CC BY
45ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
PROBLEMS OF FACTORY AND DOMESTIC WASTE UTILIZATION
Статья поступила в редакцию 06.06.11. Ред. рег. № 1047 The article has entered in publishing office 06.06.11. Ed. reg. No. 1047
УДК 628.169.7
ПОЛУЧЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ. ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ
А.Г. Ушаков
Кузбасский государственный технический университет 650000 Кемерово, ул. Весенняя, д. 28 Тел./факс: (384-2) 58-30-73, e-mail: kuzstu@kuzstu.ru
Заключение совета рецензентов: 20.06.11 Заключение совета экспертов: 25.06.11 Принято к публикации: 30.06.11
Описаны причины возникновения и техногенная опасность отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений. Отмечены направления их переработки и использования, рассмотрена возможность получения на основе таких отходов твердого формованного топлива.
Ключевые слова: отходы, угольный шлам, угольный отсев, коксовая пыль, обезвоженный активный ил, гранулирование, твердое топливо.
OBTAINING OF FIRM FUEL FROM WASTE. PROBLEMS AND WAYS OF REALIZATION
A.G. Ushakov
Kuzbass State Technical University 28 Vesennyaya str., Kemerovo, 650000, Russia Tel./fax: (384-2) 58-30-73, e-mail: kuzstu@kuzstu.ru
Referred: 20.06.11 Expertise: 25.06.11 Accepted: 30.06.11
Occurrence reasons and technogenic danger of waste of the extraction and processing coal enterprises and biological clearing constructions are described. Directions of their processing and use are noted, the opportunity of reception on the basis of such waste of the firm formed fuel is considered.
Keywords: waste, coal slime, coal elimination, coke dust, the dehydrated active silt, granulation, firm fuel.
-Ж V.
Андрей Геннадьевич Ушаков
Сведения об авторе: ассистент кафедры «Химическая технология твердого топлива и экологии» КГТУ.
Образование: химико-технологический факультет КГТУ по специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
Область научных интересов: проблемы утилизации техногенных отходов и образований, очистка воды
Публикации: 35 статей и тезисов.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Введение
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России является одной из главных составных частей формирования экономики страны и базируется на собственных энергетических ресурсах. Одна из проблем ТЭК находится в структуре потребления первичных энергоносителей - в производстве тепловой энергии высока доля газа по сравнению с углем.
Главными векторами перспективного развития отраслей топливно-энергетического комплекса, предусмотренными Энергетической стратегией России на период до 2020 г., являются [1, 2]:
- переход на путь инновационного и энергоэффективного развития;
- изменение структуры и масштабов производства энергоресурсов.
Цель данной работы - выбор направления использования отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Изучить причины возникновения вышеперечисленных отходов и их техногенную опасность.
2. Рассмотреть применяемые способы утилизации таких отходов.
3. Выделить основные проблемы, возникающие при получении твердого формованного топлива.
Проблемы и причины образования отходов топливно-энергетического комплекса
Известно, что предприятия ТЭК, как добывающие ресурсы, так и получающие из них энергию, являются одним из основных источников антропогенного воздействия на природные экосистемы. Интенсивное развитие угледобывающих и углеперера-батывающих предприятий оказывает воздействие на литосферу, являясь причиной увеличения объемов твердых углеродсодержащих отходов, значительную долю которых составляют угольные шламы и отсевы, коксовые мелочь и пыль. Например, в горном производстве России общая масса всех неутилизиро-ванных отходов достигает 45 млрд. т, а суммарная площадь, занятая под их складирование, более 250 тыс. га земли [3]. Подсчитано, что масштабы образования твердых горючих отходов в различных отраслях промышленности могут составлять от 30 до 70% от основного объема добычи. Подобные отходы являются важным энергетическим ресурсом, который может быть положен в основу организации производства новых видов топлива [4].
Техногенная нагрузка на биосферу от объектов, сжигающих топливное сырье, проявляется в форме загрязнения атмосферного воздуха и сказывается на состоянии зеленого покрова планеты [2, 5-8]. Основными загрязняющими веществами в выбросах являются как пылеобразные частицы: угольная пыль, копоть и сажа, так и различные газы [9]. Особенно
опасно попадание сернистых соединений в атмосферу, что является причиной образования сернокислотных дождей [10], наносящих вред народному хозяйству, флоре и фауне [11]. Источником воздействия такого рода являются тепловые котельные и электростанции [12-14]. При этом выбросы основных загрязняющих веществ значительно увеличиваются в зимний период года.
Таким образом, научно-технической прогресс и связанное с ним бурное развитие промышленности ТЭК привели к тому, что охрана окружающей среды стала актуальной проблемой глобального масштаба, и необходимость ее решения документально отражена в [1], где в качестве приоритетных направлений научно-технического прогресса по направлению «Угольная промышленность» отмечена необходимость комплексного использования отходов переработки угля, а также последовательного ограничения нагрузки ТЭК на окружающую среду и климат путем снижения выбросов загрязняющих веществ, сброса загрязненных сточных вод, а также эмиссии парниковых газов, сокращения отходов производства и потребления энергии.
