Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы получения и использования водоугольных суспензий 10
1.1. Предпосылки возникновения и основные этапы развития технологии получения и применения водоугольных суспензий 10
1.2. Классификация водоугольных суспензий и область их применения 14
1.3. Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования ... 20
1.4. Анализ технологических схем приготовления водоугольных суспензий для прямого сжигания 29
1.5. Анализ результатов комплексного опробования и эксплуатации опытно-промышленного углепровода Белово-Новосибирск 35
1.6. Опыт промышленной эксплуатации гидротранспортных топливно-энергетических комплексов на основе грубодисперсной водоугольной суспензии 42
1.7. Цель и задачи исследований 48
2. Разработка научных основ получения водоугольных суспензий из каменных углей различной зольности 49
2.1. Характеристика исходных углей, описание стендовой установки и методика экспериментальных исследований 49
2.2. Исследование мокрого диспергирования углей в присутствии реагента-пластификатора в процессе приготовления водоугольных суспензий 53
2.3. Определение параметров реологических моделей водоугольных суспензий и обоснование методики измерения реологических характеристик 59
2.4. Физико-химические основы формирования структурно-реологических характеристик в процессе получения водоугольных суспензий 64
2.5. Обоснование методов расчета технологических показателей шаровых и стержневых мельниц для приготовления водоугольных суспензий 73
3. Разработка технологических процессов приготовления и способов управления структурно-реологическими характеристиками водоугольных суспензий из углей различной зольности 78
3.1. Описание опытно-промышленной установки и методика проведения испытаний 78
3.2. Исследования структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии, приготовленной по базовому технологическому процессу 80
3.3. Исследование и разработка малоэнергоемких способов приготовления водоугольных суспензий из углей различной зольности.. 87
3.4. Разработка способа управления структурно-реологическими характеристиками водоугольной суспензии 99
4. Разработка доступных и эффективных реагентов-пластификаторов для приготовления водоугольных суспензий 110
4.1. Характеристика комплексных добавок на основе технического лигносуль-фоната (ЛСТ) и углещелочного реагента (УЩР) и механизм их действия 110
4.2. Методика и результаты испытаний комплексных добавок на основе ЛСТ и УЩР в полупромышленных условиях 115
4.3. Результаты исследований процесса гидротранспортирования ВУС, при готовленных с применением комплексных добавок на основе ЛСТ и УЩР 122
5. Совершенствование технологических процессов приготовления и транспортирования водоугольных суспензий и эколого-экономическая оценка ОПУ Белово-Новосибирск 131
5.1. Совершенствование технологических процессов приготовления водо-угольной суспензии в условиях ОПУ Белово-Новосибирск 131
5.2. Совершенствование технологического процесса гидротранспортирования ВУС 137
5.3. Исследование и оценка экологического воздействия при гидротранспорте и сжигании угля в виде водоугольных суспензий 140
5.4. Технико-экономическая эффективность работы ОПУ Белово-Новосибирск.. 147
6. Исследование и разработка технологического процесса подготовки к сжиганию грубодисперсной водоугольной суспензии 151
6.1 Теоретические и экспериментальные исследования по определению длины фильтрующей ступени и влажности осадка осадительно-фильтрующих центрифуг 151
6.2. Исследование интенсификации процесса обезвоживания грубодисперсной водоугольной суспензии в осадительно-фильтрующей центрифуге 160
6.3. Разработка методики расчета конструктивных параметров и создание оса-дительно-фильтрующей центрифуги 181
6.4. Разработка технологии подготовки к сжиганию угля, доставленного в виде грубодисперсной водоугольной суспензии 187
7. Разработка и внедрение топливно-энергетических комплексов на основе водоугольных суспензий 192
7.1. Перевод котлов малой и средней мощности со слоевого сжигания угля на прямое сжигание ВУС 194
7.2. Разработка технологического процесса установки подачи и сжигания водоугольной суспензии в котельной Северного промузла г.Белово 203
7.3. Разработка технологического процесса приготовления водоугольной суспензии из угольных шламов в условиях углеобогатительной фабрики 203
7.4. Перспективные направления использования водоугольных суспензий в других отраслях промышленности 211
Заключение 217
Список использованной литературы 221
Приложение 238
- Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования
- Исследование мокрого диспергирования углей в присутствии реагента-пластификатора в процессе приготовления водоугольных суспензий
- Исследования структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии, приготовленной по базовому технологическому процессу
- Методика и результаты испытаний комплексных добавок на основе ЛСТ и УЩР в полупромышленных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. На период, включающий начало XXI века, прогнозируется повышение роли угля в энергетике, что обусловлено его крупными запасами. Однако экологические ограничения требуют разработки и внедрения новых угольных технологий, которые вместе с экономической эффективностью обеспечивают существенный экологический эффект с максимально высокой полнотой использования добытого топлива. Особенно остры эти проблемы для угольных регионов России, таких как Кузбасс, испытывающих недостаток в экологически чистых природных энергоносителях. Кроме того, вокруг многих угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках скапливается большое количество добываемого угля, представленного в виде тонкодисперсных угольных шламов, перевод которых в транспортабельное и технологически приемлемое топливо позволит не только улучшить экологическую обстановку в регионе, но и получить существенный экономический эффект.
