ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 2, с. 67-70
УДК 620.9:662.6, 662.8.052
СВЧ-ОБРАБОТКА БУРОУГОЛЬНОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ УГЛЯ МУГУНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА
© 2008 г. А. А. Хайдурова, П. Н. Коновалов, Н. П. Коновалов
Иркутский государственный технический университет E-mail: i03@istu.edu Поступила в редакцию 27.02.2007 г.
Предложен метод получения тонкодисперсного сухого буроугольного концентрата с использованием СВЧ-энергии для приготовления шихты при производстве губчатого железа. Показаны преимущества данного метода относительно аналогичных применяемых в промышленности. Описаны результаты экспериментов по брикетированию шихты из буроугольного и железорудного концентрата без использования дополнительного связующего.
Перспективным направлением использования СВЧ-энергии в металлургической промышленности может стать подготовка угля для восстановительной шихты, сушка и прокалка брикетов, окатышей и т.д. Для восстановления железа из железорудного концентрата необходимы тонкодисперсные углеродные восстановители, производство которых требует больших энергозатрат и сложного металлоемкого оборудования, что сказывается на себестоимости продукции. Восстановитель должен быть сбалансированным по содержанию летучих (15-17%) и минеральных компонентов (60%), а также по величине реакционной поверхности, определяемой в основном размерами частиц. Однако получение такого восстановителя требует специального оборудования (дробилок, мельниц и т.д.), поэтому актуальной задачей в настоящее время является создание экономичного технологического процесса получения тонкодисперсного угля.
При измельчении углей разных марок путем тонкого диспергирования происходит не только измельчение, но и агрегация диспергированных частиц. Разрушение и агрегация частиц угля зависят от его марки, а также от продолжительности процесса измельчения. Изменение внешней удельной поверхности находится в обратной зависимости от прочности угольного вещества разной стадии метаморфизма.
Измельчение угля и шихт из него осуществляется до определенных пределов в зависимости от природы углей и направления их дальнейшего использования. Уровень дробления должен быть тем выше, чем выше зольность угля и содержа-
ние в нем инертных компонентов - дюритов и фюзинитов. Для повышения степени однородности шихтовых композиций используют повторные операции дробления, измельчения и грохочения.
На углеобогатительных фабриках технология углебрикетного производства состоит из операций дробления угля, его сушки, смешения высушенного материала (в случае надобности) со связующими веществами, прессования и охлаждения брикетов [1]. Уголь подвергается измельчению и классификации на грохотах до крупности зерен ~1-6 мм. Подготовка углей осуществляется в несколько приемов: вначале идет измельчение на валковой зубчатой дробилке, после которой -разделение на классы крупностью 1-6 и >6 мм. Класс 1-6 отправляется на сушку, а класс >6 мм -на доизмельчение в молотковую дробилку. В промышленности для дробления топлива до зерен ~0.1-0.6 мм большое распространение получили шаровые барабанные мельницы. Измельчение топлива в дробилках и мельничных установках осуществляется посредством удара, раздавливания, истирания, раскалывания либо разрыва.
Шаровые мельницы основаны на механическом силовом воздействии на куски угля металлическими шарами различного диаметра, перекатывающимися во вращающейся металлической трубе. Молотковые мельницы имеют ротор с закрепленными на нем дисками, к которым на пальцах подвешиваются билодержатели с подвижно прикрепленными к ним билами. Для размола угля в зависимости от производительности таких мельниц тратится от 50 до 1000 кВт электриче-
67
5*
ской энергии на тонну измельченного угля - это серьезный недостаток. Кроме энергоемкости к недостаткам можно отнести большие размеры мельниц, высокий износ металла, сильный шум во время работы. При грохочении сита грохотов замазываются влажным углем, и процесс разделения прекращается [1, 2].
На брикетных фабриках для подготовки шихты применяются следующие типы сушилок: барабанные трубчатые паровые; барабанные газовые; газовые трубы-сушилки и т.д. [1]. Измельченный уголь с содержанием влаги 30-58% направляется на сушку обычно в паровые сушилки. Эта влага - сорбционная, и она не отделяется механическим способом при помощи грохотов, центрифуг и т.д. Выпаривание влаги из угля производится в основном конвекционным способом, т.е. непосредственным действием на него сушильного агента - нагретого воздуха или газа либо контактным способом, когда тепло, необходимое для испарения влаги, передается углю от горячей поверхности, соприкасающейся с ним [3].
Эти способы сушки не позволяют добиться равномерного распределения остаточной влаги в частицах угля, различных по крупности классов. Влага, находящаяся на поверхности угольных зерен, испаряется значительно быстрее, чем в порах, находящаяся ближе к центру, поэтому мелкие зерна имеют влажность значительно ниже, чем более крупные. Брикеты из неравномерно просушенного угля не обладают достаточной прочностью за счет неравномерного распределения влаги внутри брикета.