Рассматривая предприятия добычи угля, можно выделить следующие виды угольных отходов:
- угольную пыль - характерный отход, образующийся на предприятиях угольной промышленности, причем вне зависимости от их специфики;
- угольные отсевы, образующиеся на предприятиях ТЭК при классификации углей и выделении фракций, пригодных для сжигания в котлах;
- угольные шламы - высокозольные и мелкодисперсные частицы, являющиеся отходами технологических процессов добычи угля и его обогащения.
Многотоннажные угольные технологические отходы образуются при деятельности угледобывающих предприятий - шахт, разрезов, а также обогатительных фабрик. Стремление к увеличению валовой добычи угля приводит к тому, что в отдельных угольных районах потери при добыче составляют более 50%. Техническое состояние многих углеобогатительных фабрик и их технологии таковы, что в отходах углеобогащения содержание угля достигает 25-26%.
Особую проблему представляет угольная пыль, которая наряду с другими пылеобразными веществами попадает в атмосферу на предприятиях, получающих тепловую энергию путем сжигания топлив, - тепловых котельных и других аналогичных предприятиях [8, 12]. Часто для интенсификации процесса горения применяют увеличение расхода воздуха, давления под решеткой, дутья, что приводит к уносу мелких частиц угля. Следствием этого является увеличение удельного расхода топлива ввиду неполного сгорания унесенных частиц и разрушение оборудования котла, поскольку часто процесс горения происходит за топочной зоной. Установлено, что суммарные потери угля в результате недожога, просыпаний через колосники и выбросов в атмосферу вместе с топочными газами могут достигать 10-12%
[15]. Опасным является и попадание в атмосферу тяжелых металлов, входящих в состав угольной золы и наносящих серьезный урон агроландшафту [16].
Для предотвращения всех негативных последствий важен оптимальный и постоянный гранулометрический состав сжигаемого топлива. Это позволяет повысить полноту сжигания угля и увеличить КПД котла, снизить выбросы угольной пыли и других пылеобразных веществ в атмосферу, уменьшить платежи за загрязнение атмосферного воздуха. Наряду с этим необходимо стремиться к максимально полному использованию углей мелких классов, например отсевов, для уменьшения потребления и ресурсосбережения сортового угля.
На предприятиях, перерабатывающих уголь, можно особо отметить коксовую мелочь и пыль, которые образуются в ходе технологического процесса.
Завершающим этапом процесса получения каменноугольного кокса является его тушение - охлаждение до температуры 100-150 °С, на сегодняшний день широко применяется мокрый способ, когда происходит орошение кокса водой в тушильных башнях [17]. При этом вода вымывает из коксовоз-ного вагона частицы кокса размером до 10-15 мм, называемые коксовой мелочью. Существует также сухой метод, осуществляемый путем продувки дымовых газов через слой кокса в специальных установках. При этом образуется большое количество мелкодисперсной коксовой пыли.
Проблеме утилизации и применения коксовой мелочи и пыли коксохимических предприятий посвящено достаточно много исследований [18-22].
Однако наиболее перспективным методами рациональной утилизации углеродсодержащих отходов являются процессы брикетирования со связующим веществом [23, 24]. Кроме того, совместная утилизация коксовых и угольных отходов является перспективным решением на сегодняшний день и может позволить увеличить теплотворную способность топливных брикетов.
Отмечено, что для получения качественных брикетов с высокими потребительскими свойствами, удовлетворяющими требованиям по прочности, истираемости, крупности и т. д., необходимо правильно выбрать связующее вещество, от которого во многом зависят конечные свойства продукта.
Параметрами, определяющими свойства связующих веществ, являются химическая природа, состав, а также физические свойства.
Спектр используемых связующих веществ достаточно широк. Их можно разделить на 2 больших класса:
- Органические - концентраты сульфитно-спиртовой барды, нефтебитумы, пеки и смолы нефтяного и каменноугольного происхождения и т. д.
- Неорганические - жидкое стекло, цемент, глина, гипсовые связующие, бентонит и т. д.
Связующее вещество необходимо для соединения разобщенных углеродсодержащих зерен и сохране-
ния прочного контакта в условиях внешних воздействий. В зависимости от химической природы свойства вяжущих веществ могут варьироваться в широком диапазоне: от свойств упругих тел до свойств типично вязких материалов [25].
К связующим веществам предъявляют особые требования для обеспечения качества процесса формования [23]:
1. Высокий выход окускованного топлива с нормой прочности 95-98% [26].
2. Экологическая безопасность: отсутствие вредных веществ в составе связующего или отсутствие их эмиссии в процессе последующего использования получаемого продукта.
3. Надежная и устойчивая работа основного и вспомогательного оборудования при транспорте по трубопроводу сырья и продуктов, смешении, процессах формования.
4. Получение окускованного топлива, соответствующего требованиям предприятий ТЭК.
5. Отсутствие побочных отрицательных эффектов (например, побочные химические реакции, выпадение осадка).
Конкретный анализ применяющихся на сегодняшний день связующих веществ показывает, что не все они соответствуют вышеперечисленным требованиям. Особенно это касается органических связующих веществ, экологическая безопасность применения которых не соответствует необходимым требованиям, в первую очередь по канцерогенной активности. К таким связующим относятся пеки и смолы нефтяного и каменноугольного происхождения, различного рода битумы и т. д. Также в составе некоторых связующих в значительных количествах присутствуют соединения серы, что делает недопустимым сжигание формованного топлива на их основе ввиду высокой концентрации серосодержащих газов, выбрасываемых в атмосферу [27].
Однако применение одних лишь неорганических связующих отрицательно сказывается на зольности получаемых продуктов, что в свою очередь напрямую влияет на ход процесса сжигания топлива, повышая необходимый расход брикетов и, соответственно, уменьшая производительность котлов.
Таким образом, возникает задача поиска оптимального связующего вещества, являющегося одновременно легко доступным для осуществления процесса формования и, что особенно важно, недорогим, поскольку экономическая составляющая в любой технологии во многом является определяющей. Если в качестве таких веществ использовать отходы с подходящими физическими и химическими свойствами, то проблема выбора связующего с точки зрения экономики будет решена. Кроме того, предполагаемое связующее должно быть транспортабельным и недефицитным, чтобы производство по получению топливных брикетов не было привязано к местам образования отхода-связующего.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
В качестве такого вещества перспективным является использование продуктов переработки избыточного активного ила, неизбежно образующегося на станциях биологической очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод.
Проблемы и причины образования отходов биологических очистных сооружений
В общей проблеме очистки сточных вод одним из важнейших является вопрос утилизации и переработки осадков. Особенно это актуально для органических осадков станций биологической очистки городских и производственных сточных вод. Они подразделяются на осадки первичных отстойников, избыточные активные илы, биопленку [28].
Образование избыточного активного ила является неотъемлемым следствием аэробного процесса очистки воды. К примеру, на водоочистных сооружениях города с населением 1 млн жителей обрабатывается приблизительно 500 тыс. м3/сут стоков и образуется 60 т сухого вещества, которое необходимо удалять [29].
Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему с отрицательным зарядом при рН=4-9. Фракционный состав активного ила однороден: около 98% частиц имеют размеры до 1 мм. Влажность составляет 96-99%. Хлопья активного ила характеризуются развитой удельной поверхностью (до 100 м2/г сухого вещества). Органическая часть ила составляет 70-75% массы сухого вещества, зольность ила колеблется в пределах 25-30%. Основные компоненты органической части ила - жиро-, белко-во-, углеводоподобные вещества, в сумме составляющие 80-85%. Остальные 15-20% приходятся на долю лигнино-гумусового комплекса соединений. Содержание белков в органическом веществе преобладает. В иле может присутствовать до 40% субстрата, представляющего собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков, к которому прикрепляются организмы активного ила. В зависимости от содержания сточных вод и схемы их очистки состав активного ила может изменяться. Характерная особенность избыточного активного ила - способность прочно удерживать влагу, а следовательно, при длительном хранении его объем остается практически неизменным [30].
В зависимости от внешнего вида, состава, способа и места образования осадки подразделяют по степени опасности на четыре класса токсичности [31, 32]: чрезвычайно опасные (1 класс), высоко опасные (2 класс), умеренно опасные (3 класс), мало опасные (4 класс).
По воздействию на биосферу также выделяют четыре класса осадков, которые соотносятся с предыдущими [33, 34]:
1. Токсически нестабильные органические и минеральные осадки - наиболее опасные для окружающей среды, представляющие собой сложную
смесь веществ различных классов и разнородных по происхождению компонентов.
2. Токсически стабильные минеральные осадки -содержат высоко активную в биологическом отношении твердую фазу. Присутствие таких веществ даже в малом количестве создает потенциальную опасность для биологических объектов биосферы.
3. Инертные нестабильные органические осадки -умеренно токсичны, в основном состоят из органических веществ, легко подвергаемых биохимическим превращениям, в частности гниению.
4. Инертные нестабильные минеральные осадки -главным образом увлажненная твердая фаза, включающая в себя нетоксичные минеральные вещества, не содержащие питательного материала для гнилостных микроорганизмов. Осадки такого типа наименее опасны из вышеперечисленных для окружающей среды.
При сравнении избыточного активного ила городских станций аэрации и промышленных предприятий в большинстве случаев можно сделать вывод о различии их потенциальной опасности для окружающей природной среды. Так, для избыточного ила городских очистных станций наряду с наличием большого количества химических загрязнений характерен высокий уровень биологической опасности. Для многих промышленных предприятий принципиальным является вопрос химической опасности избыточного ила, а биологическая опасность его значительно ниже.
