Эколого-технологическая эффективность инновационного угольно-водоугольного кластера ЖКХ

Полный текст

Введение Применение инновационных технологий в строительстве и коммунальном хозяйстве должно преследовать своей целью снижение антропогенного воздействия на геосферы [1]. Это отвечает задачам формирования городской системы жизнеобеспечения, совместимой с биосферой [2]. Для разрешения глобальных проблем геоэкологии в области добычи полезных ископаемых, в том числе угля, также должны применяться природоподобные технологии [3; 4]. Проект по созданию опытного угольно-водоугольного кластера ЖКХ предполагает использование в строящихся или действующих котельных инновационной угольно-водоугольной технологии [5; 6], которая включает в том числе переработку твердых видов угольного топлива в водоугольную топливную суспензию с последующим сжиганием в специально оборудованных вихревых топках. Управление инновационной угольно-водоугольной технологией должно происходить на основе автоматического контроля гранулометрического состава с использованием природной трещиноватости угля [7] для управляющего воздействия при мокром помоле методом гидроудара [8; 9]. Материалы и методы В статье использованы теоретическое обобщение экспериментальных методов и анализ литературных данных. Основу методологии теоретических и практических исследований составили теория и методы стандартного математико-статистического анализа. Результаты, полученные путем стандартного математико-статистического анализа гранулометрического состава, были подтверждены экспериментальными данными. Это позволило осуществить генерацию новых идей с использованием природной трещиноватости угля для управляющего гидроударного воздействия в рамках угольно-водоугольного кластера ЖКХ. Результаты и обсуждения Эффективность инновационной водоугольной технологии напрямую зависит от производства водоугольных смесей с заданными реологическими свойствами. Также для соблюдения экологических норм при производстве водоугольной топливной суспензии большое внимание уделяется контролю гранулометрического состава [10; 11]. При получении мелкодисперсной водоугольной топливной суспензии целью является достижение однородного гранулометрического состава, обеспечивающего стабильные реологические свойства на стадии приготовления, хранения и транспортирования, глубокую деминерализацию и уменьшение вредных выбросов за счет почти стопроцентного сгорания. Получение различных сортов водоугольной топливной суспензии обеспечивается наличием определенного гранулометрического состава. Это явилось причиной исследования возможности использования природной трещиноватости угля для управляющего воздействия при мокром помоле методом гидроудара. Каменный и бурый уголь в сравнении с пустой породой геологических толщ обладает низкой прочностью и малой пластичностью. Поэтому в угольных пластах при тектонических деформациях возникают сложные сети трещин. При этом к обычным для осадочных пород перпендикулярным слою трещинам добавляются ориентированные под углом 45° к плоскости напластования трещины, которые возникают вдоль плоскостей максимальных тангенциальных напряжений. На некоторых угольных пластах наблюдается до 10 систем трещин, в результате чего уголь может быть разбит видимыми трещинами на небольшие отдельности размером 1 см3 [7]. Сложное структурное строение пространственных сетей трещин определяет прочностные, деформационные и фильтрационные свойства угольных слоёв. Ископаемые каменный и бурый уголь как порода характеризуются большой степенью трещиноватости и механизмом хрупкого разрушения [12-14], которые в конечном итоге должны определять технологии разработки месторождений и использования полезных ископаемых. Изначально дробление угля до нужного размера осуществлялось посредством шаровых мельниц или вибромельниц. При этом оборудование быстро изнашивалось, что делало водоугольные технологии низкорентабельными. Оптимальным на сегодняшний день является применение гидроударных технологий [8; 9]. При этом технология приготовления водоугольной топливной суспензии сводится к предварительному дроблению угля в шаровых мельницах или вибромельницах до гранул 10…12 мм и мокрого помола в гидроударной установке с последующей гомогенизацией (рис. 1). В основе мокрого помола в водной среде методом гидроудара лежит природная трещиноватость угля. Работа современной гидроударной установки мокрого помола основана на использовании гидроудара, энергия которого передается водой в микротрещины, по которым происходит разрушение угля. Рис. 1. Схема приготовления водоугольного топлива. Источник: составлено авторами / Figure 1. Scheme of preparation of coal-water fuel. Source: compiled by the authors. Гидроударные технологии при гидродобыче угля и мокром помоле при помощи гидроудара имеют сходство на микро- и макроуровнях. Процессы хрупкого разрушения угля как трещиноватой породы на макро- и микроуровнях носят один и тот же характер. Метод вибровоздействия при направленной гидродобыче с высвобождением содержащегося в угольных пластах метана схож с методом гидроудара при мокром помоле. Анализ процессов хрупкого разрушения угля как горной трещиноватой породы на макро- и микроуровнях показал, что направленная гидродобыча с высвобождением содержащегося в угольных пластах метана, а также мокрый помол с получением определенного гранулометрического состава водоугольной топливной суспензии методом гидроудара происходят по макро- и микротрещинам. Каменный и бурый уголь как породы характеризуются большой степенью трещиноватости и механизмом хрупкого разрушения по трещинам. Сложное структурное строение пространственных сетей трещин определяет прочностные, деформационные и фильтрационные свойства угольных слоев. В данном случае нас интересует задача хрупкого разрушения добытого ископаемого угля при помощи управляющих гидровибрационных воздействий на уровне микротрещин с целью дробления в воде методом гидроудара. Схематичное изображение опытно-промышленной гидроударной установки приведено на рис. 2. Говоря о микротрещинах угля, можно отметить, что частота кливажа раскола очень велика, что дает возможность направленного воздействия гидроударом до