Разработка метода оценки морфологии углей для прогноза экологической безопасности их переработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Минаев, Владимир Иванович

• Минаев, Владимир Иванович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минаев, Владимир Иванович

Введение

1 Отходы переработки углей. Механизмы образования отходов и основные методы их снижения.

1.1 Основные виды отходов в процессах энергетического и технологического использования углей

1.2 Способы снижения отходов при углепереработке

1.3 Современные экологически чистые технологии энергетического использования углей

1.4 Факторы определяющие образование отходов при энергетическом сжигании углей

2 Объекты и метода исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

3 Метод оценки морфологии углей. Влияние морфологии на вещественный состав углей, их физико-механические, сорбционные и реакционные свойства

3.1 Современные представления о генезисе веществ-углеобразователей и генетических типах углей

3.2 Микроструктура углей разных генотипов

3.3 Алгоритм параметризации изображений микроструктур углей

3.4 Вещественный состав углей разных генотипов

3.5 Влияние генотипа углей на их физико-механические свойства

3.6 Сорбционные свойства углей

3.7 Влияние предварительной термоподготовки на физико-механические и сорбционные свойства углей разных генотипов

4 Влияние морфологии углей на качественные характеристики во- 84 доугольного топлива

4.1 Экспериментальные работы по получению ВУТ

4.2 Гранулометрический состав и стабильность ВУТ

4.3 Влияние генотипа углей на реакционную способность ВУТ при сжигании

4.4 Рекомендации по выбору угольного сырья для создания экологически безопасной технологии ВУТ

5 Эколого-экономические показатели использования ВУТ 94 Заключение и выводы 100 Список литературы 102 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оценки морфологии углей для прогноза экологической безопасности их переработки»

Актуальность работы. Проблемы охраны окружающей среды становятся все более актуальными и находятся в поле постоянного внимания международного сообщества. В соответствии с принципами Конференции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро, разработана и Указом Президента России утверждена Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию. К наиболее важным направлениям научных исследований для обеспечения неотложных мер по оздоровлению окружающей среды относится разработка экологически безопасных и эффективных ресурсосберегающих технологий в переработке ископаемого минерального сырья. В переработке углей - это экологически чистое водоугольное топливо (ВУТ) для получения тепла и электроэнергии, технологическая переработка угольных суспензий, газификация, а также различные методы подготовки сырья (термоподготовка, избирательное дробление, брикетирование) для повышения экологической безопасности традиционных и новых способов переработки. Экономическая целесообразность и экологическая безопасность (количество и состав отходов) таких процессов определяются в значительной мере качественными характеристиками угольного сырья. К таким характеристикам относятся химико-технологические параметры углей и их морфология (пористость, трещиноватость, вещественная неоднородность, текстура и др.). Морфологические характеристики углей в отличие от химико-технологических не регламентированы классификационными параметрами и практически не используются на стадиях разведки и добычи углей для прогноза экологических показателей их переработки, в частности, энергетического сжигания углей. В связи с этим разработка метода оценки морфологии углей для повышения экологической безопасности их использования в энергетических целях является актуальной.

Цель работы состоит в оценке влияния морфологии угольного сырья на экологическую безопасность его использования как энергетического топлива.

Идея работы^заключается в развитии существующих представлений о генезисе и структуре органического вещества углей и включении их в общий комплекс оценки свойств углей как сырья для экологически чистых ресурсосберегающих технологий.

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна

1. Для оценки экологической безопасности и рационального использования угольного сырья на стадиях разведки и добычи углей разработан метод оценки морфологииуглей на основе определения их генетического типа. Установлено1 влияние генотипа углей на их вещественный состав, физико-механические, сорбционные и реакционные свойства, которые в свою очередь определяют количество и состав, отходов энергетического сжигания углей. Разработан алгоритм параметризации изображений микроструктуры углей и обработки информации методом фликкер-шумовой спектроскопии.

