EA010323B1 - Топливный продукт и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Описан способ получения топливных гранул. Гранулы получают из мелкозернистого материала на основе углерода и связующего. Способ включает следующие стадии: смешение упомянутого материала и связующего и агломерирование полученной таким образом смеси путем галтовки. Галтовочное воздействие, например, во вращающемся барабане служит для агломерирования частиц и связывания смеси в гранулы, обычно с переменным распределением по размерам. Отсутствует необходимость в применении механических усилий сжатия, и при использовании применяемых связующих способ можно осуществлять при температуре окружающей среды. Способ обеспечивает простой, но эффективный процесс утилизации отходов материалов на основе углерода и получения пригодного для употребления топливного продукта, который легко транспортируется и эффективно сжигается. Вращающиеся барабанные или чашечные агломерационные установки относительно недороги и могут обеспечивать очень высокую производительность. Возможно производство продуктов по индивидуальным техническим требованиям заказчиков. Способ повышает экономичность золоудаления и сероудаления на углеобогатительных предприятиях.

Description

Настоящее изобретение относится к топливному продукту и способу его изготовления.

Постоянной проблемой в процессах добычи многих твердых топлив является образование бесполезных мелкозернистых материалов. До 10% рядового угля может превратиться в мелкозернистую (как правило, менее 3 мм) или пылевидную (как правило, менее 0,1 мм) угольную мелочь. Эта угольная мелочь часто непригодна для дальнейшего употребления и, даже в случае отсутствия проблем, связанных с размером зерен, удерживает значительные количества воды (10-30%), что может приводить к ее липкости, затруднениям и низкой производительности при погрузке, транспортировании и сжигании.

Одно из решений этой проблемы состоит в формировании брикетов. Их получают прессованием мелочи под очень высоким давлением для физического образования вторичного топлива. Однако значительные капитальные затраты и эксплуатационные расходы брикетировочных установок препятствуют их применению, за исключением некоторых высокоразвитых стран. Во многих регионах угольная мелочь в настоящее время просто сбрасывается в отвалы вблизи угольных шахт.

Другим решением является агломерирование мелочи, содержащей уголь, с применением различных способов, в том числе гранулирования и экструдирования. Для этой цели предложены различные связующие материалы. Согласно патенту США № 4219519 основным материалом связующего является известь или аналогичное соединение кальция. В патенте США № 3377146 перечислены различные органические связующие, а в патенте США № 4357145 предложен талловый пек. В патенте США № 4025596 описан способ гранулирования тонкоизмельченных твердых минеральных веществ с применением латекса, факультативно с добавкой бентонита или крахмалов.

Однако во всех этих способах имеет место необходимость некоторой обработки гранул после их формирования, как правило, сушки при повышенной температуре для получения конечного гранулированного продукта. Таким образом, во всех этих способах требуется та или иная форма термообработки, обычно в соответствии с применением одного или нескольких органических связующих. Еще более важен тот факт, что все эти способы предложены более 20 лет назад, и до настоящего времени нет сведений об их реальном применении или применении с каким-либо успехом.

Еще одна проблема связана с массой влаги. При высоких уровнях влажности угля эффективность его транспортирования и сжигания понижается. Полубитуминозные угли, составляющие значительную и ценную часть мировых угольных запасов, содержат в своей структуре химически присоединенную влагу (до 20-30% влажности). Эта влага сильно ограничивает применимость и ценность полубитуминозных углей. Например, вместе с каждыми тремя тоннами транспортируемого угля приходится перевозить одну тонну воды. Эта влага также отбирает (отнимает) энергию из пламени при сжигании угля (расходуемую на превращение воды в пар). Попытки удаления воды путем нагревания оказались безуспешными, так как уголь в процессе сушки распадается, а также становится склонным к самовозгоранию. В результате в международном масштабе на рынки поступают весьма незначительные количества полубитуминозного угля.

Другой отраслью промышленности, где применяется брикетирование, является торфяное производство. Для получения пригодного дробимого материала из торфа необходимо удалять значительное количество влаги, часто путем 2- или 3-кратной сушки, а также резать или дробить его, что повышает общие затраты на производство брикетов.

Одной из целей настоящего изобретения является создание более эффективного топливного продукта и способа его изготовления путем снижения необходимых текущих и капитальных затрат.

Таким образом, согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ производства гранул твердого топлива из мелкозернистого материала на основе углерода и связующего, который включает следующие стадии:

смешение упомянутого материала и связующего и агломерирование полученной таким образом смеси путем галтовки с получением твердых гранул, причем связующим является материал на силикатной основе, включающий одно или несколько поверхностно-активных веществ, и процесс выполняется при температуре окружающей среды.

Применение связующего на силикатной основе, включающего одно или несколько поверхностноактивных веществ, обеспечивает возможность изготовления твердых топливных гранул способом по настоящему изобретению при температуре окружающей среды. Получение твердых топливных гранул при температуре окружающей среды не было достигнуто ни одним из известных способов.

Топливные гранулы являются твердыми в том смысле, что они удобны в обращении и могут храниться, складироваться и/или транспортироваться непосредственно после изготовления, без необходимо сти выполнения какой-либо отдельной стадии или стадий активного отверждения. Иными словами, гранулы отверждаются без какой-либо последующей обработки, в частности обработки теплом и/или давлением. В известных способах требуется активное отверждение топливных гранул, полученных путем галтовки или агломерирования, с применением тепла и/или давления (продувания воздуха под давлением) до достижения этими топливными гранулами твердости и удобности в обращении. Таким образом, топливные гранулы по настоящему изобретению можно упаковывать и/или транспортировать непосредственно после формования.

