CC BY
108
УДК 622.236
МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ БУРЫХ УГЛЕЙ СТРУЯМИ ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
В.В. Платонов, А.Б. Жабин, А.А. Маликов
Описана сущность механохимической активации вещественного состава бурых углей различными способами, в том числе и при помощи струй воды высокого давления. На основе проведенных экспериментов раскрыты преимущества механохимической активации с использованием высокоскоростных струй воды. Предложен способ получения жидких углеводородов, технологическая схема процесса термоожижения, а также принципиальная схема промышленной установки.
Ключевые слова: механохимическая активация, струя воды высокого давления, бурый уголь, органическая масс угля, вещественный состав угля, термоожижение, углеводороды, гуминовые кислоты.
В последнее время уголь, большей частью бурый, начинают использовать не как энергетическое, а как химическое сырье. В связи с этим область его применения значительно расширилась. Актуальными направлениями использования углей являются ожижение углей, т. е. получение из них жидких углеводородов (синтетических нефтепродуктов), а также изготовление органоминеральных удобрений, редких и редкоземельных металлов и др.
Известно, что бурый уголь состоит из минеральной и органической составляющих. Содержание минеральной составляющей или зольность угля для подмосковных углей находится в пределах 30 - 40 %. Эту часть практически не используют в указанных процессах, поэтому уголь необходимо предварительно обогащать. Органическую составляющую принято называть органической массой углей (ОМУ), качество ОМУ оценивают по элементарному составу, то есть процентному содержанию углерода, водорода, азота и кислорода. Чем выше содержание водорода, тем лучше ожи-жается уголь. В рядовых бурых углях содержание водорода колеблется в пределах 4,5 - 5,5 %, а в сырой нефти - в пределах 9 - 12 %. Существует множество способов ожижения, сущность которых заключается в насыщении ОМУ водородом. Измельченный уголь смешивают в определенном соотношении с водорододонорным растворителем, добавляют катализаторы (например, молибдено-никелевые) и полученную пасту загружают в реактор, где под давлением водорода 10 - 20 МПа и температуре 400-450 °С выполняют ожижение.
В этой связи одним из важнейших условий является предварительная подготовка (облагораживание) углей к дальнейшей переработке, а именно механохимическая активация вещественного состава углей. Под термином "механохимическая активация" понимается нехимическое воз-
действие на вещество, в частности уголь, в результате которого существенно улучшается его качественный и количественный состав, повышается реакционная способность ОМУ, а также органической массы других твердых топлив (торфов, горючих сланцев, природных битумов и т.д.) и их теплотворная способность.
Известно, что высокие давления и механические воздействия (дробление, измельчение, прессование и т. п.) активируют, повышают реакционную способность ОМУ и способствуют его ожижению. Из опытов установлено, что высокая активность атомарного водорода, тонкая дисперсность угля и его сорбционная способность, интенсивное перемешивание реагентов и каталитическое влияние минеральных веществ обеспечивают синтез углеводородов при невысоких температуре и давлении.
Одним из перспективных способов механохимической активации углей является их обработка струями воды высокого давления, что нашло подтверждение с помощью выполненных нами обширных экспериментов [1, 2]. Установлено, что в структуре углей происходят глубокие механохи-мические изменения. ОМУ обогащается водородом, количество которого увеличивается от 4,6 до 8 %, что непосредственно влияет на процесс получения жидких углеводородов. При этом степень термоожижения увеличивается в два раза. Снижается количество кислорода, азота и серы в ОМУ, уменьшается содержание минеральной части, а следовательно, этот уголь пригоден для получения высококачественных гуминовых кислот, моторного и брикетированного бытового топлива. Кроме того, в результате обработки струями воды под значительным давлением уголь приобретает высокую степень дисперсности, что позволяет легко отделять минеральную часть, например с помощью флотации в среде органических растворителей, с последующим выщелачиванием из нее алюминия, железа, титана, концентрата редких и редкоземельных материалов. Механохимическое облагораживание углей струями воды высокого давления позволит осуществить комплексное использование вещественного состава углей, создать безотходное производство и дополнительные рабочие места, снять социальную напряженность в угольных регионах и существенно оздоровить экологическую обстановку.
Способ механохимической активации угля водой высокого давления заключается в следующем (рисунок). Струя воды высокого давления, вылетающая из струеформирующей насадки, и предварительно измельченный уголь независимо друг от друга подаются в специальную камеру, где происходит их перемешивание. Образованная таким образом водо-угольная смесь (пульпа) под высоким давлением вылетает по отводящему каналу из камеры и направляется на специальную подложку, изготовленную из определенного материала, которая выполняет роль катализатора и располагается на определенном расстоянии от среза канала под некоторым углом к оси водоугольной струи. После взаимодействия с подложкой во-
доугольная смесь собирается в пульпосборнике и направляется на химический анализ. В момент столкновения угольных частиц со струей воды, обладающей высокой разрушающей способностью, в камере перемешивания и последующего удара о подложку-катализатор выделяется энергия, вызывающая механохимические изменения ОМУ.
