CC BY
99
В .И. Ефимов, И.Б. Никулин, 2012
ИЗГОТОВЛЕНИЕ БРИКЕТОВ ИЗ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК
Проведен сравнительный анализ методов и технологий производства брикетов из отходов обогатительных фабрик.
Ключевые слова: угольная промышленность, обесшламливание, шламоотстой-ник, угольный шлам.
Угольная промышленность — важное звено топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Уголь используется в промышленности, на тепловых электростанциях как топливо, а также как технологическое сырье в металлургии и химической промышленности. Районообразующая роль топлива сказывается тем сильнее, чем крупнее масштабы и выше технико-экономические показатели ресурсов. Массовое и дешевое топливо притягивает к себе топливоемкие производства, определяя в известной мере направление специализации района. Однако угольная промышленность является и одним из основных загрязнителей окружающей природной среды.
Особая роль по загрязнению воздуха, воды и почв отводится шламоотстойникам. Источниками образования шламовых ресурсов, в основном, являются обогатительные фабрики. Технологические схемы этих предприятий предусматривают обесшламли-вание перерабатываемого угля, а также очистку оборотной воды от взвешенных угольных и илистых частиц. Их водно-шламовые схемы замыкаются через наружные шламовые отстойники и накопители. Угольные шламы представлены крупностью класса от 0 до 2—3 мм, преимущественно с содержанием частиц менее 0,5 мм от 60 % до 100 % и сильно обводнены.
На обогатительных фабриках, оснащенных ленточными и камерными фильтр-прессами, шламы обезвоживаются до остаточной влажности 28—35 % (в зависимости от их вещественного и гранулометрического составов) и направляются на открытые специальные площадки для складирования и естественной подсушки. На обогатительных фабриках, не имеющих фильтр-
прессовых отделений, шлам в жидкотекучем состоянии направляется в шламонакопители для осаждения.
В летнее время года из освобождённых от льда и снега шла-монакопителей откачивается или выводится осветлённая вода. Частично обезвоженный шлам (осадок) вычерпывается на специальные обваловочные площадки (для предотвращения растекания шлама), где в естественных условиях выветривается и подсушивается до состояния, обеспечивающего работоспособность погрузочного оборудования. Незначительное количество шламов под-шихтовывается к угольным отсевам. Складирование шламов на открытых площадках приводит к выводу из полезного землепользования значительных территорий, их загрязнению сбросными водами и повышению запылённости окружающей среды за счёт эмиссии угольной пыли в атмосферу.
В настоящее время объёмы невостребованных шламовых ресурсов с относительно высоким теплотехническим потенциалом горючей массы в целом по стране оценивается в десятки млн т (только 15 млн т в Кузнецком угольном бассейне) и имеют тенденцию к постоянному накоплению.
Характеризуя угольные шламы как потенциальное сырьё для переработки в окускованное топливо можно отметить следующее:
■ угольные шламы в исходном состоянии как энергоносите -ли для производства тепловой и электрической энергии, обладают недостаточной теплотворной способностью и не технологичны для использования в тепло-энергогенераторах различного назначения, а также для переработки;
■ низкая теплотворная способность обусловлена высоким содержанием балластной влаги, в меньшей мере золы, а нетехнологичность — мелкими, особенно пылевидными фракциями в совокупности с высокой влажностью и зольностью, когда шлам фактически находится в пастообразном или сильно агрегированном состоянии и практически не поддаётся эффективной разгрузке из аккумулирующих ёмкостей, так как не происходит раскрытие поверхности при прохождении по схеме оборудования перерабатывающего комплекса.
Критериальное значение влажности шлама при которой он переходит в относительно сыпучее состояние и создаются предпосылки для его переработки составляет порядка 14—15 %.
Окусковыванию подлежат не только техногенные отходы, но и первородное мелкофракционное и тонкодисперсное сырье, затраты на обогащение которого экономически не выгодны.
