автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Получение брикетированного и бездымного топлива из канско-ачинских углей с использованием биосвязующих

На правах рукописи

ИВАНОВ ИВАН ПЕТРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ БРИКЕТИРОВАННОГО И БЕЗДЫМНОГО ТОПЛИВА ИЗ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОСВЯЗУЮЩИХ

Специальность 05.17.07 "Химическая технология топлива"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1998

Работа выполнена в Институте химии и химической технологии СО РАН и НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ И ПРОЕКТНО-КОНС.ТРУКТОРСКОМ ИНСТИТУТЕ ПО ПРОБЛЕМАМ РАЗВИТИЯ КАНСКО-АЧИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА (КАТЭКНИИуголь) Министерства топлива и энергетики РФ

Научные руководители: д.х.н., профессор

Б.Н. Кузнецов к.т.н.

Ю.Г.Головин

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор

B.C. Петров к.т.н.

C.А.Михайленко

Ведущая организация: Сибирский Всероссийский институт теплотехники

(СибВТИ), г. Красноярск

Защита диссертации состоится 1998 г. в на заседании

диссертационного Совета К 003.95.01 при Институте химии и химической технологии СО РАН по адресу: 660049, г. Красноярск, ул. К. Маркса, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии и химической технологии СО РАН

Автореферат разослан "¿/C^c^-fi 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.х.н

'УъАл н.И. Павленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время годовая потребность в окуско-ванных видах тогишв в России достигает порядка 60 млн тонн. При сохранении потребности на период до 2005 г. на уровне 50 - 55 млн т ежегодный дефицит в окуско-ванном топливе составит около 10 млн т.

Учитывая, что в России значительная часть населения проживает в малых городах и поселках, проблема производства экологически чистого бездымного брикетированного топлива для коммунально-бытового сжигания приобретает большое экологическое и социально-экономическое значение. По перечисленным причинам разработка технологических процессов производства брикетированных топлив, в том числе брикетированных бездымных топлив, является актуальной.

Реализация технологии брикетирования с биосвязующим применительно к бурым углям КАБа группы Б2 позволяет получать брикеты удовлетворительной прочности сгорающих с образованием минимального количества вредных выбросов.

Создание производства по выпуску брикетированных бездымных топлив по разрабатываемой технологии позволит повысить конкурентоспособность канско-ачинских бурых углей на внутреннем и внешнем рынке бытовых топлив.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ института по: научно-техническому проекту "Расширение области применения кан-ско-ачинских углей на объектах электро- и теплоэнергетики Российской Федерации" подпрограммы "Стабилизация положения в Канско-Ачинском топливно-энергетическом комплексе (КАТЭК) и его развитие в 1994-2000 годах" Целевой Федеральной программы "Топливо и энергия"; и отраслевой научно-технической Программе 0-46 "Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля".

Цель работы. Разработка основ технологии производства брикетированного бездымного топлива из бурого угля Бородинского месторождения с использованием в качестве связующего биообработанного угля (биосвязующего), получаемого в процессе его микробиологической переработки адаптированными штаммами микроорганизмов.

Научная новизна:

- изучен процесс биопереработки бородинского бурого угля КАБа в присутствии адаптированных штаммов микроорганизмов в аэробных условиях и исследованы физико-химические свойства биоугольных суспензий, используемых в качестве исходного сырья для получения биосвязующего;

- проведена оценка влияния технологических параметров брикетирования угля Б2 с использованием биосвязующего на потребительские свойства брикетов;

- исследовано влияние процесса пиролиза брикетов из бородинского бурого угля с биосвязующими в бескислородной среде на физико-химические и теплотехнические свойства получаемого бездымного топлива.

Практическая ценность работы. Разработаны основы технологии получения брикетированного и бездымного топлива из бородинского бурого угля КАБа с использованием в качестве связующего продуктов аэробной биопереработки бурого угля. Полученные результаты предполагается использовать при создании промышленного производства высококачественного бездымного брикетированного топлива из канско-ачинских углей. Автор защищает:

- основы технологии процесса получения биосвязующего для брикетирования путем аэробной биопереработки бородинского бурого угля Б2;

- результаты изучения физико-химических свойств продуктов аэробной биопереработки бурого угля;

- влияние технологических параметров процесса брикетирования бородинского бурого угля с биосвязующим на свойства брикетов;

- результаты изучения процесса пиролиза брикетов и характеристик бездымного топлива из буроугольных брикетов на основе биосвязующего.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции "Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ" (г. Красноярск, май 1990); Meeting of Experts on Clean Coal Technologies (Poland, 1995); Symposium on Sustainable Development of Opencast Coal Mining Regions (Russia, 1995); Международной научно-практической конференции "Переработка углей Канско-Ачинского бассейна в жидкие продукты (.Россия, г. Красноярск, апрель 1996); Сессии Научного Совета РАН по химии и технологии твердого ископаемого топлива (г. Звенигород, февраль, 1998).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, приложений и списка цитируемой литературы, включающего 166 наименований. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Характеристики сырья, методики экспериментов и анализ продуктов

В исследованиях применяли бурьш уголь Бородинского месторождения Кан-ско-Ачинского бассейна группы Б2 и продукты его микробиологической переработки с характеристиками, приведенными в табл.1. Петрографический состав исходного угля (%): Vt - 93,1; Sv - 3,0; F - 2,3; L - 1,6; Ro - 0,36.

Получение биосвязующего (БС) произведено посредством микробиологической переработки бородинского бурого угля адаптированными штаммами микроорганизмов Acinetobacter SP 10 и Pseudomonas (SP2 и SP57) в аэробных условиях. Максимальное время биопереработки составляло 72 часа. При проведении исследований контролировали основные технологические параметры процесса биопереработки: время; соотношение компонентов уголь-вода-инокуляг; влажность; температуру процесса; выход гуминовых кислот.

