CC BY
39
Belogurova Olga Aleksandrovna
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Savarina Marina Anatol'evna
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia Sharai Tatyana Valentinovna
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.814-818 УДК 620.91 : 666.74 : 552.086
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА СВОЙСТВА УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА И ЗОЛООТХОДОВ ОТ ЕГО СЖИГАНИЯ
Т. П. Белогурова1, Ю. Н. Нерадовский2, И. А. Миханошина1
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
2 Геологический институт ФИЦ Кольского научного центра РАН, г. Апатиты, Россия Аннотация
Рассмотрены вопросы высокоэнергетического воздействия на уголь при его помоле на шаровой барабанной мельнице и последующего доизмельчения с помощью дезинтегратора или проведения кавитационной обработки водоугольной суспензии. Показано, что и дезинтеграция, и кавитационная обработка являются эффективными средствами управления характеристиками топлив. С помощью методов рудной микроскопии установлено, что более интенсивные процессы горения с образованием легкой сферообразной золы идут в пробах углей, подвергнутых кавитационной обработке. Ключевые слова:
уголь, антрацит, измельчение, дезинтегратор, кавитация, золоотходы от сжигания водоугольного топлива.
INFLUENCE OF HIGH-ENERGY IMPACT ON PROPERTIES OF COAL FUEL AND ASH WASTE OF ITS BURNING
Т. P. Belogurova1, Y. N. Neradovsky2, I. A. Mikhanoshina1
II. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials
of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia 2 Geological Institute of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
The article deals with the problems of high-energy impact on the coal during the milling of the coal in ball drum mills and the subsequent regrinding in disintegrators or the cavitation treatment of the coal-water slurries. It has been shown that both the disintegration and the cavitation treatment are efficient methods for controlling the fuel characteristics. Microscopic studies have revealed that combustion yielding light spherical ash is the most intensive in the coal samples preliminarily subjected to cavitational treatment. Keywords:
coal, anthracite, grinding, disintegrator, cavitatie, ash waste of burnt coal-water fuel.
В настоящее время в угольной энергетике наиболее распространенным является способ сжигания углей в виде пылеугольного топлива (ПУТ). Альтернативным способом, позволяющим снизить отрицательное воздействие продуктов сгорания на окружающую среду, является способ сжигания угля в виде водоугольной суспензии (ВУС) [1]. В связи с этим все более приоритетными и востребованными становятся технологии микропомола, связанные с высокодисперсным измельчением углей [2]. Кроме того, при сжигании угля в виде ПУТ и ВУС образуются тонкодисперсные золоотходы, утилизация которых также является актуальной проблемой, требующей быстрого решения.
В работе рассмотрены вопросы высокоэнергетического воздействия на уголь в процессе приготовления ПУТ и ВУС путем помола на шаровой барабанной мельнице и последующего доизмельчения на дезинтеграторе (ПУТ) или на гравитационном генераторе кавитации (ВУС). Исследования выполнялись на образцах водоугольного топлива (ВУТ), приготовленного из антрацита АО «Сибирский антрацит» и бурого угля Беловского разреза (Кузбасс). Для проведения исследований пробы при различных способах обработки были подготовлены на экспериментальном стенде в Институте теплофизики СО РАН, с которым Институт химии ФИЦ КНЦ РАН проводит совместные исследования в рамках договора о сотрудничестве. Дезинтегратор, используемый в эксперименте, описан в работе [2]. Кавитационная обработка ВУС производилась на гидродинамическом генераторе кавитации роторного типа, разработчиками которого являются сотрудники ИТ СО РАН [3]. Наряду с изучением влияния способов помола на свойства угля, проводился сравнительный анализ золоотходов от сжигания ВУТ, приготовленного из двух видов угля по различным технологиям подготовки.
При исследованиях исходного ВУТ пробы по виду угля и способу его подготовки были промаркированы следующим образом: А и У — антрацит и уголь Беловского разреза, измельченные на шаровой барабанной мельнице; АД и УД — антрацит и беловский уголь с доизмельчением на дезинтеграторе; АК и УК — антрацит и беловский уголь с доизмельчением на генераторе кавитации.
