Водоспиртова суспензія вугілля

Реферат: (72) Винахідник(и): Савіцький Денис Павлович (UA), Макаров Анатолій Семенович (UA), Завгородній Володимир Андрійович (UA), Токарєв Ігор Іванович (UA), Кліщенко Роман Євгенійович (UA) (73) Власник(и): ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В. ДУМАНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, бул. Вернадського, 42, м. Київ-680, 03680, Україна (UA) (74) Представник: Дроздович Сергiй Васильович, реєстр. №7 (56) Перелік документів, взятих до уваги експертизою: SU 1554764 A3, 30.03.1990 RU 2036955 C1, 09.06.1995 RU 2100267 C1, 27.12.1997 US 4195975 A, 01.04.1980 US 4282006 A, 04.08.1981 US 4330301 A, 18.05.1982 EP 0092142 A1, 26.10.1983 JP 6007661 A, 18.01.1994 JP 62129385 A, 11.06.1987 JP 57-177094 A, 30.10.1982 Круть А.А. Водоугольное топливо – альтернатива природному газу и жидким нефтепродуктам. // Геотехническая механика. - 2009. - Вып. 83. - С.269-274 Токарев И.И., Макаров А.С., Савицкий Д.П. Получение высококонцентрированного водоугольного топлива на основе антрацита. Обогащение и качество угля. // Уголь Украины. - 2011. - Июль. - С. 46-48 Делягин Г. Н., Каган Я. М., Кондратьев А. С. Жидкое топливо на основе угольных суспензий: возможности и перспективы использования. Рос. хим. ж. - 1994. - Т.38. №3. - C. 22-27 UA 102159 C2 (12) UA 102159 C2 Винахід належить до галузі енергетики, зокрема до суспензійного водоспиртового палива на основі кам'яного вугілля. Водоспиртова суспензія вугілля містить кам'яне вугілля - 55-65 мас.%, спирт фракцій С1-С4 - 20-40 мас.%, як реологічну добавку - натрієву сіль сульфонафталінформальдегіду (дофен) - 0,6-0,9 мас.%, як стабілізатор - карбонат натрію - 0,10,4 мас.%, воду - решта. Водоспиртові суспензії вугілля характеризуються високим показником седиментаційної стійкості (10-12 діб) та реологічною стабільністю (ефективна в'язкість складає . 1,3-1,5 Па с впродовж 10-12 діб). UA 102159 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до галузі енергетики, зокрема, до суспензійного водоспиртового палива на основі кам'яного вугілля і може бути використаний для одержання рідкого палива, придатного для накопичуваня, транспортування по трубах від станції виготовлення до місця спалювання. Відома суспензія складу: вугілля - вода - метанол, що містить 60 мас. % вугілля вологістю 1,5 мас. %. В'язкість суспензії, в залежності від вмісту метанолу в рідкій фазі, змінюється за параболічним законом із максимумом при 40-60 мас. %. [Viscosities of coal-water-metanol misxtures.Ekmann Amy С. "Fuel',1984,63 №8, p 1182-1184]. [1]. Недоліком суспензії [1], яка містить спирт (метанол) - є системне загущення її в часі, що не дозволяє транспортувати систему по трубах і накопичувати її як рідке паливо, придатне для безперервної подачі в термоагрегат для спалювання. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю і результатом, що досягається, є склад водоспиртової суспензії вугілля [Суспензия твердого топлива (СТТ), заявка 58-136006, Япония. Заявл. 10.02.82 №57-18806, опубл. 13.08.83, МКІ C10L 1/32] [2]. Суспензія містить: 30-80 % пилуватого вугілля, до 30 % води, спирт фракцій С1-С4 (метиловий, етиловий, ізопропіловий, бутиловий), 0,01-10 мас. % на паливну композицію добавки оксіетиленалкілфенолу загальної формули (R1)(R2)C6H4(R3O)nH, де R1 алкільний радикал С>4; R2=H; R3-eтилен, n=10-40. Суспензія відрізняється стабільністю в умовах зберігання і транспортування та хорошою текучістю. Для визначення ефективності суспензії відомого складу [2] нами була виготовлена та випробувана водоспиртова суспензія вугілля із застосуванням інгредієнтів та їх співвідношення, взятих в межах відомого складу [2], мас. %: Кам'яне вугілля марки "Д" (довгополум'яне, кр. не більше 100 мкм) 65 Спирт етиловий технічний 13 Реологічна добавка