CC BY
68
© Т.Н. Александрова, A.B. Рассказова, К В. Прохоров, 2012
УЛК B03D1/02, C10L5/16
Т.Н. Александрова, A.B. Рассказова, К.В. Прохоров
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БРИКЕТИРОВАНИЯ БУРОУГОЛЬНОЙ МЕЛОЧИ НА ОСНОВЕ СВЯЗУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ ИЗ ОТХОДОВ
Рассмотрен один из способов повышения энергоэффективности природопользования, включающий вовлечение буроугольной мелочи и промышленных отходов в переработку. Теоретически обоснован и экспериментально опробован способ получения буроугольных брикетов, в состав которых входят битум и лигнин. Определены оптимальный состав и энергетические характеристики полученных брикетов.
Ключевые слова: качество бурых углей, буроугольная мелочь, битум, лигнин, топливный брикет, теплота сгорания.
В структуре установленной мощности энергетики ДФО 30 % занимает гидрогенерация, остальное приходится на тепловые электростанции (ТЭС) [1]. В свою очередь доля угля в топливном балансе ТЭС составляет 72 % [2]. В настоящее время значительную долю в толивно — энергетическом балансе занимают бурые низкометаморфизированные угли, характеризующиеся высокой хрупкостью и выходом мелких фракций. Разработка инновационных подходов к снижению зольности, повышению теплоты сгорания угля и вовлечению угольной мелочи в цикл уг-лепереработки является актуальной задачей. В настоящее время нет единого научно обоснованного подхода к выбору эффективного связующего и технологического регламента производства угольных брикетов на базе исследуемого месторождения, поэтому актуальна разработка технологии производства брикетированного бу-роугольного топлива. Объект исследования — буроугольное сырьё одного из месторождений Юга Дальневосточного региона. Цель исследования — обоснование ресурсосберегающих
инновационных технологических решений по получению угольных брикетов на основе связующей композиции из отходов. Поставленные исследователями задачи — селективный отбор проб в пределах действующего угольного разреза и их технологическая диагностика, разработка технологии получения угольных брикетов с подбором технологического режима и компонентного состава, технологическая диагностика полученных термобрикетов. Отбор проб проводился по пластам, результаты технологической диагностики приведены в таблице 1.
Наблюдается неоднородность качественных показателей угля по пластам.
Одно из перспективных направлений усреднения и повышения качественных, в том числе энергетических, показателей буроугольного сырья — снижение зольности путем обогащения слабоструктурных бурых углей. Авторами разработан способ флотационного обогащения угольной мелочи аполярного собирателя — продукта нефтепереработки. Способ флотационного обогащения особенно актуален для низкометаморфизированных слабо-
1 23 4 5 67 89 10 ^
номер пробы
Рис. 1. Результаты ситового анализа низкоструктурированного буроугольного сырья
Таблица 1
Технологические характеристики бурых углей Ушумунского месторождения
№ пробы Wa, % Va, % Аа, % Бобщ % N,%
I пласт (точка 1) 29,61 27,62 16,99 0,41 0,35
I пласт(точка 1) 26,02 26,63 19,92 0,66 0,25
I пласт (точка 1) 35,78 25,59 8,37 0,41 0,42
I пласт(точка 2) 25,74 26,14 25,75 0,25 0,56
I пласт(точка 3) 21,25 22,10 35,26 0,23 0,15
II пласт 22,25 35,93 11,06 0,39 0,65
III пласт 17,78 31,01 24,60 0,34 0,31
Ша, V3, Аа — влажность, выход летучих веществ, зольность на аналитическое состояние топлива, %; Бобщ, N — содержание общей серы и азота, % (масс).
структурных углей, характеризующихся высоким содержанием мелочи и повышенным выходом мелких фракций при измельчении.
Целесообразность брикетирования исследуемых бурых углей обусловлена склонностью к окислению кислородом воздуха и самовозгоранию, потерей мелких классов при слоевом сжигании рядового бурого угля в результате просыпи между колосниками топки. Так, КПД использования тепла термобрикетов составляет 75 % по сравнению с 46,7 для рядового угля, содержащего мелочь [4].
Связующие вещества для брикетирования углей определяют экономические показатели производства буро-угольных брикетов. Исследуемые бурые угли являются высокобитуминозными [5], что является благоприятным фактором в процессе брикетирования.
Дробленый материал исходных проб угля был подвергнут мокрому рассеву по классам с последующим высушивание. На рис. 1 приведены результаты ситового анализа буро-угольного сырья исследуемого месторождения.
Ситовый анализ (мокрый рассев исходной пробы)
Результаты ситового анализа показывают, что выход классов угля крупностью +3 мм после первичного дробления лежит в диапазоне от 34 до 72 % и в среднем составляет 57 %. Учитывая результаты ситового анализа, исследующего, как указано выше, гранулометрический состав буро-угольного сырья после измельчения, додрабливать до крупности — Змм необходимо в среднем 57 % сырья.
Выбранная крупность сырья для исследований (-3 мм) обусловлена
тем, что при брикетировании боле тонкоизмельченного угля увеличивается расход собирателя вследствие увеличения удельной поверхности угольной массы. При крупности угля -3 мм пространство между зернами угля оптимально заполняется связующим. Указанный размер частиц угля также обеспечивает приемлемую кинетику сгорания буроугольных топливных брикетов [6].
Изыскание новых, более экономичных и высококачественных связующих материалов — одна из важнейших проблем. Предлагается при изготовлении буроугольных топливных брикетов применять в качестве связующего вещества битум нефтяной марки БНД 90/130, представляющий собой окисленные остатки вакуумной ректификации Хабаровского нефтеперерабатывающего завода.
Предлагаемый связующий материал полностью удовлетворяет требованиям и обладает следующими характеристиками: хорошая связующая способность, прочность брикетов при небольшом расходе, хорошие спекающие свойства, устойчивость по отношению к влаге, быстрое затвердевание, высокая теплота сгорания, недефицитность, относительная экологическая безопасность (класс опасности рассчитан по результатам рентгенофлуорес-центного анализа с применением запатентованного программного обеспечения «Dang Waste», Кбитум= 144,75, III класс — умеренно опасный).
Нефтяные битумы представляют собой дисперсные системы, в которых дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой — асфаль-тены. Нефтяной битум является окисленным продуктом, что снижает опасность самовозгорания брикетов вследствие окисления кислородом воздуха.
Гидролизные процессы переработки древесного и растительного сырья
основаны на гидролизе полисахаридов концентрированными минеральными кислотами. Сернокислотный лигнин получают обработкой древесины концентрированной 64—78 %-ной серной кислотой. Получаемый гидролизный лигнин — полифункциональное высокомолекулярное ароматическое соединение непостоянного строения, состоящее из фрагментов фенилол-пропана с различным числом меток-сильных заместителей в ядре: \=/ I I I СНзО
Содержание в гидролизном лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88 %, трудногидролизуемых полисахаридов — от 13 до 45 %, смолистых веществ и веществ лигногуми-нового комплекса — от 5 до 19 %, а зольных элементов — от 0,5 до 10 %. Гидролизный лигнин характеризуется большим объемом пор, приближающимся к пористости древесного угля, высокой реакционной способностью по сравнению с традиционными углеродистыми восстановителями и, вдвое большим, в сравнении с древесиной, содержанием твердого углерода, достигающим 30 %.
Исследуемый гидролизный лигнин (отходы одного из гидролизных заводов Хабаровского края) обладает пористой структурой (рис.2), впитывает масляную фракцию нефтяных масел битума. Известно, что уголь не смачивается маслянистыми веществами, следовательно, введение механоактивированного наполнителя, повышающего энергию межфазного взаимодействия, способствует улучшению адгезионного взаимодействия между углем и связующим, делая брикеты более прочными.
В табл. 2 — IV, V, А — влажность, выход летучих веществ и зольность (г, а, daf — рабочее, аналитическое и сухое беззольное состояние соответственно), Эобш> N — содержание серы и азота, С/ — высшая теплота сгорания лигнина.
Рис. 2. Микрофотография пористой структуры лигнина
Методика и результаты определения содержания выщелачиваемой серной кислоты следующая: навеску лигнина помещается в колбу с дистиллированной водой. Откалиброванным рН — метром определяется кислотность экстракта в процессе выщелачивания кислоты из лигнина и по достижении равновесия (24 часа). Согласно формуле (1) вычисляют концентрацию ионов водорода: С(Н+)=10-рН (1)
Согласно уравнению диссоциации серной кислоты расчитывают количество выщелачиваемой серной кислоты: И2Б04= 2Н+ + Э042-
В табл. 3 приведены данные расчета количества выщелачиваемой серной кислоты.
Содержание выщелачиваемой серной кислоты составляет 0,17 % от массы лигнина. Следовательно, лиг-нинохранилища являются потенциальным источником поступления серной кислоты в окружающую среду и необходимо проводить мероприятия по вовлечению отходов гидролизного производства в переработку. Также лигнинохранища в определенных условиях склонны к самовозгоранию.
Применение предварительной ме-ханохимической активации в мельни-
цах — активаторах планетарного типа позволяет значительно увеличить степень дисперсности наполнителей. Механоактивация способствует накоплению энергии на границе раздела, которая тратится на взаимодействие, что приводит к увеличению адсорбционных свойств и химической активации наполнителей, в некоторых случаях происходит разрыв химических связей и образование свободных радикалов [7].
При механоактивации происходит увеличение удельной поверхности гидролизного лигнина с 6321 до 8467 см2/см3. Распределение частиц по крупности (определено на лазерном анализаторе Апа1узв1:!в 22) до и после механоактивации приведено на рис. 3 и 4 соответственно.
Процесс приготовления брикетов включает следующие операции:
Отсев (класс -25 мм) и додрабли-вание мелочи (до класса -3 мм), флотационное обогащение (аполярный собиратель — продукт нефтепереработки), подсушивание концентрата до оптимальной влажности (20 %). Крупная фракция (+25 мм) используется для энергетического обеспечения переработки угля в брикеты (сушка угольного сырья, разогрев шихты) или в энергетических целях на ТЭС.
Сушка и механоактивация лигнина, смешение с расплавленным битумом в лопастном смесителе.
Дозирование и добавление угля, разогрев шихты (90 °С) и её брикетирование (50 МПа).
Предложенный способ представляет значительные возможности реализации принципов безотходности путем комплексного использования добываемого буроугольного сырья и вовлечения отходов в производство.
Внедрение безотходных технологий направлено на снижение объема вовлекаемых ресурсов Р на последо-
Таблица 2
Результаты технического анализа лигнина (%)
Wr, % Щ", % V, % А", % Аг, % А*, % 'обш? % N % Оа% МДж/кг
58,7 61,8 29,5 28,8 0,65 0,7 1,7 1Д 0,57 16,6
Таблица 3
Расчет количества выщелачиваемой из лигнина серной кислоты/
мин 0 1 2 5 10 30 165 24 ч
РН 6,07 4,2 3,94 3,85 3,84 3,83 3,82 3,74
■/г 8 618 1125 1384 1416 1449 1483 1783
вательных стадиях получения продукции П за счет уменьшения отходов.
Показатель вовлекаемых ресурсов рассчитывается по формуле:
— = к 1 П (1 + б)'
где б — доля отходов, использованных в качестве восстановленного ресурса, к — выход продукции из вводимого ресурса [8].
Для угля выход продукции из вводимого ресурса с учетом снижения влажности на 30 % и зольности на 17 % составляет (0,3+0,17)*0,9 = 0,423 при 90 %-ном содержании угля в брикете; для битума 0,05 (все вводимые 5 % переходят в продукцию) и для лигнина 0,382*0,05=0,0191 (с учетом потери в массе 61,8 % при сушке, 5 %-ного содержания). В сумме к = 0,6831. Доля отходов (лигнин и битум) составляет 10 %. Таким образом, показатель вовлекаемых ресурсов составит:
77 = к (Г+б) = 0-6831(17Г1)= = 0,621 = 62,1%.
Данные расчета свидетельствуют о комплексном подходе к природопользованию, представленном в разработанной технологии.
Исследовались энергетические характеристики полученных брикетов
(определялась теплота сгорания твердого топлива в калориметрической бомбе).
Проведена серия опытов по определению теплоты сгорания топливных брикетов различного трех-компонентного компонентного состава, полученные результаты обрабатывались с применением методов математического моделирования. Получена следующая квадратичная зависимость между компонентным составом топливного брикета и высшей теплотой сгорания смеси, включающая как аддитивные, так и мультипликативные члены:
да8= 71,28 + 0,46-У - 5,03-Б -
- 1,178-Л - 0,0097-У2 + 0,178-Б2 +
+ 0,01167-Л2 + 0,0013-У-Б-Л, (4)
где У, Б, Л — процентное массовое содержание угля, битума и лигнина в топливном брикете соответственно.
Из уравнения следует, что при повышении доли низкокалорийного лигнина в брикете его теплота сгорания снижается. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 8 %. Согласно экспериментальным данным, состав, обеспечивающий оптимальную теплоту сгорания на рабочее состояние = 21,36 МДж/кг) и физико — механические свойства брикета (такие как
устойчивость к истиранию, влагостойкость) — 90 % угля, 5 % битума, 5 % лигнина.
На основе технологических характеристик угольных проб разработана технология получения угольных брикетом с подбором технологического режима и оптимального компонентного состава брикетов, обеспечивающего необходимую прочность и низкое влагопоглощение брикетов. Получена аналитическая зависимость, определяющая влияние компонентного состава брикета на его теплотворную способность. Удовлетворительная сходимость опытных данных и прогноза свиде-
1. Липатов Ю. электронный источник: http://www.rusoil.ru/opinions/o08-09.html.
2. Салардинов И.В. Топливно — энергетический комплекс Дальнего Востока в
системе ТЭК России. М., 2006.
3. Юлович Я.Э. Региональная геохимия осадочных толщ. Л.:Наука, 1981. — 286 с.
4. Mi J., LiX. — J. Design and simulation analysis of industrial coal briquetting machine //Journal of Central South University (Science Technology), 2006. T. 37. — № 5. — С 986—990.
5. Угольная база России. Том V. Книга 1. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока (Хабаровский край, Амур-
тельствует об адекватности математической модели. Разработан способ обогащения и брикетирования буроугольного сырья, предусматривающий использование отходов производства и комплексную переработку природных ресурсов. Конечная продукция характеризуется высокими качественными, экологическими и экономическими показателями. Таким образом, в ходе исследования обоснованы технологические решения по получению высококачественного кускового твердого топлива из некондиционного буроугольного сырья и отходов производств Хабаровского края.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
екая область, Приморский край, Еврейская АО). — М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1997. — 371с. ISBN 5-900357-15-5.
6. N. Emre Altun, Cahit Hicyilmaz, A. Suat Bagci Influence of coal briquette size on the combustion kinetics // Fuel Processing Technology, Volume 85, Issue 11, 15 August 2004, p. 1345-1357.
7. Александрова Т.Н., Литвинцев B.C., Литвинова H.M., Ятлукова H.Г. Механоакти-вация в процессах рудоподготовки // Горный журнал. — 2006. — № 6.— С. 95-97.
8. Колосов А. В. Эколого — экономические принципы развития горного производства. — М.: Недра, 1987. — 261 с. ГТТГТ^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Александрова Татьяна Николаевна — доктор технических наук, заведующая лабораторией, Рассказова Анна Вадимовна — аспирант, инженер лаборатории, е-mail: [email protected], Прохоров Константин Валерьевич — аспирант, инженер лаборатории, е-mail: [email protected],
Институт горного дела ДВО РАН, e-mail: [email protected]
А
