Повышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего

Пестряк, Ирина Васильевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Повышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего"

На правах рукописи

ПЕСТРЯК ИРИНА ВАСИЛЬЕВНА

УДК 622.765

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОКОМКОВАНИЯ УГЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ОРГАНО-МИНЕРАПЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Специальность 25 00.13. - «Обогащение полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

} кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ),

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Морозов Валерий Валентинович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Дебердеев Ильдар Хамзич, кандидат технических наук Фомин Альберт Петрович.

Ведущая организация -Кузнецкий государственный технический университет (КузГТУ).

Защита состоится .2003 г. в час, на заседании дис-

сертационного совета Д - 212.128.08 при Московском государственном горном университете (МГГУ) по адресу: 119991, г. Москва, ГСП - 1, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета. '

Автореферат разослан « ^^2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Шек В.М.

18.(4^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Твердые горючие ископаемые широко используются в качестве энергетического топлива и успешно конкурируют с нефтью и газом в силу их значительных запасов в земной коре. Основными энергетическими потребителями углей являются электростанции, промышленные котельные, коммунально-бытовое хозяйство и население.

На протяжении последних лет наблюдается дефицит в коммунально-бытовом топливе для слоевых топочных устройств, конструктивно рассчитанных на сжигание кускового топлива. По РФ на 2000 год он составлял от 15 до 20 млн.т при годовой потребности в окускованном топливе - 70 млн.т.

Рассредоточенность и малая энергетическая мощность бытовых потребителей практически исключают возможность предварительной подготовки угля с последующей очисткой газа от вредных компонентов. В этой связи актуальным является повышение экологической безопасности окускованного топлива, получаемого на основе использования процессов окомкования.

Решение задачи удовлетворения спроса на качественное окускованное угольное топливо может быть достигнуто в результате разработки и внедрения эффективных методов и технологических схем окомкования, позволяющих не только превратить низкосортный исходный уголь в куски заданного размера с высокими механическими свойствами и повышенной теплотой сгорания, но и уменьшить выход летучих, в том числе и серосодержащих веществ. Оптимальным путем решения поставленной задачи является выбор и применение в процессе окомкования связующего, компоненты которого оказывают химическое воздействие на структуру органической массы углей.

В соответствии с вышеизложенным задачей исследований являлось установление закономерностей процесса окомкования углей и разработка метода повышения качества окомкованного топлива на основе применения комбинированного органо-минерального связующего.

Настоящая работа выполнялась в рамках научного направления МГГУ «Переработка, обогащение и комплексное использование сырья».

Цель работы - заключается в установлении закономерностей влияния состава органо-минерального связующего на процесс окомкования и их использовании для повышения качества бытового окускованного топлива.

Методы исследований. В работе использованы гранулометрический, фракционный, технический, элементный, термогравиметрический методы анализа угля и продуктов окускования, экспериментально изучено влияние состава связующего на потребительские и технологические свойства окомкованного топлива;

методы статистической обработки и мате

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:

1. Установлен механизм изменения структуры органической массы углей разной степени углефикации при воздействии комбинированного органо-минерального связующего. Показано, что щелочное воздействие приводит к замещению протона функциональных групп на ион металла и гидролитическому расщеплению лабильных химических связей. Показано, что щелочное модифицирование структуры органической массы углей обеспечивает снижение температуры термической диссоциации угля за счет ослабления химических связей.

ния. Показано, что за счет оптимизации состава связующего получают окатыши с ,

прочностью на раздавливание 16 и 30 кг/фан, на сбрасывание - 98%, влагостой- (

костью - 6 - 7% для бурого угля и антрацитового штыба соответственно. Впервые установлено, что щелочное модифицирование структуры органической массы уг- *

лей обеспечивает улучшение механических свойств окатышей за счет повышения адсорбционной способности угля к лигносульфонатному связующему.

3. Разработан метод повышения качества окомкованного топлива, включающий применение органо-минерального связующего на основе ССБ и гидро-ксида кальция в заданном соотношении на стадии подготовки шихты к окомкова-нию.

4. Разработана методика определения потребительских свойств топлива, включающая определение эффективности сжигания топлива и компонентного состава газообразных веществ, выделяющихся из топлива при его хранении, сушке, сжигании на лабораторных калориметрических установках.

5. Установлены закономерности влияния гидроксидного модифицирования на снижение содержания окислов серы в продуктах сгорания окускованного угольного топлива. Показано, что за счет применения содержащихся в связующем щелочных модификаторов достигается увеличение доли связываемой серы с 15 до 60%. Впервые установлено, что наиболее эффективно связывание серы угля в сульфатные производные обеспечивается равномерно распределенными по ' структуре угля ионами кальция

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются удовлетворительной воспроизводимостью установленных закономерностей реагентного (неорганического, щелочного) воздействия на структуру углей при многократных экспериментах; непротиворечивостью полученных экспериментальных данных современным представлениям химии угля; положительны-

ми результатами экспериментальной проверки разработанного метода повышения качества окомкованного угольного топлива.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения структуры и свойств угольных окатышей: гранулометрического состава, прочности, ударостойкости, эффективности связывания серы в сульфатные производные при использовании органо-минерального связующего.

Практическое значение работы заключается в разработке эффективной технологии производства бытового угольного топлива на основе окомкования, предусматривающей применение комбинированного органо-минерального связующего, обеспечивающей повышение технологических и потребительских свойств товарной продукции. • Реализация результатов работы. Разработаны «Рекомендации по произ-

I водству бытового угольного топлива на основе технологии окомкования, преду-

сматривающей применение комбинированного органо-минерального связующе* го», принятые к внедрению на предприятиях объединений «Гуковуголь», «Ростов-уголь». Результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке лекционного и лабораторного курсов для студентов специальностей «Обогащение полезных ископаемых» и «Инженерная защита окружающей среды».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2000, 2001гг.), IV конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2003 г.), семинарах кафедры «Обогащение полезных ископаемых» МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 117 наименований, содержит 39 рисунков и 36 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

, 1. Разработка комплексной методики определения технологических и потре-

| бительских свойств окомкованного угольного топлива

, Задачей разработанной методики являлось определение потребительских

свойств бытового угольного топлива и проведение комплексной оценки эффективности использования в качестве топлива окатышей, брикетов, полученных в результате облагораживания углей. Под потребительскими свойствами понимают теплотехнические характеристики топлива и экологически опасные вредные выбросы веществ с газообразными продуктами, образующимися при сушке и сгорании бытового топлива.

Методика включает отбор и приготовление проб для анализа в соответствии с правилами и нормами обработки проб, установленными ГОСТ 10742-71 (СТ СЭВ 752-77); технический и элементный анализ в соответствии с ГОСТ 27314-87 (Wtr ,%), 11022-75 (А" ,%), 6382-80 (V** ,%), 8606-72 (S,d ,%), 147-74 (Qsdaf ,кДж/моль), 147-74,6389-81 (Q,r ,кДж/моль), 2408.2-75 (Cdaf, Hdaf, Ndaf ,%); характеристику компонентов шихты; экспериментальные исследования по определению эффективности сжигания топлива и компонентного состава газообразных веществ, выделяющихся из топлива при его хранении, сушке и сжигании на лабораторных калориметрических установках; обработку результатов испытаний по разделению и количественному определению компонентов сухого газа, по сжиганию топлива с определением низшей теплоты сгорания (1) и КПД процесса (2):

Qt = Qi -. (1)

1 - ш3 100 - А,

100-А Q2'

г| = _* 100, % (2)

Q, + Q2 + Q3 + Q4 - Qr тз 100 - Ai

J UK - A

где Q r- низшая теплота сгорания топлива, ккал; m3 - масса зольного остатка, кг;

А и As- зольность топлива и зольного остатка соответственно, %; Qi. Q2, Q3, Q4- тепло соответственно, выделяемое при сгорании топлива, вносимое воздухом, отдаваемое растопочным материалом и соляркой, ккал; Q2' - тепло, забираемое водой, ккал.

2. Влияние реагентного модифицирования на структуру органической массы бурых и высокометаморфизованных углей и ее свойства

При исследовании влияния предварительной обработки неорганическими реагентами на структуру органической массы угля (ОМУ) объектами были выбраны: бурый уголь Подмосковного бассейна ш. Владимирская с характеристиками (%): W 29,3; Ad44,8; V6 51,0; Cdaf 61,15; Hdaf 4,46; Sdt 2,4; Qdaf,. 6051 ккал/кг; антрацитовый штыб (АШ) «Шахтуголь» со следующими характеристиками (%): А" 30,5; W3 2,65; Cdaf 94,2; Hdaf 1,2; Sdo6uj4,08; \^а'3,34; Qdaf7110 ккал/кг.

