ДонНТУ   Портал магистров

Воробьёв Артем Павлович

Факультет горного дела и геологии

Кафедра обогащения полезных ископаемых

Специальность Обогащение полезных ископаемых

Исследование и усовершенствование технологии первичной переработки и окускования бурого угля при его гидротранспортировании

Научный руководитель: д.т.н., проф. Белецкий Владимир Стефанович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Цель работы
• 2. Актуальность темы
• 3. Бурый уголь как объект первичной обработки и окускования
• 3.1 Брикетирование
• 3.2 Гидрогенизация
• 3.3 Пиролиз и газификация
• 4. Гидротранспортирование угля: состояние проблемы
• Выводы
• Список источников

Введение

По геологическим запасам основным энергетическим сырьем в Украине является уголь, запасы которого составляют около 120 млрд т, в том числе разведанные – примерно 50 млрд т. [1] Уголь – единственный энергоноситель, разведанные запасы которого могут обеспечить потребности энергетики и промышленности Украины на длительное время – по разным оценкам до 300-400 лет. В Украине доля запасов угля в топливно-энергетическом балансе составляет соответственно 94,5%, нефть – 2% и газ – 3,6%. [3]

Развитие украинской экономики связано с интенсификацией потребления энергоносителей, основным из которых, в условиях отсутствия собственной развитой газо–и нефтедобывающей промышленности безальтернативно становится уголь. Увеличить его добычу можно только путем коренной реконструкции и строительства новых угольных разрезов, шахт, в свою очередь, это требует длительного времени и больших капитальных вложений.

Одним из путей решения этой проблемы является расширение сферы использования в большой и малой теплоэнергетике бурого угля, что будет способствовать в определенной мере стабилизации топливно-энергетического баланса страны и созданию резерва времени для развития угольной промышленности.

1. Цель роботы

Бурый уголь специфическое сырье и имеет ряд отрицательных свойств: высокую влажность и гигроскопичность, высокую реактивную способность кислорода, заниженную теплоту сгорания. Эти характеристики обуславливают невозможность его длительного хранения, перевозки на большие расстояния, большую вероятность самовозгорания.

Цель работы: рассмотреть способы первичной переработки и облагораживания бурого угля для его последующей транспортировки, хранения и эффективного использования – ожижение, газификация, пиролиз и т.д.

2. Актуальность

Таким образом есть необходимость в разработке такой технологии первичной переработки и окускования бурого угля, которая бы учитывала специфические свойства исходного бурого угля, условия процесса гидравлического транспортирования угля и требования к характеристикам угольного сырья в дальнейших операций по его переработке – пиролиза, сжигания, ожижения, брикетирования, обезвоживания. Решением этой проблемы может стать технология обработки угля масляными реагентами – масляная агрегация.

Селективная масляная агрегация угля объединяет совокупность процессов структурирования тонкой полидисперсной угольной фазы в водной среде с помощью масляных реагентов. В основе процессов селективной масляной агрегации угля лежит механизм адгезионного взаимодействия олеофильной угольной поверхности с маслами, в результате которого достигается ее селективное смачивание и агрегатирование в турбулентном потоке воды. Гидрофильные частицы, не смачиваемые маслом в структуру агрегатов не входят, что позволяет выделять их в виде породной суспензии.

Обработка бурого угля селективной масляной агрегацией устраняет его дезинтеграцию и размокание, "консервируя" органическое вещество в гидрофобных агрегатах, которые легко обезвоживаются механическими методами и являются хорошим сырьем для пиролиза, брикетирования, газификации.

3. Бурый уголь как объект первичной обработки и окускования

3.1 Брикетирование

Брикетирование угля – физико-химический процесс получения механически и термически крепкого сортового продукта – брикета, имеющий заданную геометрическую форму, размеры и массу.

Технологический процесс брикетирования бурого угля без связующего состоит из следующих операций: подготовка угля по крупности и влажности, и прессования. Технологические показатели, которым должны соответствовать буроугольные брикеты: масса брикета 100-500 г, механическая прочность на истирание 75-80%, на сжатие и изгиб соответственно 70-90 и 10-15 МПа, влагопоглощение 3-4%, теплота сгорания 24000-30000 кДж / кг, зольность 10-25%.[1]

3.2 Гидрогенизация

Гидрогенизация бурого угля – процесс прямой переработки угля в синтетические топлива жидкого и газообразного агрегатных состояний, что происходит при высоком давлении и относительно высокой температуре.

