Содержание к диссертации
Введение
1. Предпосылки развития, 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 15
1.3. Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования 22
1.4. Анализ технологических схем приготовления водоугольных суспензий для прямого сжигания 32
2. Разработка и обоснование процессов подготовки угольных шламов к использованию в водоугольных суспензиях 44
2.1. Характеристика исходных углей, описание стендововых установок подготовки угольных шламов, методика экспериментальных исследований и результаты опытов 44
2.1.1. Краткая характеристика дисперсий углеобогащения 44
2.1.2. Характеристика исходных угольных шламов 48
2.1.3. Экспериментальное оборудование и методики опытов по обогащению угольных шламов 58
2.1.4. Результаты расчета математической модели процесса агломерации... 80
3. Исследования и обоснование процессов приготовления водоугольных суспензий из угольных шламов кузбасского бассейна 86
3.1. Сущность процессов приготовления водоугольных суспензий из угольных шламов 86
3.2. Процессы подготовки к использованию реагента-пластификатора гумата натрия 92
4. Исследование и обоснование физико-химических основ процесса формирования структуры и стабилизационно-реологических характеристик водоугольных суспензий полученных из угольных шламов 103
4.1. Выбор оптимального реагента-пластификатора 103
4.2. Исследование и обоснование физико-химических основ процесса формирования структуры полученных водоугольных суспензий 112
Заключение 122
Список использованной литературы 124
Приложения 135
- Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования
- Экспериментальное оборудование и методики опытов по обогащению угольных шламов
- Процессы подготовки к использованию реагента-пластификатора гумата натрия
- Исследование и обоснование физико-химических основ процесса формирования структуры полученных водоугольных суспензий
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В первой половине XXI века, прогнозируется повышение роли угля в энергетике, что обусловлено его крупными запасами и истощением месторождений нефти и газа. В тоже время экологические проблемы, возникающие при использовании угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых эффективных с экономической и экологической точек зрения угольных технологий, которые обеспечат 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 технологически приемлемое топливо позволит не только улучшить экологическую обстановку в регионах, но и получить существенный экономический эффект[1].
Наличие шламонакопителей, наружных отстойников и гидроотвалов в Кузбассе приводит к загрязнению земли, воды и воздуха. Кроме того, миллионы тонн угольных шламов, хранящихся в этих сооружениях, исключены из производственного цикла, хотя могли бы использоваться для вторичной переработки с получением товарных угольных продуктов - брикетов, пеллетов, водоугольного топлива.
Решение этой задачи позволяет с одной стороны, осуществить экологические мероприятия (ликвидировать шламонакопители и гидроотвалы), а с другой стороны, - существенно увеличить выход товарного угля и получить чистую оборотную воду[2].
Альтернативой в разрешении этих задач может быть нетрадиционная технология обогащения угольных шламов методом масляной агломерации, основанная на применении комплекса физико-химических и химических методов. Отличительной особенностью такой технологии являются: низкие расходы реагентов, высокая удельная производительность и селективность разделения минеральных частиц при обогащении высокозольных тонкодисперсных угольных шламов в пульпах малой и средней плотности.
Получаемое топливо должно отвечать жестким требованиям современного рынка: стабильность основных технологических характеристик, задаваемых потребителем, рентабельность производства и минимально возможное негативное экологическое воздействие на окружающую среду при его получении и использовании.
В связи с этим становится актуальным использование шламов в виде водоугольных суспензий (ВУС), разработка эффективных процессов получения и применения которых должна базироваться на научно обоснованных процессах физического и физико-химического воздействия на исходный уголь с учетом свойств его органической и минеральной составляющих.
Водоугольные суспензии - это смеси измельченного угля с водой. Для придания суспензии свойств стабильности и необходимой текучести в суспензию вводится небольшое количество реагента-пластификатора. В результате образуется искусственная дисперсная система, представляющая новый вид топлива из угля - водоугольное топливо (ВУТ) [1,3-8].
Водоугольные суспензии во многих случаях имеют более универсальные свойства по сравнению с твердыми или жидкими видами топлива, так как обладают качествами как первого, так и второго вида[1].
