Брикетування вугілля — фізико-хімічний процес отримання механічно і термічно міцного сортового продукту — брикету, що має задану геометричну форму, розміри і масу.
Загальна характеристика Брикети використовуються у коксохімічній, металургійній, хімічній та ін. галузях промисловості, також як побутове паливо. У залежності від властивостей корисних копалин і призначення брикети повинні задовольняти наступним вимогам: а) мати атмосферостійкість, не руйнуватися від температурних коливань і атмосферних опадів; б) мати достатню механічну міцність, витримувати досить високі ударні навантаження і чинити опір стиранню і вигину; в) мати достатню пористість, що забезпечує хорошу проникність газів при високих температурах горіння; г) містити мінімальну кількість вологи, яка обумовлює додаткові витрати енергії на випаровування і знижує газопроникність брикетів; д) бути температуростійкими, не руйнуватися від впливу високих температур.
Вуглебрикетне виробництво дозволяє отримати високоякісне і транспортабельне паливо, скоротити втрати вугілля при зберіганні, перевезеннях і спаленні, запобігти самозайманню вугілля, залучити для коксування додаткові ресурси неспікливого вугілля, ефективно використовувати низькоякісні місцеві види палива, збільшити видобуток бурого вугілля для використання в енергетиці.
Брикетування вугілля здійснюється зі зв'язуючими і без зв'язуючих. За призначенням вугільні брикети бувають побутовими і промисловими. Побутові брикети можуть бути овальної, подушкоподібної або будь-якої іншої округлої форми масою 30-50 г. Для надання їм підвищеної термічної і механічної міцності, також властивостей бездимного палива їх іноді піддають термообробці. Промислові брикети служать сировиною для напів'коксування бурого і коксування кам'яного неспікливого вугілля. Вони можуть виконувати функції теплоізоляційного матеріалу, замінюють дефіцитний графіт, використовуються як основний матеріал для отримання різних електродів.
Брикетування як технологічний процес
Брикетування як технологічний процес грудкування корисних копалин складається з ряду виробничих операцій:
1) Підготовка сировини до пресування: дроблення, грохочення і висушування; підготовка зв'язуючих речовин: дозування, змішування зі зв'язуючим (у малаксері), нагрівання і охолодження шихти перед пресуванням. 2) Пресування шихти з додаванням необхідних домішок, що визначаються в залежності від фізико-хімічних властивостей і складу матеріалу, що брикетується. 3) Обробка свіжих брикетів з метою їх пришвидшеного затвердіння (охолодження, пропарювання, карбонізація, висушування, відновне випалення і ін.). 4) Складування і навантаження готових брикетів.
Механізм брикетування кам'яного вугілля зі зв'язуючим
Формування структури брикетів зі зв'язуючими розглядають як один з випадків склеювання роз'єднаних твердих частинок за допомогою клеїв. Основу структуроутворення складають стохастичні процеси взаємного розташування і адгезійної взаємодії окремих контактуючих елементів системи. Агрегатоутворення визначає прилипання і склеювання. Прилипання — як початковий стан процесу склеювання — пов'язане з утворенням впорядкованої клейової плівки на поверхні твердих частинок. Для прилипання характерний в'язкотекучий (іноді рідкий) стан зв'язуючого. Подальші процеси призводять до структурування клею і набуття агрегатом максимальної міцності. Роз'єднані тверді частинки, вкриті зв'язуючим, об'єднуються (склеюються) в брикет.
Прилипання і склеювання залежать від фізичних і хімічних властивостей клею (зв'язуючого) і твердого тіла. Особливе значення мають температура, ступінь полімеризації, полярність і структура зв'язуючого, а також природна сумісність взаємодіючих речовин. Збільшення температури інтенсифікує дифузію клею в пори і тріщини твердого тіла. Збільшення тиску в місці контакту сприяє рівномірному розподілу клею по поверхні частинок. Зі збільшенням часу контакту зростає глибина проникнення молекул зв'язуючого в пори і тріщини. Зі збільшенням шорсткості твердих частинок зростає дійсна площа контакту, поліпшуються умови проникнення зв'язуючого в мікро– і макродефекти; крім того, на нерівній поверхні шматочків можливе заклинення клею в макродефектах, що сприяє прилипанню.
