автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор рациональных режимных и конструктивных параметров установки для механохимической активации углей Подмосковного бассейна водой высокого давления

РГ6 од

о 9 ФЕВ 1538

Ны правах рукописи

ПРОНИН Олег Владимирович

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ Н КОНСТРУКТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКОИ АКТИВАЦИИ УГЛЕЙ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА ВОДОЙ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

05.17 07 - Химическая технология топлива

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических иаук_

ТУЛА 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете и Тульском гос\ дарственном педагогическом университете им. Л.Н.Толстого.

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР, даст. техн. наук, профессор Бреннер В.А.;

докт. хим. наук, профессор Платонов В В.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАО, докт. техн. наук, профессор Проскуряков В. А.;

каяц. техн. наук, доцент Казак ЮН.

Веду щее предприятие

Тульское государственное научно-исследовательское геологическое предприятие

Защита диссертации состоится « Л » ММ.ЛЯСХ. 1998 г. в ^Ч сов из заседании диссертационного совета К 063.47.04 при Тульском грсударр веяном уштераггете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина 92, учебный корпус 9 аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослал «<2?<Р» с ЯМ 6(Л/ЫЛ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

copera, канд. техн. наук —О.М.Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Существенное уменьшение запасав нефти, сокрушенна её добычи и переработки, и в то же время значительный рост потребления различных моторных топлив и органического химического сырья, делают всо|.мя актуальной задачу научной разработки и последующего промышленного внедрения процессов получеши указанных выше продуктов на тверды* гоплив. В сняш с этим актуальным является вовлечение в переработку дешевых бурых углей, а именно углей Подмосковного бассейна, которые весьма перспективны с точки зрения комплексной химико-технологической переработки.

Одним на способов повышения эффективности технологий переработки и наиболее полного использования химического потенциала сырья является ме-ханохьмическая активация органической массы углей (ОМУ), которая поззоля-е! смягчить условия последующего гермоожижения и достичь высокого выхода жидких продуктов с оптимальным фракционным и структурно-групповым составам. Данной проблеме в последнее время посвяшено много научно-исследовательских работ. Для лабораторных исследований, а также промышленного использования, разрабатываются специальные установки на базе существующих конструкций планетарных, центробежных, вибрационных, ультразэукрчых мельниц и др , которые называются активаторами. Как показали проведенные нами эксперименш, перспективным способом механохимической активации ОМУ является их обрабоша водой высокого давления, в результате чего выход гуминовых кислот (ПС) и жидких продуктов из углей увеличивается почти 6 2 раза, одновременно повышается их экологическая чистота.

До настоящего момента в технической литературе практически не встречаются сведения но использованию струй воды высокого давления для механохимической активации ОМУ, отсутствует научное объяснение процессов химических превращений угля, происходящих при этом. За рубежом широко ведутся исследования по применению вмеоконапорных струй для разрушения и дезинтеграции различных материалов, в том числе и углей, но исследовании изменения вещественного состава и реакционной способности угля в результате воздействия высоконанорной воды не проводилось.

Исходя из вышеизложенного, задача разработки научно-обоснованного подхода к выбору способа механохимической активации ОМУ и его рационшн ных параметров является весьма актуальной. В дальнейшем на основе полученных знаний возможна организация современной промышленной технологии произволе гьа химической продукции из углей, механоактивнрованных водой высокого давления. Внедрение данной технологии позволит создать допошгн-

трльииерибочг.е ¡,,.гла, сиять социаньнуюшпряжсииость с угольных репшна существенно оздог«'а«т экологическую обстановку.

Работ;; шгяь.шзеь соимеоно с кифедроа "Обшей и неорганической хя мин" ТулГПУ н ф>;>:мом "Hl-lTEIl" б соопштстаиы с тематическими планами НИР И ОКР АО "Госуголь" и по теме ТулГУ (roc. per. Ш 0¡.9.70008899).

Цель работы. Установление закономерностей процесса механохимиче-CKoíí активации С;\1У Подмосковном) бассейна водой высокого давления и, на их охаосе, ЫлСср р.ишоналышх режимных и конструктивных параметров уста liosKïi, позволяющей эффективно подия .»впнаать уголь к последующей химнч е;:сЛ переработка

13деи t!.;:¡!;i¡ Воздействие поди высокого давления на угольное вещее i го Г; сочетании с подло^кой-кагализатором облагораживает ОМУ и активируе ее, что по;:о-л>шеды!с> скатывается на эффективности процессов получения из j глеи оргеномиаер;. .ьных удобрений и синтетических нефтепродуктов.