Преимущества водоугольных суспензий, как экологически чистого топлива, состоят в следующем [1,3-5]:
- предотвращение взрывов и пожаробезопасность во всех технологических операциях (приготовление, транспортирование, хранение и использование);
- отсутствие пыли и загрязнений при хранении и транспортировании; снижение вредных выбросов оксидов азота, углерода и серы в атмосферу при сжигании. Кроме того, водоугольные суспензии обеспечивают: - сохранность технологических свойств при хранении и транспортировании;
возможность транспортирования трубопроводным, речным, морским, авто - или железнодорожным транспортом;
возможность полной механизации и автоматизации процессов приготовления, транспортирования и использования.
Разработкой технологии приготовления, гидротранспорта, хранения и использования водоугольных суспензий занимались многие организации как за рубежом, так и в СССР, а затем в России. Особенно широко работы в этом направлении были развернуты в середине и конце 1980-х годов в связи с проектированием, строительством и вводом в эксплуатацию опытно-промышленного углепровода Белово - Новосибирск. Однако по разным причинам, в основном экономического и организационного плана, в настоящее время углепровод практически не эксплуатируется [8, 9].
Вместе с тем снижение добычи нефти, газа и повышение их цен на мировом и внутреннем рынках в последние годы вызвало интерес к водоугольному топливу - реальной альтернативе жидким и газообразным органическим видам топлива.
Основными проблемами на пути к расширенному применению водоугольных топлив являются: низкие показатели стабильности основных технологических характеристик, высокая зольность исходного сырья, низкая эффективность известных реагентов - пластификаторов и стабилизаторов, а также отсутствие научно обоснованных методических рекомендаций и процессов физико-химического воздействия на исходный уголь с учетом его свойств. Этими соображениями определяется актуальность настоящей работы.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработка и обоснование научных и технологических основ процесса утилизации угольных шламов Кузнецкого бассейна в виде высококонцентрированных водоугольных суспензий.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели, при выполнении работы необходимо было решить следующие основные задачи:
- выявить основные физико-химические закономерности процессов подготовки угольных шламов для оптимизации технологии их промышленного использования;
- оптимизировать технологию утилизации угольных шламов и получить водо-угольное топливо с высокими показателями стабильности и реологических свойств;
- исследовать и обосновать физико-химические основы механизма формирования структуры, стабилизационных и реологических характеристик полученных водо-угольных суспензий, за счет применения поверхностно-активных веществ.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
- разработанные и обоснованные технологические способы подготовки угольных шламов, позволяющие получать угольные концентраты с низким содержанием зольности (Ad = 5 % мас.) и сернистости (S06ui. = 0,25 % мас);
- процесс мокрого измельчения углемасляных агломератов в присутствии реагента-пластификатора;
- обоснование процесса формирования устойчивой структуры и устойчивых реологических характеристик полученных водоугольных суспензий.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- разработана технологическая схема утилизации угольных шламов в виде высококонцентрированных водоугольных суспензий;
- установлены зависимости процесса формирования структуры, стабилизационно-реологических характеристик водоугольных суспензий полученных из обогащенных методом масляной агломерации угольных шламов Кузнецкого бассейна;
- выбран оптимальный связующий реагент (топочный мазут) для обогащения угольных шламов, методом масляной агломерации;
- разработанная технология приготовления водоугольных суспензий из угольных шламов Кузбасса использована в промышленных условиях.
Научная новизна заключается:
- в установлении зависимости: обогащение угольных шламов методом масляной агломерации с использованием топочного мазута в качестве основы эмульсии, снижает содержание зольности и сернистости в угольных концентратах;
- в обосновании механизма формирования водоугольной суспензии на основе измельченных углемасляных агломератов с добавкой гуматов натрия как реагента-пластификатора заключающегося в образовании сетеподобной, пространственной структуры;
- в оптимизации технологии обогащения, выполненной с использованием метода математического моделирования, что позволило создать адекватную модель этого процесса, и управлять режимами новой технологии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции " Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств на предприятиях народного хозяйства", Пенза, 2002; межрегиональной научно-практической конференции " Финансово-экономическая самодостаточность регионов", Кемерово, 2003; всероссийской научно-практической конференции " Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем", Пенза, 2003. Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня использованной литературы из 107 наименований и приложения, содержит 134 страницы машинописного текста, 22 таблицы и 53 рисунка.
