Разработка и обоснование технологии экструзионного брикетирования торфяного и техногенного сырья

Горбунов, Александр Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и обоснование технологии экструзионного брикетирования торфяного и техногенного сырья
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и обоснование технологии экструзионного брикетирования торфяного и техногенного сырья"

На правах рукописи

Горбунов Александр Викторович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРУЗИОННОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ ТОРФЯНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2014 005544229 _

__ . _ . _ Екатеринбург - 201J

005544229

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук,

доцент Гревцев Николай Васильевич.

Официальные оппоненты: Морозов Юрий Петрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «УГГУ», профессор кафедры обогащения полезных ископаемых;

Иванов Виктор Васильевич,

кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт асбестовой промышленности», заместитель генерального директора.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук», г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится 30 декабря 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, д. 30, 2-й учебный корпус ауд 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 29 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года, важное значение имеет оптимальное использование местных видов топлива, к которым относится торф. Энергетические запасы торфа, составляющие 68,3 млрд. т.у.т., превосходят запасы нефти и газа. Использование торфа в энергетике приводит к сокращению потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов и к снижению экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса. На сегодняшний день российскими учеными разработаны эффективные схемы, позволяющие существенно расширить направления использования торфяного топлива.

В последнее время для окускования различных дисперсных материалов все более широкое применение в энергетике и металлургии находит технология жесткой экструзии. Создание новых технологических процессов производства экс-трузионных брикетов коренным образом изменит возможности переработки торфяного и техногенного сырья, позволит организовать производство эструзион-пых брикетов для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве, а также в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах. Решению этого актуального вопроса и посвящена настоящая диссертация.

Объектом исследования является технология брикетирования торфяного и техногенного сырья.

Предметом исследования является экструзионное брикетирование наиболее распространенных на Урале видов торфа, отсевов каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходов графитации угольных стержней, металлургических концентратов и отходов с содержанием меди, свинца. железа, марганца, кремния, цинка и других металлов.

Целью работы является обоснование технологических и технических разработок по экструзионному брикетированию дисперсных материалов на основе закономерностей изменения качественных характеристик брикетов в зависимости от свойств составляющих компонентов и применяемых энерготехнологических операций.

Идея работы. Использовать природные свойства торфяного и техногенного сырья для производства экструзионных брикетов путем сбалансированного подбора характеристик исходных компонентов, проведения необходимых энерго-тсхнологических операций, обеспечивающих требуемое качество брикетов для их эффективного применения в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах.

Задачи исследования.

Исследование структурно-механических, водных и прочностных свойств экструзионных брикетов, их изменения в процессе шихтования, механического диспергирования, жесткой экструзии и сушки.

Исследование процессов конвективной сушки экструзионных брикетов и обоснование технологических режимов, обеспечивающих необходимые качественные показатели готовой продукции.

- Выбор оптимального состава экструзионных торфяных брикетов.

- Исследование эффективности применения экструзионных брикетов в производственных условиях для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах.

- Внедрение результатов научно-исследовательских разработок в учебный процесс подготовки специалистов, а также в практику проектирования и промышленного производства.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследования, включающий анализ и обобщение результатов существующих методов окускования материалов, теоретический анализ процесса экструзионного брикетирования и экспериментальные исследования в лабораторных условиях. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики и программное обеспечение.

Положения, выносимые на защиту:

1. Управление качественными показателями брикетов обеспечивается: выбором торфяного сырья в зависимости от его органического и минерального состава и структурных характеристик; введением в состав брикетируемой шихты дисперсных углеродсодержащих или металлсодержащих материалов; жесткой экструзией шихты в двухфазном пластическом состоянии.

2. Прочность экструзионных брикетов определяется параметрами процесса сушки, которые обеспечиваются осциллирующим режимом, подачей сушильного агента и конструктивными особенностями предлагаемого сушильного устройства.

3. Разработанная технология экструзионного брикетирования обеспечивает получение топливно-плавильных брикетов с необходимой механической прочностью и термоустойчивостью для применения их в шахтной плавке.

технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья и получить следующие новые результаты:

закономерности изменения структурно-механических, физико-технических, водно-физических, прочностных свойств экструзионных брикетов в зависимости от их состава;

закономерности и особенности тепловлагопереноса и структурообразова-иия экструзионных брикетов в процессе их сушки;

технологические регламенты процессов производства топливных экструзионных брикетов для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и топливно-плавильных материалов для металлургических процессов;

- теоретически обоснованы требования к специализированному технологическому оборудованию для сушки экструзионных брикетов;

обоснованы перспективные направления производства и использования жс грузионных брикетов.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания технологии и оборудования для производства экструзионных брикетов и их использования в качество топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве, а также топливно-плавильных материалов для металлургических процессов.

Внедрение результатов работы. Разработанные и научно обоснованные диссертантом технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья новые методы и методики внедрены в промышленность, в научно-исследовательскую, проектную практику и в учебный процесс.

Достоверность результатов и выводов в диссертации. Обеспечивается комплексностью, повторяемостью, воспроизводимостью и надежностью экспериментов, соответствием экспериментальных данных известным и выдвигаемым теоретическим положениям, прошедшим проверку практикой, а также проведением контрольных испытаний качественных показателей и использования в промышленных условиях новых экструзионных брикетов.

Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично автором при непосредственном участии. Личное участие состоит в постановке и разработке основной идеи и темы диссертации, в разработке программы теоретических и экспериментальных исследований.

Автором выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, осуществлена их практическая реализация в промышленности и в учебном процессе. В работе ис-

пользовались экспериментальные, данные, полученные автором совместно с профессорами Б.М. Александровым, Н.В. Гревцевым, доцентами И.А. Тябото-ным, A.B. Колтуновым. Всем им автор выражает глубокую признательность за совместную плодотворную работу по проведению исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международных научно-практических конференциях «Уральская горная школа - регионам», проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005-2013 гг..); II и III специализированных выставках-конференциях «Экология. Управление отходами» (Екатеринбург, 2011, 2012 гг..); Международных промышленных выставках «ИННОПРОМ»-2011-2013 (Екатеринбург, 2011, 2012, 2013 гг..).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, определяемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, содержащего 170 источников. Объем работы - 132 страницы машинописного текста, в том числе 33 рисунка и 49 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Современное состояние брикетирования торфяного и техногенного сырья

Выполнен аналитический обзор методов окускования, применяемых в горной и металлургической промышленностях, их основные преимущества и недостатки, обоснована необходимость продолжения работ по поиску новых решений в данном направлении.