В качестве реагентов были выбраны гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (натрия, калия, кальция, бария), нитраты этих же металлов и карбонат кальция. О воздействии на структуру органической массы судили по потере массы угольными образцами (Дт) в процессе изотермической выдержки при 400, 600, 800°С.

о 200 400 600 800

Температура, °С

Рис. 1. Интегральные кривые потери массы угольными образцами: 1 - исходный уголь, 2,3,4,5 - модифированные 2 и 4%-ными растворами Са(ОН)2, Ва(ОН)2 соответственно

Результаты исследований показали, что модификация угля уменьшает его стойкость в процессе термоокислительного воздействия: наблюдаются более высокая скорость и глубина деструкции, по сравнению с природным углем (рис. 1).

Активирование угля повышает потерю массы образцами (при 400° С): в случае обработки щелочами - с 24,4 (исходный уголь) до 27,3% (модифицированный уголь), гидроксидами кальция - с 24,4 до 35,7%, бария - с 25,5 до 40%.

При обработке бурого угля растворами гидроксидов кальция и бария, натрия и калия происходит обмен протонов кислых групп: карбоксилов и фенольных гидроксилов, на катионы металлов Н7Са2+, Н7Ва2+, Н7№+, Н+/К+ с образованием карбоксилатов и фенолятов щелочных и щелочноземельных металлов. Изменение величины рН угольных шихт с 8,72 до 2,9 подтверждает замещение ионов водорода кислых групп угля на катионы металлов. Для щелочных металлов такие реакции ионного обмена протекают в меньшей мере.

Увеличение глубины и скорости термической деструкции органической составляющей угля можно объяснить и снижением прочности связей в структуре образующейся циклической соли. Образование мостика -О-Са-О- приводит к перераспределению электронной плотности внутри всего цикла. Поэтому связи али-

фатических мостиков (-С-СН2-), соединяющих ароматические фрагменты в ОМУ, могут разрываться легче, чем связь -Са-О-.

Кроме того, выбранный интервал pH модифицирующих растворов (8,TZ-II,5) соответствует экстракции при щелочном гидролизе. Последний протекает без разрушения основных фрагментов ОМУ, а сопровождается выделением соединений с легко гидролизующимися эфирными связями.

Было установлено, что каталитический эффект модифицирования проявляется только в присутствии воды. Рассчитанная величина энергии активации термодиссоциации для образцов угля, модифицированных 2%-ным раствором гидро-ксида кальция, для сухого составляет 20 ккал/моль, для влажного - 16,5 ккал/моль. Расчет был сделан в предположении первого порядка реакции на начальных участках кривых разложения.

Значительное выделение углекислого газа при термической обработке модифицированного влажного угля: с 12,8 до 31,4 моль 105/г угля за 30 минут окисления при 150°С - свидетельствует о возросшем содержании свободных карбоксильных групп, образующихся при взаимодействии органно-минеральных соединений (гетерополярных и комплексных солей, адсорбционных комплексов) с водой по следующим реакциям:

(РСОО)г Ме -> (РО)2 Ме + 2СОг, (I)

2 Гг^-СООМе /\_COOMe /Ч- ОН

КУ- он - [°Г-оме + / о

С. ' ] Ме + НОН-> ЯСООН + МеОН . (Ш) ^ О | I

со2

Обработка антрацитового штыба (АШ) модифицирующими растворами приводит к изменению структуры органической массы, что подтверждается изменением относительной потери массы (Дт/С"8' - потеря массы образцом, отнесенная к содержанию углерода на горючую массу топлива) образцами при термической обработке. Так, модификация АШ 6 %-ным раствором гидроксида кальция повышает потерю массы с 21,7% (для исходного угля) до 39,9% ( модифицированного) при 400°С; а при 600° С - с 25 до 33% (рис.2).

Проведенный для образцов (исходного АШ и обработанного 4 и 6 %-ными растворами гидроксида кальция) термогравиметрический анализ показал, что в случае модифицированного АШ наблюдается более равномерное устойчивое горение топлива с увеличением его полноты выгорания с 50,9 % (АШ) до 75,9 %

§30

о 2

| 20

10 0

I I _ I

5 у* А, "з7 ___

200 400 600 Температура, С

800

Рис.2. Дифференциальные кривые потери массы образцами АШ: 1- АШ; 2,3,4,5,6 - 2, 4, 5,6 и 10 %-ными растворами Са(ОН)2 соответственно

т, °с

О 15 30 45 60 75 т, мин

Рис.3. Термограммы образцов АШ (1), модифицированных 4 (2) и 6 (3) %-ными растворами Са(ОН)г

(модифицированный 6 %-ным раствором), со смещением начала термической деструкции в область более низких температур примерно на 90 °С (рис.3). По данным термогравиметрического анализа было установлено, что величины Еа первичного разложения АШ составляют: для исходного - 124,75 кДж/моль, обработанного 4-х, 6-ти и 10-ти %-ными растворами Са(ОН)2 -120; 105,75 и 92,5 кДж/моль, соответственно.

3. Влияние реагентного модифицирования на поведение серы твердых топлив

Сжигание пробы угля шахты Владимирская Подмосковного бассейна (с характеристиками в %: А" 44,8%; (С02)кй 5,0 ; 2,4; 5%ьф 4,3; Б6 пир69,4; Б" 0Рг26,3; Ма20 0,3; К20 0,7; БЮг 40,5; А1203 36,4; Ре203 16,0; СаО 4,6; МдО 0,7) как исходного, так и обработанного осуществляли в муфельной печи при температуре 800°С в течение часа. Через равные промежутки времени определяли количественно составляющие серы и зольность угольной пробы.

С ростом степени выгорания органической массы угля (ОМУ) сера претерпевает существенные изменения. Для исходного угля на стадии выгорания до 40% резко уменьшается содержание пиритной серы, незначительно увеличивается количество сульфатной и органической, появляется и растет моносульфидная составляющая. В интервале 40 - 70% выгорания ОМУ отмечается максимальный рост моносульфидной и органической, небольшое возрастание сульфатной и дальнейшее уменьшение пиритной составляющих. Увеличение моносульфидной серы можно объяснить дальнейшим разложением пирита и образованием Сав, в результате, например, обменной реакции в восстановительной среде:

СаО + Рев + С = СаЭ + Ре + СО, (IV)

или по реакции СаО + Н2Б = Сав + Н20. (V)

Возможность же образования Са8 в горящей угольной частице подтверждена термодинамическими расчетами, из которых следует, что сульфид кальция является устойчивым соединением даже при концентрации СО, во много раз меньшей концентрации С02, так как возможна реакция:

СаБ04 + 4СО = СаБ + 4С02. (VI)

Для бурого угля, модифицированного 4 %-ным раствором Са(ОН)2, в период существования внутри пробы восстановительной среды (степень выгорания горючих веществ составляет до 70%) также быстро возрастает содержание моносульфидной серы (до 28,8%) и медленно - сульфатной, но не наблюдается роста содержания органической серы, как для исходного угля, хотя восстановление угля щелочными металлами приводит к её частичному выделению. В процессе реагентного модифицирования ОМУ ионы кальция равномерно распределяются по всей структуре органической массы угля с образованием катион-

замещенных групп, способствующих уменьшению термической устойчивости угля, что выражается в более высокой скорости и глубине деструкции. Поэтому уже при степени выгорания 40 - 50% в ОМУ происходит разложение гуматов кальция с образованием СаС03, который в условиях угольно-минеральной смеси начинает активно разлагаться при температуре 400 - 500°С, в результате чего высвобождается свободный СаО. Оксид кальция, являющийся высокореакционным компонентом, вступает во взаимодействие как с элементарной серой, так и с Э02 по реакциям:

Эти реакции приводят к росту моносульфидной и, как следствие, сульфатной составляющих, что подтверждается экспериментально (рис. 4,5).

Заключительный этап горения угля (более 70%) характеризуется снижением до минимума органической и моносульфидной серы, ростом сульфатной за счет реакций окисления CaS и СаЭОз и газообразных серосодержащих продуктов.

В ходе исследований было определено, что содержание сульфатной серы в зольных остатках модифицированных угольных проб повышается по сравнению с тем же показателем для исходного угля. В случае NaOH, КОН соответственно в 1,2 - 2,0 раза, Ва(ОН)2,- в 3,5 раза. Добавка карбоната кальция повышает количество сульфатной серы в золе, но уменьшает степень выгорания органической массы топлива.

Лучшие результаты по десульфуризации топлива были получены для углей, модифицированных растворами гидроксида кальция Са(ОН)2 (молярное соотношение Ca/S = 1,8) — содержание сульфатной серы в минеральной части повышается s 5,5 раз (с 14 до 58% для исходного и модифицированного угля соответственно).

