Спосіб одержання та обробки перед спалюванням водовугільного палива

Реферат: Винахід належить до паливної енергетики та екології, зокрема до виробництва водовугільного палива. Спосіб включає сухе подрібнювання вугілля у кульовому млині 1 до розмірів частинок не більше 200 мкм, змішування вугілля дисперсної вугільної фази в кількості 60-70 мас. % із додаванням фенольної води при вмісті фенолу 1-2 г/л у кількості 29,5-39,5 мас. %, додавання пластифікатора у кількості 0,5 мас. % від загальної маси на заключній стадії перемішування у змішувачі 2, подальшу гомогенізацію у роторно-пульсаційному диспергаторі 3 тривалістю 5-10 хв. і наступну хімічну активацію з розпилюванням суспензійного палива шляхом тонкого диспергування до дисперсності менше 5 мкм у гідровихровому перетворювачі 4. UA 101032 C2 (12) UA 101032 C2 UA 101032 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до паливної енергетики та екології, зокрема до виробництва водовугільного палива, і може бути використаний на металургійних підприємствах, підприємствах хімпрому для утилізації та знешкодження фенольних стоків, теплоелектростанціях, котельних установках, теплогенеруючих системах і установках прямого спалювання палива. Відомий спосіб одержання водовугільного палива (Пат. РФ № 2167189, C10L1/32, 2000), що включає сухе подрібнювання попередньо дробленого до менше 3 мм вугілля, змішування з водою в роторно-вихровому млині до розмірів частинок менше 20 мкм з одночасною його сепарацією від мінеральних компонентів і гідрофобізацією в процесі подрібнювання разом з водою в гідравлічному диспергаторі до одержання колоїдної гідросуміші з вмістом 70-80 мас. % і більше твердої фази із частинками менше 5 мкм. Недоліками відомого способу є тривалий за часом високовитратний процес гравітаційного осадження тонкодисперсних мінеральних частинок при демінералізації, а також енерговитратне, пожежо- і вибухонебезпечне термічне сушіння вугілля після механічного зневоднювання і значні витрати на пластифікуючі компоненти. Крім того, способу властива висока в'язкість суспензії за рахунок високої концентрації дрібнодисперсного вугілля. Відомий спосіб одержання та спалювання водовугільного палива (Пат. РФ № 2056010, F23D01/02, 1996), що включає змішування вугілля твердої вугільної фази з водою у гомогенізаторі і подачу на спалювання через розпилювальний пристрій з регулюванням в'язкості отриманої суспензії. Регулювання в'язкості для ефективного розпилювання здійснюють відповідно до розрахункового співвідношення припустимого збільшення концентрації вугільної суспензії, що по суті зводиться до елементарного зниження концентрації вугілля в суспензії і не дозволяє досягати підвищених тепловіддачі та калорійності палива, істотно не поліпшуючи ефективності тепломасообміну, структурно-реологічних, теплофізичних та екологічних характеристик водовугільного палива. Відомий спосіб одержання водовугільного палива (Пат. РФ № 2144059, C10L1/32, 2000) на основі вуглеводневої сировини, води та інших хімічних інгредієнтів, що вводяться у кількостях часток відсотків, залежно від призначення використовуваного палива. Спосіб одержання палива є технологічно складним, оскільки при збагаченні вугілля використовують цілий ряд дорогих хімічних реагентів, які додають до вугілля в кількостях часток відсотків від маси вугілля, що потребує постійного регулювання дозованої кількості домішок, які вводяться. Найбільш близьким за технічним результатом є спосіб одержання водовугільного палива (Пат. РФ № 2054455, С10L1/32, 1996), що включає мокре подрібнювання бурого вугілля до 13мм із водою при 30-90 °C і одержання гідросуміші, що містить 35-45 % твердої фази, нагрів суміші до 200-300 °C струмами високої частоти в реакторі надвисокочастотного нагрівання протягом 1-30 хв. під тиском 1,5-10 МПа, охолодження до 30-90 °C зі скиданням тиску після барометричної обробки при 0,3-1,0 МПа, вторинне подрібнювання вугілля в пароструминному млині до фракції 200-300 мкм, введення поверхнево-активної речовини, у ролі якої використовують пластифікатор С-3 у кількості 0,5-1,0 % від маси твердої фази