Автор выражает глубокую признательность за ценные консультации к.т.н., с.н. с. Института угля и углехимии СО РАН А.Н. Заостровскому. Автор благодарен д.т.н., проф. В.И. Мурко за интерес и поддержку, а также сотрудникам лаборатории каталитических процессов в углехимии Института угля и углехимии СО РАН к.т.н., с.н.с. И.В. Кучину, к.х.н., с.н.с. Г.А. Мандрову, гл. инженеру Института угля и углехимии СО РАН А.И. Ефремову и к.т.н., доц. кафедры обогащения полезных ископаемых М.С. Клейну за теоретическую и практическую помощь.
Современные представления о формировании структурно-реологических характеристик водоугольной суспензии и методы их регулирования
При механическом обезвоживании углей, а также при гидродобыче и гидротранспорте угля образуются высокообводненные мелкие классы углей -шламы, наиболее крупные из которых (более 0,05 мм) улавливаются и выдаются вместе с крупными классами углей. Тонкие частицы (менее 0,05 мм) улавливаются менее эффективно, а часто практически не улавливаются при сгущении и обезвоживании и сбрасываются либо в наружные шламовые отстойники, либо в водоемы. При сбросах в отстойники происходит накопление шламов. Количество сбросов составляет в зависимости от производительности фабрики от 130 до 350 тысяч тонн в год при средней зольности угля в них от 20 до 60% мас.[1]. В это время многие научно-исследовательские институты: ИГИ, ВНИИгидро-уголь, КузНИИуглеобогащение, УкрНИИГидроуголь и . др., производственные предприятия комбината Кузбассуголь и другие организации начинают активно заниматься изучением и решением проблемы утилизации обводненных угольных шламов путем их сжигания в виде водоугольных суспензий. Одновременно получают развитие работы, в которых исследуется теория горения водоугольных суспензий, изучаются их свойства и влияние на эффективность горения, появляются первые экспериментальные и полупромышленные установки по приготовлению и сжиганию ВУС[1].
Несомненно, наиболее существенный вклад в развитие теории горения водоугольных суспензий и исследование их свойств внесли фундаментальные работы Делягина Г.Н. и Канторовича Б.В. [16-23], которые получили дальнейшее развитие в трудах их учеников: Давыдовой И.В. [23,24], Онищенко А.Г. [25,26], Исаева В.В [27-30], Бутильковой Т.Н. [31,32] и др.
За рубежом наиболее значительные результаты работ по гидротранспорту и сжиганию водоугольных суспензий в этот период опубликованы учеными: Шварц О. и Мертен Г. [33-35], Тайдзо И.и Сутиэро С.[36] и др. Причем, если в США исследовательские работы в этом направлении носили чисто промышленный характер и были связаны в основном с эксплуатацией трубопроводов для гидротранспорта угля в виде водоугольной гидросмеси (трубопроводы "Ист-Лейк и "Блэк Меса"), то в ФРГ были проведены достаточно обширные исследовательские работы, например, по теме "Непосредственное сжигание водоугольных суспензий на электростанциях" [37-43].
Несмотря на то, что эксперименты по приготовлению и сжиганию водоугольных суспензий из угольных шламов были весьма успешными, широкого промышленного и полупромышленного применения данные технологии не получили из-за отсутствия методов глубокой деминерализации тонкодисперсных шламов.
На втором этапе во многих странах развитие работ по водоугольным и частично нефтеугольным суспензиям было обусловлено разразившимся в середине 70-х - начале 80-х годов нефтяным кризисом. Повышение цен на нефть обусловило появление нового интереса к исследованиям водоугольных суспензий с точки зрения снижения зависимости крупных потребителей энергетического топлива от поставщиков нефти. Были развернуты работы по приготовлению, транспортированию и сжиганию водотопливных суспензий с целью изучения возможности замены ими дорогостоящей и дефицитной нефти и нефтепродуктов [44-48].