УЛегад ;:ccj:uac~3i¡i¡n - комплексный, включающий анализ и обобщение литературных да; mux по моделированию структурной организации как отдам них фрагментов, так и молекулы утла в целом и исследованиям реакционной способности механелстивированных углей; экспериментальные исследования процесса мг;;<шс.ашмческой активации ОМУ водой высокого давления в стен досих условиях; анализ н обработку эксперименталышх данных с применен»: !.:<лодоа г.чзмнчесгого анализа, теории вероятности и математической статист« ¡;н, методов ¡>одобия н ратмерностей; теоретическое обоснование происходят процессов и химических превращений; сопоставление экспериментадьных и теоретических данных.

Научные реломення, разработанные лнчпа соискателем, и их иошп-на: ни брани И обоснованы показатели эффективности механохимической ami рации ОМУ водой высокого давления для различных способов н условий обра ботки, позволяющие правильно определять рациональные режимные параметр установки;

установлены взаимосвязи изменения режимных н геометрических параметров установки с показателями процесса механохнмической активации ОМ1 радон высокого давления с учетом характеристик обрабатываемых углей, обе« пеЧиаающне обоснование показателей работы установки;

установлены рациональные параметры процесса механоактивации ОМУ водой высокого давления, позволяющие достичь максимального выхода ПС и продуктов термоожиження из углей;

ррраиалязирозапы и выбраны па основании гряпэтгс::<--гэ сЗзорп литера-рных данных молекулярные модели угояыюго венгс^г'Ч, с20т?сгзтзуюдапз роению Подмосковных бурых >тлей, что позволило ¡т-рртктпо "гсосятпчссйи осиогодъ происходящие химические пре*ря!нення.

Догкигриг.егь пькод":; ;« ¡кид.ишй подтвер-

дится: корректностью посгШшзга задач; объеме»! г::спгрг.;.;елталыя,|хд.';;дк.;::, лученных в стендовых условиях с применением современных средств из-|й и методов исследований; различными методами химического анализа; кс;:-кгным применением методоз теории вероятности и математической ста гнет::-I лрн обработке и анализа з.'ссреримеитазьнш данкпх; устойчивостью ;;с-рр> щиошщх евздей установленных згвисимсстсГг (значения индексов коррелята 1.УОЯЯ1СЯ в пределах 0,75 - 0,99); теоретически?» обоснованием проксходлнш;: отческих превращений; удовлетворительно5! сходимостью росгетгшх дтнчих т перимееталышми (от&тонсяце да лрззыпгст 15%).

Научное значите работы заклхчгтеч в разработке и сбоснозашпт но->го метода мехаяоагсгазацпн угля с прпмеггикзм вэдч высокого давления, ус-отоялешт его закономерностей с учетом характеристик исходного сырья, а иоке установление геометрических, гидравлических и режимных параметрол лструмента, позволивших выявить их р&цпоя?л*.:;№! сочетания и сбосиоваг». зказателн работы установки по механохкмчческоД (нстзацяи ОМУ длл пелу-гния синтетических нефтепродуктов и ергано.мниерзяькых удобрении. Практическое значение работы:

разработана конструкция экспериментальной установки, которая сбеспз-ивает исследование процесса механохимической активации ОМУ водой высо-ого давления в широком диапазоне изменения режимных н конструктивных араметров;

получены рациональные значения режимных и геометрических парамет-ов гияроинетрумента, обеспечивающих наиболее эффективную механохнми-ескую активацию ОМУ водой высокого давления;

предложены показатели эффективности механохимической активации )МУ водой высокого давления для получения синтетических нефтепродуктов и рганоминеральных удобрений;

разработан способ получения жидких углеводородов из бурых углей, ■редварителыю механоактивированных водой высокого давления;

рекомендована принципиальная схема промышленной установки для ме-анохимической активации ОМУ водой высокого давления по результатам вы-юлненныч исследований.

Реализация результятоп работы. Впервые предложены и обоснованы параметры гидротехпологии механоактивацин ОМУ, позволяющей достичь высокого выхода продуктов переработки углей - органоминералышх удобрений, коагулянтов, моторных топлив. Данная технология принята к реализации ТулНИГП и фирмой «ИИТЕП».

