CC BY
110
Н. А. Кучер
д-р физ.-мат. наук, проф., заведующий кафедрой дифференциальных уравнений ФБГОУ ВПО «КемГУ»
Т. В. Шевченко
д-р техн. наук, профессор кафедры общей и неорганической химии ФБГОУ ВПО «КемТИПП»
УДК 622.002.8
ПУТИ УТИЛИЗАЦИИ ГОРЮЧИХ ОТХОДОВ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Представлены новые связующие для производства угольных брикетов - отходы химических производств каптакса и диафена «ФП». Доказана их принципиальная возможность использования в Кузбасском промышленном регионе для получения брикетного топлива.
Ключевые слова: БРИКЕТ, УГОЛЬ, СВЯЗУЮЩИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, СМОЛИСТЫЕ ОТХОДЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Угли - наиболее распространенный вид горючих полезных ископаемых, выявленных на всех континентах земного шара. При их добыче и переработке возникают экологические проблемы, связанные с очисткой угледобывающих регионов, на территории которых скопились огромные объемы техногенных отходов, отравляющих почву, воду, а при загорании - воздушный бассейн. В воздух попадают продукты горения топлива, среди которых бензпирен, являющийся канцерогеном. Это создает повышенную опасность отравления работников угольных предприятий и жителей близлежащих населенных пунктов [1].
Существующие технологии угледобывающей промышленности приводят к образованию значительной массы мелких некондиционных фракций угля, угольно-минеральных шламов, вскрышной породы. Так, по официальным данным (2007 г.) при переработке энергетических углей в России образовалось 175 тыс. т шлама и 7 516 тыс. т отсева, коксующихся углей - 377 тыс. т шлама и 2 023 тыс. т отсева. Научно определены и объективно доказаны нормы потерь различных сопутствующих материалов при добыче и обогащении угля (в пересчете на 1 тонну добытого угля): вскрышные породы (открытая добыча) - 4 т; вскрышные породы (шахтная добыча) - 0,3 т; шламы обогащения - 0,3 т [2]. Наблюдается безвозвратная потеря стратегических сырьевых ресурсов.
Кузбасский промышленный регион, главный источник высококачественного угля, отно-
сится к экологически опасным областям России. Объективно доказано, что по запасам и качеству углей Кузбасс - один из крупнейших эксплуатируемых каменноугольных бассейнов мира, где на сравнительно небольшой территории сконцентрированы мощные угольные залежи с широкой гаммой углей, пригодных для коксования, получения жидкого топлива и сырья для химической промышленности.
Перед угольной промышленностью ставятся сложные задачи сокращения загрязнений окружающей среды угольными отходами с одновременной ликвидацией шламовых полей и освобождением огромных участков земли, пригодных для сельскохозяйственного использования. Решить эти задачи можно лишь одним способом -разработать эффективные технологии использования вторичных угольных ресурсов [3].
Одним из путей использования отходов является брикетирование угольных материалов с целью получения социально-бытового топлива для населения и промышленного топлива для малой энергетики. В настоящее время на мировом рынке брикет из угля (чаще всего бурого из-за отсутствия каменных углей) считается наиболее современной и цивилизованной формой угольного топлива для населения и промышленности, так как широко известны основные преимущества использования каменноугольных брикетов:
• увеличенная теплоотдача, которая объясняется составом брикета, состоящего из мелких частиц, проницаемых для воздуха при сгорании (брикет сгорает полностью); экономия топлива при этом составляет 30 %;
• пониженное содержание влаги, обусловленное предварительной термообработкой брикетов, уменьшающее потери тепла на парообразование; экономия топлива за счет этого эффекта составляет 5 %;
• оптимальные форма и размеры брикета, обеспечивающие высокую проницаемость для воздуха внутри насыпного слоя брикетов; расход топлива за счет этого снижается на 5 %;
• повышенная экологическая безопасность продукции, которая обеспечивается специальными добавками, связывающими при горении соединения серы и переводящими их в зольный остаток;
• повышенная культура потребления обеспечивается упаковкой брикетов в трехслойные бумажные мешки массой 25 кг, которые занимают меньшую площадь подсобных помещений;
• отсутствие потерь при транспортировке и перевалке, гарантированный точный вес (потери угля при транспортировке и погрузке достигают до 20 %);
• упрощенное обслуживание процесса горения в печи из-за отсутствия шлаковых отложений, т. к. при горении образуется легко разрушающийся пепел;
• увеличение времени горения до 10-12 часов (брикеты для каминов);
• меньший в 1,6 раза (по сравнению с углем) объемный расход брикетов, требуемый на отопление [4].