Вплив зв'язуючого зумовлений його специфічними властивостями. Зі зменшенням молекулярної маси збільшується його рухливість і воно краще розтікається по поверхні твердого тіла, легше дифундує в пори і тріщини. Однак воно не створює достатнього зчеплення між частинками — брикет не має необхідної механічної міцності. Зв'язуючі з великою молекулярною масою малорухливі, високов'язкі, мають малу дифузійну здатність, що суттєво погіршує контакт «вугілля-зв'язуюче» і в результаті негативно впливає на міцність брикетів. Оптимальну клеючу здатність має зв'язуюче із середньою молекулярною масою.
Полярність зв'язуючого сприяє виникненню хімічних і дифузійних взаємодій, однак, підвищена полярність посилює структуру, знижує дифузійну активність і в'яжучі властивості клею.
Гранулометричний склад визначає сумарну поверхню зерен, кількість і величину пустот в структурному каркасі брикетів, вміст гострокутних зерен, рельєф твердої поверхні і наявність пилоподібних частинок. Підбір суміші частинок різної крупності полягає в забезпеченні найщільнішої упаковки. Щільність упаковки тісно пов'язана з розміром зерен. Наявність пилоподібних частинок приводить до зростання витрат зв'язуючих, але сприяє ущільненню і зміцненню брикетів. Міцність брикетів тим нижче, чим однорідніше ситовий склад.
Внаслідок нагрівання досягається тонкошарове розтіканням зв'язуючих по твердій поверхні і посилення зв'язку в їх адсорбційних шарах. Для посилення міцності брикетів при слабому нагріванні необхідно збільшити витрату зв'язуючого.
Надлишок вологи не дозволяє зв'язуючим міцно прилипнути до твердих частинок, механічна міцність брикетів знижується. Фізична суть процесу пресування полягає в пластичній деформації матеріалу під тиском. Під пластичністю брикетної суміші розуміють її здатність змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил без утворення тріщин і зберігати отриману форму після зняття тиску. Пластичність росте із збільшенням температури і характеризує придатність суміші до пресування, відображаючи рухливість суміші, кут внутрішнього тертя, зчеплення, прилипання і пружність.
Структурна міцність брикетів остаточно набувається в процесі охолоджування. Брикет, що виходить з процесу, має температуру, близьку до температури розм'якшення зв'язуючого. Охолодження брикетів здійснюється повітрям.
Як зв'язуюче при брикетуванні кам'яного вугілля і антрацитів використовують важкі залишки переробки смолистих нафт, кам'яновугільний пек, сульфід-спиртова барда, побічний продукт переробки деревини на целюлозу по сульфатному методу, гумати натрію і амонію, сланцеві бітуми, смола напівкоксування і фуси напівкоксування, а також суміші перерахованих вище органічних речовин.
Технологія брикетування кам'яного вугілля зі зв'язуючим Брикетування як відособлений технологічний процес грудкування корисних копалин складається з таких виробничих операцій :
1) підготовки сировини до пресування: дроблення, просіювання, подрібнення і сушіння; препарування зв'язуючих речовин; дозування компонентів брикетної шихти, їх перемішування, нагрівання та охолодження брикетної шихти перед пресуванням;
2) пресування брикетної шихти шляхом прикладання необхідних зусиль, ураховуючи фізико-хімічні властивості, петрографічний і мінеральний склад брикетованого матеріалу;
3) обробка «сирих» брикетів з метою найшвидшого їх затвердіння (охолодження, пропарювання, карбонізація, сушіння, відновлювальний випал та ін.);
4) складування і відвантаження готових брикетів.
