Статья «Криомагнитная сепарация пылеугольного топлива путь энергосбережения и улучшения экологических показателей работы тэс»

В.П. Икономопуло, А.Я. Лаптиенко, Н.В. Таряник и др.

Статья «Криомагнитная сепарация пылеугольного топлива – путь энергосбережения и улучшения экологических

показателей работы ТЭС»

ВВЕДЕНИЕ

Химический состав углей, руд, содержащих черные, цветные и редкоземельные металлы, и другого минерального сырья определяет не только качество и конкурентоспособность конечного продукта, но зачастую и экологическую безопасность регионов с высокой концентрацией промышленности.

Проблемы, возникающие при использовании основной массы отечественного угля (объем ежегодной добычи более 80 млн. тонн) и ограничивающие его экспорт, определяются относительно большим содержанием серы и высокой зольностью. В некоторых марках угля сернистость достигает 2,5 – 4 %, а зольность 35 – 40 % и больше. Эти два показателя дают основную массу вредных выбросов теплоэлектростанций (ТЭС) (67 – 71 %).

Очистка угля от серы перед его сжиганием перспективна для любых технологий, в том числе для технологий сжигания угля в кипящем слое под давлением, для металлургических технологий использования пылевидного угля в доменном процессе, а также для приготовления водоугольного топлива.

Позитивные результаты, полученные в различных странах мира по удалению пиритной серы и других золообразующих соединений из угля при помощи магнитных сепараторов с сильными магнитными полями (до 5 Тл), которые создаются сверхпроводниковыми соленоидами, дали основание для разработки экологически чистого промышленного оборудования, которое существенно уменьшает сернистость и зольность угля.

Результаты НИОКР, проведенных ДонФТИ НАН Украины, ПКТИ «Гипромашуглеобогащение» г. Луганск, Государственной горной академией Украины г. Днепропетровск, ННЦ «КПИ» г. Киев вместе с предприятиями – потребителями угольной продукции, подтвердили эффективность применения сверхпроводниковых магнитных сепараторов для очистки угля от серы и других золообразующих, в том числе вредных и токсичных примесей.

Вследствие длительной интенсивной угледобычи в шламонакопителях обогатительных фабрик складируются миллионы тонн угольных шламов – отходов традиционной технологии углеобогащения – флотации, которые занимают огромные территории. Назрела необходимость переработки этих отходов, как с целью извлечения полезного сырья, так и с целью рекультивации земель. Это является еще одним важным направлением применения криомагнитной сепарации.

Реалии сегодняшнего дня требуют резкого сокращения потребления природного газа и жидкого высокореакционного топлива в энергоемких производствах, к которым в первую очередь относятся (ТЭС) и металлургические предприятия, переориентируя их на максимально возможное использование низкосортного твердого топлива.

Одновременное решение этих двух задач – экологической и энергосберегающей – возможно с помощью высокоградиентной криомагнитной сепарации, позволяющей производить глубокую очистку любых углей, углеотходов и, в принципе, любого другого минерального сырья в существующих технологических процессах. При этом обогащаемое сырье может транспортироваться в виде пульпы (мокрая сепарация) или в виде аэросмеси (сухая сепарация), а само обогащение происходит без применения флотореагентов и, что немаловажно, непосредственно в технологической схеме производства, использующего обогащенный продукт.

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В топливно-энергетическом комплексе Украины уголь является основным технологическим сырьем и энергетическим топливом. Около трети добываемых углей потребляется металлургической промышленностью, а остальные используются в энергетике. В энергетических углях содержание серы составляет 2-4%, а зольность нередко превышает 40%. В коксующихся углях содержание серы и породы достигает соответственно 2-3% и 20-35%. Это определяет основную массу вредных выбросов в атмосферу тепловых электростанций (67-77%) и коксохимзаводов (около 50%). Кроме того, высокая сернистость углей приводит к ускорению коррозии оборудования котлов, ограничивает возможности использования в коксохимии некондиционных по сере углей.

Тем не менее, в настоящее время наметилась нарастающая устойчивая тенденция использования в качестве топлива ТЭС забалластированных (высокосернистых и высокозольных) углей из-за истощения запасов высококачественного топлива.