Идея брикетирования топлива или других полезных ископаемых не является новой. В настоящее время в России созданы технологии брикетирования угля со связующими (каменные угли) и без связующих материалов (бурые угли). Практика показала, что наиболее перспективным и универсальным способом переработки неликвидных угольных отходов является брикетирование с использованием связующих материалов [5].
На наш взгляд, многие известные компоненты предлагаемых материалов (получаемых или добываемых связующих) находятся территориально далеко друг от друга и угольных месторождений. Их ресурс невелик, а транспортировка нерентабельна, при этомсебестоимостьбрикетов резко повышается. К таким связующим относятся отходы лесоперерабатывающей промышленности (лигносульфонаты) [6], пищевой промышленности и сельского хозяйства (крахмал, мука пшеничная, декстрин) [7], различные по составу смолистые отходы химической и нефтеперерабатывающей промышленности (нефтебитумы) [8].
Поэтому необходимы поиски новых связующих, которые по своему местонахождению были бы максимально приближены к угольным
Ш научно-технический журнал № 2-2013
ВЕСТНИК
предприятиям и могли бы использоваться в любое время года, т. е. при отсутствии сезонности брикетного производства.
При подборе связующих необходимо учитывать их технологические свойства: легкость подготовки к использованию, наличие свойств ПАВ (для снижения энергии взаимодействия частиц угля и понижения давления брикетирования), высокая адгезия или клейкость к поверхности дисперсной фазы, технологичность изготовления (невысокое давление прессования, малый расход, низкая энергоемкость производства брикетов) и др.
В качестве связующих выбраны смолистые связующие - отходы производства кап-такса, временно законсервированного на Кемеровском объединении «Азот» из-за отсутствия технических решений по переработке смолистых отходов. Поэтому нами предлагается их использование в качестве связующих при производстве топливных брикетов для промышленных котлов малой энергетики с целью нагревания горячей воды и обогрева помещений [9].
Заявленные отходы производства 2-меркаптобензтиазола - смола каптакса - образуются после очистки товарного каптакса и не имеют в настоящее время практического применения. Смола представляет собой сложную смесь продуктов высокотемпературной конденсации ароматических аминов в присутствии серы, в состав которых входят: фенилизоцианат, имеющий следующую химическую брутто-формулу C6H5NCS, тиокарбанилид - сложное химическое соединение с формулой С6Н^Н-С^)^НС6Н5, анилидобензтиазол:
2-аминотиофенол: Н^С6Н4^Н, 2,2-диаминодифенилдисульфид: Н2№С6Н4^2-С6Н4^Н2, 2,2-диаминомоносульфид: Н^-С6Н4^-С6И(^Н2, 2,2-димеркаптодифенилмочевина: HS-C6H4NHC(S)-HN-C6H4SH, бензтиазол:
2-меркаптобензтиазол:
Смола каптакса обладает свойствами ПАВ - важными и необходимыми технологическими свойствами при брикетировании, а также высокой адгезией к твердой поверхности. В данном способе получения топливных брикетов с заявленным связующим использовалась смесь угольного шлама и угольной мелочи (при соотношении 1:1) Кузнецкого угольного бассейна, представленная углями марки ГЖ. Гранулометрический состав углей данной маки (содержание частиц разного размера): 0-1 мм - 50 %; 1-4 мм - 40 %; 4 мм - остальное; зольность -20 %; теплота сгорания - 5 000 ккал/кг; влажность - 10 %.