Получаемое топливо должно отвечать жестким требованиям современного
крынка: стабильные значения основных технологических характеристик, задаваемых потребителем, рентабельность производства и минимально возможное опасное экологическое воздействие на окружающую среду при его получении и использовании.
В связи с этим становится актуальным использование угля в виде водоуголь-ных суспензий (ВУС), разработка эффективных процессов получения и применения которых должна базироваться на научно обоснованных методах физического и физико-химического воздействия на исходный уголь с учетом свойств его органической и минеральной составляющих.
Диссертационная работа выполнена в рамках ГНТПР России «Экологически чистая энергетика» и в соответствии с координационными планами Минуглепрома,
Миннефтегазстроя СССР, НИОКР ВНРШгидроугля и Новокузнецкого ГНПП "Экотехника" Цель работы заключается в разработке научных основ технологий получения
и применения водоугольных суспензий, обеспечивающих снижение стоимости вырабатываемой электрической или тепловой энергии и экологической нагрузки на окружающую среду.
В связи с этим решались следующие задачи:
-обоснование выбора углей, наиболее приемлемых для получения высококачественных ВУС;
- выявление физико-химических закономерностей формирования структурно-реологических характеристик водоугольных суспензий в процессе их приготовления путем мокрого диспергирования углей с различными свойствами;
-установление взаимосвязей реологических характеристик и параметров гранулометрического распределения частиц водоугольных суспензий с массовой долей твердой фазы, количеством и характеристиками минеральной части угля;
-разработка малоэнергоемких процессов и аппаратурно-технологических схем приготовления водоугольных суспензий, обеспечивающих стабильные значения параметров гранулометрического состава и эффективной вязкости;
-обоснование применения доступных и эффективных реагентов-пластификаторов и разработка их композиций для приготовления водоугольных суспензий с заданными реологическими свойствами ;
-установление эколого-экономической эффективности гидротранспортного топливно-энергетического комплекса (ГТТЭК) на основе водоугольных суспензий;
-разработка рациональной технологической схемы подготовки грубодисперсных (кл. 0-1(3)мм) суспензий к сжиганию и интенсификация процесса их обезвоживания;
-разработка технологических схем ГТТЭК на основе водоугольных суспензий в зависимости от конкретных условий переработки углей и направлений использования ВУС I Научные положения, защищаемые в диссертации:
-закономерности распределения минеральных составляющих угля по классам крупности при его диспергировании, заключающиеся в том, что основная масса минеральных веществ углей марок Д и Г Кузбасса в процессе мокрого измельчения до кл.0-200(350) мкм в шаровой мельнице при приготовлении ВУС переходят в наиболее тонкие классы ( 5 мкм), тогда как классы более 5 мкм представляют в основном органические вещества угля;
-физико-химическая модель водоугольной суспензии как сложной системы, состоящей из стабилизированной дисперсной системы (СДС), содержащей жидкую фазу с тонко дисперсными лиофильными частицами ( 5 мкм), и совокупности более крупных ( 5 мкм) лиофобных частиц, которая позволяет определить условие образования устойчивой структуры ВУС;
-критерием стабильности ВУС является значение критического диаметра DKP полидисперсных угольных частиц, который зависит от массовой доли твердой фазы и взаимного соотношения и характера взаимодействия лиофобных и лиофильных частиц в суспензии;
-стабильные значения эффективной вязкости и параметров гранулометрического состава при изменении свойств исходного угля в процессе приготовления ВУС обеспечиваются регулированием производительности, величины циркуляционной нагрузки и массовой доли твердой фазы;
-количественные зависимости реологических характеристик ВУС, приготовленных с применением различных видов пластифицирующих добавок, от содержания минеральных веществ в угле, причем эффективная вязкость суспензий возрастает с увеличением его зольности; і-зависимость снижения количества вредных выбросов (оксидов азота, твердых частиц, бензапирена) от увеличения доли ВУС, сжигаемой совместно с угольной пылью;
-линейная зависимость степени обезвоживания грубодисперсной водоугольной суспензии в осадительно-фильтрующей центрифуге от длины фильтрующей ступени и предложенного безразмерного параметра, характеризующего воздействие центробежного поля и теплового потока.
