CC BY
124
© Г.И. Петрова, Т.В. Москаленко, А.В. Голубенко, В.А. Михеев,
М.И. Бычев, 2011
Г.И. Петрова, Т.В. Москаленко, А.В. Голубенко,
В.А. Михеев, М.И. Бычев
БРИКЕТИРОВАНИЕ БУРЫХ УГЛЕЙ КИРОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ТОРФОМ
Приведены результаты экспериментов по выявлению причин увеличения прочности брикета на сжатие.
Ключевые слова: брикетирование, многолетняя мерзлота, бурые угли, углебрикетное производство.
ТТ енский угольный бассейн, площадь которого составляет
*/Ж. 750 тыс. м2, расположен на территории Республики Саха (Якутия) и по запасам и ресурсам угля является крупнейшим в России. Это минерально-сырьевая база для развития угледобывающей промышленности в крупных государственных масштабах. Балансовые запасы бассейна составляют 6 775,6 млн т, прогнозные ресурсы - 756 570 млн т. Среди балансовых запасов преобладают бурые угли.
Но, несмотря на это, а так же в силу природно-клима-тических факторов, территория слабо заселена, производственнохозяйственная и транспортная инфраструктура не развиты. Тем не менее, развитие региона в перспективе предусматривается "Схемой комплексного развития производительных сил, транспорта и энергетики Республики САХА (Якутия) до 2020 года" утвержденной Постановлением Правительства Республики Саха (Якутия) № 411 от 6.09.2006 года, а, следовательно, с разработкой месторождений и новыми технологиями переработки угля. Одно из таких месторождений - Кировское, расположено в Средне-Вилюйском районе.
Кировское месторождение приурочено к зоне многолетней мерзлоты, мощность которой составляет около 300 м. Поисковоразведочными работами изучено 20 км2 площади месторождения. В ходе поисковых и разведочных работ изучался один угольный пласт, мощность которого колеблется от 9 до 24,8 м, в среднем около 20 м. Пласт простого строения, залегает на глубинах от выхода под четвертичные наносы до 50 - 60 м. Угол падения пласта 2-100. Средний объемный коэффициент вскрыши составляет 5 м3/т.
Такие благоприятные горно-геологические условия позволяют организовать на месторождении добычу угля открытым способом. Но, из-за отсутствия путей транспортировки угля в другие районы, на месторождении в настоящее время добывается всего 30-40 тыс. т угля для нужд местного населения. Запасы угля, числящиеся на Государственном балансе, по категориям составляют: (А + В) - 73 622, С: - 162 177, С2 - 843 230 тыс. т [1].
Уголь относится к марке 2Б, подгруппе 2БВ. Основные параметры качества: Wa = 10-16 %; Ай = 14-25 %; Std = 0,8 %; У" = 4651 %; С" = 64-69 %; Н" = 4.6 %; Qsdaf = 27,5-28 МДж/кг.
В соответствии с ГОСТ 25543-88 уголь технологической подгруппы 2БВ имеет следующие направления использования: энергетическое (пылевидное и слоевое сжигание в стационарных котельных установках и кипящем слое, сжигание в топках паровозов, топливо для коммунальных и бытовых нужд), а так же для производства синтетического жидкого топлива, полукоксования, производства извести.
Длительное хранение и транспортировка бурых углей затруднены вследствие значительного понижения механической прочности в процессе хранения и при потере ими влаги, что ведет к ухудшению их потребительских свойств. Поэтому поиск путей консервации подобных видов топлива весьма актуален. Одним из возможных способов сохранения товарных качеств бурых углей является брикетирование, т.е. физико-химический процесс переработки, позволяющий получить механически и термически прочный сортовой продукт - брикет, имеющий определенную геометрическую форму, размеры и массу.
