CC BY
74
ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ
© Чернышова Т.И.*, Набоко Е.П., Алпатов Н.В.
Карагандинский государственный технический университет, Республика Казахстан, г. Караганда
На основе экспериментальных данных определены сроки хранения топливных брикетов из отходов флотационного углеобогащения с добавкой различных связуюшцх компонентов.
Рассмотрены варианты технологической схемы промышленной установки для производства топливных брикетов с возможностью перехода на различные виды связующего.
Ключевые слова отходы углеобогащения, связующие, топливные брикеты, прочность, время хранения, технология.
На современном этапе энергетические проблемы любой развитой страны мира, включая и страны СНГ, можно разделить на проблему энергообеспечения и проблему энергосбережения.
Вопросы энергоснабжения и энергосбережения волнуют все мировые сообщества, при этом различные страны, естественно, имеют свои подходы и возможности в решении этих проблем. Во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе путем внедрения инновационных технологий, рационального и эффективного использования вторичных энергоресурсов предприятий, с помощью применения альтернативных источников энергии.
Естественно, эти проблемы теснейшим образом связаны между собой, при этом проблема снижения энергетических затрат, проблема энергосбережения становится все более актуальной в мировом аспекте. Особенно актуальна эта проблема для стран СНГ с переходной экономикой, в том числе и для Республики Казахстан, т.к. в этих странах энергоемкость промышленного производства и социальных услуг оказывается во много раз больше общемировых показателей. В себестоимости продукции в Республике Казахстан доля энергозатрат зачастую становится преобладающей, в связи с этим конкурентоспособность отечественной продукции все больше зависит именно от экономного расходования топливно-энергетических ресурсов, что особенно важно в свете вступления нашей страны в ряды ВТО.
Старший преподаватель кафедры «Энергетические системы», кандидат технических наук.
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
145
В результате складывающейся ситуации важнейшим приоритетом развития энергетики Казахстана является реализация основных положений энергетической стратегии страны на период 2004-2015 гг., определенной Указом Президента РК (от 17 мая 2003 г. № 1096) «О стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2004-2015 гг.», Законом «Об энергосбережении», Постановлением Правительства РК (№ 1145 от 23.10.2002 г.). На практике это переход казахстанской экономики на энергосберегающий путь развития с целью снижения энергоемкости валового продукта.
Такое направление предполагает возможность экономического роста при сохранении настоящего уровня добычи первичных энергоносителей за счет преобразования структуры ресурсопотребления и активного внедрения энергосберегающего оборудования, новых передовых технологий. Это путь учета и экономии ископаемых, невосстанавливаемых природных ресурсов, путь, по которому идет цивилизованный мир и который позволит Казахстану приблизиться к индустриально развитым странам по показателям удельной энергоемкости промышленного производства. Государство становится богаче не только прибавлением к тому, что есть, но и путем сокращения внутренних расходов.
Кроме того, использование ископаемых топлив как энергетических источников приводит к значительным выбросам, как парниковых газов, так и вредных веществ (пыли, оксидов серы, азота и т.д.). Поэтому проблема энергосбережения тесно связана с решением ряда важных экологических проблем, в том числе и глобальных.
При решении проблем энергосбережения важно определить основные стратегические подходы и методы рационального использования энергоресурсов, которые могут быть как общими для всей экономики, так и специфичными для отдельных отраслей промышленности, в частности металлургической, сельского хозяйства и социальной сферы. Среди таких наиболее общих подходов в стратегии энергосбережения можно было бы назвать:
- применение высоких ресурсосберегающих технологий в сфере энерготехнологических объектов;
- использование методов математического моделирования и оптимизации при проектировании и реконструкции предприятий;
- замену дорогостоящих энергоемких видов энергоносителей, таких как электроэнергия, кокс и др. на более дешевые, например, природный газ;
- все более широкое использование возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, биомассы и др.;
- более широкое использование низкопотенциальных источников теплоты различных технологических процессов в промышленности.
