Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Экологическая напряженность в угледобывающих регионах страны во многом определяется высоким уровнем отходов производства угля. Причем значительная часть отходов представлена тонкой фракцией (0-3,0) мм углей, образующейся в процессе добычи, при обогащении, внутришахтном транспортировании, складировании и транспортировании потребителю. Так, тонкодисперсных угольных отходов - шламов в наружных шламонакопителях и конусах только на угледобывающих объектах Печорского бассейна в настоящее время сосредоточено около 5000 тыс. т, что составляет примерно 20-25 % годового объема добычи угля в бассейне. Ежегодный прирост шламов в бассейне не опускается ниже уровня 150-200 тыс. т. При этом задействуются значительные площади для размещения шламоотстойников и шламонакопителей. Приведенные значения количества тонкодисперсных отходов следует дополнить ежегодно накапливающейся на складах угольной мелочью, объемы которой из года в год растут, что вызвано как наличием в углях хрупких компонентов, представленных витринитом и фюзинитом, так и высоким уровнем механизации добычи, транспортирования и погрузки угля.
Исследованиями установлено, что экологическая напряженность, порождаемая сбросом в окружающую среду тонких классов углей, территориально не ограничивается районом добычи и переработки. С угольными потоками в районы потребления доставляется огромное количество тонких классов угля (0-13 мм), которые по самым приближенным подсчетам, достигает 60-80% от объема всего поставляемого угля. Часть тонких классов углей выдувается и просыпается из вагонов при транспортировании. Потери в результате переизмельчения при погрузо-разгрузочных работах и транспортировании не прекращаются и на месте потребления угля, в районе размещения крупных складов, терминалов, сортировок.
Все это, кроме нарушений окружающей среды, влечет за собой ощутимые экономические потери. Гак, из-за недожога, провала через колосники и уноса в атмосферу органической массы при слоевом сжигании печорских углей марок Д, Г и Ж с содержанием мелочи (0-6 мм) 70 % потребление угля увеличивается на 7-10% по сравнению с классифицированным углем.
Сокращение уровня потерь угля в виде шламов и мелочи путем прямого сжигания затруднительно из-за сложности погрузки и транспортирования к месту сжигания. Особенно сложно это выполнить при транспортировании влажных шламов, которые можно сжигать в виде водо-угольной пульпы без дополнительной подготовки, но для доставки к месту
сжигания необходимо строительство сложного технического сооружения -пульпопровода или специализированные транспортные механизмы.
Наиболее доступным, изученным и технически подготовленным методом утилизации является метод окускования угольной мелочи способом брикетирования. Учитывая то, что каменноугольная мелочь скапливается в различных местах в ограниченных количествах и совершенно непригодна для транспортирования, сооружение брикетных фабрик с традиционно используемой технологией, основанной на применении битумных связующих материалов, нерационально. Этот способ включает в себя дорогостоящий и трудоемкий процесс подготовки связующего и шихты, требует сооружения крупного предприятия и может быть эффективным только при значительных объемах производства. Кроме того, имеются ограничения в области применения топливных брикетов с битумным связующим в качестве бытового топлива, как показал опыт, это экологически небезопасно. Способ брикетирования термическими методами, разработкой и внедрением, которой занимается ряд ведущих специалистов страны (В. А. Рубан, А. П. Фомин, О. Г. Потапенко и др.), в настоящее время обладает ограниченной областью применения. Окускование без применения связующих материалов не позволяет получить брикеты с необходимыми потребительскими свойствами. Поэтому наиболее перспективной в этих условиях представляется способ брикетирования с применением тонкодисперсных активных связующих материалов. В условиях разбросанности участков скопления угольной мелочи, как на местах производства, так и в местах потребления, этот способ становится экономически целесообразным. Брикетирование этим способом может осуществляться на установках небольшой производительности от 10 до 100 тыс. т брикетов в год. Размещение, проектирование и строительство таких брикетных установок и фабрик должно производиться на основе специально разработанной многоуровневой системы схеме с учетом наличия объемов сырья и рынков потребления брикетного топлива. Данный способ позволит развернуть сеть брикетных установок и фабрик с небольшими объемами производства, привязав их территориально к крупным складам, сортировкам, терминалам энергетических и коксующихся углей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение экологической безопасности угледобывающих регионов за счет рационального использования отходов добычи и переработки угля.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании отходов добычи, обогащения и переработки угля способом брикетирования с применением
тонкодисперсного активного связующего для обеспечения экологической безопасности районов добычи и переработки.
