Шифр «окускование отходов»

Работа выполнена на кафедре подземной разработки месторождений в Государственном высшем учебном заведении «Национальный горный университет» Министерства образования и науки Украины (г. Днепропетровск)

АННОТАЦИЯ

Актуальность.

Вокруг шахт и обогатительных фабрик иметься по разным данным от 120 до 250 млн. тонн угольных шламов, которые представляют собой вторичный топливный ресурс, использование которого может существенно улучшить топливно-энергетический баланс Украины. С другой стороны проблемой является накопление угольных шламов и штыбов которые занимают большие площади земельных угодий, складов и бункеров.

Цель и задачи научной работы.

В связи с уменьшением объемов добычи угля необходимо предусмотреть возможность изобретение альтернативных источников получения энергии. Поэтому в работе предложено решение задачи путем выбора технологии окускования отходов горного производства.

Общая характеристика научной работы.

Научная работа состоит из основных трех глав, в которых отражены актуальность работы, цель, задачи, обзор традиционных и существующих технологий изготовления топлива из отходов горного производства.

Объем работы: количество страниц ?

Количество графиков и таблиц: 2 графика и 3 таблицы

1. Обзор традиционных и существующих технологий изготовления топлива из отходов горного производства

Уголь - один из основных источников сырья для топливной энергетики в Украине и мире

При добыче угля остается много отходов, которые накапливаются и занимают огромные территории по всему миру, поэтому с каждым годом набирает актуальности вопрос переработки отходов добычи полезных ископаемых.

В США компанией '' SHELL'' был разработан метод масляной агломерации для запекания некондиционной угольной мелочи с целью получения товарного продукта, но этот метод не получил большого распространения из-за его дороговизны.

Украина располагает запасами угля всех стадий углефикации – начиная бурыми и заканчивая антрацитами. Общие ресурсы составляют около 117 млрд. тонн, разведанные по категориям: А + В + С₁ + С₂ порядка 52 млрд. тонн.

Запасы бурого угля расположены в Днепровском бассейне. Основные запасы каменных углей и антрацитов расположены в Львовско-Волынском и Донецком бассейнах.

Горно-геологические условия месторождений углей сложные. До 70% запасов угля составляют пласты мощностью до 0,9м. В среднем пласты угля высокой газоносности, опасные по выбросам, высокозольные, а содержание серы составляет около 4%.

Состоянием на 2014 год на территории Украины образовалось около 130 млн. тонн угольных шламов зольностью до 60%, которые представляют вторичный топливный ресурс, переработка которого может значительно улучшить топливно-энергетический баланс Украины, так как за последние 20 лет количество добытого угля уменьшилась почти в два раза.

Рис. 1.1 Динамика добычи угля в Украине с 1990 по 2014 гг.

В Украине вопросом переработки остатков углепромышленности занимаются ведущие специалисты Национального горного университета разработавшие, более экономичный способ переработки угольного мелочи путем химического окускования, потому традиционные способы с помощью кольцевых и штемпельных прессов достаточно энергично затратные.

В основе их переработки лежит способ адгезионо-химического окускования угольных шламов, бурых углей и дальнейшее их брикетирования.

Сущность нового адгезионо - химического окускования заключается в том, что увлажнение массу при объемном сжатии подвергают подвижным деформациям, благодаря которым образуются эффекты взаимного прилипания глинистых частиц, затем массу пропускают через фильеры с помощью экструдеров установки ХОТ-31М, на выходе образуются стержни диаметром 30 мм, которые под действием своего веса ломаются на цилиндры длиной 50-200 мм, со временем они высыхают посредством принудительной вентиляции в течение часа, или в условиях естественной вентиляции в течение 2-3 дней.

Установлено, что Eh-потенциал увеличивается в 2-2,5 раза зависимость прочности от заряженности частиц исходного материала.

Такое топливо обладает высокой теплоемкостью и получает лимита напряжения сжатия до 100 кг на см2.

Брикеты полностью сгорают, и хорошо транспортируются, поэтому их выгодно использовать на тепловых электростанциях, в домашних угольных котлах и печах.

При сжигании топливных смесей на ТЭС без использования природного газа за месяц работы 720 часов экономия составляет 4,2% млн. на м³ на 1 блок.

В настоящее время ГП "Укрнииуглеобогащение" проводят исследования по получению топливных смесей из различных марок угля с целью расширения сферы применения некондиционного угля.

Первым противником этого способа является удаленность брикетных производств от мест, где их можно использовать, а вторым было финансовая поддержка научной деятельности ученых и их исследований.

