На шахте «Обуховская» Ростовской области при добыче и обогащении антрацита образуется большое количество угольной мелочи – обводненные шламы и штыбы, которые в настоящее время мало востребованы и являются, фактически, отходами. Штыбы и шламы характеризуются высоким содержанием воды от 14 до 39 % и зольностью от 15 до 40 %, что затрудняет их сбыт и использование. Накопление и складирование таких отходов вокруг территории шахты наносит существенный ущерб земельным ресурсам. Кроме того, они загрязняют окружающую среду, так как совместно с дождевыми и вешними водами попадают в реки, озера, пруды и тем самым ухудшают качество среды обитания человека.
Использование штыба и, особенно, высокозольного шлама, после сложного процесса их сушки, в слоевых топках и бытовых печах малоэффективно из-за больших потерь в виде просыпа под колосники. Кроме того эти продукты при сжигании попадают в воздух, загрязняя атмосферу.
В то же время в России все более ощущается дефицит дешевого сортового топлива для коммунально-бытовых нужд. Поэтому разработка новой технологии брикетирования, направленной на эффективную переработку влажных штыбов и шламов с получением топливных брикетов с улучшенными потребительскими свойствами является актуальной задачей и имеет большое практическое значение. Это обусловлено тем, что при сжигании угольных брикетов, по сравнению рядовым углём, повышается эффективность топочных устройств, уменьшаются выбросы токсичных газов и твердых веществ, снижается недожег горючих компонентов.
Цель работы – разработка технологии переработки влажных антрацитовых штыбов и шлама без предварительной их сушки в высококачественное брикетное топливо с новыми потребительскими свойствами.
Решение этой задачи осложняется тем, что традиционные связующие, такие как нефтебитумы, не могут быть использованы для брикетирования влажных штыбов и шламов. Предварительная их сушка потребует больших расходов энергии и значительных финансовых затрат.
Для влажных штыбов и шлама нужны такие гидрофильные связующие, которые при разбавлении водой не теряют своих связующих свойств. Основой для разработки такого связующего может служить природный полимерный материал – технические лигносульфонаты (ТЛС), образующиеся на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК) при производстве сульфитной целлюлозы. Основным недостатком товарных лигносульфонатов, получаемых на ЦБК в виде жидких концентратов, является их невысокая связующая способность и низкая водостойкость. Наличие в макромолекулах лигносульфонатов большого числа активных функциональных групп даёт возможность модифицировать ТЛС и тем самым повысить их связующие свойства. Для повышения связующих свойств ТЛС их модифицировали кубовым остатком периодической дистилляции капролактама (КО ПДК), представляющего собой подвижную, со специфическим запахом, от светло- до темно-коричневого цвета жидкость плотностью 1,05–1,15 г/см3 и рН 11–13. КО ПДК имеет следующий состав, %:
Капролактам 30–60
Натриевая соль e-аминокапроновой кислоты 5–15
Гидроксид натрия 0,1–1,5
Осмолы 2–10
Вода Остальное
При тепловой обработке угольных брикетов упрочнение структуры лигносульфонатов и повышение водостойкости достигается путём их сшивки молекулами e-капролактама. Оптимальные связующие свойства были получены для модифицированных лигносульфонатов (МЛС), состоящих из 90 % ТЛС и 10 % КПДК. В работе [1] показано, что разбавление МЛС водой не приводит к резкому уменьшению содержания сухих веществ. При низкой вязкости (45 с по ВЗ-4) связующее МЛС сохраняет высокое содержание сухих веществ – 54 %. Эти два взаимоисключающих показателя (низкая вязкость и высокое содержание сухих веществ) удачно сочетаются в МЛС. Поэтому, можно допустить, что связующее МЛС – именно тот материал, который будет придавать отвержденным брикетам достаточную прочность.
В формовочную угольную шихту шлам – штыб добавляли всего 3 % связующего МЛС. За счёт высокой исходной влажности штыба и особенно шлама, реальное количество МЛС в шихте, без снижения связующей способности, увеличивается в разы.
Перемешивание угольной шихты со связующим МЛС осуществлялось в лабораторном лопастном смесителе. Время перемешивания от 5 до 6 минут. Количество шихты для прессования определялось необходимостью изготовления стандартных брикетов цилиндрической формы размером 50 х 50 мм.
Прессование подготовленной шихты осуществляли на универсальной испытательной машине ГРМ-1 при удельном давлении 20 МПа.
Отформованные брикеты подвергались термообработке в сушильном лабораторном электрошкафу СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3-М-2 при 220 ± 10 °С в течение 2 часов. После суточного пребывания на воздухе брикеты испытывали на прочность по ГОСТ 21289-75 [2].
В изученной системе шлам – штыб имеет место отрицательное отклонение кривой прочности образцов-брикетов от предполагаемого аддитивного взаимодействия между ними. Эта несовместимость в антрацитовой системе достигает минимального значения при составе 60 % шлама и 40 % штыба. При дальнейшем увеличении в угольном наполнителе штыба прочность брикетов неуклонно возрастает. Полученные данные показывают, что антрацитовые брикеты с добавкой от 10 до 30 % шлама имеют прочность от 6 до 9 МПа, достаточную для различных манипуляций с ними.
Прочность брикетов зависит не только от химической природы и состава угольного наполнителя, но и от размеров, как исходных частиц, так и образующихся после тепловой обработки вторичных частиц. В связи с этим интересно было исследовать структуру поверхности брикетов из штыба и шлама. Методом атомно-силовой микроскопии получены изображения поверхностей брикетов в диапазонах 30 х 30 мкм и 15 х 15 мкм. В изученном микродиапазоне частицы шлама не образуют плотную упаковку, между ними наблюдаются большие пустоты. Видимо по этой причине брикеты из шлама имеют небольшую прочность. Объемное изображение показало хаотичное расположение частиц по высоте поверхности, что обуславливает её неровность. Этот фактор также оказывает отрицательное влияние на прочность брикета.
Рельеф поверхности брикета из штыба имеет гладкую поверхность, почти не содержит пустот в своей структуре, что свидетельствует о более плотной упаковке частиц штыба по сравнению с частицами шлама. Это обуславливает высокую прочность брикетам из антрацитового штыба.
Проведены также исследования по определению калорийности брикетов антрацитовой системы шлам – штыб. Низшая теплота сгорания исходного шлама с влажностью 39 % и зольностью 40 % составляла 3550 ккал/кг. Теплота сгорания термообработанного брикета из шлама увеличилась на 1521 ккал/кг и составила 5071 ккал/кг.
Исследовалась также теплота сгорания штыба до и после брикетирования. Теплота сгорания исходного штыба с влажностью 14 % и зольностью 15 % составляла 5650 ккал/кг, а после брикетирования – 6100 ккал/кг.
Предполагая, что калорийность является аддитивным свойством угольного наполнителя, можно предположить, что теплота сгорания антрацитовых брикетов с добавкой шлама от 10 до 30 % будет находиться в интервале от 5800 до 6000 ккал/кг. Эти предположения были подтверждены экспериментально в лабораторных условиях шахты «Обуховская».
Полученные данные показали высокую эффективность применения для брикетирования антрацитовой мелочи модифицированных лигносульфонатов. Впервые разработана технология брикетирования штыба и шлама с высокой влажностью без предварительной сушки.
Разработанная технология брикетирования влажной антрацитовой мелочи включает в себя следующие основные операции:
– подача влажных штыба и шлама в аккумулирующие бункера;
– из бункеров влажные штыб и шлам в соотношении 4:1 подаётся дозаторами в горизонтальный двухвальный смеситель для смешивания;
– в смеситель с подготовленной антрацитовой мелочью штыб – шлам вводится при перемешивании расчетное количество модифицированных лигносульфонатов;
– подготовленная угольная шихта из смесителя дозируется в прессовые машины для формования брикетов;
– отформованные сырые брикеты направляются по конвейеру в ленточные сушилки для тепловой обработки в течение 120 минут при температуре от 210 до 230оС;
– горячие брикеты поступают в охладительные конвейеры и колосниковые грохоты для отсева крошки;
– угольная крошка возвращается по конвейерным лентам в отделение подготовки формовочной шихты;
– готовые брикеты транспортируются на склад для хранения готовой продукции или на погрузку.
Библиографическая ссылка
Евстифеев Е.Н., Попов Е.М., Рассохин Г.И. ПЕРЕРАБОТКА АНТРАЦИТОВЫХ ШЛАМОВ И ШТЫБОВ В ТОПЛИВНЫЕ БРИКЕТЫ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 10. – С. 118-120;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34756 (дата обращения: 03.12.2024).