Сформулированы задачи работы по установлению основных закономерностей изменения качественных характеристик экструзионных брикетов в зависимости от исходных свойств торфа и составляющих компонентов, режимов производства.

2. Экспериментально-теоретические исследования свойств •»кструзионных брикетов

2.1. Исследованию процессов окускования торфа и созданию средств механизации посвящены работы: Александрова Б.М., Афанасьева А.Е., Воронкова Б.Б., Гамаюнова С.Н., Гревцева Н.В., Зюзина Б.Ф., Корчунова С.С., Михайлова В.А., Опейко Ф.А., Самсонова Л.Н., Силина В.А., Солопова С.Г., Суворова В.И., Терентьева A.A., Фомина В.К., Цветкова В.И., Чистого И.Н. и других.

Применительно к производству торфяных экструзионных брикетов сбалансированный подбор качественных показателей исходного торфа и техногенного сырья является основополагающим принципом при разработке новых технологи-

ческих процессов. Согласно основному положению физико-химической механики, конечные свойства дисперсной системы зависят от начальной структуры материала, и любому ее изменению соответствуют измененные конечные свойства системы.

Терентьевым A.A. предложена классификация торфа для брикетирования и производства формованной продукции. В основу классификации положено отношение содержания гуминовых кислот ГК к содержанию легкогидролизуемых веществ ЛГ. Так, при ГК/ЛГ < 1,2 получаемые брикеты высокопрочные, а при Г К/Л Г > 2,2 - низкопрочные; для кускового торфа при ГК/ЛГ < 1,5 продукция прочная и водостойкая, а при ГК/ЛГ >2- низкопрочная.

Строения гуминовых кислот характеризуется отношением негидролизуемой (НГ) и гидролизуемой (Г) частей. При НГ/Г < 4 кусковой торф прочный и водостойкий, при НГ/Г > 5 - низкопрочный и нестойкий к осадкам.

При проведении экспериментальных исследований автором учитывалась данная классификация. Исследовались наиболее распространенные на Урале виды торфа, отсевы каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходы графитации угольных стержней, металлургических концентратов и отходы с содержанием меди, свинца, железа, марганца, кремния, цинка и других металлов, всего более 40 наполнителей, которые подразделены на наполнители, используемые для получения экструзионных брикетов топливного и топливно-плавильного назначения.

2.2. При производстве экструзионных брикетов их структура по мере десорбции влаги из жидкообразного состояния переходит в твердообразное услов-нопластичное, а затем в полутвердое и упругохрупкое с открытой пористостью. Структура экструзионных брикетов формируется под действием капиллярных и межмолекулярных сил. Объемная усадка брикетов в процессе сушки проходит в темпе обезвоживания. Газовая фаза практически отсутствует. Напряженное состояние к концу сушки снимается равномерным по всему объему смыканием контактов между частицами молекулярными водородно-водяными мостиками. В процессе структурообразования большую роль играют коллоидные частицы, способствующие более плотной упаковке. Однородная структура приводит к высокой термической и водной стойкости экструзионных брикетов.

2.3. Управление свойствами торфяных систем осуществляется многочисленными энерготехнологическими способами, при которых свойства дисперсных материалов регулируются энергозатратными воздействиями во взаимосвязи с технологическими приемами.

К числу основных способов, широко используемых в торфоперерабаты-нающих технологиях, относятся: шихтование, механическое диспергирование,

экструзионное формование, гранулирование, прессование, механическое обезвоживание, сушка.

Важное значение при производстве экструзионных брикетов имеет качество подготовки шихты, которое оценивается однородностью фракционного состава и равномерностью распределения компонентов. Шихтование способствует равномерному распределению отдельных составляющих во всем объеме материала и обеспечивает формирование однородной структуры шихты.

Процесс жесткой экструзии сопровождается интенсивным диспергированием материала, разрушением его начальной структуры за счет механического воздействия и формованием новой структуры. Оценка степени переработки торфяных композиций проводилась по величине удельной поверхности и косвенными методами по изменению свойств композиции до и после переработки (табл. 1).

Таблица 1. Изменение параметров торфяных композиций при переработке

Наименование параметра Значение параметра при соотношении торф:медный концентрат (по сухому веществу)

1 : 3 1 : 5 1 : 7

до переработки после переработки до переработки после переработки до переработки после переработки

Плотность, кг/м3 Удельная поверхность, м2/кг Содержание фракции Р250, % 1320 432 79,5 1836 460 81,7 1370 440 80,2 1935 640 95,1 1380 448 80,8 • 2160 659 96,4

Введение в шихту мелкодисперсных наполнителей и последующее механическое диспергирование изменяют фракционный состав брикетов. При этом охват торфа переработкой учитывает интегральный эффект от собственно механической переработки и введения мелкодисперсного наполнителя. В случае использования абразивного наполнителя, последний увеличивает степень переработки торфа, служащего основой брикета.

Изменение фракционного состава торфа при введении в него наполнителя характеризуют показателем М„ т.е. эквивалентным охватом переработки, обусловленным введением наполнителя. Для композиции торф:медный концентрат при соотношении по массе сухого вещества 1:7 величина Мэ составляет 40,2 %. Процесс жесткой экструзии сопровождается интенсивным диспергированием материала, разрушением его начальной структуры за счет механического воздействия и формированием новой структуры брикета.

Показатель охвата переработкой композиционной шихты вышеуказанной торфомедной композиции составляет 47,3 %, что в сумме с М, составляет 87,5 %. При переработке торфа в шнековых механизмах охват переработкой составляет порядка 30 %.

2.4. Торфяные композиционные материалы с точки зрения физико-химической механики представляют собой «твердоббразный гетерогенный комплекс, д кртором роль непрерывной фазы - пористой матрицы, играет торф, а наполнителя - вводимые дополнительные компоненты, представляющие собой дискретные частицы. V

Основные структурные характеристики эКструзионных брикетов приведены в табл. 2, которые дают количественную оценку пористой структуры полученных материалов.

A.A. Терентьевым и В.И. Суворовым проведены исследования пористой структуры окускованного торфа, показатели которой достаточно тесно коррелируют с физико-механическими свойствами готовой продукции, что позволяет установить связи типа структура-свойства и разрабатывать технологические способы и технические приемы, обеспечивающие эффективное управление пористой структурой и качественными показателями продукции путем различных энерготехнологических воздействий на исходное торфяное сырье.

