CC BY
22
УДК 662.749:519.85
А.А. Лавриненко, Н.Ю. Свечникова, Е.А. Игуменшева, Н.С. Коновницына
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ФЛОТАЦИИ УГЛЯ В КАЧЕСТВЕ НЕТРАДИЦИОННОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ
Изучены отходы флотации ООО «ММК-Уголь» с целью возможности их использования в установках для сжигания высокозольных углей. На основе технического анализа и теплотехнических расчетов обоснована возможность использования отходов флотации в смеси с рядовым углем в качестве сырья в топках низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Использование отходов в качестве топлива в топке НТКС в чистом виде нецелесообразно из-за высокой влажности и зольности. Поэтому были составлены смеси различных составов: 90% отходы + 10% уголь «Г»; 50% отходы + 50% уголь «Г»; 30% отходы + 70% уголь «Г»; 10% отходы + 90% уголь «Г». Анализы показали, что оптимальной по низшей теплоте сгорания рабочего топлива и расходу сжигаемой смеси является смесь состава: 10% отходов и 90% рядового угля марки «Г». Использование данной смеси в топке НТКС позволит осуществить сушку угольного концентрата с производительностью 164 т/ч, снизить эксплуатационные затраты на содержание отстойников, а также сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов и при эффективной системе очистки дымовых выбросов обеспечить снижение загрязнений окружающей среды.
Ключевые слова: уголь, отходы флотации, топка низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), теплота сгорания.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-123-130
В настоящее время одной из актуальных проблем является необходимость утилизации отходов углеобогащения. Многочисленные исследования показывают, что отходы углеобогащения можно эффективно использовать в различных отраслях: в энергетической, в черной и цветной металлургии, в строительной промышленности и др. [1—8].
Анализ исследований в области использования высокозольных отходов показал, что одним из основных направлений использования отходов добычи и обогаще-
ния каменного угля является сжигание в установках для высокозольных отходов [9]. К такому топливу предъявляют определенные требования: допустимая влажность не должна превышать 20— 40%, зольность сжигаемых углей может находиться в пределах от 15 до 80%, выход летучих веществ находится в пределах 15—18%, гранулометрический состав частиц топлива не должен превышать 20 мм.
В работе были изучены отходы с ленточного фильтр-пресса флотационного от-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 123-130. © А.А. Лавриненко, Н.Ю. Свечникова, Е.А. Игуменшева, Н.С. Коновницына. 2017.
Таблица 1
Содержание минеральных компонентов в отходах флотации углей
Компонент SiO2 Al2O3 CaO F®2O3 K2O MgO TiO2 P2O5
Содержание в рядовых отходах, масс. % 26,8 8,88 1,34 2,23 1,13 0,67 0,34 0,10
Таблица 2
Теплотехнический расчет горения отходов
Теплота Расход Объем Темпе- Энтальпия Энтальпия Объем Расход
сгорания тепла на продуктов ратура продуктов воздуха сушильно- сжигае-
низшая испаре- сгорания продуктов сгорания, на раз- го агента, мом сме-
рабочая, ние влаги, смеси, сгорания, кДж/м3 бавление, м3/кг си, т/ч
кДж/кг ГДж/т м3/кг еС кДж/м3
1811 48 380 1,17 1050 2060 26 5,6 19,155
деления ООО «ММК-Уголь». Технический анализ показал, что отходы представляют собой сфлокулированные гранулы крупностью менее 13 мм, влажностью 19,7-28,0%, зольностью 65-70% с выходом летучих 16,6%, что соответствует условиям применения нетрадиционного топлива в топках низкотемпературного кипящего слоя (НТКС).
Содержание минеральных компонентов в отходах представлено в табл. 1.
Теплотехнический расчет горения отходов при начальной влажности 19,8% и конечной 8% показал, что их расход для получения тепла в предлагаемой топке очень велик (табл. 2), использование их в чистом виде нецелесообразно. Это связано с высокой зольностью отходов — до 70% и влажностью — до 28%.
Поэтому с целью использования их в качестве нетрадиционного топлива в НТКС для получения тепла, направляе-
мого на сушку флотационного концентрата, изучены теплотехнические свойства смесей отходов флотации угля с рядовым углем марки «Г». Были составлены следующие смеси: 90% отходы + 10% уголь «Г»; 50% отходы + 50% уголь «Г»; 30% отходы + 70% уголь «Г»; 10% отходы + 90% уголь «Г»; 100% уголь «Г».