Галтовочное воздействие, например, во вращающемся барабане, служит для агломерирования час

- 1 010323 тиц и связывания смеси в гранулы, обычно с переменным распределением по размерам. Отсутствует необходимость в применении механических сжимающих усилий (с сопутствующим снижением производительности и повышением затрат), кроме того, способ по настоящему изобретению можно осуществлять при температуре окружающей среды. В связи с возможностью осуществления способа при температуре окружающей среды отсутствует необходимость в дополнительном оборудовании для дополнительной активной стадии обработки или в обеспечении повышенной температуры. При этом, естественно, отпадает необходимость в источнике энергии, например, в топливе для сжигания с целью обеспечения повышенной температуры, что обычно является значительной экономической составляющей в промышленных процессах.

Связующее по настоящему изобретению обеспечивает формование и отверждение топливных гранул по настоящему изобретению путем холодного сплавления. То есть гранулы можно формовать и отверждать без необходимости подвода тепла извне.

Кроме того, особым преимуществом настоящего изобретения является возможность осуществления одностадийного процесса, при котором отпадает необходимость какого-либо предварительного смешивания или обработки используемых компонентов, а также необходимость в какой-либо обработке после формования. С точки зрения капитальных затрат и экономических перспектив, одностадийный процесс уменьшает необходимые затраты на сооружение установки, приспособленной для выполнения процесса по настоящему изобретению, а также снижает эксплуатационные расходы за счет обеспечения одностадийности процесса, выполняемого при температуре окружающей среды.

Преимуществом настоящего изобретения является также использование неорганических связующих, в отличие от органических материалов, используемых в качестве связующих в известных способах. Использование неорганических связующих понижает степень сложности процесса, а также уменьшает необходимость в предварительной обработке или смешивании связующих материалов. Использование неорганического связующего на силикатной основе обеспечивает два дополнительных преимущества. Во-первых, такие связующие не влияют на качество горения углеродсодержащего материала (поскольку они не являются горючими), в отличие от органических материалов, например, крахмалов (которые горят и поэтому влияют на качество горения и, следовательно, на теплотворную способность формованного материала). Такие связующие, кроме того, не влияют на окружающую среду (поскольку они не горят), также в отличие от органических связующих.

После формирования твердых топливных гранул они отверждаются с образованием конечной формы топливных гранул. Согласно настоящему изобретению такое отверждение может происходить при температуре окружающей среды, а также без выполнения каких-либо активных и/или отдельных стадий отверждения, в частности, термообработки, используемой в известных способах. Твердые топливные гранулы отверждаются со временем без каких-либо внешних воздействий. Таким образом, гранулы можно оставить для выдерживания, например, в течение определенного времени, например, 1-10 суток, в соответствующем положении или месте, пока происходит их отверждение после галтовки. Как и в случае бетона, отверждение может продолжаться в течение некоторого времени, например, нескольких суток, однако настоящее изобретение обеспечивает получение гранул достаточной твердости после галтовки, так что их можно хранить, складировать, транспортировать и т.п. во время отверждения.

Понятие отверждения в значении, употребляемом в настоящем описании, включает любой необходимый процесс высушивания сформованных гранул, дополняющий химический процесс, происходящий, по меньшей мере, на поверхности гранул в процессе их формования, предпочтительно с образованием отвержденной оболочки. Таким образом, настоящее изобретение не предусматривает намеренного выполнения отдельной стадии сушки или высушивающего воздействия (по отношению к одному или нескольким жидким материалам или веществам, например, воде, выпариваемым из гранул в процессе их формования и отверждения). Любое такое высушивающее воздействие после формирования гранул рассматривается как второстепенное или незначительное по сравнению с актом формирования и отверждения гранул.

Описываемый способ предпочтительно обеспечивает получение гранул, имеющих отвержденную наружную часть, слой или оболочку. Согласно более предпочтительному варианту внутренняя часть гранул является сухой и имеет полностью или в преобладающей степени тонкоаэрированную или тонкопористую структуру, предпочтительно микроаэрированную или микропористую структуру. Иными словами, в результате воздействия поверхностно-активного вещества, фиксирующего силикатное связующее с поверхностью гранул в процессе их формования, обеспечивается образование воздушных раковин и пузырей внутри гранулы, преимущество которых будет рассмотрено ниже.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения составной частью смеси материала со связующим является вода, либо в форме компонента материала, либо компонента связующего, либо добавляемая отдельно, либо в виде комбинации любых таких форм.

Количество воды, необходимое или желательное для способа по настоящему изобретению, может зависеть от природы мелкозернистого материала и связующего. Например, ниже перечислены различные типы добываемых углей и типичные значения влагосодержания (т/с) непосредственно после добычи, теплотворной способности (ίί/е) и содержания углерода.

- 2 010323

	т/с	й/с (МДж/кг)	Углерод
Битуминозный уголь	<20%	24-35	45-86%
Антрацит	<15%	26-33	86-98%
Лигнитовый уголь	<45%	10-20	25-35%
Полубитуминозный уголь	<30%	20-21	35-45%

т/с - влагосодержание;

11/с - теплотворная способность.

Теплотворную способность угля можно непосредственно связать с его влагосодержанием. Так, теплотворная способность высокосортного антрацита с влагосодержанием 15% составляет 26-33 МДж/кг в пересчете на влажную беззольную массу. На другом конце шкалы находится лигнит - самый низкосортный уголь, влагосодержание которого достигает 45%, а теплотворная способность составляет лишь 10-20 МДж/кг в пересчете на влажную беззольную массу.

На большинстве работающих на угле электростанций уголь, как правило, для подачи в пламенные печи с помощью форсунок измельчают до мелкозернистого состояния. Однако мощность, необходимая для измельчения угля с влагосодержанием, например, 25% относительно высока. Таким образом, в настоящее время на некоторых электростанциях в отвалах накапливается до 0,5 млн тонн в год угля, непригодного к употреблению из-за слишком высокой влажности, т.е. его влагосодержание слишком высоко для эффективного сжигания. Как указано выше, битуминозный уголь непосредственно после добычи может иметь влагосодержание до 20%, влагосодержание углей более низких сортов может достигать 30%, а лигнитов - до 45%. Понижение таких уровней влажности (путем выпаривания воды) перед сжиганием реальных углей требует столь значительного количества энергии, что такой уголь просто не используется из-за своей низкой экономичности. Размол таких углей для повышения эффективности сжигания также неэффективен, поскольку уголь с высокой влажностью, как правило, засоряет размольное оборудование.

