ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2011, № 3, с. 45-51
УДК 662.74:552
НОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКУСКОВАННОГО ТОПЛИВА © 2011 г. А. С. Малолетнев, К. И. Наумов, Г. Б. Скрипченко, И. М. Шведов
ФГУП "Институт горючих ископаемых—научно-технический центр по комплексной переработке
твердых горючих ископаемых", Москва Е-mail: Anatoly-Maloletnev@ rambler.ru, Московский государственный горный университет, Москва E-mail: knaumov@mail.ru Поступила в редакцию 20.09.2010 г.
Приведены результаты исследований по расширению сферы использования бурых углей Кан-ско-Ачинского бассейна в результате применения их предварительного термического облагораживания при высокоскоростном нагреве в сушильных агрегатах нового поколения (вихревых камерах).
Угли месторождений Канско-Ачинского бассейна — весьма перспективное сырье для химико-технологической переработки; их использование для этих целей позволит существенно расширить сырьевую базу производства традиционных продуктов, получаемых из нефтегазового сырья, с одной стороны, а с другой — вовлечь в народнохозяйственный оборот малоиспользуемые угли, что будет способствовать социально-экономическому развитию КАТЭК.
Балансовые запасы углей Канско-Ачинского бассейна составляют 115 млрд. т, из них 83 млрд. т — запасы промышленных категорий. Из всех балансовых запасов категорий А + В + С1 разрабатываются и подготовлены к промышленному освоению 39 271 млн. т. Из них осваивается добычей высокопроизводительным открытым способом на разрезах большой единичной мощности 947 млн. т.
В Канско-Ачинском бассейне насчитывается 17 угольных месторождений, из которых три — Назаровское, Бородинское и Березовское — эксплуатируются четырьмя разрезами общей производственной мощностью около 40 млн. т угля в год.
Наиболее масштабное направление вероятного использования углей Канско-Ачинского бассейна — это организация производства на месте жидкого топлива и химических продуктов. Важным направлением может стать переработка бурых углей Канско-Ачинского бассейна в облагороженное твердое топливо для энергетики (термоуголь) и попутно — в некоторое количество бездымного бытового топлива (термобрикеты).
Один из эффективных методов облагораживания бурых углей по содержанию влаги — термическая обработка их газовым теплоносите-
лем в вихревых камерах, конструкция которых разработана ФГУП ИГИ и проверена в опытно-промышленном масштабе на Опытном заводе СТ-5 (г. Новомосковск, Тульская обл.) и на Ку-мышском заводе бездымного бытового топлива производительностью 40000 т/г (п. Кумыш, Карачаево-Черкессия) [1—3].
Вихревая камера (рис.1) представляет собой нагревательный аппарат, конструктивно выполненный из двух труб, вставленных одна в другую. В межтрубное пространство под избыточным давлением подается нагретый от источника тепла газовый теплоноситель. Благодаря газовому напору и тангенциально прорезанным щелям на передней части внутренней трубы аппарата, газовый теплоноситель с высокой скоростью проникает во внутреннюю трубу, создавая спирально закрученный поток, перемещающийся к выходу. Подаваемый в вихревую камеру одновременно с теплоносителем измельченный уголь подхватывается газовым потоком и рассредоточивается по всему объему внутренней трубы. Вследствие определенной физической инерционности угольных частиц газовый поток в вихревой камере перемещается с опережением этих частиц по скорости, благодаря чему создаются благоприятные условия для эффективного тепло- и массооб-мена. Высокая скорость газа (до 50—100 м/с) в сочетании с гидродинамикой потока обеспечивает высокое напряжение объема камеры по испаренной влаге (до 4000 кг/м3 • ч), низкий расход тепла на испарение влаги (2—4 МДж/кг) и высокую скорость нагрева частиц угля (>10000°С/мин), при которой происходит взрывообразное выделение влаги, термоизмельчение угля и раскрытие пор [4]. Удельная поверхность углей при этом возрастает с 2—4 до 14—20 м2/г, а объем пор — от 0.05— 0.1 до 0.4—0.55 см3/г. Размер частиц угля составляет менее 0.1—0.2 мм. В табл. 1 приведены резуль-
0 100
Рис. 1. Установка для нагрева угля в вихревой камере с тангенциальными щелевыми соплами: 1 — редуктор; 2 — винтовой питатель; 3 — буферная заслонка; 4 — вихревая заслонка; 5 — шиберная заслонка; 6 — циклон-отделитель.
таты трехступенчатого нагрева бурого угля Бородинского месторождения Канско-Ачинского бассейна газовым теплоносителем до различных конечных температур, из которой следует, что основное удаление влаги из угля происходит на первой ступени. На второй ступени нагрева сушка угля практически завершается, однако при этом реакции термической деструкции угольного вещества не получают значительного развития. Сравнение показателей сушки в промышленной паровой трубчатой сушилке и вихревой камере (табл. 2) свидетельствует о значительно более высокой эффективности последней. Главные преимущества процесса термообработки угля в вихревых камерах — это взрывобез-опасность, связанная с использованием теплоносителя с низким содержанием кислорода (1— 3%), экологическая чистота за счет использования рецикла теплоносителя, низкой температуры, обеспечивающей контроль за деструкцией угля, невысокая металлоемкость оборудования, высокое напряжение объема вихревой камеры по испаренной влаге, низкие удельные затраты топлива.
В результате термической обработки канско-ачинских бурых углей в вихревых камерах может быть получен мелкозернистый продукт (термоуголь) крупностью до 10 мм с теплотой сгорания до 26.9 МДж/кг. В атмосфере насыщенных водяных паров термоуголь сорбирует около 12% влаги. Следует отметить, что при такой (и даже более высокой) влажности термоуголь не смерзается при температуре —35°С.
Кроме того, вихревые камеры могут быть использованы и при обогащении углей, где необходимо не только достигать низкой зольности концентратов (7.0—9.5% для углей, направляемых на
коксование), но и их низкой влажности: 7.0% в зимнее время и 9.5% — в летнее [6, 7]. Это трудно обезвоживаемый уголь класса 0—2 мм, представляющий собой концентраты спиральных сепараторов и флотационных машин и имеющий высокую конечную влажность до 30%, что также относится к низкозольным шламам, которые необходимо подвергать термической сушке, чтобы в общем балансе отгружаемых потребителям продуктов выдержать требуемую влажность и предотвратить их смерзание в зимних условиях. Применение схем с использованием вихревой камеры позволяет выполнить их сушку, полностью сохранив технологические характеристики угля.
В статье приведены результаты исследований по изучению адсорбционных свойств термоугля и склонности его к окислению, а также по разработке процесса брикетирования термоугля для получения окускованного топлива.
Исследования осуществляли на стендах Московского коксогазового завода (г. Видное, Московская обл.) и Жилевской ОПОФ (п. Жилево, Московская обл.) В табл. 3 приведена характеристика исходного бурого угля Бородинского месторождения Канско-Ачинского бассейна и термоугля, полученного из него по технологической схеме, представленной на рис. 2.
Склонность образцов термоугля к окислению определяли по пергидрольному методу, заключающемуся во взаимодействии испытуемых углей и термоуглей с раствором перекиси водорода и в измерении времени достижения максимальной температуры реагирующей смеси. По достижении реагирующей смесью 90°С реакцию искусственно прерывали, так как при дальнейшем повышении температуры возможны взрыв и выброс смеси. В качестве объектов исследований
Таблица 1. Характеристика исходного и термообработанного в вихревых камерах бурого угля Канско-Ачинского бассейна [5]
Показатель Исходный уголь Продукт, полученный трехступенчатой термообработкой угля при температуре, °С
400 430 460
Выход продукта, мас. % - 58.0 54.6 51.4
1. Технический анализ, мас. %:
содержание влаги, Ша 30.5 0.2 - -
зольность, Ла 6.7 7.4 8.3 8.6
выход летучих веществ, Уаа/ 48.8 36.6 32.7 27.1
Элементный состав, мас. %:
(с4а/ 72.22 72.91 76.45 81.60
Н^а/ 4.89 4.60 4.56 3.73
Sd 0.24 0.25 0.25 0.23
Nаа 0.86 1.14 1.13 1.04
2. Теплота сгорания, $, МДж/кг 16.3 25.2 25.7 26.9
3. Гранулометрический состав по классам (мм), %:
+3.2 1.4 - - -
3.2-2.5 2.5 1.2 0.9 1.1
2.5-1.0 27.1 7.7 7.1 6.1
1.0-0.4 34.8 48.5 44.4 36.8
0.4-0.2 13.7 22.3 22.8 30.2
0.2-0.16 4.3 5.3 3.0 6.0
0.16-0.10 4.9 6.6 7.2 8.5
0.10-0.063 4.2 4.6 5.8 5.6
-0.063 7.1 3.8 8.8 5.7
Таблица 2. Сравнение показателей различных систем сушки
Технологический параметр Вихревая камера Барабанная сушилка Сушилка кипящего слоя Трубчатая сушилка
Производительность, т/ч До 100 400 До 700 До 350
Температура теплоносителя, °С 400-600 800 900-1100 1100-1200
Время сушки, мин 0.01-0.04 30-35 15-20 8
Удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги, кДж/кг 3000-3500 4000-6000 4000 До 4000
Удельный расход электроэнергии на 1 т испаренной влаги, кВт■ч/т 25-30 20-75 80-90 35-60
Влагонапряжение объема, кг/м3 ■ ч 3500-5000 150-170 1300 700
Расход теплоносителя, м3/кг угля 1.6-3.0 4.5-5.0 1.2 1.2-3.0
Относительный расход металла 1 22 - -
применяли пробы исходного Бородинского угля с влажностью 35%, подсушенный на воздухе уголь с содержанием влаги 13% и термоуголь, полученный при температуре газа-теплоносителя 400,
450, 550 и 600°С на входе в вихревую камеру. Полученные результаты приведены в табл. 4, из которой следует, что наименее склонен к окислению исходный уголь, так как за 30 мин окисления
Таблица 3. Характеристика исходного и термообработанного в вихревой камере угля Бородинского месторождения
Показатель Исходный уголь Термоуголь
1. Технический анализ, мас. %:
Содержание влаги воздушно-сухого угля, № 35.0 5.0
Зольность, Ла 4.82 5.6
Выход летучих веществ, Уааа 46.35 39.5
2. Элементный состав, мас. %:
71.67 74.41
4.76 4.45
в? 0.15 0.87
Nаа 0.90 0.15
0Лаа (по разности) 22.52 20.12
3. Гранулометрический состав по классам (мм), мас. %:
13-10 7.8 -
10-7 27.4 -
7-5 21.2 15.20
5-3 19.7 14.55
3-1 12.4 18.51
1-0.5 2.2 6.94
-0.5 8.6 44.80
4. Теплота сгорания, ^, МДж/кг 21.5 25.9
5. Температура плавкости золы, °С:
1а (температура деформации) 1180 1
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.