Формально разграничим избыточный активный ил станций очистки городских и промышленных сточных вод, для этого отнесем их ко второму и третьему классам вышеприведенной классификации соответственно. Следует отметить, что любое обобщение является формализацией, и то, к какому классу отнести осадки конкретного предприятия, необходимо решать отдельно, исходя из условий его функционирования.
В исходном виде избыточный активный ил вне зависимости от его химического или бактериального состава представляет собой потенциально опасный источник загрязнения биосферы. Поскольку процессы очистки воды идут непрерывно и в значительных объемах, то выделяемые из воды осадки постоянно накапливаются. Необходимо проводить мероприятия по их обезвреживанию и обеззараживанию, удалению с территории очистных сооружений и дальнейшего размещения [35]. Такие операции затруднены из-за высокой влажности ила, это приводит к тому, что до 40% стоимости всех затрат на очистку воды приходится на операции, связанные с утилизацией иловых осадков [36].
Из литературных данных известна возможность сжигания осадков сточных вод, в том числе избыточного активного ила после его обезвоживания, уплотнения или сушки [37, 38, 39]. В принципе наличие органического вещества в сухом веществе осадка дает возможность рассматривать его как потенциальное
топливо, что подтверждается сравнением элементного состава его органического вещества с углями, горючими сланцами и торфом (табл. 1) [34].
Известно применение избыточного активного ила в качестве связующего вещества для получения топливных брикетов различного состава и рецептур. Главным недостатком такого топлива является его
низкая экологичность, связанная с наличием в составе вводимого активного ила патогенной микрофлоры и микроорганизмов, яиц и личинок гельминтов, что обусловливает потенциально высокую степень бактериологической опасности для окружающей среды, обслуживающего персонала и жителей близлежащих населенных пунктов [40].
Элементный состав и зольность твердых углеродсодержащих материалов Elements and ash content of firm carbon-containing materials
Таблица 1
Table 1
Наименование горючих материалов Состав органической массы, % масс. Зольность Ad, %
C H N S O
Древесина 50-52 6-6,5 0,1 0,1 42-44 1
Торф 54-63 6-6,5 0,5-0,6 0,1-3 30-33 10
Каменный уголь 25-90 4-6 0,6-2,8 0,5-5 2-12 15-40
Осадок шерстомойных вод 54-60 10-12 4,5-7,0 следы 21-30 65-75
Осадок стоков кожзаводов 42-52 9-10 8-17 1,3-3 19-40 20-45
Осадок стоков трикотажного комбината 50-58 7-10 7-12 1-4 17-12 25-35
Осадок стоков производства кожкартона 47-52 6-8 0,5-3 2-5 35-40 12-20
Остаток городских вод 62 8 5 1 24 27
Таким образом, существует возможность использования избыточного активного ила в качестве связующего вещества, но только если ил не содержит патогенной микрофлоры и безопасен при обращении с ним [41].
Одним из наиболее широко распространенных методов стабилизации и обеззараживания избыточного ила является метод анаэробной обработки, осуществляемый в метантенках. Процессы, протекающие в аппарате, и превращения, которые при этом происходят в активном иле, широко известны и достаточно подробно исследованы [42, 43]. Биохимический процесс представляет собой разложение органического вещества до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерода, в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов.
Направлять в метантенки огромную массу избыточного активного ила высокой влажности нерентабельно, поэтому его предварительно необходимо уплотнять в илоуплотнителях, которые обязательно сооружают на современных станциях аэрации.
В результате анаэробной переработки ила в нем уменьшается количество органических веществ на 50-60% и концентрации других компонентов (табл. 2) [44]. После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению, в результате возможно получение достаточно стабилизированного биологически не разлагаемого после обезвоживания осадка [30, 45, 46].
Таблица 2
Изменение состава ила бытовых сточных вод после анаэробной переработки
Table 2
Change of compound household sewage silt after anaerobic processing
Компонент Содержание в иле, %
исходное после переработки
Эфирорастворимые вещества 34,4 8,2
Водорастворимые вещества 34,4 5,6
Спирторастворимые вещества 2,5 1,6
Гемицеллюлоза 3,2 1,6
Целлюлоза 3,8 0,6
Лигнин 5,8 8,4
Белки 27,1 19,7
Зола 24,1 56,0
Широко распространено использование сброженного остатка в качестве удобрения, поскольку он содержит ценные для растений и почвы питательные элементы [47, 48]. Однако, принимая во внимание значительные масштабы образования избыточного активного ила, большое количество станций аэрации,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
расположенных практически в каждом городе, а часто и на многих предприятиях, большая доля потенциального удобрения останется невостребованным. Если учесть, что в зимнее время года потребление удобрений сокращается по сравнению с теплым периодом года, то необходимость поиска альтернативы использования остатка после анаэробного сбраживания избыточного активного ила становится актуальной.
