Содержание к диссертации
Введение
Обзор состояния проблемы 13
Теоретические и методические предпосылки повышения энергетической ценности углей 30
2.1 Определение энергетической ценности угольного топлива 30
2.2 Обоснование и выбор характеристик и свойств энергетических углей, отражающих технологическую и теплотехническую ценность углей 34
2.3 Характеристика энергетических углей по марочному составу 40
2.4 Структура распределения энергетических углей основных угольных бассейнов РФ по маркам 46
Характеристики и свойства энергетических углей основных угольных бассейнов Российской Федерации 49
3.1 Характеристика природных и технологических показателей исследуемых углей 49
3.1.1 Анализ статистических характеристик физических свойств углей 51
3.1.2 Анализ статистических характеристик технологических свойств углей 57
3.1.3 Анализ статистических характеристик химического состава 62
3.1.4 Анализ статистических характеристик энергетических свойств углей 76
3.2 Качественная характеристика энергетических углей основных угольных бассейнов РФ 88
3.2.1 Корреляционный анализ взаимосвязи энергетических характеристик углей 96
Теоретические основы прогноза энергетических характеристик углей с использованием процедур многомерного нелинейного регрессионного анализа . 108
4.1 Разработка модели для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива энергетических углей 110
4.2 Разработка модели для прогноза теплоты сгорания сухого беззольного состояния топлива энергетических углей 123
4.2.1. Моделирование связи отражательной способности угля с его физико-технологическими свойствами и химическим составом 133
4.3 Разработка моделей для прогноза энергетических характерис тикуглей конкретных марок 138
4.3.1 Разработка моделей для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние углей конкретных марок 142
4.3.1.1 Модель для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива углей марки Д 142
4.3.1.2 Модель для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива углей марки СС 145
4.3.1.3 Модель для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива углей марки Ж 149
4.3.1.4 Модель для прогноза низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива углей марки К 153
4.3.2 Разработка моделей для прогноза теплоты сгорания на сухое беззольное состояние топлива углей конкретных марок 161
4.3.2.1 Модель для прогноза теплоты сгорания сухого беззольного топлива углей марки Д 161
4.3.2.2 Модель для прогноза теплоты сгорания сухого беззольного топлива углей марки СС 164
4.3.2.3 Модель для прогноза теплоты сгорания сухого беззольного топлива углей марки Ж 169
4.3.2.4 Модель для прогноза теплоты сгорания сухого беззольного топлива углей марки К 171
Критерии оценки обогатимости энергетических углей 183
5.1 Анализ статистических характеристик критериев Т обогатимости углей 189
5.2 Корреляционный анализ взаимосвязи критериев обогатимости углей с выходом и зольностью фракции по плотности 192
5.3 Классификация углей по категориям сложности облагораживания 196
5.4 Исследование влияния выхода и зольности фракций плотности разделения менее 1500 на показатель предельной обогатимости углей 201
5.5 Предельная обогатимость энергетических углей различных марок 213
Эквиваленты энергетической ценности энерегетических углей 217
6.1 Исследование связи критериев обогатимости углей с эквивалентом их энергетической ценности 217
6.2 Взаимосвязь критериев обогатимости углей с их энергетическими характеристиками 222
6.3 Эквивалент энергетической ценности угля 227
6.4 Классификация углей по эквиваленту энергетической ценности Эц 230
6.5 Оценка обогатимости энергетических углей по энергосодержанию продуктов 249
Исследование и создание прогрессивных технологий переработки и обогащения углей в топливо для эффективной энергетики 268
7.1 Общие принципы и основные положения обогащения энергетических углей 268
7.1.1 Утилизация бурых углей 271
7.1.2. Утилизация энергетических каменных углей и антрацитов 281
7.2 Разработка способа определения теоретического баланса продуктов обогащения и теплоты сгорания углей 289
7.3 Методология исследования и расчета данных для разработки вариантов технологических схем обогащения с учетом энергосодержания продуктов 293
7.4 Проектно-компоновочные решения и технологические схемы обогащения энергетических углей
7.4.1 Технологии переработки энергетических углей, имеющих сбыт в виде сырья валовой добычи 296
7.4.2 Технологии переработки энергетических углей, не имеющих сбыта в сыром виде 305
7.4.2.1.Технологии переработки с выделением необогащенного отсева 305
7.4.2.2. Технологии обогащения с переработкой всех классов крупности 310
7.4.3. Технологии глубокого обогащения с целью производства топлива для прогрессивной экологически чистой энергетики 316
7.5. Шлакующие и загрязняющие свойства углей 321
Разработка практических основ формирования высокоэффективных технологий обогащения нового уровня 327
8.1 Основные предпосылки формирования новых технологий обогащения энергетических углей 327
