автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Получение бездымного бытового топлива из бурых углей Канско-Ачинского бассейна методом термобрикетирования

^ ^ МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ

•V V

^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени ИНСТИТУТ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

На правах рукописи

ЕЗУПОВА МАРИНА ДМИТРИЕВНА

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗДЫМНОГО БЫТОВОГО ТОПЛИВА ИЗ БУРЫХ УГЛЕЙ КАНСКО-АЧИНСКОГО БАССЕЙНА МЕТОДОМ ТЕРМОБРИКЕТИРОВАНИЯ

Специальность 05.17.07 "Химическая технология топлива"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте горючих ископаемых Министерства топлива и энергетики Российской Федерации

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Фомин А.П.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

Ведущая организация: Научно-производственный центр "Брикет"

диссертационного - „ уте горючих ископа-

емых Министерства топлива и энергетики Российской Федерации по адресу : 117910, Москва, ГСП-1, Ленинский пр. д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горючих ископаемых.

профессор Еремин И.В.-

доктор технических наук, профессор

Гюльмисарян Т.Г.

Защита состоится

часов на заседании

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

Кост Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Более • 15% добываемого в России угля используется для производства тепловой анергии в слоевых топочных устройствах жилищно-коммунального хозяйства, конструкции которых рассчитаны на сжигание кускового топлива. Годовая потребность в окускованном топливе в настоящее время в России достигает 60 млн.тонн. На период 1995-2005 гг эта потребность будет сохраняться на уровне 50-55 млн. тонн в год, при этом ежегодный дефицит в окускованном топливе составит около 10 млн.т. Такая высокая потребность в топливе и его постоянный дефицит должны стимулировать разработку процессов окускования отсевов и производства брикетированного топлива на базе относительно дешевых бурых углей Канско-Ачинского бассейна.

Проблема экологически чистого сжигания твердых горючих ископаемых имеет важное значение в связи с огромным их потреблением в энергетике, особенно в бытовых печах. Если на крупных электростанциях , коксохимических, углеперерабатывающих предприятиях возможна организация централизованного улавливания вредных выбросов, то выбросы бытовых печей, малых котельных и других мелких энергетических потребителей угля практически ликвидировать невозможно. Для этих систем сжигания возможен только один путь - использование в них топлива, не выбрасывающего дыма и копоти, т.е. бездымного топлива. Относительная экологическая чистота его при этом определяется в основном количеством и характером летучих веществ, физическими и физико-химическими свойствами сжигаемого топлива.

В настоящее время в мире усиливается тенденция использования в малых промышленных топках и бытовых печах экологически чистых видов топлив, в частности окускованного твердого топлива.

На долю России приходится около 45 % мировых ресурсов и около 17% разведанных запасов угля, в том числе значительную долю составляют крупные угольные бассейны, характеризующиеся благоприятными горно-геологическими условиями с возможностью применения открытого способа разработки. К ним относится и Канско-Ачин-ский бассейн, запасы угля в котором оцениваются в 110 млрд.т.

Угли этого бассейна являются малометаморфизованными с высоким выходом летучих веществ, повышенным содержанием влаги, и как правило, имеют низкую агрегативную устойчивость. Сочетание огромных запасов угля и дешевого способа их добычи делают этот район Восточной Сибири наиболее перспективным для применения технологий,

увеличивающих потребительскую стоимость добываемого топлива.

Разрабатываемая в Институте горючих . ископаемых с участи автора технология термического брикетирования плотных бурых угл заключается в скоростном нагреве измельченного угля до температу термической деструкции и его брикетирования в нагретом состояв без использования каких-либо связующих Ееществ. Конечным продукт данной технологии является высококачественное бездымное бытов топливо - термобрикеты.

Создание промышленного производства .термобрикетов из угл Канско-Ачинсного бассейна предусмотрено Государствен научно-технической программой "Экологически чистая энергетика Этой программой 'намечено создание в ближайшие годы опытн установки производительностью 5 тонн в час, а в перспекти промышленного производства мощностью I млн.т в год.

Цель работы:

- исследование механизма формирования уплотненных структ термообработанных бурых углей при термобрикетировании;

- разработка технологии термобрикетирования бурых угл (применительно к углям Березовского месторождения) и определен оптимальных параметров процесса;

- подготовка исходных данных для практической реализации те нологии в промышленности.

Научная новизна:

- установлено влияние петрографических, составляющих бурых у лей на процесс термобрикетирования и качество брикетов;

- выявлено наличие механохимического эффекта в процессе упл тнения термически обработанных плотных бурых-углей и формирован структуры термобрикета;

- разработаны методологические основы оценки пригодности угл' для производства бытового топлива.

Практическая ценность:

- разработана технология получения бездымного топлива метод термобрикетирования и .техническая документация для ее реализации промышленности;

- предложен и обоснован метод комплексной оценки термобрике1 ного топлива для использования в топках со слоевой системой сжит; ния.

Автор диссертации защищает:

- критерии требований к сырью для получения термобрикетно:

топлива;

- обоснованные технологические параметры производства термобрикетов из углей Березовского месторождения Канско-Ачинского угольного бассейна;

- механизм образования термобрикетов.

Апробация работы:

Отдельные разделы диссертационной работы были доложены: - на И-м Всесоюзном совещании по химии и технологии твердого топлива (Москва, I9S2 г.); на ХХХИ-й конференции молодых научных работников и аспирантов Института горючих ископаемых (Москва, 1983 г.); на Годичной сессии Ученого соЕета ИГИ (Москеэ, 1993 г.); на Международной конференции "Использование угля и проблемы окружающей среды" (США, май 1993 г.); на 12-м Международном конгрессе по обогащению углей (Польша, Краков, май 1994 г.).

