CC BY
57
ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
© Чернышова Т.И.*, Алпатов Н.В.
Карагандинский государственный индустриальный университет, Республика Казахстан, г. Темиртау
На основе литературно-патентного поиска и экспериментальных данных рассматривается целесообразность изготовления топливных брикетов из отходов флотации углеобогатительных фабрик с добавкой различных связующих, а также исследование прочностных и эксплуатационных характеристик брикетов.
Проведен анализ доступных связующих, являющихся побочными продуктами сопутствующих производств, для изготовления топливных брикетов.
Ключевые слова отходы углеобогащения, связующие, топливные брикеты, технические характеристики, прочность, цена.
В современном мире все большее значение приобретают вопросы утилизации промышленных отходов. В связи с развитием новых технологий ежегодно увеличивается и негативное воздействие различных предприятий на окружающую среду. Подсчитано, что на современном уровне развития технологий 9 % исходного сырья в конечном итоге уходит в отходы, следовательно, эффективность работы крупных предприятий, и металлургических в том числе, не может рассматриваться вне проблем рационального использования природных ресурсов.
В металлургическом производстве неизбежно образуются побочные продукты и отходы, которые, с одной стороны, составляют крупные потери минерального сырья, с другой - наносят огромный ущерб окружающей среде, и крупнейший в Казахстане металлургический комплекс с полным производственным циклом: АО «АрселорМиттал Темиртау» («АМТ»), не является исключением.
Особого внимания с точки зрения охраны окружающей среды требуют отходы углеобогатительных фабрик (УОФ). Из-за большого содержания в отходах углеобогащения различных химических элементов выявлена зависимость степени загрязнения атмосферного воздуха от высоты и мощности выбросов, способов обогащения и токсичности применяемых флотореаген-тов (СанПиН 2.2.3.570-96 «Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности»). При этом допустимый уровень загрязнений угольной пылью и химическими веществами достигается только за пределами 2 км от углеобогатительных фабрик.
* Старший преподаватель кафедры «Строительство и теплоэнергетика», кандидат технических наук.
С другой стороны, при содержании углерода свыше 50 % отходы УОФ вполне могут использоваться в качестве альтернативного топлива и заметно сократить потребление природных топливных ресурсов [1].
Возрастание интереса к технологиям переработки угольных шламов обусловлено тем, что цены на энергоносители постоянно растут и в будущем внутренние цены на энергетическое сырье достигнут мирового уровня. При этом вполне предсказуем тот факт, что цена на топливо, полученное из отходов углеперерабатывающих предприятий, окажется значительно ниже цены на рядовой уголь, так как не требуются затраты на его добычу.
Кардинальная задача, стоящая перед угольной промышленностью, это создание мощностей для стопроцентного обогащения, добываемого угля. С одной стороны - это резко улучшит технические показатели продукции и сделает ее более привлекательной на рынке, с другой, усугубит проблему утилизации получаемых отходов [2].
Существующие способы утилизации шламов углеобогащения можно разделить на пассивные и активные. Пассивными способами является складирование и хранение отходов в хвостохранилищах и шламонакопителях различных типов. Подавляющее большинство применяемых на сегодняшний день способов утилизации данного вида отходов можно отнести к пассивным. Термические способы утилизации шламов углеобогащения, такие как сжигание, пиролиз, термолиз, газификация, катализ и т.д., относят к активным способам утилизации шламов.
Исследования с целью получения композитного топлива, проведенные на шламах углей марок Г (Ad = 38,0 % мас.) и К (Ad = 34,5 % мас.), средней зольности, где в качестве реагента-собирателя использовалось отработанное машинное масло с эксгаустеров машинного зала коксохимического производства, показали экономическую целесообразность применения данной технологии [3].
Одним из перспективных направлений в утилизации отходов углеобогащения является технология получения композитного топлива, которая была разработана ЗАО «СибКОТЭС», где в качестве альтернативного источника предлагается топливо из отвалов углеобогатительных предприятий.
Технология получения искусственного композитного жидкого топлива (ИКЖТ) базируется на основе торфяного гидрогеля, угольных отсевов с добавлением небольшого количества мазута (нефти). В отличие от мазута искусственное жидкое топливо дешевле, отличается лучшими экологическими свойствами и производится за счет использования местных топливных ресурсов [4, 5].
Использование отходов флотации углей в качестве добавок в тампонаж-ные растворы также является перспективным методом переработки шла-мов [6]. Применение отходов флотации углей в тампонажных растворах может быть повсеместным при буровых работах при условии, что они будут высушены до влажности 2-3 % [7].
Несмотря на значительные объемы работ, проводимые на промышленных предприятиях различных стран с развитой угледобывающей отраслью, как по снижению количества промышленных отходов, так и разработке способов их утилизации, эта проблема остается острой и по настоящее время.
До настоящего времени нет ни одной установки для подготовки отходов углеобогащения к квалифицированному использованию. Следует отметить, что ведутся интенсивные поиски путей использования отходов углеобогащения, в результате которых объемы реализации последних возрастут в ближайшее время в 2-3 раза. В настоящее время в качестве основного направления утилизации органических отходов химических цехов является передача их в шихту, поступающую на коксование, и применение в качестве сырья для дорожного строительства.
Исследователи Германии считают, что шахтные отходы и отходы углеобогащения пригодны для дорожного строительства. Так, в журнале «Фрайнбух» описан опыт применения отходов обогащения и шахтной породы в Рурской области (на дорожное строительство израсходовано - 14 млн. т таких отходов) [8].
В настоящее время отходы углеобогащения находят свое применение в дорожном строительстве в странах Южной Америки (Чили, Парагвай и др.). Их широкое применение объясняется низкой ценой на производство 1 км дороги - 1,1 млн. долларов.
Необходимо отметить, что в Республике Казахстан, уделяется очень большое внимание вопросам, связанным с экономией энергоресурсов: данная тема является главной в проведении международной выставки ЕХРО-2017 в Астане.
На коксохимическом производстве АО «Арселор Миттал Темиртау» ежегодно образуется около 150 тыс. тонн отходов флотации, представляющих собой глинистый шлам крупностью в основном меньше 0,1 мм. Основная его часть размещается в отвалах и шламонакопителях, занимающих огромные территории [9].
Необходимость строительства новых гидросооружений для хранения хвостов пенной флотации создала благоприятные условия для исследования и возможности утилизации шламов углеобогащения непосредственно на АО «АрселорМиттал Темиртау».
Например, проведенные исследования по использованию отходов флотации на аглопроизводстве позволили установить, что обеспечение высокой производительности и понижение выбросов загрязняющих веществ достигается при замене кокса отходами флотации в количестве не более 10 %.
В фасонно-литейном цехе (ФЛЦ) были проведены опытно -промышленные испытания отходов флотации в качестве теплоизоляционной засыпки стальных слитков взамен применяющейся асбестовой засыпки, являющейся экологически вредной.
При использовании отходов флотации влажностью менее 10 %, количество пыли в отходящих газах из изложниц значительно уменьшается и находится на уровне 10-40 мг/м3. При разливке спокойной стали в изложницы ФЛЦ, утепление слитков отходами флотации не приводит к появлению брака по трещинам и науглероживанию металла. Все полученные слитки ФЛЦ используются в кузнечнопрессовом цехе для изготовления заготовок, проходящих дальнейшую обработку в механических цехах.
В настоящее время на ТЭЦ-ПВС отработана технология совместного сжигания отходов флотации углеобогатительных фабрик и промпродукта, однако, нерешенной осталась проблема транспортировки шлама (забивание течек конвейеров, бункеров сырого угля). А также высокая влажность шлама (средняя 14 %) не позволяет использовать шлам в зимнее время. Результаты, проведенные центральной заводской теплотехнической лабораторией (ЦЗТТЛ) показали, что производство пара котлами при сжигании отходов флотации с коксовым газом обходится значительно дешевле, чем при сжигании смеси: твердое топливо плюс коксовый газ [10].