Особым преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет использовать любой тип влажного или сухого мелкозернистого материала на основе углерода, хотя в предпочтительном варианте максимальное влагосодержание влажного материала составляет от 10 до 15%. Такой уровень влажности можно обеспечить путем измельчения, которое оказывает осушающее действие (хотя необходимая для этого мощность значительно меньше по сравнению с мощностью, требуемой для размола угля до порошкообразного состояния, пригодного для непосредственного сжигания, как упомянуто выше). Такой материал на современном уровне техники, как правило, все еще считается влажным, в частности, по отношению, например, к процессу брикетирования, для которого требуется абсолютно сухой материал.

В некоторых случаях предпочтительным является наличие сухого мелкозернистого материала. В других случаях материал может быть извлечен из источников влажного топлива, например, из торфяных и угольных хвостовых отвалов, причем уменьшение необходимой степени высушивания (по сравнению, например, с процессом брикетирования) снижает общее энергопотребление, необходимое для получения топливного продукта.

Способ по настоящему изобретению может быть непосредственно использован применительно к угольной мелочи высокой влажности и аналогичным материалам, поскольку влагосодержание связующего можно уменьшить в соответствии с уровнем влажности угля без влияния на процесс.

После формования гранул их отвержденная оболочка полностью или в значительной степени препятствует доступу влаги, особенно в случае применения влагоизоляционных добавок. После полного отверждения гранулы могут иметь влагосодержание по меньшей мере вдвое ниже по сравнению с исходным мелкозернистым материалом, возможно, даже менее чем 5%, и, таким образом, они являются достаточно сухими для непосредственного и легкого измельчения с целью получения топливного продукта, пригодного для электростанций.

Снижение влажности также обеспечивает непосредственное повышение теплотворной способности сжигаемого продукта и, таким образом, повышение его эффективности и экономичности. Этот экономический выигрыш распространяется на транспортирование такого продукта по сравнению со стоимостью транспортирования влажного материала, описанного выше. Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ, с помощью которого, с учетом типа и количества связующего (связующих) и параметров процесса, можно получить топливный материал, имеющий желательную или заранее заданную топливную ценность или аналогичные характеристики, которые, в частности, могут быть приведены в соответствие с местными экономическими условиями эксплуатации топливных ресурсов. В различных странах и регионах добываются различные типы и сорта углей, и эти угли используются различными способами, направленными на достижение максимальной возможной экономичности. Настоящее изобретение предлагает способ, обеспечивающий максимальный выигрыш от использования материалов, рассматриваемых в современных промышленных процессах как отходы.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает также значительное снижение влажности топ

- 3 010323 ливного продукта с превращением неэффективного топливного продукта в эффективный топливный продукт.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения количество воды, необходимое для процесса, вводят в связующий компонент перед его смешиванием с мелкозернистым материалом. Расчет этого количества воды, добавляемого к связующему, выполняют в зависимости от влагосодержания мелкозернистого материала.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения мелкозернистый материал, как правило, имеет максимальный размер частиц 3 мм или меньше. Угольная пыль или мелочь часто содержит частицы субмикрометровых размеров. Торф является топливным материалом, который, как правило, перед брикетированием подвергают последовательно сушке, резке, повторной сушке и измельчению. Для получения мелкозернистого материала, пригодного для целей настоящего изобретения, может потребоваться некоторое измельчение торфа, однако в гораздо меньшей степени, чем для брикетирования.

Более предпочтительно мелкозернистый материал содержит частицы, размеры которых лежат в пределах некоторого диапазона; предпочтительно распределение частиц по размерам смещено в сторону мелких или меньших частиц.

Мелкозернистый материал на основе углерода, пригодный для целей настоящего изобретения, может поставляться в сухом или влажном состоянии и может представлять собой топливо любого типа, содержащее органические компоненты, в том числе торф, лигнит и другие, вплоть до полубитуминозных углей, антрацитового штыба, штыба нефтяного кокса и т.п., а также канализационные отходы, биомассу, отходы жизнедеятельности животных и другие углеводородные материалы, которые могут рассматриваться как источник топлива. Мелкозернистый материал может представлять собой также сочетание двух или нескольких вышеупомянутых исходных материалов или ингредиентов, не обязательно предварительно смешанных, позволяющее получать гибридные топливные гранулы.

К пригодным материалам относятся также низкосортные или предварительно обработанные топлива, а также продукты, до настоящего времени рассматриваемые как отходы, эффективное сжигание которых может способствовать снижению общего уровня загрязнения окружающей среды.

На осуществление настоящего изобретения не влияет высокая зольность или высокое содержание серы в мелкозернистом материале.

Для осуществления настоящего изобретения можно использовать любое пригодное для этой цели связующее на силикатной основе, причем связующее может быть однородным или неоднородным материалом, как, например, цементы и сырьевые силикаты, например, кальция, натрия или калия.

Способ может включать введение в смесь одного или нескольких дополнительных компонентов, добавляемых по отдельности или совместно со связующим. К таким дополнительным компонентам относятся известь, неорганические связующие, цементы и влагоизоляционные добавки. Вяжущий материал может способствовать повышению прочности свежеполученных гранул и, возможно, формированию отвержденной внешней поверхности или оболочки гранул, как описано ниже.

Известь или цемент способствуют предотвращению выделения серы при горении полученных таким способом гранул. Особое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что применяемая известь или другие типы гидроксида кальция (известные как серопоглощающие вещества) смешиваются с мелкозернистым материалом на основе углерода. Повышенная степень смешения таких серопоглощающих веществ с серосодержащим материалом на основе углерода уменьшает потребность в серопоглотительном оборудовании, например, в скрубберах и т.п., применяемом в настоящее время на конечной стадии процесса сжигания топлива. Действительно, можно считать, что настоящее изобретение может обеспечить уменьшение выброса серы (как правило, в виде диоксида серы) на 70-90%, а возможно, и более. Это обстоятельство также обеспечивает значительное снижение энергоемкости электростанций и, следовательно, снижение соответствующих затрат.

