Энергосберегающие и экологически чистые технологии

2. Определение требуемых информативных параметров АЭ предлагается проводить в процессе нагружения объемным сжатием модельных образцов
или в процессе струйного измельчения сыпучих материалов с использованием традиционного измерительного тракта с широкополосными датчиками
(регистрируемая частота 20 кГц – 1 МГц).
3. За показатель энергоемкости измельчения рекомендуется принимать
число сигналов АЭ, связанных с числом микротрещин, приходящихся на единицу работы их образования, по аналогии с энергетическим выходом при механической обработке порошков.
4. Акустическая активность струйной мельницы (помольной камеры и
инжекторов) имеет существенную корреляционную связь с режимными параметрами ее работы: производительностью, давлением и температурой в
помольной камере, достигая максимальных значений в частотном диапазоне
63 – 125 кГц.
УДК 622.7
Список литературы 1. Производство тонкодисперсных материалов в установках струйного
измельчения/ Пилов П.И., Горобец Л.Ж., Верхоробина И.В. , Бредихин В.Е., Гришаков С.Н.// Тонкоизмельченные и ультрадисперсные материалы в промышленности (производство и применение: Материалы 1-й междунар. научн. практ. конф. Санк-Петербург:"ИВА", 2003.–С.18-22.
2. Горобец В.И., Горобец Л.Ж.// Новое направление работ по измельчению.– М.: Недра, 1977.
3. Горобец Л.Ж. Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых. Автореф.
дисс. д-ра техн. наук: НГУ: Днепр-ск. – 2004. - 35 с. 4. Горобец Л.Ж. Изучение фундаментальных
закономерностей энергетики измельчения // Збагачення корисних копалин. - 1998. - № 2. С. 36-43. 5. Горобец Л.Ж., Верхоробина И.В. Результаты акустоэмиссионного мониторинга эффекта диспергирования // Обогащение полезных ископаемых: Научн. Техн.. сб.– Днепр-ск.–
2003.–Вып..18(59).–С.41-47. 6. Горобец Л.Ж., Шуляк И.А., Верхоробина И.В. Исследование связей
измельчения с акустическим излучением при разрушении// Весник нац.техн. ун-та "ХПИ".–
Харьков.–2003.–№14.–С.135-140. 7. Л.Ж.Горобец, В.Н. Бовенко, С.Б. Дуброва, О.Ф. Панченко
Исследование акустоэмиссионных свойств природных материалов в режиме высоких давлений //
Физика и техника высоких давлений. – 1995. - №3. – С. 65-73. 8. Бовенко В.Н. Синергетические
эффекты и закономерности релаксационных колебаний в состоянии предразрушения твердого
тела: Автореф. дисс. д-ра физ.-мат. наук: М.–1990.-30 с. 9. Апериодический датчик для регистрации акустических сигналов: А.с. 512602 СССР /В.Н. Бовенко, В.И. Полунин (СССР). – Опубл.
30.08.76, Бюл. №16. - 2с.
Украина располагает достаточными запасами угля в сравнении с другими видами топлива, однако современному состоянию отечественного топливно-энергетического комплекса присущи следующие негативные тенденции:
повышение зольности рядовых углей и, как следствие, снижение качества
товарных концентратов; необходимость использования мазута или газа для
стабилизации процесса их сжигания; значительный износ оборудования отечественных тепловых электростанций (ТЭС).
С ростом зольности углей, как правило, растет их абразивность, что вызывает увеличение расхода мелющих тел и бронефутеровки размольного оборудования. При переработке больших количеств топлива снижается надежность работы пылеприготовительных установок, возрастают затраты энергии
на помол и транспортирование. Вместо традиционного способа подготовки
топлива путем размола до пылевидного состояния низкосортные угли можно
дробить до крупности порядка единиц и долей мм с последующим сжиганием
в кипящем или фонтанирующем слое. Переход с помола угля на дробление
позволяет снизить удельный расход электроэнергии и повысит производительность оборудования угле подготовки. Таким образом, перспективным
направлением является разработка новых технологий сжигания низкосортного угля в кипящем слое (КС), которые имеют преимущества по экономическим и экологическим характеристикам. Данные технологии исследуются и
применяются во всем мире, однако опыта работы с высокозольными углями,
к которым относят украинские угли, практически нет.
В данной работе даны рекомендации по энергосберегающим и экологически чистым технологиям переработки угля на основе анализа современного
состояния этой проблемы и исследований, проведенных в Национальном горном университете и Институте технической механики НАН и НКА Украины
(г. Днепропетровск).
Поступила в редколлегию 16.09.06.
21
П.И. ПИЛОВ, докт. техн. наук, Л.Ж. ГОРОБЕЦ, докт. техн. наук,
В.В. ГАЕВОЙ, канд. техн. наук, Национальный горный университет,
Н.С. ПРЯДКО, канд. техн. наук, Институт технической механики НАН и
НКА Украины, г.Днепропетровск
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ
Проведено аналіз сучасних енергозберігаючих і екологічно чистих технологій переробки
кам’яного та бурого вугілля
An analyse of modern energy serving and ecology pure technology for black and brown coal using has
been done.
22
Для сжигания дробленого угля полидисперсного фракционного состава
пригодны различные модификации топок с процессом горения в кипящем
слое. Такие топочные устройства обеспечивают сжигание топлива с температурой ниже температуры размягчения золы, и потому при их использовании
не возникают трудности, связанные со шлакованием поверхностей нагрева.
Однако, традиционный кипящий слой имеет серьезные недостатки, препятствующие его широкому использованию: шлакование подовой решетки, приводящее к снижению устойчивости горения и затуханию процесса горения; необходимость установки пылеулавливающих аппаратов на выходе газов из КС,
особенно при широком гранулометрическом составе твердого топлива; постоянное перемешивание вновь поступивших частиц топлива и уже образовавшихся частиц шлака, которое снижает эффективность КС; трудности выделения и удаления золы и шлака из смешанного КС. Многие недостатки
традиционного КС объясняются особенностями организации технологии
сжигания твердого топлива по методу совмещенных фаз.
Исследования гидродинамики и технологического процесса в топках с
КС [1, 2] показали необходимость пространственного разделения процесса
непрерывной загрузки топлива и выгрузки шлака с тем, чтобы устранить их
перемешивание и организовать непрерывный поточный технологический
процесс. Предлагаемые ранее подовые решетки (наклонные, вибрирующие,
вращающиеся и др.) для организации поточного КС сложны в управлении и
не получили широкого распространения, хотя и способствовали улучшению
структуры КС, устраняли завалы и застойные зоны частиц топлива над решеткой.
На базе анализа подовых решеток различной конфигурации разработана
новая конструкция газораспределительной решетки лопаточно-щелевого типа, которая имела преимущества перед известными типами подовых решеток.
Создание подовой решетки лопаточно-щелевого типа [2] дало возможность
решить задачу усовершенствования известного способа сжигания топлива [1,
3] путем введения новых технологических операций, которые позволяют
осуществить разделение в пространстве процессов загрузки топлива в топку и
удаления сгоревших шлаков (за счет продольного продвижения топлива), что
позволило повысить эффективность горения.
На рис. 1 и 2 показаны технологические характеристики лопаточнощелевой и сопловой решеток в различных режимах работы. Видно, что лопаточно-щелевая решетка позволяет значительно уменьшить перепад давления
в начальный момент формирования КС при подаче твердого топлива в восходящий воздушный поток. Кроме управления количеством кипящего материала и высотой КС лопаточно-щелевая газораспределительная решетка создает
возможность за счет наклона лопаток сообщать кипящему слою поступательную скорость перемещения вдоль решетки.
