Введение к работе
Актуальность работы. Соблюдение норм пожарной безопасности при разработке технологий - одно из главных требований, закрепленных в нормативных актах в области эксплуатации опасных промышленных объектов.
Отходы предприятий угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности характеризуются значительными объемами, и присутствие в их составе пылевидных фракций способствует повышению их пожаро- и взрывоопасное, что достоверно подтверждается большим числом самовозгораний отвалов. Нередки взрывы на угольных отвалах и, как следствие, большие выбросы пыли и породы в воздух на значительные расстояния. Потому вопросы предупреждения возгораний отвалов в условиях повышенного внимания к экологии и безопасности угольного производства приобретают большое значение.
На сегодняшний день для ликвидации отходов угледобычи и углеперера-ботки разработано множество методов. Внедряются способы получения и сжигания пыле- и водоугольного топлива. Однако подобные технологии сами представляют потенциальную взрыво- и пожароопасность, поскольку основаны на измельчении сжигаемого топлива до мелкодисперсных размеров (до 90 мкм), особенно на стадиях его приготовления и подготовки сырья.
Необходимо разработать пожаро- и взрывобезопасную технологию утилизации техногенных угольных образований, в сравнении с применяемыми способами сжигания пылевидных отходов добычи и переработки угля.
Анализ литературы, в том числе патентной, позволяет заключить, что эффективным методом утилизации пылевидных отходов являются гранулирование и брикетирование с получением бездымного топлива. При этом необходимо решить задачу поиска связующего вещества, которое бы не ухудшало теплотехнических характеристик получаемых продуктов.
Поиск эффективного связующего показал возможность использования обезвоженного избыточного активного ила городских очистных сооружений с одновременным решением важнейшей экологической проблемы. Однако подобные остатки содержат значительное количество патогенной микрофлоры, имеют специфический запах, и их прямое использование нежелательно.
Таким образом, актуальность данной работы заключается в исследованиях, направленных как на разработку безопасной технологии утилизации отходов угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, так и на получение из них полезных продуктов - топливных гранул, что приведет к снижению экологической нагрузки.
Целью работы является разработка безопасной технологии утилизации техногенных угольных образований для получения топливных гранул.
Идея работы заключается в разработке технологии получения топливных гранул из техногенных угольных образований, исключая пожаро- и взрывоопасные стадии обращения с мелкодисперсными фракциями отходов.
Объект исследования:
- отходы добычи, обогащения и переработки угля и некондиционные продукты, в частности, угольный отсев, шлам, коксовая мелочь и пыль;
- обезвоженный избыточный активный ил.
Предмет исследования:
факторы, обеспечивающие промышленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований;
изменения свойств остатка анаэробной переработки и состава биогаза от влажности исходной смеси при сбраживании обезвоженного избыточного активного ила;
влияние количества связующего вещества в составе формуемой смеси на эффективность процесса гранулирования;
изменения прочности и теплоты сгорания получаемых топливных гранул от соотношений вводимых наполнителя, связующего вещества и добавок.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
Найти наиболее эффективный метод безопасной утилизации пылевидных отходов на основании сравнительного анализа существующих технологических решений в области переработки техногенных угольных образований.
Обосновать безопасное применение остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.
Разработать способы повышения промышленной безопасности процессов анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила и получения топливных гранул.
4. Установить оптимальную рецептуру топливных гранул состава
уголь/связующее, уголь/кокс/связующее.
5. Разработать принципиальную технологическую схему получения топ
ливных гранул с реализацией разработанных решений повышения безопасно
сти процессов.
Методы исследования
В работе использованы: физико-химические методы анализа (хромато-графический, дериватографический, калориметрический, рентгенофазовый) исходного сырья и полученных продуктов, а также методы гранулометрического и технического анализа твердых энергоносителей.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
В процессе переработки техногенных угольных образований образуются факторы, оказывающие влияние на состояние промышленной безопасности: на стадии обеззараживания обезвоженного ила - пожаро- и взрывоопас-ность образующегося газообразного энергоносителя, при обращении с мелкодисперсными угольными отходами - пыление.
Объем выделяемого биогаза и его теплота сгорания находятся в пря-мопропорциональной зависимости от влажности сбраживаемой смеси в интервале от 80 до 90 %; влажность исходной смеси 87 % является оптимальной, при которой свойства остатка анаэробной переработки являются подходящими для использования его в качестве связующего вещества.
Повышение безопасности эксплуатации метантенков и материалов вблизи них достигается использованием: ИК-пленки - для обогрева метантенка;
негорючих материалов на основе гранулированного и термообработанного силиката натрия - для теплоизоляции метантенка.
4. Метод окатывания в барабанном грануляторе позволяет получить прочные гранулы при добавлении связующего вещества в количестве 30-35 % мае. и способствует повышению промышленной безопасности при формовании мелкодисперсных отходов предприятий добычи и переработки угля.
Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена научно и методически обоснованной постановкой задач по обеспечению безопасности процессов получения топливных гранул; использованием калориметра «БКС-2Х» с малой погрешностью для достаточно точного проведения экспериментов по определению теплоты сгорания топливных гранул; хорошей воспроизводимостью экспериментов при идентичных начальных условиях; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
Обосновано использование остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.
Впервые установлено, что при увеличении влажности обезвоженного избыточного активного ила в процессе сбраживания с 80 до 90 % у получаемого остатка после анаэробного сбраживания происходит увеличение липкости.
Установлено, что содержание остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила в составе топливных гранул должно варьироваться в пределах 30-35 % мае.
Разработана технология получения топливных гранул путем переработки техногенных угольных образований и биологических очистных сооружений с реализацией разработанных решений повышения безопасности процессов.
Практическое значение работы:
Впервые для получения топливных гранул из угля и кокса в качестве связующего вещества использован остаток анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила.
Определены соотношения компонентов, вводимых в состав топливных гранул, позволяющие достичь достаточной теплоты сгорания и прочности топливных гранул для реализации их потребителю.
Предложен способ и принципиальная технологическая схема получения топливных гранул на основе угольного отсева, шлама, пыли, коксовой мелочи, пыли и связующего вещества, позволяющие снизить экологическую опасность, а также пожаро-, взрьгво- и пылевзрывоопасность процесса.
Реализация разработанных положений позволит решить проблему утилизации накопленного обезвоженного избыточного активного ила, отходов и некондиционных продуктов предприятий добычи и переработки угля. Получение топливных гранул позволяет снизить потребление традиционных природных ресурсов, что сопровождается положительным экономическим эффектом. Разработанные решения существенно повысят безопасность технологических процессов получения связующего вещества и формования топливных гранул.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010» (Кемерово, 2010 г.), XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010 г.), XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009 г.), X Всероссийском студенческом научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.).
Практическая часть диссертационной работы является основой проекта, занявшего третье место в региональном конкурсе Администрации Кемеровской области «Меры по повышению конкурентоспособности экономики Кемеровской области» в номинации «Энергосбережение и энергоэффективность» (2009 г.). Получен грант по программе «У.М.Н.И.К.-2010», проводимой в рамках Кузбасской недели предпринимательства и бизнеса.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ в курсе «Основы промышленной экологии».
Личный вклад автора заключается в анализе проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке результатов, формулировке выводов, подготовке к публикации докладов и статей.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 патента №2418038 «Состав для получения твердого формованного топлива» от 03.08.2009 г. и патент № 2424280 «Состав для получения формованного топлива» от 26.01.2011 г.
Структура и объем диссертации