Для борьбы с недосушкой в сушилках конвекционного и контактного типов предусмотрены увеличение времени сушки либо повторная сушка угля, что может привести к пересушке. Пересушивание угля также отрицательно сказывается на качестве брикетов, так как на воздухе брикеты сорбируют влагу из окружающей среды, в результате чего происходит их набухание, растрескивание и разрушение [1].
В связи с этим появилась идея получения тонкодисперсного угля и его сушки при облучении кусков угля СВЧ-энергией с длиной волны 69.312.24 см. Сущность такого процесса заключается в том, что на границе раздела двух диэлектриков (вода - уголь) возникает скачок напряженности электрического поля, обусловливающий появление пандеромоторной силы, действующей на поверхность раздела и направленной в сторону сре-
ды с меньшим значением диэлектрической проницаемости по нормали к границе раздела.
Поверхностные силы электрического поля вызывают деформацию границы раздела и образование микротрещин (центры деформации). При воздействии на куски угля электромагнитной волной сверхвысокой частоты, импульсом большой мощности, поглощаемая углем СВЧ-энергия распределяется примерно равномерно по объему кусков, что и позволяет осуществить их быстрый нагрев. Влага, находящаяся как в открытых, так и в закрытых порах угля, быстро достигает температуры кипения. Давление насыщенных паров в порах угля разрывает кусок на мелкие частицы, влажность которых не превышает 3-5%.
Если рассматривать диэлектрические свойства углей, то они относятся к классу несовершенных диэлектриков и эффективно взаимодействуют с СВЧ-полем. Исследования диэлектрических характеристик ископаемых углей на частоте 2450 МГц показали, что относительная диэлектрическая проницаемость углей £ = 4, а тангенс диэлектрических потерь tg 5 ~ 0.05-0.08 [4]. Указанные параметры обусловливаются в основном влажностью угля, которая в зависимости от сорта, условий доставки и хранения составляет от 8 до 58%. Глубина скин-слоя (в несовершенных диэлектриках 5 = ^/п£1 tg 5) для угля на длине волны X = = 12.24 см составляет величину 5 = 12.0-19.5 см, превосходящую характерный размер кусков угля, поступающих на измельчение. При воздействии СВЧ-энергии температура угля достигает =130°С и давление в куске =2.8 ■ 105 Па, что приводит к его интенсивному разрушению [5].
Эффективная передача СВЧ-энергии несовершенному диэлектрику может быть осуществлена в резонаторной рабочей камере, питаемой от магнетрона. К.п.д. передачи СВЧ-мощности углю, обладающему высокими диэлектрическими потерями, может составлять до 80% при коэффициенте объемного заполнения резонатора не более 0.3. Потери СВЧ-мощности в несовершенном диэлектрике определяются напряженностью электрического поля в его объеме.
В производственных условиях необходимо применять многоволновые резонаторы с перекрывающимися резонансными линиями, что позволит использовать для загрузки куски угля различного размера. Многочисленные эксперименты показали, что разрушение угольного образца наступает при достижении им температуры 120-
СВЧ-ОБРАБОТКА БУРОУГОЛЬНОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ УГЛЯ
69
125°С, что соответствует давлению паров воды (2.03-2.43) ■ 105 Па [5]. При этом время нагрева измельчаемого куска не должно превышать тр = = 1.5 с, а его эффективное разрушение достигается при тр < 1 с, что, очевидно, связано с частичной проницаемостью стенок пор угля для водяного пара. В результате экспериментов обнаружено, что из-за разных значений tg 5 для угля и зольных примесей происходит диспергирование только угольной компоненты, что очень важно с точки зрения улучшения качества углей и очистки их от зольных и других примесей. Только использование СВЧ-энергии позволяет получить такой результат [5].
Результаты исследований дают возможность оценить энергетические характеристики реальной промышленной установки для мелкодисперсного измельчения угольного концентрата. Например, удобно использовать серийный отечественный СВЧ-генератор с мощностью Р0 = 50 кВт на частоте 2450 МГц = 12.24 см) и резонатор-ную рабочую камеру с к.п.д. п = 80%.
При нагревании угля от 20 до 125°С такая установка обеспечивает производительность т = = Р0ц/[Ср(Т1 - Т0)] = 0.30 кг/с или 1.08 т угольной пыли в час, где Ср = 1.121 кДж/кг ■ град - теплоемкость бурого угля. Производительность традиционно используемых на ТЭС шаровых мельниц при мощности 50 кВт по крайней мере не превосходит указанной выше величины при втрое-чет-веро больших размерах пылевых частиц. Таким образом, СВЧ-метод измельчения является наиболее энергосберегающим при получении угля с размерами частиц, меньшими 0.1-0.2 мм. Кроме того, данный метод открывает новые возможности, связанные с очисткой от зольных примесей обрабатываемого угля в процессе измельчения [5].
СВЧ-энергию можно использовать и для сушки угольного концентрата после обогащения. Данный способ лишен недостатков конвекционного и контактного способов. При СВЧ-сушке удается получить о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.