2. Особенности существующих технологий получения композиционного топлива из углеродсодержащих материалов

Для выбора и обоснования рационального способа переработки твёрдого топлива в настоящем, рассмотрим существующие способы и технологии окускования углеродсодержащих материалов.

Вопросами переработки и вторичного использования твёрдого топлива из углеродсодержащих материалов, технологическими факторами, связанными с использованием связующих веществ при окусковании занимались различные научно-исследовательские организации и высшие учебные заведения горного профиля (ДТУ, НГУ, ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины и др). Свои работы этим вопросам посвятили Бондаренко В.И., Пилов П.И., Галыбин Н.А., Лямин И.Н., Вебер Р.Я., Наумович В.М., Лурье Л.А., Крохин В.Н., Ворошилов А.П., Бедрань Н.Г., Скоробагатова Л.М., Ремесников И.Д., Пахалок И.Ф., Болдырев В.А., Валарович М.П., Гамаюнов Н.И., Цепляков О.А., Елишевич А.Т., Буренина О.Н., Петрова Л.А. и др. [3-15, 29, 33-35, 55]. Ими были разработаны и предложены основные и вспомогательные технологические процессы окускования углеродсодержащих материалов, конструкций применяемого оборудования, приведены сведения по его эксплуатации. Разработаны технологии брикетирования: прием и подготовка угля, его сушка, контрольная подготовка и охлаждение сушенки, прессование; технологические схемы брикетных фабрик, компоновка оборудования и техника безопасности. Даны технологические расчеты основных процессов брикетирования. Освещены последние достижения в технике брикетирования углей.

Ряд работ [10, 13, 14, 16] посвящен конструктивным особенностям и оборудованию для окускования углеродсодержащих материалов.

Для выбора и обоснования рационального способа переработки в настоящем рассмотрим существующие способы и технологии окускования углеродсодержащих материалов.

Виды способов окускования

Экономное и рациональное использование сырьевых ресурсов, стимулирующее рост промышленного производства, является од­ним из основных требований, выдвигаемых Прави­тельством на данном этапе развития нашей страны.

Подытожив анализ состояния и динамики работы угольной промышленности Украины за 15 лет её независимости, видна тенденция к резкому снижению добычи угля с 135 до 80 млн. тонн, учитывая, что для энергетических потребностей необходимо 100–110 млн.

Перспективным направлением восполнения недостающих 20–30 млн. тонн является переработка и окускование углеродсодержащих материалов, отходов углеобогащения и горной, металлургической промышленности.

Окускование углей представляет собой процесс механической переработки угольной мелочи в кусковое топливо – брикеты, имеющие определенные геометрическую форму, размеры и массу.

Окускованию подвергаются бурые угли, торф, штыбы каменных углей и антрацитов, коксовая и полукоксовая мелочь и другие углеродистые материалы. Процесс брикетирования применяется также для окускования различного рода руд и рудных концентратов, комбикормов и других материалов.

Окускование – это превращение мелкозернистых полезных ископаемых в кусковой продукт за счет механических и (или) термических воздействий с применением специальных добавок или без них. Одной из разновидностей окускования является брикетирование– физико-химический процесс переработки полезных ископаемых, позволяющий получить механически и термически прочный сортовой продукт – брикет, имеющий опреде­ленную геометрическую форму, размеры и массу. Утилизация тонкозернистых полезных ископаемых, возможность получения из них высококачественной продукции для бытового и промышленного потребления – главное назначение брикетирования [3].

Существуют ещё два способа окускования – агломерация и окатывание, которые от брикетирования отличаются дороговизной и сложностью процесса. Подтверждением являются сравнительные данные (в процентах) трёх способов окускования (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Сравнительные данные способов окускования (в процентах) [3].

Способ	Брикетирование	Агломерация	Окатывание с обжигом
Сравнительные характеристики
Себестоимость	100	120 – 170	110 – 150
Затраты на 1 т переработки сырья	100	130 – 160	90 – 140
Удельные капитальные затраты	100	110 – 200	120 – 180

В зависимости от исходного материала брикетирование производится со связующими (цементирующими, клеящими) веществами при средних давлениях (10–50Мн/м²) и без связующих веществ при высоких давлениях 80–120 МПа (150–200 МПа на кольцевых прессах), а также температура в пределах 70–100˚С. Для получения брикетов высокого качества материал, направляемый на прессование, должен отвечать определённым требованиям (фракционный состав, влажность, температура и пр.) [4].

