Фракционный состав углей

Источник: Фоменко Т.Г., Бутовецкий В.С., Погарцева Е.М. Исследование углей на обогатимость. - М.:"Недра", 1978. - С. 52-59.

Фракционный состав углей, т. е. состав по фракциям плотности, характеризует количественное распределение зольности углей по фракциям плотности. Зольность углей распределяется примерно пропорционально их плотности. Если разделить уголь на ряд фракции по плотности, то во фракции с наибольшей плотностью окажутся наиболее зольные зерна, во фракции с меньшей плотностью - сростки и близкие к ним зерна по зольности, во фракции, имеющей низкую плотность, - наиболее чистые зерна угля по зольности. Эта зависимость изображается в виде кривой (рис. 1), представляющей характер распределения зольности во фракциях различной плотности.
Распределение зольности по фракциям плотности позволяет судить о возможности разделения исходного угля на продукты обогащения. Результаты разделения на фракции служат эталоном, с которым сравнивают промышленные результаты гравитационного обогащения. Кроме того, данные фракционного анализа позволяют составить теоретический баланс продуктов обогащения, являющийся основой для расчетов результатов обогащения при проектировании углеобогатительных фабрик. Фракционный состав углей определяется с помощью фракционного анализа.
Масса пробы для производства фракционного анализа зависит от размера наибольших кусков опробуемого угля:

Массу пробы можно определить как

q = d/2,

где q - масса пробы, кг; d - размер наибольшего куска, мм.

Порядок проведения фракционного анализа установлен ГОСТ 4790-75.
В качестве среды, в которой производится расслоение проб углей и продуктов обогащения по плотности, применяются тяжелые неорганические жидкости; раствор хлористого цинка (ZnCl₂) и .хлористого кальция (СаС1₂).

Рисунок 1 - Распределение зольности во фракциях угля различной плотности

Рисунок 2 - Схема проведения фракционного анализа (a) и бачок для расслоения пробы угля (б)

В практике обогащения углей и при лабораторных исследованиях повсеместное распространение получил раствор хлористого цинка, так как из него легко получать растворы большой и малой плотности путем добавки или выпаривания воды.
Необходимые плотности растворов возможно получить при следующем содержании хлористого цинка:

Применение неорганических тяжелых жидкостей связано с необходимостью тщательной промывки расслаиваемых продуктов. Кроме того, они оказывают химическое действие на некоторые составные части угля (главным образом карбонаты). К недостаткам этих жидкостей следует отнести их повышенную вязкость, что исключает применение неорганических жидкостей для расслоения угля размером менее 1 мм.
Для расслоения угля или продуктов обогащения размером менее 1 мм применяются органические жидкости, которые легко испаряются, не требуют промывки расслоенных продуктов, не оказывают никакого химического воздействия на составляющие компоненты угля и обладают меньшей вязкостью по сравнению с вязкостью неорганических жидкостей.
Такими жидкостями являются четыреххлористый углерод (ССl₄) плотностью 1610 кг/м³ при температуре 15° С и бромоформ (СНВr₃) плотностью 2810 кг/м³.
Для получения растворов меньшей плотности к четыреххлористому углероду добавляют бензол С₆H₆, а для увеличения плотности - бромоформ СНВr₃ в следующих количествах:

Расслоение угля на различные фракции по плотности производится в специальных бачках (рис. 2), наполненных тяжелой жидкостью (ZnС1₂) различной плотности.
Из пробы, предназначенной для фракционного анализа, удаляются частицы, размер которых меньше размера частиц данного класса, а затем порциями не более 10 кг уголь загружается в бачок, имеющий сетчатое дно. Бачок с углем сначала погружается в тяжелую жидкость с наименьшей плотностью, например 1300 кг/м³. Погруженный в жидкость продукт тщательно перемешивается, а затем расслаивается в течение 1-5 мин (в зависимости от крупности расслаиваемого материала). Всплывшую фракцию, имеющую меньшую плотность, снимают решетчатым черпаком и загружают в бачок с сетчатым дном для стекания остатков тяжелой жидкости.
Полученную таким путем фракцию угля в течение 2-3 мин промывают водой, подсушивают до воздушно-сухого состояния при температуре 50±5°С, взвешивают с точностью до 5 г и отбирают пробы на зольность и в случае необходимости - на содержание серы.
Осевшую часть угля, обладающую большей плотностью, чем всплывшая, вынимают вместе с сетчатым бачком из сосуда и после стекания остатков раствора погружают ее в следующий бачок, наполненный более плотной жидкостью (например, 1400 кг/м³). Всплывшую фракцию расслаиваемого продукта снимают и подвергают промывке и просушке, а осевшую часть вместе с сетчатым бачком после стекания жидкости погружают в следующий бачок, наполненный раствором хлористого цинка большей плотности (например, 1500 кг/м³).
В последней наиболее плотной жидкости (1800 кг/м³ - для каменных углей и 2000 кг/м³ - для антрацитов) получают также две фракции: всплывшую и утонувшую, которые обрабатывают, как и предыдущие.
Фракционный анализ угля крупностью менее 1 мм производится в лабораторной центрифуге с быстро вращающимися металлическими гильзами. В эти гильзы вставляются стеклянные пробирки, наполненные тяжелой жидкостью требуемой плотности.
Навеска угля размером менее 1 мм и массой 80 г делится па четыре части, каждая из которых загружается в отдельную пробирку. В эти же пробирки заливается по 80-90 см³ тяжелой жидкости и их содержимое тщательно перемешивается до полного смачивания угля. Затем каждая пробирка взвешивается; их масса уравнивается путем добавки жидкости той же плотности.
Пробирки вместе с содержимым вставляются в гильзы, и затем центрифуга включается па 5 мин при частоте вращения 3000 об/мин. Полученные фракции (всплывшая и утонувшая) подсушиваются и взвешиваются с точностью до 0,01 г.
В результате взвешивания полученных продуктов подсчитываются выхода каждой фракции в процентах от массы исходной пробы и от рядового угля, и затем определяется их зольность.
Полученные результаты расслоения какого-либо класса угля оформляются в виде табл. 1.

Таблица 1 - Результаты фракционного анализа угля

Рисунок 3 - Кривые характеристики угля

Кривая λ показывает распределение зольности по элементарным слоям угля в зависимости от выхода фракции определенной плотности. Кривая β является производной кривой λ, она показывает зависимость суммарного выхода всплывших фракций от их зольности. Построение кривой β осуществляется двумя методами - графическими по кривой λ и по суммарной зольности всплывших фракций. Графический метод в практике исследования углей не используется, так как он более сложен и менее точен, чем построение кривой по данным фракционного анализа.
Нанесение на диаграмму рис. 3 кривой β осуществляется по данным табл. 1: на оси абсцисс откладывается суммарная зольность всплывших фракций, а на оси ординат - суммарный выход тех же фракций сверху.
Кривая θ является также производной кривой λ и характеризует зависимость суммарного выхода утонувших фракций от их зольности. Она строится по суммарным данным (табл. 1) утонувших фракций (см. рис. 3).
Кривая δ характеризует зависимость суммарного выхода всплывших фракций от плотности разделения. Для ее построения плотность фракций откладывается на верхней оси абсцисс диаграммы (см. рис. 3).
Вид этих кривых изменяется с изменением свойств угля, поэтому они являются наиболее характерными выразителями обогатимости углей.

Таблица 2 - Данные для построения суммарных кривых

Однако изучение одного класса углей не дает полной характеристики обогатимости всего угля. Для получения данных об обогатимости всего угля строятся суммарные кривые (см. табл. 2, рис. 4).
Эти кривые не только показывают распределение золы по всем классам донного угля, но и позволяют получить теоретический баланс продуктов обогащения, т. е. выхода и зольности концентрата, промежуточного продукта и отходов.

Рисунок 4 - Суммарные кривые характеристики угля

Суммарная ступенчатая кривая λ строится на основании теоремы Рейнгардта. Предположим, имеется подвергаемый обогащению расслоенный уголь крупностью 0-100 мм, нерасслоенный класс крупнее 100 мм; и продукт обесшламливания. Предположим, что необогащенный уголь представляет собой совокупность зерен одной и той же зольности, равной средней зольности данного угля. Кривая в таком случае будет выражаться прямой, параллельной ординате выхода и отложенной от нее на расстоянии средней зольности. На рис. 4 нанесена кривая λ₁ расслоенного угля и нерасслоенных продуктов λ₂, λ₃ и λ₄, совокупность выходов которых равна 100%.
Принцип построения суммарных диаграмм состоит в следующем: в самой верхней части кривой λ должны располагаться наиболее малозольные зерна смеси. Сравнивая кривые λ₁, λ₂, λ₃ и λ₄ видим, что самые малозольные элементарные слои имеет уголь I, следовательно, они и должны лечь в верхнюю часть суммарной кривой λ, т.е. - это будет участок кривых λ₁ и λ до точки а.
После нанесения па суммарную кривую λ верхних фракций плотности угля I, от элементарного слоя О'О до слоя а'а должны быть отложены все элементарные слои угля II с их средней зольностью. Они имеют вид прямоугольника а'аb'b, сторона которого аb, равная λ₂, будет участком суммарной ступенчатой кривой λ. Затем должны быть отложены элементарные слои угля I вплоть до того элементарного слоя, зольность которого равна средней зольности угля III, т.е. до элементарного слоя с'с. Участок кривой λ₁ от элементарного слоя b'b до с'с переносится параллельно себе на расстояние аb(λ₂) по вертикали.
Аналогично углю II наносятся на суммарную кривую все слои угля III от слоя с'с до слоя d'd, где cd = λ₃. Участок кривой λ от точки d до е на суммарной кривой также переносится параллельно участку кривой λ₁. Дальнейшее построение кривой λ осуществляется уже описанным образом.
Так как ступенчатая кривая λ является по существу обыкновенной кривой λ, характеризующей смесь углей, естественно, к ней могут быть применены все рассуждения и приемы построения производных кривых - всплывших фракций β и утонувших θ.
Кривые β и θ могут быть построены известным графическим методом, однако проще и точнее сделать это по суммарным зольностям всплывших и утонувших фракций.
Устаревшие данные фракционных анализов углей по эксплуатационным пробам не могут быть использованы из-за их несоответствия характеристике разрабатываемых в настоящее время угольных пластов и больших колебаний показателей зольности и выходов фракций плотности.