Aglomeracja ciśnieniowa węgli energetycznych i węgla brunatnego

Aglomeracja ciśnieniowa węgli energetycznych i węgla brunatnego
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Węgiel zarówno kamienny, jak i brunatny jest w Polsce paliwem, na które jest duże zapotrzebowanie szczególnie w okresie zimowym, zarówno od strony odbiorców indywidualnych jak i przemysłu. Urobek - węgiel surowy, jedynie w ograniczonej ilości stanowi sortyment handlowy.

Wprowadzenie

Z tego względu w zależności od wymagań odbiorcy, w zakładzie wzbogacania kształtowane są właściwości fizykochemiczne węgli w oparciu o ich skład petrograficzny, chemiczny oraz rodzaj występującej w nich substancji mineralnej. Z drugiej strony wymagania ochrony środowiska naturalnego wymuszają, by węgle stosowane jako paliwo, posiadały wysoką kaloryczność, a niskie zawartości pierwiastków odpowiedzialnych za zanieczyszczanie powietrza. Proces klasyfikacji i wzbogacania węgli, ma głównie na celu odzysk ziaren węglowych z węgla surowego oraz uzyskanie w produktach właściwości fizykochemicznych wymaganych przez odbiorcę, np. obniżenie zawartości: popiołu, siarki, azotu, a podwyższenie zawartości pierwiastka węgla i wodoru, a tym samym wartości ciepła spalania, gwarantujących dotrzymanie limitów emisji. W procesach kruszenia, klasyfikacji i wzbogacania węgli kamiennych ziarna ulegają wielokrotnym zderzeniom, co skutkuje ich samoistnym rozdrabnianiem. Tworzenie dodatkowej ilości frakcji węgli drobnych poniżej 1 mm nie jest korzystne i prowadzi do obciążenia obiegów wodno-mułowych [2÷4]. Brykiety lub pelety powstałe na bazie węgla kamiennego lub brunatnego mogą spełniać wymagania paliwa ekologicznego o obniżonej emisji tlenków azotu, siarki, pyłów, zanieczyszczeń organicznych do atmosfery oraz substancji rakotwórczych. Uzyskanie niskich wskaźników emisyjnych można uzyskać poprzez odpowiednie dobranie typów węgla, katalizatorów oraz odpowiedniego lepiszcza. Poza tym w zależności od wymagań odbiorcy węgle strukturalnie zmienione w wyniku przeróbki mechanicznej mają inną porowatość i wytrzymałość [1].

Przygotowanie nadawy badanych węgli do aglomeracji ciśnieniowej i ich analiza elementarna

Do prób ciśnieniowej aglomeracji użyto dwa rodzaje węgla kamiennego energetycznego typu 31 (miały), pochodzące z KWK "Janina" i KWK "Wieczorek" oraz węgiel brunatny z KWB Bełchatów pole "Szczerców". Wykonano analizę granulometryczną nadaw - węgli surowych, przeznaczonych do badań. Obliczono wychody poszczególnych klas ziarnowych i wykreślono krzywe składu ziarnowego badanych węgli. Wyniki przedstawiono na Rysunku 1. Drobne frakcje węglowe poniżej 2 mm występują w ilości do 25,5% w węglu surowym dla węgla z KWK "Janina", do 22,1% w węglu z KWK "Wieczorek" i do 58% w węglu brunatnym z KWB "Bełchatów" pole "Szczerców" [5].

By nie powiększać udziału klas drobnych z nadawy, odsiano klasę poniżej 2 mm. Klasa powyżej 2 mm została skierowana do procesu rozdrabniania. Przed rozdrabnianiem wykonano analizę granulometryczną.

Obliczono wychody poszczególnych klas ziarnowych i wykreślono ich krzywe składu ziarnowego. Wyniki zestawiono na Rysunku 2.

Proces rozdrabniania klasy powyżej 2 mm prowadzono w kruszarce wirnikowej udarowej listwowej firmy SBM Mineral Processing z Austrii. W tego typu kruszarce otrzymuje się materiał w zasadzie równomiernie uziarniony, w wąskich klasach ziarnowych. Otrzymane po rozdrobnieniu produkty poddano analizie granulometrycznej i jej wyniki przedstawiono na Rysunku 3. Następnie nadawy poniżej 2 mm rozdzielono na wąskie klasy ziarnowe i poddano analizie elementarnej.

Interesującym było zbadanie wpływu sposobu uzyskania klasy poniżej 2 mm na właściwości mechaniczne i energetyczne otrzymanych peletów.

Analiza elementarna węgli energetycznych wykazała, że węgle typu 31 pochodzące z KWK "Janina" i "Wieczorek", zarówno w nadawie naturalnej, jak i w produkcie po rozdrabnianiu w kruszarce listwowej (SBM), w klasie najdrobniejszej od 0 do 0,125 mm mają najwyższe zapopielenie przy niskim wychodzie klasy, wysoką zawartość siarki, a niską azotu, niskie uwęglenie i niską zawartość wodoru, co w konsekwencji znajduje odzwierciedlenie w niskim cieple spalania. W przypadku węgla brunatnego ze złoża Bełchatów z pola "Szczerców" rozkład popiołu, jak i składników elementarnych jest w miarę równomierny, a ciepło spalania produktu o uziarnieniu 0-2 mm wynosi ok. 16800 kJ/kg i jest o 1400 kJ/kg wyższe niż przed kruszeniem [5].

