Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы утилизации отходов и очистки шламовых вод предприятий угольной отрасли Кузбасса 8
1.1. Предпосылки возникновения и основные этапы развития технологии утилизации угольных шламов 8
1.2. Анализ технологических схем утилизации отходов предприятий угольной отрасли 12
1.3. Выбор процесса обогащения угольных шламов 16
1.4. Характеристика технологических процессов утилизации угольных шламов в сырье для коксования 19
1.5. Очистка шламовых вод после флотации от дисперсных частиц 30
1.5.1. Стабилизационная обработка шламовой воды 32
1.6. Постановка задач исследования 35
Глава 2. Методики исследования процессов утилизации угольных шламов Кузбасса 37
2.1. Краткая характеристика дисперсий углеобогащения 37
2.2. Характеристика исходных угольных шламов 41
2.3. Экспериментальное оборудование и методика обогащения угольных шламов 44
2.4. Методика определения прочности коксового королька 56
Глава 3. Моделирование и система математических уравнений процесса обогащения угольных шламов методом масляной агломерации 60
3.1. Результаты расчета модели системы математических уравнений процесса агломерации для технологии коксования 69
Глава 4. Исследования и обоснование процессов стабилизационной обработки шламовых вод 77
4.1. Методика проведения экспериментов 78
4.2. Результаты экспериментов 83
Глава 5. Рекомендуемая технологическая схема процесса утилизации отходов предприятий угольной отрасли кузбасса 91
5.1. Технико-экономическое обоснование технологии утилизации угольных шламов Кузбасса 101
Выводы 104
Список литературы 106
Приложения 121
- Анализ технологических схем утилизации отходов предприятий угольной отрасли
- Характеристика технологических процессов утилизации угольных шламов в сырье для коксования
- Экспериментальное оборудование и методика обогащения угольных шламов
- Исследования и обоснование процессов стабилизационной обработки шламовых вод
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В будущем прогнозируется повышение роли угля в энергетике, что обусловлено его крупными запасами и истощением месторождений нефти и газа. Поскольку с ростом добычи, а также, вследствие ухудшения горно-геологических условий и широкой механизации производства ухудшается качественная характеристика углей по зольности, гранулометрическому составу, влажности и сернистости, следовательно, практически весь добываемый уголь требуется подвергать обогащению. В связи с чем значительно увеличивается количество шламовых вод и угольных шламов в гидроотвалах и шламонакопителях, приводящих к загрязнению окружающей среды, поэтому разработка аппаратурно-технологического процесса утилизации угольных шламов Кузбасса является весьма актуальной.
Данная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Кузбасского государственного технического университета и в рамках федеральной целевой программы «Повышение эффективности энергопотребления в Российской Федерации».
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью диссертационной работы является разработка аппаратурно-технологического процесса утилизации угольных шламов коксующихся марок угля для получения угольного концентрата и очищенных шламовых вод.
В соответствии с общей целью работы в диссертации решались следующие основные задачи:
- исследование основных физико-химических закономерностей процессов
подготовки угольных шламов коксующихся марок угля;
разработка математической модели процесса обогащения угольных шламов методом масляной агломерации;
разработка технологии получения из угольных шламов концентратов для процесса коксования;
- разработка технологии очистки шламовой воды с целью возврата ее в
технологический цикл обогащения и использования в системах
теплоснабжения;
- разработка технологической схемы утилизации угольных шламов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе для решения поставленных задач изучены теоретические и экспериментальные работы отечественных и зарубежных исследователей в данной области; проведены натурные наблюдения и эксперименты; использованы физико-химические методы: потенциометрия; метод прямого титрования; гравиметрический метод; а также технический анализ углей, пластометрия, спекаемость по методу Рога, седиментационный анализ, математическое планирование экспериментов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
— установлен механизм процесса масляной агломерации угольных
шламов, который интенсифицируется за счет перемешивания пульпы с
помощью гравитационных сил с образованием эмульсии, что объясняется
равновесием поверхностных сил, действующих на границе раздела фаз (вода-
масло-уголь);
— достигнуто снижение содержания общей серы в угольных шламах (с
0,5 до 0,25 мас.%), путем удаления из минеральной части угля пирита, за счет
применения технологии масляной агломерации угля;
— выполнено математическое моделирование процесса обогащения
угольных шламов методом масляной агломерации, что позволило установить
время образования углемасляного концентрата с учетом его диаметра с
точностью до 96%.
