Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого угля с применением механоактивации топливных компонентов

Рассказова, Анна Вадимовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого угля с применением механоактивации топливных компонентов
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого угля с применением механоактивации топливных компонентов"

На правах рукописи

Рассказова Анна Вадимовна

Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого у^ля с применением механоактивации топливных компонентов

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 К'СН 2014

005549931

Хабаровск-2014

005549931

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент, Александрова Татьяна Николаевна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО "НИККОМ" (г. Москва), Лурий Валерий Григорьевич

кандидат технических наук, доцент, зав. сектором обогащения Южно -Российского государственного политехнического университета (г. Шахты), Петухов Александр Николаевич

Ведущая организация Институт горного дела Севера им. Черского (г. Якутск) Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «30» июня 2014 г. в 10ю часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при ФГБОУ ВПО Забайкальском государственном университете по адресу: 672039 г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЗабГУ, зал заседаний Ученого совета. Факс: (3022) 41-64-44; E-mail: mail@zabgu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» http://www.zabgu.ru/article/6531.

Автореферат разослан «5» мая 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета,

И. А. Бондарь

канд.техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На территорию Дальнего Востока приходится 35 % угольных ресурсов страны. В структуре установленной мощности энергетики Дальневосточного федерального округа 70 % составляют тепловые электростанции. Основным видом топлива для действующих тепловых электростанций являются бурые угли валовой добычи, доля которых в топливопотреблении составляет около 69 %.

При выемке, обогащении и транспортировке ископаемых углей в районы потребления, образуется значительное количество тонких классов, которое, по самым приближенным подсчетам, достигает 6-8 %. Часть мелкодисперных углей выдувается и просыпается из вагонов при транспортировке, теряется и интенсивно измельчается при погрузо-разгрузочных работах. Сокращение уровня потерь в виде шламов и мелочи путем прямого сжигания затруднено из-за сложности их транспортировки к месту использования. Вместе с тем, угольная мелочь по качественным характеристикам может использоваться для получения качественного брикетного топлива, но её переработка затруднена из-за сложности организации брикетного производства и необходимости выполнения большого объема строительно-монтажных работ.

Для эффективного брикетирования угольной мелочи необходима разработка новых или модернизация традиционных технологических и технических средств, учитывающая инфраструктурные особенности объекта. В связи с этим, актуальны исследования, направленные на разработку рациональной технологии брикетирования низкокачественной буроугольной мелочи Средне-Амурского буроугольного бассейна. При этом перспективным, но недостаточно исследованным направлением является механоактивация, изменение структуры и поверхностной энергии наполнителей брикета, оказывающая непосредственное и значительное влияние на прочностные и структурные характеристики топлива.

Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнена в рамках плана научно исследовательских работ: «Фундаментальные проблемы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья и оценки экологических рисков в горнопромышленных районах» ГР № 01201253449, программы президиума РАН № 27 и программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН № 09-ЮНЗ-08.

Объект исследования - бурые угли Ушумунского месторождения, являющиеся характерными для Средне - Амурского бассейна.

Предмет исследования - процессы брикетирования бурого угля с применением углеводородного связующего и техногенного углеродсодержащего наполнителя.

Цель работы - научно обосновать и установить рациональные физико -технологические параметры брикетирования буроугольного сырья, обеспечивающие повышение эффективности его использования.

Идея работы заключается в том, что установление рациональных параметров и направленное изменение прочностных характеристик угольных брикетов при введении механоактивированного наполнителя обеспечивает эффективное брикетирование низкосортных бурых углей.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Осуществить технологическую диагностику буроугольной мелочи, исследование структурных характеристик технического гидролизного лигнина (ТГЛ).

2. Установить зависимости теплоты сгорания от компонентного состава и зольности буроугольного брикета; его прочности от массовой доли связующего вещества, давления прессования и влажности шихты.

3. Определить влияние механоактивации на структурные характеристики технического гидролизного лигнина и прочность топливных брикетов.

4. Установить рациональные физико - технологические параметры процесса брикетирования на основе анализа полученных зависимостей и разработать технологическую схему брикетирования.

5. Эколого-экономически обосновать рациональную технологическую схему брикетирования буроугольного сырья.

Методы исследований. При исследовании применялся комплекс экспериментальных методов: стандартные методы определения качественных показателей твердых горючих ископаемых, гранулометрический состав угля и ТГЛ определялся методами ситового и лазерно-дифракционного анализов; элементный состав определен рентгенофлуоресцентным методом, содержание общего органического углерода измерялось с применением реактора низкотемпературного термокаталитического окисления методом ИК-детектирования; структурные исследования проводились методами

ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии; установление количественных зависимостей и статистическая обработка экспериментальных данных выполнялись с применением математических средств научного исследования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Повышение качественных характеристик буроугольной мелочи достигается её брикетированием с рациональными физико - технологическими параметрами (давлением прессования и влажностью шихты) и применением углеводородного связующего и наполнителя - технического гидролизного лигнина в количестве 15 и 11 % соответственно.

2. Увеличение прочности на сжатие угольного топливного брикета до 58,43 % достигается за счет механоактивации наполнителя, способствующей увеличению удельной поверхности технического гидролизного лигнина и изменению его структуры.

Научная новизна работы:

1. На базе раскрытия технологических характеристик буроугольного сырья и техногенного углеродсодержащего наполнителя предложен композиционный состав брикетов, обеспечивающий вовлечение в переработку низкокачественной мелочи и гидролизного лигнина.

2. Установленные закономерности изменения основных качественных характеристик брикета (прочности на сжатие и теплоты сгорания) от давления прессования, влажности и состава шихты позволили обосновать рациональные технологические параметры процесса.

3. Выявлена модификация химического группового состава и структуры технического гидролизного лигнина под действием механоактивации на основе спектроскопических исследований.

4. Установлена зависимость прочностных характеристик брикета от продолжительности механоактивации наполнителя и выявлено повышение его прочности в результате введения в состав механоактивированного компонента -технического гидролизного лигнина.

Практическая значимость полученных результатов:

- технического гидролизного лигнина и их смешении с расплавленным углеводородным связующим (Пат. РФ 2455345, заявка на изобретение № 2013156705 от 19.12.2013 «Состав для получения топливного брикета»),

2. Установлены рациональные параметры брикетирования буроугольного сырья: влажность шихты 4 - 5 %, температура шихты, охлажденной перед брикетированием - 45 °С; давление прессования - 160 МПа.

3. Обоснована эффективность предварительного пневматического обогащения буроугольной мелочи крупностью-2 мм (выход концентрата 77,6%), в результате которого снижается зольность исходного угля.