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на ХХХ1-ХХХШ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1995 - 1997 гг.), I Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" в ТулГУ (г. Тула, 1996 г.), научном симпозиуме "Неделя горняка - 97" в МГТУ (г. Москва, 1997 г.). конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности" р ТулГУ (г. Тула, 1997 г.), научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 1995-1997 гг.), технических советах фирмы "НИТЕП" (г. Тула, 1995- 1997 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы и подана одна заявка на патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 104 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 27 таблиц, список использованной литературы из 235 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Б связи с острой необходимостью перепрофилирования областей использования высокозольных и высокосернистых бурых углей Подмосковного бассейна, а именно, широкое вовлечение их в химическую переработку, проведен критический обзор литературных сведений о химическом составе ОМУ, существующих концепциях строения угольной макромолекулы и ее фрагментов, а также реакционной способности углей. Это крайне необходимо для научного обоснования различных способов механоактивацин углей и выбора их параметров.

Анализ различных процессов подготовки твердых торлив к переработке показал,, что механоактивация их вещественною состава является наиболее эффективным способом повышения их реакционной способности, и ,как результат этого, интенсификации технологии получения химической продукции из углей, сланцев, природных битумов. Механоактивация органической массы топлив

t

вызывает не только увеличение выхода различных продуктов, но н существенно улучшает их качественный и количественный состаз. Изучению механоакгава-цип органической массы тошшз и их реакционной способное™ посвящены не-, следования Е.Г.Аввакумова, Н.К.Барамбойма, В.В.Болдырева, П.Б Бутгина, А.Б.Воль-Эпштейна, Н.Л.Голденко, А.А.Гонцова, П.Н.Джапаридзе, В.Н.Каса-точкина, В.С.Кпрды, А.А.Кричко, В.В.Лебздева, В.И.Молчанова, Л.П Никано-ровой, К.Питерса, В.В.Платонова, А.Б.Полубенцева, А.Г.Пройяакова, В.А.Проскурякова, Ф.Фишера, Т.М.Хренковой и др. Механоактиваиия углей и торфов проводилась ими в различных активаторах: шаровых, центробежных, планетарных, ультразвуковых мельницах, днемембратора, гидродинамическом роторно-пульсацнонном аппарате и пр. Недостатками механической активации является низкая эффективность процесса, загрязнение и окисление материала в процессе обработки. Наиболее интересные результаты получены при использовании ро-торно-пульсационного аппарата, принцип действия которого основан на явлении кавитации. Авторами отмечено,.что при различных механохимнческих и других воздействиях больший эффект на растворимость и реакционную способность угольного вещества будут оказывать те, при которых реализуется воздействие более "концентрированной" энергии, приводящей к существенному перераспределению энергии связен в объеме угольных частиц, понижению энергетической устойчивости ОМУ и ее механодеструкшш. Хотя число аетоз таких воздействий может быть меньше, чем при действии более "рассеянной" энергии, их эффективность будет значительно выше. Струи воды высокого давления отвечают этим требованиям, являясь источником

"высококонцентрированной" энергии. Одновременно, вода под высоким давлением - эффективное средство разрушения, работающее по принципу «гидроклина». Исследования в области гидравлического, гидроабразивиого и гидромеханического разрушения пород и различных материалов, проведенные такими учеными, как: В.А.Бреннер, [С.А.Головин, КЗ.А.ГольдШ), А.Б.Жабин, И.А.Кузьмич, В.Г.Мерзляков, А.Е.Пушкарев, С.С.Шавловский, M.Mazurkie-vicz, D.Summers - подтверждают это. Разработанные ими научные положения легли в основу работы при конструировании экспериментальной установки И схемы обработки угля.

В технической литературе практически не встречаются сведения по использованию энергии воды высокого давления для механохимической активации ОМУ, соответственно, отсутствует научное объяснение происходящих при этом химических превращений и закономерност ей процесса. Возникает необхо-

димость пселедипать процесс цеханохнмическон активации ОМУ водой высс кого давления и сравнить ег эффективности с другим« способами.