В нашей стране возобновление работ по технологии водоугольных суспензий в это время было вызвано решением правительства развивать магистральный гидравлический транспорт угля. В соответствии с этим решением была разработана программа работ по созданию крупного опытно-промышленного трубопровода для гидротранспорта угля из Беловского угольного района Кузбасса (ш. Инская) на ТЭЦ №5 г. Новосибирска, как первого этапа магистрального гидротранспорта угля из Кузбасса на Урал и в Европейскую часть страны. В качестве прототипа трубопроводной системы была принята технологическая схема гидротранспортного топливно-энергетического комплекса "Блек Меса", эксплуатирующегося в США с 1972 года. В соответствии с принятой схемой одним из важнейших технологических звеньев опытно-промышленного трубопровода, во многом определяющим эффективность всей гидротранспортной системы, является обезвоживающая фабрика, на которой производится обезвоживание угольной гидросмеси перед сжиганием и осветление технологической воды.
Была разработана технологическая схема сжигания угля после гидротранспорта, включающая операции: обезвоживание угля и осветление технологической воды, помол, подсушка и пылевидное сжигание обезвоженного угли, сгущение тонких классов угля и их сжигание в виде водоугольной суспензии. Однако строительство опытно-промышленного трубопровода с технологией гидротранспорта угля кл.0-1 (3) мм, предусматривающей на конечном терминале операции обезвоживания угля и осветления технологической воды, не было осуществлено в связи с тем, что в 1983 г. Правительством СССР было принято решение вместо разработанной в техническом проекте технологии предусмотреть применение новой технологии гидротранспортирования угля в виде высококонцентрированной водоугольной суспензии, позволяющей на ТЭЦ производить прямое сжигание суспензии в топке котлов, исключая при этом операции обезвоживания и осветления технологической воды. 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. 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.).
Экспериментальное оборудование и методики опытов по обогащению угольных шламов
Применение технологических схем с комбинированным (мокрым и сухим дроблением) угля также обусловлено стремлением получить близкое к бимодальному гранулометрическое распределение частиц угля.
Технологическая схема, разработанная и реализованная итальянской фирмой "Снампроджетти" на установке в г. Левроно (Италия), предусматривает: сухое измельчение угля до класса 0-300 мкм с пневматической классификацией угольной пыли по классу угля 70 мкм, мокрое измельчение класса 0-70 мкм в шаровой мельнице до крупности 0-20 мкм и смешивание верхнего класса классификации (+70-300 мкм) с водоугольной суспензией шаровой мельницы, содержащей частицы крупностью 0-20 мкм. Смешивание осуществляется в специальных смесителях. Однако разработчики столкнулись с существенными недостатками, которые аналогично характерны технологическим схемам с сухим дроблением угля, ограничивающее безпроблемное использование и распространение таких схем.
Суспензия "CO-AL" разработана фирмой "Slyrrytech Inc." (США) и ассоциированными с ней организациями, Эта суспензия — стабильное однородная композиция частиц угля, воды и присадок в которой размеры частиц регулируются в соответствии с формулами расчета их распределения в объеме суспензии для обеспечения необходимой компактности частиц угля и максимальной концентрации частиц угля размером менее 3-х микрон. Эти факторы в сочетании диспергирующем действии химических добавок обеспечивают максимальный электрокинетический потенциал частиц и низкую вязкость суспензии[1].
В процессе освоения и внедрения водоугольных суспензий в промышленное использование стало очевидно, что необходимым условием приготовления и использования водоугольных суспензий стала глубокая деминерализация углей и угольных шламов, так как использование высокозольных и высокосернистых углей вызывает эрозию горелок, шлакообразование и образование накипи в топках и трубопроводах, большие потери К.П.Д., увеличение вредных выбросов в атмосферу.
В результате было разработано несколько технологических процессов приготовления водоугольных суспензий с глубоким обогащением угля "COAL", "Денскол", "Реокарб", "Карбогель", "Флюидкарбон"[1].
В отдельных технологических процессах предусматривалось обогащение угля до зольности 1-4% мае. Безусловно, приготовление водоугольных суспензий из обогащенного угля повышает энергетическую ценность и экологическую безопасность топлива. Снижение зольности уменьшает затраты на переоборудование котлоагрегатов, работающих на жидком и газообразном топливах.
