CC BY
70
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 622.648.24
А.В. Папин, Г.А. Солодов, А.Н. Заостровский, М.С. Клейн, Т.А. Папина
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ МОКРОМ ДИСПЕРГИРОВАНИИ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ, ОБОГАЩЁННЫХ МЕТОДОМ МАСЛЯНОЙ АГЛОМЕРАЦИИ
Технологические свойства ископаемых углей, применяемых при получении водоугольного топлива (ВУТ), в значительной мере определяются их надмолекулярной структурой, а также состоянием поверхностных ионогенных групп, ответственных за энергетическое состояние угольной поверхности при ее взаимодействии с окружающей средой. Контакт угля с водой и реагентом - пластификатором при мокром помоле приводит к существенным изменениям поверхностных
свойств углей. Интенсивные физико-химические, ионообменные процессы, сопровождающиеся образованием на
угольной поверхности двойного электрического слоя ионов, фактически приводят к усилению взаимодействия угольной фазы суспензии с водой [1].
Негативной особенностью ВУТ является наличие инертной среды - воды, понижающей его качественные характеристики. Полностью компенсировать влияние воды на качество ВУТ не возможно, однако частично снизить это влияние можно путем выбора наиболее оптимального исходного угля. Исходный уголь должен обладать высокой теплотой сгорания, повышенным содержанием летучих веществ, большое содержание углерода. Высокая теплота сго-
рания повышает значение низшей теплоты сгорания ВУТ. Большое содержание летучих веществ и углерода делает водоугольное топливо высокореакционным для преодоления негативного воздействия влаги, что в конечном итоге сказывается на стабильности горения.
Применение антрацитов -углей (угольных шламов) с высокой теплотой сгорания малопригодно из-за невысокого содержания летучих веществ. С другой стороны применение углей низкой стадии метаморфизма, имеющих высокое содержание летучих веществ и высокую реакционную способность, также практически не
Таблица 1
Технический и элементный анализ исходных угольных шламов
Вид анализа Наименование показателя Шлам марки Д Шлам марки СС Шлам марки Г
Технический анализ Влага аналитическая, Wa, % 5,5 3,6 25
Зольность, Аа, % 20,0 18,5 19,0
Высшая теплота сгорания, Qsdaf, ккал/кг 7450 7250 8150
Выход летучих веществ, Vdaf 39,8 30,0 39,5
Элементный состав, % Углерод, С“ 76,4 79,5 82,5
Водород, Н“ 4,9 5,2 5,8
Азот, Ndaf 2,4 2,0 2,9
Сера, Std 0,6 0,6 0,6
Кислород, Оа 16,3 12,7 8,1
Химический состав SiO2 49,5 46,5 45,5
золы, % AI2O3 16,7 16,0 16,1
Fe2Os 12,8 14,0 3,7
CaO 7,3 6,8 15,0
MgO 1,9 2,0 2,8
TiO2 0,6 0,4 0,2
MnO2 4,0 2,0 0,01
SO3 10,0 12,0
Na2O+K2O —
P2O5 0,12 0,6 0,7
применяются для приготовления ВУТ из-за невысокой теплоты сгорания. Существующие методы применения этих углей для технологии ВУТ (термическая, гидротермическая, барометрическая и др.) существенно дороги из-за их сложности и высокой энергоемкости и в настоящей работе не рассматриваются.
Указанным требованиям могут удовлетворять угли и угольные шламы марок Д, Г и СС Кузбасского бассейна. Запасы этих углей весьма велики, кроме того в гидроотвалах и шламоотстойниках сосредоточено большое количество тонкодисперсных угольных шла-мов этих марок, применение которых в качестве исходного сырья для приготовления ВУТ позволит получить высокий экономический и экологический эффекты [2].
Для возможности исследования процессов протекающих при мокром помоле угольных шламов для получения ВУТ были взяты образцы угольных шламов марок Д (ш. Инская), Г (ш. Комсомолец) и СС (ш. Тыр-ганская). Технический и элементный анализ исходных углей приведен в табл. 1.
В свою очередь, современные технологии производства и использования ВУТ ориентированы под конкретные котлы и печи, при этом, обязательным условием экономической и экологической эффективности, предъявляемым к ВУТ, является глубокая деминерализация угля [1-3].
