Автореферат Оразбековой


УДК 622.724:622.276 На правах рукописи










ОРАЗБЕКОВА РИЗА ЖУМАКАНОВНА



Технология получения углещелочных

реагентов из отходов бурого угля







25.00.36 - Геоэкология







Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук













Республика Казахстан

Алматы, 2007

Диссертационная работа выполнена в Актюбинском государственном

университете им.К. Жубанова и Институте горного дела им. Д.А. Кунаева

Национального центра по комплексной переработке минерального сырья

Республики Казахстан



Научные руководители: доктор технических наук

Жалгасулы Н.

кандидат химических наук

Батырбаев А.Т.



Официальные оппоненты: доктор технических наук

Дюсебаев М.К.

кандидат технических наук

Нурбекова К.С.



Ведущая организация: Таразский государственный

университет им.Х.М.Дулати





Защита состоится «28» сентября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 14.15.07 при Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, факс: 8 (3272) 2925417 (156) конференц-зал НК.


Отзывы на автореферат диссертации в 2-х экз., заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, ученому секретарю.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ им. К.И. Сатпаева.




Автореферат разослан «___» ____________ 2007 г.




Ученый секретарь

диссертационного Совета Сарыбаев О.А.



ВВЕДЕНИЕ


Актуальность темы исследований. Усиливающееся влияние деятельности человека на окружающую природную среду является объективным следствием роста масштабов производства. При этом производственный аспект этой проблемы сводится к тому, что окружающая природная среда выступает, с одной стороны, как источник ресурсов для производства, а с другой - как базис для размещения производственных сил.

С производственными аспектами природопользования органически связано экологическое равновесие окружающей природной среды и условий для здоровой жизни людей, зависящее от состояния земной поверхности, воздушной и водной сред.

В результате хозяйственной деятельности человека ежегодно в атмосферу поступает огромное количество различных газов, пыли, приводящих к глобальному повышению температуры. Одни участки на Земле становятся суше и увеличиваются размеры пустынь, другие получают больше осадков и затапливаются водой. Климат меняется быстрее, чем природа и люди успевают адаптироваться и предпринять какие-либо меры. Поэтому защита окружающей среды - одна из важных проблем настоящей и будущей политики в области экологии.

В экологическом отношении Республика Казахстан является одной из наиболее загрязненных стран мира. В то же время в Республике уделяется большое внимание проблемам охраны окружающей среды и изменения климата. Казахстан в 1992 г. подписал Рамочную конвенцию ООН по изменению климата, в 1999 г. - Киотский протокол, регулирующий выбросы антропогенных газов.

Одними из основных источников загрязнения окружающей среды в РК являются предприятия угольной промышленности.

Источником образования пыли и газа в угольной промышленности являются: при открытой добыче угля - порода вскрыши, дороги при подземной добыче угля - порода, добываемая при проведении подготовительных выработок, а также при очистной выемке, на обогатительных фабриках - отделяемые от обогащаемого угля и направляемые в хвостовые отвалы.

Существенный "вклад" в загрязнение окружающей среды вносят малые разрезы, разрабатывающие месторождения бурых углей для местных нужд. Бурые угли обычно недостаточно унифицированы, склонны к сильному измельчению при добыче и хранении и быстрому окислению вплоть до самовозгорания.

Это приводит к тому, что значительная часть добываемого угля (иногда до 30-40 %) некондиционная по крупности, не находит сбыта и переходит в категорию отходов, увеличивая нагрузку на окружающую среду и снижая рентабельность эксплуатации месторождений. Следует также отметить, что в категорию отходов зачастую переходят верхняя, окисленная часть бурых углей из-за своей низкой теплотворной способности.

Одним из способов решения возникающих экологических проблем при разработке буроугольных месторождений является, наряду с окускованием и получением препаратов стимуляторов роста растений из отходов угля, переработка его окисленной части в углещелочные реагенты, что позволит перевести отходы в категорию товарной продукции.

Углещелочной реагент (УЩР) является наиболее доступным и эффективным реагентом общего улучшающего действия для буровых растворов при бурении нефтяных и других скважин различного назначения. Следует отметить, что, несмотря на огромные запасы бурых углей с разнообразными свойствами, в Казахстане отсутствует производство углещелочных реагентов. Поэтому основные потребности в нем удовлетворяются путем экспорта из Украины, Российской Федерации и стран дальнего зарубежья. В настоящее время многие частные предприниматели пытаются наладить производство УЩР, но без научно-технической и системной подготовки и отсутствием глубокого анализа сырья. Поэтому все их попытки оканчиваются неудачей, хотя на первый взгляд технология производства углещелочных реагентов не представляется сложной.

Для производства УЩР могут быть использованы бурые угли с определенным содержанием гуминовых кислот (не менее 30 %). При этом свойства конечного продукта - углещелочного реагента во многом зависит от условий его производства (соотношения компонентов, температуры, степени нейтрализации гуминовых кислот, степени сушки и др.). Поэтому для углей разных марок, а иногда даже для углей отдельных пластов и участков одного месторождения необходимо проводить предварительные изыскания и исследования для определения оптимальных условий подбора сырья. Кроме того, необходим систематический анализ технологических свойств продукции на реальных буровых растворах.

Из вышеизложенного следует, что экологические, экономические и социальные последствия разработки буроугольных месторождений с каждым годом становятся ощутимыми. Возникают актуальные проблемы в целенаправленном управлении охраной окружающей среды и рациональном использовании природных ресурсов в районе добычи углей.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и прикладных работ ИГД им. Д.А.Кунаева по Госзаказу № 28 -РЦ НЦ КПМС (2004-2006 гг.) «Разработка новых технологий и методических указаний по снижению опасного воздействия отходов горно-металлургических производств на окружающую среду».

Цель работы - разработка технологии получения углещелочных реагентов из отходов Кияктинского буроугольного месторождения.

Идея работы заключается в использовании техногенных отходов непосредственно на местах их образования путем производства углещелочных реагентов, позволяющего с высокой эффективностью осуществить применения некондиционного угля.

Для достижения поставленной цели автором сформулированы и решены следующие научные задачи:

- определить масштабы воздействий угольных отходов на окружающую среду;

- установить характер влияния физико-химических свойств Кияктинского угля на технологические показатели углещелочного реагента;

- определить оптимальные технологические параметры опытного производства и выпустить опытную партию УЩР;

- проведение опытно-промышленного испытания;

- определить эколого-экономический эффект от использования разработанной технологии.

Методы исследований: анализ и обобщение литературы по вопросам рационального и комплексного освоения недр; патентно-информационный поиск глубиной до 30 лет; оценка вредного воздействия техногенных образований на окружающую среду; экспериментальные работы по исследованию свойств отходов Кияктинского угля и углещелочных реагентов полученных на его основе, а также буровых растворов в присутствии разработанных составов УЩР; технологическая линия и регламент пилотного производства; опытно-промышленные испытания; технико-экономический анализ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость экологического ущерба, причиняемого пылевыбросом отвалов угольного разреза экосистеме от их объема, что позволяет адекватно принимать экологически безопасные решения по созданию оптимальной технологии переработки некондиционного угля.

2. Экспериментально обоснованная технология получения углещелочного реагента из отходов бурого угля Кияктинского месторождения, позволяющая повысить полноту использования некондиционного сырья и снизить экологическую нагрузку региона.

Научная новизна работы

  • Проведена оценка экологического воздействия угольных отходов на окружающую среду при эксплуатации Кияктинского буроугольного месторождения.

  • Разработана технология производства углещелочного реагента из отходов угледобычи и обеспечивающая полноту нейтрализации гуминовых кислот едким натром.

  • Установлены закономерности влияния дисперсности угля и соотношения "уголь:щелочь" на выход гуматов натрия.

  • Определены закономерности влияния содержания УЩР на технологические показатели (вязкость, статистическое напряжение сдвига) буровых растворов.

  • Установлена зависимость коэффициента неоднородности (для смесителя) от продолжительности перемешивания компонентов.

  • Определены сравнительные характеристики различных способов получения углещелочных реагентов.

Личный вклад автора

  • Постановка цели и задач исследований.

  • Подбор и доставка опытных образцов сырья. Проведение экспериментальных исследований и обработка результатов.

  • Анализ физико-химических свойств Кияктинского угля и углещелочных реагентов на его основе, обзор и анализ практики производства УЩР.

  • Создание технологической схемы пилотной установки.

  • Выпуск опытной партии углещелочного реагента и проведение опытно-промышленных испытаний.

  • Технико-экономическая оценка разработанной технологии и опубликования полученных результатов для широкого обсуждения.

Достоверность научных положений подтверждается

  • корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием физико-химических свойств гуминовых соединений, результатом математической статистики;

  • большим объемом лабораторных и натурных экспериментов на достаточно современном оборудовании, результаты которых свидетельствуют об эффективности технических решений, обоснованности выводов и рекомендаций;

  • результатами опытно-промышленных испытаний углещелочного реагента в условиях реального производства.

Практическая значимость работы

  • рациональность использования богатства недр;

  • повышение качества буровых растворов за счет использования углещелочного реагента, полученного из отходов угля с высоким содержанием гуминовых кислот;

  • снижение затрат нефте- и газодобывающих компаний при бурении скважин за счет использования недорогой, но качественной продукции - углещелочного реагента;

  • минимизация загрязнения окружающей среды;

  • экономическая эффективность и экологическая безопасность применения углещелочных реагентов.

Предлагаемая технология позволяет производить углещелочные реагенты из штыба и обеспечивает снижение экологических последствий при эксплуатации угольных месторождений.

Полученные научные и практические результаты могут быть широко использованы при бурении нефтяных скважин для регулирования технологических показателей глинистых растворов, а также на угольных месторождениях с высоким содержанием гуминовых кислот.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы приняты при проектировании Кияктинского угольного разреза проектно-изыскательским отделом ИГД им. Д.А. Кунаева, а также приняты к внедрению на нефтяных промыслах ПФ«Озенмунайгаз», «Oil Services Company» и «Catkaz LTD».

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертации, отражающие исследования автора, докладывались и обсуждались на Международных научных конференциях: «Новое в безопасности жизнедеятельности» (Алматы, 2004 и 2006), «Маркшейдерия Казахстана: состояние и перспективы», посвященной 100-летию со дня рождения А.Ж. Машанова (Алматы, 2006), «Геотехнология-2007: Проблемы и пути устойчивого развития горнодобывающих отраслей промышленности» (Хромтау, 2007) и на VII конгрессе нефтепромышленников России «Экологическая обстановка нефтедобывающих предприятий Мангистауской области» (РФ, Уфа, 2007). Полученные результаты использовались при составлении методических руководств по составлению курсовых и дипломных работ: «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений», «Разработка нефтяных месторождений», «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» (2004-2007 гг.). Обсуждались на страницах научных сборников ИГД им. Д.А. Кунаева «Научно-техническое обеспечение горного производства» (2006-2007 гг.). Поданы 2 заявки на получение предпатента РК.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 трудах, в том числе 5 из них в изданиях, перечень которых рекомендован Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки МОиН РК, 5 в материалах Международных научных конференций и 1 в РФ, оформлены 2 заявки на предполагаемые изобретения.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка использованных источников из 106 наименований, содержит 106 страниц компьютерного набора, 30 таблиц, 19 рисунков и 3 приложения.


ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ


Разработке стратегии обеспечения экологической безопасности освоения недр, повышению эффективности использования и воспроизводства георесурсного потенциала посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых - Трубецкого К.Н., Ржевского В.В., Елишевича А.Т., Бишимбаева В.К., Адрышева А.К., Ахмеджанова Т.К., Уманца В.Н., Битимбаева М.Ж., Каирбекова Ж.К., Акбасовой А.Ж., Нурпеисовой М.Б., Естемесова З.А., Курманкожаева А.К., Омарбекова Т.О., Дюсебаева М.К., Махамбетовой У.К., Нуркеева С.С., Жалгасулы Н., Серикова Ф.Т.и др.

