Обоснование способа утилизации полимерных отходов в угольных шихтах для получения кокса

Актуальность работы.

В мире ежегодно выпускается 130 млн. т полимерной продукции. Только в России образуется 750 тыс. т/год полимерных отходов. В муниципальных и промышленных твердых бытовых отходах (ТБО) развитых стран 18−30% приходится на пластики. Во многих странах решают вопрос о переработке отходов, но в основном они по-прежнему складируются на полигонах, подвергаются сжиганию, утилизируются в виде компоста, и лишь небольшая доля (до 10%) подвергается рециклированию. В соответствии с решениями Конференции ООН по окружающей среде и устойчивому развитию к наиболее важным направлениям научных исследований следует отнести разработку экологически безопасных и эффективных ресурсосберегающих технологий и методов переработки отходов. В последние годы предложено утилизировать твердые полимерные отходы в горно-металлургическом производстве в качестве компонентов угольных шихт для получения кокса. В. связи с этим особенную актуальность приобретают работы по прогнозу качественных показателей кокса и состава побочных продуктов из угольных шихт с полимерными отходами. Не менее важной проблемой является значительный ресурсный дефицит коксующихся углей Кузнецкого бассейна (марок КЖ, К, КО и ОС), составляющий 3689 тыс. т, который сейчас покрывается за счет импорта из Казахстана. Удовлетворение потребности и снятие дефицита в углях марок К, КЖ и КО должно обеспечиваться либо за счет ввода новых мощностей шахт и разрезов в Кузбассе, либо привлечением коксующихся углей Нерюнгринского месторождения Южно-Якутского бассейна. Одним из возможных решений проблемы является применение для коксования углей марок ДГ и Г, добываемых в Кузбассе дешевым открытым способом. Решение задачи утилизации полимерных ТБО совместно с вопросами уменьшения ресурсного дефицита коксующихся углей позволит t сократить негативное воздействия отходов на окружающую среду и более рационально управлять невозобновляемыми природными объектами.

Цель работы — разработать способ безопасной утилизации полимерных отходов при совместной переработке с газовыми углями в процессах коксования.

Идея работы заключается в установлении корреляционных зависимостей между составом каменных углей, параметрами их надмолекулярной структуры, количественными и качественными характеристиками продуктов коксования углей с органическими полимерными веществами.

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна.

1. Разработан способ безопасной утилизации полимерных отходов путем их использования в угольных шихтах для получения кокса. Установлено, что утилизация полимерных веществ в угольных шихтах не приводит к образованию в продуктах коксования дополнительного количества токсичных веществ и позволяет снизить удельный расход невозобновляемых угольных ресурсов без дополнительного экологического ущерба окружающей среде.

2. Установлена возможность расширения области рационального использования энергетических газовых углей в процессах коксования. Показано, что коксование газовых углей с полимерными отходами (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат) позволяет получать кокс с улучшенными прочностными свойствами.

3. Выявлены общие закономерности изменения свойств целевого и побочных продуктов коксования в зависимости от структурных особенностей углей и состава полимерных добавок. Полученные корреляционные зависимости между содержанием в углях кислорода, параметрами их сорбции в диметилформамиде, свойствами угольной пластической массы и структурой кокса, а также характеристики термической деструкции угольных композиций позволяют прогнозировать технологические и экологические последствия применения полимерных отходов в угольных шихтах для получения кокса.

4. Разработана методика для определения выхода и состава продуктов совместного коксования углей с полимерными отходами, позволяющая прогнозировать качество целевой и попутной продукции. Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

— представительностью проб исследованных углей разных месторождений;

— применением для исследования состава и свойств углей и продуктов их коксования с полимерными веществами апробированных методик и современных методов анализа;

— соответствием результатов лабораторных коксований и испытаний кокса корреляционным зависимостям между химическим составом углей, параметрами их надмолекулярной структуры и характеристиками продуктов коксования углей с полимерными отходами.

Научное значение работы заключается в установлении общих закономерностей изменения состава и свойств продуктов коксования газовых углей с полимерными веществами в зависимости от структурных особенностей углей и состава полимерных добавок.

Практическое значение состоит в разработке «Методики определения выхода и состава продуктов совместного коксования углей и полимерных отходов», регламентирующей методы отбора и характеристики проб, режимы и порядок испытаний, а также обработку полученных данных. Разработанная методика позволяет прогнозировать качественные характеристики целевой и попутной продукции коксования углей с полимерными ТБО в зависимости от компонентного и марочного состава шихт.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы приняты к использованию в маркетинговой службе ООО «Разрез Тайбинский» для планирования перспективных объемов добычи и потребления углей с учетом возможности частичной утилизации ТБО в угольных шихтах для получения кокса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены на научно-техническом конгрессе «Перспективы развития углехимии и химии углеродных материалов в XXI веке», г. Звенигород, 2003 г., Международной конференции «Coal Science», Австралия, 2003 г., Международной встрече по проекту Россия-НАТО EST CLG 980 562, Испания, 2004, на научном симпозиуме «Неделя Горняка — 2005».

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, содержит 23 таблицы, 28 рисунков и список литературы из 92 наименований.

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором:

1. На основании данных о динамике накопления и направлениях утилизации полимерных твердых полимерных отходов обосновано важное научное и практическое значение изучения процессов коксования газовых углей с полимерными веществами с целью прогноза возможных экологических последствий изменения технологии слоевого коксования и решения вопроса сокращения дефицита коксующихся углей.

2. Полученные в работе результаты, а также данные по составу продуктов промышленных и полупромышленных коксований угольных шихт с отходами полимеров свидетельствуют о том, что использование полимерных веществ в угольных шихтах не приводит к образованию в продуктах коксования дополнительного количества токсичных продуктов. Увеличение в жидких продуктах коксования (при использовании полиэтилена) содержания высококипящих фракций является дополнительным ресурсом получения каменноугольного пека, а повышенное содержание углеводородов в газах приводит к увеличению его калорийности.

3. Установлена возможность расширения угольной ресурсной базы процессов коксования за счет частичной замены дефицитных коксующихся углей энергетическими газовыми углями. Применение в шихтах на основе газовых углей до 5% полимерных веществ позволяет улучшить качественные показатели кокса. Решение задачи утилизации полимерных ТБО совместно с мероприятиями по расширению области рационального использования энергетических углей позволит снизить удельный расход невозобновляемого природного угольного сырья и улучшить параметры экобаланса горно-металлургического производства.

Свойства продуктов коксования углей с полимерными веществами зависят как от состава полимерных добавок, так и от особенностей структуры углей. Изменение состава жидких и газообразных продуктов связано с инициирующим (полиэтилен и полипропилен) или ингибирующим (полиэтилентерефталат) влиянием полимерных веществ на процессы термической деструкции углей. Структурные особенности углей, связанные с различным содержанием в них кислорода, определяют микроструктуру, текстуру и прочностные свойства коксов, полученных с применением полимерных веществ.

Разработанная в работе методика может быть использована для оптимизации марочного и компонентного состава угольных шихт с полимерными отходами с целью прогноза экологических последствий утилизации ТБО.

Заключение

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи безопасной утилизации твердых полимерных отходов в угольных шихтах для получения кокса и расширения области рационального использования энергетических газовых углей.