Практическая ценность. Результаты аналитических исследований и экспериментальных работ в стендовых, опытно-промышленных и промышленных условиях позволили:
- разработать конкретные малоэнергоемкие технологические процессы приготовления высококачественных ВУС из углей с различными свойствами;
- разработать композиции доступных и эффективных реагентов-пластифи Щ каторов на основе технических лигносульфонатов (ЛСТ) и углещелочного реагента (УЩР) для получения ВУС с заданными реологическими характеристиками;
-обеспечить снижение вредных выбросов (пыли, оксидов азота, бензапирена) в окружающую среду более, чем в 1,3 - 3 раза при сжигании смесей ВУС и угольной пыли по сравнению с пылевидным сжиганием угля;
-обеспечить высокую надежность функционирования ГТТЭК на основе ВУС;
-обеспечить пожаро- и взрывобезопасность технологического процесса получения топлива из грубодисперсной ВУС путем достижения минимально-возможной влажности механическим путем;
обеспечить высокую конкурентноспособность ВУС на рынке ц традиционных топлив предприятий топливно-энергетического комплекса и в других отраслях промышленности. Ь Положения диссертационной работы вошли составной частью или послужили основой для разработки следующих утвержденных технических и рабочих проектов, нормативных руководящих материалов:
1. Проект строительства опытно-промышленного трубопровода для гидро транспорта угля от шахты "Инская" в г.Белово до ТЭЦ-5 г.Новосибирска 1986.
2. Рабочий проект реконструкции котельной Северного промузла с перево-дом котлов на сжигание водоугольного топлива. 1991.
3. Проект перевода котельной шахты "Северный Маганак" на сжигание водоугольного топлива (г.Прокопьевск). 1993.
4. Рабочий проект установки приготовления ВВУС и перевод котельной ЦЭС "Шахтерская" на сжигание водоугольного топлива. г.Южно-Сахалинск, 1993.
5. Проект завершения восстановительных работ и ввода в эксплуатацию опытно промышленного углепровода (ОПУ) "Белово-Новосибирск 1998.
6. Техническое задание на создание осадительно-фильтрующей центрифуги "Сибирь-1600" / ВНИИгидроуголь. 1977.
7. Методические рекомендации по расчету технологических параметров оса-дительно-фильтрующих центрифуг для обезвоживания угля / ВНИИгидроуголь, -Новокузнецк, 1980.
8. Техническое задание на технологию интенсификации процесса обезвоживания в центрифуге "Сибирь-1600" с применением перегретого пара для ее проектирования / ВНИИгидроуголь. 1982.
9. Технический проект строительства опытно-промышленного трубопровода для гидротранспорта угля от шахты "Инская" в г.Белово до ТЭЦ-5 г.Новосибирска. Том Ш-3. Комплекс по приему угольной гидросмеси, обезвоживанию и сушке угля, подготовке угля к сжиганию и очистке воды. Новосибирское отделение "Тепло-электропроект" г.Новосибирск, 1981.
Основные результаты работы реализованы на ОПУ Белово- Новосибирск и при переводе котлов KB ТС - 20 в котельной шахты «Инская» на сжигание ВУС. 41 Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсужда лись: на Всесоюзной научно-технической конференции "Трубопроводный гидротранспорт твердых материалов" (г.Москва, 1981), Всесоюзной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс и перспективы развития новых специализированных видов транспорта" (г.Москва, 1990), Международной научно-практической конференции "Проблемы реформирования региональной экономики" (г.Кемерово, 1995), International Symposium on Clean Coal Technology (1997, Xiamen,PR. China), научно-техническом совещании "Черная металлургия Кузбасса: пути преодоления кризиса" (Новокузнецк, 1998), Научной сессии научного совета РАН по химии и технологии твердого ископаемого топлива "Твердые горючие ископаемые в решении экологических и экономических проблем топливно-энергетического комплек-са России" (г.Звенигород, 1998), 8 Australian Coal Science Conference (Sudney, Australia, 7-9 December, 1998), Международной конференции "Химия и природосбе їрегающие технологии использования угля" (г. Звенигород, 1999).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 51 научная работа, в том числе получено 16 авторских свидетельств и 5 патентов России.
Автор высоко оценивает методическую и практическую помощь, оказанную при выполнении работ сотрудниками лаборатории обезвоживания угля и осветления технологической воды института ВНИИгидроуголь и Новокузнецкого ГНПП "Экотехника» и выражает всем участникам работ искреннюю признательность и благодарность.
Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования
Такое решение правительства было вызвано, в первую очередь, тем, что к этому времени во многих странах мира возник наибольший интерес к водоугольным суспензиям, тем более что развитие технологии приготовления и гидротранспорта водоугольных суспензий достигло уровня промышленного применения. Отработка технологии получения стабильных высококонцентрированных водоугольных суспензий позволила обратить внимание на возможность удачного сочетания в одном агрегате нескольких стадий приготовления топлива (измельчения, смешения и гомогенизации), позволяющее осуществлять транспортирование, хранение и прямое его сжигание в топках котлов. В результате этого себестоимость приготовления существенно уменьшается, а конкурентоспособность водоугольных суспензий по сравнению с другими видами топлива резко возрастает.
