Эколого-экономическая оценка применения технологий сжигания брикетов изготовленных из отходов обогащения углей Прокопьевского района

     Переработка и утилизация техногенных отходов  важны не только с точки зрения их использования как альтернативного  источника сырья и расширения тем самым сырьевой базы страны, но и с точки зрения охраны окружающей среды.

     В связи с этим актуальным становится развитие компактных производств малой  и средней мощности по переработке  штыбов и шламов во вторичное сырье  в виде брикетов, отвечающих требованиям  современных энергетических процессов [14].

     Окускование является одной из актуальных задач  в подготовке угольных отходов к  использованию в качестве энергетического  топлива. Следует обратить внимание, что брикетированию подлежат не только техногенные отходы, но и первородное мелкофракционное и тонкодисперсное сырье.

     Окускование мелкодисперсных штыбов и шламов позволяет не только обеспечить предприятия  дополнительными энергетическими  ресурсами и уменьшить экологическую  нагрузку на окружающую среду, но стабилизировать  работу основных переделов – накопления, подготовки сырья, вторичного использования. 

     2.3. Анализ действующих  технологий и оборудования 

     Зарубежная  и отечественная практика показывает, что полноценное окускованное топливо  необходимой крупности возможно получать следующими методами [15]:

• рассортировкой твёрдого топлива на просеивающих поверхностях;
• брикетированием под давлением подготовленного по крупности и влажности твердотопливного сырья без связующих и со связующими добавками;
• гранулированием способом окатывания твердотопливной пыли со связующими добавками;
• гранулированием подготовленного по крупности и влажности твёрдого топлива под давлением (пеллетирование);
• формованием способом уплотнения твердотопливной мелочи или пыли со связующими или без связующих добавок.

     Современные традиционные процессы брикетирования осуществляются двумя способами:

• при высоких удельных давлениях прессования порядка 800-2000 кг/см² без применения связующих веществ на штемпельных или кольцевых прессах;
• при средних удельных давлениях прессования в пределах 100-400 кг/см² в основном на вальцевых прессах с применением связующих добавок.

     Без присадки связующего полноценное брикетное  топливо возможно получать только из мягких бурых углей, аналогичных отечественной марке Б1, торфа, древесины и других материалов растительного происхождения.

     Способ  брикетирования со связующими добавками  является более универсальным, осуществляется на высокопроизводительном оборудовании, применении ко всем маркам твердых  бурых, каменных углей и антрацитов, коксовой мелочи и позволяет получать брикетное топливо с более  высокими потребительскими параметрами, чем у брикетов, полученных без  связующих добавок.

     Потребительские свойства брикетов зависят от химического  состава топливного сырья и минеральных  примесей, параметров его подготовки по крупности, влажности, температуре, режимов прессования, а также  от химического состава и теплотворной способности применяемой связующей  добавки.

     В дополнении к прессованию на вальцевых, штемпельных и кольцевых прессах  применительно к окускованию  твердотопливных ресурсов возможно использовать метод формования на штамповочном прессе или метод шнековой (червячной) экструзии, метод окатывания (грануляция в сферические формы), а также грануляция под давлением через фильеры, так называемое пеллетирование.

     При необходимости применения связующей  добавки при окусковании топлива  она должна соответствовать следующим  требованиям:

• обладать достаточно большой силой сцепления;
• не изменяться под действием атмосферных влияний;
• быть транспортабельной, дешевой и доступной, для вовлечения в крупномасштабное производство брикетов;
• не увеличивать в брикете содержание негорючих и вредных для здоровья человека и окружающей среды веществ;
• не ухудшать загораемость угля;
• обладать спекающими свойствами;
• обеспечивать сохранность формы брикетов при горении;
• иметь достаточно низкую температуру воспламенения.

     Для приготовления брикетов из угля возможно применение следующих групп органических материалов: углеводородов (каменноугольные и буроугольнье пеки, смолы полукоксования и древесная; битумы нефтяные и природные; сланцевые битумы, антрацен, фенолы и др); растительных и животных продуктов (древесные отходы, производные целлюлозы, крахмал, казеин); отходов промышленных производств (фусы полукоксования и коксования углей сульфатные щелоки и лигносульфонаты, кислые нефтяные гудроны).

     Связующие добавки, в основном, определяют и  технологию окускования. Из вышеперечисленных материалов, способных участвовать в окусковании твёрдого топлива по разным причинам в практике промышленного производства широкое применение нашли только каменноугольные пеки, нефтяные битумы, крахмал, меласса (патока) и лигносульфонаты.

     Окускование с каменноугольными пеками и нефтебитумами. Технологии окускования с этими связующими капиталлоемки, предусматривают значительных (до 140 кг на 1 топлива) расходов высокотемпературного пара для подготовки шихты. Полученное топливо атмосфероводоустойчиво, но не относятся к разряду «бездымного» топлива. Снижение дымности топлива при горении достигается термообработкой свежесформованного топлива при температуре свыше 250°С.

     Эта технология широко применялась и  на сегодняшний период, частично применяется  при брикетировании в странах  Западной и Восточной Европы, России Украине и в Узбекистане.

     Окускование с лигносулъфонатом. Лигносульфонат - побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности. Утвердил свои позиции как эффективная связующая добавка. В частности до недавнего времени его применяли в Германии при производстве брикетов, экспортирующихся в Великобританию, а в конце 80-х (начало 90-х годов) лигносульфона применялся на британских брикетных заводах. Лигносульфонат в исходном состоянии не придает брикетам водоустойчивости. Для получения водоустойчивости с лигносулъфонатом, сформованное топливо проходит термообработку при 200-280°С.

     После охлаждения топливо становится прочным  и водостойким. Вследствие высокого содержания серы, применение лигносульфоната  целесообразно только в случае окускования  низкосернистого твердотопливного сырья.

     Окускование с крахмалами. Крахмал широко применяется для топлива; особенно используемого для пикников. В своей обычной форме крахмал не придает брикетам водонепроницаемости. Если топливо пакуется на месте производства, это не является проблемой. Для оптовых продаж вопрос водостойкости топлива приобретает большое значение. Существуют новые технологии работы с крахмалом, применяемые в Европе. Во Франции запатентованы два технологических варианта. Один вариант предусматривает обработку сформованного топлива при температуре 250 °С, второй сушку при температуре 110°С. Все технологические варианты как «ноу-хау» предусматривают взаимодействие крахмала с различными добавками. Такие технологические схемы применяются на брикетных заводах Ирландии и Германии.

     Окускование с патокой (мелассой). Патока - побочный продукт сахарной промышленности. Как связующая добавка применяется с отвердителем - азотной кислотой. Применение других отвердителей и их характеристика в доступных источниках информации не приводится.

     Как и в варианте брикетирования с  лигносульфонатом, более эффективное  отверждение мелассы в топливе  и придание ему водостойкости  возможно за счет термообработки свежесформованного топлива.

     Преимуществом мелассы перед лигносульфонатом является практически полное отсутствие в ней серы и золы.

     Технологии  холодной обработки  окускованного топлива. Существуют также технологии (системы связующих), которые совсем не требуют нагревания на стадии затвердения топлива. Главным образом это мочевина или фенолформальдегидные полимеры с отвердителями сложных эфиров. Также полимеры могут использоваться, либо (особенно основывающихся на мочевине) в расширенном виде: в сочетании с патокой или лигносульфонатом.

     Отрицательная сторона технологий с холодным затвердеванием топлива - неприятные или едкие испарения, выделяемые при его горении и  во время самого процесса приготовления, а также низкая термостойкость, приводящая к разрушению топлива в огне. Тем  не менее, в коммерческом производстве существуют технологи и. преодолевающие эти трудности. Холодная обработка  позволяет получать топливо приемлемой прочности сразу из-под пресса. При этом окончательная прочность  топлива достигается за период 1-7 суток после его приготовления. В Британии действовало три завода, применяющих технологии холодной обработки  при брикетировании углей. .

     Все вышеуказанные технологические варианты производства брикетов предусматривают предварительную сушку твердотопливного сырья, как обязательную технологически операцию. Из перечисленных методов окускования гранулирование окатыванием не представляет практической значимости и в дальнейшем не рассматривается, т.к. топливо имеет сферическую форму разных размеров, оно компактно укладывается в топочном пространстве теплогенерирующего устройства, не оставляет места для прохождения воздуха и не имеет острых углов, что затрудняет начало возгорания. В результате эффективность горения такого топлива недостаточно велика.

     Далее подробно рассмотрены наиболее применимые технологии изготовления угольных брикетов.

     1. Наиболее экономически выгодной  и экологически безопасной является  «холодное» брикетирование. Проанализировав эксплуатационные качества брикетов с различными связующими и технологичность их применения в производстве, мы считаем наиболее экономически выгодным применение химических связующих . К преимуществам  относятся:

     - возможность быстрого (не более  6 часов) достижения требуемой  эксплуатационной прочности; 

     - незначительные энергозатраты для  ускорения набора прочности брикетами  (обеспечение температуры до~250 С);

     Технология  изготовления угольных брикетов включает в себя следующие переделы:

     - доставку сырьевых компонентов  на промышленную площадку;

     - хранение сырьевых компонентов; 

     - дозирование сырьевых компонентов  для приготовления шихтовой смеси;

     - приготовление сырьевой смеси  в смесителях принудительного  действия;

     - транспортирование шихтовой смеси  к посту формования;

     - формование брикетов  на вальцевых прессах; - транспортирование отформованной продукции к печи сушки;

     - сушка и получение прочности;

     - пакетирование готовой продукции  (при необходимости);

     - транспортирование на склад готовой  продукции (или погрузка в транспортное  средство).

     2. Технологическая линия брикетирования  каменноугольных шламов.

     Для приема исходного сырья необходима организация угольного склада на открытой площадке. На площадке угольного  склада устанавливается заглубленный в землю приемный бункер с вибрационным питателем. Подача сырья в приемный бункер может быть организована путем  его загрузки фронтальным погрузчиком. Из приемного бункера сырье вибрационным питателем подается на ленточный  конвейер и далее на сушку в  сушильный барабан. Перед сушильным  барабаном целесообразна установка  дробилки для дробления крупного угля совместно с каменноугольным  шламом и их эффективного усреднения. Высушенный материал вибрационным питателем  направляется в шнековый смеситель, куда также поступает и связующее. Подготовленная сырьевая шихта далее  направляется на брикетирование в вальцевые  пресса и далее через конвейер-охладитель на упаковочную станцию, где происходит упаковка готовой продукции в  мешки. Схема технологии брикетирования представлена на рисунке 2.1.

     В России в настоящее время разработаны  и эксплуатируются несколько  комплексов оборудования для подготовки и брикетирования углей. Основные технические  характеристики комплексов приведены  в таблице 2.2.