CC BY
80
© С. А. Эпштейн, О. В. Барабанова, В. А. Барковская, В. В. Малькова,
2005
УДК 622.74.622.7
С.А. Эпштейн, О.В. Барабанова, В.А. Барковская,
В.В. Малькова
СОВМЕСТНАЯ ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕЙ С ПОЛИМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ
Семинар № 19
ш ш олимерные материалы широко
A. J. применяются в промышленности и в повседневной жизни. В настоящее время наряду с получением новых полимерных материалов, возникает задача утилизации отработанных. Во многих странах отходы полимеров компостируются, но, учитывая, что время разложения достигает 80 лет, возрастает потребность в земельных площадях под их складирование. По литературным данным, накопление ТБО в России составляет 27 млн т в год, из них складируется на полигонах 97 %, подвергается сжиганию 2,3 %, в виде компоста 0,7 %.
В общей массе полимерных отходов основной удельный вес занимает полиэти-лентерефталат (ПЭТФ)-23 %, затем полиэтилен высокой плотности- 15 %, полипропилен -13 %, полистирол- 6 %, поливинилхлорид (ПВХ)-5 % и прочие полимеры -21 %.
Весьма актуальной задачей является вовлечение этих отходов в технологическую переработку. В последнее десятилетие большое внимание уделяется совместной переработке пластиков с углем, в частности в процессах получения кокса. Так, японская фирма Nippon Steel Corporation получает кондиционный металлургический кокс на основе шихты, содержащей 1-2 % отходов пластмасс, что составляет в среднем 500 000 т в год утилизируемых отходов. Аналогичные работы по опытно-промышленным и промышленным коксованиям
активно ведутся в Чехии и Австралии. Требования к коксу как углеродистому восстановителю (УВ) определяются условиями конкретной технологии восстановления. Доменный кокс, характеризуется большей крупностью, прочностью и достаточно низкой реакционной способностью. Для кокса в бесшлаковых процессах восстановления важна высокая реакционная способность восстановителей, которая напрямую зависит от величины эффективной удельной поверхности и адсорбционной способности к реагирующему газу. В электротермических процессах особые требования к величине удельного электросопротивления и пористости материала. В России до сих пор не производят специальные виды кокса, например, для электротермического производства, в котором по-прежнему используют в качестве углеродистого восстановителя отходы (отсевы) производства металлургического кокса - коксовый орешек крупностью 10-25 мм. Опыт получения УВ для электротермического производства показал высокую эффективность использования длиннопламенных и газовых углей. По физикохимическим свойствам, опытные коксы из углей марок Г, Д и ДГ имеют преимущества перед коксовым орешком за счет более высоких значений реакционной способности (в 2-5 раз) и удельного электросопротивления (в 1,5-2,4 раза), повышенной пористости и развитой реагирующей поверхности. Однако кокс из
Таблица 2
Выход продуктов совместной карбонизации углей с полимерными добавками и пеком
Проба Выход продуктов карбонизации, % Обаґ, % А%
кокс^п жидкие продукты газ+ потери
1 67,9 21,7 10,4 75,1 -
+ПЭТФ 62,2 21,5 16,3 81,2 8,1
+ПЭ 58,4 27,7 13,9 76,0 1,2
+ПП 57,6 24,2 18,2 75,1 0
+ПС 59,1 19,0 21,9 76,9 2,4
+СТП 65,8 22,3 11,9 85,6 14,0
2 66,9 19,8 13,3 71,7 -
+ПЭТФ 64,2 20,3 15,5 80,9 12,8
+ПЭ 56,8 29,6 13,6 71,7 0
+ПП 56,9 25,8 17,3 71,7 0
+ПС 58,2 30,7 11,1 73,4 2,4
+СТП 65,3 21,6 13,1 82,3 14,8
3 61,0 23,0 16,0 71,1 -
+ПЭТФ 58,4 21,2 20,4 80,1 12,7
+ПЭ 53,5 28,5 18,0 73,3 3,1
4 61,7 22,8 15,5 71,3 -
+ПЭТФ 55,1 18,6 26,3 74,9 5,1
+ПЭ 53,1 31,8 15,1 72,2 1,3
газовых и длиннопламенных углей обладает низкой механической прочностью и при дроблении образует большое количество мелочи. Работы зарубежных и отечественных ученых показали, что эффективным способом улучшения прочностных характеристик кокса из слабоспекающих-ся углей, является введение органических добавок различного происхождения. Показано, что высокая водородно-донорная активность органических добавок способствует образованию и развитию мезофазы на стадии пластичности углей. Органические добавки - каменноугольные и нефтяные пеки приводят к увеличению количества пластической массы и снижению ее вязкости, а также расширению температурного интервала ее существования. Отмечено, что эти изменения в случае газовых углей связаны как с процессами переноса водорода, так и с пластифицирующим действием добавок. Однако, в рабо-
тах по полимерным добавкам в литературе практически отсутствуют систематические данные по характеристике продуктов совместной карбонизации в зависимости от состава и свойств полимеров и углей. Это в значительной мере затрудняет широкое внедрение полимеров в производство углеродистых восстановителей и возможность прогноза свойств получаемой продукции.