4. Выявлена эффективность предварительной механоактивации наполнителя топливного брикета - технического гидролизного лигнина, которая позволяет повысить прочность брикетов на сжатие до 58,43 %.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов исследования, применением поверенного научно -исследовательского оборудования, представительностью исследуемых проб (для экспериментальных исследований отобрано 10 точечных проб весом до 10 кг из трех вскрытых пластов на угольном разрезе, а также со склада; количество параллельных испытаний - 6 шт.), большим объемом экспериментальных данных, сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований, применением статистических методов обработки данных эксперимента.

Реализация результатов работы. Разработаны рекомендации по организации линии брикетирования на углеобогатительной фабрике «Чегдомын», ОАО «Ургалуголь». Результаты исследования использованы при проектировании технологического регламента линии брикетирования ООО «Биоресурс». Результаты работы реализованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет (специальность «Горное дело» 130400.65, специализация «Открытые горные работы», учебная дисциплина «Обогащение полезных ископаемых»).

Личный вклад автора заключается в постановке цели, задач исследований; организации и участии в технологических исследованиях угольных проб и образцов технического гидролизного лигнина; определении состава угольного брикета; разработке технологической схемы и установлении рациональных параметров брикетирования угля; анализе и обработке полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные ее положения были представлены на следующих научных российских конференциях: IX Конгресс обогатителей стран СНГ, 26-28 февраля 2013 года, г.Москва; III, IV, V Всероссийские научные конференции с участием иностранных учёных «Проблемы комплексного освоения георесурсов», г. Хабаровск, 2009,2011, 2013 г.; «Неделя горняка 2011», г. Москва, 2011г.; XII, XIII Краевой конкурсы-конференции молодых учёных, г. Хабаровск, 2010-2011 гг.; XVII Международный молодежный научный форум «Ломоносов - 2010», г. Москва; XIV Международная экологическая конференция студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность», г. Москва, 2010 г.

Публикации. Результаты исследований отражены в 12 публикациях, в том числе 3 в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, в 1 патенте РФ и 1 заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 165 наименований отечественных и зарубежных авторов, приложений. Объем диссертации составляет 148 стр., включая 22 рисунка и 56 таблиц.

Автор выражает признательность д-ру техн. наук, доценту Т.Н. Александровой за научно - методическое руководство при подготовке диссертации, д-ру техн. наук, проф. Г.В. Секисову за научное консультирование, канд. экон. наук Архиповой Ю.А. за консультирование при проведении экономического обоснования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, методы исследования, практическая значимость, защищаемые положения и научная новизна. Охарактеризованы также степень разработанности темы, достоверность и апробация полученных результатов.

В главе 1 отражены основные направления развития угольной промышленности России, современное состояние углепереработки и роль брикетирования углей. Показана актуальность проблемы потерь угольной мелочи при транспортировке и обогащении, решением которой может стать разработка и реализация технологии брикетирования мелочи со связующим веществом. Рассмотрены теории, раскрывающие механизм образования

брикета. Представлена классификация связующих по температурному признаку. Осуществлен обзор современных разработок в области углебрикетного производства. Показано влияние механоактивации материалов на их структуру.

В главе 2 приведены методики и оборудование, применяемые для экспериментальных исследований. Дана предметная характеристика компонентов топливного брикета: бурого угля Ушумунского месторождения, технического гидролизного лигнина, углеводородного связующего.

Глава 3 посвящена исследованию брикетируемости угольной мелочи, установлению рациональных технологических параметров и разработке принципиальной технологической схемы брикетирования. При статистической обработке экспериментальных данных рассчитывалось значение среднеквадратичного отклонения и границы доверительных интервалов по критерию Стьюдента при уровне надежности 0,95.

Глава 4 содержит эколого - экономическое обоснование проекта производства топливных брикетов, получаемых согласно разработанной автором технологии.

Первое научное положение. Повышение качественных характеристик буроуголыюй мелочи достигается её брикетированием с рациональными физико - технологическими параметрами (давлением прессования и влажностью шихты) и применением углеводородного связующего и наполнителя - технического гидролизного лигнина в количестве 15 и 11 % соответственно.

Теоретические аспекты механизма образования брикета, основные факторы, влияющие на эффективность брикетирования и практика брикетирования углей освящены в работах А.Т. Елишевича, Л.Л. Хотунцева, В.Н. Крохина, М.Г. Акопова, Пахалока И.Ф и др. Представителями современных научных школ указанного направления являются С.С. Будаев, Ю.В. Шувалов, Ю.А. Нифонтов, А.Р. Молявко, В.И. Косов, В.А. Рубан, Н.С. Егоров, А.Е. Молчанов, Лурий В.Г., Бычев М.И., Петрова Г.И.

Большой вклад в развитие теории и практического применения механоактивации внесли Е.Г. Аввакумов, В.В. Болдырев, Н.Г. Каказей, В.И. Молчанов, Г.С. Ходаков, П.А. Ребиндер, A.C. Медведев, которые показали, что механическая активация способствует повышению реакционной способности твердых тел, накоплению поверхностной энергии, изменению структуры.

Вместе с тем, недостаточно решенными остались вопросы влияния механоактивации техногенных углеродсодержащих материалов, используемых в качестве наполнителей, на их структуру и прочностные характеристики топливного брикета.

Бурые угли Ушумунского месторождения матовые, характеризуются бурым и черным цветом; полосчатой, линзовидной, слоистой, листовой, пунктирно-штриховой макроструктурой; землистой, рыхлой, комковатой и плотной текстурой. Высокая влагоёмкость обуславливает их слабую устойчивость к выветриванию. Степень углефикации неоднородная. Наблюдаемый желтоватый оттенок углей указывает на наличие в их составе гуминовых кислот. По перечисленным макропетрографическим признакам, а также высшей теплоте сгорания, пересчитанной на влажное беззольное состояние, бурые угли могут быть отнесены к технологической группе Б (ГОСТ-25543-88). Результаты последовательной экстракции групп веществ: битумоиды (6%), гуминовые кислоты (22%), остаточный уголь (72%).

