Введение к работе
Актуальность проблемы. С развитием риночых отношений в угледобывающей промышлености преобладает тенденция к снижению себестоимости работ как за счет сокращения нерентабельных производств, так и за счет внедрения передовых технологий, позволяющих более полно использовать природные ресурсы. Одним из направлений последнего способа является утилизация отходов углеобогащения, представленных угольными імамами с размерами частиц от 0 до 0,5 мм и с массовой долей влаги от 13 до 60 %. Наличие на угледобывающих и перерабатывающих объектах значительных объемов угольных шламов и ежегодный их прирост делают данное направление работ весьма актуальным для угольной отрасли в целом и для Печорского бассейна в частности. По состоянию на 01.01.1995 г. на угольных объектах Печорского бассейна в городах Воркуте и Инте, в наружных шламонакопителях и конусах находится, соответственно. 2760 тыс. т и 1300 тыс. т угольных шламов (в пересчете на воэдушно-сухое состояние). Ежегодное пополнение составляет 130 и 45 тью. т соответственно. Занимаемые под наружные шламонакопители площади составляют 58 в Воркуте и 180 га в Инте. Все ато еще более осложняет и без того неблагоприятную экологическую обстановку в городах бассейна. При этом по своим качественным характеристикам шламы не уступают добываемым углям.
Использование в качестве топлива шламов, извлеченных из наружных шламонакопителей. в .естественном состоянии невозможно ив-ва высокой степени их обводненности и измельчения. Транспортировка шламов к месту сжигания железнодорожным или автомобильным транспортом, а также пульпопроводом на значительные растояния в условиях Крайнего Севера трудноосуществима Поэтому определяющим способом утилизации шлама в условиях . Крайнего Севера становится его окускование методом брикетирования с использованием местных связующих материалов. Традиционно применяемый способ брикетирования мелочи каменных углей с применением нефтебитумного связующего в данном случае неприменим^ из-за отсутствия этого свяБующего в регионе. Кроме того, он включает в себя дорогостоящий и трудоемкий этап подготовки связующего, сушки сырья и смешения со связующим. Он экономически целесообразен при больших объемах производства, что явно не годится при разбросанности небольших.по объему шламонакопителей. как это наблюдается в действительности. В условиях Печорского бассейна, особенно в условиях Воркутского месторождения, на-
-2 -иболее рациональным способом окускования влажных угольных шламов будет брикетирование в небольших по мощности (до 100 тыс. т брикетов в год) установках - спутниках обогатительных фабрик с применением органических связующих материалов, не требующих дополнительной подготовки связующего и исключающих предварительную подсушку угольной мелочи.
В отечественной и мировой практике углебрикетного производства практические решения проблемы окускования угольных шламов методом брикетирования в настоящее время отсутствуют. Для ее решения нами предложен оригинальный способ брикетирования с применением порошкообразных лигносульфонатов в качестве связующего, который исключает предварительную температурную подготовку связующего, подсушку угольных шламов, обеспечивает экологическую безопасность процесса изготовления и достаточно высокие потребительские свойства готовой продукции.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями в области использования лигносульфонатов и других продуктов переработки лигнина в разное время занимались ПИепельт, Л. А. Лурье, КХ А. Црокопчук.
В настоящее время над практическим решением этой проблемы продолжают работать С. С. Будаев, Н. С. Егоров, Ю. Д. Тарасов, В. А. Рубан, Л. П. Чаус, А. А. Канашевич, Ю.Л.Папушин, И С. Сафонов и ряд Других отечественных и зарубежных исследователей.
Внимание, уделяемое на протяжении значительного времени вопросу окускования угольных шламов, и результаты проведенных исследований показывают актуальность этого направления работ. Научная разработка данного направления и его практическая реализация решают одну из проблем в области брикетирования каменноугольной мелочи, позволяют повысить эффективность работы угледобывающих предприятий, улучшить экологическую обстановку в регионе и обеспечить потребности населения России в качественном бытовом топливе. Цель работы. Исследование процесса формования и термоупрочнения брикетов, разработка технологической схемы установки и определение технологических параметров окускования влажных каменноугольных шламов методом брикетирования с применением порошкообразных лигносульфонатов.
