УДК 622.7

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЗБАГАЧЕННЯ СОЛОНОГО ВУГІЛЛЯ

КХЕЛУФІ Абделькрім

Загальна характеристика роботи

           Актуальність теми. Якість гірничої маси, що видобувається, постійно погіршується. Це диктує необхідність розширення обсягів вуглезбагачення, освоєння передових технологій, зокрема, таких, які забезпечують раціональне використання нових сировинних та паливно-енергетичних ресурсів. У вуглезбагаченні однією з гострих є проблема переробки і використання солоного вугілля, специфічною особливістю якого є аномально підвищений вміст лужних металів, головним чином, натрію.

           Спроби переробки цього вугілля за традиційними технологіями в багатьох країнах не досягли успіху і їх видобуток було припинено. Основна причина – серйозні технологічні труднощі, викликані шлакуванням та корозією робочої поверхні котлоагрегатів легкоплавкими сполуками Na і Cl, а також активне забруднення довкілля продуктами спалювання.

           Враховуючи несприятливі властивості цього вугілля, а також наявність їх запасів в межах від 3 до 10% всіх розвіданих в ряді країн світу (США, Україна, Англія, ФРН і т.д.), вирішення проблеми переробки солоного вугілля є актуальною народно-господарською задачею.

           Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота - складова частина науково-дослідної роботи “Розробка наукових основ технології збагачення солоного вугілля”, яка виконується згідно плану Міносвіти України (Г-1-96, реєстраційний номер 0196U006734).

           Мета та задачi дослiджень:

           Мета роботи - встановлення основних закономірностей процесу обезсолювання вугілля, дослідження, розробка та випробовування нової промислової технології збагачення солоного вунілля водною промивкою, яка забезпечує підвищення ефективності процесів обезсолювання, обезводнювання вугілля та радикальне спрощення операції обезводнення.

           Для доcягнення поставленної мети нами визначені такі задачi дослiджень:

В галузі теоретичних досліджень: - розробити феноменологічні моделі процесів обезсолювання вугілля водною промивкою в поєднанні з процесом масляної агломерації;

В галузі експериментальних досліджень: - дослідити основні фактори, які визначають результат солевидалення з одночасною масляною агломерацією вугілля, визначивши раціональну послідовність операцій та режимні параметри процесів;

           Ідея роботи: суміщення технології обезсолення водною промивкою та масляної агломерації вугілля.

           Наукові положення, що взахищаються у дисертацiї:

           Наукова новизна отриманих результатiв:

           Практичне значення досягнутих результатiв - Розроблені раціональні варіанти суміщеної технології “промивка - масляна агломерація” та “гідротранспорт - масляна агломерація”. Розрахунковий eкономiчний eфект вiд впровадження запропонованої технології обезсолення вугiлля на протязi 10 рокiв, затверджений ГХК “Донбасантрацит” складає для варiанта “промивка - агломерацiя” – 8,429 млн. дол.; для варiанта “гiдротранспорт – промивка - агломерацiя” – 5,089 мил. дол.

           В першому розділі розглянуто стан питання та сформульовано задачі досліджень. Аналіз сучасних технічних рішень переробки та використання солоного вугілля (роботи Г.Леммана, А.Лісснера, А.Хаушильд, Н.J. Cluskoter, R.C Neavel, S.J. Burnley, H.S. Muraliahuva, F. Ramade, C.Д. Пожидаєва, В.В. Симонової, Т.Г. Шендрик, А.А. Крутя, Ю.Г Світлого, Л.Я. Афанасенко, В.С.Білецького та ін.) показали, що роботи ведуться за двома принципово різними напрямками. Перший передбачає розробку нових способів прямого використання солоного вугілля без видалення домішок, які містять солі лужних металів, зокрема, елементи натрій та хлор. Другий включає попереднє обезсолення з наступним використанням кондиційного продукту в котлоагрегатах. Враховуючи екологічний аспект, який останнім часом відіграє все більше значення, перевагу доцільно надавати другому напрямку.

           Дослідження, виконані Державним інститутом мінеральних ресурсів (ДІМР) України та НВО “Гаймек”, показали, що технічні рішення по обезсоленню вугілля дозволяють видалити з органічної речовини 80-90 % солей і забезпечити концентрацію оксиду натрію на рівні СNa2O = 0,4 %, що за даними ВТИ прийнятно для вугілля, яке спалюють та ТЕС. Причому, процес обезсолення хорошо поєднується з обеззоленням та гідравлічним транспортуванням. Встановлено, що найбільш гострими при обезсоленні є проблема ресурсів прісної води, обезводнення тонких вугільних класів і вторинного соленакопичення в органічній фазі при гідротранспорті вугілля. Дослідженнями ДІМР показано, що для обезсолення може бути використана технічна вода с наступною дистиляцією в замкнутому циклі.

           Для вирішення питання високоефективного обезводнення тонких вугільних класів ДонДТУ розроблено ряд нових технічних рішень на основі масляної агломерації. Але застосування цього процесу для солоного вугілля практично не досліджено.

           Для усунення вторинного соленакопичення на вугіллі при його обезсолюванні в умовах гідравлічного транспортування Ю.Г.Світлим запропонована повна або часткова заміна водної фази суспензії. Однак, це пов’язано з додатковим використанням водних ресурсів, які обмежені й дефіцитні.

           Аналіз стану розробок та досліджень в галузі освоєння й переробки солоного вугілля, виконаний за роботами провідних в цій області фахівців - С.Д. Пожидаєва, В.В. Симонової, Т.Г. Шендрик, Р.Мартенсона, Н.Кейо, Щ.Дзюньє, А.А. Крутя, F. Smit, S. Burnley та ін. показав відсутність цілісної теоретичної інтерпретації процесу обезсолення. Дослідженнями ІНФОВ НАН України запропоновано розглядати процес обезсолення як послідовність субпроцесів “контакт з водною фазою - розчинення - перехід солей у об’ємну фазу суспензії”. С.Д. Пожидаєвим, В.В. Симоновою, Р.Мартенсон, Т.Г.Шендрик висунуті різні гіпотези по генезису засолення та будові солоного вугілля. Однак, чіткі теоретичні уявлення про процес його обезсолення у водному середовищі, про окремі етапи цього процесу відсутні. Не вивчено механізм та кінетика солевидалення при ліофільно-ліофобній мозаїчності вугільної поверхні, особливості масляної агломерації солоного вугілля, не досліджено суміщений процес “обезсолення-агломерація”, не встановлені його раціональні режимні параметри.

           На основі проведеного огляду та аналізу нами визначені напрямки та задачі досліджень.

           В другому розділі викладені теоретичні уявлення про процес обезсолювання вугілля водною промивкою. Виділені основні етапи процесу, суть яких представлена в розробленій феноменологічній моделі. Згідно з цією моделлю процес обезсолювання вугілля водною промивкою являє собою сукупність послідовно протікаючих елементарних актів (субпроцесів), визначальними з яких є: елементарний акт контакту вугілля з водною фазою, розчинення солей, перехід сольових компонентів в об’ємну фазу суспензії та їх часткова адсорбція, масляна агломерація вугілля і механічне обезводнення. Виконано теоретичний аналіз кожного з цих субпроцесів, котрий базується на фундаментальних уявленнях про структуру та будову вугілля, сучасній теорії адгезії, масообмінних процесів і масляної агломерації, розвинутих в працях В.І. Саранчука, В.Г. Левіча, С.Д. Зімона, Н.А. Каражанова, Г.А. Аксельруда, В.М. Лисянського, В.С. Білецького та ін. Контакт вугілля з водною фазою характеризується високою активністю гідратації як зовнішньої так і внутрішньої поверхні вугільної речовини. Закономірності процесів розчинення солей та переходу сольових компонентів в об’ємну фазу суспензії розглянуті з позиції об’єднаної конвективно-дифузійної кінетичної теорії розчинення, яка інтегрально враховує явища в міжфазній зоні та дифузійні процеси.

           Виходячи з цієї теорії структура граничного шару розчинення включає три основні зони: -поверхневої гідратації, -об’ємної гідратації і -локально насиченого розчину. Визначено, що кінетику процесу солевидалення в цілому визначає швидкість виділення солей із зони .

           Доведено, що ефективне екстрагування солей можливе тільки з макропор і тріщин вугільної речовини. Для залучення в процес розчинення сольових компонентів, які містяться в мезо- та мікропорах, необхідно розкриття внутрішньої поверхні вугілля.

           Адсорбція йонів солей на вугільній поверхні обумовлена фізико-хімічною взаємодією в міжфазній зоні “вугілля-розчин”. Показано, що факторами, які визначають інтенсивність цього процесу є шорсткість, пористість, окисненість, характер поверхневих функціональних груп твердої фази, а також йонний склад та ступінь мінералізації води. Вторинне соленакопичення обумовлене порушенням балансу сорбційних процесів у міжфазній зоні “вугілля-вода” і, як витікає з виконаного аналізу, обумовлене, в першу чергу, дезінтеграцією вугільної речовини в процесі її обезсолювання. Дезінтеграція супроводжується різким підвищенням сорбційного потенціалу вугілля внаслідок збільшення його зовнішньої поверхні.

           Згідно феноменологічної моделі, завершальним етапом процесу обезсолювання є обезводнення вугілля після його промивки. Нами одержано рівняння для визначення ефективності обезсолювання через основні параметри вугілля, його суспензії і ефективність обезводнення: , (1) де - эфективність обезсолювання; - эфективність обезводнення; - концентрація розчину; - розрідження вихідної суспензії; - початкова концентрація солі у вугіллі; - густина води.

           Як видно з рівняння (1), ефективність обезсолювання прямо пропорційна ефективності обезводнення. Принципові труднощі обезводнення вугілля, яке піддається переробці у воді, пов’язані з підвищеною гідратацією поверхні (що особливо характерно для солоного вугілля), втратою ультратонких фракцій з фугатом, суттєвою дезінтеграцією вугілля у водному середовищі. З метою усунення вказаних труднощів а також ефекту вторинного соленакопичення, застосована суміщена технологія знесолення водною промивкою і масляної агломерації.

           Теоретично обгрунтовано раціональне поєднання процесів “знесолення-агломерація”. По-перше, прийнята економічно і технологічно доцільна для умов обробки солоного вугілля різновидність агломерації - масляна флокуляція, суть якої полягає у вибірковій агрегації тонких вугільних частинок у флокули крупністю 0,2-0,3 мм в умовах турбулентного перемішування водовугільної суспензії. По-друге, в зв’язку з деяким погіршенням кінетики обезсолювання омасленого вугілля запропонована технологія двостадійної подачі зв’язуючого у процес: попередня обробка вугільної маси невеликою кількістю реагента, що забезпечує виникнення активних центрів агломерації (10-20% зовнішньої поверхні вугілля), а потім власне агломерація обезсоленого вугілля (після промивки).

           При цьому, виходячи з вимог виникнення стійких гідрофобних зон на вугільній поверхні та даних досліджень методом ІЧ-спектроскопії, сформульовані раціональні умови контакту (вугілля-реагент) на першій стадії його вводу в процес:

           Для визначення раціональних витрат зв’язуючого реагенту на першій стадії його подачі одержано вираз: , (2) де ha - товщина плівки зв’язуючого на окремо взятому зерні; - коефіцієнт покриття вугільної поверхні зв’язуючим; Si - зовнішня поверхня вугілля в одиниці маси агрегату;- вихід i-ого класу у вихідному вугіллі; - густина зв’язуючого.

           При цьому методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що контакти в міжфазній зоні “солоне вугілля-зв’язуюче” для вуглемасляних агломератів обумовлені поряд з простою фізичною адсорбцією проявом сил хімічної природи.

           Теоретично сформульовані принципи пiдбору раціонального складу зв’язуючої речовини у суміщеному процесі “промивка-агломерація”: реагент-зв’язуюче повинен містити підвищену кількість аполярних компланарних структур і мінімальну кількість фрагментів з функціональними групами.

