РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОЗОЛЬНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ В ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОДУКТЫ

Увеличение темпов развития угольной промышленности сопровождается увеличением количества отходов, а это приводит к ухудшению экологической обстановки в регионах, техногенному загрязнению окружающей среды мелкодисперсной пылью, потере денежных средств, вложенных в добычу твёрдого топлива. Разрабатываемая технология позволит перерабатывать тонкодисперсные высокозольные угольные отходы в углемасляный концентрат, пригодный для энергетики и коксования.

Цель научного исследования: разработка технологического процесса переработки углеродсодержащих тонкодисперсных отходов (угольных шламов, низкосортных углей, коксовой пыли и т.п..) в товарные продукты.
Получаемы высококалорийный низкозольный углемасляный концентрат может быть использован в коксохимической и энергетической промышленности, как компонент композиционных видов топлива.
Задачи научного исследования:
- исследовать механизм обогащения углеродсодержащих отходов методом масля-ной агломерации;
- изучить распределение зольности по фракциям тонкодисперсных угольных отхо-дов, а также гранулометрический состав;
- провести эксперименты по обогащению тонкодисперсных угольных отходов;
- сделать технический анализ (определить влажность, зольность, выход летучих веществ, теплоту сгорания) углеродсодержащего сырья, подвергаемого обогащению по методу масляной агломерации, и концентрата; сопоставить результаты;
- реализовать принцип ресурсо- и энергосбережения в условиях Кемеровской области и других угледобывающих регионов, рационального природопользования, устой-чивого развития общества;
- создать новую, конкурентоспособную продукцию для коксохимической и энергетической промышленности.

 

При добыче и переработке каменного угля неизбежно образование отходов. В основном это угольные шламы, содержащие  от 30 до 80 % (и более) горючих веществ. Однако из-за тонкодисперсности, высокой влажности и зольности их утилизация и сбыт затруднены. 

 Потери угля (в том числе и ценных коксующихся марок угля) в флотохвостах с условной зольностью 30 % на предприятиях Кузбасса составляют порядка 300-350 тыс. т в год [3].

Переработка угольных шламов позволит улучшить экологическую обстановку в регионах и получить значительный экономический эффект.

Шламы хранятся в шламохранилищах (специально оборудованных полигонах, складах), и первый шаг на пути к их использованию – снижение зольности.

Выход летучих веществ из аналитической пробы испытуемого сырья (V^а, %) вычислялся по ГОСТ 6382-2001) [6], зольность аналитической пробы (А, %) – по ГОСТ 11022-95 (метод медленного озоления) [7], массовая доля влаги (W^a, %)– по ГОСТ 11014-2001) [8]. Теплоту сгорания (Q_s^t) определяли по ГОСТ 147-95 [9].

Определение содержания серы (общей) проводили по ГОСТ2059-95 [10].

 Оценка механической прочности брикетов на истираемость проводилось в малом барабане по ГОСТ 9521-74 [11]; прочность на сбрасывание по методу ВУХИН – два раза сбрасывается с высоты 1.8 м на металлическую плиту (содержание кусков >25 мм должно быть более 80% масс.); испытание на точечное сжатие (кгс/брикет) под нагрузкой, при которой наступает разрушение структуры изготовленного брикета.

Обогащение угольных шламов методом масляной агломерации. В цилиндрическую емкость наливают воду объемом 850 мл, загружают уголь массой 200 г. Производят интенсивное смешивание угля и воды при помощи мешалки, соединенной с двигателем. Скорость перемешивания суспензии составляет 1000-1500 об./мин.Добавляется 10 % (от массы обогащаемого сырья) связующего, и всю смесь перемешивают еще в течение 5-8 мин, постепенно с интервалом 1-2 мин увеличивают скорость вращения мешалки, достигая скорости вращения 4000 об/мин. Образуется пена, содержащая угольный концентрат.

В качестве объекта исследования использовались угольный шлам марок Г, Д, СС и А, углемасляный концентрат,"хвосты обогащения", топливные брикеты.

Исследована возможность обогащения высокозольных отходов - угольных шламов разных марок. В экспериментах по обогащению угольных шламов методом масляной агломерации были получены углемасляные концентраты. По данным технического анализа обогащаемого сырья (шламы марок Г, Д, СС и А) и концентратов был сделан вывод об эффективности метода масляной агломерации для обогащения тонкодисперсного углеродсодержащего сырья. Обогащение шламов марки СС прошло наиболее эффективно, так как зольность была снижена в 3,6 раза. Полученный углемасляный концентрат  может найти применение как добавка к  твёрдому топливу или как основной компонент для получения композиционных видов топлив (брикетированного или жидкого).

Было установлено, что чем крупнее размер частиц шламов, подвергаемых обогащению, тем меньше будет зольность и влажность полученного концентрата. Анализ крупности частиц показал, что угольный шлам, преимущественно, представлен фракцией 1,0-0,5 мм. При исследовании распределения зольности по фракциям угольных шламов было выявлено, что с уменьшением размера зерна зольность увеличивается. У шламов марки Г и Д максимальная зольность составила 24, 6 % мас., а марки СС - 19, 2 % мас.

Топливные брикеты, полученные на основе углемасляного концентрата, обладают достаточной прочностью и имеют высокую теплоту сгорания. При двукратном сбрасывании брикета с высоты 1,8 м на металлическую плиту содержание кусков >25 мм составило 100 % масс. (при ступенчатом прессовании), что является хорошим показателем. Теплота сгорания топливных брикетов на основе углемасляного концентрат в среднем составляет от 6500 до 9000 ккал/кг, что не уступает значениям калорийности такого топлива как уголь. Благодаря плотной упаковке частиц в брикете и их малому размеру, брикетированного топлива, по сравнению с углем, нужно в 2 раза меньше, и при горении в атмосферу выделяется меньше вредных веществ и сажи. Брикеты не крошатся и не ломаются в процессе транспортировки.

Разработанная технология получения новых продуктов из отходов позволит улучшить экологическую ситуацию в регионе.

 

Исследования поддержаны грантом программы У.М.Н.И.К.-2014. Автор работы является лауреатом Национальной премии «Студент года-2015» в номинации «Интеллект года».

1. Папин А.В. Разработка нового метода обогащения минералов на основе масля-ной агломерации/ Жбырь Е.В., Неведров А.В., Солодов В.С. //Химическая промышлен-ность сегодня. 2009. №1. С. 36-39.
3. Папин А. В. Переработка угольных шламов в сырьё для когенерационных уст-ройств / А.В. Папин, А.В. Неведров // Ползуновский вестник. – 2013. – № 1– С. 48-50.
5. Злобина Е.С. Экологические и технологические аспекты утилизации твердых углеводородных отходов / Е.С. Злобина, А.В. Папин, Игнатова // Вестник КузГТУ. - 2015. - №3. - C. 92-101.
13. Белоусов В.А. Перспективные методы обогащения угольных шламов // Между-народный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – № 4. – 2014. – С. 15-17.
14. Пат. РФ № 2494817 Россия Способ обогащения угольного шлама и угля / А. В. Папин, В. С. Солодов, А. Ю. Игнатова и др. // КузГТУ. Заяв. 20.03.2012, опубл. 10.10.2013.

The increasing pace of development of the coal industry is accompanied by an increase in the amount of waste, and this leads to a deterioration of the ecological situation in the regions, anthropogenic environmental pollution fine dust, the loss of money invested in the production of solid fuel. The developed technology will recycle of high-fine coal waste uglemaslyany concentrate suitable for energy and coking.