На осиовапзд вышеизложенного, а также и соответствии с целью работ были поеш.лсшл следующие задачи исследований:

- разрцбошть конструкцию экспериментальной установки, обеспечивающую исследование процесса механохимической актцвации ОМУ водой вис кого давления;

- установить основные факторы, определяющие процесс механохими-ческой аетнвашш ОМУ водой высокого давления на экспериментальной устг иовке;

- выбрать а обосновать Показатели эффективности механохимической активации ОМУ ^одоК высокого давления для различных способов и условш обработки;

- устеиоа:ггь влияние режимных н геометрических параметров на проц механохимической ахтиг-ациц ОМУ родоГ» высокого давления;

- определить рациональные параметры процесса меканохимцческой а ¡с нации ОМУ водой высокого давления для получения синтетических иефтеир дуктов и оргшюминерцльных удобрений;

- тепрстичеси! обосновать происходящие процессы и химические пре-вращеши;

- рекомендовать принципиальную схему промышленной установи! дл.< мехалохимической активации ОМУ Подмосковного угольного бассейна вод( высокого давления с целью получения синтетических нефтепродуктов и орп йокииеральных удобрений.

Для изучения процесса механохимической активации ОМУ водой вые кого давления была разработана экспериментальная установка. Предварител На ней выбрана из нескольких возможных вариантов оптимальная, с точки з] нкя производительности и эффективности, схема обработки углей (см. рис.

Вода с давлением Ро от источника высокого давления мощностью N. г дается к гИдроугольноЦу инструменту 1, в котором, проходя через струефор рующук> насадку 2 с диаметром отверстия <Зо, поступает в камеру смешения Одновременно в нее за смет разряжения, созданного струей йоды, инжектор; ся измельченный уголь крупностью А из загрузочного устройства 4. В каме[ смешения происходит насыщение водяной струи угольными частицами и об зующаяся водоугольная смесь попадает в коллиматор 5 диаметром с1„ и длш К, где происходит окончательное формирование водоугольной струи. Далее последняя ударяется о поверхность подложки-кзгализатора 6, которая распс

сена на расстоянии )0 от среза коллима-ора под определенным углом а ипугри рызгозащнтного кожуха 7, и собира-тсл в пульпосборнике 8, после чего :я1'Г>'вляется нл х?р.нгч2ск!«!1 игализ. В юмент столкновения угольных частой водяной струей, обладающей высокой ¡азрушаюшец способностью, в камере оллиматора н последующего удара о юдложку-каташштср выделяется нергия, вызывающая механохимиче-кие изменения ОМУ. Мсхаиохимиче-кая активация ОМУ, кроме вышепере-шслеиных гидравлических (Р0, da) и еометрическнх (<!„, 1к, Ь) параметров, а зюке типа подложки-каталнзэтора п тлз ее установки а, зависят также от ранулометрического состава нсходно-о угля и его физико-химических свойст

Источник поды высокого дав-ления состоит из приводного насосного шока, водяного насосного блока низкого давления, преобразователя давления и 5лока фильтров. Преобразователь давления мультипликаторнсго типа позволял ¡беспечивать давление воды до 200 МПа н расход ез до 30 л/мин. Дл ? регнст->ации давления стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из пгрепочного мацометра прямого действия, теизоманометров, усилителя ТА - 5 и илейфового осциллографа Н -115. В исследованиях использовался гидро-/гольный инструмент оригинальной конструкции, позволяющий варьировать (араметры в широких пределах.

Объектами исследования являлись бурые угли Подмосковного угольного бассейна, исходный состав которых представлен в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики исходных углей

Тип угля Техннч.анализ, % Элементный анализ, мае, %

А' С Н N Б+О

эурый уголь, Подмосков-п,1н бассейн, Кимовсклй 1азрез, уч. 4. 7,9 30,1 67,0 4,7 1,1 27,0

Сже?.?« обработки угля водой нысого даялення

п.

При выборе показателей механохимической активации ОМУ водой высокого давления авторы руководствовались рекомендациями ранее выполненных работ в области Ксханоактивацпи другими учеными, а Также направлением дальнейшего использования подготавливаемого сырья. Для подмосковных углей - это переработка их в органоминеральные удобрения и синтетические нефтепродукты, следовательно, необходимо выбрать в качестве показателя выход ПС, степень ожижения (СО) ОМУ и содержание в жидок продуктах бензиновой и соляровой фракции. Кроме этого, такие показатели, как изменение содержания водорода И углерода, содержание циклоалканов и ароматических углеводородов в составе жидких продуктов, отношения Н/С (атомное) достаточно наглядно раскрывают механизм химических превращений, протекающих при механо-химической активации ОМУ.

