автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка безопасной технологии переработки техногенных угольных образований

На ппавах ткописи

005008351

УШАКОВ Андрей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (отрасль химическая)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯНВ 1Ш

Кемерово-2011

005008351

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» на кафедре химической технологии твердого топлива и экологии.

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Трясунов Борис Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исхаков Хамза Ахметович

доктор технических наук, профессор Кирсанов Михаил Павлович

Ведущая организация:

Новационная фирма "КУЗБАСС-НИИОГР"

Защита состоится «10» февраля 2012 г. в 13 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, д. 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан «28» декабря 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета, // >. *

доктор технических наук, профессор Ю.В. Лесин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Соблюдение норм пожарной безопасности при разработке технологий - одно из главных требований, закрепленных в нормативных актах в области эксплуатации опасных промышленных объектов.

Отходы предприятий угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности характеризуются значительными объемами, и присутствие в их составе пылевидных фракций способствует повышению их пожаро- и взрыво-опасности, что достоверно подтверждается большим числом самовозгораний отвалов. Нередки взрывы на угольных отвалах и, как следствие, большие выбросы пыли и породы в воздух на значительные расстояния. Потому вопросы предупреждения возгораний отвалов в условиях повышенного внимания к экологии и безопасности угольного производства приобретают большое значение.

На сегодняшний день для ликвидации отходов угледобычи и углеперера-ботки разработано множество методов. Внедряются способы получения и сжигания пыле- и водоугольного топлива. Однако подобные технологии сами представляют потенциальную взрыво- и пожароопасность, поскольку основаны на измельчении сжигаемого топлива до мелкодисперсных размеров (до 90 мкм), особенно на'стадиях его приготовления и подготовки сырья. ■

Необходимо разработать пожаро- и взрывобезопасную технологию утилизации техногенных угольных образований, в сравнении с применяемыми способами сжигания пылевидных отходов добычи и переработки угля.

Анализ литературы, в том числе патентной, позволяет заключить, что эффективным методом утилизации пылевидных отходов являются гранулирование и брикетирование с получением бездымного топлива. При этом необходимо решить задачу поиска связующего вещества, которое бы не ухудшало теплотехнических характеристик получаемых продуктов.

Поиск эффективного связующего показал возможность использования обезвоженного избыточного активного ила городских очистных сооружений с одновр1еменным решением важнейшей экологической проблемы. Однако подобные остатки содержат значительное количество патогенной микрофлоры, имеют специфический запах, и их прямое использование нежелательно.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в исследованиях, направленных как на разработку безопасной технологии утилизации отходов угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, так и на получение из них полезных продуктов - топливных гранул, что приведет к снижению экологической нагрузки.

Целью работы является разработка безопасной технологии утилизации техногенных угольных образований для получения топливных гранул.

Идея работы заключается в разработке технологии получения топливных гранул из техногенных угольных образований, исключая пожаро- и взрывоопасные стадии обращения с мелкодисперсными фракциями отходов.

Объект исследования:

-отходы добычи, обогащения и переработки угля и некондиционные продукты, в частности, угольный отсев, шлам, коксовая мелочь и пыль;

- обезвоженный избыточный активный ил.

Предмет исследования:

- факторы, обеспечивающие промышленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований;

-изменения свойств остатка анаэробной переработки и состава биогаза от влажности исходной смеси при сбраживании обезвоженного избыточного активного ила;

- влияние количества связующего вещества в составе формуемой смеси на эффективность процесса гранулирования;

-изменения прочности и теплоты сгорания получаемых топливных гранул от соотношений вводимых наполнителя, связующего вещества и добавок.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Найти наиболее эффективный метод безопасной утилизации пылевидных отходов на основании сравнительного анализа существующих технологических решений в области переработки техногенных угольных образований.

2. Обосновать безопасное применение остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного, ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.

3. Разработать способы повышения промышленной безопасности процессов анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила и получения топливных гранул.

4. Установить оптимальную рецептуру топливных гранул состава уголь/связующее, уголь/кокс/связующее.

5. Разработать принципиальную технологическую схему получения топливных гранул с реализацией разработанных решений повышения безопасности процессов.

Методы исследования

В работе использованы: физико-химические методы анализа (хромато-графический, дериватографйческий, калориметрический, рентгенофазовый) исходного сырья и полученных продуктов, а также методы гранулометрического и технического анализа твердых энергоносителей.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. В процессе переработки техногенных угольных образований образуются факторы, оказывающие влияние на состояние промышленной безопасности: на стадии обеззараживания обезвоженного ила - пожаро- и взрывоопас-ность образующегося, газообразного энергоносителя, при обращении с мелкодисперсными угольными отходами - пыление.

2. Объем выделяемого биогаза и его теплота сгорания находятся в пря-мопропорциональной зависимости от влажности сбраживаемой смеси в интерн. вале от 80 до 90 %; влажность исходной смеси 87 % является оптимальной, при которой свойства остатка анаэробной переработки являются подходящими для использования его в качестве связующего вещества.

3. Повышение безопасности эксплуатации метантенков и материалов вблизи них достигается использованием: ИК-пленки - для обогрева метантенка;

негорючих материалов на основе гранулированного и термообработанного силиката натрия - для теплоизоляции метантенка.

4. Метод окатывания в барабанном грануляторе позволяет получить прочные гранулы при добавлении связующего вещества в количестве 3035 %масс и способствует повышению промышленной безопасности при формовании мелкодисперсных отходов предприятий добычи и переработки угля.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена научно и методически обоснованной постановкой задач по обеспечению безопасности процессов получения топливных гранул; использованием калориметра «БКС-2Х» с малой погрешностью для достаточно точного проведения экспериментов по определению теплоты сгорания топливных гранул; хорошей воспроизводимостью экспериментов при идентичных начальных условиях; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

1. Обосновано использование остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.

2. Впервые установлено, что при увеличении влажности обезвоженного избыточного активного ила в процессе сбраживания с 80 до 90 % у получаемого остатка после анаэробного сбраживания происходит увеличение липкости.

3. Установлено, что содержание остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила в составе топливных гранул должно варьироваться в пределах 30-35 %масс.