При исследовании связующих свойств биообработанных углей получаемые биоугольные суспензии с исходной влажностью 65-70 % высушивали при температуре 20 °С до остаточного содержания влаги 8-20 %; измельчали до класса крупности 0-0,63 мм и брикетировали на гидравлическом прессе МС-500. Удельное давление прессования от 50 до 140 МПа. Для брикетирования использовали цилиндрические пресс-формы диаметром 50 мм. Вес брикета (навески) составлял 50 г.

Таблица 1

Характеристика исходного угля и продуктов его биопереработки_

Материал Продолжительность биообработки, ч Ad, % Н/С, ат.% Элементный состав, %

C4lf Hiaf N ы s," oddaf

Уголь - 5,3 0,81 74,71 5,02 0,38 0,56 19,33

Продукт био-

обработки

I 0 7,1 0,84 72,19 5,04 0,38 0,54 21,85

2 10 8,2 0.86 70,02 5,01 0,72 0,54 23,71

3 20 8,2 0,85 70,35 4,96 0.69 0,54 23, ?б

4 40 10,2 0,86 70,72 5,06 0,73 0,49 23,00

5 72 10,3 0,83 71,37 4,93 0,69 0,49 22,52

Исследование влияния температурных параметров процесса сушки при получении биосвязующего проводили в сушильных шкафах с принудительной вентиляцией. Сушку производили при температуре 20, 40, 60, 80 и 100 °С при тщательном перемешивании в процессе сушки и периодическом отборе проб с интервалом в 30 мин для контроля текущей влажности.

Исследование влияния основных параметров процесса брикетирования бородинского бурого угля на прочностные характеристики получаемых брикетов проводили с использованием БС класса крупности 0-0,63 мм и оптимальной влажности биосвязующего для определенного давления прессования; уголь класса 0-3,0 мм и влажности 8 - 22 %. Содержание компонентов в шихте для брикетирования (соотношение уголь ; БС) составляло - 50:50; 60:40; 70:30 , 80:20 и 90:10 % масс., соответственно. В процессе проведения исследований определяли влияние влажности брикетируемого угля и давлений прессования на прочность получаемых брикетов.

Пиролиз брикетов, полученных из бородинского угля с биосвязующим, проводили в пиролизере с внешним обогревом. Брикеты помещали в емкость, засыпали прокаленным песком и проводили процесс пиролиза с постоянной скоростью прогрева 1 °С/мин до конечной температуры процесса 450, 500, 550, 600 и 650 °С. После достижения заданного значения температуры пиролизованные брикеты охлаждали в среде инертного газа. После охлаждения их подвергали испытаниям с контролем следующих исследуемых характеристик: прочности на истирание; водопоглощенил; объемной усадки брикетов; дымности; элементного и технического состава.

Испытание исходных и пиролизованных брикетов по прочности на сжатие, истирание и водопоглощение проводили согласно ГОСТ 21289-21291 - 75.

Теплоту сгорания определяли согласно СТ СЭВ 1463 - 78. Выход летучих по ГОСТ 6382 - 80. Содержание влаги согласно СТ СЭВ 751 - 75. Зольность по ГОСТ 11022 - 75. Массовую долю общей серы по ГОСТ 8606 - 72.

2. Получение и свойства биосвязующих из бурого угля

Было исследовано влияние технологических параметров процесса аэробной биопереработки бурого угля группы Б2 на генерацию связующих свойств биообрабо-танного угля, используемого в качестве связующего при брикетировании.

Для проведения исследований по биопереработке исходный бородинский бурый уголь с влажностью 30-32 % масс, измельчали до класса крупности - 0-2,5; 0-1,6; 0-1,0 и 0-0,63 мм.

Получаемые в результате сушки биоугольных суспензий биообработанные угли при влажности 8-20 % масс, по своему агрегатному состоянию подобны исходному бурому углю. Поэтому исследования по его брикетированию проводили согласно общепринятым методикам исследования брикетируемости бурых углей группы Б1. При проведении исследований по брикетируемости биообработанных бурых углей основными параметрами, определяющими прочностные свойства получаемых в результате прессования брикетов, являются влажность шихты и удельное давление прессования. Получаемые брикеты подвергали испытаниям с контролем прочности на сжатие и истирание, а также контролировали их водопоглощение в статических условиях.

На рис. 1 приведены зависимости прочности на сжатие брикетов, полученных при давлении прессования 120 МПа. от продолжительности биопереработки и крупности исходного угля. Как следует из приведенных зависимостей, с увеличением продолжительности биопереработки происходит возрастание прочности получаемых брикетов, что свидетельствует о происходящих при аэробной биопереработке угля процессах трансформации органического вещества, приводящих к росту его брикетирующейся способности. При 4-часовой продолжительности биопереработки прочность на сжатие брикетов из биообработанного угля составляет всего 7-8 МПа, однако при использовании биосвязующего, получешшго при продолжительности биопереработки 20 ч (для угля класса крупности 0-0.63 мм), прочность брикетов увеличивается до 30-32 МПа. При этом установлено значительное различие в прочностных показателях получаемых брикетов от класса крупности угля, подвергнутого биопереработке. Наблюдаемое различие можно объяснить особенностями физико-химических процессов, происходящих с частицами угля в условиях аэробного воздействия микроорганизмов и при их брикетировании.

10 20 30

Время биопереработки,час

40

Рис. 1. Зависимость прочности на сжатие брикетов из биообработанного угля от продолжительности биопереработки угля различных фракций, мм: 1 - 0-2.5; 2-0-1,6; 3-0-1.0; 4-0-0.63

Из приведенной на рис. 2 зависимости, иллюстрирующей изменение скорости конверсии углерода бурого угля при вариации продолжительности его биопереработки, следует, что максимальное значение скорости биопревращения достигается при продолжительности биопереработки угля 20 часов.

При изучении физико-химических процессов, происходящих с органическим веществом угля в процессе биопереработки, установлено, что в первые 10-20 ч

Продолжительность биопереработки, час

Рис. 2. Изменение скорости конверсии углерода бурого угля при вариации продолжительности его биопереработки

происходит интенсивное накопление парамагнитных центров (ПМЦ) с незначительным изменением g-фaктopa. Содержание ПМЦ возрастает при этом от 1,7 до 4 106 спин на 1 г обезвоженной суспензии, т.е. более чем в два раза.

Были изучены физико-химические свойства угольных суспензий, получаемых в процессе биопереработки бурого угля. Обнаружено, что при увеличении продолжительности биопереработки угля увеличивается содержание кислородсодержащих групп в органической массе угля. В образующихся продуктах биопереработки угля кислород находится в основном в гидроксильных, карбоксильных и карбонильных структурах, причем ОН - группы представлены преимущественно фенольными гид-роксилами (табл. 2). Образование большого количества полярных кислородсодержащих функциональных групп в процессе биотрансформации угольного вещества способствует возникновению связующих свойств у биообработанного угля.

Изучено влияние влажности биосвязующих (БС) на прочностные характеристики брикетов. Установлено, что в зависимости от применяемого давления прессованная оптимум влажности БС, соответствующий максимальной прочности получаемых из него брикетов, снижается с 16,2 до 15,1 % масс, при увеличении давления прессованная со 100 до 140 МПа (рис. 3). При этом прочностные характеристики получаемых брикетов возрастают с 20,2 до 30,6 МПа, соответственно.

Представленные результаты исследований по получению БС в процессе микробиологической переработки угля в аэробных условиях свидетельствуют о том, что основными взаимосвязанными и ответственными за генерацию связующих свойств у биообработанного угля являются следующие факторы:

- образование кислородсодержащих групп при окислении кислородом воздуха органической массы угля;

Таблица 2

Содержание функциональных, кислородсодержащих групп

в исходном угле и продуктах его биопереработки_

Материал Продолжительность биопереработки, ч Количество кислородсодержащих групп, мг-экв/г

карбонильные карбоксильные фенольные и гидроксильные

Уголь 0 0,72 1,57 2,79

Продукт био-

обработки

1 0 0,82 1,78 3,14

2 10 0,89 1,93 3,41

3 20 0,87 1,91 3,37

4 40 0,86 1,87 3,31

5 72 0,84 1,83 3,23

- механо-химическая активация частиц угля при интенсивном перемешивании в жидкой среде на границе раздела воздух-уголь в условиях биореактора;

- образование свободных гуминовых кислот и значительное увеличение числа полярных кислородсодержащих групп;

- накопление биомассы микроорганизмов и продуктов их метаболизма в процессе биопереработки угля.

Рис. 3. Зависимость прочности брикетов из биообра-ботанного угля от влажности при давлениях прессования, МПа : 1 - 100; 2 -120; 3 - 140

10 12 14 16 18 20

Влажность, %

Поскольку в процессе биопереработки угля в аэробных условиях образуются биоугольные суспензии с влажностью 65-70 %, используемые в качестве исходного сырья для получения биосвязующего, было изучено влияние температуры сушки этих биосуспензий на связующие свойства получаемых продуктов. Для проведения исследований исходные суспензии доводили до влажности 14-16 % масс, в сушильном шкафу с принудительной вентиляцией при следующих температурах: 20, 40, 60, 80 и 100 °С.

Как следует из приведенных на рис. 4 данных, наиболее прочные брикеты образуются при использовании биосуспензии, высушенной при 20 °С. С целью сокращения продолжительности процесса сушки для получения качественного БС предложено повысить температуру сушки до возможны* пределов, при которых не происходит уменьшения прочности брикетов ниже допустимой. Анализ приведенных на рис. 4 зависимостей показал, что для получения удовлетворительных по прочности брикетов с сохранением связующей активности БС температуру сушки биосуспензии нецелесообразно поднимать выше 80 °С. При более высоких температурах сушки БС прочностные характеристики брикетов, полученных при шихтовке с углем, не удовлетворяют требованиям ГОСТ 7299-84 7 МПа по прочности на сжатие и 77,8 % по прочности на истирание.

32

<в 28

5 24

20

10 30 50 70

Температура сушки,0 С

90

110

Рис. 4. Зависимость прочности на сжатие брикетов из БС от температуры сушки

3. Определение параметров брикетирования бородинского угля с использованием биосвязующего

Изучены прочностные характеристики буроугольных брикетов, получаемых при использовании в качестве связующего биосбработанного угля.

Брикетированию подвергали бородинский бурый уголь класса крупности 0-3 мм с влажностью 12, 14, 16, 18 и 20 % масс. При брикетировании использовали удельные давления прессования 100, 120 и 140 МПа. Содержание угля в шихте для брикетирования составляет 60, 70, 80 и 90 % масс.

На первоначальном этапе исследований была определена оптимальная влажность угля, при которой получаются брикеты с максимальной прочностью.

При проведении данного цикла исследований использовали биосвязующее с оптимальной влажностью 16,0, 15,5 и 15,0 % масс., соответственно, для давлений прессования 100, 120 и 140 МПа.

Как следует из приведенных на рис. 5 данных, максимальную прочность имеют брикеты, полученные из угля с влажностью 17,0, 16,5 и 16,0 % масс., соответственно, для давлений прессования 100, 120 и 140 МПа. Испытание прочности получаемых брикетов через 24 часа после прессования свидетельствуют о незначительном уменьшении их прочностных характеристик при хранении.

12

17

Впалость угля, %

22

Рис. 5. Зависимость прочности брикетов на сжатие от влажности угля (содержание БС - 30 %) при давлениях прессования (МПа):

1 - 100; 2 - 120; 3 - 140

Анализ полученных зависимостей доказывает, что при увеличении давления прессования происходит увеличение прочности брикетов с одновременным уменьшением влажности брикетируемого угля. Наблюдаемый факт хорошо согласуется с известными теоретическими представлениями о процессе брикетирования бурых углей.

Целью следующего этапа исследований являлся эмпирический поиск минимального содержания биосвязующего в шихте для брикетирования и давлений прессования, при которых возможно получение качественных брикетов. При проведении исследований варьировались следующие параметры: давления прессования составляли 100, 120 и 140 МПа; влажность биосвязующего - 16,0, 15,5 и 15,0 % масс, и влажность брикетируемого угля 17,0; 16,5 и 16,0 % масс., соответственно. Использовали класс крупности угля 0-3 и биосвязующего 0-0,63 мм; содержание связующего в брикетируемой шихте составляло 40, 30, 20 и 10 % масс.

Полученные данные по брикетированию бородинского угля с различным содержанием биосвязующего в шихте свидетельствуют о том, что для получения брикетов удовлетворительного качества необходимо использовать давления прессования 120-140 МПа при содержании бносвязующего в шихте 10-20 % масс. При давлении прессования 120 МПа и содержании биосвязующего 20 % масс, получаемые брикеты имели прочность на сжатие 15,5 МПа, а прочность на истирание 84,2 %. Эти показатели удовлетворяют требованиям ГОСТ 7299-84 на буроугольные брикеты (по прочности на сжатие не менее 7 МПа и прочности на истирание менее 77,8 % ). При увеличении давления прессования до 140 МПа (такие удельные давления прессования развивают штемпельные прессы) содержание связующего в шихте можно уменьшить до 10 % масс., при этом получаемые брикеты имеют прочность на сжатие 14,2 МПа, а прочность на истирание 76,6 %.

4. Получение брикетированного бездымного топлива

Было изучено влияние температуры процесса пиролиза брикетов на физико-механические и теплотехнические свойства получаемых при этом твердых топлив. На рис. 6 приведены данные по прочности на истирание буроугольных брикетов, полученных при содержании биосвязующего в шихте 20 % масс, и подвергнутых пиролизу при различных температурах. Максимальная прочность на истирание пиролизо-ванных брикетов для удельных давлений прессования 100, 120 и 140 МПа составляла соответственно 68,3; 80,4 и 85,4 %, при использовании температуры пиролиза 600 и 550 °С.

Из приведенных на рис. 7 данных следует, что при пиролизе брикетов происходит значительное сокращение их объема. Максимальные значения усадки имеют брикеты, гшролизованные при температуре процесса 650°С. При содержании 20 % масс, биосвязующего она составляет 40,0 %, 36,1% и 35,9 % для давлений прессования 140, 120 и 100 МПа, соответственно.

Сравнительный анализ исходных брикетов и подвергнутых пиролизу показывает, что с увеличением удельного давления прессования возрастает прочность исходных и карбонизованных брикетов. При этом, соответственно, увеличивается объемная усадка брикетов, а с ростом температуры пиролиза снижается водопоглощение

400

450

500 550 Температура, 0С

600

650

Рис. 6. Зависимость прочности брикетов на истирание от температуры их пиролиза при давлениях прессования (МПа):

1 - 100; 2- 120; 3- 140

получаемого топлива. Для брикетов, полученных при различных удельных давлениях прессования (100, 120 и 140 МПа), водопоглощение получаемого топлива составляет соответственно 8,30; 7,25 и 6,50 % масс.

В табл. 3 приведены данные о составе и теплоте сгорания пиролизованных брикетов из бородинского бурого угля, полученных с использованием биосвязующего. Как следует из этих данных, для получения бездымного топлива с удовлетворительными характеристиками необходимы удельные давления прессования 120-140 МПа

45

550

Температура пиролиза, °С

Рис. 7. Зависимость объемной усадки буроугольнмх брикетов от температуры пиролиза при давлениях прессования (МПа): 1-100; 2-120; 3-140

и последующий пиролиз брикетов до температуры 550 "С при содержании биосвязующего в шихте 20%.

Таблица 3

_Характеристики пиролизованных брикетов_

Температура пиролиза брикетов, °С Элементный состав, % Теплота сгорания Q: МДж/кг

AJ Vм Cda, HJaf Ndar 06M

450 7,2 34,7 77,81 4,20 0,40 1,07 16,52 25,8

500 7,4 29,9 81,09 3,73 0,41 0,90 13,87 25,9

550 8.2 19,9 85,32 3,13 0,60 1.04 9,91 26.7

600 8,7 16,1 88,72 2,56 0,51 1,09 7,12 28,0

650 - 8,9 12,5 90,75 2,33 0,67 1,12 5,13 28,2

Получаемое при этих параметрах топливо по содержанию летучих веществ (19,9 %) относится к категории бездымных бытовых топлив. Проведенные исследования по сжиганию полученного топлива при 850 °С показали, что возгорание брикетов происходит в течение 90-95 сек., причем не наблюдалось выделение копоти при загорании и горении брикетов.

Получаемое брикетированное топливо обладает повышенной в 1,8-2,0 раза рабочей теплотой сгорания по сравнению с рядовым углем, водо- и атмосферо-устойчивостью, имеет удовлетворительную механическую прочность и может перевозиться на значительные расстояния.

Технологическая схема промышленного модуля по получению брикетированного бездымного топлива из бурого угля на основе биосвязутощего производительностью 35 500 т/год, приведенная на рис. 8, включает следующие стадии:

1. Стадию углеприема и углеподготовки. Обеспечивает предварительное дробление исходного утля класса крупности 0-300 мм и влажностью 30-32 % в количестве 10,6 т/час до кл. 0-25 мм и окончательное измельчение до кл, 0-3 мм.

2. Стадию получения биосвязующего. Обеспечивает биопереработку части угля в биореакторах общим объемом 100 м3 при расходе компонентов (т/час): 2,3 угля; 1,9 воды и 0,05 фосфоритовой муки. После окончания цикла биопереработки биоугольная суспензия с влажностью 65-70 % направляется на механическое обезвоживание в барабанном вакуум-фильтре до 50 %. После обезвоживания биосвязующее в количестве 2,1 т/час подается на окончательную сушку в вихревую сушилку с измельчением до влажности 16 %.

Рис. 8. Технологическая схема промышленного модуля по производству 35 500 т/год брикетированного бездымного топлива из бурого угля

1 - приемный бункер исходного угля; 2 - молотковая дробилка; 3 - бункер измельченного угля; 4 - аэробный биореактор; 5 - барабанный вакуум-фильтр; 6 - вихревая сушилка; 7 - шнековый смеситель; 8 - паровая груб-чатая сушилка; 9 -штемпельный пресс; 10 - пиролизер; 11 - охладительные желоба; 12 - бункер выдержки бездымного топлива.

3. Стадию сушки измельченного на 1 стадии угля объемом 8,3 т/час, которая осуществляется в паровой трубчатой сушилке и обеспечивает достижение влажности угля 17 %.

4. Стадию получения буроугольных брикетов. Включает шихтовку высушенного угля и подготовленного биосвязующего в шнековом смесителе в соотношении 80 : 20 масс. % в количестве 8,1 т/час и последующее брикетирование в штемпельном прессе при удельным давлении прессования до 140 МПа.

5. Стадию пиролиза полученных брикетов. Осуществляется в гшролизере с внешним обогревом при температуре 550 °С до остаточного содержания летучих веществ менее 20 %.

6. Стадию охлаждения полученного бездымного топлива в количестве 5 т/час. Осуществляется по двухстадийной схеме - сначала в охладительных желобах отходящими дымовыми газами с содержанием .кислорода менее 2 % до температуры 70-90 °С и затем в бункере выдержки до 30-40 °С.

7.Стадию расфасовки бездымного топлива в удобную для индивидуальных потребителей упаковку, либо отгрузки россыпью.

Расчет экономической эффективности производства бытового брикетированного бездымного топлива из бородинского бурого угля Б2 с использованием биосвязующего свидетельствует об их высокой конкурентоспособности по сравнению с другими видами бытовых твердых топлив. Это обусловлено тем, что карбонизованкые топливные брикеты имеют высокую теплоту сгорания, приемлемую механическую прочность, повышенный КПД сгорания в топках со слоевым сжиганием топлива. Кроме того, их применение позволяет значительно уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу - пыли на 98,3 %; оксидов углерода на 93,6 %; смолистых соединений на 99,3 % и канцерогенных полиядерных ароматических соединений на 99,6 % масс. Срок окупаемости капиталовложений в строительство промышленного модуля производительностью 35 500 т/год бездымного топлива составляет около 4 лет. Экономическая эффективность производства бездымного топлива возрастает в случае его транспортировки на дальние расстояния, поскольку транспортная составляющая в стоимости произведенной из него энергии (на 1 тут) становится ниже по сравнению с рядовым канско-ачинским углем.

ВЫВОДЫ

1. Изучен процесс биопереработки бородинского бурого угля Б2 в присутствии адаптированных штаммов микроорганизмов в аэробных условиях. Определены основные технологические параметры процесса биопереработки, позволяющие получать биосвязующее для брикетирования с удовлетворительными характеристиками. Показано, что для получения качественного связующего необходимое время биопереработки бурого угля составляет около 20 часов.

2. Выполнено исследование физико-химических свойств биоугольных суспензий. Установлено, что наиболее интенсивные процессы биотрансформации органической массы угля происходят в течение первых 20 часов процесса биопереработки. При этом увеличивается содержание кислородсодержащих соединений, изменяется соотношение гидроксильных, карбоксильных и карбонильных функциональных групп, возрастает концентрация парамагнитных центров.

3. Изучено влияние температуры сушки биоугольных суспензий на связующие свойства получаемых продуктов (биосвязующего). Показано, что температура сушки биоугольной суспензии не должна превышать 80 °С.

4. Определено влияние влажности биосвязующего и брикетируемого угля на прочность получаемых брикетов. Установлено, что для получения прочных брикетов влажность связующего должна составлять 15-16 % масс., а брикетируемого угля 1617 % масс.

5. Изучено влияние технологических параметров процесса брикетирования на прочностные характеристики брикетов из бурого угля, получаемых на основе биосвязующего. Показано, что для получения брикетов удовлетворительной прочности, содержание связующего в шихте для брикетирования должно составлять 10-20 % масс. При этом необходимы удельные давления прессования 120-140 МПа, развиваемые штемпельными прессами.

6. Исследовано влияние параметров процесса пиролиза брикетов из бурого угля. полученных при использовании в качестве связующего высушенных биообрабо-танных в аэробных условиях углей, на характеристики карбонизованного продукта. Установлено, что для получения бездымного топлива с удовлетворительными прочностными свойствами термообработку брикетов необходимо проводить до конечной температуры не ниже 550 °С. Получаемые при этой температуре карбонизованные продукты имеют прочность на истирание 85 %, а по содержанию летучих (менее 20 % масс.) и по составу продуктов сгорания относятся к классу экологически чистого бытового бездымного топлива

7. Предложена технологическая схема производства брикетированного бездымного топлива из бурых углей с использованием биосвязующих, пригодного для транспортировки на дальние расстояния.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Иванов И.П., Колмакова А.А. Исследование процессов сушки компонентов шихты для брикетирования бурых углей Б2//Тезисы докладов. Всесоюзная конференция "Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ", г.Красноярск,-1990.-С. 149-153.

2. Иванов И.П., Ковязин Н.Н., Друждж П.В. Влияние влажности компонентов шихты на прочностную характеристику брикетов из бурого угля со связующими на основе

продуктов биопереработки угля // Сб."Научно-исследовательская деятельность "КАТЭКНИИуголь"(научные труды), г. Москва. - 1991.-С.155-163.

3. Друждж П.В., Андреева Р.И., Иконников И.В., Иванов И.П. Биопереработка бородинского бурого угля в связующее для брикетирования // Сб. "Научно-исследовательская деятельность "КАТЭКНИИуголь" (научные труды), г. Москва.- 1991.-С.163-169.

4. Иванов И.П., Друждж П.В. Опытная технология брикетирования бородинского бурого угля // Сб. "Научно-исследовательская деятельность "КАТЭКНИИуголь" (научные труды), г. Москва.- 1991,- С.169-173.