Одним из новых решений, позволяющих минимизировать расход дорогого высокореакционного подсветочного топлива и обеспечить надежную и эффективную работу топок котлоагрегатов при работе на низкосортных высокозольных углях, является введение в технологическую схему пылеподготовки на ТЭС высокоградиентного криомагнитного сепарационного оборудования для обогащения и десульфурирования измельченного пылеугольного топлива непосредственно в потоке перед его факельным сжиганием в топках котлов энергоблоков.

Выполненный совместно со специалистами института «ДонТЭП» расчет показал, что годовая экономия, образованная за счет внедрения технологии криомагнитной сепарации угольной пыли в схеме пылеподготовки только одного энергоблока ТЭС мощностью 300 МВт., составляет 16,9 млн.грн/год при сроке окупаемости капитальных вложений на внедрение этой технологии 1,43 года.

Очистка угля от золы и серы перед его использованием экономически эффективна и технически перспективна для любых технологий, в том числе для металлургических технологий вдувания пылеугольного топлива в фурмы домен.

На протяжении почти 30 лет на Донецком металлургическом заводе разрабатывается концепция замены части кокса и природного газа низкозольным пылеугольным топливом (ПУТ), создано и внедрено в промышленную эксплуатацию технологическое оборудование для промышленного приготовления и вдувания ПУТ в горн. В то же время промышленный опыт показал, что одной из причин, сдерживающих дальнейшее форсирование применения ПУТ, является относительно высокое содержание золы (12-13%) и серы (1,5-2,3%) даже в угольном флотоконцентрате, полученном традиционными методами обогащения. Создание оборудования для глубокой очистки пылеугольного топлива криомагнитными является одним из эффективных средств повышения расхода ПУТ с возможным одновременным снижением расхода кокса до 50% при условии сохранения на базовом уровне производительности печи и качества выплавляемого чугуна или даже при улучшении этих показателей.

Выполненная оценка технико-экономической эффективности обогащения криомагнитным сепаратором пылеугольного топлива, вдуваемого в фурмы домен с целью экономии расхода кокса и уменьшения затрат на десульфурацию чугуна, выполненная совместно со специалистами физико-металлургического факультета ДонНТУ на примере доменных печей №1, 2 ДМЗ, дает годовой эффект в размере 2,16 - 3.78 млн.грн/год в зависимости от марки угля, его зольности и содержания в нем серы. Причем, чем более зольный или более сернистый угольный концентрат, тем больше экономический эффект от внедрения его криомагнитной очистки.

Ориентировочные сроки окупаемости капитальных вложений на внедрение технологии криомагнитной очистки ПУТ, вдуваемого в фурмы доменных печей, составляют 1,25 – 2,19 года.

ТЕХНИКА ДЕСУЛЬФУРАЦИИ И ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЕЙ ВЫСОКОГРАДИЕНТНОЙ КРИОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИЕЙ

Основная масса серы в углях Донецкого бассейна представлена в виде мелких пиритных включений (FeS₂), практически полное раскрытие которых достигается при измельчении углей до крупности менее 0,1 мм.

Большинство компонентов, входящих в исходный углепродукт, относятся к классу парамагнетиков, то есть веществ, обладающих слабыми магнитными свойствами, но их удельные магнитные восприимчивости отличаются в десятки и сотни раз. Это различие позволяет, пропустив исходную водо-угольную пульпу (или пылеугольную аэросмесь) через высокоградиентное магнитное поле, разделить ее на магнитную и немагнитную фракции

Эффективность процесса магнитной сепарации определяется величиной магнитной силы, действующей на находящуюся в зоне сепарации слабомагнитную (парамагнитную) частицу. Эта сила равна произведению магнитной восприимчивости материала частицы, ее массы, величины магнитной индукции поля и его градиента.

Поскольку магнитная восприимчивость и масса частицы весьма малы, то для получения достаточной магнитной силы, определяющей качество и производительность сепаратора, необходимы высокие значения магнитной индукции и градиента поля. Это не позволяет распространить для обогащения углей многолетний опыт эксплуатации на горнорудных предприятиях электромагнитных сепараторов, используемых для извлечения из горной массы сильномагнитных железосодержащих соединений, в первую очередь по причине низкой магнитной индукции электромагнитов, обычно не превышающей 1,2 Тл.

Альтернативным решением является применение в сепараторах в качестве источников магнитного поля сверхпроводниковых соленоидов (СПС). В таком соленоиде, намотанном относительно тонким сверхпроводящим проводом (диаметром около 1 мм) и охлажденном до температуры жидкого гелия (-269⁰С), величина тока может достигать нескольких сотен Ампер, а если при этом токе начало и конец соленоида замкнуть специальным сверхпроводящим ключом, то установленный ток будет циркулировать бесконечно долго (пока поддерживается температура жидкого гелия).

Следовательно, сверхпроводящий соленоид в замкнутом состоянии, не потребляя электроэнергии подобно постоянному магниту, является источником магнитного поля, напряженность которого может в 5 – 10 раз превышать поле самого мощного электромагнита. Электроэнергия потребляется только на ожижение гелия в герметичной системе охлаждения соленоида, в результате чего эксплуатационные расходы сверхпроводниковой магнитной системы по этому показателю в 25 – 30 раз ниже, чем при применении электромагнита. Примерно во столько же раз масса криомагнита меньше массы электромагнита.

Для обеспечения возможно больших значений градиента магнитного поля, кроме увеличения самой магнитной индукции, зона сепарации, через которую пропускается аэросмесь, заполняется неоднородным магнитным материалом, например, сетками, кассетами с шариками, рифлеными пластинами, образующими множество разноименных магнитных полюсов. Обычно эти ферромагнитные элементы (матрицы) располагаются на образующих барабанов, роторов, колес в области наибольшей магнитной индукции.

В состав сепаратора (рис.1) входят криомагнитная система (КМС), включающая в себя гелиевый криостат 2 со сквозным горизонтальным каналом, микрокриогенную систему, служащую для термостатирования радиационных экранов криостата (40 и 80 К), гелиевый микроожижитель, поддерживающий необходимый уровень жидкого гелия в криостате, а также рабочий орган - колесо с ферромагнитными матрицами, устройство подачи исходного продукта (пульпы или аэросмеси) 6, устройство приема очищенного угля (немагнитной фракции) 8, устройство приема отходов сепарации (магнитной фракции) 9, механизм вращения колеса 12, 16 и 17. Ферромагнитные матрицы представляют собой кассеты, заполненные ферромагнитными просечно-вытяжными сетками толщиной 0,4–0,8 мм с ромбическими отверстиями от 1,52,5 до 513 мм.

Исходная аэросмесь поступает на вращающееся колесо в верхней его части в области наибольшего магнитного поля. Немагнитная фракция, не взаимодействуя с полем, проходит через матрицу в устройство приема обогащенного продукта. Магнитная фракция задерживается намагниченными сетками матрицы и, продолжая вращение вместе с рабочим колесом, оказывается внизу, где магнитное поле практически отсутствует. Здесь магнитная фракция сдувается обратным потоком воздуха и направляется в сборник отходов.

РЕЗУЛЬТАТЫ КРИОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ УГЛЕЙ И ОТХОДОВ

УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ

Исследования показали, что сепарация пылевоздушной угольной смеси при магнитной индукции до 5 Тл обеспечивает уменьшение содержание серы на 65 – 80%, зольности на 40-60% и соответствующее увеличение теплоты сгорания на 15 – 30%. Так, теплота сгорания пыли АШ ТЭС «Славянская» до сепарации равнялась 22 МДж/кг, а после сепарации даже при индукции всего лишь 1,0 Тл она увеличилась до 23,9 МДж/кг, а при 5 Тл уже составляла 27,3 МДж/кг. Зольность при этих полях снизилась с 31,2 до 25,7 и 16,6% соответственно. Снижение содержания серы происходило таким образом: в исходном углепродукте – 1,86%, а затем 1,22% и 0,69% после сепарации при индукциях 1,0 и 5,0 Тл соответственно.