На большинстве работающих на угле электростанций уголь, как правило, размалывают до мелкозернистого состояния, а затем подают в топочные горелки для получения энергии. Поэтому добавление серопоглощающего материала в процессе формования гранул в сочетании с измельчением гранул для последующего использования в топочной установке обеспечивает два существенных преимущества. Вопервых, возможность получения полностью или в значительной степени сухих гранул способом по настоящему изобретению снижает энергозатраты, необходимые для измельчения гранул перед сжиганием, как описано выше, и, во-вторых, при измельчении гранул увеличивается однородность смешения серопоглощающего вещества (веществ) с материалом на основе углерода, и, как следствие, повышается эффективность поглощения серы и уменьшается количество серосодержащих выбросов.

В мировом масштабе имеет место тенденция к законодательному ужесточению требований, касающихся уменьшения серосодержащих выбросов, в частности, от электростанций, работающих на угле. Настоящее изобретение способствует достижению такого уменьшения без необходимости использования дополнительных физических, химических и/или иных устройств для поглощения серы, например, скрубберов и т. п. (которые к тому же требуют для обеспечения эффективности работы периодической регенерации, которая опять-таки связана с существенными затратами энергии).

- 4 010323

Таким образом, способ по настоящему изобретению может дополнительно включать стадию размола, дробления или иного процесса измельчения гранул, предпочтительно с получением топливного продукта в форме, готовой к употреблению на электростанциях, работающих на горючем топливе.

В качестве дополнительного компонента, способствующего связыванию металлических загрязняющих примесей в золе гранул и препятствующего, таким образом, выделению из золы растворимых соединений металлов, можно применять одну или несколько прочих минеральных добавок, например, цеолиты или вермикулит.

Мелкозернистый материал и связующее, а также любые другие подлежащие введению в смесь реагенты или ингредиенты можно смешивать с применением любого известного способа или устройства, в том числе простого перемешивания. Поскольку следующей стадией процесса является галтовка, абсолютная однородность смешивания реагентов или ингредиентов перед галтовкой не имеет решающего значения, так как при галтовке можно обеспечить, в случае необходимости или по желанию, дополнительное перемешивающее воздействие. В некоторых случаях смешивание может по меньшей мере частично происходить в процессе галтовки, так что стадии способа по настоящему изобретению могут не быть полностью раздельными.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения связующее наносят на мелкозернистый материал в форме покрытия. Одним из способов нанесения покрытия является нанесение связующего на материал с помощью распыления.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения мелкозернистый материал перед и/или во время смешивания со связующим движется и/или находится в диспергированном состоянии. Одной из пригодных для этой цели форм осуществления является создание падающей завесы из мелкозернистого материала, например, на выходе ленточных транспортеров, внутри барабанов или чаш грануляторов, под выгрузочными отверстиями бункеров и т. п.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения мелкозернистый материал и связующее после введения их в контакт друг с другом прямо и/или непосредственно подвергают галтовке.

Галтовочное воздействие служит для агломерирования смеси мелкозернистого материала и связующего с образованием частиц все большего и большего размера, имеющих, как правило, сферическую или эллиптическую форму. Величину формируемых таким образом гранул можно регулировать, варьируя параметры процесса галтовки, например, скорость вращения барабана, влагосодержание, ударное усилие и время пребывания в барабане. Гранулы можно также просеивать и/или возвращать в процесс во время или после гранулирования с целью обеспечения желаемого, например суженного, распределения по размерам.

Одним из устройств, пригодных для галтовки, является вращающийся барабан. Вращающиеся барабаны хорошо известны в технике. Их производительность зависит от длины, диаметра, скорости вращения и угла наклона барабана и может лежать в пределах от нескольких тонн в час до нескольких сотен тонн в час на один барабан.

Общие типоразмеры и размеры агломерационных барабанов, например, чаш, вращающихся и конических барабанов, известны в технике, как и их технологические варианты, обеспечивающие разнообразие формуемых продуктов. См., например, патент Великобритании № 787993.

Для вращающихся барабанов характерен невысокий уровень капитальных затрат и эксплуатационных расходов, особенно по сравнению с установками для брикетирования. Они могут изготовляться даже в передвижном исполнении, так что способ по настоящему изобретению можно осуществлять в желательном или необходимом месте, например, путем размещения оборудования на месте хранения или сваливания мелкозернистого материала, без необходимости перемещения значительных количеств материала к постоянному месту переработки (и соответствующих затрат).

Агломерирование можно осуществлять в одну или несколько стадий, которые могут быть объединены, например, путем варьирования условий галтовки в одном и том же барабане либо с применением передачи материала непосредственно в другое агломерационное устройство. Такие стадии могут быть также разделены. В оборудовании для многостадийной агломерации условия галтовки являются переменными или варьируются для каждой стадии. Эти условия можно изменять либо плавно, либо дискретно.

В случаях, когда способ по настоящему изобретению включает галтовку смеси во вращающемся барабане, для агломерирования можно использовать один или несколько вращающихся барабанов, предпочтительно работающих последовательно.

Поверхностно-активное вещество (вещества) служит для фиксирования связующего на силикатной основе на поверхности образующихся гранул, так что, когда гранулы образуются и начинают отверждаться, они образуют и сохраняют наружную часть, оболочку, слой или поверхность, имеющую повышенную твердость по сравнению с внутренней частью. Таким образом, плотность гранул изменяется от поверхности к сердцевине, причем на поверхности плотность выше. Иными словами, оболочечный слой или часть гранулы, как правило, имеет повышенную плотность по сравнению с более низкой плотностью внутренней части.