Для реализации принятого постановления была разработана программа научно-исследовательских, конструкторских и опытно-промышленных работ. В соответствии с этой программой к работам было привлечено большое количество академических, отраслевых научно-исследовательских и учебных институтов, промышленных и других предприятий и организаций: ВНИИПИгидротрубопровод, ВНИИгидроуголь, ИГИ, ИФХАН СССР, ИКХиХВАН УССР, ВНИИПАВ, УРАЛВТИ, ПО "Гидроуголь" и др.
На этом этапе были выполнены фундаментальные работы по изучению структурно-реологических характеристик водоугольных суспензий, изысканию различных поверхностно-активных веществ для использования в качестве реагентов-пластификаторов с целью регулирования вязкости и стабилизации ВУС при хранении и гидротранспортировании, созданию специального оборудования для приготовления, гидротранспортирования и переработки суспензий (насосы, смесители, классификаторы, фильтры, запорное оборудование, приборы и др.). Большой вклад в развитие технологии приготовления, изучение структурно-реологических характеристик ВУС в этот период внесли: Костовецкий СП. [41-43], Ходаков Г.С. [44-46], Чиненков И.А. [47], Толасов Ю.А, [48,49], Ерохин С.Ф. [50,51], Свитлый Ю.Г., Карлина Т.В. [52,53], Олофинский Е.П. [54,55], Кондратьев А.С. [55-60] и др.
Теоретически обоснованные и практически важные результаты были достигнуты в области изучения факторов, влияющих на формирование структурно-реологических характеристик, статическую и динамическую стабильность ВУС, благодаря работам ученых под руководством Урьева Н.Б. [61-65]. В результате значительного объема научно-исследовательских и опытных работ, проведенных большой группой ученых: Жарковой И.А. [66], Рукина Э.И. [67], Макарова АС, Завгороднего В.А., Дег-тяренко Т.Д., Васильева В.В., Гомеры А.В. [68-71], Беденко В.Г., Минькова В.А., Чистякова БЕ. [72, 73], Гириной Л.В. [74] и др., был разработан и испытан в лабораторных и полупромышленных условиях целый ряд эффективных реагентов-пластификаторов, позволяющих получать стабильные высококонцентрированные водоугольные суспензии с минимальной величиной начального напряжения сдвига и низкой вязкостью.
Для систематизации водоугольных суспензий, оценки и определения рациональной области их использования нами была разработана условная классификация ВУС в зависимости от значений параметров и основных технологических признаков.
Водоугольные суспензии - это смеси угля с водой, возникшие вначале, как было отмечено в разделе 1.1, в виде отходов мокрых процессов обогащения и побочных продуктов обезвоживания угля. Однако в настоящее время водоугольные суспензии, в т.ч. с использованием реагентов-пластификаторов - одна из оптимальных форм нового вида топлива - водоугольного топлива, успешно разрабатываемого во многих странах мира (Россия, Китай, Япония, Италия, США, Швеция, и др.).
Водоугольные суспензии характеризуются следующими основными параметрами и технологическими признаками: гранулометрическим составом, в т.ч. максимальной крупностью угольных частиц в суспензии, массовой долей твердой фазы, зольностью угля в суспензии, реологическими характеристиками, наличием или отсутствием реагентов-пластификаторов, способностью сохранять свои свойства при хранении и транспортировании.
В соответствии с граничными значениями диапазонов изменения первых трех из указанных выше параметров и рациональной областью их использования водоугольные суспензии предлагается классифицировать по следующим группам (табл. 1.1). В процессе приготовления максимальная крупность твердых частиц определяется последующими технологическими операциями и назначением суспензии. При гидравлической и механогидравлической добыче угля образуются низкоконцентрированные угольные пульпы с максимальной крупностью частиц до 100 мм. Гидротранспорт угольных пульп осуществляется, как правило, на небольшие расстояния (до 10-15 км) с помощью высоконапорных насосов по трубопроводам в турбулентном режиме. Примером ПТЭК на основе угольных пульп могут служит комплексы в Кузбассе [32]: шахта "Инская" - обезвоживающая фабрика - Беловская ГРЭС; шахта "Юбилейная" - ЦОФ "Кузнецкая"; шахта "Полосухинская" - ЦОФ "Кузнецкая". Для магистрального гидротранспорта на расстояние 100 и более км наиболее приемлемыми являются грубодисперсные среднеконцентрированные и тонкодисперсные высококон центрированные водоугольные суспензии. В качестве примера таких ГТТЭК могут служить углепровод "Блек Меса" в США и опытно-промышленный углепровод Белово-Новосибирск. Перед сжиганием грубодисперсные среднеконцентрированные суспензии подвергаются обезвоживанию, подсушке и дополнительному измельчению (до 200 мкм). Высококонцентрированные водоугольные суспензии являются готовым водо-угольным топливом, максимальная крупность частиц твердой фазы в котором соответствует требуемой при пылевидном сжигании угля (как правило 0+200(500) мкм). Крупность частиц в водоугольной суспензии, предназначенной для сжигания в тепловых двигателях, должна быть значительно меньше (не более 10 мкм) для того, чтобы обеспечить максимальное выгорание топлива при малом времени пребывания в активной зоне горения.