Данное направление переработки угля исследуется в разных странах мира. За рубежом наибольшее промышленное внедрение эта технология получила в ЮАР, где работают четыре завода, с общей годовой производительностью около 8-10 млн тонн жидкого топлива. Работы ведутся по запатентованной технологии SASOL на основе усовершенствованного метода Фишера-Тропша. Учитывая, что SASOL проводит политику по поддержанию высоких платежей за право пользования технологией, это обуславливает высокую стоимость ее промышленной реализации в других странах.[17]

Подготовка бурого угля включает дробление, сушку, приготовление пасты уголь-гидрогенизат. Измельчение осуществляется до крупности менее 0,1 мм – для повышения реакционной способности поверхности, реализуется в дезинтеграторах. Внешняя удельная поверхность при этом возрастает в 20-30 раз, объем переходных пор – в 5-10 раз. Затем уголь сушат. Поры заполнены влагой, которая препятствует проникновению в угольное вещество реагентов, она выделяется в ходе процесса в реакционной зоне, снижая парциальное давление Н2, а также увеличивает количество сточных вод. Для сушки используют трубчатые паровые сушилки, вихревые камеры, трубы-сушилки в которых уголь сушат до остаточного содержания влаги 1,5%. Теплоносителем служат горячие топочные газы с минимальным содержанием О2 (0,1-0,2%), чтобы уголь не подвергался окислению. Уголь не нагревают выше 150-200 °С, чтобы избежать снижения реакционной способности.

Требования к бурому углю, который подают на ожижение

На основе большого экспериментального материала доказано, что уголь с хорошей гидрованостью содержит от 65 до 85% С, более 5% H, и имеет более 30% выход летучих (V). Рациональная влажность исходного угля для процесса гидрогенизации – Wrt = 10-15%, зольность Ad = 10-12%, величина d <0,1 мм, показатель отражения витринита 0,35-0,95%.

Наиболее распространённая схема гидрогенизации показана на рисунке 1.2 [15]

3.3 Пиролиз и газификация

Пиролиз

Пиролиз – разложение бурого угля при нагревании без доступа воздуха. Различают четыре основных процесса пиролиза:

1. полукоксование до 500–550 °С;
2. среднетемпературное коксование700–750 °С;
3. высокотемпературное коксование до 900–1100°С;
4. графитизация 1300–3000 °С.

Бурый уголь при нагревании не размягчается, при этом происходит выделение летучих веществ, которые частично разлагаются. В остатке образуется более или менее монолитный полукокс, претерпевший сильной усадки. При полукоксовании бурого угля различают три температурные зоны [3]:

1. зона предварительного нагревания до 100°С;
2. зона сушки 100-125°С;
3. зона полукоксования 225-500°С.

Во время пиролиза под действием температуры в угле происходят существенные изменения. Первый этап – испарение влаги при температурах до 125-160 °С, затем начинается разложение органической массы бурого угля. По мере протекания процесса удаляются кислород, водород и азот, а твердый остаток обогащается углеродом. На начальных стадиях при температурах до 200 °С кислород выделяется в основном в виде диоксида углерода и пирогенетической воды за счет отщепления функциональных групп, сопровождается реакциями конденсации радикалов, которые остаются.

Азот выделяется в виде аммиака, других азотистых соединений и в свободном состоянии.

При температуре 200-350 °С происходит плавное уменьшение твердого остатка, выделение паров и газов увеличивается лишь на 6-7%. Зона от 350 до 450 °С характеризуется повышением скорости выхода парогазовой фазы и более резким уменьшением выхода твердого остатка. В температурном интервале 450-550 °С происходят небольшие изменения выхода как твердого остатка, так и парогазовой смеси.

Схематическое изображение процесса пиролиза рисунок 1.3. [6]

Газификация

Процесс превращения органической массы угля в газообразные вещества носит название газификация. В процессе газификации углерод чаще превращается в моноксид углерода, водород – в водяные пары и вместе с серой, которая находится в органической массе угля – в сероводород, азот – в оксиды азота. Минеральная часть угля в зависимости от температуры газификации переходит в золу или шлак.

Газификация угля лежит в основе многих технологических процессов, связанных с его применением. Первые процессы газификации разрабатывались с целью получения из угля горючих газов, которые применялись как бытовое топливо для уличного освещения, как промышленное топливо для различных высокотемпературных процессов.