Таблица 2. Характеристики пористой структуры торфяных композиций

Характеристика композиции - Абсолютная пористость, % Коэффициент пористости Влагонасы- щенность, % Газонасыщенность, %

Торф: каменноугольный кокс 1:1

шихта до переработки 86,83 6,59 25,59 61,23

брикеты после экструзии 67,81 2,11 62,57 5,25

брикеты после сушки 58,84 1,43 3,93 54,92

Торф : нефтяной кокс 1; 1

шихта до переработки 90,00 9,00 21,29 68,71

брикеты после экструзии 77,70 3,48 72,05 5,65

брикеты после сушки 54,35 1,19 4,33 50,02

Торф : медный концентрат 1:7

шихта до переработки 77,13 3,37 39,62 37,51

брикеты после экструзии 66,43 1,98 61,97 4,46

брикеты после сушки 59,77 1,45 9,59 50,18

Для качественной оценки пористой структуры выполнено микрофотографирование ашшгафов экструзионных брикетов (рис. 1).

Структура окускованных торфяных брикетов с древесным углем пестрая с высокой пористостью и включениями крупных частиц древесного угля с элементами древесины. Структура окускованных торфяных композиций с медесодержа-щим концентратом тонкозернистая с включениями крупных частиц и агрегатов мелких частиц.

Рисунок! Снимки аншлифов экструзиоиных брикетов (цена деления 0.1 мм): а торф и лреяссимй уголь при соотношении по сухой массе 1:1; б юрф и мелссолержащнй концентрат при соотношении по сухой массе 1:7.

В целом по рассмотренным снимкам можно сделать вывол, что свойства исходных компонентов, их взаимное расположение определяют структуру экстру-зионных брикетов. Торф в результате механического диспергирования и интенсивного перемешивания имеет достаточно однородную структуру и выполняет функцию пористой матрицы с распределенными в ней частицами наполнителя. Форма и размеры частиц наполнителя во многом определяют структуру брикета.

Структура оказывает влияние на формирование одной из наиболее важных характеристик экструэионных брикетов - плотности. Плотность композиции определяется процентным содержанием компонентов, их плотностью и влагосодер-жаиием (рис. 2,3).

"5 1«оо t

'»О

,1 • !»|

»' • О ПИ

1 '7М

? 1ТМ

•'•оаотг

>>)»11| - ома гИ -вчо»

) • и 11« • »14.« в'- О»««

ог

«п*«г

«ЮН само-».— «» *

Рисунок 3 Изменение плотности образцов в зависимости от содержании медного концентрата (при \&'=0.05)

Рисунок 2. Изменение плотности -»кструэмон-иых брикетов с различным содержанием медного концентрата (МК) при сушке (торф МК по сухому веществу): I - 1:3; 2 - 1:$;3- 1:7.4- 1:9 В ход« экспериментов проводились исследования зависимости прочности брикетов от йлагосодержания (рис. 4,5).

РИСуПОК 4. Кривые И1ЧСНСННЯ прочности «Аратов с различным содержанием медно-I о концентрата (МК) при сушке (юрф МК по сухому веществу):

I • 1:3; 2- 1:5; 3 - 1:7; 4 - 1:9

Рисунок 5. Кривые Н1МСНС11ИЯ прочности обрати»« с различным содержанием обожженного медного концентрата (ОМК) при сушке: (торф : ОМК по сухому вещеегв\>

I • 1:9; 2- 1:7; 3- 1:5:4- 1:3

При проведении исследований установлено, что рост прочности брикетов наблюдается на участке от начального влагосодержания (влагосодержания. при котором производится экструзиониое брикетирование) до влагосодержания, равного 0,05 кг/кг. При снижении влагосодержания менее 0,05 кг/кг происходит уменьшение прочности брикетов на 5-30 %, в зависимости от вида материала. Для данных участков определены уравнения зависимости прочности от влагосодержания (табл. 3).

Таблица 3. Уравнения зависимости прочности от влагосодержания

Состав жструзи-онных брикетов (юрф МК по сухо-м\ веществу)

1:3 1:5

1:7

1:9

Зависимость прочности брикетов Р. М11а, от влагосодержания И' на участке от И'^, до И'-0,05 кг/кг

^ = 19.073е ' н'"г

Р = 15.993* '

Р = 9,1063е

Р = 8.2552« '

0,9542

0.964

К'= 0.9834 Г-0,9878

Чавнсимосп. прочности брикетов Р, МПа. от влагосодержания 1С на участке от К -0.05 кт.'кг до И^

/' - 14.265»' »9.5158

Р = 12.041*»' 7.4255

Р - 10.469И » 4.1934

Рш |8,| 84И »3,3748

**'= 0,9-175

к1- 0,9347

К2* 0,9667 ; Я2'0.9555

Установлено, что для необожженного и обожженного медных концентратов выявлен разный характер взаимодействия с торфяным сырьем (см. рис 4,5, табл. 4). При увеличении концентрации наполнителя в шихте у необожженных ма сериалов прочность уменьшается (до 60 %), а у обожженных растет (до 80 %).

Таблица 4. Чавнсимость прочности брикетов от концентрации наполнителя

| Состав чкетрутионных брикетов

, Торф_;_мсдный концентрат__

Горф : обожженный медный огарок

Уравнение зависимости _

Р - -0.0164(7*>2.2815С-68.698 />- -0.0213С^-3,356С'» 133.49

И.9840 0,9635

Такиобразом. упраячение качественными показателями брикетов обеспечивается выбором торфяного сырья в гависииости от его органического и минерального состава и структурных характеристик, введением в состав брикетируемой шихты дисперсных углеродсодержащих или металлсодержащих материалов: жесткой экструзией шихты в двухфазном тастическом состоянии

3. Выбор и обоснование технологически* параметров производства жструзиониых брикетов

3.1. Экструзионные топливные брикеты могут применяться в качестве топлива и восстановителя в металлургических процессах. Состав топливных угле-родсодержаших брикетов должен обеспечивать высокую теплоту сгорания, необходимую механическую и термическую прочность, низкую водопоглощаемость при хранении Комплексный анализ торфяных сырьевых ресурсов и возможных углеродистых наполнителей показав, что в наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяет малозольный торф травяной, травяно-моховой и моховой групп. При выборе торфяного сырья, кроме химическою состава юлы. учитывался его групповой состав и рекомендации по получению прочной и водостойкой формованной продукции табл. 5.

