Актуальность. Идея. Цель. Задачи
Сущность проблемы соленых углей
Мировой опыт переработки соленых углей
Процессы и методы прямой переработки соленых углей
Отечественные исследования в области обессоливания углей
Экспериментальные исследования в области обессоливания угля
Технология ДонНТУ "промывка–агломерация"
Актуальность работы обусловлена важностью обеспечения топливно–энергетической базы страны на перспективу. Структура топливно–энергетического комплекса в нашей стране в основном ориентирована на ТЭС. В 2000 г. из 52,8 млн. кВт общей мощности электростанций в Украине 36,3 млн. кВт приходилось на тепловые электростанции. В то же время запасы отечественного угля представляют 95,4% от общего объема запасов органического топлива в Украине. Нефть и газ в значительной степени экспортируются. Поэтому поиск новых высокоэффективных и экологически более чистых технологий использования угля в качестве топлива на ТЕС является актуальной проблемой нынешнего времени.
Одним из перспективных направлений подготовки угля к сжиганию на ТЭС есть использование технологий обессоливания так называемого соленого угля, которое в общем балансе запасов угля в Украине составляет 10%. (рис.1)
Залежи соленого угля с повышенным содержанием NaCl i KCl сосредоточены в Западном и Северном Донбассе и частично разрабатываются. Вместе с тем, его сжигание связано с проблемами, во–первых, существенного увеличения износа котлоагрегатов ТЭС, во–вторых, экологической опасностью обусловленной возможностью возникновения при сжигании диоксинов и попадания их в окружающую среду. Это остро ставит вопрос обессоливания указанного угля перед использованием.
Идея работы — комплексный подход к проблеме обогащения угля по соли, который включает сочетание его с технологиями промывки во время гидравлической транспортировки, масляной агрегации угля, эффективного механического обезвоживания.
Цель работы — усовершенствование технологии обогащения угля по соли в процессе его магистральной гидравлической транспортировки.
Задачи исследования: 1. Изучение процесса обогащения угля по соли путем его промывки. 2. Исследование обессоливания угля промывкой в процессе гидравлической транспортировки. 3. Разработка рациональной последовательности операций технологии обессоливания угля, которая включает: промывку угля в процессе его гидротранспорта–масляную агрегацию угля–обезвоживание угля. 4. Разработка технических решений, направленных на интенсификацию масляной агрегации гидрофилизованного соленого угля и уменьшения расходов реагента.
Основные трудности, связанные с использованием месторождений щелочных углей заключаются в следующем. Во–первых, они обусловлены повышенной шлакующей способностью соленых углей. Оседая на рабочих поверхностях, а также на частицах летучей золы, галит существенно повышает их липкость, создавая тем самым условия для формирования первичного шлакового слоя. Дальнейшее налипание золовых компонентов приводит к образованию более толстого основного слоя шлаковых отложений. При реакции с диоксидом серы галит переходит в более прочный тенардит. Под воздействием температуры шлаковые отложения спекаются, что еще более повышает их прочность и практически исключает возможность их удаления обычными устройствами для очистки. В результате резко ухудшается теплообмен и увеличивается температура газов на выходе из топки, что снижает к.п.д. агрегата и, в конечном итоге, в результате интенсивного зашлакования полностью выводит его из строя [7].
Вторым негативным явлением, имеющим место при сжигании соленых углей, является интенсивная коррозия металла, которая увеличивается с повышением температуры и увеличением содержания в угле хлористого натрия [7]. Хлор при сжигании соленых углей выступает как активный ускоритель процесса коррозии. Причем, этот эффект наблюдается при содержании хлора в угле > 0,5 %.
Весьма необходимой, на наш взгляд, является экологическая оценка соленых углей как объекта термической переработки. Известно, что при сжигании соленого угля в атмосферу с водяным паром выделяется HCl, в среде углекислого газа — молекулярный хлор (Cl2). В процессе активизации соленого угля образуются угарный газ (СО), хлористый водород HCl, водород Н2, метан СН4, обладающие различной степенью токсичности [1, 2, 19]. Но особенно важно отметить большую вероятность образования при термообработке соленых углей диоксинов, токсическое действие которых очень велико [20]. Вещества диоксинового ряда обладают мутагенными свойствами, подавляют иммунные возможности организма, накапливаясь в организме, вызывают разнообразные болезни и даже обуславливают искривление спирали молекулы ДНК [20-23].
Исследования эффективных и экологически приемлемых методов переработки соленых углей ведутся в двух принципиально разных направлениях: первое предполагает разработку новых способов прямого использования соленых углей без удаления натрий– и хлорсодержащих примесей; второе предусматривает предварительное обессоливание с последующим использованием кондиционного продукта в топках (или других процессах). Остановимся на каждом из указанных направлений (рис.2), оценив при этом достигнутый уровень решений.
Первое направление включает сжигание соленых углей, газификацию, ожижение, полукоксование, а также комплексную их переработку с выделением гуматов.
В Германии и Англии апробировано сжигание предварительно разубоженого соленого угля [3, 6]. При этом в него добавляли глину. Такое решение является одним из наиболее простых, однако значительное уменьшение теплотворной способности угля, существенно снижает технико–экономические показатели процесса вплоть до его невыгодности.
Технические решения [9—11] предусматривают специальные добавки к соленым углям, которые нейтрализуют негативное воздействие щелочных солей при их сжигании. Такими добавками, как правило, служат силикаты щелочных металлов, кремниевые кислоты, кварц, оксид магния, верулит. Однако применение добавок ухудшает технологические показатели процесса сжигания. Для широкого использования в промышленности этот путь считается неэкономичным [1].
Ряд решений направлен на поиск и разработку новых рациональных технических средств и способов сжигания соленых углей. Так А. Лисснер предложил сжигать эти угли в специальных слоевых топках с обратной подачей дымового газа и введением в него водяного пара. Однако, этот метод приемлем только для котлов малой производительности [1, 4].
В Германии выполнены исследовательские работы по полукоксованию соленых углей. Установлено, что при переработке этим методом уголь месторождения Месебург–Восток около 50% оксида натрия и 60–80% хлора переходит в полукокс.
В США, Украине и ФРГ выполнены опыты по ожижению соленых углей [5, 12, 13]. Никаких существенных технологических осложнений на лабораторном этапе исследований не выявлено. В целом, полученные результаты оценены исследователями как положительные, а переработка соленых углей гидрогенизацией признана перспективным направлением.
В США замечено, что при хранении соленого угля на открытом воздухе под влиянием природных факторов происходит его естественная отмывка от соли [17]. Этот факт заслуживает внимания, однако при всей простоте такого приема он имеет ряд недостатков: во–первых, сезонный характер; во–вторых, результаты обессоливания сильно зависят от количества выпавших осадков и трудно прогнозируемы. Главными же недостатками являются, с одной стороны, деградация угля при длительном хранении, ухудшение его технологических свойств вследствие окисления и, с другой, — непременное активное засаливание почв в районе складирования соленого угля.
Второе направление, предусматривающее предварительное обогащение угля по соли (обессоливание), проработано в ряде исследовательских центров. Причем наибольшая часть предложенных решений основана на различных вариантах водной промывки соленого угля. Это, в частности, технологии Государственного института минеральных ресурсов Украины (ГИМР), НВО "Хаймек", Донецкого национального технического университета (ДонНТУ).
Таким образом, проведенный обзор показывает, что проблема переработки соленых углей активно изучается учеными ряда стран и определенные успехи достигнуты как в области прямого их использования, так и в обогащении по соли.
1. Технологии газификации соленого угля
Днепропетровским химико–технологическим институтом (ДХТИ) выполнены исследования пригодности соленых углей Новомосковского месторождения для получения облагороженного топлива методом газификации. При этом в качестве базисного использован метод газификации углей в кипящем слое под давлением.
Апробация технологии, проведенная на соленых углях Новомосковского и Старобельского месторождений Донбасса, показала пригодность этих углей для газификации в кипящем слое [14, 15]. Одновременно зафиксирована значительная коррозия сталей различных марок, вызванная агрессивным воздействием водяного пара, обогащенного сернистыми и щелочными компонентами, а также соединениями хлора. Это обстоятельство является существенным припятствием, сдерживающим промышленное внедрение данной технологии.
2. Технология сжигания соленого угля
Технология направлена на снижение содержания хлорсодержащих газов в продуктах сгорания соленых углей до величины, получаемой на незасоленных углях и соответствующее уменьшение коррозии поверхностей нагрева котлов [8].
Проверка предложенного метода сжигания соленых углей предварительно осуществлена на опытно–промышленной установке производительностью 12 тонн в сутки по углю. Установка создана на экспериментальной базе Института угольных энерготехнологий НАН Украины.
Эксперименты на опытной установке, производительностью 100 кг/ч показали эффективность такого процесса. Опыт переработки соленого угля Новомосковского месторождения на укрупненной лабораторной установке дал положительные результаты.
3. Технология комплексной переработки соленых углей
В Институте физико–органической химии и углехимии НАН Украины (ИНФОУ НАНУ) проведены исследования по щелочному гидролизу соленых углей [16]. На основе лабораторных исследований предложена схема комплексной переработки и использования соленых углей Донбасса. Техническое решение включает три стадии переработки. Первая — извлечение солей гуминовых кислот. Вторая — карбонизация энтгуминированного угля. Третья стадия — газификация карбонизата энтгуминированного угля диоксидом углерода с целью получения восстановительных газов. Режим газификации — 900–1100° С. Испытания технологии показали ее перспективность.
Приведенные направления исследований являются перспективными, их развитие может привести к созданию новых высокоэффективных промышленных технологий переработки соленого угля.
1.Технология ГИМР обессоливания угля водной промывкой
Глубокие комплексные исследования обессоливания и облагораживания соленого угля Донбасса были проведены в Украине Государственным институтом минеральных ресурсов. Разработана технология обессоливания угля путем водной промывки, которая предполагает использование для обессоливания оборудования, серийно выпускаемого промышленностью для обогатительных фабрик [25].
2. Технология НПО «Хаймек» «обессоливание–гидротранспорт»
Данная технология предполагает совмещение процессов гидротранспорта и обессоливания. Недостатками технологии являются, во–первых, выявленный эффект вторичной концентрации солей в угле после 50 км его гидротранспортирования [24], и, во–вторых, интенсивное измельчение соленого угля в процессе гидротранспорта обуславливающее повышение содержания класса –0,074 мм до 35—40% [18]. (рис.3)
Экспериментальные исследования являются развитием произведенных ранее исследований процесса обессоливания обмасленного угля путем планирования эксперимента. Объектом исследования служил уголь пласта С12 Новомосковского месторождения Западного Донбасса. Содержание Nа2О в этом угле составило 0,9 %, зольность — 20 %. Уголь перед обессоливанием изначально обмасливался по предложенной технологии.
Факторами варьирования были выбраны: продолжительность промывки, режим турбулизации водоугольной смеси (частота вращения импеллера мешалки), плотность пульпы (Т:Ж) и расход связующего для обмасливания угля. Как обмасливатель использован композиционный реагент на основе топочного мазута марки М 100 и флотореагента ААР–1.
В результате обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, паретто–карта коэффициентов модели, на основании которых построены трехмерные пересечения гиперповерхности и контурные кривые этих поверхностей.
Из эксперимента видно, что при увеличении продолжительности агитации гидросмеси и интенсивности перемешивания наблюдается уменьшение остаточной концентрации Na2O в угле. Зависимость этой концентрации от факторов: плотность пульпы и расход масляного агента–связующего прямая — с увеличением этих параметров увеличивается и остаточная концентрация Na2O в угле.
Полученная модель может быть использована при разработке промышленных технологий облагораживания соленых углей Западного и Северо–Восточного Донбасса.
Донецким национальным техническим университетом на базе вышеуказанных технологий разработана усовершенствованная технология обессоливания угля, устраняющая их недостатки [25]. Основная идея данного способа состоит в сочетании процессов "водная промывка–масляная агломерация". (рис.4)
Технологическая схема включает двухстадиальное дробление исходного угля с предварительным грохочением на каждой стадии. Ключевым отличием является дробная подача реагента в процесс. Сначала на второй стадии дробления, в питание молотковой дробилки в количестве 0,3–0,5% на сухую массу угля. Измельченный уголь промывается в контактных чанах. При обессоливании уголь агломерируется с добавкой реагента 5–7%. При гидротранспортировании соленого угля вторая порция реагента подается в углепровод в 50 км от головного терминала магистральной гидротранспортной системы и процесс обессоливания и агломерации производится непосредственно в углепроводе, что существенно упрощает весь технологический комплекс. Угольный агломерат после обезвоживания фильтрованием подвергается эжектированию, которое снижает его влажность до 8–12 % и обеспечивает максимальное обессоливание.
Полигонные испытания новой технологии, проведенные на соленых углях марки "Г" Новомосковского месторождения Западного Донбасса ДонНТУ и НПО "Хаймек", показали ее эффективность. За счет применения органического реаганта–связующего, существенно упрощается технологическая схема обезвоживания угля и уменьшается количество оборудования.
Проведенные теоретические исследования позволили установить основные закономерности и специфические особенности процесса обессоливания угля по различным технологиям. Разработанные ДонНТУ элементы теории процесса обессоливания угля в водной среде сводятся к следующему:
1. Предложенные феноменологические модели процесса обессоливания угля промывкой позволили идентифицировать все элементарные процессы, установить их последовательность и взаимосвязь.
2. Анализ элементарного акта контакта “уголь–вода” показал, что наибольшая гидратация соленого угля возможна на внешней поверхности и в макропорах угольной фазы.
3. Разработана принципиальная схема массообменных процессов, имеющих место при обессоливании углей, которая включает тепломассообменные, сорбционные процессы и экстрагирование.
4. Анализ массообменных процессов при обессоливании угля позволил установить, что структура граничного слоя растворения включает зоны:
– поверхностной (химической) гидратации;
– объемной (физической) гидратации;
– зону локально-насыщенного раствора.
Установлено, что кинетику процесса солеудаления в целом определяет скорость выведения солей из зоны.
5. Эффективное экстрагирование солей возможно только из макропор и трещин угольного вещества. Для вовлечения в процесс растворения солевых компонентов, содержащихся в мезо– и микропорах необходимо раскрытие внутренней поверхности угля.
6. Дана теоретическая интерпретация обнаруженному явлению вторичного соленакопления в угольной фазе в совмещенном процессе “промывка–гидротранспорт”. Основной причиной этого явления является нарушение сорбционного равновесия в системе “уголь–солевой раствор”, вызванное дезинтеграцией угольной фазы.
7. Дано теоретическое обоснование совмещенной технологии “обессоливание угля промывкой–масляная агломерация “. В частности:
– обоснована двухстадиальная подача связующего в процесс обессоливания;
– сформулированы принципы и дана формула для определения рационального расхода связующего реагента на первой стадии его подачи;
– установлено, что контакты в межфазной зоне “соленый уголь–связующее” для углемасляных агломератов обусловлены наряду с простой физической адсорбцией проявлением сил химической природы.
8. Дано теоретическое обоснование существенного повышения эффективности обезвоживания углемасляного агломерата путем механического срыва водной пленки (эжектированием). Результаты теоретических исследований послужили основой новых технологических решений.
При написании данного реферата магистерская работа еще не закончена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.