Przeprowadzono również badania składu fazowego próbek węgli kamiennych KWK "Janina" i KWK "Wieczorek" oraz węgla brunatnego ze złoża Bełchatów, stosując metodę rentgenograficzną. Do badań wykorzystano dyfraktometr rentgenowski firmy Philips z systemem XI Pert. Badania wykazały występowanie węgla czystego we wszystkich próbkach. Węgiel z KWK "Wieczorek" posiada budowę krystaliczną.

W jego składzie, oprócz węgla, stwierdzono występowanie SiO2. W próbkach węgla z KWK "Janina" występuje węgiel w postaci krystalicznej oraz SiO2 i kaolinit Al2Si2O5(OH)4. Węgiel brunatny ze złoża Bełchatów cechowała struktura amorficzna.

Badania wstępne granulowania w matrycy zamkniętej

Przed wykonaniem prób granulowania na granulatorze z płaską matrycą, przygotowanych identycznie jak próbki węgli opisane w poprzednim rozdziale, wykonano badania wstępne ich granulowania w matrycy zamkniętej. Badania te miały na celu wyznaczenie charakterystyk zagęszczania oraz pracy właściwej. Przemieszczenie stempla rejestrowane było z dokładnością do 0,01 mm. Siła nacisku stempla była mierzona z dokładnością 2% przy nacisku 5 N/mm2 i 0,2% w górnym zakresie pomiarowym. Pomiar siły nacisku stempla i wysokości zagęszczanej próbki pozwala na sporządzenie charakterystyki zagęszczania w układzie: nacisk normalny, N/cm2; objętość masowa, cm3/g, oraz nacisk normalny, N/cm2; gęstość, g/cm3. Po wykonaniu charakterystyki zagęszczania ustalana jest funkcja opisująca zależność objętości masowej aglomeratu i nacisku normalnego, koniecznego do wywołania jej zmiany. Prowadzone badania wykazały, że funkcja wykładnicza opisana w równaniu (1) w bardzo dobry sposób charakteryzuje zależność nacisku normalnego w zależności od odwrotności gęstości uzyskiwanej pod jego działaniem aglomeratu (wzór 1).

Praca jednostkowa [J/g] wyliczana została jako całka oznaczona z równania (wzór 2).

Wartość stałej całkowania obliczono z warunków początkowych przyjmując, że z chwilą rozpoczęcia procesu granulacji, wartość pracy początkowej jest równa zero. Dla tak sformułowanego założenia stała C wyliczana była z równania (wzór 3).

Na Rysunkach 4÷6 przedstawiono charakterystyki zagęszczania badanych węgli w układzie gęstość pozorna - wymagany nacisk normalny.

Użyte na Rysunkach symbole oznaczają: Lgc - oznacza dodatek lepiszcza w postaci lignosulfonianu sodu, SBM - oznacza próbkę wstępnie kruszoną w kruszarce.

Na Rysunkach 7÷9 przedstawiono zależność wymaganego nacisku normalnego w funkcji objętości masowej. Zależności te posłużyły do wyznaczenia współczynników równania (1) i wyliczenia pracy właściwej, koniecznej do uzyskania wymaganej gęstości aglomeratu zgodnie z równaniem (2).

Korzystając z równań podanych na Rysunkach 7÷9 i z zależności (2) i (3) wyliczono dla badanych węgli wartości pracy jednostkowej.

Wyliczona praca jednostkowa dotyczy tylko pracy koniecznej na uzyskanie określonej gęstości aglomeratu. Nie obejmuje ona pracy koniecznej na pokonanie oporów przepływu masy przez otwory w matrycy peletyzatora i pracy siły tarcia w nich i na powierzchniach matrycy i rolek. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na Rysunku 10.

Analiza zapotrzebowania pracy właściwej koniecznej do uzyskania wymaganego zagęszczenia dla badanych węgli wykazuje, że próbki po rozdrobnieniu wymagają większego nakładu pracy jednostkowej niż próbki węgli surowych.

Próby aglomeracji ciśnieniowej węgli na granulatorze z płaską matrycą

Próby aglomeracji węgli przeprowadzono na laboratoryjnym peletyzatorze z matrycą płaską, który przedstawiono na Rysunku 11.

Peletyzator wyposażony jest w matrycę o średnicy 120 mm, której grubość wynosi 25 mm. Matryca posiada 36 otworów cylindrycznych o średnicy 8 mm. W górnej części otworu wykonane są podcięcia stożkowe na głębokość 2,5 mm i kącie rozwarcia 60o. Granulator wyposażony jest w dwie rolki dociskowe o średnicy 60 mm i szerokości 40 mm. Na powierzchni rolki wykonane jest 30 nacięć równoległych do osi rolek. Nacięcia wykonane są w postaci rowków o szerokości 3 mm i głębokości 3 mm. Prędkość obrotowa matrycy wynosi 300 obr/ min. Granulator napędzany jest silnikiem trójfazowym o mocy 2,2 kW.

