Угольные брикетные карандаши. Забытый способ получения тепла без дыма и пламени
Угольные брикетные карандаши. Забытый способ получения тепла без дыма и пламени
Язев А.С., инженер
г. Луганск, [email protected]
«Давний случай на охоте», изложенный автором «pensioner65» на сайте «Сибирский охотник», напомнил мне об одном, не совсем заслуженно забытом, способе обогрева и приготовления пищи. Может быть, способность угольных брикетов сгорать без дыма и пламени с управляемой скоростью за счет комплексного применения катализаторов и ингибиторов пригодится и в наше время.
Технология предложена Равичем М.Б. в 1942 г. и применялась в Красной армии в виде коробок из листового металла с отверстиями для обогрева бойцов и разогрева пищи в условиях, когда нельзя было использовать открытый огонь и требовалось исключить появление дыма на боевых позициях.
Угольные брикетные карандаши изготавливают из рабочей смеси, состоящей из древесного угля с добавлением жидкого стекла (связующее) и порошка окиси магния (ингибитор). Готовые карандаши укладываются с коробку в ряд, один над другим, до полного заполнения объема с некоторым смещением, для возможности воспламенения карандашей по очереди от предыдущего.
Изготовление
80 ч. (частей) порошка древесного угля, просеянного через сито № 70 (0-0,80 мм) смешать с 45 ч. связующей смеси, тщательно перемешать и брикетировать (спрессовать).
Связующая смесь
К 40 ч. горячей воды добавить 1 ч. порошка окиси магния. Полученную массу перемешать и кипятить 30 минут. Затем прибавить 4 ч. (при пересчете на сухой остаток) чистого жидкого стекла, перемешать.
После смешения с древесным углем, рабочая смесь готова к брикетированию.
Давление брикетирования не более 50 кг/см2, причем, влага не должна отжиматься. Затем брикеты (карандаши) сушат на воздухе или горячим воздухом. Интенсивность сушки определить экспериментально.
Теплотворная способность низшая карандашей Qн=7000 ккал/кг при зольности рабочей Ар=10 %.
Для получения совершенно бездымных и влагоустойчивых карандашей необходима их термообработка без доступа воздуха при температуре t=600 °С.
Диаметр карандаша D =14 мм, длина L= 80 мм.
Для желающих познакомиться с описанной технологией глубже - предлагаю две справки.
Справка 1. Жидкое стекло или силикатный клей
Впервые жидкое стекло получил в 1818 немецкий химик и минералог Ян Непомук фон Фукс.
В настоящее время изготовляется путем обработки в автоклаве кремнезёмсодержащего сырья концентрированными растворами гидроксида натрия или сплавлением кварцевого песка с содой. Известны также способы получения жидкого стекла, основанные на прямом растворении кремнистого сырья (Опоки, трепелы, диатомиты и др.) в растворах щелочей при атмосферном давлении и относительно невысокой температуре (температура кипения раствора щелочи).
Характеристикой химического состава жидкого стекла является силикатный модуль. Модуль показывает отношение содержащегося в жидком стекле оксида кремния к оксиду натрия или калия и характеризует выход кремнезема в раствор, но по величине силикатного модуля о качестве жидкого стекла не судят.
Одно из торговых названий — «силикатный клей».
Справка 2. Активация процесса горения твердого топлива
Известно, что активация процесса горения твердого топлива может быть осуществлена двумя методами:
посредством каталитической активации топлива;
посредством воздействия накаленных поверхностей для дожигания горючих газов, выделяющихся при сжигании твердого топлива.
Стимулирующее воздействие золы топлива может быть значительно усилено добавлением к топливу каталитически активных присадок, а влияние огнеупорных стенок топки может быть увеличено введением дожигательных насадок и применением каталитически активных поверхностей.
Вопросы, связанные с конструктивными особенностями топок в настоящем ТЭО не рассматриваются, поэтому ниже будут освещены проблемы, связанные с производством катализированных угольных брикетов.
Катализаторы процесса окисления углерода
Исторически, вопрос о каталитической активации твердого топлива привлекал внимание многих исследователей. Было установлено значительное ускорение реакций взаимодействия углерода с паром и углекислым газом при 490…570 ?С при активации полученного обжигом скорлупы кокосовых орехов древесного угля углекислым натрием и в особенности углекислым калием, взятым в количестве 10 и 20 % от веса угля и высказано предположение, что применение углекислых щелочей способствует разложению первичного комплекса, образующегося при окислении углерода, и благодаря этому стимулирует процесс окисления.