Таблица 5 Характеристика составляющих юрфо-нсфгекоксовых композиций

Зольность. % Состав золы. % Состав шихты, % Максимальная теплота сгорания шихты. МДж'кг

Составляющие содержание. кг/кг А1 Ре С»

1орф (верховой, сфагновый) - 6.5 0.34 0.62 2.28 19.09 26.92

11ефтекокс 0.001 0.8 0.05 0.01 0.08 80.91

Торф (верховой, сфагновый) 1.5 6.5 0.34 0,62 2.28 53.85 19.47

Каменный уголь 0.149 »5 9.26 10.11 1.9 46.15

1 орф (верховой, сфа) новый) 1.5 6,5 0.34 0.62 2.28 57.98 19.33

У| оль-антрацнт 0.062 6 Л 11.43 9.38 3.68 42,02

Горф (верховой. сфагновый) 1.5 6.5 0.34 0,62 2.28 50.72 20.03

Древесный уголь 0.1 II 1.5 2.4 1.2 7,8 -- 49,28

Оптимизация двухкомпонентного состава экструзионных брикетов при их использовании в качестве топлива может быть выполнена методом линейного профаммирования при условии нахождения максимально возможной теплоты сюрания с учетом ограничений по условиям производства и требований по золь-

носги Наилучшие качественные показатели получены при использовании нефтяного кокса.

3.2. Исследование и обоснование режимов сушки экструзионных брикетов

Сушка влажных жструзионных брикетов представляет собой сложный теп-лофизичсский и физико-химический процесс. Это обусловлено, с одной стороны, удалением различных форм и энергий сшзи воды с материалом, с другой - процессами сгруктурообразоваиия и усадки, вследствие проявления усадочных давлений. Режимы сушки и ход усадки во многом определяют качество готовой продукции

Сушка влажных экструзионных брикетов происходит с убывающей интенсивностью, период постоянной интенсивности отсутствует (рис.6,7).

Рисунок 6. Кривые сушки жстр> 1ИОН11ЫХ Рисунок 7. Кривые интенсивности сушки

брикетов с различным содержанием медного экструзионных брикетов с различным солер-

концентрата (МК) (торф : МК по сухому веще- жаиием меллого концентрата (МК) (торф : МК

ству) по сухому веществу)

I - 1:3; 2- 1:5; 3 - 1:7; 4-1:9 I -1:3; 2 • 1:5; 3 -1:7; 4 - 1:9

Экспериментально определены параметры уравнения кривой сушки для экструзионных брикетов различного состава, что позволяет проводить инженерные расчеты процесса сушки с использованием существующих методик (табл. 6). Процесс структурообразования обусловливает объемную усадку брикета. Зависимость изменения объема экструзионного брикета от влагосодержания представляет ломаную прямую с угловыми коэффициентами объемной усадки К^ и Ку&. Для топливных экструзионных брикетов Кус1 находится в пределах 0,39-0,68; А'ус2

в пределах 0,00-0,30. Для зопливно-плазильных экструзионных брикетов К„\ находится в пределах 1,54-3,10; К^- в пределах 0,20-0,55.

Габлииа 6 Уравнения кривых сушкии итенсивности сушки экс1ру-1иоиных брнкггов

Состав >кстру>и-ошшх брикетов < Горф:медный концентра! по сухому веществу) Уравнении кривых сушки Уравнения интенсивности сушки

1:3 г =00086»^ -01434»' -.06086 =0.998 / - 3.442»' -0.024 Я» -0.994

1:5 г = 0.01051»"' -0.1465» * 0.5206 Я1- =0.090 / = 3.746» -0.013 -0.995

1.7 г ш 0.0058» -0.0904»' + 0.3531 -0,999 1 = 4.701» -0.015 1С' =0.9667

г. 0.0072»'; -0.0952»' +0.3240 ^ Я7= ^0,998 / = 4868»'+ 0.055 - =0.991

Общая продолжительность сушки торфяных и композиционных брикетов от начального влагосодержания №„ до конечного влагосодержания И', сильно различаете», в минсимос°1И от режима сушки, состава брикетов, геомефических размеров. Метод и режимы процессов сушки необходимо выбирать на основе комплексного анализа энергетической эфф:ктивности процесса и создания оптимальных условий структурообразования композиционных материалов.

Основными задачами выбора технологии сушки являются выбор наиболее >ффективной сушильной установки дл* конкретного композиционного материала и нахождение оптимального режима сушки, обеспечивающего заданные качественные показатели продукции при минимальных энергетических затратах.

Для установления оптимального режима сушки и выбора конструкции сушилки проведены исследования на мод:льной секции сушилки.

Анализ кинетики изменения температуры воздуха из модельной секции показал, что интенсивность теплообмена зависит от диаметра и начальной влажно-сги брикета и загрузки сушильного устройства. От этих же показателей зависит и количество испаренной влаги за единицу времени Экспериментально установлены зависимости средней скорости суики брикетов от их начальной влажности при различных режимах вентилирования модельной секции.

Результаты исследований указывают, что обезвоживание экструзиомных брикетов целесообразно проводить в осциллирующем режиме, т.е. в режиме смены периода активного вентилирования периодом снятия температурных и влаж-постных фалиентов (период релаксации напряжения). Последующее вентилирование увеличивает скорость сушки с 0,077 до 0,165 (кг/кгУч, т.е. более чем в 2 раза. Осциллирующий режим сушки эгетрузионных брикетов положительно сказывается и на их прочности. В результате произведенных замеров установлено, что прочность брикетов увеличивается на 40-70 %.

Экспериментально определена производительность секции-сушилки по испаренной влаге. Установлено, что в первый час производительность в три раза выше, чем во второй. Результаты выполненных исследований использованы при обосновании конструкции промышленной сушилки (рис.8).

Сушильная камера выполнена наклонной и дополнительно снабжена зоной релаксации, расположенной между температурными зонами, при этом подача воздуха в темпераорные зоны осуществляется в поперечном направлении относительно частей и образует Л- или У- образную форму в поперечном сечении. Использование предлагаемой технологии позволяет повысить прочность брикетов и открывает возможность возвращения в производство пылеватых фракций цветного металла, что способствует увеличению выпуска продукции.

IЛ - секции сушилки; 3 - подающие транспортеры, 4.5 - разгрузочное устройство; 6,7 - вагонетки. 8 - брикет.

9.10 ■■ первая температурная юна:

11 - юна релаксации:

12 вторая температурная зона.

13 вытяжные воздуховоды.

14 • перекрытие;

15 - устройства распределения брикетов;

16 опорная конструкция сушилки, 17- полающие воздуховоды.

Рисунок 8 Схема устройства для сушки экструэнонных брикетов

3.3. Обоснование производственно-технических показателей техно-

логии экструзионных брикетов

В технологии экструзионных брикетов основной целью является гарантированное получение продукции с заданными качественными показателями, которое обеспечивается комплексом технолошчсских способов и приемов, в том числе: обработка паром композиционной смеси при перемешивании, введение химических пластифицируемых и связующих добавок, термическое поверхностное регулирование формующих насадок (рис.9).

