Разработка безопасной технологии переработки техногенных угольных образований
На правах рукописи
УШАКОВ Андрей Геннадьевич РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (отрасль химическая)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2011 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учрежде нии высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» на кафедре химической тех нологии твердого топлива и экологии.
Научный консультант: доктор химических наук, профессор Трясунов Борис Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Исхаков Хамза Ахметович доктор технических наук, профессор Кирсанов Михаил Павлович
Ведущая организация: Новационная фирма "КУЗБАСС-НИИОГР"
Защита состоится «10» февраля 2012 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.102.03 в Федеральном государственном бюд жетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбаче ва» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, д. 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального госу дарственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессио нального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».
Автореферат разослан «28» декабря 2011 года
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Ю.В. Лесин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Соблюдение норм пожарной безопасности при разработке технологий – одно из главных требований, закрепленных в норма тивных актах в области эксплуатации опасных промышленных объектов.
Отходы предприятий угледобывающей и углеперерабатывающей про мышленности характеризуются значительными объемами, и присутствие в их составе пылевидных фракций способствует повышению их пожаро- и взрыво опасности, что достоверно подтверждается большим числом самовозгораний отвалов. Нередки взрывы на угольных отвалах и, как следствие, большие вы бросы пыли и породы в воздух на значительные расстояния. Потому вопросы предупреждения возгораний отвалов в условиях повышенного внимания к эко логии и безопасности угольного производства приобретают большое значение.
На сегодняшний день для ликвидации отходов угледобычи и углеперера ботки разработано множество методов. Внедряются способы получения и сжи гания пыле- и водоугольного топлива. Однако подобные технологии сами пред ставляют потенциальную взрыво- и пожароопасность, поскольку основаны на измельчении сжигаемого топлива до мелкодисперсных размеров (до 90 мкм), особенно на стадиях его приготовления и подготовки сырья.
Необходимо разработать пожаро- и взрывобезопасную технологию ути лизации техногенных угольных образований, в сравнении с применяемыми способами сжигания пылевидных отходов добычи и переработки угля.
Анализ литературы, в том числе патентной, позволяет заключить, что эффективным методом утилизации пылевидных отходов являются гранулиро вание и брикетирование с получением бездымного топлива. При этом необхо димо решить задачу поиска связующего вещества, которое бы не ухудшало теплотехнических характеристик получаемых продуктов.
Поиск эффективного связующего показал возможность использования обезвоженного избыточного активного ила городских очистных сооружений с одновременным решением важнейшей экологической проблемы. Однако по добные остатки содержат значительное количество патогенной микрофлоры, имеют специфический запах, и их прямое использование нежелательно.
Таким образом, актуальность данной работы заключается в исследова ниях, направленных как на разработку безопасной технологии утилизации от ходов угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, так и на полу чение из них полезных продуктов – топливных гранул, что приведет к сниже нию экологической нагрузки.
Целью работы является разработка безопасной технологии утилизации техногенных угольных образований для получения топливных гранул.
Идея работы заключается в разработке технологии получения топлив ных гранул из техногенных угольных образований, исключая пожаро- и взры воопасные стадии обращения с мелкодисперсными фракциями отходов.
Объект исследования:
– отходы добычи, обогащения и переработки угля и некондиционные продукты, в частности, угольный отсев, шлам, коксовая мелочь и пыль;
– обезвоженный избыточный активный ил.
Предмет исследования:
– факторы, обеспечивающие промышленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований;
– изменения свойств остатка анаэробной переработки и состава биогаза от влажности исходной смеси при сбраживании обезвоженного избыточного активного ила;
– влияние количества связующего вещества в составе формуемой смеси на эффективность процесса гранулирования;
– изменения прочности и теплоты сгорания получаемых топливных гра нул от соотношений вводимых наполнителя, связующего вещества и добавок.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
1. Найти наиболее эффективный метод безопасной утилизации пылевид ных отходов на основании сравнительного анализа существующих технологи ческих решений в области переработки техногенных угольных образований.
2. Обосновать безопасное применение остатка анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила биологических очистных сооруже ний в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.
3. Разработать способы повышения промышленной безопасности процес сов анаэробной переработки обезвоженного избыточного активного ила и по лучения топливных гранул.
4. Установить оптимальную рецептуру топливных гранул состава уголь/связующее, уголь/кокс/связующее.
5. Разработать принципиальную технологическую схему получения топ ливных гранул с реализацией разработанных решений повышения безопасно сти процессов.
Методы исследования В работе использованы: физико-химические методы анализа (хромато графический, дериватографический, калориметрический, рентгенофазовый) ис ходного сырья и полученных продуктов, а также методы гранулометрического и технического анализа твердых энергоносителей.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
1. В процессе переработки техногенных угольных образований образу ются факторы, оказывающие влияние на состояние промышленной безопасно сти: на стадии обеззараживания обезвоженного ила – пожаро- и взрывоопас ность образующегося газообразного энергоносителя, при обращении с мелко дисперсными угольными отходами – пыление.