Технологии окускования молодых и плотных зрелых бурых углей

Технологии брикетирования молодых и плотных зрелых бурых углей принципиально отличны. Первые брикетируются без связующих веществ, вторые со связующими.

При брикетировании молодых бурых углей брикеты должны соответствовать следующим технологическим показателям: масса брикета 100–500 г; механическая прочность на истирание 75–80%, на сжатие и изгиб соответственно 70–90 и 10–15 МПа; влагопоглощение 3–4%; теплота сгорания 24000–30000 кДж/кг; зольность 10–25% [5].

Технологический процесс брикетирования бурых углей включает в себя следующие операции: подготовку угля по крупности, сушку угля, охлаждение угля перед прессованием, прессование, охлаждение и погрузку готовых брикетов [8].

Технологическую оценку бурых углей осуществляют по их брикетирующей способности. Она определяется по коэффициенту уплотнения высушенного угля, упругому расширению брикетов, насыпной плотности угля и кажущейся плотности брикетов до и после расширения. Брикеты изготавливаются на лабораторном гидравлическом прессе в стандартных условиях (крупность и влажность угля соответственно до 6 мм и 20%, давление прессования 100–120 МПа).

Подготовка бурого угля по крупности сводится к обеспечению оптимального гранулометрического состава. В зависимости от исходной крупности уголь подвергается двух- или одностадийному дроблению. Иногда первой стадии предшествует предварительное дробление. Оно применяется в тех случаях, когда в рядовом угле содержание кусков размером более 400–500 мм значительно. Предварительное дробление осуществляется на двух уровнях. В отделении углеприема уголь лопастными (крыльчатыми) дробилками дробится до 200–250 мм с одновременным образованием до 50% зерен менее 25 мм.

В дробильно-сортировочном отделении с помощью валковых дробилок крупность угля доводится до 0–100 мм. Вместо валковых дробилок могут быть установлены молотковые, обеспечивающие крупность дробленого продукта 0–50 мм. Между обоими уровнями предварительного дробления включается операция предварительного грохочения на валковых грохотах. Грохочение позволяет выделить до 80–90% класса 0–25 мм в подрешетный продукт.

После предварительного дробления и грохочения уголь измельчается до крупности 0–6 мм: Эта операция осуществляется следующим образом. Подрешетный продукт грохота предварительной классификации (класс 0–25 мм) и дробленый во второй стадии дробления продукт поступают на грохот предварительного грохочения. Обычно для этих целей используют валковые грохоты или инерционные с электроподогревом сит. Подрешетный продукт (класс 0-6 мм) поступает на сушку, надрешетный – в молотковую дробилку мелкого дробления, а затем на контрольную классификацию на вибрационных грохотах. Надрешетный продукт контрольной классификации возвра­щается на мелкое дробление [3,7].

Технологические схемы подготовки угля по крупности могут иметь различные соотношения предварительных и подготовительных операций.

При выборе того или иного варианта технологии подготовки бурого угля по крупности необходимо учитывать влияние специфических свойств угля, содержание крупных классов мелочи. Особое внимание следует обращать на вывод из системы волокнистого лигнита. Его присутствие усложняет работу дробилок, забиваются грохоты, снижается производительность сушилок. Лигнит – угольное «дерево», обладающее повышенной пластичностью, но низкой брикетирующей способностью. Присутствие лигнита способствует развитию внутренних напряжений в брикетах, выходящих из пресса. Снижается их прочность, а иногда они вовсе разрушаются. При большом содержании лигнита рекомендуется вместо молотковых применять валковые дробилки, которые не разрушают его, а лишь раздавливают волокна. Такая обработка позволяет сравнительно легко удалить лигнит в надрешетный продукт грохотов [14].

Повышенное содержание угольных зерен крупнее 6 мм связано с неудовлетворительной работой классификационных грохотов и неполадками в молотковых дробилках. Однако всегда следует помнить и учитывать, что уголь продолжает измельчаться при транспортировке и во время сушки.

При дроблении мягких углей следует отдавать предпочтение валковым дробилкам, не допускающим переизмельчение. Грохоты, выполняющие подготовительные функции, должны создавать достаточно высокие вибрации или интенсивные возвратно-поступательные колебания.