Производственно-технические показатели технологии экструзионных брикетов обоснованы для двух вариантов: первый вариант - производство экструзи-

онного двухкомпонентного топливного брикета в условий опытно-промышленного участка ООО НПО «Уралкомпозит» , п. Лосиный Свердловской области с использованием экструдера ПФУ-1 производительностью ло 2 т/ч; второй вариант - производство экструзионного трехкомпонентного топливно-нлавилыюго брикета в условиях экспериментального участка ОАО еКарабаш-мсдь». г. Карабаш Челябинской области с использованием пресса СМК-506 производительностью ло 40 т/ч.

Производства экструзионного трехкомпонентного гопливно-плавильного брикета предполагает разработку системы автоматизированного управления технологическим процессом сушки.

Отводы

«г» *» Р>

Г*рф

(т«вп. Я. ». А\ р>

I I |ю*оч«ии« , 1

I I рО*и-1««1МС

Дров*

и мп

Домромшк -1-

(лрстчриммш)

.Я.Ц М'ЯМк ЯМиЯ

- ммлм^имтм' . Шг^и.уч ^ им . «мгрнмм

Рисунок 9, Произволе!иенная схема жструтионных брикетов Тают обрсном. прочность экструзионных брикетов определяется параметрами процесса сушки, которые обеспечиваются осциъчирующич режимом на<)ачи сушильного агента и конструктивными особенностями предлагаемого сушильного устройства

4. Обоснование )ффекгивности использования жструзнойных брикетов в жергетике и металлургии

4.1. Проведены испытания топливных экструзионных брикетов в малых котельных со слоевым сжшанисм в поселках МО г. Березовский. Экструзионные брикеты производились согласно ТУ 9221-002-50720202-00 и гигиеническому сертификату ГС №10/10-588. По результатам испытания были отмечены достоинства торфяных композиционных экструзионных брикетов. Брикеты представляют собой сортовое топливо с высокой теплотой сгорания, однородным фракционным составом и стабильными качественными показателями

4.2. Анализ >ффективности использования экстру зионных брикетов при выплавке кристаллического кремния для условий ООО «СУАЛ- Кремний Урал» (|

Каменск-Уральский). Опытно-промышленные испытания проводились в электротермическом цехе на однофазных руднотермических печах мощностью 6,5 МВт, путем сравнения динамики технико-экономических показателей печей до эксперимента и в момент его проведения. Всего было испытано более 2000 тонн экструзионных брикетов с различным содержанием углеродосодержащих материалов. Анализ полученных технико-экономических показателей свидетельствует о целесообразности использования экструзионных брикетов при выплавке кремния.

С целью подтверждения эффективности применения топливно-плавильных экструзионных брикетов, полученных на основе металлосодержащих материалов и торфа, были проведены опытные плавки в лабораторных и промышленных условиях на ряде предприятий УГМК-ХОЛДИНГ и ЗАО «Карабашмедь».

Для получения данных о термической прочности экструзионных брикетов с мсдесодержащими материалами и эффективности выплавки из них меди в заводской лаборатории комбината "Уралэлектромедь" проведены опытные плавки.

Из анализа химического состава полученного сплава следует, что увеличение содержания медесодержащего компонента в экструзионных брикетов увеличивает эффективность извлечения меди. Так, при соотношении по сухому веществу торф : медесодержащий компонент в брикете 1:11,24 извлечение меди составило 99,17 %, при соотношении 1:7,58 - 80,01 % и при соотношении 1:3,93 -58,61 %.

При проведении опытных плавок осуществлялось визуальное наблюдение за термической стойкостью композиций. Установлено, что экструзионные брикеты сохраняют форму до температуры 1000 °С, после чего происходит их плавление без предварительного разрушения. Полученные результаты свидетельствуют о достаточной термической стойкости экструзионных брикетов.

Опытно-промышленные испытания топливно-плавильных экструзионных брикетов на основе торфа и свинцовой пыли проводились на Верх-Нейвинском заводе цветных металлов. Проводилась плавка экструзионных брикетов в действующей шахтной печи в соотношении 70 % аккумуляторного лома и 30 % экструзионных брикетов.

Извлечение свинца при данном соотношении составило 83 %, что соответствует средним показателям работы печи. Производительность печи зарегистрирована на среднем уровне и составила 1677 кг/ч-м2. Химический состав шлака, штейна и чернового свинца плавки также не изменился. Использование возврата свинцовой пыли из рукавных фильтров в виде экструзионных брикетов не влияет па течение процесса шахтной плавки, не изменяет количественные и качественные показатели и состав получаемых продуктов и признано рациональным для организации малоотходной технологии.

Промышленные плавки медесодержащих экструзионных брикетов проводилась в шахтных печах ЗДО «Карабашмедь». Брикеты имели следующий состав, % (по массе): концентрат - 65; торф - 22; оборотная пыль - 13; влажность брикетов - 7-8. На основании результатов исследовательских работ и опыта эксплуатации шахтного агрегата был принят состав медной шихты, % (по массе): брикеты -30,7; клинкер - 33,8; литой шлак - 23,8; известковый флюс - 7,8; кварцевый флюс -3,9. Для уменьшения тугоплавкости шихты использовали отвальный шлак шахтных печей.

Испытания проведены на шахтной печи сечением в области фурм 16,5 м\ 11лавку вели в течение 25 ч, на протяжении которых отмечен ровный, горячий ход сс при отсутствии нарушений технологического процесса и состояния агрегатов.

При использовании торфа в составе брикетов, с учетом тепла от сгорания сульфидов и клинкера, избыток тепла в тепловом балансе плавки составил 30-35 % от общего количества тепла. Это позволяет работать на более тугоплавких шлаках или вводить в состав шихты дополнительные медьсодержащие присадки, а также уменьшить долю балласта (литого шлака) в составе шихты, что еще более увеличивает производительность печи по штейну.

Экструзионное брикетирование флотоконцентрата и оборотной пыли с торфом приводит к значительному уменьшению пылевыноса при плавке, сокращению расхода кокса в 1,5-1,8 раза и увеличению удельной производительности печи по шихте до 63,6 т/(м2сут).

Промышленные испытания перечисленных экструзионных брикетов подтвердили целесообразность и высокую эффективность использования предлагаемых брикетов в металлургических процессах.

Таким образом, разработанная технология экструзионного брикетирования обеспечивает получение топливно-плавильных брикетов с необходимой механической прочностью и термоустойчивостью для применения в шахтной плавке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе выполненных исследований обоснованы технические и технологические разработки по брикетированию торфяного и техногенного сырья методом жесткой экструзии с последующей сушкой при осциллирующих режимах, позволяющие получать топливные и топливно-плавильные брикеты. Предлагаемые разработки имеют важное хозяйственное значение для энергетики и жилищно-коммунального хозяйства, а также позволяют расширить сырьевую базу цветной и черной металлургии.

