Спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період

Реферат: Спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період шляхом використання хімічного профілактичного засобу. При цьому вугільні концентрати обробляють кремнійорганічним полімером. UA 113500 U (12) UA 113500 U UA 113500 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вугільної галузі та коксохімічного виробництва, зокрема до вдосконалення технології підготовки вугільної шихти для коксування за рахунок прискорення процесу вивантаження вугільних концентратів з вагонів, які надходять у вуглепідготовчі цехи коксохімічних заводів у зимовий період. Відомий спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період, що включає механічне зневоднення і сушіння вугілля як кінцевий етап процесів мокрого збагачення. Для зниження вологості вугілля після його мокрого збагачення застосовують механічне зневоднення за допомогою грохотів, центрифуг, а також вакуум-фільтрів. Механічне зневоднення не забезпечує зниження вологи до безпечної межі, тому концентрати піддають термічному сушінню, доводячи вміст вологи в них до можливо меншого значення. Сушінню піддається дрібне вугілля в суміші з флотоконцентратом або флотоконцентрат, або дрібне вугілля. Початкова вологість вугілля, що надходить на сушіння, коливається від 11 до 25,6 %, а вологість вугільного концентрату, який відвантажується, становить від 4,1 до 12,5 % [Агроскин А.А. Химия и технология угля - М.: Недра, 1972. - 380 с.]. Недоліком способу є те, що сушіння вугілля є одним з найдорожчих процесів в технології його збагачення. Так, у собівартості збагачення 1 т рядового вугілля до 40 % її припадає на сушіння. Відомий спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період з використанням негашеного вапна. Спосіб заснований на інтенсивному поглинанні води вугілля з одночасним виділенням тепла у кількості 138 кДж/кг негашеного вапна. Поглинання вологи негашеним вапном протікає в два етапи: спочатку в процесі хімічної реакції (0,32 кг/кг води), а потім шляхом адсорбції так званою "пушенкою", що утворилася в результаті взаємодії його з водою (0,6 кг/кг води). Загальна кількість вологи, що поглинається негашеним вапном, складає 0,92 кг/кг СаО. Первинна волога, поглинена вапном в другому етапі, замерзає при температурі мінус 20 °C. Оскільки негашене вапно дуже інтенсивно поглинає вологу з повітря, а у ньому зазвичай міститься близько 50 % активного СаО, то необхідну кількість реагенту слід вводити з розрахунку вологи, що поглинається, 0,45-0,46 кг/кг СаО. Практична кількість СаО, що додається для запобігання змерзанню вугілля, складає 3 %, проте ця кількість не завжди забезпечує сипкість вугілля при температурі мінус 20 °C [Хотунцев Л.Л., Казаков Е.И., Иванов В.М. Предотвращения примерзания угля к стенкам полувагонов // Промышленный транспорт. 1972. - № 9. - С. 15-19]. Недоліком способу є те, що при використанні негашеного вапна, як профілактичного засобу, необхідно мати склад, що ретельно закривається, механізми для подрібнення, дозування, подання і змішування; окрім цього негашене вапно є токсичним матеріалом, що вимагає надійної вентиляції в процесі подрібнення, обережного поводження і дотримання правил безпеки при змішуванні його з вугіллям. Відомий спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період, що включає використання хлоридів натрію, кальцію і магнію (бішофіт), причому хлорид магнію виявився найбільш ефективним засобом проти змерзання. Введення у вугілля 4-5 % бішофіту . (MgCl2 6H2O) знижує температуру замерзання до мінус 14-15 °C. Спосіб запобігання змерзанню при використанні хлоридів металів заснований на тому, що міжкускова волога заміщується розчином з низькою евтектичною точкою замерзання. Лід, що утворився при цьому, характеризується дефектною лускатою структурою і, в результаті цього, невеликою механічною міцністю [Иванов В.М., Радовицкий И.В. Предотвращение потерь и смерзаемости углей при их транспортировке. - М.: Недра, 1979. - 149 c.]