— впервые из угольных шламов угля марки К получен коксовый
королек с соотношением ОУК =50 мас.%, Г =25 мас.% и Ж =25 мас.%,
обладающий максимальной прочностью 50,1 Н/см" при статических
условиях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:
Разработан альтернативный способ обогащения угольных шламов методом масляной агломерации с использованием в качестве реагента отработанного машинного масла с эксгаустеров машинного зала коксохимических производств.
Получены и исследованы зависимости влияния на процесс обогащения угольных шламов, их зольности и крупности.
Предложена технология умягчения шламовых вод с целью последующего их использования в системах теплоснабжения.
Предложена технологическая схема процесса утилизации угольных шламов в сырье для коксования.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
разработанные и обоснованные технологические способы подготовки угольных шламов (сгущение и обогащение методом масляной агломерации), позволяющие получать угольные концентраты с низким содержанием зольности и сернистости, а также использование их в технологии коксования;
разработанная математическая модель процесса обогащения угольных шламов методом масляной агломерации;
использованное в качестве связующего реагента отработанного машинного масла для обогащения угольных шламов методом масляной агломерации;
разработанная технология очистки шламовых вод от механических примесей и растворенных веществ с последующим возвращением очищенной воды в технологический цикл, а также разработанную технологию умягчения очищенных шламовых вод с целью последующего применения воды в системах теплоснабжения предприятий.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации, были доложены на конференциях:
- международных: «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты»
(Кемерово, 2006, 2008), «Энергия молодых - экономике России» (Томск,
7 2006), «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2007), «Кузбасский международный угольный форум - 2007» (Кемерово, 2007). - межвузовских: 52-й научно-практической конференции КузГТУ (Кемерово, 2007); 53-й научно-практической конференции КузГТУ (Кемерово, 2008).
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы изложено в 11 научных публикациях, в том числе 3 работы опубликованы в журналах рубрикатора ВАКа. По результатам исследований получено: 2 акта об опытно-промышленных испытаниях, 1 акт о внедрении, оформлена заявка на патент.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения. Ее содержание изложено на 126 м.с. и включает в себя 22 таблицы, 28 рисунков и библиографию, состоящую из 144 наименований.
Г.А. Солодову
Автор глубоко признателен научному руководителю доктору технических наук, профессору Гу КузГТУ
руководство и помощь при подготовке диссертационной работы. Автор благодарен кандидату технических наук, доценту ГУ КузГТУ В.Н. Допшаку за интерес и поддержку, кандидату технических наук, доценту ГУ КузГТУ А.В. Неведрову за теоретическую и практическую помощь.
Анализ технологических схем утилизации отходов предприятий угольной отрасли
На сегодняшний день известно и опробовано множество вариантов технологических схем по утилизации угольных шламов. При этом выбор оптимальной технологической схемы зависит от многих факторов: свойств и качества исходного сырья, типа добавок, используемых в процессе, экономических возможностей и т.д. Можно выделить несколько характерных технологических операций, используемых в технологии утилизации угольного шлама на обогатительных фабриках: подготовка угольного шлама к обогащению путем осаждения и сгущения в гравитационных аппаратах, преимущественно радиальных сгустителях; последующая классификация в гидроциклонах или других аппаратах по крупности 0,5 мм; далее шлам крупнее 0,5-1 мм подается на обогащение в большинстве случаев на отсадку, а более мелкий шлам 0-0,5 мм - на флотацию; получаемый флотоконцентрат обезвоживается на дисковых вакуум-фильтрах, а затем вместе с концентратом отсадки подается на термическую сушку и далее отгружается потребителю в виде товарного угля; флотохвосты - отходы, образуемые при флотации, подаются насосами в хвостохранилища, размещаемые на земельных отводах для складирования в них мелкозернистых отходов с остатками реагентов. На некоторых предприятиях флотохвосты сгущаются, обезвоживаются на пресс-фильтрах и складируются в отвалах породы.
За последние годы значительно возросли масштабы по добыче и переработке угля, увеличились экономические платежи за использование хозяйственных площадей[46-60].
На обогатительных фабриках Кузбасса флотацией обогащается в год порядка 6 млн.т шлама, из которого образуется 1-1,2 млн.т флотохвостов с зольностью 30-75 % и теплотой сгорания 1050-2600 млн.т ккал/кг. Из-за плохой флотируемости крупнозернистых шламов более 0,5 мм, которые содержатся в питании флотомашин, часть их теряется, попадая в флотохвосты. Потери угля в флотохвостах с условной зольностью 30 % на предприятиях Кузбасса составляют порядка 300—350 тыс.т в год[61-68].