Вода в суспензии является инертным материалом, снижающим теплотворную способность топлива. Поэтому в процессе приготовления необходимо добиваться максимального значения массовой доли твердой фазы, обеспечивая при этом необходимые текучие свойства.
Исследование мокрого диспергирования углей в присутствии реагента-пластификатора в процессе приготовления водоугольных суспензий
Еще в 1929 г. русский инженер Охотин В.В. показал, что пористость зернистой смеси зависит от количества отдельных фракций, входящих в смесь, и соотношения их диаметров [88]. Причем наименьшая пористость достигается в том случае, когда диаметры соседних фракций, входящих в смесь, относятся между собой как 1:16, а массовая доля меньшей фракции составляет 42,8% от массовой доли соседней более крупной фракции. В дальнейшем такие же или близкие к этим значениям соотношения были получены учеными как у нас в стране, так и за рубежом в различных сферах применения дисперсных материалов [89-92].
Проблеме составления оптимального гранулометрического состава для водо-угольных суспензий посвящено значительное количество работ [46,93-96]. При этом технологически приемлемо и технически доступно получение бимодального (прерывистого) гранулометрического распределения частиц угля, т.е. такого распределения, при котором в дисперсной системе содержится только две фракции: крупная и мелкая - и отсутствует промежуточная. На основе указанного принципа как у нас в стране, так и за рубежом было разработано и запатентовано несколько составов [97-100].
Безусловно, получение в чистом виде бимодального распределения угольных частиц сопряжено со значительными технологическими и техническими трудностями. Поэтому, как правило, при реализации в промышленных масштабах рассматривают возможность и добиваются получения близкого к бимодальному гранулометрического распределения.
Влияние параметров гранулометрического распределения частиц твердой фазы на реологические характеристики дисперсных систем изучалось многими авторами [95,96,101,102]. При этом можно утверждать, что при фиксированной доле твердой фазы более оптимальным гранулометрическим составом является близкий к бимодальному, при котором достигается более плотная упаковка твердых частиц полидисперсной системы.
Использование прерывистого гранулометрического состава позволяет получить образцы водоугольной суспензии с высокой плотностью упаковки при минимальном напряжении сдвига и эффективной вязкости (рис. 1.3) [64].
Из рис. 1.3 следует, что при массовой доле твердой фазы в водоугольной суспензии См= 67% наименьшее значение предельного напряжения сдвига, а следовательно и эффективной вязкости в модельной системе, состоящей из трех классов угольных частиц: мелкой ( 70 мкм), средней (70-160 мкм) и крупной (160-250 мкм) -достигается при полном исключении среднего класса (фракции), т.е. при прерывистом гранулометрическом составе (бимодальном гранулометрическом распределении) с содержанием мелкой фракции » 35% и крупной 65%.
Указанный эффект еще более усиливается при модифицировании дисперсной системы путем воздействия реагентов-пластификаторов. Например, при вводе комплексной пластифицирующей добавки на основе лигносульфоната кальция 75% и продукта поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида (25%) при РН«9-И0. Модифицированная суспензия отличалась тем, что уже при малой скорости деформации сдвига дисперсная система приобретает свойства, близкие к ньютоновской вязкой жидкости с относительно слабо выраженной зависимостью эффективной вязкости от скорости сдвига (деформации) и с малым пределом текучести [64].
В общем виде характер зависимости предельного напряжения сдвига от концентрации твердой фазы показан на рис.1.4 [62,64]. Поведение суспензии характеризуется двумя критическими концентрациями - начальной (минимальной) фС1, соответствующей началу структурообразования, и фС2, при которой начинается резкий рост тпр.
Для весьма стабилизованных суспензий значение тпр при фс фС2 незначительно (тпр-»0). Однако по мере приближения фс к ф и особенно при фс Фс2 обнаруживается резкий рост значений тпр даже при относительно малых изменениях фс.
