ІННОВАЦІЙНА СУШКА «КРОНОС». ГЛУБОКОЕ нетермічний ЗНЕВОДНЕННЯ ВУГІЛЛЯ І МІНЕРАЛІВ
Ідеї зневоднення вологих в'язких і сипучих матеріалів за допомогою сорбентів вже більше 50 років. Інженери і комерсанти з різних країн світу весь цей час по-своєму намагалися впровадити її на виробництві, але всякий раз розвиток технології зупинялося на етапі лабораторних дослідів і теоретичних описах пристроїв установок.
Фахівці компанії «Коралайна Інжиніринг», застосувавши комплексний підхід до вирішення проблеми, змогли знайти шляхи реалізації ідеї зневоднення вугілля сорбентами на промисловій основі. Вони узагальнили і переробили досвід попередніх дослідників, і вибрали свій шлях розвитку технології. Шлях, де на перше місце було поставлено властивості сорбентів циклічно забирати і віддавати вологу з найбільшою ефективністю і стабільністю, зберігаючи їх структурну стійкість при максимально можливій кількості циклів.
Більшість застосовуваних сьогодні технологій механічного зневоднення вугілля і мінералів класу крупності 0-3 мм засновані на здатності вільної і частково утримується поверхнею твердих частинок вологи відділятися від поверхні і рухатися до фільтрує перегородці через шар матеріалу, обложеного на цій фільтрує перегородці, під дією прикладених сил. Рух води відбувається за рахунок створення різниці тисків по обидві сторони фільтрувальної перегородки. Різниця тисків може бути створена за допомогою великих інерційних сил, що виникають при обертанні кошика або ротора центрифуги з матеріалом, а також за допомогою насосів високого тиску, компресорів і вакуумних насосів, які використовуються, наприклад, в камерних фільтр-пресах і вакуумних фільтрах.
Термічний вплив дозволяє осушити матеріал фактично до абсолютно сухого стану, але інтенсивність високотемпературного впливу строго обмежена вимогами по пожежо- та вибухонебезпечності. Термічна сушка вимагає фінансових витрат на будівництво окремого корпусу, витрат на паливо і забезпечення на експлуатує підприємстві обов'язкових заходів, спрямованих на охорону праці, безпеку виробництва і запобігання забруднення навколишнього середовища. У структурі собівартості збагачення термічна сушка займає близько половини витрат.
Рішення про встановлення термічної сушки вугілля виправдано при будівництві нових або реконструкції діючих фабрик тільки в тому випадку, коли передбачається сушка щодо великих обсягів вугілля (80-200 т / год по вологому продукту), вугілля відноситься до дефіцитної марці і, відповідно, великі капітальні витрати можуть окупитися. Вибір типу сушильного апарату сьогодні досить широкий і визначається технологічними і економічними показниками. Наприклад, пропонована компанією «Коралайна Інжиніринг» і визнана фахівцями найефективнішою і безпечної технологією термічної сушки [2] - сушка в вертикальній трубі-сушарці - при однаковому навантаженні по испаряемой вологи вимагає в 2-3 рази менших витрат на електроенергію і 2-2, 5 рази менше металомістка в порівнянні з сушаркою в «віброкиплячому» шарі і сушильним барабаном.
У багатьох випадках для досягнення контрактних специфікацій досить підсушити шлам після центрифуг або фільтрів на 5-7%. Застосування дорогих технологій термічної сушки на настільки малих обсягах буде економічно недоцільно. Одним з безпечних і економічних рішень проблеми сушки шламів вугілля є технологія зневоднення з використанням сорбентів.
При контакті сорбенту з вологим матеріалом, завдяки наявності в структурі, і, відповідно, на поверхні сорбенту активних катіонів металів (Al, K, Ca і т.п.), диполярного молекули води притягуються до катіонів, проникаючи всередину структурованого порового простору, закріплюються на поверхні пір і заповнюють великий обсяг порового простору. Так як адсорбційна сила утримання молекул води катіонами металів сухих сорбентів вище, ніж молекулами осушуваних матеріалів, то сорбенти легко витягають воду з матеріалу і вбирають її в себе. Сила сорбційної активності сорбентів така, що сорбент витягує протягом відносно короткого проміжку часу з матеріалу вільну, плівкову і навіть частина внутрішньої прочносвязанной вологи.
Таким чином, при контакті вологого матеріалу з сорбентом відбувається його набагато більш повне і ефективне зневоднення в порівнянні з механічними способами.
Економічність технології проявляється в першу чергу в простих технічних рішеннях: після контакту з матеріалом увібрали в себе вологу сорбенти і осушене матеріал поділяються простим грохоченням на звичайних ситах з діаметром отворів більшим, ніж розмір найбільшої частки вугілля. Сорбенти відправляються на регенерацію - витяг адсорбированной вологи, - яка буває термічної, із застосуванням вакуумування, високого тиску, комбінованої та ін. І далі повторно використовуються для осушення наступної порції вологого матеріалу, тобто використовуються багаторазово.
Позитивний ефект від застосування сорбентів заснований на тому, що на випаровування одного і того ж обсягу води в певних умовах при зневодненні сорбентами потрібно менше енергії, ніж при прямому енергетичному впливі на вологий осушуваних матеріал тонких класів, що обумовлено фізичними та структурними властивостями сорбенту.
Ідея застосування сорбентів для осушення вологих і в'язких матеріалів пропонувалася інженерами ще в 1960-і рр. Одним з відомих патентів того часу є патент Нельсона Северінгхауса (Nelson Severinghaus), який запропонував світу ідею осушення сорбентами вологих пилоподібних матеріалів в транспортному потоці - на конвеєрі і транспортуючому шнеку (рис.1) [3].
До початку XXI століття ідея отримала ще один імпульс розвитку завдяки американській компанії Nano Drying Technologies, яка запропонувала теоретичні рішення по безперервному осушенню мінеральних і вугільних шламів наносітамі (сорбентами). В основу рішень лягли проведені професором Вірджинського технологічного університету паном Луттрелом (G. Luttrell) і його колегами лабораторні дослідження [4].
Очевидними причинами стримування активного розвитку цієї технології є: недостатня вивченість властивостей і теоретичних основ взаємодії сорбентів з вугіллям, відсутність на ринку потрібних сорбентів, а також відсутність ефективних та економічно прийнятних способів регенерації сорбентів.
Російський підхід до задачі застосування сорбентів у вугільній галузі
Фахівці російської компанії «Коралайна Інжиніринг» теж звернули увагу на цікаве рішення задачі глибокого зневоднення вугільних шламів. Проведені в лабораторії компанії дослідження [5] стали основою для отримання патенту [6], що юридично застрахувало компанію від використання конкурентами отриманих результатів і дозволило почати активний розвиток проекту по впровадженню сушки в виробництво.
Для об'єктивної оцінки можливостей роботи сорбентів з крапельної і плівковою вологою і впливу властивостей осушуваного матеріалу на технологію процесу була розроблена унікальна методика лабораторних циклічних випробувань. Професійні та дружні зв'язки з углеобогатітелямі Кузбасу, Воркути, Якутії і Донбасу дозволили провести численні дослідження на вугіллі різних марок, в т.ч. з високим вмістом летких речовин. Як осушуваного матеріалу використовувалися концентрати осадітельного-фільтруючих центрифуг, кек стрічкових і камерних фільтр-пресів і ін.
На підставі отриманих даних було розроблено теоретичне і експериментальне обґрунтування застосування даної технології в промисловому масштабі, запропоновані комплексні технологічні і технічні рішення реалізації технології по нетермічний зневоднення вугілля сорбентами в умовах діючих і споруджуваних збагачувальних фабрик. В даний час розпочато виробництво дослідно-промислової установки «Кронос» (рис.2), на якій з літа поточного року заплановано проведення напівпромислових випробувань по зневодненню різних марок вугілля з різною вологою. Конструкція установки дозволяє проводити безперервні циклічні випробування з використанням різних варіантів регенерації.
Проблеми застосування сорбентів на вугільних фабриках
Як було вказано вище, одним із стримуючих факторів у розвитку технології є відсутність сорбентів, які найбільш повно відповідають вимогам при роботі з вологими вугільними шлаками. Так, однією з основних проблем їх застосування є специфіка самого процесу масообміну вологою між матеріалом і сорбентом.
В даний час традиційною сферою застосування сорбентів є осушення газів. Переважна кількість існуючих на ринку типів сорбентів, теоретично придатних для сушіння твердих сипких матеріалів, призначене для сорбції парів води або інших небажаних домішок з газів різної природи в статичних умовах. Газ проходить через шар сорбенту безперешкодно, не порушуючи його структуру. У процесі сушіння твердих сипких матеріалів на перше місце постає питання зносостійкості гранул в процесі перемішування, сортування, транспортування.
Технологія осушення вологих матеріалів сорбентами, в тому числі вологих концентратів вугілля дрібних класів і вугільних шламів, повинна вирішити такі завдання:
- зменшити знос сорбентів, викликаний абразивностью вугілля і механічним впливом виконавчих органів установки;
- забезпечити роботу з великою кількістю крапельної вологи, що сприяє структурному руйнування гранул сорбенту;
- скоротити кількість часу і енергії на процес сорбції та десорбції сорбентом при видаленні з матеріалу великої кількості вологи.
З технологічних вимог, що пред'являються до сорбентам, необхідно відзначити два:
- здатність сорбенту швидко вбирати велику кількість крапельної вологи (динаміка сорбції);
- здатність сорбенту швидко і з малими витратами енергії віддавати вологу в процесі регенерації (динаміка десорбції).
Від гранулометричного складу вугілля і його зольності також залежить ефективність поділу суміші сорбенту з вугіллям після етапу перемішування. Наявність великої кількості тонкої складової в масі вугілля і її висока зольність сприяють комкованию тонких фракцій вугілля з-за нерівномірності процесу масопереносу вологи. Грудки за своїми розмірами можуть досягати і навіть перевершувати розміри гранул сорбенту (рис. 6), володіючи при цьому значною міцністю. Як результат, в процесі просіювання частина осушуваного матеріалу неминуче буде йти разом з сорбентом в вузол регенерації, засмічуючи його і зменшуючи ефективність подальшої роботи сорбенту.
Запуск пілотної установки і подальша відпрацювання технології на різних вугіллі допоможуть більш точно визначити ті точки технологічного процесу в умовах діючих фабрик, де застосування сушки сорбентами буде найбільш ефективно і менш затратно. За результатами цих робіт у компанії «Коралайна Інжиніринг» з'явиться можливість запропонувати своїм клієнтам безпечну, ефективну, які швидко окупаються установку для сушки вугільних шламів продуктивністю до 70 т / год по вологому продукту, собівартість застосування якої в перерахунку на тонну висушеного товарного концентрату порівнянна із собівартістю роботи термічних сушарок великої продуктивності, але при значно менших капітальних витратах.
Запропонований спосіб зневоднення рудних і нерудних сипучих матеріалів шламової крупності дозволяє безпечно осушувати широкий ряд матеріалів, зокрема, вугілля, в тому числі з високим вмістом летких речовин (більш 30%), властивим вугіллю марок Б, Д, Г і Ж, а також окислені вугілля. При застосуванні розробленого фахівцями компанії способу короткоцикловой десорбції сорбенту при контакті гранул сорбенту з вологим вугіллям суміш нагрівається до температури не вище 100 ° С, в т.ч. через екзотермічної реакції поглинання вологи сорбентами, що недостатньо для займання вугілля. Таким чином, установка є вибухо- і пожежної щодо будь-яких типів і марок вугілля.
Завдяки основних переваг запропонованого способу сушіння - відсутності термічного впливу на осушуваних матеріал для досягнення необхідних значень вологи продукту, простоті конструктивних рішень і відсутності значних капітальних витрат - ця технологія може успішно застосовуватися не тільки у вугільній і рудної, а й інших галузях промисловості, наприклад в медицині , сільському господарстві для осушення відходів птахофабрик [7] і тваринницьких господарств та ін.
Список використаної літератури