оксіетиленалкілфенол 2 Вода 20. Суспензію відомого складу - суспензію твердого палива [СТП] готували шляхом мокрого (d) помелу здрібненого вугілля марки "Д", зольністю А =12,8 мас. % з розміром частинок не більше за 2 мм, в кульковому млині стальними кулями різного діаметра загальною масою 7,3 кг із -1 швидкістю обертання барабана млина 2 с . В результаті подрібнення пульпи (25 хв.) одержали СТП із наступними показниками: мас. частка твердого - 65 %; ефективна в'язкість при швидкості -1 . зсуву 9 с (гранична швидкість зсуву, яка забезпечує ламінарний режим течії) склала - 1,2 Па с, седиментаційна стійкість - 6 діб; реологічна стабільність - 3 доби, тобто через 3 доби перебування в статичних умовах величина ефективної в'язкості суспензії збільшилась до 1,6 . Па c, що є недопустимим для рідкого палива, яке транспортують по трубах до котлоагрегату для факельного спалювання. Таким чином, основним недоліком суспензії складу [2] є кінетична (в часі) нестабільність показників седиментації і реології, що виключає транспорт такої системи по трубопроводу із-за випадіння осаду твердої фази в ньому. В основу винаходу поставлена задача розробити склад водоспиртової суспензії вугілля (ВССВ), в якому натрієва форма реологічної добавки (дофена) і стабілізатора (карбоната натрія) виключають хімічну взаємодію між ними (обидва реагента в натрієвій формі), що забезпечує седиментаційну стійкість та реологічну стабільність суспензії в часі. Поставлена задача вирішується складом водоспиртової суспензії вугілля, що включає подрібнене кам'яне вугілля, реологічну добавку, спирт фракцій С 1-С4 і воду, який, згідно з винаходом, додатково містить стабілізатор - натрію карбонат, а як реологічну добавку - натрієву сіль сульфонафталінформальдегіду (дофен) загальної формули NаО 3SС10H6(СH2)С10Н6SO3Nа і компоненти беруть при наступному їх співвідношенні, мас. %: Вугілля кам'яне подрібнене 55-65 Спирт фракцій С1-С4 20-40 Реологічна добавка - натрієва сіль сульфонафталінформальдегіду, загальної формули NаО3SС10H6(СH2)С10Н6SO3Nа 0,6-0,9 Стабілізатор - натрію карбонат 0,1-0,4 Вода Решта. 1 UA 102159 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Суспензії, що виготовлені на основі кам'яного вугілля і містять спирт фракцій С1-С4, реологічну та стабілізуючу добавки і воду в пропорціях, що заявляються, характеризуються наступними показниками: високим вмістом горючої компоненти (55-65 мас. % вугілля + 20-40 . мас. % спирту), помірною в'язкістю - 1,2-1,3 Па с, яка залишається стабільною протягом 10 діб та седиментаційно стійкою - протягом 10-12 діб. Такі параметри паливної суспензії дозволяють накопичувати її, перекачувати по трубах, розпилювати через форсунки теплогенеруючих установок при факельному спалюванні. Для виготовлення висококалорійної суспензії вугілля складу, що заявляється, беруть (d) подрібнене кам'яне вугілля марки "Аш", зольністю А =10,4 мас. %, клас крупності менший за 2 мм; спирт технічний на вибір: метанол за ГОСТ 222-95, спирт етиловий за ГОСТ 51652-2000, спирт ізопропіловий за ГОСТ 9805-84, бутиловий спирт за ГОСТ 5208-81; реологічну добавку натрієву сіль сульфонафталінформальдегіду (дофен) за ТУ У В.2.7.-02494868-001-98 "Суперпластификатор дофен и его модификации"; стабілізатор за ГОСТ 5100-2001 "Натрия карбонат" та воду. Вибрані компоненти завантажують в кульковий млин в пропорціях, що заявляються, і здійснюють помел вугілля протягом 25-30 хв. Тривалість помелу суспензії контролюють за величиною залишку на ситі 100 мкм, величина якого в готовому продукті не повинна бути більшою за 0,1 мас. %. Склад суспензії визначають за масовим співвідношенням інгредієнтів, яке має бути наступним, в %: вугілля - 55-65, спирт фракцій С1-С4-20-40, реологічна добавка дофен - 0,6-0,9, стабілізатор - натрію карбонат - 0,1-0,4, вода - решта. Першорядні показники, які характеризують якість суспензії складу, що заявляється, визначають наступним чином. Реологічну стабільність суспензії (кінетику зміни її в'язкості) із інтервалом в одну добу визначають на ротаційному віскозиметрі Rheotest-2 при швидкості зсуву -1 9 с відповідно до інструкції приладу; седиментаційну стійкість в статичних умовах визначають за часом появи осаду чи відшарування рідкої фази на величину 2 мм в суспензії висотою стовпа проби 250 мм. Приклад виконання за винаходом 610 г сухого подрібненого вугілля марки "Аш", класу крупності менше за 2 мм, зольністю (d) 3 А =10,4 мас. %, завантажували в кульковий млин об'ємом 2,6 дм , добавляли 300 г етилового спирту технічного (96,0 %), 7 г реологічної добавки (дофену), 2,5 г стабілізатора - карбоната натрію та 81 мл води. Вугілля в складі інгредієнтів подрібнювали стальними кулями різного діаметру загальною масою 7,2 кг в стальному барабані протягом 30 хв. при швидкості 120 обертів за хвилину. В результаті отримали 1000 г водоспиртової суспензії вугілля наступного складу, мас. %: вугілля 61 спирт етиловий технічний 30 реологічна добавка дофен (натрієва форма) 0,7 стабілізатор (натрію карбонат) 0,25 вода водопровідна 8,05. 3 Одержане суспензійне водоспиртове паливо об'ємом 0,85 дм завантажували в скляну герметичну тару, із якої брали проби для проведення випробувань і визначення характеристик готового продукту. Показано (Табл., пр. 7), що суспензія при мас. частці вугілля 61 %, має седиментаційну стійкість 12 діб, і ефективну в'язкість в свіжовиготовленому стані (при швидкості -1 . . зсуву 9 с ) - 1,31 Па с, яка зросла до 1,38 Па с - через 10 діб зберігання, тобто в'язкість системи через 10 діб збільшилась лише на 5 % (чудовий результат!). Аналогічно прикладу виконання за винаходом готували і випробували водоспиртові суспензії вугілля, склад яких містив інгредієнти як в заявлюваних межах, так і при позамежних значеннях (Табл., приклади 1-24). Встановлено, що вміст спирту фракцій С1-С4, реологічної і стабілізуючої добавок в складах, що заявляються, вибрані із умов, які забезпечують одержання седиментаційностійкого та реологічно стабільного продукту (Табл., пр. 1-16). Всі показники в'язкості, що наведені в таблиці, -1 виміряно на приладі Rheotest-2 при щвидкості зсуву 9 с . Позамежне зменшення мас. частки вугілля в складі суспензії до 52 % (Табл., пр. 17) приводить до збільшення, наприклад, дози спирту, і як наслідок зменшення калорійності і втрату стабільності. Позамежне збільшення мас. частки вугілля в складі суспензії (наприклад, до 67 %, табл.,пр. 18), при збереженні вмісту реологічної та стабілізуючої добавок, приводить до зменшення рідкої . фази, і як наслідок, збільшення показника в'язкості до 1,72 Па с, який через 10 діб сягає . . величини 1,81 Па с. Таку густу систему, що має вихідну в'язкість 1,72 Па с, неможливо транспортувати по трубам і виконувати розпил через форсунки горілок. 2 UA 102159 C2 5 10 15 20 25 30 До таких же наслідків приводить позамежне збільшення дози стабілізатора (карбонату натрію), наприклад до 0,5 мас. % (Табл., пр. 23). Позамежне зменшення дози стабілізатора, наприклад до 0,05 %, при збереженні співвідношеня і кількості інших інгредієнтів в межах заявлених величин, приводить до повного . розпаду системи на тверду і рідку складову. При цьому в'язкость її спадає до 0,92 Па с, проте суспензія повністю втрачає властивості рідкого палива із-за втрати зв'язності (Табл., пр.24). Позамежне зменшення дози реологічної добавки (дофена), наприклад до 0,5 мас. % (Табл., . пр. 22) приводить до підвищення вихідної в'язкості системи до 1,86 Па с, незважаючи на збереження решти інгредієнтів в заявлюваних межах. Таке високов'язке паливо не придатне для трубопроводного траспорту і розпилювання через форсунки