На углеобогатительных фабриках в качестве среды, в которой осуществляются технологические процессы, используется вода. Её расход составляет 3—4 м /т обогащаемого угля. Основными источниками водоснабжения углеобогатительных фабрик являются: шахтный или карьерный водоотлив, собственные водозаборы поверхностных и подземных вод, водопроводы городских систем. Два первых источника используются для водоснабжения производственных процессов. Вода питьевого качества расходуется на хозяйственно-бытовые нужды. Вода, вводимая извне в процессы обогащения, в соответствии с нормативными требованиями, должна содержать: взвешенных веществ — не более 5 г/л; солей - не более 7 г/л; масел - не более 20 мг/л; рН - 5- 9.
Для уменьшения расхода технической воды в схемах фабрик предусматривают её многократное использование. Это позволяет сократить забор воды из различных источников (водоёмов, рек) до 0,1-Ю,2 м /т обогащаемого угля. Однако при обороте вода загрязняется шламом, насыщается солями, реагентами, флокулянтами и изменяет свои свойства.
Накапливание в технической воде взвесей, минеральных и органических веществ отрицательно влияет на показатели гравитационных процессов обогащения, флотации, обезвоживания, флокуляции. Для повторного использования ее необходимо осветлять. Содержание твердых частиц в оборотной воде должно быть не более 50- 80 г/л соответственно для глинистых и неглинистых шламов[69,70]. В связи с этим —решение задач комплексного использования шламовых вод углеобогатительных фабрик Кузбасса и полной утилизации продуктов обогащения — являются актуальными.
Данные о среднем содержании взвешенных веществ в отходах флотации, направляемых в гидроотвал[71] и содержание элементов в воде, предоставленные ОАО ЦОФ «Березовская», сведены в табл. 1.2.1.
Характеристика технологических процессов утилизации угольных шламов в сырье для коксования
Современные технологии переработки обогащенных угольных шламов ориентированы под конкретные производственные агрегаты, при этом обязательным условием экономической и экологической эффективности, предъявляемым к исходному сырью, является глубокая деминерализация угля[80-85].
Минимально возможная зольность исходного угля, применяемого в энергетических целях, обеспечит, прежде всего, повышение теплотворной способности топлива, снижение вредных выбросов в атмосферу, сокращение объемов золо- и шлакоудаления, уменьшается износ и, вследствие этого, увеличивается срок службы переводимых котлоэнергоагрегатов.
Для оправдания расходов на строительство и реконструкцию коксохимических заводов необходим достаточно высокий эффект повышения производительности в результате применения новой технологии, а он может быть достигнут только при использовании непрерывно действующих печей. Но, поскольку новая техника коксования совершенно исключает возможность использования оборудования многочисленных существующих коксовых батарей, а мощность действующих коксохимических заводов велика, и коксовые печи представляют собой сравнительно современные, с технологической стороны агрегаты, отказаться от них и перейти к новым не представляет возможным, во всяком случае в ближайшее время.
Все это заставляет искать решение задачи, пока что в приспособлении новой технологии к существующим печам, а именно в использовании вспомогательных операций при подготовке и загрузке шихты.
Большой резерв увеличения производительности печей возможен за счет уплотнения шихты. Загружая предварительно уплотненную каким-либо способом шихту или уплотняя ее непосредственно в камере после загрузки, можно значительно повысить коэффициент использования полезного объема камер коксования.
Насыпная плотность используемых в настоящее время шихт составляет примерно 0,7 кг/м . Теоретически ее можно довести до действительной плотности углей, равной в среднем 1,4 кг/м . Следовательно, теоретически существует возможность увеличения производительности печей в 2 раза. Практически эта цифра значительно меньше, но и это достаточно существенно и вполне заслуживает внимания.
Некоторые усложнения системы подготовки шихты с целью ее уплотнения в камере представляют серьезные затруднения и, безусловно, не приемлемы.
Не меньшее значение, чем повышение производительности коксовых установок, имеет значение увеличения сырьевой базы коксования, расширение гаммы коксующихся углей.
Решение этой задачи возможно также несколькими способами: а) Расширить гамму коксующихся углей за счет привлечения угольных шламов.