- 5 010323

Согласно более предпочтительному варианту гранулы непосредственно после формирования имеют достаточную твердость для обеспечения возможности манипулирования с ними, складирования и/или транспортирования без существенного разрушения.

Отверждение гранул может начинаться в процессе агломерирования или составлять часть этого процесса.

Способ по настоящему изобретению может включать одну или несколько стадий классификации, т.е. сортировки сформованных гранул для получения желаемого или требуемого размера. Этот процесс может включать отбор поврежденных гранул или гранул меньшего размера, причем материал таких гранул можно возвращать в процесс по настоящему изобретению. При добыче, обогащении и транспортировании угля образуются значительные количества угольной мелочи (частиц размером менее чем 5 мм). Настоящее изобретение позволяет превращать эту мелочь в куски размером приблизительно 50 мм с очень низкой влажностью без изменения химических свойств угля. Эти гранулы затем можно транспортировать, подвергать другим операциям и использовать как обычный крупнокусковой уголь.

После любого первоначального отверждения сформованные гранулы выдерживают в течение некоторого времени, возможно, нескольких суток, например 3-7 суток, для обеспечения окончательного отверждения. Подобно другим твердеющим продуктам, гранулы продолжают отверждаться с повышением прочности во времени, например, в течение последующих нескольких суток или недель.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение предлагает способ получения твердых топливных гранул при температуре окружающей среды из мелкозернистого материала на основе углерода и связующего на силикатной основе, содержащего одно или несколько поверхностно-активных веществ; способ включает стадии смешения упомянутого материала и связующего; и агломерирования полученной таким образом смеси путем галтовки с получением твердых топливных гранул.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается твердый гранулированный топливный продукт, получаемый при температуре окружающей среды путем агломерирования мелкозернистого материала на основе углерода и связующего на силикатной основе, содержащего одно или несколько поверхностно-активных веществ.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается гранулированный топливный продукт, полученный способом, описанным в настоящем документе.

Гранулированный топливный продукт по настоящему изобретению является легко хранимым материалом. Он также легко поддается транспортированию вследствие переменного распределения гранул по размерам. Это повышает плотность загрузки, что также способствует уменьшению истирания и последующего разрушения гранул.

Продукт по настоящему изобретению легко использовать в качестве топлива во многих случаях, например, в бытовых условиях, в промышленности, например, на электростанциях и т. п.

Упомянутый продукт изготовляется из материалов, считающихся в настоящее время отходами, что, таким образом, способствует повышению эффективности современных процессов добычи и производства твердых топлив.

Предпочтительно продукт допускает очень высокую полноту сгорания (возможно 100% сгорание), обеспечивая присутствие в золе лишь незначительного количества поддающегося сжиганию топлива либо полное его отсутствие.

Ниже описаны (только в качестве примеров) варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые рисунки, где:

на фиг. 1 представлена схема технологического процесса согласно одному из вариантов настоящего изобретения, изображающая последовательность обработки материалов в промышленной установке;

на фиг. 2 изображен вид спереди устройства для агломерирования гранул по настоящему изобретению в процессе работы;

на фиг. 3 показано некоторое количество гранул, соответствующих другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Системы регенерации угольной мелочи в настоящее время являются широко распространенными составляющими современных предприятий переработки угля, однако имеется постоянная потребность в экономичных высокопроизводительных технических решениях, направленных на утилизацию влажной угольной мелочи, образующейся в различных процессах обогащения угля.

Высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с применением установок для брикетирования, препятствуют максимальному использованию запасов угля на многих предприятиях. Брикетирование - это процесс, при котором некоторые виды материалов прессуют под высоким давлением. Сжатие материала вызывает повышение его температуры, вследствие которого из исходного материала выделяются различные клейкие вещества.

Существуют недорогие гидравлические брикетировочные прессы, рассчитанные на работу в течение лишь нескольких часов в сутки. Более крупные механические прессы применяются в крупномасштабных агрегатах, перерабатывающих сотни килограммов материала в час, однако они требуют затраты

- 6 010323 приблизительно 200 кВт-ч энергии (расходуемой на сушку и переработку) на тонну брикетируемого материала. Стоимость этой энергии считается непомерно высокой в странах, где стоимость угля уже низка, поэтому во многих странах мира в настоящее время угольную мелочь просто сбрасывают в отвалы на прилегающих к предприятиям земельных участках.

Аналогично, современный способ брикетирования торфа требует предварительного высушивания добытого торфа до влажности приблизительно 55%, резки, дальнейшей сушки до более низкого влагосодержания, за которой следует дробление, а затем брикетирование под высоким давлением. Каждая из механических стадий процесса требует значительных энергозатрат.

К другим отходам относится нефтяной кокс - побочный продукт крекинга нефти, который поступает в продажу по низким ценам.

Способ по настоящему изобретению позволяет использовать все эти материалы в экономичном процессе получения эффективного топливного продукта.

На фиг. 1 представлена схема технологического процесса способа по настоящему изобретению применительно к промышленной установке.

Подготовка.

Неочищенное топливо, поступающее в установку, подготавливают к агломерированию. В зависимости от исходного состояния топлива может быть целесообразным его дробление, классификация или подсушивание. Чем более мелкозернистым является поступающее неочищенное топливо, тем выше эффективность процесса. Предпочтительно (но не обязательно) влагосодержание поступающего топлива не должна быть выше 10-15 мас.%.

В зависимости от влагосодержания и химических характеристик поступающего неочищенного топлива регулируется подача воды. Эта операция включает регулирование количества воды по отношению к количеству используемых связующих и поверхностно-активных веществ.

Вышеупомянутые параметры можно устанавливать во время предварительных испытаний процесса и оборудования. Обнаружено, что при переработке угольной мелочи для достижения эффективной агломерации желательное количество жидкого связующего составляет, как правило, 20-25% от массы исходного топлива. Как правило, на этой стадии необходимо добавлять тем меньшее количество воды, чем выше влажность поступающего неочищенного топлива.

