Рисунок 1 - Первый вариант процесса Олифлок (количество кадров - 7, количество повторений - 7, размер анимации - 85 кБ).
Факультет энергомеханики и автоматизации
Специальность: Обогащение полезных ископаемых
1. Вступление
Перспектива исчерпания естественных запасов нефти и газа и связано с этим увеличение потребления угля обусловило повышенный интерес ученых мира к угольным технологиям. Особенное внимание сегодня уделяется изучению специальных процессов обогащения угля, которые открывают новые возможности по переработке низкокачественного сырья в кондиционные экологически чистые продукты.
За последние десятилетия быстрого развития приобрел процесс селективной масляной агрегации угля (грануляция, агломерация, флокуляция). Заметным является интерес к нему не только специалистов по обогащению полезных ископаемых, но и углехимиков, теплоэнергетикив, транспортников. Масляная агрегация рассматривается как перспективный высокоэффективный способ подготовки низкокачественного угля к коксованию, сжиганию, пиролизу, а также как многофункциональный процесс подготовки угля к ожижению. На долю последнего по прогностическим оценкам Мирового Энергетического Совета в 2050 году будет приходиться около 50% всего добываемого энергетического угля. Кроме того, рядом исследователей показаны преимущества применения техники и технологии масляной агломерации в магистральных гидротранспортных системах энергетического и коксующегося угля. А в последние годы открыто новое направление исследований – масляная грануляция угля как базовый процесс адгезийного обогащения золота и алмазов.
Одной из наиболее острых проблем современного углеобогащения является переработка угольных шламов с большим количеством тонких классов. Традиционные методы обогащения (отсадка, обогащение в тяжелых средах, винтовая сепарация, пенная флотация и другие) не обеспечивают необходимой эффективности разделения. Это обусловлено, как правило, низкой селективностью разделения ультратонких классов крупностью меньше 50–60 мкм.
Выполнены теоретические и практические разработки, получены экспериментальные результаты, обобщения мирового опыта процесса селективной масляной агрегации угля без сомнения должны заинтересовать специалистов по угольным технологиям.
2. Актуальность темы
Анализ результатов международного угольного проекта WOCOL и прогнозных оценок Мирового Энергетического Совета показывает, что доля угля в используемых органических ископаемых, в частности, первичных энергоресурсах в дальнейшем непрестанно будет расти и составит в 2010 – 30%, 2025 – 38 %, 2050 – 46%. Абсолютные мировые расходы угля только на энергетику (60 – 70 % всей добычи) за период 1990-2050 гг. выростут с 9,9 до 56 млрд. т. условного топлива. Резкое повышение потребления угля возможно только при условии массового и повсеместного внедрения экологически чистых угольных технологий, в частности, высокоэффективного углеобогащения. Кроме того, ожидается мощное развитие новых способов магистрального гидравлического транспортирования угля, его пиролиза, ожижения, которое налагает новые специфические требования на угольное сырье.
С другой стороны, анализ состояния и тенденций развития углеобогащения в мире и Украине показывает неготовность отрасли к решению проблем, обусловленных предполагаемым развитием потребления угля. Новые более ефективные технические решения не проработаны, хотя резерв по увеличению извлечения угля только в Украине составляет ~ 1,6 %. Условия работы углеобогатительных фабрик в дальнейшем будут ухудшаться в связи с увеличением зольности и доли мелких классов 0-1 мм в рядовом угле (до 30 % и больше), что связано с интенсивной механизацией горных работ. Планируется привлечение к энергетике "соленого" угля, технология обогащения и переработки которого отсутствует.
В связи с изложенной ситуацией ведущими угледобывающими странами мира признано, что создание новейших высокоэффективных, экологически чистых технологий углеобогащения является приоритетным заданием на близкую и далекую перспективу. Особенно актуальна эта задача для Украины, где доля угля в энергобалансе доминирующая, а степень загрязнения окружающей среды выше чем в странах с адекватным промышленным потенциалом. К наиболее перспективным принадлежат многофункциональные технологии такие, как селективная агрегация.
3. Научное значение работы заключается:
– в развитии теоретических представлений о механизме процесса пелетувания угля в водной фазе как методе его обогащения и обезвоживания;
– описании закономерностей протекания гидродинамических и физико-химических процессов контакта и взаимодействия агрегатообразующих компонентов при масляной агрегации угля, а также закономерностей формирования первичных и вторичных угольных структур, их конгломератов в турбулентном потоке жидкости;
– в создании структурных факторных моделей и получении статических характеристик процессов селективной агрегации угля маслами, что позволяет определить каналы управления этими процессами, качественные и количественные зависимости выходных параметров от входных;
– в получении математической модели процесса селективной агрегации угля маслами, которая дает возможность прогнозировать эффективность обогащения угля и углесодержащих продуктов;
4. Практическое значение работы заключается в следующем:
– усовершенствована технология обогащения тонкодисперсного угля масляной агрегацией;
– разработаны технологические схемы и найдены рациональные режимные параметры процессов селективной агрегации угля;
– выполнены полигонные испытания технологии.
