| ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание |
Введение и актуальность темы
Уголь является одним из наиболее важных видов топливно-енергетического сырья. Основными потребителями угля в нашей стране являются тепловые электростанции (42%), черная металлургия (20%), котельные и коммунально-бытовое хозяйство (16%).
Однако в последнее время наметилась устойчивая тенденция к увеличению содержания мелких классов и их зольности в углях, поступающих на обогащение. В рядовых углях количество мелких классов крупностью менее 0,5 мм составляет около 30%. Кроме того, имеет место дополнительное шламообразование при транспортировке и других технологических операциях.
Поэтому проблема переработки шламов в последние годы является наиболее актуальной. Напряженный топливный баланс в Украине и неблагоприятная экологическая обстановка в нашем регионе требуют разработки эффективных способов утилизации тонкозернистых высокобаластных углесодержащих продуктов из отстойников шахт и илонакопителей обогатительных фабрик, занимающих значительные земельные площади и ухудшающих санитарное состояние вод и атмосферы.
Только в илонакопителях Донбасса ежегодно складируется более 10 млн. т тонкозернистых шламов с содержанием органической массы 25-40%. Всего же в указанных накопителях находится свыше 120 млн. т флотационных отходов и запасы их непрерывно растут. Складирование их сопровождается отторжением значительных площадей (свыше 1500 га) и экологической напряженностью в регионе.
Ряд илонакопителей вследствие относительно низкой зольности отходов, по существу, являются техногенными месторождениями, из которых технически возможно получать энергетическое топливо, а в некоторых случаях и концентрат для коксования.
Это вызывает необходимость дальнейшего усовершенствования техники и технологии переработки шламов и разработки новых процессов.
Цели и задачи
Цель настоящей работы - для условий илонакопителя Макеевского КХЗ разработать технологию выделения концентрата, пригодного для коксования и технологию подготовки остальной высокозольной части илонакопителя к энергетическому использованию.
Для достижения сформулированной цели поставлены следующие задачи:
Научная новизна
Дефицит топлива, возникающий и в результате малого распространения в Украине энергосберегающих технологий, вынуждает отгружать на тепловые электростанции необогащенные отсевы, промпродукт, шламы и даже хвосты флотации энергетических марок угля.
Обогатительные фабрики Украины выдают около 10 млн. тонн отходов флотации в год. Эти отходы характеризуются высокой дисперсностью, способностью к набуханию, размокаемостью и пр.
В основном отходы флотации представлены частицами крупностью <74мкм. Комплексными минерало-петрографическими анализами уставлено, что основным минерализующим компонентом отходов флотации является глинистое вещество (до 92%), в меньших количествах содержатся кварц и карбонаты. Содержание горючей массы (углерода) в отходах 15-25%. Содержание серы колеблется по разным угледобывающим бассейнам страны, но значительно ниже, чем в породе крупных классов. Преобладающее количество глинистого вещества во флотохвостах, по сравнению с другими углесодержащими отходами, делает их пластичным материалом.
В связи с тем что, рациональный метод обогащения материала илонакопителей определяется свойствами его твердой фазы, а шламы, извлеченные из илонакопителя - окислены и значительно колеблятся в пределах крупности, флотационный метод обогащения шламов отвергается, а принимается технология обогащения гидросайзерами либо винтовыми сепараторами.
Практическая ценность
Комплексное использование отходов углеобогащения приобретает значение не только важного резерва увеличения эффективности производства, сокращения нерационального отчуждения земельных ресурсов, но и защите от загрязнений водного и воздушного бассейна.
По разным оценкам на поверхностях шахт, территориях обогатительных фабрик страны существует 1500 породных отвалов, в которых залегает около 2 млрд. т горной массы с содержанием угля до 20%.
В илонакопителях сейчас находится около 116 млн. т шламов с зольностью 45...50%. Нетрудно подсчитать, что общее количество угля, который может быть извлечен из горной массы, находящейся на поверхности, т.е. в илонакопителях и породных отвалах, составляет около 450 млн. т, что вдвое превышает годовую добычу угля в Украине в период расцвета угольной промышленности.
