Badania laboratoryjne granulowania mułów węglowych

Badania laboratoryjne granulowania mułów węglowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Odpady górnicze, zwane również wydobywczymi, to skały pochodzące z robót górniczych i przygotowawczych, udostępniających złoże kopaliny głównej, przede wszystkim skały nadkładu i przewarstwień.




Wstęp

Odpady te stanowią znaczną część ogólnej ilości odpadów; stanowią one ok. 27% wszystkich odpadów przemysłowych (Rys. 1).

Ilość tych odpadów, jak pokazują raporty środowiskowe, nie maleje (Tab. 1), chociaż większość nowotworzonych odpadów zostaje poddana odzyskowi, to jednak ok. 1,6 mln Mg rocznie jest unieszkodliwiana przez składowanie.

Największą część odpadów górniczych stanowią odpady przeróbcze, które obejmują materiał skalny wydobyty wraz z urobkiem i oddzielany w procesach wzbogacania kopaliny (np. w trakcie sortowania, rozdrabniania, płukania, flotacji), a ich udział w ogólnej masie odpadów wynosi średnio 88%. Z dotychczasowych badań wynika, że odpady węglowe mają cechy umożliwiające liczne zastosowania:
  • w budownictwie hydrotechnicznym i inżynieryjnym

  • w produkcji wyrobów budowlanych i ogniotrwałych

  • w rolnictwie jako nawóz lub podłoże

  • przy odzysku węgla, oraz jako surowiec niskoenergetyczny (muły) do spalania w elektrowniach,

  • jako podsadzka i materiał uszczelniający w robotach inżynierskich.
Dużą część wymienionych odpadów stanowią muły węglowe, które powstają w trakcie procesów wzbogacania węgla w zakładach przeróbki mechanicznej kopalń węgla kamiennego. Są to najdrobniejsze klasy o uziarnieniu poniżej 1 mm, w tym klasy poniżej 0,035 mm stanowią nawet do 60% składu ziarnowego mułów. W zależności od parametrów jakościowych (zawartość popiołu i siarki, wartość opałowa), muły te mogą być kierowane bezpośrednio do mieszanek energetycznych lub są deponowane w osadnikach ziemnych poszczególnych kopalń. W pracy zajmowano się mułami dostarczonymi z Kopalni Węgla Kamiennego "Piast", których wytwarzane ilości pokazano na Rysunku 2.

Struktura rozchodu tych mułów wygląda następująco: 72% zagospodarowywane jest jako odpad; 24% sprzedawane w mieszankach energetycznych, a reszta jako deputat i sprzedaż drobnicowa.

Ekonomicznie opłacalne jest zagospodarowanie mułów w mieszankach energetycznych, jednak problemem jest forma występowania mułu surowego. Duża wilgotność powierzchniowa mułu, wynosząca po odwodnieniu na filtrach ok. 25 do 30% powoduje specjalne trudności przy wyładunku tego produktu z wagonów, zwłaszcza w okresie zimowym, z powodu braku skutecznych tanich środków zabezpieczających przed zamarzaniem. Muł w klasie 0,1 mm z dodatkiem rozmytych iłów stanowi zawiesinę praktycznie niedającą się skutecznie w tani sposób odwodnić. Przykładowe parametry techniczne mułów pokazano w Tablicy 2.

W pracy zajmowano się mułami dostarczonymi z Kopalni Węgla Kamiennego "Piast", ponieważ dla tego zakładu była projektowana nowa instalacja do granulowania. Celem badań było określenie sposobu i parametrów pracy urządzeń, aby rozdrobniony i zgranulowany produkt umożliwiał transportowalność zbliżoną do własności miału węglowego i pozwalał na duży stopień rozproszenia podczas tworzenia mieszanek. Badania granulowania przeprowadzono na dwóch typach urządzeń: rynnowym granulatorze wibracyjnym i granulatorze talerzowym. Jako środek wiążący stosowano wapno hydratyzowane i wapno palone (CaO).

Przeprowadzone badania

Rynnowy granulator wibracyjny

Pierwsze badania przeprowadzono na laboratoryjnym rynnowym granulatorze wibracyjnym konstrukcji AGH (Rys. 3).