2. Впервые установлено влияние генотипа углей на их гранулометрический' состав в водоугольном. топливе. Полученные закономерности позволили разработать метод оценки углей как сырья для получения водоугольных то-плив.

3. Установлено, что угли I и II генотипов предпочтительны для получения стабильных, высокореакционных водоугольных топлив. Топливо на основе этих углей характеризуется высокой реакционной способностью при сжигании, что обеспечивает увеличение степени полезного использования углерода и снижение количества угольной пыли и «термических» оксидов азота в продуктах сгорания.

4. Особенности морфологии-и структуры углей разных генотипов позволяют скорректировать режимы-предварительной термоподготовки углей для сохранения их энергетического потенциала и повышения экологической безопасности при сжигании.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются: представительностью проб исследованных углей разных месторождений; использованием для анализа стандартных и апробированных методик; сходимостью, воспроизводимостью и положительной апробацией полученных результатов. Практическое значение

1. Разработана «Методика определения дисперсности водоугольных топлив», позволяющая> контролировать* процесс получения топлив на всех'технологических стадиях.

2. Обоснован метод оценки морфологии углей на стадиях их разведки и разработки.

3. Разработаны рекомендации по термоподготовке углей разных генотипов для повышения экологической безопасности их энергетического сжигания.

Научное значение работы

Научное значение работы заключается в интегрировании^ представлений о генезисе и структуре органического вещества- углей в общий' комплекс оценки свойств углей как сырья для экологически чистых ресурсосберегающих, технологий. Полученные в работе результаты позволяют прогнозировать экологические риски при использовании углей как энергетического топлива для сокращения негативного экологического воздействия на окружающую среду и минимизации ресурсных и энергетических затрат. Реализация выводов и рекомендаций работы

Полученные результаты позволили определить требования к качеству угольного сырья для реализации эффективной технологии производства и сжигания ВУТ на ОАО «Ковдорский ГОК». Мероприятия по термоподготовке углей позволяют уменьшить выбросы оксидов азота и серы, при сжигании углей и увеличить степень полезного использования углерода. Внедрение в технологический контроль получения ВУТ методики «оценки дисперсности позволило подобрать оптимальный режим подготовки,сырья и*условий приготовления суспензии композиционного топлива.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на российских и международных конференциях («Неделя горняка - 2005», «Pittsburg Coal Conference - 2006» USA, «Неделя горняка - 2007», «Coal Science and Technology - 2007» UK). Публикации

По результатам диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка литературы из 88 источников, содержит 17 таблиц и 23 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Минаев, Владимир Иванович

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. Морфологические характеристики углей вносят существенный вклад в образование вредных отходов энергетического сжигания углей, таких как угольная пыль и окислы азота. Установлена возможность оценки морфологии углей на основе определения их генетического типа в соответствии с генетической классификацией и обработки информации методом фликкер-шумовой спектроскопии. Установлено, что генетический тип углей (параметр генетической классификации гумусовых углей) является необходимым критерием, определяющим, наряду со стадией метаморфизма и химико-технологическими характеристиками, качественные свойства углей в процессах переработки.

2. Особенности морфологии и структуры углей разных генотипов определяют их поведение в процессах получения водо-угольных топлив и качественные показатели топлив при сжигании. Морфологическая неоднородность гели-ното-теллинитовых углей и их высокая микрохрупкость определяют оптимальный гранулометрический состав и высокую стабильность угольных суспензий, получаемых путем последовательного диспергирования.

3. На основе экспериментальных работ по предварительной термической подготовке углей скорректированы температурные режимы подготовки газовых углей разных генотипов. Установлено, что для углей I и II генотипов могут быть реализованы как схемы быстрого нагрева (например, вихревые камеры), так и установки продолжительной термоподготовки. Большая негативная зависимость технологических свойств (теплоты сгорания, спекае-мости) углей III и IV генотипов от температуры и времени термоподготовки предусматривает использование схем быстрого нагрева. Полученные результаты позволили определить требования к качеству угольного сырья для реализации эффективной технологии производства и сжигания ВУТ на ОАО «Ковдорский ГОК».