Исследование влияния воды высокого давления на гранулометрический Состав углей проводилась при следующих условия обработки: давление воды Ро=30-100 МПэ, диаметр коллиматора (¡1= 3,5 мм, длина 1к=95 мм, подоожка-кататщзатор - АЬ01( 1о=!5 мм, угол ее установки относительно горизонта 60°, Опыты проводились с фракциями углей от 0,16 до 1,0 мм, предварительно рассеянными на вибросите, Анализ результатов экспериментов показывает, что наиболее эффективное измельчение материала происходит при давлении воды ]00 МПа и крупности исходной фракции р,16 мм, что соответствует максимальной разрушающей способности струи и подтверждает выводы американских исследователей - разработчиков гидроструйных мельниц: эффективное измельчение будет достигнуто при воздействии струи роды высокого давления на свободные мелкие частицы.

Влияние давления воды Рс на процесс механохимической активации исследовалось на образцах угЛя крупностью менее 0,5 мМ э Присутствии подложки-катализатора - АЦОз, угол наклона которой а = 60°, расстояние Ь - мини-малгное 15-20 мм. Давление воды варьировалось в пределах 30-150 МПа.

На рис. 2 представлена зависимость выхода ГК и СО от давления воды. Результаты экспериментов позволяют констатировать, что повышение давления от 35 до 150 МПа вызывает общее уменьшение выхода ГК, который изменяется от 33,5 до 16,7 мае. % ОМУ, достигая максимума 37,0 мае. % ОМУ при 65 МПа. Эмпирическая модель зависимости выхода гуминовых кислот от давления воды -квадратичное уравнение:

ГК = -0,00|6Р»2 + 0,1452Ро + 29,152 (1)

п • -

Максимум гыхода Г1С соответствует 60 МПа. Наблюдаемая зависимость выхода ГК от давления может быть объяснена следующим образом. В интервале давлений 35-60 МПа доминируют реакции деструкции сложно-эфирных и простых эфирных мостиков, соединяющих отдельные фрагменты макромолекулы угля, и последующей рекомбинации радикальных продуктов атомарным водородом. В конечном итоге накапливаются соединения с фе-нольными (ФГ) и карбоксильными (КрГ) группам и, реагирующие со щелочью при выделении ГК, выход которых увеличивается. При повышении давления выше 60 МПа, прежде всего, повышается степень диссоциации вода до атомарного водорода, разрушаются I гетерокиклм, что также дает дополнительные количества структур с кислотой функцией, но одновременно интенсифицируются реакции гидрирования ЛГ, КрГ, кетонных (КГ) и хинондных (ХГ) групп Я их последующего отщепления. Это существенно уменьшает образование компонентов, извлекаемых ще-гючью; выход ГК надает; одновременно увеличивается количество углеводородов.

Регрессионный анализ влияния давления воды показывает, что, кроме выхода ГК, другие показатели меняются по линейным закономерностям. Выход ароматических углеводородов уменьшается с увеличением давления; остальные показатели процесса увеличиваются прямо пропорционально увеличению давления воды. '

Содержание водорода с увеличением давления монотонно растет от 5,1 до 6,8 мае. % с|аГ Роль донора водорода в процессе выполняет вода; причем, чем выше давление, тем выше степень гидрирования ОМУ. Одновременно повышается количество углерода от 62,6 до 69,5 мае. % с!аГ. Увеличение содержания углерода и водорода, а также отношения Н/С (атомное) от 0,497 вызывает повышение склонности ОМУ к ожижению в среде водорододонорного растворителя, роль которого выполняет толуол. С повышением давления поды отме-

80 ЭМУ ВО

Э

^30

20 10

у \

1

0 50 100 МПз 1С0

Ра —{>■

в Степень термоожижения а Выход Г!С

Рис. 2

чается увеличение СО ОМУ н рыхода жидких продуктов. СО варьирует от 36,3 (35 МП?) до 57,5 (150 МПа); рыход жидких продуктов - от 31,2 до 50,8 мае. % ОМУ, соответственно.

Сравнение результатов фракционного состава жидких продуктов покрывает, что повышение давления, воды, и, как следствие этого, интенсификация реакций гидрирования ОМУ, вызывает также значительные изменения во фракционном и структурно-групповом составе жидких продуктов. Так, выход фракций с т.кип. до 200 °С растет от 5,8 (35 МПа) до 15,2 (150 МПа); 200-360 °С - от 8,3 до }7,8 мае. % ОМУ, соответственно.