Z dostarczonego mułu węglowego wydzielono próbki, o masie 1 kg. Wszystkie próbki rozdrobniono mechanicznie, a następnie do próbek dodawano odpowiednią ilość wapna hydratyzowanego.

Parametry pracy granulatora ustalono na podstawie wcześniejszych doświadczeń [3÷5].

Jako pierwszy eksperyment, w celach porównawczych, przeprowadzono proces granulowania próbki mułu węglowego bez użycia czynnika wiążącego, którego produkt został przedstawiony na Rysunku 4. Powstały granulat posiadał skład ziarnowy daleki od zamierzonego.

Ziarna były duże o średnicy powyżej 50 mm i o bardzo dużym rozrzucie (Rys. 4). Powodem takiego zjawiska była zbyt duża wilgotność przemijająca, wynoszącą ok. 26%, która powoduje w trakcie prób zbijanie się materiału w duże niekształtne bryły. Konieczne okazało się dodanie substancji, która zwiąże część wody zawartej w mule. Otrzymany granulat charakteryzuje się dużą plastycznością oraz ma skłonność do zlepiania się, co dyskwalifikuje go jako produkt do dalszej eksploatacji.

Jako pierwszą substancję wiążącą wytypowano wapno hydratyzowane; jest ono bowiem łatwo dostępne i tanie. Dodanie do mułu węglowego wapna hydratyzowanego miało na celu poprawienie przebiegu formowania się grudek (obniżenie wilgotności) surowych przez co zwiększenie stopnia jednorodności wymiarowej grudek; zwiększenie wytrzymałości grudek po wysuszeniu (sezonowaniu) oraz zapobieganie pękaniu grudek podczas ich nagrzewania i podwyższenie temperatury wstrząsu cieplnego.

Eksperymenty przeprowadzono dla 1, 2, 3% zawartości wapna, czyli odpowiednio 10, 20, 30 g (Rys. 5 a, b, c).

Uzyskane granulaty z próbki zawierającej 10 g wapna hydratyzowanego wykazywały się lepszymi parametrami uziarnienia niż te, które powstały bez użycia czynnika wiążącego (Rys. 4). Uzyskano granule charakteryzujące się nieco mniejszym rozrzutem wielkości, o mniejszej wilgotności, plastyczności i skłonności do zlepiania się. Otrzymany produkt procesu grudkowania nie spełnia niestety stawianych wobec niego oczekiwań (Rys. 5a).

Jeszcze lepsze rezultaty otrzymano przy granulowaniu próbki mułu węglowego zawierającej 20 g wapna hydratyzowanego (2% masy mułu węglowego), czego efekt przedstawiono na Rysunku 5b. Otrzymany produkt charakteryzuje się znacznie mniejszą wielkością granulek, niższą wilgotnością, zanikającą skłonnością do zlepiania się oraz większą wytrzymałością.

Granulki o najlepszych własnościach otrzymano w procesie granulowania próbki zawierającej 30 g wapna hydratyzowanego, co stanowi 3% udziału procentowego mułu węglowego. Powstały w wyniku tego procesu produkt przedstawiono na Rysunku 5c. Uzyskane granulaty z próbki, która zawierała 30 g wapna hydratyzowanego wykazywały zadowalające parametry uziarnienia. Otrzymane granulki charakteryzują się odpowiednią wielkością o małym rozrzucie, małą wilgotnością, brakiem skłonności do zlepiania oraz znacznie większą wytrzymałością.

Z przeprowadzonych badań widać, że zastosowanie wapna hydratyzowanego jako czynnika wiążącego muł węglowy daje zadowalające efekty, co można zaobserwować na Rysunku 5c. Na podstawie wyników badań laboratoryjnych można stwierdzić, że ilość dodawanego wapna hydratyzowanego powinna oscylować w granicach 3% masy granulowanego mułu węglowego.

Granulator talerzowy

Ponieważ rynnowy granulator wibracyjny nie daje zadowalającej wydajności (maksymalnie 10 Mg/h), postanowiono przeprowadzić próby granulowania na granulatorze talerzowym, który umożliwia uzyskanie założonej wydajności 50 Mg/h.