4. Исследование и оптимизация процесса гранулирования угля

Угольные окатыши изготавливали на опытном стенде АО «Механобр» на барабанном грануляторе с диаметром барабана 1м по стандартной методике. В качестве связующего вещества использовали сульфитно-спиртовую барду (ССБ). Шихту готовили в сухом виде, тщательно перемешивая уголь, порошок ССБ и добавку. Затем засыпали в гранулятор и, добавляя воду, окомковывали. Полученные окатыши сушили в естественных условиях при 20° С до остаточной влажности

2СаО+ 1,5S2 = 2CaS + S02; 4СаО + 2S2 = 3CaS + CaS04; S + 02 = S02; СаО + S02 = CaS03.

(VII)

(VIII)

(IX)

(X)

Рис.4. Изменение соотношения компонентов серы в процессе термоокислительной деструкции исходного угля: • - пиритная сера; о - сульфатная сера; ■ - органическая сера; А - моносульфидная сера

Степень выгорания ОМУ, %

Рис.5. Изменение составляющих компонентов серы модифицированного угля в процессе термоокислительной деструкции: • - пиритная сера; о - сульфатная сера; ■ - органическая сера; А - моносульфидная сера

С целью оптимизации процесса были применены методы математического планирования эксперимента. Исходными факторами были выбраны: крупность окомковываемого материала (х,), скорость вращения барабана гранулятора (х2), содержание ССБ (х3), содержание воды (х<). Время окомкования было фиксировано.

Параметрами оптимизации процесса являлись: выход угольных гранул класса +13 мм, в % от общей массы произведенных гранул (у->); прочность на раздавливание сырых гранул, кг/гранулу (у2); прочность на сбрасывание сырых гранул (у3).

Использование степенных уравнений второго порядка позволило получить 1„ модели с высокой степенью адекватности: коэффициенты множественной корре-

11 ляции (КМК) изменяются от 0,88 до 0,966. Упрощение моделей, заключающееся в

I исключении квадрата каждого следующего фактора, не снижает их точности и

т адекватности (табл.1).

Анализ полученных уравнений показывает, что на крупность и прочностные характеристики окатышей влияют все три аргумента, причем значимыми являются все коэффициенты регрессионного ряда второго и первого порядка, но значимость их при выбранном шаге варьирования неравноценна. Наибольшее влияние на прочность образующихся гранул оказывают размер частиц угля, содержание связующего и воды и скорость вращения барабана гранулятора.

Таблица 1

Регрессионные уравнения зависимостей механических свойств буроугольных окатышей от параметров процесса

к1

Уравнения регрессии Коэффициенты •корреляции

У, = 32,18x1* -111,47x1 - 0,929x2 + 117,9 0,966

У1 = 32,34x1* - 112,2x1 + 0,615хз + 94,58 0,957

У1 = 31,99X1*- 111,6x1 + 0,409X4 + 83,76 0,957

У2 = 0,469x1* -1,401x1 - 0,008x2 + 1,386 0,877

Уг = 0,469x1* - 1,402x1 - 0,026х3 + 1,359 0,886

у2 = 0,464X1* - 1,396X1 + 0,008X4 + 0,923 0,879

Уз = 2,697x1* - 7,913x1 - 0,043х2 + 7,824 0,881

Уз = 2,708X1* - 7,965x1 + 0,145х3 + 6,055 0,891

Уз = 2,696X1* - 7,931X1 + 0,009x4 + 6,599 0,875

Как видно из уравнений регрессии (см.табл.1), увеличение размера частиц угля снижает прочность гранул, а увеличение скорости вращения барабана приводит к их упрочнению.

Для нахождения и оценки оптимальных условий ведения технологического процесса окомкования были построены трехмерные графические зависимости выходных технологических параметров от входных факторов.

Характер зависимостей влияния количества связующего, так же, как и влияния содержания воды на прочность сцепления частиц и крупность окатышей (выход фракции +13мм), имеет экстремальный вид (рис.6, 7). |

Для нахождения оптимальных значений факторов хз и Х4 от выходных па- 1

раметров у,, у2, уз строились изолинии прочностных характеристик и выхода ,

фракции +13мм в одних координатах. Оптимальная область изменения расхода '

ССБ составила 5,5 - 6,5 % от массы угля; Н20 = 34 - 37% от массы угля (рис. 8). ,

Экспериментально было установлено, что прочные гранулы, с необходимым выходом фракции +13мм, получают, используя отсев бурого угля 0 - 2мм, | содержащий мелкую фракцию (-0,1мм) ~ 18%. Регрессионный анализ зависимо- [| стей изменения свойств гранул из АШ от основных параметров процесса позволил получить модели с высокой степенью адекватности (КМК=0,845 - 0,938) (табл.2). « Рассмотрение уравнений показывает, что на прочностные характеристики производимых гранул и на выход фракции +13мм основное влияние оказывает содержание в исходной угольной пробе класса -0,1мм, затем содержание воды и скорость вращения барабана.

Анализ трехмерных графических зависимостей выходных параметров от входных факторов показал, что они носят экстремальный характер (рис.9).

Таблица 2

Регрессионные уравнения зависимостей механических свойств окатышей из АШ

от параметров процесса

Уравнения регрессии Коэффициенты корреляции

У1 = -0,774x12 - 0,357х22 + 6,415х, + 18,57х2 - 235,2 0,917

У1 = -0,067X12 - 1,883хз2 + 5,888X1 +56,53х3 - 456,8 0,938

У2= 0,127х/ + 3,477x2* - 9,244X1 - 146,2х2 + 1678,2 0,771

У2= 0,166х)2 + 0,146x3* - 11,53x1 - 8,001хз + 269,7 0,707

Уз = -0,008x12 + 0,01 7х22 + 0,676х, - 0,631х2 + 11,38 0,853

Уз = -0.007х,2 - 0,128хз2 + 0,621 x! +З,579х3 - 18,42 0,891

При гранулировании АШ отсева - 0,10 мм (100%) выход окатышей +13 мм составляет 97%, при содержании класса - 0,1мм 14% - 89%, 20% - 91%, 30% -96%, 45% - 97%. Рост содержания угольной мелочи свыше 30% практически не влияет на выход окатышей крупностью -И Змм.

Выход фрасцм «13 ни, X

Садержамае воды, X

26 2

8 35 г

/*/ /

/ ' ' I !

1 1 I ! * (

I л \ \ • \ \ ^ .42 4 \ V V 44 * «

Ч N

■ \ ' \ \ \

' 1 , • /'/;./

/ / , / / '

Содержанке связуящего, %

4 5 6 7 Содержанке соязумщего. %

Рис. 6. Зависимость крупности производимых гранул от содержания воды и ССБ: а - трехмерное графическое изображение выхода фракции гранул +13 мм; б - изолинии выхода фракции +13 мм

✓ /

Рис.7. Зависимость механической прочности окатышей от содержания воды и связующего: а - трехмерное графическое изображение зависимости прочности на раздавливание; б - изолинии прочности на раздавливание

Рис.8. Определение границ области оптимальных соотношений расходов связующего и воды в процессе окомкования бурого угля

Рис.9. Зависимость прочностной характеристики окатышей от содержания воды и угля класса -0,15 мм: а - трехмерное графическое изображение прочности на сбрасывание; б - изолинии прочности на сбрасывание

Прочность на раздавливание сырых гранул из АШ класса -0,1мм в среднем равна 2,1 кг/гран (сухих - 33-35 кг/гран), а с увеличением его содержания от 14 до 45% изменяется от 1,1 до 1,9 кг/гран. Причем значение 1,9 кг/гран достигается уже при 30% класса -0,1мм в шихте.

Таким образом, при производстве окомкованного топлива из АШ оптимальные результаты по прочностным характеристикам и фракционному составу окатышей достигаются: при крупности угля для окомкования 0-2 мм с содержанием класса -0,1 мм от 30 до 45%; количестве связующего - 6 % от массы угля, содержании воды - 13,5 - 14,5% от массы угля; скорости вращения барабана - 22 об/мин.

5. Разработка технологической схемы производства гранулированного бытового топлива

На основании проведенных исследований по оптимизации процесса окомкования (АШ класса -2мм с содержанием мелкой фракции (-0,1мм) от 30 до 45%, 6% ССБ от массы угля, 14 % воды от массы угля, скорость вращения барабана гранулятора - 22 об/мин.) и по модифицированию структуры органической массы угля (для АШ - 4% Са(ОН)г) была разработана технологическая схема производства гранулированного топлива (рис.10). Ситовый состав произведенных гранул содержит 94% окатышей класса +13мм.

Используя данную технологическую схему, из антрацитового штыба и из бурого угля было получено окомкованное бытовое топливо, удовлетворяющее предъявляемым к нему нормативным требованиям, что подтверждают величины прочностных характеристик произведенных окатышей (табл.3).

