Утилизация отходов углеобогащения путём брикетирования шламов

Отходы углеобогащения — техногенные залежи полезных ископаемых

Отходы угольной промышленности РФ, находящиеся в шламоотстойниках и накопителях, превышают 260 млн т и представляют собой крупные техногенные скопления полезных ископаемых, ежегодный прирост которых составляет 3 млн т. Только в Печорском бассейне неиспользованных шламов более 12 млн т.

Техногенные запасы шламов — это, с одной стороны, ценное углеродосодержащее сырьё для получения тепловой и электрической энергий, с другой — источник загрязнения окружающей среды. Шламонакопители занимают большие территории вокруг угольных предприятий, выводят земли из хозяйственного оборота, загрязняют окружающую среду.

Использование шлама после сложного процесса его сушки в слоевых топках и бытовых печах малоэффективно из-за больших потерь этих продуктов в виде просыпа под колосники, которые увеличивают количество удаляемой золы. При этом мелкие классы при сжигании попадают в воздух в виде дыма и загрязняют атмосферу.

Утилизация шламов является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит:
— улучшить экологическую обстановку в угольных регионах, на шахтах и разрезах;
— рекультивировать земли, занятые отстойниками и накопителями;
— сократить потребление природных энергетических ресурсов за счёт переработки отходов в дешёвое топливо для промышленности, ЖКХ и бытовых нужд населения.

Разработка новых технико-технологических решений, направленных на эффективную переработку шламов с получением товарного продукта с высокими потребительскими свойствами и решением экологических проблем в угольных регионах, является актуальной научно-практической задачей, имеющей большое экологическое и прикладное коммерческое значение. Одним из прогрессивных направлений переработки отходов является брикетирование шламов без применения связующих добавок.

Теоретические основы брикетирования

Известные штемпельные, кольцевые и вальные технологии брикетирования углеродосодержащих материалов с высокой жёсткостью, твёрдостью и упругостью по принципу действия и особенностям конструкции формовочных инструментов не позволяют получать механически прочное окускованное топливо без использования связующих веществ с приемлемыми технико-экономическими показателями брикетного производства.

Мировая практика подтверждает: изготовление угольных брикетов без применения связующих добавок по традиционным технологиям требует больших производственных затрат, предусматривающих сверхтонкий помол исходного сырья для прессования, высокотемпературный нагрев брикетируемого материала до пластического состояния и сверхвысокие давления прессования.

Концептуально, с позиций существующих представлений о механизме действия молекулярных и капиллярных сил сцепления при образовании структуры окускованного углеродосодержащего материала с учётом его упруго-пластичных свойств, значительно более благоприятные условия для окускования жёстких, малопластичных веществ без связующих добавок, в сравнении с существующим технологиями прессования, могут быть реализованы только в прессовых агрегатах, обеспечивающих выполнение следующих условий:

— интенсивное развитие активной (удельной) поверхности и капиллярно-пористой структуры брикетируемой массы, а также увеличение числа и плотности контактов брикетируемых частиц в процессе их уплотнения под давлением для повышения эффективности действия молекулярных и капиллярных сил сцепления при формировании структуры окускованного топлива;

— снижение сопротивляемости брикетируемой массы в процессе её уплотнения, обусловленной твердостью частиц и силами трения между ними при их относительном перемещении в межзерновом (межпоровом) пространстве для минимизации энергозатрат на хрупкие деформации, уплотнение и увеличение доли энергии на пластические необратимые деформации, которые определяют механическую прочность структуры брикета;

— повышения активности силового поля поверхности брикетируемых частиц (повышение свободной поверхностной энергии) образования новых некомпенсированных молекулярных и электрических сил взаимодействия за счёт деформации кристаллической решётки и разрушения насыщенного окисленного слоя на поверхности частиц;

— существенное увеличение времени действия давления прессования, что способствует более глубокому сдвигу прилагаемой энергии в сторону образования пластической деформации, которые с механической точки зрения в итоге и определяют прочность образованной структуры окускованного топлива.

Технология брикетирования

С технической стороны для выполнения условий брикетирования без использования связующих добавок в наиболее полной мере подходят шнековые экструдеры, успешно применяемые для формования высокопластичных строительных материалов и пластмасс. Используя этот принцип, специалисты ИОТТ, ООО «Брик-Тек» и ООО «ИТ «Северная Русь» при содействии АО «ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского» разработали специализированное прессовое оборудование для производства механически прочного брикетного топлива из угольных шламов без связующих добавок. Для формирования брикетов в составе технологического комплекса используется специализированное шнековое оборудование.

Разработанная технология позволяет в максимальной мере реализовать теоретические принципы брикетирования без связующих присадок за счёт создания при окусковании шламо в зоне прессования комбинированного действия осевых, сдвигающих и крутящих усилий при уплотнении частиц брикетируемого под давлением материала.

По состоянию на 01.08.2016 г. в г. Воркуте при поддержке правительства Республики Коми и привлечении средств инвесторов смонтирована и начала действовать модульная опытно-промышленная брикетная линия, на которой отрабатываются все технологические режимы от приготовления смеси и дозирования сырьевых компонентов, формирования и сушки брикетов до пакетирования и отгрузки готовой продукции.

Угольные брикеты обладают прочностью, необходимой для их последующей транспортировки. Сохраняют прочность при увлажнении, обладают однородностью по геометрическим и
физико-химическим параметрам. Проектная производительность брикетной линии составляет Q = 5,0 Т/ч.

Область применения брикетов

Угольные брикеты предназначены для применения в металлургической и коксохимической промышленности, на тепловых и электрических станциях, удалённых объектах Минобороны РФ, в котельных ЖКХ и железнодорожном транспорте без реконструкции действующих котлоагрегатов, а также для бытовых нужд в частном секторе.

Область применения брикетной технологии

Угольные регионы российской Федерации, угольные компании, шахты, разрезы, горно-обогатительные комбинаты и фабрики.

Текст и фото: Станислав Будаев, зав. лабораторией Института обогащения твёрдого топлива (ИОТТ), канд. техн. наук;
Владимир Добромелов, генеральный директор ООО «ИТ «Северная Русь»;

Михаил Смирнов, зам. генерального директора по научной работе — ученый секретарь,
АО «ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского», канд. техн. наук.