CC BY
178
УДК 621.311.22:622.7.002.68:662.654
Г.Д. Вахрушева, В.И. Мурко, В.И. Федяев, В.И. Карпенок,
В.П. Мастихина, Д.А. Дзюба
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУСПЕНЗИОННОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
В представленной ниже статье приведены результаты определений реологических и теплофизических характеристик суспензионного угольного топлива (ВУТ) на основе тонкодисперсных отходов углеобогащения (фильтр-кеков) Кузбасса.
Материалы статьи подготовлены в процессе реализации проекта в рамках частногосударственного партнерства в сфере реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (шифр 2010-218-02-174 «Разработка технологии и создание пилотного образца автоматизированного энергогенерирующего комплекса, работающего на отходах углеобогащения»).
Введение
Полученные результаты могут быть использованы для расчета технологических схем комплексов для приготовления и сжигания углеотходов в виде ВУТ.
Высокие требования потребителей к качеству угля способствуют развитию углеобогащения. За последние годы только в Кузбассе введено в строй более 10 углеобогатительных фабрик.
Отличительными особенностями новых фабрик являются применение замкнутого водношламового цикла и отсутствие отделений термической сушки. Вместе с тем при обогащении образуется от 0,5 до 7% от переработанного угля тонкодисперсных отходов с влажностью от 20 до 45% и зольностью от 18% до 60%.
В настоящее время данный продукт не реализуется и сбрасывается в отвалы. Количество таких отходов только в Кузбассе составляет свыше 150 млн. т и продолжает непрерывно возрастать более чем на 150 т в сутки. В результате безвозвратно теряются миллионы тонн добытого угля, а также усугубляется и без того неблагоприятная экологическая обстановка в регионе.
Экологический ущерб обусловлен тем, что при таянии снега и в период выпадения осадков, адсорбированные на поверхности твердых частиц углеотходов коагулянты, флокулянты и другие химические реагенты в растворенном виде и вместе с угольными частицами попадают в близлежащие водоемы и почву.
На рис. 1 представлена типовая схема получения фильтр-кеков на фильтр-прессах на углеобогатительных фабриках [1].
В табл. 1 приведены сводные данные по каче-
ственным показателям фильтр-кеков, получаемым на углеобогатительных фабриках, типам и количеству установленных фильтр-прессов.
Учитывая, что в литературе в настоящее время практически отсутствуют сведения о реологических параметрах и теплофизических характеристиках водоугольных суспензий, получаемых из тонкодисперсных отходов углеобогащения, данные исследования являются актуальными для правильного выбора технологического оборудования и проведения расчетов и проектирования установок приготовления и сжигания ВУТ.
Экспериментальная часть
Анализ табл. 1 показывает, что с учетом крупности тонкодисперсных отходов углеобогащения, как правило, не превышающей 500 мкм, и влажности, равной 30^45%, наиболее эффективным направлением утилизации отходов углеобогащения является их сжигание в виде водоугольных суспензий (ВУТ). В этом случае обеспечивается использование всего добытого угля по его прямому назначению, а образующаяся при сжигании зола является хорошим строительным материалом. В результате появляется возможность существенно сократить объемы площадей, занятых гидроотвалами и отстойниками, и рекультивировать нарушенные земли.
Таким образом, утилизация тонкодисперсных отходов углеобогащения является актуальной задачей решения экономических и экологических проблем угледобывающих регионов.
Свойства фильтр-кеков (табл. 1) учитываются при разработке технологии приготовления ВУТ на основе фильтр-кеков ОФ.
Элементы технологии приготовления ВУТ были исследованы в лабораторных условиях.
Для проведения исследований по определению возможности приготовления суспензионного угольного топлива из фильтр-кеков отобраны и проанализированы пробы фильтр-кеков, полученных от переработки углей различных стадий метаморфизма (марки угля) и зольностей Кузнецкого угольного бассейна:
При этом решались следующие задачи:
- разработка составов комплексных пластифицирующих добавок при приготовлении водоугольного топлива из фильтр-кеков в лабораторных условиях;
- определение значений основных структурнореологических характеристик полученного ВУТ и
выбор оптимального варианта добавки;
- определение и анализ теплофизических характеристик ВУТ.