8.2 Практическая реализация элементов высокоэффективных технологий обогащения энергетических углей 329
8.3 Приоритетные направления и технические решения создания прогрессивных технологий обогащения энергетических углей 334
Заключение 336
Список использованных источников
- Обоснование и выбор характеристик и свойств энергетических углей, отражающих технологическую и теплотехническую ценность углей
- Анализ статистических характеристик технологических свойств углей
- Моделирование связи отражательной способности угля с его физико-технологическими свойствами и химическим составом
- Утилизация энергетических каменных углей и антрацитов
Введение к работе
Актуальность работы. Энергетическая стратегия России на период до 2020г. предусматривает наращивание добычи и использования органических энергоносителей для обеспечения ежегодного прироста ВВП в объеме 5-5,5%. При этом закладывается прогрессирующий рост использования угля с одновременным снижением издержек энергетического производства на доставку топлива и затрат на экологию.
Очевидно, что поставленная задача в угольной энергетике наиболее успешно решается за счет использования высококачественного топлива, эффективного для генерирования тепловой и электрической энергии на современном технико-экономическом уровне.
Анализ современного состояния угольной энергетики показывает, что теория и практика сжигания углей недостаточно коррелирована с реалиями целенаправленного подхода к подготовке угольных то плив для их оптимизированного использования. В результате потребитель использует в оценке топлив индикаторы, отличные от применяемых в практике добычи и обогащения углей. Производитель топлива оказывается не в состоянии управлять энергетичностью своей продукции.
Данные о распределении золы и серы по классам крупности и фракциям плотности, принимаемые за основу разработки технологии их обогащения, не отражают энергетической ценности как рядового угля, так и концентратов в силу сложности состава горючей массы угля и различной энергетической ценности каждого ее компонента.
Последнее делает затруднительным прогнозирование показателей качества и выхода продуктов обогащения энергетических углей отдельных пластов или их участков по данным исследования месторождений, приводит к неопределенности при решении вопроса вовлечения таких месторождений в эксплуатацию, обоснования глубины обогащения таких углей и разработки схем их переработки с ориентацией на конкретного потребителя. Разработка и применение сквозных показателей оценки результативности обогащения в энергоиспользовании углей может положительно сказаться на процедуре формализованного принятия обоснованного решения по рациональным технологиям обогащения энергетических углей.
Работа выполнялась в соответствии с заданиями государственных научно-технических программ «Экологически чистая энергетика» и «Недра России».
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетсрвург ., я 03 VXbfawJIQ \
Цель работы. Теоретическое обоснование и разработка методологии комплексной классификации энергетических углей по их обогатимости и энергетической ценности, отражающей механизм изменения энергетического состояния углей в процессах переработки и обогащения угольных смесей, и на ее основе - создание прогрессивных технологий переработки и обогащения углей в топливо для эффективной энергетики.
Идея работы. Установление закономерностей влияния на обогатимость и энергетическую ценность совокупности физических, технологических свойств и химического состава горючей массы энергетических углей, разработка комплексного критерия их энергетической ценности, позволяющего ранжировать энергетические угли по обогатимости и энергетической ценности и определять глубину их обогащения; с использованием «энергетических кривых обогатимости» обосновывать технологии обогащения углей и их переработки в энергонасыщенное топливо.
Задачи исследований:
разработать новый энергетический подход к оценке обогатимости углей, отражающий механизм изменения энергетического состояния углей в процессах переработки и разделения угольных смесей;
исследовать применимость энергетических критериев оценки углей к описанию характеристик топлив, определяющих обогатимость;
изучить степень и форму связи показателей энергетической ценности топлив с основными физическими, технологическими свойствами и химическим составом горючей массы энергетических углей;
классифицировать угли по основным энергетическим показателям и обогатимости, позволяющим осуществить их ранжирование по энергетической ценности;
предложить новый подход к формированию технологических схем для групп углей, однородных по энергетической обогатимости;
разработать концепцию рационального обогащения и использования энергетических углей;
обосновать прогрессивные технологии переработки рядовых углей в обогащенное топливо для эффективной угольной энергетики;
определить прогрессивные направления внедрения технологий и их аппаратурного оформления с целью модернизации системы углепользования России.