Для исследования неорганической минеральной части угля и золоотходов применялись методы минералогического, физико-химического, электронно--зондового, рентгенометрического и электронно-микроскопического анализа. В данной работе представлены результаты изучения проб угля и золоотходов методами рудной микроскопии, позволяющими исследовать механизм формирования тонких частиц как при подготовке топлива, так и оценке качества его сгорания. К ним относятся оптические методы исследования в отраженном поляризованном свете, широко применяемые для анализа минерального сырья [4]. Данные минералогические исследования обладают рядом преимуществ перед «слепыми» методами. Во-первых, они позволяют диагностировать все минеральные фазы, как неорганические, так и органические, с высоким разрешением, во-вторых, изучать морфологию частиц и минеральных агрегатов, в-третьих, систематизировать минеральные органические минеральные фазы по степени углефикации и т. д. Исследования выполнялись на микроскопах отраженного света «ПОЛАМ Р-312» (ЛОМО), "Шrapho-3" (Ор1оп) и др. с увеличением до 1500, разрешением до 0,2 мкм. Диагностика минералов основывалась на применении оптических и других физических свойств, а также сопоставлении с эталонными минералами [5, 6].
На рисунке 1 представлены основные минеральные фазы проб ВУТ из антрацита и угля Беловского разреза при различных видах обработки.
а б а б
ъ
Рис. 1. Минеральные фазы углей: А-а — крупные зерна антрацита с налипшими пылевидными частицами; А-б — частицы силикатов и гематита в антраците; АД-е — крупные зерна антрацита; АД-г — мелкие зерна антрацита; АК-д — комочки пылевидных частиц антрацита (флокулы); АК-е — комок мелких частиц антрацита; У-а — частица угля высокой степени метаморфизма в обломке бурого угля; У-б — неоднородные частицы угля Беловского разреза с примесью силикатов; УД-е — однородные частицы угля Беловского разреза; УД-г — обломки угля Беловского разреза с примесью силикатов; УК-д — обломки угля Беловского разреза с разной степенью углефикации; УК-е — комочки пылевидных частиц бурого угля
Проба А представлена графитоподобным веществом с размером зерен 0,05-1,00 мм. Присутствующая в незначительном количестве фракция менее 0,05 мм образует каемки на более крупных зернах (рис. 1, А-а). Кроме антрацита в пробе также имеются примеси кварца, гематита, пирита и твердой фазы в объеме 1-3 % (рис. 1, А-б).
Для пробы АД характерно уменьшение по сравнению с пробой А максимального размера зерен до 0,6 мм (рис. 1, АД-е). При этом значительно увеличивается общее количество частиц мелких классов. Примеси в пробе аналогичны примесям пробы А, их количество не превышает 3 % по объему. Мелкие зерна антрацита склонны агрегироваться в небольшие комочки, но массовой флокуляции не наблюдается (рис. АД-г).
Проба АК характеризуется большим количеством тонких частиц, проявляющих тенденцию к образованию флокул размером менее 50 мкм (рис. 1, АК-Э). Эти флокулы либо налипают на крупные частицы антрацита, либо образуют самостоятельные комочки (рис. 1, АК-е). Вероятно, это объясняется тем, что частицы графита обладают высокой электропроводностью и способностью электризоваться.
Проба У относится к бурому углю, если судить по низкому коэффициенту отражения витринита и остаткам растительного происхождения. В составе бурого угля в незначительном количестве присутствуют частицы более высокой степени метаморфизма (рис. 1, У-а). В целом уголь достаточно однородный и чистый, с небольшим содержанием (~ 1 %) неоднородных частиц с примесью силикатов, сульфидов и оксидов (рис. 1, У-б).
Проба угля УД характеризуется, по сравнению с пробой У, резким уменьшением размера частиц. Наибольшая крупность их составляет 0,2 мм. Частицы угля в основном однородные (рис. 1, УД-е), но в небольшом количестве присутствуют обломки с примесью силикатов (рис. 1, УД-г). Существенного окомкования частиц в пробе не наблюдается, что может свидетельствовать о рациональном способе измельчения угля.
Проба УК представляет собой тонкодисперсный материал с большим количеством пылевидной фракции. В пробе встречаются частицы угля с различной степенью углефикации (рис. 1, УК-Э). Особенностью измельчения является интенсивное образование пылевидных частиц размером менее 0,05 мм, которые образуют многочисленные комочки (флокулы), как и в пробе АК— антрацита после кавитационной обработки (рис. 1, УК-е).
На основании проведенных минералогических исследований с помощью методов рудной микроскопии установлено, что и дезинтеграция, и кавитационная обработка являются эффективными способами измельчения угля. Оба способа позволяют повысить дисперсность угля до уровня микропомола. При этом при доизмельчении угольной суспензии кавитацией содержание частиц малых размеров значительно выше, чем при использовании дезинтегратора. С помощью методов рудной микроскопии также выявлено, что после кавитационной обработки большинство частиц обеих проб угля приобретают форму скола, для которой характерно термодинамически неравновесное состояние. На основании этого можно сделать вывод о том, что под воздействием температуры морфологические особенности таких частиц угля будут изменяться быстрее, поэтому горение топлива будет происходить более эффективно.
Вторым этапом исследований являлось изучение золоотходов от сжигания ВУТ, приготовленного из двух видов угля по различными технологиям подготовки.
Для получения золоотходов шесть образцов водоугольного топлива подвергались сжиганию в электрической муфельной печи при температуре 1200 °С в течение 1 ч с трехразовым перемешиванием. Их сжигание при более высоких температурах приводило к частичному оплавлению золы. Необходимо отметить, что при сжигании одинаковых навесок образцов в одном режиме максимальное количество золы получалось от проб А (антрацита) и У (беловского угля), измельченных на шаровой барабанной мельнице. В пробах ВУТ с маркировками АД и УД с доизмельчением на дезинтеграторе золы образовывалось гораздо меньше, а пробы АК и УК после кавитационной обработки сгорали практически полностью с минимальным количеством золы. Это свидетельствует о том, что для ВУТ с кавитационной обработкой процесс горения характеризуется наибольшей полнотой выгорания топлива.
Золоотходам от сжигания шести проб ВУТ были присвоены следующие обозначения: ЗА и ЗУ — золы из антрацита и беловского угля, измельченных на шаровой барабанной мельнице; ЗАД и ЗУД — золы из антрацита и беловского угля, доизмельченных на дезинтеграторе; ЗАК и ЗУК — золы из антрацита и беловского угля с доизмельчением на генераторе кавитации. Золоотходы подвергались комплексному исследованию с применением минералогических, физико-химических методов исследования и растровой микроскопии. В работе приведены исследования золоотходов методами рудной микроскопии.
Перед исследованием на микроскопе золоотходы просеивались сквозь сито 1,0 мм для разделения на крупную > 1 мм и мелкую < 1 мм фракции. Измерение размеров зерен выполнялось насадкой «МОВ-1-15» к оптическим микроскопам, минимальный размер измеряемого зерна составлял 0,0025 мм. Определение количества минералов проводилось на основе стандартных таблиц по методу С. А. Вахромеева. Фотографирование выполнялось цифровой камерой "Canon Pover Shot A520" с компьютерной обработкой изображения.
На рисунке 2 представлены основные минеральные фазы шести проб золоотходов от сжигания ВУТ на основе антрацита и угля Беловского разреза при различных видах обработки.
Проба ЗА представляет собой смесь силикатных частиц шлака и остатков несгоревшего антрацита, количество которых составляет 35-40 %. В шлаковых частицах фиксируется появление восстановленного металлического железа и разных силикатов, кроме стекла. Большое количество несгоревшего антрацита свидетельствует о некачественном сгорании пробы. Крупная фракция частиц золы представлена сложными по структуре частицами шлака (рис. 2, ЗА-а) и остатками сгорания антрацита (рис. 2, ЗА-б). Количество антрацита
в крупной фракции золы достигает 70 %, т. е. по сравнению с мелкой фракцией крупные частицы антрацита сгорали хуже.
Проба ЗАД характеризуется уменьшением количества несгоревшего антрацита до 15-20 %, что указывает на более эффективное сгорание, связанное, вероятно, с уменьшением размеров частиц. Крупная фракция золы от сжигания антрацита после измельчения на дезинтеграторе отличается от мелкой фракции увеличением количества несгоревшего антрацита до 50 % (рис. 2, ЗАД-г), т. е. крупные частицы сгорали хуже, как и в предыдущей пробе. Следует отметить образование в крупной фракции золы шарообразных частиц шлака типа полых стеклянных шаров, очень легких, всплывающих даже в эпоксидной смоле (рис. 2, ЗАД-е).
Рис. 2. Основные минеральные фазы золоотходов: ЗА-а — шлак силикатный с неправильными контурами зерен; ЗА-б — остаточная форма сгорания антрацита; ЗАД-е — шлаковые частицы шарообразной пузырчатой формы в золе; ЗАД-г — остатки от сгорания антрацита; ЗАК-д — частицы шлака сложной формы и гематита в золе; ЗАК-е — частицы шлака с включениями мелкого железа; ЗУ-а — типичный шлак после сгорания бурого угля; ЗУ-б — шлак с примесью металлического железа после сгорания бурого угля;
ЗУД-е — шарообразная пузырчатая частица шлака; ЗУД-г — шарообразная частица гематита;
ЗУК-д — частицы шлака различной структуры; ЗУК-е — пузырчатая форма частицы шлака
В пробе ЗАК наблюдается дальнейшее уменьшение содержания остатков сгорания антрацита до 5-10 %, что может расцениваться как более качественное сгорание. В пробе наблюдается большое количество силикатных шлаковых частиц, которые имеют преимущественно пузырчатые формы, т. е. представляют очень легкие воздушные шарики. Кроме того, в золе отмечается присутствие частиц оксида железа — гематита (рис. 2, ЗАК-д) и восстановленного металлического железа в виде тонкой вкрапленности в стекле (рис. 2, ЗАК-е). Крупная фракция частиц золы представлена преимущественно частицами шлака сложного пузырчатого строения и частицами несгоревшего антрацита (около 20-30 %). По сравнению с мелкой фракцией наблюдается увеличение количества остатков антрацита, что подтверждает общую тенденцию плохого сгорания крупных частиц антрацита.
Проба ЗУ представлена шлаком — 85-90 % (рис. 2, ЗУ-а) и частицами остатков сгорания бурого угля — 10-15 %. В крупной фракции золы содержание несгоревших остатков угля не превышает 20 %. По сравнению с золой из антрацита уголь Беловского разреза сгорает лучше. В шлаке отмечаются примеси металлического железа (рис. 2, ЗУ-б).
Проба ЗУД характеризуется высокой степенью сгорания и образованием хорошо оформленных шарообразных высокопористых частиц шлака (рис. 2, ЗУД-е). Количество шлака достигает 97-98 %, около 2-3 % составляют частицы силикатов, железа и гематита (рис. 2, ЗУД-г).
Проба ЗУК представлена почти чистым шлаковым материалом (98 %) мелкопористого строения с примесью металлического железа, без остатков сгорания. Крупная фракция золоотходов представляет частицы шлака различной структуры (рис. 2, ЗУК-д). Преобладают пузырчатые шарообразные частицы, всплывающие в эпоксидной смоле (90-80 %; рис. 2, ЗУК-е). Тяжелые частицы составляют 10-20 %. Остатков сгорания угля не наблюдается, т. е. уголь сгорает полностью.
Анализ полученных результатов показывает, что при сжигании как антрацита, так и угля Беловского разреза более интенсивные процессы горения идут в пробах углей, подвергнутых дополнительной обработке путем дезинтегрирования и кавитирования. Наилучшие результаты отмечаются при горении кавитированного угля Беловского разреза, имеющего повышенное содержание мелких частиц. При кавитационной обработке исходного угля в золоотходах образуется большое количество мелких шарообразных легких пузырьков, что является характерным отличием золы от сжигания ВУТ и делает ее особенно ценной при использовании в качестве микронаполнителя в легких бетонах.
Таким образом, с помощью методов рудной микроскопии можно с большой степенью достоверности определять рациональную технологию подготовки сырья и прогнозировать свойства полученных материалов.
Литература
1. Производство и использование водоугольного топлива / В. Е. Зайденварг и др. М.: Изд-во академии горных наук, 2001. 176 с.
2. Использование механоактивированных углей микропомола в энергетике / А. П. Бурдуков и др. // Ползуновский вестник. 2010. № 1. С. 93-98.
3. Пат. 2346733 Рос. Федерация, МПК В 01 F 3/12, В 01 F 11/00 (2006.01). Генератор кавитации / Мальцев Л. И., Петрова И. А., Самахов А. А., Парфенов А. Н. № 2007130043/28; заявл. 06.08.2007; опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5.
4. Гинзбрук А. И. Методы минералогических исследований: справочник / под ред. А. И. Гинзбрука. М.: Недра, 1985. 480 с.
5. Диагностические свойства рудных минералов / С. А. Юшко и др. М.: Недра, 1975. 285 с.
6. Нерадовский Ю. Н. Рудная минераграфия: уч. пособие. Мурманск: МГТУ, 2009. 84 с.
Сведения об авторах Белогурова Татьяна Павловна
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия Ье^_р@Лету.ко^с. net. га Нерадовский Юрий Николаевич
кандидат технических наук, Геологический институт ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия nerad@geoksc. apatity.ru Миханошина Ирина Анатольевна
инженер, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН,
г. Апатиты, Россия
Belogurova Tatyana Pavlovna
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia bе[email protected]. net. ru Neradovsky Yuri Nikolaevich
PhD (Engineering), Geological Institute of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences",
Apatity, Russia
Mikhanoshina Irina Anatolyevna
Ingineer,I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected]
РСН: 10.25702/КБС.2307-5252.2018.9.1.818-821 УДК 669.712/546.161
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ КРАСНЫХ ШЛАМОВ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С. А. Бибанаева1, Л. А. Пасечник1, В. М. Скачков1, Н. А. Сабирзянов1, Э. М. Лебедева1, В. Н. Корюков2
1 ФГБУН Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург, Россия
2 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия
