Оригинал статьи размещен на сайте: http://www.rosugol.ru/jur_u/10_01/linev.html

К вопросу разработки рациональных технологий обогащения угольного топлива на основе энергетического подхода

Б.И.ЛИНЕВ
Канд. техн. наук
Директор ИОТТ

Институтом ИОТТ в последние годы значительное внимание уделялось разработке концепции повышения эффективности угольной энергетики. Проводились работы по совершенствованию технологии обогащения энергетических углей и повышению эффективности проектных решений углеобогатительных фабрик особенно в условиях нестабильности сырьевой базы [1,2].
С позиций современных представлений науки об угле разработаны новые энергетические подходы к оценке качества угольного топлива, с учетом которых выполнены прогнозные оценки обогатимости энергетических углей основных месторождений России. Впервые предпринята попытка обосновать наличие взаимосвязей между энергетической ценностью углей и их обогатимостью [3].
В статье рассмотрена методология оценки обогатимости углей по их энергетической ценности.
В результате многолетних многочисленных исследований обогатимости углей, сложились устойчивые принципы оценок, в основе которых лежит анализ традиционных кривых обогатимости Анри-Рейнгарда, и их различных модификаций (кривые обогатимости Майера и т.д.), позволяющие рассчитывать теоретический баланс выходов и качества продуктов обогащения. Такой подход оказался весьма плодотворным при определении кондиции коксующихся углей. Однако опыт работы различных энергетических установок показывает, что угли, имеющие одну и ту же зольность, характеризуются различной теплотворной способностью, что сказывается на объемах их сжигания для получения эквивалентных количеств тепловой энергии.
В отличие от коксохимического производства, практика эксплуатации различных энергетических установок свидетельствует, что они не так критичны к качеству энергетических углей по зольности и при сжигании рядовых углей и концентратов разной зольности (в пределах известных допусков) могут быть получены сопоставимые между собой удельные теплоты их сгорания. Поэтому представляется целесообразной разработка способов оценки обогатимости энергетических углей с учетом не только их зольности, но и прежде всего их энергетических характеристик.
Так как в основе традиционной оценки обогатимости угля лежат результаты его фракционного анализа в тяжелых жидкостях заданной плотности, то такую оценку необходимо дополнить анализом не только основных кривых обогатимости по зольности (λ -, β -, θ -кривых обогатимости), но и аналогичных кривых обогатимости по показателю, характеризующему энергетическую ценность отдельных фракций угля, желательно без проведения дополнительных калориметрических и каких - либо еще анализов отдельных проб или фракций угля. Ниже рассмотрим принцип построения таких кривых.
Основным показателем качества энергетических углей является их теплота сгорания. При этом экспериментально определяется только теплота сгорания топлива на горючую массу по бомбе Q^г_б, а все остальные аналогичные показатели получаются расчетным путем по известным формулам.
Основной квалификационной энергетической характеристикой энергетических углей, отражающих их морфологические особенности, является высшая удельная теплота сгорания топлива на горючую массу Q^г_в, так как показатели, выраженные при расчете на горючую массу, используются для приближенной характеристики органической части угля, состав которой ответственен за его энергетические свойства.
Именно данная энергетическая характеристика может быть рассчитана исходя из характеристик угля по пластовой пробе, которые приводятся в основных атласах углей РФ. Кроме того, при определенных допущениях распределения влаги по фракциям, данных фракционного анализа достаточно для расчета именно этой энергетической характеристики угля. Поэтому в качестве основной энергетической характеристики, при построении кривых обогатимости, учитывающих энергетическую ценность каждой фракции при распределении пробы угля по плотности, была использована высшая удельная теплота сгорания топлива на горючую массу Q^г_в, через которую производится расчет энергетической ценности каждой фракции угля.
В литературе проведен подробный анализ трудностей построения основной λ -кривой обогатимости, а, следовательно, и надежности оценки обогатимости углей и их классификации по обогатимости. Свободной от таких недостатков построения является кривая обогатимости Майера, и β -, θ - кривые, характеризующие выход и зольность всплывших (концентрат) и потонувших (отходы) фракций. Поэтому методика построения кривых обогатимости Майера и λ - кривые обогатимости по зольности взяты за основу построения аналогичных кривых с учетом энергетической ценности элементарных и всплывших фракций.
Используем эту методику на примере одного из углей Кузнецкого угольного бассейна. В качестве примера взяты результаты фракционного анализа рядового угля марки Г пласта Байкаимский шахты им. 7 Ноября Кузнецкого угольного бассейна. Данные фракционного состава рядового угля и его характеристики по пластовой пробе приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Фракционный состав рядового угля марки Г пласта Байкаимский, шахты им. 7 Ноября

Таблица 2 - Характеристика угля марки Г пласта Байкаимский, шахты им. 7 Ноября по пластовой пробе

Рассмотрим методику оценки энергетической ценности отдельной фракции угля.
Для этого, по характеристике пластовой пробы, рассчитаем значение высшей удельной теплоты сгорания топлива на горючую массу Q^г_в,

Q^г_в = Q^г_б – (22,5 S^c – 0,0015 Q^г_б), кКал/кг (1)

Q^г_в = 8037 – (22,5* 0,25 – 0,0015* 8037) = 8023,34 кКал/кг, или 33,586 МДж/кг

Для отдельной фракции рассчитаем:

• Содержание сухой горючей массы, СГМ, %, при допущении равномерного распределения рабочей влаги по фракциям угля,

СГМ_фр. = 100 – А^с_фр. - W^p_фр. , % (2),

• Количество СГМ единиц, СГМ_ед. (кг/10 т исходного материала),

СГМ_ед. = γ _фрСГМ_фр, (3),

• Количество энергетических единиц, Э_ед. , МДж/кг (МДж/10 т исходного материала),

Э_ед. = СГМ_ед. Q^г_в (4).