Методы исследований. Многообразие и синергизм факторов, характеризующих энергетическую ценность и обогатимость углей в условиях отсутствия возможности использования каких-либо детерминированных закономерностей, описывающих всю совокупность физико-технологических свойств и состава угля, обусловили применение в работе методов системного анализа, математической статистики, а также анализа и обобщения результатов лабораторных и промышленных испытаний технологий обогащения и сжигания энергетических углей.
При разработке показателей энергетической обогатимости использовался классический набор методов гранулометрического, фракционного и калориметрического анализов углей и продуктов обогащения.
Научные положения, разработанные лично автором, и выносимые на защиту:
-
Соответствие гистограмм распределения определяющих характеристик углей двум видам теоретических функций распределения: распределение значений физических и технологических свойств -логарифмически-нормальному, а характеристик химического состава горной массы, в основном, распределению Вейбулла.
-
Методология получения универсальных для всех марок энергетических углей, уравнений, позволяющих рассчитывать основную квалификационную Q^ и потребительскую Q/, энергетические характеристики углей по известным значениям их физико-технологических свойств и характеристик: плотности, показателю отражательной способности витринита, зольности, влажности и содержанию углерода в горючей массе угля.
-
Способ выбора и обоснование точечных показателей обогатимости энергетических углей, совокупность которых однозначно характеризует их предельную обогатимость. Классификация по этой группе критериев Т всех энергетических углей на три категории обогатимости - благоприятную, сложную и особо сложную.
-
Обобщенный критерий «эквивалент энергетической ценности» рабочего топлива, позволяющий оценивать энергетический уголь в совокупности, как по обогатимости, так и по энергетичности.
-
«Энергетические кривые обогатимости», позволяющие рассчитывать теоретический баланс распределения энергосодержания исходного угля по продуктам обогащения.
6. Энергетический подход к разработке рациональных технологий обогащения углей различной категории сложности.
7 Принципиальные технологические схемы, аппаратурное оформление и индикаторы плотности разделения продуктов для различных типов углей.
Научная новизна:
-
Впервые установлено соответствие экспериментальных распределений значений физических и технологических свойств углей логарифмически нормальному закону распределения, а основных характеристик химического состава горючей массы - распределению Вейбулла. Полученные численные значения параметров каждого из распределений позволяют теоретически предсказать вероятность соответствия углей конкретных шахтопластов действующих или вовлекаемых в переработку новых угольных месторождений углям с определенным набором их свойств.
-
Получены новые модели, позволяющие рассчитывать основные -квалификационную Qsddt и потребительскую Q,r энергетические характеристики углей, универсальные для всех марок энергетических углей.
-
Разработана новая классификация энергетических углей по предельной обогатимости.
-
Теоретически обоснован новый комплексный критерий «Эквивалент энергетической ценности» рабочего топлива, позволяющий совокупно оценить как их обогатимость, так и энергетическую ценность, и теоретически обосновать необходимость обогащения разных по энергетической ценности углей по самостоятельным технологическим схемам обогащения.
-
Впервые предложены «Энергетические кривые обогатимости», позволяющие рассчитывать теоретический баланс распределения энергосодержания исходного угля по продуктам обогащения и плотность разделения по теплоте сгорания, приведенной на рабочее состояние.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- корректным использованием апробированных методов исследования (системный анализ, математическая статистика) качественных характеристик энергетических углей;
представительным объемом статистически обработанных экспериментальных данных, полученных при исследовании 86 различных угольных шахтопластов, разрезов и шахт;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния совокупности физических, физико-химических и технологических факторов энергетических углей на их энергетическую ценность (относительная погрешность до 10%); совпадением результатов статистической обработки расчетных данных с данными практики.