Последние технологические исследования ДонФТИ НАН Украины совместно с ИнФОУ НАН Украины и кафедрой теплоэнергетики и АЭС НТУУ «КПИ» по магнитной очистке угля и углеотходов на высокоградиентных криомагнитных стендах-сепараторах с магнитной индукцией до 9Тл и проведенные физико-химические и магнитные анализы показали, что извлечение серы пиритной достигает 80-90%, уменьшение зольности – 35-60%, при этом теплота сгорания обогащенных магнитной сепарацией углепродуктов увеличивается на 20-35%.

Данные, представленные в таблице 1, наглядно иллюстрируют эффективность криомагнитного обогащения. В ней приведены некоторые параметры технического анализа (зольность, теплота сгорания, содержание общей и пиритной серы) исходных продуктов и разделенных фракций, полученные в магнитном поле с индукцией 5 Тл. Магнитная очистка необогащенного угля (питание флотации), наряду со снижением зольности с 19 до 10,5%, позволяет уменьшить содержание общей и пиритной серы соответственно в 2 и 2,5 раза и увеличить теплоту сгорания почти на 17%.

Таблица 1.

№ п/п	Наименование углепродукта	Фракция	Параметр
№ п/п	Наименование углепродукта	Фракция	Зольность, %	Сера общая, %	Сера пиритная, %	Теплота сгорания, МДж/кг
1	Питание флотации	Исходная Немагнитная Магнитная	19,0 10,5 64,0	1,90 0,85 3,75	1,40 0,55 2,68	28,30 33,10 9,90
2	Отходы флотации	Исходная Немагнитная Магнитная	66,5 37,0 88,8	1,50 1,15 1,87	0,98 0,40 1,78	10,60 13,90 4,00
3	Энергетический уголь	Исходная Немагнитная Магнитная	31,2 16,6 64,1	2,25 1,12 3,54	1,86 0,66 2,20	22,00 27,35 9,16

Зольность отходов флотации (66,5%) практически соответствует зольности магнитной фракции (64,0%), но содержание общей серы (3,75%) и пиритной (2,68%) в последней значительно превосходит эти показатели для отходов флотации (1,50 и 0,98%), что свидетельствует о преимуществе магнитной сепарации в сравнении с флотацией в части извлечения серы. Еще лучшие соотношения качественных параметров наблюдаются при магнитной сепарации энергетических углей.

ПЛАНИРУЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА

КРИОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

Промышленный высокоградиентный криомагнитный сепаратор со сверхпроводниковой магнитной системой будет иметь следующие ориентировочные параметры:

производительность по входному углепродукту, тонн/час.... -.30 – 60;

степень извлечения пиритной серы от начального значения, % .- 80 –90;

степень снижения зольности от начального значения, % -.30 – 60;

расход жидкого гелия при запуске сепаратора, дм³ -. 500;

расход жидкого азота при запуске сепаратора, дм³ -.500;

питание от трехфазной сети напряжением, В - 380;

потребляемая мощность, кВт - 15;

масса, т ................. - 10;

габаритные размеры, м - 4,5 х 3,5 х 1,8.

ЛИТЕРАТУРА

Laptienko A., Tarianik N., Temerti G., Cherniy O., Uferov V. Coal products dresing by high gradient superconducting magnetic separator // Advances in Criogenics Engineering. Vol.47, 2002. Plenum Press New York and London.
Остапенко П.Е., Петров И.М., Малюк О.П., Ангелова С.М. Повышение эффективности обогащения слабомагнитного сырья на основе применения сепараторов со сверхпроводящими системами // Горный журнал. – 2002, №3.
Остапенко П.Е., Петров И.М. О применении магнитной сепарации для обогащения редкометалльных руд // Цветные металлы. – 1989, №6.
Unkelbach K.H., Wasmuth H.D. A Superconductive Drum Type Magnetic Separator for the Beneficiation of ores and Minerals // ХУ International Mineral Processing Congres, 2-9 Jule, 1985, T.1, p. 371-380.
Yan L.G. and other. A laboratory superconducting HGM separator // IEEE Transiction on magnetics. Vol.25, N2, March, 1989.
Литовкин В.В., Лаптиенко А.Я., Федоров В.И. Физическая очистка угля как средство решения задач экологии, надежности и ресурсосбережения в ТЭК Украины // Межд. научно-практическая конф. «Проблемы и пути совершенствования угольной теплоэнергетики».- Киев, 2000