Выше было отмечено, что на практике встречаются способы утилизации избыточного активного ила путем его сжигания, в том числе и в смеси с другими горючими твердыми материалами. Для исключения возможности нанесения вреда окружающей среде и здоровью людей в процессе производства и сжигания топлива заслуживает внимания использование в качестве вяжущего вещества продуктов анаэробной переработки избыточного активного ила [49, 50].
Способы гранулирования твердых горючих отходов
Наиболее общим способом придания формы веществу является гранулирование - совокупность физических и физико-химических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенного спектра, размеров, формы, необходимой структуры и физических свойств [51]. Все вышеперечисленные характеристики изменяются в зависимости от способа гранулирования.
Для топлив из смеси жидкой и твердых фаз на практике наиболее распространены методы [25, 51]:
- прессование, т.е. упрочнение горючих материалов под действием внешних сил и возникающих ко-гезионных связей между частицами при сжатии;
- окатывание, т.е. удаление жидкой фазы и укрепление связей между частицами. Методы этой группы основаны на действии капиллярно-адсорбционных сил сцепления между частицами, приводящих к постепенному уплотнению структуры. Предварительно осуществляется образование агломератов из равномерно смоченных частиц или наслаивание сухих частиц на смоченные ядра - центры гранулооб-разования;
- экструзия, заключающаяся в продавливании пастообразной массы в виде увлажненной шихты через перфорированные приспособления с последующим разделением гранул, сушкой или охлаждением.
Широко применяют формование методом брикетирования в Китае, США, Англии, Германии, Японии, где получают брикеты самого различного качества, состава и свойств. При этом достигается увеличение эксплуатационных характеристик топлива, а именно транспортабельность, устойчивость при хранении, становится возможным повышение теплоты и полноты сгорания. Технология брикетирования мелкозернистых углеродсодержащих отходов состоит из следующих стадий [52]:
1. Подготовка компонентов шихты по влажности и фракционному составу.
2. Выбор связующего и определение оптимального состава шихты.
3. Выбор оптимальной формы и размеров брикетов.
4. Выбор брикетного пресса и организация процесса брикетирования.
5. Организация процесса сушки полученных брикетов (определение времени и температуры обработки).
Однако методу брикетирования присущ ряд недостатков. Прежде всего - высокая капиталоемкость и энергозатратность процесса. Это связано с необходимостью больших капиталовложений на единицу производственной мощности - здания, сооружения, машины и оборудование. Особенно затратной статьей является оборудование (прессы высокого давления), для работы которых затрачивается значительное количество энергетических ресурсов. Процесс брикетирования сопровождается образованием значительных объемов отходов производства в виде пыли (угольной, коксовой или их смеси). Характерным недостатком для многих линий брикетирования является малая единичная производительность технологического оборудования [53].
Существует группа методов, основанных на горячем прессовании: термоокисление, термобрикетирование, термообработка брикетов горячим теплоносителем. Они достаточно хорошо изучены и освещены в литературе [54, 55, 56, 57, 58], но являются дорогостоящими в аппаратурном оформлении и требуют значительных тепло- и энергозатрат.
Многих вышеперечисленных недостатков лишена технология формования методом окатывания [51, 59]. Суть ее заключается в получении шарообразных гранул определенного гранулометрического состава при вращении на наклонной поверхности (тарельчатый или барабанный гранулятор) или на неподвижной (роторный гранулятор). Для окатывания характерны простота аппаратурного оформления технологического процесса, высокая производительность. Этот прием используют в химической промышленности для получения удобрений, в металлургии и т. д. [25, 60].
Технологический процесс получения окатышей включает в себя следующие стадии [25]:
1. Подготовка исходных веществ, дозирование и смешение связующего вещества с подготовленной шихтой, сюда же может направляться ретур с последующих стадий.
2. Окатывание, образование гранул и их упрочнение в аппарате.
3. Термическая или другая обработка для повышения прочности между отдельными частицами внутри гранулы.
В некоторых случаях предпочтение отдается совмещению стадий №2 и №3.
4. Классификация гранул по размерам и направление ретура на смешение с исходной шихтой.
Основные параметры процессов смешения, дробления, грохочения и т. п., являющихся неотъемлемой
частью технологии окатывания, определяются химическими и физико-механическими свойствами вяжущего и наполнителей [61].
Немаловажным фактором, влияющим на ход процесса окатывания, является температура добавляемой воды или самого связующего вещества. С повышением температуры происходит увеличение диаметра гранул [62], что можно объяснить, основываясь на основных законах перемещения влаги во влажных материалах [63, 64].
Рассмотрим протекающие процессы при гранулировании смеси из нагретого связующего и наполнителя из угля и кокса. Во влажном материале, где присутствуют градиенты влажности и температуры, они совместно оказывают влияние на перемещение влаги ввиду наличия влагопроводности и термовлагопро-водности. В случае совпадений направлений градиентов перемещение воды произойдет в область, менее насыщенную влагой и с пониженной температурой.