Энергетическая ценность всплывших фракций (концентрата) ЭЦ_вф рассчитывается через количество энергетических единиц всплывших фракций Э_ед и их выход γ _вф (суммирование ведется по числу всплывших фракций)

ЭЦ_вф = Э_ед/100 γ _вф, МДж/кг (5)

Результаты расчетов, выполненных по данным таблицы 1 для элементарных всплывших фракций, представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Фракционный состав рядового угля марки Г пласта Байкаимский, шахты им. 7 Ноября

Аналогичные расчеты могут быть выполнены и для потонувших фракций (отходов) того же угля.
Предложенная методика оценки энергетической ценности отдельных фракций, всплывших и потонувших фракций угля при заданной плотности разделения, с формальной стороны идентична общепринятой для оценки обогатимости углей по зольности и позволяет выполнить все необходимые процедуры построения как кривых обогатимости Анри-Рейнгарда, так и кривой обогатимости Майера и на их основе оценить как обогатимость по зольности, так и по энергетической ценности, а также рассчитать теоретический баланс.
В таблице 4 – рассчитанный по ним теоретический баланс по зольности и энергетической ценности при заданном выходе концентрата, соответствующем плотности разделения 1500 кг/м³ и промпродукта – 1600 кг/м³. Для расчетов теоретического баланса продуктов обогащения М-кривые обогатимости апроксимировались кубическими сплайнами переменной структуры.

Таблица 4 - Теоретический баланс продуктов обогащения рядового угля марки Г пласта Байкаимский, шахты им. 7 Ноября

Таким образом, данная методика может являться основой для оценки обогатимости энергетических углей не только по традиционной зольности, но и по их энергетической ценности, что более важно для предприятий, являющихся поставщиками энергетических углей угольным электро- и тепловым станциям.
Оценка обогатимости энергетических углей является определяющей при выборе методов обогащения и прогнозе их результатов. Однако до сих пор отсутствует единый общепринятый метод оценки обогатимости с учетом его энергетической ценности. Такое состояние вопроса прежде всего, объясняется многофакторностью свойств угля, влияющих на их обогатимость. Это привело к обилию различных методов оценки этой характеристики угля.
При оценке обогатимости угля гравитационными методами обогащения, как правило, используются как функциональные критерии, показывающие зависимость выхода и зольности фракций от признака разделения – плотности, так и точечные – в виде различного рода показателей обогатимости. К первым традиционно относят различные модификации известных кривых обогатимости – Анри-Рейнгарда, Майера и т.д., а ко вторым – различные показатели обогатимости Т.
Точечным показателям обогатимости является показатель обогатимости Т по ГОСТ 10100-75, представляющей собой отношение суммарного выхода промежуточных фракций к выходу беспородной массы

T=100 γ _пр/(100-γ _п) (6),

где: γ _пр – выход промежуточных фракций, плотностью 1400-1800 кг/м³, %,

γ _п - выход породных фракций, плотностью более 1800 кг/м³, %.

По данному Т-критерию, в зависимости от его значения, все энергетические угли делятся на IV категории обогатимости (легко, средне, трудно и очень трудно обогатимые).

Рассматривая обогатимость угля как способность его гравитационного разделения на фракции определенных плотностей, следует отметить, что наиболее информативными для оценки обогатимости являются функциональные критерии в виде различных кривых обогатимости. Так, считается, что чем положе участок λ -кривой обогатимости, соответствующей зольности фракций промежуточной плотности, тем более легкообогатим данный уголь, т.е. λ -кривая такого угля должна иметь вид ступенчатой диаграммы. Тогда, возможной оценкой обогатимости угля может служить значение производной D=dγ _фр/dA^c_фр при значениях плотности, равной плотности разделения. В этом случае, легкообогатимым должен быть уголь, если при заданной плотности разделения такая производная будет стремиться к нулю.

По другой методике оценки обогатимости, принятой во Франции, в качестве показателя обогатимости при заданном весовом выходе принято значение тангенса угла наклона кривой плотности F = γ _к(ρ ). С ростом значения этой производной, рассчитанной при плотности, равной плотности разделения, обогатимость угля ухудшается.
Проследим, как изменятся представления об обогатимости энергетических углей одной и той же категории обогатимости по ГОСТ, если рассматривать их обогатимость по зольности и по энергетической ценности с использованием соответствующих кривых плотности (зависимость выхода всплывших фракций от их плотности) и зольности F= A^c_к(ρ) или энергетической ценности всплывших фракций F=ЭЦ(ρ ).
С этой целью из атласа углей Кузнецкого угольного бассейна были отобраны рядовые угли характерных для данного бассейна марок К и Ж всех четырех категорий обогатимости по ГОСТ (табл.5) и на основе изложенной выше методики построения и анализа, кривых обогатимости углей была оценена их обогатимость как по зольности, так и по энергетической ценности.

Таблица 5 - Характеристики рядовых углей различных марок и категорий обогатимости по ГОСТ Кузнецкого угольного бассейна, отобранных для построения и анализа, кривых обогатимости по их энергетической ценности.