Способ защиты бурого угля при открытом хранении от самовозгорания и пыления при воздействии атмосферных явлений
METHOD OF PROTECTING BROWN COAL IN OPEN STORAGE AGAINST SPONTANEOUS IGNITION AND DUSTING WHEN EXPOSED TO ATMOSPHERIC EFFECTS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения эндогенных пожаров и пылеподавления, а также для улучшения экологической обстановки на открытых угольных складах, формирующихся как в черте угольных разрезов, так и в местах хранения и перегрузки бурого угля, вынос пыли с которых оказывает существенную аэротехногенную нагрузку на прилегающие территории и персонал, обслуживающий подобные объекты.
Химическая активность бурого угля, хранимого на складах, значительно выше, чем у пород отвалов, поэтому процесс самовозгорания протекает быстро. Инкубационный период склонного к самовозгоранию бурого угля, как правило, не превышает 1,5-2 месяца, а сроки хранения на угольных складах нередко достигают четырех и более месяцев, особенно в период отсутствия навигации.
На сегодняшний момент для многих предприятий, на которых осуществляется хранение углей, в частности крупные ТЭЦ, встает актуальность решения проблемы окисления и самовозгорания бурого угля в процессе хранения. Как правило, резервный срок хранения угля от трех месяцев до полугода, так как на поверхности он окисляется, и его качественные свойства, такие как калорийность, снижаются. Падает теплота сгорания, в результате увеличивается удельный расход топлива, его приходится закупать, возрастают расходы и удельное количество отходов - а это дополнительный вред экологии. Данная проблема решается разработкой и внедрением технических решений по применению растворов для обработки углей на предприятиях угольной генерации и при транспортировке углей для снижения окисляемости и для пылеподавления.
Из уровня техники известен «Способ пылеподавления» по Авторскому свидетельству №271467 от 26.05.1970г., МПК E21F 5/08, заключающийся в применении пылеподавляющей жидкости, состоящей из этиленгликоля, бутилового спирта и 0,5%-ного раствора карбоксиметилцеллюлозы.
Недостаток известного способа заключается в привнесении в товарный продукт дополнительных органических соединений, увеличивающих количество вредных выбросов в атмосферу при последующем использовании на ТЭЦ.
Известен «Способ пылеподавления на открытых угольных складах» по патенту на изобретение RU №2532939 от 20.11.2014г, МПК E21F 5/02, заключающийся в нанесении на пылящие поверхности открытых угольных складов смеси, полученной соединением карбида кальция и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в соотношении 3:1 и растворенной в воде до концентрации в водном растворе, равной 5%
Недостатком данного способа является дополнительное попадание в атмосферу продуктов сгорания, привнесенных составом, которым производится обработка угля против пылеподавления. Уголь, обработанный составом, частично утрачивает свои целевые потребительские качества, а именно может быть снижена возгораемость и теплотворная способность.
Известен «Антипирогенный реагент для хранения и транспортировки угля» по патенту на изобретение RU №2666612 от 29.04.2016, МПК C09K 3/22, E21F 5/18, C10L 5/24, содержащий хлорпарафин ХП-470 - 20,0-30,0 мас. %, пылеподавитель калийных солей в виде смеси моно-, ди-, три-, тетра-, пентагликолей и моноэтиловых эфиров три- и тетраэтиленгликолей - остальное до 100%. Реагент обеспечивает понижение пожароопасности (понижение химической активности), увеличение кратности использования (уменьшение смываемости - уменьшение периодов обработки между загрузками сырья), понижение температуры замерзания
Недостатком известного технического решения является необходимость приобретения и доставки компонентов для приготовления растворов, а также внесение в товарный продукт элементов и веществ, являющихся тяжелыми (с большой молекулярной массой соединениями), которые при сгорании увеличат количество выбросов в атмосферу, дополнят состав выбросов продуктами горения, способствующими загрязнению атмосферы. Хлорпарафины, моно-, ди-, три-, тетра-, пентагликоли и моноэтиловые эфиры три- и тетраэтиленгликоли - являются сложными органическими веществами. Температура горения углей не сможет обеспечить полное сгорание таких веществ, что гарантированно обеспечит увеличение вредных выбросов в атмосферу и загрязнение окружающей среды.
Известны «Химические добавки для снижения скорости окисления на воздухе и спонтанного возгорания угля» по патенту US 8465667B2 от 18.06.2013, МПК C09K 3/22. Патент раскрывает способ ингибирования самовозгорания массы низкосортного угля, включающий обработку угля составом, содержащим сырой глицерин и сополимер этилена и винилацетата или поливинилацетат в соотношении от 90: 10 до 10:90.   Данный состав препятствует испарению влаги/воды с низкосортного угля. Это в свою очередь препятствует образованию в штабелях пустот, которые являются основным фактором, ведущим к спонтанному возгоранию угля. Состав способен задержать окисление карбонильной группы СО минимум на 60 дней.
Недостаток описанного технического решения заключается в сложности приготовления состава. Для реализации способа необходимо дополнительное аппаратурное оснащение, обеспечивающее четкое соблюдение технологии получения применяемого для обработки угля состава и его сохранность. При этом полимеры, входящие в состав для обработки угля, способствуют снижению его потребительских свойств как товарного продукта, так как не обеспечивают полноту сгорания и добавляют вредные для окружающей среды и человека компоненты в состав атмосферных выбросов.
Известен «Способ предупреждения спонтанного возгорания низкосортных сортов угля» по заявке на изобретение US 2015033619A1, от 05.02.2015, МПК C10L 5/04, C10L 10/02, включающий приготовление углеводородной эмульсии, выбранной из группы, состоящей из водонефтяной субстанции, топливной нефти, битума, каменноугольного дегтя, разбавление указанной эмульсии водой и обработка угля путем распыления разбавленной эмульсии. Обработка обычно выполняется с помощью насоса и распылительных коллекторов по обе стороны от потока угля. Дополнительно возможно использование гидроизолирующих агентов, в качестве которых используют силикон и моносилан в форме эмульсии и применяют в виде пены. Разбавленная углеводородная эмульсия применяется в отношении свежедобытого и непросушенного угля для обеспечения водонепроницаемости с целью предотвращения влагопоглощения при воздействии осадков в ходе транспортировки и последующего хранения. Когда уголь начинает высыхать его обрабатывают силиконовой эмульсией или моносиланом. Обработанный уголь хранится насыпью (несортированные кучи).
Недостатком известного способа является необходимость обеспечить наличие ограниченно растворимых веществ в составе эмульсии, а также необходимость дополнительной обработки силиконом. Добавление в уголь органических веществ, таких как силикон, ухудшает его качественные и энергетические характеристики и при последующем использовании в качестве топлива приводит к увеличению вредных примесей, выбрасываемых в атмосферу, тем самым ухудшая экологическую обстановку.
Известен также «Способ защиты пылевидного буроугольного полукокса при транспортировании от распыления и самовозгорания и воздействия атмосферных осадков» по Авторскому свидетельству №403319 от 25.051974 г., МПК C10L 9/02, выбранный в качестве прототипа, включающий образование защитной пленки на поверхности угля путем нанесения раствора-суспензии, состоящего из 30-35% аммонизированного бурого угля, 50-65% окисленного таллового пека и 15-20% нефтяного мазута.
Недостатком известного решения заключается в сложности приготовления раствора-суспензии для нанесения на поверхность угля, так как необходимо обеспечить проведение химических процессов (превращений) перед использованием компонентов в составе суспензии для обработки углей. Бурый уголь для аммонизации необходимо обработать 3-5%-ным раствором NH4OH. Неомыленный талловый пек окислить в аммиачной среде хромпиком. Кроме того, при реализации известного способа в уголь искусственно вносятся вещества, потенциально влияющие на ухудшение его потребительских свойств в качестве товарного продукта и требующие дополнительных затрат на очистку образуемых сточных (ливневых) вод при воздействии атмосферных осадков также способствующие ухудшению экологической обстановки.
Первой проблемной позицией известных технических решений является недолговечность нанесенного покрытия, сложность его приготовления в условиях угольных складов, необходимость приобретения и доставки компонентов смесей в труднодоступные места, где собственно и находятся угольные разрезы, порты отгрузки и склады хранения угля (Сахалин, Дальний Восток).
Второй проблемной позицией является искусственное внесение в отгружаемый продукт химических веществ, влияющих на ухудшение экологической обстановки, требующих организации дополнительной очистки образуемых сточных (ливневых) вод, которые собираются со штабелей угля в процессе их длительного хранения при наличии атмосферных осадков.
Третьей проблемной позицией является вероятность попадания вместе с углем нанесенных химических составов в печи сжигания с последующим выбросом в атмосферу продуктов горения, насыщенных элементами, привнесенными составами, использованными для обработки угля, а также ухудшение теплотворных свойств продукта при его использовании в отопительных целях.
Задачей изобретения является разработка простого, эффективного и экологичного способа защиты бурого угля при открытом хранении от самовозгорания и пыления при воздействии атмосферных явлений, лишенного указанных недостатков. Способ позволяет предотвратить ухудшение качественных характеристик и потребительских свойств (в частности, калорийности) бурого угля как товарного продукта, снизить его потери при длительном хранении, а также улучшить экологическую обстановку в местах складирования.
Технический результат от использования изобретения проявляется в снижении химической активности бурого угля за счет быстрого образования окисленного слоя, препятствующего проникновению кислорода к активным центрам и в укрупнении частиц бурого угля за счет их склеивания между собой. Дополнительный технический результат заключается в минимизации объема отходов ливневых очистных сооружений, требующих утилизации, за счет превращения их в полезный продукт, направляемый обратно в производство.
Технический результат достигается тем, что в способе защиты бурого угля при открытом хранении от самовозгорания и пыления при воздействии атмосферных явлений, на поверхность угля наносят антипирогенный состав, содержащий водную суспензию угольной пыли фракции 0 мм, разбавленную водным раствором ПАВ таким образом, что количество осадка по отношению к количеству воды составляет не более 5%, а концентрация  ПАВ в готовом составе составляет  не более 0,5%, причем в качестве угольной пыли фракции 0 мм используют отходы ливневых стоков очистных сооружений.
Способ осуществляют следующим образом:
При закладке штабелей длительного хранения в период отсутствия навигации (с декабря по март включительно) для защиты бурого угля от самовозгорания и пыления проводится обработка каждого слоя штабеля угля антипирогенным составом, содержащим мелкую фракцию угольной пыли 0 мм, в которой находятся гуминовые вещества в повышенной концентрации. Мелкая фракция угольной пыли образуется в результате сбора ливневого стока с поверхности складируемого угля (штабелей) и очистки ливневого стока на очистных сооружениях предприятия. Для усиления эффекта смачивания и снижения эффекта осаждения в рабочий раствор добавляются поверхностно-активные вещества (ПАВ) в концентрации не более 0,5% водного раствора.
Перемешивание выделенной на очистных сооружениях угольной пыли фракции 0мм и водного раствора ПАВ осуществляется стандартными смесителями, выбор которых обуславливается необходимым объемом смеси.
Растворение предложенной смеси в воде осуществляется в течение от 1 до 2 часов при температуре воды от +5°С. Орошение полученным раствором пылящих поверхностей угля (поверхности угля) рационально производить стандартными сельскохозяйственными оросительными машинами, диаметр распыляющих форсунок которых должен быть не менее 1 см.
Приготовление раствора осуществляется следующим образом: угольная пыль, образовавшаяся на очистных сооружениях сточных вод, в виде суспензии с концентрацией твердой фазы 15-25%, направляется в емкость для приготовления рабочего раствора. Туда же поступает техническая вода и ПАВ по расчету оператора установки очистки сточных вод. Дозирование ПАВ ведется персоналом путем опорожнения мерных упаковочных емкостей, в которых ПАВ поступил в производство. ПАВ, как правило, поступает в производство в концентрации 25-37%. Расчетным путем вычисляется степень разбавления. Количество осадка по отношению к количеству воды должно составлять не более 5%. Концентрация ПАВ в готовом растворе не более 0,5%.
Раздробленные куски угля, поступая на хранение имеют открытые поверхности, образовавшиеся в результате дробления и истирания кусков друг о друга. На искусственно созданных поверхностях активные центры начинают взаимодействовать с кислородом воздуха, что приводит к повышению температуры и, как следствие, к спонтанному самовозгоранию угля. Подготовленная суспензия закрывает «оголенные» центры, чем прекращает доступ кислорода.
Послойная обработка угля раствором производится при помощи распыляющих машин. При орошении поверхности угля антипирогенным составом, включающим угольную пыль фракции 0 мм происходит закрепление верхнего слоя угля за счет активации процессов солюбилизации неорганических соединений с образованием водорастворимых комплексов гуминовых веществ с образование фульвовых кислот. Фракция ноль, по факту являющаяся экстрактом гуминовых кислот и содержащихся в них фульвовых кислот, извлеченных из бурых углей в процессе очистки сточных вод призвана склеить мелкодисперсную (пылевидную фракцию) бурого угля на обрабатываемой поверхности, например, на поверхности угольного штабеля. Образовавшийся корковый слой позволяет предохранять уголь от воздействия водной и ветровой эрозии.
Связующим (скрепляющим) веществом в данном процессе выступают гуминовые вещества. ПАВ вводится в раствор для более полноценного удержания частиц во взвешенной состоянии и обеспечения технологичности нанесения состава.
Нерегулярная структура формулы гуминового вещества, представленная на фиг. 1 позволяет провоцировать образование конгломератов больших размеров за счет свободных радикалов. Другими словами, гуминовые вещества способны укрупнять конгломераты молекул на поверхности угля, что в свою очередь приводит к блокированию активных центров окисления путем закрытия доступа кислорода воздуха через образовавшуюся на поверхности угля корку. Прекращение доступа кислорода снижает химическую активность угля, приводящую к самонагреванию и, в дальнейшем, к самовозгоранию угля и, тем самым, предотвращает возникновение эндогенных пожаров, что в свою очередь снижает потери товарного продукта при хранении и улучшает экологическую обстановку в районе складирования. Такое укрупнение легко ликвидируется при механическом воздействии, например, при перегрузочных операциях, однако сохраняется на период статичного состояния (пока уголь находится на хранении).
При этом нет необходимости в приобретении и транспортировке каких-либо компонентов, что в свою очередь приводит к снижению экономических затрат. Все компоненты (участники процесса) образуются естественным образом и могут позиционироваться как отход производства, превращенный в полезный продукт и возвращенный обратно  в производство, что в свою очередь позволяет исключить из технологической цепочки процесс утилизации отходов и минимизировать потери товарного продукта при открытом хранении, а также полностью использовать индивидуальные химические свойства накопленных гуминовых веществ для формирования на поверхности угольных штабелей защитного коркового слоя.
Еще одним преимуществом предлагаемого технического решения является возможность исключения внесения в угольную фракцию инородных веществ и элементов, снижающих показатели качества угольной фракции и способствующих выделению в атмосферу веществ и элементов, вредных для здоровья человека при сжигании угля у потребителя.
При реализации предложенного технического решения авторами было установлено, что длительность инкубационного периода самовозгорания бурого угля, обработанного антипирогенным составом, возросла в целом в 2 раза по сравнению с длительностью инкубационного периода самовозгорания необработанного угля. Это позволяет (при необходимости, например, в период отсутствия навигации) увеличить срок хранения бурого угля на открытых складах без существенных потерь товарного продукта и без ухудшения его качественных и потребительских свойств, а также приводит к существенному улучшению экологической обстановки в районах складирования.