Перед этими процессами бурый уголь измельчают, а при необходимости обезвоживают. Очень важно привести бурый уголь к необходимой крупности – это может быть газификация кускового (> 3мм), мелкодисперсной (1-3мм) и тонкодисперсного (<0,1 мм) угля. [7]

Требования к бурому углю, который подают на пиролиз и газификацию

Рациональная влажность исходного угля для процесса пиролиза – влага (Wrt) до 15%, зольность (Ad) до 10%, уголь должен быть малосернистый. Для процесса газификации – влага (Wrt) до 65%, зольность (Ad) до 40%.

4. Гидротранспортирование угля: состояние проблемы

Гидравлическое транспортирование твердых сыпучих материалов получило развитие во второй половине ХХ века. В настоящее время получил распространение трубопроводный транспорт нефти, природного газа и нефтепродуктов. При помощи магистральных гидротранспортных систем осуществляется перемещение полезных ископаемых и строительных материалов, промышленных отходов и химического сырья.

Существует две принципиально разные технологии гидравлического транспортирования угля.

Первая технология – транспортировка в гидросмеси массовой концентрацией С = 50% с последующим обезвоживанием на приемном терминале. Уголь дробят до крупности 0-1 (3-6) мм и смешивают с водой (соотношение жидкости и твердого составляет 1: 1).

Один из первых в мире – магистральный углепровод шахты Блэк-Меса (Аризона, США), длиной 439 км и производительностью 5,8 млн. т / год. В 1964 г. энергетическая компания Peabody Energy подписала контракт с племенами навахо и ТАПИ об использовании их водных ресурсов для создания гидросмеси и ее дальнейшей транспортировки на ТЭС в Мохейви, мощностью 790 МВт.

Процесс требовал большого количества воды, что вызвало экологический кризис на этих территориях. Под натиском социальных и этно-религиозных движений углепровод несмотря на технологическую пригодность и экономическую эффективность был законсервирован 31 декабря 2005.

На обезвоживающей фабрике углепровода Блэк Меса вся масса пульпы подогревалась до 70 ° C, затем обезвоживалась в центрифугах с диаметром ротора 1000 мм и скоростью вращения 1000 мин. Кек влажностью 20% подвергался термической сушке в мельницах-сушилках. Нагрев пульпы перед центрифугированием снижал влажность кека с 28 до 20%. Фугат, в который шло 6,5% угля, или сжигался в виде ВВВС, или складировали в илонакопитель. Вследствии сложности получения ВВВС в первые годы работы углепровода, в илонакопители собралось большое количество твердой фазы фугата, что представляло опасность для окружающей среды.

Вторая технология гидравлического транспортирования угля – в виде высококонцентрированных водо-угольных суспензий (ВВВС). [10] На приемном терминале ВВВС используют как водо-угольное топлива (ВУТ).

Классический способ приготовления ВВВС состоит из трёх основных стадий(рис.1.4):

1. Дробление рядового угля до крупности 10 .. 20мм;
2. Мокрое измельчение угля (в присутствии воды и пластификатора) до 0.1-0.2 мм;
3. Гомогенизация, хранение, транспортирование.

Для помола используют шаровые или стержневые барабанные мельницы со специальным набором помольных тел, что обеспечивает нужный бинарный гранулометрический состав угольной фазы. Этот этап является ключевым при приготовлении ВУТ, поскольку определяет дальнейшие характеристики ВУТ (гранулометрический состав, вязкость, стабильность и т.д.). Кроме того, данный этап обычно является наиболее энергозатратным.

На стадии мокрого помола в состав ВУТ могут быть включены различные добавки, необходимые для увеличения статической стабильности ВУТ, снижение вязкости и другие.

Выводы

Одним из направлений технического прогресса является развитие трубопроводного транспорта. Наибольшие перспективы имеет промышленный и магистральный гидротранспорт нефти и сыпучих материалов. Гидротранспорт характеризуется непрерывностью и равномерностью грузопотока, повышенной надежностью, возможностью полной автоматизации, независимостью от погодных условий, имеет экономическое преимущество над железнодорожным транспортом, особенно, когда шахты находятся в отдаленных районах; создает меньше шума, имеет существенно меньшие транспортные потери и техногенную нагрузку на окружающую среду; малые сроки строительства.

Существует несколько способов гидравлического транспортирования угля:

1. пульпопроводом с дальнейшим обезвоживанием;
2. транспортирование высококонцентрированного водугольного топлива.

Отрицательные свойства бурого угля, препятствуют использованию гидротранспорта, для решения этой проблемы предложена технология обработки угля аполярнимы реагентами – масляная агрегация.

Под масляной агрегацией угля понимают совокупность процессов структурирования тонкой полидисперсной угольной фазы (размер зерен до 3-5 мм) в водной среде с помощью масляных реагентов. В основе этих процессов лежит механизм адгезионного взаимодействия олеофильной угольной поверхности с маслами, в результате которого достигается ее селективное смачивание и агрегатирование в турбулентном потоке воды. Гидрофильные частицы не смачиваются маслом и не входят в состав агрегатов, что позволяет выделять их в виде породной суспензии.

Исходя из изложенного для облагораживания бурого угля при его гидротранспортировании, нами выбрана технология масляной агрегации угля, которая хорошо сочетается с технологиями его дальнейшей переработки и использования: брикетирование, ожижение, газификация, пиролиз.

Список источников

1. Смирнов В. О., Сергєєв П.В., Білецький В.С. Технологія збагачення вугілля. Навчальний посібник. — Донецьк: Східний видавничий дім, — 2011. — 476 с.
2. Chun - Zhu Li. Advances in the Science of Victorian Brown Coal – Book, 2004. – 459p.
3. Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С. Основи хімії і фізики горючих копалин. (Підручник з грифом Мінвузу). – Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. – 640 с.
4. Світлий Ю.Г., Білецький В.С. Гідравлічний транспорт (монографія). - Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. - 436 с.
5. Мала гірнича енциклопедія. т.1,2 / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004, 2007.
6. Липович В.Г., Калабин Г.А., Калечиц И.В Химия и переработка угля - М.: Химия, 1988. – 336 с.
7. Чистяков А.Н. Справочник по химии и технологии твердых горючих ископаемых. – СПб.: издат. Компания “Синтез”. – 1996. – 363 с.
8. Святец И.Е., Агроскин А.А Бурые угли как технологическое сырье. – М., Недра, 1976. - 223 с.
9. Ходаков Г.С, Горлов Е.Г., Головин Г.С. Производство и трубопроводное транспортирование суспензионного водоугольного топлива// Химия твердого топлива. - 2006. - №4. - С. 22—39
10. Круть О.А Водовугільне паливо. – Київ: Наук. Думка, 2002. – 172 с.
11. Трайнис В.В. Магистральные трубопроводы в США // Уголь. – 1978 - №11, с. 74-77.
12. Білецький В.С., Сергєєв П.В., Папушин Ю.Л. Теорія і практика селективної масляної агрегації вугілля. Донецьк: МКП Грань, 1996. - 264 с.
13. Гордеев Г.П., Федотова В. М. О критическом влагосодержании бурых углей// Химия твёрдого топлива. – 1989. - №6. – 76-78 с.
14. Елишевич А.Т., Оглоблин Н.Д., Белецкий В.С., Папушин Ю.Л. Обогащение ультратонких углей. – Донецк, Донбас, 1986. – 64 с.
15. Тамко В.О., Білецький В.С., Шендрик Т., Красілов О.О Вплив механічного подрібнення бурого вугілля Олександрійського родовища на його піроліз// Донецький вісник Наукового товариства ім. Шевченка. Т. 21 – Донецьк: Східний видавничий дім. – 2008. – С. 97-103.
16. Калечица И.В Химические вещества из угля. – М.: Химия, 1980. – 616 с.
17. Твердов А.А., Жура А.В., Никишичев С.Б Перспективные направления использования углей// Глобус. – 2009. - №2. – С. 16-19.
18. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1988. – 592 с.
19. Крылова А.Ю., Козюков Е.А Состояние процессов получения синтетических жидких топлив на основе синтеза Фишера-Тропша// Химия твёрдого топлива. – 2007. - №6. – С. 16-25.
20. Energy & Environmental Research Center (EERC). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.undeerc.org/default.aspx
21. Борук С.Д., Вінклер І.А., Макарова К.В. Вплив стану поверхні частинок дисперсної фази на фізико-хімічні характеристики водо-вугільних суспензій на основі бурого вугілля. - Наук. вісник ЧНУ. Вип. 453.: Хімія. – Чернівці, 2009, с. 40-45.
22. Касаточкин В.И., Ларина Н.К. Строение и свойства природних углей. – М.: Недра, 1975. – 158 с.
23. Кегель К. Брикетирование бурого угля. – М., Углетехиздат, 1957. – 659 с.
24. Саранчук В.И. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. – Киев: Наук. Думка, 1988. – 190 с.