Полученные научные и практические результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Торфяное сырье для экструзионных брикетов выбирается с учетом классификации брикетируемости торфа, основанной на содержании гуминовых кислот и легкогидролизуемых веществ, а также структурных характеристик, содержании зольных элементов, поглотительной и ионообменной способности.

2. Зависимость прочности экструзионных брикетов от влагосодержания имеет точку перегиба. До влагосодержания 0,05 кг/кг прочность возрастает по экспоненциальному закону, а затем уменьшается по линейной зависимости. Экспериментально определены параметры этих зависимостей для брикетов на основе т орфа и медного концентрата.

3. Прочность экструзионных брикетов изменяется в зависимости от их состава в диапазоне для топливных экструзионных брикетов от 3,5 до 9,3 МПа, для топливно-плавильных экструзионных брикетов от 1,8 до 10,2 МПа. Экспериментально вычислены параметры основного уравнения прочности, определяющего процесс структурообразования экструзионных брикетов. Установлено, что происходит упрочнение экструзионных брикетов с увеличением концентрации обожженных медесодержащих дисперсных материалов - медного огарка и оборотных пылей. Экспериментально установлены зависимости прочности экструзионных брикетов от влагосодержания, плотности и содержания медного концентрата.

4. Оптимальный состав экструзионных брикетов для выплавки кремния в рудно-термических печах на основе торфа и нефтяного кокса определен методом линейного программирования, путем нахождения максимально возможного содержания твердого углерода при ограничениях по условиям производства и качества продукции. Оптимальное содержание торфа составляет 19,1 %. Оптимальный состав топливных экструзионных брикетов на основе отсевов антрацита, каменного и древесного угля определен из условия получения максимальной теплоты сгорания. Оптимальное содержание торфа находится в пределах 50-58 %.

5. Сушка влажных экструзионных брикетов происходит с убывающей интенсивностью, как правило, период постоянной интенсивности отсутствует. Экспериментально определены параметры уравнения кривой сушки для экструзионных брикетов различного состава, что позволяет проводить инженерные расчеты процесса сушки с использованием существующих методик. Процесс структурообразования обусловливает объемную усадку брикета. Зависимость изменения объема экструзионного брикета от влагосодержания представляет ломаную прямую с угловыми коэффициентами объемной усадки Кус\ и Кус2. Для топливных экструзионных брикетов Кус1 находится в пределах 0,39-0,68; Кус2 - в пределах 0,09-0,30. Для топливно-плавильных экструзионных брикетов КуС| находится в пределах 1,54-3,10; Кус2- в пределах 0,20-0,55.

6. Исследованиями, проведенными на модельной секции сушилки, установлена эффективность обезвоживания брикетов в осциллирующем режиме, предпо-

лягающим смену периода активного вентилирования периодом релаксации напряжения. Последующее вентилирование увеличивает скорость сушки более чем в 2 раза, а прочность брикетов при этом увеличивается на 40-70 %. Результаты выполненных исследований использованы при обосновании конструкции промышленной сушилки (патент RU 2172908).

7. Результаты экспериментальных исследований показали, что экструзион-ные брикеты на основе торфа и металлсодержащих материалов обладают прочностью и термоустойчивостью, необходимыми для их использования в пирометал-лургических процессах. Опытно-промышленные испытания показали высокую эффективность использования экструзионных брикетов на основе торфа, медного концентрата и оборотной пыли при шахтной плавке меди: значительно уменьшился пылевынос, расход кокса сократился в 1,5-1,8 раза и увеличилась удельная производительность печи по шихте до 63,6 т/(м2сут).

Список работ по теме диссертации

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых ВАК России:

1. Гревцев Н.В., Горбунов A.B. Использование торфа и продуктов его переработки в природоохранных технологиях // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 1996. № 5-6. С. 135-139 (0,25 п.л.)

2. Гревцев Н.В., Тяботов И.А., Горбунов A.B. Обоснование энерготехнологических способов обеспечения заданного качества торфяных композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010. № 7. С. 123-131 (0,5 п.л.)

3. Петровская Н.И., Горбунов A.B. Создание комковых композиций гетерогенных материалов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2001. № 4-5. С. 214-223 (0,6 п.л.)

4. Петровская Н.И., Колтунов A.B., Горбунов A.B. Брикетирование шламов станции нейтрализации с целью использования их в качестве флюсов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2000. № 4. С.132-136 (0,25 п.л.)

Работы, опубликованные в других изданиях:

5. Горбунов А. В., Головских Д.С., Цыплякова М.Н. Технология окускования торфяного и техногенного сырья с применением жесткой вакуумной экструзии // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. С. 506

6. Горбунов А. В. Использование торфа и продуктов его переработки в металлургических процессах // Сборник докладов Уральской международной науч-

но-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. С. 511-512 (0,1 п.л.)

7. Горбунов А.В, Лазарева Т. Ю. Перспективная технология окускования торфяного и техногенного сырья с использованием жесткой вакуумной экструзии // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Создание высокоэффективных производств на предприятиях горнометаллургического комплекса». Екатеринбург: Уральский рабочий, 2013. С. 23-24 с. (0,1 п.л.)

8. Горбунов А. В., Лемех А. В. О технологической базе торфяного кластера в экономике Свердловской области // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. С. 509-511 (0,1 п.л.)

9. Горбунов A.B., Могильникова Л.Л. Особенности получения и использования основных видов биотоплива // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. С. 506-507 (0,1 п.л.)

10. Горбунов A.B. Окускование Дисперсных материалов с использованием торфа методом экструзии // Материалы Уральской горнопромышленной декады. Международная научно-практическая конференция. Екатеринбург, 2006. С. 251- 252 (0,1 п.л.)

11. Горбунов A.B. Окускование пылей и шламов, содержащих цветные и благородные металлы // Научные основы и практика разведки переработки руд и техногенного сырья с извлечением благородных металлов: Труды Международной научно-технической конференции (12-15 ноября 2002 года). Екатеринбург: Уральская государственная горно-геологическая академия, 2002. С. 128-130(0,1 п.л.)

12. Горбунов А. В. Производство торфяных композиционных материалов для использования в металлургической промышленности // Материалы Уральской горнопромышленной декады: Международная научно-практическая конференция. Екатеринбург, 2007. С. 196-197 (0,1 п.л.)

13. Горбунов А. В., Степанова О. С. Выработка энергии с использованием биоресурсов // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа — регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. С. 628-629 (0,1 п.л.)