-анализ количественного и качественного состояния отходов угледобычи и ресурсного потенциала Северных регионов с учетом экологических особенностей этих регионов;
-изучение свойств и качества отходов обогащения и продуктов переработки угля для их рационального использования с целью снижения экологической напряженности в районах добычи и переработки;
-исследование процессов структурообразования при
брикетировании с применением тонкодисперсного активного связующего;
-обоснование новой гипотезы брикетирования каменноугольной мелочи с применением тонкодисперсного активного связующего;
-разработка технологии брикетирования каменноугольной мелочи с применением тонкодисперсного активного связующего;
-разработка эффективной системы утилизации каменноугольной мелочи способом брикетирования с использованием новых организационно-технологических форм;
-оценка эффективности утилизации каменноугольной мелочи способом брикетирования.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Методологической основой
диссертационной работы послужили фундаментальные исследования
отечественных и зарубежных авторов в области утилизации отходов
угледобывающей промышленности, теории брикетирования
каменноугольной мелочи, геодинамики глубинных вод, химии растворов, гелей и студней.
В качестве основных методов исследований использовались; аналитические, петрографические, определения микротвердости минералов, полного полуколичественного спектрального анализа, электронной микроскопии при.увеличении ОТ 20 - до 8000, натурные исследования и эксперименты в производственных условиях. Кроме этого, выполнен комплекс экспериментальных исследований процесса формования брикета на аналоговой установке, процесса сушки на установке с фильтрующим слоем.
На основе выполненных исследований на защиту выносятся следующие ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
l.Ha стадии термообработки брикетов из каменноугольной мелочи с тонкодисперсным активным связующим происходит интенсивная миграция флюидных систем от центра к периферии, которая в результате температурной деструкции и адсорбции компонентов, этих, систем на
поверхности угольных частиц сопровождается циклическим выпадением из них твердой фазы на радиально расположенных относительно центра уровнях, обеспечивающих дополнительное армирование и упрочнение брикета без увеличения расхода связующих материалов.
-
Структурообразование брикета из каменноугольной мелочи с применением тонкодисперсных активных связующих материалов происходит в соответствие с гипотезой, которая, определяя брикет как открытую сильно неравновесную систему в качестве основного фактора самоструктурирования выделяет, протекающую под воздействием внешнего возмущения - давления и температуры, миграцию сложных флюидных систем, состоящих из внутренней влаги, растворенного в ней связующего, минеральных компонентов и органических частиц угля.
-
Эффективная утилизация каменноугольной мелочи с различными качественными показателями возможна посредством ее окускования способом брикетирования с применением тонкодисперсных активных связующих материалов при использовании специально разработанной технологии, основанной на управлении процессом структурообразования и миграции сложных флюидных систем.
-
Снижение экологической напряженности при разработке месторождений Севера и рациональное использование отходов обогащения угля достигаются посредством крупномасштабного использования способа брикетирования с расположением модульных брикетных установок стационарного и мобильного типа в соответствие со специально разработанной многоуровневой системой, учитывающей объемы и условия образования отходов.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается применением современных методов анализа, обширным привлечением статистических данных угольной отрасли, проектных и фактических материалов брикетного производства страны и Печорского угольного бассейна, близкой сходимостью результатов моделирования и теоретических исследований с практическими результатами в области брикетирования, подтверждается положительным опытом практического использования разработок.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные и отдельные положения работы, разработанные в процессе ее выполнения докладывались на Международной конференции "Город в Заполярье и окружающая среда" (Воркута, Нарьян-Мар, Ухта 1994 г., 1996 г., 1997 г.), на научно-технических советах в ОАО "Воркутауголь", на XXVI годичной сессии ученого совета института ИОТТ (г.Люберцы, февраль 1996 г), на межвузовской научно-практической конференции "Освоение минеральных
ресурсов Севера: проблемы и решения" (г. Воркута, апрель 1998 г.), на XIII Международном конгрессе по обогащению угля в Брисбене (Австралия, октябрь 1998 г.), на научно-практической конференции "Неделя горняка" (г.Москва, январь 1999 г.), на конференции "Научно-педагогическое наследие проф. И. И. Медведева" (г. Санкт-Петербург, февраль 1999 г.), на III Всемирном конгрессе по экологии в горном деле (г.Люберцы, сентябрь 1999 г.), на Межрегиональной конференции "Север и экология - 21 век: экологическое образование и воспитание" (г. Ухта, сентябрь 1999 г.).
Образцы продукции - угольные брикеты выставлялись и получили одобрение на выставке 13 Международного конгресса по карбону и перми в (г. Краков, Польша) в 1995 году, на выставке-ярмарке "Современные технологии: ОАО "Авиапром" - март 1996г. (г.Сыктывкар), на первом республиканском съезде представителей малого бизнеса - май 1996 года, на выставке "Будущее России" - сентябрь 1996 г. в (г. Нижний Новгород), на Международной конференции института Адама Смита "Ваши новые возможности: инвестиции в российские регионы" - (Великобритания, г.Лондон) в март 1997 г., на Международной универсальной республиканской выставке "КОМИ ЭКСПО-97 - сентябрь 1997 г. (Финляндия, г. Хельсинки), на универсальной республиканской выставке "КОМИ - ЭКСПО-98 - сентябрь 1998 г. (Венгрия, г. Будапешт), постоянно действующая универсальная выставка "КОМИ ЭКСПО" - сентябрь 1998 г. (г. Сыктывкар), на выставке промышленно-экономического форума "Дни Республики Коми в Кировской области" - май 1999 г. (г. Киров), универсальная республиканская выставка "КОМИ ЭКСПО - 99" (Совет Федерации федерального собрания РФ, ОАО "Газпром" - ноябрь 1999 г. (г. Москва).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем:
в научном обосновании гипотезы структурообразования брикетов из каменноугольной мелочи с тонкодисперсным активным связующим, основанной на механизме миграции сложных флюидных систем под действием давления формования и температуры послеформовочной обработки;
в выявлении закономерностей изменения прочностных свойств брикетов из каменноугольной мелочи с тонкодисперсным активным связующим, зависящих от интенсивности массопереноса, осуществляемого сложными флюидными системами, который обусловлен параметрами режимов брикетирования;
в выявлении в сечении брикета новообразующихся под действием давления и температуры в процессе миграции сложных флюидных систем
микроминеральных кристаллических структур, обеспечивающих сшивание отдельных частиц брикетной шихты в единый комплекс;
- в обосновании метода утилизации отходов добычи, обогащения и
переработки каменных углей способом брикетирования с применением
тонкодисперсного активного связующего.
определены возможности утилизации конкретных видов каменноугольной мелочи способом брикетирования с тонкодисперсным активным связующим;
в целях снижения экологической нагрузки в районах размещения и хранения каменноугольной мелочи на основе многоуровневой системы выполнена схема размещения модульных брикетных установок стационарного и мобильного типа;
на базе выявленных закономерностей структурообразования брикетов разработана универсальная экологически безопасная технология утилизации каменноугольной мелочи способом брикетирования с тонкодисперсными активными связующими материалами;
обоснованы методические рекомендации для управления процессом структурообразования брикета из каменноугольной мелочи с тонкодисперсным активным связующим.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА работы заключается в постановке
цели, задач и разработке методики исследования, в личном участии в
проведении основной части комплекса исследования, в разработке модели
механизма структурообразования и доказательстве ее справедливости, в
разработке технологии брикетирования каменноугольной мелочи с
применением тонкодисперсного активного связующего, в обосновании
метода утилизации каменноугольной мелочи посредством
крупномасштабного ее брикетирования в соответствии многоуровневой системой и во внедрении практических разработок в системе ОАО "Воркутауголь".
-
Строительство брикетной установки на шахте "Воркутинской" ОАО "Воркутауголь" производительностью 5 тыс. т брикетов в год - 1991-92 гг., выпуск брикетов с применением цементного связующего.
-
Выполнен проект строительства брикетной установки на шахіе "Воркутинской" ОАО "Воркутауголь" производительностью 60 тыс. т брикетов в год - 1994 г.
-
Выполнен рабочий проект на строительство опытно-экспериментальной брикетной установки на промплощадке шахты "Северной" ОАО "Воркутауголь" производительностью 72 тыс. т брикетов в
год - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт обогащения твердых горючих ископаемых - г. Люберцы, 1995 г.
-
Строительство брикетной установки производительностью до 5 тыс. т брикетов в год с использованием цемента в качестве связующего в городе Инте- 1995-96 гг.
-
Завершается строительство брикетной установки производительностью 72 тыс. т брикетов в год на промшющадке шахты "Северной" ОАО "Воркутауголь".
-
Ведется работа над проектом строительства брикетной фабрики производительностью 100 тыс. т брикетов в год на объекте ОАО "Гуковуголь" (проектная организация - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт обогащения твердых горючих ископаемых - г. Люберцы).
-
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г. В. Плеханова при чтении лекций по дисциплинам: экология, управление качеством и комплексное использование природных ресурсов.
-
Предложена методика определения цены каменноугольных отходов, учитывающая теплофизические свойства горючих материалов.
ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 34 печатные работы, в том числе 1 монография, получено два патента.
Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова. Программа исследований и решение отдельных вопросов по теме диссертации предусматривалась планом НИР института, экологической программой города Воркуты, региональной экологической программой Республики Коми "Экология 2005", отраслевыми программами.
Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н. Коршунову Г. И., д.э.н. Рыбкину В. К., доц., к.т.н. Экгардту В. И., доц., к.г-м.н. Приходько Ю. Н. за методическую и организационную помощь в
подготовке данной работы, проф. Шувалову Ю. В., за научные консультации в проведении исследований и оформлении настоящей диссертации, д.г-м.н. Остащенко Б. А. за помощь в выполнении специальных лабораторных исследований, а также инженерам Никулину А. А. и Симоновой Н. А.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