Wapno hydratyzowane w badaniach zastąpiono wapnem palonym (tlenek wapna). Tlenek wapnia CaO, pospolicie zwany wapnem palonym, otrzymuje się poprzez prażenie wapieni, tj. węglanu wapiennego CaCO3 zgodnie z reakcją (wzór 1) a poprzez działanie wodą na tlenek wapna otrzymamy (wzór 2).

Połączenie wody z wapnem spowoduje znaczne obniżenie wilgotności i dodatkowo cała mieszanina mułu i wapna podwyższy swoją temperaturę, co w konsekwencji spowoduje dalsze obniżenie wilgotności mułu i pozwoli na pracę urządzenia w niskich temperaturach.

Badania zostały przeprowadzone na laboratoryjnym granluatorze talerzowym konstrukcji AGH (Rys. 6). Granulator napędzany jest silnikiem elektrycznym o mocy 2,2 kW o prędkości obrotowej 1440 obr/min połączonym z reduktorem, który napędza przekładnie pasową napędzającą wał talerza. Prędkość obrotowa talerza regulowana jest za pomocą falownika firmy Siemens i osiąga maksymalną prędkość 50 obr/min. Granulator posiada mechanizm reglulacji kąta nachylenia talerza umożliwiający zmianę pochylenia talerza w przedziale 0÷70o (od poziomu).

Granulator talerzowy AGH posiada konstrukcję umożliwiająca zastosowanie talerzy o średnicach 400 mm, 850 mm oraz 1000 mm oraz wyposażony jest w układ zgarniaków dopasowany do odpowiedniej średnicy talerza (Rys. 6).

Wstępnie przeprowadzono kilka prób granulowania w celu określenia parametrów pracy granulatora, a następnie próby dla różnej ilości dodawanego wapna. Badania zostały przeprowadzone na talerzu o średnicy 850 mm, o zadanej prędkości obrotowej talerza 10 obr/min i kącie nachylenia talerza 44o z układem dwóch zgarniaków.

W badaniach wykorzystano muł węglowy dostarczony z KWK "Piast". Jako dodatek wiążący (obniżający wilgotność) zastosowano wapno palone wysoko reaktywne dostarczone przez Zakład Przemysłu Wapiennego "Trzuskawica", o parametrach określonych w Świadectwie Kontroli Jakości Nr/04/2010 (Rys. 7).

W badaniach na granulatorze talerzowym używano próbek większych o masie 1,7 kg. Pierwszą próbę przeprowadzono dodając do próbki 8,5 g wapna, co stanowiło 0,5% masy granulowanego mułu węglowego. Powstały granulat został zaprezentowany na Rysunku 8-1. W tym przypadku ilość dodanego wapna była zbyt mała, co skutkowało szybkim wydostawaniem się wilgoci z wnętrza granul na ich powierzchnię, a to z kolei powodowało oblepianie mułem ścianek talerza granulatora. Otrzymany granulat charakteryzował się dużą wilgocią, czego wynikiem jest ich duża plastyczność oraz skłonność do zlepiania się, co dyskwalifikuje je jako produkt do dalszej eksploatacji.

Drugą próbę przeprowadzono dodając do próbki 17 g wapna, co stanowiło 1% masy granulowanego mułu węglowego. Powstały granulat został zaprezentowany na Rysunku 8-2. Z przeprowadzonych badań wynika, że ilość dodanego wapna była wystarczająca, co objawiało się poprawnością zachodzącego procesu granulowania. Materiał ulegał granulacji w poprawny sposób i nie oblepiał ścian talerza granulatora, a uzyskane granulaty wykazywały się lepszymi parametrami uziarnienia niż te, które powstały z próbki z dodatkiem wapna w ilości 0,5% masy mułu węglowego. Charakteryzowały się one mniejszym rozrzutem wielkości, mniejszą wilgotnością, plastycznością oraz skłonnością do zlepiania się.

Trzecią próbę przeprowadzono dodając do próbki 25,5 g wapna, co stanowiło 1,5% masy granulowanego mułu węglowego. Powstały granulat został zaprezentowany na Rysunku 8-3. Uzyskany granulat charakteryzował się podobnymi parametrami uziarnienia jak pochodzący z próby nr 2. Otrzymane granulki charakteryzują się odpowiednią wielkością o małym rozrzucie, małą wilgotnością, brakiem skłonności do zlepiania się, co - jak w przypadku próby nr 2 - kwalifikuje je jako produkt do dalszej eksploatacji.