В настоящей работе приведены результаты изучения взаимодействия слабоспе-кающихся газовых и длиннопламенных углей Кузнецкого и Донецкого бассейнов (табл. 1) с 4 полимерными добавками -полиэтиленом (ПЭ), полипропиленом (ММ), полистиролом (ПС) и полиэтиленте-рефталатом (ПЭТФ).
Количество полимерной добавки в угольной композиции составляло 15 %. В качестве эталонной добавки использовали
1-ИВ 1+ПП 1+ПС 1+ГОГФ 1+СІР
2+ПС 2+ПЭТФ 2+СІР
Рис. 1. Фракционный состав смол совместной карбонизации углей 1-ДГ и 2-ГЖ с пластиками и пеком ( ■ - фракция с температурой кипения > 360 °С, □ - фракция с температурой кипения < 360 °С)
среднетемпературный каменноугольный пек (СТП).
Взаимодействие углей с полимерными добавками приводит к изменению выхода и состава продуктов совместной карбонизации. Вполне закономерно, что замена 15 % угля на полимерную добавку приводит к снижению выхода кокса. Реакционная способность углей (Д) в процессе сокар-бонизации с добавками рассчитана как: 0За/
Д __ Х-'КОМП
/За/
уголь
*100,
Wа- влажность угля, %; - выход кок-
са на сухой беззольный уголь из композиции % мас; 1,18 - коэффициент, учитывающий массовую долю угля в композиции (для индивидуальных углей этот коэффициент равен единице); - выход
кокса на сухой беззольный уголь из индивидуального угля, % мас.
Данные, приведенные в табл. 2 показывают, что максимальную реакционную способность угли проявляют по отношению к ПЭТФ. Выход жидких продуктов совместной карбонизации углей с ПЭ и ПП заметно увеличивается, а с ПЭТФ остается неизменным или немного уменьшается. Фракционный состав смол также из-
где
Єза/ _
еп *100
100- АЗ -Жа
*1,18 ;
рп- практический выход кокса, %; Аа- зольность угля, %;
Рис. 2. Изменение степени превращения (н>) коксов , полученных по ГОСТ 9521-74 из композиций (1-ДГ, 2-ДГ+ ПЭ, 3-ДГ+ПЭТФ) при окислении в среде воздуха при 900 0С
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
1 12 6
*
0 20 40 60 80 100
мин
3
120
Кокс из ДГ+ПЭ
Рис. 3. Микроструктура коксов (симмерсия, 2400, поляризованный свет)
меняется (рис. 1). Смолы, полученные при совместной карбонизации углей с ПЭТФ, содержат большее количество легких фракций. Присутствие в композиции ПЭ приводит к обогащению смол тяжелыми продуктами. В самом общем случае, количество выделившихся газообразных продуктов совместной карбонизации для исследованных углей увеличивается при введении в композицию пластиков.
Кокс из ДГ+ПЭТФ
Проведенные, в соответствии с ГОСТ 9521-74, ящичные коксования 2 кг шихт на основе газового угля ДГ с 15 % ПЭ и ПЭТФ, а также испытания полученных коксов показали, что введение полимерных добавок приводит к улучшению прочностных свойств кокса (табл. 3). Реакционная способность коксов при этом практически не изменяется. Данные микроскопического исследования образцов коксов указывают на образование на границах зерен и в местах их контакта обширных пленок изотропной или слабо анизотропной структуры (рис. 3).
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Эпштейн С.А., Барабанова О.В., Барковская В.А., Малькова В.В. - Московский государственный горный университет.
Таблица 1
Характеристика углей
№ Бассейн, шахта, пласт, марка Технический состав мас. % Элементный состав. мас. % Н/С ат Ro. % мм Мацеральный состав. об.%
Я* Л* у“аГ С* Н* о** п I ь
1 Кузнецкий ш. Байдаевская пл.32, ДГ 3.1 6.5 39 81.88 5.41 2.37 0.22 10.12 0.79 0.72 8 85 14 1
2 Кузнецкий ш. Абашевская пл.26а, ГЖ 2.4 4.3 39 83.50 5.66 2.46 0.57 7.81 0.81 0.77 18 86 12 2
3 Донецкий ш. Кураховская Пл.14, Д 8.40 5.83 36 79.30 5.07 1.92 0.98 12.73 0.77 0.64 0 94 2 4
4 Донецкий ш. Кураховская пл.121, Д 4.90 8.61 41 76.09 5.22 1.55 5.80 11.34 0.82 0.49 0 84 10 6
Таблица 3
Результаты испытаний коксов совместной карбонизации
Проба Показатели крупности и прочности кускового кокса, % по ГОСТ 9521-74 Выход кокса, % Структурная прочность по ГОСТ 16188-70, % Технический состав, мас.% Элементный состав, мас.%
Класс > 40мм П25 П10 Wa Ad Vdaf (Н/С)ат
1-ДГ 50 64 11 69 77 1,6 9,7 1,6 97,04 0,52 0,06
+ПЭТФ 50 59 10 65 99 4,3 10,1 2,4 96,19 0,57 0,07
+ПЭ 51 65 9 62 99 2,1 9,7 1,0 96,70 0,59 0,07