Термоаналитическое исследование провели на синхронном термическом анализаторе STA 449, фирмы NETZSCH в динамическом режиме со скоростью нагрева 10 °/мин в потоке воздуха 30 см3/мин в интервале температур 30— 1000 °С. Преимуществом данного метода является высокая чувствительность [10]. Определили: низшую теплоту сгорания углесодержащих материалов, изменение массы при прокаливании (ИМПП), изменение и скорость изменения массы образца (кривая ТГ и ДТГ), тепловой эффект процесса (кривая ДСК), температу-
Таблица 3
Теплоты сгорания (низшие) исследуемых смесей
Смесь состава, % Отходы : Уголь «Г» Q , Дж/г
90 : 10 8718
50 50 12 594
30 70 14 399
10 90 15 189
0 : 100 16 920
Рис. 1. Кривая ДСК смеси 90% отходы и 10% уголь «Г»
ры начала, конца и максимального развития термических эффектов. В табл. 3 представлены низшие теплоты сгорания исследуемых смесей. Из нее следует, что наименьшую теплоту сгорания имеет смесь состава 90% отходы и 10% уголь «Г», которая составила 8718 Дж/г, наибольшую — 100% уголь «Г» — 16 920 Дж/г.
На рис. 1—2 представлены кривые теплового эффекта (ДСК) смесей 90 : 10 и 10 : 90.
На всех кривых ДСК фиксируются два экзотермических эффекта: один в интервале температур 300—400 °С, другой — 400—700 °С, на кривых ТГ наблюдается значительная потеря массы, что свидетельствует о протекании процесса горе-
ния угольного материала (табл. 4). Отличительная особенность термоокислительной деструкции органического вещества углей состоит в последовательно-параллельном протекании процессов низкотемпературного горения ароматического ядра топлива и отщепления периферийных соединений основных структурных единиц органической массы угля с образованием Н2О, СО2, частично СО. Первый низкотемпературный экзотермический эффект, соответствует горению ароматических составляющих, второй более насыщенных углеводородов органической массы угля.
Кривые ДСК для исследуемых образцов близкой массы имеют не слишком
ДСК/(мкВ/мг)
1
5
400 500 600
Температура/ °С Рис. 2. Кривая ДСК смеси 10% отходы и 90% уголь «Г»
Рис. 3. Кривые ТГ и ДТГ непрерывного нагрева угольного материала 90% отходы и 10% уголь «Г» Таблица 4
Результаты термического анализа
Смесь состава, % Отходы : Уголь «Г» Экзотермический эффект, еС ИМПП, %
1-ый 2-ой
начало макс. конец начало макс. конец
1 2 3 4 5 6 7 8
90 : 10 256,4 326,7 337,7 436,6 544,5 644,5 44,43
50 : 50 276,3 305,6 341,7 436,2 550,3 663,9 59,95
30 : 70 278,2 322,0 343,8 439,6 549,9 662,6 67,58
10 : 90 255,2 305,9 337,7 444,8 549,0 672,1 74,05
0: 100 254,0 292,7 338,5 441,1 549,9 677,6 78,85
Рис. 4. Кривые ТГ и ДТГ непрерывного нагрева угольного материала 10% отходы и 90% уголь«Г»
Таблица 5
Результаты термогравиметрического анализа смесей
Смесь состава, % Отходы : Уголь «Г» Потеря массы, % (в интервале температур, еС)
30-450 450-600 600-700 700-800 800-1000
90 : 10 9,68 50,91 18,57 0,86 0,36
50 : 50 6,76 30,19 5,64 0,57 0,42
30 : 70 8,12 39,18 10,24 1,20 0,61
10 : 90 9,14 45,07 11,83 1,06 0,65
0: 100 10,0 48,60 14,27 0,89 0,53
большие отличия по температурам начала, максимума и конца экзотермического эффекта, как первого, так и второго пика. Однако при этом наблюдается различная величина ИМПП и зольного остатка.
Термогравиметрические кривые, отражающие потерю массы при нагреве углей в среде воздуха, представлены на рис. 3-4.
В табл. 5 приведены потери массы смеси в определенных интервалах температур. Как видно из табл. 5, наибольшие потери массы для всех исследуемых образцов наблюдаются в диапазоне температур 450—600 °С, что составляет порядка 65—67% от всей массы органической составляющей угля. Для этих образцов максимальная скорость вы-
горания, определенная по кривым ДТГ, соответствует температуре 540—563 °С.
Сопоставление ТГ-кривых (рис. 5—6), полученных в окислительной среде, показало, что наблюдается эффект относительного приращения массы в области температур от 200 до 300 °С (от 0,32 до 1,47%).
В интервале температур 200—300 °С окисление угольных материалов идет с увеличением массы, свыше 300 °С — с убылью массы (рис. 5—6).