Таблица 3

Прочностные характеристики окатышей из АШ

Круп- Прочность Прочность на Прочность Влагопо- Терм -кая

ность, на истира- раздавлива- на сбра- глоще- стойкость,

мм ние, % ние, кг/фан. сывание ние, % кг/гр

20-35 96,4 39,6 Более 40 5,9% 11,2

15-20 97,9 35,9 9,5

13-16 97,7 31,5 8,5

Проведенная для окомкованных бытовых топлив состава: уголь + связующее и уголь + связующее + неорганический реагент - сравнительная оценка прочностных свойств показала, что для гранул из бурого угля, модифицированного

гидроксидом кальция, величины прочностных характеристик выше по сравнению с окомкованным углем (табл.4, 5).

Рис.10. Технологическая схема процесса окомкования. 1,6,7 - приемные бункеры АШ, ССБ, реагента-модификатора; 2 - весодозатор; 3 - конвейер; 4 - сушилка; 5 - инерционный грохот; 8 - дроблилка; 9 - смеситель; 10 - барабанный гранулятор; 11 - закрытая емкость для воды

Таблица 4 4

Прочностные характеристики буроугольных окатышей |!

Состав шихты Прочность

на раздавливание, кг/фан. на сбрасывание На истирание, %

сырые сухие сырые сухие

в печи ест.усп. в печи ест.усл. ест.усл.

УБ+ССБ 1,3 13 14 6 15 16 66,4

УБ+ССБ+ Са(ОН)2 1,8 22,0 22,2 8 23 23 83,2

Прочностные характеристики гранул из АШ

Состав шихты Прочность

на раздавливание, кг/фан. на сбрасывание на истирание, %

сырые сухие сырые сухие

в печи ест.усл. в печи ест.усл. ест.усл.

АШ+ССБ 3,3 29,5 33,7 18,4 33 40 92,5

АШ+ССБ+ Са(ОН)2 3,7 32,5 35,9 19 40 40 96,7

Так, прочность на раздавливание для гранул, сохших в естественных условиях, возросла с 14 до 22,2 кг/гран, и с 13 до 22 кг/гран. - для гранул, сохших в печи в токе воздуха. Увеличилась также и прочность на истирание с 66,4 до 83,2%.

6. Оценка потребительских свойств окомкованного бытового топлива, полученного с применением разработанной технологической схемы

Оценка проводилась в соответствие с разработанной «методикой определения потребительских свойств топлив».

При сжигании модифицированного окомкованного топлива наблюдалось устойчивое горение без залпового выброса летучих веществ в первый момент. Гранулы, выгорая, сохраняли свою форму, что резко уменьшило золоунос с газообразными продуктами сгорания. Потери тепла от механического недожога составили 0,8 и 0,4% для окомкованного модифицированного топлива (ОМТ) бурого угля и антрацитовых модифицированных гранул, соответственно.

Применение гидроксида кальция в качестве модифицирующего вещества, повышает процент связывания серы, содержащейся в исходном угле, в термически стойкую сульфатную составляющую с 14,5 до 57,2% для гранул модифицированного бурого угля (УБМ), и с 20,4 до 59,5% для гранул модифицированного антрацитового штыба (АШМ) (табл.6).

При этом возрастает степень выгорания органической массы топлива, что подтверждается также хроматографическим анализом дымовых газов (табл.7). Содержание в них канцерогенных по воздействию на организм человека веществ меньше, чем в газообразных продуктах окомкованных АШ и бурого угля. Полученные результаты подтверждают, что разработанный метод позволяет повысить качество гранулированного топлива. В результате внедрения метода ожидаемый экономический эффект составит 6 рублей на 1т продукции, что в пересчете на объем производства антрацитового штыба на шахте Гуковская - 4479600 руб.

Характеристика топлив и их зольных остатков

Параметры Гранулы УБ Гранулы МУБ Гранулы АШ Гранулы МАШ

22,0 18,4 5,0 4,1

А",% 42,5 43,9 27,5 29,1

СГ, ккал/кг 5790 5841 7550 7725

<Эаь, ккал/кг 3106 3253 5004 5253

Масса зольного остатка, г 590 510 410 355

А"„% 92,2 98,7 90,8 97,9

5°сульф 3> % 0,72 1,499 0,91 2,309

Процент связывания серы 14,5 57,2 20,4 59,5

КПД сжигания, % 50,2 59,8 75,8 89,4

Таблица 7

Данные газохроматографического анализа дымовых газов

Материал Состав газа, мг/м3

БО2 N02 Фенол неон I бен-х угл-дов С8Н6 Толуол Ксилол

Гранулы АШ 1,7 0,08 0,023 0,037 10,7 0,5 1,12 0,1

Гранулы АШМ 0,3 0 0,021 0,025 2,45 0 0,42 0,08

Гранулы УБ 1,8 0,03 0,034 0,04 27,3 .0,84 0,1 0,88

Гранулы УБМ 0,4 0,01 0,011 0,015 2,24 0,24 0,03 0,17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ "

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - по- ,

вышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего, позволяющего повысить механические и потребительские свойства бытового топлива.

Основные выводы заключаются в следующем:

)

( 1. В результате изучения влияние реагентного модифицирования структуры орга-

нической массы углей разной степени углефикации на их реакционную способность в процессе термоокислительной деструкции установлено, что обработка гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов повышает адсорбционную способность к органическому связующему, увеличивает скорость и глубину разложения органической массы углей; способствует снижению температуры термического разложения.

2. Разработана «Методика определения потребительских свойств твердых топ-лив», позволяющая произвести комплексную оценку твердого топлива: опреде-

* лить его механические свойства, качественный и количественный состав, низшую

'> теплоту сгорания, поведение в процессе горения, состав газообразных продуктов

сгорания топлива, полноту выгорания, форму зольного остатка.

3. Установлены закономерности изменения фазовых соотношений серы в продуктах сгорания угольных окатышей. Показано, что при реагентном модифицировании исходного угля 2-х и 4-х процентными растворами Са(ОН)г снижается выброс окислов серы с газообразными продуктами сгорания, сопровождающийся ростом содержания сульфатной составляющей серы в зольном остатке с 14 до 60%.

4. Методами регрессионного и факторного анализа установлены технологические параметры процесса окомкования, в наибольшей степени влияющие на технологические свойства гранул. Показано, что изменение гранулометрического состава угольной пробы от 2 до 0,1 мм, расходов ССБ от 2 до 10 %, воды от 25 до 45% и

^ скорости вращения барабана от 14 до 30 об/мин, позволяет изменять прочность

сырых гранул от 0,1 до 2,5 кг/гран; получать выход фракции +13мм гранулированного топлива от 2 до 90%.

5. Получены математические зависимости, связывающие технологические свойства угольных гранул с параметрами технологического процесса окомкования. На

^ основании анализа трехмерных зависимостей установлено, что оптимальные зна-

чения механических свойств окатышей из бурых углей достигаются: при крупности угля -0,2 мм; расходе ССБ 5,5 - 7,5% от массы угля, расходе воды 32-37% от » массы угля, скорости вращения барабана 20-24 об/мин, расходе Са(ОН)2 - 2%;

для АШ - фракции угля 0-2мм, расходе ССБ 6% от массы угля, расходе воды 13,3 -14,5% от массы угля, скорости вращения барабана 22-24 об/мин, расходе Са(ОН)2 - 4%.

6. Установлены закономерности изменения прочностных свойств и выхода товарной фракции окатышей при изменении гранулометрического состава исходного

; угля. Показано, что при содержании в шихте класса -0,1 мм от 20 до 45% (от мас-

сы угля) может быть получено качественное гранулированное твердое топливо

(буроугольное) с прочностью на раздавливание сырых гранул 2,5 кг/гран (сухих гранул - 20 кг/фан), прочностью на сбрасывание - 98 %, с 95% выходом фракции +13мм.

7. Разработана технологическая схема производства фанулированного бытового топлива, включающая последовательные операции шихтования с одновременной подачей комбинированного органо-минерального связующего. Показано, что входящий в состав комбинированного связующего в качестве реагента-модификатора гидроксид кальция приводит к улучшению механических свойств фанулированного топлива: прочность на раздавливание повышается с 14 до 22,2 кг/фанулу и с 33 до 34,6 кг/фанулу;- прочность на истирание возрастает с 78,3 до 93,2% и с 93,3 до 96,7%; КПД сжигания повышается с 48,2 до 59,8% и с 75,9 до

89,4% для бурого угля для АШ соответственно. "

8. Разработаны «Рекомендации по производству бытового угольного топлива на

основе технологии окомкования, предусматривающей применение комбинирован- «

ного органно-минерального связующего», обеспечивающего повышение качества бытового топлива и его товарной стоимости на 6 руб/т с ожидаемым экономическим эффектом 4.5 млн.руб. в пересчете на объем производства антрацитового штыба на ш. «Гуковская».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Ржевский В. В., Осташкова И. В., Пестряк И. В. Щелочное инициирование бурых углей. - Сборник научных трудов МГИ физико-технического факультета. - М: МГИ. - 1990. - №201. - С. 24-26.

2. Ржевский В. В., Осташкова И. В., Пестряк И. В. Модификация бурых углей рас творами гидроксидов щелочных металлов. - Сборник научных трудов МГИ физико-технического факультета. - М: МГИ. -1990. - №201. - С. 38-40.

3. а/с 1804094 Способ формования композиции твердого искусственного топлива

С 10 Ь 9/10, 04.08.87 в БИ. №12,-1993. 1

4. Пестряк И. В. Изменение строения органической массы угля, модифицированного щелочными реагентами. - Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ. - 2001. -№7. - С.231-234. ,

5. Морозов В. В., Пестряк И. В. Производство гранулированного бытового топлива из угля Подмосковного бассейна. - Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ. - 2001. -№7. - С.234-237.

6. Морозов В. В., Пестряк И. В. Повышение эффективности окомкования антрацитового штыба «ПО Шахтуголь». - IV Конгресс обогатителей стран СНГ. Материалы Конфесса, т.1. - М.: Альтекс, 2003. - С. 104-106.

Подписано в печать 15.10. .2003. Формат 60x90/16

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 460

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6

»18145

Q.OO 5 -А

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пестряк, Ирина Васильевна

Глава Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ.

1.1 .Облагораживание топлива обогатительными методами.

1.2.0кускование низкосортных топлив.

1.2.1. Брикетирование углей

1.2.2. Гранулирование углей

1.3.Строение органической массы углей, механизм и кинетика термохимических реакций

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ОКОМКОВАН-НОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА.

2.1.Отбор и приготовление проб для анализа.

2.2. Технический и элементный анализ исследуемого топлива.

2.3.Характеристика компонентов шихты исследуемого топлива

2.4.Экспериментальные исследования.

2.4.1. Аппаратура и реактивы для проведения испытаний.

2.4.2. Проведение исследований по определению компонентного состава газообразных продуктов, выделяющихся при хранении и сушке топлива.

2.4.3. Обработка результатов испытаний по разделению и количественному определению компонентов сухого газа.

2.4.4. Проведение исследований по сжиганию топлив.

2.4.5. Обработка полученных экспериментальных данных

2.5.Экспериментальные исследования по определению прочностных характеристик окомкованного топлива.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАССЫ УГЛЕЙ С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ РЕАГЕНТАМИ - МОДИФИКАТОРАМИ.

3.1. Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы бурых углей.

3.2. Исследование процесса реагентного модифицирования структуры органической массы каменных углей.

3.3.Исследование поведения серы твердых топлив в процессе их окисления.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ОКОМКОВАННОГО ТОПЛИВА.

4.1. Принципиальная схема опытов по окомкованию углей.

4.2. Исследование и оптимизация процесса гранулирования бурого угля.

4.3. Исследование и оптимизация процесса гранулирования антрацитового штыба.

4.4. Исследование влияния реагентного модифицирования структуры органической массы углей на потребительские свойства окомкованного топлива.

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОКОМКОВАНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕАГЕНТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ.

5.1. Разработка технологической схемы производства окомкованного бытового топлива.

5.2. Оценка эффективности разработанной технологии производства окомкованного бытового топлива.

5.2.1. Оценка механических свойств окомкованного бытового топлива.

5.2.2. Оценка потребительских свойств окомкованного бытового топлива.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего"

Твердые горючие ископаемые широко используются в качестве энергетического топлива и успешно конкурируют с нефтью и газом в силу их значительных запасов в земной коре. Особенно большая роль в этом отношении отводится каменным и бурым углям. Основными энергетическими потребителями углей являются электростанции, промышленные котельные, коммунально-бытовое хозяйство и население. Причем, на долю последних приходится более 20% добываемого угля.

Одной из главных задач угольной промышленности является обеспечение потребности страны топливом в полном объеме и требуемого качества. Но на протяжении последних лет экологическая чистота и качество добываемых углей изменялись в нежелательном направлении: увеличивались зольность, влажность и содержание серы, уменьшалась теплота сгорания и снижалась крупность кусков. Качественный состав добываемого твердого топлива ухудшался вследствие смещения добычи топлива в сторону низкометаморфизованных углей. Поэтому наблюдается дефицит в квалифицированном топливе для слоевых топочных устройств, конструктивно рассчитанных на сжигание кускового топлива. По РФ на 2000 год он составляет от 15 до 20 млн.т.

Ухудшение качества углей приводит к дополнительным затратам и большим потерям в сфере их использования. Наличие золы в топливе снижает к.п.д. топливных агрегатов и вызывает преждевременный износ узлов оборудования. Зола в угле является балластом при железнодорожных перевозках.

Большое влияние на теплотехнические показатели потребителей угольного топлива оказывает гранулометрический состав, постоянно изменяющийся в сторону увеличения удельного веса мелочи (размер куска менее 6 мм) в общем, объеме добываемых углей. Сильно измельченный уголь не может использоваться потребителями со слоевой системой сжигания (отопительные печи, промышленные и бытовые котельные, частный сектор и др.), приспособленных к работе только на угле крупных классов (размер куска свыше 13 мм). В противном случае имеют место большие потери энергетических ресурсов.

Содержащиеся в угле сернистые соединения наносят большой вред энергетическому оборудованию и загрязняют окружающую среду. Присутствие серы в энергетическом угольном топливе вызывает коррозию оборудования и преждевременный износ отдельных узлов и деталей, (срок службы оборудования сокращается в 3 - 5 раз), увеличивает стоимость выработки электроэнергии на 15 - 25%. Поступающие в атмосферу большие количества соединений серы определяют ряд отрицательных последствий загрязнения атмосферы - изменение климата, нарушение круговорота веществ в биосфере, деградацию флоры и фауны. Несмотря на это, извлечение серы из углей на углеподготови-тельной стадии в должных объемах в нашей стране не ведется. Из общего количества серы, содержащейся в добываемых углях, удаляется в лучшем случае 20 - 25% её общего содержания. Трудность обогащения определяется специфическими условиями её распределения в угольном веществе. Современная энергетика для соблюдения санитарных норм по содержанию двуоксида серы в отходящих газах ориентируется на рассеивающую способность газовых труб. С этой целью искусственно ограничивается мощность топливоэнергетических установок, и сооружаются трубы с высотой более 300 м, на каждый процент серы в угле длина трубы возрастает на 30 - 50 м. Но этим не решается вопрос об использовании серосодержащих топлив и не предотвращается накопления сернистых соединений в воздушном бассейне, так как выброс оксидов серы в высокие слои атмосферы приводит к переносу их на большие расстояния с выпадением «серного дождя».

Влага в углях также как и зола, и сера, является нежелательным компонентом. Её присутствие в топливе снижает теплотехнические показатели технологических и энергетических установок и приводит к дополнительным затратам на транспортирование угля. Все это снижает конкурентоспособность углей, как энергетического топлива.

Улучшение качественных параметров углей может быть достигнуто обогатительными методами, окускованием, а также термической и химической переработкой углей в продукцию с новыми потребительскими свойствами.

Методы обогащения позволяют удалить минеральные примеси и частично извлечь сернистые соединения на стадии подготовки топлива к сжиганию при сильном измельчении угля. И в дальнейшем такое топливо может использоваться только в пылеугольных топках электростанций, что экономически оправдано. Обогащать же низкосортные угли для бытовых потребителей экономически нецелесообразно. А поставлять им сортовой уголь невозможно из-за дефицита последнего.

Возможно облагораживание угля его окускованием методами брикетирования и гранулирования со связующим или без него. Эти методы позволяют получить бытовое топливо с высокой теплотой сгорания и равномерного фракционного состава. Вместе с тем, топливо должно иметь высокую механическую прочность и термическую стойкость, а также отвечать еще одному критерию - бездымности, так как сжигание угля в котельных коммунально-бытового хозяйства и отопительных печах у населения сопровождается выбросами в атмосферу большого количества дымовых газов, содержащих пыль, оксиды углерода, серы, азота. Рассредоточенность и малая энергетическая мощность таких потребителей, практически исключают возможность непосредственной, предварительной подготовки (обогащения, газификации) угля с последующей очисткой газа от вредных компонентов. Следовательно, население необходимо обеспечить бездымным угольным топливом - с содержанием летучих веществ не более 12%.

Бездымное топливо может быть получено в результате разработки и внедрения таких технологических схем, которые позволят не только превратить низкосортный исходный уголь в куски нужного размера с повышенной теплотой сгорания, но и изменить его природу в нужном направлении. К таким схемам относятся: брикетирование полукокса из старых бурых углей с последующей термоокислительной обработкой брикетов, термическая обработка каменноугольных брикетов твердым теплоносителем, производство бездымного топлива в кольцевых печах, термобрикетирование без связующих материалов, термическое обогащение в вихревых камерах. Все эти технологии требуют доработки и опытной проверки в укрупненных масштабах с тем, чтобы получить результаты, которые можно смоделировать на промышленные предприятия. Следовательно, в перспективе сохраняется дефицит в бездымном окускованном топливе.

Решение задачи удовлетворения спроса на бездымное окускован-ное топливо может быть достигнуто направленным изменением структуры органической массы углей, которое позволит изменить поведение угля в термических процессах, уменьшить выход летучих, в том числе и серосодержащих веществ, получить коммунально-бытовое топливо и удовлетворить запросы большого числа потребителей.

В соответствии с вышеизложенным, при выполнении данной работы ставились задачи:

- исследование влияния реагентов на структуру соединений, входящих в состав органической массы угля;

-разработка и опытно-лабораторные испытания технологии производства гранулированного бездымного топлива.

Выполнение поставленных задач позволит разработать метод повышения качества гранулированного топлива путем реагентного модифицирования структуры органической массы, что позволит решить проблему дефицита бытового топлива.

Цель работы - заключается в установлении закономерностей влияния состава органо-минерального связующего на процесс окомко-вания и их использовании для повышения качества бытового окуско-ванного топлива.

Научные положения, разработанные лично автором и их новизна:

2. Установлены новые закономерности изменения прочностных свойств окатышей при варьировании гранулометрического состава шихты, расхода и состава комбинированного органо-минерального связующего в процессе окомкования. Показано, что за счет оптимизации состава связующего получают окатыши с прочностью на раздавливание 16 и 30 кг/гран , на сбрасывание - 98%, влагостойкостью — в -7% для бурого угля и антрацитового штыба, соответственно. Впервые установлено, что щелочное модифицирование структуры органической массы углей обеспечивает улучшение механических свойств окатышей за счет повышения адсорбционной способности угля к лигносульфо-натному связующему.

3. Разработан метод повышения качества окомкованного топлива, включающий применение органо-минерального связующего на основе ССБ и гидроксида кальция в заданном соотношении на стадии подготовки шихты к окомкованию.

5. Установлены закономерности влияния гидроксидного модифицирования на снижение содержания окислов серы в продуктах сгорания окускованного угольного топлива. Показано, что за счет применения содержащихся в связующем щелочных модификаторов достигается увеличение доли связываемой серы с 15 до 60%. Впервые установлено, что наиболее эффективно связывание серы угля в сульфатные производные обеспечивается равномерно распределенными по структуре угля ионами кальция.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью установленных закономерностей реагентного (неорганического, щелочного) воздействия на структуру углей при многократных экспериментах; непротиворечивостью полученных экспериментальных данных современным представлениям химии угля; положительными результатами экспериментальной проверки разработанного метода повышения качества окомкованного угольного топлива.

Реализация результатов работы. Разработаны «Рекомендации по производству бытового угольного топлива на основе технологии окомкования, предусматривающей применение комбинированного органо-минерального связующего», принятые к внедрению на предприятиях объединения «Гуковуголь», «Ростовуголь». Результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке лекционного и лабораторного курсов для студентов специальностей «Обогащение полезных ископаемых» и «Инженерная защита окружающей среды».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 117 наименований, содержит 39 рисунков и Збтаблиц.

Заключение Диссертация по теме "Обогащение полезных ископаемых", Пестряк, Ирина Васильевна

Основные выводы заключаются в следующем

1. В результате изучения влияние реагентного модифицирования структуры органической массы углей разной степени углефикации на их реакционную способность в процессе термоокислительной деструкции установлено, что обработка гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов повышает адсорбционную способность к органическому связующему, увеличивает скорость и глубину разложения органической массы углей; способствует снижению температуры термического разложения .

2. Разработана «Методика определения потребительских свойств твердых топлив», позволяющая произвести комплексную оценку твердого топлива: определить его механические свойства, качественный и количественный состав, низшую теплоту сгорания, поведение в процессе горения, состав газообразных продуктов сгорания топлива, полноту выгорания, форму зольного остатка.

4. Методами регрессионного и факторного эксперимента установлены технологические параметры процесса окомкования, в наибольшей степени влияющие на технологические свойства гранул. Показано, что изменение гранулометрического состава угольной пробы от 2 до 0,1 мм, расходов ССБ от 2 до 10 %, воды от 25 до 45% и скорости вращения барабана от 14 до 30 об/мин, позволяет изменять прочность сырых гранул от 0,1 до 2,5 кг/гран; получать выход фракции + 13мм гранулированного топлива от 2 до 90%.

5. Разработаны математические зависимости, связывающие технологические свойства угольных гранул с параметрами технологического процесса окомкования. На основании анализа трехмерных зависимостей установлено, что оптимальные значения механических свойств окатышей из бурых углей достигаются: при крупности угля -0,2 мм; расходе ССБ 5,5 - 7,5% от массы угля, расходе воды 32-37% от массы угля, скорости вращения барабана 20-24 об/мин, расходе Са(ОН)г - 2%; для АШ - фракции угля 0-2мм, расходе ССБ 6% от массы угля, расходе воды 13,3 -14,5% от массы угля, скорости вращения барабана 22-24 об/мин, расходе Са(ОН)г - 4%.

6. Установлены закономерности изменения прочностных свойств и выхода товарной фракции окатышей при изменении гранулометрического состава исходного угля. Показано, что при содержании в шихте класса -0,1 мм от 20 до 45% (от массы угля) может быть получено качественное гранулированное твердое топливо (буро-угольное) с прочностью на раздавливание сырых гранул 2,5 кг/гран (сухих гранул - 20 кг/гран), прочностью на сбрасывание - 100%, с 95% выходом фракции +13мм.

7. Разработана технологическая схема производства гранулированного бытового топлива, включающая последовательные операции шихтования с одновременной подачей комбинированного органо-минерального связующего. Показано, что входящий в состав комбинированного связующего в качестве реагента-модификатора гидро-ксид кальция приводит к улучшению механических свойств гранулированного топлива: прочность на раздавливание повышается с 14 до 22,2 кг/гранулу и с 33 до 34,6 кг/гранулу; прочность на истирание возрастает с 78,3 до 93,2% и с 93,3 до 96,7%; КПД сжигания повышается с 48,2 до 59,8% и с 75,9 до 89,4% для бурого угля для АШ соответственно.

8. Разработаны «Рекомендации по производству бытового угольного топлива на основе технологии окомкования, предусматривающей применение комбинированного органно-минерального связующего», обеспечивающего повышение качества бытового топлива и его товарной стоимости на 6 руб/т с ожидаемым экономическим эффектом 4.5 млн.руб. в пересчете на объем производства антрацитового штыба на ш. «Гуковская».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - повышению эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего, позволяющего повысить механические и потребительские свойства бытового топлива.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пестряк, Ирина Васильевна, Москва

1. Новик Г. Я. Химические способы обогащения Учебное пособие. -М.: МГГУ. 1995 г. - С.4-9.

2. Бедрань Н. Г. Обогащение углей М.: Недра. 1988 г. - С. 31 - 102.

3. Ягодкина Т. К. Десульфурация углей в процессах обогащения в СССР и за рубежом // Обзор, информ. М.: ЦНИЭИуголь. - 1984 г. - 72с.

4. Десульфурация топлива и дымовых газов // Материалы первого семинара ООН по десульфурации топлива и отработанных газов, и охране окружающей среды. Женева. - Май. 1970. - С. 1230-1258.

5. Крапчин И. П. Эффективность использования углей М.: Недра. -1976 г. - С. 12 - 85.

6. Берт Р. О. Технология гравитационного обогащения // Перевод с английского Бачевой Е. Д. М.: Недра. - 1990 г. - С. 15 - 21.

7. Поваров А. И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М.: Недра. - 1978 г. - С. 11 - 15.

8. Глембоцкая Т. В. Возникновение и развитие гравитационных методов обогащения полезных ископаемых М.: Наука. - 1991 г. - С. 25 - 31.

9. Опыт работы отсадочных машин по обогащению антрацита на фабриках Донбасса. М.: Недра. - 1971 г. - 44с.

10. Руль А. С., Бондаренко А. П. Современные отсадочные машины для обогащения угля М.: Недра .- 1982 г. - 34с.

11. Курочка Э. Ф. Современное состояние и перспективы развития гидравлической отсадки угля М.: Недра. 1982 г. - 22с.

12. Дубров Ю. С., Корф А. Я. Обогащение антрацитов М.: Недра.-1971. - С .33 - 37.

13. Благова 3. С. Опыт обогащения крупного угля в трехпродуктовых тяжелосредных сепараторах М.: Недра. - 1976 г. - 46с.