Характеристика проб исходного сырья представлена в табл. 2.
Для исследования приготовления ВУТ и выбора пластифицирующих добавок использовалась смесительная камера вибростенда СВУ-2 (вибросмеситель), в котором проводилось перемешивание исходных компонентов суспензионного угольного топлива.
Согласно методике в вибросмеситель загружался исходный материал, комплексная добавка и при необходимости водопроводная вода.
Для определения оптимальной добавки при приготовлении ВУТ из фильтр-кеков использовалось несколько видов комплексных добавок. Добавки состояли как из одного компонента, так и из двух компонентов: разжижающего и стабилизирующего.
Количество добавки от твердой фазы менялось в зависимости от вида добавки и полученного результата эксперимента.
Для проведения исследований по определению возможности приготовления суспензионного угольного топлива из фильтр-кеков отобраны и проанализированы пробы фильтр-кеков, полученных от переработки углей различных стадий метаморфизма (марки угля) и зольностей Кузнецкого угольного бассейна:
При этом решались следующие задачи:
- разработка составов комплексных пластифицирующих добавок при приготовлении водоугольного топлива из фильтр-кеков в лабораторных условиях;
- определение значений основных структурнореологических характеристик полученного ВУТ и выбор оптимального варианта добавки;
- определение и анализ теплофизических характеристик ВУТ.
Характеристика проб исходного сырья представлена в табл. 2.
Для исследования приготовления ВУТ и выбора пластифицирующих добавок использовалась смесительная камера вибростенда СВУ-2 (вибросмеситель), в котором проводилось перемеши-
Рис. 1. Типовая схема установки фильтр-пресса
Также изменялось соотношение компонентов в составе комплексных добавок.
Свойства фильтр-кеков (таблица 1) учитываются при разработке технологии приготовления ВУТ на основе фильтр-кеков ОФ.
Элементы технологии приготовления ВУТ были исследованы в лабораторных условиях.
вание исходных компонентов суспензионного угольного топлива.
Согласно методике в вибросмеситель загружался исходный материал, комплексная добавка и при необходимости водопроводная вода.
Для определения оптимальной добавки при приготовлении ВУТ из фильтр-кеков использовалось несколько видов комплексных добавок. До-
бавки состояли как из одного компонента, так и из двух компонентов: разжижающего и стабилизирующего.
Количество добавки от твердой фазы менялось в зависимости от вида добавки и полученного результата эксперимента. Также изменялось соотношение компонентов в составе комплексных добавок.
Оптимальный вариант добавки определялся из
условия минимальной вязкости при наибольшем содержании твердой фазы в ВУТ. Кроме того устанавливалась статическая стабильность, которая должна быть не менее 20 суток.
Характеристика отдельных проб суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков с анализируемых предприятий приведена в табл.3, а реологические модели течения - в табл. 4 .
Таблица 1. Данные по использованию фильтр-прессов на обогатительных фабриках
Наименование предприятия Качество фильтр-кеков Характеристики фильтр-прессов
Зольность осадка, % Влажность осадка, % Класс, мм Название Кол-во Произво- дитель- ность одного, т/ч Общая произво- дитель- ность, т/ч
ЦОФ «Абашевская» отходы флотации 13,0-65,0 до 50,0 0-0,2 «Андриц» CPF 2200 S7 2 10,0-12,0 20,0-24,0
ОФ «Антоновская» шлам 14,0-16,0 34,0-36,0 0-0,1 WXG^,0 2 12,0 24,0
ОУ «Барзасское товарищество» шлам 19,8 до 35,0 0-0,З «EIMCO MDP-1,5» 1 7,5 7,5
ОФ «Бачатская Коксовая» отходы флотации 39,5-52,0 до 35,0 0-0,З WXG^,0 З 8,6 25,8
ОФ «Бачатская Энергетическая» шлам 7,3 30,0-38,0 0-0,1 ЗМ МКЗ PRESS 1 6,2 6,2
ЦОФ «Беловская» отходы флотации 55,0-70,0 до 50,0 0-0,5 «Вемко»-2,6 З 14,0 42,0
ЦОФ «Березовская» отходы флотации 48,0-55,0 до 50,0 0-0,2 «Андриц АГ»-2,2 З 10,0-12,0 30,0-36,0
ОФ «Красногорский разрез» шлам 24,0-28,0 35,0 0-0,1 BN^M 2 18,0 36,0
ЦОФ Кузбасская» шлам 28,0-30,0 40,0-45,0 0-0,2 «Андриц» CPF 2200 S7 2 15,0 30,0
ЗАО ОФ «Междуре-ченская» 2 техкомплекс отходы флотации 55,0-65,0 до 45,0 0-0,15 «EIMCO»-2,6 2 12,3 24,6
ОФ «Нерюнгринская» конц. 8,4-8,6 микст 26,5-36,0 30,0 34,0-36,0 0-0,5 «EIMCO MDP-2,6» 12 6 8,0 7,2 42,0
ОФ «Северная» отходы флотации 25,0-30,0 до 45,0 0-0,15 WXG^,0 З 16,8 50,4
ОФ «Спутник» шлам 25,0-27,0 до 40,0 0-0,15 WXG^,0 2 21,0 42,0
ОУ «Шестаки» шлам 21,7 до 30,0 0-0,15 «EIMCO MDP-1,5» 1 4,4 4,4
ОФ «Тугнуйская» шлам 50,6-52,1 до 45,0 0-0,05 WXG^,0 «Phoenix» З 15,0 45,0
ИТОГО: в час в год 439,9 2639400
Таблица 2. Характеристика исходных продуктов
№ робы Наимено- вание продукта арка угля Влага >бщая, у;, % Золь- ность, А*,% Гранулометрический состав, % Классы крупности, мм Низшая теплота сгорания, я, МДж/кг (ккал/кг)
+3,0 1,0-3,0 0,355- 1,0 0,250- 0,355 0,160- 0,250 0,071- 0,160 -0,071
ОФ «Северная»
1 фильтр-кек СО+К 47,4 23,6 - - 3,0 1,9 2,2 7,1 85,8 12,4 (2969)
2 фильтр-кек СО+К 46,7 24,0 - - 3,8 2,1 2,3 8,3 83,5 12,6 (2999)
3 фильтр-кек СО+К 45,0 18,7 - - 0,1 0,5 0,9 4,8 93,7 14,0 (3349)
Ц О Ф «Абашевская»
1 фильтр-кек ГЖ 31,5 28,2 1,5 1,4 8,5 6,4 6,9 14,8 60,5 14,5 (3463)
2 фильтр-кек ГЖ 34,0 24,6 1,9 2,4 27,0 23,7 45,0 14,6 (3492)
ОФ «Щедрухинская»
1 фильтр-кек Г 41,3 26,2 - 0,1 0,8 2,0 13,2 83,9 13,4 (3211)
2 фильтр-кек Г 37,8 32,5 - 1,1 4,9 3,7 24,2 66,1 13,1 (3140)
3 фильтр-кек Г 39,9 32,9 - 1,7 5,7 3,2 23,5 65,9 12,5 (2980)
4 фильтр-кек Г 42,3 31,5 - 0,6 2,5 2,9 20,5 73,5 12,1 (2902)
ОФ «Междуреченская»
1 фильтр-кек Т 34,1 44,6 - 1,4 3,1 2,7 28,2 64,6 11,5 (2758)
2 фильтр-кек КС 34,9 52,3 - 9,7 12,0 6,0 20,2 52,1 10,0 (2390)
ЦОФ «Кузбасская»
1 фильтр-кек :ж+к 42,8 28,1 - 0,2 2,6 3,2 23,0 71,0 13,1 (3137)
ОФ «Красногорская»
1 фильтр-кек Т 36,7 28,0 - 1,5 2,9 2,0 18,6 75,0 14,7 (3518)
ОФ «Спутник»
1 и ь тр- 1 о Г 32,0 29,1 - - 0,7 2,0 5,6 21,1 70,6 14,5 (3458)
2 фильтр-кек Г 35,6 25,6 - - 1,2 3,5 7,5 24,0 63,8 14,3 (3415)
3 фильтр-кек Г 37,1 30,4 - - 0,8 1,7 5,0 22,1 70,4 12,9 (3093)
Результаты и их обсуждение
Анализ табл. 2 показал, что зольность исследуемых проб фильтр-кеков изменялась в широком диапазоне: от 18,7% фильтр-кек ОФ «Северная» до 52,3% фильтр-кек марки «КС» ОФ «»Между-реченская». Влажность фильтр-кеков анализируемых проб варьировала в интервале значений от 31,5% (фильтр-кек ЦОФ «Абашевская») до 47,4% (фильтр-кек ОФ «Северная»).
Таким образом, наиболее влажные - пробы фильтр-кека с ОФ «Северная», а наиболее зольные
- с ОФ «Междуреченская». Пробы фильтр-кеков с ЦОФ «Абашевская», ОФ «Щедрухинская», ЦОФ «Кузбасская», ОФ «Красногорская» и ОФ «Спутник» имели срединные значения, как по влажности, так и по зольности.
Гранулометрический состав исследуемых проб фильтр-кека также неоднороден по крупности. Наиболее тонкодисперсную структуру имели шламы ОФ «Северная», в отдельных пробах которых выход класса менее 0,071 мм достигал 93,7% (проба № 3).
Наиболее крупными по гранулометрическому составу являлись шламы (отходы) ЦОФ «Абашев-ская», в пробах которой присутствовал класс +3,0 мм в количестве 1,5%+1,9% от исходного, выход класса менее 0,071 мм в пробе № 2 - 45,0%.
Гранулометрический состав проб фильтр-
кеков с остальных анализируемых предприятий имел приблизительно одинаковое распределение выходов по классам крупности. Обработка гранулометрического состава твердых частиц в ВУТ из табл. 3 по уравнению Розина-Раммлера [2] показала, что полученные зависимости хорошо описывают экспериментальные значения (рис. 2).
Учитывая, что водоугольные суспензии с массовой долей твердой фазы более 50% являются неньютоновскими жидкостями, для каждой из исследуемых проб ВУТ по результатам измерений напряжений сдвига на различных скоростях сдвига определялись соответствующие коэффициенты реологических уравнений.
Для наилучших по реологическим свойствам проб построены кривые течения.
На рис. 3 реологические кривые ВУТ для пробы №4 из фильтр-кека ОФ «Щедрухинская» и для пробы №1 из фильтр-кека ЦОФ «Кузбасская».