Таким образом, теплотехнический и термоаналитический анализы показали, что использование отходов в качестве топлива в топке НТКС в чистом виде нецелесообразно из-за высокой влажности и зольности, а оптимальным составом является смесь 10% отходы и 90%
тг/%
110 105 100 95 90 85
Температура/ °С
Рис. 5. Участок кривой ТГ и ДТГ угольного материала 90% (отходы) и 10% (уголь «Г»)
ДТГ/(%/мин)
ТГ/% ДТГ/(%/мин)
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Температура/ °С
Рис. 6. Участок кривой ТГ и ДТГ угольного материала 10% отходы и 90% уголь «Г» Таблица 6
Теплотехнический расчет горения смеси 10% отходов и 90% уголь «Г»
Теплота Расход Объем Темпе- Энтальпия Энтальпия Объем Расход
сгорания тепла на продуктов ратура продуктов воздуха сушильно- сжигае-
низшая испаре- сгорания продуктов сгорания, на раз- го агента, мои сме-
рабочая, ние влаги, смеси, сгорания, кДж/м3 бавление, м3/кг си, т/ч
кДж/кг ГДж/т м3/кг еС кДж/м3
15 573 48 380 9,30 1960 3308 26 79,2 1,526
уголь «Г». В табл. 6 представлены теплотехнические показатели предлагаемой смеси рекомендуемой для использования в качестве нетрадиционного топлива в топках НТКС [11-13].
Использование данной смеси в топке НТКС позволит осуществить сушку угольного концентрата с производительностью 164 т/ч, при этом влажность конечного продукта составит 8%, а расход смеси 1,526 т/ч.
Технологическая схема позволяет поддерживать заданную мощность установки за счет регулирования таких парамет-
ров, как температура воздуха, гранулометрический состав, зольность и влажность сырья.
Таким образом, вовлечение отходов углеобогащения в процесс сушки концентрата на ООО «ММК-Уголь» в установке НТКС позволит не только увеличить резерв топлива, но и снизить эксплуатационные затраты на содержание отстойников, а также сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов и при эффективной системе очистки дымовых выбросов обеспечить снижение загрязнений окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шпирт М. Л. Безотходные технологии. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. — М.: Недра, 1986. — 120 с.
2. Бурмистров В. Н., Петрова Г. П., Тамбовцева М. А. Отходы углеобогащения — сырьевая база для производства керамических изделий // Кокс и химия. — 1981. — № 8. — С. 56—59.
3. Преображенский Б. П. Использование отходов углеобогащения в гидротехническом строительстве // Кокс и химия. — 1981. — № 9. — С. 53—55.
4. Shpirt M. Ya., Rainbow A. K. M. Ecological problems caused by coal mining and processing with suggestions for remediation, Millpress Roterdam Netherlands 2006, 162 p.
5. Raask E. Cenospheres in pulverized-fuel ash // Journal of the Institute of fuel. 1968, v. 43, № 332, Septemb., рр. 339-344.
6. Leininger D., Erdmann W, Kohling R. and other. Symposium on the utilization of waste from coal mining and preparation. — Tatabanya. Hungary. 1983, top. 5, p. 1—36.
7. Шпирт М.Я., Артемьев В. Б., Силютин С.А. Использование твердых отходов добычи и переработки углей. — М.: Горное дело, 2013. — 432 с.
8. Baniah M.K., Kotoky P., Borah G.S. Gold in high sulphur Indian coals // Fuel. — 1998. — Vol. 77. — № 15. — P. 1867—68.
9. Вискин Ж.В. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов. — Донецк: Типография «Новый мир», 1997. — 283 с.
10. Топор Н.Д., Огородова Л. П., Мельчакова Л. В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. — М.: Изд-во МГУ, 1987. — 125 с.
11. Петухов В. Н., Свечникова (Осина) Н. Ю., Юнаш А. А., Саблин А. В. Разработка нового реагентного режима флотации углей на основе результатов изучения термодинамических параметров адсорбции углеводородов на угольной поверхности // Кокс и химия. — 2007. — № 9. — С. 6—9.
12. Петухов В. Н., Свечникова Н. Ю., Юдина С. В., Горохов А. В., Лавриненко А.А., Хар-ченко В. Ф. Использование отходов флотации угля для энергетических целей в условиях ОАО «ЦОФ» «Беловская» // Кокс и химия. — 2016. — № 5. — С. 38—41.
13. Svechnikova N. Yu., Petukhov V. N., Yudina S. V., Gorokhov A. V., Lavrinenko A. A., Khar-chenko V. F. Utilization of coal-flotation wastes at OAO TSOF Belovskaya // Coke and Chemistry. — 2016. — Т. 59. — № 5. — С. 200—203. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Лавриненко Анатолий Афанасьевич — доктор технических наук, зав. лабораторией, e-mail: lavrin_a@mail.ru, ИПКОН РАН, Свечникова Наталья Юрьевна1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: natasha-svechnikova@yandex.ru, Игуменшева Екатерина Андреевна1 — студент, e-mail: igumenshevak@mail.ru, Коновницына Надежда Сергеевна1 — студент, e-mail: konov-nadya@mail.ru,
1 Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова»,
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 123-130.