           Висунуто гіпотезу і теоретично обгруновано суттєве підвищення ефективності обезводнення вуглемасляного агломерату шляхом механічного зриву водної плівки (ежектуванням). В порівнянні з границею “вугілля-вода” поверхневий натяг на границі “вуглемасляний агломерат-вода” суттєво знижується, що полегшує механічний зрив водної плівки. Таким чином, за рахунок обмаслення поверхні вугілля досягається більш глибоке механічне обезводнення і, отже, обезсолювання вугілля.

           Сукупність висунутих, розроблених і розвинутих теоретичних положень складає елементи теорії процесу обезсолювання вугілля промивкою із застосуванням технології масляної агломерації.

           В третьому розділі викладені результати експериментальних досліджень. Для визначення впливу обмаслювання на результати обезсолювання вугілля виконано порівняльні дослідження процесів обезсолювання обмасленого і необмасленого вугілля. Як вихідний матеріал прийнято вугілля марки Д пластів С4 та С12 Новомосковського родовища Західного Донбасу, зольністю 14,0% і 10,9% відповідно. Кернові проби вугілля дробилися до крупності 0-3 мм і 0-0,02 мм, що відповідає технологіям переробки запропонованим ДІМР, НВО “Гаймек” та ДонДТУ. Як масло-зв’язуюче використано композиційний реагент на основі топочного мазуту марки М100 та флотореагенту ААР-1.

           Порівняльний аналіз результатів досліджень дозволив виявити велику схожість характеристик рNa , які не залежать від різновиду солоного вугілля, його крупності і витрат зв’язуючого. Криві pNaв загальному вигляді можуть бути описані емпіричним рівнянням: , (3) де - тривалість процесу обезсолювання; pNai, , pNao - натрієві показники середовища, відповідно поточний, прита ; k - коефіцієнт, який враховує властивості матеріалів та умови обезсолювання.

           Встановлено, що попереднє обмаслення солоного вугілля незначною мірою погіршує солевидалення (на 5-7%).

           Встановлено раціональні межі режимних параметрів процесу обезсолювання по критерію залишкового вмісту нарію у вугіллі. Одержані експериментальні даніпідтверджують принципову можливість ефективного обезсолювання обмасленого вугілля. Технологічним експериментом підтверджена гіпотеза про позитивний вплив механічної активації солоного вугілля в присутності зв’язуючого на його агрегаційну спроможність. Для оцінки останньої запропоновано інтергальний критерій агрегаційної спроможності вугілля, фізична сутність якого - швидкість агрегатоутворення в період амальгамування вугілля. Як витікає з рис.4, ефект підвищення агрегаційної спроможності за рахунок попередньої механохімічної активації має місце і для несолоного вугілля марок Г і К Донбасу. Однак, початкова агрегаційна спроможність (при Q1= 0) для цього вугілля значно вище, ніж для солоного. Виявлено, що при раціональних витратах Q1 = 0,5%, параметр Ка для солоного вугілля, яке пройшло механохімічну активацію, збільшується в 2-17 разів, що задовільняє технологічним потребам.

           На основi одержаних експериментальних результатiв встановлено, що раціональним режимом вводу масляного реагента при агломерації солоного вугілля в процесі “обезсолювання-агломерація” є його дробна подача: до 7-8% загальної кількості реагента, але не більше 0,4 мас.% - на суху масу вугілля перед його дробленням; останні 92-93% від загальної кількості реагенту - у водовугільну гідросуміш при масляній агломерації обезсоленого вугілля (після операції промивки). З метою оцінки впливу процесу масляної агломерації вугілля на результати його механічного обезводнення проведені порівняльні дослідження обезводнення солоного вугілля та вуглемасляного агломерату. Процес обезводнення здійснювався у модернізованій центрифузі ЦЛС-3 при Fr=400.

           Таким чином, попередня масляна агломерація дозволяє в 1,8-2 рази підвищити ефективність механічного обезводнення солоного вугілля і, отже, знизити в ньому залишковий вміст Na2O.

           Поглиблені дослідження процесів обезсолювання омасленого вугілля та обезвожування агломерату виконані методом планування активного експерименту. При цьому прийнято рототабельний центрально-композиційний план експерименту другого порядку. Математичні моделі процесів обезсолювання (перша модель) і обезвожування вуглемасляного агломерату (друга модель) представляють собою поліноми другого порядку, які адекватно моделюють досліджувані процеси при довірчій імовірності 0,95. Досліди проволились на солоному вугіллі (пласт С12) Новомосковського родовища Західного Донбасу. Обробка одержаних результатів по обом моделям виконана на ЕОМ за спеціально розробленою програмою.

           Модель обезсолювання омасленого вугілля являє собою залежність функції відгуку Y (залишковий вміст Na2O у вугіллі) від чотирьох найважливіших факторів: Х1 - тривалості промивки; Х2- частоти обертання iмпелера nm1; X3 - густини пульпи; X4 - витрат зв’язуючого Q1:

           Аналіз одержаної моделі показує, що найбільш значимим являється фактор “час”(X1), що повністю узгоджується з обширним експериментальним матеріалом ДІМР та НВО “Гаймек”. Однозначний позитивний вплив фактору “гідродинаміка” (Х2) підтверджує тезу про необхідність ведення процесу водної промивки в турбулентному режимі. Фактори “густина” (Х3) та “обмаслювання” (Х4) порівняно несуттєво впливають на процес солевидалення, що кореспондує з результатами інших експериментальних досліджень, зокрема, кінетики солевидалення з обмасленого вугілля.

           Модель процесу обезводнення вуглемасляного агломерату являє собою залежність функції відгуку Y(вологість кеку) від: Х1- зовнішньої питомої поверхні вугілля Sуд; Х2, Х4- витрат зв’язуючого Q1 Q2 (перша та друга подача реагента) та від Х3 - критерія Фруда Fr:

           Аналіз моделі показує, що найбільш значимими факторами, впливаючими на вологість кеку центрифуги є “зовнішня питома поверхня Sуд “ і “витрати зв’язуючого (X1) Q2 “ (X2). Зі збільшенням фактору Х1 вологість кеку центрифуги зростає.

            З метою одержання геометричних уявлень про гіперповерхні функції відгуку і більш глибокої оцінки впливу найважливіших факторів на процеси обезсолювання та обезводнення одержані окремі перетини для обох моделей.

           Отримані і проаналізовані факторні моделі служать експериментальною основою для вивчення механізмів розглядуваних процесів і можуть бути використані для прогнозування технологічних результатів обезсолювання та обезводнення, а також для визначення раціональних значень основних режимних параметрів кожного з цих процесів.

           В четвертому розділі приведені умови і технологічна схема установки та результати полігонних випробовувань технології обезсолювання вугілля. Розроблено два варіанти раціональної технології обезсолювання вугілля: “промивка-масляна агломерація” та “гідротранспорт-масляна агломерація”, запропоновано перспективні напрямки використання солоного вугілля та сформульовані рекомендації по промисловому обезсоленню та утилізації цього вугілля.

           Полiгоннi випробовування технології обезсолювання вугілля проведені на установці НВО “Гаймек” . Випробовувано дві технології обезсолювання: шляхом водної промивки в промивочних машинах і шляхом суміщення процесів обезсолювання та гідротранспорту. Кожна з вказаних технологій реалізовувалася як по базисним схемам, запропонованим відповідно інститутами ДІМР та ВИИПИГТ (НВО “Гаймек”), так і по удосконаленим схемам, розробленим нами із застосуванням технології масляної агломерації. Об’єктом досліджень слугувало солоне вугілля Новомосковського родовища марки Д зольністю 12.8% з вмістом Na2O у вугіллі та в золі відповідно 0,61% та 4,8%. Вихідною бралася кернова проба масою 20 кг, крупністю 13-0 мм. Результати полігонних випробовувань на установці НВО “Гаймек” повністю підтвердили теоретичні положення і результати лабораторних досліджень.

