Раціональне використання коксового дріб'язку

Abstract

Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо вдосконалення методів раціонального використання коксового дріб'язку в технологічних процесах виробництва. Об`єкт дослідження – процес отримання коксового дріб'язку з заданими сорбційними властивостями. Предмет дослідження – технологічні параметри процесу сорбції коксового дріб’язку; технологічні параметри отримання коксобрикетів; властивості гумінових речовин. Мета роботи: визначення сорбційних властивостей коксового дріб’язку та оцінка можливості його використання в якості адсорбентів; дослідження гумінових речовин щодо використання їх для пилоподавлення мікрочастинок коксового пилу. У вступі обґрунтована актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, сформульована мета та основні задачі, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація результатів роботи. В першому розділі виконано аналітичний огляд результатів сучасних, раціональних способів вторинного використання та утилізації коксового дріб’язку коксохімічного виробництва. Розглянуто напрями з брикетування, грануляції, використання як вуглецевих сорбентів коксового дріб’язку. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей вугілля та вугільних шихт. Визначено основні методи оцінки властивостей вугільних шихт та коксу, використані в дисертаційній роботі, зокрема, визначення гранулометричного складу, технічного аналізу, петрографічного аналізу, а також – спеціальні методики для визначення сорбційної ємності (по лугу та кислоті) та адсорбційної активності (по йоду та метиленовому блакитному). У третьому розділі виконані експериментальні дослідження стосовно впровадження нових технічних рішень, що стосуються удосконалення існуючої технологічної схеми підготовки вугільної шихти до коксування шляхом відсіву класу 0-3 мм перед молотковою дробаркою. Обґрунтовано сутність проектних рішень і чинників, що обумовлюють їх економічну ефективність. У четвертому розділі встановлено залежність сорбційних характеристик коксу від структурних особливостей та природи вугільної сировини (вихід летких речовин, вміст вітриніту) та структури і ступеню готовності коксу (вихід летких речовин коксу). Аналіз залежностей та їх статистична оцінка вказує на те, що досліджені взаємозв'язки характеризуються високими значеннями коефіцієнтів кореляції (0,73-0,91) і детермінації (52,86-83,44 %), що дає можливість прогнозувати сорбційну ємність на адсорбційну активність коксу. В п’ятому розділі розглянуто технології та схеми проектних рішень щодо кваліфікованої утилізації дрібних відходів коксової продукції та перетворення їх на високоліквідну товарну продукцію. Проведено огляд сучасних способів «холодного» брикетування на водорозчинних зв’язуючих – лігносульфонаті, мелясі, крохмалі, рідкому склі, карбамідоформальдегідній смолі та ін. Для зниження енергетичних витрат апропоновано нові зв’язуючі, що не вимагають нагріву, а весь процес є «холодним». Для зміцнення нагрівається лише брикет до невисокої температури 120–300 ºС. В шостому розділі дослідним шляхом визначено механізм фізико-хімічної взаємодії гумінових кислот і пилових частинок, а також здатність мінерального субстрату на визначення оптимальної кількості зв’язуючої речовини, яка б давала при висиханні міцне покриття. Встановлено, що водні розчини ВЛР утворюють на пилючих поверхнях механічно міцні захисні покриття, які запобігають винесення пилу з поверхонь і ефективно протистоять водній ерозії. Розроблено та досліджено гібридні біодеградабельна нанокомпозитні матеріали на основі біополімеру полілактиду та гумінових речовин. Досліджено процеси екстракції гумінових речовин з бурого вугілля за чотирма різними способами, встановлено, що для екстрагованих нанодисперсних часток гумінових речовин розмір становить від 52 до 380 нм. Встановлено, що наявність функціональних груп визначає здатність гумінових речовин виступати гібридним модифікатором по відношенню до полілактиду за рахунок конфірмаційній зміни його вторинної структури та диполь-дипольної взаємодії у вигляді водневого зв’язку. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: – запропоновано удосконалення існуючої технологічної схеми підготовки вугільної шихти до коксування шляхом відсіву класу 0-3 мм перед молотковою дробаркою, що надають можливість суттєво знизити запиленість ділянки дроблення не менш ніж на 40 % та покращити екологічний стан як на самому підприємстві, так і в навколишньому середовищі; – встановлено залежність сорбційних характеристик коксу від структурних особливостей та природи вугільної сировини (вихід летких речовин, вміст вітриніту) та структури і ступеню готовності коксу (вихід летких речовин коксу); – визначено сировинну базу для виробництва коксобрикетів та можливі добавки відходів у шихту; – запропоновано вдосконалену конструкцію апарату для термообробки коксобрикетів; – запропоновано принципову технологічну схему одержання класу 10–5 мм з коксового дріб’язку та коксобрикетів для феросплавних та доменних печей; – досліджено процеси екстракції гумінових речовин з бурого вугілля за чотирма різними способами, встановлено, що для екстрагованих нанодисперсних часток гумінових речовин розмір становить від 52 до 380 нм. Наявність функціональних груп визначає здатність гумінових речовин виступати гібридним модифікатором по відношенню до полілактиду за рахунок конформаційні зміни його вторинної структури та диполь-дипольноъ взаємодії у вигляді водневого зв’язку; – встановлено механізм фізико-хімічної взаємодії гумінових кислот і пилових частинок, а також здатність мінерального субстрату на визначення раціональної кількості зв’язуючої речовини, яка б давала при висиханні міцне покриття. Практичне значення отриманих результатів. Отримані регресійні залежності для прогнозування сорбційної ємності по лугу та кислоті (Алуг, Акисл) та адсорбційної активності по йоду Fйод з урахуванням вмісту вітриніту та виходу летких речовин шихти є статистично значущими, характеризуються високими коефіцієнтами кореляції r (0,912 і 0,927 та 0,937 відповідно), тому можна їх рекомендувати для прогнозування зазначених показників. Основні теоретичні положення та результати експериментальних досліджень, викладені в дисертації, використовуються у виробничій діяльності в Державному підприємстві «Український державний науково-дослідний вуглехімічний інститут (УХІН)» та в навчальному процесі на кафедрі технологій переробки нафти, газу та твердого палива Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». За результатами дослідження підтверджено практичну та теоретичну цінність розроблених методів, надано практичні рекомендації, щодо застосування розроблених методів та розглянуто перспективи їх подальшого розвитку у коксохімічній промисловості. The dissertation work is aimed at the development of scientific foundations and ideas regarding the optimization of the rational use of coke fines in the technological processes of production. The object of the research is the process of obtaining coke fines with specified sorption properties. The subject of the research is the technological parameters of the coke fines sorption process; technological parameters of obtaining coke briquettes; properties of humic substances. The purpose of the work: determination of sorption properties of coke fines and evaluation of the possibility of its use as adsorbents; research of humic substances regarding their use for dust suppression of microparticles of coke dust. In the introduction, the relevance of the research tasks is substantiated, the connection of the work with scientific topics is shown, the goal and main tasks are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are given, the personal contribution of the recipient is determined, and the approbation of the work results is noted. In the first section, an analytical review of the results of modern, rational methods of secondary use and disposal of coke fines of coke chemical production is carried out. The areas of briquetting, granulation, and use of coke fines as carbon sorbents are considered. In the second chapter, a necessary and sufficient set of instrumental, mostly standardized methods of studying the composition and properties of coal and coal charges is characterized. The main methods of evaluating the properties of coal charges and coke, used in the dissertation work, are determined, in particular, the determination of particle size composition, technical analysis, petrographic analysis, as well as special methods for determining the sorption capacity (by alkali and acid) and adsorption activity (by iodine and methyl blue). In the third section, experimental studies were carried out regarding the implementation of new technical solutions related to the improvement of the existing technological scheme of preparing coal charge for coking by screening the 0-3 mm class before the hammer crusher. The essence of design solutions and factors determining their economic efficiency are substantiated. In the fourth chapter, the dependence of the sorption characteristics of coke on the structural features and nature of coal raw materials (output of volatile substances, vitrinite content) and the structure and degree of readiness of coke (output of volatile substances of coke) is determined. The analysis of dependencies and their statistical evaluation indicates that the investigated relationships are characterized by high values of correlation coefficients (0.73-0.91) and determination coefficients (52.86-83.44%), which makes it possible to predict the sorption capacity on the adsorption