Для изготовления брикетов угольная смесь, приготовленная из угольного шлама и угольного отсева (1:1) с остаточной влажностью 6 %, предварительно нагревалась до температуры 50° и смешивалась с нагретой до 60-70° смолой каптакса при разном количестве связующего материала, затем брикетировалась на штемпельном прессе при удельном давлении 60 кг/см2. Результаты экспериментов по подбору необходимой дозы связующего и характеристики полученных с их применением брикетов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Свойства топливных брикетов с отходами производства каптакса
№ п/п Расход связующего, % Золь- ность, % Теплота сгорания, ккал/кг Механиче- ская прочность, кг/см2
1 5 20,0 5 400 80
2 6 20,0 5 550 90
3 7 19,5 5 550 120
4 8 19,2 5 610 121
5 9 19,1 5 620 123
Из таблицы 1 следует, что максимальная механическая прочность (оптимальный процесс адгезии) при высоком качестве брикетов наблюдается при расходе 7-8 % связующего.
Нами опробовано и второе связующее для топливных брикетов из смолы кубовых остатков процесса ректификации производства диафена «ФП», состоящее из дифениламида и смолистых продуктов его химической конденсации [10] и удовлетворяющее требованиям ТУ, которое позволяет формовать брикеты, обладающие необходимой прочностью, влагостойкостью, повышенной теплотворной способностью.
Найденный способ позволяет по упрощенной технологической схеме (без стадии дробления) путем прямого смешения угольного шлама и отсева получить из углеродного материала топливный брикет с высокими потребительскими свойствами, повысить экономическую эффективность работы предприятий топливноэнергетического комплекса при рациональном использовании угольных ресурсов, в том числе вторичных, и одновременно решить экологические проблемы химического производства - утилизировать кубовые остатки процесса ректификации производства диафена «ФП».
Отличительными признаками представленного способа являются:
• использование в качестве связующего кубовых остатков процесса ректификации производства диафена «ФП»;
• необходимое количество кубовых остатков составляет 10 % от массы исходного угольного сырья.
Технический результат - использование нетрадиционного горючего связующего для получения качественных топливных брикетов.
Для изготовления брикетов угольная смесь, приготовленная из угольного шлама и угольного отсева, предварительно нагревалась до температуры 50° и смешивалась с нагретыми до 60-70° кубовыми остатками производства диафена «ФП» при разном количестве связующего материала. Результаты экспериментов и характеристики брикетов представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства топливных брикетов с отходами производства диафена «ФП»
№ п/п Расход связующего, % Золь- ность, % Теплота сгорания, ккал/кг Механиче- ская прочность, кг/см2
1 5 22,0 5 400 80
2 6 21,0 5 550 90
3 7 20,5 5 550 110
4 8 20,2 5 610 115
5 9 20,1 5 620 116
Из таблицы 2 следует, что максимальная механическая прочность (оптимальный процесс адгезии) при высоком качестве брикетов наблюдается при расходе 8-9 % связующего.
Проведенные испытания по сжиганию полученных брикетов с использованием двух нетрадиционных связующих доказали их высокое качество при сжигании в котлах малой энергетики.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грим, Р. Э. Брикетирование углей и углеродистых материалов / Р. Э. Грим. - М. : Недра, ИОТТ. -
210 с.
2. Елишевич А. Т. Брикетирование угля со связующими / А. Т. Елишевич. - М. : Недра, 1972. - 160 с.
3. Климов С. Л. Энергосбережение и проблемы экологической безопасности в угольной промышленности России / С. Л. Климов, Д. Г. Закиров. - М. : Изд-во АГН, 2001. - 270 с.
4. Крохин В. Н. Брикетирование углей / В. Н. Крохин. - М. : Недра, 1974.- 350 с.
