Бурого вугілля без зв’язуючого

 

Питання, що виносяться на лекцію:

Сутність існуючих гіпотез формування буровугільних брикетів без домішки зв’язуючих речовин: бітумної, гуміново-кислотної, капілярної, колоїдної та молекулярно-капілярної, основні технологічні параметри брикетування.

Гіпотези утворення буровугільних брикетів

Існує декілька гіпотез механізму утворення брикетів з бурого вугілля при їх брикетуванні без зв'язуючих речовин.

Бітумна гіпотеза. Бітумна гіпотеза пояснює утворення брикету клеєвою дією бітумів, що знаходяться у вугіллі.

Бітумами називаються речовини, що витягаються із вугілля органічними розчинниками і їх сумішами (спиртом, бензолом, дихлоретаном, бензином та ін.) які представляють собою суміш продуктів перетворення смолистої частини рослин: смол, восків і жирних кислот.

Бітуми бурого вугілля складаються з вуглеводнів, спиртів, жирних кислот, ефірів і восків. Вихід бітумів з молодого бурого вугілля може бути більше 20 %. В старому бурому вугіллі він зменшується до 3 %. Буре вугілля, що дає вихід бітуму більше 6 %, як правило, добре брикетується.

При температурі 70-90°С бітуми розм'якшуються, плавляться, перетворюючись у пластичну масу, і, відповідно до бітумної гіпотези, склеюють частинки вугілля, виконуючи при цьому роль зв'язуючої речовини. Вода, що міститься у вугіллі, відповідно до цієї гіпотези, зменшує тертя між частинками, полегшуючи їх зближення, і, крім того, охороняє бітуми від надмірного перегріву і розкладання. При зменшенні крупності вугілля поліпшується нагрівання його часток і розм'якшення бітумів та утворюються більш міцні брикети.

Бітумна гіпотеза найбільш стара, і її неспроможність була доведена експериментально.

Гуміново-кислотна гіпотеза. Гуміново-кислотна гіпотеза пояснює зчеплення часток при брикетуванні у вугіллі гумінових кислот, що представляють собою колоїди і мають сильно виражений полярний характер.

Гумінові кислоти - це речовини, що вилучаються із вугілля слабкими розчинами лугів. Найбільший вихід гумінових кислот спостерігається у молодого бурого вугілля. Він зменшується зі збільшенням ступеня вуглефікації. Чим більше вихід гумінових кислот, тим краще брикетується вугілля.

Відповідно до цієї гіпотези, молекули гумінових кислот, завдяки сильним диполям, сприяють прояву молекулярних сил зчеплення між частинками при їх тісному зіткненні один з одним при пресуванні.

Численні дослідження по брикетуванню залишкового вугілля після видалення з нього гумінових кислот показали, що брикетна здатність його може як поліпшуватися, так і погіршуватися. Досвіди по одержанню міцних брикетів з матеріалів, що не містять гумінових кислот, наприклад лігніну (відходу гідролізного виробництва), говорять про те, що гумінові кислоти не можуть бути зв'язувальною речовиною при брикетуванні вугіль і торфу.

Капілярна гіпотеза. Капілярна гіпотеза розглядає буре вугілля як затверділу колоїдну речовину (гель), що пронизана численними капілярами, заповненими водою. У вугільному дріб'язку розглядаються капіляри первинні, наявні в частках вихідного вугілля, і вторинні, що утворяться між точками дотику окремих часток. Число й розмір первинних капілярів залежать від ступеня вуглефікації. В молодому бурому вугіллі число і розмір капілярів більше і вміст вологи відповідно вище, ніж у старого бурого вугілля.

При сушінні бурого вугілля вода із вторинних і частково з первинних капілярів випаровується. Під впливом капілярних сил, обумовлених поверхневим натягом води, що залишилася у первинних капілярах, відбуваються стиск і усадка вугільних частинок.

При пресуванні сушонки частина капілярів руйнується, частина стискується. При стиску капілярів частина води з первинних капілярів вижимається назовні, обволікає вугільні частинки тонкою плівкою і заповнює вторинні капіляри в точках контакту частинок один з одним. Вичавлена з капілярів вода, виконуючи роль змащення, сприяє більш тісному зіткненню частинок і прояву між ними молекулярних сил взаємодії.