Экспериментальные исследования влияния гранулометрического состава исходных углей на процесс механохимической активации ОМУ водой высокого давления проводились при следующих условиях обработки: давление воды Р0=ЮО МПа, диаметр коллиматора dK= 3,5 мм, длина 1«=60 мм, 10=15 мм, подложка-катализатор - АЬОд, угол ее установки 60°.

Размер частиц угля оказывает существенное влияние на характер механо-химнческих превращений ОМУ. Так, выход ГК изменяется от 16,4 (0,05 мм) до 21,5 (1,00 мм); их молекулярная масса - от 865 до 1100 а.е.М.; содержание ФГ-от 2,43 до 3,25; КрГ - от 1,35 до 1,7; ХГ от 3,3 до 3,7 мг-экв в/г, соответственно.

Данные элементного состава угля показывают, что с увеличением размера его частиц от 0,16 до 1,00 мм в ОМУ растет содержание гетероатомных соединений (О, N, S) при одновременном уменьшении количества углерода и водорода. Повышение глубины деструкиионных процессов, за счет водорода воды высокого давления, с уменьшением размера частиц угля вызывает значительные изменения во фракционном и структурно-групповом составе жидких продуктов. Следует предположить, что, чем меньше размер частиц утля, тем легче протекают реакции гидрирования ОМУ; возрастают СО угля и выход жидких продуктов.

В качестве подложки-катализатора (см. рис. 1) использовались материалы, которые по нашим предположениям должны оказывать влияние на протекание реакций механоактивациирМУ. Использовались металлические пластины, покрытые тонким слоем оксидов металлов, а также слой пластика из полистирола. Для сравнения были проведены эксперименты и в отсутствии подложки, когда вода истекала в воду. Проведение последних экспериментов позволило сделать вывод о роли подложки-катализатора в процессах механохимической активации.

Результаты эксперимента показывают, чтр химическая природа подложки имеет весьма важное значение, определяя направление механохимических изменений в химическом составе ОМУ. Так, СО выше в случае применения ТЮг, когда содержание водорода по сравнению с исходным углем возрастает от4,7 до 7,3; углерода - от 62,4 до 72,1 мае. % daf. В отсутствии подложки содержание водорода и углерода составляет 5,6 и 66,4 мае. % daf, соответственно. Повышение СО, увеличение содержания водорода нашло свое отражение в уменьшении выхода ПК, их молекулярной массы, содержания в их составе функциональных групп; возрастании склонности ОМУ к ожижению и выхода жидких продуктов, содержания изо- и циклоалканов, гндроароматичерких углеводородов. Так, выход ГК, в случае применения в качестве подложки ТЮг, составил 17,3; Fe2Oi -22,3, AliO) - 26,5, без подложки - 29,5 мае. % ОМУ. Значение молекулярной массы изменяется от 993 до 1620 а.ем, что указывает на большую глубину де-струюшонных процессов ОМУ на поверхности ТЮг, насыщение отдельных фрагментов ОМУ водородом, и, как результат, этого повышение склонности угля к ожижению.

Изменение угла установки подложки-катализатора варьировалось от 30° до 80°. Данный технологический параметр имеет существенное влияние на химический состав как самого уг ля, так и различных продуктов, полученных из него. Это нашло свое отображение в изменении выхода 1"К ц их структурных, характеристик, элементного состава угля, степени его ожижения, фракционном и структурно-групповом составе жидких продуктов. Вдоол ГК уменьшается от 20,4 до 31,3 мае. % ОМУ; увеличивается их молекулярная масса от 1085 до 1315 а.е.м., а также растет содержание функциональных групп. Увеличение угла от 30 до 80° уменьшает степень насыщения ОМУ водородом от 6,8 до 5,7 мае. % daf; возрастает количество гетероатомных соединений от 2),7 до 28,1. Это, по-видимому, определяется количеством энергии, выделяемой при ударз водоугольной смеси о подложку-катализатор, степенью термодеструкиии ОМУ, направлением реакций гидрогенизации образовавшихся радикальных продуктов. СО угля уменьшается от 35,6 до 42,3, что вполне объяснимо более высоким содержанием водорода и углерода в ОМУ при меньшем значении угла (30°). В составе жидких продуктов, при увеличении угла падения водо-угольной смеси на подложку, отмечается меньшее содержание фракций о т. кип. до 200 Г'С и 200 - 360 °С. Оно составляет 13,9 и 15,6 (30°) и 9,2 н 10,8 (80°), соответственно. 13 составе жидких продуктов с увеличением угла а возрастает содержание Н-алканов и ароматических углеводородов; одновременно уменьшается - изо- и • циклоалканов, гидроароматических углеводородов.