Система управления поступательным перемещением КС оказалась гибкой и эффективной. Скорость перемещения должна выбираться, исходя из
23
времени полного сгорания угля при его кипении и поступательном движении,
то есть исходя из времени движения горящих частиц над решеткой. Принудительное удаление КС имитатора осуществлялось в течение нескольких секунд
путем поворота лопаток в щелях в нужном направлении.
Рис. 1. Зависимость коэффициента
гидравлического сопротивления
решеток (2- лопаточно-щелевой,
1-сопловой) от расхода воздуха
и массы имитатора
Рис. 2. Изменение потерь полного
давления в зависимости от скорости
воздуха в живом сечении решетки и
массы имитатора
Разработанная лопаточно-щелевая решетка без дополнительных доработок позволяет реализовать кипящий слой, взвешенный слой и фонтанирующий кипящий слой. Режим псевдоожижения устойчив в широких диапазонах
расхода воздуха и твердого топлива. Был изучен также процесс создания устойчивого кипящего слоя для полидисперсного фракционного состава частиц
(2-4мм). Установлено, что кипящий слой сохранял устойчивость и для более
крупных частиц имитатора, при этом шлакования решетки не наблюдалось.
Проведенные экспериментальные исследования гидродинамических параметров усовершенствованных подовых решеток и создаваемого над ними
КС подтвердили высокие технологические характеристики решетки: отсутствие застойных зон и зон шлакования; устойчивость и равномерность КС; возможность управления продольным продвижением КС над решеткой; возможность создания кипящего поточного слоя над решеткой; сравнительно малое
гидравлическое сопротивление решетки (  =0,12-0,22, см. рис.1).
В результате проведенных исследований рекомендована технологическая схема сжигания низкосортного угля в КПС [2], которая включала три
этапа: непосредственное сжигание частиц угля в кипящем поточном слое с
газодинамической транспортированием вдоль подовой лопаточно-щелевой
подовой решетки нового типа; улавливание уносимых частиц в золоуловителе-мультициклоне с завихрителями шнекового типа и возврат их на дожигание в топку над подовой решеткой под слой поступающего кускового угля,
чтобы предотвратить преждевременный их унос; тонкая очистка дымовых
газов в эмульгаторе (см. рис.3).
24
Продукты сжигания частиц угля в кипящем поточном слое, а также порошки золоуловителей-мультициклонов и эмульгаторов могут быть использованы как активные минеральные добавки в сырьевую смесь при производстве цемента (2-7%). Как известно, в качестве активных минеральных добавок используют золу ТЭС, измельченный доменный гранулированный и отвальный шлаки (до 30 %), электротермофосфорный шлак, опока, трепел или
диатомит (20 %), туф (20 %), пемзу и др. [4, 5].
Рис. 3. Технологическая схема сжигания угля в кипящем слое
В работах 6, 7 приведены условия измельчения, при которых достигается значительное изменение строительно-технических свойств ряда вяжущих материалов: цементный клинкер, шлак, формовочный гипс. Показано,
что продуктам струйного измельчения свойственна меньшая агрегируемость
и меньший расход воды при одинаковой величине удельной поверхности,
повышенная активность цемента по сравнению с измельчением в барабанной
мельнице. В диапазоне удельной поверхности S = 3750…6900 cм2/г значительно уменьшается растекаемость цементного раствора, увеличивается пластичность и сокращаются в 1,5…2 раза сроки схватывания. Для изделий, изготовленных на основе порошков струйного помола цемента и гипса, наблюдается повышение на 40% марочной прочности по сравнению с измельчением
в барабанной мельнице. В настоящее время в содружестве НГУ и ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича» развивается перспективное направление получения бесклинкерного цемента на основе высокодисперсных доменных шлаков.
В работе 8 опубликованы результаты исследований, подтверждающие
полезность использования измельченного угля в производстве гуматов. При
этом замечено, что в продуктах тонкого измельчения угля наблюдаются зна25
чительные структурные изменения. На примере бурого угля Александрийского месторождения исследовано влияние способа диспергирования на выход
гуминовых кислот в процессе щелочного гидролиза. В качестве диспергаторов применены аппараты, использующие различные принципы воздействия
на измельчаемый материал: противоточная струйная мельница (высокоскоростные соударения), универсальный дезинтегратор-активатор УДА (удары высокой энергии), центробежная и дифференциальная планетарные мельницы
(ЦПМ и ДПМ) (сочетание удара высокой энергии с истиранием), шаровая
мельница (сочетание ударов низкой энергии с истиранием). Исследование
проведено совместно с Институтом физико-органической химии и углехимии
АН Украины (г. Донецк). Установлено, что при ударно-истирающем воздействии на пробы угля в условиях щелочного гидролиза благодаря деструкции и
окислению часть остаточного угля переходит в гуматы, что приводит к увеличению выхода гуминовых кислот на 10-17 %.
Новым направлением получения твердого энергетического топлива является переработка бурого угля и техногенных месторождений каменноугольных шламов. Высокая себестоимость производства брикетов из бурых
углей обусловлена необходимостью сушки его до влажности около 23%, измельчения и прессования при высоком давлении. Сжигание добытых бурых
углей на тепловых электростанциях невозможно из-за их транспортирования
на значительные расстояния, во время которого происходит испарение влаги
и деструкция угольных кусков, приводящая к значительному пылеобразованию и потерям при погрузочно-разгрузочных работах. Решение вопроса подготовки бурых углей к транспортированию без энергоемкого процесса брикетирования позволило бы их использовать в энергетике с существенным экономическим эффектом и повысить степень обеспеченности Украины собственными энергоресурсами.
С этой целью в Национальном горном университете разработаны новые
технологии получения композиционного топлива, основанные на использовании процесса адгезионно-химической агломерации дисперсного буроугольного сырья, переведенного в вязко-пластичное состояние. Гелеобразное
строение бурых углей обусловливает их пластичность, которая зависит от
степени метаморфизма, причем, чем выше степень метаморфизма, тем ниже
пластичность. Вязко-пластичные системы на основе бурых углей рассматриваются как суспензия, образованная частицами различной дисперсности и, в
частности, коллоидных размеров; поэтому в них самопроизвольно, или в результате внешних воздействий образуются структуры, которые обусловливают проявление таких физико-механические свойств, как прочность, упругость, пластичность, вязкость.
Исследования показали, что, используя в качестве вяжущего бурые угли
или торф, можно подвергать адгезионно-химической агломерации материалы,
которые сами по себе являются низкопластичными и труднобрикетируемыми
(антрацитовые шламы и каменноугольные шламы с низким выходом тонких
26
классов крупности). Данный вывод подтвержден при промышленных испытаниях технологии адгезионно-химической агломерации с использованием
шнекового трехступенчатого пресса. Для углей с индексом пластичности менее 45 рекомендуется добавлять угли с более высоким значением указанной
величины. Таким образом, используя шихтовку, для адгезионно-химической
агломерации можно рекомендовать все угли, даже плохо подвергающиеся
окускованию. Установлено, что воздушно-сухие продукты буроугольных
суспензий обладают значительной механической прочностью и не распадаются во время сушки, как непластичные тела.
Таблица
Результаты промышленных испытаний технологии адгезионно-химической
агломерации на продуктах переработки угля
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Наименование
продукта
Антрацитовый
шлам №1
Антрацитовый
штыб №1
(крупность 010
мм)
Антрацитовый
штыб №1 (крупность
05 мм)
Бурый уголь и
шламы Мироновской ТЭС
Антрацитовый
шлам №2
Антрацитовый
штыб №2
Штыб марки
углей "Т"
Бурый уголь №1
Бурый уголь №2
ФормоПредел
вочная
прочности
влаж- при сжатии,
ность, %
МПа
Состав сырьевой шихты
Зольность,
%
Антрацитовый шлам  95%;
Поликатионит  5%
13,8
12,19
8,2
Антрацитовый штыб  95%;
Поликатионит  5%
20,69
13,18
5,6
Антрацитовый штыб  95%;
Поликатионит  5%
17,81
11,81
11,6
Бурый уголь  30%;
Угольный шлам  70%
33,7
33,5
1,0
20,58
12,3
4,2
14,5
11,0
6,5
15,8
20,18

9,39
15,7
52,5
53,7
10,2
18,0
Антрацитовый шлам  98%;
Поликатионит  2%
Антрацитовый штыб  98%;
Поликатионит  2%
Штыб  98%;
Поликатионит  2%
Бурый уголь  100%
Бурый уголь  100%
логии адгезионно-химической агломерации с использованием трехступенчатого шнекового пресса представлены в таблице. Наилучшие показатели механической прочности имеют образцы, полученные при окусковании бурого
угля № 2 (предел прочности при сжатии -18 МПа); при этом формовочная
влажность также максимальна - 53,7%, что объясняется тонкодисперсной
коллоидной структурой данных материалов. Для антрацитовых шламов и
штыбов наблюдается следующая закономерность: с увеличением зольности
возрастает формовочная влажность (опыты №1-3) и, как следствие, механическая прочность образцов, что можно объяснить увеличением содержания
тонкодисперсных глинистых фракций в этих материалах. Для увеличения
прочностных показателей рациональной является добавка к бурому углю
жидкого стекла.
Проведенные исследования позволяют считать перспективными в плане
энергосбережения и экологических требований следующие технологии переработки угля: сжигание низкосортного кускового топлива в топке с кипящим
слоем с газодинамическим транспортированием частиц вдоль лопаточнощелевой подовой решетки с дальнейшей очисткой дымовых газов по предложенной технологической схеме, использование измельченного угля при производстве гуматов, совместная адгезионно-химическая агломерация углей
разных степеней метаморфизма.
Список литературы: 1. Коваленко Н., Борисенко С, Прядко Н., Кулаков А., Малый Л.П., Быковченко Г.И. Подовая решетка для сжигания угля в псевдоожиженном слое //Системные технологии. – Дн-ск. – 2001. – №6 (17). – С. 77-81. 2. Прядко Н.С. Удосконалення топки киплячого шару
з метою газодинамічного транспортування матеріалу: Автореф. дис… канд. техн. наук: 05.14.06
/Нац.металур. академія. – Дн-ск, – 2005, 20 с. 3. Патент України, № 58077А кл. F23H9/10 Спосіб
спалювання палива у фонтануючому прошарку, Коваленко Н.Д., Прядко Н.С., надрук.
15.07.2003, бюл. №7. 4. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. – М.: Стройиздат.
1986. – 464 с. 5. Схвитаридзе А.В. Производство цемента в Грузии, проблемы, новизна, перспективы. Ж. «Цемент и его применение». №2, 2003. – с. 47-51. 6. Товаров В.В., Горобец Л.Ж., Чеберячко И.М., Михайлич Т.М. О повышении прочностных характеристик цемента при струйном
измельчении /Вопросы химии и химической технологии. 1977, В. 46. – С. 89-93. 7. Горобец Л.Ж.
Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых. Автореф. дисс… д.т.н.,
НГУ, Дн-ск, 2004. – 35 с. 8. Интенсификация процесса извлечения гуминовых кислот из бурого
угля при диспергировании / Гирина Л.В., Думбай И.Н., Дуленко В.И., Кулебакин В.Г., Горобец
Л.Ж. // Химия твердого топлива. – 1985. – № 6. – С. 59-65.
Поступила в редколлегию 16.09.06.
Были испытаны различные составы шихт на основе каменноугольных и
антрацитовых шламов, антрацитового штыба. Основными вяжущими веществами являлись бурые угли Александрийского и Коростышевского месторождения, торф, добавка органического происхождения  поликатионит и неорганического – жидкое стекло. Результаты промышленных испытаний техно27
28