5. Менковский М. А. Связующие вещества в процессах окусковывания горных пород / М. А. Мен-ковский, Б. М. Равич, В. П. Окладников. - М. : Недра, 1977. - 256 с.
6. Мирный, А. Н. Концепция обращения с твердыми бытовыми отходами в Российской Федерации / А. Н. Мирный, Л. С. Скворцов // Экология и промышленность России, 1997. - С. 34-36.
7. Патент РФ № 2467059 МКП С^ 5/14, Ст 5/10, 2012 г. Шевченко Т. В., Файрушин Ш. А., Ульрих Е. В Смолистое связующее для получения угольных брикетов.
8. Петрова Л. А. Получение бытовых топливных брикетов с использованием нефтяных связующих / Л. А. Петрова, В. Г. Латышев, О. Н. Буренина // Нефтегазовое дело, 2007. - С. 29-32.
9. Стахеев А. П. Переработка угольных шламов обогатительных фабрик с получением брикетного и бездымного топлива / А. П. Стахеев, Я. В. Куколев, В. А. Блинов [и др.] // Уголь. - 2006. - № 6. -С.58-59.
10. Шевченко Т. В. Нетрадиционный связующий материал для угольных брикетов / Т. В. Шевченко, Ш. А. Файрушин, Е. В. Ульрих // Экология и промышленность России, 2013. - С. 32-33.
WAYS OF COAL INDUSTRY COMBUSTIBLE Кучер Николай Алексеевич
WASTE RECYCLING e-mail: [email protected]
N. A. Kucher, T V. Shevchenko
As new adhesive for coal bricks manufacture Шевченко Татьяна Викторовна
chemical industry waste captaksa and deafen «FP»
are presented. Their principle possibility to be used
in Kuzbass industrial region to manufacture brick
fuel is proven.
Key words: BRICK, COAL, ADHESIVES,
ENVIRONMENTAL SAFETY, CHEMICAL
INDUSTRY RESINOUS WASTE
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS IN ENGLISH
Besperstov Dmitry Aleksandrovich - post graduate of FGBOU VPO «KemTIPP»
Bireva Yulia Alekseevna - student of FGBOU VPO «Kemerovskii State University»
Cherdantsev Nikolay Vasilievich - doctor of technical sciences, laboratory head of Institute of Coal SB RASc Cherdantsev Sergey Vasilievich - doctor of technical sciences, chair professor of FGBOU VPO «KuzGTU named after T F. Gorbachev»
Danshov Maksim Valerievich - deputy chief engineer for production of «Abashevskaya» mine Degtayreva Maria Victorovna - student of FGBOU VPO «Kemerovskii State University»
Frank Aleksandr Eduardovich - leading engineer of TOO NPP «Interrin»
Goloskokov Yevgeny Ivanovich - junior scientific worker OAO «Scientific center VostNII»
Goloskokov Sergey Ivanovich - candidate of technical sciences, laboratory head of OAO «Scientific center VostNII»
Kazakov Aleksandr Alekseevich - leading engineer of OAO OAO «FNPC «ALTAI»
Kozyreva Yelena Nikolaevna - candidate of technical sciences, leading scientific worker of Institute of Coal SB RASc
Kozlov Vladimir Ilich - doctor of medical sciences, chair professor of FGBOU VPO «KuzGTU named after T F. Gorbachev»
Kozlov Stanislav Nikolaevich - candidate of technical sciences, professor, FGBOU VPO «AltGU named after I. I. Polzunov»
KravchenkoAleksandrIvanovich - candidate of technical sciences, senior scientific worker ofOAO «Scientific center VostNII»
Kucher Nikolay Alekseevich - doctor of physics-mathematical sciences, chair head of FBGOU VPO «Kemerovskii State University»
Lebedev Anatoly Vasilievich - doctor of technical sciences, professor, leading scientific worker OAO «Scientific center VostNII»
Li Khi Un - doctor of technical sciences, professor, scientific secretary of OAO «Scientific center VostNII» Lobanova Alena Eduardovna - student of Biysk Technological Institute (branch) of FGBOU VPO «AltGU named after I. I. Polzunov»