146
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
Представленная работа затрагивает ресурсосберегающие технологии в сфере энерготехнологических объектов и использование низкопотенциальных источников теплоты различных технологических процессов в промышленности. Посвящена вопросу утилизации углеродсодержащих отходов коксохимического производства (КХП) АО «Арселор Миттал Темиртау» («АМТ») с целью получения топливных брикетов на основе отходов флотации с различными связующими.
Задачей является поиск оптимальных вариантов состава топливных брикетов, и разработка способов переработки отходов коксохимического производства. Разработка новых технологических решений, направленных на эффективную переработку шламов, в том числе металлургического производства, и получение товарного продукта с улучшенными потребительскими свойствами, является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение. Переработка и утилизация углеродсодержащих отходов важны не только с точки зрения их использования как альтернативного источника сырья, топлива, но и с точки зрения охраны окружающей среды [1, 2].
Интерес к технологиям переработки угольных шламов является современным и актуальным. 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.
Существующие способы утилизации шламов углеобогащения делят 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.
Не смотря на положительную динамику по разработке методов утилизации углеродсодержащих отходов углеобогащения, существует множество проблем связанных с внедрением данных технологий в производственный цикл: с одной стороны, высокий энергетический потенциал, относительно низкая токсичность, доступность и дешевизна; с другой - нестабильность механических свойств и сложность транспортирования, обусловленная высокой влажностью. Эти и ряд других проблем ограничивают широкое применение активных способов утилизации отходов углеобогащения, кроме того, существуют трудности, связанные с финансированием данных проектов [3].
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
147
В Карагандинском государственном индустриальном университете (КГИУ) была проведена экспериментальная оценка возможности использования различных связующих компонентов для брикетного топлива на основе отходов флотации. Рассматривались доступные связующие, производимые на АО «Арселор Миттал Темиртау», или в пределах Карагандинской области. Наиболее приемлемыми для решения поставленной задачи оказались техническая вода (В), мазут (М), побочные продукты коксохимического производства «АМТ», такие как антраценовая фракция (АФ), каменноугольный пек (КУП), кислая смолка (КС). Кроме того, цемент (Ц), спеккокс (СК) и жидкое стекло (ЖС), получаемые на предприятиях области.
Согласно результатам всех исследований по энергетической пригодности приемлемыми являются брикеты, полученные на основе:
- ОФ:В - 92:8;
- ОФ:В:Ц:СК - 74:8:3:15;
- ОФ:В:ЖС - 91:6:3;
- ОФ:В:ЖС:СК - 71:6:3:20;
- ОФ:В:КС - 79:8:3;
- ОФ:М:КУП - 75:10:15;
- ОФ:АФ:КУП - 92:3:5.
В свою очередь, исходя из прочностных характеристик, согласно предъявляемым требованиям подходят:
- ОФ:В - 92:8;
- ОФ:В:Ц:СК - 74:8:3:15;
- ОФ:В:ЖС - 91:6:3;
- ОФ:В:ЖС:СК - 71:6:3:20;
- ОФ:АФ:КУП - 92:3:5.
Сопоставляя характеристики стоимости брикетов, установлено, что для промышленного производства, с экономической и энергетической точек зрения, рекомендуются в качестве связующих компонентов:
- ОФ:В - 92:8;
- ОФ:В:Ц:СК - 74:8:3:15;
- ОФ:АФ:КУП - 92:3:5.
В результате исследования свойств топливных брикетов, полученных на основе ОФ с добавками перечисленных выше связующих, были определены их прочностные характеристики [4, 5, 6]. Результаты исследования зависимости прочности брикетов от времени хранения носят, как видно из графика (рис. 1), неоднородный характер.
При использовании в качестве связующих: ЖС, Ц, ЖС + С и Ц + СК (линии 4, 2, 5, 3) время практически не влияет на прочностные характеристики брикетов, следовательно, их использование не ограничено временными рамками, рассмотренными в исследовательской работе (30 суток).
