Обоснование рациональных технологий получения топливно-энергетического сырья на основе твердых горючих углеродсодержащих отходов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------------- © Ю.В. Шувалов, Ю.Д Тарасов,

А.Н Никули, 2011

УДК 622.333

Ю.В. Шувалов, Ю.Д. Тарасов, А.Н. Никулин

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Предложена методика оптимизации состава и режимов формования брикетной шихты обеспечивает подбор ее состава из практически любого вида твердых углеродсодержащих материалов с широким спектром используемых тонкодисперсных активных компонентов.

Ключевые слова: брикетирование, топливные брикеты, отходы, техногенные месторождения, сжигание, уголь.

п настоящее время в России на-

-я-3 коплено и продолжает накапливаться огромное количество твердых горючих отходов, которые занимают значительные территории и негативно влияют на окружающую среду. В крупных угледобывающих районах накоплены миллионы тонн энергоёмких отходов, которые могут служить сырьем для производства топливных брикетов. Только в Кузнецком угольном бассейне количество не реализованной угольной мелочи превышает 30 млн т. Подобные объёмы складированных отходов можно классифицировать как техногенные месторождения. При этом в России все более ощущается дефицит дешевого сортового топлива для коммунально-бытовых нужд. Годовая потребность в окускован-ном топливе в настоящее время достигает 75—77 млн т.; на период 2005—2015 гг. эта потребность составит 55—60 млн т. в год, в том числе для населения до 40 млн т [1].

Проблема решается созданием производительных, легко компонуемых и металлоёмких перерабатывающих комплексов с возможностью их размещения

непосредственно у источника образования твердых горючих отходов. Продукцией таких комплексов являются топливные брикеты, способные не только повысить КПД сжигания топлива в слоевых топках в малой и средней энергетике, но и обеспечить коммунально-бытовой сектор удобным в использовании, высококалорийным и дешевым источником энергии.

Брикетирование — это процесс, не требующий высокотехнологичного оборудования, что и обеспечивает его неоспоримое преимущество в конкуренции с другими альтернативными источниками энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, в условиях отсутствия достаточного количества традиционных энергоресурсов. А возможность в процессе производства задавать не только форму, размер, вес готового брикета, но состав компонентов брикетируемой смеси и при этом получать продукт (брикет) с необходимыми свойствами, которых не имеют входящие в него компоненты, определяет уникальность и полезность брикетирования и особенно твердых горючих отходов.

За рубежом брикетированию уделяется самое пристальное внимание. Инвестируются значительные средства в научные и технологические разработки, в строительство новых и совершенствование существующих брикетных производств, особенно использующих отходы или низкосортное сырье. В Англии, Франции, Германии, Чехии, Польше, Турции, США, Австралии и других странах по различным технологиям производят брикеты на базе угольной мелочи в больших объемах. Это обусловлено тем, что при сжигании угольных брикетов, по сравнению с рядовым углём, повышается на 25—35 % КПД топочных устройств, снижаются на 15— 20 % выбросы сернистого газа, более чем вдвое снижаются выбросы твердых веществ с дымовыми газами, а также на 15—20 % снижается недожог горючих компонентов.

Учитывая эти факторы становиться очевидным перспективность перевода существующих котельных с угольного топлива на топливные брикеты, причем это возможно без существенных изменений в конструкции топочного устройства.

Традиционно брикетирование угля производится на крупных брикетных фабриках с использованием энергоёмких и громоздких штемпельных, вальцовых и кольцевых прессах производительностью десятки тонн в час. Применяются также дорогостоящие связующие, сказывающиеся к тому же на качестве горения и количестве отходов.

Наиболее целесообразным решением является создание мобильных брикетных установок способных работать на предприятиях добычи, переработки и хранения угля. Ими можно оснастить основные места скапливания угольной мелочи: угольные разрезы и шахты, транспортные узлы, склады топлива, перегрузочные площадки и т.п. Исходя из

имеющихся запасов угольной мелочи, скопившейся в регионах, потребность в таком оборудовании (по самой скромной оценке) будет не менее 300 единиц.

При этом процесс развития технологий брикетирования некондиционной угольной мелочи и их внедрение в технологии получения тепловой и электрической энергии, в условиях современной России, также тормозится из-за отсутствия общепризнанных методов оценки брикетируемости углей и классификации их по этому признаку.

Оценка брикетируемости углей различных марок первоначально была предложена по элементному составу их органической массы — содержанию С, Н, О и соотношению между ними, т.е. по степени метаморфизма угля. Соответственно этому все угли расклассифицированы в следующий ряд: хорошо брикетирующиеся молодые бурые угли; хуже брикетирующиеся средние и старые по возрасту бурые угли; трудно брикетирующиеся (без связующих веществ) — каменные угли [2].

Данная оценка брикетируемости углей не учитывает влияния на брикети-руемость, физико-механических свойств подготовленной к прессованию сушонки — ее крупности, ситового состава, влажности и температуры. Она не дает также возможности установить численный показатель этого процесса.

Основной операцией в общей технологии процесса брикетирования является прессование, в результате которого из рыхлого сыпучего материала образуются брикеты. Брикетируемость различных материалов связана с их способностью поглощать при прессовании механическую энергию, которая переходит в необратимую форму и расходуется на изменение их внутренней физической структуры.

Рис. 1. Технологическая схема брикетирования

Показатель, оценивающий брикетируе-мость углей, должен характеризовать закономерность происходящих при этом процессов — уплотнения, упругих и пластических деформаций, а также отражать качество полученных брикетов.

Таким образом, прессование как физико-механический процесс выявляет пластические и упругие свойства прессуемого угля и его способность к уплотнению и упрочнению. Поэтому в качестве показателя, количественно оценивающего его брикетируемость, можно принять отношение поглощенной углем энергии уплотнения и пластических деформаций к отданной брикетом энергии упругих деформаций — индексом пластичности (К): К = Е1/Е2, где Е1 — энергия уплотнения и пластических деформаций угля; Е2 — энергия упругих деформаций брикета.

Как видим, индекс пластичности зависит от таких свойств прессуемого материала, как упругость и пластичность. Эти физико-механические параметры брикетируемости угля наряду с твердостью, хрупкостью и др., являются ос-

каменных углей

новным элементом при разработке процесса брикетирования, определяющего конструкцию и надежность применяемого в этом процессе оборудования.

Углебрикетный комплекс состоит из следующих основных технологических узлов: подготовки, подачи и дозирования угольной мелочи; подготовки, подачи и дозирования связующего; подготовки и подачи шихты; прессования шихты; линия транспортировки и сушки брикетов; упаковки. Структурно последовательность технологических операций можно проследить на рис. 1.

Технологический процесс при таком способе брикетирования определяется использованием комплекса решений, основанных на классических и современных принципиально новых представлениях о механизме структурообразования (гипотезах) с использованием тонкодисперсных активных связующих материалов и компонентов, вводимых в шихту в сухом, более технологичном виде [3]. Особенностью этих технологических комплексов является то, что они могут применяться блочно (модульно), направленно составляя технологию из отдельных (са-

Таблица 1

Применение брикетных прессов

______________________________Применение______________________________

Брикетирование каменных углей, руд и рудничных концентратов, отходов производства

Брикетирование каменных и молодых бурых углей, торфа Брикетирование зрелых бурых углей

Брикетирование каменноугольной мелочи, бурых углей, древесных отходов и отходов производства

Брикетирование каменных углей, бурых углей и отходов производств Брикетирование каменных углей, древесных отходов, торфа.

Брикетный пресс

Вальцовый Столовый Ротационный Штемпельный Кольцевой Матричный Г идравлический Гусеничный Экструдерный

мостоятельных) решений и придающих ей тот или иной законченный вид.

