Технологические и экологические аспекты производства угольных брикетов

© A.B. Рассказова, Т.Н. Александрова, 2013

УДК 502:662.73

A.B. Рассказова, Т.Н. Александрова

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ

Рассмотрены экологические и технологические особенности предложенного способа получения топливных брикетов. В частности, исследовано влияние влажности и крупности наполнителя, состава и технологических режимов на потребительские характеристики окускованного топлива. Ключевые слова: топливный брикет, состав, технический гидролизный лигнин, выбросы загрязняющих веществ, влажность сушенки, гранулометрический состав, давление прессования.

Основными технологическими параметрами брикетирования твердых горючих ископаемых являются: влажность, крупность и температура брикетируемого продукта, компонентный состав топливного брикета, давление прессования. Для каждого угольного месторождения необходим подбор соответствующих технологических параметров согласно петрографическим и качественным характеристикам угольного сырья. Распространенным связующим веществом при производстве топливных брикетов является нефтяной битум. С его применением связаны проблемы повышения дым-ности и загрязняющих выбросов. Целью данной работы является исследование базовых технологических параметров брикетирования буроугольной мелочи Ушумунского месторождения и экологическое обоснование приемлемости использования нефтебитумного связующего при производстве топливных брикетов.

Отличительной особенностью применяемой технологии брикетирования является введение в состав топливного брикета технического гидролизного лигнина (ТГЛ). Его роль — адсорбция масляной фазы нефтебитума и улучшение межфазного взаимодействия между наполнителем (угольной мелочью) и связующим, а также снижение экологической на-

грузки на окружающую среду от выбросов при сгорании брикета.

Выявлено, что минимальное количество связующего вещества, обеспечивающее надежное сцепление частиц в брикете составляет 15%. Доля ТГЛ в топливном брикете принята за 10%, так как превышение данного значения может привести к понижению теплоты сгорания брикета из-за более низкой калорийности ТГЛ по сравнению с другими компонентами топливного брикета.

Выбросы при сжигании топливного брикета.

Испытания нового биотоплива — брикетов из гидролизного лигнина в сравнении с рядовым каменным углем марки СС при слоевом сжигании в котле выявили, что недожог при сжигании брикетов составил 1%, а при сжигании каменного угля — 48%. Исследовались отходящие газы, в том числе диоксиды азота, углерода, серы и выбросы золы. Выбросы загрязняющих веществ при сжигании брикетов в 4, 5 раза меньше, чем при сгорании рядового угля [1]. Для оценки свойств брикетов имеет значение также определение их дымности. Для этого использовался ГОСТ 6382-2001 «Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода летучих веществ». Данный стандарт распространяется в частности на бурые угли и брикеты [2, 3].

Получаемые при оптимизированных технологических параметрах и составах брикеты по содержанию летучих веществ относятся к категории дымных бытовых твердых топлив. Причем, при 10%-ном содержании лигнина в составе топливного брикета, выброс загрязняющих веществ уменьшается в 0,9 раз по сравнению с рядовым углем.

Технологические параметры брикетирования.

Содержащаяся в сушенке влага участвует в механизме образования брикета. Давление прессования создает условия для возникновения сил молекулярного взаимодействия при сближении поверхности угольных частиц. Изменение содержания влаги в сушенке влияет на силы сцепления между частицами угля. При оптимальном содержании влаги более полно проявляются молекулярные силы сцепления угольных частиц. При недостатке влаги уменьшается поверхность частиц, покрытых

Рис. 1. Влияние влажности сушенки на механические характеристики топливного брикета (15%-е содержание битума)1

водяными пленками, обусловливающими максимальную величину сил сцепления, в результате чего снижается прочность брикета. В этом случае необходим более тесный контакт частиц, который можно достигнуть увеличением давления прессования. Однако увеличение давления прессования может происходить только до определенного предела.

Результаты исследования влажности сушенки на прочностные характеристики приведены на рис. 1.

Необходимо отметить, что в стандартных схемах брикетирования с нефтебитумом влажность угля поддерживается на уровне 2—3 %. Добавление к шихте механоактивированного ТГЛ способствует адсорбции излишнего количества влаги и препятствует гидрофобизации органической массы угля, повышая при этом оптимальную влажность угля до 7,5%.

Некоторые исследователи утверждают, что для формирования брикетов под прессом (в частности, с применением связующих веществ) достаточно сравнительно небольшого давления, порядка 8—12 МПа. При большем давлении происходит уменьшение связующего материала в центральной части брикета — оно выдавливается наружу. Однако другие предлага-

1 Пунктиром обозначен 5 %-ный доверительный интервал.

ют брикетировать твердые горючие материалы при варьировании давления от 150 до 200 МПа, так как увеличение давления прессования способствует получению более прочных брикетов [4].

Опыты по получению топливных брикетов на базе углей исследуемого месторождения при низком давлении (10— 25 МПа) выявили неудовлетворительные физико-механические характеристики полученных брикетов. На исследуемом материале перепрессовка ощущается уже в интервале давлений 200—250 МПа.

Крупность сушенки влияет на оптимальную влажность главным образом при высоких давлениях прессования. При малых давлениях разница в оптимальной влажности для сушенки различной крупности незначительна. Для мягких молодых бурых углей оптимальнаякрупности сушенки 0— 4 (6) мм.

Результаты лазерно-дифракционных исследований гранулометрического состава валовой пробы технического гидролизного лигнина показаны на рис. 2:

Рис. 2. Распределение частиц исходного лигнина по крупности

Распределение частиц по крупности подчиняется нормальному Гауссовскому распределению. Результаты лазерно-дифракционных исследований гранулометрического состава ме-ханоактивированной (время — 5 минут) пробы технического гидролизного лигнина показаны на рис. 3. Предварительная меха-ноактивация лигнина увеличивает его удельную поверхность и улучшает адгезионные взаимодействия внутри брикета.

Рис. 4. Влагостойкость при варьировании содержания битума

При увеличении доли гидрофобного связующего компонента — нефтяного битума сопротивляемость брикетов размо-канию увеличивается, расход связующего ограничен лишь экономическими и эколого-технологическими соображениями. Проведем испытания брикетов на влагостойкость при варьировании содержания битума от 5 до 20 % (содержание лигнина постоянно Ь = 10 %) (рис. 4). Испытания выявили оптимальное содержание битума в топливном брикете -15 %, дальнейшее увеличение доли битума нецелесообразно, так как не происходит дальнейшее увеличение влагостойкости брикета.

Технологическая схема получения топливных брикетов трехкомпонентного состава.

Принципиальная схема брикетирования приведена на рис. 5.

Рис. 5. Технологическая схема получения топливных брикетов

1. Угольная мелочь из приемных ям подается на предварительный отсев мелочи (-4 мм), надрешетный продукт дробится и подвергается грохочению. Далее угольная мелочь идет в сушильное отделение, где подсушивается до влажности 2—3% в трубах-сушилках.

2. Технический гидролизный лигнин (ТГП) после сушки и отделения мелкой фракции -2 мм поступает на механоак-тивацию в планетарной мельнице (АГО-3) в течение 10 минут.

3. Применяемый в качестве связующего нефтебитум поступает на брикетную фабрику в битумных бункерах-вагонах и разгружается в битумохранилище, откуда в разогретом состоянии подается в трубчатую печь, где нагревается до температуры 180°С.

4. Подготовленные уголь и ТГЛ через промежуточную емкость направляются вибродозатором в двухвальный лопастный смеситель, в который поступает жидкий нагретый нефтебитум.

5. Затем шихта поступает в малаксер, где нагревается до температуры 80—90 °С и после охлаждения в двухвальном охладителе до температуры 60—65 °С брикетируется на штемпельном прессе.

6. Брикеты после охлаждения на ленточных конвейерах до 40—45 °С фасуются и грузятся в вагоны.

Выводы. Опыты по получению топливных брикетов выявили интервалы давления, при которых получается окускованное топливо с удовлетворительными физико-механическими характеристиками. Определена оптимальная влажность и крупность наполнителя топливного брикета. Испытания выявили содержание битума в топливном брикете, обеспечивающее необходимую влагостойкость брикета. Разработана технологическая схема получения топливных брикетов трехкомпонентного состава.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лурий В.Г. Сравнительные результаты сжигания брикетов лигнина и каменного угля / В.Г. Лурий // Химия твердого топлива. — 2008. — № 6. — С. 22—28.

2. Угольная база России. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России. — М.: Геоинформмарк, 1999. — Т. V. — Кн. 2. — 638 с.

3. Русьянова Н.Д. Углехимия / Н.Д. Русьянова. — М.: Наука, 2000. — 316 с.

4. Николаева Л. А. Брикетирование бурого угля с использованием модифицированного гудрона: дис. ... канд. техн. наук / Л.А. Николаева. — Иркутск, 2011. — 135 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Рассказова Анна Вадимовна — младший научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, annbot87@mail.ru,

Александрова Татьяна Николаевна — доктор технических наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия, ЮО@ rambler.ru.