2. Объем выделяемого биогаза и его теплота сгорания находятся в пря мопропорциональной зависимости от влажности сбраживаемой смеси в интер вале от 80 до 90 %;
влажность исходной смеси 87 % является оптимальной, при которой свойства остатка анаэробной переработки являются подходящими для использования его в качестве связующего вещества.
3. Повышение безопасности эксплуатации метантенков и материалов вблизи них достигается использованием: ИК-пленки – для обогрева метантенка;
негорючих материалов на основе гранулированного и термообработанного си ликата натрия – для теплоизоляции метантенка.
4. Метод окатывания в барабанном грануляторе позволяет получить прочные гранулы при добавлении связующего вещества в количестве 30 35 % мас. и способствует повышению промышленной безопасности при фор мовании мелкодисперсных отходов предприятий добычи и переработки угля.
Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена научно и методически обоснованной постановкой задач по обеспечению без опасности процессов получения топливных гранул;
использованием калори метра «БКС-2Х» с малой погрешностью для достаточно точного проведения экспериментов по определению теплоты сгорания топливных гранул;
хорошей воспроизводимостью экспериментов при идентичных начальных условиях;
ис пользованием статистических методов обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
1. Обосновано использование остатка анаэробной переработки обезво женного избыточного активного ила биологических очистных сооружений в качестве связующего вещества для получения топливных гранул.
2. Впервые установлено, что при увеличении влажности обезвоженного избыточного активного ила в процессе сбраживания с 80 до 90 % у получаемо го остатка после анаэробного сбраживания происходит увеличение липкости.
3. Установлено, что содержание остатка анаэробной переработки обез воженного избыточного активного ила в составе топливных гранул должно ва рьироваться в пределах 30-35 % мас.
4. Разработана технология получения топливных гранул путем перера ботки техногенных угольных образований и биологических очистных сооруже ний с реализацией разработанных решений повышения безопасности процес сов.
Практическое значение работы:
1. Впервые для получения топливных гранул из угля и кокса в качестве связующего вещества использован остаток анаэробной переработки обезвожен ного избыточного активного ила.
2. Определены соотношения компонентов, вводимых в состав топлив ных гранул, позволяющие достичь достаточной теплоты сгорания и прочности топливных гранул для реализации их потребителю.
3. Предложен способ и принципиальная технологическая схема получе ния топливных гранул на основе угольного отсева, шлама, пыли, коксовой ме лочи, пыли и связующего вещества, позволяющие снизить экологическую опасность, а также пожаро-, взрыво- и пылевзрывоопасность процесса.
Реализация разработанных положений позволит решить проблему утили зации накопленного обезвоженного избыточного активного ила, отходов и не кондиционных продуктов предприятий добычи и переработки угля. Получение топливных гранул позволяет снизить потребление традиционных природных ресурсов, что сопровождается положительным экономическим эффектом. Раз работанные решения существенно повысят безопасность технологических про цессов получения связующего вещества и формования топливных гранул.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуж дались на III Международной научно-практической конференции «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010 г.), ХIII Международной научно-практической конферен ции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010» (Ке мерово, 2010 г.), XI Всероссийской научно-практической конференции студен тов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010 г.), XIV Международной экологической студенческой конференции «Эко логия России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009 г.), X Всерос сийском студенческом научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.).
Практическая часть диссертационной работы является основой проекта, занявшего третье место в региональном конкурсе Администрации Кемеровской области «Меры по повышению конкурентоспособности экономики Кемеров ской области» в номинации «Энергосбережение и энергоэффективность» (2009 г.). Получен грант по программе «У.М.Н.И.К.-2010», проводимой в рам ках Кузбасской недели предпринимательства и бизнеса.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры химиче ской технологии твердого топлива и экологии КузГТУ в курсе «Основы про мышленной экологии».
Личный вклад автора заключается в анализе проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке результатов, формулировке выводов, подготовке к публикации докладов и статей.
Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получены 2 патен та № 2418038 «Состав для получения твердого формованного топлива» от 03.08.2009 г. и патент № 2424280 «Состав для получения формованного топли ва» от 26.01.2011 г.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка исполь зуемой литературы;
изложена на 135 страницах машинописного текста, вклю чая 29 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 114 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность д.х.н., проф.
Е.И. Кагакину, д.т.н. проф. В.И. Козлову и к.т.н., доц. В.Н. Допшаку, а также всем сотрудникам кафедры ХТТТиЭ КузГТУ за проявленное внимание и цен ные практические советы при выполнении настоящей работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и сведения об апробации работы.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса по обеспе чению безопасности утилизации отходов предприятий добычи и переработки угля – угольной пыли, отсева, шламов, коксовой пыли и мелочи, а также отхо дов биологических очистных сооружений – обезвоженного избыточного актив ного ила. Обозначены основные способы переработки таких отходов, отмечена их пожаро- и взрывоопасность, обусловленная обращением с мелкодисперсны ми частицами.
Значительный вклад в развитие теории и техники утилизации пылевид ных отходов, разработку методов получения формованного топлива внесли Х.А. Исхаков, А.Т. Елишевич, К.И. Сысков, В.Я. Царев, О.Н. Машенков, Г.С. Головин, В.А. Рубан, А.П. Фомин, С.Е. Калиниченко, А.С. Калиниченко, В.Н. Крохин и др.
Отмечено, что наиболее эффективным методом утилизации техногенных угольных образований является получение топливных гранул с использованием в качестве связующего вещества остатка анаэробного сбраживания обезвожен ного избыточного активного ила. Это способствует решению важной экологи ческой проблемы. Обсуждаются вопросы промышленной безопасности техно логических решений при эксплуатации опасных промышленных объектов.
Во второй главе проведен анализ факторов, обеспечивающих промыш ленную безопасность разработанной технологии переработки техногенных угольных образований (рис. 1). Основные из них:
1. Факторы, определяющие экологическую безопасность. Обезвоженный избыточный активный ил представляет химическую и биологическую опас ность. Применение его в исходном виде в качестве связующего сделает опас Некондиционные продукты Отходы биологических ным обращение с полу Угольные чаемыми топливными отходы производства кокса очистных сооружений Обезвоженный избыточный гранулами.
Коксовая Угольный шлам, Для исключения активный ил мелочь, пыль отсев вредного воздействия предложен метод анаэ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ робного сбраживания Химическая и биологическая Выделение газообразного обезвоженного избы Мелкодисперсный, опасность обезвоженного энергоносителя при пылевидный размер частиц избыточного активного ила анаэробном сбраживании ила перерабатываемых отходов точного активного ила, позволяющий обеззара 2. Пожаро- и 3. Опасности процесса 1. Экологическая зить его и подготовить к взрывоопасность получения топливных гранул опасность дальнейшему использо ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Рис. 1. Факторы, обеспечивающие безопасность технологии ванию. Это повышает переработки техногенных угольных образований экологичность техноло гии в части обращения обслуживающего персонала с веществами вредными для здоровья, позволит устранить характерный запах ила, улучшит условия труда и экологическую обстановку на предприятии и в близлежащих районах.
2. Факторы, определяющие пожаро- и взрывобезопасность технологиче ских решений. Основные причины аварийных или внештатных ситуаций:
1. При использовании анаэробной переработки для обеззараживания обезвоженного избыточного активного ила происходит выделение газообразно го энергоносителя – биогаза с повышенным содержанием метана (до 80 % об.).
Для повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса сбраживания необхо дима модернизация системы обогрева метантенка, применение негорючих ма териалов как для теплоизоляции метантенка, так и для его обогрева. Предпо сылки возникновения опасных ситуаций: утечка биогаза в окружающую среду, вскрытие биореактора для разгрузки без дегазации остаточного биогаза и т.п.
В главе 2 обозначены основные требования, предъявляемые к обслужи вающему персоналу и к работам, выполняемым при сооружении и эксплуата ции метантенков и помещений, прилегающих к ним.
2. Система подогрева реактора для достижения оптимального темпера турного режима сбраживания. Потенциальная опасность заключается в слож ной системе газо- и водопроводов при эксплуатации котельных установок.
Подогрев метантенков – неотъемлемая часть процессов анаэробной пере работки органических веществ, особенно важен для условий Сибири, где зна чительный период года температура ниже 0°С, причем кратковременное нару шение температурного режима, приводит к торможению процесса.
При размещении крупных биогазовых установок на открытом воздухе теплопотери достигают значительных величин. Рассмотрены варианты их сни жения путем использования негорючих теплоизоляционных материалов с низ кой теплопроводностью и высокими механическими свойствами;
интенсифика ция подачи теплоносителя (горячая вода, пар) для обогрева метантенков.
При анализе системы подогрева метантенков в качестве потенциальных техногенных рисков выделены:
1. Процессы сжигания энергоносителей в котельных установках для нагрева воды или получения пара, используемых для обогрева реакторов.
2. Система газо- или водопроводов, оборудованных различного рода воз духо- и газодувками, насосами и т.п.
3. Требования к пожаро- и взрывобезопасности аппаратов и материалов, находящихся в непосредственной близости от них, а также к теплоизоляции для утепления метантенка.
4. Выбросы дымовых газов в атмосферу. В зависимости от применяемого котельного топлива и условий сжигания, состав и количество выбрасываемых вредных веществ значительно варьируется.
Для минимизации техногенных рисков, обозначенных выше, и устране ния причин их появления разработаны следующие технические решения:
1. Обогрев метантенка с помощью источников инфракрасного излучения.
В качестве обогревательного элемента применена негорючая термопленка состава: карбоновая паста, серебряная паста, медь, полиэстеровая пленка (t на поверхности термопленки до 60оС, tплавл. 265С). При этом упрощается эксплуа тация установки, повышается контроль за измерением температуры. Для сни жения термопотерь в окружающую среду необходимо использование теплоизо ляционных материалов, основное требование к которым – пожаробезопасность.
2. Дешевая, качественная и негорючая теплоизоляция на основе гранули рованного пористого силикатного наполнителя. Применяли легкие пористые гранулы стеклопора, полученные на основе термообработанного и гранулиро ванного силиката натрия. Данный материал разработан при участии Лаборато рии очистки воды, процессов и аппаратов переработки отходов КузГТУ.
Главным достоинством применяемого стеклопора является негорючесть и устойчивость к высоким температурам (до 700-750С). Насыпная плотность за висит от состава исходной смеси компонентов и варьируется от 70 до 100 кг/м3.
Теплопроводность – 0,05-0,07 Вт/(м·К).
3. Безопасность процесса формования топливных гранул. Выделено две группы причин возникновения внештатных ситуаций:
1. Перерабатываемые техногенные отходы и некондиционные продукты (угольная пыль, шлам, коксовая пыль), используемые в качестве наполнителя для топливных гранул, характеризуются пылевидным размером частиц. Это возможная причина создания взрывоопасной ситуации. С учетом этого для формования топливных гранул выбран метод окатывания в барабанном грану ляторе, позволяющий формовать влажные смеси.
2. Наличие движущихся под высоким давлением механизмов при эксплу атации установок прессования гранул, высокие уровни вибрации и шума.
Исходя из вышеизложенного, выбрано окатывание как способ получения топливных гранул из отходов предприятий добычи и переработки угля и биоло гических очистных сооружений. Для этого использован барабанный гранулятор как более простой в обслуживании и эксплуатации аппарат.
Реализация рассмотренных выше решений скажется на повышении эко логической, пожаро-, взрывобезопасности технологического процесса.
В третьей главе представлен план экспериментов, характеристики объ ектов исследования;
описаны разработанные установки и методики для прове дения исследований по анаэробному сбраживанию обезвоженного избыточного активного ила, получению формованного топлива и его сжиганию;
приведены методики анализа твердой, жидкой и газообразных фаз, исследования скорости сушки сброженного остатка и получаемых гранул.
Исходя из поставленной задачи, объектами исследования являлись:
1. Обезвоженный избыточный активный ил станции аэрации г. Кемерово, представляющий собой густую однородную массу черного цвета (кек) со спе цифическим запахом.
2. Типичные твердые горючие углеродсодержащие отходы и некондици онные продукты, образующиеся на предприятиях Кемеровской области:
- угольные отходы и некондиционное сырье Использовали партии угольного отсева нескольких котельных г. Кемерово.
Угольный шлам отбирали с площадок обезвоживания шахты «Первомайская».
- коксовая мелочь и пыль Использовали несколько партий коксовой мелочи и коксовой пыли Кеме ровского ОАО «Кокс». Отбор производили: коксовую мелочь – с площадки обезвоживания рядом с башней мокрого тушения кокса;
коксовую пыль – из циклонов улавливания пыли установки сухого тушения кокса.
3. Модифицирующие добавки – мелкоизмельченная бумажная масса – для повышения потребительских свойств топливных гранул (прочность на сжа тие и истираемость).
4. Опудривающие добавки – мелкодисперсная угольная и коксовая пыль.
Использовали для регулирования влажности окатышей, управления размером получаемых гранул. Вводили в смесь в процессе гранулирования.
Основные характеристики применяемых наполнителей показаны в табл. 1.
Таблица Характеристика наполнителей топливных гранул Определяемый параметр Угольный Угольный Коксовая Коксовая шлам отсев мелочь пыль a Влажность (W ), % 1,6 5,3 0,8 0, d Зольность (A ), % 37,7 15,9 13,9 24, Фракционный состав, %:
+1 мм 11,9 73,4 68,3 0, 1-0,7 мм 5,8 14,4 10,6 2, 0,7-0,5 мм 6,6 4,3 8,5 7, – 0,5 мм 75,7 7,9 12,6 89, Высшая теплота сгорания 22,46 24,0 27,3 27, (Qвd), МДж/кг Анаэробная переработка обезвоженного избыточного активного ила На протекание процесса сбраживания важное влияние оказывает влаж ность исходного перерабатываемого сырья. Для определения оптимального со отношения исходный птичий обезвоженный ил/вода проводили исследования в лабораторных условиях: исходную смесь различной влажности, подвергаемую сбраживанию, загружали в 6 метантенков (V=1,5 дм), проводили процесс сбраживания, после чего выгружали сброженный остаток и анализировали его.
В метантенке поддерживали оптимальную температуру смеси 37С. Ис следовали процесс переработки смеси следующих влажностей: 81,5;
82,5;
84,5;
86,5;
89,0;
92,0 %. При этом граничными значениями выбраны:
- значение 81,5 % соответствует 1 влажности исходного кека;
- значение 92 % соответствует влажности смеси, не расслаивающейся 2 на жидкую и твердую фазы при дли тельном отстаивании.
Смесь перемешивали. Влажность 5 смеси, при которой получали остаток с наиболее подходящими связующими свойствами, использовали при прове Рис. 2. Внешний вид опытной установки для дении дальнейших экспериментов на получения связующего вещества анаэробным сбраживанием обезвоженного избыточного опытной установке (рис. 2).
Для этого исходный обезвожен активного ила: 1 – метантенк;
2 – газовый счетчик;
3 – теплоизоляция;
4 – термопленка;
ный избыточный активный ил загру жали в метантенк в количестве 7-8 кг с 5 – газовая горелка Бунзена добавлением 4-6 кг воды для достижения влажности, установленной по резуль татам лабораторных исследований.
Смесь перемешивали, метантенк герметично закрывали, анализировали состав выделяющегося газа. По истечении периода сбраживания метантенк от крывали, полученный остаток использовали в качестве связующего вещества.
Для изучения связующих свойств сброженного кека определяли его от носительную липкость – силу сопротивления отрыву прилипшего сброженного кека от металлической пластины. Анализируемую смесь помещали в емкость и устанавливали под металлической пластиной левой чаши весов площадью 90 мм2, которую затем опускали в смесь. Выдерживали в таком положении под действием груза 100 г в течение 20 с, после чего груз снимали. Отрыв образца от смеси достигался равномерной загрузкой противоположной чаши весов.
Определяли массу груза на правой чаше, при которой происходил отрыв пла стины от смеси. В качестве вещества сравнения использовали воду.
В четвертой главе приведен анализ и обсуждение результатов экспери ментальных данных.
Анализ сброженного остатка Исследовали свойства полученного остатка в зависимости от влажности исходной перерабатываемой смеси (табл. 2). Определяющими показателями яв лялись:
– высшая теплота сгорания (рис. 3);
– относительная липкость;
– зольность по ГОСТ 11022-95, метод ускоренного озоления.
Таблица Характеристики остатка, полученного в результате сбраживания исходной смеси различной влажности Смесь Смесь Смесь Смесь Смесь Смесь Параметры и свойства 1 2 3 4 5 рН водной вытяжки 8,61 8,69 8,52 8,71 8,62 8, Влажность(W), % 81,92 84,46 85,89 88,24 90,70 92, Относительная лип 9,82 11,13 10,02 6,92 3,26 1, кость (Lо) Зольность (Аd), % 33,47 33,13 33,43 34,01 34,55 33, d Qs, МДж/кг 17,19 16,83 16,67 16,33 14,81 14, Топл. экв-т (т у.т.) 0,59 0,57 0,57 0,56 0,51 0, Зависимость влажность=f(время сушки), представлена на рис. 4. В каче стве исходного сырья для анализа ис пользовали остаток от сбраживания смеси 4 (см. табл. 2). Эксперимент про водили в сушильном шкафу с принуди тельной вентиляцией при температуре 105±5°С, пока масса пробы не останется постоянной. Изменение кривой скоро сти сушки показано на рис. 5, обозначе Рис. 3. Изменение Qsd остатка сбражива- ны участки, характерные для процесса ния смеси кек/вода различной влажности сушки: AB – прогревание осадка, BC – максимальная скорость испарения, CD – постоянная скорость испарения, DE – испарение влаги с ненасыщенной поверхности удаление сорбционной влаги.
1,6 СС dW/dt DD 1, 1, 1, 0, 0, 0,4 BB AA 0,2 EE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 W, % Рис. 5. Кривая скорости сушки сброжен Рис 4. Зависимость изменения влажности ного остатка избыточного активного ила сброженного остатка избыточного актив ного ила от времени сушки при t=105C Анализируя полученные данные, установлено, что сброженный остаток плохо отдает влагу и для его сушки необходимо не менее трех часов в услови ях, аналогичных экспериментальным. Отмечено, что в больших масштабах возможна сушки гранул на основе сброженного остатка в сушилках конвейер ного типа или в промышленных сушильных шкафах.
Полученные данные о процессе сушки сброженного остатка смеси 4 со гласуются с исследованиями исходного избыточного активного ила, представ ленными в литературных источниках. Это позволяет сделать вывод о возмож ности использования остатка в качестве связующего вещества, поскольку хло пья остатка обладают значительной влагоемкостью и плохо отдают воду.
Анализ выделяющегося биогаза Анализы биогаза, образующегося при сбраживании, представлены в табл. 2, 3. Кроме того, определяли изменения его состава и характеристик в за висимости от влажности исходного сырья (табл. 3). Типичный вид хромато грамм биогаза представлен на рис. 6.
Изучена динамика изменения состава биогаза при сбраживании смесей различной влажности (графическая зависимость показана на рис. 7).
СН мВ СО мВ 45 40 35 30 25 СO 20 O2+N 15 10 0 00.00.00 00.00.40 00.01.20 00.02.00 00.02.40 00.03. 00.00.00 00.00.40 00.01.20 00.02.00 00.02.40 00.03.20 00.04. время, с время, с б а Рис. 6. Типичная хроматограмма биогаза: а – начало процесса сбраживания: O2+N2 – 2,08 %, CO2 – 97,91 %;
б – окончание процесса сбраживания: CH4 – 76,63 %, CO2 – 23,37 % Изучено изменение содержания CH4 в составе биогаза в зависимости от времени сбраживания и влажности смеси. Для упрощения анализа полученных зависимостей представлены графики только для трех влажностей (рис. 8).
Определена теплота сгорания выделяющегося биогаза, характерного для различной стадии процесса (табл. 4).
Таблица Характеристика биогаза, выделившегося при сбраживании исходной смеси различной влажности (средние значения) Смесь Смесь Смесь Смесь Смесь Смесь Параметры и свойства 1 2 3 4 5 Wфактическая(смеси), % 81,8 82,5 84,3 87,2 89,2 91, Wрасчетная(смеси), % 81,5 82,5 84,5 86,5 89,5 91, V(биогаза)суммар.за 27 сут., дм 4,3 6,6 7,4 8,8 8,8 9, Cmax (CH4) в составе биогаза 65,1 84,0 84,6 89,6 92,1 91, за весь период, % об.
Vсуммарн.(CH4), дм3 2,4 4,4 5,6 6,6 6,4 7, В результате исследований процесса сбраживания ила установлено:
– для получения большого количества биогаза с высоким содержанием метана (более 85 %) наиболее подходящими являются смеси 4, 5 и 6;
– динамики выделения биогаза, изменение его состава для смесей схожи.
На основании полученных данных в качестве исходной влажности избы точного активного ила, подвергаемого сбраживанию, выбрана влажность 87 % (смесь 4).
Рис. 7. Динамика изменения состава биогаза Рис. 8. Динамика изменения содержания ме при сбраживании смеси 4: тана в составе биогаза в течение процесса CH4;
сбраживания в зависимости от влажности CO2;
O2+N2.
исходной смеси, %: 81,82;
82,46;
91,73.
Это обосновано полученной динамикой выделения биогаза с достаточ ным количеством метана в его составе и показателями сброженного остатка, для использования его в качестве связующего вещества.
Самовоспламенение проб остатка, высушенного до постоянной массы и помещенного в муфельную печь, происходило в интервале температур 400 450С, что является хорошим показателем и подтверждает возможность ис пользования сброженного остатка как компонента топлива.
Таким образом, для получения связующего вещества выбраны следую щие условия сбраживания: температура – 37С;
влажность смеси – 87 %;
при исходной влажности обезвоженного избыточного активного ила W=81,82 % со отношение кек/вода должно составлять 67,3/32,7;
время сбраживания – 18 сут.
Таблица Теплота сгорания биогаза различного состава Наименование смеси Параметры поверочная биогаз 1 биогаз 2 биогаз газовая смесь (3-ий день) (12-ый день) (21-ый день) Состав смеси, % об.
CH4 72,0 40,4 91,4 86, CO2 28,0 22,2 6,1 11, Прочее – 37,4 2,4 2, Высшая теплота сго 25,8 14,5 32,8 30, рания (Qsd), МДж/м Эквивалент в т 0,88 0,49 1,12 1, условного топлива В этих условиях далее получали связующее для топливных гранул.
Получение топливных гранул и изучение их свойств Получение гранул состояло из следующих операций:
1. Приготовление исходной смеси (шихты) с заданными соотношениями наполнитель/связующее/модифицирующие добавки для повышения потреби тельских свойств.
2. Формование смеси окатыванием в созданном лабораторном барабан ном грануляторе.
Лабораторный гранулятор представляет собой пластиковую емкость d=40 см с завинчивающейся крышкой (на рис. 9 не показана). Поворот барабана осуществлялся за счет вращения вала двигателем. Оптимальные время и скорость вращения бара бана определяли эксперимен тально и принимали постоянны ми для всех дальнейших опытов.
3. Сушку гранул проводили в естественных условиях и при температуре 105±5С в сушиль Рис. 9. Внешний вид лабораторного гранулятора: ном шкафу.
Изучение процесса горения 1 – барабан;
2 – мотор и валковый механизм вра полученных топливных гранул щения барабана производили в лабораторных условиях в муфельной печи, а также на опытной установке (рис. 11), представляющей собой твердотопливный водогрейный ко тел, соединенный замкнутым контуром с отопительным элементом (водяной калорифер).
Изучено два типа смесей для получения топливных гранул с добавлением опудривающих веществ:
1. Угольные отходы и некондиционные продукты/связующее.
2. Угольные отходы и некондиционные продукты/связующее с добавле нием коксовой мелочи и/или пыли.
Для каждой смеси подобран состав и определены свойства. По результа там изучения рецептур гранул получено положительное решение о выдаче па тента РФ на изобретение.
Однородность и диаметр получаемых гранул зависели от влажности и со става гранулируемой смеси. Получаемые гранулы представлены на рис. 10.
Для изучения изменений свойств топливных гранул, при варьировании их рецептур, были получены гранулы различного состава. При проведении экспе риментов в первую очередь обращали внимание на ход процесса окатывания и возможность реализации его в промышленных условиях. Гранулы после фор мования подвергали сушке и анализировали. Определяли прочность гранул на истирание, как основной параметр, показывающий возможность их дальнейше го использования.
а б в Рис. 10. Внешний вид получаемых гранул: а – смесь состава угольный отсев/связующее – 50/50;
б – смесь состава угольный шлам/связующее – 60/40;
в – смесь состава угольный шлам/связующее – 60/40, модифицирующая добавка – 1 % от массы смеси Выбор данного параметра обоснован необходимостью:
– транспортирования гранул из сушильного аппарата к месту погрузки;
– перевозки в таре, при этом гранулы не должны истираться при трении друг о друга и разрушаться от давления верхнего слоя загрузки;
– загрузки гранул в котел и создании слоя необходимой высоты.