При разработке брикетного модуля максимально учтен опыт предшественников и произведен выбор трех основных направлений:

• компоновка стационарного брикетного модуля;

• компоновка технологического оборудования на прирельсовом брикетном модуле;

• разработка мобильного комплекса смонтированного на автомобильной базе с транспортировкой в специальном прицепе дополнительного технологического оборудования.

Таким образом, брикетирование отходов углеобогащения целесообразно производить с использованием брикетного пресса с низким уровнем энергопотребления и высокой производительностью по готовому продукту. Рабочие детали пресса должны быть технологичными в изготовлении, стойкими к износу и легкозаменяемыми.

Брикетирование практически всех видов твердых горючих материалов, отходов обогащения углей, в настоящее время может производиться в стандартных гидравлических, штемпельных, ротационных и экструзионных прессах с применением разнообразных связующих материалов и без них (табл. 1).

Основными техническими характеристиками прессов является: производительность, удельное давление, потребляемая мощность, вес и параметры готового продукта. Брикетные прессы можно классифицировать по величине удельного давления прессования:

Давление прессования Брикетный пресс

Низкого давления (менее 20 МПа) Среднего давления (менее 20—100 МПа) Высокого давления (менее 100—150 МПа) Сверхвысокого давления (200—500 МПа) Экструдерный Вальцевый, столовый, ротационный, гусеничный Штемпельный Г идравлический

Выполненный анализ энергозатрат на формообразование [4] в различных условиях брикетирования позволил определить рациональный метод и основные технологические приемы прессования. Учитывая эффективность приложения усилия формования методом бесконечного клина, более низкую его энергоемкость и отсутствие необходимости в управлении процессом формования путем создания условий в конечной точке хода плунжера при одноосном сжатии для релаксации напряжений, предлагается использовать для брикетирования углеродсодержащей мелочи экструдерный пресс. Особенностью применения такого

пресса является возможность использования в качестве компонентов брикетной шихты практически всех видов тонкодисперсных отходов горнодобывающей и перерабатывающей промышленности (торфяная крошка, сланцевая мелочь, каменноугольная мелочь, известковая мука, просып цемента, древесная пыль, опил, пыль мукомольного производства и т.д.).

Применяемые в процессе брикетирования компоненты шихты должны быть легкодоступными, дешевыми, технологичными в использовании, а состав отвечать следующим оптимальным параметрам:

• фракционный состав угольной мелочи 0—2,5 мм;

• количество связующего материала не должно превышать 4—5 %;

• влажность шихты 50 % по массе, содержание влаги в готовом брикете 8— 12 %;

1. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-р.

2. Брикетирование углей и углеродистых материалов.—М., «Недра». — 1973. — с. 156.

3. Патент № 2024594 РФ, Способ изготовления топливных элементов с продоль-

• температурная обработка осуществляется при Т=100-150 °С не менее 80 мин.

Брикеты имеют форму полого цилиндра диаметром 60 мм и длиной 200 мм. Окончательно выбор состава брикетной шихты можно сделать после сопоставления энергозатрат на образование одного брикета и обобщения всех результатов проведенных исследований.

Таким образом, предложенная методика оптимизации состава и режимов формования брикетной шихты обеспечивает подбор ее состава из практически любого вида твердых углеродсодержащих материалов с широким спектром используемых тонкодисперсных активных компонентов (связующих материалов).

Технологические решения сводятся к выбору комплекса связующих материалов (компонентов), разработке рецептур шихты, методов и режимов послефор-мовочной обработки брикетов с целью придания им товарных качеств.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ной выемкой, заполненной зажигательным составом, и устройство для его осуществления / Ю.Д. Тарасов, В.Б. Кусков. 1994. Бюл. № 23

4. Хвостенков С.И. Закономерности полусухого прессования кирпича и пустотелых камней/ Строительные материалы. N 11, 1985.

ШГЛ=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------

Шувалов Ю.В. — профессор, доктор технических наук;

Тарасов Ю.Д. — профессор, доктор технических наук;

Никулин А.Н. — аспирант;

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет), rectorat@spmi.ru

Д