Научное значение работы заключается в:
научном обосновании технологических решений по обогащению энергетических углей, внедрение которых вносит значительный вклад в стратегию развития топливно-энергетического комплекса России;
разработке новой методологии исследования и оценки обогащения энергетических углей по основной потребительской характеристике -энергосодержанию продуктов переработки;
получении нового аналитического продукта в виде моделей, позволяющих прогнозировать значения теплот сгорания на сухое беззольное и рабочее состояния топлива по плотности угля, показателю отражения витринита, зольности, влажности и содержанию углерода в горючей массе;
разработке и статистическом обосновании нового показателя — «эквивалента энергетической ценности», однозначно характеризующего энергетическую составляющую и обогатимость угля;
разработке и обосновании новой классификации всего многообразия энергетических углей России по их предельной обогатимости с выделением трех групп: благоприятных по обогатимости, сложных и особо сложных;
разработке и обосновании нового графоаналитического метода оценки результатов обогащения энергетических углей по кривым разделения: плотность - энергосодержание;
разработке концепции глубокого обогащения энергетических углей.
Практическое значение работы:
- разработан метод исследования и расчета теоретического баланса
продуктов обогащения энергетических углей по энергосодержанию
фракций различной плотности разделения;
на основании анализа сырьевой базы энергетических углей установлены группы углей различных марок, которые могут быть использованы либо как топливо в энергетике в виде усредненного сырья валовой добычи, либо малоэффективные в энергетике без обогащения. Для углей, подлежащих обогащению, обоснованы технологические схемы и компоновочные решения, обеспечивающие наиболее высокую результативность обогащения;
разработаны рекомендации по параметрам технологий обогащения и оборудованию для реализации прогрессивных технологий глубокого обогащения сложных и особо сложных по энергетической обогатимости углей;
разработана методика исследований и обработки результатов экспериментов и представления данных для выбора и обоснования технологии обогащения энергетических углей различных стадий метаморфизма;
разработаны научно-методические положения по выбору и обоснованию рациональных технологий обогащения угольных топлив на основе энергетического подхода.
Результаты исследований и практические рекомендации работы используются при подготовке горных инженеров-технологов по специальности «Обогащение полезных ископаемых».
Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы: при разработке эталонов ТЭО строительства предприятий по добыче и обогащению угля, утвержденных Минтопэнерго РФ; в проектах реконструкции углеобогатительных фабрик Кузнецкого и Ростовского угольных бассейнов; при конструировании и организации серийного производства функционального оборудования для переработки и обогащения энергетического угля.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на' II международной летней школе "Менеджмент в области экологически чистых угольных технологий" (г.Москва, МГУИЭ, 1997г.); Ученом Совете ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского (г.Люберцы, 1998г.); III международной конференции "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология" (г.С.-Петербург, СПГГИ, 1998г); XIII международном конгрессе по обогащению углей (г.Брисбен, Австралия, 1998г.); VII международном симпозиуме по
переработке минерального сырья (Турция, Стамбул, 1998г.), международной научной конференции, посвященной 275-летию РАН (г.Звенигород, 1999г.); Плаксинских чтениях "Проблемы комплексной переработки минерального сырья и охраны окружающей среды"(г.Петрозаводск, 1998г.); Всемирном конгрессе по экологии в горном деле (г.Люберцы, ННЦ ГП-ИГД им А А.Скочинского, 1999г); Всероссийской деловой встрече "Уголь в энергетической стратегии Российской федерации (г.Москва, МГГУ,1999г); Неделе горняка (г.Москва, МГГУ, 2000, 2002, 2003гг.); конференции "Обогащение-2000", посвященной 80-летию "Института Механобр" и кафедры ОПИ СГТГГИ (г.С.-Петербург, 2000г.); Плаксинских юбилейных чтениях "Развитие идей И.Н.Плаксина в области обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургии (г.Москва, 2000г.);международной конференции "Химия угля на рубеже тысячелетий" (г.Клязьма, 2000г.); расширенном НТС АО "Свердловскэнерго (г.Екатеринбург, 2000г.); XIV международном конгрессе по обогащению углей (ЮАР, Йоханнесбург, 2002г.); международной конференции, посвященной 75-летию ИГД им.А.А.Скочинского и 50-летию ИОТТ "Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства" (г.Люберцы, 2002г.); Ученом Совете ИОТТ (г.Люберцы, 2003г.), заседании кафедры ОПИ МГГУ (г.Москва, 2003 г.)