Сушка обеспечивает необходимую остаточную долю влаги бурого угля, являющуюся основным параметром при брикетировании. Оптимальная доля остаточной влаги в бурых углях, идущих на брикетирование, составляет 16–19%. Однако такое содержание влаги еще не гарантирует получение качественного брикета. Важно определить влагоразность угля – влажность отдельных классов крупности, зависящую от гранулометрического состава. Как бы тщательно ни осуществлялся процесс сушки, влажность тонких частиц всегда намного ниже, чем крупных. Например, влажность пыли, уловленной в электрофильтрах, не превышает 8%; угольных частиц крупностью до 1 мм – 10–12%, а зерен размером более 3 мм – 30%. Выравнивание влажности угля по классам не достигается даже после прохождения охладительных устройств [14, 15].

Наличие влагоразности в отдельных классах предполагает различное давление прессования для их уплотнения. Но так как практически это условие выполнить невозможно, то при хранении готовые брикеты могут сжиматься или расширяться. Для снижения влагоразности применяется орошение водой мелких классов. Однако этот метод не лишен недостатков: вода плохо смачивает пересушенный мелкий уголь. Ввод шламовой воды, хотя и улучшает смачивание, но она испаряется в основном на поверхности крупных зерен. Все же орошение водой способствует повышению прочности брикетов и снижению пылеобразования при транспортировке горячего угля.

Для сушки бурого угля обычно применяют паровые сушилки, которые обеспечивают более мягкое термическое воздействие на уголь, чем газовые. Мягкий пар из паросиловых установок поступает в сушилку с давлением 0,25–0,4 МПа при перегреве до 140–160° С.

Применение газовой сушки для брикетирования бурых углей нежелательно. В результате воздействия на уголь высоких температур и скоростей движущегося газа поверхность материала ста­новится жестче. Резко снижается брикетирующая способность угля.

Известны случаи комбинирования паровой и газовой сушилок. При этом снижается вредное влияние газов на брикетирующую способность, и создаются условия повышения температуры пара при постоянном его давлении.

Уголь после сушки имеет высокую температуру. В паровой трубчатой и тарельчатой сушилке нагревается соответственно до 75–85 и 65–70° С. При этой температуре уголь продолжает отдавать влагу. Выделение влаги сухого угля чревато ростом упругости водяных паров при прессовании. Высокая температура сухого угля уменьшает сопротивление в прессовом канале и увеличивает нагрев формовочных частей пресс-формы. Охлаждение сухого угля до 40–50°С благоприятствует работе штемпельных прессов. Эффективность охлаждения зависит от времени и интенсивности соприкосновения между собой угольных зерен.

Для охлаждения сухого угля применяют системы с охлаждением в слое (охладительные скребковые конвейеры со сплошным дном, жалюзийные охладители) и во взвешенном состоянии (барабанные охладители, охладительные конвейеры с просеивающим дном и «кипящим слоем»). Первая система менее эффективна, требует большого времени охлаждения, крупногабаритная. Каждая система охлаждения оборудуется надежной обеспыливающей установкой, а также аппаратурой для очистки вентилируемого воздуха.

Использование конвейеров различных конструкций для целей охлаждения угля – наиболее удобный и простой метод. Особенно удовлетворительные результаты достигаются в скребковых конвейерах с «кипящим слоем», работающих в блоке с трубчатой паровой сушилкой. Сухой уголь выгружается на верхнюю ветвь скребкового конвейера, а затем переходит на нижнюю. Днище обеих ветвей выполнено из щелевидного сита размером 1–1,5 мм. Через сито продувается воздух (расход 0,25 м³ на 1 кг сухого угля). Такая интенсивность продувки позволяет снизить температуру сухого угля с 85–90 до 40–45°С.

Известен турбинный охладитель, напоминающий газовую сушилку. В охладителе с вращающимся барабанным ситом с черпаками (охладитель Андерша) сухой уголь движется в осевом направлении и, попадая в черпаки, обходит сито 10–30 раз. Сухой уголь в черпаках находится во взвешенном состоянии за счет поступления в сепаратор воздуха. Для увеличения скорости охлаждения разрыхленный уголь опрыскивается шламовой водой.

Прессование – основной процесс в общей технологии брикетирования бурого угля. В процессе прессования под действием высоких механических усилий (80–120 МПа) происходит обжатие угольной мелочи. В результате она превращается в прочный кусковой продукт – брикет. Для производства буроугольных брикетов наибольшее распространение нашли штемпельные прессы. Иногда бурый уголь брикетируют в кольцевых прессах [10].

Технология окускования каменных углей и антрацитов

Технология окускования каменных углей и антрацитов включает: подготовку углей, подготовку связующих, приготовление брикетной смеси, прессование, охлаждение и погрузку брикетов.

