способ подготовки углеводородсодержащего связующего к смешению с углеродсодержащей шихтой

Формула изобретения

1. Способ подготовки углеводородсодержащего связующего к смешению с углеродсодержащей шихтой, включающий нагрев связующего до жидкоподвижного состояния, подачу в него газообразного пенообразователя при смешивании с вспениванием связующего, отличающийся тем, что вспенивание связующего ведут в присутствии твердых веществ с размером частиц 110⁴ 5 10⁷ в количестве 0,01 20,0% от массы связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсные вещества выбирают из ряда: кокс, полукокс, уголь, известняк, кварц, цеолит, гранит, резина, сланцево-битумная порода, карбонатно-битумная порода, сульфат кальция и вводят их при вспенивании связующего.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве газообразного пенообразователя используют насыщенный водяной пар или азот, насыщенный водяным паром, с температурой на 40 210^oС ниже температуры связующего, нагретого до 140 250^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подготовке связующего и может быт использовано в коксохимической, нефтехимической, химической промышленности для подготовки связующих при получении графитированных электродов, брикетов, коксовании частично брикетированных шихт, в дорожном строительстве при приготовлении асфальтобетонных смесей и др.

Известен способ подготовки связующего для брикетирования, заключающийся в его нагреве до жидкотекучего состояния, добавлении к измельченному углю 6 7 связующего от веса шихты, смешивании угля со связующим [1]

Недостаток способа связан с большим расходом связующего, что ухудшает технико-экономические показатели процесса подготовки шихты.

Известен способ подготовки связующего пека, включающий его нагрев до жидкого состояния перед смешением с углем [2] Для уменьшения расхода пека и улучшения смешения с твердым материалом-углем в уголь вводят до 0,5 0,6 эмульсии, полученной из каменноугольной смолы и воды.

Несмотря на введение в уголь эмульсии расход связующего пека значительный (до 7).

Известен способ подготовки связующего перед смешением с твердым материалом [3] согласно которому связующее и воду нагревают и под давлением через форсунки распыляют связующее, смешивают с перегретым водяным паром, образовавшееся вспененное связующее смешивают далее с углем. В этом способе пар и связующе подают раздельно с помощью форсунок.

Недостаток этого способа связан с относительно небольшим объемом пены и невысокой скоростью ее образования, что объясняется следующим. Перегретым водяной пар является неэффективным пенообразователем, что повышает толщину пленки связующего на поверхности угля, увеличивает расход связующего и ухудшает технико-экономические показатели процесса.

Связующие (нефтяные и др.) не содержат твердые частицы, являющиеся центрами пенообразования. Это повышает температуру начала образования пены (нагрева связующего), уменьшает ее объем и скорость образования, приводит к увеличению вероятности выбросов смеси из аппарата (при нагреве), повышению пожароопасности и взрывоопасности процесса. Многие связующие (нефтебитумы, смолы и др. ) содержат вещества антивспениватели, затрудняющие образование вспененной массы связующего.

Кроме того, недостаток способа [3] связан с применением давления, что приводит к повышению энергетических затрат.

Наиболее известным является способ подготовки углеводородсодержащего связующего [4] cогласно которому связующее нагревают до 180 250^oC (до жидкоподвижного состояния) и вспенивают водяным паром с температурой 100^oC. Подготовленное таким образом связующее смешивают с измельченным углем.

Известный способ является недостаточно эффективным из-за невысокого объема (кратности) пены и низкой скорости вспенивания. Кроме того, связующие (особенно нефтяные) содержат вещества-антивспениватели, затрудняющие их вспенивание водяным паром.

Задача изобретения повышение эффективности способа и уменьшение времени обработки связующего водяным паром.

Это достигается тем, что в способе подготовки углеводородсодержащего связующего к смешению с углеродсодержащей шихтой, включающим нагрев связующего до жидкоподвижного состояния, подачу в него газообразного пенообразователя при смешивании со вспениванием связующего, вспенивание связующего ведут в присутствии твердых веществ с размером частиц 10⁴ 510⁷ в количестве 0,01 20 от массы связующего.

Дисперсные твердые вещества выбирают из ряда: кокс, полукокс, уголь, известняк, кварц, цеолит, гранит, резина, сланцево-битумная порода, карбонатно-битумная порода, сульфат кальция и вводят их при вспенивании связующего.

В качестве газообразного пенообразователя используют насыщенный водяной пар или азот, насыщенный водяным паром, с температурой на 40 210^oC ниже температуры связующего, нагретого до 140 250^oC.