Публикации. _ По материалам диссертационной работы опубликовано 39 печатных работ в периодических научных и научно-технических изданиях
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, содержит 66 рис., 101 таблицу, список литературы из 183 наименований и одно приложение.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Дебердееву И.Х. за советы и консультации при подготовке диссертационной работы, а также коллегам по работе за помощь, оказанную при выполнении отдельных разделов диссертации, и, в частности, предложенной в работе методологии моделирования исследований взаимосвязей свойств и энергетических характеристик углей: к.т.н. Муклаковой А.Н., к.т.н. Давыдову М.В., инж. Благовой Г.И., инж. Самойловой Е.К., инж. Аникеевой Т.Н.
Обоснование и выбор характеристик и свойств энергетических углей, отражающих технологическую и теплотехническую ценность углей
Использование обогащенного угля вместо рядового позволяет потребителю топлива повысить эффективность сжигания угля, уменьшить выбросы продуктов загрязнения окружающей среды [6,122,125,126] и получить определенную экономическую эффективность. В то же время потребитель должен заплатить за обогащенное угольное топливо по увеличенной цене. Очевидно, что только в условии того, когда общая экономическая эффективность использования обогащенного угля высока у потребителя, имеется мотив использования качественного топлива.
В этих условиях производитель сталкивается с проблемой принятия решения, какой уголь, как дорого его можно обогащать и до какого уровня. Традиционно для ответа на этот вопрос угольщиками используется представление об обогатимости угля. При кажущейся очевидности этого понятия до настоящего времени не только не существует общепринятых методов ее определения, но и само понятие предполагает различное толкование. ,ы На результативность обогащения, помимо характеристики угля, отождествляемой с сырьевой базой, оказывают влияние принципиальная технологическая схема, используемое технологическое оборудование и структура баланса продуктов переработки, наиболее рациональная для производства требуемой продукции [7,8,115,117,118,121].
В общем виде обогащение состоит в расщеплении рядового угля на целый ряд элементарных продуктов, представляющих постепенный переход от чистой органической массы (угля) к чистой породе. Обычно для расщепления на элементы используется разница в плотностях угольной и породной составляющих. fr Исходя из того, что никогда нельзя достигнуть идеального разделения вещества на элементы, чтобы среди элементарных продуктов не было переходных состояний, группируя элементарные продукты в конечные концентрат и отходы всегда принимается компромиссное решение, сколько угля направит в отходы. Отсюда, чем чище получают концентрат, тем его будет меньше, и тем большая часть угля будет уходить в отходы и наоборот.
Одним из способов увеличения выхода товарного продукта является образование концентрата второго сорта - промпродукта из наиболее возможного числа соответствующих элементарных продуктов.
Последующая переработка промежуточного продукта увеличивает выход крайних продуктов.
Таким образом, количественные определения обогащения имеют определяющее значение для любой формы оценки операции.
Впервые способ определения результатов обогащения в зависимости от выхода по удельным весам был разработан для угля Henry [90].
Предложенные им кривые X, Р, и v получили в последствии не совсем точное название кривых обогатимости. На самом деле они являются характерными кривыми конкретного угля, по которым можно судить о большой или меньшей затруднительности обогащения и только, имеющей кстати совершенно различную причину, связанную как с природой угля, так с его физическими свойствами и недостатками технологии обработки [9,10,128].
Разделение на отчетливые продукты (концентрат - отходы) происходит легко, если верхняя часть кривой X круто спускается и круто проломившись, получает пологое опускание в нижней части, чаще, однако, переход верхней части к нижней происходит плавно, что указывает на невозможность четкого разделения угля на 2 продукта. В особо трудных условиях вся кривая представляет плавную линию без четко выраженных точек перелома.
Три участка различной кривизны практически отождествляются с выходом концентрированной фракции, промежуточной (промпродуктовой) и отходами. Для добываемых углей характер кривых во многом определяется технологией добычи, что вытекает из стратиграфии продуктовой толщи пласта. Известная разница в качественной характеристике отдельного пласта по толщине, вызванная разубоженностью органической массы в контактных зонах угля и породе, способствует накоплению в пробе карбоминеритов выполаживающих кривую А, [11, 12, 13, 91,130]. При изучении общей структуры угольного пласта измеряется его полная мощность, и состав продуктовой толщи подразделяется на чистый уголь, нечистый уголь (сростки, карбоминерит) и пустую породу. Нечистый уголь участвует в формировании переходной зоны кривой X.
Кроме угля из контактных зон в формировании нечистого угля участвуют прослои карбоминерита, встречающиеся непосредственно в угольной толще. Подходя к оценке исходного угля как объекта обогащения с учетом многообразия факторов, влияющих на формирование их свойств, можно видеть, что только часть этой многокомпонентной смеси может быть эффективно использована для технологических и энергетических целей. Результативность ее выделения в процессе обогащения определяется потребительскими свойствами продукции и степенью совершенства технологии. Вместе с тем данные о распределении золы и серы по классам крупности и фракциям плотности, лежащие в основе оценки обогатимости и принимаемые обычно за основу разработки технологии обогащения сами по себе не достаточны для установления рационального профиля проектируемой фабрики. Разработано много подходов к оценке обогатимости исходного угля, в основе которых заложена известная корреляция зольности и плотности распределения [8,9,14-16,23-27,150]. Однако в основной массе они имеют ф локально прикладное значение и часто трактуются по-разному.
Анализ статистических характеристик технологических свойств углей
Преобладающее значение в углях марок СС имеют полуматовые и матовые разновидности. В зависимости от условий залегания при разработке они характеризуются различным гранулометрическим составом. Фюзенизированные угли, залегающие в малотектонически нарушенных месторождениях, отличаются малым содержанием мелочи, а витринитовые Кузнецкие угли могут содержать много тонких классов. В зависимости от генезиса встречаются относительно легко обогатимые угли (Кузбасс) и очень труднообогатимые (Экибастуз). Рядовые угли марки СС используются главным образом на крупных электростанциях, сортовые - в агрокомплексе и в коммунально-бытовом секторе. Угли этой марки относятся к категории лучших энергетических с низшей теплотой сгорания на сухое беззольное состояние 33,5 МДж/кг (8000 ккал/кг). На мировом рынке их стоимость ниже стоимости коксующихся углей не более, чем на 20%.
Высокая теплота сгорания органической массы углей способствовала необоснованному широкому их использованию в энергетике в разубоженном состоянии.
Тощие угли марки Т представляют угли с отражательной способностью витринита от 1,6% до 2,5%. Выход летучих веществ в них составляет от 7% до 16,7%. Содержание фюзенитовых компонентов - от 10% до 45%. Влажность не превышает 9,2%; содержание серы колеблется в пределах 0,2 - 0,6 %. Содержание углерода и водорода составляет 80,3 — 89,8% и 2,7 — 4,6% соответственно.
Все угли марки Т открытой добычи отличаются невысокой зольностью легких фракций и их большим диапазоном изменения их выхода. Спекаемость в углях марки Т отсутствует. Они используются в энергетике.
К антрацитам относятся угли высоких стадий метаморфизма с показателем отражения Ro более 2,59%. Типичные антрациты отличаются от каменных углей плотным сложением, более низкой частотой эндогенных трещин и высокой прочностью [37]. Микротвердость витринита антрацитов выше микротвердости каменных углей в 5 - 8 раз. Плотность органической массы составляет в среднем 1700 кг/м . Органическая часть антрацитов состоит в основном из углерода — 93 - 97%. Содержание в них водорода невелико — 1 — 2,5%. Зольность свежедобытого антрацита колеблется от 4 до 26%, достигая 40% при разубоживании горной массы, влажность не превышает 5 — 9%, низшая теплота сгорания на рабочее состояние — 20,9 — 28,1 МДж/кг. Основная масса добываемых антрацитов используется в энергетике.
Фактором, отражающим технологические свойства антрацитов и направления его наиболее эффективного использования, является степень восстановленности, с ростом которой увеличивается реакционная его способность.
Для принятой степени метаморфизма изменение реакционной способности коррелирует с анизотропной отражательной способностью.
Сумма отощающих компонентов донецких антрацитов (4 — 20%) существенно ниже, чем у Кузнецких и Горловских (ЕОК = 37 + 74%), что указывает, в частности на значительную фюзенизацию последних.
Донецкие антрациты более чувствительны и загрязнены балластом. Для них зона неустойчивого горения, когда для поддержания стабильного режима сжигания необходимая газовая или мазутная "подсветка" наступает от 26 -30% зольности.
При зольности топлива около 40% устойчивое горение в топках котлов достигается при долевом участии в факеле 35 - 40% мазута. КПД котлов при этом снижается на 10%.
