CC BY
193
1978. С. 109-113.
7. Рабинович Г.Л. - В кн.: Справочник нефтепереработчика. / Под ред. Г.А. Ластовкина, Е. Д. Радченко и М.Г. Рудина. - Л.: Химия. 1986. С. 275-281.
8. Toluene // Chem. Week. 2000. V. 162. № 9. P. 33.
9. Gardos G., Kun-Szabo T., Kovacs M., Halmos F., Almasi-Buzas E. // Hung. J. Ind. Chem. 1986. V. 14. №
3. P. 281-289.
10. Weiss A.H. // Hydrocarbon Process. and Petrol. Refiner. 1962. V. 41. № 6. P. 185-188.
11. Черный И.Р. Производство сырья для нефтехимических синтезов. - М.: Химия. 336 с.
12. Алиев Р.М., Камбаров Ю.Г., Гришкан И.А., Ахундова Р.Р., Дадашев Т.Б. // Нефтехимия. 1978. Т. 18. № 2. С. 182-188.
13. Notari B., Valentini Duranti P., de Maldd M. // Prepr. Proc. 3rd Int. Congr. Catal. Amsterdam. 1964. № 1/68. 12 pp.
14. Беренц А.Д., Воль-Эпштейн А.Б., Мухина Т.Н., Аврех Г.Л. Переработка жидких продуктов пиролиза. - М.: Химия. 1985. 216 с.
15. Ren R.-L., Itoh H., Makabe M., Ouchi K. // Fuel. 1987. V. 66. № 5. P. 643-648.
16. Плавинская Т.А., Гриненко Б.С..//Нефтехимия. 1973. Т. 13. № 2. С. 191-193.
17. HoncockE.G. Toluene, Xylenes and Their Industrial Derivatives. - New York: Elsevier Scientific Publishing Company, 1982. P. 157-171.
18. AlibeyliR., YeniovaH., Bilgesu, Karaduman A. // Petrol. Sci. Technol. 2002. V. 20. № 1-2. P. 49-63.
19. Елин О.Л., Лиштаков А.И., Газимзянов Н.Р., Довганюк В.Ф., Лахман Л.И., Черных С.П. // Катал. в пром-сти. 2003. № 1. С. 7-15.
□ Авторы статьи:
Петров Иван Яковлевич
- канд. хим. наук, ст. научн. сотр. лаб. каталитических процессов в углехи-мии Института угля и углехимии СО РАН (г. Кемерово)
Бяков
Алексей Геннадьевич
- аспирант кафедры химической технологии твердого топлива и экологии
Трясунов Борис Григорьевич
- докт.хим. наук, проф.каф. химической технологии твердого топлива и экологии
УДК 662.74
А.Р. Богомолов, П.Т. Петрик, С.Д. Тихов, А.А. Богомолов, Ю.О. Афанасьев, И.В. Дворовенко
ПЕРЕРАБОТКА КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ФУСОВ
С ростом добычи каменноугольных углей увеличивается и количество отходов угольной и углеобрабатывающей промышленности, которые либо совсем не используются, либо используются крайне недостаточно и нерационально. На углеобога-
тительных фабриках получаются большие количества угольных отходов и пыли. На коксовых заводах - значительное количество коксовой мелочи. Для количественной оценки вышеуказанных объектов отходов приводим табл. 1, иллюст-
Отходы углей и их переработки
рирующую положение, которое существует в стране и в настоящее время [1].
Сухие длиннопламенные и тощие угли дают очень высокий процент отходов мелочи (от 20 до 50 %), которая не может быть рационально использована
Таблица 1
№ Отходы Место получения отходов Количество отходов на одну тонну добываемого топлива, т/т
1 Каменноугольная мелочь и пыль Шахты, разрезы, склады ж. д., фабрик, заводов и электростанций 0,0741
2 Промпродукты (от обогатительных фабрик) и шлам (от обогатительных фабрик и крупных котельных) Обогатительные фабрики, электростанции и пр. 0,0088
3 Коксовая мелочь, коксовая пыль и фусы Коксохимические предприятия 0,0130
Итого: 0,0959
при сжигании. При хранении, перевозках и сжигании этих марок каменных углей неизбежны те же отрицательные явления, как и бурых углей (отход мелочи составляет в среднем не меньше 40 % всего количества добываемых бурых углей).
Брикетирование мелочи не-спекающихся каменных углей, раздельно или в смесях с мелочью спекающихся каменных углей, превратит их из разряда отходов в разряд стойких, транспортабельных и высококачественных топлив. В этом кроется исключительное значение брикетирования, являющегося наиболее эффективным методом утилизации отходов различных отраслей.