Для такого связующего, как АФ + КУП (линия 8) выявляется зависимость постепенного, но существенного снижения прочностных характери-
148
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
стик брикета. В связи с чем, срок использования брикетов не должен превышать 30 суток, так как дальнейшее снижение прочности может повлиять на возможность транспортировки и применения данного вида топлива.
Рассматривая данные опытов в случае с использованием воды, как связующего (линия 1), очевидно, что прочность брикетов сохраняется в течение 7 дней и далее наблюдается резкое ее снижение. Поэтому вероятность использования данного топлива должна исключать возникновение форсмажорных обстоятельств со стороны транспортных компаний и непосредственно у потребителя.
Относительно кислой смолки и мазута в смеси с КУПом (линии 6, 7) можно сказать, что брикеты, полученные на их основе, необходимо использовать сразу после приготовления, так как существует тенденция резкого снижения их прочностных характеристик. Следовательно, это регламентирует непосредственную близость производства от потребителя.
Для реализации задачи «изучения характеристик и свойств полученных брикетов» был проведен анализ готовой продукции, выполненный в лабораториях КГИУ КХП и ТЭЦ-ПВС АО «АМТ», представленный в таблице 1. На основании проведенных исследований выяснилось, что такие характеристики брикетов как влажность, зольность, выход летучих веществ и содержание серы полностью соответствуют ТУ 3510РК39286395 ТОО-134-2001 «Продукция угольная» УД АО «Арселор Миттал Темиртау» для коксования, слоевого и пылевидного сжигания».
— 1-вода —2-цемент —3 - цемент и спецкокс
—4 - жидкое стекло —5-жид. стекло и спецкокс —6 - кислая смолка
— 7 - мазут и КУП______—8 - антр. фракц. и КУП______________________
Рис. 1. Зависимость изменения прочности брикетов от времени хранения
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
149
Изготовленные брикеты с различными связующими, кроме воды, были также проверены на влагоустойчивость. Оказалось, что впитываемость влаги не превышает 6 %, и брикеты после её воздействия не разрушились. Учитывая, что проектное топливо допускает содержание влаги в пределах 9-13 %, топливо должно храниться на закрытых складах и в соответствии с общемировой практикой транспортироваться в упаковках. При соблюдении указанных требований даже при неблагоприятных условиях и повышении влажности брикетов до 13-14 % их качественные характеристики как топлива не ухудшаться [7].
Таким образом, анализируя представленные результаты можно сделать выводы, что:
1. Ценовой фактор и время хранения без изменения прочностных характеристик указывает на целесообразность изготовления 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. 2
Таблица 1
Технические, эксплуатационные и экономические показатели брикетов
№ Показатель Wrt, % Ad, % Vdaf, % S, % Qr, ккал/кг Прочность, МПа Цена, тг/т Срок хранения
Наименование, %
1 ОФ:В 92:8 8 35,7 28,1 0,4 4060 3,92 1201 Не более 7 суток
2 ОФ:В:Ц 92:6:2 6,8 37,3 28,9 0,4 3856 4,12 1415 Более 30 суток
3 ОФ:В:Ц:СК 74:8:3:15 6,6 35,2 28,2 0,42 4395 3,77 3606
4 ОФ:В:ЖС 91:6:3 7 34,6 24,2 0,4 4039 5,35 4592
5 ОФ:В:ЖС:СК 71:6:3:20 6,8 33,4 23,6 0,43 4620 4,4 7145
6 ОФ:В:КС 79:8:3 7 36,7 28,5 1,1 4138 3,1 1248 Хранить нельзя
7 ОФ:М:КУП 80:10:10 6,8 31,4 22,13 0,8 4692 2,8 7034
8 ОФ:АФ:КУП 92:3:5 7 34,4 28,3 0,5 4354 4,18 3557 30 суток
2. Сопоставляя стоимость брикетов для промышленного производства с учетом экономической эффективности и энергетической ценности топлива можно рекомендовать для близкорасположенных потребителей топливные брикеты с использованием в качестве связующего воду: ОФ:В - 92:8.