Расшифровка номеров проб и установленные технологические показатели углей Ушумунского месторождения (влажность - \Уа, %; выход летучих веществ - V, %; зольность - Аа, %; содержание общей серы - 5обш, %; содержание азота по Кьедалю - N. %; высшая теплота сгорания на аналитическое состояние топлива - МДж/кг, СааГ, % - содержание органического углерода на сухую беззольную массу) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технологические характеристики углей Ушумунского месторождения

№ Расшифровка номеров проб % V3, % Аа, % С % м, % с<м, % МДж/кг

1 Пласт 1, 1 точка отбора, проба 1 29,61 27,62 16,99 0,41 0,35 41,04 24,25

2 Пласт 1, 1 точка отбора, проба 2 26,02 26,63 19,92 0,66 0,25 40,68 22,49

3 Пласт 1, 1 точка отбора, проба 3 35,78 25,59 8,37 0,42 0,43 46,96 25,13

4 Пласт 1, 2 точка отбора 25,74 26,14 25,75 0,26 0,57 27,79 22,28

5 Пласт 1, 3 точка отбора 21,25 22,1 35,26 0,23 0,15 23,24 20,81

6 Пласт 2 22,25 35,93 11,06 0,39 0,65 53,58 24,29

7 Пласт 3 17,78 31,01 24,6 0,35 0,31 37,33 22,41

8 Проба со склада углей, 1 22,01 33,68 11,65 0,31 0,46 24,05

9 Проба со склада углей, 2 19,74 34,81 12,14 0,32 0,54 54,37 23,65

10 Проба со склада углей, 3 23,09 30,18 10,13 0,39 0,64 55,75 24,51

Среднее 24,32 29,37 17,59 0,37 0,43 55,06 23,39

Проведенные методом ситового анализа исследования гранулометрического состава исходных проб угля выявили, что содержание тонкой пыли (-0,2 мм) в среднем составляет 8 % и колеблется в широких пределах: от 3 до 14 % (экспериментальные данные приведены на рисунке 1).

1 2 3 4 5 6 " 8 9 10 № пробы

■ -0.1+0 ■-0,2+0.1 ■ -0.5+0.2 ■ -1+0.5 "-2+1 "-3+2 »+3

Рисунок 1 - Гистограмма распределения классов крупности угля Ушумунского месторождения

Высокий выход шламовых фракций (до 8%) предопределяет целесообразность использования бурых углей Ушумунского месторождения для изготовления брикетов.

Проведенные экспериментальные исследования технологических характеристик буроугольного сырья Ушумунского месторождения подтвердили неравномерность распределения качественных характеристик по пластам, высокую зольность участков пласта, граничащих с вмещающими породами.

Установлено, что варьированием соотношения компонентов топливного брикета достигается улучшение его качественных характеристик, в том числе повышение теплоты сгорания. Проведена серия опытов по определению теплоты сгорания топливных брикетов с различным соотношением компонентов брикета (С, Ь - уголь и гидролизный лигнин, % масс.). Содержание лигнина (Ь) варьировалось от 10 до 11,2 % масс., содержание угля изменялось от 74 до 88 % масс. Результаты обрабатывались с применением программного обеспечения к^а^ка 10.0». Графическое представление полученной зависимости между компонентным составом топливного брикета и высшей теплотой сгорания смеси представлено на рисунке 2. Границы, в пределах которых модель адекватно описывает объект, заштрихованы в плоскости СЬ.

32 Г

Рисунок 2 - Теплота сгорания топливного

брикета (С>\ьпЧ, МДж/кг) при варьировании содержания угля (С) и ТГЛ (Ь), %

Поверхность отклика описывается уравнением:

СУ,(Ьпф = 1595,46+8,92- С+230,16- ¿-0,023 • (^-0,45 • С- £-8,91- /А (1)

Коэффициент корреляции 11=0,9. В результате исследования функции на экстремум методом дифференцирования выявлена точка перегиба: С=74 %, Ь=11 %. При соотношении компонентов брикета уголь 74 %, лигнин 11 %, углеводородное связующее 15 % обеспечивается повышенная теплота сгорания (26,30 МДж/кг по сравнению с теплотой сгорания угля 23,39 МДж/кг, на 12,4%).

Определен характер влияния зольности топливного брикета на его теплоту сгорания, получено аналитическое уравнение зависимости для класса крупности -2 мм.

(/', (Ьпф = 25,96-0,15-А". (2)

Коэффициент корреляции 11=0,9. Данное уравнение справедливо при зольности от 8 до 36 %. Полученные данные демонстрируют необходимость снижения зольности посредством обогащения угольного компонента топливного брикета с целью повышения теплоты сгорания угля.

Для определения выходов и зольностей продуктов обогащения угля выполнен фракционный анализ бурого угля Ушумунского месторождения в соответствии с ГОСТ 4790 - 93. Зольность исходной фракции 17,59 %. Графическое представление полученных результатов приведено на рисунках 3,4.

100 -

о и 80 ,

а £

С 60

а с. 1 40

2 а

л 3 ■е- 20 -

0 -

19 -

£ 15

н 13

в I 11

-а

о 7

> -

1150 1250 1350 1450

Плотность, кг/см'

Рисунок 3 - Кривые обогатимости Ушумунского угля

20 30 40 50 60 70 80 90100

Суммарный выход концентрата, %

Рисунок 4 - Зависимость зольности фракций от суммарного выхода концентрата Ушумунского угля

Точка разделения Др = 1205 кг/м3. Вероятное отклонение от теоретических условий разделения Ерт = 86 кг/м3. При плотности разделения 1350 кг/м3 выход буроугольного концентрата с зольностью 113 % составит 77,6 %, выход хвостов обогащения - 22,4 % при зольности 39,4 %.

Выполнены исследования гранулометрического состава шихты для брикетирования угля Ушумунского месторождения. При смешении отсеянной из исходного буроугольного сырья фракции -2 мм с дробленой фракцией +2 мм, получен следующий гранулометрический состав: -2+1 мм-25%, -1+0,2 мм — 42 %, -0,2+0 мм — 33 %, являющийся приемлемым по плотности упаковки, но сравнению с гранулометрическим составом смеси, рассчитанной по формуле Фу ллера-Том пеона, позволяющей определить максимальную плотность упаковки частиц. С помощью отсева мелкой фракции (- 2 мм) и додрабливания крупной (+2 мм) достигается оптимальная крупность угольной мелочи для изготовления топливного брикета.

Установлен характер влияния влажности брикетируемой шихты на прочностные характеристики топливных брикетов. В проведенном испытании приняты: давление прессование 160 МПа; состав топливного брикета - уголь 74%, технический гидролизный лигнин - 11%, связующее -15 %. Установленная зависимость между влажностью шихты и прочностью

Рисунок 5 - Зависимость прочности брикета на сжатие от влажности шихты

брикета на сжатие представлена на рисунке 5.

W, %

Коэффициент корреляции 11=0,9. Методом дифференцирования исследуем функцию на точки экстремума и определяем оптимальное значение влажности, равное 4,5 %.

В стандартных схемах брикетирования влажность угольной шихты для брикетирования с применением углеводородного связующего должна составлять 2-3 %. Добавка механоактивированного ТГЛ способствует адсорбции излишнего количества влаги и препятствует гидрофобизации

органической массы угля, повышая при этом оптимальную влажность угля до 4-5 %, что в некоторой степени снижает затраты на сушку материала.

Проведены испытания брикетов на влагостойкость при варьировании содержания связующего от 5 до 25 % (содержание лигнина постоянно Ь = 11 %) Испытания выявили, что оптимальное содержание связующего в топливном брикете составляет 15 - 17 %, дальнейшее увеличение доли связующего нецелесообразно по эколого-экономическим соображениям.

