Актуальність. Ідея. Мета. Задачі
Суть проблеми солоного вугілля
Світовий досвід переробки солоного вугілля
Процеси і методи прямої переробки солоного вугілля
Вітчизняні дослідження в галузі знесолювання вугілля
Експериментальні дослідження в галузі знесолювання вугілля
Технологія ДонНТУ "промивка–агломерація"
Актуальність роботи обумовлена важливістю забезпечення паливно–енергетичної бази країни на перспективу. Структура паливно–енергетичного комплексу в нашій країні в основному орієнтована на ТЕС. У 2000 р. з 52,8 млн. кВт загальної потужності електростанцій в Україні 36,3 млн. кВт припадало на теплові електростанції. Водночас запаси вітчизняного вугілля становлять 95,4 % від загального обсягу запасів органічного палива в Україні. Нафта і газ значною мірою експортуються. Тому пошук нових високоефективних та екологічно більш чистих технологій використання вугілля в якості палива на ТЕС є актуальною проблемою сьогодення.
Одним з перспективних напрямків підготовки вугілля до спалювання на ТЕС є використання технологій знесолення так званого солоного вугілля, яке в загальному балансі запасів вугілля в Україні складає до 10 %. (рис.1)
Поклади солоного вугілля з підвищеним вмістом NaCl i KCl зосереджені у Західному і Північному Донбасі і частково розробляються. Разом з тим, його спалювання пов’язане з проблемами, по–перше, суттєвого збільшення зносу котлоагрегатів ТЕС, по–друге, екологічною небезпекою обумовленою можливістю виникнення при спалюванні діоксинів і потрапляння їх у довкілля. Це гостро ставить питання знесолення вказаного вугілля перед використанням.
Ідея роботи — комплексний підхід до проблеми збагачення вугілля по солі, який включає поєднання його з технологіями промивки під час гідравлічного транспортування, масляної агрегації вугілля, ефективного механічного зневоднення.
Мета роботи — удосконалення технології збагачення вугілля по солі в процесі його магістрального гідравлічного транспортування.
Задачі дослідження: 1. Вивчення процесу збагачення вугілля по солі шляхом його промивки. 2. Дослідження знесолення вугілля промивкою в процесі гідравлічного транспортування. 3. Розробка раціональної послідовності операцій технології знесолення вугілля, яка включає: промивку вугілля в процесі його гідротранспорту–масляну агрегацію вугілля–зневоднення вугілля. 4. Розробка технічних рішень, спрямованих на інтенсифікацію масляної агрегації гідрофілізованого солоного вугілля та зменшення витрат реагенту.
Основні труднощі, пов'язані з використанням родовищ лужного вугілля полягають в наступному. По–перше, вони обумовлені підвищеною шлакуючою здатністю солоного вугілля. Осідаючи на робочих поверхнях, а також на частках леткої золи, галіт істотно підвищує їх клейкість, створюючи тим самим умови для формування первинного шлакового шару. Подальше налипання компонентів золи призводить до утворення товщого основного шару шлакових відкладень. При реакції з діоксидом сірки галіт переходить в міцніший тенардит. Під впливом температури шлакові відкладення спікаються, що ще більше підвищує їх міцність і практично унеможливлює їх видалення звичайними пристроями для очищення. В результаті різко погіршується теплообмін і збільшується температура газів на виході з топки, що знижує к.к.д. агрегату і, зрештою, в результаті інтенсивного зашлаковування повністю виводить його з ладу [7].
Другим негативним явищем, що має місце при спалюванні солоного вугілля, являється інтенсивна корозія металу, яка збільшується з підвищенням температури і збільшенням вмісту у вугіллі хлористого натрію [7]. Хлор при спалюванні солоного вугілля виступає як активний прискорювач процесу корозії. Причому, цей ефект спостерігається при вмісті хлору у вугіллі > 0,5%.