Брикеты, изготовленные из тощей каменноугольной шихты с присадкой 15 - 25 % мелочи спекающихся углей, дают при коксовании хороший металлургический кокс. Это способствует расширению коксовой базы.
Из данных табл. 1 видно, что брикетирование отходов углей и их переработки дало бы Кузбассу в 2004 г. около 14 млн. т теплоценных брикетов (годовой объем добычи в 2004 г. составит 154 млн. т каменноугольных углей [2]), а по стране эта цифра увеличилась бы до 25 млн. т брикетов. Таким образом, если бы углебрикетному производству и вопросу утилизации угольных и коксовых отходов было уделено должное внимание, мы получили бы в будущем году из отходов в виде высокосортных брикетов как бы добычу, равную проектной мощности вновь открытых в 2004 г. семи угледобывающих предприятий [3]:
шахты «Котинская» в Прокопьевском районе, «Томусин-ская 5-6» в Междуреченске, «Казанковская» в Новокузнецком районе;
разрезы «Виноградовский» в Беловском районе, «Корча-кольский» в Новокузнецком районе, «Распадский» в Между-
реченске, «Северный Кузбасс» в Кемеровском районе.
Общеупотребительным связующим веществом при брикетировании служит каменноугольный пек, который вводится каменноугольную мелочь в количестве от 7 до 8 % по весу угля [1]. Существующие технологии брикетирования основаны на том, что брикетная шихта хорошо перемешивается, подогревается до температуры 80
- 90 °С (температура достаточна для расплавления пека) и поступает на прессование. Для хорошего качества брикетов необходимо создавать давление 25 - 35 МПа. Охлаждение каменноугольных брикетов производится естественным путем на открытом воздухе от 4 до 24
ч.
Каменноугольный пек (смола) сравнительно дорог и представляет собой остатки коксования - твердая или густая масса черного цвета, в составе которой преобладают высокомолекулярные ароматические углеводороды, содержатся высшие фенолы и органические основания. Кроме того, он находит себе применение и в других отраслях: толевое и рубероидное производство, дорожное строительство, при изготовлении лаков для окраски металлоконструкций, для получения электродного кокса и для других целей. С другой стороны каменноугольный пек находится в отходах коксохимического производства - фусах.
Фусы представляют собой пластическую массу, состоящую из мелких твердых угольно-коксовых частиц и каменноугольной смолы. Последняя составляющая представляет собой вязкий, черно-бурый продукт со специфическим запахом, содержащий около 450 разнообразных веществ [5,6].
Образование фусов происходит при охлаждении прямого коксового газа, содержащего частицы угольной пыли, кокса и пары каменноугольной смолы.
Поступление мелких твердых частиц (пылевидных) в газовый поток является нежелательным явлением. Источниками вовлечения частиц угольнококсовой пыли в прямой коксовый газ являются [4]:
• процессы бездымной загрузки шихты в камеры коксования (в этом процессе мелкие частицы угольной пыли увлекаются газовым потоком);
• процессы коксова-
ния, когда образующиеся газообразные и парообразные продукты выносят из камер коксования в газосборники мелкодисперсные фракции коксовых частиц.
Фусы приносят ряд проблем предприятиям:
• трудность извлече-
ния пластической массы из емкостей, которая находится в них в виде осадка (процесс очистки хранилищ и промежуточных сборников);
• дальнейшая их пере-
работка (утилизация), так как на данный момент нет достаточно эффективных технологий утилизации, привлекающих своей простотой.
Предыдущие работы, связанные с поиском решения вопроса о переработке фусов преследовали главную цель - перевести пластическую массу в твердое (не липкое) вещество, которое удобно возвращать вместе с исходной шихтой в коксовую камеру, либо добавлять непосредственно фусы в шихту на стадии углеподготов-ки.
Данные технологические схемы утилизации имеют ряд недостатков, главным из которых является то, что пылевидные частицы угольно-коксовой пыли вместе с частью образовавшейся в процессе коксования каменноугольной смолы, возвращаются в основной технологический процесс получения кокса. Практически получаем схему рецикла, ничем не оправданную: ни экономически, ни технологически.
Вход воздуха
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования процесса окислительного пиролиза фусов 1 - образец; 2 - муфельная печь; 3 - сепаратор;
4 - холодильник «труба в трубе»; 5 - сборник конденсата;
6 - термостат; 7 - ротаметр; 8 - газовый компрессор.
Выход фусов на ОАО «Кокс» составляет 0,21 - 0,27 % на одну тонну товарного кокса. В связи с тем, что технология производства кокса по стране на различных предприятиях практически одинакова, представленное соотношение не изменится и по России.
В данное время нет достаточно острой либо исключительной актуальности в решении вопроса разработки технологии переработки фусов. Но сегодняшние подходы и требования к экологической безопасности страны, к экологии вообще в мире и самые простые требования санитарных норм к состоянию воздушной среды на рабочих местах предприятий ставят задачу по переработке фусов на передний план.
Предлагаемая технология переработки фусов не претендует на совершенство и законченность, но отличается своей простотой как по используемому в процессе оборудованию и теплоносителю, так и по параметрам процесса, относящимся
(по температуре и давлению) к низкопотенциальным параметрам.
Основной стадией технологического процесса переработки фусов является окислительный пиролиз.
В связи с этим в данной работе представлены результаты исследований при термической
обработке фусов в присутствии воздуха на предмет получения качественного продукта и наиболее оптимального по времени и температуре процесса.
Экспериментальный стенд представлен на рис. 1.
Определенная масса фусов в качестве исследуемого образца тщательно плотным слоем ук-
50
И 30
25
15
150 200
Время процесса, мин
Рис. 2. Зависимость выхода газообразных веществ в процессе окислительного пиролиза фусов
от времени при различных температурах
45
40
35
о20
с; 10
5
0
0
50
100
250
300
ладывалась в фарфоровую кювету размером 32x44x8 мм, либо металлическую чашу,
имеющую диаметр 97 и высоту
13 мм.
Образец 1 помещался в муфельную печь 2, в которой поддерживалась заданная температура. В процессе термической обработки образца, выделяющиеся газообразные и парообразные продукты из верхней части муфеля поступали в сепаратор 3, где происходила частичная конденсация паров и их отделение от газовой фазы.
Далее парогазовый поток сверху вниз поступал в холодильник типа «труба в трубе» 4. В кольцевое пространство подавалась охлаждающая вода с температурой 24 °С.
Окончательное охлаждение парогазовой смеси до полной конденсации паров осуществлялось в емкости 5, погруженной в термостат 6 с температурой воды 0 °С. Несконденсирован-ная часть газа, пройдя через ротаметр 7, выбрасывалась в атмосферу воздушным компрессором 8.
В процессе окислительного пиролиза фусов проводили следующие измерения параметров:
- температуры в муфельной печи и охлаждающей воды ртутным термометром с ценой деления 1 °С;
- расхода газового потока на выходе из установки предварительно тарированным поплавковым расходомером;
- массы помещаемых образцов (динамика изменения ее в процессе термической обработки определялась с помощью аналитических весов с точностью 0,001 грамма).
Термическая обработка образцов производилась при температуре от 180 до 495 °С.
Расход газовой смеси на выходе из экспериментальной установки изменялся в пределах от 0,2 до 1 м3/ч.
Продолжительность про-
цесса окислительного пиролиза варьировалась от 30 до 300 минут.
Масса помещаемых образцов составляла: в фарфоровой кювете - 12 +2 г; в металлической чаше - 120 +5 г.
Последние образцы до помещения их в муфельную печь прокалывались на всю глубину стержнем диаметром 3 мм в 8 -12-ти местах верхней поверхности образца для предотвращения «вспучивания» образца.
После термической обработки были проведены испытания 8-ми образцов, которые представляли собой твердые угольно-коксовые брикеты.
В зависимости от режимных параметров образцы имели следующие показатели:
• выход летучих веществ 7,1 % - 19,6 % на сухую массу (7,6 % - 20,9 % на сухую без-зольную массу);
• зольность 5,8 - 7,0 %;
• механическая прочность 8,2 кг - 23,4 кг, а механическая прочность после нахождения в воде в течение 24 ч - от 5,8 до 8,2 кг;
• спекаемость по ИГИ-ДМетИ-Ив - 0 - 2,0 мм.
Сконденсированная фаза исследовалась хроматографическим методом и представляла собой смесь из следующих соединений (на исходную пробу):
- нафталин - 10,7 - 23,4 %;
- а-метилнафталин - 0,1 %;
- р-метилнафталин -0,2-
0,8 %;
- антрацен - 0,96 - 7,1 %;
- вода - 75 - 90 %.
Результаты испытаний
восьми образцов (проб), полученных при различной температуре обработки и длительности пребывания в муфельной печи сведены в табл. 2.
