ОБРАБОТКА УГЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕРЕД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ВОДОУГОЛЬНЫХ СМЕСЯХ

Теляков А.Н.¹, Бажин В.Ю.², Пятернева А.А.³, Сергеев В.В.⁴

¹Кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии,  ²Доктор технических наук, декан факультета переработки минерального сырья, зав. кафедрой АТПП, ³аспирант 2ого года кафедры металлургии, ⁴студент 4го года кафедры металлургии, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ОБРАБОТКА УГЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕРЕД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ВОДОУГОЛЬНЫХ СМЕСЯХ

Аннотация

Резкое снижение цен на нефть заставляет ученых, специалистов и аналитиков искать новые пути использования других традиционных энергетических источников, и в первую очередь таких, как уголь.  Низкокачественные угли могут быть альтернативным источником жидкого топлива. Геологические ресурсы угля почти в тридцать раз превышают запасы нефти, что в условиях резкого падения цен на нефть особенно важно для экономической стабилизации.

Учитывая, что Россия обладает большими запасами бурых и каменных углей, пригодных для добычи открытым способом, стоит актуальная задача выбора метода подготовки и обогащения угля различных месторождений перед его использованием в водно-угольных смесях. Водно-угольные смеси - это искусственное композиционное топливо, представляющее собой дисперсную топливную систему, создаваемую на основе твердых частиц микронных фракций угля и воды, которое может заменить существующее дизельное топливо и бензин. В работе изучается возможность предварительной подготовки и обогащения угля перед его использованием в водно-угольных смесях. Также предлагается технологическая схема переработки угля при попутном извлечении некоторых металлов. Разработанный метод позволяет комплексно использовать природный уголь и получать наряду с ультрадисперсным углем, металлические концентраты.

Ключевые слова: обогащение, природный уголь, топливо, водно-угольная смесь, ультрадисперсный уголь, цветные металлы, редкоземельные металлы.

Telyakov A.N.¹, Bazhin V.Y.², Pyaterneva A.A.³, Sergeev V.V.⁴

¹Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, ²Doctor of Technical Sciences, professor, Dean of mineral raw materials processing faculty, ³2nd year post-graduate, Department of Metallurgy,  ⁴ Fourth-year student, Department of Metallurgy, National Mineral Resources University (Mining University)

COAL PROCESSING OF DIFFERENT DEPOSITS BEFORE USING IT IN COAL-WATER MIXTURES

Abstract

The sharp decline of oil prices makes scientists, experts and analysts to explore new ways of other traditional energy sources usage and especially the usage of such source as coal.   Low-grade coals could be an alternative source of liquid fuel. Geological coal resources exceed thirty times the stocks of oil which is very important for economic stabilization due to the sharp decline of oil prices.

Considering that Russia has large reserves of suitable for open-pit mining lignite and coal, there is an actual problem of different fields coal processing  method choice  before using it in a coal-water mixture. Coal-water mixture – is an artificial composite fuel that is a dispersed fuel system, created on the basis of coal micron fractions solid particles and water, which can substitute the existing diesel fuel and gasoline. This paper investigates the possibility of coal preconditioning and preparation before it will be used in coal-water mixture. It is also proposed flow sheet of coal processing with metals extraction. The developed method allows integrated use of coal and getting along with ultrafine coal, metal concentrates.

Keywords: preparation, coal, fuel, coal-water mixture, ultrafine coal, non-ferrous metals, rare metals.

Половина всей энергии, производимой в мире, в настоящее время вырабатывается из нефти, в том числе, практически вся энергия для автономных подвижных потребителей. Поэтому проблема совершенствования топливно-энергетического баланса приобретает особую актуальность. В настоящее время в мировом масштабе израсходовано примерно [1]:

• 87% мирового запаса нефти;
• 73% мирового запаса газа;
• 2% мирового запаса угля.

Геологические ресурсы угля почти в тридцать раз превышают запасы нефти, что в условиях резкого падения цен на нефть особенно важно для экономической стабилизации [2]. Существующее положение заставляет ученых, специалистов и аналитиков искать новые пути использования традиционных энергетических источников, и в первую очередь таких, как уголь.  Учитывая, что Россия обладает большими запасами бурых и каменных углей, пригодных для добычи открытым способом, стоит актуальная задача выбора метода подготовки и обогащения угля различных месторождений перед его использованием в водно-угольных смесях. Водно-угольные смеси - это искусственное  композиционное топливо, представляющее  собой дисперсную топливную систему, создаваемую на основе твердых частиц микронных фракций угля и воды, которое  может  заменить существующее дизельное топливо и бензин.

Использование антрацита в качестве исходного сырья для приготовления водно-угольной смеси может облегчить эту задачу, но его запасы на порядок ниже, чем бурого угля, и осуществление добычи требует больших затрат [3]. Поэтому, наиболее рациональным решением является разработка схемы для подготовки бурых углей, характеризующихся высокой зольностью и влажностью,  содержащих в своем составе помимо энергетической составляющей при сгорании, различные цветные, редкие и редкоземельные металлы, извлечение которых может стать перспективным направлением развития металлургии.

Как видно из таблицы  1 [4,5] с увеличением степени углефикации общее содержание углерода увеличивается, а количество азота, серы и кислорода убывает. Таким образом, это подтверждает тот факт, что разработанную технологическую схему, в конечном счёте, можно будет применять для всех типов углей.

Таблица 1 - Изменение степени углефикации угля

Проблема, которая не позволяет просто измельчить уголь и засыпать в раствор водно-угольной смеси, это содержание различных примесей, минеральных компонентов, серы, азота, различных металлов, содержащихся в углях, то есть компонентов, которые будут отрицательно влиять на работоспособность и коррозионноустойчивость агрегатов, а также, в процессе массового сжигания которых, будет загрязняться окружающая среда. В таблице 2 [6,7] приведены данные со средним содержанием некоторых токсичных элементов в углях.

Таблица 2 - Среднее содержание микроэлементов в различных марках угля, г/т

На рисунке 1 представлена разработанная технологическая схема подготовки углей перед их использованием в водно-угольных смесях.

Рис. 1 - Схема подготовки угля перед использованием в водно-угольных смесях.

Предварительно исходный уголь подвергается дроблению, после которого   гранулометрический состав представлен классом – (0,5-0,7 мм). Далее приготовленная угольная шихта подается в реактор печи кипящего слоя КС, где проходит ее очистка от серы и азота, при температуре внутри реактора 400-450°C. Печи кипящего слоя (КС) обладают рядом преимуществ по сравнению с печами других типов:

• не требуется предварительной сушки угля и предварительного подогрева дутья.
• возможно использования углей низкого качества – слабо реактивных, высокозольных и высоковлажных.
• в печах KC скорость потока газа относительно твердых частиц очень высока, что способствует интенсификации процесса сгорания.

При заданных температурах и крупности происходит удаление из углей связанной воды, карбоксильных групп и летучих серных и азотных компонентов. При избытке кислорода происходит окисление серы и переход ее в газовую фазу преимущественно в виде диоксида SO₂ и в незначительных количествах в виде SО₃. Упомянутые оксиды серы могут быть связаны с помощью специальных реагентов, например, с помощью соединений щелочных и щелочноземельных металлов. Например, для этой цели  используют недорогие известняк (CaCO₃) или известь (СаО) тонкого помола. При температурах, при которых проходит процесс, образуется очень мало термических оксидов азота. При этом образовавшиеся оксиды азота  восстанавливаются до газообразного азота.

На следующей стадии уголь, очищенный от серы и азота, измельчается до крупности – 150 мкм в шаровой мельнице. Затем полученная шихта направляется в автоклав для группового выщелачивания соляной кислотой для извлечения таких металлов как цинк, медь, никель, марганец, хром и ванадий. Этап выщелачивания имеет большое значение, поскольку происходит очищение будущего топлива от токсичных элементов и золы, а также получение концентратов металлов, сырья для металлургического производства.

Для того чтобы получить водно-угольную смесь, которая обладает свойствами современного моторного топлива, угольная масса подвергается воздействию энергии сверхвысокочастотного излучения СВЧ.  На этой стадии поглощаемая углём мощность СВЧ распределяется равномерно, что позволяет осуществить быстрый нагрев и разрушение угля под действием давления паров воды. Полученный ультрадисперсный уголь, очищенный не только от серы, азота, но и от золы, смешивается с водой, а образованный коллоидный раствор сможет служить альтернативой дизельного топлива.

Таким образом, разработанный метод комплексно использует природный уголь и позволяет получить наряду с основным компонентом для водно-угольных смесей – ультрадисперсным углем, концентраты цветных металлов.

Литература

1. А.Ф. Горовой, В.В. Кирюков, А.М. Брижанев/ Геология и разведка угольных месторождений [Текст]/ / Киев, 1994- 226 c.
2. У.-Л. Лом, А.Ф. Уильяме / Заменители природного газа Производство и свойства [Текст]/ / М., 1979- 248 с.
3. И.Б. Калинин/ Природоресурсное право [Текст]/ / Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009- 350с.
4. В.Е. Зайденберг, К.Н. Трубецкой, В.И. Мурко, И.Х. Нехороших/ Производство и использование водоугольного топлива [Текст]/ / М.: Изд-во Академии горных наук, 2001.-176 с.
5. Я. Э. Юдович, М. П. Кетрис/ Токсичные элементы -примеси в ископаемых уг­лях [Текст]/ / Екатеринбург: УрО РАН, 2005- 655 c
6. В.В. Гавриленко/ Экологическая минералогия и геохимия месторождений полезных ископаемых [Текст]/ / Санкт-Петербург, 1993.- 150c
7. Я . Э. Юдович, М . П. Кетрис, А. В. Мерц / Элементы-примеси в ископаемых уг­лях [Текст]/ / JI.: Наука, 1985.- 239 с.

References

1. A.F. Gorovoj, V.V. Kirjukov, A.M. Brizhanev/ Geologiya i razvedka ugol'nyh mestorozhdenij [Tekst]/ / Kiev, 1994- 226 p.
2. U.-L. Lom, A.F. Yilyame / Zameniteli prirodnogo gaza Proizvodstvo i svojstva [Tekst]/ / M., 1979- 248 p.
3. I.B. Kalinin/ Prirodoresursnoe pravo [Tekst] / / Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2009- 350 p.
4. V.E. Zajdenberg, K.N. Trubeckoj, V.I. Murko, I.H. Nehoroshih/Proizvodstvo i ispol'zovanie vodougol'nogo topliva [Tekst]/ / M.: Izd-vo Akademii gornyh nauk, 2001.-176 p.
5. Y.E. Yudovitch, M.P. Ketris/Toksichnye elementy-primesi v iskopaemyh uglyah[Tekst]/ / – Ekaterinburg: UrO RAN, 2005- 655 p.
6. V.V. Gavrilenko Ekologicheskaya mineralogiya i geohimiya mestorozhdenii poleznyh iskopaemyh [Tekst]/ // St. Petersburg, 1993- 150 p.
7. Y.E. Yudovitch, M.P. Ketris, A. V. Merc / Elementy-primesi v iskopaemyh uglyah [Tekst]/ / L.: Nauka, 1985.- 239 p.