тдщяншт расстояши от среза коллиматора до подложки-

:;'.ташиак,ра про/огдпось при давлении 100 МПа, ¿0=0,4, »3*—3,5,1К=65 мм, круп ¡¡ость угля менее 0,27 мм. Расстояние Ь варьировалось в пределах 15-65 мм.

Установило, что в изученных пределах варьирования расстояния от срез; коллиматора до подложки-катализатора влияние данного параметра весьма несущественно. Одного, следует отмстить, что увеличение изучаемого технологического параметра способствовало больше!! степени насыщения ОМУ водородом, а, следовательно, уменьшению шхода Г К, содержанию в их составе ки-слородосодсрлгцщих функциональных групп; повышению склонности угля к оксиженню и выхода жидких продуктов. В составе последних отмечено увеличение содериглшй <: раштй с температурой кипения до 200 "С и 200 - 360 "С , уменьшение гцюкчсстез и- и падал капов, ароматических углеводородов. Одтто- • временно возрос выход циклоалкаиов и гттдроароматическнх углеводородов, что являете!, сяодсынем прСпекания реакции гидрирования различных фрагментом ОМУ.

В результате проведения регрессионного анализа получены следующие расчетные зависимости для выхода ГК и СО (% ОМУ):

ГК=12,7-0,ПРо + 0,0411о+13,08А + 0,197а ' (2)'

СО - 59,7 ■+ 0,18Ри - 0,021 1и - 15,76 А - 0,24 а (3)

Полученные значения коэффициентов вариации, соответственно, 15,27 и 7,60 %, свидетельствуют о достаточно хорошей сходимости экспериментальны)! данный с расчеинлми.

Выявленные закономерности влияния различных конструктивных и режимных параметров на выход и состав различных продуктов термодеструкцци ОМУ позволяют сделать вывод, что механохимические превращения последней сопровождаются одновременным протеканием реакций как по радикальному, так и по ионному механизму. Наличие ионного механизма объясняется реакциями изомеризации, циклизации, которые катализируются присутствием минеральной части, а также различными металлокомплсксами типа порфириноз. Присутствие последних в составе ОМУ установлено методами И К- и УФ-спектроскопии, хромато-масс-спектрометрией.

По результатам проведенных исследований был разработан технологический процесс получения жидких углеводородов из углей, механоакшвированнь вод! и высокого давления, на который подана заявка на изобретение. Данный процесс обладает рядом преимуществ: позволяет отказаться от дорогосюящего и остродефицитного катализатора - гидрида кальция (СаН;); уменьшает расход ьодорододонорного растворителя; повышает экологическую чистоту моторных

оплив (уменьшается содержанке гстероатомных соединений лзота, кислорода н еры); увеличивает выход фракции с температурой кипения до 200 °С.

На основании комплексного'анализа результатов рлбогы предложена рииципиальпач схема промышленной установки, реализующей способ меха-охнмнческон активации ОМУ водой высокого давления. Данная схема осно-ана на использовании ступенчатой обработки материала: на первой стадии еб-абатывается крупнокусковой материал, И далее диаметр рабочего инструмента остепенно уменьшается. Возможен вариант применения предварительной гпд-авлической дезинтеграции, потенциальная производительность которой до-олыго высокая.

В целом, рассматривая разработанный способ механохимнческой гхтива-:ни ОМУ водой высокого давления, можно отметить следующие его преимущества:

- в процессе обработки вода высокого давления, в отличие от мехапиче-кого способа, в течение короткого 'промежутка времени воздействует на какую отдельную частицу любого размера;

- происходит эффективное диспергирование материала, высокая степень :исперсности позволяет легко отделять минеральную часть;

- перепад давления воды вдоль оси коллиматора и По сечению водяной труи способствует появлению макро- и микротрещнн в обрабатываемом мате-иале, что значительно снижает его сопротивляемость разрушению;

- каталитическое влияние материала подложки-катализатора и материала оллиматора на интенсивность и направление протекания реакций в процессе бработки;

- разрушение угля происходит в водной среде, и это исключает контакт ктивироваииого материала с кислородом воздуха, предотвращает его окнеле-(ие;

- вода в данном процессе выступает в качестве донора водорода, что спо-обствует повышению содержания последнего в ОМУ, и, как результат этого, величивается теплотворная способность угля и его химическая активность;

- отсутствие загрязнения угля во время процесса механоактивации;

- процесс механохимической активации ОМУ водой высокого давления кологически чистый, в нем отсутствуют высокочастотные колебания, харак-ерные для вибрационного способа, нет излучений опасных для здоровья чело-ека, возникающих при лазерном и ультразвуковом способе механоактиванни.