В первом приближении уголь и кокс представим как капиллярно-пористые коллоидные тела, при смачивании водой будут возникать указанные выше градиенты влажности и температуры между центром частицы и ее поверхностью. Это приведет к перемещению влаги к центру частицы от ее периферии [62]. Если формуемый уголь содержит некоторое количество капиллярно-связанной воды, то ее поверхностное натяжение при контакте с горячей водой уменьшится по линейному закону а = 75,7(1 - 0,002/) [63]. Это приведет к продвижению капиллярной влаги внутрь зерна. Кроме того, произойдет диффузия воды через стенки капилляров угля и, соответственно, увеличение осмотически связанной влаги. После заполнения ею всех пор угля или кокса на поверхности частиц образуется водяная пленка, способствующая слипанию частиц и появлению зародышей гранул [62].
В ходе процесса окатывания, при прекращении подачи воды влага испаряется с поверхности окатыша и охлаждает ее, следовательно, изменяется и направление градиентов влаги и температуры. Это приводит к миграции влаги от центра гранулы к ее поверхности, позволяя сохранять на ней более длительно пленку без дополнительного добавления смачивающих веществ [62].
Для повышения эффективности процесса окатывания и качества получаемых продуктов применяют внесение мелкодисперсных минеральных веществ -присадок - в ходе процесса окатывания непосредственно в барабан [59]. Обращает на себя внимание использование таких модификаторов, которые наряду с внесением присадок в состав топлива позволяют увеличить его потребительские свойства. Особенно перспективными представляются водостойкие смеси, которые позволяют снизить влагоемкость топливных гранул, что особенно важно при их хранении или транспортировке.
При этом метод введения присадки и ее распределение в грануле напрямую влияют на качество получаемого продукта, и особенно на эффективность его сжигания. Равномерное распределение частиц по
всему объему гранулы приведет к трудностям в процессе горения, поскольку большое количество минеральных включений хоть и создает прочный каркас для гранулы, но значительно затрудняет доступ кислорода к зоне горения в центре гранулы.
Поскольку обычно гранулируемая смесь представляет собой влажное органическое вещество, то при окатывании ее образующиеся гранулы слипаются между собой, налипают на внутреннюю поверхность аппарата, что снижает производительность процесса и ухудшает внешний вид и форму гранул. Для уменьшения и устранения данного явления применяют минеральные опудривающие вещества, добавляемые в смесь в процессе формования.
Перспективной идеей является использование в качестве опудривающего вещества цемента [65, 66, 67]. Но добавление его необходимо осуществлять так, чтобы цемент распределялся равномерно по поверхности гранулы. При этом создастся оболочка прочная, но в то же время проницаемая для воздуха. Данный способ значительно выигрывает с точки зрения отсутствия помех доступу кислорода в зону горения и позволяет снизить количество цемента, затрачиваемого на повышение прочности по сравнению с применяемым введением цемента в объем гранулы [68, 69].
Заключение
Исходя из вышеизложенного, перспективным представляется получение твердого формованного топлива, связующим в котором служит продукт переработки активного ила биологических очистных сооружений, а наполнителем - угольный шлам и отсев, а также коксовая мелочь и пыль.
Наиболее приемлемый метод формования смеси из горючих углеродсодержащих отходов - окатывание. Процесс проводится в барабанном грануляторе - как более простом в обслуживании и эксплуатации по сравнению с другими аппаратами.
В процессе гранулирования рекомендуется также использовать в качестве опудривающего вещества цемента, что приведет к значительному повышению прочности гранулы.
Полученное твердое топливо может использоваться в качестве альтернативы природному газу и углю, что будет способствовать ресурсосбережению традиционных энергоносителей.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением правительства РФедерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.
2. Зинчук О.А., Зинчук А.Н. Перспективы использования угля в российской электроэнергетике // Экология и научно-технический прогресс. Пермь, 2005. С. 60-61.
3. Климов С.А., Фрайман Г.Б., Грузинов Г.П. и др. Комплексное использование горючих сланцев. Липецк: Липецкое изд-во, 2000.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
4. Говсиевич Е.Р. Повышение эффективности то-пливообеспечения и топливоиспользования на тепловых электростанциях (вопросы методологии и практики): Дисс. ... д-ра экон. наук. М., 2002.
5. Денисенко И.А., Еремина Н.А. Пути уменьшения загрязнения атмосферного воздуха выбросами ТЭС // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2008. Т. 3. С. 105-107.
6. Семенов С.А., Елсуков В.К. Анализ экологической эффективности перевода теплоисточников на газ Братского месторождения // Труды Братского государственного индустриального института: Матер. 20-й н/техн. конференции. 1999. Т. 2. С. 32-34.
7. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Оценка тепловой и термодинамической эффективности систем подготовки угля с кислородной газификацией // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. М., 2007. Т. 2. С. 288-291.
8. Шапченкова О.А. Влияние техногенных выбросов Березовской ГРЭС-1 КАТЭКА на биологическую активность почв // Экологический риск. Иркутск, 2001. С. 182-185.
9. Малов В.Т. Экологические вопросы энерготехнологического использования твердых топлив // Проблемы рационального использования топливно-энергетических ресурсов и энергосбережения. Саратов, 2006. С. 140-143.
10. Wilhelm James H. SO3. SBS injection fights off SO3 // Power Eng. Int. 2004. No. 12. P. 28-30.
11. Primerano P., Mavilia L., Corigliano F. & other. The efficiency of protective treatments against damage to monuments by acid particulate // Ann. Chim. 2003. Vol. 93, No. 3. P. 321-327.
12. Волкова А.В. Влияние теплоэнергетики на состояние окружающей среды // Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания. Губкин, 2007. Ч. 1. С. 88-91.
13. Глазкова А.В., Стройнова В.Н. Загрязнение атмосферы от тепловых электростанций // Проблемы геологии и освоения недр. Томск, 1999. С. 354-355.
14. Клика З., Бартонова Л., Лебедева Л. и др. Влияние различных режимов работы теплоэлектростанций Чехии на поведение серы и микроэлементов углей при сжигании // Перспективы развития угле-химии и химии углеродных материалов в XXI веке. М., 2003. С. 41.
15. Илларионов В.А. Перспективы горного производства в южных районах Республики Коми // Известия вузов. Горный журнал. 2002. № 3. С. 45-58.
16. Мажайский Ю.А., Пожогин Ю.П., Тобратов С. А. Негативное воздействие выбросов ГРЭС на аг-роландшафты в условиях Центрального региона России // Труды 2 межд. н/практ. конференции «Экология в энергетике». М., 2005. С. 216-220.
17. Зубицкий Б.Д., Трясунов Б.Г., Ушаков А.Г. и др. Снижение техногенной нагрузки на атмосферу при мокром тушении кокса // Кокс и химия. 2009. № 5. С. 39-41.
18. Karcz A., Burmistrz P. Zastosowanie руШ koksowego jako sorbentu w procesach adsorpcyjnego
oczyszczania sciekow koksow-niczych // Gosp. surow. miner. 1991. Vol. 7, No. 3. P. 893-907.
19. Стефаненко В.Т., Зайденберг М., Олифер В. Обеспыливание выбросов в коксохимическом производстве // Кокс и химия. 2001. № 3. С. 69-71.
20. Тихов С.Д., Березин А.В., Нагибин П. Д. и др. Коксовая пыль как компонент угольной шихты // Кокс и химия. 2004. № 2. С. 10-13.
21. Гальперн Э.И., Пащенко Л.В., Саранчук В.И. Технология обезвреживания углеродсодержащих отходов // Химия и природосберегающие технологии использования угля. М., 1999. С. 196-199.
22. Заявка на патент 2007103485/04 RU С1 МПК C10L 5/12. Способ брикетирования мелких классов кокса / Марченко В.А., Фомичев С.Г., Сенкус В.В. и др. // Бюлл. № 15.
23. Лобыч А.М. Брикетирование коксовой мелочи со связующими и коксование частично брикетированных шихт в производстве металлургического кокса: Дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2000.
24. Головин Г. С., Рубан В. А., Фомин А.П. Современные направления получения окускованного бездымного топлива для малых энергетических установок и бытовых печей // Уголь.1996. № 2. С. 38-42.
25. Елишевич А.Т. Брикетирование угля со связующим. М.: Недра, 1972.
26. Видяев М.П., Брюханова Е.С. Исследование прочности формованного топлива // Россия молодая. Кемерово. 2009. С. 166-167.
27. Никишанин М.С., Сеначин П.К. Углеродосо-держащие брикеты на разных связующих веществах, их теплофизические характеристики и использование в газогенераторах // Ползуновский вестник. 2009. № 1-2. С. 305-311.
28. Монгайт Л.И., Гаврилов М.И., Шерстнев В.П. Тепловая обработка осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1981.
29. Грудинин В.П. Способы утилизации активного ила промышленных и городских очистных сооружений // Оптимизация обращения с отходами производства и потребления. Ярославль, 2000.
30. Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1975.
31. СанПиН 4286-87 «Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов». М.: Минздрав, 1987.
32. СП 2.1.7.1386-03 «Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления». М.: Минздрав РФ, 2003.
33. Пугачев Е.А., Шехавцов И.М. Физико-механические свойства и классификация осадков. М.: МИСИ, 1984.
34. Алексеев В.И., Винокурова Т.Е., Пугачев Е.А. Проектирование сооружений переработки и утилизации осадков сточных вод с использованием элементов компьютерных информационных технологий. М.: АСВ, 2003.
35. Евилевич А.З. Осадки сточных вод. Л.: Стройиздат, 1965.
36. Белов С.В., Барбинов Ф.А., Козьяков А.Ф. и др. Охрана окружающей среды. М.: Высшая школа, 1983.
37. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006.
38. Микула В.А., Левин Е.И., Берг Б.В. Направленная циркуляция в кипящем слое как средство совершенствования процесса сжигания осадков очистных сооружений // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов. Благовещенск, 2005. С. 484-489.
39. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989.
40. Семенова В.В., Аликбаева Л.А. Оценка токсичности и опасности отходов, образующихся при очистке городских сточных вод и сжигании осадка // Гигиена и сан. 2008. № 2. С. 52-54.
41. Ушаков А.Г., Золкин Р.С., Балахнин А.В. Утилизация шламов угледобывающих и углеперера-батывающих предприятий Кузбасса // Экология России и сопредельных территорий. Новосибирск. 2009. С. 163-164.
42. Заявка на патент № 95108573/25 RU C02F11/00. Способ обработки осадков сточных вод (варианты) / Данилович Д. А., Эпов А.Н.
43. Яковлев С.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н. и др. Биологическая очистка производственных сточных вод: Процессы, аппараты и сооружения. М.: Стройиздат, 1985.
44. Abson I.W., Todhunier К.Я. In Biochemical and Biological Engineering Science // Academic Press. London, 1967. Vol. 1. P. 339.
45. Бейлли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. М.: Мир, 1989.
46. Родионов А.И., Кузнецов Ю.П., Зенков В.В. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов. М.: Химия, 1985.
47. Пахненко Е.П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения. М.: БИНОМ, 2007.
48. Скворцов Л.С., Варшавский В.Я. Обезвреживание и обеззараживание избыточного ила канализационных очистных сооружений для получения экологически безопасных органических удобрений // Химическая и биологическая безопасность. 2006. № 1. С. 42-44.
49. Брюханова Е.С., Ушаков А.Г. Получение твердого топлива из отходов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «СИБРЕСУРС 2010». 2010. Т. 1. С. 126-128.
50. Ушаков А.Г., Трясунов Б.Г., Ушаков Г.В. К вопросу совместной переработки избыточного активного ила и твердых углеродсодержащих отходов // Ползуновский вестник. 2010. № 3. С. 266-270.
51. Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М.: Наука, 1991.
52. Бюхнер П. Изучение процесса гранулирования и коксования бурых углей и отходов брикетных фабрик: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 1969.
53. Крапчин И.П. Эффективность использования углей. М.: Недра, 1976.
54. Вопросы эффективного сжигания углей // Сборник научных трудов, ЭНИН им. Г.М. Кржижановского. М., 1984.
55. Семенов А. Оценка предельной энергетической эффективности процессов пиролиза угля // Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлива. Саратов, 1993. С. 11-57.
56. Новые способы использования низкосортных топлив в энергетике // Сборник научных трудов, ЭНИН им. Г.М. Кржижановского. М., 1989.
57. Обогащение и переработка топлив / Под. ред. Филиппова Б.С. М.: Недра, 1975.
58. Зверев Д.К. Обзор методов получение бездымного топлива для коммунально-бытового потребления // Доклады научной конференции ИГИ. М., 1975. С. 13.
59. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования. М.: Химия, 1982.
60. Парфенов А.М. Основы агломерации железных руд. М.: Металлургиздат, 1966.
61. Rumpf H. Chemie-Ingenieur-Technic. 1974. Vol. 46, No.1. P. 1-11.
62. Сысков К.И., Царев В.Я., Машенков О.Н. Гранулирование и коксование бурых углей. М.: Металлургия, 1968.
63. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Госэнергоиз-дат, 1950.
64. Воларионович М.П., Чураев Н.В. Исследование в области поверхностных сил. М.: Изд-во АН СССР, 1961.
65. Воробьев В.Н., Лещенко П. С., Климова Л.К. и др. Экологически чистые связующие для получения бытового топлива из углей мелких классов // Химия твердого топлива. 1997. № 2. С. 81-85.
66. Патент № 2006500 RU C10L5/00, C10L5/02. Способ получения топливных брикетов / Лезгин Л. А., Нифонтов Ю.А., Блинов В.А. // Бюлл. № 2.
67. Патент № 2227803. Способ получения топливных брикетов / Шувалов Ю.В., Нифонтов Ю.А., Экгардт В.И. и др.
68. Ушаков А.Г. Влияние опудривающих добавок на получение и свойства топливных гранул состава угольный шлам - органическое связующее // Химия и химическая технология в XXI веке. Томск, 2010. Т. 2. С. 207-209.
69. Ушаков А.Г. Утилизация обезвоженного избыточного активного ила с получением топливных гранул // Вестник КузГТУ. 2010. № 5. С. 142-144.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (99) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