Известно, что обработка кокса известковым молоком повышает его реакционную способность по отношению к углекислому газу в интервале температур 900…1100 ?С. Исследованы, также, воздействие окислов различных металлов на процесс газификации графита, древесного угля и каменноугольного швелькокса водяным паром. По возрастающей каталитической активности окислов металлы располагаются в следующем порядке: алюминий, кобальт, марганец, ванадий, железо, никель, хром, медь. Окислы свинца и ртути оказались каталитически инертными.
Активность карбонатов щелочных металлов возрастает в следующей последовательности: литий, цезий, рубидий, натрий, калий.
Существует мнение, что каталитический эффект воздействия углекислых щелочей обусловливается циклом следующих реакций:
Na2CO3 + 2C = 2Na + 3CO
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
2NaOH + 2CO = 2HCOONa = Na2H2C2O4 = Na2CO3 + H2 + CO
Известны данные о влиянии различных добавок (в количестве 5 % масс.) на температуру воспламенения углерода (см. таблицу 1).
Разработка методов приготовления беспламенных бездымных брикетов была начата в 1941 году в Энергетическом институте Академии Наук СССР, а уже в 1942 был разработан и осуществлен метод производства беспламенных катализированных брикетов на основе использования промышленных отходов без применения ценных или дефицитных материалов.
Хлористые соли железа, алюминия, кальция, магния, марганца, калия и кремневой кислоты оказывают на реактивность обеззоленного промышленного кокса существенное влияние. Первое место занимает хлорид железа, второе – кальция, третье – калия.
Реактивность кокса увеличивается с увеличением отношения (Fe+Ca)/(Al+Si) в золе. В таблице 2 приведены составы некоторых запатентованных (несколько сотен патентов) активирующих добавок (% масс), и масштабы их промышленного использования.
Сопоставление каталитического воздействия натрия и калия в виде различных солей позволяет установить влияние анионов на каталитические свойства щелочных металлов. В этой связи рассматривалось каталитическое воздействие: гидратов, карбонатов, хлоридов и сульфатов калия и натрия. Установлено, что карбонаты щелочных металлов по своему каталитическому воздействию мало уступают гидратам. Хлориды также обладают явно выраженным каталитическим эффектом, но менее активны, чем гидраты и карбонаты. Сульфаты являются каталитически инертными.
Применением 4 % NaCl или КCl удается обеспечить легкое зажигание и безотказное горение брикетов и получить от присадки 4 % хлоридов каталитический эффект, равный введению 3 % гидратов или карбонатов щелочных металлов.
Брикеты с добавками окиси кальция и окиси магния гаснут, в то время как брикеты, активированные добавками углекислого или хлористого натрия, горят безотказно. Брикеты, активированные углекислым или хлористым натрием, сгорают до полного озоления даже в условиях, когда на воздухе горит одиночный брикет, т.е., горение протекает не в слое топлива и без применения какого-либо очага для организации горения. Кроме того, подбор химического состава шихты позволяет управлять скоростью окисления углерода, то есть, продолжительностью сгорания брикетов. Зольность брикетов может достигать 30…40 %. Нижний предел теплоты сгорания, при котором их можно сжигать без дополнительного топлива, составляет от Qн.min = 3,35 МДж/кг. Шведский ученый Таннер установил, что без дополнительного топлива углеродсодержащие вещества могут гореть при содержании углерода (С) не менее 25%.
На Рис.1 приведен, так называемый треугольник Таннера, иллюстрирующий область горения углеродсодержащего вещества без дополнительного топлива. По Таннеру, нижний предел теплоты сгорания высокозольного и влажного органического вещества, при котором возможно его сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует условию: W = 50%, А = 25%, С = 25% или W = 25%, А = 50%, С = 25%, т.е., главное, чтобы содержание углерода превышало двадцать пять процентов. Основываясь на этой зависимости можно сделать вывод, что большинство отходов углеобогащения можно преобразовать в альтернативное топливо, значительно сократить площади для складирования отходов угледобычи и улучшить экологическую обстановку в угледобывающих регионах.
Рис. 1
Треугольник Таннера
Выше приведенные данные говорят о целесообразности введения катализаторов в состав угольной шихты при изготовлении брикетов.
Связующие вещества
В качестве связующих веществ при производстве используют жидкое стекло, лигносульфонат, малассу, известь, карбидную известь и их смеси. В качестве добавок, поглощающих и связывающих серу и ее соединения, применяют мел, известь, дефикат (отход сахарного производства, содержащий до 74 % мела). Известны технологические процессы, основанные на использовании различных глин.
Жидкое стекло применяют в качестве связующего при изготовлении ферросплавных брикетов. Жидкое стекло получают из силикат-глыбы путем растворения в автоклавах острым паром под давлением 6-8 ати. Процесс растворения низкомодульных силикатов длится пять часов. Плотность раствора равна 1,4 – 1,45 г/см?. Для перекачки применяют мембранные насосы. В целях сокращения расходов целесообразно приобретать и транспортировать силикат-глыбу, а не готовое жидкое стекло.
Лигносульфонат - побочный продукт, образующийся в целлюлозно-бумажном производстве при получении целлюлозы из древесины. по химическому составу – это соли лигносульфоновой кислоты, по агрегатному состоянию – водорастворимые коллоиды, широко применяющиеся в литейном и огнеупорном производствах.
Меласса – побочный продукт сахарной промышленности, выпускаемый заводами по ОСТ 18-395-82 «Меласса свекловичная» с показателями:
- Доля сухих веществ, % масс. не менее – 75,0;
- Доля сахарозы, % масс. – 43,0;
- Доля сбраживаемых сахаров, % масс – 44,0;
- рН среды – 6,5-8,5.
Для получения доменных брикетов в качестве связующего широко применяются известь-пушонка и меласса в соотношении 60/40 %.
В последние годы, в связи с появлением жестких законов по защите окружающей среды за рубежом, для бытовых целей изготавливают только бездымные, низкозольные (10-12 %) с малым содержанием серы до 1 % брикеты. В качестве связующих материалов чаще всего используют лигносульфонат, мелассу и крахмал. Французская фирма “Roguette” обладает патентами на две системы брикетирования с применением крахмала и различных добавок. В Англии аналогичные технологии использует фирма “Cerestar”.
Чаще всего на практике используют не один вид связующего, а их композиции.
Из продуктов химической промышленности в качестве связующих веществ могут применяться фенольные и фенолформальдегидный смолы с отвердителями, ПВА. В брикетных производствах Англии и Франции широко применяется ортофосфорная кислота как добавка (1 %) для увеличения водостойкости.
К неорганическим связующим относятся производные карбонатов кальция и магния, сульфаты кальция, силикальциты, цементы и глины. В последнее время стали использоваться фосфатные связующие. Установлено, что при взаимодействии глинистых веществ с ортофосфорной кислотой образуются два типа связующих – твердеющие в холодном состоянии и при нагревании. Лучшие результаты получены при использовании алюмофосфатных связующих. Удовлетворительные результаты получены в Польше при применении жирных глин в сочетании с известью (20,0 %) и цементом (15,0 %).
Работы, выполненные в свое время в УХИНе (г. Харьков), подтверждают вышеизложенное и дают основание для принятия в настоящем ТЭО новой технологии брикетирования, которая позволяет получать брикеты с заданными потребительскими свойствами путем применения водорастворимых связующих с низкой температурой полимеризации и катализаторов при брикетировании на прессах с асинхронным перемещением валков. Такой способ прессования позволяет увеличить адгезию брикетируемых частиц за счет тангенциально приложенной силы смещения.
Использование в качестве связующего экологически чистых веществ, например мелассы (отход сахарного производства) существенно облегчает экологическую нагрузку в районе производства этого альтернативного топлива.
Особый интерес вызывает возможность использования в качестве катализаторов низкокачественной продукции или отходов производства предприятий, расположенных в Луганской и Донецкой областях, например, комовой соли, добываемой в ГП Объединении «Артемсоль» и хлористого кальция, являющегося отходом производства соды ООО «Лиссода».
Как же тогда горят(шают) три брикетика окускованного древесного угля(размерами, к примеру 25х25х25мм) на фольге верхушки кальяна? Ведь там нет никаких катализаторов и ингибиторов, исключительно - уголь плюс связующее(крахмальное).