Металлургическое топливо может быть получено коксованием брикетов, приготовленных из тонкодисперсных угольных шламов, включающих неспекающиеся компоненты со связующими веществами или без них[86]. б) Поскольку Россия располагает достаточно большими запасами каменных углей, а брикетирование, хотя и дает хорошие результаты, связано со значительным усложнением производства, большой интерес представляет повышение коксуемости за счет изменения технологии подготовки шихты.
Неспекающиеся или слабококсующиеся компоненты могут быть переведены в спекающиеся, и, значит, коксующиеся предварительным их уплотнением путем использования дифференцированного помола масляной грануляции или какого-либо другого способа уплотнения.
Таким образом, можно прийти к выводу, что одним из наиболее реальных путей интенсификации и расширения сырьевой базы коксохимических производств в настоящее время является специальная предварительная подготовка шихты с целью придания ей большей плотности. Это подтверждает и опыт использования микродобавок жидких углеводородов на многих коксохимических заводах. Специально проведенные на ряде заводов испытания показали заметное повышение производительности в результате смачивания шихты. Так, например, на Кемеровском коксохимическом заводе производительность по коксу при использовании керосина повысилась на 7,3%, а при использовании антраценового масла на 4,9%; на Нижне-Тагильском коксохимическом заводе применение керосина дало повышение производительности по коксу на 6,6%.
Наряду с этим повысились выходы газа и сырого бензола. Увеличение разовой загрузки камер угольной шихтой на этих же заводах составило в среднем 4 %, за счет повышения насыпной плотности.
Одним из первых нашел применение в заводской практике именно этот способ уплотнения загрузки, благодаря своей исключительной технической простоте. Для осуществления этого способа не требуются никакие значительные переделки существующего оборудования или усложнения в системе подготовки шихты. Практика использования способа показала, что период коксования при этом не увеличивается, а качество кокса даже повышается.
В последнее время на некоторых коксохимических заводах начинали использовать для смачивания шихты мазут, причем заметно увеличивается выход химических продуктов коксования[87,88]
Экспериментальное оборудование и методика обогащения угольных шламов
Изначально угольные шламы представляли собой водные суспензии с концентрацией твердой фазы приблизительно 100-150 г/л. Поэтому первоначальным этапом подготовки (перед обогащением) угольных шламов к использованию в технологии коксования является их сгущение[82]. Сгущение производилось на экспериментальном сгустителе (рис.2.3.1).
Исходный угольный шлам с размером частиц (0-1000 мкм) поступает в приемную емкость, оснащенную спиралевидной мешалкой, где происходит перемешивание шлама и крупного размера частицы (0-1000 мкм) быстро осаждаются при помощи центробежной силы, и при этом быстром осаждении захватывают частицы среднего и мелкого размера (0-125 мкм). Таким образом, в нижней части отстойника происходит интенсивное сгущение шлама. Отделенная вода выводится через отвод расположенный в верхней части емкости и направляется на подготовку к дальнейшему использованию в качестве технической.
Полученная водно-угольная суспензия имела 56—60 мас.% твердой фазы, т.е. с концентрацией около 600 г/л, и далее подвергалась обогащению по методу масляной агломерации.
Механизм образования в воде агрегатов из мелких гидрофобных частиц в присутствии диспергированных капелек углеводородного масла может быть следующим. Углеводородные масла закрепляются на поверхности гидрофобных угольных частиц за счет избирательной смачиваемости с образованием краевого угла больше 90. В этом случае на угольную частицу, закрепившуюся на границе вода-масло, согласно уравнению равновесия поверхностных сил, действующих на трехфазной границе, будут действовать силы, направленные внутрь масляной фазы (рис 2.3.2.).
Поэтому мелкие угольные частицы при столкновении с крупными капельками масла затягиваются внутрь капли масла с образованием углемасляных агрегатов. Следовательно, крупные капли масла являются центрами гранулообразования для мелких частиц. В свою очередь мелкие капли масла налипают на относительно более крупные частицы и при контакте последних через слой масла образуют агрегаты частиц. При этом масляная пленка между частицами способствует быстрому и прочному их слипанию за счет дополнительных сил, возникающих при вогнутом мениске масла и обусловленных дефектом давления в масляной пленке[77].
Как уже отмечалось, что для осуществления процесса масляной агломерации угля необходимо интенсивное перемешивание пульпы, чтобы мелкие угольные частицы могли многократно сталкиваться с каплями масла и между собой, образуя в результате этих столкновений углемасляные комплексы, которые, постепенно уплотняясь, преобразуются в гранулы. При недостаточной интенсивности перемешивания пульпы скорость движения твердых частиц и капель масла низкая, поэтому запаса кинетической энергии мельчайших частиц не хватает для разрушения гидратной прослойки, препятствующей образованию агрегатов. Частицы и капли при встречном движении обтекают друг друга, что приводит к резкому сокращению количества результативных столкновений[77].