5. Обзор исследований по теме в ДОННТУ
Процесс "СМАГ-ГТ"
На протяжении 1980-95 годов группой научных работников Донецкого государственного технического университета и Донецкого комплексного отделения института "Вниипигидротрубопровод" (в настоящее время Научно-производственное объединение "Гаймек"), а именно: В.Белецким, Т.Карлиной, А.Елишевичем, Ю.Светлым, Ю.Власовым и др. создан ряд перспективных технических решений по применению процесса СМА для потребностей магистральных гидротранспортных систем.
Как объект исследований ДонНТУ был принят энергетический и коксующийся уголь, а также шихта коксующегося угля Донбасса и Кузбасса крупностью 0-2; 0-6 мм, зольностью 8,5; 9%. Как связующее вещество при масляной агломерации использовался мазут М100 и М40.
Эксперименты по гидротранспорту проводились на стендах из трубопроводними система¬ми замкнутого типа (внутренний диаметр труб 202 и 104 мм). Масляная агломерация осуществлялась на созданной нами пилотной установке производительностью 5 т/час. Для обезвоживания агломерата использована центрифуга НОГШ-325 (аналог по числу Fr=2000), а также эжекторная стендовая установка механического срыва водной пленки.
Процесс "МГ-ТЕС"
Технология масляной агломерации энергетического угля особенно актуальна в условиях дефицита топлива, когда на ТЕС отгружают не только необогащенные отсевы, но и высокозольные шламы и хвосты флотации. Технико-экономическая целесообразность применения этого метода обогащения угля в условиях теплоэлектростанций предопределена:
– наличием в технологической схеме ТЭС измельчающего комплекса, что обеспечивает полное раскрытие органической массы топлива; вторичного тепла для нагревания пульпы и топочного мазута, который можно использовать в качестве масляного агента-связующего;
– значительным повышением теплоты сгорания обогащенного топлива (до 30 МДж/кг), снижением себестоимости производства электроэнергии;
– существенным повышением экологической чистоты топлива за счет обеззоливания и частичного обессеривания исходного угля.
Результаты выполненных исследований ДОННТУ процесса СМА были использованы при разработке технологической схемы пилотной установки, ее компоновке и аппаратурном оформленные в условиях Луганской ГРЕС (в 1985 г.).
В основу технологии "МГ-ТЕС" был положен "амальгамовый" механизм процесса. При этом учтено, что его последовательно протекающие этапы нуждаются в разных режимных параметрах и потому должны осуществляться в автономных аппаратах.
6. Обзор исследований по теме в Украине
Процесс "ОВЗУМС"
Метод "ОВЗУМС" (авторы П.Сергеев, В.Белецкий, А.Елишевич, В.Кочетов, А.Квасов, В.Гавриленко и др.)[3] представляет собой последующее развитие технологии селективной масляной агрегации и предназначен для обогащения высокозольных углесодержащих продуктов обогатительных фабрик - отходов флотации, шламовых вод, фугатов центрифуг, и т.п. Характерной особенностью процесса является интенсивное и кратковременное (1-3 мин.) перемешивание углесодержащей суспензии с углеводородным связующим при расходах последнего порядка 1-3 мас.%. В результате такой обработки пульпы возникают микрофлокулы крупностью 0,1-0,2 мм, а гидрофильные породные частицы остаются в водной фазе. Для выделения сфлокулированного концентрата используются осадительная центрифуга или флотационная машина. Как связующие при обогащении коксового угля использованы каменноугольные смолы. Наибольшую эффективность имеет масло для омасливания шихты (МОШ), впитывающее масло, антрацену фракции, полимер бензольного отделения коксохимпроизводства[3].
Исходный продукт (отходы флотации) подавали с помощью насоса, подключенного к хвостовому карману соседней флотомашины. Связующее (МОШ) подавали на всас насоса. Продукт перемешивания с турбулизатора самотеком переходил во вторую камеру флотомашины. Эта камера (камера разделения) была оборудована стандартным блок-импелером с уменьшенной вдвое частотой вращения.
7. Обзор исследований по теме в мире
Сферическая агломерация (процесс NRCC, Канада)
В 1960-1970-х годах Национальный Совет по научным исследованиям в Канаде (National Research Center of Canada), Оттава, разработал способ получения шаровидных углемасляных агломератов – NRCC-процесс (Кейпс, Фернанд, Сьюзерленд, Паддингтон и др.). Этот способ похож на процессы "Конвертоль" и "Олифлок", но в отличие от них обезвоженные агломераты поддавались окомкованию. Исходную суспензию густотой 200 г/л смешивали с низковязкой углеводородной жидкостью (дизельным топливом) сначала в высокоскоростной горизонтальной, а затем низкоскоростной вертикальной мешалке. Продукт перемешивания разделяли по плотности отстаиванием. Легкую фракцию обезвоживали на грохоте и окомковывали тяжелым мазутом в тарелчатом грануляторе. Обогащали и обезвоживали уголь зольностью 17-18% и крупностью меньше 0,074 (0,15) мм при содержании класса меньше 0,044 мм~90%. Общая длительность грануляции в обеих мешалках 17-18 мин. Разжижение суспензии и обезмасливание агломерата не проводилось. Продукт грануляции имел крупность 0,5-1 мм и зольность 5-8%. После окомкования крупность концентрата составляла 6-10 мм После термической сушки его влажность 5%. Исследования проводились на опытной установке производительностью 5 кг/час. Длительная эксплуатация показала такие преимущества NRCC-процесса:
– низкая зольность и влажность окатышей;
– улучшение коксовых свойств угля;
– хорошая транспортабельность материала.
Процесс "Могифлок" (Россия)
В конце 70-х - в начале 80-х годов институтом обогащения твердого топлива (Институт обогащения твердого топлива, ИОТТ, г. Люберцы) разработан способ селективной масляной агрегации угля "МОГИФЛОК" - гидрофобной флокуляции (М.Борц, В.Острый) [38]. Основное назначение способа - регенерация шламовых вод углеобогатительных фабрик. На Жилевской опытно-промышленной обогатительной фабрике была построена пилотная установка производительностью до 100 кг/час.
Она обеспечивала аккумуляцию шлама угля в бункере; измельчение угля в шаровой мельнице до крупности 95% класса -0,074 мм; приготовление в мешалке суспензий с содержанием твердого 100 г/л и добавлением рН-регулятора и связующего; агитацию водно-угле-масляной суспензии на протяжении 7-17 мин.; обезвоживание углемасляних агрегатов на виброгрохоте и фильтрующей центрифуге; очистку отходов агрегации от масел с возвращением технической воды в процесс.
Рисунок 1 - Первый вариант процесса Олифлок (количество
кадров - 7, количество повторений - 7, размер анимации - 85 кБ).
8. Выводы
Основными результатами магистерской работы является:
– в теоретической части работы описан механизм масляной агломерации угля. Акцентировано внимание на обогащении тонкодисперсного материала крупностью меньше 50 мкм.
– в экспериментальной части работы выполнен ряд исследований из масляной агрегации тонкодисперсного угля. В частности опыты по интенсификации процесса агрегации тонкого угля путем введения в пульпу центров агрегатообразования.
Литература
1. Белецкий В.С. Технологические основы раціонального использования масляной грануляции для обезвоживания и облагораживания гидравлически транспортируемых углей. – Автореф. диссерт. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук. Днепропетровск: - 1986. – 17 с.
2. Папушин Ю.Л. Масляная агломерация высокозольного антрацитового топлива. Автореф. диссерт. на соиск. учён. степ. канд. техн.. наук. Днепропетровск. – 1987. – 16 с.
3.Білецький В.С., Сергєєв П.В., Папушин Ю.Л. Теорія і практика селективної масляної агрегації вугілля. Донецьк, 1996.
4. Сергеев П.В. Разработка и внедрение технологии обогащения высокозольных угольных шламов методом масляной селекции. Автореф. диссерт. на стиск. учён. степ. канд. техн. наук. – Днепропетровск: - 1992. – 17 с.
5. Brown N.A., Rigbi G.R., Callcott T.G. Coking behavior of coal recovery from slurry pipelines using a selective agglomeration technique. – Fuel Process Technol. – 1980, 3, №2, p. 101-104.
6. Кейпс С.Е. Новое применение технологии масляной агломерации для обогащения угля, облагораживания низкокачественного топлива и решения экологических проблем // 11-й Международный конгресс по обогащению угля. Токио. 1990. С. 1-2.
7. Справочник по обогащению углей: под редакцией Благова И.С., Коткина А.М., Зарубина Л.С. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1984. – 614 с.
8. Провести исследование и разработать технические решения по технологии глубокого обогащения энергетических углей: Отчёт о НИР (заключит.) Донецк. Политехн. Институт. Руков. А.Т. Елишевич. - № ГР 01860028327, Донецк, 1989. – 69 с.
9. Бутовецкий В.С. Охрана природы при обогащении углей. М.: Недра, 1991. – 231 с.
10. Елишевич А.Т. Брикетирование со связующими. – М.: Недра, 1972, 216 с.