Идея работы заключается в использовании, во-первых, адгезионных свойств лнгносульфоната технического и тонкой (менее б.мкм) Фракции угольных шламов при формовании брикета; во-вторых, поровых процессов, обусловленных перемещением в каналах пор подвижного
. з .
компонента шихты, образованного ва счет растворения порошкообразного лигносульфоната внешней влагой угля; и, в-третьих, способности натровых лигносульфонатон к термополимеризацни при термообработке сформованных брикетов, за счет которой в комплексе с поровы-ми процессами формируется плотный поверхностный слой брикета. Основные задачи работы заключаются в следующем:
теоретическое обоснование избирательного регулирования состава брикетной смеси ;
исследования процессов формования брикета с целью определения оптимальных условий и режимов брикетирования;
исследование процесса сушки и термоупрочнения сформованных брикетов и обоснование оптимальных режимов их термоупрочнения;
разработка технологической схемы линии производства угольных брикетов из влажных шламов с использованием лигносульфонатного (100 7. Na) а качестве связующего;
обоснование экономической целесообразности производства брикетов по предложенной технологии.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы следующие методы, аналитический; физико-химический; экспериментальный (на лабораторных стендах с использованием численных и оптимизационных расчетов на ЭВМ, стендовых и опытно-промышленных установках).
Защищаемые положения
-
Производство бытового брикетного топлива из влажных угольных шламов возможно при избирательном регулировании состава и свойств брикетной смэси по гранулометрическому составу, влажности и адгезионным' свойствам путем шихтования с угольной мелочью фракции 0-6 мм; смешении с эффективным, порошкообразным лигносульфо-натным связующим и обработки в растирателе-гомогеннзаторе.
-
Эффективность процесса формования брикетной смеси обеспечивается при соблюдении оптимального подбора усилия прессования в соответствии с пластическими свойствами смеси, зависящими от содержания 'влаги, количества и свойств связующих материалов, физических свойств угля, гранулометрического состава и температуры смеси.
-
Требуемые потребительские свойства сформованных угольных брикетов налигносульфонатно* связующем обеспечиваются за счет формирования плотного поверхностного слоя брикета, обусловленного характером процесса удаления влаги из брикетов, зависящим от темпе-
ратуры, схемы и времени термообработки, количества влаги, а также от различной пористости в центральной и поверхостной части брикета.
4. Согласно разработанной технологической линии производство брикетов из влажных угольных тламов на лигносульфонатном (100 7. Na) связующем обеспечивается при использовании минимальных производственных площадей, компактного технологического оборудования и упрошенной схемы подготовки сырья.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена взаимосогласованным применением аналитических и экспериментальных методов исследований. Достоверность подтверждается актами испытания технологии и оборудования, справками и результатами анализов качества конечной продукции, выполненных сторонними специализированными организациями.
Научная новизна:
обоснован способ избирательного регулирования состава и свойств брикетной смеси с применением лигносульфонатного (100Z Na) связующего;
впервые обоснован способ введения порошкообразного лигно-сульфонатного (100 Z Na) связушэго в брикетную смесь из влажных угольных шламов;
обоснованы оптимальные режимы процесса формования брикета из влажных угольных тламов с применением порошкообразного лигносульфонатного (100 X Na) связующего;
обоснован процесс придания прочности и влагоустойчивости угольному брикету из влажных шламов за счет создания прочного приповерхностного, глубиной до Б мм, слоя брикета, основанный на управлении процессом миграции подвижного компонента шихты при формования и термообработке, а также последующей термополимериэации связующего;
обоснованы и экспериментально подтверждены режимы термоу-пр'пчения угольных брикетов с лигносульфоиатиым (100 X Na) связую-
KJH.
Практическая значимость работы
-
Разработана оригинальная, ресурсосберегаюоая, экологически благоприятная технология окускования угольных тламов методом брикетирования, обеспечивающая расширение ассортимента и снижение себестоимости товарной продукции угледобывающего предприятия.
-
Разработанная технология окускования влажных угольных шламов методом брикетирования вовлекает в производство не нашедшие
- 5 -применения угольные шламы и избыточно производимые на сегодняшний день в России многотоннажные отходы целлюлоэобумажного производст-ва-лигносульфонаты технические (100 X Na).
-
Разработанная технология позволяет получить влагоустойчивое, беабалластное, высокопрочное и высококалорийное бытовое угольное топливо, отвечающее потребительским требованиям отечественного и зарубежного рынка.
