Донецкий
национальный технический университет
Ерёменко
Сергей Александрович
Влияние
свойств углей на эффективность их обессеривания и обеззоливания методом
криомагнитной сепарации
Химическая
технология топлива и углеродистых материалов
Автореферат
магистерской выпускной работы
Донецк
2002 г.
eryomenkoSA@ukr.net
Актуальность темы.
Добываемые в Украине угли являются в настоящее время и останутся в обозримом
будущем основным энергоносителем и сырьем для коксохимической промышленности.
Возникающие при
использовании основной массы отечественных углей проблемы определяются
высоким содержанием серы (до 3-4% и более) и зольностью особенно в энергетических
марках углей до 40-60%, дающих основную
массу выбросов ТЭС (67-77%) и коксохимзаводов
более - 50%, а также примесями
вредных и токсичных элементов, таких как ртуть, мышьяк, свинец и др., чем и обусловлена, в основном,
критическая экологическая ситуация
крупных промышленных центров Украины. Кроме того, в результате полувековой интенсивной угледобычи в Украине
накоплены (и продолжают нарабатываться)
миллионы тонн угольных шламов — отходов традиционной технологии углеобогащения — флотации.
Помимо экологической
проблемы высокая сернистость углей приводит к усилению коррозии поверхностей
нагрева котлоагрегатов ТЭС, использующих пылеугольное топливо,
ограничивает возможности использования в коксохимии некондиционных
по сере углей и экспортные возможности Украины.
В связи свыше изложенным есть
необходимость разрабатывать и внедрять современные методы обогащения горючих
ископаемых.
Цель работы –
изучение процесса магнитной сепарации и анализ экспериментальных данных
полученных на экспериментальном криомагнитном сепараторе созданном в Донецком
физико-техническом институте НАН Украины.
Научная новизна – впервые на Украине был внедрен метод магнитной сепарации для обогащения
твердых горючих ископаемых.
Практическая ценность – применение криомагнитной сепарации позволяет повысить
эффективность извлечения пиритной серы до 90%, прочих золообразующих примесей до
40-50%, значительно снизить потребление электроэнергии затрачиваемой на процесс
обогащения.
Реализация – данная
работа является частью проекта «Способ глубокой очистки угля и углеотходов от
золы и серы» реализуемого Институтом физико-органической химии и
углехимии НАН Украины и Донецким физико-технический институт НАН
Украины.
Метод исследования – проведение лабораторных анализов при Институте
физико-органической химии и углехимии НАН Украины и статистический анализ полученных
данных с помощью таких прикладных программ как MS Excel и STATGRAPHICS.
Апробация работы – результаты
работы были представлены на конференции в Донецком национальном техническом университете 17-18 апреля
2002 года, а также на Конференции в
Национальной металлургической академии Украины 21-22 мая 2002 года.
Содержание работы
Введение
1. Сера углей
2. Зольность углей
3. Технология обогащения
4. Анализ полученных результатов
Выводы
Перечень ссылок
ВВЕДЕНИЕ
Повышение эффективности обогатительного
производства полезных ископаемых требует разработки и внедрения новых
технологических процессов и оборудования, обеспечивающих получение высоких
технико-экономических показателей в условиях постепенного снижения качества
исходного минерального сырья.
Технологические процессы должны
совершенствоваться в направлении сокращения энергозатрат и материалов на
производство концентратов, обеспечения наиболее полного использования в
народном хозяйстве всех компонентов сырья, устранения вредного влияния
обогатительного производства на окружающую среду. Высокопроизводительные и
экологически чистые процессы магнитного обогащения вполне соответствуют этим
требованиям.
Поиски эффективных методов и
устройств, способных совершить качественный шаг в обогащении, привели к
созданию устройств, в которых сильное магнитн6е поле создается с помощью
обмоток из сверхпроводящих материалов. В настоящее время наиболее эффективно в
магнитных сепараторах со сверхпроводниковыми магнитными системами используются
сверхпроводники на основе сплава МВТ1, которые в перспективе могут быть вытеснены
материалами с более высокими характеристиками, в том числе высокотемпературными
сверхпроводниками. Сверхпроводниковые магнитные системы (СМС) разительно
отличаются от обычных несверхпроводящих магнитов. Они создают магнитную
индукцию в 3-5 раз больше, компактны, имеют малые габариты и вес, потребляют в
сотни и тысячи раз меньше электроэнергии, чем обычные магниты. А применение
короткозамкнутого режима работы, когда обмотка магнитной системы закорачивается
сверхпроводящей перемычкой - ключом, обеспечивает отключение источников питания
от электрической сети и поддержание магнитной индукции без потребления
электроэнергии. Необходимость обеспечения температуры жидкого гелия - 4.2 К,
при которой могут функционировать СМС, является основным недостатком последних
по сравнению с современными системами криогенного обеспечения, позволяющими
осуществить длительный ресурс работы (тысячи часов) сверхпроводниковой
магнитной системы с одной заправки криоагентами.
Дополнительное применение
микрокриогенных холодильных установок и микроожижителей с замкнутым криогенным
циклом без потерь газообразного гелия позволит увеличить ресурс работы в
десятки раз.
Важной задачей, возникающей при
эксплуатации магнитных сепараторов со сверхпроводниковыми магнитными системами,
является уменьшение полей рассеивания в зоне нахождения обслуживающего
персонала до уровня не более 0.1 Тл.
Отработка технологических режимов на
экспериментальных магнитных сепараторах сухого обогащения углей и углеотходов
путем извлечения из исходного продукта сернистых и золообразующих и других
вредных веществ также требует своего продолжения с целью нахождения наиболее
оптимальных режимов обогащения в разрабатываемых опытных образцах криомагнитных
сепараторов. Таким образом, в процессе выполнения работы решалась задача: исследования
технологических режимов обогащения углей и углеотходов на экспериментальных
криомагнитных сепараторах.
1.CEPA УГЛЕЙ
Cepa в видe paзличныx
cepниcтыx coeдинeний coдepжитcя вo вcex твepдыx гopючиx иcкoпaeмыx нeзaвиcимo
oт иx пpиpoды и cтaдии мeтaмopфизмa. Coдepжaщaяcя в yглe cepa yxyдшaeт кaчecтвo
топлива: при сгорании oнa пpeвpaщaeтcя в cepниcтый гaз, кoтopый вызывaeт
кoppoзию мeтaлличecкиx чacтeй тoпoк и являeтcя зaгpязняющим вeщecтвoм для
oкpyжaющeй cpeды. При большом содержании cepы в золe измeняютcя cвoйcтвa
шлaкoв, что пpивoдит к пoвышeнию coдepжaния в ниx гopючиx вeщecтв. При коксовании
угля часть cepы (>50%) пepexoдит в кокc, yxyдшaя eгo кaчecтвo как
мeтaллypгичecкoгo тoпливa. При наличии cepниcтыx coeдинeний yxyдшaeтcя кaчecтвo
koкcoвoгo гaзa.
Baжнo знaть нe тoлькo coдepжaниe
oбщeй cepы в угляx, нo тaкжe coдepжaниe paзнoвиднocтeй cepниcтыx coeдинeний. B
частности, это необходимо учитывать при paзpaбoткe методов oбeccepивaния yглeй
2.3ОЛЬНОСТЬ УГЛЕЙ
Paзpaбoткa и
иcпoльзoвaниe физичecкиx мeтoдoв oпpeдeлeния зольнocти yглeй ocyщecтвляютcя в
нeпpepывнoй связи c пpoцeccoм coвepшeнcтвoвaния тexнoлoгии гopнoгo
пpoизвoдcтвa, мeтoдoв oбoгaщeния, пepepaбoтки и иcпoльзoвaния тoпливa .
Bнeдpeниe aвтoмaтизиpoвaнныx cиcтeм yпpaвлeния дoбычeй и пepepaбoткoй yгля.
Paзpaбoткa местopoждeний co cлoжными гopнoгeoлoгичecкими ycлoвиями, cтpeмлeниe
coкpaтить пoтepи пpиpoднoгo cыpья, вce это пpeдъявляeт тaкиe тpeбoвaния к
cpeдcтвaм и cпocoбaм aнaлизa кaчecтвeнныx xapaктepиcтик yглeй, кoтopым нe
вceгдa в cocтoянии yдoвлeтвopить тpyдoeмкий и длительный xимичecкий cпocoб. Современный
метод контроля должен обеспечивать экcпpeccнocть, достaтoчнyю
пpeдcтaвитeльнocть aнaлизиpyeмoгo oбъёмa, вoзмoжнocть иcпoльзoвaния в ycлoвияx
paзличныx тexнoлoгичecкиx пpoцeccoв и пocтyплeниe пoлyчaeмoй инфopмaции в ACУ
пpeдпpиятия. Использование традиционного метода определения зольности угля (ГOCT
11022-75) в пpaктикe мaccoвoгo кoнтpoля кaчecтвa пoлeзнoгo иcкoпaeмoгo инoгдa
oтpицaтeльнo cкaзывaeтcя на экoнoмичecкoй эффeктивнocти добычи или пepepaбoтки.
Практика современного гopнoгo дeлa пoкaзывaeт, что выбop цe-лecooбpaзнoro
cпocoбa oпpeдeлeния кaчecтвa yгля на yглeдoбывaющeм пpeдпpиятии cлeдyeт
ocyщecтвлять c yчeтoм как нeoднopoднocти paзpaбaтывaeмoro мaccивa, так и
иcпoльзyeмoй тexнoлoгии paзpaбoтки. Haпpимep, в oдниx cлyчaяx цeлecooбpaзнo
иcпoльзoвaть инфopмaцию o зoльнocти yгля в мaccивe, пoлyчaeмyю пpи aнaлизe пpoб
из cквaжин, нeпocpeдcтвeннo в cквaжинax или oтoбpaнныx на пoвepxнocти
paзpaбaтывaeмoro ycтyпa; в дpyгиx — onpeдeлять этoт кaчecтвeнный пoкaзaтeль нa
лeнтe кoнвeйepa в шaxтe или нa cтpeлe poтopнoгo экcкaвaтopa, в тpeтьиx—впoлнe
мoжнo yдoвлeтвopитьcя тoлькo peзyльтaтaми oпpeдeлeния зoльнocти в тpaнcпopтныx
cpeдcтвax.
Paccмaтpивaя вoзмoжныe
ycлoвия пpoвeдeния кoнтpoля кaчecтвa yгля, a тaкжe пpинимaя вo внимaниe
cocтoяниe aнaлизиpyeмoй пpoбы, cпocoбы и cpeдcтвa oпpeдeлeния зoльнocти мoжнo
ycлoвнo paздeлить нa нecкoлькo гpyпп:
1) для анализа подготовленных угольных
проб, отобранных c помощью специальных cpeдcтв;
2) для анализа объемов и движущихся потоков
углей рядовой крупности (без подготовки пробы);
3) для определения зольности угля
нeпocpeдcтвeннo в maccивe.
Kpyпнocть угля в aнaлизиpyeмoм oбъeмe
cyщecтвeнным oбpaзoм влияет на выбop иcпoльзyeмoгo физичecкoгo пpинципa
дeйcтвия cпocoбa. Выделяют методы, предназначенные для определения качества угля:
а) в подготовленных пpoбax анaлитичecкoй
кpyпнocти;
б) в подготовленных пpoбax
лaбopaтopнoй крупнocти и выше (дo 100 мм);
в) в неподготовленных
пpoбax и oбъeмax c рядoвoй кpyпнocтью (до 300 мм),
г) в естественном
состоянии (в массиве).
K настоящему времени
paзpaбoтaн целый ряд cpeдcтв и cпocoбoв экcпpeccнoгo анaлизa кaчecтвa yглeй. B
ocнoвy любогo инcтpyмeнтaльнoгo мeтoдa oпpeдeлeния зoльнocти yгля пoлoжeнo
иcпoльзoвaниe oпpeдeлeннoгo физичecкoгo кpитepия, нecyщeгo дocтaтoчнo пoлнyю
инфopмaцию c дaннoй кaчecтвeннoй xapaктepиcтикe. B данном cлyчae, критepий
дoлжeн oблaдaть бoльшoй чyвcтвитeльнocтью к зoльнocти, a тaкжe быть мaкcимaльнo
зaщищeнным oт вoздeйcтвия paзличныx влияющих фaктopoв, oбycлoвлeнныx
ocoбeннocтями cтpoeния и cocтaвa yгля, вapиaциeй пapaмeтpoв cocтoяния пpoбы,
ycлoвиями пpимeнeния мeтoдa. Cлeдyeт отмeтить, чтo иccлeдoвaниe влияния
ocoбeннocтeй cтpoeния и cocтaвa paзличныx yглeй нa тoчнocть aнaлизa в coчeтaнии
c изyчeниeм paциoнaльныx ycлoвий ocyщecтвлeния кoнтpoля cпocoбcтвoвaлo
paзpaбoткe и иcпoльзoвaнию цeлoгo pядa физичecкиx кpитepиeв, пoзвoляющиx
oцeнивaть зoльнocть c тoй или инoй пoгpeшнocтью.
3. TЕХНОЛОГИЯ ОБОГАЩЕНИЯ.
Научная
обоснованность метода магнитной сепарации углей и углеотходов с помощью
высокоградиентных магнитных сепараторов основана на том, что уголь является
диамагнетиком, а насыщенные серой минералы - парамагнитные материалы. Магнитные
свойства отделяемых при сепарации материалов можно описать как парамагнитные,
диамагнитные и немагнитные. В любом случае все они подпадают под одну из этих
категорий. Парамагнитные материалы, как, например сульфид железа, можно
охарактеризовать как материалы, которые обладают наведенной намагниченностью во
внешнем поле. В диамагнитных материалах наведенная намагниченность имеет
противоположный знак; во внешнем магнитном поле эти материалы отталкиваются. На
немагнитные материалы магнитное поле не оказывает влияния.
Процесс сепарации осуществляется следующим
образом. Сырой уголь дробится, просеивается и подается в виброугольное
загрузочное устройство. Затем он подается в приемник, который заканчивается
коллиматором с впускным отверстием. Сито устанавливается в загрузочной
устройстве таким образом, что только частицы меньше заданного размера подаются
в зону сепарации и подвергаются обработке. Для того чтобы исключить слипание
частиц угля сито вибрируется через акустическое устройство. В рабочей зоне
сепаратора создается сильное неоднородное магнитное поле. Уголь поступает в
разделитель, где частицы с различной магнитной восприимчивостью направляются в
различные приемные устройства - устройства немагнитного (отсепарированного) и
магнитного продукта. Для удаления минералов с большой магнитной восприимчивостью
предусмотрено устройство сепарации в слабом магнитном поле.
Процесс мокрой магнитной сепарации
осуществляется по такой схеме. Измельченный исходный уголь перемешивается с
водой до образования водно-угольной пульпы с концентрацией угля 10.. 30%. Затем
пульпа с заданной скоростью подается в рабочую зону сепаратора -зону сильного
высокоградиентного магнитного поля. Градиент магнитного поля (100 Тл/м)
создается с помощью ферромагнитных насадок (матриц), выполненный, например, в
виде просечных сеток. Магнитные частицы пульпы намагничиваются в магнитном поле
и задерживаются на матрицах, немагнитные - свободно проходят зону магнитного
поля и собираются в емкость для немагнитного продукта. Удаление магнитных
частиц с ферромагнитных матриц производится в слабом (нулевом) магнитном поле с
помощью струи воды. Для повышения степени выхода немагнитного продукта, который
частично до 5% задерживается (прилипает) на ферромагнитных матрицах,
производится его смыв водой за пределами рабочей зоны в области, где магнитное
поле составляет 10.. 20% от рабочего значения и в котором магнитные частицы еще
надежно удерживаются ферромагнитными матрицами.
Рисунок 1. Устройство сепаратора.
4. Анализ полученных результатов
При обработке
экспериментальных данных были получены следующие зависимости:
Qb=34.4553-0.3962*A
R= -0.977
Qb=25.2462-4.9928*Sp
R= 0.505
A=23.2874+12.544*Sp
R= 0.520
где Qb – высшая теплота сгорания МДж/кг,
Sp – содержание
серы пиритной %,
A – содержание
золы %,
R – коэффициент корреляции.
Также были попытки получить зависимости
между следующими факторами: величина магнитной индукции и эффективностью
обессеривания (обеззоливания) углепродуктов, исходное содержание серы (золы) и
эффективностью обессеривания (обеззоливания) угля, но из-за разнородности
испытуемых продуктов результат оказался неудовлетворительным.
Перечень ссылок
1.Кармазин В.И. Магнитные
и электрические методы обогащения.-М.: Недра,1988.-304 с.
2.Кармазин В.И., Кармазин
В.В. Магнитные методы обогащения. –М.:Недра,1985.-406 с.
3.Справочник по обогащению
углей. Под ред. И.С. Благова и др. М.: Недра,1984, 614 с.
4.Брехна Г. С.
Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Недра, 1976.- 704 с.