с уравнительной склянкой для отбора проб газа. Для определения компонентного состава газа применяют: хроматограф ХРОМ-5, посуду лабораторную фарфоровую по ГОСТ 9147-59, ступку и пестик №5, набор сит «Физприбор», муфельную печь СНОЛ-1, инзенский кирпич (ИНЗ-600), гелий в баллоне, н-гексадекан, цеолиты типа NaX, СаХ, спирт этиловый синтетический по ГОСТ 11547-65, шприцы медицинские вместимостью 1,2,5 мл со стеклянным поршнем, эфир этиловый по ГОСТ 6265-52. Подготовка хроматографических колонок и их набивка выполняется согласно инструкции по монтажу и эксплуатации прибора. Включить трубчатую печь и нагреть до температуры 20С ± 2 С для исследования газовыделений при хранении топлива и до 105С ± 2 С для исследования газовыделений при сушке топлива. В керамическую лодочку поместить навеску топлива массой Юг. Лодочку установить в кварцевой трубке, находящейся в трубчатой печи. Через трубку пропускают воздух со скоростью 0,8 л/мин. Температурный контроль в трубке осуществляют при помощи термопары с самопишущим потенциометром. Отбор проб газа производят с интервалом 20 минут с момента помещения пробы топлива в установку в газовые пипетки при помощи уравнительной склянки и в барботеры и трубки с реактивами при помощи электрического аспиратора. Время эксперимента составляет 4часа. Содержание (С1-С5) И НеуГЛеВОДОрОДНЫХ (H2,N2,C 2,CO,C02,H2S) компонентов определяют на двух колонках, установленных на хроматографе, с применением гелия в качестве газа носителя. Пробу газа, отобранную шприцем, вводят в испаритель хроматографа в количестве 1-5мл. Рабочие условия: длина колонки с н-гексадеканом - бм; длина колонки с цеолитом - 1м; температура термостата - 35С; ток детектора - 140 мА;
Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы каменных углей
Как уже отмечалось ранее, органическая масса угля представляется полимером, в котором ароматические и гетероциклические структуры со единены алифатическими и гетероорганическими ( -СНг -, - О -, -) мостиками на основе донорно - акцепторных взаимодействий в макроструктур-ные единицы. Основой структурных единиц являются полисопряженные системы (ПСС) - конденсированные в плоскости ароматические циклы с боковыми заместителями. В процессе метаморфизма в углях возрастает содержание ароматического углерода. При этом уменьшается число полярных кислородсодержащих функциональных групп (КФГ), участвующих в сопряжении, и химическую активность углей все в большей степени определяют полиарены. Так на буроугольной стадии до 80% кислорода присутствует в виде карбоксильных и фенольных гидроксидных групп. На каменноугольной - активный кислород определяется, в основном, в карбонильной, фенольной и хиноидной формах.
Для интенсификации окисления твердого топлива использовали активацию органических веществ угля растворами гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов и их солей. Так как, происходящие при этом, изменения структуры соединений ОМУ вызывают, в свою очередь, изменения в поведении угля в различных процессах переработки.
Объектом исследования являлся АШ. Обработку проводили аналогично бурым углям. О воздействии на структуру органической массы судили по изменению величины Am/Cdaf (потеря массы образцом, отнесенная к содержанию углерода на горючую массу топлива) в процессе изотермической выдержки при 400, 600, 800С (таблица 3.3).
Как видно из результатов эксперимента практически любая обработка АШ растворами гидроксидов и солей щелочных и щелочноземельного металлов приводит к увеличению выгорания его органической массы. Наибольший эффект наблюдается при воздействии на АШ 4-10 %-ных растворов Са(ОН)г и 4-х %-ных растворов NaOH и КОН. Обработка образцов АШ растворами Са(ОН)г повышает потери массы при 400С с 21,7% для исходного угля до 39,9% - для модифицированного 6-ти %-ным раствором гидро ксида кальция; при 600 С - с 25 до 33%о.
При данном воздействии неорганических реагентов на органическую массу АШ возрастают глубина и скорость его термоокислительной деструкции, что выражается большей величиной потери массы (уже при 400 С). Построенные дифференциальные кривые потери массы в зависимости от температуры показывают смещение области выгорания ОМУ в сторону более низких температур (рис.3.4 - 3.6). Особенно это заметно для АШ, обработанного растворами нитратов и гидроксида кальция. Использование нитратов щелочных металлов повышает потери массы угля при низких температурах вследствие их термической нестойкости. А выделяющийся в процессе окислительной деструкции солей кислород, позволяет повысить полноту выгорания топлива.
Для образцов: исходного АШ и обработанного растворами гидроксида кальция, на дериватографе 3427-1000 ВНР был проведен термогравиметрический анализ. Анализ проводили в воздушной среде при нагреве угольной пробы до 1000С со скоростью нагрева 10 град/мин (рис.3.7). Кривая ДТА исходного АШ характеризуется первой ступенью потери массы (100С), соответствующей удалению физически связанной влаги 2,9%, двумя экзоэф-фектами при температурах 431 и 483 С. При этом максимум второго экзо-эффекта соответствует температуре 580 С. Далее, вплоть до 1000С потеря массы исследуемым образцом происходит с постоянной скоростью. Кривая ДТА угольного образца, модифицированного 6-ти %-ным раствором Са(ОН)г, характеризуется одним экзоэффектом, начало которого соответствует температуре 230 С. Как видно из рис.3.7, экзоэффект продолжается вплоть до температуры 1000С и состоит из двух ярко выраженных экзопи-ков с максимума температур 317 С и 452 С. Далее потеря массы происходит практически с постоянной скоростью. Потеря массы для активированного АШ резко возрастает и при 500 С составляет 12,6% против 6,6% в отсутствие катализатора. Начало термической деструкции смещается в область более низких температур примерно на 90 С. В случае модифицированного АШ наблюдается более равномерное устойчивое горение топлива с увеличением его полноты выгорания с 50,9% до 75,9%.