Для водоугольных суспензий наибольший интерес представляет область фС1 Фс Фс2- Как следует из вышеприведенного анализа, для дисперсных систем с бимодальным гранулометрическим распределением частиц твердой фазы диапазон [фс1; Фсг] является значительно более широким, чем для обычного грансостава. Причем расширение указанной области происходит за счет отодвигания верхней границы фс2. Таким образом, получение бимодального или близкого к нему гранулометрического состава является одной из задач технологии приготовления водоугольной суспензии. Известно, что для водных суспензий многих видов высокодисперсных глин уже при концентрации 5-15% обнаруживается переход в область фс рС2, т.е. фиксируется быстрый рост тпр [62,65]. Следовательно для водоугольных суспензий, имеющих в своем составе минеральные компоненты, представленные в большей мере глинистыми веществами, в процессе мокрого диспергирования переходящими в микронные частицы, существенную роль играет зольность угля особенно при диапазоне концентраций ОТ фс1 ДО фс2 Для грубодисперсных среднеконцентрированных водоугольных суспензий при массовой доле твердой фазы, близкой к 50%, зольность угля в пределах 10-14% обеспечивает практически ньютоновскую вязкость, и необходимость в модификации дисперсной системы путем использования ПАВ отпадает. В то же время для высококонцентрированных водоугольных суспензий присутствие даже незначительного количества глинистых веществ может служить причиной существенного роста вязкости суспензий и потери ими текучести [62, 64].
Таким образом получение оптимального гранулометрического распределения является необходимым, но не достаточным условием приготовления приемлемых для гидротранспортирования водоугольных суспензий. Получение стабильных с достаточной текучестью высококонцентрированных водоугольных суспензий невозможно без применения высокоэффективных пластифицирующих добавок. Анализ литературных источников как зарубежных, так и отечественных авторов показывает, что в качестве добавок для ВУС предлагаются в основном соединения четырех типов [73]: 1) анионные поверхностно-активные вещества - соли ароматических полициклических сульфокислот и продукты их конденсации с формальдегидом, сульфо-этоксилаты, соли полициклических карбоновых кислот и др.; 2) неионогенные ПАВ - оксиэтилированные спирты, алкилфенолы, амины, блоксополимеры окисей этилена и пропилена; 3) высокомолекулярные синтетические и природные соединения - сополимеры на основе акриловой кислоты, полиэфирные соединения, лигносульфонаты и др.; 4) неорганические, как правило щелочные добавки - гидроокиси и карбонаты металлов, фосфаты и др. Ввиду сложной структуры и большого разнообразия углей обычно выбор составов наиболее эффективных добавок в каждом конкретном случае осуществляется эмпирическим путем [73]. При этом регулирование структурно-реологических свойств и стабильности ВУС связывается обычно с адсорбцией ПАВ на поверхности частиц угля и проявлением двух факторов стабилизации: электростатического и стерического (создание достаточно мощного структурно-механического барьера по П.А.Ребиндеру). Так добавки анионных ПАВ, увеличивающие отрицательный заряд частиц, уменьшают прочность контакта между ними за счет усиления ионно-электростатического отталкивания частиц, а добавки высокомолекулярных веществ - за счет образования структурированных адсорбционных слоев. Механизм действия добавок различных типов показан на рис. 1.5 [103].
Исследования структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии, приготовленной по базовому технологическому процессу
Водоугольная суспензия из мельниц перекачивается в четыре стальные емкости с перемешивающими устройствами. Емкостей хватает для хранения водоугольной суспензии в течение двух часов работы углепровода. По трубопроводу суспензия перекачивается в турбулентном режиме со скоростью 1,5-1,7 м/с.
На электростанции нестабильная водоугольная суспензия поступает в четыре бака с перемешивающими устройствами. Из баков смесь подается на обезвоживание в отстойные центрифуги "Динокон" (20 шт.). Диаметр ротора центрифуги 1016 мм, длина - 2032 мм, частота вращения -1011 об/мин, производительность по исходному питанию 80 т/ч. Для снижения влажности осадка центрифуг гидросмесь перед подачей в центрифуги нагревается до 60С. В результате влажность осадка снижается с 28 до 20%. Еще лучшие показатели (17-18%) были достигнуты при нагреве до 70-87С, однако при этом снизилась механическая прочность вала ротора центрифуги. Фугат центрифуг после сгущения в радиальном сгустителе диаметром 70 м с использованием реагента-коагулянта сжигается в котлах с влажностью 80%. Крупность частиц в фугате не превышает 0,043 мм, а зольность составляет 35%. Обезвоженный уголь подается в мельницы, где подсушивается и измельчается, после чего направляется в топку котла.
Подогрев всей водоугольной гидросмеси перед обезвоживанием способствовал снижению влажности осадка, однако при этом оказались велики энергозатраты и на 30% увеличился расход коагулянта для сгущения фугата. В связи с низкой стабильностью угольной суспензии в процессе хранения, трубопровод "Блек-Меса" был в дальнейшем дооборудован открытыми отстойниками. Обезвоженный уголь в течение нескольких месяцев подвергается сушке, затем загружается в бункера для хранения и повторно готовится суспензия в емкостях с перемешивающими устройствами. Далее полностью повторяются технологические процессы обезвоживания угля и осветления технологической воды. После подсушки и измельчения уголь из мельницы пневмотранспортом подается в горелки для сжигания. В камере сжигания каждого блока котла установлено 80 горелок (5 рядов по 16 горелок) для сжигания сухого угля и 5 форсунок (по 1 в каждом ряду) для сжигания сгущенного до влажности 80% фугата.