Ludzish Vladimir Stanislavovich - doctor of technical sciences, professor, leading scientific worker of OAO «Scientific center VostNII»
Makarov Andrey Fadeevich - senior research worker, OAO «Scientific center VostNII»
Nedosekina Nina Mikhailovna - senior scientific worker OAO «Scientific center VostNII»
Petrov Yevgeny Anatolievich - doctor of technical sciences, professor, department head of OAO «FNPC «ALTAI», chair head of Biysk technological institute (branch) FGBOU VPO «AltGU named after I. I. Polzunov» Plaksin Maksim Sergeevich - candidate of technical sciences, scientific worker of Institute of Coal SB RASc Pichugin Vladimir Aleksandrovich - deputy chief engineer of «Alardinskaya» mine Polevshikov Gennadii Yakovlevich - doctor of technical sciences, professor, laboratory head of Institute of Coal SB RASc
Polyak Liudmila Mikhailovna - candidate of medical sciences, assistant professor of FGBOU VPO «KuzGTU named after T. F. Gorbachev»
Prokopenko Sergey Arturovich - doctor of technical sciences, professor, leading scientific worker of OAO
«Scientific center VostNII» and of Institute of Coal SB RASc, professor of UTI TPU
Pustovit Aleksey Yevgenievich - postgraduate of FGBOU VPO «KuzGTU named after T. F. Gorbachev»
Riabtsev Andrey Aleksandrovich - leading engineer of Institute of Coal SB RASc
Sazonov Mikhail Sergeevich - junior scientific worker OAO «Scientific center VostNII»
Skritsky Vladimir Arkadievich - doctor of technical sciences, leading scientific worker of Mining Institute named after N.A. Chinakal SB RASc
Shadrin Aleksandr Vasilievich - doctor of technical sciences, Corresponding Member of RAEN, head of scientific office of FGBOU VPO «Kemerovskii State University»
Shevchenko Tatiana Victorovna - doctor of technical sciences, chair professor of FBGOU VPO «KemTIPP» Shinkevich Maksim Valerievich - candidate of technical sciences, scientific worker of Institute of Coal SB RASc
научно-технический журнал № 2-2013 Jk Jk
ВЕСТНИК 113
Shlapakov Pavel Aleksandrovich - laboratory head of OAO «Scientific center VostNII»
Sobolev Victor Vasilievich - doctor of technical sciences, deputy general director of OAO «Scientific center VostNII»
Surkov Aleksandr Vasilievich - doctor of technical sciences, leading scientific worker of OAO «Scientific center VostNII»
Tambiev Petr Gennadievich - candidate of technical sciences, deputy general director of TOO NPP «Interrin» Terentieva Natalia Anatolievna - chemical engineer OAO «Scientific center VostNII»
Timoshenko Aleksandr Mikhailovich - candidate of technical sciences, executive director of OAO «Scientific center VostNII»
Titov Victor Petrovich - department head of Institute of semi-conductors physics SB RASc
Uvarova Varvara Alexandrovna - candidate of technical sciences, leading scientific worker OAO «Scientific
center VostNII»
Varnakov Yuri Vladimirovich - candidate of technical sciences, leading researcher of OAO «Scientific center VostNII»
Varnakov Kirill Yurievich - engineer OOO «NII gornoy promyshlennosty»
Volegova Tatiana Alekseevna - junior scientific worker, SF OAO «VNIMI»
Zharinov Yury Borisovich - doctor of technical sciences, professor, FGBOU VPO «AltGU named after I. I. Polzunov»
Zabudkin Igor Leonidovich - candidate of technical sciences, technological department head of TOO NPP «Interrin»
Zubareva Vera Andreevna - candidate of technical sciences, chair assistant professor of FGBOU VPO «KemTIPP»
m научно-технический журнал № 2-2013
ВЕСТНИК