Не смотря на положительную динамику по разработке методов утилизации углеродсодержащих отходов углеобогащения, существует множество проблем связанных с внедрением данных технологий в производственный цикл: высокий энергетический потенциал, относительно низкая токсичность, доступность и дешевизна наряду с нестабильностью механических свойств и сложностью транспортирования, обусловленной высокой влажностью.
Эти и ряд других проблем ограничивают широкое применение активных способов утилизации отходов углеобогащения, кроме того, существуют трудности, связанные с финансированием данных проектов.
Тем не менее, поиск новых технологий, направленных на эффективную переработку шламов и получение товарного продукта с улучшенными потребительскими свойствами, имеет большой практический интерес. Технология позволит создавать композитный материал с наперед заданными свойствами по теплоценности, реакционной способности, составу минеральной части. Готовый продукт (брикетное топливо) может использоваться в энергетике и технологических процессах вместо твердого или жидкого топлива с минимальной реконструкцией котлов и печей или без нее.
Возможность и необходимость переработки отходов пенной флотации угля на АО «Арселор Миттал Темиртау» очевидна:
- содержание углерода (свыше 50 %);
- выход летучих веществ не превышает 29 %, следовательно, они взры-вобезопасны;
- сокращение вывода земель из хозяйственного оборота в среднем на 5-8 га при переработке 1 млн. тонн угля.
Затруднения в использовании этих отходов обусловлены сложностью транспортировки, так как из-за высокого содержания влаги в исходных хво-
стах 14,21 % и мелкого фракционного состава 0^0,5 мм происходит забивание течек конвейеров. Кроме того, всё то же высокое содержание влаги вызывает смерзание топлива и невозможность его использования в зимнее время [11].
Таким образом, применение отходов флотации как энергетического топлива, требует серьезного пересмотра режима их подготовки. характеристики различных видов твердого топлива, наиболее востребованных промышленностью Казахстана, в сравнении с аналогичными параметрами отходов углеобогатительной фабрики приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры отходов флотации и различных видов углей
Параметр Отходы флотации Экибастузский уголь Майкубенский уголь Карагандинский уголь Требования ТУ 3510 РК 39286395
^ % 14,22 7 20,5 10 6,5-9
А % 36,71 45,1 23,5 15,6 до 40
У<ы % 28,1 24,3 40,5 до 30 28-29
Б, % 0,7 0,66 0,8 0,7 до 1,1
Q, ккал/кг (МДж/кг) 4060 (17,01) 4024 (16,93) 4500 (18,66) 7000 (29,33) от 4200 (16,84)
Цена, тг/тонна 1000 2600 3100 4700 -
Анализ данных таблицы показывает, что:
Во-первых, влажность отходов углеобогащения практически в 2 и в 1,5 раза выше, чем, соответственно, у экибастузского и карагандинского углей. Это говорит о необходимости проведения операций связанных с обезвоживанием отходов до требуемых 6,5-9 % (согласно ТУ 3510 РК 39286395 ТОО-134-2001 «Продукция угольная УД АО «Арселор Миттал Темиртау» для коксования, слоевого и пылевидного сжигания»). Из известных способов обезвоживания, в данном случае наиболее рациональным является центрифугирование, которое позволяет снизить влагу до 10-11 %. Использование сушильной камеры, как следующего этапа подготовки исходного сырья, позволяет добиться требуемых результатов.
Во-вторых, зольность в хвостах углеобогащения на 8,4 % ниже, чем у экибастузского угля, что выгодно отличает их как топливо.
В-третьих, у отходов пенной флотации угля выход летучих веществ намного меньше, чем у майкубенского и карагандинского углей. Это свидетельствует о минимальной взрывоопасности данного вида топлива.
Теплотворная способность отходов углеобогащения в чистом виде не уступает экибастузскому углю, хотя и меньше чем у майкубенского и карагандинского; находится в допустимом пределе по ТУ (не менее 4200 ккал/кг) для использования в топках котлоагрегатов.
И, наконец, немаловажную роль играет и ценообразующий фактор. Так хвосты флотации значительно дешевле используемых в республике углей.
Из-за мелкого фракционного состава отходов углеобогащения возникает необходимость в их укрупнении для дальнейшего использования.