           Апробовані технічні рішення можуть бути положені в основу при розробці напівпромислових та промислових установок обезсолювання вугілля. На основі існуючих схемних рішень процесу обезсолювання вугілля розроблених в ДІМР та НВО “Гаймек”, а також результатів полігонних випробовувань нами розроблені якісно-кількісні схеми суміщених технологій обезсолювання вугілля: “промивка-масляна агломерація” та “гідротранспорт-масляна агломерація”. На основі цих схем виконано підбір та розрахунок технологічного обладнання для обох вказаних варіантів.

           Одержані результати по першій технології показали, що вона забезпечує зниження насиченості схеми обезсолювання енергомістким дорогим обладнанням при одночасному підвищенні ефективності обезсолювання, зокрема заміну дорогої та пожежоне безпечної операції термічної сушки на ежектування, покращення технологічних властивостей обезсоленого вугілля як палива. Перевага другої технологій заключається, зокрема, в зниженні вмісту класу -0,1мм в обезводнюваному вугіллі з 35,8% до 2,8%, усуненні явища вторинного соленакопичення в процесі гідротранспорту. В обох варіантах виключається осідання солей на вугіллі при термосушці. При цьому методами механiчного обезводнення досягнута вологiсть знесоленого вугiлля на равнi 12-14%, що в 3,5 рази нижче, нiж в способах-аналогах. Остаточну кількісну оцінку ефективності технології обезсолювання можна зробити тільки в умовах промислової експлуатації.

           Запропоновано такі перспективні напрямки використання солоного вугілля: підготовка та спалювання паливних суспензій - водовугільних (ВВВС); водовуглемасляних (ВВМС) та вуглемасляних (ВМС). Результати комплексу теоретичних та лабораторних досліджень, а також полігонних випробовувань дозволили розробити рекомендації по промисловому обезсолюванню та утилізації вугілля.

           Подальший розвиток досліджень по проблемі утилізації солоного вугілля доцільно вести в напрямках його оцінки як сировини для зрідження, газифікації, брикетування та піролізу. Технологічні властивості вуглемасляного агломерату хорошо поєднуються з особливостями вказаних процесів.

Основні положення і результати опубліковані в таких роботах:

1.Перспективы освоения соленых углей Украины / В.С Белецкий, С.Д Пожидаев, А. Кхелуфи, П.В. Сергеев.– Донецк: ДонГТУ, УКЦентр, 1998. – 96с.

2. Белецкий В.С., Кхелуфи А. Сохранение технологических свойств коксующегося угля при гидравлическом транспортировании // Кокс и химия. - 1996. - №4. – С. 9-10.

3. Белецкий В.С., Свитлый Ю.Г., Сергеев.П.В., Кхелуфи А. Исследование явления вторичного соленакопления в процессе обессоливания угля // Известия Донецкого горного института. – 1998. - №1 (7). - С. 66 – 69.

4. Бiлецький В.С., Сергеев.П.В, Кхелуфi Абделькрiм, Шендрик Т.Г. Дослiдження кiнетики знесолюавння обмасленого вугiлля // Геологiя i геохiмiя горючих копалин. – 1998. - №2 (103). – С.85 – 89.

5. Кхелуфи А., Белецкий В.С., Сергеев П.В. Создание новой прогрессивной технологии облагораживания соленых углей.// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ. - 1998. – Т.2. - Вып 6. – С. 150-153.

6. Белецкий В.С., Шендрик Т.Г., Кхелуфи А. Проблемы и перспективы технические решения обессоливания угля // Сб. науч. тр. ДонГТУ. – Донецк: - 1996. – С.61-62.

7. Biletskyi V.S, Sergeev P.V, Kheloufi A. Preparation of salty coals with oil agglomeration // Proc. International Conf. on Coal Science. IX. – Essen (Germany). – 1997. – V. 1. - P. 535-538.

8. Белецкий В.С., Папушин Ю.Л., Сергеев П.В., Кхелуфи А. Рациональные конструкции и схемные решения аппаратов масляной агломерации угля. // Сб. тр. Междунар. научно-технической конф. “Перспективные технологии машиностроения и современность”. – Донецк: ДонГТУ. – 1987.- С.24-25.