С переходом на взимание экологических налогов пропорционально объемам фактических выбросов производства, в том числе вывоза отходов на технологические свалки, значительно дешевле будет исключить или сократить количество отходов на местах их образования, чем выплачивать экологические налоги.
Следовательно переработка и утилизация техногенных отходов важны не только с точки зрения их использования как альтернативного источника сырья, но и с точки зрения охраны окружающей среды.
В связи с этим актуальным становится развитие компактных производств малой и средней мощности по переработке штыбов и шламов во вторичное сырье в виде брикетов, отвечающих требованиям современных энергетических процессов.
Зарубежная и отечественная практика показывает, что полноценное окускованное топливо необходимой крупности возможно получить следующими методами:
■ рассортировкой твёрдого топлива на просеивающих поверхностях;
■ брикетированием под давлением подготовленного по крупности и влажности твердотопливного сырья без связующих и со связующими добавками;
■ гранулированием способом окатывания твердотопливной пыли со связующими добавками;
■ гранулированием подготовленного по крупности и влажности твёрдого топлива под давлением (пеллетирование);
■ формованием способом уплотнения твердотопливной мелочи или пыли со связующими или без связующих добавок.
Из перечисленных методов окускования гранулирование окатыванием не представляет практической значимости и в дальнейшем не рассматривается, т.к. топливо имеет сферическую форму разных размеров, оно компактно укладывается в топочном пространстве теплогенерирующего устройства, не оставляет места для прохождения воздуха и не имеет острых углов, что затрудняет начало возгорания. В результате эффективность горения такого топлива недостаточно велика.
Потребительские свойства брикетов зависят от химического состава топливного сырья и минеральных примесей, параметров его подготовки по крупности, влажности, температуре, режимов прессования, а также от химического состава и теплотворной способности применяемой связующей добавки.
При необходимости применения связующей добавки при окусковании топлива она должна соответствовать следующим требованиям:
■ обладать достаточно большой силой сцепления;
■ не изменяться под действием атмосферных влияний;
■ быть транспортабельной, дешевой и доступной, для вовлечения в крупномасштабное производство брикетов;
■ не увеличивать в брикете содержание негорючих и вредных для здоровья человека и окружающей среды веществ;
■ не ухудшать загораемость угля;
■ обладать спекающими свойствами;
■ обеспечивать сохранность формы брикетов при горении;
■ иметь достаточно низкую температуру воспламенения.
Современное оборудование производства брикетов ассоциируется применением штемпельных, кольцевых и вальцевых прессов.
1. Штемпельные прессы с открытой или закрытой матрицей применяются для брикетирования без связующих добавок высокопластичных углеродосодержащих материалов (мягкий бурый уголь, торф, лигнин растительного происхождения и некоторые отходы обогатительных фабрик). Реализуемое давление в штемпельных прессах от 1500 до 1700 кг/см2.
2. Кольцевые прессы нашли применение только для брикетирования легких и полутвердых бурых углей со связующими добавками при удельном давлении прессования от 1700 до 2000
кг/см2.
3. Вальцевые прессы. Брикетирование малопластичных жестких углеродосодержащих материалов (мелочь каменных углей, антрацитов, полукокса и кокса, а также рудного и нерудного минерального сырья) осуществляется преимущественно на вальцевых прессах со связующими добавками при удельном давлении прессования 200—250 кг/ см2.
Шнековая экструзия
В дополнении к прессованию на вальцевых, штемпельных и кольцевых прессах применительно к окускованию выокопластич-
ного, влажного, пастообразного углеродосодержащего материала нами рассмотрен и опробирован метод шнековой (червячной) экструзии при удельном давлении прессования 200—250 кг/ см2
Задавшись целью утилизации отходов обогатительных фабрик для выбора технологии брикетирования шламов сравним вышеперечисленные технологии с технологией червячной экструзии.
В отличие от существующего прессового оборудования (штемпельный, кольцевой и вальцевый прессы) где процесс уплотнения материала и образование брикета осуществляется в закрытой матрице, в основном только за счет приложения кратковременного осевого усилия (давления), в шнековом экструдере процесс формования окускованного материала происходит в открытой матрице при совместном действии осевого и сдвигающих (крутящих) усилий, образованных вращающейся поверхностью витков шнека при значительно более длительном воздействии давления.
В результате такого механоактивирующего воздействия на формируемую массу материала окускование методом шнековой экструзии имеет следующие преимущества:
■ интенсификация и более полное развитие удельной контактирующей поверхности частиц (в 5 раз более развитой, чем при окусковании в штемпельных и вальцевых прессах при равнозначных удельных давлениях окускования);
■ повышение потенциала силового поля поверхности частиц (поверхностной свободной энергии взаимодействия) за счет разрушения его инактивного поверхностного слоя и деформации кристаллической решетки; образования вторичной капиллярно-пористой структуры в формировании материала в совокупности увеличивающих эффективность молекулярных и капиллярных сил сцепления между частицами;
■ повышением пластичности формируемой массы, а также снижения доли прилагаемой энергии на непроизводительные хрупкие деформации, предварительное уплотнение и упругие деформации с одновременным ее увеличением на необратимые пластические деформации, которые наряду с молекулярными и капиллярными силами определяют механическую прочность сцепления окускованного материала;
■ 8-ми — 10-ти кратное увеличение времени воздействия давления в процессе формирования геометрического тела брикета способствует более эффективному переводу упругих деформаций в пластические, что повышает прочность сформированного материала.
Более эффективное удаление воздуха из межзернового пространства частиц в процессе формирования, что способствует на 15—20 % понижению энергии, затраченной на окускование, обеспечению более полного соприкосновения контактирующей поверхности частиц и повышения прочности их связи в окускованном материале (брикете);
■ более равномерное распределение и увеличение скорости воздействия давления на площади и в объеме формируемого материала, способствующее упрочнению структуры формовки;
■ возможность получения окускованного материала при влажном состоянии исходного сырья (до 20 %), при этом отпадает необходимость в применении капиталоемкой, энергетически затратной и экологически опасной операции предварительной ее сушки;
■ универсальность применения к различным видам сырьевых ресурсов и возможность получения окускованного материала в широком диапазоне геометрической формы, размеров и массы;
■ значительно более низкие энергетические затраты на окускование — порядка 80—100 кг/см2, против 1500—1700 кг/см2 в штемпельных прессах, 1700—2000 кг/см2 в кольцевых и 200— 250 кг/см2 в вальцевых прессах;
■ снижение расхода связующего материала на 30—50 % в случае необходимости окускования со связующим веществом.
Таким образом, отходы обогатительных фабрик (О.Ф.) с высоким содержанием влаги и аргеллитов с алевролитами, которые при высокой влажности размокают и превращаются в глину — природную связующую добавку — идеальный материал для технологии производства брикетов шнековыми экструдерами.
Окускование мелкодисперсных штыбов и шламов позволит не только обеспечить предприятия дополнительными энергетическими ресурсами и уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, но стабилизировать работу основных переделов — накопления, подготовки сырья, вторичного использования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефимов В.И., Петров И.В., Рыбак Л.В., Стоянова И.А. Состояние природных ресурсов и воздействие антропогенных факторов на окружающую среду урбанизированных территорий Кузбасса. — М.: МГГУ, 2009. — 328 с.
2. Иватанова Н.П., Стоянова И.А. Рентабельность природоохранного капитала как показатель эффективности природопользования Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. — №. 1. — С. 248—254.
3. Казаков В.Б., Попов С.М., Стоянова И.А., Харченко В.В. Методологические основы оценки ценности углепромышленных отходов для расширения масштабов их использования в хозяйственной деятельности Журнал Уголь. — М., 2012. — №4. — С. 50—52.