Введение в жидкоподвижное связующее (пек, смолу и др.) твердых частиц - карбен-карбоидов, коксовых, угольных частиц и др. и водяного пара приводит к резкому вспениванию связующего, что объясняется следующим.

Вспененное связующее является дисперсной системой, включающей ячейки, заполненные водяным паром и разделенные тонкими пленками связующего, толщина которых равна 10 200 нм [5]

Твердые частицы являются центрами, вокруг которых происходит образование ячеек связующего и воды. Они имеют более высокую температуру по сравнению с окружающим их связующим и водой, поэтому вблизи этой частицы образование указанных выше ячеек (пенообразование) происходит в более мягких условиях - при пониженной температуре и более интенсивно (с большей производительностью и скоростью). Кратность пены в этом случае может достигать высоких значений (40 50 и выше).

Некоторые нефтяные связующие содержат в своем составе антивспениватели, которые добавляют в нефть в процессе ее переработки, поэтому вспенивание нефтяных связующих в значительной мере затруднено и происходит при более высоких температурах со значительным индукционным периодом (50 60 мин и более) и перегревом, что вызывает резкий выброс реакционной массы из аппарата.

Введение указанных выше твердых органических и неорганических веществ (коксов, полукоксов, углей и др.) приводит к уменьшению индукционного периода и перегрева реакционной массы и увеличению скорости и интенсивности пенообразования.

Интенсивность (кратность) образования пены связующего зависит от размеров частиц и увеличивается по мере снижения их размера. С увеличением размера частиц выше интенсивность образования пены понижается, что обусловлено уменьшением поверхности контакта с молекулами воды и связующим. С увеличением количества твердых частиц в связующем (выше 0,01) пенообразование в системе повышается. При высоком содержании твердых частиц (более 20) вспенивание связующего в значительной мере ограничивается адгезией (адсорбцией) связующего на твердом материале, что понижает степень его отслаивания с твердой поверхности. Наиболее целесообразно применение добавки твердых частиц к связующему в количестве от 0,01 до 4 5 что обеспечивает высокую скорость пенообразования.

Скорость образования пены зависит от природы твердого материала. Наиболее эффективно пенообразование связующих происходит в присутствии карбен-карбоидов и воды, что обусловлено образованием водородных связей между -ароматической системой молекул карбен-карбоидов и молекулой воды, способствующих ее активации и образованию ячеек с молекулами связующих в области твердой частицы. Менее эффективными материалами являются кварц, граниты, слабо взаимодействующие с молекулами воды.

Температура нагрева связующего равна 140 250^oC. Уменьшение температуры нагрева связующего ниже 140^oC нежелательно, так как возрастает вязкость связующего и сопротивление при барботировании пара увеличивается выше 100 мм рт. ст. Увеличение температуры нагрева связующего выше 250^oC также нежелательно вследствие его сильного пенообразования и возможности выбросов реакционной массы при подаче в систему водяного пара.

В качестве пенообразователей используют насыщенный водяной пар или инертные газы (азот) или газы, содержащие воду. Наиболее эффективно использование насыщенного водяного пара, способствующего образованию наибольшего количества ячеек воды и связующего и вспененного связующего.

Пенообразователи водяной пар нагревают до температуры 98 100^oC, сухие газы или газы, насыщенные парами воды, нагревают до температуры 40 - 100^oC. В случае использования в качестве пенообразователя сухого газа или газа, насыщенного парами воды, связующее должно содержать воду или ее необходимо предварительно вводить в связующее в количестве 3 7 от массы связующего.

Вспенивание ведут путем подачи в жидкое связующее насыщенного водяного пара, сухого газа или газа, насыщенного водяными парами. Водяной пар с низкой температурой 98 100^oC, попадая в связующее, нагретое до более высоких температур (140 250^oC) образует со связующим ячейку большего объема (за счет расширения), чем при более низких температурах, что увеличивает кратность пенообразования и скорость образования пены.

Пример 1. 429,2 г нефтяного связующего, имеющего следующую характеристику: температура размягчения 42^oC, плотность при 20^oC - 1,009 г/см³, вязкость при 120^oC 7 пауз, выход летучих 88 содержание серы 2,6 зольность 0,1 температура самовоспламенения 280^oC, загружают в реактор емкостью 1,5 л, нагревают до 160^oC и барботируют через слой жидкого связующего водяной пар с температурой 100^oC со скоростью 1,510^-2 г пара/г связующего мин. После этого, одновременно не прекращая подачу водяного пара и перемешивания путем его барботирования, в реактор сразу добавляют 0,05 г угольной пыли с размером частиц 10^-3 0,07 мм. В результате обработки связующего водяным паром в течение 35 мин образуется вспененное связующее с кратностью пены более 35, время жизни пены 11,2 с. Вспененное связующее смешивают с угольной шихтой состава, 80 СС + 20 К₂ (Кузнецкий бассейн, класс 3 0 мм 75), нагретой до 70^oC, в течение 5 7 мин в лопастном двухъякорном смесителе с внешним электрическим обогревом. Расход связующего равен 3 воды 3 Подготовленную таким образом смесь прессуют на гидравлическом прессе под давлением 20 МПа/см².

