Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0106

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0106
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка способа и установки переработки отходов обогащения углей, углистых аргиллитов, с целью экологической реабилитация территорий, подверженных негативному воздействию в результате деятельности углеобогатительной промышленности, и получения энергетического угольного топлива и сырья для производства широкого спектра строительных материалов
Докладчик
Стороженко Геннадий Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследований заключалась в разработке технологии переработки отходов обогащения углей, углистых аргиллитов и ее аппаратурного обеспечения для получения энергетического угольного топлива и сырья для производства широкого спектра строительных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс задач, касающихся анализа современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках прикладных научных исследований (ПНИ), проведении сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований и выбора собственного направления проведения научно-исследовательских и прикладных работ.
Разработка математической модели процесса сухого обогащения углистых аргиллитов позволила решить методологическую задачу подхода к реализации способа и его аппаратурного обеспечения, что способствовало созданию экспериментальной опытной установки по переработке отходов углеобогащения.
Основной технологической задачей исследований была отработка технологии вторичного обогащения отходов на экспериментальной опытной установке с получением угольного топлива и минерального сырья для производства цемента и керамических стеновых материалов. На полученных в процессе переработки ООУ «хвостах» - минеральной части углистых аргиллитов была решена задача получения стеновых керамических материалов как в лабораторных, так и в заводских условиях. Конечной задачей была разработка лабораторных технологических регламентов переработки углистых аргиллитов с получением угольного топлива и минерального сырья для производства цемента и керамических стеновых материалов на основе "хвостов" обогащения.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований обусловлена постановленной Правительством РФ задачей удвоения ВВП, решение которой связано с комплексным использованием природно-ресурсного, прежде всего минерально-сырьевого потенциала (включая первичного и значительную часть техногенного сырья и отходов производства) способного обеспечить переход к экологосбалансированному, ресурсосберегающему типу экономики, сохранением и упрочением конкурентных позиций страны на мировых сырьевых рынках.
Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во- вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье. В-третьих, при комплексном использовании продуктов переработки отходов снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости.
Комплексное использование отходов углеобогащения является актуальной задачей не только угольной промышленности, но и всего народного хозяйства, ввиду резкого обострения экономических, экологических и других проблем, возникающих в связи с накоплением этих отходов.
Новизна исследований заключается в выборе инновационного способа вторичного обогащения отходов, в результате чего получено энергетическое топливо и "хвосты" стабильного состава, позволяющего использовать их в производстве строительных материалов. На 2016 г. охранных и иных документов в РФ, США, Японии, Китае и др., которые будут препятствовать патентованию данного решения, не выявлено.
Описание исследования

На первом этапе исследований проводилось математическое моделирование процессов сушки, селективного помола и разделения отходов углеобогащения на углистую и минеральную части. Для оценки характеристик разделения отходов углеобогащения  были приняты  методы математического и физического моделирования процессов обогащения при варьировании параметров технологического процесса и применяемых схем. В рассматриваемой задаче течение газа считалось установившимся, и все уравнения записывались в стационарной постановке. Искомыми зависимыми переменными являлись три компоненты вектора скорости, являющиеся проекциями вектора скорости на оси координат, давление, энтальпия смеси, массовые доли газовых компонент, а также скорость, температура, состав частиц дисперсного материала. Движение частиц, прогрев и испарение влаги из них, оценивались по модели Лагранжа.  

На втором этапе исследовательских работ проводилось моделирование процессов, происходящих в экспериментальной опытной установке, разработанной на основе результатов  предварительного математического моделирования процессов вторичного обогащения. При этом использовались двумерные осесимметрические и трехмерные модели расчета газодисперсных турбулентных потоков при наличии тепло и массообмена. Были выполнены расчеты и оптимизация конструкции мельницы для селективного помола, а также разработана и исследована модель динамики и классификации дисперсного материала в инерционном аппарате и в циклоне со встречными закручивающимися потоками. 

После изготовления  экспериментального опытного образца установки (ЭОУ) переработки и утилизации отходов обогащения углей, углистых аргиллитов были разработаны программы и методики проведения  испытаний, которые заключались в  испытаниях по определению механических и аэродинамических характеристик при работе объекта испытаний на холостом ходу и в процессе переработки отходов обогащения углей, углистых аргиллитов. Проводилась отработка технологии переработки отходов углеобогащения, углистых аргиллитов с получением угольного топлива и минерального сырья для производства цемента и керамических стеновых материалов. Проверка механических и аэродинамических характеристик объекта испытаний выявила некоторые его конструктивные недостатки, которые были устранены, после чего была отработана технология сушки, селективного помола и классификации ООУ, углистых аргиллитов. Настройка режимов работы ЭОУ позволила найти оптимальные технологические параметры, в результате чего было получено угольное топливо и минеральное сырье для производства цемента и керамических стеновых материалов. Эти результаты были подтверждены исследованиями представительных проб ООУ, углистых аргиллитов Коркинского угольного разреза до и после обогащения на опытной установке. Сырье для производства строительных материалов было получено за счет пневматической сепарации продуктов селективного помола на первой ступени пылеосаждения и на нем проведены исследования получения керамического кирпича в лабораторных и заводских условиях.

В процессе проведения исследований был разработан способ производства на основе вторично обогащенных отходов обогащения углистых аргиллитов высококачественных керамических стеновых материалов матричной структуры. Было установлено, что для производства керамических изделий матричной структуры из "хвостов" после вторичного обогащения углистых аргиллитов необходимо на первом этапе сформировать из дисперсных отходов заполнитель монофракционного состава в виде гранул, однородных по составу и плотности, а затем нанести на их поверхность связующее (глинистое сырье) в виде оболочки. Такая технология позволила обеспечить прочное сцепление частиц заполнителя при полусухом прессовании кирпича.  Заводские испытания технологии производства керамических изделий ячеистозаполненной структуры из «хвостов» и результаты их исследований показали, что основными условиями получения морозостойких керамических изделий полусухого прессования является использование в технологии получения пресс-порошков агломерационных процессов (агрегирование и грануляция), что позволяет решить проблему неравноплотности кирпича-сырца. Петрографические исследования шлифов позволили сделать вывод о протекании твердофазных реакций по границам гранул в полученном композиционном материале. Предположительно, глинистые минералы, взаимодействуя при обжиге с оксидами кальция, железа и магния техногенного сырья, образуют жидкую фазу, которая внедряется в приграничную зону гранул, что усиливает цементирующее действие ячеистого каркаса.

 

 

 

Результаты исследования

На основании результатов анализа состояния и развития современных научных и инженерных способов переработки отходов углеобогащения  была разработана инновационная безотходная технология и аппарат для их вторичного обогащения  с  получением угольного топлива и строительных материалов.

По результатам математического моделирования процессов тепло-массообмена при одновременной сушке и селективном помоле отходов был выбран в качестве установки для их переработки  вихревой аппарат, в котором поля температур свидетельствовали об эффективной теплопередаче от газа к материалу.

Разработанная математическая модель и полученная картина по составу материала (распределение угля в классах и в разных по форме частицах) дали веские основания для заключения о возможности обогащения аргиллитов с помощью баллистической и пневматической сепарации с высокой степенью обогащения остаточного угля.

В результате была определена конструктивная схема аппарата, в котором одновременно могут осуществляться процессы сушки, селективного помола и разделения отходов на углистую и минеральную части и выполнено математическое моделирование и определение габаритных размеров основных конструктивных элементов аппарата: 

  1. моделирование конструкции улитки вихревого тепломассообменного аппарата;
  2. моделирование процессов тепло-массообмена для трехмерных газо-дисперсных турбулентных потоков в сушилке;
  3. моделирование, расчет и оптимизация конструкции мельницы для селективного помола отходов углеобогащения.

Результаты расчетов позволили разработать конструкции основных частей аппарата:улитки вихревого тепломассообменного аппарата; аппарата по селективному помолу и сушке отходов углеобогащения; мельницы. Также было выполнено моделирование динамики и классификации дисперсного материала в инерционном классификаторе установки.

Был изготовлен экспериментальный образец установки с комплектацией его необходимым технологическим оборудованием: теплогенератором, рукавным фильтром, дымососом и автоматизированной системой управления технологическим процессом. При выполнении программы  проведения испытаний изготовленного образца установки по переработке отходов углеобогащения использовались методики и инструменты исследований, отвечающие современному уровню науки. В результате удалось осуществить:

  1. Оценку эффективности сушки отходов обогащения углей, углистых аргиллитов;
  2. Оценку селективности помола отходов по степени раскрытия минералов;
  3. Определение теплотворной способности и зольности энергетического угольного топлива;
  4. Исследование минеральной части отходов, выделяемой на второй и третьей ступенях аспирационной системы экспериментального образца установки и определение ее пригодности для производства широкого спектра строительных материалов.

Проведенные испытания экспериментального образца установки переработки ООУ, углистых аргиллитов позволили разработать лабораторные технологические регламенты вторичного обогащения отходов с получением угольного топлива и минерального сырья для производства цемента и керамических стеновых материалов. Значимость научно-технических результатов проекта, достигнутых при выполнении исследований, заключается в изготовлении экспериментального опытного образца установки, в который заложены инновационные идеи совмещения в одном аппарате функций селективного помола, сушки и обогащения углистых аргиллитов, не имеющих пока аналогов в мировой практике.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследований заключается в разработке безотходной технологии вторичного обогащения ООУ, углистых аргиллитов и создании установки для их одновременной сушки, селективного помола и разделения продуктов на энергетическое угольное топливо и минеральную часть, которая, благодаря стабильности состава, может широко применяться в производстве цемента и керамических стеновых материалов.
Разработана технология производства керамических изделий из минеральной части углистых аргиллитов, позволяющая планировать состав, форму и распределение компонентов шихты для производства изделий на основе неспекающегося техногенного сырья с заданными эксплуатационными свойствами. На минеральной части отходов, полученных в результате вторичного обогащения углистых аргиллитов, была отработана технология получения керамического кирпича не только в лабораторных, но и в заводских условиях. Разработанные лабораторные технологические регламенты переработки ООУ, углистых аргиллитов с получением угольного топлива и минерального сырья для производства цемента и керамических стеновых материалов на основе полученных продуктов переработки ООУ, углистых аргилли-тов являются базовой основой для составления прмышленных технологических регламентов на производство данных видов продукции.
Результаты научно-исследовательских и прикладных работ позволяют провести количественную оценку экологической эффективности и безопасности разработанного способа и установки по переработке ООУ, углистых аргиллитов и разработать проект ТЗ на ОКР «Создание установки для получения энергетического угольного топлива и сырья для производства широкого спектра строительных материалов путем утилизации отходов обогащения углей, углистых аргиллитов». А также подготовить предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР и вовлечению их в хозяйственный оборот.
Практическая значимость научно-технических задач, решенных в ходе выполнения проекта, заключается в перспективах использования разрабатываемого оборудования в различных отраслях промышленности, где требуется сушка, тонкий помол и классификация продуктов помола: строительство (обогащение песков и алюмосиликатного сырья); керамическая отрасль (обогащение каолинов, бентонитов) и др
Постер

Poster_template_RP.ppt