4. Термическая подготовка углей приводит к повышению их прочностных свойств и частичному активированию поверхности угольных частиц. Мероприятия по термоподготовке углей позволяют уменьшить выбросы окислов азота и угольной пыли при сжигании и увеличить степень полезного использования углерода (количество летучих продуктов в зольных остатках уменьшилось на 5-8%).

5. Снижение количества твердых и газообразных отходов при частичной замене пылевидного угля на водоугольное топливо (80%) при эксплуатации котла ТПЕ-214 (ТЭЦ-5 г. Новосибирска) позволяет снизить сумму платежей за выбросы угольной пыли и окислы азота на 350000 руб. за 1 год эксплуатации котла.

6. Разработана методика оценки дисперсности углей в процессах получения ВУТ. Метод позволяет оперативно, в полуавтоматическом режиме, определять гранулометрический состав композиционных топлив и их стабильность. Внедрение в технологический контроль получения ВУТ методики оценки дисперсности позволило оценить перспективную ресурсную базу ОАО «Ковдорский ГОК» и подобрать оптимальный режим подготовки сырья и условий приготовления суспензии композиционного топлива.

Заключение и выводы

Таким образом, в работе решена актуальная научно-практическая задача повышения безопасности энергетического сжигания углей за счет оценки их морфологии на стадии разведки и добычи минерального сырья и применения на ее основе мероприятий по сокращению негативного экологического воздействия на окружающую среду.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минаев, Владимир Иванович, 2008 год

1. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. М.: Теплотехник, 2004. т. 1, 604 с:

2. Щербаков С., Новоселова Т., Кашанский С. И. и др. Содержание высокотоксичных компонентов в составе организованных выбросов ряда ТЭЦ и ГРЭС Свердловской области// Энергетика региона. 1998. № 10. с.24-25.

3. Кошелев A.A., Ташкинова Г.В., Чебаненко Б.Б. и др. Экологические проблемы энергетики. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1989. 322 с.

4. Герасимов Г.Я. Экологические проблемы теплоэнергетики: моделирование процессов образования и преобразования вредных веществ. М.: Изд-во МГУ, 1998.211с.

5. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ, изд. в 2-х т/Под ред. Калверта С. и Инглунда Г.М. М.: Металлургия, 1988. 202 с.

6. Красноярский Г.А. Новое время угольной энергетики. М.: ЦНИЭИуголь, 2000. 121 с.

7. В.Л. Иноземцев. Кризис Киотских соглашений и проблема глобального потепления климата/ТПрирода. 2002. №1, с. 17-23.

8. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих ве-ществ./Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.352 с.

9. Кропп Л.И., Яновский Л.П. Экологические требования и эффективность улавливания на ТЭС// Теплоэнергетика. 1983. №9. с. 19-22.

10. Котлер В.Р. Технология одновременного снижения выбросов NOx и Sox на пылеугольных котлах ТЭС США// Теплотехника. 2002. №2.с. 76-78.

11. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование, 2004. М.: Теплотехник, т. 2. 832 с.

12. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. М.: Недра, 1988.312 с.

13. А.И.Родионов;. В.Н.Клушин, Н.С. Торочешников; Техника, защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989.512 с.

14. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.:Наука, 1974. 558 с.

15. Мозжухина Е.В: Физическая химия быстрых реакций. М.: Мир, 1976. 392 с.

16. Власов F.O., Саранчук В.И., Чуищев В.М., Ошовский В.В. Системный ана-/ лиз коксохимического производства//Доп НТУ. Донецк: Вос точный издательский дом, 2002. 296 с.

17. Грязнов Н.С. Основы теории коксования; М;:Металлургия, 1976. 312 с.

18. Чистяков А.Н., Розентиль Д.А., Русьянова Н.Д., и др. Справочник по химии и технологии твердых горючих ископаемых// СПб «Синтез», 1996. 362 с.

19. Бабанин Б.И. , Патрушев А.Н. О-повышении технико-экономической эффективности производства кокса из термически подготовленной ших-ты//Кокс и химия. 1988: №7. с. 44-46.

20. Васильев Ю.С., Долгарев Г.В., Гордиенко А.И., и др. Расширение сырьевой базы и интенсификация процесса коксования благодаря термической подготовке шихты// Кокс и химия: 2003. №11. с. 11-13.

21. Зашквара В.Г., Дюканов А.Г., Лазовский И.М. и др. Возможные направления развития технологии и техники подготовки углей к коксованию// Уголь. 1976. №2. с. 43-46.

22. Рябиченко А.Д., Козак А.Я., Руденко Л.И., Романов В.В. Исследование физико-механических свойств термически подготовленных шихт//Кокс и химия. 1978. №1. с. 6-8.

23. Морозов О.С., Сухоруков В.И., Беляев Е.Б. и др. Изменение механической прочности углей, подвергнутых термической подготовке// Кокс и химия. 1976. №7. с. 6-8:

24. Макаров П.В., Трубицын A.A., Ворошилов С.П. Самоподобие разрушения углей и эволюция нагружаемых твердых тел// Уголь. 2006. №5. с.55-58.

25. Васильев Ю.С. , Кузнеченко В.М., Браун Н.В. и др. Технология производства кокса из трамбованных шихт// Кокс и химия. 1990. №6. с. 24-26.

26. Семисалов Л.П. Термическая подготовка угольной шихты как способ расширения сырьевой базы коксования и улучшения качества кокса// Кокс и химия. 1990. №6. С.-22-24.

27. Скляр М.Г.Высокоскоростное слоевое коксование термически подготовленных углей и шихт// Кокс и химия. №4.с.10-12.

28. Гавриков В.В., Синцерова Л.Г., Колосов A.B. О влиянии термической подготовки углей перед коксованием на выход кокса// Кокс и химия. 1977. №3. с. 12-14.

29. Сухоруков В.И., Филоненко Ю.Я. Новые процессы.подготовки и коксования углей//Справочник по химии и технологии твердых горючих ископаемых/ Под ред. А.Н. Чистякова. СПб.: Издат. Комп. «Синтез», 1996. С. 295315.

30. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И. и др. Производство и использование водоугольных топлив. М.:Академия горных наук, 2001. 172 с.

31. Носков A.C., Савинкина М.А., Анищенко Л.Я. Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. Новосибирск: Изд-во Института химии твердого тела, 1990. 184 с.

32. Садовский С.И. Пути развития малой гидроэнергетики России. // Гидротехническое строительство. 1997. № 9. с. 13-21.

33. Энергетическая стратегия России (основные положения). // Энергетическое строительство. 1995. № 1. с. 2 20.

34. Красноярский Г.А. Новое время угольной энергетики М.: ЦНИЭИуголь, 2000. 98 с.

35. Орлов Ю.Н. Энергетика России и перспективы развития ТЭК в XXI ве-ке//Электронный журнал «Исследовано в России». 2002. №11, с.119-134 (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/01 l.pdf.).

36. Макаров A.A. Крайние стратегии долгосрочного развития энергетики. // Экономика и математические методы. №1. 1987. с. 9-13.

37. Глухарев Ю.В., Дубовик B.C. Опыт внедрения горелочных устройств типа СНГ на основе струйно-нишевой технологии сжигания топлива// Новости теплоснабжения, М., №11, 2003, С. 20-21.

38. Абдулин М.З., Овсиенко И.П., Дворцин Г.Р., Жученко A.M., Кулешов Ю.А. Оптимизация топочного процесса путь к повышению эффективности, экологической безопасности и надежности работы котлов//Новости теплоснабжения. 2002. №12. с. 25-28.

39. Абдулин М.З. Некоторые аспекты повышения экономичности и экологической безопасности горелочных устройств//Энергетика, экономика, технологии, экология. 2000. №4. с. 65-68.

40. Стриха И.И. Определение экономии топлива и теплоты при реализации энергосберегающих мероприятий в котельных// Новости теплоснабжения. 2002 №12 . с. 50-52.

41. Назаров С.М., Каленин Э.В., Исьемин Р.Л., и др. Рациональный выбор топлива для муниципальной котельной или при каких условиях уголь может стать альтернативой природному газу// Новости теплоснабжения. 2006. №3. с. 65-67.

42. Овчинников Ю.В., Пуценко C.B. Искусственное жидкое топливо из угля и эффективность его использования// Новости теплоснабжения. 2006. №4. с. 65-68.

43. Игнатьев B.C., Солдатов A.B. Региональные требования к разработке топочных устройств котельных малых и средних мощностей для местного угля Тихонского месторождения Республики Саха (Якутия)// Новости теплоснабжения. 2006. №5. с. 72-77.

44. Лебедев А.Н., Казанцев Е.И., Гинкул С.И. Исследование окислительных свойств продуктов сгорания различных видов топлива. // Известия вузов. Черная металлургия. 1987.№5.с.53-54.

45. Патент № 2080354 РФ. М. кл1 C10L 1/32. Способ приготовления водо-угольных суспензий для транспортирования по трубопроводу/Трубецкой К.Н., Чантурия В.А., Трофимова Э.А. и др.- №93038969/04; Заявлено 06.08.93; Опубл. 27.05.97, Бюл. №15.

46. Делягин Г.Н. Сжигание водоугольных суспензий метод использования обводненных топлив: Дис. д-ра техн. наук.-М.: ИГИ, 1970. 432 с.

47. Делягин JI.A., Канторович Б.В. Использование обводненных твердых топ-лив в виде ВУС//Теория и технология процессов переработки топлив. М.: Недра, 1996. с. 124-151.

48. Онищенко А.Г., Делягин JI.A. Промышленное сжигание водоугольных суспензий// Обогащение и брикетирование углей.1968.- №2. с.8-13.

49. Делягин JI.A. Вопросы теории горения водоугольных суспензии в потоке воздуха// в сб. Сжигание высокообводненного топлива в виде водоугольных суспензий. М.: Наука, 1967. с. 45-55.

50. Шварц О., Мертен Г. Непосредственное сжигание водоугольных суспензий на электростанциях// Глюкауф. 1967. №5. с. 27-35.

51. Trubetskoy K.N., Nekhoroshy J.Kh. Power Engineering and the tech-nology of Coal Suspensions://International conf. Energy 93, Moscow, 1993.

52. Трубецкой K.H., Нехороший И.Х. Развитие работ по использованию высококонцентрированной водоугольной суспензии в энергетике России// Теплоэнергетика. 1994. №11. с. 26-29.

53. Delyagin G.N., Demidov Y.V., Kostovetsky S.P. and Nekhoroshy J.K. Highly concentrated water-coal suspensions — a new form of ecologicaly clean fuell// Symposium on New Coal Utilization Technologies. Helsinki (Finland). 1993.— 10-13 May.

54. Мурко В.И. Научные основы процессов получения и эффективного применения водоугольных суспензий: Автореф. дис. на соиск. уч. степени д-ра техн. наук. М.: ИГИ. 1999. 48 с.

55. Дроздник И.Д., Кафтан Ю.С., Должанская Ю.Б. Новые направления использования угля// Кокс и химия. 1999. №1. с. 4-16.

56. Бибик Е.Е Реология дисперсных систем. JL: Изд. Ленинградского университета, 1981. 172 с.

57. Горская Т.П., Ильин В.К., Пименова E.H. Гранулометрический состав угля и подвижность водоугольных суспензий// Химия твёрдого топлива. 1986. №6. с.105-108.