Вместе с тем, использующиеся методы нетрадиционного обогащения тонкоизмельченных угольных частиц (селективная агломерация нефтепродуктами, пенная флотация и др.) в нашей стране разработаны не в достаточной степени. Кроме того, в настоящее время отечественной промышленностью не выпускаются доступные и эффективные реагенты-пластификаторы для приготовления водоугольных суспензий из низкозольных углей. Поэтому технологические схемы приготовления водоугольных суспензий с обогащением угля в нашей стране не получили должного развития.
Наибольшее распространение, как у нас в стране, так и за рубежом получили технологические процессы приготовления ВУС с использованием мокрого диспергирования угля.
Применение мокрого диспергирования угля обеспечивает эффективное совмещение нескольких технологических операций (измельчение, смешивание и гомогенизацию) в одном или двух аппаратах, полную взрыво- и пожаробезопасность, технологичность погрузочно-разгрузочных операций и т.д. Несмотря на то, что разработанные технологические схемы отличаются многообразием, можно выделить два основных направления: применение одностадийного и двухстадийных методов мокрого измельчения.
Применение той или другой технологической схемы обусловлено свойствами используемого угля, требованиями к качеству готовой ВУС (массовая доля твердой фазы, гранулометрический состав, реологические характеристики и стабильность), эффективностью применяемых реагентов-пластификаторов, наличием технологического оборудования и др.
На рис. 1.4.1. представлена наиболее распространенная технологическая схема с одностадийным мокрым измельчением угля, разработанная фирмой "Бэбкок Хитачи" (Япония).
Аналогичные технологические схемы реализованы другими японскими фирмами: "Кавасаки Хеви индастри", "Кубота", "Джепен компани", "Мицубиси Хеви инастри", "Хитачи", а также компаниями ФРГ и др.
Широкое распространение получила технологическая схема фирмы JGC Согр (Япония) [83]. Особенностью технологической схемы является измельчение угля в двух шаровых мельницах с низкой и высокой концентрацией угля. Суспензия с низкой концентрацией и крупностью до 500 мкм из шаровой поступает в вакуум-фильтр, на котором обезвоживается до влажности 20-40% мае. Затем обезвоженный продукт поступает в смеситель, куда подается также суспензия с массовой долей твердой фазы 60-80% и крупностью частиц до 100 мкм одержание кл. 10 мкм более, чем 40%), полученная в другой шаровой мельнице с применением реагента-пластификатора. После смешивания получается готовая суспензия с массовой долей твердой фазы 60-70% и вязкостью 1,0 Па-с.
Процессы подготовки к использованию реагента-пластификатора гумата натрия
Все исходные 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 водоугольных суспензиях является их сгущение[91]. Сгущение производилось на экспериментальной установке каскадного типа представленной на рис.2.1.3.1. (разработана Институтом угля и углехимии СО РАН)[92].
Исходный угольный шлам с размером частиц (0-1000 мкм) поступает в приемную емкость, оснащенную лопастной мешалкой, где происходит интенсивное перемешивание шлама, для того чтобы частицы быстро не оседали и находились во взвешенном состоянии. Затем угольный шлам поступает в отстойник №1, представляющий собой емкость со встроенной в нее вращающейся спиралью. Здесь, крупного размера частицы (0-1000 мкм) угольного шлама быстро осаждаются при помощи центробежной силы, и при этом быстром осаждении захватывают частицы среднего размера (0-250 мкм). Таким образом, в нижней части отстойника происходит интенсивное сгущение шлама. Более мелкие частицы (0-125мкм) имеющие большую зольность, и вода перетекает в отстойник №2, идентичный отстойнику №1, но дополнительно оснащенный системой подачи флокулянта. Для стимуляции сгущения использовали гуминовые кислоты полученные по ГОСТ 9517-76. Отстойник №3 представляет собой емкость со встроенным в нее опуском трубы (сифоном). Вода в ней частицами стекает по сифонной трубе на дно емкости, взмучивая только нижний слой осадка, а очищенная вода выводится через отвод расположенный в верхней части емкости и направляется на дозировку в шаровую мельницу.
Полученные водно-угольные суспензии из двух отстойников смешивались с получением 56-60 % мае. суспензии, т.е. с концентрацией около 600 г/л, которая подвергалась обогащению по методу масляной агломерации.
В свою очередь, современные технологии производства и использования водоугольного топлива ориентированы под конкретные котлы и печи, при этом, обязательным условием экономической и экологической эффективности, предъявляемым к водоугольному топливу (ВУТ), является глубокая деминерализация угля [93-95].
Минимально возможная зольность исходного угля обеспечит, прежде всего, повышение теплотворной способности водоугольного топлива, снижение вредных выбросов в атмосферу, сокращение объемов золо- и шлакоудаления, уменьшается износ и вследствие этого увеличивается срок службы переводимых на водоугольное топливо котлоэнергоагрегатов.
В конечном итоге, получение и применение водоугольного топлива должно обеспечить снижение стоимости вырабатываемой электрической или тепловой энергии и экологической нагрузки на окружающую среду.
Известен ряд методов глубокой деминерализации угля. Это, прежде всего, химическое извлечение минеральных компонентов последовательным действием кислот и щелочей при автоклавировании угольной суспензии. Другой метод - также последовательное извлечение кислотами и щелочами, но при спекании тонкоизмельченного угля со специально подобранными солями и щелочами. Однако эти процессы являются весьма сложными и дорогостоящими. Единственный, широко применяемый для селективного разделения тонких классов угля (-100 мкм) флотационный метод обогащения не всегда обеспечивает получение желаемых результатов, что связано с недостаточной эффективностью разделения тонких частиц при флотации, а также сложностью и высокой стоимостью обезвоживания и сушки флотационного концентрата. Отсюда представляется перспективным применять метод масляной агломерации, основанный на различной смачиваемости жидкими углеводородами угольных и породных частиц в воде. При этом в результате турбулизации пульпы происходит селективное образование углемасляных агрегатов, которые уплотняются, структурно преобразуясь в прочные гранулы сферической формы[96].
Масляная агломерация - сложный многоэтапный процесс, который можно представить в виде двух автономных, последовательно протекающих стадий: селективной концентрации органической фракции масляной фазой и структурирования углемасляных комплексов в прочные сферические агломераты. В основе первой лежат адгезионные и гидрофобные взаимодействия угольных частиц с аполярным реагентом, которые определяют полноту извлечения горючей массы. Эффективность этой стадии зависит от гидрофобизирующих свойств и расхода вводимого масла, интенсивности турбулизации суспензии и продолжительности процесса. Последняя в свою очередь зависит от плотности, температуры и рН суспензии. Влияние водородного показателя суспензии особенно существенно при агломерации тонких, частично окисленных частиц, когда значительно возрастает роль поверхностных сил, в том числе электростатических. Роль температурного фактора резко снижается при использовании в качестве агломерирующей жидкости низковязких масел [96].
Вторая стадия процесса характеризуется механизмами адгезионного и аутогезионного взаимодействий, происходящих как внутри первичных углемасляных комплексов, так и при взаимном контакте при перемешивании суспензии. Действующие в аппарате инерционные, центробежные и гиродинамические силы предопределяют структурную перестройку частиц внутри агломератов, приводящую к более плотной "упаковке" угольной фракции в пределах одной гранулы. Одновременно происходит и флокуляция отдельных микрогранул за счет аутогезионного взаимодействия по пленкам масла, выполняющего на этом этапе роль связующего. Соотношение "конкурирующих" сил, приводящих к разрушению и укреплению первичных комплексов, определяет режим формирования относительно стабильного по размеру и прочности сферического углемасляного агломерата.
Исследование и обоснование физико-химических основ процесса формирования структуры полученных водоугольных суспензий
Анализ полученных результатов показывает, что измельчение крупных классов угля идет непрерывно, содержание средних классов в начальный период помола возрастает, а к концу измельчения заметно снижается. Содержание мелких классов в процессе измельчения постоянно увеличивается. Следовательно, на скорость измельчения существенное влияние оказывает крупность исходного угля. Далее, в процессе дробления это влияние уменьшается, причем для более крупного класса быстрее, чем для более мелкого. Отсюда, было весьма интересным проследить изменение содержания минеральной части водоугольных суспензий от класса крупности угля (табл.3.1.2.).
Данная закономерность распределения минеральной части угля по классам крупности обусловлена тем, что при мокром измельчении в присутствии реагента-пластификатора, раздробление угольных частиц происходит по наиболее слабым зонам между органической и минеральной составляющими угля. Так как размер минеральных частиц очень мал, происходит отделение породных частиц от крупных и в наибольшей степени средних классов переходящих в тонкие классы дисперсной фазы.
В производственном процессе могут быть задействованы различные типы диспергаторов, использующие разные методы в зависимости от требуемого распределения крупности частиц и типа вещества, подвергаемого диспергированию. В процессе развития технологии производства водоугольного топлива были опробованы различные типы измельчителей и в настоящее время в процессе производства водоугольного топлива в промышленных или близким к промышленным условиям предпочтение отдается барабанным мельницам мокрого измельчения, таких как стержневые и шаровые мельницы. Причинами, по которым этим барабанным мельницам (особенно шаровым) отдается предпочтения, следующие: при их использовании возможен непрерывный производственный процесс, легко можно увеличивать размеры конструкций по запросам массового производства водоугольного топлива, конструкция этих мельниц и условия их функционирования также как форма мельницы (различное число камер), набор и сочетание размеров шаров, скорость вращения мельницы, количество шаров или стержней, концентрация измельченного угля легко совместимы с распределением крупности частиц и необходимой энергии для дробления. Шаровые мельницы мокрого измельчения, являются не только измельчителями, но и прекрасными перемешивающими устройствами.
Как уже отмечалось в разделе 2, для водоугольных суспензий применяемых при прямом сжигании в котлоагрегатах оптимальные пределы изменения основных характеристик крупности частиц должны быть следующими: максимальная крупность частиц не более 350 мкм при остатке на сите 90 мкм не более 25-30% мае. [1].
Как показал ряд экспериментов, 20-ти минутное дробление подготовленных шламов в данной шаровой мельнице позволило получать водоугольные суспензии отвечающие данным требованиям. Технологические свойства углей, применяемых при получении водоугольных суспензий, в значительной мере определяются также их надмолекулярной структурой, а также состоянием поверхностных ионогенных групп, ответственных за энергетическое состояние угольной поверхности при ее взаимодействии с окружающей средой. Контакт угля с водой и реагентом -пластификатором при мокром помоле приводит к существенным изменениям поверхностных свойств углей. Интенсивные ионообменные процессы, сопровождающиеся образованием на угольной поверхности двойного электрического слоя ионов, фактически приводят к усилению взаимодействия угольной фазы суспензии с водой.
ИК - спектры показывают, что в процессе измельчения в жидких средах углей происходит преобразование углерод - кислородных связей. Так, изменяется в сторону увеличения интенсивность полос поглощения, которые характерны для спиртовых групп и фенольных гидроксилов. Уменьшается содержание кислородсодержащих групп карбоновых кислот, циклических ароматических простых эфиров, уменьшается степень замещения ароматического водорода. Эти данные подтверждают и химические методы анализа функциональных групп. После мокрого помола изменяется растворимость углей в органических растворителях [102].
С целью исследования изменения растворимости в щелочной среде было проведено измельчение (30 мин) в 10% -ном растворе едкого натра. Применение 10%-ного раствора щелочи позволило выделить 3,2% мае. растворимых продуктов из газового и 55% мае. из бурого угля. Эти данные заслуживают внимания, если учесть, что из исходного газового угля при нагревании с щелочными растворами практически не удается выделить растворимых продуктов, а из исходного бурого угля выделяется около 35% мае. Полученные данные свидетельствуют о протекании при измельчении в жидких средах процессов физико-химической деструкции.
Далее водоугольные суспензии попускали через классификатор периодического действия (представленный на рис.3.1.З.), где происходило отделение частиц более 125 мкм (надрешетный продукт), которые отправляли на додрабливание назад в шаровую мельницу.
