УДК 553. 93

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВТОРИЧНОГО СОЛЕНАКОПЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ОБЕССОЛИВАНИЯ УГЛЕЙ

Д–р техн. наук В. С. Белецкий (ДонГТУ)‚ кандидаты. техн. наук Ю. Г. Свитлый (НПО “Хаймек”)‚ П. В. Сергеев‚ инж. А. Кхелуфи (ДонГТУ)

Исследование и разработка технических решений по облагораживанию слабометаморфизованных “соленых” углей (с содержанием Nа₂О более 0, 5% на сухой уголь), общее количество которых достигает 7–10 % от всех разведанных мировых запасов, являются весьма важной проблемой. Одно из перспективных направлений, разрабатываемых в Украине и за рубежом, – обессоливание этих углей путем их промывки [1–3].

Среди вопросов, требующих решения на данном пути изысканий, одна из наиболее актуальных – проблема вторичного соленакопления, которая обусловлена эффектом увеличения количества солей в угле уже после их промывки. Впервые явление вторичного соленакопления обнаружено при исследовании совмещенного процесса гидротранспорт–обессоливание (Ю. Г. Свитлый, Ю. Г. Власов и др. [4, 5]). Оно проявилось в увеличении концентрации солей в угле после определенного пути транспортирования. На основе обширного первичного экспериментального материала [4, 5] нами построен ряд кривых, дающих представление о кинетике явлений в совмещенном процессе гидротранспорт–обессоливание. Данные получены при использовании в качестве исходного соленого угля марки “Д” Новомосковского месторождения (А^d = 12%, содержание Nа₂О в угле 0, 41%, в золе – 3, 43%, крупность угля 0-3 мм). В качестве несущей среды использовалась водопроводная вода (минерализация 0, 17 г/л) и воды шахтного притока разной степени минерализации (до 9, 91 г/л). Гидротранспорт осуществлялся на пилотной установке с системой кольцевых трубопроводов диаметром 149; 202 и 296 мм, соединенных общим коллектором с помощью запорной арматуры.

Анализ изменений характеристик соленого угля и несущей среды в процессе гидротранспорта (рис. 1) показывает уменьшение содержания Nа₂О в угле (кривая 1) до 50 км пути, а затем его повышение. При 200 км пути содержание оксида натрия в угле приближается к начальному. Почти полностью корреспондируется с этими данными изменение концентрации ионов Na⁺ в водной среде, которое в начале гидротранспортирования (при интенсивном обессоливании) резко возрастает, а затем снижается (рис. 1‚ кривая 2). Изменение концентрации ионов Сl^– (кривая 3) также имеет несколько характерных участков. Во-первых, это ярко выраженный максимум в области 25 км, который сменяется относительной стабилизацией уровня ионов Сl^–на участке 50–150 км. Таким образом, наглядно прослеживается явление вторичного соленакопления в угольном веществе, особенно после 50 км гидротранспортирования. Причем, по данным [4], уменьшение содержания NaCl в несущей среде (и соответственно активность вторичного соленакопления в угольном веществе) тем выше, чем выше минерализация начального раствора.

Нами выполнено исследование изменений характеристик транспортной воды в условиях, имитирующих совмещенный процесс обессоливание–гидротранспорт. Для этого по методике [7] смоделирован процесс гидротранспорта в режиме: Т: Ж=1: 1; скорость транспортирования 1,  2 м/с. В качестве исходного принят соленый уголь Новомосковского месторождения пласта С₁₂ крупностью 0 – 3 мм, содержанием Nа₂О в угле 0, 9% и зольностью 10, 9%. Дальность гидротранспортирования составляла 50–52 км. В качестве несущей среды использована водопроводная вода с разной степенью минерализации (от 0, 2 до 1‚ 5 г/л). Для оценки влияния предварительного омасливания угля на процесс обессоливания исследовался омасленный и неомасленный уголь. При этом масляным агентом служила смесь флотореагента ААР и топочного мазута марки М100. Через каждые 4 км пути транспортирования контролировался показатель рNa гидросмеси (иономер И-115М). Результаты исследований, представленные на рис. 2, так же, как и выполненных ранее исследований [4, 5], фиксируют наличие явления вторичного соленакопления, которое для этих частных условий наблюдается на участке после 30 км (минимум кривой рNa (L)). Эффект, по-видимому, мог быть еще заметнее при более высокой исходной минерализации водной cреды [5]. Для омасленного угля этот эффект заметно меньше‚ чем для неомасленного‚ что‚ очевидно‚ поясняется его сравнительно меньшей диспергацией в процессе гидротранспортирования.

Таким образом, и лабораторные исследования, и пилотные испытания совмещенного процесса обессоливание – гидротранспорт угля показывают наличие явления вторичного соленакопления. Так как оно негативно отражается на конечных результатах обессоливания угля, возникает необходимость его теоретической интерпретации и поиска путей устранения.

До сих пор явление вторичного соленакопления в теоретическом аспекте не рассматривалось. Только Л. Я. Афанасенко предполагала возможность кристаллизации солей из раствора в порах угольного вещества [6]. Однако граничные условия кристаллизации (265 г/л) при обессоливании в водной среде, в частности при совмещенном процессе обессоливание–гидротранспорт, не достигаются (в опытах [5] предельная минерализация водной среды 10-12 г/л).

По нашему мнению, вторичное соленакопление обусловлено нарушением баланса сорбционных процессов в межфазной зоне уголь–вода. При обессоливании в результате воздействия воды на твердую фазу сначала протекает экстрагирование водо-растворимых солей. При этом, очевидно, процесс имеет объемный характер, т. е. солеудаление происходит как из внутренней, так и из внешней поверхности угольной массы. Растворение сопровождается накоплением ионов Na^+, Сl^– и др. в водной фазе. Поскольку угольная поверхность обладает повышенным сорбционным потенциалом, возрастающим за счет пористости угля, одновременно протекают два процесса – сорбции и десорбции при преобладании, вначале, второго. В определенный момент времени достигается динамическое равновесие между этими процессами при остаточной концентрации солей в угле значительно ниже начальной.

Одновременно процесс обессоливания сопровождается активной дезинтеграцией угольного вещества с образованием вновь раскрытой поверхности. Особенно интенсивно процесс измельчения протекает в начальной стадии гидротранспортирования [8, 9]. Способствует дезинтеграции и низкая степень метаморфизма, которая характерна для соленых углей. На участке 50 км пути транспортирования выход ультратонких классов крупности –0, 074 мм увеличивается с 26% (исходный уголь) до 34% [5]. Начальный этап гидротранспортирования соответствует наиболее сильному увеличению внешней удельной поверхности угля (см. рис. 1‚ кривая 4). В свою очередь, явление измельчения угля приводит к резкому усилению сорбционного потенциала угольной поверхности [10]:

где A_у – адсорбция (соли)‚ моль/г; S_уд – удельная поверхность сорбента (угля)‚ м²/г; X_м – средняя площадь‚ занимаемая адсорбированной молекулой в поверхностном слое‚ м^2; N_А – число Авогадро‚ моль^–1.

Следовательно, выполненный нами анализ, показывает, что явление вторичного соленакопления обусловлено в первую очередь дезинтеграцией угольного вещества в процессе его обессоливания. Это обусловливает невозможность в ряде случаев (например, при дальнем гидротранспортировании соленого угля) избежать негативных последствий явления вторичного соленакопления без изменения параметров системы. Естественным и простейшим мероприятием, устраняющим его, может быть замена (полная или частичная) несущей среды на менее минерализованную. Это сдвинет ионообменный процесс в сторону десорбции ионов Na^+, Сl^– и др. Однако такое решение связано с необходимостью использования дополнительных водных ресурсов, которые ограничены и дефицитны. Другим техническим решением может быть агрегатирование (агломерация, грануляция) соленого угля после солеудаления, что приостановит его измельчение и, следовательно, устранит явление вторичного соленакопления.

1. Пожидаев С. Д. , Бойко П. Г. , Ткаченко Н. П. Схема получения облагороженного топлива из соленых углей Донбасса промывкой технической водой//Структура и свойства ископаемых углей. –Киев: Наукова думка, 1986. –С. 132–135.
2. Рекомендации по обессоливаю углей Новомосковского месторождения при транспортировке их по трубам. – Ворошиловград: УкрНИИгидроуголь, 1983. – 7 с.
3. Свитлый Ю. Г. , Круть А. А. Перспективы развития трубопроводного транспорта угля// Уголь Украины.– 1981.–№ 12.
4. Исследование возможности обогащения углей Новомосковского месторожденияпо соли при транспортировке их по трубопроводу: Отчет о НИР (промежуточный)/ УкрНИИгидроуголь, руководитель Ю. Г. Свитлый. – № А – 157. – Донецк, 1981. – 66 с.
5. Исследование возможности обогащения углей Новомосковского месторожденияпо соли при транспортировке их по трубопроводу: Отчет о НИР(заключитель–ный)/ ВНИИПИГидротрубопровод, руководитель Ю. Г. Свитлый. – № 54. – Москва, 1983 – 56 с.
6. Афанасенко Л.Я. Исследование характеристик и свойств засоленных углей Донбасса и их изменений при термической обработке.– Автореферат дис. … канд.техн.наук. – Харьков: Харьк. политехн. ин-т, 1990.–20с.
7. Елишевич А. Т. , Рыбаченко В. И. , Белецкий В. С. Изменение поверхностных свойств углей в процессе длительного пребывания в условиях, имитирующих гидротранспорт // Химия твердого топлива. – 1984. – № 1.– С. 58– 62.
8. Свитлый Ю. Г. Исследование закономерностей измельчения угля при гидротранспорте: Автореферат дис. … канд.техн.наук. – Магнитогорск, 1968. – 19 с.
9. Елишевич А. Т. , Белецкий В. С. , Свитлый Ю. Г. Гидротранспорт коксующегося угля//Промышленный транспорт. – 1986. – № 6.– С. 11.
10. Грег С. ‚ Синг К. Адсорбция‚ удельная поверхность‚ пористость. – Москва: Мир‚ 1984. – 306 с.