Публикации:

По результатам выполненных исследований опубликована 4 работы.

Объем работы:

Диссертационная работа, состоящая из введения, пяти глав, выводов и приложения, изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков, 30 таблиц, и список использованных источников из 94 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕЕЯАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена проблемам получения брикетированного угольного топлиеэ для жилищно-коммунального хозяйства. 3 ней подробно изложено значение процессов окускования в переработке и использовании угольного топлива , приводится потребность жилищно-коммунального хозяйства и населения России до 2010 года, рассматривается потребность в топливе для основных регионов России. Б настоящее время ежегодный дефицит сортового угольного топлива составляет около 10 млн.тонн.

Одним из основных способов устранения сложившегося дефицита в нем и повышения потребительских свойств углей является окускование угольной мелочи методом брикетирования. Приведенный в этой главе литературный обзор по современным процессам брикетирования углей в мировой и отечественной промышленности показал, что использование для получения окускованного топлива метода брикетирования со связующим в валковых прессах при относительно низком давлении (15-20 Ша) затруднено в основном необходимость» изыскания оптимальных

связующих, а также из-за повышенной дымности конечного продукта.

Недостатком применяемых в настоящее время техножл брикетирования углей в штемпельных прессах без связующего являе: их избирательность по отношению к сырью. Эти технологии приго; только для мягких обводненных бурых углей марки 1Б (У/г=50-60%).

Вследствие отмеченных недостатков технологий окусковаш наиболее целесообразным представляется использование процессов б{ кетировакия углей с предварительной их термообработкой перед прб сованием. Такую термообработку можно производить более интенсивно в компактных аппаратах, по сравнению с термообработкой брикете При термобрикетрованки углей с высоким выходом летучих вещее добавления специального связующего не требуется, так как связуюп основой термобрикетов служат высокотемпературные продукты пирож углей, оставшиеся в них после термообработки. В определен:-степени количество этих веществ характеризуется' выходом смс полукоксования (Тдк по ГОСТ 3168-91).

В основу технологии термобрикетирования положено совмещен термической обработки угля с механическим давлением, накладываег^ на материал при температуре его термической деструкции. В резулы те образуется термически обогащенное кусковое топливо - термобрик обладающее структурой, существенно отличающейся от структуры исхс ного угля. Это топливо характеризуется термической и механическ прочностью, водоустойчивостью, повышенной теплотой сгораш! пониженным (по сравнению с исходным углем) выделением дыма и сгорании в бытовых печах.

Угли Канско-Ачинского бассейна по своим природным свойстве огромным запасам и минимальной себестоимости добычи представля собой наиболее перспективное сырье для организации производства промышленных масштабах экологически чистых видов твердого топлив Наиболее мощный в этом бассейне Березовский разрез обеспеч запасами (при проектной мощности около 30 млн. тонн в год) на лет. Основные качественные показатели углей месторождения приведе в табл.1.

Во второй главе диссертации приводятся результаты исследован механизма формирования уплотненной структуры термичес обработанных бурых углей в процессе их термобрикетировани проводится анализ современных теорий процесса брикетирования бур углей со связующим и без него.. При этом делается практический выв о преимуществах термобрикетирования перед другими методами окуск

Таблица I

Основные характеристики барезовских углей по месторождении и по товарным пробам разреза

Основные показатели Пределы колебаний Средние значения

по месторождению по товарным пробам

Технический анализ, % яг 28 - 34 33,4

А* 5 _ 13 7,0

уйа£ 45 - 49 43,3

Элементный состав, % сйаГ 71 _ 73 71,5

н<1аГ 4,6 - 5,3 5,0

0,3 - 0,7 0,4

№ 0.6 - 0,8 0,8

по разности 0даГ 20 - 23 22,5

Петрографический V* 83 - 96 85,0

состав,% ЭУ 2 - 13 8,5

I 0 - 10 6,0

Ъ 0 - 2 0.5

Показатель отракения витринита,% йО.З - 0,48 0,36

Выход продуктов полукоксования,% ** 6 - 9 8,0

К А П (вк) 9 - 12 10,0

65 - 72 63,0

Теплота сгорания, МЯж/кг <э| 15,1 - 16,3 15,5

Классификация по ГОСТ 25543-88 код 0203005 - 0403005 0303005 Марка 2Б 2Б

вания тошпгв.

В результате анализа современных представлений предложен механизм процесса термобрикетировакия, определяемый четырьмя основными факторами. Первый - уплотнение полидисперсной массы нагретых угольных частиц при наложении давления; второй -воздействие адгвзионно-когезионных сил на поверхности контактов нагретых и частично пластифицированных угольных частиц за счет выделения смолистых жидких продуктов пиролиза. Наиболее важный третий фактор - активная реализация свободных химических связей радикалов, которые образуются в процессе нагрева к термической деструкции органической массы. И наконец, четвертый фактор,' действующий в противоположность третьему -интенсивное выделение летучих продуктов, которые удаляются не полностью, а частично

остаются в прессуемой массе. При прессовании такой массы, наряду увеличением плотности угольного материала, сжимается и парогазоЕг фаза, а упругое ее расширение при снятии давления приводит образованию трещин в брикете.

Для изучения химических процессов, протекающих на стадиях не грева угля и наложения давления на него при термобрикетированик были проведены исследования с использованием ряда химических физико-химических методов, позволяющих оценить изменение структур органической массы исходных, промежуточных и конечных продукте процесса. Углубленный анализ системы "уголь - нагретый уголь - тер мобрикет" включал в себя элементный и группоЕой химический анализ ИК - спектроскопию, рентгеноструктурный анализ.

С применением комплекса этих методов были исследовав товарные пробы углей, отобранные на различных участках разрез Березовский-1, из которых на стендовой установке: были получек термобрикеты разной прочности (табл.2). Обычные методы анализ (технический анализ, элементный состав и показатели Т^ и vdaf) а быяеили существенной разницы между этими пробами.

В то же время были выявлены отличия в некоторых специфически показателях химического состава молекулярной и надмолекулярнс структуры. Так, проба I, из которой получены более прочнь термобрикеты, была более восстановленная, содержала по сравнению пробой 2 меньше активных кислых групп, имела больший выхе хлороформенного экстракта, содержала в молекулярной структур больше ароматических и непредельных соединений (СНа_, Сд°нд

Особенно заметно различие между пробами по содержанк кислорода в неучтенной форме (0Н ф ), которое составля! соответственно 8,6 и 3,6%., т.е. в гетероциклах, эфирных мостиках альдегидах, лактонах. Повышенное содержание этих структур и друп: непредельных соединений облегчало деассоциащпо угольного вещества процессе его термической деструкции. В пробе I снижено' количестЕ активных кислых групп (С=0, СОН и СООН). Этими особенностями строе ния угля вероятно можно объяснить увеличение выхода хлороформенног экстракта из пробы I по сравнению с пробой 2 на 10% отн.

Наблюдались отличия и в надмолекулярной структуре угля пробы по сравнению с углем пробы 2: более высокие значения углеродно! слоя (La) и высоты углеродного кластера (Lc). На более однородну структуру угля пробы I указывало и отсутствие на рентгенограмме

Таблица 2

Особенности химического строения углей Березовского месторождения и прочность термобрикетов из них

Характеристики Пробы углей

I 2

Элементный состав, % С4аГ 71,63 71,42

Н43* 5,07 5,11

НйаГ 0,74 0,73

04 22,19 22,41

Атомные отношения, (К/С)ат 0,85 0,36

(0/С)._ 0,23 0,2

Еыход летучих вещестЕ, V , % 47,7 -47,4

Выход смолы полукоксования, 8,5 8,7

Выход хлороформе иного экстракта, %_______________1А78_______1^61

Активные кислые группы, - общее содержание 3,27 3,63

мг-экв/г - карбоксильные 0,55 0,65

__________________________г_Ф§но.пьше_гигооксилы_2_172_______3А08_

Содержание углерода СНар 5,5 4,6

в структурных группах, - 46 6 45 7

% от с6** сНз г!о б!8

(Щ 34,1 28,7

С=0 6,5 8,9

СОН 4,5 5,2.

СООН 0,8 1,1

Г, 0,68 0,64

А

_____________________________8а6________3,6

Данные рентгеноструктурного исследования:

- положение максимумов а- I таг общий профиль 3,79 3,61

- 7-полоса - 3,94 -•»(002) - 3,40

(10) 2,16 2,07

- (004) 1,71 1,70

- (II) 1,19 1,19 \ 9,4 9,0 I. - 13,8 13,2

э»

Прочность стендовых термобрикетов и ,МПа 7,0 5,5

7-полосы. В угле пробы I основная масса CKg- групп, по-видимом, приходилась на гидроароматические структуры, так как по дакк рентгеноструктурного исследования для максимума слоевой дифракц (10) определено положение 2,16 А0, характерное для гидроароматич< ских образований .

Таким образом, в этой работе было впервые показано, ч' характеристики Еыхода хлороформеиного экстракта (БХЭ); молекулярн« и надмолекулярной структуры угля отражаются на прочности термобр] кетов.

Определение основных химических показателей проб, полученных разных опытах на стендовой установке при разных технологических pi жимах показало, что такие характеристики угля, как (Н/С) , ВХЗ i смолк полукоксования (Tgk) устойчиво снижались в соответствии термической деструкцией органической массы угля и удалением из зо1 реакции образовавшихся летучих продуктов деструкции..

Другая картина наблюдалась на стадии наложения давления п] заданной температуре термической деструкции. Разница в элемент» составе термобрикета и нагретого угля была несущественной и колеб; лась в пределах ошибок опыта. Показатель выхода летучих вещее (вычисленный как среднестатистический по 4-8 пробам) у термобрике' был на 0,5-2,0% выше, чем у нагретого угля. Во всех без исключен! случаях в" термобрикете возрастал показатель выхода смолы ] 0,6-1,7% и показатель ВХЭ на величину от 0,1 до 0,3% .

Возрастание последних трех показателей свидетельствует -о Tôt что в процессе наложения давления термическая деструкция оргакиче< кой массы нагретого угля протекает с образованием дополнительны; жидких смолообразных продуктов, пластифицирующих прессуемый уголь играющих роль связующих веществ. Это можно объяснить механохимич« ским эффектом формирования структуры термобрикета из нагретого уг. в результате наложения на него давления в течение време; прохождения брикета по каналу штемпельного пресса в замкнут« объеме.

Предложена гипотеза о том, что механохимический эффект при те] моСрикетировании обусловлен диспропорционировакием водородных со« ,динений, образовавшихся при пиролизе и оставшихся в замкнут« объеме под давлением. Это приводило к гидрированию ароматически структур, изменению формы и строения алифатических соединений. I стадии формирования уплотненных структур из термически подгото! ленного угля в качестве связующего ' выступает модифицированные пс

- э -

действием давления жидкие продукты, обогащенные диспропорциониро-ванным в системе водородом с соотношением алифатических и ароматических структур 3:2.

Третья глава диссертации включает в себя результаты исследований по определению оптимальных параметров термос;ри:::-'Гирования березовских углей. Исследования выполнялись на лабораторной и стендовой установках, которые включают в себя оборудование для подготовки (измельчении) угля, его термической обработки (сушке, нагрезу и тепловой выдержке), горячему прессованию и охлаждению брикетов.

. На лабораторной установке изучалось влияние петрографических составляющих исходных бурых углей на свойства получаемых термобрикетов. Так как химическая активность или инертность петрографических компонентов угля может привести •к различной скорости выделения смолистых составляющих и отразиться на процессе формирования термобрикета, было специально изучено поведение различных петрографических разновидностей при термобринетровании. Для этого от товарной пробы углей Березовского месторождения были выделены я охарактеризованы основные петрографические разновидности угля (макролитотипы) и определен их микрокомпонентный (мацеральный) состав.

Основная масса берэзовского угля состоит из полуматовых, полублестящих и матовых разновидностей. Петрографический состав выделенных макролитотшгав приведен в табл.3.

Как видно из приведенных данных, наиболее прочные термобрикеты (Ксж= 5,5-5,3 МПа) были получены из полуматового и матового литотшов. В процессе термобрикетирования эти литотипы теряли 11-12 % летучих веществ и от 2,3 до 4,7 % первичной смолы, что составляло примерно четверть летучих веществ исходного угля и 30-50 % исходной первичной смолы.

Исследования показали, что блестящий и фюзеновый литотипы образовывали менее прочные брикеты, но по разным причинам. Процесс термического разложения блестящего компонента протекал очень интенсивно, из него выделялось около половины летучих Ееществ и около трех "четвертей смолистых продуктов. Уголь "спекался" в процессе нагрева (до брикетирования), а после наложения давления прочные, но хрупкие частицы полукокса разрушались и с небольшим количеством оставшихся смолистых веществ не образовывали достаточно прочный конгломерат. При термобрикетировании фюзенового

Таблица 3

Характеристика макролитотипов березовских углей и термобрикетов

М а к р о л и т 0 т и п ы исходных углей

Показатели Блестящий ПолуматоЕЫй Матовый Фюзеновый

И с х о д н ы е угли

Петрографический 96 89 90 50

состав, % I 2 6 8 42

Ь 2 3 9 2

Мацералы группы витринитаД

- телинит всего 15 34 41 10

- телинит-1 II 20 22 4

- телинит-2 4 14 19 6

- коллинит 75 45 41 : 35

- витродетринит 6 II 8 II

Показатель отражения

витринита Яо, % 0,36 0,34 0,35 0,35

Зольность А^, % 2,6 4,2 ' 4,7 4,1

Выход летучих % 46,8 48,2 48,8 42,2

С<*а£, % 72,1 71,5 72,0 73,4

Нйа£, % 5,1 5,1 4,8 4,4

ВЫХОД СМОЛЫ % 14,2 9,2 8,7 4,5

Выход полукокса (еЮ^Д 70,7 68,4 66,0 71,2

Т е р м о б р и к е ты из у глей

Зольность, 3,7 4,4 4.9 5,3

Выход летучих в-в.У^Я 26,4 37,0 36,3 оЗ 13

Выход смолы п/к,Т^к, % 3,2 5,9 4,6 3,9

Выход полукокса,(вК) Д 85,3 76,8 76,5 79,7

Потери при термобрикетировании:

- летучих 7 ,% абс. 20,4 II ,2 12,5 8,9

то же отн. 44,5 23,2 25,3 21,1

- смолы , , абс. 11,0 2,8 4,7 0,6

то же отн 77,5 32,5 47,0 12,0

Прочность, й , МПа 4,5 5,5 5,9 2,8

макролитотипа, напротив, смолистые продукты в основном задерживались в угле, выделялись незначительно, но их количество, по-видимому, не позволило получить брикеты достаточной прочности.

Сопоставление качества лабораторных термобрикетов и мацераль-ного состава исходного угля позволило выявить влияние содержания телинита в исходном угле на его термобрикетируемость (рис.1).

Влияние содержания в исходном угле телинита на прочность термобрикетов

Приведенные экспериментальные данные по термобрикетировашги различных макролитотипов серезовского бурого угля показали._сущест-венную зависимость свойстз термобрикетов от вида макролитотипов (блестящий, полуматовый, матовый, фюзеновый), что свидетельствует об определяющем влиянии петрографического состава исходного угля на процесс его термоподготовки и последующего горячего брикетирования. В частности, было установлено,что наилучшей термобрикетируемостью обладают матовые и полуматовые макролитотипы углей Березовского месторождения, тогда как из углей с преимущественным содержанием блестящих и фюзеновых литотипов получаются брикеты с нэсколько пониженной механической прочностью.

Проведена обработка данных лабораторных опытов с целью выявления количественных закономерностей по влиянию петрографического состава угля на результаты термобрикетирования.

По мацеральному составу проб углей БерезоЕского месторождения достаточно надекно (среднеквадратичное отклонение 0,5 %) мокно прогнозировать такие ванные характеристики исходного угля, как выход летучих веществ и содержание в угле смолы.

Выход летучих веществ может быть определен по формуле:

7^= ЮО L + 53,2 Vt + 44,3 Ve + 49 Yd + 33 I (I).

При учете трех разновидностей витринита получим уравнение (2) для расчета содержания смолы:

5 10 15 20 25 30 35 <0

Содержание телинита в исходном угла, %

РисЛ.

Т*. / (эк)*1 = 0,1363 Vt + 0,2727 Ус - 0,3995 V. (2).

Н я? А

В свою очередь через значения V и т;:^ могут быть рассчита! показатели прочности термобрикетов на сжатие:

Еск = 43,65 + (54,476 - 2540,28) т£к / ик)А (3), которая может быть рекомендована для прогнозирования прочностх термобрикетоЕ по общему выходу летучих веществ, а также выход основных продуктов при полукоксовании угля.

В табл.4 дано сопоставление результатов испытания лабораторных термобрикетов на прочность при сжатии'и данных прогноза н^ с использованием формул (I) - (3). Как видно предложенная петрографическая модель позволяет описать результаты опытое е широком диапазоне мацерального состава угля и прочности получаемых термобрикетов.

Таблица 4

Сопоставление опытных и расчетных значений механической прочности термобрикетов

Макролитотип Прочность термобрикетов на сжатие,Ша

исходного угля опытная расчетная

Блестящий 4,55 4,54

Полуматовый 5,52 5,72

Матовый 5,92 5,77

Фюзеновый 2,84 2,75

На основании выполненных исследований петрографического состава бурого угля с детализацией мацералов группы витринита представляется возможным определять, его физико-химические свойства v оценивать на количественном уровне ожидаемую прочность брикетов.

Кроме петрографического состава исходных углей, заметнее влияние на свойства термобрикетов оказывает их гранулометрически? состав, так как фактор поверхностного взаимодействия зерен, играв'! большую роль, чем плотность укладки.

В табл.5 представлены сравнительные характеристики проб угле разного измельчения и полученных из них на стендовой установке те£ ыобрикетов. При этом с увеличением крупности помола исходных.угле среднестатистические значения показателя прочности термобрикетс изменялись незначительно, при одновременном некотором возрастаю . показателя влагопоглощения.

Таблица 5

Свойства нагретых углей и термобрикетов из углей разной степени измельчения

Показатели Степень измельчения углей, мм

0-2 0-6 Нагретый уголь

Выход летучке веществ, vdaf,% 37,7 33,3

Выход смолы полукоксования, 5 4,3 3,9

Термобрикегы

Выход летучих веществ, 41,0 33,7

Выход смолы полукоксования, ТдкД 5,4 5,6

Плотность, й° г/см 3 1,02 1,17

Пористость, % 33 25

Прочность, ИСК, МПа 6,5 5,9

Влагопоглощение, % 3,2 4,7

Таким образом, опытами показана принципиальная возможность укрупнения гранулометрического состава исходного угля и поэтому в исходные данные для строительства опытной установки заложена исходная крупность бурого угля 0-3 мм.

С целью оптимизации процесса и получения рабочих алгоритмов оптимального управления производством термобрикетов автором совместно с лабораторией математического моделирования ИГИ разрабатывалась система математических моделей, предназначенная для использования в рамках АСУТП с апробацией математического обеспече-чения при компьютеризации проектируемой опытной установки производительностью 5 тонн/час, при этом были изучены основные параметры нагрева угля: конечная температура нагрева и,0С) и время изотермической выдержки (1, с).

В основу расчетов были положены результаты опытов, проведенных на стендовой установке по факторному плану из четырех точек, соответствующих минимуму и максимуму варьируемых величин. Приведенные в табл.6 экспериментальные результаты стендовых испытаний, принятые для математической обработки, имели достаточную степень достоверности ввиду длительности проведения опытов и большого количества исследованных товарных проб.

Качественная.оценка результатов, приведенных в табл.6,особенно по данным первых четырех опытов факторного эксперимента, свиде-

тельствуют о наличии тенденции к увеличению механической прочност: термобрикетов с ростом температуры нагрева. Повышенной прочность; отличаются термобрикеты, полученные при температуре 405-4Ю°С.

Таблица 6 Результаты опытов по термоподготовке бурого угля и получению термобрикетов

Темпер, нагрева Время выдержки Выход летучих Показатели прочности термобрикетов на

угля, °С термо- веществ,% изгиб, сжатие, сбрасывание

угля т,сек. уголь vdaf о термоуголь • vdai Ч МП а нсж МПа (выход , кл.+13 мм Of /0

330 30 46,3 41,7 0,37 2,7 -

380 120 46,3 38,8 0,16 2,0 34,6

420 30 47,3 36,1 0,57 4,8 67

. 420 120 47,3 33,1 0,47 4,8 71

380 50 48,7 43,4 0,48 4,7 -

39С 95 48,2 39,5 0,29 3,8 -

395 55 50,2 40,0 0,41 3,6 60

400 120 46,3 35,1 0,35 2,3 66

405 55 49,7 39,0 . 0,47 4,1 80

405 30 50,1 38,8 - 0,70 5,4 78,5

405 75 46,3 36,6 0,57 4,7 72,5

405 95 48,2 36,8" • 0,45 4,0 80

410 55 50,1 37,8 ; .. 0,62 4,3 78

По данным этой таблицы &ля суммарной константы скорости удаления летучих (кдф) - получено уравнение аррениуссвского типа:

йдф = 15573т"0'718 ехр(-69027/КГ) (4)

где К - универсальная газовая постоянная, т - абсолютная темпера' тура, 1 - время изотермической выдеркки. Рлс.2 демонстрирует удовлетворительное описание опытных данных по &дф в аррекиусовскк координатах, что может быть использовано также с целью корректировки резко отклоняющихся точек как по температуре угля, так и п< выходу летучих веществ из брикетов. •

Отрицательное значение степени на 1 в (4) указывает на сшга< ние суммарной константы скорости удаления летучих, т.е. на тормож ние этого процесса, при увеличении длительности изотермической В1 держки, а следовательно, приводит к уменьшению прочности термобр]

Аррениусовская зависимость эффективной константы скорости выделения летучих веществ от температуры угля

Ю4 /ИТ

Рис.2

кетов на изгиб. Напротив, повышение температуры Еедет к росту кЭф и увеличении прочности термобрикетов. Аналогичный вывод следует и из анализа регрессионной модели, согласно которой повышенная прочность на изгиб достигается при снижении времени выдержки и увеличении температуры нагретого угля (рис.3).

Поэтом у с учетом зависимости от температуры для других индексов прочности можно заключить, что оптимальным температурным интервалом термоподготовки бурого угля является 405-410°С, а оптимальное время тепловой выдержки должно составлять не более ~ 15-30 с. Эти условия' определяются, по-видимому, структурой и степенью измельчения исходного угля, а также спецификой его термохимических ■ превращений при скоростном нагреве в вихревой камере.

В этой же главе приводятся исследования условий охлаждения получаемых термобрикетов. С этой целью были разработаны методики исследований и аппаратурное оформление процесса охлаждения в условиях стендовой установки. Так как охлаждение брикетов большим количеством распыленной воды .сопровождается образованием иламовых вод, а использование для этих целей отходящих газов оказалось недостаточно эффективным, нами опробовался 3-х стадийный способ охлаждения, который заключается в том, что брикеты по выходе из штемпельного, пресса сначала охлаждаются в желобе, а затем на охладительном конвейере и водяной ванне (гидровыгружателе). Это позволит

Зависимость прочности термобрикетов от температуры и времени выдержки углей

Бремя выдержки:

1-30 сек;

2-20 сек;

3-75 сек;

4-90 сек; 5 - 120 сек

О

380 385 390 395 400 405 410 415 420 425 430

Температура нагрева уляЛ°С

Рис.3.

проводить тушение термобрикетов при малых температурных усадочных градиентах, что положительно сказывается на структуре и качестве конечного продукта.

Экологические аспекты процесса термобрикетирования рассматриваются в четвертой главе диссертации.

Для того, чтобы предполагаемая к строительству опытная установка, а затем и промышленный модуль термобрикетирования не загрязняли воздушный бассейн и йодные ресурсы района строительства, необходимо было исследовать все промежуточные продукты и выбрать наиболее рациональные пути их обезвреживания. На основании выданных нами данных проектной организацией было выбрано соответствующее оборудование для обеспыливания сбросных газов процесса, которое обеспечивает установленные нормативные ПДК выбросов по пыли.

Образующаяся в процессе производства угольная пыль, осаждаема? в батарейных циклонах, некондиционный нагретый уголь, получаемый при запуске установки, а также брикетная крошка, образующаяся при рассеве брикетов или из водных шламов охлаждения (крупностью 0-с мм) рекомендовано подмешивать к исходному углю и возвращать в цши нагрева. Специальными опытами в лабораторных условиях и на стендовой установке показано, что такая шихтовка существенно не отразите? на качестве получаемых термобрикетов.

Газообразные промежуточные продукты термобрикетирования выделяются в трех технологических узлах: сбросной отработанный газ-теплоноситель из системы нагрева угля в вихревых камерах, парогазовая смесь, выделяющаяся в аппарате теплового выдергивания нагретого угля и парогазовые продукты, выделявшиеся на стадии охлаждения термобрикетов.

Сбросные газы из циклона состоят в осноенсм из продуктов сгорания топлива я образующихся окклюдированных газоЕ в результате скоростного нагрева углей: азота и его оксидов (83,75 оОъемк.), диоксида углерода (12,6% объемн.) и незначительных кол:гчестЕ оксида углерода, легких углеводородов и примесей (0,015%) Еодородз.

Концентрация оксидов азота в пересчете на М0о в кеоч::щбкнем сухом газе составляет 0,53 мг/м3, концентрация оксида углерода 337 мг/м3, оксидов серы II мг/м3. Количество сбросных газов составляет 63,83 от общих расходных показателей с концентрацией пыли 15,7 г/мг

Отработанный газ-теплоноситель вышеуказанной характеристики в технологической схеме ОУ-5 рекомендовано частично направлять на рециркуляцию в систему нагрева, а частично - после высокой степени очистки от пыли в специальных аппаратах - сбрасывать в атмосферу с температурой "130-Г60°С. В этом случае сбросные газы процесса по содержанию и концентрации остаточных вредных веществ отвечают жестким требованиям современных санитарных норм.

Более сложный состав имеет парогазовая смесь (ПГС), выделяемая из аппарата теплового выдерживания угля. Около 30% объема сухого газа составляют различные углеводороды: парафиновые, нафтеновые, ароматические. Несмотря на преобладание в составе газа диоксида углерода (СЕЫше 50-60%), углеводородные компоненты совместно с водородом и оксидом углерода обеспечивают достаточную для сжигания калорийность этого газа 1500-2000 ккал/нм3. Кроме того, в парогазовую -смесь входят летучие компоненты низкомолекулярных смолистых продуктов, которые повышают калорийность ПГС до 20С0-25С0 ккал/км3 и пи-рогекетической вода. Количество этих компонентов может достигать от I до 2 % масс, от ПГС.

Выделяющуюся в аппарате теплового выдерживания парогазовую смесь в технологической схеме ОУ рекомендовано направлять в топку теплоносителя для дожигания и использования в процессе получения • газа -теплоносителя.

Одним из источников выделения-парогазовой смеси является стадия охлаждения термобрикетов. Для'этой стадии выбрана трехступенчат-

ая схема: охлаждение брикетов с 400 до 380° на лотке с пароЕодянш охлаждением, охлаждение с 380 до 180-П0°С на сетчатом конвейер; и паровым затвором в конце его, препятстствующем попаданию воздух: внутрь конвейера и, наконец, окончательное охлаждение до 60-40°С в гидроЕыгружзтэле. В такой схеме рассчитаны минимально необходимы* расходы воды для душирования с целью^предотвращения образована значительных количеств шламов и удаления из системы отработанное пара в виде парогазовой смеси (ПГС).

Токсикологическая оценка основного продукта процесса - термобрикета, в сравнении с исходным углем Березовского месторождения выполнена совместно, с ■ Научно-исследовательским центром "Экология научного объединения Института высоких температур РАН. Она прове^ дена на основе медико-биологических исследований по воздействи; компонентов термобрикетов и исходного угля, а также их водных вытя хек на живые организмы: их ткани, биологические жидкости, иммунны статус.

В целом результаты исследований медико-биологическо: агрессивности проб исходного угля и термобрикетов из него показали что .последние обладают меньшим токсикологическим воздействием н человека, что объясняется частичным удалением в процессе термообра ботки наиболее вредных токсичных соединений.

Одной из важнейших характеристик термобрикетного топлива явля ется его экологическая чистота в сфере потребления, то есть пр сжигании в бытовых устройствах со слоевыми топками. Однако таког универсального показателя, пригодного для разнообразных топлив, по лучаемых у нас в стране и за рубежом из различного сырья и разнооб разными методами, в настоящее время не существует.

Совместно с ЭНИНом разработан метод оценки дымности тверды топлив в условиях слоевых топок. Установка представляет собой му фельную печь для сжигания различных видов твердых топлив. Регулиру емый расход воздуха ка поддержание процесса горения образца позво ляет проводить сжигание топлив, имеющих различную теплоту сгораки (от 6,3 до 37,7 ВДж/кг). Регистрация степени задымленност продуктов сжигания топлива проводится ^ фотометрическим методом причем длина волны светового потока фиксирована и находится в уль трафиолетовой области. Такой выбор длины волны позволяет ограничит влияние на пропускание потока света паров воды, образующихся пр

сжигании образцов различной исходной влажности.

При сжигании исходного березовского угля пик варегистрирован

ного дымообразования продолжался 3,9 мин, а для термобрикетов - 1,5 мин. Причем степень поглощения ультрафиолетового источника света для брикетов со связующим достигает 50%, а для термобрикетов - всего 8-10%. Таким образом метод позволяет количественно оценить степень дымности - выраженную в процентах степень поглощения ультрафиолетового источника света. Для термобрикетов эта величина почти в 5 раз меньше,чем для брикетов из бурых углей со связующим (табл.8).

Таблица 8

Сравнительные показатели дымности образцов топлив

Образец Длительность пика. Степень поглощения

дымообразования, ультрафиоле тоеого

мин источника света,%

Термобрикет из березовского угля 1,5 8-10

Антрацит 1,4 7-9

Каменноугольный кокс 1,2 6-12

Брикеты из березовского угля

со связующим (битум НБ-М) 3,9 40-50

Березовский уголь 3,0 25-30

Улучшение экологических условий сжигания термобрикетного топлива по сравнению со сжиганием исходного угля разреза Березовский отмечено и при технологических испытаниях этих топлив в бытовых и мелких промышленных теплогенераторах со слоевыми топками. Такие испытания проводились в серийном бытовом котле КВ-1,06, предназначенном для водяного отопления жилых помещений, в теплоемкой отопительно-варочной кирпичной бытовой печи системы Карабанова и в отопительной коммунальной котельной, оборудованной промышленными котлами типа "Универсал-бМ".

Исследования показателей дымности при сжигании термобрикетов проводились также в Великобритании на установке Национального угле-химического института Британской корпорации по английскому стандар-рту, .в результате которых термобрикеты из углей Березовского месторождения оценены как практически бездымное топливо.

Все указанные исследования дали основание получить от Государственного комитета Санитарно-эпидемиологического надзора РФ гигиенический сертификат, характеризующий термобрикеты как экологически чистое топливо для использования в топках со слоевой системой сжиг-

ання.

Основные проектные данные опытной установки производительностью 5 т/час приведены в пятой главе.

Техническое задание на разработку рабочего проекта 0У-5 составлено на основании решения Комитета угольной промышленности Минтоп зеерго РФ от 24.06.92 г. Согласно этого документа 0У-5 должна быть построена в Красноярском крае, на площадке разреза Березовский-1. Рабочий проект ОУ-5 выполнен институтом Сибгипрошахт и прошел ведомственную экспертизу Минтопэнерго РФ в 1992 г., после чего в 1993 к в 1994 гг, согласно экспертного заключения, с участием диссертанта были проведены дополнительные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по уточнению технологических параметров и отдельных узлов установки.

Технологическая схема ОУ-5 (рис.4) спроектирована в соответствии с исходными данными, представленными Институтом горючих ископаемых на основании разработки процесса в стендовых условиях с зпгсчнением некоторых стадий по результатам опытно-промышленных испытаний. Особенностями технологической схемы производства термо-GaiKeTOB являются непрерывность процесса и высокая скорость термической подготовки угля.

Полный цикл процесса включает в себя следующие стадии:

1. Углеприем и углеподготовка, включающие предварительное измельчение угля до крупности 0-13 мм и его окончательное дробление др 0-3 мм после предварительной подсушки.

2.Сушка и нагрев угля до заданной температуры в пределах 330-420°С в двухступенчатой системе нагрева (каждая ступень - это Егхревая камера и циклон) с генерацией тепла е топочном устройстве.

3. Горячее прессование .(термобрикетироЕание) угля в Егемпельном прессе.