Установлено, что наиболее эффективным является содержание связую щего вещества равное 32-35 % мас. Полученные топливные гранулы характери зовались следующими свойствами: Qsd=20-22 МДж/кг, прочность на истирание 75-80 % (остаток на сите 5 мм), Ad=25-35 %.
Для повышения теплоты сгорания и температуры горения топлива в смесь вводили коксовый наполнитель (до 10-25 %), что позволило снизить необходимость в угольном наполнителе при сохранении прежней теплоты сго рания гранулы.
Для изучения влияния модифицирующих добавок на свойства гранул и ход процесса окатывания в состав смеси вводили измельченную бумажную массу (табл. 5).
Смесь 1 выбрана в качестве исходной, поскольку содержит достаточно связующего вещества для получения прочных гранул, но при этом избыточную влажность. Увеличение добавляемой бумажной массы до 1,26 % (смесь 2) и 2 % (смесь 3) снижает влажность окатываемой смеси и положительно влияет на ход процесса окатывания.
Отмечено, что достаточно добавки 2 % измельченной бумажной массы в смесь 7 (см. табл. 5.) для получения гранул, не деформирующихся при столкно вении друг с другом и не налипающих на внутреннюю поверхность гранулято ра. Дальнейшее введение добавок (смесь 4 и 5, см. табл. 5) приводит к умень шению фракционного состава получаемых гранул, что недопустимо для их дальнейшего использования.
Таблица Рецептуры топливных гранул с модифицирующими добавками Обозначение смеси Компоненты, входящие в состав получаемого топлива, % мас. 1 2 3 4 Угольный отсев 16,7 16,5 16,4 16,3 16, Угольный шлам 44,4 43,9 43,5 43,3 43, Сброженный остаток 38,9 38,4 38,1 38,0 37, Измельченная бумажная масса – 1,2 2,0 2,4 2, Для гранул с модифицирующими добавками (см. табл. 5) изучены основ ные свойства (табл. 6).
Таблица Характеристики топливных гранул Компонент Смесь 1 Смесь 2 Смесь 3 Смесь 4 Смесь d Зольность (A ), % 21 23 26 31 Истираемость, % 46,3 50,9 72,2 67,9 63, Высшая теплота сго 21,9 22,0 22,0 21,8 21, рания (Qsd), МДж/кг Прочность и свойства смеси подходит для реализации в опытных условиях и их дальнейшего использо- 6 вания. Получение связующего вещества было реализовано на опытной установ ке (см. рис. 2) с применением мер по вышения безопасности процесса, опи- 3 санных во 2-ой главе.
Исследования по сжиганию гра нул на опытной установке (рис. 11) по казали, что наличие добавок в составе топливных гранул не создает препят ствий для их возгорания.
Размер получаемых гранул не позволял им просыпаться через колос никовые решетки котла. Самовозгора- Рис. 11. Общий вид опытной установки по ние гранул в котле наблюдалось в диа- сжиганию топливных гранул: 1 – твердотоп ливный водогрейный котел;
2 – дымовая тру пазоне температур 400-450С. ба;
3 – отопительный элемент;
4 – расшири При сжигании отмечено отсут- тельный бачок;
5 – трубы замкнутого водо ствие посторонних запахов, упрощение проводного контура;
6 – запорные вентили;
облуживания процесса горения в печи, 7 – фундамент из негорючего материала благодаря равномерному фракционно му составу топлива. Поскольку гранула состоит из мелкодисперсных частиц наполнителя, это способствует большей проницаемости ее для воздуха по срав нению с плотным куском угля, что также повышает эффективность процесса сжигания.
Таким образом, в результате экспериментов исследованы технологиче ские стадии процесса получения топливных гранул из твердых органических отходов предприятий добычи и переработки угля. Определены оптимальные рецептуры гранул и их свойства.
Биогаз m-109,08 кг, Пятая глава содержит ин V-119,36 м?
Обезвоженный формацию для практического при избыточный активный ил Вода Анаэробное 1000 кг, влажность 81,82%: 515 кг менения результатов выполненных сбраживание сухое вещество - 181,8 кг, вода - 818,2 кг исследований. Первая часть посвя Сброженный остаток щена разработке принципиальной 1405,92 кг влажность 88%:
сухое вещество - 72,72 кг;
технологической схемы опытно вода - 1333,2 кг.
промышленной установки получе Угольный шлам Добавки ния топливных гранул с примене Смешение и 676,77 кг: m=21,03 кг:
cухое вещество - 592,17 кг, cухое вещество - 20,27 кг, гранулирование вода - 84,60 кг вода - 0,76 кг нием мер для повышения пожаро- и взрывобезопасности процесса.
Сырые топливные гранулы Проведены расчеты основ 2103,73 кг:
сухое вещество - 685,17 кг;
ных потоков материального ба вода - 1418,56 кг.
ланса (рис. 12;
расчет представлен Пары воды для переработки 1000 кг исходно Сушка 1382,5 кг го сырья). Подобрано основное оборудование для агрегата мощно Сухие топливные гранулы стью 329 т/год топливных гранул.