В настоящее время известны следующие способы окусковывания мелкодисперсных материалов: гранулирование, таблетирование, брикетирование, высокотемпературная агломерация.
Наиболее перспективным является брикетирование, так как оно характеризуется рядом преимуществ:
- брикетам можно придать оптимальную форму и размеры для конкретных условий использования;
- продукция, полученная брикетированием, имеет большую прочность, чем при грануляции, и вполне достаточную для проведения транспортно-погрузочных операций;
- прочность более 3,2 МПа при температуре горения брикетов 6001000 оС обеспечивает свободный проход воздуха между брикетами при горении и снижение химического и механического недожога [12].
В настоящее время переработка и применение углеродсодержащих отходов на «АМТ» практически отсутствует. Для их хранения используются специальные земляные отстойники (хвостохранилища), которые занимают большие территории вокруг углеобогатительных фабрик. Эти земли выводятся из хозяйственного оборота, кроме того, они загрязняют окружающую среду. Для строительства новых хранилищ необходимы земли из расчета 5-8 га на 1 млн. тонн складируемых отходов флотации. Следует учитывать и большие эксплуатационные затраты на содержание шламонакопителей. На текущий момент АО «АМТ» накопил более 8,5 млн. тонн шламов, что является вполне достаточным для внедрения производств по их переработке [13].
Производственные мощности металлургического предприятия растут, следовательно, вопросы сохранности природных ресурсов и защиты окружающей среды от загрязнения техногенными отходами не только сохраняют актуальность, но и требуют незамедлительного решения.
предлагается разработать технологию по утилизации углеродсодержа-щих отходов, что позволит не только избежать строительства новых хвосто-хранилищ, но и получить альтернативное топливо.
Одной из основных и трудоемких задач в данном случае является выбор и определение оптимального процентного соотношения отходов и связующих веществ для производства брикетов. Приоритетность задачи выбора связующих компонентов, используемых при производстве брикетов, обуславливается ещё и тем, что именно они характеризуют дальнейшие прочностные характеристики брикетов и непосредственным образом влияют на их себестоимость.
В Карагандинском государственном индустриальном университете (КГИУ) была проведена теоретическая и экспериментальная оценка возможности получения брикетного топлива на основе отходов флотации (ОФ)
с использованием различных связующих компонентов. В первую очередь рассматривались доступные связующие, производимые или получаемые в качестве побочных продуктов на АО «АМТ».
Во-первых, это кислая смолка (КС) из цеха ректификации. Она образуются при очистке серной кислотой фракций каменноугольной смолы, в количестве 1200 т/год. После нейтрализации ее применяют для укрепления грунтов и малопрочных каменных материалов, однако, на предприятии АО «АМТ» данная продукция не востребована. Таким образом, увеличение прочности брикетов, полученных из отходов пенной флотации, вполне достижимо с использованием кислой смолки в качестве связующего компонента.
Во-вторых, это каменноугольный пек (КУП) - твердый продукт переработки каменноугольной смолы (выход 50-60 % по массе). Элементный состав (%): (92-93) С, (4,3-4,7) Н, (0,3-0,85) 8, (1,7-1,8) К, (0,8-1,0) О. Его применяют для выработки кокса пекового и пека-связующего, используемых при получении анодной массы в производстве алюминия, электродов и электродных стержней. Помимо этого, возможно использовать его для изготовления брикетированного угольного топлива, мягкой кровли, пековых пластмасс и лака для защиты от коррозии труб, резервуаров и др. Производство каменноугольного пека на АО «АМТ» составляет 48960 т/год. Большая часть реализуется сторонним потребителям, но для производства брикетов достаточно 15200 т/год, поэтому рационально попробовать изготовление брикетов с использованием в качестве связующего каменноугольного пека.
В-третьих, антраценовая фракция (АФ) каменноугольной смолы. Её производство на АО «Арселор Миттал Темиртау» составляет 13528 т/год. Для брикетного производства потребность в антраценовой фракции не более 7200 т/год. В настоящее время без переработки её применяют в дорожном строительстве и как компонент низкосортных топлив, кроме того, значительные количества антраценовой фракции (без кристаллизации) начали использовать в качестве сырья для получения технического углерода. Таким образом, добавление данного вида связующего положительно повлияет не только на увеличение прочности за счет ее кристаллизации при производстве брикетов, но и повысит их энергетическую ценность [14].