шляхом введення в гідросуміш після вторинного подрібнювання вугілля та охолодження. Недоліками є складність реалізації способу багатостадійної обробки, заснованого на екологічно небезпечних операціях високочастотного нагрівання та барометричної обробки високим тиском, що призводить до високих енерговитрат на приведення технічних засобів механохімічної обробки вугілля та значних експлуатаційних витрат на хімічні інгредієнти пластифікуючих домішок. В основу винаходу поставлено задачу створення способу одержання та обробки перед спалюванням водовугільного палива, у якому в ролі пластифікуючого і поверхнево-активного компонентів використані утилізаційні фенольні стоки з подальшою ефективною адсорбцією фенолу вугіллям у процесі кавітаційної обробки із частковим знешкодженням номенклатури шкідливих компонентів, що містять фенольні стоки, гомогенізацією зі зниженням гідрофобності вугільних зерен і динамічної в'язкості готової суспензії, поліпшення тепломасообміну, структурно-реологічних, теплофізичних і екологічних характеристик водовугільного палива при тонкодисперсному розпилюванні і остаточному знешкодженні з повним вигорянням фенолу в процесі спалювання, за рахунок чого досягнуто захист навколишнього середовища з утилізацією та знешкодженням фенольних стоків, зниження витрат на пластифікуючі і поверхнево-активні компоненти, поліпшення експлуатаційних характеристик водовугільного палива та функціональної надійності згоряння. 1 UA 101032 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача досягається тим, що в способі одержання та обробки перед спалюванням водовугільного палива, що включає сухе подрібнювання вугілля в розмелювальному пристрої, подрібнювання з водою в присутності пластифікатора в диспергаторі з регулюванням в'язкості отриманої суспензії і подальшим розпилюванням, згідно з винаходом, подрібнювання вугілля здійснюють у кульовому млині до розмірів частинок не більше 200 мкм, змішування вугілля дисперсної вугільної фази в кількості 60-70 мас. % проводять із додаванням фенольної води при вмісті фенолу 1-2 г/л у кількості 29,5-39,5 мас. %, а додавання пластифікатора у кількості 0,5 мас. % від загальної маси проводять на заключній стадії перемішування з подальшою гомогенізацією у роторно-пульсаційному диспергаторі тривалістю 5-10 хв. і наступною хімічною активацією з розпилюванням суспензійного палива шляхом тонкого диспергування до дисперсності менше 5 мкм у гідровихровому перетворювачі. Подрібнювання вугілля здійснюють у кульовому млині до розмірів частинок не більше 200 мкм, що відповідає достатньому ступеню дисперсності для подальшого використання у виготовлені паливі з поліпшеними експлуатаційними характеристиками. Змішування вугілля проводять з вмістом 60-70 мас. %, що відповідає достатній кількості твердої вугільної фази у складі, яка забезпечує достатню надійність згоряння водовугільного палива. Змішування вугілля твердої вугільної фази в кількості 60-70 мас. % з додаванням фенольної води з вмістом фенолу у частках 1-2 г/л у кількості 29-39 % дозволяє як дисперсійне середовище водовугільного палива використовувати фенольну стічну воду, що частково заміняє дорогий і високовитратний, при великих об'ємах виробництва водовугільного палива компонентів, - пластифікатор. Фенольна стічна вода у складі водовугільного палива виступає також як поверхнево-активна речовина, що поліпшує якісні характеристики суміші. Отже, додавання фенольної води при одночасному зниженні у складі водовугільного палива кількості пластифікатора, навіть у малих частках відсотка, з огляду на мільйони тонн об'ємів споживання в масштабах країни щорічно, істотно впливає на собівартість продукту та економічні показники енергетичної галузі в цілому. Джерелом фенольних стічних вод є нафто- і коксохімічні та нафтопереробні заводи, компанії по виробництву фармацевтичних препаратів, будівельних матеріалів. Фенольні сполуки належать до 2 класу небезпеки. Фенол є потенційно небезпечною речовиною, що викликає алергійну та дратівну дію, сприяє росту захворювань шкіри, ендокринної та імунної системи, розвитку злоякісних утворень у людини. У результаті біохімічної деструкції фенолу у воді водойм відбувається зміна всіх елементів гідрохімічного режиму. Тому вирішення проблеми знешкодження фенолів, що містять стічні води, є актуальною науковою проблемою та важливим завданням забезпечення екологічної безпеки. При цьому, адсорбція активованим вугіллям 1 кг фенольних стоків з початковим вмістом фенолу у концентрації 200 мг/л та знешкодженням його до концентрації 20 мг/л становить порядку 1,53 доларів. У стічних водах леткі феноли подані в основному карболовою кислотою та крезолами, серед багатоатомних (нелетких) фенолів найбільш важливе місце займають пірокатехін і гідрохінон. Крім фенолів у фенольних стічних водах також присутні тіосульфати, тіоціанати (родонові сполуки), сульфати, хлориди, ціаніди, аміни та органічні сполуки, головним чином, піридини. Як правило, концентрація фенолів в утилізаційних стічних водах досить висока. Наприклад, у стічних водах коксохімічних заводів феноли містяться у кількості від 1 г/л. до 2 г/л. Характерною властивістю фенольних стічних вод різних складів є коричневий колір і сильно виражений запах гуаші. Молекула фенолу дифільна, включає полярну (гідроксильну групу) і неполярну, гідрофобну (бензольне кільце) частини (фіг. 1). Така молекулярна будова є причиною поверхнево-активних властивостей фенолу, що дозволяє використовувати фенольні стоки як поверхнево-активні речовини для водовугільних складів. Феноли поліпшують змочування вугільних зерен у процесі приготування водовугільного палива та стабілізують суспензію, запобігаючи седиментації. Також феноли мають слабовиражені пластифікуючі властивості, що послаблюють сили взаємодії макромолекул складу між собою, полегшуючи взаємне перегрупування вугільних зерен під натиском зовнішніх впливів, що сприяє поліпшенню теплофізичних властивостей водовугільної (паливної) суміші. Таким чином, феноли, що містяться в стоках, можуть виступати як пластифікатор і поверхнево-активний компонент водовугільних палив, які дозволяють реалізувати високу ефективність змочування вугільних частинок і знизити загальновиробничі витрати на пластифікуючі домішки. Фенольний компонент, що вводиться пластифікатор, розподіляючись між надмолекулярними структурними елементами, полегшує взаємні переміщення частинок вугілля 2 UA 101032 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 в суміші компонентів, що поліпшує структурну пластифікацію подрібненого вугілля та реологічні властивості складу водовугільного палива. Однак, для одержання якісного водовугільного палива номінальної присутності фенольних сполук для часткової заміни пластифікатора у складі недостатньо. Істотне значення на експлуатаційні характеристики водовугільного палива має якість технологічної обробки, що сприяє поліпшенню структурно-реологічних, теплофізичних і екологічних властивостей водовугільної суспензії за рахунок гідрофобізації та тепломасообміну. На фігурі подана принципова схема пристрою для одержання та обробки перед спалюванням водовугільного палива. Пристрій для реалізації процесу виготовлення водовугільного палива включає встановлені послідовно кульовий млин 1, змішувач 2, роторно-пульсаційний диспергатор 3 та підключений до нього гідровихровий перетворювач 4. Спосіб полягає у такому. На стадії механічної підготовки здійснюють подрібнювання вугілля у кульовому млині 1 до розмірів частинок не більше 200 мкм. Змішування подрібненої вугільної фази в кількості 60-70 мас. % проводять із додаванням фенольної води у кількості 29,5-39,5 мас. %, при вмісті фенолу 1-2 г/л, що виступає одночасно як частина, яка замінює пластифікатор і домішка поверхнево-активної речовини. У процесі перемішування в змішувачі 2 при змочуванні фенольною водою відбувається адсорбція фенолу вугіллям, що дозволяє, вже на стадії перемішування, здійснити зв'язане зберігання фенольної води у складі водовугільної суміші більш безпечним способом ніж збереження фенольної води у незв'язаному стані. На заключній стадії перемішування компонентів додають пластифікатор у зменшеній кількості, але не менше 0,5 мас. % від загальної маси водовугільної суміші. Обробку суміші у роторно-пульсаційному диспергаторі 3 здійснюють тривалістю 5-10 хв. при доведенні температури складу до 35-36 °C. У процесі кавітаційної обробки складу водовугільного палива з присутністю фенольної води у роторно-пульсаційному диспергаторі 3 виникають гідродинамічні збурювання та локальні надвисокі тиски, які приводять до інтенсивної механічної деструкції частинок вугілля. Це сприяє зниженню гідрофобності вугільних зерен та динамічної в'язкості водовугільної суспензії з гомогенізацією суміші. Наступну хімічну активацію та гомогенізацію дисперсної фази суспензійного палива проводять у гідровихровому перетворювачі 4, виконаному у вигляді конфузорно-дифузорного каналу з установленими між ними тороїдальною та кільцевою робочими камерами. Водовугільна суміш у гідровихровий перетворювач 4 подається двома потоками. Перший основний потік проходить ущільнення в конфузорному каналі за рахунок зменшення його поперечного перерізу з ефективним перетиранням і обробкою з максимальною швидкістю у вихровому полі тороїдальної камери при зниженому тиску. Другий потік проходить кільцеву камеру, в ежекційних отворах якої ділиться на m окремих ортогональних потоків з моментами крутіння, заданими формою ежекційних отворів кільцевої камери. Ежектовані окремі ортогональні потоки затягуються вихровим полем в основний потік тороїдальної камери змішування. Змішаний потік потрапляє у дифузорний канал з утворенням звукового тиску, що викликає порушення гармонійних акустичних коливань, амплітуда яких в умовах резонансу зростає. У результаті на виході гідровихрового перетворювача 4 утворюється піддана інтенсивній механічній деструкції, частково молекулярна, стійка, рівномірна до 5 мкм тонкодисперсна суміш ультрадисперсної фази вугілля у воді. Така обробка складу забезпечує умови інтенсивної взаємодії молекул, формує середовище для зниження обмежень на хімічні процеси, пов'язані з наявністю міжфазних границь, створює умови для хімічної активації паливної суміші. Це дозволяє підвищити ефективність тепломасообміну, структурно-реологічні, теплофізичні та екологічні характеристики водовугільного палива. Проведене аналітичне дослідження одержаної тонкодисперсної системи із заданим розміром частинок і відносним вмістом компонентів запропонованого складу водо вугільного палива з вугіллям у кількості 60-70 мас. %, фенольної води, що містить фенол у частках 1-2 г/л у кількості 29,5-39,5 %, і пластифікатора у зменшеній кількості не більше 0,5 мас. % від загальної маси суміші, підданої роторно-кавітаційній і гідровихровій обробці, доводять можливість досягнення технологічних показників, що задовольняють характеристикам якісного водовугільного палива, а саме: нижчої теплоти згоряння - 15 МДж/кг, динамічної в'язкості -0,5 Па•с, седиментаційної стабільності - 10 діб. У запропонованому способі реалізована можливість зниження динамічної в'язкості та підвищення седиментаційної стійкості водовугільного палива, а також зниження рівня шкідливого впливу фенольних стічних вод у складі та при спалюванні водовугільного палива. 3 UA 101032 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Під час виготовлення водовугільного палива на фенольній воді з обробкою запропонованим способом відбувається інтенсифікація тепломасообмінної активації хімічних процесів горіння за рахунок прискореного надходження окиснювача до дрібнодисперсних мікрооб'ємів диспергованого складу. Це забезпечує максимальне вигоряння палива при малому часі перебування в активній зоні горіння і є важливою характеристикою високоефективних енергосистем. При подальшому експлуатаційному спалюванні водовугільного палива завдяки фізикомеханічній підготовці та кавітаційно-технологічній обробці заданого компонентного складу з ультрадисперсним розпилюванням у гідровихровому перетворювачі згоряння водовугільного палива відбувається з високим ступенем вигоряння фенольних сполук, що утилізуються при повному знешкодженні останніх. Приклад 1 Вихідну сировину - вугілля марки Γ шахти Селидівської Донецької області крупністю 3 мм розмелювали у кульовому млині до дисперсності < 200 мкм. Подавали у змішувач вугілля кількістю 60 мас. %, звичайну водопровідну воду кількістю 39 мас. % та пластифікатор марки С3 кількістю не менш 1,0 мас. % від загальної маси суміші. Перемішану суміш обробляли в роторно-кавітаційному диспергаторі протягом 5 хв. доводячи склад до температури 35 °C. Фінішну дрібнодисперсну обробку перед спалюванням проводили в гідровихровому перетворювачі з функцією розпилювання оригінального виконання, що забезпечував диспергування дисперсної фази до рівня менше 5 мкм. Приклад 2 Вихідну сировину - вугілля марки Γ шахти Селидівської Донецької області крупністю 3 мм розмелювали в кульовому млині до дисперсності < 200 мкм. Вміст фенолу у фенольній воді визначали фотокалориметрично на приладі "КФК-3-01". Фенольну воду з різко вираженим запахом гуаші кількістю 39,5 мас. % при вмісті фенолу в кількості 1,5 г/л подавали у змішувач, що містив розмелене вугілля в кількості 60 мас. % і перемішували. Запах фенолу помітно зменшувався (практично зникав). На заключній стадії перемішування пластифікатор марки С-3 вводили до складу в кількості 0,5 мас. % від загальної маси суміші. Суміш подавали у роторнокавітаційний диспергатор і обробляли протягом 5 хв. до температури 35 °C. Через добу після роторно-кавітаційної обробки суспензії водовугільного палива на фенольній воді запах фенолу повністю зникав. Фінішну дрібнодисперсну обробку з розпилюванням проводили перед спалюванням у гідровихровому перетворювачі оригінального виконання із забезпечення диспергування дисперсної фази до рівня менше 5 мкм. Результат дослідження відхідних газів фотоколориметричним методом вказував на відсутність фенолу в їхньому складі. При використанні у складі фенольної води водовугільне паливо відрізнялося підвищеною седиментаційною стійкістю без додаткових стабілізуючих домішок у порівнянні з паливом на звичайній воді. Динамічну в'язкість одержаних складів водовугільного палива в процесі проведення досліджень визначали на ротаційному віскозиметрі "Реотест 2". Склади водовугільного палива на звичайній водопровідній і стічній фенольній воді після зазначеної обробки мали характеристики якісного водовугільного палива. Порівняльні характеристики палив, одержаних в однакових умовах обробки на основі звичайної водопровідної та фенольної стічної води, подані в табл. 4 UA 101032 C2 Таблиця Експлуатаційна характеристика водовугільного палива Водовугільне паливо на основі водопровідної води Змочуваність на початковій стадії погана приготування (обробки) Динамічна в'язкість, (після роторно0,68 вихрової обробки) Па•с Об'єм води, що відділився в процесі 4 седиментації, через 4 доби, Вміст фенолу у водній фазі отриманої суміші через 4 доби, мг/л Водовугільне Водовугільне паливо з Водовугільне паливо на основі додаванням 0,5 паливо на основі фенольної води з мас. % водопровідної води вихідним вмістом пластифікатора із пластифікатором фенолу у воді 1,5 на фенольній воді у кількості 1 % г/л з вмістом фенолу у воді 1,5 г/л гарна гарна гарна 0,53 0,48 0,5 1,75 0 0 0,0208 0,21 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб одержання та обробки перед спалюванням водовугільного палива, що включає сухе подрібнювання вугілля в розмелювальному пристрої, подрібнювання з водою в присутності пластифікатора в диспергаторі з регулюванням в'язкості отриманої суспензії і подальшим розпилюванням, який відрізняється тим, що подрібнювання вугілля здійснюють у кульовому млині до розмірів частинок не більше 200 мкм, змішування вугілля дисперсної вугільної фази в кількості 60-70 мас. % проводять із додаванням фенольної води при вмісті фенолу 1-2 г/л у кількості 29,5-39,5 мас. %, а додавання пластифікатора у кількості 0,5 мас. % від загальної маси проводять на заключній стадії перемішування з подальшою гомогенізацією у роторнопульсаційному диспергаторі тривалістю 5-10 хв. і наступною хімічною активацією з розпилюванням суспензійного палива шляхом тонкого диспергування до дисперсності менше 5 мкм у гідровихровому перетворювачі. 5 UA 101032 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 6