ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 4, с. 51-56
УДК 662.73:552
ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ФРАКЦИЙ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ШЛАМА
© 2013 г. Н. И. Фёдорова, С. А. Семёнова, З. Р. Исмагилов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, Кемерово E-mail: iuxm@yandex.ru; semlight@mail.ru Поступила в редакцию 16.11.2012 г.
В статье представлены результаты разделения каменноугольного шлама на фракции с различной плотностью, изучения их состава и влияния слагающих их компонентов на выход и свойства углеродных материалов.
DOI: 10.7868/S0023117713040063
В настоящее время уголь имеет и, по прогнозам, будет иметь в будущем большое значение в топливно-энергетическом балансе страны. В программном документе "Энергетическая стратегия России на период до 2020 года" предусматривается доведение добычи угля в 2020 году до 430 млн. т. Вместе с тем добываемый уголь во многих случаях не отвечает требованиям потребителей по основным качественным показателям: зольность, влажность, теплотворная способность и спекающие свойства. Повышение качества добываемых углей на современном этапе возможно только с применением методов обогащения, задача которых — получение высококачественных коксующихся и энергетических углей, востребованных как на внутреннем, так и на мировом уровнях.
В угольной промышленности Кузнецкого бассейна находятся в эксплуатации 37 обогатительных фабрик и установок, в том числе для обогащения коксующихся углей 21 обогатительная фабрика. Планируемый рост добычи угля в Кузбассе сопровождается увеличением объемов его обогащения и соответственно ростом количества отходов углепереработки (шламы, кек и др.). За истекший период эксплуатации углеобогатительных фабрик в наружных отстойниках, илонако-пителях, гидроотвалах региона скопилось большое количество угольных шламов, содержащих значительные (от 30 до 70 %) количества горючей массы. Однако шламы, которые на сегодняшний день рассматриваются как отходы обогащения, могут служить сырьевой базой для некоторых отраслей промышленности. Следовательно, исследования, направленные на поиск и разработку приемлемых технологий использования подобного некондиционного топлива, актуальны.
Одно из перспективных направлений, заслуживающих внимание специалистов многих стран, — это совершенствование промышленных технологий получения активных углей с целью повышения их физико-механических и адсорбционных свойств, а также направленного формирования их пористой структуры. В производстве различных марок активных углей определяющими факторами являются исходное сырье и его свойства, поэтому рационально управлять процессом активирования углей можно только при глубоком знании свойств исходного сырья. При этом взаимосвязь между свойствами ископаемых углей и показателями качества адсорбентов, а также характер поведения углей при их переработке в углеродные сорбенты изучены недостаточно.
Многообразие свойств ископаемых углей в значительной степени определяется их микрокомпонентным (мацеральным) составом и стадией метаморфизма. Микрокомпоненты, или маце-ралы, — это мельчайшие единицы вещественного состава углей. Органические микрокомпоненты представляют собой элементы растительного материала, обладающие, с одной стороны, характерными морфологическими и структурными признаками, а с другой — преобразующимися в результате метаморфизма химическими и физическими свойствами. Из четырех групп микрокомпонентов (витринит, семивитринит, инерти-нит и липтинит), слагающих органическое вещество каменных углей, определяющее значение для технологических свойств имеют витринит и инертинит. Витринит — гелефицированный компонент, отвечающий за спекаемость углей, растворимость в органических растворителях, влажность, зольность, механические свойства и др. Инертинит — вещество с хорошо различимой кле-
51
4*
точной древесной структурой, сажистым или волокнистым строением, как правило, концентрирующееся в линзах и прослоях между витринитовыми слоями угля. Вследствие влияния процессов фюзе-низации на стадиях генезиса или гипергенеза (выветривания) углей органическое вещество фюзена более ароматизированно, обладает повышенной относительно витрена степенью конденсирован-ности углеродных сеток, не переходит в пластическое состояние и не дает жидких продуктов термической деструкции [1—3].
Угли Кузнецкого бассейна более чем на 90% сложены микрокомпонентами группы витринита и инертинита. В углях однородных (дюренах) инертинит в преобладающей части представлен микринитом и семифюзинитом, которые равномерно распределены среди витринитовой массы. Такие угли, как правило, труднообогатимы. В углях полосчатых, представляющих основную массу углей Кузбасса, полосы, обогащенные тонкодисперсным инертинитом, чередуются с прослоями витри-нита. При обогащении углей фюзенизированные компоненты наряду с минеральными веществами отделяются от витринитовой составляющей и слагают содержимое отходов углеобогащения [1].
Для исследования химических, физических и химико-технологических свойств углей и отдельных компонентов выделяют концентраты маце-ралов, используя при этом методы разделения угольных проб в тяжелых жидкостях в статических условиях или центрифугированием. Также известен более деструктивный способ выделения наиболее устойчивых петрографических компонентов (мацерация) с привлечением концентрированных минеральных кислот.
Цель данной работы — исследование вещественного состава и свойств фракций каменноугольного шлама, полученных его расслоением в жидкостях различной плотности.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования была использована точечная проба угольного шлама, отобранная из шламоотстойника обогатительной фабрики (ОФ) "Тайбинская" (Прокопьевско-Киселевский район Кузбасса) с глубины до 1 м массой около 50 кг. Далее проба углеотхода в лабораторных условиях была высушена до сыпучего состояния, сокращена до массы 1 кг и доведена до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 3 ч. Подготовленная таким образом проба угольного шлама подвергалась аналитическим исследованиям.
В отечественной практике для классификации отходов добычи и обогащения углей используется ряд показателей, которые подразделяются на следующие группы: источники образования и крупность, литолого-минералогические характери-
стики, характеристика органического вещества, характеристика состава минеральных компонентов, поведение при нагревании и теплофизиче-ские свойства. В данной работе использовали перечень некоторых параметров и шкалу их количественной оценки, опубликованных в работе [4, 5].
Для получения проб шлама с различным содержанием отощающих фюзенизированных компонентов использовали метод фракционного анализа углей (ГОСТ 4790-80), сущность которого заключается в расслоении исследуемого топлива на фракции в жидкостях различной плотности. Разделение проводили в смеси четыреххло-ристого углерода и бензола при убывающей плотности растворов: 1.50, 1.40 и 1.35 г/см3. Выбор плотностей растворов определялся тем, что максимальное содержание фюзенизированных включений концентрируется во фракциях, осевших в жидкостях плотностью >1.35 г/см3 при их убывании почти до полного исчезновения во фракциях с плотностью <1.28 г/см3 [5].
Технический анализ шлама проводили стандартными методами. Золу для химического анализа получали медленным озолением аналитической пробы шлама в муфельной печи при температуре 850°C в течение 3 ч. Состав органической массы углей определяли методом элементного анализа.
Термический анализ проводили на термоанализаторе фирмы Netzsch STA 409 при следующих условиях: масса образца 40 мг; тигель платиново-иридиевый; нагрев до 1000°C со скоростью 10°С/мин в среде гелия. В ходе анализа регистрировали потерю массы (ТГ) и скорость потери массы (ДТГ). Для характеристики термического разложения использовали следующие показатели: Тпах — температура максимальной скорости разложения, Vmax — максимальная скорость потери массы в интервале основного разложения, Am — потеря массы образцом в интервалах температур наиболее интенсивного разложения образца.
ИК-спектры образца шлама регистрировали на фурье-спектрометре "Инфралюм-ФТ-801" в таблетках с KBr в области 400—4000 см-1.
ЯМР-спектры 13С высокого разрешения в твердом теле регистрировались на приборе "Bruker Avance III300 WB" с использованием стандартной методики кросс-поляризации с вращением под магическим углом и развязкой от протонов, подавлением сателлитов вращения (CPTOSS) [6, 7] при частоте 75 мГц. Время контакта 2000 мкс, накопление 1024 сканов, задержка между сканами 5 с, частота вращения образца 5 кГц. При интегрировании сигналов в отдельных спектральных диапазонах получали долю соответствующих атомов углерода от общего их количества. Для этого на спектрах выделяли диапазоны, соответствующие резонансному поглощению следующих
Таблица 1. Гранулометрический состав образца угольного шлама ОФ "Тайбинская"
Класс крупности, мкм Выход, мас. %
200-500 3
125-200 8
63-125 25
0-63 64
групп углеродных атомов, ррт [8, 9]: 220—185 — атомы углерода карбонильных групп (С=О); 185— 165 — атомы углерода карбоксильных и сложно-эфирных групп (СОО); 165—145 — ароматические атомы углерода, связанные с атомами кислорода (Сар—ОН); 145-106, 110-95 - С- и Н-замещен-ные ароматические атомы углерода (Сар + СНар); 95-65 — атомы углерода алкильных фрагментов, связанные с атомами кислорода (СалкО); 65-58 -атомы углерода метоксильных групп (ОСН3); 580 - атомы углерода алкильных фрагментов (Смк); 165-95 - степень ароматичности
/а = (СарО + Сар+ СНар)/100.
Карбонизацию образцов шлама проводили в керамических тиглях с крышкой в муфельном шкафу с плавным подъемом температуры (~3 град/мин) от 25 до 900°С и выдержкой при конечной температуре в течение 1 ч. Удельную поверхность (^вет, м2/г) определяли по низкотемпе-
ратурной адсорбции азота на приборе "Сорбто-метр-М" с использованием метода БЭТ. Активность полученных материалов оценивали по адсорбции паров метанола (АМ, мг/г) и бензола (Аб, мг/г) в ст
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.