CC BY
118
Ю. И. ТЕРЕНТЬЕВ
Повышение ценности каменного угля и шлама
В настоящее время значительное количество потребляемой энергии в России получается в результате сжигания органического топлива. Наряду с нефтью и природным газом потребности народного хозяйства в значительной степени покрываются каменным и бурым углями. Добываемый уголь в народном хозяйстве используется в энергетических целях (пылевидное сжигание, слоевое сжигание, коммунально-бытовые нужды), в энерго-технологи-ческих целсях (производство кирпича и других керамических изделий, обжиг клинкера при производстве цемента, производство извести, агломерация руд, плавка концентратов в отражательных печах и пр.), в технологических целях (получения кокса, полукокса, генераторного газа, жидкого топлива и многих химических веществ).
Основная часть добываемого угля используется для удовлетворения нужд черной металлургии (коксование), энергетики (пылевидное сжигание, слоевое сжигание, коммунально-бытовые нужды населения). К угольному топливу предъявляются различные требования, при соблюдении которых должен обеспечиваться высокий КПД использования.
При пылевидном сжигании имеют место меньшие по сравнению с другими видами сжигания тепловые потери, повышается КПД топок и котельных установок, а также представляется возможным сжигать высокозольное топливо. Как правило, топки с пылевидным сжиганием наиболее экономичны для котлов с большой производительностью.
Для пылевидного сжигания используются угля всех марок в виде отсевов классов 0-6, 0-13, 0-25, 0-50 мм, а также рядо-
вые угли, промпродукт и реже шлам углеобогатительных фабрик.
Однако строительство котлов большой производительности требует значительных капитальных затрат, и в этом случае рациональное использование тепловой энер-гиии при наличии мелких и пространственно разрозненных потребителей весьма проблематично.
Слоевые топки целесообразно применять в котлоагрегатах производительностью до 10 кг/с пара для сжигания различных каменных и бурых углей, грохоченных антрацитов, полуантрацитов, кускового торфа, сланца и различных древесных отходов. Использование слоевых топок не рекомендуется для сжигания рядовых антрацитов и тощих углей, антрацитового штыба, высоковлажных бурых углей и отходов углеобогащения, так как не обеспечивается надежное и экономическое их сжигание. Сжигание несортированных рядовых углей с повышенным содержанием мелочи способствует развитию кратерного горения топлива и шлакованию слоя на решетке. Малоинтенсивное верхнее воспламенение затрудняет устойчивое зажигание топлива, в результате чего зона горения топлива уменьшается, увеличивается потеря тепла от механического недожога и снижается производительности пароагрегата.
Для коммунальных нужд (бани, прачечные, котельные жилых домов, школ, больниц и т.д.) требования к углям предъявляются такие же, как и к топливу для слоевых топок, а для бытовых же нужд населения (печные топки) должны поставляться лучшие сортовые угли каждого бассейна, причем сортовое топливо (брикеты, крупно-средние классы угля) [7].
Согласно потребительским стандартам угольное топливо для потребителей со слоевой системой сжигания должно иметь высокую теплоту сгорания и равномерный фракционный состав (размеров кусков не менее 13 мм). Эти показатели оказывают существенное влияние на КПД печей и экономическую эффективность использования топлива в среднем составляет 100 млн.т в год, производится сортового топлива 80 млн.т в год ( данные на 1987 год) [3], в настоящее время, вероятно, эта цифра гораздо ниже, т.к. по окускованию каменных углей в России нет ни одной фабрики, бурые угли брикетируются на единственной фабрике в Кумерату, окускование торфа значительно снизилось из-за закрытия ряда брикетных фабрик.
В следствие этого происходит вынужденное сжигание угольной мелочи и рядового угля в неприспособленных для этой цели слоевых топках и бытовых печах, что приводит к малоэффективному использованию угля из-за больших потерь этих продуктов в виде просыпи под колосники и угольной пыли, уносимой с дымовыми газами, что увеличивает выход золы и загрязняет территорию и атмосферу.
Усложняется эта проблема тем, что современная механизация процессов добычи угля основаная на применении узкозахватных угольных комбайнов, которые дают большой выход мелочи, кроме того усложнение схем транспортирования в шахтах и на поверхности также вызывает увеличение количества угольной мелочи, выход которой составляет 70-80% от всей массы добываемого угля.
Ресурсы сортового топлива можно увеличить на стадиях добычи угля. Это достигается внедрением угледобывавших механизмов, обеспечивающих повышенный выход крупных классов угля, например, применение прогрессивных конструкций рабочих органов комбайнов, струговых установок, гидроотбойки, снижение ступенчатости и длины транспортных линий угля, изменением технологии складирования, погрузки и разгрузки угля и др.
Однако эти мероприятия капиталоемки, не имеют надежного технологического
обеспечения и экономического обоснования.
Сегодня, при снижении добычи угля и повышении транспортных тарифов, цена на уголь резко возросла, но качество осталось на прежнем невысоком уровне. Высокая цена на уголь обязывает потребителя сейчас при покупке угля обращать пристальное внимание на его качество и эффективность использования.
Как уже отмечалось выше, для эффективного сжигания угля в слоевых топках необходимо сортовое топливо. Увеличение объемов сортового топлива при подготовке к сжиганию обеспечивается сортировкой и окускованием каменноугольной мелочи и бурого угля. Каменноугольная мелочь дешевле сортового угля в 1,5-1,8 раза, что делает процесс окускованйя угольной мелочи рентабельным в сегодняшних рыночных условиях, однако требуется разработка и внедрение эффективных способов окускованйя мелких классов угля.
Необходимо отдельно сказать об огромном количестве шламов, скопившихся за много лет работы шахт и обогатительных фабрик, которые практически нетронутыми находятся и по сегодняшний день, особенно высокозольные. В Кузбассе, например, сегодня поднято и практически не используются около 20 млн. тонн шламов, что наносит серьезный экономический и экологический ущерб. Поэтому не менее острая проблема окускованйя и использования шламов ждет своего решения.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что сегодня проблема разработки и внедрения новых технологий при добыче и окусковании мелкого угля и шлама является достаточно актуальной.
В России и за рубежом получение оку-скованного топлива осуществляется в основном по следующим направлениям:
1. брикетирование углей со связующим (или без него) с предварительной сушкой угля (или без нее) с последующей термической обработкой брикетов;
2. предварительная термическая обработка углей, брикетирование полученного
полукокса или кокса со связующим веществом с последующей термической обработкой или термоокислительной обработкой брикетов;
3. брикетирование углей, нагретых до пластического состояния с последующей термической обработкой брикетов или без нее;
4. брикетирование (окускование) углей со связующим с предварительной сушкой угля (или без нее) без последующей термообработки.
Первые три способа относятся к горячему брикетированию, последний — к холодному.
По первым двум способам горячего брикетирования отсевов каменных углей можно выделить технологии, которые отличны главным образом типом связующего вещества. Эти технологии основаны на применении в качестве связующих органических веществ — нефтебитумов, каменноугольных пеков, смол и минеральных связующих веществ и пр. При этом выполняются следующие основные процессы: подсушка отсева угля до влажности 2-3 %, классификация и дробление отсева угля, дозирование и смешение горючей массы со связующим, нагрев шихты до 80-110° С, брикетирование на вальцевом прессе, охлаждение и погрузка брикетов.
Качество каменноугольных брикетов характеризуется следующими показателями: влажность — 4-6%, зольность — 11-17%, теплота сгорания — 6400-6500 ккал / кг.
В ФРГ каменноугольные брикетные фабрики в качестве связующего материала применяют каменноугольный пек. Основными потребителями брикетов являются коммунально-бытовой сектор, промышленные предприятия и энергетика [3].
Необходимо отметить, что нефтебитумы и каменноугольные пеки дефицитны и дороги, кроме того нефтебитумы — это высокотоксичные вещества, а пеки — высококанцерогенные. Эти технологии требуют значительных капитальных затрат, имеют высокую энергоемкость, экологически опасны, а санитарно-гигиенические условия труда при их применении далеки
от предъявляемых требований. Вследствие этих причин, а именно из-за дефицита и дороговизны нефтебитумов работа брикетной фабрики «Донецкая» остановлена, а канцерогенность каменноугольного пека потребовала остановки брикетной фабрики «Моспинская» в Донбассе [1].
В Великобритании наиболее широко используют бездымное топливо. Это объясняется использованием в основном печей с открытыми топками (каминами), для которых оптимальным топливом являются продукты переработки угля с высокой реакционной способностью, так как частые туманы способструют насыщению воздуха копотью и дымовым газом, которые выделяются при сжигании угля, не подвергавшегося термической обработке. Так, фирмой «Нэшнл коул» разработан и внедрен в промышленность процесс брикетирования каменного угля со связующим с последующим полукоксованием брикетов в наклонных камерных печах (процесс «ферна-сайт») [3]. Этот метод характеризуется значительными капитальными и энергетическими затратами при изготовлении брикетов, поэтому не находит широкого распространения.
Метод термоокислительной обработки брикетов заключается в том, что полученные брикеты из угольной мелочи, имеющей малый выход летучих веществ (антрацит, уголь марки «Т», полу коксовая и коксовая мелочь) со связующим веществом, подвергаются обработке горячими дымовыми газами, содержащими свободный углерод. При термоокислительной обработке происходит полимеризация веществ, входящих в связующее, и образование твердого скелета, прочно связывающего частицы угля в брикете, который горит без копоти. При использовании в качестве сырья угольной мелочи с небольшим выходом летучих веществ образуется бездымное брикетное топливо. В зависимости от свойств применяемого связующего продолжительность выдержки брикетов в потоке дымовых газов, содержащих 8-10% кислорода, составляет от 1 до 3 часов. С увеличением
температуры газов, содержания кислорода и с изменением размеров брикетов время термоокислительной обработки изменяет-ся. В зависимости от перерабатываемого вида топлива процесс осуществляется в одну-три ступени. При переработке углей с высоким выходом летучих веществ (каменные газовые, длинопламенные и бурые угли) процесс осуществляется в три ступени. Топливо подвергается термической обработке (полукоксованию или коксованию) , а полученный твердый остаток брикетируется с полукоксовой или коксовой смолой или со смесью смолы и нефтебиту-ма. Полученные брикеты подвергаются обработке дымовыми газами при температуре 250-350 °С в течение 1 - 2 ч и зависимости от свойств брикетируемого материала и размера брикетов.
При использовании углей с малым выходом летучих веществ, антрацита или тощих углей, прошедших карбонизацию в естественных условиях, процесс осуществляется в две стадии: брикетирование угольной мелочи с органическими связующими (асфальтенами, пеками и др.) и термическая обработка брикетов, которая проходит при высоких температурах. По этому методу во Франции разработан способ производства бездымного топлива. Сущность способа состоит в брикетировании антрацитовой мелочи с каменноугольной смолой или пеком и обработке брикетов массой 20-40 г в течение 2,5 ч на конвейере дымовыми газами при температуре 450-500 °С, где и происходит окислительный процесс (процесс «Инишар»).
В Бельгии разработан способ производства бездымного топлива, сущность которого заключается в термоокислительной обработке брикетов из антрацитовой мелочи с каменноугольной смолой или пеком в кипящем слое песка, где условия окисления лучшие, если в качестве связующего применяется пек [2].
В Австралии производят 100 тонн брикетов в сутки (процесс «Оскоук» фирмы «Броукен Хил Прэпрайэтери Компани»). Неслекающийся и слабоспекающийся уголь брикетируется с пеком, брикеты подвергаются окислительной закалке и обжи-
гу до 1000° С в шахтной печи полукоксования с продувкой газа [3].
Методы термоокислительной обработки брикетов со связующим дают возможность получить прочное термоустойчивое топливо. Но как отмечалось выше, эти технологии требуют значительный капитальных затрат, имеют высокую энергоемкость, связуюющие вещества дефицитны, экологически опасны и поэтому не находят широкого распространения.
В Китае применяется технология брикетирования шламов и мелкого каменного угля с помощью примешивания к брикетируемой массе глины в качестве связующего. Добавка глины в брикетируемую массу в значительной степени повышает зольность, снижает калориметрические свойства брикетов, увеличивает объем зольного остатка после сжигания, а также данная технология требует значительных энергетических затрат при обжиге брикетов.
В Японии освоена технология брикетирования каменного угля совместно с опилками и дробленной корой хвойных пород деревьев. Из последних при нагревании выделяется смола, которая и является связующим веществом при прессовании. Эта технология требует предварительной сушки угля до \У% и тонкого дробления, что достаточно энергоемко и экологически опасно. Но главным недостатком является то, что при прессовании даже с давлением 30-40 МПа механическая прочность получаемых брикетов весьма низкая (гораздо ниже требуемой по ГОСТ) и это требует специальных, достаточно дорогих мер по упаковке, погрузке, транспортировке и разгрузке брикетов [1].
Третий способ горячего брикетирования основан на способности некоторых углей при определенных температурах размягчаться и переходить в пластическое состояние, при котором они могут брикетироваться.
По этому способу получают бездымное топливо румхит и хоумфайр в Великобритании. Процесс получаения топлива заключается в нагреве спекающейся или сла-боспекающейся мелочи в кипящем слое до
температуры 420-450 °С и в последующем брикетировании ее полупластическом состоянии на валковом или штемпельном прессах [2].
Способ «Анцит», разработанный институтом «Баргбау-Форшунг» и фирмой «Лурги Минеральольтехник», заключается в брикетировании на вальцевых прессах брикетной массы, состоящей из смеси подогретого спекающегося угля с нагретым до пластического состояния полукоксом. По этой схеме в ФРГ компанией «Эшвай-лер-Бергверкферайн» построена установка производительностью 250 м3/сутки,
В ИГИ, У ХИН, ВУХИН, Гилрококс и др. разработан непрерывноступенчатый метод получения формированного топлива из слабоспекающегося каменного угля [6].
Предложенная схема включает высокоскоростной нагрев мелкого угля газовым теплоносителем до температуры пластического состояния в системе вихревых камер; окускование предварительно нагретой до 400-420°С угольной мелочи в форкамер-ном шнековом прессе. В процессе окуско-вания уголь переходит в монолитную пластическую массу, которая при выходе из пресса подвергается продольной и поперечной резке; спекание, прокаливание окускованной пластической массы в шахтной печи непрерывного действия на основе окислительного пиролиза при конечной температуре 650-750 °С.
Преимущество термобрикетирования заключается в том, что при этом отпадает необходимость в связующем веществе. Но осуществление этого способа связано с технологическими трудностями, т.к. большинство углей имеет узкий температурный интервал пластического состояния и поддерживать это состояние в непрерывном потоке горючей массы сложно. И поэтому этот способ термического брикетирования не находит широкого распространения.
Четвертый способ — способ холодного брикетирования, разработанный в Великобритании, основан на следующих процессах: сушка угля, классификация и дробление, дозирование и смешивание угольной мелочи со связующим и отвердителем, прессование брикетов. Отвердение пол-
ученных брикетов происходит через короткое время. Недостаток данного способа — большой расход связующих свществ, которые при сжигании выделяют значительное количество дыма. Брикеты имеют высокую себестоимость и, следовательно, высокую цену, что обуславливает не очень высокий спрос в стране на данные брикеты.
Одним из перспективных способов окускованйя мелких классов углей и шламов является технология гранулирования. В результате работ, проведенных МХТИ им.Менделеева, ИГИ, ФПИ, ИОТТ доказана технологическая возможность гранулирования мелких классов каменного и бурого углей с применением в качестве связующего лигносульфонатов (отходы целлюлозобумажной промышленности)Технологическая схема предусматривает подсушку мелкого угля до воздушно-сухого состояния, гранулирование подсушенного угля с водным раствором сульфитно-дрожжевой баржи. Схемой предусматривается также покрытие гранул водомазутной эмульсией для сохранности от самовозгорания. Метод гранулирования обеспечивает простое управление процессом и получение сферических гранул требуемого размера и равномерной структуры, а при сжигании достигается значительное повышение КПД топливоиспользующих агрегатов по сравнению с рядовым углем. Основным агрегатом при окусковании мелких классов угля является гранулятор, производство и эксплуатация которого освоены промышленностью. Но из-за ряда недостатков гранулированного топлива, а именно низкой прочности и водоустойчивости, высокого расхода связующих способ сегодня не находит распространения.
