CC BY
20
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 666.914
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ДЕКАРБОНИЗАЦИИ ДОЛОМИТА
© 2014 г. А.Н. Рязанов, В.И. Винниченко
Рязанов Александр Николаевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Архитектура зданий и сооружений», Луганский национальный аграрный университет. E-mail: ryazanov@ lnau.lg.ua
Винниченко Варвара Ивановна - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Механизация строительных процессов», Харьковский национальный университет строительства и архитектуры. E-mail:[email protected]
Ryazanov Aleksandr Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Architecture of the Buildings and Structures», Lugansk National Agrarian University. E-mail: [email protected]
Vinnychenko Varvara Ivanovna - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Mechanization construction processes», Kharkiv National University of Construction and Architecture. E-mail:[email protected]
Показана важность комплексного использования отходов для уменьшения загрязнения окружающей среды. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по влиянию органической составляющей отходов углеобогащения на процесс декарбонизации доломита. Показано, что их совместный обжиг интенсифицирует диссоциацию карбонатов кальция и магния, а также снижает потребность эндотермических реакций в энергии.
Ключевые слова: отходы углеобогащения; декарбонизация; доломит; термограмма.
The importance of an integrated waste management to reduce environmental pollution. Theoretical and experimental studies of the effect of the organic component of the waste coal on the process of calcining dolomite. Shown that their joint intensifies dissociation firing carbonates of calcium and magnesium, as well as reduces the need for energy in endothermic reactions.
Keywords: coal waste; decarbonization; dolomite; thermogram.
Проблема утилизации и переработки отходов промышленности по-прежнему чрезвычайно актуальна. Острота проблемы, несмотря на достаточное количество путей решения, все время усиливается, так как рост промышленного производства сопровождается увеличением уровня образования и накопления промышленных отходов.
Экологическая опасность терриконов, в которых складированы отходы, содержащие угольную составляющую, достаточно широко освещена. Техногенная нагрузка на окружающую среду превышает аналогичный показатель в соседних странах в 5 - 15 раз [1 - 3]. При комплексном использовании отходов они являются одновременно исходными сырьевыми материалами и частично топливом для промышленности строительных материалов. Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во-вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность строительной отрасли в сырье.
Возможность и целесообразность совместного использования отходов углеобогащения и отходов доломита для получения вяжущих определяется, в первую очередь, характером поведения при нагреве
органической составляющей отходов углеобогащения. Для проведения исследований использовались отходы гравитационного обогащения Белореченской ЦОФ и отсев доломита ЧАО «Докучаевский флюсодоломит-ный комбинат».
Первый низкотемпературный эндотермический эффект при 110 оС на кривой ДТА отходов (рис. 1) отвечает удалению адсорбированной влаги. Начало процесса термоокислительной деструкции, характеризующегося выделением газообразных летучих продуктов, находится в области температур около 200 оС.
При дальнейшем нагревании усиливаются процессы термической деструкции органической массы отходов, сопровождающиеся выделением летучих веществ и смол, происходящие параллельно с дегидратацией водных оксидов алюмосиликатов. Характер эффекта - всего один максимум на кривой TG - свидетельствует о том, что состав органического компонента близок к однородному. На кривой ДТА этому процессу соответствует интенсивный экзотермический эффект с максимумом при температуре 400 оС. Непосредственно после указанного эффекта начинается потеря массы, связанная с выходом летучих органического вещества.
Наблюдаемый в интервале температур 410 - 780 оС процесс термического разложения органической составляющей известен под названием полукоксования с образованием жидкой фазы - пластического состоя-
ния угля - с последующим превращением его в полукокс. Эндотермический эффект при 540 оС обусловлен процессом перестройки кристаллической решетки глинистых минералов.
ТО, мг
Дт = 15 %
T, °С 1000
900 -
800
700
600
500
400
300
200 -
100 -20
T
TG ДТА
Отходы
Рис. 1. Термограммы нагрева отходов углеобогащения
Для теоретического определения влияния на процесс диссоциации карбоната магния наличия углерода и продуктов его газификации выполнен термодинамический анализ следующих реакций:
MgCOз = MgO + СО2; (1)
MgCOз + С = MgO + 2СО; (2)
MgCOз + 2ОН = MgO + СО + Н2О + О2; (3) MgCOз + СО+0,5О2 = MgO + 2СО2. (4)
Полученные результаты представлены на рис. 2.
Температура, К
0 1400
намически возможна при температурах выше 600 К, а при участии органической составляющей отходов появление MgO термодинамически вероятно в реакциях (2) - (4) уже при 400 К.
Результаты термодинамических исследований свидетельствуют о том, что участие углерода и продуктов его газификации в реакциях диссоциации карбоната магния способствует снижению температуры начала реакции разложения MgCO3.
Эндотермический эффект при 200 оС на термограмме (рис. 3) отсева доломита соответствует потере адсорбционной и межслоевой молекулярной воды из глинистых минералов примесей.
Прогибы кривой ДТА после нагревания выше 780 оС свидетельствуют о ступенчатости процесса декарбонизации доломита. Интенсивный эндотермический эффект при 820 оС отвечает процессу диссоциации карбоната магния, а эндотермический эффект с максимумом при 900 оС - диссоциации карбоната кальция.
Сравнение кривых нагрева доломита (рис. 3.) и смеси доломита и отходов углеобогащения (рис. 4.) выявило понижение температуры начала диссоциации карбонатов.
100 20
Рис. 3. Термограммы отсева доломита
-400
Рис. 2. Влияние температуры на энергию Гиббса: 1 - реакция 1; 2 - реакция 2; 3 - реакция 3; 4 - реакция 4
Термодинамический анализ влияния органической составляющей отходов на реакции диссоциации карбоната магния показал, что реакция (1) термоди-
Эндотермический эффект при 120 оС на термограмме (рис. 4) соответствует потере адсорбционной и межслоевой молекулярной воды из глинистых минералов.
Интенсивный эндотермический эффект при 800 и 860 оС отвечает процессу диссоциации соответственно карбонатов магния и кальция, а эндотермический прогиб при 500 - 600 оС - удалению конституционной воды и перестройке кристалической решетки минералов глинистого компонента сырьевой смеси.
Добавление к доломиту отходов углеобогащения существенно меняет характер термических эффектов,
хотя особенности термохимических превращений органической составляющей отходов сохраняются. Появление на кривой ДТА (рис. 4) экзотермических эффектов при 469 и 590 оС связано с термоокислительной деструкцией органической составляющей отходов углеобогащения.
TG, мг
Рис. 4. Термограммы нагрева смеси отсева доломита и отходов обогащения углей
Более крутой спад кривых ТГ и ДТГ объясняется сложением двух видов потерь - декарбонизации и выгорания органического компонента. Здесь наблюдается смещение максимума эндотермического эффекта декарбонизации МgCOз на 20 оС в сторону понижения температуры и СаС03 на 40 оС, что объясняется одновременным появлением термически неустойчивых кислородосодержащих атомных групп органической составляющей, активных алюмосиликат-ных кристаллов и свободных оксидов магния и кальция. Из сравнения термограмм также следует, что при повышении температуры процесс декарбонизации интенсифицируется, что подтверждено на кривой ДТА понижением температур начала процесса диссоциации карбонатов.
Процессы, происходящие в веществе твердого топлива при непрерывном нагревании, достаточно чувствительно отражаются на термограммах. Выделение газообразных продуктов взаимодействия, сопровождающееся потерей массы, происходит в интервале температур 200 - 700 оС. В случае их выгорания, потеря массы на кривой ДТА отражается появлением экзотермического пика. Горючие летучие компоненты, выделившиеся до начала их воспламенения, уно-
Поступила в редакцию
сятся дымовыми газами. Горение летучих веществ, при наличии необходимых температуры и кислорода, влечет за собой экзотермические превращения и сопровождается изменением внутреннего теплосодержания системы.
Кривые ДТА позволяют определить начало процесса горения (возгорания). Анализ термограммы с отходами углеобогащения показывает, что процесс выгорания летучих веществ из органической составляющей отходов углеобогащения начинается при температуре 230 оС, что совпадает с температурой возгорания летучих горючих веществ (точка появления экзотермического эффекта).
Кроме того, очевидно, что наличие экзотермических реакций в смеси доломита и отходов позволяет компенсировать частично или полностью потребность эндотермических процессов в тепловой энергии, что подтверждается значительным уменьшением площади, занимаемой на термограммах кривыми ДТА, фиксирующими эндотермические реакции от точки начала поглощения тепла до точки ее окончания. Это дает основание предполагать о возможности снижения энергетических затрат на обжиг за счет внутренних резервов смесей.
Выводы
Выполнены сравнительные исследования поведения при нагреве отходов обогащения углей, отсева доломита и смеси отходов и отсева доломита. Показано, что в смеси отходов обогащения углей и доломита процессы декарбонизации карбоната магния и карбоната кальция интенсифицируются, о чем свидетельствует снижение температуры максимума эндотермического эффекта диссоциации карбоната магния на 20 оС и снижение температуры максимума эндотермического эффекта диссоциации карбоната кальция на 40 оС.
Установлено, что снижение потребности в энергии эндотермических процессов декарбонизации доломита возможно за счет внутренних резервов (экзотермических реакций) смеси отсева доломита и отходов обогащения углей.
Литература
1. Галецький Л.С., Науменко У.З., Пилипчук А.Д. Техно-генш родовища - нове нетрадицшне джерело мшераль-но! сировини в Украш // Еколопя довкшля та забеспе-чення життодяльност! 2002. № 5 - 6. С. 77 - 81.
2. Петрова Л.О. Вплив на навколишне середовище вiдходiв вуглевидобутку i вуглепереробки // Геол. журнал. Кшв, 2002. № 2. С. 81 - 87.
3. Земля тривоги нашо!. За матерiалами доповщ про стан навколишнього середовища в Донецькш областi у 2004 р. / тд редакщею С.Третьякова. Донецьк, 2005 р. С. 110 - 120.
25 декабря 2013 г.