Вместе с тем, многие вопросы по использованию некондиционных угольных отходов, в частности, Кияктинского буроугольного месторождения, остались недостаточно изученными:

- не в полной мере рассматривались проблемы комплексной переработки и экологические аспекты эксплуатации буроугольных месторождений;

-ранее исследования посвящались в основном изготовлению брикетированного топлива, получению препаратов-стимуляторов различного назначения;

- для получения углещелочных реагентов использовались в основном Александрийские и Бабаевские угли (СНГ), из-за концентрации производств в одном месте, УЩР доставляли нефтепромыслам издалека. Бурые угли РК вообще не были рассмотрены в качестве исходного сырья для производства углещелочных реагентов.

Кияктинское месторождение бурого угля находится в Улытауском районе Карагандинской области вблизи регионов, где расположены основные нефте- и газодобывающие предприятия РК. Вследствие этого, месторождение может служить основной базой снабжения этих регионов углещелочным реагентом.

Запасы только Центрального участка месторождения составляют 32 млн т. Уголь относится к категории бурых гумусовых углей технологической марки Б3. Средняя зольность угля 21 %, содержание летучих веществ - 39-44%, смол - 3,0-7,5 %. Содержание гуминовых кислот с поверхностной части основного пласта до глубины 4 м плавно меняется с 60 до 50 %. По данному показателю уголь Кияктинского буроугольного месторождения является наиболее привлекательным в РК для производства из него гуминовых препаратов и, в особенности, углещелочных реагентов. По склонности к окислению уголь относится к III группе - угли средней устойчивости к окислению и самовозгоранию. Угли этой группы достаточно легко самовозгораются в отвалах, срок их хранения на складах ограничен тремя годами. Уголь макроскопически имеет вид плотной массы, но легко трескается и рассыпается. Выход класса менее 25 мм при добыче, транспортировке и хранении может достигать 35-40 %.

Эти свойства Кияктинского угля создадут при эксплуатации месторождения эколого-экономические проблемы в виде снижения прибыли от его реализации из-за большого выхода некондиционного по крупности угля не находящего сбыта, и дополнительных выплат в фонд охраны природы за хранение отходов и вредные выбросы в атмосферу.

С учетом того, что ежегодно планируемая добыча угля составляет 300 тыс. т, 35 % -ный выход некондиционного угля крупностью менее 25 мм может составить 105 тыс. т. Для его размещения в отвал высотой 10 м потребуется площадь 20 тыс. м2. Площадь поверхности отвала составит 14-18 тыс. м2. Вредные выбросы в атмосферу связаны с окислением заскладированного угля. Если принять, что за год может окислиться 20 % угля в отвале, то ежегодный выброс углекислого газа может составить 57012 т. А вынос угля с отвала может достигать 3,5-4,0 т с 1 га в год. По действующему законодательству оплата за выбросы производится за условную массу, приведенную к диоксиду углерода (таблица 1).


Таблица 1 - Приведенная годовая масса выбросов в атмосферу


Наименование загрязняющих веществ

Фактическая масса, т

Показатель относительной агрессивности

Предельная масса, условные тонны

Диоксид углерода

57032,0

1

57032

Углеродная пыль

7,2

40

288

Итого



57320

Утвержденная областным территориальным управлением МООС РК плата за хранение отходов составляет 7,5 тенге за 1 т в год. Плата за выбросы в атмосферу составляет 175,0 тенге за условную тонну в год.

Общая сумма выплат предприятия приведена в таблице 2.


Таблица 2 - Размер выплат за нанесение экономического ущерба



Вид экологических выплат

Количество оплачиваемых загрязнений, т


Ставка выплат

за 1 т, тенге


Сумма,

тыс. тенге

Плата за хранение отходов

105000,0

7,5

787,5

Плата за выбросы в атмосферу

57320,0

175,0

10031,0

Итого



10818,5


Использование технологии производства углещелочного реагента, наряду с применением других способов переработки отходов бурого угля, позволит полностью избежать экологических выплат и, кроме того, получить прибыль от реализации товарной продукции - углещелочного реагента.

В работе рассмотрены существующие способы производства углещелочного реагента из бурых и окисленных углей («мокрый» и «сухой»).

При производстве УЩР по «мокрому» способу необходимость разжижения всего перерабатываемого угля, смешение его со щелочью, последующая сушка пульпы связаны со значительными энергетическими затратами.

В настоящее время УЩР выпускается преимущественно в виде порошка по технологической схеме "сухого способа". Сущность способа заключается в обработке концентрированным раствором щелочи бурых углей с большим содержанием гуминовых кислот. Полученный при этом УЩР имеет рассыпчатый вид и удобен в работе, так как добавляется в глинистый раствор без какой-либо предварительной подготовки.

Основным недостатком данного способа является склонность УЩР к самовозгоранию, которое зависит от совокупности многих факторов: петрографического, минерального состава углей, их поверхностных и сорбционных свойств, гранулометрического состава УЩР и др.

В этой связи разработка технологии производства должна предусмотреть не только особенности используемого для этой цели угля, но и меры по снижению склонности получаемого продукта к самовозгоранию.

Следует отметить, промышленному освоению какой - либо продукции предшествуют, стадии лабораторных исследований, разработка технологии, выпуск и испытание опытной партии продукта, поэтому исследования в диссертационной работе проводились в несколько этапов:

  • экспериментальные исследования по разработке технологии получения УЩР из некондиционных отходов Кияктинского угля;

  • разработка технологической схемы, сбор и монтаж технологической линии, а также отработка оптимальных режимов пилотного (опытного) производства;

  • выпуск и проведение опытно-промышленного испытания опытной партии продукции;

  • оценка эколого-экономической эффективности технологии производства углещелочного реагента.

Экспериментальные исследования были направлены на определение оптимальных условий получения углещелочных реагентов из бурого угля в зависимости от характеристик исходного угля и условий эксперимента.

Содержание гуминовых кислот определяли по ГОСТ 9517-94 для различных исходных фракций угля месторождения Киякты. Выход гуминовых кислот в определенной степени зависит от дисперсности использованного угля. Для определения влияния дисперсности угля на выход гуминовых кислот в лабораторных условиях были обработаны образцы бурого угля различного фракционного состава концентрированным раствором NaOH (40%), имитирующие условия "сухого" смешения. Полученные результаты представлены в таблице 3.


Таблица 3 - Зависимость выхода гуматов натрия от дисперсности угля


Дисперсность угля

Содержание гуматов натрия, %

(2-0,5) мм

58,8

(0,5-0,25) мм

59,9

(0,25-0,10) мм

61,5

(<0,10) мм

63,2


Приведенные данные в таблице 3 показывают, что при условиях "сухого" смешения влияние степени измельчения угля в сравнении с условиями экстракции гуматов в растворе заметно возрастает – чем тоньше помол, тем выше содержание гуматов натрия в конечном продукте. Очевидно, качество перемешивания, которое должно обеспечить максимально возможную полноту протекания реакций взаимодействия щелочи с бурым углем, так как непрореагировавшая с углем щелочь связывается углекислотой из воздуха с образованием соды, активность которой в этом процессе невелика. Далее в лабораторных экспериментах и для производства опытной партии УЩР использовали уголь с размерами частиц меньше 2 мм без разделения на фракции. Содержание растворимого гумата натрия в угле в этих условиях составляло 60,0 %.

При разработке рецептуры получения углещелочного реагента важное значение имеет правильный подбор соотношения содержанием угля и щелочи. При оптимальном соотношении компонентов реагент позволяет в широких пределах регулировать реологические и фильтрационные показатели буровых растворов.

Поэтому нами изучены технологические свойства буровых растворов, приготовленных на различных глинах, в присутствии реагента с различным соотношением угля и щелочи (рисунки 1 и 2).


1 – уголь:щелочь=6:1; 2 – уголь:щелочь=8:1; 3 – уголь:щелочь=4:1.


Рисунок 1 - Влияние соотношения "уголь:щелочь" в УЩР

на вязкость раствора


Как следует из кривых приведенных на рисунке, наряду со снижением скорости фильтрации наблюдается повышение вязкости глинистого раствора, что возможно происходит вследствие адсорбции на поверхности глинистых частиц коллоидной части углещелочного реагента. Это способствует резкому росту процесса сольватации, что приводит к превышению оптимума, необходимого для обеспечения минимальной фильтрации.

При высоком уровне сольватации начинает возрастать вязкость глинистого раствора, возникает необходимость регулирования степени сольватации и толщины гелеобразных оболочек глинистых частиц.

Следовательно, в зависимости от назначения реагента следует подбирать оптимальное соотношение уголь-щелочь. Полученные нами данные свидетельствуют, что соотношение содержание компонента "уголь:щелочь" в интервале от 6:1 до 8:1 является наиболее оптимальным для получения углещелочного реагента из Кияктинского угля.

С целью оценки эффективности действия полученных реагентов на основе отходов бурых углей были проведены сравнительные испытания растворов, модифицированных другими реагентами, используемыми, в частности, для понижения вязкости растворов. Для экспериментов использовали известные понизители вязкости глинистых растворов – полифосфат (гексафосфат) натрия и спиртовую барду. Понижение вязкости глинистых растворов наблюдалось только при использовании полифосфата натрия.

Несомненный интерес представляет совместное применение комбинированного реагента (полифосфата натрия и буроугольного реагента) в составе глинистых растворов. Проведенными исследованиями установлено, что наибольшее снижение вязкости глинистых растворов имеет место при содержании углещелочного раствора - 1,5 и полифосфата натрия - 0,10-0,15 %.


1–уголь:щелочь=6:1; 2–уголь:щелочь=8:1; 3–уголь:щелочь=4:1.


Рисунок 2 - Влияние соотношения "уголь:щелочь" в УЩР

на статическое напряжение сдвига раствора


Гуминовые вещества - действующее начало углещелочного реагента - являются высокомолекулярными соединениями сложной природы. Изменение природы этих соединений химическими методами должно влиять на коллоидную устойчивость реагента из отходов бурого угля.

В этой связи нами рассмотрены возможности модификации свойств реагента из некондиционного угля, путем его химического окисления концентрированной HNO3, при различном массовом соотношении "уголь:щелочь" . Установлено, что выход гуминовых кислот из Кияктинского угля при обработке азотной кислотой практически не меняется по сравнению с исходной величиной – 60,0 % (исходный уголь), от 60,9 до 64,2 % при различных соотношениях угля и кислоты.

Выход гуминовых кислот не является, на наш взгляд, единственным фактором, определяющим эффективность действия реагента как понизителя вязкости. Очевидно, не меньшее значение имеет «качество» гуминовых кислот, особенности их химического строения, которые значительно варьируют в зависимости от качества угля. Это подтверждается исследованием свойств реагента из окисленного Кияктинского угля.

Несмотря на то, что при окислении этого угля выход гуминовых кислот не возрастает, углещелочной реагент из окисленного угля проявляет более высокую активность в понижении вязкости и напряжения сдвига буровых растворов из тонкерийской глины (рисунки 3 и 4).


1 – УЩР (уголь:щелочь=6:1); 2 – УЩР (уголь:кислота=4:1+ уголь:щелочь=6:1)


Рисунок 3 – Влияние окисления угля на вязкость

бурового раствора


Как видно из этих данных, окисление Кияктинского угля азотной кислотой позволяет получать углещелочные реагенты с расширенным интервалом воздействия на буровой раствор. При этом полученный модифицированный

УЩР имеет сухой вид, сохраняет свою рассыпчатость, то есть обладает технологичностью УЩР, получаемых методом сухого смешения компонентов.

Характер взаимодействия азотной кислоты с бурым углем не носит общего характера и в значительной мере зависит от свойств угля. Обработка угля азотной кислотой увеличивает содержание активных полярных функциональных групп в составе органической массы угля. Это придает получаемому продукту более расширенный характер воздействия на показатели бурового раствора.

Таким образом, лабораторными исследованиями показана возможность получения из отходов угля месторождения Киякты углещелочных реагентов. Высокие технологические характеристики полученных реагентов доказаны путем воздействия их на буровые растворы из местных малоколлоидных и бентонитовых глин. Показана возможность улучшения свойств буровых растворов при совместном использовании углещелочного реагента с полифосфатом натрия. Впервые получен модифицированный порошкообразный реагент с улучшенными свойствами путем воздействия азотной кислотой на бурый уголь с последующей обработкой полученного продукта каустической содой.

Полученные данные лабораторных исследований послужили основой при разработке технологической линии опытного производства и определении ее оптимальных режимов.

Известно, что технологический процесс производства углещелочного реагента на Семеновском заводе РФ включает смешение забитуминированного угля с концентрированным раствором щелочи в определенном соотношении.


1 – УЩР (уголь:кислота=4:1+ уголь:щелочь=6:1); 2 – УЩР (уголь:щелочь=6:1).


Рисунок 4 - Влияние окисления угля на статическое

напряжение сдвига раствора

Принципиальная схема получения углещелочного реагента включает бункер высушенного угля, шнековый смеситель, емкость для каустической соды и бункер готовой продукции.

При всей кажущейся простоте технологическая линия получения углещелочного реагента на этом заводе имеет свои особенности. Во-первых, она рассчитана на использование землистых бурых углей Александрийского месторождения. Эта технология не может быть использована для получения углещелочных реагентов из углей других месторождений. Во-вторых, смешивание угля с каустической содой производится на нескольких последовательно расположенных шнековых смесителях.

В связи с этими нами разработаны основные операции технологического цикла и технологическая линия производства опытной партии углещелочного реагента, учитывающая особенности используемого сырья – Кияктинского угля (рисунок 5). На основании проведенных работ определены основные операции технологического цикла.


























1- бункер для угля; 2 - дробилка; 3 - вибросито; 4 - смеситель; 5 - емкость для каустической соды;

6 - дозатор; 7 - сушилка; 8 - склад готовой продукции.


Рисунок 5 - Технологическая линия опытного производства углещелочного реагента


Первоначально проводятся операции по подготовке сырья – бурого угля и едкого натра. Бурый уголь дробят, производят его отсев и подают в дозатор. Едкий натр растворяют в воде в специальном реакторе до нужной концентрации и подают в дозатор с бурым углем. В смесителе производят смешение компонентов в строго определенных пропорциях. Со смесителя продукцию подают в сушильную печь, далее на линии фасовки ее затаривают в крафт-мешки и отправляют на склад готовой продукции.

С учетом основных операций технологического цикла разработана схема технологической линии опытного производства углещелочного реагента. Технологическая линия включает бункер для угля (1), дробилку (2), вибросито (3), смеситель (4), сушилку (7) и склад готовой продукции (8). Сюда же входит емкость (5) для приготовления раствора каустической соды заданной концентрации и дозирующее устройство (6) для дозированной подачи каустической соды в смеситель.

Основным элементом разработанной схемы, определяющим качество выпускаемой продукции, является смеситель. Смешивание бурого угля с концентрированным раствором каустической соды для получения углещелочного реагента представляет собой промежуточную операцию между перемешиванием в жидкой среде и смешиванием твердых сыпучих веществ. Данная задача усложняется тем, что получаемая продукция по ТУ 39 – 1223-87 (реагент углещелочной порошкообразный) должна быть сыпучей, без комков, поэтому для соответствия требований к нему проведены лабораторные эксперименты по физическому моделированию условий перемешивания. Для определения степени гомогенизации и рабочих параметров смешения проведены лабораторные эксперименты по физическому моделированию условий перемешивания.

Следует отметить, что в идеальном случае смешение компонентов должно приводить к образованию однородной смеси, причем соотношение компонентов в любом объеме смеси, взятом в различных точках смесителя, должно быть одинаковым.

Установлено влияние дисперсного состава и соотношения твердой и жидкой фаз на качество перемешивания.

На практике всегда наблюдаются отклонения от условий идеального смешения, величина которых зависит от многих факторов. Определение рабочих параметров смесителя проводили путем смешения бурого угля с гранулированным полиэтиленом и водой.

Количественную оценку качества перемешивания в смесителе проводили на модельных смесях по коэффициенту неоднородности:








где: Xi - i -тое значение параметра; m – среднее значение; n – число проб.

Контроль качества УЩР осуществляли путем испытаний средней пробы, отбираемой вручную в период загрузки реагента из бункера в мешки. Вес средней пробы составлял не менее 2,5 кг, среднюю пробу делили квартованием по 0,25 кг. Испытания проводили в соответствии с требованиями ТУ 39-1223-87 (табл. 4).

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что опытная партия углещелочного реагента по всем показателям соответствует требованиям норматива (ГОСТ 39-1223-87). Сходимость результатов также находится в пределах допустимого, подтверждается того, что опытная партия реагента однородна по составу и свойствам.


Таблица 4 - Результаты испытания проб углещелочного реагента


Показатель

Проба

Норма

1

2

3

4

Влажность, %, не более

Массовая доля едкого натрия, %, не более

Массовая доля избытка едкого натрия, %, не более

4. Остаток на сите 2,5 мм, %, не более

5. Растворимость, %, не менее

6. Содержание гуматов натрия, %, не более

25,8


15,2


1,7


3,0

51,7


29,6

26,0


14,9


2,2


1,8

53,6


28,9

26,1


15,3


1,3


1,5

52,3


30,5

25,7


14,4


0,9


2,3

53,4


31,0

28


16+2


8


4

42


30+3


Данные показывают, что разница в активности образцов невелика, как и предполагалось, более активным в снижении вязкости и напряжения сдвига растворов оказался образец №3, методика приготовления которого соответствует условиям жидкостной экстракции, неприемлемой с точки зрения доступности технологии. В то же время, образец № 1, приготовленный по технологии сухого смешивания угля и щелочи показал более высокий результат, по сравнению с образцом № 2, полученным по классической технологии, поэтому для выпуска опытной партии была выбрана технология сухого смешивания.

Наиболее достоверным методом оценки технологических свойств реагентов для бурения скважин являются реальные условия бурения с применением всего комплекса серийного оборудования и технологий, т. к. в отдельных случаях, несмотря на прекрасные свойства лабораторных образцов, при промышленном их применении могут возникнуть трудности в приготовлении и дозировании компонентов раствора, в стабильности характеристик, снижении ресурса насосно-циркуляционного комплекса и т. п.

В качестве испытательного полигона были выбраны месторождения Озень, Каламкас и Северный Каражанбас, где ввиду особенностей литологии широко применяются УЩР, в основном, Российского производства.

Техническая поддержка опытно-промышленных испытаний обеспечивалась Управлением бурения и КРС ПФ «Озеньмунайгаз», «Oil Services Company» и «Catkaz LTD» (акты испытаний прилагаются).

Оценка технологических свойств опытной партии УЩР осуществлялась при бурении восьми эксплуатационных скважин в интервале от 200 до 1310 м.

В соответствии с технологическим регламентом, на месторождении Озень буровой раствор имел следующие параметры (таблица 5).


Таблица 5- Параметры бурового раствора


Параметры бурового раствора

Единица измерения

Фактические значения

Плотность

г/см3

1,22

Условная вязкость

с (сантипуаз)

40

Динамическое напряжение сдвига

Па∙с

35

Статическое напряжение сдвига

Па

15/30

Показатель фильтрации

см3/30 мин

4-6

Толщина корки

мм

1,0


На основании анализа результатов испытаний были сделаны следующие выводы: технологические свойства опытной партии углещелочного реагента производства Института горного дела им. Д.А.Кунаева соответствуют всем требованиям ТУ 39-1223-87 и могут быть рекомендованы для использования в составе буровых глинистых растворов при бурении нефтяных скважин.

Произведена оценка эколого-экономической эффективности технологии производства углещелочного реагента из некондиционных отходов угля. Калькуляция себестоимости производства 1 т углещелочного реагента из отходов угля показала, что экономический эффект от внедрения разработанной технологии может составлять 3384,0 тенге при рентабельности производства 31,73 %. С учетом предотвращенного ущерба величина эколого-экономической эффективности технологии производства углещелочного реагента достигает 3403,7 тенге на 1 т УЩР. При запланированном выпуске 10 тыс. т УЩР в год суммарный годовой эффект может составить 34037 тыс. тенге.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В диссертационной работе изложены научно обоснованные эколого-экономические и технологические результаты, которые обеспечивают решение прикладных задач по получению углещелочных реагентов из некондиционных отходов при разработке буроугольных месторождений.

Основные результаты, практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

  1. Установлено, что переизмельчение и окисление Кияктинского бурого угля вызывает повышение нагрузки на окружающую среду в виде отвалов некондиционного угля и выбросов газов и пыли в атмосферу, а также наносит определенный экологический ущерб в данном регионе.

  2. Предложено решение по снижению экологических последствий, которое заключается в обеспечении безотходного производства за счет применения оптимальной технологии производства углещелочного реагента из отходов бурого угля.

  3. Лабораторными экспериментами показана возможность получения углещелочных реагентов из некондиционного угля. Высокие технологические показатели углещелочных реагентов из угля установлены на реальных буровых глинистых растворах из местных малоколлоидных и бентонитовых глин.

  4. Разработаны технологическая схема и производственная линия пилотной установки по получению углещелочного реагента. Экспериментально определены оптимальные технологические параметры опытного производства.

  5. Выпущена опытная партия углещелочного реагента (5 тонна), высокие технологические характеристики, которого подтверждены в условиях реального бурения на нефтяных промыслах месторождений Озень, Каламкас и Северный Каражанбас.

  6. Технология производства углещелочного реагента из отходов бурого угля Кияктинского месторождения может быть использована при эксплуатации и других буроугольных месторождений РК с высоким содержанием гуминовых кислот.

Оценка технико – экономической и экологической эффективности

Углещелочной реагент на базе Кияктинского угля может быть использован в качестве стабилизатора и понизителя вязкости буровых глинистых растворов при бурении нефтяных и газовых скважин.

Разработанный в ходе выполнения диссертационной работы способ производства углещелочного реагента может быть использован на многих буроугольных месторождениях РК.

Оценка полноты решений поставленных задач

Поставленная цель и сформулированные задачи исследования, включающие проведение мониторинга состояния Кияктинского месторождения, лабораторные эксперименты по получению углещелочных реагентов и разработка технологической схемы, характеризуются доведением до выдачи рекомендаций по использованию, что в конечном итоге приведет к снижению экологической напряженности в регионе.

Оценка технико – экономического уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области

Разработан эффективный способ получения углещелочных реагентов из отходов угля Кияктинского буроугольного месторождения. Научные результаты диссертационной работы могут быть использованы в нефтедобывающей промышленности при бурении скважин для регулирования технологических показателей глинистых растворов. По отношению к зарубежным образцам полученный нами углещелочный реагент является конкурентоспособным и является импортозамещающим продуктом.


Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Алдамжаров Н.Н, Оразбекова Р.Ж., Буранкулова Г.Т. Заканчивание горизонтальных скважин // Сб.мат. науч-практич. конф. КазНТУ. Алматы, 2004. -С. 539-541.

2 Жалғасұлы Н., Жантохов С.Х., Оразбекова Р.Ж. Мұнай қалдықтарын өңдеу // Горный журнал Казахстана. 2006. - № 5. -С. 8-9.

3 Жантохов С.К., Байсынов Ш.Д, Оразбекова Р.Ж. и др. Высокопроизводительная переработка земляных амбаров нефти // Новое в безопасности жизнедеятельности: Сб.мат. 8 Межд. науч-практич. конф. Алматы, 2006. -С. 56-63.

4 Оразбекова Р.Ж., Токтамысов М.Т., Жалгасулы Н. Получение конкурентноспособной продукции из угля // Маркшейдерия Казахстана: состояние и перспективы: Сб. мат. Межд. науч.-практич. конф., посвященной 100-летию А.Ж. Машанова, Алматы, 2006. -С. 299-304.

5 Оразбекова Р.Ж., Жалгасулы Н., Гуменников Е.С. и др. Переработка замазученных грунтов на нефтепромыслах // Научно-техническое обеспечение горного производства: Сб. труд. ИГД им. Д.А. Кунаева, Алматы, 2007.- Т. 73. –С. 271-274.

6 Заявка на предполагаемое изобретение 2007/0018.1 от 5.01.07. Устройство для отделения газа от жидкости / Оразбекова Р.Ж., Байсынов Ш.Д., Жантохов С.К.

7 Заявка на предполагамое изобретение 2007/0017.1 от 5.01.07. Устройство для очистки жидкостей / Оразбекова Р.Ж., Байсынов Ш.Д., Жантохов С.К.

8 Батырбаев А.Т., Тоқтамысов М.Т. Оразбекова Р.Ж. және басқ. Мұнай ұңғымасына қажетті реагент шығару // Горный журнал Казахстана. 2007.- № 4. -С. 30-31.

9 Оразбекова Р.Ж., Жалғасұлы Н., Тоқтамысов М.Т. Қоңыр көмір қалдығынан бұрғылау ерітінділер өндіру // Геотехнология-2007: проблемы и пути устойчивого развития горнодобывающих отраслей промышленности: Сб.мат.4-й Межд. науч.-практич. конф. - Хромтау, 2007.-С.652-655.

10 Оразбекова Р.Ж., Жалғасұлы Н., Батырбаев А.Т. Ұңғымаларды бұрғылаудағы көмірсілтілі реагенттердің рөлі // Промышленность Казахстана. 2007.-№4.-С. 87-88.

11 Оразбекова Р.Ж., Алматова Б.Г. Экологическая обстановка нефтедобывающих предприятий Мангистауской области // Экологические проблемы нефтегазодобывающей промышленности: Сб. мат. 7 Конг. нефтепромышленников России. Уфа, 2007.-С.231-234.

12 Оразбекова Р.Ж., Тоқтамысов М.Т., Батырбаев А.Т. Қазақстан көмірлерінен көмірсілтілі реагенттерді өндіру болашағы // Нефть и газ. 2007.

- № 4. -С.57-62.

13 Оразбекова Р.Ж., Алматова Б.Г. Экологическая ситуация месторождения Озень // Надировские чтения: Сб мат. 5-ой Межд. науч. конф.

Актобе, 2007.-С.79-81.


Оразбекова Риза Жұмақанқызы


25.00.36 – «Геоэкология» мамандығы бойынша «Көмірсілтілі реагенттерді қоңыр көмір қалдығынан өндіру технологиясы» тақырыбына дайындалған кандидаттық диссертациясына


ТҮЙІН


Зерттеу объектісі: Қоңыр көмірлі Қияқты кен орнының сапасы төмен қалдықтарын игеру.

Жұмыс идеясы: Техногенді заттардың таралуын оның пайда болған жерінде көмірсілтілі реагенттерді өндіру арқылы болдырмауға негізделген. Ал бұл болса сапасы төмен көмірді пайдалануды жоғары тиімділікпен жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Жұмыстың мақсаты: Қоңыр көмірлі Қияқты кен орнын пайдаланудың экологиялық – экономикалық зардаптарын құрамында гуминді қышқылдары көп, сапасы төмен көмір қалдығын қайта өңдеп, көмірсілтілі реагентке айналдыру технологиясын игеру ақылы азайту.

Зерттеу әдістері: Жер қойнауын қойнауын тиімді және кешенді меңгеру тақырыбындағы әдебиеттерді талдау және қарастыру; өткен 30-жылға дейінгі деңгейдегі патентті - информациялық ізденіс; қоршаған ортаға техногенді ресурстардың зиянды әсерін бағалау; Қияқты көмірінің қасиеттерін зерттеу бойынша тәжірибелік жұмыстар және осы негізде алынған КСР, құрамында көмірсілтілі реагентер бар бұрғылау ерітінділерінің қасиеттерін зерттеу бойынша тәжірибелік жұмыстар; шағын өндірістің технологиясы мен сызбалары; өндірістік – тәжірибелік сынаулар; техникалық – экономикалық талдаулар.

Жалпы ғылымдық нәтижелері мен негізгі қорытындылар. Өндіру және сақтау кезінде ұсақ ұнтаққа айналуға бейім қоңыр көмір кенорындарын игеру және пайдалану экологиялық мәселелердің туындауына әкеледі. Сапасы төмен көмір ұнтақтарын пайдалану тиімсіз, оларды арнайы соғылған қоймаларда сақтау керек. Алайда атмосфераның көмірге әсер етуі нәтижесінде ол қышқылданып, соның нәтижесінде атмосфераға көмірқышқыл газдың бөлінуі болады. Қазақстан Республикасының экологиялық заңдарында өндірістік қалдықтарды ұзақ сақтағаны және атмосфераны мен литосфераны ластайтын газдар мен қоқыстар үшін төлемдер мөлшері жылдан – жылға көбейіп, айып – салықтардың бірнеше түрлері қарастырылған.

Жүргізілген мониторинг негізінде Кияқты кен орнын игеру кезінде сапасы төмен көмірдің шығуы (ірілігі 25мм) 35%-ды құрауы мүмкін. Бұл кезде атмосфераға 1 т сапасыз майдаланған көмірден 0,07 т қостотықты көмір қышқылы бөлінеді, ал 1 т көмірді өндіру үшін, орта есеппен, 19,75 тенге жұмсалуы мүмкін.

Аймақтағы экологиялық жағдай қалдықсыз кен орнын игеру және пайдаланудың қазіргі кездегі жетілдірілген технологиясын қолдануды қажет етеді. Кен орнын игеру кезіндегі зиянды әсерін азайту мақсатында Қияқты көмірінің сапасыз қалдығынан көмірсілтілі реагенттерді алу технологиясы жасалынды. Бұл көмір қалдығынан тауарлық өнім алуға мүмкіндік береді деген сөз.

Зертханалық ізденістер көрсеткендей, Қияқты кен орны көмірінен көмірсілтілі реагентерді алуға толық мүмкіндік бар екені расталды.

Жаңа технологиямен алынған реагенттердің сипаттамаларының жоғары болуы жергілікті аз коллоидты бентонит саздан жасалынған бұрғылау ерітіндісіне байланысты. Бұрғылау ерітінділерінің сапасы реагенттермен бірге полифосфатты натрийді бірге қолданғанда одан да жақсаратындығы көрсетілген. Бірінші рет сапасы жоғары, модификациаланған ұнтақ реагент Қияқты көмірінің майдасына азот қышқылымен әсер етіп, онан кейіннен оны каустикалық содамен өңдеу арқылы алынды.

Лабораториялық зерттеулерден алынған мәліметтер шағын өндірістің технологиялық сызбасын жасауға негіз болды. Алынатын негізгі шикізат –Қияқты көмірі, оның ерекшеліктерін ескере отырып өндірілген көмірсілтілі реагенттің тәжірибелік партиясы шығарылды. Оған технологиялық желілер мен реагенттер алудың негізгі операциялары жасақталды. Көмірсілтілі реагенттің неғұрлым тиімді режимдері анықталды. КСР –ді өндірудің технологиялық сызбасы көп салалы болып келеді: оны ұсақ көмірге сілтілі ерітіндіні қосу арқылы да, сілтісі бар көмір қоспасына су араластыру арқылы да алуға болады.

Жұмыстың тәжірибелік қорытындылары. Көмірсілтілі реагенттің тәжірибелік партиясы шығарылды. Алынған өнімнің технологиялық сипаттамасының жоғары болуы нақты тәжірибе жүзінде Өзен, Қаламқас жне Солтүстік Қаражанбас кен орындарының мұнай өндірісіндегі ұңғымаларынан алынған нәтижелер бойынша дәлелденген. Сынау нәтижесінде төмендегідей қорытынды алынды: көмірсілтілі реагенттің тәжірибелік партиясының технологиялық қасиеттері ТУ 39-1223-87 бойынша стандартқа сай келеді және мұнай ұңғымаларын бұрғылау кезінде «Сазды-қоңыр көмір» ерітінді құрамында пайдалануға болатындығына көз жеткізілді.

Сапасы төмен көмір қалдығынан көмірсілтілі реагентті өндіру технологиясының экологиялық – экономикалық тиімділігін бағалау жүргізілді. Көмір қалдығынан алынатын 1 т көмірсілтілі реагентті дайындаудың өзіндік құнының калькуляциясы көрсеткендей, экономикалық тиімділік осы ұсынылған технологияны өндіріске енгізгенде оның бағасы 3384,0 тенге болады. Болдырылмаған экологиялық шығынды есептегенде, өндірілген 1 тонна көмірсілтілі реагенттен 3403,7 тенге пайда көруге болады. Ал бір мұнай кенішіне жылына 10 т көмірсілтілі реагент керек десек, онда пайдамыз 34037 мың теңгені құрайтын болады.







RESUME


Orazbekova Riza Zhumakanovna


«Technology for coal-alkali reagents

production out of coal wastes»

25.00.36-Geoecology


Study object – off-test wastes of brown coal wastes of the deposit Kiyakty.

The idea of work is in prevention of man-caused discharges directly on site of its formation with the production of coal-alkali reagents allowing with high efficiency to implement the use of off-test coal.

The purpose of work: reduction of environmental and economic consequences of Kiyakty brown coal deposit operation through the development of optimal processing technology of off-test humin-rich wastes into coal-alkali reagents.

Study methods: review and generalization of literature on rational and integrated land development; patent and information search up to the depth of 30 years; evaluation of adverse impact of man-caused formations on the environment; experimental work on research of Kiyakty coal properties and coal-alkali reagents on its basis as well as drilling fluids in the presence of developed solutions of coal-alkali reagent; processing line and process chart of pilot production; experimental-industrial tests; feasibility study;

General scientific conclusions and main results. Development and operation of brown coal deposit disposed to regrinding during mining and storage lead to environmental and economic problems.

Off-test undersized coal is not demanded and needs to be stocked in special dumps.

Coal oxidation under atmospheric impact will result in carbonic gas discharge. The legislation determines the payment for the storage of production wastes and fees for contaminant discharges.

On the basis of conducted monitoring it was determined that during the mining of Kiyakty deposit the off-test coal output larger than 25 mm can be 35 %, at that carbonic acid discharges from 1 tone of the dump is 0,07 t. The payment for mining of 1 tone of coal can be 19,75 tenge.

Today environmental situation in the region dictates the necessity to develop modern technologies providing wasteless development and deposit operation.

In order to reduce the adverse impact of deposit development the production technology of coal-alkali reagent made of the wastes of Kiyakty coal was developed that allows consider coal wastes to be commercial product.

The laboratory researches showed the possibility to produce coal-alkali reagents out of Kiyakty brown coal. High technological properties of received reagents were proven by its impact on the drilling fluids out of local low-colloidal and bentonitic clays.

The opportunity to improve the properties of drilling fluids during its use together with the reagents with sodium polyphosphate is showed.

For the first time the modified powder reagent with improved properties was received through the impact on Kiyakty coal with the nitric acid with further processing of the output product with caustic soda.

The received data of laboratory study served as a basis for development of process chart of pilot production.

The main operations of the process chart and processing line of experimental lot of coal-alkali reagent were developed considering the particularities of the used raw material – Kiyakty coal.

The most favorable modes of coal-alkali production were determined. The developed process chart of reagent production is highly universal: allows produce coal-alkali reagent through the alkali solution supply into coal and water supply into coal mixture with solid alkali.

Results of practical work. Experimental lot of coal-alkali reagent was produced. High technological properties of the product were proven by the results of experimental and industrial tests in real conditions of oil-fields drilling at the deposit Ozen, Kalamkas, North Karazhanbas.

In the result of tests the following conclusions were made: technological properties of experimental lot of coal-alkali reagent meet all requirements TS 39-1223-87 (coal-alkali powder reagent) and can be recommended for use in the content of drilling clay solutions during the drilling of oil holes.

Environmental and economic efficiency evaluation of the coal-alkali reagent technology out of off-test coal wastes was made.

Cost calculation of production for 1 tone of coal-alkali reagent out of coal wastes revealed that economic effect of implementation of developed technology can be 3384,0 under the production profitability equal to 31,73 %.

With consideration of prevented damage the environmental and economic efficiency of production technology of coal-alkali reagent reaches 3403,75 per 1 tone of coal-alkali reagent.

Under the planned output of 10 ths tones of CAR per year the total annual effect can be 34037 ths tenge.