Czwartą próbę przeprowadzono dodając do próbki 34 g wapna, co stanowiło 2% masy granulowanego mułu węglowego. Powstały granulat został zaprezentowany na Rysunku 8-4. Analiza granulatu pokazała, że otrzymany produkt jest zbyt drobny, a powstałe granule podczas przebywania w granulatorze nie ulegały dalszemu procesowi zwiększaniu średnic.

Wnioski

Z przeprowadzonych badań wynika, że muły węglowe bardzo dobrze granulują się na granulatorze talerzowym. Wapno palone jako dodatek wiążący i obniżający wilgotność spełnia swoje zadanie i jest lepszym rozwiązaniem od wapna hydratyzowanego. Wymagana ilość wapna waha się w granicach 1 do 1,5% masowo.

Przepadano również składy ziarnowe otrzymanego produktu (Rys. 9). Z analizy wymagań odbiorców najkorzystniejszy produkt to taki, w którym występuje najwięcej ziaren z przedziału od 5 do 10 mm. Ziarna zbyt małe powodują pylenie, a ziarna duże trudno umieścić w miałowych mieszankach energetycznych.

Najlepszy efekt pod tym względem dały próby 2 i 3, czyli 1 i 1,5% CaO.

Wyznaczenie odpowiedniej ilości dodawanego czynnika wiążącego, wapna palonego, w skali przemysłowej wymaga przeprowadzenia badań eksperymentalnych na prototypie urządzenia do granulowania.

Niemniej jednak, na podstawie wyników laboratoryjnych można stwierdzić, że ilość dodawanego wapna powinna oscylować w granicach 1÷2% masy granulowanego mułu węglowego, i jest w dużym stopniu zależy od wilgotności nadawy (mułu węglowego).

Zastosowanie wapna palonego dla zmniejszenia ilości wody w mułach węglowych przeznaczonych do grudkownia wydaje się w pełni uzasadnione. Ilość wymaganego środka wiążącego jest niewielka i dodatkowo zawarty aktywny Ca będzie reagował w trakcie spalania z siarką i wiązał ją w nierozpuszczalny związek.

W warunkach przemysłowych należy uwzględnić, że mieszanka będzie mocno podgrzewana, co spowoduje odparowywanie wody.

Dlatego też badania przemysłowe należy prowadzić w różnych warunkach atmosferycznych i ustalić ilość dodawanego wapna dla danej temperatury otoczenia. Dla projektowanej instalacji o wydajności 50 Mg/h przewidywane godzinne zużycie CaO (wapna palonego) będzie zawierać się w granicach 500 do 800 kg, jednak maksymalna wydajność układu podawania wapna powinna uwzględniać zarówno większe zawilgocenie mułu, jak i dużą wilgotność otoczenia, stąd też uwzględniając powyższe czynniki urządzenia należy dobrać na wydajność 2-3 razy większą (2 Mg/h), z możliwością płynnego regulowania ilości nadawy. Zbiorniki powinny posiadać pojemność pozwalającą na minimum 20 godzin pracy instalacji. Proponowana wielkość, to zastosowanie dwóch zbiorników o pojemności 18 m3.

Literatura

1. Przegląd Górniczy 2009, 69, 10, 1043.

2. Urząd Marszałkowski woj. śląskiego, Wydział Ochrony Środowiska, dane o odpadach.

3. Banaszewski T., Filipowicz A., Feliks J.: Badania grudkowania w rynnowym grudkowniku wibracyjnym w sposób ciągły. Inżynieria i Aparatura Chemiczna 2003, 3.

4. Banaszewski T., Filipowicz A., Feliks J.: Dobór parametrów drgań dla grudkownika wibracyjnego. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej. Inżynieria Chemiczna i Procesowa 2000, 28.

5. Banaszewski T., Filipowicz A., Feliks J.: Rynnowy granulator wibracyjny.

VI Ogólnopolskie Sympozjum Granulacja, Puławy - Kazimierz Dolny 2001.

6. Patent PL nr 173892: Grudkownik wibracyjny.

7. Patent PL nr PL 197521 B1: Wibracyjny grudkownik rynnowy.
×

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: Badania laboratoryjne granulowania mułów węglowych

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!