5. Друждж П.В., Иконников И.В., Иванов И.П., Толкачников Ю.Б., Бруер Г.Г., Попов А.Я., Колмакова А.А. Исследование возможности биотрансформации бородинского бурого угля в опытно-промышленных условиях // Сб. "Научно-исследовательская деятельность "КАТЭКНИИуголь" (научные труды), г. Москва.- 1991,- С.174-179.

6. Иванов И.П., Друждж П.В., Бутаков А.А., Демидов Ю.В., Федоров Н.В. Способ производства влагостойких топливных брикетов.// Патент РФ N° 1810381 от 10.10.92.

7. Иванов И.П., Серебряков В.Н. Получение брикетированного топлива из бурых углей Б2//Горный информационно-аналитический бюллетень, г. Москва.-1993.-вып. 1.-C.I3-15.

8. Иванов И.П., Демидов Ю.В. Экологически чистые технологии - путь повышения конкурентоспособности канско-ачинских- бурых углей// Экологические проблемы горного производства. Сб. докладов конференции. Москва, 1994, С. 68-70.

9. Ivanov I.P., Pavlovich G. 1. Smokeless patent fuel for power engineering needs from brown coaj^of Kansko-Achinsk coal basin//Materials of Meeting of Experts on Clean Coal Technologies, Poland, 1995, P.271-278.

10. Ivanov [. P. Production of smokeless lump fuel from brown coals// Materials of Symposium on Sustainable Development of Opencast Coal Mining Regions, Russia, 1995,

11. Иванов И.П., Демидов Ю.В. Получение бездымного окускованного топлива из канско-ачинских бурых углей с использованием биосвязующего// Сб. докл. Между-нар. науч.-практ. конф. "Переработка углей канско-ачинского бассейна в жидкие продукты", Красноярск, апрель 1996, С. 76-79.

12. Ivanov I.P., Demidov Yu.V. Smokeless fuels from Kansk-Achinsk brown coals//Materials of Seminar on briquetting and smokeless fuels, Eberswalde, Germany 21 -25 October 1996, P. 42-46.

13. Иванов И.П., Головин Ю.Г., Кузнецов Б.Н. Производство брикетированного и бездымного топлива - один из путей решения экономических проблем КАТЭКа // Сб. тез. докл. сессии Научного Совета РАН по химии и технологии твердого ископаемого топлива, Звенигород, 11-13 февраля 1998, С. 245-247.

14. Иванов И.П., Головин Ю.Г., Кузнецов Б.Н Использование продуктов аэробной биопереработки бородинского бурого угля для получения брикетированного топлива

Р. 74-83.

//ХТТ.- 1998, № 6 .-С. 47-5

Отпечатано: АО «Компьютерные технологии»

г. Красноярск, ул. К.Маркса, 62; офис 529; тел.: (3912) 26-34-92.

Лицензия ПЛД №48-49 от 16.04.1997 г. Заказ Тираж экз.

Сибирское отделение Академии наук Российской Федерации ИНСТИТУТ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИНСТИТУТ "КАТЭКНИИуголь" МИНТОПЭНЕРГО РФ

На правах рукописи

ИВАНОВ ИВАН ПЕТРОВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ БРИКЕТИРОВАННОГО И БЕЗДЫМНОГО ТОПЛИВА ИЗ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОСВЯЗУЮЩИХ

Специальность 05.17.07 "Химическая технология топлива"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

/I.

Научные руководители: доктор хим. наук, профессор Б.Н. Кузнецов кандидат техн. наук Ю.Г. Головин

Красноярск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

С.

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

1. ПОЛУЧЕНИЕ БРИКЕТИРОВАННЫХ И БЕЗДЫМНЫХ ТОПЛИВ

ИЗ БУРЫХ УГЛЕЙ...........................................................................................ю

1.1 Биотехнологические способы переработки углей................. .........................10

1.1.1. Аэробные технологии биопереработки углей............... ....................11

1.1.2 Анаэробные технологии биопереработки углей............. ...................16

1.2. Теоретические основы брикетирования........................................................17

1.3. Особенности брикетирования бурых углей Б2.............................................26

1.4. Современное состояние производства брикетированного бездымного топлива............................................................................................................32

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРЬЯ, МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

И АНАЛИЗ ПРОДУКТОВ...............................................................................37

2.1. Характеристики исходного сырья.................................................................37

2.2. Методика получения биосвязующего...........................................................38

2.3. Методика определения технологических параметров брикетирования бурого угля с биосвязующим.............................................41

2.4. Методика получения бездымного топлива из буроугольных

брикетов на основе биосвязующего..............................................................43

3. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА БИОСВЯЗУЮЩИХ ИЗ БОРОДИНСКОГО БУРОГО УГЛЯ.................................................................45

3.1. Исследование процесса биопереработки угля..............................................45

3.2. Физико-химический анализ продуктов биопереработки............................ 49

3.2.1 Реологические характеристики биоугольных суспензий.......... .................52

3.2.2 Содержание кислородсодержащих групп в продуктах биопереработки...........................................................................................53

3.2.3 Рентгеноструктурные исследования продуктов биопереработки..............55

3.2.4. Изучение продуктов биопереработки методом ЭПР.................................57

3.3 Брикетирование продуктов биопереработки бурого угля.............................59

3.4. Влияние влажности биосвязующего на прочность брикетов.......................61

3.5 Технологические параметры сушки биоугольных суспензий

при получении биосвязующего ......................................................................63

4. БРИКЕТИРОВАНИЕ БОРОДИНСКОГО УГЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОСВЯЗУЮЩЕГО.............................................................................................66

4.1. Влияние влажности брикетируемого угля на прочностные характеристики брикетов..............................................................................66

4.2. Влияние содержания биосвязующего в шихте на прочностные характеристики брикетов из бородинского бурого угля............ ..................69

4.2.1. Влияние содержания биосвязующего в шихте на прочностные

характеристики брикетов из назаровского бурого угля........... .................70