Определено влияние давления прессования на прочностные характеристики брикетов. Зависимость прочности брикетов на сжатие при различном содержании связующего компонента (В = 10 и В = 15 %, количество наполнителя 11 %) от давления прессования представлена на рисунке 6.

КС = 2,16+4,82-10 3-Р -1,49-10 *-Р2

2,54

2,50

с 2,46

и 2,42

2,40

2,36

ИС = 2,15+3,5-10 3-Р-1,02-10 5-Р2

80 100 120 140 160 180 200 220

-ь В=10 % Р, МПа

^ В=15%

Рисунок 6 -Зависимость прочности брикетов (ЯС) на сжатие от давления прессования (Р) при варьировании содержания связующего

Коэффициент корреляции 11=0,9. При исследовании полученных функций на экстремум, выявлен максимум в точке, соответствующей давлению прессования Р = 160 МПа. При 15 % - ном содержании связующего прочность брикета выше, чем при его 10 % - ном содержании. Оптимальное значение давления прессования - 160 МПа, при более высоких давлениях наблюдается перепрессовка материала, а более низкие давления не обеспечивают требуемую прочность.

Таким образом, доказано первое научное положение.

Брикетирование угля со связующим представляет собой физико-механический процесс уплотнения частиц под действием прилагаемого усилия и процесс адгезионного взаимодействия между наполнителем и связующим. Адгезионные взаимодействия трактуются адсорбционной,

механической, электрической, диффузионной и химической теориями. С позиций последней, адгезия объясняется химическим взаимодействием между углем, наполнителем - техническим гидролизным лигнином (ТГЛ) и углеводородным связующим.

Так как механоактивация способствует повышению реакционной способности вещества за счет перехода электронов обрабатываемого вещества в возбужденное состояние, частичного разрыва химических связей и отщепления реакционноспособных групп, можно рассматривать ее как способ усиления адгезионного взаимодействия между наполнителем и связующим.

Второе научное положение. Увеличение прочности на сжатие угольного топливного брикета до 58,43 % достигается за счет механоастивацни наполнителя, способствующей увеличению удельной поверхности технического гидролизного лигнина и изменению его структуры.

В качестве наполнителя топливного брикета предложено использовать сырье техногенного происхождения - технический гидролизный лигнин (ТГЛ), который относится к кислотным лигнинам и является многотоннажным отходом гидролизной промышленности. Лигнин представляет собой смесь родственных по химическому строению полимерных соединений, общей структурной единицей которых является фенилпропан (С9Ню), а функциональные группы весьма разнообразны: метоксильные, гидроксильные фенольные и алифатические, карбонильные альдегидные и кетонные, карбоксильные, а также двойные связи алкенового типа. Пробы ТГЛ были отобраны на отвале лигносульфонатов Хорского гидролизного завода, определены их технологические свойства (таблица 2) и исследован элементный состав (W, Vй, А" — влажность, выход летучих веществ и зольность на аналитическое состояние, %; S,N- содержание серы и азота, %; Qf - высшая теплота сгорания лигнина, МДж/кг; Cdaf - содержание органического углерода на аналитическое состояние топлива, %).

Таблица 2 - Технологические характеристики ТГЛ

Технологический показатель W, % V, % А", % Зобнр /О N, % С\ % 2". МДж/кг

Значение 61,8 29,5 0,65 1.1 0,57 34 16,6

В составе золы, определенном методом рентгенофлуоресцентного анализа, преобладают силикаты: А1203 - 1 %; Si02 - 93,4 %; Р205 - 1,5 %; СаО -1,5 %; Na20 - 0,3 %; К20 - 0,3 %; MgO - 0,3 %; Ti02 - 0,1 %. Токсичных компонентов не обнаружено.

Анализ экспериментальных данных показывает, что механоактивация ТТЛ в планетарной мельнице Fritch «Pulverisette 5» продолжительностью 5 и 10 минут (крупность исходной фракции - 2 мм, соотношение загрузки измельчаемого материала и шаров составляет 20:1, скорость вращения барабана - 1000 об/мин) увеличивает его удельную поверхность с 6321 до 8467 и 9113 cmW соответственно. Распределение частиц по крупности после механоактивации подчиняется нормальному Гауссовскому распределению. Проведенные исследования подтверждают, что механоактивация наполнителя — гидролизного лигнина перед введением его в смесь для получения топливных буроугольных брикетов способствует повышению его удельной поверхности и дисперсности.

Важную информацию о нарушениях структуры и изменении энергий химических связей даёт ИК-спектроскопия активированных и неактивированных твердых тел. На спектрах поглощения в ряде случаев наблюдаются смещения, а иногда исчезновение старых и появление новых полос поглощения. Спектроскопические исследования качественного группового состава исходных и механоактивированных образцов были выполнены на УФ - спектрофотометре Shimadzy UV-2600 с интеграционной сферой IRS-2600 Plus для твердых образцов. Инфракрасные и ультрафиолетовые спектры гидролизного технического лигнина представлены на рисунках 7 и 8 (та - продолжительность механоактивации, мин.). Уменьшение площади полос поглощения ИК — спектров ТТЛ после механоактивации свидетельствует об уменьшении количества функциональных групп и протекании деструкционных процессов.

При анализе ИК-спектра выявлено несколько областей поглощения, соответствующих разным видам колебаний. Пики в интервале 2850 — 3000 см"1 описывают колебания рэдикзлов —СНз, -СН2- и -СН. Максимумы при длинах волн 1590 - 1650 см'1 характерны для деформационных колебаний О-С связей, а 970 - 1250 см"1 - для С-О связи в составе фенольных соединений, являющихся структурной единицей технического гидролизного лигнина. Максимумы поглощения при длинах волн 1350 — 1470 см"1 относятся к деформационным колебаниям -СН2 и -СН3 групп, а пик в области 1350 - 1450 см"1

свидетельствует о присутствии в исследуемом веществе сульфатных групп. Карбоксильная группа характеризуется двойным пиком в районе длин волн 1210 - 1320 см"1. Максимумы поглощения при 880 - 995 см"1 свойственны непредельным функциональным группам состава =С-Н и =СН2. Для ИК-спектров механоактивированного технического лигнина характерно уменьшение площадей полос поглощения пропорционально увеличению продолжительности воздействия на материал, которое свидетельствует о протекании механодеструктнвных процессов.

а) 6)

Рисунок 7 - Инфракрасные спектры гидролизного технического лигнина, отражающие изменение структуры ТТЛ под действием механоактивации: 1 - т„ а=0 мин (красный); 2 - та =5 мин (синий); 3 - та =10 мин (зеленый)

Данные ИК-спектроскопии подтверждают изменения структуры наполнителя топливного брикета - технического гидролизного лигнина под действием механоактивации. Вследствие механоактивирующего воздействия происходит частичный разрыв химических связей и увеличение доли активных групп, участвующих в образовании межмолекулярных связей между наполнителем, углем и связующим. При механоактивации происходит

разрушение внутримолекулярных связей фенольных структур, отщепление карбонильных и сульфатных групп.