Дуже необхідною, на наш погляд, являється екологічна оцінка солоного вугілля як об'єкту термічної переробки. Відомо, що при спалюванні солоного вугілля в атмосферу з водяною парою виділяється HCl, в середовищі вуглекислого газу — молекулярний хлор (Cl2). В процесі активізації солоного вугілля утворюються чадний газ (СО), хлористий водень HCl, водень Н2, метан СН4, що мають різну ступінь токсичності [1, 2, 19]. Але особливо важливо відмітити велику вірогідність виникнення при термообробці солоного вугілля діоксину, токсична дія якого дуже велика [20]. Речовини діоксинового ряду мають мутагенні властивості, пригнічують імунні можливості організму, накопичуючись в організмі викликають різноманітні хвороби і навіть обумовлюють викривлення спіралі молекули ДНК [20–23].
Дослідження ефективних і екологічно прийнятних методів переробки солоного вугілля ведуться в двох принципово різних напрямах: перше припускає розробку нових способів прямого використання солоного вугілля без видалення натрій– і хлорвмісних домішок; друге передбачає попереднє знесолювання з подальшим використанням кондиційного продукту в топках (чи інших процесах). Зупинимося на кожному з вказаних напрямів (рис.2), оцінивши при цьому досягнутий рівень рішень.
Перший напрям включає спалювання солоного вугілля, газифікацію, зрідження, напівкоксування, а також комплексну їх переробку з виділенням гуматів.
У Німеччині і Англії апробовано спалювання заздалегідь разубоженого солоного вугілля [3, 6]. При цьому в нього додавали глину. Таке рішення є одним з найбільш простих, проте значне зменшення теплотворної здатності вугілля, істотно знижує техніко–економічні показники процесу аж до його невигідності.
Технічні рішення [9–11] передбачають спеціальні добавки до солоного вугілля, які нейтралізують негативну дію лужних солей при їх спалюванні. Такими добавками, як правило, служать силікати лужних металів, кремнієві кислоти, кварц, оксид магнію, веруліт. Проте застосування добавок погіршує технологічні показники процесу спалювання. Для широкого використання в промисловості цей шлях вважається неекономічним [1].
Ряд рішень спрямований на пошук і розробку нових раціональних технічних засобів і способів спалювання солоного вугілля. Так А. Лісснер запропонував спалювати це вугілля в спеціальних шарових топках із зворотним поданням димового газу і введенням в нього водяної пари. Проте, цей метод прийнятний тільки для котлів малої продуктивності [1, 4].
У Німеччині виконані дослідницькі роботи по напівкоксуванню солоного вугілля. Встановлено, що при переробці цим методом вугілля родовища Месебург–Схід близько 50% оксиду натрію і 60–80% хлору переходить в напівкокс.
У США, Україні і ФРН виконані досліди по зрідженню солоного вугілля [5, 12, 13]. Ніяких істотних технологічних ускладнень на лабораторному етапі досліджень не виявлено. В цілому, отримані результати оцінені дослідниками як позитивні, а переробка солоного вугілля гідрогенізацією визнана перспективним напрямом.
У США помічено, що при зберіганні солоного вугілля на відкритому повітрі під впливом природних чинників відбувається його природне відмивання від солі [17]. Цей факт заслуговує на увагу, проте при усій простоті такого прийому він має ряд недоліків : по–перше, сезонний характер; по—друге, результати знесолювання сильно залежать від кількості випавших опадів і важко прогнозовані. Головними ж недоліками є, з одного боку, деградація вугілля при тривалому зберіганні, погіршення його технологічних властивостей внаслідок окиснення і, з іншою, — неодмінне активне засолювання грунтів в районі складування солоного вугілля.
Другий напрям, що передбачає попереднє збагачення вугілля по солі (знесолювання), опрацювано у ряді дослідницьких центрів. Причому найбільша частина запропонованих рішень заснована на різних варіантах водного промивання солоного вугілля. Це, зокрема, технології Державного інституту мінеральних ресурсів України (ДІМР), НВО "Хаймек", Донецького державного технічного університету (ДонНТУ).
Таким чином, проведений огляд показує, що проблема переробки солоного вугілля активно вивчається ученими низки країн і певні успіхи досягнуті як в галузі прямого їх використання, так і у збагаченні по солі.
1. Технології газифікації солоного вугілля
Дніпропетровським хіміко–технологічним інститутом (ДХТІ) виконані дослідження придатності солоного вугілля Новомосковського родовища для отримання облагородженого палива методом газифікації. При цьому в якості базисного використаний метод газифікації вугілля в киплячому шарі під тиском.