Для расчета энергии активации по данным термогравиметрического анализа для исходного АШ и АШ, модифицированного 4-х, 6-ти и 10-ти %-ными растворами Са(ОН)г, был определен порядок реакций первичной термической диссоциации. График зависимости In (пік- т) от т прямолинеен, причем, наклон его определяет константу скорости реакции (рис.3.8) [30].
Исследование и оптимизация процесса гранулирования бурого угля
Как уже отмечалось ранее, результаты гранулирования топлива зависят, прежде всего, от свойств исходного сырья: степени измельчения, его влажности, смачиваемости, адсорбционной способности; а также от режима процесса: времени гранулирования, скорости вращения гранулятора. Для выявления основных зависимостей, характеризующих процесс гранулирования, и был проведен эксперимент. С целью оптимизации процесса были применены методы математического планирования эксперимента [91]. Исходными факторами были выбраны: крупность окомковываемого материала (xi), скорость вращения барабана гранулятора (хг), содержание ССБ (хз), содержание воды (хд). Время окомкования было фиксированное. Значения факторов приведены в таблице 4.1.
Параметрами оптимизации процесса явились: выход угольных гранул класса +13 мм, в % от общей массы произведенных гранул (уі); прочность на раздавливание сырых гранул, кг/гранулу (уг); прочность на сбрасывание сырых гранул (уз).
В ходе эксперимента значения параметров изменялись: уі - от 2,0 до 89,6%; у2 - от 0,18 до 1,4 кг/гран.; уз - от 1 до 8.Для определения значимости исходных натуральных факторов был рассмотрен случай одного входного фактора и одного выходного параметра.
В ходе эксперимента было отмечено, что основное влияние на выходные параметры оказывает крупность угольной пробы. Лучшие показатели всех выходных параметров были получены для угля класса -0,1мм. Анализ полученных линейных уравнений регрессии и значений коэффициентов корреляции (таблица 4.2), а также полученные графические зависимости механических свойств окатышей от класса угля (рис.4.2),позволяют определить Xj, как значимый фактор. Отсутствие заметной корреляции выходных параметров: скорости вращения барабана (х2), содержания ССБ (хз) и содержания воды (х4) обусловлено, в первую очередь, нелинейностью этих зависимостей. Однако, их учет путем создания множественных линейных уравнений (для случая четырех входных факторов и одного выходного параметра) показывает, что теснота связи становится выше (таблица 4.3).Экспериментальные зависимости могут быть описаны уравнениями регрессии второго порядка для случаявыходного параметра (таблица 4.4).Использование степенных уравнений второго порядка позволило получить модели с высокой степенью адекватности: коэффициенты множественной корреляции (КМК) изменяются от 0,88 до 0,966.
Упрощение моделей, заключающееся в исключении квадрата каждого следующего фактора и сохранении его линейной составляющей, не снижает их точности и адекватности (таблица 4.5).
Полученные уравнения регрессии наиболее полно и точно описывают зависимости между входными факторами и выходными параметрами. Их анализ показывает, что на крупность и прочностные характеристики окатышей влияют все три аргумента, причем значимыми являются все коэффициенты регрессионного ряда второго и первого порядка, но значимость их при выбранном шаге варьирования не равноценна. Наибольшее влияние на прочность образующихся гранул оказывает размер
Как видно из уравнений регрессии (таблица 4.5), увеличение размера частиц угля снижает прочность гранул, а увеличение скорости вращения барабана приводит к их упрочнению. Так как при увеличении скорости вращения возрастают и скорость скатывания окатышей, и силы соударения их о стенки гранулятора и между собой, что приводит к уплотнению и упрочнению гранул.
Для нахождения и оценки оптимальных условий ведения технологического процесса окомкования были построены трехмерные графические зависимости выходных технологических параметров от входных факторов.
Полученные результаты подтверждают вывод о том, что частички окомковываемого материала при гранулировании взаимодействуют, прежде всего, своими поверхностями (пограничными молекулами атомами). Поскольку, чем ближе поверхности, тем сильнее проявляется действие сил сцепления и тем прочнее гранулы, постольку больший эффект сближения достигается с уменьшением крупности, и как следствие, возрастанием площади соприкосновения, угольных частиц. Графические зависимости показывают, что отсевы угля 1-2 мм окомковываются плохо (рис.4.3, 4.4). Величины прочностных характеристик произведенных окатышей имеют низкие значения, несмотря на увеличение содержания ССБ и начинают расти для угля класса 0,9 мм. Максимальных значений они достигают для отсева -0,2 мм при содержании связующего 5 - 7%.
Характер зависимости влияния количества связующего на прочность сцепления частиц и на крупность окатышей (выход фракции +13мм) имеет экстремальный вид (рис.4.5, 4.6, 4.7).
Снижение прочностных характеристик в области расходов связующего от 8 до 10% обусловлено тем, что с увеличением толщины слоя ССБ в клеевой пленке возникают напряжения, по которым и разрушается окатыш.
Кроме того, утолщение слоя адгезива снижает цепной эффект ориентации молекул полимера, что, в свою очередь, приводит к уменьшению прочности гранулы.