UDC 662.749:519.85
A.A. Lavrinenko, N.Yu. Svechnikova, E.A. Igumensheva, N.S. Konovnitsyna
USE OF COAL FLOTATION WASTE AS NON-CONVENTIONAL FUEL FOR LOW-TEMPERATURE FLUIDIZED BED FURNACES
The flotation waste OOO «MMK-Coal» were studied in order to use them in combustion to burn high-ash coal On the basis of technical analysis and thermal calculations possibility of use of waste of flotation in a mixture of coal as raw materials in the furnaces of low-temperature layer (STAP). Use of waste as fuel in a fire chamber of NTKS is purely inexpedient because of high humidity and an ash-content. Therefore mixes of various structures have been made: 90% waste + 10% coal «G»; 50% waste + 50% coal «G»; 30% waste + 70% coal «G»; 10% waste + 90% coal «G». Analyses have
shown that the burned mix, optimum on lowest heat of combustion of working fuel and expense, structure mix is: 10% of waste and 90% of ordinary coal of brand «G». Use of this mix in a fire chamber of NTKS will allow to carry out drying of a coal concentrate with a productivity of 164 t/h, to lower operational charges of settlers, and also to reduce irrational alienation of land resources and at effective system of cleaning of smoke emissions to provide decrease in environmental pollution.
Key words: coal, flotation waste, low-temperature furnace of the fluidized bed (STAP), heat of combustion.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-123-130
AUTHORS
Lavrinenko А.A., Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, e-mail: lavrin_@mail.ru,
Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia, Svechnikova N.Yu.1, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
e-mail: natasha-svechnikova@yandex.ru, Igumensheva E.A.1, Student, e-mail: igumenshevak@mail.ru, Konovnitsyna N.S1, Student, e-mail: konov-nadya@mail.ru,
1 Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, 455000, Magnitogorsk, Russia.
REFERENCES
1. Shpirt M. L. Bezotkhodnye tekhnologii. Utilizatsiya otkhodov dobychi i pererabotki tverdykh gory-uchikh iskopaemykh (Wasteless technologies. Hard fossil fuel mining and processing waste utilization), Moscow, Nedra, 1986, 120 p.
2. Burmistrov V. N., Petrova G. P., Tambovtseva M. A. Koks i khimiya. 1981, no 8, pp. 56-59.
3. Preobrazhenskiy B. P. Koks i khimiya. 1981, no 9, pp. 53-55.
4. Shpirt M. Ya., Rainbow A. K. M. Ecological problems caused by coal mining and processing with suggestions for remediation, Millpress Roterdam Netherlands 2006, 162 p.
5. Raask E. Cenospheres in pulverized-fuel ash. Journal of the Institute of fuel. 1968, v. 43, no 332, Septemb., pp. 339-344.
6. Leininger D., Erdmann W., Kohling R. Symposium on the utilization of waste from coal mining and preparation. Tatabanya. Hungary. 1983, top. 5, pp. 1—36.
7. Shpirt M. Ya., Artem'ev V. B., Silyutin S. A. Ispol'zovanie tverdykh otkhodov dobychi i pererabotki ugley (Coal mining and dressing waste use), Moscow, Gornoe delo, 2013, 432 p.
8. Baniah M. K., Kotoky P., Borah G. S. Gold in high sulphur Indian coals. Fuel. 1998. Vol. 77, no 15, pp. 1867—1868.
9. Viskin Zh. V. Szhiganie uglya v kipyashchem sloe i utilizatsiya ego otkhodov (Coal combustion in fluidized bed and utilization of waste), Donetsk, Tipografiya «Novyy mir», 1997, 283 p.
10. Topor N. D., Ogorodova L. P., Mel'chakova L. V. Termicheskiy analiz mineralov i neorganich-eskikh soedineniy (Thermal analysis of minerals and inorganic compounds), Moscow, Izd-vo MGU, 1987, 125 p.
11. Petukhov V. N., Svechnikova (Osina) N. Yu., Yunash A. A., Sablin A. V. Koks i khimiya. 2007, no 9, pp. 6—9.
12. Petukhov V. N., Svechnikova N. Yu., Yudina S. V., Gorokhov A. V., Lavrinenko A. A., Kharchen-ko V. F. Koks i khimiya. 2016, no 5, pp. 38—41.
13. Svechnikova N. Yu., Petukhov V. N., Yudina S. V., Gorokhov A. V., Lavrinenko A. A., Khar-chenko V. F. Utilization of coal-flotation wastes at OAO TSOF Belovskaya. Coke and Chemistry. 2016, vol. 59, no 5, pp. 200—203.
&_