coke activity. In the fifth chapter, the technologies and schemes of project solutions regarding the qualified utilization of small coke waste products and their transformation into highly liquid commercial products are considered. An overview of modern methods of "cold" briquetting using water-soluble binders - lignosulfonate, molasses, starch, liquid glass, urea formaldehyde resin, etc. To reduce energy costs, new binders were proposed that do not require heating, and the whole process is "cold". For strengthening, only the briquette is heated to a low temperature of 120–300 ºС. In the sixth chapter, the mechanism of the physico-chemical interaction of humic acids and dust particles, as well as the ability of the mineral substrate to determine the optimal amount of binding substance, which would provide a strong coating upon drying, was experimentally determined. It has been established that aqueous solutions of VLR form mechanically strong protective coatings on dusty surfaces that prevent dust from being removed from the surfaces and effectively resist water erosion. Hybrid biodegradable nanocomposite materials based on polylactide biopolymer and humic substances have been developed and studied. The processes of extraction of humic substances from lignite by four different methods were studied, it was established that the size of the extracted nanodisperse particles of humic substances is from 52 to 380 nm. It was established that the presence of functional groups determines the ability of humic substances to act as a hybrid modifier in relation to polylactide due to conformational changes in its secondary structure and dipole-dipole interaction in the form of a hydrogen bond. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are presented. According to the results of the study, the following scientific results were obtained: – it is proposed to improve the existing technological scheme for preparing coal charge for coking by sifting the 0-3 mm class before the hammer crusher, which provides an opportunity to significantly reduce the dustiness of the crushing area by at least 40% and improve the environmental condition both at the enterprise itself and in the environment; – the dependence of the sorption characteristics of coke on the structural features and nature of coal raw materials (yield of volatile substances, vitrinite content) and the structure and degree of readiness of coke (yield of volatile substances of coke) was established; – the raw material base for the production of coke briquettes and the possible addition of waste to the charge are determined; – an improved design of the apparatus for heat treatment of coke briquettes is proposed; – a basic technological scheme for obtaining 10–5 mm grade from coke fines and coke briquettes for ferroalloy and blast furnaces is proposed; – the processes of extraction of humic substances from lignite by four different methods were investigated, it was established that the size of the extracted nanodisperse particles of humic substances is from 52 to 380 nm. The presence of functional groups determines the ability of humic substances to act as a hybrid modifier in relation to polylactide due to conformational changes in its secondary structure and dipole-dipole interaction in the form of a hydrogen bond; – the mechanism of the physical and chemical interaction of humic acids and dust particles was established, as well as the ability of the mineral substrate to determine the rational amount of a binder that would provide a strong coating upon drying. The practical significance of the obtained results is as follows: the practical value of the research is that the obtained regression equations for predicting the sorption capacity for alkali and acid (Алуг, Акисл) and adsorption activity for iodine Fйод taking into account the content of vitrinite and the yield of volatile substances in the charge are statistically significant, characterized by high correlation coefficients r (0.912 and 0.927 and 0.937, respectively), so they can be recommended for forecasting the indicated indicators. The main theoretical provisions and results of experimental research, presented in the dissertation, are used in production activities at the State Enterprise "Ukrainian State Research Coal Chemical Institute (UKHIN)" and in the educational process at the Department of Technologies of oil, gas and solid fuel processing of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". Based on the results of the study, the practical and theoretical value of the developed methods was confirmed, practical recommendations were given regarding the application of the developed methods, and the prospects for their further development in the coke industry were considered.