. Недоліком способу є те, що обробляти водним розчином бішофіту доцільно тільки вугілля з невеликою вологістю, тому що при обробці вугілля водним розчином бішофіту підвищується його вологість. Межа підвищення вологості вугілля 10-12 %. У цих межах при зниженні температури більше мінус 15 °C вугілля буде змерзатися. В умовах більш низьких температур повітря слід очікувати глибоке промерзання вугілля. В основу корисної моделі поставлена задача пошуку найбільш ефективного хімічного профілактичного засобу, що попереджає процес змерзання вугільних концентратів у зимовий період при дуже низьких температурах під час їх транспортування від виробника до коксохімічних підприємств, а також є безпечним для навколишнього середовища та обслуговуючого персоналу вуглепідготовчого та коксового цехів. Поставлена задача вирішується наступним чином. На відміну від відомого способу попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період, який включає використання хімічного профілактичного засобу, спосіб, що заявляється, має істотні відмінності, які полягають у тому, що вугільні концентрати обробляють кремнійорганічним полімером. 1 UA 113500 U 5 Спосіб здійснюється наступним чином. Молекули кремнійорганічних сполук поєднують в собі частково структуру полімерних неорганічних і органічних молекул. Основу їх молекул складає силоксановий скелет - ланцюг атомів кремнію і кисню, що чергуються. Інші зв'язки кремнію компенсуються органічними радикалами або групами атомів. R R Si R 10 15 20 25 30 35 40 45 50 O Si R R O Si O R , де R-H, СН3, С6Н5, та ін. Зі специфікою структури пов'язані і незвичні властивості цих полімерів, зокрема стійкість цих сполук до дії низьких температур. Кремнійорганічні рідкі полімери можуть бути отримані з температурою замерзання мінус 130 °C і навіть нижче. Цінною властивістю кремнійорганічних рідин є слабка залежність їх в'язкості від температури. Так, при зниженні температури в'язкість кремнійорганічних сполук зростає в меншій мірі ніж для нафтових масел. Таким чином, вони будуть легше наноситися на поверхню металевого вагона та перемішуватися з вугіллям. Для полісилоксанів типовою є низька температура замерзання, а також хімічна інертність до металів. Горючість кремнійорганічних рідин значно нижча, ніж органічних сполук. Кінцевими продуктами згорання є вуглекислий газ, вода та оксид кремнію у вигляді дрібного порошку. Полісилоксанові рідини не подразнюють шкіру та очі. Таким чином, найбільш цінні технічні властивості кремнійорганічних рідин визначаються їх фізико-хімічними властивостями: низькою температурою застигання (від мінус 70 до мінус 140 °C), малою залежністю в'язкості від температури (кратність зміни в'язкості складає 5-10 разів в інтервалі температур від мінус 50 до плюс 50 °C). З метою усунення змерзання вугілля було проведено дослідження по застосуванню кремнійорганічних сполук для обробки вугілля в зимовий період. Кремнійорганічні полімери входять до складу розчинів і емульсій, містять реакційно здатні атоми або групи (Н, ОН і т. д.) і вуглецеві радикали (СН3, С2Н5 і т. п.). Здатність молекул низькомолекулярних силоксанів до утворення глобулярних структур дозволяє приготувати з них емульсію. Емульсії кремнійорганічних полімерів є стабільними структурами типу "масло в воді". У зв'язку з тим, що практично більш зручно використовувати водні емульсії кремнійорганічних рідин замість їх розчинів в органічних розчинниках, промисловість випускає 30-70 % кремнійорганічні емульсії. Ці емульсії легко розбавляються водою та використовуються в 5-10 концентрації. У товарному вигляді емульсії являють собою білу масу сметаноподібної консистенції. У молекулах кремнійорганічних сполук міститься атом кисню, тому має місце локалізація електронної щільності на атомах кисню. Внаслідок цього реагенти можуть специфічно взаємодіяти зі сорбційно-активними центрами вугільної поверхні, що несуть позитивний заряд (протонізовані атоми водню фенольних, карбоксильних груп в макромолекулі органічної маси вугілля) за схемою: , де R - алкільний радикал. У молекулах кисневмісних кремнійорганічних сполук є також і вуглеводневі радикали, які можуть взаємодіяти з аполярними центрами вугільної поверхні за рахунок міжмолекулярних сил Ван-дер-Ваальса. Тому при адсорбції на вугільній поверхні молекули кремнійорганічних речовин проявляють одночасно як специфічні (водневі зв'язки), так і універсальні неспецифічні міжмолекулярні сили взаємодії з позитивними ділянками вугільної поверхні. Це визначає їх високу адсорбцію на вугільній поверхні. Якщо розчин або емульсію змішати з вугіллям, то ці