Минимально возможная зольность исходного угля обеспечит, прежде всего, повышение теплотворной способности ВУТ, снижение вредных выбросов в атмосферу, сокращение объемов золо- и шлакоудаления, уменьшается износ и вследствие этого увеличивается срок службы переводимых на водоугольное топливо котлоэнергоагрега-тов [4].
При исследовании распределения зольности по классам в
исходных угольных шламах были получены данные, подтверждающие зависимость перехода зольности углей в более мелкие классы. В связи с этим был выбран метод обогащения угольных шламов - масляная агломерация, т.к. другие методы обогащения (флотация, гравитационное обогащение и др.) не позволяют получать приемлемый угольный концентрат из-за не высокой селективности этих процессов при обогащении мелких классов [5].
сохраняются условия для возможной утилизации минеральной части отходов в качестве компонента строительного материала.
Сущность процессов приготовления ВУТ заключается в измельчении угольных частиц, обогащенных методом масляной агломерации, одновременно со смешиванием их с водой и реагентом-пластификатором в шаровой мельнице.
Подготовленные угольные шламы направлялись на одно-
Подготовленный угольный шлам
Реагент-
пластификатор
Вода
(техническая)
> 125 мкм
ВУТ к котлу
Рис. 1. Принципиальная схема получения водоугольного топлива на основе угольных шламов
В качестве связующего реагента использовался топочный мазут. Расход связующего был определен потребностью для формирования агломерированного концентрата с минимально возможной зольностью. Зольность полученных концентратов составила 5-7 %. Выход угольной составляющей в концентрат 80-85 %. Зольность отходов составляла Аа=75-80 %. При этом
стадийный мокрый помол в лабораторную шаровую мельницу в присутствии реагента-пластификатора. В качестве
реагента-пластификатора ис-
пользовался гумат натрия полученный из бурого угля. Реагент-пластификатор добавлялся в шаровую мельницу в количестве 1,0 % к массе сухого угольного шлама.
Приготовление ВУТ из
диаметр частиц, мкм
Рис. 2. Зависимость распределения крупности частиц угля в ВУТ
время помола, мин
Рис. 3. Кинетика мокрого помола частиц угля в зависимости
от длительности диспергирования в шаровой мельнице: 1-125 мкм; 2-32 мкм
угольных шламов в лабораторных условиях осуществлялось по следующей схеме (рис. 1).
Через заданные промежутки времени производился отбор проб, в которых определялся гранулометрический состав путем мокрого рассева на ситах 32, 63, 125, 250, 500 мкм и зольность угольных частиц. В табл.
2 приведено процентное содержание фракций угля в ВУТ.
На рис. 2 представлена графическая зависимость распределения крупности частиц угля в ВУТ.
На рис. 3 представлена кинетика мокрого помола частиц угля (изменение остатка на сите 125 и 32 мкм в зависимости от длительности диспергирования) в шаровой мельнице.
Анализ полученных результатов показывает, что скорость диспергирования в начальный период дробления для крупных классов выше, чем для более мелких. Следовательно, на ско-
занная зависимость сохраняется и в процессе их мокрого диспергирования, однако различие в зольности верхних и промежуточных классов заметно уменьшается, а промежуточных и наиболее тонких классов остается практически неизменной. Данная закономерность распределения минеральной части угля по классам крупности обусловлена тем, что при мокром измельчении в присутствии реагента-пластификатора, раздробление угольных частиц происходит по наиболее слабым зонам между органической и ми-
остаток на сите 32, 63, 125, 250, 350, мкм
Рис. 4. Распределение зольности по крупности угольных частиц: 1 - подготовленный угольный шлам (ЛЛ = 5,0 % ); 2 -уголь после мокрого диспергирования (ЛЛ = 5,0 %)
Таблица 2
Процентное содержание фрак-
Класс угля, Содержание,
мкм %
500 0,46
250 0.07
125 0,03
63 3,64
32 6,23
<32 89,57
Концентрация
угля в суспен- 62,0
зиях, %
рость измельчения (особенно в начальный период) существенное влияние оказывает крупность исходного угля. Далее, в процессе дробления это влияние уменьшается, причем для более крупного класса быстрее, чем для более мелкого. Отсюда, было весьма интересным проследить зависимость кинетики мокрого измельчения от зольности исходных угольных концентратов, определяемую свойствами минеральных компонентов угля (табл. 1), состоящих практически на 80 % из размо-каемой глинистой породы.