-
Разработанная технология позволяет разворачивать мобильные производственные участки, возможно сезонные, производительностью до 100 тыс. т брикетов в год, располагая их в непосредственной близости от наружных шламонакопителей или обогатительных фабрик шахт.
-
Разработана технологическая линия по производству угольных брикетов.
Реализация результатов работы. Технология окускования каменноугольных шламов способом брикетирования с применением лигносуль-фонатного связующего испытана на стендовой установке в полупромышленных условиях на шахте "Северная" ГО "Воркутауголь" (г. Воркута) и на опытно-промышленной установке экспериментального участка ПВФ "Стромкомпдекс" в п. Красково Московской области.
На оснований проведенных исследовательских работ и испытаний выданы исходные данные на проектирование установки, разработана рабочая документация и с июня 1995 г. ведется строительство промышленной установки на шахте "Северной" ГО "Воркутауголь" производительностью 72 тыс. т в год.
Личный вклад автора диссертационной работы:
Изложенные в диссертации положения и выводы являются результатом' научных исследований и практической деятельности по внедрению, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, работ:
постановка задач, участие в методическом обеспечении, организация и проведение исследований, результаты которых приведены в диссертационной работе;
обобщение результатов исследований качества угольных шламов шахт Печорского бассейна ;
аналитическая оценка влияния пластических свойств брикетной смеси, гранулоштрического состава, влажности, количества связующих материалов и условий миграции подвижного компонента брикетной пихты на прочность и влагоустойчивость брикета;
исследование процессов сушки и термоупрочнения брикетов на порошкообразном лигносульфонатном (100 7. Na) связующем;
разработка и выполнение экспериментальной проверки способов подготовки брикетной смеси, формования и термоупрочнения брикетов из угольных шламов с применением лигносульфонатного (100 7. Na) связугшцэго;
разработка технологической линии производства угольных брикетов из шламов шахт Печорского бассейна с применением лигносульфонатного (100 7. Na) связующего и рекомендаций по практическому использованию.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ. Материалы диссертации послужиш основой для составления методических рекомендаций'для практического применения на производстве. Подготовлено техническое задание на изготовление основных агрегатов установки и техническое задание на проектирование, про-ектно-сметная документация на строительство брикетной установки мощностью 72 тыс. т в год на промплощадке шахты "Северной" ПО "Боркутауголь". С июля 1S95 года начато строительство этой установки.
Отдельные положения диссертации изложены в 6 научно-исследовательских отчетах по различным договорам С производственными и научными организациями.
Основные результаты и положения работы докладывались на Мэжду-народной конференции "Город в Заполярье и окружающая среда" (Воркута, 1994г.), на научно-технических советах в производственных организациях и XXVI годичной сессии ученого совета института ИОТТ (февраль 1996 г).
Образцы продукции - угольные брикеты выставлялись и получили одобрение на выставке 13 Международного конгресса по карбону и перми в Кракове (Польша) в 1995 году и выставке "Высокие технологии и товары народного потребления - 96" в Сыктывкаре - апреле 1990 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, получено два патента на способ получения топливных брикетов.
Работа выполнялась в Комплексном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте обогащения твердых горючих ископаемых (ИОТТ). Программа исследований и решение отдельных вопросов по теме диссертации предусматривались планом работ института, экологической программой города Воркута и региональной экологический программой Республики Коми "Экология - гооо".
Автор выражает глубокую благодарность к. т. н. С. С. Будаеву за научное руководство; Заслуженному деятелю науки и техники России, д. т.н., профессору, директору Института обогащения горючих ископаемых А. Р. Шлявко, сотрудникам института, профессору, д. г. -м. н. И. Б. Волковой, к. т.н. Н. С. Егорову, к. г. -м. и Ю. R Приходько, Заслуженному Экономисту Российской Федерации, к. з. н. В. К. Рыбкину, к. х. н. R Е. Шадриной, к. т. н. 11Э. Купершидту, коллегам по работе А. II Гуаенко, А. А. Килякову, В. А. Килякову и А. Н. Прокашеву за консультации и оказанную ими помоідь в работе над диссертацией.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, общим объемом 159 страниц машинописного текста, содержит 19 рисунков и 20 таблиц, 13 приложений. Список использованной литературы включает 113 наименований.