Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Минеральными компонентами углей (МКУ) являются неорганические вещества в виде силикатов, сульфатов, сульфидов, карбонатов, оксиды железа, кремния, алюминия и другие соединения. Как относительно временные и промежуточные могут присутствовать гидроксиды алюминия, железа, магния, кальция. Особую группу составляют органоми-неральные соединения типа алюминиевой соли меллитовой кислоты, а также координационные соединения с центральными атомами железа, магния и органическими лигандами. Генетически образовавшись как единый природный объект с органической массой в виде угольного пласта МКУ являются спутниками органической массы во всех видах технологии добычи и переработки углей, нередко определяя характер и условия протекания процессов и технологий. МКУ в технологических процессах в конечном итоге превращаются в золошлаковые отходы, претерпевая глубокие физические и химические изменения. По составу золы практически невозможно судить об исходном минералогическом составе МКУ.
Обилие научной литературы по исследованию МКУ и золошлаковых материалов связано с необходимостью расширения сырьевой базы химико-технологической переработки углей, создания экологически чистых технологий, вовлечения в переработку производственных отходов. Развитие угледобывающей промышленности, решение задач комплексного использования углей и отходов невозможны без глубокого исследования состава и свойств МКУ, их влияния на характер технологических процессов.
Изучение МКУ требует расширения аналитических приемов и методов исследования как самих минеральных компонентов, так и органической массы углей. Анализы МКУ затрудняются вследствие их дисперсности в органической массе, для углистых аргиллитов характерно обратное явление - дисперсность органического материала в неорганической массе аргиллитов. Необходима разработка исходной методологии, которая позволит в максимальной степени сохранить минералогический состав неорганической части углей и аргиллитов, а также выявить основные методы последующих анализов.
Характер минерализации углей является решающим фактором их обога-тимости. Трудная обогатимость кизеловских, карагандинских, зкибастузс-ких и других углей обусловлена их особой минерализацией в результате дисперсии минеральных компонентов, а также образования сростков. Уже на первых этапах рассева углей в условиях поверхностного комплекса
шахт и разрезов происходит качественно-количественное перераспределение не только петрографических ингредиентов, но и минеральных компонентов по классам крупности углей.
Одна из существенных трудностей в технологии обогащения углей -образование илов в результате размокания глинистых составляющих МКУ. Научные разработки в данной области весьма ограничены, что сдерживает развитие технологии обогащения, в том числе квалифицированное использование отходов.
Постоянной задачей угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий является расширение гаммы коксующихся углей. Одним из путей расширения сырьевой базы коксования считается организация производства специальных видов недоменного кокса, а также производство доменного кокса специального назначения. Решение задачи возможно путем подбора углей с таким составом МКУ, который удовлетворяет требованиям к коксу со стороны того или иного производства. Задача может быть решена введением в угольную шихту минеральных добавок, в основном являющихся промышленными отходами. Отметим необходимость учета состава минеральных компонентов обычных шихт, так как некоторые элементы МКУ являются полезными для доменного производства, в частности это касается железа, магния и кальция. Для углей Кузбасса характерно повышение содержания железа, что ставит вопрос о возможности повышения верхнего предела зольности угольных концентратов.
Важнейшей проблемой угледобывающей промышленности является предотвращение самовозгорания углей. Имеющиеся по данной проблеме теоретические взгляды не учитывают роль сорбированной влаги, образование активных ионных форм воды и кислорода - инициаторов окислительных процессов. Следует иметь ввиду, что вода, как исключительно активное соединение, входит в состав многих МКУ и определяет их свойства.
Угольная зола и шлаки, являясь конечными продуктами термического превращения МКУ, как многотоннажные промышленные отходы требуют к себе постоянного внимания исследователей для разработки способов их квалифицированного использования. Экологическая обстановка в промышленных регионах задачу использования отходов делает особенно актуальной.
Физическое состояние МКУ и их минералогический состав, роль МКУ при добыче углей, первичной переработке, при сжигании и использовании как химического сырья, утилизация многотоннажных отходов при добыче и обогащении углей, а также золошлаковых материалов - это задачи, решение которых в значительной степени способствует научно-техническому
трогрессу в народном хозяйстве.
Диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованных зешений по методологии исследования МКУ, их влияния на технологические свойства углей в процессах переработки и комплексного использования.
Работа выполнялась в течение многих лет по планам Химико-метал-г/ргического института АН Казахстана, научной тематике Кузбасского государственного технического университета, хозяйственным договорам с Семеровским коксохимическим заводом. Анжерским химфармзаводом. Кемеровским ПО "Азот", Кузнецким металлургическим комбинатом, Кузнецким іаводом ферросплавов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение эффективности существующих технологий и сдельных процессов переработки и комплексного использования углей на іазе разработанной методологии исследования состава МКУ..
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании представлений об активной юли минеральных компонентов и их взаимодействий с органической массой тлей в процессах термической деструкции для совершенствования сущест-іувіщих и создания новых технологий переработки углей.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Анализ состояния проблемы и поставленная [ель выдвинули для решения следующие задачи:
разработать методологию первоначальных аналитических приемов [сследования МКУ. учитывающую особенности органической массы, степень [етаморфизма, петрографический состав и литификацию неорганической [асти;
изучить характер минерализации углей по классам крупности с іелью селективного использования отдельных классов и предварительного ъщеления из рядовых углей высокоминерализованной пыли;
разработать новый метод определения спекаемости углей, охвагы-;ающий широкий круг углей по степени метаморфизма и петрографического остава и наиболее полно отражающий главные свойства углей в пласти-:еском состоянии - вязкость и сорбционную способность;
изучить поведение в водной среде глинистых составляющих МКУ: ависимость размокаемости от степени метаморфизма и минералогического остава. влияние на размокаемость ионного состава воды и времени на-.ождения в воде;
определить роль МКУ в процессах термической деструкции углей и а этой основе разработать рекомендации по получению специальных видов окса;
выявить причины повышения реакционной способности специальных
коксов и раскрыть значение данного показателя в технологии электротермических производств, в том числе при использовании сырьевых материа-jioEi в виде гранулированной моношихты;
раскрыть роль сорбированной влаги и МКУ в процессах окисления и самовозгорания углей с учетом современного минералообразования на обнажениях угольных пластов;
разработать новые пути квалифицированного использования золош-лаковых материалов как конечных продуктов преобразования МКУ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении экспериментальной части работы использовались: стандартные химические методы - для определения состава золы и шлаков; спектральный анализ - для определения редких и рассеянных элементов; оптическая микроскопия - для определения петрографического состава углей; электронная микроскопия, рентгенофазовый и дериватографический анализы - для установления минералогического состава глинистых составляющих МКУ; методы определения размокаемости -для изучения поведения в воде глинистых минералов; методы определения спекаемости углей - для изучения свойств углей в пластическом состоянии; механические, физические и физико-химические методы изучения свойств горных пород и твердых материалов - для изучения свойств специальных коксов и гранулированных материалов. Полупромышленные и промышленные коксования проведены на Кемеровском коксохимическом заводе и Кузнецком металлургическом комбинате. Экспериментальные плавки проведены на Кузнецком заводе ферросплавов и в лаборатории Сибирского металлургического института. Изучение процессов самовозгорания углей, современного минералообразования и способов защиты обнажений пластов проведены на разрезах ПО "Кемеровоуголь". Полупромышленные испытания сорбции фенолов и других компонентов сточных вод проведены в условиях Кемеровского ПО "Азот" и Анжеро-Судженского химфармзавода. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики и компьютерная техника.