Снижение поглощения света в ультрафиолетовой области при увеличении времени механоактивирующего воздействия объясняется возбужденным состоянием электронов, находящихся на ближней орбите молекулы.

а) б)

Рисунок 8 - Спектральные характеристики ТТЛ в ультрафиолетовой и видимой областях, отражающие изменение структуры под действием механоактивации: 1 - фр. -2+0,25 мм (синий); 2 - фр. -0,25 мм (зелёный); 3 - та = 5 мин (фиолетовый); 4 - та =10 мин (красный)

По данным спектроскопии в ультрафиолетовой (рисунок 8 б), видимой и ближней инфракрасной областях (рисунок 8 а), у технического гидролизного лигнина различной крупности (-0,25 и -2+0,25 мм) совпадают основные максимумы. В образце, подвергнутом механоактивации в течение 5 минут, исчезает пик в районе 200 нм, что объясняется частичной деструкцией ароматических соединений и наблюдается батохромный сдвиг от 227 до 231 нм, который объясняется распадом и перегруппировкой молекулярных структур ТГЛ - образованием фенильного радикала из карбонильного соединения ароматического характера. При более длительном механоактиактивирующем воздействии продолжительностью в 10 минут, полностью исчезает и пик в области 231 нм, что иллюстрирует более глубокое протекание процесса отщепления фенильных радикалов, обладающих высокой реакционной

способностью. У механоактивированного ТГЛ наблюдается сильный гипохромный эффект при 1383 нм, что свидетельствует о расщеплении связей между ароматическими фрагментами ТГЛ.

Для оценки протекания процесса механоактивации предлагается ввести коэффициент механоактивации, представляющий отношение высоты пиков светопоглощения материала после механоактивации к первоначальной адсорбции. Так как наиболее стабильным является пик с максимумом светопоглощения при 1383 нм, предлагается сравнивать высоту пиков при указанной длине волны. Выявлено, что коэффициент механоактивации (А. = 1383 нм) составляет Кта = 0,5 для продолжительности механоактивирующего воздействия 5 и 10 минут. Коэффициент Кта отражает снижение светопоглощения ТГЛ после механоактивации, которое свидетельствует о глубоких структурных изменениях.

Установлена зависимость прочности брикета на сжатие от продолжительности механоактивации наполнителя - ТГЛ (рисунок 9).

1г

и ой

Рисунок 9 -Зависимость прочности брикета

на сжатие от продолжительности механоактивации наполнителя ТГЛ

~5 Г

та, мпп

Пунктиром показан доверительный интервал (по Стьюденту) с вероятностью 0,95, коэффициент корреляции 11= 0,9. При исследовании функции на предмет экстремума выявлен максимум при продолжительности механоактивации 6 мин.

Получены данные, отражающие влияние продолжительности механоактивации (та) наполнителя на прочность топливных брикетов (ЯС) при различных давлениях прессования (Рпресс) и содержании связующего (В, %, масс., таблица 3).

Выявлено, что механоактивирующее воздействие на компонент брикета изменяет структуру обрабатываемого вещества и позволяет повысить прочностные характеристики углебрикетного топлива. Повышение прочности топливных брикетов, получаемых на основе наполнителя, подвергнутого механоактивации, является косвенным доказательством усиления адгезионных взаимодействий.

Таблица 3 - Прочностные характеристики брикетов

Давление прессования Рпресс, МПа Содержание связующего В,% Прочность на сжатие ЛС, МПа Увеличение прочности на сжатие Аде, %

та= 0 мин Та=6 МИН та= 10 МИН та= 6 мин та= 10 мин

100 10 2,27 3,05 2,95 34,36 29,96

160 10 2,45 3,58 3,31 46,12 35,10

100 15 2,49 3,85 3,66 54,62 46,99

160 15 2,55 4,04 3,75 58,43 47,06

Наиболее эффективным с точки зрения направленного изменения физических свойств ТГЛ является время механоактивации 6 минут. Проведенные исследования подтверждают, что механоактивация наполнителя -гидролизного лигнина перед введением его в смесь для получения топливных буроугольных брикетов способствует повышению прочности брикета.

Разработана принципиальная технологическая схема производства топливных брикетов (рисунок 10). После сушки из угольной мелочи отделяют мелкую фракцию (- 2 мм), надрешетный продукт дробится, смешивается с мелочью и подвергается пневматическому обогащению. ТГЛ после сушки и отделения мелкой фракции (- 2 мм) поступает на механоактивацию. Применяемый в качестве связующего остаточный продукт нефтепереработки расплавляется, затем все компоненты направляются на дозирование и смешение и после охлаждения (до 45 °С) брикетируются на штемпельном прессе. Брикеты охлаждаются, фасуются и отгружаются потребителю.

Рисунок 10 - Технологическая схема процесса производства буроугольных брикетов

Предотвращенный экологический ущерб от загрязнения земель химическими веществами составил:

УПпРх = (178 тыс р./га.-30 га-1,1 1) 1,2 = 7048,8 тыс р. = 7,05 млн р.

Оценка выбросов при сжигании топливных брикетов производилась по оксидам азота (II) и (IV), гидрохлориду и диоксиду серы. Расчетные значения выбросов загрязняющих веществ при сжигании брикетов в котельной производительностью 0,045 т/ч ниже предельно допустимых.

Ожидаемый экономический эффект при организации линии брикетирования обеспечивается за счёт производства и реализации топливных брикетов - продукции с более высокой добавленной стоимостью по сравнению с низкокачественным буроугольным сырьем. В таблице 4 приведены ожидаемые экономические показатели работы углебрикетной фабрики.

Планируемые капитальные затраты для организации производства составят 10,4 млн. р., внутренняя норма доходности - 36,1 %, индекс доходности - 2,1, срок окупаемости - 2 года.

Рщлвоя ytn.il. Углеволпроднпе I свянвшее

расчламеиие

Технический гялролщпын лвгиия + Ся(ОН).

|роючеш + 2 мч[

дроб.1еиу|Г)

+ 2 1|«с

ме1»прак|ивяпнш

гр'ицчсние

-2 мч

пневматическое обогащение угольный Г ноинентряг

хвосты в отвал

Л01нтн»ванне

смешение

ппсссованиу

охлаждение, фасовка

ггтцса

Таблица 4 - Планируемые технике» - экономические показатели работы углебрикетной фабрики__|_

Показатели Время эксплуатации предприятия, годы Итого

1 2 3 4 5

Производственная программа по брикетам, тыс т/год 15,75 16,80 17,85 18,90 19,91 89,21

Чистая прибыль, млн р. 3,417 5,132 5,855 6,572 7,247 28,2

Рентабельность, % 8,1 11,9 12,9 13,7 14,5

ЧДД (ставка дисконтирования 12 %), млн р. -6,2 4,1 4,2 4,2 4,1 10,3

Определены качественные характеристики топливных брикетов.