4.3. Влияние кратности прессования на прочность брикетов.............................71

4.4. Опытное брикетирование бородинского бурого угля с биосвязующим

на штемпельном прессе..................................................................................74

4.5. Гидрофобизация брикетов из бородинского угля, полученных с использованием биосвязующего...................................................................80

5. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗДЫМНОГО ТОПЛИВА ИЗ БУРОУГОЛЬНЫХ

БРИКЕТОВ НА ОСНОВЕ БИОСВЯЗУЮЩИХ ...............................................82

5 .1. Прочностные характеристики исходных брикетов из бородинского

бурого угля, полученных с использованием биосвязующих...................... . .83

5 .2. Влияние давления прессования на свойства пиролизованных брикетов.....84

5.3. Влияние содержания биосвязующего в шихте при брикетировании бородинского угля на свойства пиролизованных брикетов.........................86

5.4. Объемная усадка брикетов при их карбонизации.........................................88

5.5 Влияние объемной усадки пиролизованных брикетов на их

устойчивость к истиранию...............................................................................91

5.6. Характеристики пиролизованных брикетов из бородинского угля.............94

5.7. Характеристики пиролизованных брикетов из назаровского угля...............97

5.8. Технологическая схема производства брикетированного бездымного топлива из бурых углей с использованием биосвязующих..........................99

ВЫВОДЫ..............................................................................................................103

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................105

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Из 3,5 триллионов тонн пригодных для разработки энергетических видов полезных ископаемых около 81 % приходится на угли, 17 % на нефть и около 2 % на газ. В связи с этим угли по праву относятся к числу базовых энергетических источников на ближайшие 200 - 300 лет [1,2].

Основная часть добываемых углей непосредственно сжигается для получения тепловой и электрической энергии, подвергается технологической переработке с целью получения газообразных и жидких топлив, химических продуктов и облагороженного твердого топлива [3]. В бывшем Советском Союзе энерготехнологической переработке подвергалось лишь около одной трети добываемых углей [4]. В то время как в странах Западной Европы это количество достигает более 50 % [5, 6].

При сжигании углей в рядовом виде в топках со слоевым сжиганием происходят значительные потери топлива вследствие недожога и уноса. Эффективность использования в этих топках рядовых углей, содержащих до 50 % мелочи, составляет не более 50-60 %, а при сжигании угольной мелочи и штыба (класс 0-6 мм) тепловой к.п.д. снижается до 30-40 %.

В целом дефицит сортового топлива на сегодняшний день по РФ составляет более 20 млн. т в год [7]. Это обстоятельство приводит к вынужденному сжиганию в топках со слоевым сжиганием рядовых углей с большим содержанием мелочи, что способствует значительному снижению к.п.д. печей и, как следствие, к непроизводительным потерям топлива. Поэтому выявление и реализация наиболее современных и экономичных путей увеличения ресурсов облагороженного сортового топлива имеет большое народнохозяйственное значение [8].

Современная экологическая обстановка в городах и других населенных пунктах ужесточает требования к качеству сжигаемого коммунально-бытового

топлива, составляющего около 14% от общего объема добываемых в настоящее время углей [9, 10]. Вместе с тем, сжигаемое в коммунально-бытовом секторе топливо должно обладать низким содержанием серы, пониженной дымностью и необходимым гранулометрическим составом объединяемое общим названием -бездымное топливо [11, 12].

Анализ мировой практики получения брикетированного и бездымного топлива [13-16] показывает, что традиционные технологические решения лежащие в их основе, предполагают следующую последовательность производственных процессов:

- получение и сушка угольной шихты;

- брикетирование угля со связующим или без него;

- карбонизация полученных брикетов.

Ряд технологических решений в области брикетирования основан на методе горячего прессования подготовленной угольной шихты за счет использования эффекта пластического слоя самого угля либо применяемого связующего.

Применительно к России значительная часть потребности в твердом коммунально-бытовом топливе предполагается удовлетворять за счет использования бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна [17].

Бурые угли Канско-Ачинского угольного бассейна (КАБ), промышленные запасы которых оцениваются в 115 миллиардов тонн, характеризуются низкой зольностью, незначительным содержанием серы и азота, а также низкой себестоимостью, обусловленной открытым способом добычи из мощных пластов [18]. Между тем, при добыче открытым способом происходит разубоживание угля и образуется до 15 % класса крупности 0-6 мм и до 30% класса 0-13 мм, мало пригодных для слоевого сжигания [19].

Другими причинами, определяющими целесообразность получения из бурых углей КАБа облагороженного твердого топлива, являются их высокая

влажность, возможность самовозгорания при хранении, а также значительные потери при транспортировке [20].

Учитывая, что в России значительная часть населения проживает в малых городах и поселках, проблема производства экологически чистого бездымного брикетированного топлива для коммунально-бытового потребления приобретает большое экологическое и социально-экономическое значение.

По перечисленным причинам разработка более экономичных и совершенных технологий производства брикетированных топлив, в том числе брикетированных бездымных топлив, является актуальной.

Реализация технологии брикетирования с биосвязующим применительно к бурым углям КАБа группы Б2 позволяет получать брикетированные и бездымные топлива удовлетворительной прочности, сгорающих с образованием минимального количества вредных выбросов[21]. Можно ожидать, что создание производства брикетированных бездымных топлив по разрабатываемой технологии позволит повысить конкурентоспособность канско-ачинских бурых углей на внутреннем и внешнем рынке бытовых топлив [22].

Проводимые с 1989 г. исследования показали возможность использования для брикетировании бурых углей Б2 продуктов их биопереработки. Комплекс научных исследований был направлен на отработку технологических параметров получения биосвязующего посредством биотрансформации бурых углей, на изучение технологических параметров подготовки получаемого биосвязующего к брикетированию, отработку технологических параметров брикетирования бурых углей Б2 на основе биосвязующего, на исследование возможности получения бездымного топлива.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ института по научно-техническому проекту "Расширение области применения канско-ачинских углей на объектах электро- и теплоэнергетики Российской Федерации" подпрограммы "Стабилизация положения в Канско-

Ачинском топливно-энергетическом комплексе (КАТЭК) и его развитие в 19942000 годах". Целевой Федеральной программы "Топливо и энергия", и отраслевой научно-технической Программе 0-46 "Разработать ресурсосберегающие технологии и создать оборудование по получению конкурентоспособных продуктов из угля".

Целью работы являлось разработка технологической схемы производства брикетированного бездымного топлива из бурого угля Бородинского месторождения с использованием в. качестве связующего биообработанного угля (биосвязующего), получаемого в процессе его микробиологической переработки адаптированными штаммами микроорганизмов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- изучены основные закономерности процесса биопереработки бородинского бурого угля КАБа в присутствии адаптированных штаммов микроорганизмов в аэробных условиях и исследованы физико-химические свойства биоугольных суспензий, используемых в качестве исходного сырья для получения биосвязующего;

- проведена оценка влияния технологических параметров брикетирования угля Б2 с использованием биосвязующего на потребительские свойства брикетов;

- исследовано влияние процесса пиролиза брикетов из бородинского бурого угля с биосвязующими на физико-химические и теплотехнические свойства получаемого бездымного топлива.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- технологическая схема процесса получения биосвязующего для брикетирования посредством аэробной биопереработки бурого угля Б2,

- результаты изучения физико-химических свойств продуктов аэробной биопереработки бурого угля;

- влияние технологических параметров процесса брикетирования бородинского бурого угля с биосвязующим на свойства брикетов;

- результаты изучения процесса пиролиза брикетов и характеристик бездымного топлива из буроугольных брикетов на основе биосвязующего.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработана технологическая схема получения брикетированного и бездымного топлива из бородинского бурого угля КАБа с использованием в качестве связующего продуктов аэробной биопереработки бурого угля. Полученные результаты предполагается применить при создании производства высококачественных брикетированных и экологически чистых бездымных твердых топлив из канско-ачинских углей.

Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции "Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ" (г. Красноярск, май 1990); Meeting of Experts on Clean Coal Technologies (Poland, 1995); Symposium on Sustainable Development of Opencast Coal Mining Regions (Russia, 1995); Международной научно-практической конференции "Переработка углей канско-ачинского бассейна в жидкие продукты ( Россия, г. Красноярск, апрель 1996); Сессии Научного Совета РАН по химии и технологии твердого ископаемого топлива (г. Звенигород, февраль, 1998).

1. ПОЛУЧЕНИЕ БРИКЕТИРОВАННЫХ И БЕЗДЫМНЫХ ТОПЛИВ

ИЗ БУРЫХ УГЛЕЙ

1.1 Биотехнологические способы переработки углей

Биотехнологические процессы позволяют эффективно получать ценные продукты из различного вида сырья . Достижения биотехнологии с недавних пор начали использовать для увеличения добычи и переработки традиционных видов топлив (нефть и уголь) [23]. При этом было выявлено, что действующим началом в этих процессов оказывается не отдельная структура или вид микроорганизма, а целое сообщество. Это, в свою очередь, требует совершенно иных подходов и иных знаний, чем в микробиологическом производстве физиологически активных веществ и в генной инженерии, где используются только чистые культуры микроорганизмов [24].

Известно, что ископаемые угли - это природные полимеры нерегулярного строения, включающие в свой состав различные органические, минеральные и органоминеральные составляющие Соотношение этих составляющих в каждом конкретном угле определяется в основном степенью его метаморфизма и условиями залегания [25].

Биотехнологическое преобразование угля может быть направлено на получение из него твердых, жидких и газообразных видов продуктов, а также улучшения его потребительских характеристик.

В зависимости от способа биопереработки угля и используемых при этом штаммов микроорганизмов различают два основных технологических способа переработки - аэробный и анаэробный. В аэробных условиях, за счет подачи кислородсодержащего газа преимущественное развитие получают окислительные процессы, способствующие частичной деструкции структуры угля и переводу его в суспензированное состояние; в анаэробных условиях

(замкнутая система) протекают процессы приводящие к образованию метана и углекислого газа с получением солюбилизированных угольных частиц в биоугольной суспензии.

В свою очередь анаэробные и аэробные биотехнологические процессы могут осуществляться как в мезофильном (при температуре не более 40 °С), так термофильном (температура процесса 40 - 70°С) режимах.

Значительное влияние на осуществление процесса биопереработки органической и минеральной части углей оказывают вырабатываемые микроорганизмами ферменты [26].

1.1.1. Аэробные технологии биопереработки углей

На сегодняшний день, основными направлениями биопереработки углей является улучшение их экологических характеристик для энерготехнологического использования посредством удаления серы (пиритной и органической), деминерализации и биорастворения. Наиболее приемлемыми для этого являются анаэробные методы биопереработки.

При разработке биотехнологических способов используют различные виды микроорганизмов и грибков, а процессы могут быть осуществлены как в мезофильном, так и термофильном режимах.

Японским центральным исследовательским институтом Электроэнергетической промышленности разработан бактериальный метод обессе-ривания угля при котором удаляется 70 % неорганической серы и на 60 % снижается зольность угля [27]. Фирма Ва1е11е занимается созданием штаммов микроорганизмов по удалению серы из углей [28].

В работе [29] описаны исследования по обессериванию углей с использованием бактерий БиШоЬш Ьпег1еу1 ЭМБ 1651 в эрлифтном реакторе при температуре 70°С.

В исследованиях проведенных авторами [30] из образцов каменного угля рудника Серици (Италия), выделены нативные штаммы бактерий относящихся к родам Pseudomonas, Bacillus, Xanthomonas, которые проявили активность при обессеривании угля этого месторождения.

В работе [31] на органических соединениях, моделирующих сероогани-ческие структуры в углях, показана возможность обессеривания до 90 % с помощью бактериальных культур IGTS 8 обладающих генетической стабильностью и воспроизводимостью. При �