Кроме того, эксплуатация шламовых отстойников и илонакопителей требует отторжения больших земельных площадей. Под шламовые отстойники в Украине занято 501 га земель, под илонакопители 760 га. В распоряжении углеобогатительных фабрик имеется 35 илонакопителей общей площадью 1805 га. Для строительства новых хранилищ необходимо земли из расчета 15-25 га на 1 млн.т складируемых отходов флотации или илов, что соответствует примерно 100 га в год. Следует учитывать и большие затраты на сооружение и содержание илонакопителей, которые обычно располагаются в оврагах и балках, ограждаясь с одной или нескольких сторон защитными дамбами. Вместимость илонакопителей от 1 до 8-10 млн.м3, срок службы не менее 10-25 лет.
Практическая ценность разработки заключается в высвобождении дополнительных топливных ресурсов для энергетики, в высвобождении земельных ресурсов, занятых илонакопителем, сокращении расходов по эксплуатации илонакопителя.
Обзор существующих разработок по теме
Результаты исследований, выполненных в Национальной горной академии Украины и в УкрНИИуглеобогащении, и опыт работы углеобогатительных фабрик позволяют сформулировать следующие основные принципы технологии обогащения угольных шламов:
-выделение высокозольной илистой части при сепарации по крупности с использованием высокочастотных грохотов с размером ячеек просеивающей поверхности 0,1...0,2 мм, гидроциклонов малого диаметра, статических гидравлических классификаторов с механической разгрузкой зернистой части; при высоком содержании глинистых частиц, для улучшения реологических свойств водоугольной суспензии ее следует разбавлять технической водой и промывать зернистую часть;
- при низкой зольности илистой части последняя подлежит флотации или селективной флокуляции для дополнительного извлечения горючей массы;
- при высокой зольности илистой части последняя подлежит флотации для дополнительного извлечения горючей массы;
- при высокой зольности зернистой части необходима ее сепарация по плотности с использованием тяжелосредных гидроциклонов (в качестве утяжелителя суспензии используется как магнетит, так и смесь измельченных тяжелых породных фракций с пиритом, содержащимся в значительном количестве в высокозольных донецких углях), винтовых сепараторов, винтовых шлюзов, конусных сепараторов, концентрационных столов и других устройств, использующих сепарационные эффекты, возникающие при течении тонкого слоя суспензий по твердым поверхностям; предпочтение следует отдавать, прежде всего, наиболее простым и менее энергоемким устройствам, таким как винтовые сепараторы и винтовые шлюзы;
- для повышения эффективности сепарации по плотности необходима подготовка зернистой части шламов по крупности, например, грохочение по 3 мм с возвратом надрешетного продукта в отсадку;
- для получения требуемой влажности концентратов и дополнительного удаления из них остатка высокозольной илистой части их желательно обезвоживать в несколько приемов, например, последовательно в гидроциклонах, на грохотах и в центрифугах.
Обогащение методом флотации
Пенная флотация - наиболее распространенная разновидность флотации. Пенная флотация базируется на способности плохо смачиваемых водой минеральных частиц (гидрофобных) прилипать к пузырькам воздуха, которые возникают при аэрации пульпы. Комплексы "минерал-воздух" всплывают на поверхность пульпы, образовывая пенный продукт. Смачиваемые водой минеральные частицы остаются зависшими в пульпе и образуют камерный продукт. Для усиления разницы в смачиваемости минеральных частиц пульпа обрабатывается специальными флотационными реагентами.
В процессе пенной флотации обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образовывая пенный слой. Для создания и усиления разницы в гидратированости минералов, которые разделяют, и создания достаточной стойкости пены в пульпу добавляют флотационные реагенты. Потом пульпа поступает во флотационную машину. Образование флотационных агрегатов - аерофлокул происходит при столкновении минералов с пузырьками, которые вводятся в пульпу.
Пенная сепарация-процесс разделения минеральных частиц по их смачиваемости при прохождении сверху вниз сквозь слой подвижной пены, которая образуется на поверхности аэрированной жидкости. Гидрофобные частицы концентрируются в верхних слоях пены, а гидрофильные вымываются из пены потоком жидкости, которая подается с потоком питания на пену сверху. В пене создаются условия противоточного движения частиц и пузырьков, что интенсифицирует процесс разделения. Пенная сепарация имеет много преимуществ в сравнении с флотацией (более малая длительность, енерго- и металлоёмкость, более большая крупность флотированных частиц).
Однако большого распространения пенная флотация и сепарация не получила так как материал из илонакопителей окислен и значительно насыщен глинистыми частицами, которые повышают вязкость суспензии и затрудняют процесс обогащения.
Обогащение на концентрационных столах
Концентрация на столах - процесс разделения сыпучей смеси минеральных частиц по их плотности в тонком потоке воды, который течет по наклонной деке концентрационного стола, которая осуществляет обратно-поступательное продольное движение. Концентрационный стол используют для обогащения угля крупностью 0,074-13 мм плотностью в пределах 1200-15600 кг/м3. В современных концентрационных столах деки осуществляют почти горизонтальное асимметричное обратно-поступательное движение, что обеспечивает взрыхление слоя частиц и их транспортировку. В результате сноса верхнего слоя зерен потоком жидкости поперек деки и транспортировки нижнего слоя (где концентрируются тяжелые частицы) вдоль деки образуется веер зерен материала разной плотности (крупности), что позволяет собирать частицы разной плотности в разные приемники. Форма деки близка к параллелограмму, площадь ее 7-8 м2. Деки обеспечены нарифлениями, которые образуют мелкие каналы, направление которых близко к направлению переноса тяжелых частиц. Концентрационные столы имеют 1-6 дек, расположенных одна над одной. Производительность каждой деки на крупном материале до 4 т/час, на тонком - до 0,2-0,5 т/час. Содержание твердого компонента в питании 15-40%, расход дополнительной (для смывания) воды 1-2,5 м3/т. Как правило, на концентрационных столах выделяют концентрат, промпродукт и хвосты.
Винтовая сепарация
Мокрая винтовая сепарация (МҐС) впервые появилась на рудообогатительных фабриках, а затем распространилась на обогащение угля. Изготовляются одно-, двух- и трёхзаходные сепараторы с регулируемым (из листовой стали и алюминиевых сплавов) и нерегулированным шагом витков (из чугунного или стального литья и алюминиевых сплавов). Разновидность винтовых сепараторов - винтовые шлюзы.
Отрасль применения того или другого типа винтового аппарата определяется крупностью полезных минералов. При их крупности в пределах 0,1 - 3 мм применяют винтовые сепараторы, для более мелкого материала 0,05 - 0,2 мм используют винтовые шлюзы. Принцип работы винтовых аппаратов одинаковый, они отличаются лишь формой желоба: у шлюза прямоугольная, у сепаратора - часть круга или эллипса.
Часть воды подается с материалом, вторая часть воды подается непосредственно в желоб. Пульпа продольными струями высотой 6-15 мм под действием сил тяжести стекает вниз по винтовому желобу. В процессе движения по желобу в пульпе разделяется по плотности. Зерна тяжелых минералов концентрируются в придонной части желоба (тяжелое "ядро"), а зерна легких минералов выносятся в верхние слои потока и сносятся вниз с большей скоростью, чем тяжелые.
Одновременно, кроме продольных струй, в пульпе образуются поперечные циркулирующие потоки. Под действием поперечных потоков и центробежных сил, которые возникают во время криволинейного движения, происходит расслоение зерен по плотности в радиальном направлении. Легкие зерна под действием центробежных сил и поперечных водных потоков перемещаются в периферийную зону желоба и концентрируются возле его внешнего борта. Величина центробежных сил, что действуют на зерна тяжелых минералов, которые концентрируются в придонной зоне, значительно меньше, чем в верхних слоях. Также в придонной зоне поперечные водные потоки и центробежные силы действуют в противоположных направлениях. Поэтому зерна тяжелых минералов концентрируются возле внутреннего борта желоба. Расслоение основной массы зерен по плотности заканчивается после прохождения пульпой двух-трех витков, дальше зерна двигаются вниз по траекториям, близким к винтовым линиям. Тяжелый продукт разгружается отсекателями из верхних витков, промпродукт - из нижних витков, а легкий продукт - в конце желоба.
Извлечение полезного компонента в концентрат в винтовых сепараторах составляет до 90-97%. Содержание твердого в пульпе 15-25%. Производительность сепараторов по твердому в среднем 1-12 м3/час и больше. Оптимальная производительность на угле составляет 10-15 т/час. При зольности исходного угля 16-36%, крупности - 3,5 мм, процесс МГС позволяет получить концентраты зольностью 5-12% и отходы зольностью от 54-55% до 75-80%.
Обогащение на крутонаклонных сепараторах
Крутонаклонные сепараторы используются для обогащения крупнозернистых шламов.
Крутонаклонный сепаратор представляет собой прямоугольный короб, наклоненный под углом 46 - 54° к горизонту. Внутри корпуса расположен загрузочный желоб для подачи в сепаратор исходного материала. На верхней крышке каждого из отделений закрепленные винтовые регуляторы дек, которые оборудованы зигзаговидными перегородками. Деки, которые фиксируются винтовыми регуляторами, обеспечивают пересечение канала в породном (нижнем) и концентратному (верхнем) отделениях сепаратора. Кроме того, зигзаговидные перегородки на деках увеличивают сопротивление потока в верхней части канала и создают переменное поле скоростей потока, которое обеспечивает благоприятные условия для разделения материала в рабочей зоне.
Исходный материал непрерывно по загрузочному желобу подается в центральную часть канала. Одновременно в нижнюю часть канала через башмак элеватора поступает с заданной скоростью вода. Тяжелые фракции выпадают в придонный слой и двигаются навстречу потоку воды. Легкие фракции выносятся потоком воды вверх и разгружаются через сливной порог сепаратора.
Исходный материал непрерывно по загрузочному желобу подается в центральную часть канала. Одновременно в нижнюю часть канала через башмак элеватора поступает с заданной скоростью вода. Тяжелые фракции выпадают в придонный слой и двигаются навстречу потоку воды. Легкие фракции выносятся потоком воды вверх и разгружаются через сливной порог сепаратора.
Эффективность работы крутонаклонного сепаратора зависит от угла наклона корпуса аппарата, положения дек и расходов воды, что подается в башмак элеватора, а также вместе с исходным материалом.
Обогащение масляной грануляцией
К нетрадиционным, но достаточно хорошо выученным в лабораторных, стендовых, полигонных и опытно-промышленных условиях принадлежит класс физико-химических методов обогащения угольных шламов, которые известны в Украине под названием масляной грануляции (агломерации). В общем случае суть метода заключается в выборочной агрегации гидрофобних угольных частиц в водоугольной гидросмеси апполярным углеводородным связующим (маслом) в относительно крепкие углемасляные агрегаты (агломераты, гранулы). При этом гидрофильные минеральные частицы, которые не смачиваются маслом, остаются в водной фазе гидросмеси в диспергированом состоянии. Этот процесс дает возможность высокоэффективного обогащения тонкодисперсного угля (практически до 0 мм).
Масляная грануляция - сложный многоэтапный процесс, протекание которого возможно по двум принципиально разным механизмам - "амальгамному" и "коалесцентному". В первом случае при перемешивании водоугольной суспензии со связующим в турбулентном режиме имеют место субпроцессы: наполнение пленки связующего органической массой с образованием угленаполненной "амальгамы"; разрушение последней на первичные агрегаты; обкатывание агрегатов до образования углемасляных гранул преимущественно сферической формы. Эффективность процесса грануляции в целом во многом определяется условиями образования и разрушения углемасляной "амальгамы". Эта эффективность максимальная при достижении предельного насыщения объемной углеводородной пленки угольными фракциями (угленаполненую пленку условно и называют "амальгамой").