Результаты приведены в таблице 5; БУК - буроугольный концентрат, ТТЛ -технический гидролизный лигнин, УВС -углеводородное связующее; ЛС -предел прочности при сжатии; А"ьпЧ — зольность брикета на аналитическое состояние; ^ьпд -выход летучих; - общее содержание серы в брикете; [VЬгщ — массовая доля общей влаги в брикете; ХМч - водопоглощение брикета;

(мф -высшая теплота сгорания брикета на аналитическое состояние, Пм{Мч) -механическая прочность брикетов после испытания их сбрасыванием, 1сгор -время сгорания брикета.

Таблица 5 - Качественные показатели топливных брикетов

Состав брикета НС, МПа А Ьггц* % I*1Ьп^г % 5йЬп//> % % Хьпд* % О1¡{ЬПф. МДж/кг ПмфПч), % 1сгорг МИН

БУК, % ТГЛ, % УВС, %

85 10 5 3,05 8,57 27,92 0,60 4,54 2,1 24,38 89,0 8,5

80 10 10 3,58 8,08 26,45 0,76 4,52 2,5 25,60 94,1 8,55

74 11 15 4,04 7,58 24,98 0,91 4,51 3,5 26,30 95,3 9

Брикеты имеют цилиндрическую форму (высота и диаметр 50 мм), масса брикетов колеблется в пределах 98-102 г.

Таким образом, доказано второе научное положение.

Заключение

В диссертационной работе на основе выполненных исследований решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности брикетирования низкокачественного буроугольного сырья, что позволяет вовлекать в переработку тонкодисперсные угольные и техногенные

углеродсодержащие горючие отходы, имеющая существенное значение для развития угольной промышленности страны.

Основные научные и практические результаты, полученные при выполнении исследований:

1. Выявлены технологические особенности буроугольного сырья и техногенного углеродсодержащего наполнителя, включая высокий выход мелких классов.

2. Установлена зависимость между компонентным составом топливного брикета и теплотой его сгорания, позволяющая определить рациональный состав топливного брикета, обеспечивающий повышенную теплоту сгорания (С=74 %, Ь=11 %, двъгщ = 26,30 МДж/кг):

£7уг>п&)=1595,46+8,92-С+230,16-£-0,023-<?-0,447-С- ¿-8,91-Ь2, где С, Ь - массовая доля угля и лигнина соответственно, %.

3. Выявлен характер влияния зольности на теплоту сгорания топливного брикета и обоснована необходимость ее снижения методом пневматической сепарации. Построена кривая обогатимости Ушумунского угля, позволяющая определить выход и зольность продуктов обогащения (при плотности разделения 1350 кг/м3 выход буроугольного концентрата ук = 77,6 % с зольностью 11,3 %, зольность хвостов 39,4 % при исходной зольности 17,59 %).

4. На основании экспериментальных данных установлены аналитические зависимости прочности буроугольного брикета от влажности шихты и давления прессования, определены рациональные значения показателей (влажность >У = 4 - 5%, давление 160 МПа). При указанных значениях физико -технологических параметров и составе топливного брикета: 15 % углеводородного связующего и 11 % технического гидролизного лигнина, достигается повышение качественных характеристик буроугольной мелочи брикетированием.

5. Экспериментально подтверждена эффективность предварительной механоактивировации наполнителя, которая способствует увеличению удельной поверхности технического гидролизного лигнина, изменению его структуры и повышению прочности топливного брикета на сжатие до 58,43 %.

6. Определены качественные характеристики топливных брикетов: прочность на сжатие, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, влажность, водопоглощение, прочность при истирании и продолжительность

горения. В результате обогащения и брикетирования угольного сырья достигнуто повышение теплоты сгорания с 23,39 до 26,30 МДж/кг.

7. Разработан способ получения топливных брикетов из буроугольной мелочи, технического гидролизного лигнина и углеводородного связующего (патент РФ № 2455345 от 10.07.2012), ожидаемая чистая прибыль по итогам его реализации в первом году производственной деятельности (при выпуске брикетов 15,75 тыс т./год) составит 3,417 млн р. Экономический эффект обеспечивается реализацией продукта, обладающего более высокой, по сравнению с низкокачественной буроугольной мелочью, добавленной стоимостью. При этом экологическим преимуществом является вовлечение в переработку отвалов технического гидролизного лигнина, наносящих вред окружающей среде.

8. Выполнена укрупненная эколого-экономическая оценка ущерба, предотвращенного от загрязнения земель химическими веществами в результате вовлечения в переработку отходов гидролизной промышленности, величина которого составляет 7,05 млн р. Выбросы при сжигании получаемых топливных брикетов не превышают допустимые нормы.

9. Рекомендации по организации линии брикетирования на углеобогатительной фабрике «Чегдомын» внедрены на стадии предпроектных работ в ОАО «Ургапуголь», что подтверждено актом от 25.10.2013. Результаты исследования получили практическую реализацию на стадии проектных работ при разработке технологического регламента работы линии брикетирования ООО «Биоресурс», что подтверждено актом № 11/02 от 12.02.2014. Результаты теоретической части исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет (специальность «Горное дело» 130400.65, специализация «Открытые горные работы», учебная дисциплина «Обогащение полезных ископаемых»).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Научные статьи в изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:

¡.Александрова, Т. Н. Разработка технологии брикетирования буроугольной мелочи на основе связующей композиции из отходов [Текст] / Т. Н. Александрова, А. В. Рассказова, К. В. Прохоров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 9. - С. 284-289.

2. Александрова, Т. Н. Технологические и экологические аспекты производства угольных брикетов [Текст] / Т. Н. Александрова, А. В. Рассказова

// Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Дальний Восток. - 2013. -№ ОВ 4. - С. 209-215.

3. Рассказова, А. В. Рациональное использование бурых углей юга Дальнего востока [Текст] / А. В. Рассказова, Т. Н. Александрова, Н. А. Лаврик // Горный журнал. - 2013. - № 10. - С. 42-44.

Статьи в других изданиях:

4. Aleksandrova, Т. N. Substantiation of the innovative technology of fuel briquettes production from the brown coal raw material in the Far East of the Russian Federation [Текст] / T. N. Aleksandrova, A. V. Rasskazova, К. V. Prohorov // Role and position of Brown Coal in the Global Power Industry of the 21-st Century: VI International Brown Coal Mining Congress (Poland, Belchatow, 11-13 April 2011). -Krakow: Art-text, 2011. - Vol. 1. - P. 21-24.