721,22 кг:
сухое вещество - 1390 кг;
Во второй части главы про вода - 36,06 кг.
Рис. 12. Блок-схема технологии получения топ- веден технико-экономический ливных гранул анализ разработанной технологии.
Установлено, что при такой мощности себестоимость производства 1 т топ ливных гранул на опытно-промышленной установке переработки 5000 т/год обезвоженного избыточного активного ила и получения 2632 т/год гранул со ставляет 2375 руб. Если провести масштабирование до мощности промышлен ной установки, то себестоимость продукции уменьшится на 75 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе содержится решение актуальной технологиче ской задачи обеспечения безопасности при создании технологии получения топливных гранул из отходов предприятий добычи и переработки угля и биологических очистных сооружений. Разработаны решения, повышающие промышленную безопасность получения топливных гранул и имеющие важное значение для экономики страны.
Основные научные результаты, выводы заключаются в следующем:
1. В разработанной технологии применены способы снижения пожаро- и взрывоопасности стадий обращения с мелкодисперсными частицами техноген ных угольных образований.
2. Экспериментально доказана возможность использования в качестве свя зующего вещества остатка анаэробного сбраживания избыточного активного ила городских станций аэрации. Установлены закономерности влияния влажно сти исходного обезвоженного избыточного активного ила, подвергаемого сбраживанию, на свойства получаемого сброженного остатка. Эксперименталь но определена оптимальная влажность исходного сырья (87 %) для получения связующего вещества.
3. Для повышения пожаро- и взрывобезопасности метантенков и материа лов вблизи них предложено реализовать обогрев метантенка термопленкой, а его теплоизоляцию выполнить из негорючих материалов на основе термообра ботанного и гранулированного силиката натрия.
4. Впервые установлены физико-механические характеристики топливных гранул, исследованы зависимости гранулометрического состава, прочностных и потребительских свойств получаемого топлива от различных соотношений вво димого угля, кокса, связующего и модифицирующих добавок.
5. Впервые разработана безопасная технология получения топливных гра нул путем утилизации отходов предприятий добычи и переработки угля и от ходов биологических очистных сооружений, включающая процессы анаэробно го сбраживания обезвоженного избыточного активного ила и формования топ ливных гранул методом окатывания.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Ушаков А.Г. Получение твердого топлива из отходов. Проблемы и способы реализации // Альтернативная энергетика и экология. – 2011. – №7. – С. 106-114.
2. Ушаков А.Г. К вопросу совместной переработки избыточного актив ного ила и твердых углеродсодержащих отходов / А.Г. Ушаков, Б.Г. Трясунов, Г.В. Ушаков // Ползуновский вестник. – 2010. – № 3. – С. 266-270.
3. Ушаков А.Г. Утилизация обезвоженного избыточного активного ила с получением топливных гранул // Вест. Кузбасс. гос. технич. ун-та. – 2010. – № 5. С. 110-112.
4. Брюханова Е.С. Проблемы утилизации мягких отходов древесины и отходов животноводства / Е.С. Брюханова, Г.В. Ушаков, А.Г. Ушаков // Аль тернативная энергетика и экология. – 2010. – № 5. – С. 71-82.
Патенты:
5. Пат. 2418038 Российская Федерация, МПК C 10 L 5/42. Состав для по лучения твердого формованного топлива / Брюханова Е.С., Ушаков Г.В., Басо ва Г.Г., Ушаков А.Г., Елистратов А.В., Елистратова О.В.;
заявитель и патенто обладатель КузГТУ. – № 2009129713/05;
заявл. 03.08.09;
опубл.: 10.05.11.
6. Пат. 2424280 Российская Федерация, МПК C 10 L 5/42, C 10 L 5/44. Со став для получения формованного топлива / Брюханова Е.С., Ушаков Г.В., Ба сова Г.Г., Ушаков А.Г., Елистратов А.В., Елистратова О.В.;
заявитель и патен тообладатель КузГТУ. – № 2009140266/05;
заявл. 30.10.09;
опубл.: 20.07.11.
В других изданиях:
7. Ушаков А.Г. Утилизация шламов угледобывающих и углеперерабаты вающих предприятий Кузбасса / А.Г. Ушаков, Р.С. Золкин, А.В. Балахнин // Материалы XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий». – Новосибирск. – 2009. – С. 163-164.
8. Ушаков А.Г. Влияние опудривающих добавок на получение и свой ства топливных гранул состава угольный шлам-органическое связущее // Мате риалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспи рантов «Химия и химическая технология в XXI веке». – Томск. – 2010. – Т. 2. – С. 207-209.
9. Брюханова Е.С. Получение твердого топлива из отходов / Е.С. Брюха нова, А.Г. Ушаков // Материалы ХIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2010». – Кемерово. – 2010. – Т. 1.– С. 126-128.
10. Ушаков А.Г. Управление техногенными рисками при разработке процессов комплексной переработки органических отходов / А.Г. Ушаков, Е.С. Брюханова, Г.В. Ушаков // Сборник докладов 3-ей Международной науч но-практической конференции «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе». – Новокузнецк. – 2010. – С. 167-172.