Брикеты имеют цилиндрическую форму с площадью поперечного сечения 19,6 см², масса брикета 100 г. Кажущийся удельный вес брикета 1,19 г/см³, влажность 6,5 влагопоглощение 1,2 теплотворная способность (на горючую массу) 7560 ккал/кг. Механическая прочность брикетов на сбрасывание 98

Пример 2. 426,3 г нефтяного связующего, характеристика которого приведена в примере 1, загружают в реактор емкостью 1,5 л, нагревают до 210^oC и барботируют через слой жидкого связующего водяной пар с температурой 98^oC со скоростью 2,1 10^-2 г/г связующего мин. Одновременно с подачей пара в реактор, не прекращая барботирования, добавляют 4,3 г коксовой пыли (размер частиц 0,01 0,07 мм). После 15 мин обработки образуется вспененное связующее (кратность пены 43, время жизни 12 с), которое смешивают с измельченным углем и брикетируют в условиях, приведенных в примере 1.

Получают брикеты с кажущимся удельным весом 1,20 г/см³, влажность 6,7 влагопоглощение 1,3 теплотворная способность на горючую массу 7800 ккал/кг. Содержание связующего в шихте 3,5 воды в связующем 3,2 Прочность брикетов на сбрасывание 95

Пример 3. 518,3 г каменноугольного пека, имеющего следующую характеристику: температура размягчения 38^oC, плотность при 20^oC - 1,233 г/см³, вязкость при 100^oC 2 пуаза, выход летучих веществ 78 содержание серы 0,46 зольность 0,1 температура самовоспламенения 570^oC, содержащего 5,75 карбен-карбоидов с размером частиц , загружают в реактор емкостью 1,5 л и нагревают до 180^oC и барботируют через слой жидкого пека водяной пар с температурой 98^oC со скоростью 1,6 10^-2 г/г пека мин. После двух минут обработки слоя пека водяным паром образуется вспененное связующее, которое смешивают с измельченным углем в условиях, приведенных в примере 1 (кратность пены 50, время жизни пены 20 с).

Получают брикеты с кажущимся удельным весом 1,22 г/см³, влажность 7,0 влагопоглощение 1,8 теплотворная способность 7870 ккал/кг. Содержание связующего в шихте 4 воды в пеке 3 Прочность брикетов на сбрасывание 99

Пример 4. 315 г Северо-Двинской смолы, имеющей следующую характеристику: коксовая пыль 20% размер частиц 10^-3 5 мм; содержание, воды 21,9, оснований 3,4, осмоляющихся веществ 35,3, карбоновых кислот 2,5, фенолов 4,3, асфальтенов 2,4, нейтральных соединений 13,63, загружают в реактор емкостью 1 л, нагревают до 130^oC и барботируют через смесь азот, насыщенный парами воды, при температуре 50^oC со скоростью 15 мл/мин. Образующееся вспененное связующее (кратность пены 38, время жизни пены 60 мин) смешивают с измельченным углем и брикетируют в условиях, приведенных в примере 1.

Получают брикеты с кажущимся удельным весом 1,21 г/см³, влажность 7,2 влагопоглощение 1,7 теплотворная способность 7650 ккал/кг. Содержание связующего в шихте 4,2 воды в связующем 3,8 Прочность брикетов на сбрасывание 92

Результаты получения вспененного нефтяного связующего и брикетирования угольной шихты состава, 56 Ж + 15 ГЖО + 10 К14 4 К2 10 ОС + 5 СС, с различными твердыми материалами (известняком, кварцем и др.) приведены в таблице.

Как видно, получается связующее с кратностью пены 30 56, временем жизни пены 10 15 с, прочность брикетов на сбрасывание 95 98

Предлагаемый способ, в отличие от прототипа позволяет увеличить объем пены и скорость вспенивания путем введения в связующее твердых частиц; повысить эффективность процесса подготовки связующего за счет улучшения условий пенообразования и уменьшения индукционного периода при нагреве, повысить безопасность процесса за счет устранения возможности выброса связующего при его перегреве.