5. Сорочинская, А. В. (Рассказова, А. В.) Обоснование методов повышения экологической безопасности технологии переработки буроугольного сырья (Substantiation of methods of ecological safety growth in brown coal raw material technology) / А. В. Сорочинская, T. H. Александрова // Электронный журнал «Научный вестник Московского государственного горного университета». - 2010. - № 3. - Режим доступа: http://vestnik.msmu. ru/arc hive.php?archive_id=l#.

6. Рассказова, А. В. Использование углеродсодержащих отходов для повышения качества угольных брикетов [Текст] / А. В. Рассказова, Т. Н. Александрова // IX Конгресс обогатителей стран СНГ: сборник материалов. Т. II. - М.: МИСиС, 2013. - С. 731-733.

7. Сорочинская, А. В. (Рассказова, А. В.) Проблемы рационального использования буроугольного сырья в Дальневосточном регионе и инновационный подход к их решению // Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов - 2010» / отв. ред. И. А. Алешковский, П. Н. Костылев, А. И. Андреев, А. В. Андриянов [Электронный ресурс]. - М.: МАКС Пресс, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

8. Рассказова, А. В. Разработка инновационной технологии переработки буроугольного сырья [Текст] / А. В. Рассказова // Молодые ученые -Хабаровскому краю: материалы XIII краевого конкурса молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 14-25 января 2011 г.). В 2-х т. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2011. - Т. 2. - С.74-78.

9. Рассказова, А. В. Повышение комплексности использования энергетических ресурсов Дальневосточного региона и экологические аспекты переработки буроугольной мелочи [Текст] / А. В. Рассказова // Молодые исследователи - регионам: материалы Всероссийской научной конференции студентов. В 2-х т. - Вологда: ВОГТУ, 2011. - Т. 1. - С. 382-384.

10. Рассказова, А. В. Углеродсодержащие отходы как источник инновационных товарных продуктов [Текст] / А. В. Рассказова, К. В. Прохоров // Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых (Хабаровск, 27-29 сентября 2011 г.). В 2-х т. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2011. - Т. 1. - С. 389395.

11. Рассказова, А. В. Технологические аспекты комплексного использования буроугольного сырья Дальневосточного региона [Текст] / А. В. Рассказова, К. В. Прохоров // Проблемы геологии и освоения недр: труды XV Международного симпозиума имени академика А. М. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110-летию со дня основания горно-геологического образования в Сибири. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - Т. И. - С. 588-590.

12. Сорочинская, А. В. (Рассказова, А. В.) Экологические аспекты и инновационный поход к энергетическому использованию ресурсов угольных месторождений Юга Дальневосточного региона [Текст] / А. В. Сорочинская // Молодые исследователи - регионам: материалы Всероссийской научной конференции. В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2010. - Т. 1. - С. 404-406.

Патенты РФ:

13. Заявка 2013156705 Российская Федерация, МПК С 10 L 5/02, С 10 L 5/16, С 10 L 5/48. Состав для получения топливного брикета [Электронный ресурс] / Рассказова А. В., Александрова Т. Н.; заявитель ФГБУН Институт горного дела Дальневосточного отделения РАН; пат. поверенный Хрунина Н. П.; заявл. 19.12.13. - Режим доступа: http://www.fips.ru.

14. Пат. 2455345 Российская Федерация, МПК C10L5/16. Способ брикетирования буроугольного сырья [Электронный ресурс] / Александрова Т. Н., Сорочинская (Рассказова) А. В.; заявитель и патентообладатель УРАН Институт горного дела Дальневосточного отделения РАН (ИГД ДВО РАН). - № 2011106057/04 ; заявл. 17.02.11 ; опубл. 10.07.12. - Режим доступа: http://wwwl .fips.ru.

Лицензия JIP № 020525 от 02.06.97 Подписано в печать 30.04.2014. Формат 60x84 1/16 Усл. печ.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 51 Забайкальский государственный университет ул. Александро-Заводская, 30, г. Чита, 672039 РИК ЗабГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рассказова, Анна Вадимовна, Хабаровск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201459721 Рассказова Анна Вадимовна

Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого угля с применением механоактивации топливных компонентов

Специальность 25.00.13. - Обогащение полезных ископаемых Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Александрова Татьяна Николаевна

Хабаровск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................6

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ УГОЛЬНОЙ БАЗЫ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ......................................................11

1.1 Характеристика Средне - Амурского буроугольного бассейна......11

1.2 Проблемы эффективной утилизации тонкодисперсных отходов угольной промышленности..................................................................................13

1.3 Развитие теоретических представлений по вопросу брикетирования углей.......................................................................................................................15

1.4 Практика и аппаратурное оформление брикетирования твердых горючих ископаемых............................................................................................20

1.5 Анализ технологий брикетирования углей в мировой и Российской практике..................................................................................................................25

1.6 Влияние механической обработки наполнителя топливного брикета на его структуру и реакционную способность...................................................27

1.7 Технологические параметры брикетирования...................................29

1.7.1 Влияние влажности твердых компонентов на прочность топливных брикетов..............................................................................................30

1.7.2 Влияние температуры шихты на прочностные характеристики брикетов.................................................................................................................32

1.7.3 Длительность прессования и прочность брикетов.........................32

1.7.4 Крупность и гранулометрический состав компонентов топливного брикета....................................................................................................................33

1.8 Цели и задачи исследований................................................................37

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВНОГО БРИКЕТА...............................................................................39

2.1 Методы исследования...........................................................................39

2.1.1 Методы исследования технологических характеристик компонентов топливного брикета.......................................................................39

2.1.2 Методы определения гранулометрического состава.....................40

2.1.3 Методы элементных и структурных исследований.......................40

2.1.4 Методы испытания топливных брикетов........................................43

2.1.5 Методы математической обработки экспериментальных данных43

2.2 Характеристика угольного компонента топливных брикетов.........44

2.2.1 Технологические исследования Ушумунских углей......................44

2.2.2 Содержание общего органического углерода в Ушумунских углях .................................................................................................................................46

2.2.3 Структура и свойства гидролизного технического лигнина.........47

2.2.4 Состав и свойства углеводородного связующего...........................52

2.3 Выводы по главе....................................................................................54

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БРИКЕТИРОВАНИЯ БУРОГО УГЛЯ......................................................................................................................56

3.1 Влияние состава и зольности топливного брикета на теплоту сгорания..................................................................................................................56

3.2 Зависимость прочности брикета от влажности шихты для брикетирования.....................................................................................................61

3.3 Зависимость прочности угольного брикета от состава и давления прессования............................................................................................................62

3.4 Модификация наполнителя топливного брикета..............................64

3.5 Влияние механоактивированных добавок на прочностные свойства брикетов.................................................................................................................69

3.6 Гранулометрический состав компонентов топливного брикета......71

3.7 Водопоглощение брикетов...................................................................73

3.8 Нормирование качественных характеристик топливных брикетов 74

3.9 Технологическая схема получения топливных брикетов трехкомпонентного состава.................................................................................77