Имеющиеся и предполагаемые результаты
Имеются топографические планы секций №2,№3` и №3`` илонакопителя Макеевского коксохимического завода
Рис. 1 - Топографический план и точки опробования секции № 2 илонакопителя МКХЗ
Рис. 2 - Топографический план и расположение зондирующих скважин секций № 3' и № 3'' накопителя МКХЗ
Таблица 1 - Характеристика сырья зоны № 1
| Номер скважины | Глубина, м | Зольность исходного, % | Выход класса >0,1 мм, % | Зольность класса >0,1 мм, % |
| 1 | 0-10 | 38.42 | 52.80 | 18.00 |
| 2 | 0-6 | 56.43 | 22.50 | 17.99 |
| 9 | 0-7 | 57.58 | 20.43 | 11.45 |
| 10 | 0-7 | 55.19 | 24.11 | 13.81 |
| 11 | 0-7 | 56.27 | 28.90 | 15.80 |
| 18 | 0-6 | 57.21 | 24.87 | 17.45 |
| 19 | 0-6 | 57.19 | 26.57 | 17.26 |
| 20 | 0-6 | 57.43 | 21.09 | 17.85 |
| Среднее по зоне 1 | 54.50 | 27.66 | 16.20 | |
Таблица 2 - Характеристика сырья зоны 2
| Номер скважины | Глубина, м | Зольность исходного, % | Выход класса >0,1 мм, % | Зольность класса >0,1 мм, % |
| 3 | 0-6 | 54.34 | 27.20 | 13.33 |
| 4 | 0-6 | 58.60 | 23.00 | 14.97 |
| 5 | 0-6 | 54.03 | 23.96 | 10.51 |
| 6 | 0-6 | 59.51 | 22.68 | 18.05 |
| 7 | 0-6 | 60.70 | 20.31 | 14.86 |
| 8 | 0-6 | 59.56 | 24.02 | 15.22 |
| 13 | 0-7 | 57.75 | 23.14 | 15.27 |
| Среднее по зоне 2 | 57.78 | 23.48 | 14.60 | |
Таблица 3 – Приведенный гранулометрический состав шламов зон 1 и 2
| Класс крупности, мм | Выход, % | Зольность, % | Содержание серы, % |
| >0.1 | 0.28 | 6.43 | 0.00 |
| 0.5-1.0 | 1.53 | 8.08 | 0.00 |
| 0.3-0.5 | 5.40 | 6.10 | 0.00 |
| 0.1-0.3 | 18.36 | 19.18 | 0.00 |
| 0.044-0.1 | 16.63 | 64.65 | 0.00 |
| 0.0-0.044 | 57.80 | 71.50 | 0.00 |
| Итого: | 100.0 | 56.03 | 0.00 |
Переработка шламов из илонакопителя будет производится по схеме:
Классификация шламов по крупности осуществляется в гидроциклоне ГЦ-350, сгущенный продукт после гидроциклона направляется на обогащение в винтовых сепараторах. В процессе сепарации выделяется концентрат и отходы. Концентрат поступает на фильтрацию в центрифугу, а затем как готовый продукт поступает на погрузку.
Отходы после фильтрации и слив гидроциклонов направляются на подготовку к окомкованию. Они смешиваются со связующим в специальном смесителе, затем поступают в шнековый гранулятор, откуда выходит готовое гранулированное топливо.
Рисунок 4 - Принципиальная схема работы модуля гранулирования (количество кадров - 11, количество повторений - 7)
Заключение
В результате утилизации отходов, складированных в илонакопителе Макеевского коксохимического завода будет получен альтернативный источник топлива для енергетики, сокращены затраты на эксплуатацию илонакопителя, а также высвобождены земли, которые занимает илонакопитель. Выделение зернистого продукта крупностью более 0.125 мм путем мокрой классификации шламов секции № 3' позволит получить в среднем 30 – 32 % концентрата от исходного с зольностью 9 – 11 %.
Список литературы:
| ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание |