CC BY
117
-------------------------------------- © Б.И. Линёв, С.С. Будаев,
С.М. Мартинцов, 2009
Б.И. Линёв, С. С. Будаев, С.М. Мартинцов
РАЗРАБОТКА НЕТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ УГОЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ
Показаны возможности разрабатываемых в ИОТТ нетрадиционных технологических решений и оборудования для повышения потребительской ценности топливных ресурсов в виде атмосферонеустойчивых низкокалорийных твёрдых бурых углей, высокозольных и высокосернистых отсевов каменных углей и антрацитов, а также угольных шламов.
Ключевые слова: Термомеханический метод, микроволновая обработка, магнитный сепаратор, прессование, обезвоживание.
Основными направлениями экономического развития Российской Федерации предусматривается существенное увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны. Это предопределяет необходимость совершенствования традиционных технологий и оборудования для облагораживания добываемых угольных ресурсов по золе, влаге, сере и гранулометрическому составу, а также разработку и промышленное освоение более эффективных, способствующих повышению потребительской ценности и конкурентоспособности угольного топлива по отношению к другим видам первичных энергоносителей.
Более высокий уровень рентабельности производства, коммерческой привлекательности и энергопотребления угольной продукции может быть достигнут только при комплексном подходе к решению поставленной задачи за счёт:
- минимизации энергетических и материальных затрат на её получение с необходимыми по направлениям использования потребительскими параметрами;
- организации безотходных технологических схем переработки углей с целью рационального и более полного использования топливных ресурсов и снижения экологического ущерба от производственной деятельности предприятий;
- применения высокотехнологичных технических средств и оборудования для увеличения энергетического потенциала угольной продукции; снижения её механических потерь при перевозках, погрузочно-разгрузочных операциях и перевалках; сохранения ка-
чества и потребительских свойств при длительных сроках хранения на открытых складах;
- повышения эффективности и экологической безопасности при использовании в теплогенерирующих установках, оборудованных системами, как для пылевидного, так и для слоевого сжигания твёрдого топлива;
- создания угольного топлива с новыми потребительскими свойствами.
На основании анализа объемов добычи и продуктов переработки энергетических марок углей, показателей их качества с учётом факторов отрицательно влияющих на их потребительскую ценность и рынки сбыта, производственно-экономичес-кую деятельность угольных предприятий, выделяются следующие виды угольной продукции, применительно к которым облагораживание традиционными методами обогащения, механического обезвоживания и термической сушки технологически не эффективно и экономически не целесообразно.
К ним, в первую очередь, относятся:
1. Низкоуглефицированные, высоковлажные, атмосферонеустойчивые (саморазрушающиеся с образованием мелочи, теряющие органическую массу и склонные к самовозгоранию за счёт автоокисления кислородом воздуха при открытом хранении) твердые бурые угли групп 2Б и 3Б, доля которых в угледобыче России составляет порядка 36 % и в перспективе планируется увеличиваться. Из-за низкой теплотворной способности и высокого содержания балластной влаги эти угли наиболее целесообразно использовать только у потребителей с пылевидным способом сжигания топлива, расположенных непосредственно или в близлежащих от места добычи районах.
2. Отсевы каменных углей и высокосернистая антрацитовая мелочь от производства классифицированного по крупности угольного топлива в Кузнецком бассейне, Восточном Донбассе и других угледобывающих регионах страны, реализация которых во многих случаях затруднена из-за отсутствия местных потребителей угля с пылевидным способом его сжигания или всё возрастающих требований к экологической чистоте угольного топлива.
3. Высоковлажные тонкодисперсные каменноугольные и антрацитовые шламы, числящиеся как отходы от переработки углей на обогатительных фабриках и установках. Объем выпуска этих
вторичных топливных ресурсов составляет порядка 7-10 % от объема обогащаемого энергетического угля.
Рынок потребления для каменноугольных и антрацитовых шламов в самостоятельном виде отсутствует полностью из-за очень низкой теплотворной способности, обусловленной в значительной мере высоким содержанием балластной влаги, пылевидного состояния частиц, которое в совокупности с высокой обводнённостью, делает этот продукт нетранспортабельным, нетехнологичным для переработки в облагороженные виды топлива и неэффективным при использовании у потребителей.
Угольные шламы частично используются путём шихтовки с основной угольной продукцией после естественной подсушки на шламовых полях углеобогатительных предприятий.
В настоящее время объёмы невостребованных шламовых ресурсов с относительно высоким содержанием горючей массы в целом по стране оцениваются в десятки млн. тонн. При этом складирование шламов приводит к непродуктивному задалживанию земельных отводов, вредному воздействию на окружающую среду за счёт сброса шламовых вод и эмиссии пыли в атмосферу, а также дестабилизации работы углеобогатительных предприятий из-за переполнения шламоотстойников и шламовых полей.
Для повышения потребительской ценности и эффективности использования вышеуказанных видов угольной продукции институт ИОТТ, применительно к каждому её виду, проводит исследования и разработку следующих нетрадиционных технологических направлений облагораживания угольных ресурсов.
Для твёрдых бурых углей - термомеханического метода, который может рассматриваться только как частное решение проблемы полноценного использования буроугольного топлива.
Этот метод предусматривает получение облагороженного буроугольного топлива крупностью кл. 0-25 мм для использования в большой и малой энергетике в системах с пылевидным способом сжигания угля и в виде брикетов для слоевого сжигания в коммунально-бытовых котельных установках, отопительно-варочных печах, водогрейных котлах, газогенераторах и других теплогенерирующих устройствах малой тепловой мощности.
Термомеханическая обработка бурого угля осуществляется в три последовательные стадии.
Первая стадия - нагрев угля до температуры 70-80 °С перегретым (сухим) паром для снижения поверхностного натяжения воды и предварительной активации структуры и поверхности угля для эффективной адсорбции углеводородной добавки.
Вторая стадия - контактирование в среде перегретого пара нагретого влажного угля с разогретой до ньютоновского состояния (свободной жидкости) углеводородной добавкой (до 110-180 °С в зависимости от её вида). На этой стадии вода, находящаяся на поверхности, в порах и капиллярах угля, за счет тепла, привнесенного углеводородной добавкой, приходит частично в парообразное состояние и удаляется из них. При этом углеводородная добавка под действием капиллярных сил и вспенивания внедряется в структуру угля, способствуя вытеснению из нее влаги в молярном состоянии и дальнейшему парообразованию.
Третья стадия предусматривает охлаждение поверхности шихты из угля и добавки с целью создания температурного градиента для молярного переноса влаги из внутренней структуры угля на его поверхность и повышения эффективности обезвоживания.
На первых двух стадиях технологического процесса предусматривается применение высокоскоростных смесительных аппаратов, способствующих активному развитию поверхностей контакта угля и углеводородной добавки, и струйной подачи пара с высокой кинетической скоростью (не менее 4 м/сек) для молярного срыва влаги с поверхности угля и отвода «сокового» пара.
В качестве углеводородных добавок при производстве облагороженного топлива для пылевидного сжигания могут быть использованы отработанные масла, низкосортные мазуты, низкокачественные нетоварные нефтяные гудроны, жидкие продукты термического разложения угля и др.
При производстве брикетов режимные параметры и аппараты для подготовки шихты из угля и углеводородной добавки аналогичны предыдущему варианту. Технологическая схема дополняется высокопроизводительным вальцевым прессом и в качестве углеводородной добавки используется нефтебитумы или асфальты де-асфальтизации гудрона пропаном - нетоварные побочные продукты масляных производств нефтеперерабатывающих предприятий.
Термомеханический метод позволяет получать из бурых углей новое комбинированное топливо с расширенными потребительскими характеристиками и обеспечивает:
- значительное сокращение энергетических и капитальных затрат на удаление балластной влаги; снижение до минимума нагрузки на окружающую среду по пылевым выбросам; пожаро-взрывобезопасность процесса в сравнении с традиционными методами термической сушки бурых углей;
- повышение теплоты сгорания на рабочее состояние топлива на 40% и теплоты сгорания горючей массы на 6-8% по отношению к необлагороженному бурому углю;
- снижение транспортных затрат на доставку потребителем единицы аккумулированной в угольном топливе энергии;
- получение атмосферо-водоустойчивого, не саморазрушаю-щегося, не самовозгорающегося и не теряющего органическую массу топлива при длительных сроках хранения.
Состав дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу при сжигании брикетов из твердых бурых углей с добавкой нефтебитумов в бытовых отопительно варочных печах (наиболее неквалифицированные условия сжигания топлива) имеет более благоприятные характеристики в сравнении с сжиганием исходного угля. Экспериментально подтверждено, что дымовые газы от сжигания комбинированного топлива содержат значительно меньшие концентрации оксида углерода, фенола, формальдегида, а также ароматических углеводородов - бензола, толуола и ксилола, представляющих наибольшую опасность в ряду загрязнителей окружающей среды.
Данное обстоятельство объясняется тем, что при сжигании высокореакционного по своей природе бурого угля в совокупности с лег-ковоспламеняемым, имеющим значительно более высокую теплотворную способность наполнителем, происходит более полное выгорание органической массы и летучих компонентов топлива непосредственно в объеме топочного устройства. При этом КПД его использования повышается с 76% до 82%.
Параллельно с технологией велась разработка и постановка на производство технических средств для промышленной реализации термомеханического метода облагораживания буроугольных ресурсов. В настоящее время по технической документации ИОТТ освоен выпуск комплексов оборудования производительностью 10 т/час и 50 т/час.
Термомеханический метод прошел промышленные испытания на УБФ «Русовен» применительно к облагораживанию канско-ачинских бурых углей и их результаты могут рассматриваться как
базовые для оценки технико-экономической целесообразности применения этого метода для бурых углей других месторождений.
Необходимым условием более полного вовлечения угольных шламов в топливную сферу потребления является их переработка в обогащенные формы с повышенной плотностью энергии, в основном, за счет удаления балластной влаги и получения в транспортабельном виде, наиболее эффективном для использования у потенциальных потребителей.
Применяемые в настоящее время технологии и оборудование для повышения теплотехнической ценности и транспортабельности угольных шламов, в частности механическими методами их обезвоживания на ленточных и камерных фильтр-прессах, недостаточно эффективны (возможно обезвоживание до остаточной влажности шламов на уровне не ниже 25%), а методами термической сушки экономически не целесообразно, пожаро - взрывоопасно и не технологично.
В связи с этим, отечественная и зарубежная практика облагораживания угольной мелочи и пыли не располагает достаточно надежными и эффективными методами, а также техническими средствами для полноценного решения проблемы перевода обводненных шламов в облагороженное топливо с повышенной энергетической ценностью, Перевод угольных шламовых ресурсов в разряд реализуемой товарной продукции требует разработки нетрадиционных технологических решений и оборудования, по эффективности значительно превышающей существующий уровень.
Предварительная проработка в институте ИОТТ вопроса глубокого обезвоживания угольных шламов потенциально возможными методами и техническими средствами показали, что наиболее значимым для промышленной реализации технологическим направлением представляется вариант отжима шламов при значительно более высоких давлениях, в сравнении с осуществляемыми в известных конструкциях фильтр-прессо-вого Таблица 1
Влажность формованного угольного шлама в зависимости от давления на гидравлическом прессе
Влажность исходно- Время прессо- Давление прессо- Влажность форми-
го шлама, % вания, сек вания, кг/см2 рованного шлама,
%
34,0 6 20 25,4
100 20,6
400 17,5
1100 14,5
оборудования, применяемого в практике углеобогатительного производства. Принимая во внимание, что влажность шлама, при которой он переходит в сыпучее состояние и становится технологичным для дальнейшей отгрузки или переработки, составляет порядка 14-15 %, проблема глубокого обезвоживания шламов механическим методом может быть решена при применении для этой цели оборудования, предназначенного для производства формованного или брикетного топлива. В этом случае необходима конструкторская доработка этого оборудования в части обеспечения эффективного удаления отжимаемой воды из рабочей зоны формовочного инструмента.
Технологические возможности по отжиму влаги в формовочном или прессовом оборудовании проверялись на примере обезвоживания угольного шлама ОФ «Красногорская» при его формовании в гидравлических прессах (табл. 1).
Повышение глубины обезвоживания угольного шлама при высоких давлениях возможно достигнуть за счет предварительного нагрева шлама до температуры 60-80 °С, применения поверхностно активных веществ, снижающих поверхностное натяжение воды, и ультразвуковых воздействий в зоне формования. При этом последний вариант интенсификации процесса обезвоживания является более предпочтительным, т.к. имеет значительно более широкие технологические возможности.
При прессовании влажных дисперсных материалов с применением ультразвуковых колебаний уменьшается внутреннее трение в прессуемом материале, увеличивается его текучесть и относительная подвижность частиц, уменьшается пористое пространство, в большей мере проявляется действие сил межмолекулярного сцепления, что в итоге способствует дополнительному уплотнению структуры формуемого материала и вытеснению из нее жидкой фазы.
По результатам выполненных исследований в направлении создания высокоэффективной техники и технологии облагораживания угольных шламовых ресурсов в настоящее время эти работы находятся на стадии разработки технического задания на изготовление опытно-промышленного образца обезвоживающего прессового оборудования.
В области облагораживания высокозольных и высокосернистых отсевов и антрацитовой мелочи одним из перспективных направлений может оказаться разрабатываемая в ИОТТ технология с применением микроволновой обработки этих видов угольных ресурсов с последующим обогащением в магнитных сепараторах. Преимуществом этой технологии является возможности не только обессеривания мелких фракций угля, но и их обеззоливание.
Основным минеральным компонентом магнитных фракций этих углей является глинистое вещество, которому свойственны примеси серного колчедана. Носителем магнитных свойств глинистого вещества являются окислы и гидроокислы железа, которые присутствуют в тонкодисперсном состоянии. Дополнительным источником магнитной фракции является серный колчедан при условии направленного изменения его свойств в процессе физико-химических превращений при нагреве в высокочастотном и сверхчастотных электромагнитных полях.
Отличительной особенностью микроволнового облучения от традиционных методов термической обработки углей, которые могут привести к магнетизации серного колчедана и активации магнитных свойств других минеральных составляющих угля, являются:
- избирательность нагрева, связанная с различием электрофизических свойств минеральной и органической составляющих угля;
- микроволновое поле передает свою энергию по всему объему обрабатываемого угля, одновременно минимизируя фактор теплопроводности органической массы, ограничивающий скорость процесса нагрева минеральной составляющей угля;
- помимо чисто термического эффекта скоростного нагрева реализуется явление микроволновой термической активации минеральной части угля.
Таблица 2
Баланс продуктов обогащения
№№ им Продукты обогащения Выход, % Зольность, % Содержание серы, %
1 Исходный 100,0 33,5 1,4
2 Концентрат, всего: 65,2 12,7 1,0
2.1 Чистый концентрат 47,2 7,4 0,94
2.2 Энергетический концентрат 18 20,1 1,0
3 Отходы, всего 34,8 70,8 2,2
3.1 Высокосернистый продукт 4,9 63,1 4,1
Таблица 3
Показатели качества брикетов из энергетического концентрата от процесса обогащения высокосернистой и высокозольной антрацитовой мелочи на магнитном сепараторе
Продукт А4, % &", % V" %
Энергетический концентрат, кл.0- 20,1 1,0 6,0
4 мм
Топливный брикет, масса 80 г. 18,6 0,93 10,52
Повышение магнитных свойств минеральной части при её высокотемпературном нагреве достигается за счёт:
- возгонки серы из кристаллической решётки серного колчедана;
- физико-химических реакций окисления серного колчедана;
- активации глинистой составляющей минеральной части угля, содержащей окислы и гидроокислы железа.
Прогнозируемую эффективность новой технологии облагораживания высокозольной и высокосернистой угольной мелочи оценивали по результатам разделения на магнитном сепараторе обработанные СВЧ-волной пробы антрацитовой мелочи шахты «Сад-кинская» Ростовского угольного бассейна.
Для расширения номенклатуры топливной продукции прорабатывается также вариант облагораживания обогащенного энергетического концентрата методом брикетирования с экологически чистой, практически беззольной связующей добавкой (табл. 3).
По полученным данным показатели качества обогащенной угольной мелочи и в виде брикетов соответствуют достаточно высокому уровню энергетического, технологического и коммунальнобытового топлива.
Технологические решения нового метода обогащения высокосернистых углей находятся в стадии оптимизации режимных параметров СВЧ-обработки угольного сырья и разработки технического задания на создание опытно-промышленной установки. Необходимое оборудование для магнитной сепарации и брикетирования отечественной промышленностью освоено.
Таким образом, проводимые институтом ИОТТ работы по созданию нетрадиционных методов, оборудования и технологических схем переработки низкокачественных угольных ресурсов, высоковлажных мелких и шламовых фракций различных углей, в том чис-
ле с высоким содержанием серы, позволяют прогнозировать возможность перевода этих продуктов в разряд товарной продукции с повышенной потребительской ценностью,
Linev B.I., Budayev S.S., Martintsov S.M.
DEVELOPMENT OF NONCONVENTIONAL TECHNOLOGIES OF COAL PRODUCTS UPGRADING
The capabilities of nonconventional technologies and equipment being developed by IOTT to enhance the consumer value of fuel resources in the form of non weather-resistant low-calorie hard brown coals, high-ash and high-sulfur undersized coals and anthracites and coal slimes have been demonstrated.
Key words: thermomechanical method, microwave treatment, magnetic separator, compacting, dewatering.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Линёв Б.И. - доктор технических наук, генеральный директор ИОТТ, Будаев С.С. - кандидат технических наук, зав. отделением нетрадиционных технологий облагораживания твёрдого топлива ИОТТ, Мартинцов С.М. - аспирант Московского государственного горного университета, научный сотрудник ИОТТ.