В работе использованы материалы по исследованию основных физических, технологических свойств и вещественного состава энергетических углей основных марок, качественно и количественно отражающих все разнообразие углей открытой и подземной добычи при их дальнейшем использовании в энергетике России.
Опыт работы электрических станций с большим изменением сырьевых баз по качеству углей показал, что характеристики, используемые при определенной принадлежности угля к определенной марке, не дают возможности оценки предпочтительности и взаимозаменяемости углей.
При решении вопроса о наиболее эффективном использовании углей того или иного месторождения в энергетике, помимо комплекса исследований, позволяющих отнести его к определенной марке, необходимо системное изучение физических и технологических свойств, а также химического состава родственных углей определенного угольного бассейна, что позволяет в совокупности прогнозировать энергетические возможности угля при введении в эксплуатацию новых шахтопластов и месторождений в целом по данному угольному бассейну, чему и посвящена глава 3.
Моделирование связи отражательной способности угля с его физико-технологическими свойствами и химическим составом
Рассчитанные для данных гистограмм теоретические функции нормального, логарифмически нормального распределения и распределения Вейбулла и проверка гипотез соответствия экспериментального распределения указанным теоретическим функциям показала, что экспериментальное распределение плотности энергетических углей подчиняется логарифмически нормальному распределению. Об этом свидетельствует значение критерия Пирсона, меньшее критического при уровне значимости 0,05. С еще большей вероятностью об этом можно сказать для распределения отражательной способности витринита.
Гистограмма распределения прочности носит симметричный характер (рис. 3.2). Об этом же свидетельствуют и значения критерия Пирсона, которые имеют практически равные значения для всех трех теоретических видов распределения и все не превышают критического значения. Тем не менее, наименьшее значение критерия наблюдается так же для логарифмически нормального распределения. Гистограмма и теоретическая функция плотности логнормального распределения плотности энергетических углей угольных бассейнов РФ
Таким образом, из результатов проверки статистических гипотез соответствия экспериментально полученных гистограмм распределения плотности, прочности и отражательной способности энергетических углей РФ, можно сделать вывод о том, что указанные гистограммы подчиняются логарифмически нормальному виду распределения (рис. 3.2.).
Анализ значений коэффициентов вариации плотности, прочности и отражательной способности витринита показал, что наименьшим рассеиванием значений относительно среднего арифметического обладает плотность углей, для которой-коэффициент вариации составляет всего 7,5%. Существенно более неоднородны энергетические угли по прочности и отражательной способности витринита. Коэффициенты вариации указанных физических величин близки между собой и составляют 45,44% и 41,22%, соответственно.
Таким образом, по степени неоднородности физические свойства энергетических угле РФ соотносятся следующим образом: плотность » отражательная способность витринита « прочность. Рассматривая значения плотности, прочности и отражательной способности витринита для отдельных угольных бассейнов можно сказать, что наибольшей плотностью характеризуются энергетические угли Южно-Якутского угольного бассейна, а наименьшей — Печорского угольного бассейна. Об этом свидетельствуют доверительные интервалы средних значений плотности, рассчитанные по массивам данных рассматриваемых угольных бассейнов. Так, для углей Печорского бассейна среднее арифметическое значение плотности составляет величину 1440 кг/м при доверительном интервале среднего, равном 1390 - 1490 кг/м , а для углей Южно-Якутского бассейна те же характеристики составляют величины 1570 кг/м3 и 1530 - 1620 кг/м3.
Угли Печорского бассейна так же характеризуются пониженной прочностью и отражательной способностью витринита. Средние арифметические значения указанных параметров составляют значения 0,43 и 0,80, соответственно. Указанные особенности углей Печорского бассейна делает необходимым выделения их в отдельную группу из всех исследуемых в работе углей.
Важными технологическими свойствами энергетических углей являются их зольность и влажность, которые помимо их химического состава определяют энергетические свойства. В таблицах 3.5 - 3.8 представлены статистические характеристики распределений зольности и влажности энергетических углей исследуемых угольных бассейнов и в целом по РФ.