Успешная эксплуатация углепроводных систем "Кадис-Ист-Лейк" и особенно "Блек-Меса" инициировали бурное развитие работ по трубопроводному гидротранспорту не только угля, но и других сыпучих материалов: железорудных концентратов, пустой породы, фосфатов и др. С начала восьмидесятых годов в США проводятся ежегодные международные конференции по трубопроводному транспорту сыпучих материалов. В этот период в США и других странах мира проектируется ряд крупных углепроводных систем (см. табл. 1.9) [123,124].
Учитывая опыт работы гидротранспортных комплексов в США, Правительством СССР было принято решение о проектировании ГТТЭК шахта "Инская" (г. Белово) - ТЭЦ-5 (г.Новосибирск) с технологией транспортирования угля, аналогичной комплексу "Блек-Меса". При разработке технологического процесса приготовления водоугольной суспензии в ТЭО и техническом проекте углепровода Белово-Новоси-бирск были учтены свойства углей марок Д и Г Беловского месторождения, содержащих в качестве минеральных составляющих алевролиты и слабые глинистые породы, которые в процессе гидродобычи и гидротранспорта почти полностью размокают и диспергируют. В связи с этим для получения крупности угля 0-1 мм при зольности 10% технологическая схема приготовления суспензии включала следующие технологические операции: - прием угольной пульпы из шахт с классификацией твердой фазы по зерну 1 мм; - обогащение обесшламленного угля кл.1-13 мм методом отсадки с получением двух конечных продуктов - концентрата и породы; - обезвоживание концентрата на ситах с одновременным отмывом шлама от истирания по зерну 1 мм; -улавливание образовавшегося концентратного шлама, его сгущение и очистка воды; - гидравлическая классификация рядовых шламов по зерну 0,02 мм с одновременным сгущением верхнего продукта 0,02-1 мм; - гидротранспорт в отвал породы отсадочных машин и илистых шламов кл.-0,02 мм; - мокрое измельчение концентрата 1-13 мм и надрешетного угля контрольной классификации в стержневых мельницах; - контрольная классификация по кл.1 мм суспензии после стержневой мельницы; - аккумуляция готовой водоугольной суспензии в емкостях-хранилищах. В трубопровод предусматривалось подавать водоугольную суспензию с массовой долей твердой фазы 50% и гранулометрическим составом угля, представленным в табл. 1.10. Скорость транспортирования суспензии по трубопроводу была принята равной 1,67 м/с. При диаметре трубопровода 400 мм годовая производительность составляла 4,31 млн.т. На терминале комплекса на ТЭЦ-5 в г.Новосибирске предусматривалось строительство обезвоживающей фабрики для приема и обезвоживания водоугольной суспензии, осветления технологической воды и подготовки угля к сжиганию. С учетом работы аналогичного комплекса на "Блек-Меса" одна из основных технологических операций - обезвоживание угольной суспензии осуществлялось в осадительно-фильтрующих центрифугах "Сибирь-1600" с применением перегретого водяного пара для интенсификации процесса обезвоживания в фильтрующей центрифуге [125]. Установка осадительно-фильтрующих центрифуг позволила обеспечить получение необходимой влажности осадка без термической сушки и со значительно меньшими энергетическими затратами по сравнению с аналогичными процессами на ГТТЭК "Кадис-Ист-Лэйк" и "Блек Меса". Разработка и внедрение процесса подготовки грубо-дисперсной водоугольной суспензии к сжиганию изложены в гл.6. Выполненный аналитический обзор состояния проблемы получения и использования водоугольных суспензий позволяет сформулировать следующие основные положения: 1. Развитие технологии водоугольных суспензий возникшей в связи с решением проблемы рациональной утилизации тонкодисперсных угольных шламов, с вводом в эксплуатацию ГТТЭК ОПУ Белово-Новосибирск и других промышленных объектов с применением ВУС означает появление нового дисперсионного вида топлива из угля - водоугольного топлива (ВУС). 2. Водоугольные суспензии во многих случаях имеют более универсальные свойства по сравнению с твердыми или жидкими видами топлива и обладают преимуществами экологически более чистого топлива. 3. В нашей стране распространение получили высококонцентрированные среднезольные водоугольные суспензии, которые находят все большее применение в качестве топлива в энергетике, промышленных и бытовых котельных, металлургии и др. отраслях промышленности.
Методика и результаты испытаний комплексных добавок на основе ЛСТ и УЩР в полупромышленных условиях
Анализ проведенных исследований и опыта промышленной эксплуатации установок по приготовлению водоугольных суспензий показывает, что одним из наиболее распространенных типов оборудования на операции измельчения угля являются барабанные мельницы. Наряду с положительными особенностями (высокая надежность, тихоходность и др.) барабанные мельницы обладают недостатками, основными из которых являются высокие удельные расходы энергии и металла.