В-четвертых, с целью повышения теплотворной способности топливных брикетов из отходов углеобогащения не исключено добавление мазута (М), используемого на энергетических объектах АО «АМТ» для подсветки факела.
Кроме продукции производимой металлургическим комбинатом, исследовались продукция и побочные материалы, получаемые на других промышленных предприятиях в пределах Карагандинской области.
В качестве связующего и для увеличения теплоты сгорания топливных брикетов возможно использование спецкокса (СК), получаемого методом пиролиза из длиннопламенных углей Шубаркульского месторождения. В зависимости от класса крупности его используют в различных отраслях промыш-
ленности. Так, например, класс крупностью от 10 до 40 мм, предназначен для использования в качестве углеродного восстановителя в электротермических производствах (ферросплавы, карбид кальция, фосфор и д.р.). При крупности 0^10 мм и зольности на сухое состояние до 10 % используют для агломерации руд, в производстве цветных металлов и производстве брикетов [15].
В качестве минеральных связующих часто применяют цемент (Ц) и жидкое стекло (ЖС).
Предприятие «Азия-цемент» находится в пределах 30 км от углеобогатительной фабрики «АМТ», что, несомненно, положительно отразится на закупочной цене. При соединении с водой при +15°С цемент начинает твердеть не раньше, чем через 45 минут и окончательно затвердевает в течение 8 часов. Это надо учитывать при изготовлении брикетов впрок.
Жидкие стекла - растворы щелочных силикатов натрия и калия - являются представителями обширного класса водорастворимых силикатов и жидких стекол, выпускаемых в промышленных масштабах.
Уникальной способностью жидкого стекла являются его высокие адгезионные свойства, т.е. способность к сцеплению поверхностей разнородных твёрдых или жидких тел, к подложкам различной химической природы, поэтому использование его перспективно в качестве связующего для окускования (окатывания, брикетирования) продуктов горно-химических комбинатов [16].
Самым доступным и относительно дешевым связующим является техническая вода (В).
Таблица 2
Технические и экономические характеристики брикетов
№ Наименование компонентов % / % Wrt,, % Ad, % Vdaf,, % S, % Q,, ккал/кг Прочность, МПа Цена, тг/тонна
1 ОФ:В 92:8 8 35,7 28,1 0,4 4060 3,92 1 201
2 ОФ:В:Ц 92:6:2 6,8 7,3 28,9 0,4 3856 4,12 1 415
3 ОФ:В:Ц:СК 78:8:3:15 6,6 35,2 28,2 0,42 4395 3,77 3 606
4 ОФ:В:ЖС 91:6:3 7 34,6 24,2 0,4 4039 5,35 4 592
5 ОФ:В:ЖС:СК 71:6:3:20 6,8 33,4 23,6 0,43 4620 4,4 7 145
6 ОФ:В:КС 79:8:3 7 36,7 28,5 1,1 4138 3,1 1 248
7 ОФ:М:КУП 80:10:10 6,8 31,4 22,13 0,6 4692 2,36 7 034
8 ОФ:АФ:КУП 92:3:5 7 34,4 28,3 0,5 4354 4,18 3 557
В результате исследования свойств топливных брикетов, полученных на основе ОФ с добавками перечисленных выше связующих, были определены
их технические и экономические характеристики. Анализ характеристик и параметров топливных брикетов, приведенных в табл. 2, позволили разработать практические рекомендации, позволяющие использовать отходы углеобогащения и некоторые побочные продукты коксохимического производства в качестве энергетического топлива.
Результаты экспериментальных исследований, отражающих зависимости изменения прочностных характеристик брикетов от различного процентного содержания связующих веществ представлены на рис. 1.
■А
3 4 5 6 7 8 Содержание связующего, % 9 10
— 1 вода — 2 - цемент 3-цементиспецкокс
— 4 жодкое стекло — 5 - жцд стекло и сгвцкокс — 6 - кислая смотка
— 7 наз/т и КУП — 8-антр фракц и КУП — допустимая грочность
Рис. 1. Зависимость прочности брикетов от процентного содержания связующих веществ
Выводы:
1. По значению низшей теплоты сгорания пять из восьми рассматриваемых композиций брикетов оказались приемлемыми к использованию в виде топлива (< ккал/кг (МДж/кг) от 4200 (16,84)).
2. По теплотворной способности и достаточным прочностным характеристикам (не менее 3,2 МПа) требованиям отвечают только три вида брикетов.
3. Учитывая ценовой фактор наиболее целесообразно изготовление топливных брикетов на основе ОФ с добавками:
а) ОФ:В:Ц:СК в процентном соотношении 78:8:3: 15;
б) ОФ:АФ:КУП в соотношении соответственно 92:3:5 %.
4. Установлено, что сжигание брикетов не ухудшает экологическую обстановку по сравнению с уже используемыми топливами, так как полностью обеспечивает соответствие требованиям ТУ 3510 РК 39286395 Т00-134-2001.
Список литературы:
1. Равич Б.М., Окладников В.П., Лыгач В.Н. и др. Комплексное использование сырья и отходов. - М.: Химия, 1988.
2. Арбузов С.И., Ершов В.В., Поцелуев А.А., Рихванов Л.П. Редкие элементы в углях Кузнецкого Бассейна. - Кемерово: «Кемеровский политграф-комбинат», 2000. - 244 с.
3. Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь» Технико-экономическое обоснование переработки угольных шламов в сырье для коксования. - М., 2008. - Вып. № 9. - 79 с.
4 Патент РФ № 2214447. Установка по производству водоугольного топлива из углешламов. Андриенко В.Г., Горлов Е.Г., Деханов В.П. и др. Приоритет от 09.11.2001г.
5. Патент РФ № 2214446. Способ приготовления водоугольного топлива из углешламов. Андриенко В.Г., Горлов Е.Г. Приоритет от 09.11.2001 г.
6. Швецов Д.И, Романенко А.С. Использование отходов углеобогащения в тампонажных растворах // Кокс и химия. - 1998. - № 6. - С. 24-27.31.
7. Патент РФ № 2151267. Облегченный тампонажный раствор. Щер-бич Н.Е.; Крылов Г.В.; Штоль В.Ф.; Карелина Н.Е.; Фролов А.А.; Полубабкин В.А.; Сандаков А.В. Приоритет от 20.06.2000.
8. Сабирова Т.М., Рывкин И.Ю., Еремин А.Я., Литвин Е.М., Бабанин В.И. Об использовании отходов Ясиновского коксохимического завода // Кокс и химия. - 2002. - № 8. - С. 33-38.
9. Зазуля В.М. Техническое заключение. Сравнительная оценка сжигания отходов флотации КХП на котлах ТЭЦ-ПВС, в смеси с различными топ-ливами. - Темиртау, 1994.
10. Отчет ЦЗТТЛ об использовании отходов углеобогащения на АО «Ар-селор Миттал Темиртау». 2004 год.
11. Зазуля В.М. Техническое заключение. Сравнительная оценка сжигания отходов флотации КХП на котлах ТЭЦ-ПВС, в смеси с различными топ-ливами. - Темиртау 1994.
12. Елишевич Л.Т., Брикетирование углей со связующими. - М.: Недра, 1972. - 216 с.
13. Сухарников Ю., Венчиков Д., Чернецов В.. Шламы флотации каменных углей как энергетическое топливо / ЗАО «Институт органического синтеза и углехимии РК». - Караганда, 2004. - 250 с.
14. Побочная продукция АО «Арселор Миттал Темиртау» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://arcelormittal.kz/produkciya/pobochnaya_ produkciya.
15. Кокс каменноугольный среднетемпературный (спецкокс) из Шубар-кольского угля ТУ 3510 РК 39286395 ТОО-160-2005 [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://speckoks.kz/products.
16. Домокеев А.Г. Строительные материалы. - «Высшая школа», 1988. -285 с.