Каменные угли с применением связующих брикетируются по схеме: приём исходного материала (шихтовка различных углей); классификация и измельчение до 6 мм и менее; сушка угля до остаточной влажности 3–4%; подготовка связующего (измельчение, расплавление); дозирование и смешение нагретого угля со связующим (6-10%) при температуре около 100°С до получения однородной массы (шихты); охлаждение шихты до 80–90°С; прессование при 15–30 Мн/м²в вальцевых прессах; охлаждение брикетов до 40°С. Наиболее распространённая форма брикетов, хорошо переносящая перегрузки, – яйцевидная. Масса брикета 70–75 г. Существенный недостаток брикетов с пековым и нефтебитумным связующими, ограничивающими их потребление, – выделение копоти и низкая термоустойчивость. Внедряются методы обработки таких брикетов горячими газами, содержащими определённое количество кислорода, или твёрдым теплоносителем; при этом происходит окислительная полимеризация связующего, вследствие чего брикеты упрочняются и при сжигании горят бездымным пламенем. Находит распространение метод т. н. горячего брикетирования, позволяющий без связующих получать высококачественное бездымное топливо или кокс прессованием предварительно нагретых до пластического состояния спекающихся углей или в смеси с ними неспекающихся углей (антрацит, тощие и бурые угли) и полукокса. Развитие брикетирования топлива характеризуется разработкой и внедрением новых схем и стадий брикетирования, связующих, аппаратуры как для получения высококачественного бездымного бытового топлива, так и применительно к способам непрерывного коксования с целью расширения сырьевой базы и улучшения экономики коксохимической промышленности[4, 5].

Брикетирование как обособленный технологический процесс окускования полезных ископаемых складывается из следующих производственных операций:

1) подготовка сырья к прессованию: дробление, грохочение, измельчение и сушка; препарирование связующих веществ; дози­ровка компонентов брикетной шихты, их смещение, нагрев и охлаждение брикетной шихты перед прессованием;

2) прессование брикетной шихты с приложением требуемых усилий, определяемых в зависимости от физико-химических свойств, петрографического и минерального состава брикетируе­мого материала;

3) обработка «сырых» брикетов с целью быстрейшего их зат­вердевания (охлаждение, пропарка, карбонизация, сушка, вос­становительный обжиг и др.);

4) складирование и погрузка готовых брикетов.

По назначению угольные брикеты бывают бытовые и промыш­ленные. Основным потребителем бытовых брикетов является на­селение, которое получает их в насыпном виде или расфасован­ными в мешки небольшой массы. Для придания бытовым брике­там повышенной термической и механической прочности, а также низкого выделения дыма их подвергают термообработке. Промышленные брикеты используют как сырье для полукоксования (бурые угли) и коксования (каменные и бурые угли). Каменноугольные брике­ты могут выполнять функцию теплоизоляционного материала и основного сырья для получения различных видов электродов.

История отечественного углебрикетного производства берет свое начало в середине XIX столетия. В 1870 г. в Одессе была сооружена первая брикетная фабрика, выпускавшая антрацито­вые брикеты для судов торгового флота. После Великой Октябрь­ской социалистической революции строятся новые фабрики в Донбассе, Подмосковном угольном бассейне, Средней Азии, на Дальнем Востоке.

Наибольшее распространение получило производство брикетов из молодых (землистых) бурых углей. Такие угли, как правило, залегают мощными пластами близко к поверхности и добываются дешевым открытым способом с применением высокопроизводительных многоковшовых и роторных экскаваторов. При невысокой стоимости добычи таких углей переработка их в брикеты является экономически выгодным производством.

Свежедобытые молодые бурые угли имеют высокую влажность 50-58%, не образовывают прочного куска, не устойчивы при хранении и, быстро теряя влагу, распадаются в мелочь и пыль. В связи с высоким содержанием влаги такие угли имеют небольшую теплоту сгорания (200-2200 ккал/кг), перевозка их на дальние расстояния нерентабельна. В процессе брикетирования бурые угли подсушиваются до содержания влаги 18-19%, в результате чего теплота сгорания угля возрастает в 2-2,3 раза и перевозка такого топлива становится выгодной.

Исходя из анализа существующих общеизвестных технологий брикетирования, оптимальным и более приемлемым для выполнения современных задач переработки отходов твёрдого топлива является окускование. В национальном горном университете был разработан новый адгезионо-химический способ окускования, который берётся за основу в настоящей работе.