Однако для тонкого измельчения в больших объемах абразивных и трудно-размалываемых материалов, каким является уголь, барабанные мельницы пока являются наиболее приемлемым видом оборудования. При этом мокрое диспергирование угля в барабанных мельницах позволяет исключить пылеобразование и обеспечить полную пожаро- и взрывобезопасность при производстве водоугольной суспензии. Подача реагента-пластификатора в мельницу приводит к наиболее эффективному его использованию за счет обеспечения возможности адсорбирования на свежераскрытых поверхностях угольных частиц и перемешивания.
Работа барабанных мельниц и технологические показатели (производительность, удельный расход энергии, гранулометрический состав твердой фазы готового продукта) зависят от многих условий: сопротивления материала размолу, его крупности, способа разгрузки материала из мельницы, количества и ассортимента мелющих тел, скорости вращения мельницы и т.д. Опыт работы мельниц показывает, что подбирая соответствующим образом условия работы, можно значительно (до 20-30%, а в отдельных случаях до 100-140%) улучшить показатели работы мельниц.
Анализируя особенности работы барабанных мельниц [127], можно заключить, что шаровые барабанные мельницы с периферической разгрузкой имеют более высокую производительность (на 10-15%), слишком переизмельчают материал со стороны крупного класса по сравнению с мельницами с центральной разгрузкой. Вместе с этим шаровые мельницы с центральной разгрузкой обеспечивают получение большего количества тонких классов при сохранении определенного количества крупных частиц в готовом продукте. Указанные особенности будут нами использованы при разработке малоэнергоемких процессов приготовления водоугольной суспензии с одностадийным измельчением угля (гл.З).
Стержневые мельницы по сравнению с шаровыми дают более равномерное гранулометрическое распределение крупных классов с меньшим выходом наиболее тонких классов. Кроме того стержневых мельницы дают более крупный помол и часто используются для измельчения до максимальной крупности 1-3 мм.
Для обоснованного выбора типа мельницы, оптимальных условий ее работы необходимо знать закономерности процесса размола конкретного материала в этой мельнице и главным образом зависимость между тонкостью измельчения, производительностью и удельным расходом энергии. Несмотря на то, что барабанные мельницы являлись объектом многочисленных исследований с давних времен [127], закономерности мокрого измельчения угля в них изучены недостаточно. Существующие результаты экспериментальных исследований [49] часто противоречивы и, как правило, не могут быть использованы в конкретных условиях для практических расчетов.
На рис.2.1 (а, б, в) представлена кинетика мокрого диспергирования частиц угля (изменение суммарного остатка на ситах 200,80 и 50 мкм в зависимости от длительности помола) в шаровой мельнице. Анализ полученных результатов показывает, что: - скорость диспергирования в начальный период для крупных классов выше, чем для более мелких; - на скорость измельчения, особенно в начальный период, существенное влияние оказывает крупность и зольность исходного угля. В дальнейшем это влияние нивелируется, причем для крупного класса быстрее, чем для более мелкого.
Характер влияния крупности исходного угля на кинетику мокрого измельчения объясняется тем, что при увеличении продолжительности диспергирования снижается доля энергии, необходимая для доведения верхней крупности (13 мм) в измельчаемой навеске угля до величины 3 мм, от общих энергетических затрат на диспергирование [42].
Выявленная зависимость кинетики мокрого измельчения от величины зольности угля (рис.2.1) определяется свойствами минеральных компонентов угля (табл.2.1), состоящих практически на 85% из легкоразмокаемой глинистой породы. Полученные результаты подтверждаются зависимостью показателя размолоспособности - индекса Хардгроу от зольности угля, полученной нами в процессе проведения специальных исследований по методике, соответствующей JSO 5074-1980 "Уголь каменный. Определение индекса размолоспособности Хардгроу". Для определения зависимости индекса размолоспособности от зольности угля были отобраны пробы угля, включая породные прослойки и вмещающие породы различной зольности на шахте "Инская". Пробы измельчались до кл.0-3 мм в лабораторной молотковой дробилке, а затем определялась их зольность. Результаты исследований представлены на рис. 2.2.
Как видно из полученного графика, размолоспособность увеличивается с повышением зольности угля. Так коэффициент размолоспособности породы с Ad=90% (HGy=90) более чем в два раза выше, чем у практически чистого угля Ad=3% (HGy=43). Причем размолоспособность резко увеличивается при повышении зольности до 10-15%, а при Ad 10-15% зависимость размолоспособности от зольности выполажива-ется и представляет собой практически линейную функцию.
Полученные результаты согласуются с данными работы Исхакова Х.А. [128], показавшего, что низкометаморфизованные аргиллиты угольного месторождения Ленинского района, соседнего с Беловским, в Кузбассе обладают высокой размока-емостью, доходящей до 65-68%.