14. Исследование свойств композиционных брикетов на основе торфа и коксовой мелочи / И. А.Тяботов, Н. В. Гревцев, А. В. Горбунов, М.С. Лебзин // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. С. 634-635 (0,1 п.л.)

15. Петровская Н.И., Горбунов A.B. Утилизация шламов станции нейтрализации и пыли металлургического производства брикетированием на основе торфа // Проблемы геологии и разведки месторождений золота, извлечения благородных металлов из руд и отходов производства: материалы Международной научно-технической конференции. Екатеринбург, Уральская государственная горно-геологическая академия, 1999. С. 97-98 (0,1 п.л.)

16. Энерготехнологические способы управления качественными показателями торфяных композиционных материалов: научная монография // Н. В. Гревцев, И. А. Тяботов, В. И. Шерстнев, А. В. Горбунов, И. В. Кирсанова, А. Г. Шампа-ров, Д. Р. Якупов; под ред. Н. В. Гревцева; Уральский государственный горный университет. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. 112 с. (7 п.л.)

11одписано в печать 25.11.2013 Формат 60 * 84 1/16

бумага офисная Печать на ризографе

11сч. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано с оригинал-макета в ИП Бобылев Копицентр «Университетский»

620144 г. Екатеринбург, пер. Университетский, д. 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Горбунов, Александр Викторович, Екатеринбург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет» (ФГБОУ ВПО «УГГУ»)

04201454763

На правах рукописи

Горбунов Александр Викторович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРУЗИОННОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ ТОРФЯНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Гревцев Н. В.

Екатеринбург, 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БРИКЕТИРОВАНИЯ ТОРФЯНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ................................. 9

1.1. Методы окускования, применяемые в горной и металлургической промышленности............................................ 9

1.2. Целесообразность совместной переработки торфяного и техногенного сырья.................................................................. 18

1.3. Задачи исследований....................................................................... 24

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВОЙСТВ ЭКСТРУЗИОННЫХ БРИКЕТОВ................................. 26

2.1. Свойства сырья для экструзионных брикетов............................ 26

2.2 Теоретические основы процессов брикетирования влажных дисперсных материалов............................................................. 47

2.3. Исследование изменения свойств композиционного сырья при шихтовании и экструзии............................................................ 52

2.4. Исследование качественных показателей экструзионных

брикетов............................................................................... 61

2.5. Выводы по разделу 2.......................................................... 78

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРУЗИОННЫХ

БРИКЕТОВ........................................................................... 80

3.1. Выбор состава экструзионных брикетов.................................. 80

3.2. Исследование и обоснование режимов сушки экструзионных брикетов................................................................................ 84

3.3. Обоснование производственно-технических показатели технологии экструзионных брикетов............................................ 99

3.4. Выводы по разделу 3........................................................... 118

4. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСТРУЗИОННЫХ БРИКЕТОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ И

МЕТАЛЛУРГИИ.................................................................... 120

4.1. Анализ эффективности использования экструзионных брикетов в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве............................ 120

4.2. Анализ эффективности использования торфяных экструзионных брикетов в металлургии........................................................... 126

4.3. Выводы по разделу 4......................................................... 152

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ....................... 154

5.1. Внедрение результатов исследований в промышленность, проектирование и учебный процесс............................................. 154

5.2. Анализ перспективных направлений использования торфяных

экструзионных брикетов........................................................... 155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 160

Список литературы.................................................................. 163

Приложения........................................................................... 181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года важное значение имеет оптимальное использование местных видов топлива, к которым относится торф [1]. Энергетические запасы торфа, составляющие 68,3 млрд. т.у.т., превосходят запасы нефти и газа. Использование торфа в энергетике приводит к сокращению потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов и к снижению экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса. Благодаря сравнительно низкой трудоемкости и энергоемкости добычи топливного торфа, простоте транспортных схем и коротким расстоянием вывозки, торф сохраняет конкурентоспособность с другими видами ввозимого твердого топлива. На сегодняшний день российскими учеными разработаны эффективные схемы, позволяющие существенно расширить направления использования торфяного топлива. Имеется многолетний производственный российский и зарубежный опыт генерации тепловой и электрической энергии из торфяного и техногенного сырья.

В последнее время технологии производства торфяного топлива и технологии окускования дисперсных материалов и рудной мелочи методом брикетирования получают все более широкое распространение в энергетике и металлургии. Широкая распространенность месторождений торфа и их территориальная близость к техногенным образованиям, уникальность и разнообразие природных свойств позволяют обеспечить регионы РФ дешевыми и эффективными видами местного топлива на основе торфа и углеродсодержащих отходов.

Из известных технологий брикетирования технология жесткой экструзии является в настоящее время наиболее перспективной. Создание новых технологических процессов производства экструзионных брикетов коренным образом изменит возможности переработки торфяного и техногенного сырья, позволит организовать, в объемах обоснованных местными ресурсами и потребностями, производство экструзионных брикетов для использования в

качестве топлива в энергетике и жилищно-коммуиальном хозяйстве, а также в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах.

Решению этого актуального вопроса и посвящена настоящая диссертация.

Объектом исследования является технология брикетирования торфяного и техногенного сырья.

Предметом исследования является экструзионное брикетирование наиболее распространенных на Урале видов торфа, отсевов каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходов графитации угольных стержней, металлургических концентратов и отходов с содержанием меди, свинца, железа, марганца, кремния, цинка и других металлов.

Целыо работы является обоснование технологических и технических разработок по экструзионному брикетированию дисперсных материалов на основе закономерностей изменения качественных характеристик брикетов в зависимости от свойств составляющих компонентов и применяемых энерготехнологических операций.

Идея работы. Использовать природные свойства торфяного и техногенного сырья для производства экструзионных брикетов путем сбалансированного подбора характеристик исходных компонентов, проведения необходимых энерготехнологических операций, обеспечивающих требуемое качество брикетов для их эффективного применения в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и в качестве топливно-плавильных брикетов в металлургических процессах.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследования, включающий анализ и обобщение результатов существующих методов окускования материалов, теоретический анализ процесса экструзионного брикетирования и экспериментальные исследования б лабораторных условиях. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики и программное обеспечение.

Положения, выносимые на защиту:

1. Управление качественными показателями брикетов обеспечивается:

выбором торфяного сырья в зависимости от его органического и минерального состава и структурных характеристик; введением в состав брикетируемой шихты дисперсных углеродсодержащих или металлсодержащих материалов; жесткой экструзией шихты в двухфазном пластическом состоянии.