Після зняття тиску із брикету під дією пружних сил стислих капілярів маса вугілля трохи розширюється, одна частина вичавленої води втягується назад у капіляри, а інша залишається в точках контакту частинок, утворюючи під впливом сил поверхневого натягу ввігнуті меніски. Під дією виникаючих капілярних сил частинки зв'язуються один з одним у міцний кусок.

Однак ця гіпотеза виявляється неспроможною при спробі дати відповіді на наступні питання: чому утворюються брикети з повністю висушеного вугілля при підвищеному тиску пресування та чому у брикетів при поступовому повному їх підсушуванні зберігається значна міцність?

Колоїдна гіпотеза. Колоїдна гіпотеза пояснює утворення брикету дією молекулярних сил зчеплення Ван-дер-Ваальса. По колоїдній гіпотезі буре вугілля розглядається як речовина, що складається із двох фаз: твердої й рідкої. Тверда фаза складається із дрібних колоїдних гумінових частинок, розміром від 10^-3 до 10^-5 мм. При зближенні цих частинок під дією тиску пресування виникають сили молекулярного зчеплення, обумовлені ліополярними групами гумусових речовин. Ці сили обумовлюють зв'язок молекул у рідині і кристалах і поєднують колоїдні частинки в гелі. Зближення колоїдних часток під впливом тиску пресування обумовлює міцність брикетів. Чим менше тіло, тим більше відношення його поверхні до маси й тем більше величина сил поверхневого зчеплення.

Колоїдна гіпотеза заперечує вплив на процес схоплювання часток поверхневого натягу водяних плівок. Вода грає другорядну, допоміжну роль і служить тільки змазкою, що полегшує зближення часток. При недоліку вологи утрудняється зближення часток, що позначається на міцності брикетів. При надлишку вологи збільшується відстань між частинками і зменшується прояв сил взаємодії між ними; міцність брикетів зменшується. Вміст вологи, що відповідає найбільшому зближенню часток і прояву сил зчеплення, приймається за оптимальний.

Колоїдна гіпотеза певною мірою поєднує і доповнює капілярну і гуміново-кислотну гіпотези та повніше висвітлює механізм утворення брикету. З'єднання часток у брикет по колоїдній гіпотезі обумовлено колоїдною будовою вугілля, однак є матеріали неколоїдної будови (металеві порошки, кристалічні солі та ін.), які добре пресуються.

Уяви про колоїдну будову вугілля застаріли. В наш час більшість дослідників дотримуються думки, що буре вугілля є високомолекулярний полімер нерегулярної будови та аморфної структури.

Молекулярно-капілярна теорія. І. Є. Святець та А. А. Агроскін встановили, що при брикетуванні на штемпельних пресах буровугільної сушонки крупністю 0-6 мм при оптимальній вологості 18-19 % у внутрішніх шарах частинок всіх класів крупності (від +6 до 0-1 мм) крім адсорбційно-зв’язаної вологи втримується також капиллярно- зв’язана волога. Потім вони визначили розміри капілярів у внутрішніх шарах підсушених часток кожної крупності, що перетерпіли різний ступінь підсушування і усадки, і необхідний зовнішній тиск для вижимання вологи з капілярів. При цьому було встановлено, що цей зовнішній тиск дорівнює оптимальному тиску пресування, що відповідає максимальної міцності брикетів із часток кожної крупності залежно від їхньої вологості.

Таким чином, в утворенні брикетів беруть участь як молекулярні, так і капілярні сили.

В процесі стиску вугільних часток при пресуванні в результаті взаємодії дотичних поверхонь відбувається спочатку їхнє зчеплення під дією всіх видів молекулярних сил. Інтенсивність дії молекулярних сил залежить від тиску до початку вижимання капілярної вологи та товщини плівки адсорбційно-зв’язаної води на поверхні часток, що зменшує дію молекулярних сил.

Волога, що потім вичавлює, з первинних капілярів внутрішніх шарів заповнює проміжки між частками, створюючи додаткові капілярні сили зчеплення. Міцність брикетів із частинок різної крупності буде залежати від вмісту капілярної вологи.

Найбільша міцність буде в брикетів із частинок розміром 1-3 мм, вміст капілярної вологи в яких оптимальний. Зі збільшенням крупності частинок міцність падає внаслідок надлишку капілярної вологи та ростискуючої дії водних плівок, а при зменшенні розміру часток (-1 мм) міцність знижується через недолік (дефіцит) капілярної вологи.

Молекулярно-капілярна теорія більш правильно пояснює механізм утворення буровугільного брикету, підтверджена експериментальними дослідженнями й практикою.