Практический интерес заключался в поиске технологической схемы изготовления топливных брикетов, направленной на эффективную переработку шламов и получение товарного продукта с улучшенными потребительскими свойствами. Технология должна создавать композитный материал с наперед заданными свойствами по теплоценности, реакционной способности, составу минеральной части. При этом готовый продукт (брикетное топливо) мог бы использоваться в энергетике и технологических процессах вместо твердого или жидкого топлива с минимальной реконструкцией котлов и печей или без нее.
На основании экспериментальных данных была разработана принципиальная технологическая схема промышленной установки производства топ-
150
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
ливных брикетов (рис. 2). Учитывая удаленность производства некоторых рекомендуемых связующих компонентов (цемент), вероятность перебоев или недостаток (отсутствие на складе готовых) компонентов производимых на месте, а также желание потребителей схема имеет возможность перехода на различные виды связующего [8].
Отходы пенной флотации в сочетании с водой из углеобогатительной фабрики по трубопроводу поступают в бункер суспензии хвостов флотации 1. Затем насосом 2 перекачиваются в радиальный сгуститель 3, где происходит сепарация отходов углеобогащения на жидкую суспензию и влагу. После сгустителя вода поступает в осветлитель воды 5, откуда при помощи насоса 2 перекачивается в бак-приемник осветленной воды 6. Далее осветленная вода при помощи насоса 2, возвращается в цикл водоснабжения углеобогатительной фабрики. В свою очередь жидкая суспензия из радиального сгустителя по трубопроводу поступает в фильтрующую центрифугу 4, где происходит отделение твердой фазы от жидкости. Твердый продукт посредством ленточного конвейера 7 направляется в сушильную камеру 8, для удаления остаточной влаги и доведения ее до 7%. Высушенный продукт, попадает в бункер концентрата 9. Далее с помощью вибрационного питателя 10 отходы подаются на качающийся грохот 12, где классифицируются на фракцию 0-0,5 мм, и фракцию более 0,5 мм. Фракция 0-0,5 мм подается посредством ленточного конвейера 7 в расходный бункер 13, представляющий собой контейнер с сужающимся дном. Фракция более 0,5 мм поступает в молотковую дробилку 11 и после измельчения вновь попадает на грохот. Из расходного бункера 13 через вибрационный питатель 10 отходы флотации поступают в шнек-смеситель 14. В качестве смачивателя из емкости с водой 24 насосом дозатором 19 техническая вода направляется в шнек-смеситель 14. Помимо хвостов углеобогащения туда же подаются связующие компоненты.
В зависимости от используемых связующих предлагается три варианта получения топливных брикетов:
Вариант 1. Использование в качестве связующих компонентов антраценовой фракции каменноугольной смолы в сочетании с КУПом. Среднетемпературный каменноугольный пек из железнодорожных цистерн-термосов сливается в приемную заглубленную, теплоизолированную емкость 23, в которую встроен паровой подогреватель 25. Из емкости 23 жидкий пек подается насосом-дозатором 19 непосредственно в шнек-смеситель 14. Регулирование подачи каменноугольного пека осуществляется при помощи задвижки 18.
Подача второго связующего аналогична. Если возникает потребность в переходе на другой вид связующего, то подачу антраценовой фракции можно прекратить с помощью задвижки 18.
Вариант 2. Использование в качестве связующих компонентов цемента в сочетании со спецкоксом. Цемент из грузовых железнодорожных вагонов при помощи вагоноопрокидывателя ссыпается в теплоизолированный при-
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
151
емный бункер 20. Из него через вибрационный питатель 10 цемент подается в шнек-смеситель 14. Спецкокс из грузовых железнодорожных вагонов при помощи вагоноопрокидывателя ссыпается в теплоизолированный приемный бункер 21. Откуда при помощи вибрационного питателя 10 спецкокс поступает на молотковую дробилку 26, где измельчается до фракции 0-0,5 мм и далее поступает в шнек-смеситель 14.
Обогатительная фабрика
1 - бункер суспензии хбостоб флотации. 2 - насос. 3 - радиальный сгуститель. 4 - фильтрующая центрифуга. 5 - осбетлитель боды. 6 - приемник осбетленной боды. 7 - ленточный конбейер.
8 - сушильная камера. 9 - бункер концентрата. 10 - бибрационный питатель. 11 - молоткобая дробилка. 12 - качающийся грохот. 13 - расходный бункер. % - шнек-смеситель. 15 - пресс.
16 - камера быдержки и закалки брикетов. 17 - склад готовой продукции. 18 - задвижка. 19 - насос дозатор. 20 - бункер для хранения спецкокса. 21 - бункер для хранения цемента 22 - емкость для хранения антраценовой фракции. 23 - емкость для хранения К У Па 2Ь - емкость для хранения боды. 25 - паровой подогреватель. 26 - молоткобая дробилка
Рис. 2. Технологическая схема брикетирования отходов пенной флотации угля
Вариант 3. Использование в качестве связующего компонента воду для небогатых и близкорасположенных потребителей. Вода непосредственно из емкости 24 через насос дозатор 19 поступает в шнек-смеситель 14. В шнеке
152
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
составляющие перемешиваются до однородной консистенции. После получения смеси, она выдается на пресс 15, где формуется в топливные брикеты. Готовые брикеты с помощью ленточного конвейера 7 поступают в камеру выдержки и закалки брикетов 16, где происходит их подсушка. Далее брикетное топливо отправляется на склад готовой продукции 17.
Все приёмные теплоизолированные ёмкости (бункеры) в интересах уменьшения занимаемой территории и сохранения минимально допустимой для транспортирования компонентов температуры могут быть заглубленными [8].
Теоретическая и практическая новизна результатов работы заключается в следующем:
- проведено апробирование технологии брикетирования отходов флотации, получаемых из углей Карагандинского угольного бассейна;
- установлены закономерности изменения прочностных характеристик от количества связующих компонентов и времени хранения топливных брикетов, полученных из отходов углеобогащения;
- разработана технологическая схема по брикетированию хвостов углеобогащения с учетом используемых добавок и связующих веществ.
Список литературы:
1. Davis E.B. New Developments in Environmental Research // Nova Science Publishers. - June 2006. - 354 p.
2. Технико-экономическое обоснование переработки угольных шламов в сырье для коксования // Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь». - М.: 2008. - Вып. 9. - 79 с.
3. Сухарников Ю., Венчиков Д., Чернецов В. Шламы флотации каменных углей как энергетическое топливо / ЗАО «Институт органического синтеза и углехимии РК». - Караганда, 2004. - 250 с.
4. Чернышова Т.И., Алпатов Н.В. Исследование возможности получения топливных брикетов из отходов металлургического производства // Наука и современность. - 2011. - № 8-2. - С. 247-251.
5. Чернышова Т.И., Алпатов Н.В., Леликова О.Н. Обоснование выбора связующих компонентов используемых при брикетировании хвостов флотации // Наука и современность. - 2012. - № 19-2. - С. 95-99.
6. Чернышова Т.И., Алпатов Н.В. Получение топливных брикетов из отходов металлургического производства // Актуальные вопросы современной науки. - 2013. - № 29. - С. 174-173.
7. Чернышова Т.И., Алпатов Н.В. Зависимость прочности топливных брикетов от времени хранения // Наука и современность. - 2014. - № 27. -С. 206-209.
8. Чернышова Т.И., Набоко Е.П., Алпатов Н.В. Разработка технологической схемы брикетирования отходов флотации // Наука и современность. -2015. - № 36. - С. 128-132.