Odległość rolek od matrycy ustawiono na wartość h = 0,1 mm. Przed wykonaniem prób matryca i rolki zostały rozgrzane do temperatury około 70oC a pomocą mieszanki otręby-woda-olej-proszek korundowy.

Uzyskane pelety otrzymano w próbie jednokrotnego przejścia surowca przez otwory w matrycy.

Próbki węgla brunatnego przygotowano w następujący sposób: do miału węgla dodano taką ilość wody, aby jej udział masowy wynosił 18%. Następnie składniki mieszano przez 10 minut w mieszarce wałowej.

Tak przygotowaną mieszankę umieszczono w hermetycznym naczyniu na 12 godzin celem uzyskania pełnej homogenności. Następnie mieszankę skierowano na peletyzator. W przypadku węgli kamiennych proces przygotowania odbywał się w następujący sposób: do suchej nadawy węgli dodano po 5% lepiszcza, tj. lignosulfonianu sodu (Lgc) w postaci proszku. Następnie składniki mieszano w hermetycznym naczyniu. Po wymieszaniu składników masę nawilżano do wilgotności 10% udziału masowego i ponownie mieszano. Tak przygotowane mieszanki węgli kamiennych kierowano na peletyzator. Uzyskane w procesie aglomeracji pelety sezonowano przez 24 godziny w powietrzu o temperaturze 24oC. Po tym czasie oznaczono ich wytrzymałość na nacisk. Do badań tych wybrano po 8 sztuk peletów z każdej partii o masie w zakresie 0,7 do 1,2 g. Masę ich wyznaczano z dokładnością do 0,001g. Każdą próbkę poddano działaniu siły niszczącej przyłożonej prostopadle do kierunku działania nacisku normalnego w procesie ich powstawania. Badania wykonano z zastosowaniem maszyny wytrzymałościowej Zwick 1120. Siłę niszczącą mierzono z dokładnością do 1 N. Wytrzymałość masową określono jako stosunek siły niszczącej do masy próbki poddanej badaniom. Wyniki badań przedstawiono na Rysunkach 12÷14.

Badania wytrzymałości na nacisk wykazały, że średnia wytrzymałość peletu z surowego węgla brunatnego wynosi 230 N/g, zaś po SBM jest nieco wyższa i wynosi 258 N/g. Wytrzymałość na nacisk peletów z węgli kamiennych z dodatkiem 5% lignosulfonianu sodu jako lepiszcza jest wyższa w przypadku węgli surowych i wynosi dla węgli "Janina" i "Wieczorek" średnio 336 N/g. Natomiast po rozdrobnieniu ich w SBM wynosi odpowiedno dla "Janina" 200 N/g i 250 N/g dla węgla "Wieczorek".

Wnioski

Wyniki obejmujące analizę elementarną, pracę właściwą i wytrzymałość peletów rozpatrywane łącznie prowadzą do następujących wniosków:
1. W przypadku drobnych frakcji węgli kamiennych przed ich granulacją należy odseparować klasę 0-0,125 mm, co spowoduje zmniejszenie zawartości popiołu, zmniejszenie zawartości siarki i wzrost ciepła spalania, zarówno w przypadku węgli surowych jak i po rozdrobnieniu.

2. Węgle kamienne poddane rozdrabnianiu wymagają większego nakładu pracy właściwej w procesie granulacji ciśnieniowej, a otrzymane z nich pelety wykazują mniejszą wytrzymałość masową.

3. W odniesieniu do węgla brunatnego odsiewanie klasy 0-0,125 mm, jak i rozdrabnianie nie powoduje istotnych zmian ciepła spalania jak i zawartości popiołów. Ich rozdrabnianie powoduje wzrost pracy właściwej zagęszczania i praktycznie nie wpływa na ich wytrzymałość masową.

Literatura

1. Skoczylas N.: Wybrane właściwości mechaniczne i gazowe brykietów węglowych. Przegląd Górniczy 2009, 7-8, 91-95.
2. Dubiński J., Pyka I., Wierzchowski K.: Stan aktualny i niektóre aspekty poprawy jakości węgla użytkowanego w energetyce zawodowej. Przegląd Górniczy 2011, 7-8, 46-52.
3. Błaszczyński S., Szpyrka J.: Weryfikacja przemysłowa wzbogacania drobnouziarnionych węgli metodą wibrofluidalną. Przegląd Górniczy 2011, 7-8, 59-64.
4. Osoba M.: Technologie wzbogacania grawitacyjnego węgli kamiennych w Polsce. Przegląd Górniczy 2011, 7-8, 53-58.
5. Temat Badawczy nr 2.1.2. pt. Badania wzbogacania węgla na drodze przeróbki mechanicznej, 2011 r. AGH - projekt NCBR pt. Zaawansowane technologie pozyskiwania energii. Opracowanie niepublikowane nr 23.23.100.8498/R34.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Aglomeracja ciśnieniowa węgli energetycznych i węgla brunatnego

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!