4. Охлаждение термобрикетов в три ступени: - в герметичных лотках с внешним водяным охлаждением (от 400 до 380-350°0); -в зегрытых герметичных конвейерах за счет потери тепла через кокух ксавейера в окружающую среду (от 350 до I00-II0°C) с распылением в ксяце конвейра дисперсной воды для создания парового затвора; -водяное охлаждение (от 110-100 до 50-40°С).

5. Упаковка и затаривание готовых брикетов в 'удобной расфасовке для индивидуальных потребителей (возможно хранение и отгрузка брикетов насыпью).

Расчет экономической эффективности производства термобрикетов

Технологическая.схема опытного блока по производству термобрикетов

I - бункер сырья; 2 - вихревая камера I ступени: 3 - циклон; 4 - вихзевая камеоа 2 ступени; 5 - топка; 6 - воздухонагреватель; 7 - циклон; 8 - аппаоат тепловой Еыдешжи; 9 - шлюзовой зэтеотз; 10 - пресс штемпельный; II"- аппарат охлаждения термобрикетов; 12 - буккео; 13 -"емкость для топлива: 14 - нэссс топливный: 15 - насос водяной: 16 - газодузки; 17 - бункер сушонки; 18 - воздуходувка.

Рис. 4

из бурых углей Березовского месторождения показал их конкурентоспособность по сравнению с другими видами твердых топлив. Это обусловлено высокими качественными показателями (теплота сгорания, механическая прочность) термобрикетов, повышения КПД слоевых топок при их сжигании и сокращением вредных выбросов в атмосферу.

ВЫВОДЫ

1. Одним из наиболее перспективных направлений получения бездымного окускованного топлива является процесс термобрикетирования плотных бурых углей Березовского месторождения. Он может быт; осуществлен термопрессованием в период активного термической разложения углей, предварительно нагретых до температур 400-420°С В процессе не требуется использования специальных связующих вешест; .- получение брикетов происходит за счет образующихся в угл>

смолистых продуктов.

2. На основании проведенных исследований химическо; молекулярной и надмолекулярной структуры органической масс! исходных, промежуточных и конечных продуктов термобрикетировани показано, что термохимические превращения угольного вещества н стадии термоподготовки протекают по механизму термическо деструкции. При оказании давления имеет место механохимический эф фект, что объясняется особенностью термохимических реакций, проте кающих на этой стадии.Это подтверждается характеристиками молекулярной и надмолекулярной структуры термобрикетов по сравнению с со ответствующими показателями исходного нагретого угля.

3. Петрографические особенности углей Березовского месторозде ния оказывают существенное влияние на прочностные свойства получае мых из них термобрикетов. Наиболее прочные термобрикеты могут быт получены из полуматового и матового макролитотипов.

4. Предложена математическая модель для прогнозирования .прочностных свойств термобракетов, учитывающая температуру нагрева

угля и время его .изотермической выдержки. Оптимальными технологическими параметрами производства термобрикетов являются конечная температура предварительного нагрева угля 4Ю°С, время выдержки при этой температуре 30 сек. Крупность исходного угл? 0-3 мм.

5. Полученные из бурых плотных углей термобрикеты имеют Еысога качественные показатели (теплота сгорания около 26 МДж/кг достаточной механической прочностью и влагостойкостью). Оь обладают меньшей медико-биологической агрессивностью, чем исходнь

угли, и поэтому незначительным токсикологическим воздействием на организм человека. При сжигании термобрикетов в индивидуальных агрегатах и коммунальных котельных коэффициент полезного действия действия последних возрастает по сравнению с рядовым углем на 20-25% , а по сравнению с сортовыми углями на 4-5% (за счет снижения химического недожога). Степень дымности при этом в 5 раз ниже, чем при сжигании брикетоЕ со связующим. Термобрикеты из углей Березовского месторождения являются экологически чистым топливом для использования в топках со слоевой системой сжигания. Это подтверждено гигиеническим сертификатом Государственного комитета Санэпи-демнадзора БФ.

6. Разработана технологическая схема опытной установки термобрикетирования бурых углей Березовского месторождения, состоящая из следующих основных узлов: отделения углеподготовки, термоподготовки, горячего прессования и охлаждения брикетов. Полученные диссертантом данные использованы при составлении рабочего проекта опытной установки термобрикетирования производительностью 5 т/час, утвержденного Минтопэнерго РФ.

7. Экономической расчет эффективности производства термобрикетов показал, что срок окупаемости капиталовложений в строительство установки мощностью Г млн.тонн термобрикетов в год составляет 7 лет. Использование термобрикетов становится особенно эффективным, по сравнению с рядовыми углями, в случае их транспортировки на дальние расстояния.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Т. А.П.Фомин, М.Д.Езупова. Технология получения бытового бездымного топлива из бурых углей России.// Тезисы докладов К-го Всесоюзного совещания по химии и технологии твердого топлива. М., 1592 г., С.140.

2. С.Г.Гагарин, М.Д.Езупова, Г.И.Екик, А.П.Фомин. Математическое описание процесса термобрикетирования бурого угля. Регрессионная модель зависимости качества брикетов от основных технологических параметров процесса термоподготовки угля.// Химия твердого топлива, 1993 г., № 5, с.63-67.

3. А.П.Фомин, С.Г.Гагарин, М.Д.Езупова. Влияние петрографического состава угля на свойства термобрикетов.// Кокс и химия. 1993г, №7, С.3-5.

4. А.П.Фомин, С.Г.Гагарин, М.Д.Езупова, О.Г.Потапенко. Технология производства бездымного топлива из бурых углей России. Разработка модели и моделирование процесса.//Тезисы доклада на Международной конференции "Использование угля и проблемы охраны окружающей среды" США, 1993 Г., С.124.

Заказ К 432, ИНХС РАН, тир.70