4. Разработана технология получения топливных гранул путем переработки техногенных угольных образований и биологических очистных сооружений с реализацией разработанных решений повышения безопасности процессов.

Практическое значение работы:

1. Впервые для получения топливных гранул из угля и кокса в качестве связующего вещества использован остаток анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила.

2. Определены соотношения компонентов, вводимых в состав топливных гранул, позволяющие достичь достаточной теплоты сгорания и прочности топливных гранул для реализации их потребителю.

3. Предложен способ и принципиальная технологическая схема получения топливных гранул на основе угольного отсева, шлама, пыли, коксовой мелочи, пыли и связующего вещества, позволяющие снизить экологическую опасность,, а также пожаро-, взрыво- и пылевзрывоопасность процесса.

Реализация разработанных положений позволит решить проблему утилизации накопленного обезвоженного избыточного активного ила, отходов и некондиционных продуктов предприятий добычи и переработки угля. Получение топливных гранул позволяет снизить потребление традиционных природных ресурсов, что сопровождается положительным экономическим эффектом. Разработанные решения существенно повысят безопасность технологических процессов получения связующего вещества и формования топливных гранул.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Управление Отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010» (Кемерово, 2010 г.), XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010 г.), XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009 .г.), X Всероссийском студенческом научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.).

Практическая часть диссертационной работы является основой проекта, занявшего третье место в региональном конкурсе Администрации Кемеровской области «Меры по повышению конкурентоспособности экономики Кемеровской области» в номинации «Энергосбережение и энергоэффективность» (2ÖÖ9 г.). Получен грант по программе «У.М.Н.И.К.-2010», проводимой в рамках Кузбасской недели предпринимательства и бизнеса.

■ Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ в курсе «Основы промышленной экологии».

Личный вклад автора заключается в анализе проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке результатов, формулировке выводов, подготовке, к публикации докладов и статей.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 патента №2418038 «Состав для, получения твердого формованного топлива» от 03.08.2009 г. и патент № 2424280 «Состав для получения формованного топлива» от 26.01.2011 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы; изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 114 наименований.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность д.х.н., проф. Е.И. Кагакину, д.т.н. проф. В:И. Козлову и к.т.н., доц. В.Н. Догапаку, а также всем сотрудникам кафедры ХТТТиЭ КузГТУ за проявленное внимание и ценные практические советы при выполнении настоящей работы,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и сведения об апробации работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса по обеспе-

чению безопасности утилизации отходов предприятий добычи и переработки угля - угольной пыли, отсева, шламов, коксовой пыли и мелочи, а также отходов биологических очистных сооружений - обезвоженного избыточного активного ила. Обозначены основные способы переработки таких отходов, отмечена их пожаро- и взрывоопасность, обусловленная обращением с мелкодисперсными частицами.

Значительный вклад в развитие теории и техники утилизации пылевидных отходов, разработку методов получения формованного топлива внесли Х.А. Исхаков, А.Т.Елишевич, К.И. Сысков, В.Я.Царев, О.Н. Машенков, Г.С.Головин, В-А. Рубан, А.П.Фомин, С.Е.Калиниченко, A.C.Калиниченко, В.Н. Крохин и др.

Отмечено, что наиболее эффективным методом утилизации техногенных угольных образований является получение топливных гранул с использованием в качестве связующего вещества остатка анаэробного сбраживания обезвоженного избыточного активного ила. Это способствует решению важной экологической проблемы. Обсуждаются вопросы промышленной безопасности технологических решений при эксплуатации опасных промышленных объектов.

Во второй главе проведен анализ факторов, обеспечивающих промышленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований (рис. 1). Основные из них:

1. Факторы, определяющие экологическую безопасность. Обезвоженный избыточный активный ил представляет химическую и биологическую опасность. Применение его в исходном виде в качестве связующего сделает опасным обращение с полу-

Уголыше отхобы

Некондиционные продукты производства кокса

Угольный шлам, отсеВ

Коксовая мелочь, пыль

Ютходы 5иологических очистных сооружений

ТОПЛИВНЫМИ

Обезвоженный избыточный активный ил

z:

РЕГОПЛуАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕ^работки!

Химическая и биологическая опасность обезболенного избыточно» активного ила

Выделение газообразного энергоносителя при 1наэро8нон сДрожцбонцц ила

Мелкодисперсный, пылебийный размер частиц персрабатыбсемык откойой

исключения воздействия метод ана-сбраживания

1. 'Экологическая ~ опасность

2. Пожаро- и ТГэрыбоопасность

Опасности процесса получения топливных гранул

-ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ-

чаемыми гранулами. Для вредного предложен эробного обезвоженного избыточного активного ила, позволяющий обеззаразить его и подготовить к дальнейшему использованию. Это повышает экологичность техноло-

Рис. 1. Факторы, обеспечивающие безопасность технологии переработки техногенных угольных образований

гии в части обращения обслуживающего персонала с веществами вредными для здоровья, позволит устранить хараетерный запах ила, улучшит условия труда и экологическую обстановку на предприятии и в близлежащих районах.

2. Факторы, определяющие пожаро- и взрыбобезопасностъ технологических решений. Основные причины аварийных или внештатных ситуаций:

1. При использовании анаэробной переработки для обеззараживания обезвоженного избыточного активного ила происходит выделение газообразного энергоносителя - биогаза с повышенным содержанием метана (до 80 % об.).

Для повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса сбраживания необходима модернизация системы обогрева метантенка, применение негорючих материалов как для теплоизоляции метантенка, так и для его обогрева. Предпо- • сылки возникновения опасных ситуаций: утечка биогаза в окружающую среду, вскрытие биореактора для разгрузки без дегазации остаточного биогаза и т.п.

В главе 2 обозначены основные требования, предъявляемые к обслуживающему персоналу и к работам, выполняемым при сооружении и эксплуатации метантенков и помещений, прилегающих к ним.

2. Система подогрева реактора для достижения оптимального температурного режима сбраживания. Потенциальная опасность заключается в сложной системе газо- и водопроводов при эксплуатации котельных установок.

Подогрев метантенков - неотъемлемая часть процессов анаэробной переработки органических веществ, особенно важен для условий Сибири, где значительный период года температура ниже 0°С, причем кратковременное нарушение температурного режима, приводит к торможению процесса.