измельчения на микроуровнях [7]. Нами было установлено, что поставленные задачи управления экологическими и технологическими качествами в процессе приготовления инновационной водоугольной топливной суспензии на основе статистического анализа гранулометрического состава коррелируют с задачами получения микро- и ультрадисперсных водоугольных суспензий [15; 16] с целью достижения высоких экологических и технологических качеств. Автоматическое управление гранулометрическим составом водоугольной суспензии позволит получать и неограниченное время сохранять за счет измельчения до микро- и ультрауровня и гомогенизации экологические и технологические свойства водоугольной топливной суспензии как дизельного топлива, полученного нехимическим путем. https://cyberleninka.ru/viewer_images/13991912/f/2.png Рис. 2. Гидроударная установка [9] / Figure 2. Hydraulic-shock installation [9] При формировании первичных трещин в осадочных породах параметры трещин подчиняются нормальному закону распределения [7]. Нормальное (гауссово) распределение - это симметричное распределение сортировки или роста в природных стабильных условиях. Логнормальное левоасимметричное распределение характерно для разрушения под воздействием внешнего воздействия. Эта общая природная закономерность отражена также в других работах [17; 18]. Для математико-статистического анализа нами использовались опытные данные испытаний промышленных образцов ВУТ (рис. 3). С использованием данных промышленных образцов было получено массовое распределение грансостава ВУТ (рис. 4). В результате исследования было установлено, что дроблению было подвергнуто совместно два вида угля, которые различались по трещиноватости и, следовательно, по прочности. Один из них дал обломки со средним значением около 1,5…2,0 мкм, второй - с размером 30-35 мкм. Построив интегральную кривую распределения гранулометрического состава водной топливной суспензии по фракциям на вероятностной бумаге в логарифмическом масштабе, определили неоднородную смесь из трех компонентов с собственным логнормальным распределением для каждого из них (рис. 5). Рис. 3. Дифференциальная и интегральная кривые распределения грансостава бурого угля Б2, измельченного в гидроударной установке (70% - фракция 28 мкм) [8] / Figure 3. Differential and integral distribution curves of the granulation of brown coal B2 crushed in a hydraulic shock unit (70% - fraction of 28 mkm) [8] Рис. 4. Дифференциальная кривая распределения грансостава ВУТ в натуральном масштабе. Источник: составлено авторами / Figure 4. Differential distribution curve of the granulometric composition of the VUT on a natural scale. Source: compiled by the authors. По оси абсцисс отложен lgd. Вероятностное распределение lgd имеет форму, подобную распределению Гаусса. То есть распределение d логнормальное, характерное для расстояний между тектоническими трещинами, возникающими на стадии разрушения горных пород в массиве от внешних напряжений. Деформации от напряжений внутренних (усыхание, усадка) приводят к формированию нормального, а не логнормального распределения. Наличие трех распределений логнормального типа подтверждается построением интегральной кривой распределения грансостава ВУТ на вероятностной бумаге, где по оси ординат отложены lgd, а на оси абсцисс - вероятность присутствия частиц конкретного размера. Ось абсцисс деформирована так, чтобы гауссова интегральная кривая имела форму прямой линии. Рис. 5. Интегральная кривая распределения грансостава водоугольной топливной суспензии по фракциям на вероятностной бумаге в логарифмическом масштабе. Источник: составлено авторами / Figure 5. Integral distribution curve of the granulometric composition of a coal-water fuel suspension by fractions on probabilistic paper on a logarithmic scale. Source: compiled by the authors. В данном случае на графике присутствуют три прямых отрезка, что свидетельствует о наличии в пробе водоугольной топливной суспензии шихты из трех статистических выборок, соответствующих трем генетически различным породам угля. Это позволяет оптимизировать получение водоугольного топлива с повышением экологической эффективности водоугольных технологий и ресурсосбережения [19-26]. Заключение В результате исследования проанализированы возможности повышения эколого-технологической эффективности инновационного угольно-водоугольного кластера ЖКХ, включая механику разрушения угля как трещиноватой породы в гидроударной установке. Предложено управление инновационной угольно-водоугольной топливной технологией на основе автоматического контроля гранулометрического состава с использованием природной трещиноватости угля для управляющего воздействия при разрушении угля методом гидроудара. Полученные путем стандартного математико-статистического анализа данные гранулометрического состава были подтверждены экспериментальными данными. Проведенные исследования делают возможным использование природной трещиноватости угля для управляющего гидроударного воздействия и управления гранулометрическим составом инновационной водоугольной топливной суспензии в целях повышения ее экологических и технологических качеств в рамках создания опытного участка инновационного угольно-водоугольного кластера ЖКХ.

Об авторах

Татьяна Валентиновна Зоммер

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ZommerTV@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6937-9774
SPIN-код: 1999-2722
Scopus Author ID: 57191867230
ResearcherId: S-3433-2018

научный сотрудник научно-технического отдела института комплексной безопасности в строительстве НИУ МГСУ, аспирант направления подготовки 1.5.15 «Экология»

Российская Федерация, 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26

Владимир Викторович Симонян

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: simonyan.vladimir55@gmail.com
SPIN-код: 9556-1207
доктор технических наук, профессор кафедры инженерных изысканий и геоэкологии Российская Федерация, 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26

Андрей Геннадиевич Морозов

Амальтеа-Сервис

Email: info@innotoplivo.ru
SPIN-код: 5944-5809
кандидат технических наук, директор Москва, Российская Федерация

Список литературы