Создание углебрикетного производства позволит получать высокосортное и транспортабельное топливо улучшенного качества, сокращать потери угля при хранении, перевозках и сжигании, предотвращать самовозгорание углей, а кроме этого повысить объемы добычи бурых углей с целью их использования для энергетики и технологической переработки, а, следовательно, интенсифицировать промышленное развитие прилегающих территорий.
Согласно действующим ГОСТ и требованиям потребителей, буроугольные брикеты должны соответствовать следующим технологическим показателям: механическая прочность на истирание 75-80 %, на изгиб 10-15 МПа, влагопоглощение 3-4 %, теплота сгорания 24-30 МДж/кг, зольность 10-25 % [2]. Согласно действующим
ГОСТ (например, ГОСТ 8584-76. Брикеты из бурых башкирских углей.) и требованиям потребителей механическая прочность при сжатии буроугольных брикетов должна быть не менее 7,8 МПа.
Угли марки 2Б брикетируются только с добавлением связующих веществ. В условиях Кировского месторождения один из наиболее целесообразных методов - брикетирование смеси бурых углей и торфа, который залегает на месторождении в верхних слоях вскрышных пород разреза. Торфяные брикеты характеризуются низкой теплотой сгорания (16 МДж/кг) и как самостоятельный вид брикетов в данном районе не являются перспективными, но торф эффективен в качестве связующей добавки и позволяет упрочнить структуру буроугольного брикета, что было подтверждено серией экспериментов.
В ходе экспериментов варьировались следующие показатели: состав композиции, рабочая влажность, температура брикетируемой смеси, давление брикетирования, то есть, исследовалась широкая область возможных воздействий, после чего определялись наиболее оптимальные условия брикетирования. Зольность кировского бурого угля составляла 8,6 %, зольность торфа - 10,8 %.
Технологический процесс брикетирования включает в себя: подготовку компонентов, составление композиций, разогрев смеси (при необходимости), прессование, охлаждение.
Подготовка бурого угля и торфа к брикетированию заключалась в их сушке и дроблении до -2,5 мм. После этого определялась рабочая влага, и в зависимости от полученного и требуемого для эксперимента ее значения, компоненты подсушивались или увлажнялись с последующим повторным определением влаги. После этого составлялись композиции для брикетирования уголь + торф (в массовых %): 90 + 10; 80 + 20; 70 + 30 и 60 + 40, влажность полученных смесей от 20,1 до 21,4 %,
Брикетирование композиций уголь + торф проводилось при 20 0С (холодное брикетирование) и 90 0С (горячее). Полученная смесь закладывалась в матрицу и прессовалась на прессах П-10 и П-250 с выдержкой брикетов под давлением 10 с. Удельное давление брикетирования 500; 1000; 1500 кгс/см2 (или 49; 98; 147 МПа). Диаметр полученных брикетов - 50 мм, зольность - 9,0-9,5 %.
Для каждой серии испытаний изготавливалось по 7 брикетов в соответствии с ГОСТ 21289-75. После удаления брикета из матрицы и до испытания его механической прочности он выдерживался сутки
для завершения процессов структурообразования и упрочнения, в соответствии с рекомендациями ИОТТ.
Следует отметить, что температура 20 0С является наиболее технологически приемлемой и значительно упрощает промышленную схему производства брикетов. Температура 90 0С соответствует температуре угля при глубокой сушке и выбрана по результатам анализа литературных данных. Мнения о целесообразности и необходимости нагрева угля перед прессованием не совпадают. Известно, что высокие температуры позволяют брикетировать уголь при более низких давлениях, что связано с ростом пластических деформаций, в то же время высокие температуры усиливают действие упругих деформаций в брикетах.
Для оценки прочности брикетов использовался метод испытания сжатием, который косвенно характеризует величину сил сцепления в брикете.
Каждый брикет поочередно помещался между параллельными поверхностями двух соосных раздавливающих цилиндрических вставок диаметром 30 мм. Испытание осуществлялось путем сжатия на прессах П-10 и П-250 при равномерном плавном повышении давления до его разрушения. В момент разрушения брикета снимались показания на динамометре пресса, рассчитывалось среднее значение усилия разрушения и определялась средняя прочность брикета на сжатие на единицу площади вставки.
