Автореферат по теме магистерской работы:

"Исследование и разработка технологических основ процесса обезвоживания угля в магистральных системах гидротранспорта"

Выполнил: Павлов Д.В.
Руководитель: д.т.н., проф. Белецкий В.С.

Актуальность. Мировой рост цен на нефтепродукты обусловил повышение интереса к углю как приоритетному теплоносителю и сырью в химической и других отраслях промышленности. Вместе с тем, для передачи больших количеств угля на значительные расстояния наиболее выгоден гидротранспорт [2, 9].

Магистральная гидротранспортная система угля включает:

Flash-анимация, Macromedia Flash Basic 8, 16 кадров, 22 КБ.

1. Главный терминал – начало системы, где уголь дробится, измельчается, готовится гидросмесь и загружается в линию. К главному терминалу также относится главная насосная станция.

2. Трубопроводная магистраль с насосными станциями, которые размещаются на линии для создания необходимого напора и перемещения продукта по трубопроводу, и аппаратурой блокирования для защиты трубопровода.

3. Приемный терминал – комплекс для обезвоживания и последующего использования продукта.

Основные характеристики крупных гидротранспортных систем приведены в таблице [3]. Из таблицы видно, что длина работающих трубопроводов достигает 440 км, а размер максимального куска материала не превышает 3 мм. Наиболее известной системой являлась Блэк Меса - Мохейв, закрытая из-за проблем с водоснабжением [6, 7].

Система	Длина, км	Диаметр, мм	Производительность за год, млн. т	Количество насосных станций	Макс. диаметр зерен, мм	Уровень внедрения
Кадис -- Ист-Лейк (США - Огайо)	174	254	1,3	4	4,4	Работал в 1957-1963 гг.
Блек-Меса -- Мохейв (США, Аризона)	440	457	4,4	3	1,2	Работал в 1970-2006 гг.
Белово -- Новосибирск (Россия)	252	500	3,0	-	2,0	Работал в 1990-1994 гг.
Фрейлинг -- Эмиль (Франция)	9	386	2,5 - 3,0	-	2,0	Находится в эксплуатации с 1952 г.
Порто-Торрес (Италия)	4	406	3,5 - 4,1	-	3,0	Находится в эксплуатации

Магистральный гидротранспорт угля обладает рядом преимуществ [1]: минимальными удельными экономическими затратами и потерями продукта; малыми сроками строительства трубопроводов; повышенной надежностью; возможностью полной автоматизации; экологической чистотой; независимостью от погодных условий. Однако исследования и практика эксплуатации гидротранспортных установок выявили ряд технических и технологических проблем, возникающих при гидравлическом транспорте угля:

1. трудности с обезвоживанием угля. В существовавших гидротранспортных системах было предусмотрено многооперационное обезвоживание, которое включало термическую сушку – дорогой и пожароопасный процесс, загрязняющий атмосферу;

2. при дальнем гидротранспорте коксующихся углей имеет место ухудшение их спекающих свойств;

3. повышенная деструкция слабометаморфизированных углей, а также размокание сопутствующих породных фракций, резко усложняющих процесс обезвоживания.

Задачей настоящей работы является разработка технологических основ эффективного обезвоживания углей, передаваемых гидротранспортом на далекие расстояния (200-500 км и более). Для этого предлагается совмещение процессов гидротранспортирования и масляной грануляции с целью получения новой высокоэффективной технологии для использования в конечном итоге в промышленных гидротранспортных системах.

Научная новизна. В области теоретических исследований был произведен анализ тонкодисперсного угля как объекта обезвоживания с применением масляной агрегации, рассмотрены теоретические основы механизма получения углемасляных агрегатов в условиях сниженных затрат реагента-связующего, адгезионного контакта «уголь – масло» и элементарного акта углемасляной агрегации.

Разработанная нами феноменологическая модель обезвоживания угля масляной агрегацией включает ряд субпроцессов [4], последовательное рассмотрение которых даёт возможность глубже понять механизм происходящих явлений и выявить его закономерности.

Рис 1. Феноменологическая модель обезвоживания (ист. 4, стр. 39)

Были рассмотрены основные субпроцессы модели обезвоживания и проанализирован механизм физико-химических процессов, имеющих место при их протекании. На субпроцесс сближения и встречи объектов (угольное зерно и капли реагента) в водной среде оказывают влияние гидродинамические факторы, основными из которых являются близкое и дальнее гидродинамическое взаимодействие частиц. Близкое гидродинамическое взаимодействие определяется свойствами тонких поверхностных слоёв воды. Дальнее гидродинамическое взаимодействие состоит в том, что крупное зерно (3-6 мм) или большая капля связующего искривляют линии течения воды и изменяют траекторию движения малых частиц. На взаимодействие твердых объектов в воде также влияет и форма зерен. Так как толщина аномального слоя воды на гранях и ребрах утончается, то вероятность захвата агрегатами «угловатых» гидрофобных зерен увеличивается.

Процесс адгезии определяет взаимодействие угля с аполярными реагентами [5]. Вытеснение маслом водной пленки с угольной поверхности зависит от природы адгезионной связи «уголь – связующее» и площади граничного слоя связующего на поверхности частиц. Экспериментальные данные, полученные методами молекулярной спектроскопии, показывают, что адгезионные контакты в межфазной зоне «уголь – связующее» обусловлены не только адсорбцией, но и проявлением сил химической природы – смена интенсивности пиков поглощения при 3460 и в области 3200-3100 см-1 подтверждает наличие водородной связи. Это способствует возникновению на угольной поверхности адсорбционно-сольватного полислоя – граничной пленки масла-связующего, что и является первой стадией обезвоживания.

Рис 2. ИЧ-спектры (ист. 4, стр. 81)

а) уголь марки К ш. Карагандинская;
б) мазут М100;
в) агрегат "мазут - уголь";
г) МОШ;
д) агрегат "МОШ - уголь";
е) полимер бензольного производства Авдеевского КХЗ;
ж) агрегат "полимер - уголь"

При транспортировании и одновременном перемешивании суспензии в трубопроводе протекает процесс образования структур «ядро – оболочка». Концентрация водной фазы в суспензии значительно превышает концентрацию масляной фазы, поэтому при агитации сначала возникает эмульсия вида «масло в воде». Начальный этап получения эмульсии сопровождается уменьшением диаметра эмульсионных капель и большой скоростью диспергирования. Процесс завершается при достижении динамического равновесия системы.

Рис 3. Углемасляные грануляты (ист. 4, стр. 64)

а, б) конгломерационный комплекс, х65;
в, г) комплексы типа «ядро – оболочка», х55;
д, е) микрогранулят, х100

Аутогезионные контакты угольных зерен покрытых слоем связующего осуществляются аналогично адгезионным контактам. Хронологическая последовательность фаз контакта такова: встреча – сближение – прорыв водной пленки – сцепление зерен. Первичный углемасляный агрегат объединяет несколько зерен и имеет радиус, значительно превышающих радиусы его отдельных составляющих, поэтому встреча с ним еще несвязанных зерен возможна по диффузионному и инерционному механизмам. Полидисперсность твердой агрегатообразующей фазы гидротранспортных систем обуславливает разную вероятность встречи для пар зерен различных радиусов [10]. Структура первичных и вторичных агрегатов также зависит от соотношения этих вероятностей.

Обезвоживание агрегатированного угля центрифугированием в сравнении с неагрегатированным существенно эффективней. Таким образом, применение специального процесса обезвоживания и обогащения тонкодисперсных углей – масляной агрегации, в сочетании с гидротранспортом позволяет, во-первых, радикально снизить влажность кека центрифуг (с 34 до 17 %) во-вторых, существенно уменьшить потерю органической массы угля с фугатом и увеличить зольность твердого компонента в фугате до 79-85%; в-третьих, сохранить коксующиеся свойства гидравлически транспортируемого угля.

Характеристики получаемых продуктов	Без масляной агрегации	При масляной агрегации
Влажность кека при факторе Фруда = 2000, %	34	17
Зольность отходов, %	50 - 55	79 - 85
Массовая концентрация гидросмеси, %	50	50
Относительные гидравлические потери напора в трубопроводе, д.ед.	1	0,85 - 0,9
Содержание остаточного масла в отходах, %	-	следы -- до 5-10 мг/л

Литература

ДонНТУ © Дмитрий Павлов