14. Зарубин J1. С., Иофа М. Б. Технология глубокого обогащения и обессеривания угля в тяжелосредных гидроциклонах за рубежом // Обзор. -М.: -1980 г. 29с.

15. Иофа М. Б. Обогащение мелкого угля в тяжелосредных гидроциклонах. М.: Недра. - 1978 г. - С. 34 - 36.

16. Гройсман С. И., Смураго Э. В. Опыт обогащения бурых углей в тяжелых суспензиях в ЧССР // Обзор. М.: - 1979 г. - 34с.

17. Абрамов А. А. Флотационные методы обогащения. М.: Недра.-1993 г. - С. 12 - 35.

18. Разумов К. А. Флотационный метод обогащения // Конспект лекций. Л. - 1975 г. - С. 27 - 32.

19. Пиккат Ордынский Г. А., Острый В. А. Технология флотационного обогащения углей - М.: Недра. - 1972 г. - С. 19 - 27.

20. Дебердеев И. X., Красникова Н. А. Обессеривание углей в процессе флотации // Обогащение и брикетирование угля. М.: ЦНИЭИ Уголь. -1980 г. - С. 11 - 14.

21. Благов И. С. Обогащение углей на концентрационных столах М.: Недра. - 1967 г. - С. 13 -25.

22. Кармазин В. В., Кармазин В. И. Магнитные и электрические методы обогащения. М.: Недра. - 1988 г. - С. 30 - 44.

23. Святец И. Е. Технологическое использование бурых углей. М.: Недра. - 1985 г. - С. 63 - 68.

24. Новые направления в технике и технологии обогащения углей // Доклады. 12-тый Международный конгресс по обогащению углей. Краков, Польша. - 1994 г. 23 - 27. 05. - т. 1. - С. 339 - 453.

25. Рубан В. А., Крапчин И. П., Кирсанова О.П. Экономическая целесообразность облагораживания углей // Химия твердого топлива. 1997 г. -№2. - С. 86 - 91.

26. Головин Г. С., Рубан В. А., Фомин А. П. Современные направления получения окускованного бездымного топлива для малых энергетических установок и бытовых печей // Уголь. 1996 г. - №2. - С. 38 - 42.

27. Глущенко И. М. Теоретические основы технологии твердых горючих ископаемых // Учебное пособие для ВУЗов. Киев.: Высшая школа. -1980 г. - С. 60 - 201.

28. Наумович В. М. Теоретические основы процесса брикетирования торфа Минск, Изд. АН БССР. - 1960 г. - 186 с.

29. Кегель К. Брикетирование бурого угля М.: Углетехиздат. — 1957 г. - С. 14 - 165.

30. Равич Б. М. Современная технология производства рудных брикетов // Бюллетень ин-та Черметинформация. 1975 г. - сер.З. - вып. 2. - С. 22.

31. Тайц Е. М., Равич Б. М., Андреева И. А. Получение окускованного бездымного топлива и кокса М.: Недра. - 1970 г. - С. 12-21.

32. Менковский М. А., Равич Б. М., Окладников В. П. Связующие вещества в процессах окускования горных пород М.: Недра. - 1977 г. - С. 79 - 92.

33. Кекелидзе М. А., Галашвили К. Д., Габриадзе Н. Д. Брикетирование чиатурского марганцевого концентрата 1 сорта // В кн. : Производство и применение марганцевых ферросплавов Тбилиси: Мецниереба. 1968 г. - С. 140 - 146.

34. Воробьев В. Н., Лещенко П. С., Климова Л. К. Экологически чистые связующие для получения бытового топлива из углей мелких классов // Химия твердого топлива. 1997 г. - №2. - С. 81 - 85.

35. Воробьев В. Н., Лещенко П. С., Проскуряков В. А., Сыроежко А. М., Чистяков А. Н. Связующие и гидрофобизаторы для получения гранулированного бытового топлива из бурых углей // Химия твердого топлива. -1997 г. №4. - С. 51 - 58.

36. Получение бездымного бытового топлива из мелочи бурых и каменных углей // Доклады на конференции, ИГИ. М. -ноябрь. 1975 г. 11с.

37. Потапенко О. Г. Способы получения формованного топлива // Доклад на совещании по химии и технологии твердого топлива, ИГИ. М. -1999 г. - 9с.

38. Панов В. Н. Комплексное использование низкосортного твердого топлива // Международный симпозиум стран-членов СЭВ. ГДР, Дрезден. -Март, 1976 г. - 12с.

39. Зверев Д. К. Обзор методов получения бездымного топлива для коммунально-бытового потребления // Доклады на научной конференции ИГИ. М. - 1975 г. - 13с.

40. Обогащение угля и переработка топлив // Под ред. Филиппова Б. С. М.: Недра. - 1975 г. - т. 25. - вып.З . - С. 23 - 29.

41. Обогащение угля и переработка топлив //Под ред. Филиппова Б. С .- М.: Недра. 1975 г. - т. 26. -вып.1. - С. 12 - 15.

42. Крохин В. Н. Брикетирование углей М.: Недра. - 1974 г. - С.21

43. Вопросы эффективного сжигания энергетических углей // Сборник научных трудов, ЭНИН им. Г.М. Кржижановского. М. - 1984 г. - С. 15 -37.

44. Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлив // Межвузовский научный сборник (Саратовский государственный технический университет), Саратов. 1993 г. - С. 11 - 57.

45. Новые способы использования низкосортных топлив в энергетике // Сборник научных трудов, ЭНИН им. Г.М. Кржижановского. М. - 1989 г.- С. 23 40.

46. Бюхнер П. Изучение процесса гранулирования и коксования бурых углей и отходов брикетных фабрик.// Автореф. диссертации к. т .н. МХТИ.- М. 1969 г.

47. Struve V. // Chemie-Ingenieur Technik. - 1964. - №10. - Р. 1019.

48. Ляхов П. А. Окускование руд и концентратов // Механобр 50лет.- Л.: 1970 г. С. 189 - 194.

49. Парфенов А. М. Основы агломерации железных руд. М.: Метал-лургиздат. - 1966 г. - С 23 - 49.

50. Патковский А. Б. Фабрики для окускования рудного сырья черной металлургии. М.: Металлургия. - 1964 г. - С. 29 - 35.

51. Классен П. В., Гришаев И. Г. Основы техники гранулирования -М.: Химия. 1982 г. - С. 27 - 42.

52. Rumpf Н. // Chemie- Ingenieur- Technik. 1974. - v.46. - №1. p.l11.

53. Сысков К. И., Царев В. Л., Машенков О. Н. Гранулирование и коксование бурых углей М.: Металлургия. - 1968 г. - С. 16 - 54.

54. Окладников В. П., Марков Л. К., Туренко Ф. П. // Авт. свидетельство №191812 от 23. 10. 1965. «Бюллетень изобретений». - 1967 г. - №4. -С. 19.

55. Шнапер Б. И., Зинчук И. Ф. // Химия твердого топлива. 1974 г. -№2. - С. 3 - 9.

56. Окладников В. П., Коркунова М. А., Кашпурова Н. П. Способы получения связующего вещества для брикетирования кварцсодержащих шихт // Авт. Свидетельство №251830. «Бюллетень изобретений» .- 1967 г. -№28. - С. 18.

57. Балес А. А., Сомова Т. Н., Балес А. В. Подготовка шихты для обжига и спекания Свердловск: Металлургия. - 1983 г. - №6. - С. 26 - 29.

58. Гагут J1. Д. // Экономика черной металлургии. М.: Металлургия. -1979 г. №8. - С. 73 - 78.

59. Beis Н. В. Техника гранулирования и окомковательные машины // Auflereitung-Fechnik. 1970. -V.11.- №5. - С. 381 - 389.

60. Van Krevelin D. W. // Chemical Structure and properties of coal.-Xvlll.-Coal constitution and solvent extraction // Fuel. 1965. - v.44. - P.229 -242.

61. Brown J. K., Ladner W. R. A study of the hydrogen distribution nuclear magnetic resonance spectroscopy // Fuel. 1960. - v.39. - P.87 - 96.

62. Kolling G., Hausigk D. Neuere Ergebniss zur Strukturermittlung von Steinkohle mit chemischen Methoden // Brennstoff Chemie. - 1969. -v.50. -P.65 - 68.

63. Hayatsu R., Winans R. E., Scott R. G., Moore L. P. Trapped organic compounds and aromatic units in coal // Fuel. 1978. - v.57. - P.541 - 548.

64. Ван-Кревелен Д. В., Шуер Ж. Наука об угле. М.: ГНТИЛ по горному делу. - 1960. - 303 с.

65. Sternberg Н. W., Delle Donne С. L., Pantages P. Pet al. Solubilization of coal by reductive alkylation // Fuel. 1971. - v.50. - P.432 - 442.

66. Кочканян P. О., Баранов С. H. Электронное восстановление углей щелочными металлами // Химия твердого топлива. 1980 г. - №3. - С.40 -44.