В перспективе данную гсхиологию механоактинании углей можно не-олтзовать для подготовки водоуТолышй суспсн mu a качеете гопливп для ЭЦ, транспортировки ее на большие расстояния с небольшими чиерютиче-кими затратами.

Результаты данной работы используются ТулПШГП и фирмой «Н1ПТЛ1» при разработки оборудования и технологий комплексной переработки углей с получением ш них концентратов редкоземельные элементов, ирганоминераль-пых удобрений, коагулянтов, моторных тошмв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных авюром экспериментальных и теоретических исследований решена аюуальная задача установления рациональных режимных и конструктивных параметров гидротехнологическою процесса подготовки высокозольпых бурых углей к химической переработке, что позволит получать из шгх высококачественные, экологически чистые оргаиомииерапьиые удобрения и синтетические нефтепродукты, имеющие большие перспективы для развития Подмосковного угольного бассейна.

Основные выводы, научные и практические рез>льтаты сводятся к следующему:

1. Разработан новый способ механоактивирования углей водой высокого давления, который облагораживает ОМУ и позволяет повысить выход жидких продуктов и гуминовых кислот из углей без использования катализаторов и с одновременным смягчением условий переработки.

2. Получены эмпирические расчетные зависимости для определения выхода гуминовых кислот и жидких продуктов из углей, механоактивироваиных водой высокого давления.

3. Установлены рациональные сочетания режимных, геометрических, Гидравлических параметров для наиболее эффективного механоактивирования ОМУ водой высокого давления. Выявлено, что оптимальная подложка-катализатор для Механохимическои активации ОМУ с последующим получением жидких углеводородов - ТЮ2> установленная на расстоянии 20 мм от среза коллиматора под углом давление воды - максимальное, крупность исходного сырья - менее 0,25 мм, а для процесса получения ГК - обработка сырья в отсутствии подложки-катализатора, давление воды - 60 МПа, крупность угля - не менее 0,6 мм.

4. Теоретически объяснены процессы и химические превращения ОМУ, Происходящие при механохимическои активации водой высокого давления.

5. Предложен способ нопученпя жидких углеводородов из углей Подмосковного угольного бассейна, предварительно активированных водой высокого

давленая, на который подана заявка на патент "Способ нолучеши жидких нефтепродуктов из угля".

6. Рекомендована принципиальная схема нромышле»1ноа установки для кекднохимической активации ОМУ водой высокого давления с учетом выполненных исследований.

Основные положения диссертации олублшсоканы в следующих работах:

1. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкареп А.Е., Пронин С).В. Изучение процесса обработки углей водой при высоком давлешгаУ/Проблегш создания экологически чистых н ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного ироизьодства/Тез. докч. 1-я Межд. конф. -Тула, 1996, -С. 162.

2. Платонов В.В., Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пронин О В., Таран НА. Ме-ханохнмнческие преобразования органической массы углей водой высокого давления н ее реакционная способНость//Зкология и безопасность жизнедея-тельносп!/11звестия Тульского государственного университета Выпуск 3. - Тула, 1997. С. 104 -105.

3. Бреннер В.В., Жабин А.Б., Пронин 0.13., Наумов Ю Н. Новый способ ак тпвирозания органической массы углей путем обработки водой высокого дав-ления/УКомплексиая механизация и автоматизация угольных работ в шахтах. Юбнл. сбор., посвященный 100-летию со дня рожд. М.И.Слободктша Тул! У. -Тула, 1997. С. 36-41.

4. Пронин О.В. Механохимическая активация вещественного состава углей водой высокого давления/УСовместная сессия н выставка-ярмарка перспективных технологий. Тула, 18-20 ноября 1997 г. Сборник тезисов докладов. - Тула, 1997. С. 159- 160.

5. Бреннер В В., Платонов В.В., Жабин А.Б., Пушнарев А Е., Атипов В В., Пронин О.В. Заявка на патент N 97102015 от 11 февраля 1997 г. "Способ получения жидких углеводородов из угля"