При размещении крупных биогазовых установок на открытом воздухе те-плопотери достигают значительных величин. Рассмотрены варианты их снижения путем использования негорючих теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью и высокими механическими свойствами; интенсификация подачи теплоносителя (горячая вода, пар) для обогрева метантенков.

При анализе системы подогрева метантенков в качестве потенциальных техногенных рисков выделены:

1. Процессы сжигания энергоносителей в котельных установках для нагрева воды или получения пара, используемых для обогрева реакторов.

2. Система газо- или водопроводов, оборудованных различного рода воз-духо- и газодувками, насосами и т.п.

3. Требования к пожаро- и взрывобезопасности аппаратов и материалов, находящихся в непосредственной близости от них, а также к теплоизоляции для утепления метантенка.

4. Выбросы дымовых газов в атмосферу. В зависимости от применяемого котельного топлива и условий сжигания, состав и количество выбрасываемых вредных веществ значительно варьируется.

Для минимизации техногенных рисков, обозначенных выше, и устранения причин их появления разработаны следующие технические решения:

1. Обогрев метантенка с помощью источников инфракрасного излучения.

В качестве обогревательного элемента применена негорючая термопленка

состава: карбоновая паста, серебряная паста, медь, полиэстеровая пленка (1 на поверхности термопленки до 60°С, 1ш,авл. 265°С). При этом упрощается эксплуатация установки, повышается контроль за измерением температуры. Для снижения термопотерь в окружающую среду необходимо использование теплоизоляционных материалов, основное требование к которым - пожаробезопасность.

2. Дешевая, качественная и негорючая теплоизоляция на основе гранулированного пористого силикатного наполнителя. Применяли легкие пористые гранулы стеклопора, полученные на основе термообработанного и гранулированного силиката натрия. Данный материал разработан при участии Лаборато-

рии очистки воды, процессов и аппаратов переработки отходов КузГТУ.

Главным достоинством применяемого стеклопора является негорючесть и устойчивость к высоким температурам (до 700-750°С). Насыпная плотность зависит от состава исходной смеси компонентов и варьируется от 70 до 100 кг/м3. Теплопроводность - 0,05-0,07 Вт/(м-К).

3. Безопасность процесса формования топливных гранул. Выделено две группы причин возникновения внештатных ситуаций:

1. Перерабатываемые техногенные отходы и некондиционные продукты (угольная пыль, шлам, коксовая пыль), используемые в качестве наполнителя для топливных гранул, характеризуются пылевидным размером частиц. Это возможная причина создания взрывоопасной ситуации. С учетом этого для формования топливных гранул выбран метод окатывания в барабанном грану-ляторе, позволяющий формовать влажные смеси.

2. Наличие движущихся под высоким давлением механизмов при эксплуатации установок прессования гранул, высокие уровни вибрации и шума.

Исходя из вышеизложенного, выбрано окатывание как способ получения топливных гранул из отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений. Для этого использован барабанный гранулятор как более простой в обслуживании и эксплуатации аппарат.

Реализация рассмотренных выше решений скажется на повышении экологической, пожаро-, взрывобезопасности технологического процесса.

В третьей главе представлен план экспериментов, характеристики объектов исследования; описаны разработанные установки и методики для проведения исследований по анаэробному сбраживанию обезвоженного избыточного активного ила, получению формованного топлива и его сжиганию; приведены методики анализа твердой, жидкой и газообразных фаз, исследования скорости сушки сброженного остатка и получаемых гранул.

Исходя из поставленной задачи, объектами исследования являлись:

1. Обезвоженный избыточный активный ил станции аэрации г. Кемерово, представляющий собой густую однородную массу черного цвета (кек) со специфическим запахом.

2. Типичные твердые горючие углеродсодержащие отходы и некондиционные продукты, образующиеся на предприятиях Кемеровской области:

- угольные отходы и некондиционное сырье

Использовали партии угольного отсева нескольких котельных г. Кемерово. Угольный шлам отбирали с площадок обезвоживания шахты «Первомайская».

- коксовая мелочь и пыль

Использовали несколько партий коксовой мелочи и коксовой пыли Кемеровского ОАО «Кокс». Отбор производили: коксовую мелочь - с площадки обезвоживания рядом с башней мокрого тушения кокса; коксовую пыль - из циклонов улавливания пыли установки сухого тушения кокса.

3. Модифицирующие добавки - мелкоизмельченная бумажная масса -для повышения потребительских свойств топливных гранул (прочность на сжатие и истираемость).

4. Опудривающие добавки - мелкодисперсная угольная и коксовая пыль.

Использовали для регулирования влажности окатышей, управления размером получаемых гранул. Вводили в смесь в процессе гранулирования.

Основные характеристики применяемых наполнителей показаны в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика наполнителей топливных гранул

Определяемый параметр Угольный Угольный Коксовая Коксовая

шлам отсев мелочь пыль

Влажность % 1,6 5,3 0,8 0,6

Зольность (Ай), % 37,7 15,9 13,9 24,5

Фракционный состав, %:

+1 мм 11,9 73,4 68,3 0,4

1-0,7 мм 5,8 14,4 10,6 2,4

0,7-0,5 мм 6,6 4,3 8,5 7,6

- 0,5 мм 75,7 7,9 12,6 89,6

Высшая теплота сгорания (ОД МДж/кг 22,46 24,0 27,3 27,5

Анаэробная переработка обезвоженного избыточного активного ила

На протекание процесса сбраживания важное влияние оказывает влажность исходного перерабатываемого сырья. Для определения оптимального соотношения исходный птичий обезвоженный ил/вода проводили исследования в лабораторных условиях: исходную смесь различной влажности, подвергаемую сбраживанию, загружали в 6 метантенков (У=1.5 дм3), проводили процесс I сбраживания, после чего выгружали сброженный остаток и анализировали его.

В метантенке поддерживали оптимальную температуру смеси 37°С. Исследовали процесс переработки смеси следующих влажностей: 81,5; 82,5; 84,5; 86,5; 89,0; 92,0 %. При этом граничными значениями выбраны:

- значение 81,5 % соответствует влажности исходного кека;

значение 92 % соответствует влажности смеси, не расслаивающейся на жидкую и твердую фазы при длительном отстаивании. I

Смесь перемешивали. Влажность смеси, при которой получали остаток с наиболее подходящими связующими свойствами, использовали при проведении дальнейших экспериментов на опытной установке (рис. 2).

Для этого исходный обезвоженный избыточный активный ил загружали в метантенк в количестве 7-8 кг с добавлением 4-6 кг воды для достижения влажности, установленной по результатам лабораторных исследований.

Смесь перемешивали, метантенк герметично закрывали, анализировали состав выделяющегося газа. По истечении периода сбраживания метантенк от-

Рис. 2. Внешний вид опытной установки для получения связующего вещества анаэробным сбраживанием обезвоженного избыточного активного ила: 1 - метантенк; 2 - газовый счетчик; 3 - теплоизоляция; 4 - термопленка; 5 - газовая горелка Бунзена

крывали, полученный остаток использовали в качестве связующего вещества.

Для изучения связующих свойств сброженного кека определяли его относительную липкость - силу сопротивления отрыву прилипшего сброженного кека от металлической пластины. Анализируемую смесь помещали в емкость и устанавливали под металлической пластиной левой чаши весов площадью 90 мм2, которую затем опускали в смесь. Выдерживали в таком положении под действием груза 100 г в течение 20 с, после чего груз снимали. Отрыв образца от смеси достигался равномерной загрузкой противоположной чаши весов. Определяли массу груза на правой чаше, при которой происходил отрыв пластины от смеси. В качестве вещества сравнения использовали воду.

В четвертой главе приведен анализ и обсуждение результатов экспериментальных данных.

Анализ сброженного остатка

Исследовали свойства полученного остатка в зависимости от влажности исходной перерабатываемой смеси (табл. 2). Определяющими показателями являлись:

- высшая теплота сгорания (рис. 3);

- относительная липкость;

- зольность по ГОСТ 11022-95, метод ускоренного озоления.

Таблица 2

Характеристики остатка, полученного в результате сбраживания исходной

смеси различной влажности

Параметры и свойства Смесь 1 Смесь 2 Смесь 3 Смесь 4 Смесь 5 Смесь 6

рН водной вытяжки 8,61 _8,52 8/71 8^62 8,69

Влажность^), % 81,92 84,46 88,24 90,70 92,99

Относительная липкость (Ь0) 9,82 11,13 10,02 6,92 3,26 1,65

Зольность (А'1), % 33,47 33,13 33,43 34,01 34,55 33,73

ОД МДж/кг 17,19 16,67 16,33 ПЛ8Г 14,02

Топл. экв-т (т у.т.) 0,59 0,57 0,57 0,56 0,51 0,48

Зависимость влажность=/(время сушки), представлена на рис. 4. В качестве исходного сырья для анализа использовали остаток от сбраживания смеси 4 (см. табл. 2). Эксперимент проводили в сушильном шкафу с принудительной вентиляцией при температуре 105±5°С, пока масса пробы не останется постоянной. Изменение кривой скорости сушки показано на рис. 5, обозначены участки, характерные для процесса сушки: АВ - прогревание осадка, ВС -максимальная скорость испарения, СО - постоянная скорость испарения, ЭЕ -испарение влаги с ненасыщенной поверхности удаление сорбционной влаги.

13,50 -,-.-,---,-,-,

80 82 84 86 88 90 92 94 VI/, %

Рис. 3. Изменение О/ остатка сбраживания смеси кек/вода различной влажности

ЧЧ, 7

Рис 4. Зависимость изменения влажности Рис. 5. Кривая скорости сушки сброжен-сброженного остатка избыточного актив- ного остатка избыточного активного ила ного ила от времени сушки при /=105°С

Анализируя полученные данные, установлено, что сброженный остаток плохо отдает влагу и для его сушки необходимо не менее трех часов в условиях, аналогичных экспериментальным. Отмечено, что в больших масштабах возможна сушки гранул на основе сброженного остатка в сушилках конвейерного типа или в промышленных сушильных шкафах.

Полученные данные о процессе сушки сброженного остатка смеси 4 согласуются с исследованиями исходного избыточного активного ила, представленными в литературных источниках. Это позволяет сделать вывод о возможности использования остатка в качестве связующего вещества, поскольку хлопья остатка обладают значительной влагоемкостью и плохо отдают воду.

Анализ выделяющегося биогаза

Анализы биогаза, образующегося при сбраживании, представлены в табл. 2, 3. Кроме того, определяли изменения его состава и характеристик в зависимости от влажности исходного сырья (табл. 3). Типичный вид хромато-грамм биогаза представлен на рис. 6.

Изучена динамика изменения состава биогаза при сбраживании смесей различной влажности (графическая зависимость показана на рис. 7).

00.00.00 00.00.40 00.01.20 00.02.00 00.02.40 00.03,20 00.04.09 00.00.00 00.00.40 00.01.20 00.02.00 00.02.40 00.03.20

время, с время, с

а 6

Рис. 6. Типичная хроматограмма биогаза: а - начало процесса сбраживания: O2+N2 -2,08 %, СО}-97,91 %; б-окончание процесса сбраживания: СН4-7б,бЗ %, СО:-23,37 %

Изучено изменение содержания СН4 в составе биогаза в зависимости от времени сбраживания и влажности смеси. Для упрощения анализа полученных зависимостей представлены графики только для трех влажностей (рис. 8).

Определена теплота сгорания выделяющегося биогаза, характерного для различной стадии процесса (табл. 4).

Таблица 3

Характеристика биогаза, выделившегося при сбраживании исходной смеси

Параметры и свойства Смесь 1 Смесь 2 Смесь 3 Смесь 4 Смесь 5 Смесь 6

WtfflnmecKu(cMeCH), % 81,8 82,5 84,3 87,2 89,2 91,7

WDac4eTHaif(смеси), % 81,5 82,5 84,5 86,5 89,5 91,8

У(биогаза)суммар за 27 сут., дм3 4,3 6,6 7,4 8,8 8,8 9,0

СШах (СН4) в составе биогаза за весь период, % об. 65,1 84,0 84,6 89,6 92,1 91,6

VcvMMaDH.CCHt), ДМ 2,4 4,4 5,6 6,6 6,4 7,1

В результате исследований процесса сбраживания ила установлено: -для получения большого количества биогаза с высоким содержанием метана (более 85 %) наиболее подходящими являются смеси 4, 5 и 6;

-динамики выделения биогаза, изменение его состава для смесей схожи.

На основании полученных данных в качестве исходной влажности избыточного активного ила, подвергаемого сбраживанию, выбрана влажность 87 % (смесь 4).

Рис. 7. Динамика изменения состава биогаза Рис. 8. Динамика изменения содержания ме-при сбраживании смеси 4: СН4; -О- тана в составе биогаза в течение процесса CO¡; "О" O2+N2. сбраживания в зависимости от влажности

исходной смеси, %: -О 81,82; -ir 82,46;

-0-91,73.

Это обосновано полученной динамикой выделения биогаза с достаточным количеством метана в его составе и показателями сброженного остатка, для использования его в качестве связующего вещества.

Самовоспламенение проб остатка, высушенного до постоянной массы и помещенного в муфельную печь, происходило в интервале температур 400-450°С, что является хорошим показателем и подтверждает возможность использования сброженного остатка как компонента топлива.

Таким образом, для получения связующего вещества выбраны следующие условия сбраживания: температура - 37°С; влажность смеси - 87 %; при исходной влажности обезвоженного избыточного активного ила W=81,82 % со-

отношение кек/вода должно составлять 67,3/32,7; время сбраживания - 18 сут.

Таблица 4

Параметры Наименование смеси

поверочная газовая смесь биогаз 1 (3-ий день) биогаз 2 (12-ый день) биогаз 3 (21 -ый день)

Состав смеси, % об.

СН4 72,0 40,4 91,4 86,1

С02 28,0 22,2 6,1 11,5

Прочее - 37,4 2,4 2,4

Высшая теплота сгорания (С>ДмДж/м3 25,8 14,5 32,8 30,9

Эквивалент в т условного топлива 0,88 0,49 1,12 1,05

В этих условиях далее получали связующее для топливных гранул. Получение топливных гранул и изучение их свойств

Получение гранул состояло из следующих операций:

1. Приготовление исходной , смеси (шихты) с заданными соотношениями наполнитель/связующее/модифицирующие добавки для повышения потребительских свойств.

2. Формование смеси окатыванием в созданном лабораторном барабанном грануляторе.

Лабораторный гранулятор представляет собой пластиковую емкость <1=40 см с завинчивающейся крышкой (на рис. 9 не показана). Поворот барабана

осуществлялся за счет вращения вала двигателем. Оптимальные время и скорость вращения барабана определяли экспериментально и принимали постоянными для всех дальнейших опытов.

3. Сушку гранул проводили в естественных условиях и при температуре 105±5°С в сушиль-Рис. 9. Внешний вид лабораторного гранулятора: ном шкафу.

1 - барабан; 2 - мотор и валковый механизм вра- Изучение процесса горения

щения барабана полученных топливных гранул

производили в лабораторных условиях в муфельной печи, а также на опытной установке (рис. 11), представляющей собой твердотопливный водогрейный котел, соединенный замкнутым контуром с отопительным элементом (водяной калорифер).

Изучено два типа смесей для получения топливных гранул с добавлением опудривающих веществ:

1. Угольные отходы и некондиционные продукты/связующее.

2. Угольные отходы и некондиционные продукты/связующее с добавлением коксовой мелочи и/или пыли.

Для каждой смеси подобран состав и определены свойства. По результатам изучения рецептур гранул получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Однородность и диаметр получаемых гранул зависели от влажности и состава гранулируемой смеси. Получаемые гранулы представлены на рис. 10.

Для изучения изменений свойств топливных гранул, при варьировании их рецептур, были получены гранулы различного состава. При проведении экспериментов в первую очередь обращали внимание на ход процесса окатывания и возможность реализации его в промышленных условиях. Гранулы после формования подвергали сушке и анализировали. Определяли прочность гранул на истирание, как основной параметр, показывающий возможность их дальнейшего использования.

а б

Рис. 10. Внешний вид получаемых гранул: а - смесь состава угольный отсев/связующее -50/50; б - смесь состава угольный шлам/связующее - 60/40; в - смесь состава угольный шлам/связующее - 60/40, модифицирующая добавка - 1 % от массы смеси

Выбор данного параметра обоснован необходимостью:

- транспортирования гранул из сушильного аппарата к месту погрузки;

- перевозки в таре, при этом гранулы не должны истираться при трении друг о друга и разрушаться от давления верхнего слоя загрузки;

- загрузки гранул в котел и создании слоя необходимой высоты.

Установлено, что наиболее эффективным является содержание связующего вещества равное 32-35 % масс. Полученные топливные гранулы характеризовались следующими свойствами: ()/=20-22 МДж/кг, прочность на истирание 75-80 % (остаток на сите 5 мм), А'1=25-35 %.

Для повышения теплоты сгорания и температуры горения топлива в смесь вводили коксовый наполнитель (до 10-25 %), что позволило снизить необходимость в угольном наполнителе при сохранении прежней теплоты сгорания гранулы.

Для изучения влияния модифицирующих добавок на свойства гранул и ход процесса окатывания в состав смеси вводили измельченную бумажную массу (табл. 5).

Смесь 1 выбрана в качестве исходной, поскольку содержит достаточно связующего вещества для получения прочных гранул, но при этом избыточную влажность. Увеличение добавляемой бумажной массы до 1,26 % (смесь 2) и 2 % (смесь 3) снижает влажность окатываемой смеси и положительно влияет на ход процесса окатывания.

Отмечено, что достаточно добавки 2 % измельченной бумажной массы в смесь 7 (см. табл. 5.) для получения гранул, не деформирующихся при столкно-

вении друг с другом и не налипающих на внутреннюю поверхность гранулято-ра. Дальнейшее введение добавок (смесь 4 и 5, см. табл. 5) приводит к уменьшению фракционного состава получаемых гранул, что недопустимо для их дальнейшего использования.

Таблица 5

Рецептуры топливных гранул с модифицирующими добавками

Компоненты, входящие в состав получаемого топлива, % масс Обозначение смеси

1 2 3 4 5

Угольный отсев 16,7 16,5 16,4 16,3 16,2

Угольный шлам 44,4 43,9 43,5 43,3 43,1

Сброженный остаток 38,9 38,4 38,1 38,0 37,8

Измельченная бумажная масса - 1,2 2,0 2,4 2,9

Для гранул с модифицирующими добавками (см. табл. 5) изучены основные свойства (табл. б).

Таблица б

Компонент Смесь 1 Смесь 2 Смесь 3 Смесь 4 Смесь 5

Зольность (А11), % 21 23 26 31 32

Истираемость, % 46,3 50,9 72,2 67,9 63,4

Высшая теплота сгорания (<ЗД МДж/кг 21,9 22,0 22,0 21,8 21,9

Прочность и свойства смеси 3 подходит для реализации в опытных условиях и их дальнейшего использования. Получение связующего вещества было реализовано на опытной установке (см. рис. 2) с применением мер повышения безопасности процесса, описанных во 2-ой главе.

Исследования по сжиганию гранул на опытной установке (рис. 11) показали, что наличие добавок в составе топливных гранул не создает препятствий для их возгорания.

Размер получаемых гранул не позволял им просыпаться через колосниковые решетки котла. Самовозгорание гранул в котле наблюдалось в диапазоне температур 400-450°С.

При сжигании отмечено отсутствие посторонних запахов, упрощение облуживания процесса горения в печи, благодаря равномерному фракционному составу топлива. Поскольку гранула состоит из мелкодисперсных частиц наполнителя, это способствует большей проницаемости ее для воздуха по срав-

Рис. 11. Общий вид опытной установки по сжиганию топливных гранул: 1 - твердотопливный водогрейный котел; 2 - дымовая труба; 3 - отопительный элемент; 4 - расширительный бачок; 5 - трубы замкнутого водопроводного контура; 6 - запорные вентили;

7 - фундамент из негорючего материала

нению с плотным куском угля, что также повышает эффективность процесса сжигания.

Таким образом, в результате экспериментов исследованы технологические стадии процесса получения топливных гранул из твердых органических отходов предприятий добычи и переработки угля. Определены оптимальные

рецептуры гранул и их свойства.

Пятая глава содержит информацию для практического применения результатов выполненных исследований. Первая часть посвящена разработке принципиальной технологической схемы опытно-промышленной установки получения топливных гранул с применением мер для повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса.

Проведены расчеты основных потоков материального баланса (рис. 12; расчет представлен для переработки 1000 кг исходного сырья). Подобрано основное оборудование для агрегата мощностью 329 т/год топливных гранул.

Во второй части главы проведен технико-экономический анализ разработанной технологии.

Рис. 12. Блок-схема технологии получения топливных гранул

Установлено, что при такой мощности себестоимость производства 1 т топливных гранул на опытно-промышленной установке переработки 5000 т/год обезвоженного избыточного активного ила и получения 2632 т/год гранул составляет 2375 руб. Если провести масштабирование до мощности промышленной установки, то себестоимость продукции уменьшится на 75 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной технологической задачи обеспечения безопасности при создании технологии получения топливных гранул из отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений. Разработаны решения, повышающие промышленную безопасность получения топливных гранул и имеющие важное значение для экономики страны.

Основные научные результаты, выводы заключаются в следующем:

1. В разработанной технологии применены способы снижения пожаро- и взрывоопасности стадий обращения с мелкодисперсными частицами техногенных угольных образований.

2. Экспериментально доказана возможность использования в качестве свя-

зующего вещества остатка анаэробного сбраживания избыточного активного ила городских станций аэрации. Установлены закономерности влияния влажности исходного обезвоженного избыточного активного ила, подвергаемого сбраживанию, на свойства получаемого сброженного остатка. Экспериментально определена оптимальная влажность исходного сырья (87 %) для получения связующего вещества.

3. Для повышения пожаро- и взрывобезопасности метантенков и материалов вблизи них предложено реализовать обогрев метантенка термопленкой, а его теплоизоляцию выполнить из негорючих материалов на основе термообра-ботанного и гранулированного силиката натрия.

4. Впервые установлены физико-механические характеристики топливных гранул, исследованы зависимости гранулометрического состава, прочностных и потребительских свойств получаемого топлива от различных соотношений вводимого угля, кокса, связующего и модифицирующих добавок.

5. Впервые разработана безопасная технология получения топливных гранул путем утилизации отходов предприятий добычи и переработки угля и отходов биологических очистных сооружений, включающая процессы анаэробного сбраживания обезвоженного избыточного активного ила и формования топливных гранул методом окатывания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ушаков А.Г. Получение твердого топлива из отходов. Проблемы и способы реализации // Альтернативная энергетика и экология. - 2011. - №7. -С. 106-114.

2. Ушаков А.Г. К вопросу совместной переработки избыточного активного ила и твердых углеродсодержащих отходов / А.Г. Ушаков, Б.Г. Трясунов, Г.В. Ушаков // Ползуновскийвестник. - 2010. - № 3. - С. 266-270.

3. Ушаков А.Г. Утилизация обезвоженного избыточного активного ила с получением топливных гранул // Вест. Кузбасс, гос. технич. ун-та. - 2010. — №5.-С. 110-112.

4. Брюханова Е.С. Проблемы утилизации мягких отходов древесины и отходов животноводства / Е.С. Брюханова, Г.В. Ушаков, А.Г. Ушаков // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - № 5. - С. 71-82.

Патенты:

5. Пат. 2418038 Российская Федерация, МПК С 10 L 5/42. Состав для получения твердого формованного топлива / Брюханова Е.С., Ушаков Г.В., Басова Г.Г., Ушаков А.Г., Елистратов A.B., Елистратова О.В.; заявитель и патентообладатель КузГТУ. - № 2009129713/05; заявл. 03.08.09; опубл.: 10.05.11.

6. Пат. 2424280 Российская Федерация, МПК С 10 L 5/42, С 10 L 5/44. Состав для получения формованного топлива / Брюханова Е.С., Ушаков Г.В., Басова Г.Г., Ушаков А.Г., Елистратов A.B., Елистратова О.В.; заявитель и патентообладатель КузГТУ. - № 2009140266/05; заявл. 30.10.09; опубл.: 20.07.11.

В других изданиях:

7. Ушаков А.Г. Утилизация шламов угледобывающих и углеперерабаты-

вающих предприятий Кузбасса / А.Г. Ушаков, P.C. Золкин, A.B. Балахнин // Материалы XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий». - Новосибирск. - 2009. -С. 163-164.

8. Ушаков А.Г. Влияние опудривающих добавок на получение и свойства топливных гранул состава угольный шлам-органическое связущее // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология b'XXI веке». - Томск. - 2010. - Т. 2. -С. 207-209.

9. Брюханова Е.С. Получение твердого топлива из отходов / Е.С. Брюха-нова, А.Г. Ушаков // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010».-Кемерово.-2010.-Т. 1.-С. 126-128.

10. Ушаков А.Г. Управление техногенными рисками при разработке процессов комплексной переработки органических отходов / А.Г. Ушаков, Е.С. Брюханова, Г.В. Ушаков // Сборник докладов 3-ей Международной научно-практической конференции «Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе». - Новокузнецк. -2010. - С. 167-172.

Подписано в печать 26.12.2011 Формат 60x84/16. Бумага офсетная.. Отпечатано на ризографе Уч.-изд. л. 0,28. Тираж 130 экз. Заказ Ш КузГТУ. 650000, Кемерово* ул. Весенняя, д. 28 Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, д. 4а

61 12-5/1586

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.Горбачева»

РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(отрасль химическая)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Ушаков Андрей Геннадьевич

Научный руководитель -д-р. хим. наук, профессор Б.Г. Трясунов

Кемерово 2011

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР................................................... 11

1.1. Промышленная безопасность при разработке технологии переработки и утилизации органических отходов.......................................... 11

1.2. Пожаро- и взрывоопасность техногенных угольных образований........ 12

1.3. Отходы биологических очистных сооружений,

направления их использования и переработки................................................ 20

1.4. Направления утилизации отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений........................... 24

1.4.1. Выбор связующего вещества.................................................................. 25

1.4.2. Способы гранулирования твердых горючих отходов.......................... 29

1.5. Промышленная безопасность при разработке технологии переработки техногенных угольных образований.......................................... 36

ГЛАВА 2. ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ............. 39

2.1. Факторы, определяющие промышленную

безопасность технологии................................................................................... 39

2.2. Реализация решений по обеспечению промышленной

безопасности технологии................................................................................... 41

ГЛАВА 3. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................... 54

3.1. Структура эксперимента............................................................................ 54

3.2. Характеристика исходных объектов исследования............................... 56

3.2.1. Характеристика избыточного активного ила........................................ 56

3.2.2. Характеристика твердых горючих углеродсодержащих отходов

и некондиционных продуктов........................................................................... 57

3.3. Установки и методики проведения экспериментов................................. 58

3.3.1. Анаэробное сбраживание обезвоженного избыточного

активного ила............................................................................................................................................................................................................58

3.3.2. Получение топливных гранул..................................................................................................................................61

3.3.3. Испытание топливных гранул в лабораторных условиях и

на опытной установке................................................................................................................................................................................62

3.3.4. Методики анализа сырья, полупродуктов и продуктов..............................................65

3.4. Статистическая обработка экспериментальных данных..................................................69

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ......................................71

4.1. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях........ ..............71

4.1.1. Получение связующего вещества.......................... ..................................................................71

4.1.2. Анализ выделяющегося биогаза..........................................................................................................................76

4.1.3. Обсуждение результатов сбраживания обезвоженного избыточного активного ила..............................................................................................................................................................80

4.2. Изучение возможности использования остатка анаэробного сбраживания в качестве связующего вещества.................... ......................................................81

4.3. Получение топливных гранул........................................................................................................................................84

4.3.1.Получение топливных гранул на основе угольных

отходов и некондиционных продуктов........................................................................................................................84

4.3.2. Топливные гранулы с добавками некондиционных

продуктов коксования................................................................................................................................................................................97

4.3.3. Обсуждение результатов лабораторных экспериментов

по получению топливных гранул..........................................................................................................................................99

4.4. Исследования на опытной установке..........................................100

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................................................102

5.1. Разработка безопасной технологии переработки

техногенных угольных образований................................................................................................................................102

5.2. Основные экономические показатели разработанной

технологии............................................................................................................................................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................................................115

ВЫВОДЫ.................................................................................................. 116

м _

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОМ ЛИТЕРАТУРЫ..................................... 117

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Соблюдение норм пожарной безопасности при разработке технологий - одно из главных требований, закрепленных в нормативных актах в области эксплуатации опасных промышленных объектов.

Отходы предприятий угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности характеризуются значительными объемами, и присутствие в их составе пылевидных фракций способствует повышению их пожаро- и взрывоопасности, что достоверно подтверждается большим числом самовозгораний отвалов. Нередки взрывы на угольных отвалах и, как следствие, большие выбросы пыли и породы в воздух на значительные расстояния. Потому вопросы предупреждения возгораний отвалов в условиях повышенного внимания к экологии и безопасности угольного производства приобретают большое значение.

На сегодняшний день для ликвидации отходов угледобычи и углепере-работки разработано множество методов. Внедряются способы получения и сжигания пыле- и водоугольного топлива. Однако подобные технологии сами представляют потенциальную взрыво- и пожароопасность, поскольку основаны на измельчении сжигаемого топлива до мелкодисперсных размеров (до 90 мкм), особенно на стадиях его приготовления и подготовки сырья.

Необходимо разработать пожаро- и взрывобезопасную технологию утилизации техногенных угольных образований, в сравнении с применяемыми способами сжигания пылевидных отходов добычи и переработки угля.

Анализ литературы, в том числе патентной, позволяет заключить, что эффективным методом утилизации пылевидных отходов являются гранулирование и брикетирование с получением бездымного топлива. При этом необходимо решить задачу поиска связующего вещества, которое бы не ухудшало теплотехнических характеристик получаемых продуктов.

Поиск эффективного связующего показал возможность использования обезвоженного избыточного активного ила городских очистных сооружений с одновременным решением важнейшей экологической проблемы. Однако

подобные остатки содержат значительное количество патогенной микрофлоры, имеют специфический запах, и их прямое использование нежелательно.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в исследованиях, направленных как на разработку безопасной технологии утилизации отходов угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, так и на получение из них полезных продуктов - топливных гранул, что приведет к снижению экологической нагрузки.

Целью работы является разработка безопасной технологии утилизации техногенных угольных образований для получения топливных гранул.

Идея работы заключается в разработке технологии получения топливных гранул из техногенных угольных образований, исключая пожаро- и взрывоопасные стадии обращения с мелкодисперсными фракциями отходов.

Объект исследования:

- отходы добычи, обогащения и переработки угля и некондиционные продукты, в частности, угольный отсев, шлам, коксовая мелочь и пыль;

- обезвоженный избыточный активный ил.

Предмет исследования:

- факторы, обеспечивающие промышленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований;

- изменения свойств остатка анаэробной переработки и состава биогаза от влажности исходной смеси при сбраживании обезвоженного избыточного активного ила;

- влияние количества связующего вещества в составе формуемой смеси на эффективность процесса гранулирования;

-изменения прочности и теплоты сгорания получаемых топливных гранул от соотношений вводимых наполнителя, связующего вещества и добавок.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Найти наиболее эффективный метод безопасной утилизации пыле-

видных отходов на основании сравнительного анализа существующих технологических решений в области переработки техногенных угольных образований.

2. Обосновать безопасное применение остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.

3. Разработать способы повышения промышленной безопасности процессов анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила и получения топливных гранул.

4. Установить оптимальную рецептуру топливных гранул состава уголь/связующее, уголь/кокс/связующее.

5. Разработать принципиальную технологическую схему получения топливных гранул с реализацией разработанных решений повышения безопасности процессов.

Методы исследования

В работе использованы: физико-химические методы анализа (хромато-графический, дериватографический, калориметрический, рентгенофазовый) исходного сырья и полученных продуктов, а также методы гранулометрического и технического анализа твердых энергоносителей.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. В процессе переработки техногенных угольных образований образуются факторы, оказывающие влияние на состояние промышленной безопасности: на стадии обеззараживания обезвоженного ила - пожаро- и взры-воопасность образующегося газообразного энергоносителя, при обращении с мелкодисперсными угольными отходами - пыление.

2. Объем выделяемого биогаза и его теплота сгорания находятся в прямопропорциональной зависимости от влажности сбраживаемой смеси в интервале от 80 до 90 %; влажность исходной смеси 87 % является оптимальной, при которой свойства остатка анаэробной переработки являются подходящими для использования его в качестве связующего вещества.

3. Повышение безопасности эксплуатации метантенков и материалов вблизи них достигается использованием: ИК-пленки - для обогрева метан-тенка; негорючих материалов на основе гранулированного и термообрабо-танного силиката натрия - для теплоизоляции метантенка.

4. Метод окатывания в барабанном грануляторе позволяет получить прочные гранулы при добавлении связующего вещества в количестве 3035 % мае. и способствует повышению промышленной безопасности при формовании мелкодисперсных отходов предприятий добычи и переработки угля.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена

научно и методически обоснованной постановкой задач по обеспечению безопасности процессов получения топливных гранул; использованием калориметра «БКС-2Х» с малой погрешностью для достаточно точного проведения экспериментов по определению теплоты сгорания топливных гранул; хорошей воспроизводимостью экспериментов при идентичных начальных условиях; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

1. Обосновано использование остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.

2. Впервые установлено, что при увеличении влажности обезвоженного избыточного активного ила в процессе сбраживания с 80 до 90 % у получаемого остатка после анаэробного сбраживания происходит увеличение липкости.

3. Установлено, что содержание остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила в составе топливных гранул должно варьироваться в пределах 30-35 % мае.

4. Разработана технология получения топливных гранул путем переработки техногенных угольных образований и биологических очистных со-

оружений с реализацией разработанных решений повышения безопасности процессов.

Практическое значение работы:

1. Впервые для получения топливных гранул из угля и кокса в качестве связующего вещества использован остаток анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила.

2. Определены соотношения компонентов, вводимых в состав топливных гранул, позволяющие достичь достаточной теплоты сгорания и прочности топливных гранул для реализации их потребителю.

3. Предложен способ и принципиальная технологическая схема получения топливных гранул на основе угольного отсева, шлама, пыли, коксовой мелочи, пыли и связующего вещества, позволяющие снизить экологическую опасность, а также пожаро-, взрыво- и пылевзрывоопасность процесса.

Реализация разработанных положений позволит решить проблему утилизации накопленного обезвоженного избыточного активного ила, отходов и некондиционных продуктов предприятий добычи и переработки угля. Получение топливных гранул позволяет снизить потребление традиционных природных ресурсов, что сопровождается положительным экономическим эффектом. Разработанные решения существенно повысят безопасность технологических процессов получения связующего вещества и формования топливных гранул.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010» (Кемерово, 2010 г.), XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010 г.), XIV Международной экологической

студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009 г.), X Всероссийском студенческом научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.).

Практическая часть диссертационной работы является основой проекта, занявшего третье место в региональном конкурсе Администрации Кемеровской области «Меры по повышению конкурентоспособности экономики Кемеровской области» в номинации «Энергосбережение и энергоэффективность» (2009 г.). Получен грант по программе «У.М.Н.И.К.-2010», проводимой в рамках Кузбасской недели предпринимательства и бизнеса.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ в курсе «Основы промышленной экологии».

Личный вклад автора заключается в анализе проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке результатов, формулировке выводов, подготовке к публикации докладов и статей.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе в 4 изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 патента № 2418038 «Состав для получения твердого формованного топлива» от 03.08.2009 г. и патент № 2424280 «Состав для получения формованного топлива» от 26.01.2011 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы; изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 114 наименований.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ

ОТХОДОВ

Технологические решения в области переработки и утилизации техногенных отходов и образований включают в себя обращение с опасными производственными объектами, на которых получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются, уничтожаются опасные вещества (воспламеняющиеся, окисляющиеся, горючие, взрывчатые, токсичные, высокотоксичные; вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды); используется оборудование, работающее под давлением более 0,07 МПа или при температуре нагрева воды более 115°С. Такие технологии должны соответствовать требованиям Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ.

Главными требованиями являются защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, а также нормы санитарно-э