Важнейшим параметром, характеризующим суспензионное угольное топливо, является его низшая теплота сгорания. Низшая теплота сгорания анализируемых проб фильтр-кеков изменялась в основном в интервале от 11,5 МДж/кг (2758 ккал/кг) (фильтр-кек марки «Т» ОФ «Междуреченская») до 14,7 МДж/кг (3518 ккал/кг) (фильтр-кек ОФ «Красно-горская») (табл.2). Исключением является проба фильтр-кека марки «КС» ОФ
Таблица 3. Характеристика суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков углеобогатительных фабрик Кузбасса
№№ п/п Номер пробы Золь- ность, лё,% Наимено- вание добавки Добавки от твердой фазы, % Массовая доля твердой фазы, Ст, % Гранулометрический состав, классы, мм Низшая теплота сгорания, О', МДж/кг (ккал/кг)
+0,355 0,250- 0,355 0,160- 0,250 0,071- 0,160 Г' о ,0 -
ОФ «Северная»
1 1 23,6 Тип С 0,1 50,1 4,2 2,7 2,2 7,2 83,7 11,7 (2800)
2 2 24,6 Тип С 0,4 52,9 4,0 2,4 2,5 8,3 82,8 12,3 (2947)
3 3 18,7 Тип С 0,3 52,8 - - 2,3 3,5 94,2 13,4 (3192)
ЦОФ «Абашевская»
4 1 26,4 Вариант В2 1,0 68,4 1,5 1,5 14,2 20,0 62,8 14,8 (3549)
ОФ «Щедрухинская»
5 1 26,2 Вариант В2 1,0 51,7 0,3 1,0 2,0 12,9 83,8 11,5 (2758)
6 2 32,9 Вариант В2 1,0 59,3 1,7 5,4 3,6 23,4 65,9 12,3 (2933)
7 3 31,5 Тип Я 1,0 55,1 0,5 2,4 3,0 20,6 73,5 11,5 (2745)
ОФ «Междуреченская»
8 1 44,5 Вариант М1 0,31 60,1 0,6 2,5 1,7 19,6 75,6 10,3 (2468)
9 2 53,3 Вариант М1 0,31 62,2 9,1 9,4 3,9 16,9 60,7 9,2 (2205)
ЦОФ «Кузбасская»
10 1 27,1 Вариант В1 1,0 56,5 - 2,1 1,5 11,9 84,2 13,0 (3118)
ОФ «Красногорская»
11 1 27,7 Вариант В1 1,0 55,2 0,8 2,0 1,3 11,3 84,6 12,6 (3031)
ОФ «Спутник»
12 1 29,7 Вариант В2 1,0 63,5 0,4 1,9 5,6 21,0 71,1 13,3 (3190)
13 2 24,0 Тип УКрасн. 1,0 60,7 1,0 2,5 6,0 22,0 68,5 13,6 (3258)
14 3 30,0 Вариант В2 1,0 58,5 0,6 1,6 4,2 21,0 72,6 11,9 (2854)
Таблица 4. Реологические модели течения суспензионного угольного топлива __________на основе фильтр-кеков обогатительных фабрик Кузбасса____________
№ п/п № пробы Реологические модели течения
Степенная (псевдопластичная) (т = К-уп) Бингамовская (вязкопластичная) (т = Т0 + М0 -г)
Эффективная вязкость при сдвиге81 с-1, П, мПа-с Консис-тент-ность, К, Па-сп Индекс потока, п Средне- квадрат. отклонение, ст Начальное напряжение сдвига, т0, Па Структур ная вязкость, ц0, Па-с Средне- квадрат. отклонение, ст
ОФ «Северная»
1 1 < 100 - - - - - -
2 2 444 1,86 0,71 0,14 16,07 0,30 0,11
3 3 237 1,30 0,62 0,07 10,11 0,11 0,05
ЦОФ «Абашевская»
4 1 356 0,53 0,92 0,04 4,15 0,31 0,04
ОФ «Щедрухинская»
5 1 < 100 - - - - - -
6 2 193 0,57 0,76 0,05 6,73 0,11 0,02
7 4 237 2,32 0,50 0,10 11,64 0,09 0,05
ОФ «Междуреченская»
8 1 785 10,12 0,43 0,06 28,67 0,29 0,52
9 2 474 14,33 0,25 0,13 25,71 0,11 0,35
ЦОФ «Кузбасская»
10 1 429 1,87 0,69 0,06 14,86 0,26 0,19
ОФ «Красногорская»
11 1 281 0,43 0,90 0,02 4,34 0,22 0,33
ОФ «Спутник»
12 1 593 1,03 0,88 0,03 8,96 0,48 0,09
13 2 533 1,20 0,82 0,06 11,22 0,39 0,16
14 3 326 0,60 0,86 0,04 7,29 0,24 0,03
*^х)= 100 Я (по «плюсу») ; W(x)= 100 (1-Л) (по «минусу»); Я=ехр(- 4.685 X0'335)
Рис. 2. Характеристики гранулометрического состава ВУТ ОФ «Северная»
Рис. S. Реологические кривые течения ВУТ (для проб №4 фильтр-кека ОФ «Щедрухинская» и
№1 фильтр-кека ЦОФ «Кузбасская»).
«Междуреченская», низшая теплота сгорания ко- фильтр-кек с ОФ «Междуреченская», а высокока-
торой составляла 10,0 МДж/кг (2390 ккал/кг). лорийный - фильтр-кек с ОФ «Красногорская».
Следовательно, наиболее низкокалорийный Приготовление суспензионного угольного то-
15
г
к
И
d
s
_ -14 О я
р
£1Э
с
те12
3
з
и
X
11
-
— — ЦОФ "Кузбасская", исходный кек (влажность 42,8%)
ОФ "Кузбасская", суспензионное угольное топливо (влажность 43,5%)
"Красногорская", суспензионное угольное топливо (влажность 44,8%
)
10
25
26
27
28
29 Э0 Э1
Зольность А", %
Э2
ЭЭ
Э4
Э5
Рис. 4. Зависимость низшей теплоты сгорания от влажности и зольности суспензионного угольного топлива и исходного фильтр-кека (ЦОФ «Кузбасская», проба №1 и ОФ «Красногорская», проба №1)
плива влечет за собой лишь незначительное отно-
сительное уменьшение низшей теплоты сгорания по сравнению с исходным фильтр-кеком (на 1,5 -15,2 %). В результате получается жидкое топливо, которое можно транспортировать по трубопроводам, в авто- и железнодорожных цистернах, танкерах и т.д., хранить в емкостях и эффективно сжигать используя технологию сжигания путем его распыления через форсунки.
На рис. 4 приведены графики зависимости низшей теплоты сгорания от влажности и зольности суспензионного угольного топлива и исходных фильтр-кеков для ЦОФ «Кузбасская» и ОФ «Красногорская», где наблюдалось минимальное и максимальное снижение низшей теплоты сгорания соответственно. Выполненные исследования показали возможность получения суспензионного
угольного топлива на основе тонкодисперсных отходов углеобогащения и фильтр-кеков с необходимыми структурно-реологическими и теплофизическими характеристиками:
- массовая доля твердой фазы от 53,0% до 63,0%;
- зольность от 18,0% до 40,0%;
- эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с-1 при температуре равной 20 0С от 200 мПа-с до 600 мПа-с;
- низшая теплота сгорания ВУТ от 2500 ккал/кг до 3300 ккал/кг;
- гранулометрический состав:
0-250 мм - до 5,0%,
0,071 мм - 60,0% - 80,0%;
- статическая стабильность от 10 до 30 суток.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Л.А. Антипенко. Технологические регламенты обогатительных фабрик Кузнецкого бассейна. Прокопьевск, 2007.
2. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых/ Андреев С.Е., Перов В.А., Зверевич В.В. М.: Недра,1980. - С. 415.
□ Авторы статьи:
Вахрушева Галина Дмитриевна, Ведущий инженер СибГИУ, тел. 89617177488
Карпенок Виктор Иванович, старший научный сотрудник СибГИУ, тел. 89617177459
Мурко Василий Иванович, докт.техн.наук., проф., руководитель лаборатории СибГИУ, e-mail: sib_eco@kuz.ru Мастихина Вера Павловна, старший научный сотрудник, СибГИУ, тел. 89617177496
Федяев Владимир Иванович, генеральный директор ЗАО НПП «Сибэкотехника», тел. 89617177459
Дзюба
Дмитрий Анатольевич, старший научный сотрудник, СибГИУ, тел. 89617177430