Результаты проведенных экспериментов приведены в таблице и показывают (рисунок), что к увеличению прочности брикета на сжатие ведут увеличение давления брикетирования, содержания торфа в смеси, температуры брикетирования. Как было отмечено выше, применение холодного брикетирования более выгодно с технологической и экономической точек зрения. Содержание торфа не должно быть слишком высоким, т.к. запасы торфа в районе Кировского месторождения ограничены. Результаты испытаний брикетов на сжатие
Предел прочности на сжатие (МПа)
Влажность смеси, % Состав смеси, %: при следующих условиях брикетирования:
температура брикетирования, °С
20 90
бурый торф удельное давление брикетирования, МПа
уголь 49 98 147 49
20,1 90 10 1,94 3,25 4,44 4,30
20,6 80 20 3,83 4,84 8,17 8,23
21,0 70 30 5,17 7,38 10,19 10,31
21,4 60 40 10,75 10,91 13,64 13,28
Из таблицы видно, что:
1. Давление брикетирования 49 МПа и температура 20 0С обеспечивают получение брикетов с требуемым ГОСТом механической прочностью (минимум 7,8 МПа) только при содержании в смеси торфа не менее 40 %, а давление брикетирования 98 МПа в сочетании с температурой брикетирования 20 0С обеспечивают получение брикетов достаточной механической прочности при содержании в смеси торфа не менее 30 %. Такое высокое содержание торфа практически требует его добычи в масштабах соизмеримых с добычей угля, что экономически не выгодно.
2. Давление брикетирования 49 МПа и температура 90 0С позволяют получать брикеты при содержании в смеси торфа 20 % с механической прочностью, соответственно, 8,23 и 10,31 МПа, что соответствует требованиям ГОСТа.
3. Давление брикетирования 147 МПа обеспечивает получение брикетов с требуемой ГОСТом механической прочностью при температуре брикетирования 20 0С при условии содержания торфа в смеси от 20 %.
Таким образом, комбинированное брикетирование бурого угля Кировского месторождения с торфом позволяет получать брикеты
оптимальной механической прочности без ис-пользова-ния дополнительных связующих веществ, а торф является
Зависимость прочности брикетов от количества торфа в смеси при условиях брикетирования:
□ - давление брикетирования 147 МПа и температура 20 0С;
■ - давление брикетирования
20 30 40 50 49 МПа и температура 90 °С;
▲ - давление брикетирования Количество торфа в смеси, мае. % 49 мда и температура 20 °С.
легкодоступным и безопасным для окружающей среды и здоровья граждан сырьем.
Полученные данные свидетельствуют о том, что возможно по-лучениие брикетов с требуемой ГОСТом прочностью на сжатие в следующих вариантах:
- содержание торфа в смеси от 20 до 30 %, давление брикетирования 49 МПа, температура брикетирования 900С;
- содержание торфа в смеси 20 %, давление брикетирования 147 МПа, температура брикетирования 200С.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИрвостока. --------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Угольная база России. Том V. Книга 2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России (Республика Саха, Северо-Восток, о.Сахалин, п-ов Камчатка). - М.: ЗАО "Геоинформмарк", 1999. - 638 с.
2. Елишевич А.Т. Брикетирование полезных ископаемых. - М.: Недра, 1989. -300 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------
Петрова Г.И. - доктор технических наук, вед. научный сотрудник,
Бычев М.И. - доктор химических наук, профессор, зав. лабораторией,
Москаленко Т.В. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,
Михеев В.А. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,
лаборатория комплексного использования углей, Институт горного дела Севера им.
Н.В.Черского СО РАН.
Голубенко А.В. - кандидат экономических наук, министерство промышленности Республики Саха (Якутия).