атоми або групи реагують з органічною масою вугілля і водою гідрату. Органосиліконові зв'язки - Si - О - Si - О -, що забезпечують фізичну і хімічну взаємодію з вугіллям, звернені до поверхні, а органогенні групи, що обрамлюють атом кремнію, спрямовані в протилежному напрямі - назовні. Орієнтування кремнійорганічних зв'язків і вуглеводневих радикалів у разі нанесення їх на поверхню схематично можна представити: 2 UA 113500 U R R R Si O R R R Si O Si O O поверхня вугілля 5 10 15 20 . Кремнійорганічні сполуки при нанесенні на вугільну поверхню реагують з водою приблизно молекула на молекулу. Плівки кремнійорганічних сполук дуже тонкі. Товщина плівки, яка обчислена за витратою матеріалу і вагою плівки, приймаючи, що щільність її дорівнює одиниці, . -6 . -5 складає 0,1 10 -2,5 10 см. Плівка на поверхні невидима, не стирається при терті, не змивається водою, стійка в широкому діапазоні температур (від мінус 200 до плюс 300 °C). Полімерні силікони на поверхні вугілля навіть при малих їх кількостях забезпечують великий водовідштовхувальний ефект. Приклад реалізації способу. Для експерименту була взята наважка вугілля масою 500 г, вологість вугілля - 12 %, клас крупності - 0-3 мм. Вугілля ретельно обробляли емульсією. Далі оброблене вугілля завантажували в металеву ємність діаметром 50 мм, висотою 50 мм. Цю металеву ємність розташовували в морозильній камері і витримували при заданій температурі протягом 24 годин. Потім ємність перевертали та зважували вугілля, яке висипалося. Таким чином визначали ступінь змерзання. У дослідженні використовували кремнійорганічну речовину ГКЖ-94, яка 3 являє собою безбарвну слабо жовту рідину. Щільність - 0,996-1,003 г/см ; в'язкість при 20 °C-60220 сСт, температура замерзання -50 °C; рН не менше 6. У воді нерозчинна, але добре утворює емульсію, корозійно неактивна, не виділяє шкідливої пари і газів, атмосферостійка. Кремнійорганічну добавку використовували у вигляді 5 та 10 % водної емульсії. Емульсію ретельно перемішували з вугіллям впродовж 3-5 хв. Кількість емульсії змінювали від 4 до 40 г на 1 кг вугілля. Результати експерименту приведені в табл. 1. Таблиця 1 Ступінь змерзання вугілля, обробленого емульсією ГКЖ-94 при температурі мінус 15 °C Кількість ГКЖ-94, г/кг 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 25 Маса вугілля, яке Зміна маси, г висипалося, г 5 % емульсія 150 350 170 330 190 310 220 280 260 240 290 210 310 190 390 110 450 50 490 10 10 % емульсія 200 300 220 280 250 250 270 230 290 210 360 140 400 100 420 80 480 20 500 0 Ступінь змерзання, % 70 66 62 56 48 42 38 22 10 2 60 56 50 46 42 28 20 16 4 0 Були також проведені дослідження по виявленню норм витрати відомих та заявленого профілактичних засобів для попередження змерзання вугілля вологістю 12 % (табл. 2). 3 UA 113500 U Таблиця 2 Норми витрати профілактичних засобів для попередження змерзання вугілля вологістю 12 % Температура, °C -15 5 10 Витрата засобу по відношенню до маси вугілля, % Хлорид кальцію Хлорид магнію Ацетат калію 10 % ГЖК-94 5,0 4,6 4,0 3,6 Аналіз даних таблиць показує, що кремнійорганічні емульсії добре знижують температуру змерзання, а якщо порівняти з солями, то видно, що витрата кремнійорганічної емульсії в порівняні з витратами хлориду кальцію, магнію і ацетату калію менша. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє не лише попереджувати змерзання вугільних концентратів у зимовий період при їх транспортуванні від виробника до коксохімічного заводу, а також зменшити собівартість коксу за рахунок зниження витрат на розморожування (в тепляках) та розвантаження вугілля, зберегти від корозії вагони та устаткування вуглепідготовчих цехів коксохімічних заводів. Кремнійорганічні сполуки менш токсичні. Використання кремнійорганічних речовин ефективніше застосування ацетатів та хлоридів металів. Висока активність кремнійорганічних речовин пояснюється їх елементним складом і будовою молекул. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб попередження змерзання вугільних концентратів у зимовий період, що включає використання хімічного профілактичного засобу, який відрізняється тим, що вугільні концентрати обробляють кремнійорганічним полімером. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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