Следует отдельно остановиться на брикетировании торфа и бурых углей, т.к. больше всего в мире брикетируется именно это топливо.
Торф и молодые (мягкие) бурые угли брикетируются без связующих веществ при повышенном давлении прессования (выше 80 МПа). Многолетней практикой установлено, что хорошо брикетируется без добавки связующих веществ только
торф и молодые бурые угли третичного возраста (марка Б1), с большим содержанием смолистых веществ (более 20%) дающие повышенный выход битумов и первичной смолы. Брикеты из этой марки бурого угля имеют достаточную прочность, хорошую термопрочность и водоустойчивость. У старых бурых углей выход битумов уменьшается до 3 % и, следовательно, получение качественных брикетов без дополнительных связующих практически невозможно. Также характерной особенностью бурого угля является достаточная прочность при непосредственной добыче и повышенная измельченность его после непродолжительного хранения на воздухе. Вместе с тем кусковатость такого угля, как показывают исследования, может быть сохранена, если он будет подвергнут специальной обработке паром при давлении 20 атм.
В ряде стран производство буроугольных брикетов освоено промышленностью. Так, Германия занимала первое место в мире по выпуску буроугольных брикетов.
Хорошо брикетируются молодые угли Днепровского буроугольного бассейна, Сула-Удайского месторождения в Полтал-вской области, буроугольных месторождений Башкирии, Амуро-Зейского буроугольного бассейна (Свободненское, Му-хинское месторождения), Ланковского и Койнатхунского месторождения Магаданской области и др. Брикеты из бурых углей как бытовое топливо имеют ряд преимуществ: однородную форму кусков, легкую загораемость, отсутствие копоти при горении, высокий к.п.д. бытовых топок (свыше 80%) и пригодность для топочных устройств любой конструкции [2]. Но из-за относительно невысокой прочности буроугольных брикетов ограничено и в основном используется в коммунально-бытовом секторе.
Для повышения качественных показателей буроугольных брикетов промышленностью освоена технология предварительной термообработки как исходного угля, так и готовых брикетов. Например, в Венгрии имеется предприятие по автоклавной
обработке бурого угля. Влажность угля до обработки паром составляет 43-44%, а после обработки снижается до 18-20%. Теплота сгорания после удаления влаги увеличивается с 2740 до 4250 кал/кг. В Югославии бурый уголь обрабатывается на двух предприятиях, построенных в угольных бассейнах «Колубара» и «Косово». В результате обработки угля насыщенным паром влажность его снижается с 49 до 19%, теплота сгорания повышается с 1800 до 3800 ккал/кг.
В Германии производство коксобрике-тов из бурого угля осуществляется на двух коксохимических комбинатах «Леухгам-мер» и «Шварце-Пумпе». Метод заключа-естя в брикетировании подсушенного и измельченного до крупности 1 мм бурого угля в штемпельном прессе при давлении 1300-1500 кг/кв.см с последующей сушкой и коксованием в печах камерного типа при температуре 900-1000 град. С в течение 20
ч. По этой технологии в Германии вырабатывается 2 млн.т коксобрикетов, из которых 56% направляется потребителям коммунально-бытового хозяйства [3].
В нашей стране автоклавный метод облагораживания проверен в лабораторных и полупромышленных условиях на буром угле Райчихинского, Ирща-Бородинского и Назаровского месторождения [3].
В Институте.горючих ископаемых разработан способ получения термобрикетов из старых бурых углей. Исходный уголь измельчается до крупности 0-3 мм, подвергается сушке и нагреву в двухступенчатой системе вихревых камер до температуры 380-390 град.С. Нагретый уголь выдерживается в течение 20-60 с в аппарате шнекового типа, а затем поступает на горячее брикетирование в штемпельный пресс (давление 800 атм) и охлаждение брикетов [2,3].
В Энергетическом институте (ЭНИН) им.Кржижановского совместно с ИГИ, ИОТТ, ФПИ разработан метод получения высококачественного бездымного месторождения, а во Фрунзенском политехническом институте —■ из угля Кызыл-Кийского месторождения [3].
Опыты по брикетированию полукокса и смолы, полученные на установках ЭНИНа, проведены на промышленном вальцевом прессе, а термоокисление брикетов на стендовой установке ИГИ. Промышленная установка ЭНИНа по полукоксованию канско-ачинских углей ("ЭТХ-175") построена в Красноярске. Технологическая схема предусматривает полукоксование углей в установках ЭНИНа с целью получения полукокса, смолы и газа. На основе первых двух продуктов составляется шихта, которая брикетируется в вальцевых прессах, а брикеты подвергаются термической обработке дымовыми газами. При осуществлении данной технологии достигается комплексность использования бурых углей: предварительно из угля извлекаются газ и смола, которые могут найти различное народнохозяйственное применение. Ддя получения 1 т брикетов необходимо расходовать около 0,85 т полукокса, 0,18 т смолы. Теплота сгорания брикетов 6800 кал /кг [5].
Перечисленные способы брикетироания бурых углей имеют ряд преимуществ, а именно нет необходимости использовать связующие вещества, свойства которых выполняет сам уголь, переведенный в пластическое состояние. При этом обеспечивается получение прочных и малодымных брикетов при более низком давлении прессования за счет удаления части летучих веществ на стадии нагрева. Но высокие затраты на производство такого вида топлива не позволяют широко распространить эти методы.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что сегодня окускованию антрацито-
вой, каменноугольной и коксовой мелочи, а также каменноугольных шламов в России не уделяется достаточно внимания. Институты ИОТТ, ИГИ, ФПИ, МХТИ им.Менделеева занимаются в основном только окусковани-ем бурого угля различных марок.
Нами проведены работы и получены первые результаты по окускованию антрацитовой, каменноугольной, коксовой мелочи, а также высокозольных шламов.
Учитывая наличие в стране значительного количества каменноугольных шламов и мелочи, использование которых малоэффективно и представляет серьезную проблему для окружающей среды были поставлены задачи:
1. Отыскать недефицитные, нетоксичные, неканцерогенные и сравнительно дешевые связующие вещества и разработать технологию их получения непосредственно на месте применения.
2. Отыскать в различных регионах сырьевую базу для изготовления связующих и брикетов.
3. На базе найденных связующих разработать рентабельные, экологически безопасные технологии окускования каменноугольной мелочи и шлама, позволяющих включать в состав смесей для окускования органические отходы производства (опилки, кору и т.д.)
4. Исследовать свойства получаемых брикетов (гранул, кусков).
5. Испытать технологию в полупромышленных условиях.
6. Внедрить технология в промышленном производстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лурий В.Г., Михее» О.В., Никишичев Б.Г. Новый способ окускования шламов и мелких классов каменных углей. М., МГИ, 1993
2. Крохин В.Н. Брикетирование углей. М., «Недра» 1984
3. Крапчин М.Н., Емельянова Е.А. Экономическая оценка производства окускованного угольного топлива и эффективность его использования. Обзорная информация, вып.4, ЦНИЭИуголь, М.: 1987
4. «Технише Миттайлунген», 1982, N2/3 февраль, с. 117-130
5. Ресурсосберегающие технологические процессы и оборудовние в угольной промышленности (каталог) ЦНИЭИуголь, М. 1989 г., с.58-59
6. Сапожников Л.М., Сперанская Г.В. Получение формированного металлургического и энергетического топлива методом непрерывного коксования углей. -М.: ВИНИТИ, 1959
7. Марченко М.Г., Филипов В.М. Стандартизация и нормирование качества углей М., «Недра» 1977 г., с.132-140
© Ю.И.Терентьев