котлоагрегата при факельному спалюванні. Позамежне збільшення дози реологічної добавки (дофена), наприклад, до 1,1 %, при вмісті решти інгредієнтів в заявлюваних межах (Табл., пр. 21), не дає суттєвого покращення властивостей суспензії, а тому економічно не вигідно. Позамежне зменшення дози спирту в складі суспензії (наприклад, 5 мас. %) можливе при відповідному збільшенні дози води, і за умов збереження вмісту решти інгредієнтів, приводить до втрати системою седиментаційної стійкості, яка складає лише 0,5 доби (Табл., пр. 19). Така суспензія аварійно небезпечна із-за випадіння осаду твердої складової в трубопроводі, а тому непридатна для трубопровідного транспорту навіть на незначні відстані, а факельне спалювання неможливе через нестабільність процесу горіння. Позамежне збільшення дози спирту в складі суспензії (наприклад до 44 мас. %, табл., пр. . 20), призводить до втрати текучості. В'язкість системи зростає до 1,85 Па с, незважаючи на збереження в її складі решти інгредієнтів (крім води) в заявлюваних межах. Перевага пропонованого складу ВССВ в порівнянні із відомим складом [2] полягає в наступному. Склад ВССВ, що заявляється, дозволяє отримати композитне рідке паливо, придатне до тривалого (10 діб) транспорту його трубами і для розпилювання через форсунки при факельному спалюванні. Висока ефективність рідкого палива, що пропонується, досягається за рахунок підвищення седиментаційної стійкості із 6-х діб за відомим складом [2], до 10-12 діб, тобто в 2 рази, та покращення реологічної стабільності суспензії, яка характеризується меншим . . показником ефективної в'язкості суспензії через 10 діб - 1,3-1,5 Па с. в порівнянні із 1,6 Па с за відомим складом [2]. 3 UA 102159 C2 Таблиця Мас. частка інгредієнтів в складі суспензії, % № п/п Стабілізуюча Вода добавка За винаходом. 0,40 14 0,40 13 0,40 12,5 0,30 12 0,30 12 0,25 4,05 0,25 8,05 0,10 6,1 0,35 5,85 0,35 5,85 0,35 3,75 0,10 4,0 0,30 22,0 0,40 17,9 0,35 3,85 0,35 3,75 Позамежні значення. 0,40 14,0 0,40 11,7 0,35 32,9 0,35 0,35 15,5 0,35 16,1 0,50 3,60 0,05 4,05 За складом [2] 20 Еф.в'язкість при -1 швидкості зсуву 9 с , . Па с Седиментаційна стійкість, Кам'яне вугілля Спирт Реологічна добавка Свіжовиготовленої Через 10 діб діб 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 55 56 56 57 57 55 61 63 63 63 65 65 57 61 55 55 30 е 30 м 30 б 30 е 30 іп 40 е 30 е 30 е 30 м 30 б 30 е 30 іп 20 е 20 е 40 м 40 б 0,60 0,60 0,65 0,70 0,70 0,70 0,70 0,80 0,80 0,80 0,90 0,90 0,70 0,70 0,80 0,90 1,20 1,21 1,24 1,22 1,24 1,32 1,31 1,43 1.44 1,48 1,40 1,40 1,22 1,40 1,45 1,45 1,30 1,30 1,30 1,28 1,28 1,38 1,38 1,48 1,50 1,50 1,50 1,50 1,30 1,44 1,50 1,50 10 10 10 10 10 10 12 10 12 12 10 10 10 12 10 10 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 52 67 61 56 63 63 65 65 33 е 20 е 5е 44 е 20 е 20 е 30 е 30 е 0,60 0,90 0,75 0,80 1,15 0,55 0,90 0,90 0,90 1,72 1,58 1,85 1,44 1,86 1,68 0,92 1,60 1,81 1,72 1,94 1,50 1,98 1,88 5 10 0,5 4 10 6 6 0,5 25. 65 13 е 2,0 1,2 1,6 3 Примітка. В графі 3 таблиці прийняті такі скорочення для спиртів: м - метиловий, є етиловий, іп - ізопропиловий, б - бутиловий. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Водоспиртова суспензія вугілля, яка містить подрібнене кам'яне вугілля, реологічну добавку, спирт фракцій С1-С4 та воду, яка відрізняється тим, що вона додатково містить стабілізатор карбонат натрію, а як реологічну добавку - натрієву сіль сульфонафталінформальдегіду (дофен) загальної формули NаО3SС10H6(СH2)С10Н6SO3Nа при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: кам'яне вугілля подрібнене 55-65 спирт фракцій С1-С4 20-40 реологічна добавка - натрієва сіль сульфонафталінформальдегіду 0,6-0,9 стабілізатор - карбонат натрію 0,1-0,4 вода решта. 4 UA 102159 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5