Апробація технології, проведена на солоному вугіллі Новомосковського і Старобільського родовищ Донбасу, показала придатність цього вугілля для газифікації в киплячому шарі [14, 15]. Одночасно зафіксовано значну корозію сталей різних марок, викликану агресивною дією водяної пари, збагаченої сірчистими і лужними компонентами, а також сполуками хлору. Ця обставина є істотною перешкодою, стримуючою промислове впровадження даної технології.
2. Технологія спалювання солоного вугілля
Спрямована на зниження вмісту хлористих газів в продуктах згорання солоного вугілля до величини, що отримується на незасоленому вугіллі, і відповідне зменшення корозії поверхонь нагріву котлів [8].
Перевірка запропонованого методу спалювання солоного вугілля заздалегідь здійснена на дослідно–промисловій установці продуктивністю 12 тонн в добу по вугіллю. Установка створена на експериментальній базі Інституту вугільних енерготехнологій НАН України.
Експерименти на дослідній установці, продуктивністю 100 кг/г показали ефективність такого процесу. Досвід переробки солоного вугілля Новомосковського родовища на укрупненій лабораторній установці дав позитивні результати.
3. Технологія комплексної переробки солоного вугілля
В Інституті фізико–органічної хімії та вуглехімії НАН України (ІНФОВ НАНУ) проведені дослідження по лужному гідролізу солоного вугілля [16]. На основі лабораторних досліджень запропонована схема комплексної переробки і використання солоного вугілля Донбасу. Технічне рішення включає три стадії переробки. Перша — вилучення солей гумінових кислот. Друга — карбонізація ентгумінованого вугілля. Третя стадія — газифікація карбонізату ентгумінованого вугілля діоксидом вуглецю з метою отримання відновних газів. Режим газифікації — 900–1100° С. Випробування технології показали її перспективність.
Приведені напрями досліджень є перспективними, їх розвиток може привести до створення нових високоефективних промислових технологій переробки солоного вугілля.
1. Технологія ДІМР знесолювання вугілля водним промиванням
Глибокі комплексні дослідження знесолювання та облагороджування солоного вугілля Донбасу були проведені в Україні Державним інститутом мінеральних ресурсів. Розроблена технологія знесолювання вугілля шляхом водного промивання, яка припускає використання для знесолювання обладнання, що серійно випускається промисловістю для збагачувальних фабрик [25].
2. Технологія НВО "Хаймек": "знесолювання–гідротранспорт"
Ця технологія припускає поєднання процесів гідротранспорту і знесолювання. Недоліками технології є, по–перше, виявлений ефект вторинної концентрації солей у вугіллі після 50 км його гідро транспортування [24], і, по–друге, інтенсивне подрібнення солоного вугілля в процесі гідротранспорту обумовлююче підвищення змісту класу –0,074 мм до 35–40% [18]. (рис.3)
Експериментальні дослідження є розвитком зроблених раніше досліджень процесу знесолювання обмасленого вугілля шляхом планування експерименту. Об'єктом дослідження служило вугілля пласта С12 Новомосковського родовища Західного Донбасу. Вміст Nа2О в цьому вугіллі склав 0,9 %, зольність — 20 %. Вугілля перед знесолюванням спочатку обмаслювалося за запропонованою технологією.
Чинниками варіювання були вибрані: тривалість промивання, режим турбулізації водовугільної суміші (частота обертання імпелера мішалки), концентрація пульпи (Т : Р) і витрата зв'язуючого для обмаслювання вугілля. Як обмаслювач використаний композиційний реагент на основі паливного мазуту марки М 100 і флотореагента ААР–1.
В результаті обробки експериментальних даних отримано рівняння регресії, паретто–карту коефіцієнтів моделі, на підставі яких побудовані тривимірні перетини гіперповерхні і контурні криві цих поверхонь.
З експерименту видно, що при збільшенні тривалості агітації гідросуміші та інтенсивності перемішування спостерігається зменшення залишкової концентрації Na2O у вугіллі. Залежність цієї концентрації від чинників: концентрація пульпи і витрата масляного агента–зв'язуючого пряма — зі збільшенням цих параметрів збільшується і залишкова концентрація Na2O у вугіллі.
Отримана модель може бути використана при розробці промислових технологій облагороджування солоного вугілля Західного і Північно–східного Донбасу.
Донецьким національним технічним університетом на базі вищезгаданих технологій розроблена вдосконалена технологія знесолювання вугілля, що усуває їх недоліки [25]. Основна ідея цього способу полягає в поєднанні процесів "водне промивання–масляна агломерація". (рис.4)
Технологічна схема включає двостадійне дроблення початкового вугілля з попереднім грохоченням на кожній стадії. Ключовою відмінністю є дробна подача реагенту в процес. Спочатку на другій стадії дроблення, в живлення молоткової дробарки у кількості 0,3–0,5% на суху масу вугілля. Подрібнене вугілля промивається в контактних чанах або в процесі гідротранспорту як і передбачено в технологіях ДІМР та НВО “Хаймек". При знесолюванні вугілля агломерується з добавкою реагенту 5–7%. При гідротранспорті солоного вугілля друга порція реагенту подається у вуглепровід в 50 км від головного терміналу магістральної гідротранспортної системи і процес знесолювання та агломерації відбувається безпосередньо у вуглепроводі, що істотно спрощує весь технологічний комплекс. Вугільний агломерат після зневоднення фільтруванням піддається ежектуванню, що знижує його вологість до 8–12 % і забезпечує максимальне знесолення.
Полігонні випробування нової технології проведені на солоному вугіллі марки "Г" Новомосковського родовища Західного Донбасу ДонНТУ і НВО "Хаймек" показали її ефективність. За рахунок застосування органічного реагенту–зв'язуючого, істотно спрощується технологічна схема зневоднення вугілля і зменшується кількість обладнання.
У результаті теоретичних досліджень були встановлені основні закономірності й специфічні особливості процесу знесолення вугілля по різних технологіях. Розроблені елементи теорії процесу знесолення вугілля у водному середовищі зводяться до наступного:
1. Запропоновані феноменологічні моделі процесу знесолювання вугілля промиванням дозволили ідентифікувати усі елементарні процеси, встановити їх послідовність і взаємозв'язок.
2. Аналіз елементарного акту контакту "вугілля–вода" показав, що найбільша гідратація солоного вугілля можлива на зовнішній поверхні і в макропорах вугільної фази.
3. Розроблена принципова схема масообмінних процесів, що мають місце при знесолюванні вугілля, яка включає тепломасообмінні, сорбційні процеси і екстрагування.
4. Аналіз масообмінних процесів при знесолюванні вугілля дозволив встановити, що структура граничного шару розчинення включає зони:
– поверхневої (хімічної) гідратації;
– об'ємної (фізичної) гідратації;
– зону локально-насиченого розчину.
Встановлено, що кінетику процесу солевидалення в цілому визначає швидкість виведення солей із зони локально–насиченого розчину.
5. Ефективне екстрагування солей можливе тільки з макропор і тріщин вугільної речовини. Для залучення до процесу розчинення сольових компонентів, що містяться в мезо– і мікропорах потрібне розкриття внутрішньої поверхні вугілля.
6. Дана теоретична інтерпретація виявленому явищу вторинного соленакопичення у вугільній фазі в поєднаному процесі "промивання–гідротранспорт". Головною причиною цього явища є порушення сорбційної рівноваги в системі "вугілля–сольовий розчин", викликана дезинтеграцією вугільної фази.
7. Дано теоретичне обгрунтування поєднаної технології "знесолювання вугілля промиванням–масляна агломерація ". Зокрема:
– обгрунтовано двостадіальне подання зв'язуючого в процес знесолювання;
– сформульовані принципи і дана формула для визначення раціональної витрати зв'язуючого реагенту на першій стадії його подання;
– встановлено, що контакти в міжфазній зоні "солоне вугілля–зв'язуюче" для вуглемасляних агломератів обумовлені разом з простою фізичною адсорбцією проявом сил хімічної природи.
8. Дано теоретичне обгрунтування істотного підвищення ефективності зневоднення вуглемасляного агломерату шляхом механічного зриву водної плівки (ежектуванням). Результати теоретичних досліджень послужили основою нових технологічних рішень.
При написанні цього реферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення: грудень 2011р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.