Технические науки/10. Горное дело

Рассказова А.В.¹, Александрова Т.Н.², Пячин С.А.³, Дворник М. И.³

¹ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук

² Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

³ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук

Совершенствование характеристик топливных брикетов с применением физико – механических воздействий на его компоненты

(Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы 42П «ДАЛЬНИЙ ВОСТОК»; 12-I-P27-03 «Фундаментальный базис инновационных технологий прогноза, оценки, добычи и глубокой комплексной переработки стратегического минерального сырья на Дальнем Востоке, необходимого для модернизации экономики России»)

Несомненна актуальность разработки технологии получения высококачественного сортового окускованного топлива, предусматривающей вовлечение в переработку угольной мелочи (отсев, отходы углепереработки, угольная мелочь, накапливаемая при перевозке и погрузочно – разгрузочных операциях) и углеродсодержащих отходов деревоперерабытывающей промышленности (технический гидролизный лигнин ‑ ТГЛ). Применение в качестве связующего материала отходов нефтепереработки (битума нефтяного) позволяет повысить теплотворную способность брикетов, влагостойкость и окисляемость. С целью повышения качественных характеристик топливных брикетов (повышение теплоты сгорания, уменьшение количества зольного остатка) предполагается пневматическое обогащение угля перед брикетированием.

Предлагается остающийся после гидролиза углеводной части древесины лигнин, подвергать сушке и физико – механическому воздействию – механоактивации, с целью совершенствования характеристик топливных брикетов.

Уголь не смачивается маслянистыми веществами, следовательно, введение механоактивированного наполнителя, обладающего развитой поверхностью, хорошими адсорбционными свойствами и поглощающим масляную фракцию нефтяного битума, способствует улучшению адгезионного взаимодействия между углем и нефтебитумным связующим, улучшая прочностные характеристики брикета. При брикетировании имеет место иммерсионное смачивание поверхности наполнителя расплавленным связующим материалом.

В задачи данного исследования входит рассмотрение физико – химических основ межфазного взаимодействия фаз внутри брикета, исследование изменений структуры наполнения в результате физико – химических воздействий и влияние механоактивации на прочностные характеристики брикетов.

Физико - химические основы системы «связующее–наполнитель». При совершенствовании характеристик топливных брикетов необходимо учитывать, что на прочностные характеристики брикетов значительное влияние оказывают поверхностные явления на границе раздела наполнителя (уголь, лигнин) и связующего (нефтебитум): смачивание, пропитка и адгезия, зависящие от химического состава и реакционноспособных групп [1].

Изменение структуры наполнителя топливного брикета под действием физико – механический воздействий. С целью исследования изменения структуры наполнителя топливного брикета – технического гидролизного лигнина проведена его механоактивация в планетарной мельнице Fritch «Pulverisette 5». Крупность исходной фракции – 3мм, время механоактивации ТГЛ – 5 и 10 минут (условия механоактивации – соотношение пробы и шаровой загрузки 1:20, скорость вращения барабана 1000 об/мин). Спектроскопические исследования качественного группового состава исходных и механоактивированных образцов были выполнены на УФ - спектрофотометре Shimadzy UV-2600 с интеграционной сферой IRS-2600 Plus для твердых образцов. Описание выявленных в составе ТГЛ функциональных групп и соединений приведены в табл. 1 (τ_а – время механоактивации, мин.; λ - длина волны, Abs – поглощение света) [2].

Таблица 1 Спектры поглощения ТГЛ в УФ и ближней ИК областях

Описание	Физико – механические воздействия на ТГЛ
	ТГЛ, τа = 0 мин.		ТГЛ, τа = 5 мин.		ТГЛ, τа = 10 мин.
	λ, нм	Abs, ед	λ, нм	Abs, ед	λ, нм	Abs, ед
-С-СН3	1383	0,342	1382	0,174	1382	0,170
сопряжение двойных связей, 215–270 нм	270	1,741	273	1,688	272	1,689
	231	1,732	231	1,681	231	1,684
	199	1,641	199	1,606	201	1,600
деформационные колебания ОН и С-О	1367	0,332	1356	0,160	1356	0,155
	240		1346	0,160	1336	0,155
			1319	1,161	248	1,674
возбуждение p-p*и n-p*		0,725	250	1,671	207	1,579
	203	1,628	208	1,579		0,170

Влияние механоактивированных добавок на прочностные свойства брикетов. Предварительными поисковыми экспериментами установлен интервал варьирования состава топливного брикета: уголь (‑ 2 мм) – 75‑80 % масс., ТГЛ – 10 % масс., битум – 10-15 % масс. Получены три серии брикетов: I – на основе ТГЛ крупностью – 2 мм; II ‑ на основе механоактивированного ТГЛ, время активации τ_а = 6 мин; III ‑ время активации τ_а = 10 мин. Внутри каждой серии варьировались давление прессования и процентное содержание связующего компонента. Испытание прочности на сжатие брикетов проведено согласно ГОСТ 21289-75 «Брикеты угольные. Методы определения механической прочности». Сравнительные данные прочностных исследований брикетов, в состав которых входит исходный ТГЛ (фракция – 2 мм) и ТГЛ различной степени механоактивации приведены в табл. 2 (Р_пресс ‑ давление прессования, при которым был получен топливный брикет).

Таблица 2 Прочностные характеристики брикетов

Давление прессования Рпресс, МПа	Содержание связующего В, %	Прочность на сжатие RC, МПа			Увеличение прочности на сжатие ARC, %
		τа = 0 мин	τа = 6 мин	τа = 10 мин	τа = 6 мин	τа = 10 мин
100	10	2,27	3,05	2,95	34,36	29,96
160	10	2,45	3,58	3,31	46,12	35,10
100	15	2,49	3,85	3,66	54,62	46,99
160	15	2,55	4,04	3,75	58,43	47,06

Существенное влияние на прочность брикета оказывают давление прессования и степень активации одного из компонентов топливного брикета – технического гидролизного лигнина.

Оптимальное время механоактивации ТГЛ при указанных условиях составляет 6 минут.

Выводы. Вовлечение отходов гидролизного производства и угледобывающей промышленности в переработку имеет как экологические, так и экономические преимущества. Анализ ультрафиолетовых спектров технического гидролизного лигнина различной степени механоактивации выявил, что применение физико – механических воздействий на компоненты топливного брикета (технический гидролизный лигнин) повышает энергию межфазного взаимодействия. При этом увеличивается свободная энергия обрабатываемого материала, происходит рост удельной поверхности, что способствует улучшению межфазного взаимодействия между наполнителем (обогащенной угольной мелочью и лигнином) и нефтебитумным связующим. Изменения внутренней структуры брикета выражаются в улучшении прочностных характеристик топливного брикета и в повышении его потребительских характеристик в целом.

Литература:

1. Татаринцева, О.С., Зимин, Д.Е., Ходакова, Н.Н. Роль поверхностных явлений на границе раздела наполнитель – связующее в формировании механических характеристик пластиков // Пластические массы. 2013. Т. 1. № 1. С. 47-50

2. Карнаухова, Л.И., Тупицын, Е.Н. УФ-спектроскопия биологических макромолекул, Саратов 2002, 52 с.