Статья: Пути утилизации горючих отходов угольной промышленности

ФБГОУ ВПО «КемГУ»

ФБГОУ ВПО «КемТИПП»

Пути утилизации горючих отходов угольной промышленности

Н.А. Кучер д-р физ.-мат.наук,

проф., заведующий кафедрой

Т.В. Шевченко д-р техн. наук,

профессор кафедры

Аннотация

брикетный топливо угольный каптакс

В качестве новых связующих для производства угольных брикетов представлены отходы химических производств каптакса и диафена «ФП». Доказана их принципиальная возможность использования в Кузбасском промышленном регионе для получения брикетного топлива.

Ключевые слова: БРИКЕТ, УГОЛЬ, СВЯЗУЮЩИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, СМОЛИСТЫЕ ОТХОДЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Основная часть

Угли - наиболее распространенные виды горючих полезных ископаемых, выявленные на всех континентах земного шара. При их добыче и переработке возникают экологические проблемы, связанные с очисткой угледобывающих регионов, на территории которых скопились огромные объемы техногенных отходов. Они отравляют почву, воду, а при загорании - воздушный бассейн. В воздух попадают продукты горения топлива, среди которых бензпирен, являющийся канцерогеном. Это создает повышенную опасность отравления работников угольных предприятий и жителей прилегающих населенных пунктов [1].

Согласно существующим технологиям угледобывающей промышленности при добыче и обогащении угля образуется значительная масса мелких некондиционных фракций угля, угольно-минеральных шламов, вскрышных пород. Так, по официальным данным в России за 2007 г. при переработке энергетических углей образовалось 175 тыс. тонн шлама и 7516 тыс. тонн отсева, а при переработке коксующихся углей - 377 тыс. тонн шлама и 2023 тыс. тонн отсева. Научно определены и объективно доказаны нормы потерь при добыче и обогащении угля различных сопутствующих материалов (в пересчете на 1 т добытого угля): вскрышные породы (открытая добыча) - 4 т; вскрышные породы (шахтная добыча) - 0,3 т; шламы обогащения - 0,3 т [2]. Наблюдается безвозвратная потеря стратегических сырьевых ресурсов.

К экологически опасным областям России относится Кузбасский промышленный регион - главный источник высококачественного угля. Объективно доказано, что по запасам и качеству углей Кузбасс - один из крупнейших эксплуатируемых каменноугольных бассейнов мира, где на сравнительно небольшой территории сконцентрированы мощные угольные залежи с широкой гаммой углей, пригодных для коксования, получения жидкого топлива и сырья для химической промышленности.

Перед угольной промышленностью ставятся сложные задачи сокращения загрязнений окружающей среды угольными отходами с одновременной ликвидацией шламовых полей и освобождением огромных участков земли, пригодных для сельскохозяйственного использования. Решить эти задачи можно лишь одним способом - разработать эффективные технологии использования вторичных угольных ресурсов [3].

Одним из таких путей использования отходов является брикетирование угольных материалов с целью получения социально-бытового топлива для населения и промышленного топлива для малой энергетики. На европейском рынке в настоящее время брикет из угля (чаще всего бурого из-за отсутствия каменных углей) считается наиболее современной и цивилизованной формой угольного топлива для населения и промышленности. Известны основные преимущества использования каменноугольных брикетов:

- увеличенная теплоотдача, которая объясняется составом брикета, включающего мелкие частицы, проницаемые для воздуха при сгорании (брикет сгорает полностью); экономия топлива при этом составляет 30%;

- пониженное содержание влаги, обусловленное предварительной термообработкой брикетов, уменьшающее потери тепла на парообразование; экономия топлива за счет этого эффекта составляет 5%;

- оптимальные форма и размеры брикета обеспечивают высокую проницаемость для воздуха внутри насыпного слоя брикетов и снижают расход топлива на 5%;

- повышенная экологическая безопасность продукции, которая обеспечивается специальными добавками, связывающими при горении соединения серы и переводящими их в зольный остаток;

- повышенная культура потребления обеспечивается упаковкой брикетов в трехслойные бумажные мешки массой 25 кг, что позволяет экономить площадь подсобных помещений;

- отсутствие потерь при транспортировке и перевалке, гарантированный точный вес (потери угля при традиционной транспортировке и погрузке достигают 20 %);

- упрощенное обслуживание процесса горения в печи из-за отсутствия шлаковых отложений, т.к. при горении образуется легко разрушающийся пепел;

- увеличение времени горения до 10-12 ч (брикеты для каминов);

- сокращенный в 1,6 раза (по сравнению с углем) объемный расход брикетов, требуемый на отопление [4].

Идея брикетирования топлива или ряда других полезных ископаемых не является новой. В настоящее время в России создан ряд технологий брикетирования угля со связующими (каменные угли) и без связующих материалов (бурые угли). Практика показала, что наиболее перспективным и универсальным способом переработки неликвидных угольных отходов является брикетирование с использованием связующих материалов [5].

На наш взгляд, многие известные компоненты предлагаемых материалов (получаемых или добываемых связующих) находятся территориально далеко друг от друга и от угольных месторождений. Их ресурс невелик, а транспортировка нерентабельна. При этом себестоимость брикетов резко повышается. К таким связующим относятся отходы лесоперерабатывающей промышленности (лигносульфонаты) [6], отходы пищевой промышленности и сельского хозяйства (крахмал, мука пшеничная, декстрин) [7], различные по составу смолистые отходы химической промышленности, отходы нефтеперерабатывающей промышленности (нефтебитумы) [8] и др.

Поэтому в настоящее время необходимы поиски новых связующих, которые по своему местонахождению были бы максимально приближены к угольным предприятиям и могли бы использоваться в любое время года.

При подборе связующих необходимо учитывать их технологические свойства: легкость подготовки к использованию, наличие свойств ПАВ (для снижения энергии взаимодействия частиц угля и понижения давления брикетирования), высокая адгезия или клейкость к поверхности дисперсной фазы, технологичность изготовления (невысокое давление прессования, малый расход, низкая энергоемкость производства брикетов) и др.

В качестве связующих выбраны смолистые связующие - отходы производства каптакса. В настоящее время оно временно законсервировано в Кемеровском объединении «Азот» из-за отсутствия технических решений по переработке смолистых отходов. Поэтому в качестве способа утилизации этих отходов нами предлагается их использование в виде связующих при производстве топливных брикетов для промышленных котлов малой энергетики [9].

Заявленные отходы производства 2-меркаптобензтиазола (смола каптакса) образуются после очистки товарного каптакса и не имеют в настоящее время практического применения. Указанная смола представляет собой сложную смесь продуктов высокотемпературной конденсации ароматических аминов в присутствии серы, в состав которой входят: фенилизоцианат (его химическая брутто-формула - C₆H₅NCS), тиокарбанилид (сложное химическое соединение с формулой C₆H₅NH-C(S)-NHC₆H₅ )_, анилидобензтиазол:

,

2-аминотиофенол:HN-C₆H₄-SH,

2,2-диаминодифенилдисульфид:Н₂N-С₆Н₄-S₂-С₆Н₄-NН₂,

2,2-диаминомоносульфид:H₂N-C₆H₄-S-C₆H₄-NH₂,

2,2-димеркаптодифенилмочевина:HS-C₆H₄NHC(S)-HN-C₆H₄SH,

бензтиазол:

,

2-меркаптобензтиазол:

.

Смола каптакса обладает свойствами ПАВ - важными и необходимыми технологическими свойствами при брикетировании и высокой адгезией к твердой поверхности.

В данном способе получения топливных брикетов с заявленным связующим использовалась смесь угольного шлама и угольной мелочи (при соотношении 1:1) Кузнецкого угольного бассейна, представленная углями марки ГЖ со следующим характеристиками: гранулометрический состав (содержание частиц разного размера частицами и свойствами, дляравномерного нанесения связующих на поверхность угольных частиц): (0-1 мм) - 50%; (1-4 мм) - 40%; 4 мм - остальное; зольность - 20%; теплота сгорания - 5 000 ккал/кг; влажность - 10%.

Для изготовления брикетов угольная смесь, приготовленная из угольного шлама и угольного отсева (1:1) с остаточной влажностью 6%, предварительно нагревалась до температуры 50 и смешивалась с нагретой до 60-70 смолой каптакса при разном количестве связующего материала. Брикетирование проводилось на штемпельном прессе при удельном давлении 60 кг/см². Результаты экспериментов по подбору необходимой дозы связующего и характеристики полученных с их применением брикетов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Свойства топливных брикетов с отходами производства каптакса

Из таблицы 1 следует, что максимальная механическая прочность (оптимальный процесс адгезии) при высоком качестве брикетов наблюдается при расходе связующего 7-8 %.

Проведена проверка и второго связующего, содержащего смолу кубовых остатков процесса ректификации производства диафена «ФП», состоящую из дифениламида и смолистых продуктов его химической конденсации, удовлетворяющую требованиям ТУ [10]. Предложенное связующее позволяет формовать брикеты, обладающие необходимой прочностью, влагостойкостью, повышенной теплотворной способностью.

Найденный способ позволяет по упрощенной технологической схеме (без стадии дробления) путем прямого смешения угольного шлама и отсева получить из углеродного материала топливный брикет с высокими потребительскими свойствами, повысить экономическую эффективность работы предприятий топливно-энергетического комплекса при рациональном использовании ее угольных ресурсов, в том числе вторичных, и одновременно решить экологические проблемы химического производства - утилизировать кубовые остатки процесса ректификации производства диафена «ФП».

Технический результат - использование нетрадиционного горючего связующего для получения качественных топливных брикетов.

Для изготовления брикетов угольная смесь, приготовленная из угольного шлама и угольного отсева, предварительно нагревалась до температуры 50 и смешивалась с нагретыми до 60-70 кубовыми остатками производства диафена «ФП» при разном количестве связующего материала. Результаты экспериментов и характеристики брикетов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Свойства топливных брикетов с отходами производства диафена «ФП»

Из таблицы 2 следует, что максимальная механическая прочность (оптимальный процесс адгезии) при высоком качестве брикетов наблюдается при расходе связующего 8-9%.

Проведенные испытания по сжиганию полученных брикетов с использованием двух нетрадиционных связующих доказали их высокое качество при сжигании в котлах малой энергетики.

Библиографический список

1 Климов, С.Л. Энергосбережение и проблемы экологической безопасности в угольной промышленности России / С.Л.Климов, Д.Г. Закиров. М.: АГН, 2001. 270 с.

2 Грим, Р.Э. Брикетирование углей и углеродистых материалов / Р.Э. Грим.М.: Недра, ИОТТ. 210 с.

3 Крохин, В.Н. Брикетирование углей / В.Н. Крохин.М.: Недра, 1974. 350 с.

4 Менковский, М.А. Связующие вещества в процессах окусковывания горных пород / М. А. Менковский, Б. М. Равич, В.П. Окладников. М.: Недра, 1977. 256 с.

5 Елишевич, А.Т. Брикетирование угля со связующими / А.Т. Елишевич. М.: Недра, 1972. 160 с.

6 Мирный, А.Н. Концепция обращения с твердыми бытовыми отходами в Российской Федерации / А.Н. Мирный, Л.С. Скворцов // Экология и промышленность России.1997.Январь.С.34-36.

7 Стахеев, А.П. Переработка угольных шламов обогатительных фабрик с получением брикетного и бездымного топлива / А.П.Стахеев, Я.В.Куколев, В.А. Блинов [и др.] // Уголь. 2006. №6. С.58-59.