2. Прочность экструзионных брикетов определяется параметрами процесса сушки, которые обеспечиваются осциллирующим режимом подачи сушильного агента и конструктивными особенностями предлагаемого сушильного устройства.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили теоретически обобщить и экспериментально подтвердить закономерности изменения качественных характеристик экструзионных брикетов в зависимости от исходных свойств торфа, составляющих компонентов, режимов производства, обосновать технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья и получить следующие новые результаты:

- закономерности изменения структурно-механических, физико-технических, водно-физических, прочностных свойств экструзионных брикетов в зависимости от их состава;

- закономерности и особенности тепловлагопереноса и структурообразования экструзионных брикетов в процессе их сушки;

- технологические регламенты процессов производства топливных экструзионных брикетов для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и топливно-плавильных материалов для металлургических процессов;

- обоснованы перспективные направления производства и использования экструзионных брикетов.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания технологии и оборудования для производства экструзионных брикетов и их использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве, а также топливно-плавильных материалов для металлургических процессов.

Внедрение результатов работы. Разработанные и научно обоснованные диссертантом технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья, новые методы и методики внедрены в промышленность, в научно-исследовательскую и проектную практику и в учебный процесс.

Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично, при непосредственном участии. Личное участие состоит в постановке и разработке основной идеи и темы диссертации, в , разработке программы теоретических и экспериментальных исследований, разработке методик и доведения до инженерных методов расчета, создания новых способов регулирования и управления свойствами композиционных экструзионных брикетов.

Автором выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований и осуществлена их практическая реализация в промышленности и в учебном процессе. В работе использовались экспериментальные данные, полученные автором совместно с профессорами Б.М. Александровым, Н.В. Гревцевым, доцентами И.А: Тяботовым, A.B. Колтуновым. Всем им автор выражает глубокую

признательность за совместную плодотворную работу по проведению исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях «Уральская горная школа - регионам», проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург 2005 -2013 гг..); II и III специализированных выставках-конференциях «Экология. Управление отходами» (Екатеринбург 2011, 2012 гг..); Международных промышленных выставках «ИННОПРОМ»- 2011-2013 (Екатеринбург 2011-2013 гг..).

Результаты диссертационного исследования используются в Уральском государственном горном университете на кафедре Природообустройство при проведении занятий по учебным дисциплинам: «Возобновляемые источники энергии», «Основы рационального природопользования». Материалы исследования включены в монографию «Энерготехнологические способы управления качественными показателями торфяных композиционных материалов» и используются для обучения магистрантов и аспирантов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, содержащего 170 источников. Объем работы - 162 страницы машинописного текста, кроме того 33 рисунка и 49 таблиц.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БРИКЕТИРОВАНИЯ ТОРФЯНОГО И

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

1.1. Методы окускования, применяемые в горной и металлургической

промышленности

В горной и металлургической отраслях различают следующие методы окускования: агломерацию, окомкование, грануляцию, брикетирование и термобрикетирование.

Одним из основных способов окускования мелких руд и концентратов в металлургии является метод агломерации, заключающийся в спекании шихты сложного состава из руды, твердого топлива и других компонентов.

Окомкование - процесс окускования увлажненных тонкоизмельченных материалов, основанный на их способности при перекатывании образовывать гранулы сферической формы (окатыши) без применения непосредственного давления.

Вопросам разработки теоретических основ и практических рекомендаций по окомкованию на вращающихся поверхностях посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов [2, 15].

Известны работы, посвященные вопросу получения гранул из торфа методом окатывания, подтверждающие эффективность и целесообразность его использования для торфяных систем [3, 10].

Одним из широко распространенных способов окускования, в том числе и в практике торфяной промышленности, является брикетирование. Различают брикетирование без связующих и со связующим. Существует несколько гипотез образования брикета без связующего при наложении давления на измельченный материал. Более научно обоснованной является гипотеза молекулярного прилипания, разработанная В.М. Наумовичем, согласно которой физическая сущность брикетирования заключается в сближении частиц уплотняемого материала, вытеснении газовой и частично жидкой фазы, с последующим

появлением молекулярных сил сцепления между поверхностями отдельных частиц [3].

Брикетирование без связующих возможно при высоких давлениях. По

этому методу брикетируется торф, молодые бурые угли и некоторые руды,

имеющие в своем составе компоненты со связующими свойствами (например,

глины). При брикетировании композиционных систем без связующих

взаимодействие частиц осуществляется в воздушной среде через тончайшие

прослойки воды. Обычно высота слоя воды между контактирующими зернами не

превышает высоту мениска, образовавшегося при смачивании частиц водой.

Поэтому адгезия в брикетной смеси обусловлена не только действием

дисперсионных связей, но и капиллярными силами. Адгезия во многом зависит

от физико-химических свойств компонентов смеси, размеров частиц, их

шероховатости, твердости и давления прессования. В композиционной системе

молекулы одной частицы индуцируют у молекул другой частицы периодические

диполи. Индуцированный диполь притягивается к исходному диполю. Энергия

притяжения между двумя частицами может рассматриваться как сумма энергий

притяжения между соответствующими парами молекул, входящих в данные

частицы. Одновременно, при взаимодействии твердых частиц, имеет место

контактная деформация, что способствует росту площади контакта и повышает

адгезию. Контактная деформация вызывает упругие отталкивающие силы, в связи

с этим, общая адгезия системы может быть рассчитана как сумма молекулярных

сил контакта за вычетом сил отталкивания [4]. Чем выше шероховатость, тем

больше площадь контакта, чем тверже частицы, тем ниже деформационная

способность, чем выше давление прессования при прочих равных условиях, тем

больше площадь контакта. Однако при очень высоких давлениях в

композиционной системе могут возникнуть большие упругие силы

отталкивания, нейтрализующие действия сил молекулярного взаимодействия. В

зависимости от свойств материала, прессование обычно осуществляется при

давлении от 40 до 100 - 120 МПа. Более высокие давления разрушают частицы

прессуемого материала, появляются безвредные поверхности, падает доля

пластических деформаций и наблюдается разрушение брикета сразу по выходу его из пресса.

Важную роль при прессовании дисперсных материалов играет влага. Наличие влаги влияет на общую энергию адгезии. Установлено, что максимальная адгезия достигается между веществами одинаковой полярности, минимальная - между разнополярными. Водная пленка благоприятствует подвижности частиц относительно друг друга в процесс прессования, при этом повышается площадь контакта и возрастает адгезия.

Информация о работе

Горбунов, Александр Викторович
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2013
ВАК 25.00.13

Диссертация

Разработка и обоснование технологии экструзионного брикетирования торфяного и техногенного сырья - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы