Обзор современных технологий обогащения угля для решения проблем повышения качества твёрдого топлива

 

Обогащение угля остается одной из важных задач современной энергетической отрасли. Обогащение угля производится с целью улучшения качества, уменьшения содержания различных пустых пород и примесей и создания качественного сырья. В структуре мирового потребления топливно-энергетических ресурсов доля угля составляет 29 %. Основной центр потребления угольной продукции находится в Китае – 3,8 млрд. т (или 49 % от общего потребления угля) и Индии – 0,95 млрд. т (или 12 %). 

Среди других крупнейших потребителей угля можно выделить США – 0,8 млрд. т (10 %) и Евросоюз – 0,73 млрд. т (более 9 %).

Уголь используется в качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива, в связи с чем его потребление растет с каждым годом, но еще быстрее потребляются газ и нефть (рисунок 12).

Необычно быстрое увеличение потребления жидкого топлива объясняется его преимуществом: удобством сжигания, высокой калорийностью, транспортабельностью, полнотой сгорания. Добываемый уголь во многих случаях не отвечает требованиям потребителей по основным качественным показателям: зольности, влажности, теплотворной способности и спекающим свойствам. Повышение качества угольного сырья на современном этапе возможно только с применением методов обогащения, которые позволяют получать высококачественные коксующиеся и энергетические угли, востребованные как на внутреннем, так и на внешнем рынках [11].

 

Рисунок 12 – Использование угля в России

 

3.1 Мокрые методы обогащения

 

В настоящее время на углеобогатительных фабриках используются гравитационные и флотационные методы обогащения [12]. Для применения флотации и улучшения с помощью нее качества обогащения необходимо подобрать реагент. На данном этапе науки идет поиск и разработка специфичных реагентов. Эффективность флотационного обогащения зависит не только от аппаратного оформления, но и от применяемых флотационных реагентов. Несмотря на то, что уголь относится к неполярным минералам с высокой естественной гидрофобностью, для его эффективного флотационного обогащения необходимо использование флотореагентов – собирателей, пенообразователей, либо комплексных флотореагентов. В настоящее время в России при обогащении углей методом флотации в качестве реагентов используются полупродукты нефтепереработки и отходы нефтехимии. В большинстве случаев в качестве собирателей при флотации углей используются аполярные реагенты:

- керосин,

- дизельное топливо,

- топливо ТС-1,

- термогазойль.

В качестве пенообразователей – гетерополярные:

- КОБС (кубовые остатки производства бутилового спирта),

- КЭТГОЛ (кубовые остатки от производства 2-этилгексанола),

- Т-80 (полупродукт, образующийся при получении 1,3-диоксана),

- ВПП (полупродукт, образующийся при производстве 4,4-диметил-1,3-диоксана) [13].

На сегодняшний день внедряются новые флотореагенты UnicolTM марок «С» и «F» на спиртовой основе для флотации угольных шламов.

Следует выделить метод, получивший название «турбулентная микрофлотация», или «ТМФ-технология». Результаты пилотных испытаний турбулентной микрофлотации при обогащении тонкодисперсных угольных суспензий на ОФ Свято-Варваринская (Украина) свидетельствуют об эффективности метода.

 Известны схема и оборудование фирмы Iris (США) для микрофлотации углей в промышленных масштабах на колоннах большого диаметра. Известны работы по применению вакуумной флотации, электрофлотации, флотации с носителем, где в роли носителя применяются более крупные частицы. На ОФ «Распадская» (Южный Кузбасс, г. Междуреченск) была решена проблема экономичного обогащения угольных шламов до «нуля» применением нового для углеобогащения метода избирательного осаждения угольных частиц с помощью метода их селективной флокуляции. Себестоимость обогащения угольных шламов способом избирательного осаждения угля и обезвоживание продуктов в 2-3 раза ниже, чем при флотации угля [14]. 

Институтом «Сибнииуглеобогащение» разработаны технологические схемы для обогащения коксующихся и энергетических марок углей, предусматривающие оборудование для флотации, обезвоживания и сгущения шламов, позволяющее получить высококачественные продукты обогащения с минимальной влагой, не требующие термической сушки. 

Флотация StackCell ™ – новая технология для тонкого извлечения угля. В течение последнего десятилетия колоночные флотационные камеры стали широко использоваться для модернизации тонкодисперсных угольных потоков. Новая высокопроизводительная технология флотации, называемая StackCell ™, была разработана как альтернатива как традиционным, так и колонным флотационным машинам (рисунок 13). 

 

Рисунок 13 – Схема Eriez StackCell ™

 

Технология использует предварительную аэрацию и камеру с высокой сдвиговой аэрацией, которая обеспечивает эффективное контактирование с пузырьковыми частицами, тем самым существенно сокращая время пребывания, необходимое для флотации угля.

Проведенный анализ современных методов обогащения углей показал, что в условиях, действующих и вновь строящихся углеобогатительных фабрик повысить эффективность обогащения можно, в частности, с помощью интенсификации процесса флотации. Основными направлениями в данной области могут служить поиски селективных флотационных реагентов и разработка на их основе новых реагентных режимов, которые позволят повысить технико-экономические показатели процесса.

 

3.2 Сухие методы обогащения

 

В патенте Люленков В.И. и др. был разработан способ переработки рядового угля, включающий процесс его избирательного дробления, предварительное разделение на низкозольные и высокозольные классы. После предварительного выделения на грохотах угля с пониженным содержанием золы его подвергают разделению по крупности и плотности на высокозольные и низкозольные классы с помощью струйного пневмоклассификатора с последующей отгрузкой низкозольного угля (концентрата) потребителю. Далее оставшиеся более высокозольные классы смешивают с продуктом с высоким содержанием золы, полученным после предварительного грохочения, и подвергают избирательному дроблению, после чего разделяют его по крупности и плотности с помощью струйного пневмоклассификатора на низкозольный уголь (концентрат), отправляемый потребителю, и высокозольный продукт, отправляемый в отвал. 

 

Рисунок 14- Типовая схема поперечно-поточного пневмоклассификатора

 

Рассмотрена технология сухого обогащения угля от Корейского института геологии и минеральных ресурсов. Они предлагают "Сухой" способ обогащения угля. Извлекаемая на поверхность масса сперва мелется (измельчается) в специальных аппаратах-грохотах, после чего измельченная порода подвергается сильному воздействию направленной воздушной струи (пневматический метод) или сортируется на специальных вибростендах, в процессе чего  очищенный уголь собирается с одной стороны, а примеси –с другой.

 

3.3 Другие способы обогащения

 

Сепарация в интенсивном или сильном магнитном поле – это новые области для исследования. Разработки проводятся в «Сала Магнетикс» (Кембридж, Массачусетс) и Национальной лаборатории (Окридж, Теннеси, США). Обе организации используют магнитные сепараторы «Сала». В Кембридже используют влажную систему суспензии, в то время как в Окридже используют сухую [15].

Рисунок 15- Устройство для интенсивной сепарации мелкодисперсного сырья

 

Сепаратор работает следующим образом. Сухой мелкодисперсный порошок А подается на вибропитатель 1, откуда по диэлектрическому конусу 2 равномерным потоком через отверстия 8 ссыпается вертикально вниз в сепарационную камеру, не касаясь стенок перфорированного цилиндра 3 сепарационной камеры, и попадает под действие вращающегося переменно-полюсного магнитного поля, которое создается при вращении со скоростью от 1000 до 5000 об/мин магнитной системы, состоящей из полого вертикально ориентированного диэлектрического цилиндра 6 и расположенных радиально на его внешней стороне вдоль оси чередующихся по полярности рядов блоков постоянных магнитов 7 одной полярности в ряду. Изменяющиеся при вращении магнитной системы магнитные поля самой магнитной системы и намагниченного поля частиц, попавших под действие этих полей, при высокой частоте вращения цилиндра 6 достигают превышения критического сдвига фазы . Поэтому частицы Б: магнитные, слабомагнитные и даже парамагнитные в результате притяжения к магнитной системе проходят через отверстия 4 в перфорированном цилиндре 3 и стекают по спиральным ребрам 5 в специальный контейнер для магнитных частиц. Эти частицы не прилипают к стенкам магнитной системы, т.к. из-за частой смены направленности магнитного поля на них действуют то силы магнитного притяжения, то силы магнитного отталкивания, что приводит к созданию "кипящего слоя" магнитных частиц около внутренней части стенок цилиндра 6. Диамагнитные частицы Г за счет того, что направление магнитного момента, возникающего в них под действием магнитного поля, противоположно направлению действующего магнитного поля концентрируются в центре сепарационной камеры и удаляются через отводящую трубу 9, которая входит в магнитное поле не менее чем на 1 см, а инертная среда высыпается вертикально вниз.

Метод предварительного сухого обогащения, предложен южноафриканской компанией Osborn Engineered Products. Типовая схема процесса сухого обогащения угля выглядит следующим образом. Обычно цикл переработки начинается с того, что уголь из самосвала перегружается в приемный бункер обогатительного комплекса. Здесь негабаритные куски измельчаются с помощью гидромолота, как правило, стационарно установленного с манипулятором на опорной стойке. Радиус охвата гидромолота должен быть достаточным, чтобы раздробить негабарит, лежащий в любой точке колосниковой решетки приемного бункера дробилки. Обычно под приемным бункером размещается пластинчатый питатель повышенной прочности. Далее через колосниковый вибрационный питатель материал поступает в Щековую дробилку. После отсева скальной породы, уголь подается либо угольную мельницу, либо в валковую дробилку [16].

 

 

Рисунок 16- Технология сухого обогащения угля южноафриканской компании  Osborn

 

На новосибирском предприятии «Гормашэкспорт» разработана, внедрена в серийное производство и доведена до коммерческого использования установка «СЕПАИР®» (рисунок 17). Принципиально новая технология обогащения угля. [17].

В настоящее время эта технология является уникальной в своей области и не имеет аналогов в мире. Основной принцип технологии состоит в разделении продуктов по плотности в восходящем потоке воздуха в вихревой камере, расположенной над перфорированным полотном. 

Преимущества данной технологии:

- высокая эффективность;

- возможность получения на одном комплексе нескольких продуктов различной плотности; 

- возможность работы при отрицательных температурах (до -50 ^оС);

- возможность плавного регулирования плотности (зольности) получаемых продуктов без остановки технологического процесса; 

- отсутствие потребления воды;

- отсутствие необходимости сушки продуктов обогащения;

- сухое складирование отходов обогащения, в т. ч. шламов;

- низкая стоимость процесса обогащения;

- возможность работы комплекса под открытым небом;

- возможность обогащения влажного продукта;

- возможность создания мобильных комплексов.

 

 

Рисунок 17 – Внешний вид функционирующего комплекса

 

Обязательной стадией обработки исходного материала является измельчение на установке для получения частиц необходимого размера. Далее в воздушном потоке (в циклонах) идет классификация частиц: происходит отделение тонких пылей и низкоплотных частиц примесей.  Высокая эффективность процесса обеспечивается тем, что во время сепарации происходит не разделение всей горной массы единым потоком, а обеспечивается двухстадийное разделение по заданной границе плотности для каждого отдельно взятого зерна перерабатываемого материала.

 Реализация процесса заключается в следующем. Обогащаемый материал размещается на движущейся сетке. Толщина слоя зависит от крупности перерабатываемого материала и может быть кратна 1-5 размеру максимального куска материала (1 – для продуктов с крупностью от 20 до 100 мм, 3-5 – для продуктов с крупностью до 10 мм). Над сеткой расположены всасывающие сопла, в которых создается вертикальный поток воздуха. Материал, движущийся по сетке, поступает в зону под  соплом, где на него начинает действовать вертикальная аэродинамическая сила. Если плотность материала значительно превышает плотность, по которой происходит разделение продуктов, то материал остается на ленте и удаляется из зоны сепарации. Если материал имеет плотность меньше или близкую к плотности разделения, то он за счет аэродинамической силы поднимается в сопло. В сопле накапливается взвешенный слой, состоящий из частиц, имеющих плотность, равную плотности разделения. Частицы, имеющие плотность меньше плотности разделения, проходят вертикально вверх через взвешенный слой и воздухом удаляются из процесса. Более тяжелые частицы возвращаются на ленту и так же удаляются из процесса за счет движения ленты. Плотность, по которой происходит разделение в сопле, регулируется за счет геометрических параметров сопла и аэродинамических характеристик восходящего потока. 

При необходимости разделения продукта на несколько классов различной плотности процесс повторяют нужное количество раз (над сеткой устанавливают несколько сопел). Повторяемость процесса подтверждена десятками тысяч экспериментов, проведенных на лабораторной установке в период создания технологии. Установка позволяет производить разделение исходного материала на продукты, различающиеся друг от друга по плотности на 0,01-0,1 г/см3. Изменение границ плотности можно плавно осуществлять в процессе работы установки без ее остановки. В одной установке возможно получение любого количества продуктов различной плотности.  

 

Вопросы к лекции 5:

1. Крупнейшая страна потребитель угля в мире?

2. Основные условия необходимости обогащения угля?

3. Основные принципы мокрого обогащения угля?

4. Основные реагенты, используемые для мокрого обогащения угля?

5. Преимущества тонкодисперсных угольных потоков, получаемых по технологии StackCell ™

6. Основные принципы сухого метода обогащения угля?

7. Принцип высокоинтенсивной магнитной сепарации в технологиях обогащения угля?

8. Преимущества технологии обогащения угля «СЕПАИР®» для энергетических углей?

9. Основное оборудование в технологических схемах сухого обогащения угля?

10. Основное оборудование в технологических схемах мокрого обогащения угля?