По результатам исследований был построен график (рис. 2) зависимости выхода газообразных от времени пребывания испытываемых образцов при различных температурах в муфельной печи.
График (рис. 2) и данные испытания угольно-коксовых
брикетов, представленные в табл. 1, показывают оптималь-
Таблица 2
Результаты испытаний проб угольно-коксовых брикетов, полученных при термической обработке
№ пробы Тем-ра процесса, °С Время процесса, мин Золь- ность, % Летучие, Vа, % Летучие, V" (без золы), % Мех. прочность, кг Мех. прочность после 24 ч в воде, кг
1 180 300 6,1 19,1-19,6 20,3-20,9 14-19 -
2 240 255 6,0 16,3-16,4 17,3-17,4 23,4 8,2
3 280 170 5,8 12,8 13,6 20 -
4 330 120 6,1 10,7 11,4 14,75 -
5 350 80 6,2 10,7 11,4 16,9 5,8
6 390 40 6,3 11,7 12,5 13 -
7 450 30 6,4 8,7-8,8 9,3-9,4 11 -
8 495 30 7,0 7,1-7,4 7,6-7,9 8,2 -
ные температурные режимы, при которых происходит интенсивный выход в газовую фазу нафталина и антрацена с последующей их конденсацией при минимальном времени процесса и получении достаточно прочного брикета.
В представлении авторов оптимальными режимами с точки зрения температуры и времени процесса окислительного пиролиза, которые позволяют получить угольнококсовый брикет по прочности не менее 15 кг и наличием летучих на уровне 11 %, являются процессы, проводимые с 4 - 6 образцами.
С другой стороны, можно использовать режим в зависимости от того, что является предпочтительным, - прочность брикета, либо выход летучих
веществ.
Выводы
1. Проведены исследования переработки фусов методом окислительного пиролиза с целью получения продукции, необходимой для дальнейшего использования.
2. Получены угольно-
коксовые брикеты, удовлетворяющие требованиям к брикетам, которые можно использовать как в социальной сфере в виде экологического топлива, так и топлива, применяемого при выплавке чугуна и стали.
3. Открывается возможность исследований с целью получения брикетов, наполненных комплексом необходимых добавок (композиционные брикеты), применяемых в метал-
лургической промышленности.
4. В процессе окислительного пиролиза фусов можно получать ценные вещества (нафталин, а-метилнафталин, р-метилнафталин и антрацен), необходимые лакокрасочной и химической промышленности.
5. Необходимо продолжить исследования получения угольно-коксовых брикетов при смешении фусов с коксовой мелочью.
Авторы приносят искреннюю благодарность руководству Кемеровского ОАО «Кокс» за внимательное отношение к проводимым исследованиям и проведению испытаний образцов угольно-коксовых брикетов, а также хроматографического анализа сконденсированной фазы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Утилизация отходов в тяжелой промышленности: Справочник. В 6 т. Т. 5. Отходы в топливной промышленности и в энергохозяйстве / Под ред.. В.Я. Гроссмана, М.: Сектор ведомственной литературы ОНТИ НКТП, 1936. 449 с.
2. Мазикин В.П. Роль Кузбасса в ТЭК России // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004. Материалы X Международной научно-практической конференции, 23-24 нояб. 2004 г. / редкол.: Ю.А. Антонов [и др.]; ГУ КузГТУ. Кемерово, 2004. С. 3-6.
3. Дюпин А.Ю. Угольная отрасль Кузбасса в 2004 году: состояние проблемы и перспективы // Там же: С. 6-14.
4. Коробчанский И.Е. Расчеты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования / И.Е. Коробчанский, М. Д. Кузнецов. М.: Металлургия, 1972. 296 с.
5. Каталымов А.В. Переработка твердого топлива: Учебное пособие для вузов / А.В. Каталымов, А.И. Кобяков. М.: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. 248 с.
6. Фурмер И.Э. Общая химическая технология / И.Э. Фурмер, В.Н. Зайцев. М.: Высш. шк., 1978. 264 с.
□ Авторы статьи:
Богомолов Александр Романович
- канд. техн. наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических
производств
Богомолов Артем Александрович
- соискатель каф. процессов, машин
и аппаратов химических производств
Петрик Павел Трофимович
- докт. техн. наук, проф., зав. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
Афанасьев Юрий Олегович
- канд. техн. наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
Тихов
Сергей Дмитриевич
- главный инженер ОАО «Кокс»
Дворовенко Игорь Викторович
- канд. техн. наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