Організація технології брикетування кам'яного вугілля і антрацитів залежить від вимог споживачів до брикетів. Для брикетування найбільш доцільно використовувати збагачений вугільний дріб'язок та антрацитовий штиб. Якісні кам'яновугільні (антрацитові) брикети повинні відповідати таким технологічним показникам: маса — 75-85 г; механічна міцність на скидання — не нижче 85 %, вміст дріб'язку (грудок менше 25 мм) — не більше 10 %, вологовбирання — не вище 4 %, вихід летких речовин — не більше 10 %, теплота згоряння — 34000-35000 кдж/кг. Зольність брикетів встановлюється залежно від якості сировини та умов її переробки
Підготовка зв'язуючих
Для брикетування кам'яного вугілля і антрацитів застосовують органічні зв'язуючі в рідкому та твердому стані. Найбільше поширен-ня одержало нафтозв'язуюче, яке використовується в рідкому вигляді. Рідше використовують тверде зв'язуюче — кам'яновугільний пек. Рідку сульфіт-спиртову барду, тверді глини і цемент застосовують в основному як модифікуючі добавки. Зв'язуюче в рідкому вигляді має ряд переваг порівняно із твердим адгезивом, зокрема воно легко диспергується, утворюючи тонкоплівкове покриття на вугільній поверхні. При цьому знижуються витрати зв'язуючого та поліпшується підготовка брикетної суміші. Для підготовки рідких зв'язуючих, зокрема нафтозв'язуючих, можливі два технологічних варіанти. У першому випадку використо-вується схема підготовки зв'язуючого, виготовленого на нафтопереробному заводі. У другому — схема, що включає підготовку нафтозв'язуючого безпосередньо на брикетній фабриці.
На діючих брикетних фабриках більш поширена перша схема, за якою на брикетну фабрику з нафтопереробних заводів кондиційне зв'язуюче доставляється в залізничних піввагонах або цистернах. На-піввагони являють собою чотиривісні залізничні платформи, на яких установлені чотири самоперекидних бункери місткістю 10 т кожний. Для зливу нафтозв'язуючого вони обладнані паровою сорочкою (по-двійними стінками). Нафтозв'язуюче вивантажується із залізничних ємностей 6 у спеціальні сховища. Місткість резервуарів становить не менше 15-20 добового запасу зв'язуючого. Сховища виконуються у вигляді окремих відсіків 5, які являють собою залізобетонні ємності (іноді металеві) місткістю 500—1000 м3 із шиферним навісом, що запобігає дії атмосферних опадів.
У відсіку встановлений донний обігрів з паровими трубчастими змійовиками, що забезпечують нагрівання зв'язуючого до 100—110°С. Додатково відсік обладнується барботажною паровою системою, яка змучує тонкодисперсні осади, що накопичуються на дні. У торці від-сіку є невеликий прийомний збірник 4 з пов'язаними з ним шестерними насосами 3. Розігріте зв'язуюче, що надійшло в прийомний збірник, насосом подається у ємність 2, а з неї паровим високотисковим насосом 1 у трубчасту піч 9, де воно нагрівається до температури 220—230°С. Із трубчастої печі зв'язуюче повертається у видаткову ємність, де змішується з «холодним» зв'язуючим, що надходить зі сховища. Такий технологічний прийом дозволяє заощаджувати тепло трубчастих печей, швидко зневоднювати «холодне» зв'язуюче та знижувати його температуру до оптимальних робочих значень (180—200°С).
Зв'язуюче, що має робочу температуру 180—200°С, з видаткової ємності високотисковим паровим насосом подається по кільцевому трубопроводу до форсунок-дозаторів 8 для змішування з вугіллям. Надлишок зв'язуючого повертається знову у видаткову ємність. Для створення необхідного підпору зв'язуючого перед форсунками на вихідній ділянці кільцевого трубопроводу встановлюється регулювальна засувка.
Другий варіант схеми підготовки рідких зв'язуючих — виготовлення їх безпосередньо на брикетних фабриках. Така підготовка має ряд переваг: спрощується технологія зливу і розігріву вихідної сировини; поліпшується якість зв'язуючого за рахунок скорочення його багаторазових нагрівів і перекачувань; здешевлюється вартість зв'язуючих.