Утилизация энергетических каменных углей и антрацитов
Как следует из формул 3.5-3.8 базовой, экспериментально определяемой энергетической характеристикой угля является теплота сгорания сухого беззольного топлива Qdaf, а потребительский показатель теплотехнических свойств угля — низшая теплота сгорания сухого беззольного состояния топлива Qidaf или его высшая теплота сгорания Qsdaf, использующаяся для классификационных целей углей, - являются расчетными. При этом, в формулы входят как технологические характеристики - зольность в рабочей и в сухой массе угля, содержание влаги в рабочей массе угля, так и некоторые характеристики химического состава угля — содержание серы в горючей и сухой массе угля и содержание водорода в горючей массе угля. Поэтому можно предположить, что функции распределения основных энергетических характеристик углей - низшей теплоты сгорания рабочего топлива Q/ , низшей теплоты сгорания горючей массы Qjdaf - и высшей теплоты сгорания горючей массы Qsdaf - должны являться функциями многомерных случайных величин, свойства которых определяются свойствами функций распределения теплоты сгорания на горючую массу, зольности в рабочей массе угля, Аг, влажности рабочей массы угля Wtr и указанных выше характеристик химического состава угля.
Как было показано, экспериментально полученные функции распределения технологических характеристик — зольности и влажности рабочей массы углей подчиняются логарифмически нормальному закону распределения, а для характеристик химического состава характерно теоретическое распределения Вейбулла. Поэтому трудно предположить, что энергетические характеристики угля, такие как низшая теплота сгорания рабочего топлива Q/, низшая теплота сгорания горючей массы Qdaf и высшая теплота сгорания горючей массы Qsda так же будут подчиняться какому-то одному, вполне определенному теоретическому закону распределения случайных величин.
На рисунках 3.11 - 3.13 представлены экспериментальные гистограммы распределении высшей теплоты сгорания горючей массы Qs , низшей теплоты сгорания рабочего топлива Q/, низшей теплоты сгорания горючей массы Qjdaf энергетических углей, построенные по массивам данных для исследуемых угольных бассейнов.
Из рисунков видно, что гистограммы распределения высшей и низшей теплот сгорания горючей массы в энергетических углях асимметричны. При этом, распределения смещены в сторону больших теплот сгорания. Гистограмма распределения низшей теплоты сгорания рабочего топлива имеет симметричный характер распределения. Рассчитанные для данных гистограмм теоретические функции нормального, логарифмически нормального распределения и распределения Вейбулла и проверка гипотез соответствия Гистограмма и теоретическая функция плотности распределения Вейбулла высшей теплоты сгорания горючей массы энергетических углей угольных бассейнов РФ 10
Низшая теплота сгорания горючей массы угля, МДж/кг Рис. 3.13 каждого из экспериментальных распределений указанным теоретическим показала, что наилучшим образом экспериментальные распределения высшей и низшей теплот сгорания горючей массы угля описываются распределением Вейбулла, а распределение низшей теплоты сгорания рабочего топлива, как и предполагалось, в равной степени могут быть отнесены как к нормальному, логарифмически нормальному, так и к распределению Вейбулла. Об этом свидетельствует значения критерия Пирсона, представленные в таблице 3.20.
Дальнейший анализ гистограмм показывает, что существует узкий диапазон значений исследуемых теплот сгорания, которым либо вовсе не характеризуются исследуемые угли, либо таких углей мало. Так, для высшей теплоты сгорания горючей массы угля Qsdaf такой диапазон соответствует значениям 30,6 - 31,7 МДж/кг, для низшей теплоты сгорания рабочего топлива Qi - 21,9 - 22,7 МДж/кг, и для низшей теплоты сгорания горючей массы Qjdaf — 27,6-28,6 МДж/кг. Несмотря на то, что сами гистограммы распределения и описываются едиными теоретическими функциями распределения Вейбулла, можно предположить, что каждая из полных выборок отдельных энергетических характеристик может быть разбит на две подвыборки, верхней границей первой будут нижние значения интервалов, а нижней границей второй - верхние.
Таким образом, из результатов проверки статистических гипотез соответствия экспериментально полученных гистограмм распределения энергетических характеристик энергетических углей РФ одному из рассматриваемых в работе теоретических функций распределения, можно сделать вывод о том, что гистограммы распределения высшей теплоты сгорания горючей массы Qsdaf, низшей теплоты сгорания рабочего топлива Qi и низшей теплоты сгорания горючей массы Q;daf энергетических углей, построенные по массивам данных для исследуемых угольных бассейнов РФ подчиняются распределению Вейбулла (3.3).