58. Басенкова В.Л., Филиппеко Т.А., Зубкова Ю.И. Зависимость структурно-реологических свойств водоугольных суспензий от природы углей и их дисперсности// Химия твёрдого топлива. 1988. №5. с.139-143.

59. Урьев Н.Б Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 256 с.

60. Редькина Н.И., Ходаков Г.С. Физико-химическая трактовка peo-логических свойств концентрированных суспензий// Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии: Тр. НПО «Гидротрубопровод». М.,1991. с.62-77.

61. Шульман Э.П., Берковский Б.М Пограничный слой ньютоновских жидкостей. Минск: Наука и техника, 1966. 238 с.

62. Atlas H., Casassa E.Z., Parfitt G.D., Roa A.S and Toor E.W //In Proc. 10-th Annual Powder and Bulk Solids conf., Chicago, May, 1975.

63. Ходаков Г.С. Дисперсионный анализ высокодисперсных мате-риаллов, подлежащих гидротранспортированию//Исследование технологии и оборудования терминальных комплексов магистрального гидротранспорта: Тр. ин-та/ВНИИПИгидротрубопровод. М.,1985. с. 96-99.

64. Еремин И.В., Арцер A.C., Броновец Т.М. Петрология и химико-технологические параметры углей Кузбасса. Кемерово: Притомское, 2001. 400 с.

65. Еремин И.В., Броновец Т.М. Марочный состав углей и их рациональное использование. М.: Недра, 1994. 254 с.

66. Артемьев, В.Б., Еремин И.В., Гагарин С.Г. Петрография углей и их эффективное использование. М.: Недра, 2000. 336 с.

67. Быкадорова В.И., Матвеева И.И., Полферов К.Я. О влиянии петрографического состава на размолоспособность углей//Химия тв. топлива. 1970.№ 4. с. 28-33.

68. Артемьев, В.Б., Еремин И.В., Гагарин С.Г. Условия образования и характерные признаки динамически активных углей. М.: Недра ком-мюникейшенс ЛТД, 1999. 496 с.

69. Вальц Н.Э., Волкова И.Б., Гаврилова О.И. и др. Петрография углей СССР. Л.: Недра, 1982. 191 с.

70. Schapiro N., Gray R.J. The use of coal petrography in coal making// J Fuel. 1964. V.37.№ 281.P. 234-342.

71. Петрология палеозойских углей СССР. М.: Недра, 1975. 213 с.

72. Геолого-углехимическая карта Донецкого бассейна. Вып.VIII. М.: Углетех-издат, 1954. 428 с.

73. Еремин И.В., Броновец Т.М., Супруненко О.И. и др.// Химия тв. топлива. 1983. №4. с.3-15.

74. Аммосов И.И.//Изв. АН СССР.ОТН.1944.№Ю-11. с.784.

75. Гаврилова О.И. // В кн. «Физические и химические свойства ископаемых углей». М-Л.: Изд АН СССР, Вып.Х1У, 1962. с. 173-250.

76. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полимеров. Л.: Химия, 1977. 212с.

77. Боголюбова Л.И., Яблоков B.C. Генетические типы углей среднего карбона юго-западной части Донбасса// Изв. АН СССР. Сер. геол. 1951. №6. с. 110119

78. Тимофеев П.П. Эволюция угленосной формации в истории Земли. М.: Наука. 2006. 206 с.

79. Сысков К.И., Кухаренко Т.А. Определениё конституционных групп в углях ■ и составных частях сорбционным способом// Заводская лаборатория. 1968. №1. с. 25-28.

80. Тимашев С.Ф. Фликкер-шумовая спектроскопия. Информация о хаотических сигналах. М.:ФИЗМАТЛИТ. 2007. 248 с.

81. Эпштейн С.А., Супруненко О.И., Барабанова О.В. Вещественный состав и реакционная способность витринитов каменных углей разной степени вос-становленности//Химия твердого топлива. 2005. №1. с.22-35.