Агломерирование.

При продвижении поступающего топлива по установке к нему добавляют различные сухие реагенты. Затем топливо падает с конца транспортерной ленты. Падающую завесу угольной мелочи опрыскивают жидким связующим, и оба упомянутых компонента падают во вращающийся барабан, диаметр которого составляет, как правило, 1-5 м (например, 3 м). При галтовке смеси с одновременным опрыскиванием смесью связующего с водой образуются мелкие гранулы, которые объединяются и увеличиваются, образуя твердые гранулы желаемой формы и величины, как показано на фиг. 2.

Барабан может быть футерован слоем износостойкой резины с низким коэффициентом сцепления для предотвращения прихватывания материала к стенкам барабана. Барабан смонтирован наклонно (например, с уклоном 1-3%), что способствует продвижению гранул вдоль его оси и обеспечивает регулирование времени пребывания материала в барабане. Сформированные гранулы выходят с противоположной стороны барабана и попадают на другой транспортер.

Величину гранул можно регулировать, варьируя только рабочие параметры процесса (скорость вращения, влагосодержание материала и угол наклона оси барабана, непосредственно определяющий время пребывания гранул в барабане). Для варьирования размеров продукта нет необходимости в дорогостоящих операциях смены форм, применяемых при современных способах брикетирования.

Некоторые этапы формования и даже некоторые этапы отверждения могут происходить в другом вращающемся барабане, аналогичном агломерационному барабану, но имеющем больший диаметр. Он может также превышать агломерационный барабан по диаметру и по длине. Здесь гранулы медленно перемещаются вдоль барабана в течение времени, достаточного для начального отверждения или поверхностной обработки, и, таким образом, приобретают свойства, обеспечивающие возможность непосредственной погрузки-разгрузки и складирования. Время пребывания в этом барабане зависит от характеристик топлива, и необходимость его использования можно определить в процессе предварительных испытаний.

На этой стадии к материалу можно добавлять определенные добавки для поверхностной обработки с целью увеличения площади поверхностного слоя гранул, предотвращения слипания и/или для предотвращения просачивания жидкости в упаковочные мешки и т. п.

Если ожидается, что прочность свежеполученных гранул будет низкой, то к смеси можно добавлять определенные дополнительные связующие или вяжущие материалы для значительного ускорения процесса отверждения и обеспечения, таким образом, быстрого повышения начальной прочности и ее увеличения в целях упрощения манипулирования с гранулами или обеспечения возможности такого манипулирования и т.п. Поврежденные гранулы и гранулы недостаточного размера можно удалять, используя, например, секцию барабана со щелевидными прорезями или виброгрохот на выходе барабана. Затем поврежденные и мелкие гранулы можно возвращать в агломерационный барабан для повторной перера

- 7 010323 ботки.

Окончательная классификация (в случае необходимости).

На этой стадии гранулы можно при необходимости подвергать дополнительной классификации для достижения желаемого поперечного сечения. Поврежденные и мелкие гранулы можно возвращать в агломерационный барабан для повторной переработки.

Классификацию гранул можно также предусматривать в зависимости от предлагаемого их использования. Величину гранул можно регулировать путем варьирования условий процесса, конфигурации оборудования, а также дозировки реагентов.

Затем гранулы можно складировать для отверждения. За это время, как правило, от 3 до 7 суток для гранулированной угольной мелочи, гранулы приобретают прочность, обеспечивающую возможность выполнения всего комплекса погрузочно-разгрузочных операций и транспортирования. Для этого не требуется ни нагревания, ни сушки с продувкой воздухом. Пример сформованных гранул показан на фиг. 3.

Сферическая форма гранул обеспечивает возможность свободного движения воздуха через массив материала, что способствует процессу отверждения и предотвращает тепловыделение и риск самовоспламенения. На этой стадии поверхность гранул также является сплошной и плотной, что предотвращает проникновение воздуха внутрь гранул, также затрудняя или предотвращая возможность любого самовоспламенения. В случае, если самовоспламенение все же является проблемой, ее можно разрешить путем введения предохранительных реагентов на стадии агломерации.

Транспортирование и упаковка.

Галтовка и агломерация могут обеспечивать широкое разнообразие конечных размеров гранул, аналогичное такому разнообразию в обычном крупнокусковом угле. Преимущество этого явления состоит в увеличении насыпной плотности гранулированного продукта, что снижает затраты на транспортирование.

Сформованный продукт можно упаковывать в мешки или хранить навалом, при этом продолжается отверждение при температуре окружающей среды; время отверждения зависит от влажности среды. Как правило, чем выше влагосодержание исходного материала, тем большее время требуется для отверждения гранул при температуре и влажности окружающей среды.

Характеристики производительности процесса можно варьировать, однако в общем случае производительность составляет от 10 до 100 т/ч угольного материала на один барабан. Объем производства можно увеличить, используя несколько технологических установок, либо уменьшить, используя оборудование меньших размеров.

Производственные расходы зависят от производительности, гранулометрического состава исходного материала и от характеристик мелкозернистых материалов. Однако энергозатраты на тонну продукта, по данным измерений, составляют приблизительно от 0,5 до 2 кВт-ч, что по крайней мере в 100 раз меньше, чем энергия, необходимая для брикетирования.

Способ по настоящему изобретению можно, в частности, модифицировать применительно к переработке углей с высокой зольностью и/или высоким содержанием серы, поскольку гранулы остаются стабильными в процессе сгорания, обеспечивая возможность эффективного сжигания даже низкосортных углей.

В частности, способ по настоящему изобретению пригоден также для топливных продуктов, в которых для сообщения им рыночной ценности необходимо снижать зольность и содержание серы. Предлагаемый способ обеспечивает возможность тонкого измельчения с целью извлечения загрязняющих примесей гравитационными или флотационными методами с получением топлив значительно лучшего качества. Способ также обеспечивает возможность превращение мелкозернистых чистых концентратов в стойкие и ценные формы продуктов.

Выбросы серы, даже при использовании углей очень низкого качества, можно полностью или в значительной степени уменьшить путем подбора грануляционных добавок, тем самым значительно снижая или вообще устраняя загрязнение воздуха диоксидом серы, вызывающее кислотные дожди. Процесс гранулирования также одновременно значительно уменьшает количество летучей золы за счет свойственного ему цементирования, окремнения и стабилизации остаточной золы под влиянием применяемых реагентов. Кроме того, применение продуктов по настоящему изобретению упрощает достижение повышенных температур сжигания вследствие высоких скоростей газообмена не только между гранулами, но и между частицами внутри гранул, что обеспечивает более быстрое и/или легче управляемое горение по сравнению с обычными топливами.

Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является высокая степень полноты сгорания содержащегося в гранулах топлива вследствие высоких скоростей газообмена и сохранения интегральной структуры гранул вплоть до полного сгорания. Сохраняющаяся твердая оболочка, поверхностный слой и т.п. обеспечивает значительное возрастание количества тепла внутри гранулы, приводящее к очень высоким значениям полноты сгорания, результатом чего является протекание всех предусматриваемых химических реакций внутри гранулы до полного завершения. Поскольку содержимое гранулы является сухим и пористым, как правило, мелкозернистой структуры, и предварительно нагревается, то

- 8 010323 сгорание его протекает быстро и полно. Гранулы сохраняют свою форму даже при нагреве до белого каления и имеют весьма стабильные характеристики сгорания.

В частности, способ по настоящему изобретению может не включать принудительную сушку гранул, поскольку действие любых поверхностно-активных веществ максимизируется при температуре окружающей среды. Кроме того, при использовании воды поверхностно-активное вещество вызывает быструю миграцию влаги, содержащей связующее, к поверхности гранулы за счет капиллярных сил, обеспечивая эффект образования яичной скорлупы - твердой поверхности и более мягкой внутренней части - вследствие конечной высокой поверхностной концентрации связующего. Это приводит к значительному повышению прочности поверхностного слоя, в результате чего образуется очень прочная гранула с низким влагосодержанием (приблизительно 5%), а также предотвращается поглощение влаги из воздуха.

Другим применением способа по настоящему изобретению является понижение исходной влажности тонкоизмельченных угольных топлив для электростанций и теплоцентралей, где угольную мелочь или угольные шламы гранулируют и тщательно отверждают и высушивают перед распылением и сжиганием в топках. Влагосодержание угольной мелочи из современных отвалов обычно лежит в пределах от 12 до 35%, что сильно затрудняет ее использование или смешение с другими топливами.

Как следует из вышеизложенного, способ по настоящему изобретению обеспечивает устранение или решение ряда экономических и технологических проблем.

После полного развития эффекта яичной скорлупы в результате отверждения гранула сохраняет прочность даже при белом калении в процессе горения. Это обеспечивает протекание высокотемпературных реакций внутри гранулы, в результате чего достигается высокая степень полноты сгорания топлива, обеспечивающая эффективное окисление и пассивирование содержащейся в топливе серы и пренебрежимо низкое содержание несгоревшего углерода в золе. Оболочечный эффект обеспечивает сохранение структуры гранулы в процессе сжигания, что приводит к понижению пылевидных выбросов в топочных газах.

Гранулирование с эффектом яичной скорлупы можно применять также к сульфидным концентратам и железным рудам для изготовления предварительно офлюсованных загружаемых материалов, применение которых позволяет реализовать плавильную технологию, не дающую серосодержащих выбросов. Такой подход можно осуществить в рамках существующих предприятий в крупных промышленных масштабах и при высокой экономичности.

Настоящее изобретение обеспечивает значительные преимущества по сравнению с существующими технологиями, в том числе:

угольную или лигнитовую мелочь с размером частиц менее 3 мм можно гранулировать в сухом виде или непосредственно после приема с фильтровальной установки;

производительность линии гранулирования может составлять от 10 т/ч (в масштабах коммунальных предприятий) до 100 т/ч;

процесс гранулирования можно осуществлять при высоком уровне автоматизации для точного регулирования и оптимизации расхода реагентов;

гранулы во время химического отверждения являются воздушно-сухими;

отвержденные гранулы можно грузить с помощью оборудования для погрузки навалом либо, в альтернативном варианте, фасовать в мешочную тару в состоянии неполного отверждения;

величину гранул можно в случае необходимости варьировать по требованию заказчика в пределах от 5 до 150 мм, в зависимости от характеристик угля и параметров процесса;

в гранулируемую смесь можно добавлять специальные реагенты для обеспечения высокой прочности, быстрого отверждения, высокотемпературной прочности и для повышенной водостойкости;

необходимость удаления пирита можно уменьшить или исключить путем применения различных комбинированных связующих, обеспечивающих удаление 8О₂ вследствие связывания газа с образованием внутри гранулы Са8О₄;

вследствие высоких характеристик сгорания высокозольная угольная мелочь воспламеняется и горит с высокой эффективностью;

длительное устойчивое горение с высокой степенью выгорания углерода;

уголь с размером кусков менее 20 мм можно дробить и гранулировать совместно с угольной мелочью для получения высококачественных гранул;

в состав гранул можно вводить загрязненный уголь или отходы, например, опилки, рисовую шелуху, канализационные отходы, отходы животноводства, нефтяной кокс или нефтяные отходы;

образующаяся зола имеет пренебрежимо низкое содержание несгоревшего топлива (например, угля) и может быть эффективно применена для других промышленных целей;

золу можно также гранулировать с применением аналогичных связующих для получения компонентов бетона, агрегатных наполнителей и высокопористых засыпок;

по той же технологии можно перерабатывать лигнит и торф либо смешивать их с другими топливами для получения гибридных гранулированных топлив с заранее заданными характеристиками, например, для бездымного горения.

- 9 010323

Настоящее изобретение можно использовать применительно к любым типам угольной мелочи, имеющим различное содержание влаги и серы. Как правило, формуют гранулы диаметром от 5 до 50 мм, которые просты в обращении, удобны при хранении, транспортировании и при последующем сжигании и, при необходимости, имеют форму и размеры, оптимальные для измельчения перед сжиганием.

Настоящее изобретение предлагает простой, но эффективный способ утилизации отходов материалов на основе углерода и получения пригодного для применения топливного продукта, который легко транспортируется и эффективно сжигается. Вращающиеся барабанные или чашечные агломерационные установки относительно недороги и могут обеспечивать очень высокую производительность. Возможно производство продуктов по индивидуальным техническим требованиям заказчиков. Настоящее изобретение повышает экономичность золоудаления и сероудаления на углеобогатительных предприятиях.

Предприятия с низким уровнем технологии в странах, не располагающих достаточными финансовыми источниками для сооружения эффективных предприятий по переработке угля, также могут легко использовать настоящее изобретение, обеспечивая, таким образом, сооружение и эксплуатацию высокоэффективных, экономичных и экологически чистых технологических установок. В таких регионах материалы, непригодные для непосредственного использования, рассматриваются в настоящее время как отходы и накапливаются в постоянно увеличивающихся отвалах, повышая их опасность для окружающей среды.

Claims (40)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ получения твердых топливных гранул из мелкозернистого материала на основе углерода и связующего, включающий следующие стадии:

   смешение упомянутого материала и связующего; и агломерирование полученной таким образом смеси путем галтовки с получением гранул, причем связующим является материал на силикатной основе, включающий одно или несколько поверхностно-активных веществ, обеспечивающий формирование твердых топливных гранул, когда процесс выполняется при температуре окружающей среды.
2. 2. Способ по п.1, выполняемый как одностадийный процесс.
3. 3. Способ по п.1 или 2, который выполняется без необходимости отдельной активной стадии или стадий отверждения.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что полученные твердые гранулы отверждаются после галтовки при температуре окружающей среды.
5. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гранулы образуют отвержденную оболочку.
6. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, приспособленный для получения гранул переменного распределения по размерам.
7. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем мелкозернистый материал и/или связующая смесь содержат(ит) воду.
8. 8. Способ по п.7, причем связующее содержит воду до его смешения с мелкозернистым материалом.
9. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем мелкозернистый материал в целом имеет максимальный размер частиц приблизительно 3 мм или менее.
10. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем мелкозернистым материалом является угольная пыль или угольная мелочь.
11. 11. Способ по любому из пп.1-10, причем мелкозернистый материал является частично, в значительной степени или полностью торфом.
12. 12. Способ по п.11, причем торф находится в сочетании с угольной мелочью.
13. 13. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем мелкозернистый материал является сочетанием двух или более исходных материалов.
14. 14. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем связующее является частично, в значительной степени или полностью силикатом натрия или силикатом калия.
15. 15. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что способ включает добавление одного или нескольких дополнительных ингредиентов.
16. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительный ингредиент или каждый из дополнительных ингредиентов выбран из группы, включающей известь, неорганические связующие, цементы и влагоизоляционные добавки.
17. 17. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что мелкозернистый материал и связующее по крайней мере частично смешивают при перемешивании.
18. 18. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что связующее наносят на мелкозернистый материал разбрызгиванием.
19. 19. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что мелкозернистый материал перед и/или во время смешивания со связующим перемещается.

    - 10 010323
20. 20. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гранулы имеют сферическую или эллиптическую форму.
21. 21. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что гранулы после галтовки подвергают классификации.
22. 22. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что галтовку выполняют во вращающемся барабане.
23. 23. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что способ не требует предварительной обработки мелкозернистого материала на основе углерода.
24. 24. Способ по любому из предыдущих пунктов для понижения влажности материала на основе углерода, предпочтительно до уровня менее 5%, по сравнению с массой влаги в исходном мелкозернистом материале на основе углерода.
25. 25. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смешение мелкозернистого материала и связующего происходит вследствие галтовки.
26. 26. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий стадию измельчения сформованных гранул.
27. 27. Твердый гранулированный топливный продукт, формуемый при температуре окружающей среды путем агломерирования мелкозернистого материала на основе углерода и связующего на силикатной основе, включающего одно или несколько поверхностно-активных веществ.
28. 28. Гранулированный топливный продукт, полученный способом по любому из пп.1-27.
29. 29. Гранулированный топливный продукт по п.27 или 28, готовый для сжигания.
30. 30. Топливная гранула по любому из пп.27-29, отличающаяся тем, что гранулированный продукт содержит одно или несколько серопоглощающих веществ.
31. 31. Топливная гранула по любому из пп.26-30 в измельченной форме, предпочтительно готовая для сжигания топлива.
32. 32. Топливная гранула по любому из пп.27-31, имеющая отвержденную оболочку.
33. 33. Топливная гранула по любому из пп.27-32, имеющая плотность, изменяющуюся в направлении сердцевины.
34. 34. Топливная гранула по любому из пп.27-33, имеющая сухую внутреннюю часть.
35. 35. Топливная гранула по любому из пп.27-34, имеющая после галтовки твердость, достаточную для погрузки-выгрузки, складирования и/или транспортирования без значительных разрушений.
36. 36. Топливная гранула по любому из пп.27-35, полностью или практически полностью сгорающая до незначительного содержания или полного отсутствия горючего топлива в золе.
37. 37. Топливная гранула по любому из пп.27-36, изготовленная из угольной пыли или угольной мелочи.
38. 38. Топливная гранула по любому из пп.27-37, практически не образующая серосодержащих выбросов при сгорании, обеспечивающая снижение количества серосодержащих выбросов предпочтительно на 70-90% или более.
39. 39. Топливная гранула по любому из пп.27-38, отличающаяся тем, что влажность в грануле значительно ниже влажности исходного мелкозернистого материала.
40. 40. Топливная гранула по любому из пп.27-38, имеющая влагосодержание менее 5%.