Пыль… востребована
Поиск способа утилизации каменноугольной пыли в производстве гранулированных активных углей
В работе исследовано влияние степени помола каменноугольной пыли на качество гранулированного активного угля. При увеличении степени измельчения каменного угля происходит незначительное увеличение микропористости получаемого адсорбента при увеличении среднего размера микропор. Вовлечение в сырье отходов тощего угля приводит к снижению расхода обогащенного слабоспекающегося каменного угля.
Гранулированные активные угли (ГАУ) являются наиболее широко распространенными сорбентами, применяемыми в системах очистки вентиляционных газов, воды и прочих жидкостей, а так же при производстве средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Технология их получения включает в себя следующие стадии: смешение связующего компонента и каменноугольной пыли, гранулирование методом прессования полученной угольно-смоляной композиции (УСК) через фильеры, термообработку сырых гранул, включающую в себя сушку, карбонизацию, обезлетучивание и активацию. Кроме того, получают другие виды сорбентов на каменноугольной основе. Одним из таких видов является дробленый активный уголь (ДАУ), при производстве которого образуется пыль тощего каменного угля марки ТПК, которая на данный момент мало востребована в производстве сорбентов и является опасным для экологической обстановки твердым отходом. Однако данный продукт может быть использован как компонент сырья в производстве ГАУ.
Одной из предварительных стадий производства гранулированных активных углей является стадия приготовления угольной пыли посредством размола каменного угля в шаровой мельнице. Фракция угля марки ТПК характеризуется высоким содержанием мелкой фракции. А поскольку степень измельчения и однородность состава пылевидных частиц может существенно влиять на технологические параметры получения ГАУ, а также на характеристики получаемого активного продукта, предварительно в работе были исследованы образцы пыли каменного угля с различным фракционным составом, на основе которого изготовлена серия образцов ГАУ. В настоящем исследовании использовалась пыль обогащенного каменного угля марки СС (3СС) Кузнецкого бассейна.
Исследования проводились на стендовой установке. Каменный уголь размалывали до пылеобразного состояния на шаровой мельнице в течение различных временных интервалов — от одного до четырех часов, соответственно, были получены образцы СС-1, СС-2, СС-3, СС‑4. Гранулометрический состав проб пыли неспекающегося каменного угля определяли с помощью лазерного анализатора размеров частиц Mastersizer. Результаты исследований приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, основной фракцией во всех образцах являются частицы с размером 0,1–40 мкм. А поскольку в образцах пыли, полученных при размоле в течение двух и трех часов, наблюдаются близкие значения содержания основных фракций, решено образец СС-2, время размола которого составило два часа, исключить из дальнейших исследований.
Из образцов пыли с разным гранулометрическим составом получены серии гранулированных сорбентов. Первоначально в двухлопастном смесителе были приготовлены угольно-смоляные композиции путем смешения соответствующего образца пыли каменного угля со связующим компонентом, полученным на основе смеси каменноугольных и лесохимических смол. Соотношения компонентов каждой УСК представлены в таблице 2: с увеличением степени измельчения каменного угля увеличивается количество связующего компонента, необходимого для приготовления пластичной УСК, что в дальнейшем может приводить к увеличению массовой доли летучих веществ в гранулах.
Далее проводилось формование полученной композиции в гранулы и термообработка образцов сорбента. По окончании термообработки, финальной стадией которой является активация гранул в среде перегретого водяного пара при температуре 900-950 °С, образцы ГАУ исследовались по основным показателям качества. Из данных, представленных в таблице 3, видно, что основные характеристики полученных образцов ГАУ соответствуют техническим требованиям, предъявляемым к активным углям марки АР. Следует отметить, что наблюдается небольшой рост значения равновесной активности по толуолу для ГАУ, полученных при использовании пыли каменного угля с большей степенью его измельчения. Значительного влияния фракционного состава исходной пыли каменного угля на коэффициент объемной усадки гранул на стадиях обезлетучивания и активации не выявлено.
В таблице 4 представлены характеристики пористой структуры полученных активных углей. При увеличении степени размола неспекающегося каменного угля в полученных образцах ГАУ наблюдается некоторое увеличение объема микропор при одновременном увеличении их размера.
Проведенные исследования показали, что увеличение доли частиц мелкой фракции (0,1–40 мкм) в пыли каменного угля приводит к увеличению сорбционной емкости получаемых сорбентов, а также способствует некоторому увеличению микропористости угля при незначительном увеличении среднего размера микропор. А значит, степень измельчения каменноугольной пыли оказывает непосредственное влияние на свойства гранулированного активного угля. При содержании частиц угольной пыли с размером 0,1-40 мкм до 79±0,5% на стадии приготовления УСК расход связующего снижается на 3%.
Поскольку приведенные выше исследования подтвердили, что мелкодисперсная угольная пыль не приводит к ухудшению качества ГАУ, далее была исследована возможность получения ГАУ как на основе чистой пыли тощего угля ТПК, так и в смеси с пылью марки СС (3СС).
Было приготовлено три пробы УСК с различным содержанием угля марки ТПК, составы которых приведены в таблице 5.
По окончании производственного цикла получения гранулированного углеродного сорбента проведен анализ характеристик пористой структуры готовых продуктов (таблица 6). Полученные ГАУ характеризуются развитой системой микропор и очень небольшим содержанием мезопор.
Также были исследованы технические характеристики полученных сорбентов (таблица 7). Исследования показали, что введение в состав композиции, наряду со слабоспекающимся, отходов тощего угля в соотношении 1:1 позволяет уменьшить расход обогащенного каменного угля марки СС (3СС). При этом сохраняется высокая механическая прочность получаемого ГАУ (порядка 80-83%), а сорбционная активность по модельным веществам достигает высоких значений, в частности, равновесная активность по толуолу порядка 159 г/дм3.
Таким образом, выявлена целесообразность введения невостребованной пыли тощего угля марки ТПК при производстве гранулированных углеродных сорбентов. Это приводит не только к удешевлению продукта, но и улучшению некоторых параметров его качества.
Анна Чучалина,
Елена Фарберова,
Валерий Рябов,
Антон Ширкунов,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
anniextt@mail.ru