Источник: http://www.masters.donntu.ru/2006/fema/krahmalnaya/library/a01.htm
Исследование и разработка технических решений по облагораживанию слабометаморфизованных “соленых” углей (с содержанием Nа2О более 0, 5% на сухой уголь), общее количество которых достигает 7–10 % от всех разведанных мировых запасов, являются весьма важной проблемой. Одно из перспективных направлений, разрабатываемых в Украине и за рубежом, – обессоливание этих углей путем их промывки [1–3].
Среди вопросов, требующих решения на данном пути изысканий, одна из наиболее актуальных – проблема вторичного соленакопления, которая обусловлена эффектом увеличения количества солей в угле уже после их промывки. Впервые явление вторичного соленакопления обнаружено при исследовании совмещенного процесса гидротранспорт–обессоливание (Ю. Г. Свитлый, Ю. Г. Власов и др. [4, 5]). Оно проявилось в увеличении концентрации солей в угле после определенного пути транспортирования. На основе обширного первичного экспериментального материала [4, 5] нами построен ряд кривых, дающих представление о кинетике явлений в совмещенном процессе гидротранспорт–обессоливание. Данные получены при использовании в качестве исходного соленого угля марки “Д” Новомосковского месторождения (Аd = 12%, содержание Nа2О в угле 0, 41%, в золе – 3, 43%, крупность угля 0-3 мм). В качестве несущей среды использовалась водопроводная вода (минерализация 0, 17 г/л) и воды шахтного притока разной степени минерализации (до 9, 91 г/л). Гидротранспорт осуществлялся на пилотной установке с системой кольцевых трубопроводов диаметром 149; 202 и 296 мм, соединенных общим коллектором с помощью запорной арматуры.
Анализ изменений характеристик соленого угля и несущей среды в процессе гидротранспорта показывает уменьшение содержания Nа2О в угле до 50 км пути, а затем его повышение. При 200 км пути содержание оксида натрия в угле приближается к начальному. Почти полностью корреспондируется с этими данными изменение концентрации ионов Na+ в водной среде, которое в начале гидротранспортирования (при интенсивном обессоливании) резко возрастает, а затем снижается. Изменение концентрации ионов Сl– также имеет несколько характерных участков. Во-первых, это ярко выраженный максимум в области 25 км, который сменяется относительной стабилизацией уровня ионов Сl–на участке 50–150 км. Таким образом, наглядно прослеживается явление вторичного соленакопления в угольном веществе, особенно после 50 км гидротранспортирования. Причем, по данным [4], уменьшение содержания NaCl в несущей среде (и соответственно активность вторичного соленакопления в угольном веществе) тем выше, чем выше минерализация начального раствора.
Нами выполнено исследование изменений характеристик транспортной воды в условиях, имитирующих совмещенный процесс обессоливание–гидротранспорт. Для этого по методике [7] смоделирован процесс гидротранспорта в режиме: Т: Ж=1: 1; скорость транспортирования 1, 2 м/с. В качестве исходного принят соленый уголь Новомосковского месторождения пласта С12 крупностью 0 – 3 мм, содержанием Nа2О в угле 0, 9% и зольностью 10, 9%. Дальность гидротранспортирования составляла 50–52 км. В качестве несущей среды использована водопроводная вода с разной степенью минерализации (от 0, 2 до 1‚ 5 г/л). Для оценки влияния предварительного омасливания угля на процесс обессоливания исследовался омасленный и неомасленный уголь. При этом масляным агентом служила смесь флотореагента ААР и топочного мазута марки М100. Через каждые 4 км пути транспортирования контролировался показатель рNa гидросмеси (иономер И-115М). Результаты исследований, представленные на рис. 2, так же, как и выполненных ранее исследований [4, 5], фиксируют наличие явления вторичного соленакопления, которое для этих частных условий наблюдается на участке после 30 км (минимум кривой рNa (L)). Эффект, по-видимому, мог быть еще заметнее при более высокой исходной минерализации водной cреды [5]. Для омасленного угля этот эффект заметно меньше‚ чем для неомасленного‚ что‚ очевидно‚ поясняется его сравнительно меньшей диспергацией в процессе гидротранспортирования.
Таким образом, и лабораторные исследования, и пилотные испытания совмещенного процесса обессоливание – гидротранспорт угля показывают наличие явления вторичного соленакопления. Так как оно негативно отражается на конечных результатах обессоливания угля, возникает необходимость его теоретической интерпретации и поиска путей устранения.
До сих пор явление вторичного соленакопления в теоретическом аспекте не рассматривалось. Только Л. Я. Афанасенко предполагала возможность кристаллизации солей из раствора в порах угольного вещества [6]. Однако граничные условия кристаллизации (265 г/л) при обессоливании в водной среде, в частности при совмещенном процессе обессоливание–гидротранспорт, не достигаются (в опытах [5] предельная минерализация водной среды 10-12 г/л).
По нашему мнению, вторичное соленакопление обусловлено нарушением баланса сорбционных процессов в межфазной зоне уголь–вода. При обессоливании в результате воздействия воды на твердую фазу сначала протекает экстрагирование водо-растворимых солей. При этом, очевидно, процесс имеет объемный характер, т. е. солеудаление происходит как из внутренней, так и из внешней поверхности угольной массы. Растворение сопровождается накоплением ионов Na+, Сl– и др. в водной фазе. Поскольку угольная поверхность обладает повышенным сорбционным потенциалом, возрастающим за счет пористости угля, одновременно протекают два процесса – сорбции и десорбции при преобладании, вначале, второго. В определенный момент времени достигается динамическое равновесие между этими процессами при остаточной концентрации солей в угле значительно ниже начальной.
Одновременно процесс обессоливания сопровождается активной дезинтеграцией угольного вещества с образованием вновь раскрытой поверхности. Особенно интенсивно процесс измельчения протекает в начальной стадии гидротранспортирования [8, 9]. Способствует дезинтеграции и низкая степень метаморфизма, которая характерна для соленых углей. На участке 50 км пути транспортирования выход ультратонких классов крупности –0, 074 мм увеличивается с 26% (исходный уголь) до 34% [5]. Начальный этап гидротранспортирования соответствует наиболее сильному увеличению внешней удельной поверхности угля. В свою очередь, явление измельчения угля приводит к резкому усилению сорбционного потенциала угольной поверхности [10]
Активная сорбция ионов солей на свежей угольной поверхности сопровождается сдвигом сорбционного равновесия в сторону увеличения суммарной концентрации солей в угле. Это соответствует известному в теории равновесия химических процессов принципу Ле-Шателье, согласно которому при нарушении равновесия в равновесной системе последнее смещается в сторону процесса, компенсирующего возникающие изменения.
Следовательно, выполненный нами анализ, показывает, что явление вторичного соленакопления обусловлено в первую очередь дезинтеграцией угольного вещества в процессе его обессоливания. Это обусловливает невозможность в ряде случаев (например, при дальнем гидротранспортировании соленого угля) избежать негативных последствий явления вторичного соленакопления без изменения параметров системы. Естественным и простейшим мероприятием, устраняющим его, может быть замена (полная или частичная) несущей среды на менее минерализованную. Это сдвинет ионообменный процесс в сторону десорбции ионов Na+, Сl– и др. Однако такое решение связано с необходимостью использования дополнительных водных ресурсов, которые ограничены и дефицитны. Другим техническим решением может быть агрегатирование (агломерация, грануляция) соленого угля после солеудаления, что приостановит его измельчение и, следовательно, устранит явление вторичного соленакопления.