В зависимости от концентрации углеводородного связующего, образование агрегатов может происходить либо слипанием омасленных угольных частиц через тонкую пленку связующего, либо избирательным наполнением капелек масла гидрофобными угольными частицами[77-81].
Углемасляные концентраты можно увеличивать до крупных размеров (гранулы сферической формы диаметром 5 и более сантиметров) дополнительно агломерируя их при «сушке» на вибрационном сите и (или) в грануляторе (рис.2.3.3.). Данный способ весьма эффективен с целью получения агломератов заданной крупности.
Исследования и обоснование процессов стабилизационной обработки шламовых вод
При переработке угольных шламов приходится иметь дело не только с углем, а так же и с технологически загрязненной водой, которая должна найти свое применение.
Вредное действие оборотных вод углеобогатительных фабрик обусловлено их высокой степенью минерализации различными солями, наличием нерастворимого твердого осадка и присутствием флотационных реагентов, коагулянтов и флокулянтов.
Применяемые схемы очистки шламовых вод должны обеспечивать максимальное использование очищенных вод в основных технологических процессах. В данном направлении проведены исследования.
На первом этапе производилось разделение шламовой воды на твердую фазу (суспензию) и жидкую фазу (техническую воду). Затем техническая вода проходила следующие стадии очистки: отстаивание, осветление, фильтрацию. Глубокая очистка технической воды от флокулянтов и флотореагентов осуществлялась сорбционным методом с помощью активного угля. После прохождения данных стадий очистки вода очистилась от взвешенных минеральных и органических частиц. Очищенная таким образом техническая вода может вновь использоваться в процессе обогащения.
Часть технической воды, очищенной от минеральных и органических примесей, может использоваться в системах теплоснабжения и теплообменном оборудовании предприятий угольной отрасли. Для этого необходимо предварительно снизить накипеобразующую способность технической воды (уменьшить содержание в воде растворимых солей кальция и магния). Одним из наиболее эффективных способов является стабилизационная обработка воды электрическим полем. Кроме того, данный способ является экологически безопасным, недорогим и простым.
Исследования проводились на лабораторной установке, схема которой показана на рис. 4.1.1.
Исследуемая шламовая вода 1 из термостата 2 с помощью насоса 3 по резиновой трубке подавалась в нагревательную ячейку 10, в которую встроены электрический нагревательный элемент 11 и термометр 9. Перед нагревательной ячейкой 10 исследуемая шламовая вода проходила через аппарат 7, в котором подвергалась обработке электрическим полем. Из нагревательной ячейки 10 горячая шламовая вода поступала обратно в термостат 2. Скорость шламовой воды в резиновой трубке регулировалась.с помощью вентиля б.
Температура шламовой воды перед поступлением в нагревательную ячейку поддерживалась в пределах 60-65С за счет охлаждения ее в термостате холодной водой, протекающей по U-образной трубке 5. Температура шламовой воды на выходе из нагревательной ячейки определялась с помощью термометра 9 и поддерживалась в пределах 92-95С за счет регулирования с помощью ЛАТРа напряжения, подаваемого на нагревательный элемент 11. Поверхность нагревательного элемента составляла 5,6-10" м.
Количество накипи, выделившейся на поверхности нагревательного элемента, определялось следующим образом. Через определенные промежутки времени работы установки проводилось взвешивание нагревательного элемента, и по разности масс нагревательного элемента двух последовательных измерений определялась масса накипи.
Стабилизационная обработка шламовой воды электрическим полем осуществлялась в герметичной ячейке, в которой встроены металлический катод, графитовый анод и штуцера для входа и выхода воды. На катод и анод подавался электрический ток от источника постоянного тока. Таким образом, между анодом и катодом создавалось постоянное электрическое поле.
Исследуемая шламовая вода, проходя между анодом и катодом, подвергалась действию электрического поля, в результате чего частицы накипеобразователей, присутствующие в воде, приобретали положительный заряд, перемещались к металлическому катоду и осаждались на его поверхности в виде слоя накипи.
Эффективность защиты нагревательного элемента от накипи (противонакипный эффект) при обработке шламовой воды электрическим полем определялась по формуле (4.1.1.):