67. Wachowska H., Pawlak W. Effect of cleavage of ether linkages on physicochemical propeties coal // Fuel. 1977. - v.56. - P.422 - 426.

68. Skripchenko G. B. Aspects of coal structure and reactivity // Proc. Intern. Conf. on Coal Science, Pittsburg, Intern. Energy Agency. 1983. - P.296 -299.

69. Krichko A. A., Gagarin S. G. Physical and chemical aspects of donor-acceptor interactivn in coal hydrogenation // Proc.Intern.Conf. on Coal Science, Pittsburg, Intern. Energy Agency. 1983. - P.691 - 694.

70. Гагарин С. Г., Кричко А. А. Концепция самоассоциированного мультимера в строении углей // Химия твердого топлива. 1984 г. - №4. -С.З - 8.

71. Скрипченко Г. Б., Ларина Н. К., Луковников А. Ф. Современные тенденции в исследовании структуры углей // Химия твердого топлива. -1984 г. №5. - С.З - 11.

72. Скрипченко Г. Б. Межмолекулярная упорядоченность в ископаемых углях // Химия твердого топлива. 1984 г. - №4. - С. 18 - 26.

73. Гагарин С. Г., Скрипченко Г. Б. Современные представления о химической структуре углей // Химия твердого топлива. 1986г. - №3. - С.З -14.

74. Скрипченко Г. Б., Гагарин С. Г. Молекулярное и межмолекулярное упорядочение в углях // Доклад на совещании по химии и технологии твердого топлива, ИГИ. М. - 1988 г. - 10с.

75. Кухаренко Т. А. Окисленные в пластах бурые и каменные угли -М.: Недра. 1972 г. - С. 15 - 26.

76. Касаточкин В. И. Элементы структурной химии угля // В кн. Структурная химия углерода и углей. М.: Наука. - 1969 г. - С.235 - 248.

77. Лукьянова 3. К., Мазина О. И., Раковский В. Е. и др. Термическая деструкция природных полимеров в присутствии хлорида цинка // Химия твердого топлива. 1979 г. - №4. - С.48 - 53.

78. Саранчук В. И., Бутузова Л. Ф. Термохимические превращения на отдельных стадиях процесса окислительной деструкции бурых углей // Химия твердого топлива 1989 г. - №6. - С.34 - 40.

79. Бутузова Л. Ф., Саранчук В. И. и др. Превращения различных форм кислорода при пиролизе бурых углей // Химия твердого топлива. -1990 г. -№1. С.9 - 13.

80. Скляр М. Г., Лурье М. В., Шустиков В. И. Математическое моделирование термического разложения сапропелитового угля // Химия твердого топлива. 1971 г. - №1. - С.40 - 50.

81. Юровский А. 3. Сера каменных углей. М.: Изд-во АН СССР. -1960 г. - С. 29 - 35.

82. Баранский А. Д., Родионова Л. Е. и др. Об органической сере каменных углей // Химия твердого топлива. 1973 г. - №1. - С.50 - 56.

83. Матвеев В. Е. Термоаналитическое исследование влияния минеральных добавок на пиролиз бурого угля. Фрунзе.: Киргизское ИНТИ. -1971 г. - С.61 - 62.

84. Кошелев Е. А., Белихмаер Я. А. Исследование влияния обработки растворами солей и гидроксидов щелочных металлов на кинетику газообразования Назаровского угля // Химия твердого топлива. 1985 г. - №3. - С.44 - 47.

85. Осташеская Н. С. Лоскутова Е. Н. и др. Химия скоростного пиролиза бурых и каменных углей Новосибирск.: Изд-во Наука. - 1976 г. - С. 11 - 19.

86. Бутузова Л. Ф., Саранчук В. И. Микротекстура и микроструктура коксов, полученных с добавкой гидроксида кальция // Химия твердого топлива. 1997 г. - №4. - С.21 - 26.

87. Рузинов Л. П. Статистические методы оптимизации химических процессов М.: Химия. - 1972 г. - С. 12 - 43.

88. Дик Э. П., Кускова Ю. Я. Термодинамическая вероятность некоторых кальциевых соединений в атмосфере дымовых газов // Материалы конференции по процессам в минеральной части энергетического топлива., Таллин. 1969 г. - С.46 - 54.

89. Сапунов В. А. Строение углей, модифицированных гидроксидами щелочных металлов и их реакционная способность в окислительной термической деструкции // Доклад на совещании по химии и технологии твердого топлива, ИГИ. М. - 1988 г. - Юс.

90. Саранчук В. И., Бутузова Л. Ф., Буравцова О. А., Шендрик Т. Г. Пиролиз бурого угля в условиях ограниченного доступа кислорода // Химия твердого топлива. 1983 г. - №6. - С.61 - 66.

91. Сапунов В. А., Кучеренко В. А. Влияние импрегнирования щелочами и термообработки на парамагнитные свойства бурых углей Химия твердого топлива. 1989 г. -№3. - С.32 - 36.

92. Братчун Б. И., Сапунов В. А., Кучеренко В. А., Зубова Т. И., Долгова М. О. Изменение структуры антрацитов при их взаимодействии со щелочами // Труды ИПКОН АН СССР. 1983 г. - С. 38 - 45.

93. Давыдова Ж. А., Сухов В. А., Луковников А. Ф. Образование и реакционная способность парамагнитных центров в процессе окисления бурого угля, содержащего в кислых группах катионы кальция // Химия твердого топлива. 1983 г. - №6. - С.38 - 44.

94. Яресько Т. Д., Смуткина 3. С., Щелкунова Т. Ф., Фролова Н. В., Скрипченко Г. Б. Кинетика декарбоксилирования бурого угля // Химия твердого топлива. 1977 г. - №6. - С.17 - 24.

95. Соколова Е. И. Исследование процессов распределения серы при термической подготовке твердых энергетических топлив // Автореф. диссертации к. т. н., Саратов. 1971 г. - 25с.

96. Бруер Г. Г., Казаков Е.И., Кудрявцев В. С. Исследование поведения серы и фосфора некоторых твердых топлив в процессе их пиролиза и окисления // Химия твердого топлива. 1980 г. - №3. - С.55 - 61.

97. Володарский И. X. Распределение форм серы в продуктах сжигания углей // Химия твердого топлива. 1989 г. - №3. - С.48 - 51.

98. Солдатенко А. X. Изучение возможности получения гранулированного бездымного топлива из каменных и бурых углей // Автореф. диссертации к. т .н. ИГИ. - М. - 1975 г. - 24с.

99. Ганкина JI. В. Термическая деструкция бурых углей, модифицированных гидроксидами кальция и бария // Автореф. диссертации к. х. н. -ИГИ. М. - 1981 г. - 23с.

100. Саранчук В. И., Бутузова JI. Ф. Пиролиз в центробежном поле каменных углей, увлажненных в различных условиях // Химия твердого топлива. 1996 г. - №5. - С.41 - 46.

101. Бутузова JI. Ф. Роль воды в процессах термической переработки бурого угля // Химия твердого топлива. 1998 г. - №2. - С.39 - 43.

102. Ларина Н. К., Миссерова О К., Смуткина 3. С., Коваленко Г. С. Исследование природы органо минеральных соединений в бурых углях // Химия твердого топлива. - 1976 г. - №3. - С.44 - 47.

103. Богопольский И. Е., Калачева Л. В. Метод определения и оценки природной горной ренты // Уголь. 2002 г. - №11. - С. 34 - 37.

104. Экономический механизм рационального использования и охраны недр.// М., Академия народного хозяйства РФ, 1990.

105. Хрущев H.A. Оптовые цены и замыкающие затраты как основы экономической оценки месторождений полезных ископаемых. / Вопросы экономики, 1995, №6, с.3-13.

106. Ржевский В. В., Осташкова И. В., Пестряк И. В. Щелочное инициирование бурых углей. Сборник научных трудов МГИ физико-технического факультета. - М: МГИ. - 1990. - №201. - С. 24-26.

107. Пестряк И. В. Изменение строения органической массы угля, модифицированного щелочными реагентами. Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ. - 2001. -№7. - С.231-234.

108. Морозов В. В., Пестряк И. В. Производство гранулированного бытового топлива из угля Подмосковного бассейна. Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ. - 2001. -№7. - С.234-237.

109. Морозов В. В., Пестряк И. В. Повышение эффективности окомкования антрацитового штыба «ПО Шахтуголь». IV Конгресс обогатителей стран СНГ. Материалы Конгресса, т.1. - М.: Альтекс, 2003. - С.104-106.

Информация о работе

Пестряк, Ирина Васильевна
кандидата технических наук
Москва, 2003
ВАК 25.00.13

Диссертация

Повышение эффективности окомкования углей на основе применения комбинированного органо-минерального связующего - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы