Использование отходов флотации угля в качестве нетрадиционного топлива

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 662.749:519.85

Свечникова Н. Ю., Игуменшева Е. А., Коновницына Н. С., Кухаренко О.Г., Куклина О.В, Хасанзянова А.И.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ФЛОТАЦИИ УГЛЯ В КАЧЕСТВЕ НЕТРАДИЦИОННОГО ТОПЛИВА

Аннотация. Изучены отходы флотации ООО «МММК-Уголь» с целью возможности их использования в установках для сжигания высокозольных углей. На основе технического анализа и теплотехнических расчетов обоснована возможность использования отходов флотации в смеси с рядовым углем в качестве сырья в топках низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Использование отходов в качестве топлива в топке НТКС в чистом виде нецелесообразно из-за высокой влажности и зольности. Поэтому были составлены смеси различных составов. Анализы показали, что оптимальной по низшей теплоте сгорания рабочего топлива и расходу сжигаемой смеси является смесь состава: 10% отходов и 90%рядового угля марки «Г». Использование данной смеси в топке НТКС позволит осуществить сушку угольного концентрата с производительностью 164 т/ч, снизить эксплуатационные затраты на содержание отстойников, а также сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов и при эффективной системе очистки дымовых выбросов обеспечить снижение загрязнений окружающей среды.

Ключевые слова: уголь, отходы флотации, топка низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), теплота сгорания.

2017 год в России объявлен годом экологии, основной задачей которого является обеспечение экологической безопасности и сохранение уникальной природы России, внедрение наилучших доступных природоохранных технологий, улучшение экологических показателей регионов, а также совершенствование системы управления отходами [1, - 5].

Анализ исследований показал, что одним из основных направлений использования отходов добычи и обогащения каменного угля является сжигание в установках для высокозольных отходов [6, - 8]. К такому топливу предъявляют определенные требования: допустимая влажность не должна превышать 20-40 %, зольность сжигаемых углей может находиться в пределах от 15 до 80 %, выход летучих веществ - в пределах 15-18 %, гранулометрический состав частиц топлива не должен превышать 20 мм.

В работе были изучены отходы флотационного отделения ООО «ММК-Уголь». Технический анализ показал, что отходы представляют собой сфлокулиро-ванные гранулы крупностью менее 13 мм, влажностью 19,7-28,0%, зольностью 65-70% с выходом летучих 16,6 % [9, - 14], что соответствует условиям применения нетрадиционного топлива в топках низкотемпературного кипящего слоя (НТКС).

Содержание минеральных компонентов в отходах представлено в табл. 1.

Теплотехнический расчет горения отходов при начальной влажности 19,8% и конечной 8% показал, что их расход для получения тепла в предлагаемой топке очень велик (табл. 2), использование их в чистом виде нецелесообразно. Это связано с высокой зольностью отходов - до 70% и влажностью - до 28%.

© Свечникова Н. Ю., Игуменшева Е. А., Коновницына Н. С., Кухаренко О.Г., Куклина О.В, Хасанзянова А.И., 2017

Поэтому с целью использования их в качестве нетрадиционного топлива в НТКС для получения тепла, направляемого на сушку флотационного концентрата, изучены теплотехнические свойства смесей отходов флотации угля с рядовым углем марки «Г». Были составлены следующие смеси: 90% отходы + 10% уголь «Г»; 50% отходы + 50% уголь «Г»; 30% отходы + 70% уголь «Г»; 10% отходы + 90% уголь «Г»; 100% уголь «Г».

Термоаналитическое исследование провели на синхронном термическом анализаторе STA 449 NETZSCH в динамическом режиме со скоростью нагрева 10 град/мин в потоке воздуха 30 см3/мин в интервале температур 30-1000 °С. Преимуществом данного метода является высокая чувствительность. Определили: низшую теплоту сгорания углесодержащих материалов, изменение массы при прокаливании (ИМПП), изменение и скорость изменения массы образца (кривая ТГ и ДТГ), тепловой эффект процесса (кривая ДСК), температуры начала, конца и максимального развития термических эффектов. В табл. 3 представлены низшие теплоты сгорания исследуемых смесей.

Из таблицы следует, что наименьшую теплоту сгорания имеет смесь состава 90% отходы и 10 % уголь «Г», которая составила 8718 Дж/г, наибольшую - 100% уголь «Г» -16920 Дж/г.

На рис. 1-2 представлены кривые теплового эффекта (ДСК) смесей 90:10 и 10:90.

На всех кривых ДСК фиксируются два экзотермических эффекта: один в интервале температур 300400 °С, другой - 400-700 °С, на кривых ТГ наблюдается значительная потеря массы, что свидетельствует о протекании процесса горения угольного материала (табл.4).

Таблица 1

Содержание минеральных компонентов в отходах флотации углей

Компонент SiO2 Al2Oз CaO Fe2Oз MgO то2 P2O5

Содержание в рядовых отходах, масс. % 26,8 8,88 1,34 2,23 1,13 0,67 0,34 0,10

Таблица 2

Теплотехнический расчет горения отходов

Теплота сгорания низшая рабочая, кДж/кг Расход тепла на испарение влаги, ГДж/т Объём продуктов сгорания смеси, м3/кг Температура продуктов сгорания, еС Энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3 Энтальпия воздуха на разбавление, кДж/м3 Объём сушильного агента, м3/кг Расход сжигаемой смеси, т/ч

1811 48380 1,17 1050 2060 26 5,6 19,155

Таблица 3

Смесь состава, % Отходы: Уголь «Г» Qсгор, Дж/г

90 : 10 8718

50 : 50 12594

30 : 70 14399

10 : 90 15189

0: 100 16920

Рис. 1. Кривая ДСК смеси 90% отходы и 10 % уголь «Г»

ДС К /

500 600

Температур3 '"С

Рис.2. Кривая ДСК смеси 10% отходы и 90 % уголь «Г»

--Теория и технология металлургического производства

Таблица 4

Смесь состава, % Отходы : Уголь «Г» Экзотермический эффект, еС ИМПП, %

1-й 2-й

начало макс. конец начало макс. конец

90 : 10 256,4 326,7 337,7 436,6 544,5 644,5 44,43

50 : 50 276,3 305,6 341,7 436,2 550,3 663,9 59,95

30 : 70 278,2 322,0 343,8 439,6 549,9 662,6 67,58

10 : 90 255,2 305,9 337,7 444,8 549,0 672,1 74,05

0: 100 254,0 292,7 338,5 441,1 549,9 677,6 78,85

Отличительная особенность термоокислительной деструкции органического вещества углей состоит в последовательно-параллельном протекании процессов низкотемпературного горения ароматического ядра топлива и отщепления периферийных соединений основных структурных единиц органической массы угля с образованием Н2О, СО2, частично СО. Первый низкотемпературный экзотермический эффект соответствует горению ароматических составляющих, второй - более насыщенных углеводородов органической массы угля.

Кривые ДСК для исследуемых образцов близкой массы имеют не слишком большие отличия по температурам начала, максимума и конца экзотермического эффекта как первого, так и второго пика. Однако при этом наблюдается различная величина ИМПП и зольного остатка.

Термогравиметрические кривые, отражающие потерю массы при нагреве углей в среде воздуха, представлены на рис 3-4.

Рис. 3. Кривые ТГ и ДТГ непрерывного нагрева угольного материала 90% отходы

и 10 % уголь «Г»

Рис. 4. Кривые ТГ и ДТГ непрерывного нагрева угольного материала 10% отходы и 90 % уголь «Г»

В табл.5 приведены потери массы смеси в определённых интервалах температур.

Как видно из табл. 5, наибольшие потери массы для всех исследуемых образцов наблюдаются в диапазоне температур 450-600 С, что составляет порядка 65-67% от всей массы органической составляющей угля. Для этих образцов максимальная скорость выгорания, определенная по кривым ДТГ, соответствует температуре 540-563 С.

Сопоставление ТГ-кривых (рис. 5-6), полученных в окислительной среде, показало, что наблюдается

эффект относительного приращения массы в области температур от 200 до 300 °С (от 0,32 до 1,47 %).

В интервале температур 200-300С окисление угольных материалов идёт с увеличением массы, свыше 300 С - с убылью массы см. (рис. 5-6).

Таким образом, теплотехнический и термоаналитический анализы показали, что использование отходов в качестве топлива в топке НТКС в чистом виде нецелесообразно из-за высокой влажности и зольности, а оптимальным составом является смесь 10% отходы и 90 % уголь «Г».

Рис. 5. Участок кривой ТГ и ДТГ угольного материала 90% отходы и 10 % уголь «Г»

Рис. 6. Участок кривой ТГ и ДТГ угольного материала 10% отходы и 90 % уголь «Г»

Таблица 5

Смесь состава, % Отходы : Уголь «Г» Потеря массы %, в интервале температур, еС

30-450 450-600 600 - 700 700-800 800-1000

90 : 10 9,68 50,91 18,57 0,86 0,36

50 : 50 6,76 30,19 5,64 0,57 0,42

30 : 70 8,12 39,18 10,24 1,20 0,61

10 : 90 9,14 45,07 11,83 1,06 0,65

0: 100 10,0 48,60 14,27 0,89 0,53

В табл. 6 представлены теплотехнические Использование данной смеси в топке НТКС

показатели предлагаемой смеси, рекомендуемой для позволит осуществить сушку угольного концентрата с использования в качестве нетрадиционного топлива в

топках НТКС [11 - 13] производительностью 164 т/ч, при этом влажность

18--Теория и технология металлургического производства

конечного продукта составит 8%, а расход смеси 1,526 т/ч.

Технологическая схема позволяет поддерживать заданную мощность установки за счет регулирования таких параметров, как температура воздуха, гранулометрический состав, зольность и влажность сырья.

Таким образом, вовлечение отходов углеобогащения в процесс сушки концентрата в ООО «ММК-Уголь» на установке НТКС позволит не только увеличить резерв топлива, но и снизить эксплуатационные затраты на содержание отстойников, а также сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов и при эффективной системе очистки дымовых выбросов обеспечить снижение загрязнений окружающей среды.

Таблица 6

Теплотехнический расчет горения смеси 10 % отходов и 90% уголь «Г»

Теплота сгорания низшая рабочая, кДж/кг Расход тепла на испарение влаги, ГДж/т Объём продуктов сгорания смеси, м3/кг Температура продуктов сгорания, еС Энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3 Энтальпия воздуха на разбавление, кДж/м3 Объём сушильного агента, м3/кг Расход сжигаемой смеси, т/ч

15573 48380 9,30 1960 3308 26 79,2 1,526

Список литературы

1. Шпирт М. Л. Безотходные технологии. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1986. 120 с.

2. Shpirt M. Ya., Rainbow A. K. M. Ecological problems caused by coal mining and processing with suggestions for remediation, Millpress Roterdam Netherlands 2006, 162 p.

3. Raask E. Cenospheres in pulverized-fuel ash // Journal of the Institute of fuel. 1968, v.43, № 332, Septemb., рр. 339-344.

4. Leininger D., Erdmann W., Kohling R. and other. Symposium on the utilization of waste from coal mining and preparation. Tatabanya. Hungary. 1983, top. 5, pp. 1-36.

5. Шпирт М. Я., Артемьев В. Б., Силютин С. А. Использование твердых отходов добычи и переработки углей. М.: Горное дело, 2013. 432 с.

6. Baniah M. K., Kotoky P., Borah G. S. Gold in high sulphur Indian coals // Fuel. 1998, vol. 77, № 15, pp. 1867-68.

7. Вискин Ж. В. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов. Донецк: Типография "Новый мир", 1997. 283 с.

8. Топор Н. Д., Огородова Л. П., Мельчакова Л. В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. М.: Изд-во МГУ,1987. 125 с.

9. Разработка нового реагентного режима флотации углей на основе результатов изучения термодинамических параметров адсорбции углеводородов на угольной поверхности / Петухов В. Н., Свечникова (Осина) Н. Ю., Юнаш А. А., Саблин А. В. // Кокс и химия. 2007. №9. С. 6-9.

10. Использование отходов флотации угля для энергетических целей в условиях ОАО «ЦОФ» «Белов-ская» / Петухов В. Н., Свечникова Н. Ю., Юдина С. В., Горохов А. В., Лавриненко А. А., Харченко В. Ф. // Кокс и химия. 2016. №5. С.38-41.

11. Svechnikova N. Yu., Petukhov V. N., Yudina S. V., Gorokhov A. V., Lavrinenko A. A., Kharchenko V. F. Utilization of coal-flotation wastes at OAO TSOF Belovskaya//

Coke and Chemistry.2016. vol. 59. № 5. p. 200-203.

12. Свечникова (Осина) Н.Ю. Исследование влияния химического состава аполярных реагентов на фло-тирумость углей // Теория и технология металлургического производства: сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им.Г.И.Носова, 2004. Вып. 4. С. 71-73.

13. 13.Свечникова Н.Ю., Юдина С.В., Мамедалина Н.И. Анализ отходов флотационного обогащения углей // Теория и технология металлургического производства: сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им.Г.И.Носова, 2015. Вып.1 (16). С. 19-21.

14. 14.Петухов В.Н., Свечникова Н.Ю. Повышение эффективности процесса флотации угля с использованием нового реагента-собирателя // Материалы 64-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2005 гг. Магнитогорск, 2006. С. 111-114.

Сведения об авторах

Свечникова Наталья Юрьевна - канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: natasha-svechnikova@yandex.ru

Игуменшева Екатерина Андреевна - студент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: igumenshevak@mail.ru

Коновницына Надежда Сергеевна - студент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: konov-nadya@mail.ru

Кухаренко Олег Геннадьевич - студент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: oooleg_kUharenkooo@mail.ru

Куклина Ольга Валерьевна - студент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: konov-nadya@mail.ru

Хасанзянова Алина Ильдаровна - студент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова», Магнитогорск, Росиия. E-mail: ali_na11@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

USE OF WASTE OF FLOTATION OF COAL AS NONCONVENTIONAL FUEL

Svechnikova Natal'ya YUr'evna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: natasha-svechnikova@yandex.ru

Igumensheva Ekaterina Andreevna - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: igumenshevak@mail.ru

Konovnitsyna Nadezhda Sergeevna - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: konov-nadya@mail.ru

Kuharenko Oleg Gennadevich - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Email: oooleg_kuharenkooo@mail.ru

Kuklina Olga Valeryevna - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: lady.cuclina2013 @yandex.ru

Hasanzyanova Alina Ildarovna - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Email: ali_na11@mail.ru

Abstract. The flotation waste OOO "MMK-Coal" were studied in order to use them in combustion to burn high-ash coal On the basis of technical analysis and thermal calculations possibility of use of waste of flotation in a mixture of coal as raw materials in the furnaces of low-temperature layer (STAP). Use of waste as fuel in a fire chamber of NTKS is purely inexpedient because of high humidity and an ash-content. Therefore mixes of various structures have been made. Analyses have shown that the burned mix, optimum on lowest heat of combustion of working fuel and expense, structure mix is: 10% of waste and 90% of ordinary coal of brand "G". Use of this mix in a fire chamber of NTKS will allow to carry out drying of a coal concentrate with a productivity of 164 t/h, to lower operational charges of settlers, and also to reduce irrational alienation of land resources and at effective system of cleaning of smoke emissions to provide decrease in environmental pollution.

Key words: Coal, flotation waste, low-temperature furnace of the fluidized bed (STAP), heat of combustion.

Ссылка на статью:

Использование отходов флотации угля в качестве нетрадиционного топлива / Свечникова Н. Ю., Игуменшева Е. А., Коновницына Н. С., Кухаренко О.Г., Куклина О.В, Хасанзянова А.И. // Теория и технология металлургического производства. 2017. №2(21). С. 15-20.

Svechnikova N.Y., Igumensheva E.A., Konovnitsyna N.S., Kuharenko O.G., Kuklina O.V., Hasanzyanova A.I., Use of waste of flotation of coal as nonconventional fuel. // Teoria I tehnologia metallurgiheskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 15-20.

20--Теория и технология металлургического производства