3
Схема способа механохимической активации угля водой высокого давления: 1 - коллиматор; 2 - струеформирующая насадка;
3 - загрузочное устройство для угля; 4 - кожух; 5 - пульпосборник;
6 - подложка-катализатор
Проведенные комплексные исследования позволили установить эффективный гранулометрический состав угля, его влияние на процесс ме-ханохимической активации ОМУ водой высокого давления, определить влияние давления воды, химической природы подложки-катализатора, угла ее установки, а также других режимных параметров на степень структурно-химических изменений ОМУ при обработке угля струями воды высокого давления. Кроме того, установлены расчетные зависимости для определения выхода гуминовых кислот и жидких продуктов из углей, ме-ханоактивированных водой высокого давления, а также определены рациональные режимные и конструктивные параметры установки механохимической активации ОМУ водой высокого давления.
Предлагаемый способ получения жидких углеводородов включает в себя две стадии. На первой стадии производится механохимическая активация угля, а на второй - процесс термоожижения.
Исходный уголь предварительно измельчается в шаровой мельнице. Далее происходит механохимическая активация струями воды высокого давления в специальной установке. Затем водоугольная пульпа поступает в центрифугу для обезвоживания. В специальном сосуде производится приготовление пасты (уголь+растоворитель+катализатор). Паста загружается в автоклав, приводимый во вращение двигателем. При помощи системы нагрева и автоматического контроля поддерживается заданная режимная температура. Процесс термоожижения производится в течении определенного времени и при определенном давлении. По окончании процесса автоклав охлаждают до комнатной температуры и производят отделение твердой фракции продуктов ожижения на центрифуге. Далее жидкие продукты
ожижения направляют на разгонку с получением узких фракций с различной температурой кипения.
Использование предлагаемого способа ожижения углей обеспечивает по сравнению с аналогами следующие преимущества:
- отказ от дорогостоящего и остродефецитного гидрида кальция;
- уменьшение расхода водорододонорного растворителя - углевод-родной фракции смолы полукоксования бурого угля;
- повышение экологической чистоты моторных топлив - уменьшение содержания в жидких продуктах гетератомных соединений азота, кислорода и серы, н-алканов, длиноцепных алкилроизводных циклогексана, бензола;
- увеличение выхода фракции с температурой кипения до 200 °С.
Учитывая два возможных направления переработки механоактиви-
рованных углей и то, что установленные рациональные режимные параметры установки для процессов получения гуминовых кислот и синтетических нефтепродуктов отличны, гидроугольный инструмент выполнен в двух вариантах. Предлагаемая схема состоит из трех блоков: предварительной дезинтеграции (блок 1), механоактивации (блок 2) и источника воды высокого давления (блок 3)
Блок предварительной дезинтеграции обеспечивает измельчение исходного угля до крупности менее 1,5 мм. В качестве дезинтегратора целесообразно использовать центробежную (с точки зрения производительности), либо двухдисковую гидравлическую (она позволяет точно регулировать крупность получаемого сырья) мельницу. Измельченный материал в классификаторе 2 разделяется на две фракции: 0,5-1,5 мм (для получения гуминовых кислот) и < 0,5 мм (для получения жидких продуктов). Эти фракции содержат частицы угля, размер которых соответствует рациональным значениям гранулометрического состава исходного сырья. В блоке механохимической активации производится обработка угля водой высокого давления при помощи гидроугольного инструмента. Механохимиче-ская активация угля для последующего получения жидких продуктов осуществляется с подложкой-катализатором.
Список литературы
1. Жабин А. Б., Пронин О. В., Наумов Ю. Н. Новый способ активирования органической массы углей путем обработки водой высокого давления// Механизация и комплексная автоматизация горных работ на шахтах. Тула. 1997. С. 36-42.
2. Перспективность способа механоактивации углей водой высокого давления/ В.А. Бреннер [и др.]// Технология и механизация горных работ: сб. науч. тр. М.: Изд-во АГН, 1998. С. 52-56.
Платонов Владимир Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected] , Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университетам. Л.Н. Толстого,
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecolo-gy@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE MECHANOCHEMICAL ACTIVATION OF BROWN COAL BY HIGH PRESSURE SHEETS OF WATER
V.V. Platonov, A.B. Zhabin, A.A. Malikov
The essence of brown coal material constitution mechanochemical activation in different ways including use of high pressure sheets of water is being described in this article. The advantages of mechanochemical activation of brown coal using high pressure sheets of water are discovered on the base of operations. The liquid hydrocarbon way of production, the techlological scheme of thermoliquefaction process and also the schematic circuit of industrial-scale plant are offered.
Key words: mechanochemical activation, high pressure sheet of water, brown coal, coal organic mass, coal material constitution, thermoliquefaction, hydrocarbons, humic acids.
Platonov Vladimir Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, [email protected] , Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,
Zhabin Alexander Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected] , Russia, Tula, Tula State University,
Malikov Andrei Andreevich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, [email protected] , Russia, Tula, Tula State University