3.10 Выводы по главе.................................................................................78

ГЛАВА 4 ЭКОЛОГО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ БРИКЕТИРОВАНИЯ УГЛЯ С МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ НАПОЛНИТЕЛЯ..................................................................80

4.1 Экономическое обоснование технологических решений по брикетированию углеродсодержащих отходов.................................................80

4.2 Оценка влияния производства и использования топливных брикетов на компоненты окружающей среды....................................................................98

4.2.1 Предотвращенный экологический ущерб от загрязнения земель химическими веществами....................................................................................98

4.2.2 Оценка полей концентраций вредных веществ, выбрасываемых в результате сжигания топливных брикетов.......................................................102

4.3 Выводы по главе..................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................112

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.... 114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ А Протокол ситового и лазерно - дифракционного анализов................................................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство о поверке лазерного анализатора размеров частиц «Analysette - 22, Fritch».........................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ В Протокол исследования технологических характеристик углей Ушумунского месторождения и технического гидролизного лигнина.........................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство о поверке лабораторных электронных весов..............................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Протокол исследования качественных характеристик битума нефтяного марки БНД 90/130..................................... 136

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Протокол рентгенофлуоресцентного анализа БНД 90/130 и золы технического гидролизного лигнина........................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Протокол фракционного анализа угля Ушумунского месторождения...........................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ И Протокол исследования спектральной характеристики технического гидролизного лигнина....................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ К Свидетельство о заводской поверке спектрофотометра «UV - 2600, Shimadzy»......................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Протокол исследования качественных характеристик угольных брикетов....................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ М Свидетельство о поверке пресса «ToniNorm» ... 142

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Акт о реализации результатов исследования в ООО «Биоресурс»...............................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Акт о реализации результатов исследования в ОАО «Ургалуголь».......................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ С Акт об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе.................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Т Акт о реализации результатов работы в НИР.....148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На территорию Дальнего Востока приходится 35% угольных ресурсов страны. В структуре установленной мощности энергетики Дальневосточного федерального округа 70 % составляют тепловые электростанции. Основным видом топлива для действующих тепловых электростанций являются бурые угли валовой добычи, доля которых в топливопотреблении составляет около 69 %.

При выемке, обогащении и транспортировке ископаемых углей в районы потребления, образуется значительное количество тонких классов, которое, по самым приближенным подсчетам, достигает 6 — 8 %. Часть мелкодисперных углей выдувается и просыпается из вагонов при транспортировке, теряется и интенсивно измельчается при погрузо-разгрузочных работах. Сокращение уровня потерь в виде шламов и мелочи путем прямого сжигания затруднено из-за сложности их транспортировки к месту использования. Вместе с тем, угольная мелочь по качественным характеристикам может использоваться для получения качественного брикетного топлива, но её переработка затруднена из-за сложности организации брикетного производства и необходимости выполнения большого объема строительно-монтажных работ.

техногенного минерального сырья и оценки экологических рисков в горнопромышленных районах» ГР № 01201253449, программы президиума РАН № 27 и программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН № 09-1-ОНЗ-08.

Методы исследований. При исследовании применялся комплекс экспериментальных методов: стандартные методы определения качественных показателей твердых горючих ископаемых, гранулометрический состав угля и ТГЛ определялся методами ситового и лазерно-дифракционного анализов; элементный состав определен рентгенофлуоресцентным методом, содержание общего органического углерода измерялось с применением реактора низкотемпературного термокаталитического окисления методом ИК - детектирования; структурные исследования проводились методами ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии; установление количественных зависимостей и статистическая обработка экспериментальных данных выполнялись с применением математических средств научного исследования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Повышение качественных характеристик буроугольной мелочи достигается её брикетированием с рациональными физико технологическими параметрами (давлением прессования и влажностью шихты) и применением углеводородного связующего и наполнителя -технического гидролизного лигнина в количестве 15 и 11 % соответственно.

Научная новизна работы:

4. Установлена зависимость прочностных характеристик брикета от продолжительности механоактивации наполнителя и выявлено повышение его прочности в результате введения в состав механоактивированного компонента - технического гидролизного лигнина.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработана рациональная технология брикетирования буроугольного сырья, обеспечивающая повышение его качественных характеристик и вовлечение в переработку техногенных углеродсодержащих отходов, которая заключается в подготовке буроугольной мелочи, механоактивации наполнителя - технического гидролизного лигнина и их смешении с расплавленным углеводородным связующим (Пат. РФ 2455345, заявка на изобретение № 2013156705 от 19.12.2013 «Состав для получения топливного брикета»),

3. Обоснована эффективность предварительного пневматического обогащения буроугольной мелочи крупностью -2 мм (выход концешрата 73,6 %), в результате которого снижается зольность исходного угля.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов исследования, применением поверенного научно — исследовательского оборудования, представительностью исследуемых проб (для экспериментальных исследований отобрано 10 точечных проб весом до 10 кг из трех вскрытых пластов на угольном разрезе, а также со склада; количество параллельных испытаний - 6 шт.), большим объемом экспериментальных данных, сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований, применением статистических методов обработки данных эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные ее положения были представлены на следующих научных российских конференциях: IX Конгресс обогатителей стран СНГ, 26-28 февраля 2013 года, г.Москва; III, IV, V Всероссийские научные конференции с участием иностранных учёных «Проблемы комплексного освоения георесурсов», г. Хабаровск, 2009, 2011, 2013 г.г.; «Неделя горняка 2011», г. Москва, 2011г.; XII, XIII Краевой конкурсы-конференции молодых учёных, г. Хабаровск, 2010-2011 гг.; XVII Международный молодежный научный форум «Ломоносов - 2010», г. Москва; XIV Международная экологическая конференция студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность», г. Москва, 2010 г.

Автор выражает признательность д-р техн. наук, доценту Т.Н. Александровой за научно - методическое руководство при подготовке диссертации, д-р техн. наук, проф. Г.В. Секисову за научное консультирование, канд. экон. наук Архиповой Ю.А. за консультирование при проведении экономического обоснования.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ УГОЛЬНОЙ БАЗЫ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1 Характеристика Средне - Амурского буроугольного бассейна

В настоящее время возрастает интерес к одной из базовых отраслей отечественного топливно-энергетического комплекса - угольной промышленности [1]. Одним из подтверждений этого факта можно считать стратегический документ - долгосрочную программу развития угольной промышленности России до 2030 года, принятую 24 января 2012 г. Среди основных пунктов этого документа: освоение сырьевой базы как уже существующих (Кузбасс, В

Информация о работе

Рассказова, Анна Вадимовна
кандидата технических наук
Хабаровск, 2014
ВАК 25.00.13

Диссертация

Обоснование рациональных параметров брикетирования бурого угля с применением механоактивации топливных компонентов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы