Спосіб одержання водовугільної суспензії

Реферат: Винахід належить до галузі енергетики, зокрема до рідкого суспензійного палива на основі кам'яного вугілля. Спосіб одержання водовугільної суспензії полягає у помелі подрібненого кам'яного вугілля та добавок в присутності нанорозмірних частинок аеросилу при масовому співвідношенні вугілля:аеросил, рівному 1:(0,0005:0,001). Винахід забезпечує підвищення терміну седиментаційної стійкості водовугільних суспензій, що дозволить збільшити час та відстань їх транспортування при збереженні оптимальних реологічних властивостей. UA 110427 C2 (12) UA 110427 C2 UA 110427 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі енергетики, зокрема до рідкого суспензійного палива на основі кам'яного вугілля, і може бути використаний для одержання екологічно безпечного рідкого палива, придатного для транспортування по трубопроводу і безпосереднього спалювання в енергогенеруючих установках. Відомий спосіб одержання водовугільної суспензії (Патент UA №75264, МПК С10L 1/32 опубл. 15.03.2006 p.) [1]. Спосіб реалізується наступним чином. Для приготування рідкого палива використовують вугільний шлам з частками крупності - 2,5 мм і визначеної вологості, що подається на подрібнення в кульковий або стержневий млин разом з розчином комплексної добавки, для приготування якої беруть вуглелужний реагент та триполіфосфат натрію, у масовому співвідношенні (0,2-0,5):1, відповідно, при цьому добавку вводять у кількості 0,5-2,5 % сухих реагентів на масу твердої фази. Отриману суміш подрібнюють протягом 3-10 хв. і подають у вертикальний гомогенізатор. Разом із суспензією в гомогенізатор додають добавку-стабілізатор, за яку використовують порошок триполіфосфату натрію в кількості 0,1-1,0 % на масу твердої фази. Суміш гомогенізують протягом 20-120 хвилин у змінному магнітному полі. Одержана водовугільна суспензія містить вказані компоненти при наступному співвідношенні, мас. %: комплексна добавка - 1,4; тверда фаза - 65,5; вода - решта. Такі умови отримання водовугільної суспензії забезпечують одержання готового продукту, -1 що має в'язкість 1,2-1,5 Па·с при швидкості зрушення 9 с і при вмісті твердої фази - 65 %. Стабільна в'язкість готового продукту зберігається протягом 3 діб. Також відомий спосіб одержання водовугільної суспензії (Патент Ru № 2144059, МПК С10L 1/32 опубл. 04. 02. 1999 p.) [2]. Водовугільну суспензію готують наступним чином. Беруть буре вугілля і як реологічну добавку використовують лігносульфонат натрію. Вказані компоненти та воду завантажують у помельний агрегат і здійснюють помел до отримання гомогенної водовугільної суспензії. Водовугільна суспензія [2] містить буре вугілля, реологічну добавку і воду при наступному їх масовому співвідношенні, част.: буре вугілля - 1,000, реологічна добавка - лігносульфонат натрію - 0,003, вода - 0,883. Згідно з нашими розрахунками склад водовугільної суспензії представлений в наступному процентному співвідношенні компонентів, мас. %: буре вугілля - 53,00, лігносульфонат натрію 0,16, вода - 46,84. Ефективна в'язкість відомої дисперсії складає 0,75 Па·с при вмісті твердої фази - 53,00 %, седиментаційна стійкість - 5 діб. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб одержання водовугільної суспензії на основі низькозольного антрациту (Патент UA № 97197, МПК C10L 1/32 опубл. 10.01.2012 p.) [3]. Водовугільну суспензію готують наступним чином. Беруть низькозольний антрацит марки "А", класу крупності менше ніж 2,5 мм, одержаний шляхом збагачення вугільних відходів на гідроциклонах із застосуванням ущільнюючого феритового порошку, як реологічну добавку використовують метилендинафталінсульфонат натрію (дофен), як стабілізуючу добавку використовують карбонат натрію та натрійкарбоксиметилцелюлозу. Завантажують вказані компоненти та воду в кульковий млин в необхідних пропорціях та здійснюють помел суміші. Тривалість помелу гідросуспензії складає 15-40 хв. і визначається залишком на ситі 250 мкм не більше 0,1 мас. %. Склад водовугільної суспензії [3] представлений компонентами із наступним їх вмістом, мас. %: низькозольний антрацит - 65,00-70,00; метилендинафталінсульфонат натрію - 0,50-1,50; натрію карбонат - 0,05-0,20; натрійкарбоксиметилцелюлоза - 0,01-0,02; вода - решта. Ефективна в'язкість відомої дисперсії складає 1,20-1,50 Па·с, седиментаційна стійкість - 15-20 діб при вмісті твердої фази - 65,00-70,00 %,. Як показує практика використання ВВС в процесі транспортування та зберігання протягом часу, який перевищує період седиментаційної стійкості, відбуваються значні зміни реологічних властивостей суспензій, а саме: збільшується концентрація твердої фази, що призводить до підвищення в'язкості і, як наслідок, до неможливості використання останньої як рідкого палива. Тобто, ефективне використання ВВС обмежене часом зберігання їх необхідних реологічних властивостей. Особливо це важливо для суспензій з малим терміном седиментаційної стійкості. Таким чином основним недоліком відомих способів одержання ВВС [1, 2, 3] є недостатньо тривалий термін седиментаційної стійкості. Завданням, на вирішення якого направлений винахід, є підвищення терміну седиментаційної стійкості водовугільних суспензій, що дозволить збільшити час та відстань 1 UA 110427 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 транспортування ВВС при збереженні оптимальних реологічних властивостей, характерних для рідкого палива. Для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб одержання водовугільної суспензії, що включає помел подрібненого кам'яного вугілля і добавок, в якому, згідно з винаходом, помел здійснюють у присутності нанорозмірних частинок аеросилу, при масовому співвідношенню подрібнене вугілля: аеросил рівному 1:(0,0005-0,001). Основною відмінністю способу одержання ВВС є сумісний помел компонентів водовугільної суспензії в присутності нанорозмірних частинок аеросилу. В процесі помелу, як ми вважаємо, поверхня кам'яного вугілля частково покривається наночастинками аеросилу, які сприяють гідрофілізації поверхні у водному середовищі. Це призводить до виникнення структурномеханічного бар'єру, який протидіє формуванню коагуляційних контактів у суспензії, що забезпечує збільшення терміну седиментаційної стійкості ВВС. Відомо, що при додаванні аеросилу в рідкі системи виникає ефект загущення (Красильникова М.К., Лежнев Η.Η. Свойства минеральных наполнителей - белых саж и перспективы их применения в шинной промышленности. - М.: Стройиздат, 1980. - 265 с.) [4]. Нами виявлений неочікуваний результат, який спостерігається при введенні аеросилу у ВВС, що полягає у відсутності ефекту загущення системи та при цьому система набуває стабільного стану. Таким чином сукупність суттєвих ознак способу одержання ВВС, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату збільшення терміну седиментаційної стійкості ВВС, що в свою чергу призведе до збільшення часу та відстані транспортування ВВС як рідкого палива. Спосіб реалізується наступним чином. Готували три види водовугільних суспензій (І, II, III) з різним якісним і кількісним складом компонентів, використовуючи рецептури відомих ВВС, описаних в джерелах інформації [1], [2] і [3] та здійснювали помел компонентів в присутності аеросилу при масовому співвідношенні вугілля: аеросил, рівному 1:(0,0005-0,001). Використовували аеросил двох марок А-175 і А-300 виробництва ГП Калушський ОЕЗ ІХП НАН Україна (ГОСТ 14922-77 "Аэросил. Технические условия") [5]. Аеросил - легкий мікронізований порошок з вираженими адсорбційними властивостями. Хімічна формула - SiO2. Розмір частинок аеросилу складає 10-40 нм для марок 175, 200; 5-20 нм для марки 300; 5-15 нм для марки 380. Всі властивості аеросилу зумовлені присутністю на його поверхні силанольних Si-ОН та силоксанових Si-О-Si груп. На кресл. представлена мікрофотографія аеросилу, диспергованого у водовугільній суспензії, яка одержана методом скануючої мікроскопії. В одержаних суспензіях (І, II, IIІ) визначали концентрацію твердої фази, в'язкість та седиментаційну стійкість. Дані для кожної суспензії відображені в таблиці, приклади 1-6, графи 12, 13. Седиментаційну стійкість суспензій в статичних умовах визначають за часом появи осаду чи водовідокремлення на величину 2 мм в пробі висотою 250 мм. В'язкість систем визначають на ротаційному віскозиметрі Rheotest-2 за інструкцією до приладу. Концентрацію твердої фази визначають шляхом висушування в лабораторній шафі при температурі 105 °C, а розрахунки мас. ч. твердої фази ведуть за стандартною методикою (Колокольников В.С. Лабораторные работы по строительным материалам. // СИ., МЛ 970. С. 183) [6]. Приклад виконання за винаходом. Беруть 400 г сухого низькозольного антрациту (марки "А" збагачене), класу крупності менше ніж 2,5 мм, 5,0 г метилендинафталінсульфонату натрію, 0,75 г карбонату натрію, 0,07 г натрійкарбоксиметилцелюлози і 0,32 г аеросилу марки А-300, при цьому масове співвідношення вугілля: аеросил складає 1:0,00075 та додають 218,68 г води. Компоненти завантажують в 3 кульковий млин об'ємом 1,8 дм . Суміш подрібнюють 45 хвилин сталевими кулями різного -1 діаметра загальною масою 3200 г при швидкості обертання барабана млина 1,2 с і одержують 624,8 г гідросуспензії такого складу, мас. %: низькозольний антрацит 64,00 метилендинафталінсульфон 0,80 ат натрію карбонат натрію 0,12 натрійкарбоксиметилцелюло 0,012 за аеросил 0,048 вода 35,02. 2 UA 110427 C2 5 10 15 20 25 30 Одержана гідросуспензія (III) має такі характеристики: вміст твердої фази 64,00 мас. %, -1 ефективна в'язкість (при швидкості зсуву 9 с )- 1,51 Па·с, седиментаційна стійкість - 30 діб (Табл., пр. 6). Аналогічно прикладу виконання за винаходом готували водовугільні суспензії (І, II, III), здійснюючи помел сумішей, які містять аеросил та вугілля і добавки, відповідно до способів [1, 2, 3]. Нами встановлено, що сумісний помел компонентів ВВС різного якісного та кількісного складу у присутності нанорозмірних частинок аеросилу в заявленій кількості забезпечує суттєве збільшення терміну седиментаційної стійкості суспензій, що в свою чергу дозволяє ефективне та довготривале транспортування трубопроводами. Дані представлені в табл., прикл. 1-6. При позамежному зменшенні масового співвідношення вугілля: аеросил, наприклад, 1:0,0004, тобто в умовах недостатньої кількості аеросилу, зменшується термін седиментаційної стійкості BBC (III), прикл. 7, 9; ВВС (II), приклади 11, 13. При позамежному збільшенні співвідношення вугілля: аеросил, наприклад 1:0,0015 також відбувається зменшення седиментаційної стійкості, що обумовлено збільшенням в'язкості суспензії. (Табл., ВВС IIІ, прикл. 8, 10; ВВС II, прикл. 12, 14). Запропоноване нами вперше використання як компонента водовугільної суспензії аеросилу з нанорозмірними частинками суттєво підвищує термін седиментаційної стійкості ВВС за рахунок зниження утворення агломератів частинок у суспензії, причому, досягнутий результат не випливає із фізико-хімічних властивостей аеросилу. Перевагами запропонованого способу одержання ВВС в порівнянні з відомим способом [3, BBC III] є: - збільшення терміну зберігання готових ВВС за рахунок збільшення тривалості седиментаційної стійкості, а саме, для BBC III з 20 до 30 діб, тобто в 1,5 разу; - збільшення відстані транспортування одержаних ВВС із високими реологічними властивостями, характерними для рідкого палива, завдяки збільшенню терміну седиментаційної стійкості; - зменшення вірогідності виникнення аварійних ситуацій на трубопроводі. Слід відмітити, що реалізація запропонованого способу дозволяє суттєво збільшити термін седиментаційної стійкості водовугільних суспензій з малою седиментаційною стійкістю: для BBC I [1] - з трьох до десяти діб, тобто в 3,3 разу; а для ВВС II [2] - з п'яти до п'ятнадцяти діб, тобто в 3 рази. Таблиця Вид № сусп/п пензії 1 2 1 2 3 4 5 6 І II III Умови одержання суспензії Добавки, мас. % Вугілля Лігносульфонат Na 6 Дофен Na2CO NaKMЦ 3 7 8 За винаходом 9 1,40 0,16 1,04 0,14 0,01 Марка аеросилу Співвідношення вугілля: аеросил В'язкість, Па·с Седиментаційна стійкість, діб 10 11 12 13 А-175 КомплекПриро- Конц., сна да мас. % добавка 3 4 5 Вугільний 64,00 шлам Буре 53,00 вугілля Низькозольний 70,00 антрацит Показники 1:0,0075 1,40 8 А-300 1:0,0075 1,50 10 А-175 А-300 А-175 1:0,0075 1:0,0075 1:0,0075 1,45 1,46 1,48 12 15 28 А-300 1:0,0075 1,51 30 1:0.0004 1:0,0015 1: 0.0004 1:0,0015 1,48 1,52 1,47 1,52 7 8 8 10 Позамежні значення 7 8 9 10 III Низькозольний 70,00 антрацит A-175 1,04 0,14 0,01 А-300 35 3 UA 110427 C2 Продовження табл. Вид № сусп/п пензії 1 11 12 13 14 2 II Умови одержання суспензії Добавки, мас. % Вугілля КомпПриро- Конц., лексна да мас. % добавка 3 4 5 Буре вугілля Лігносульфонат Na Дофен Na2CO 6 7 8 NaKMЦ 3 9 Марка аеросилу 10 А-175 53,00 0,16 А-300 Співвідношення вугілля: аеросил 11 1:0.0004 1:0,0015 1:0.0004 1:0,0015 Показники СедиВ'язментакість, ційна Па·с стійкість, діб 12 13 1,35 10 1,52 11 1,38 27 1,52 26 Відомі способи 15 Іа 16 ІІа 17 ІІІа Вугільний 64,00 шлам Буре 53,00 вугілля Низькозольний 70,00 антрацит 1,40 1,50 3 0,16 0,75 5 1,04 0,14 0.01 1,50 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб одержання водовугільної суспензії, що включає помел подрібненого кам'яного вугілля і добавок, який відрізняється тим, що помел здійснюють у присутності нанорозмірних частинок аеросилу при масовому співвідношенні подрібнене вугілля:аеросил, рівному 1:(0,0005-0,001). Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4