Результаты анализа показали (рис. 4), что промежуточные классы в подготовленных угольных шламах обладают наименьшей зольностью. Ука-
неральной составляющими угля. Так как размер минеральных частиц очень мал, а также легко размокаем, происходит отделение породных частиц от крупных и в наибольшей степени средних классов переходящих в тонкие классы дисперсной фазы.
Существенное влияние на дробление оказывает скорость вращения барабана мельницы (рис. 5).
При увеличении скорости вращения происходит более быстрый размол крупных и средних классов (особенно в начальный период), тогда как на более мелкие классы данная закономерность практически не распространяется.
В свою очередь, ИК - спек-
0 60 120 180 240 300
остаток на сите 32,63,125,250,350, мк
Рис. 5. Влияние скорости вращения барабана шаровой мельницы на мокрое диспергирование угольных шламов (период диспергирования 20 минут): 1 - 20 об./мин; 2 - 30 об./мин; 3 - 45 об./мин.
тры показывают, что в процессе измельчения в жидких средах углей происходит преобразование углерод - кислородных связей.
Так, изменяется в сторону увеличения интенсивность полос поглощения, которые характерны для спиртовых групп и фенольных гидроксилов. Уменьшается содержание кислородсодержащих групп карбоновых кислот, циклических ароматических простых эфиров, уменьшается степень замещения ароматического водорода. Эти данные подтверждают и химические методы анализа функциональных групп. После мокрого помола изменяется растворимость углей в органических растворителях [1].
С целью исследования изменения растворимости в щелочной среде проведено измельчение (30 мин) в 10 % -ном растворе едкого натра. Применение 10 %-ного раствора щелочи позволило выделить 3,2 %
растворимых продуктов из газового и 55 % из бурого угля. Эти данные заслуживают внимания, если учесть, что из исходного газового угля при нагревании с щелочными растворами практически не удается выделить растворимых продуктов, а из ис-
ходного бурого угля выделяется около 35 %.
Полученные данные исследований свидетельствуют о протекании процессов физикохимической деструкции углей при измельчении в жидких средах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дягтеренко Т.Д., Завгородний В.А., Макаров А. С., Борук С.Д. // Химия твёрдого топлива. 1990. № 1. С. 92-97.
2. Мурко В.И., Заостровский А.Н. Выбор углей для приготовления водоугольных суспензий и закономерности формирования их структурно-реологических характеристик // Вестн. КузГТУ. 2001. № 5. С. 49 - 54.
3. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство водоугольного топлива. -М.: Издательство Академии горных наук, 2001. 176 с.
4. Мурко В.И., Заостровский А.Н., Клейн М.С., Папина Т.А. Повышение качества угля для приготовления водоугольного топлива // Труды Междунар.научно-практической конф.: “Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности”, Кемерово, 2002. - С. 84-85.
5. Мурко В.И., Заостровский А.Н., А.В. Папин, Г.А. Солодов, Клейн М.С., Папина Т.А. Обогащение тонкодисперсных шламов методом масляной агломерации // Труды Междунар. научно-практ. конф.: “Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности”, Кемерово, 2003. - С. 123-125.
□ Авторы статьи:
Папин Андрей Владимирович
- мл. науч. сотр. Института угля и угле-химии СО РАН (ИУУ СО РАН)
Солодов Геннадий Афанасьевич
- докт. техн. наук, проф., зав. каф.хими-ческой технологии твёрдого топлива и экологии
Заостровский Анатолий Николаевич
- канд. техн. наук, ст.
науч. сотр. лаб. каталитических процессов в углехимии ИУУ СО РАН, доц. каф. химической технологии твёрдого топлива и экологии
Клейн Михаил Симхович
- канд. техн. наук, доц. каф. обогащения полезных ископаемых
Папина Татьяна Александровна ■ аспирант ИУУ СО РАН
