Перепичай Николай Владимирович
Перепичай Николай Владимирович
Качественные характеристики добываемого, перерабатываемого и потребляемого угля непрерывно изменяются. Общей тенденцией для всех угледобывающих стран является повышение содержания ультратонких органических и минеральных примесей в рядовых углях. Это связано с расширением разработки высокозольных пластов, с ухудшением горно-геологических условий ведения добычных работ вследствие углубления (более 1 км), с механизацией, комплексной автоматизацией в забоях, исключающей раздельную выемку угля и вмещающих. В Украине средняя зольность добываемых углей в 2000 г. Составляла 26.1%, в 2006 г. – 30.8, в 2007 г. – 31.5% [2].
С развитием механизации угледобычи, увеличением содержания в горной массе породы наметилась тенденция к повышению выхода мелких классов. В связи с тем, что в настоящее время в мировой практике отсутст-вуют эффективные методы обогащения и обезвоживания ультратонких угольных фракций крупностью 0 – 100 мкм, возрастут потери горючей массы с шламовой водой.
На сегодняшний день большинство углеперерабатывающих предприятий Донбасса столкнулось с проблемой складирование шламовых вод. Действующие шламовые илонакопители уже практически заполнены и нуждаются в основательной реконструкции. Причем, 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. Поэтому проблема полной утилизации твердой фазы шламовых илонакопителей сегодня является достаточно актуальной и требует интенсификации поиска ее решения[3].
Основной целью данной магистерской работы является исследование проблемы складирования жидких отходов углеобогащения в илонакопителях и разработка способа их полной переработки с целью дальнейшего использования. В качестве промышленного объекта исследования был взят илонакопитель УПП "ЦОФ "Моспинская".
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
– рассмотрение теории окомкования мелкозернистых материалов;
– определение особенностей окомкования угольных шламов со связующими;
– изучение принципов работы топок с кипящим слоем;
– исследование фракционного и гранулометрического состава исследуемого материала;
– разработка структурной схемы полной переработки илонакопителя;
– выбор оборудования для реализации разработанной схемы;
– экономическое обоснование проекта.
1. Предложена комплексная схема полной переработки шламового илонакопителя.
2. Получены математические модели второго порядка для прогнозирования результатов обогащения на винтовом сепараторе сепараторе.
По статистике в илонакопителях Донбасса ежегодно складируется более 10 млн. т тонкозернистых шламов с содержанием органической массы 25-40%. На сегодняшний день в шламовых илонакопителях нашего региона находится свыше 120 млн. т флотационных отходов и запасы их непрерывно растут.
В зависимости от перерабатываемого сырья в отстойниках могут присутствуют тонкодисперсные фракции как коксующихся, так и энергетических углей. Причем зольность их колеблется от 45% до 65%. Это следует учитывать при проектировании комплекса переработки.
Следует также отметить, что себестоимость извлечения и переработки шлама невелика. Однако, полученный продукт можно довольно эффективно использовать для коксования или в энергетике в качестве топлива.
На сегодняшний день в Донбассе под отстойники отведено более 1800 га земли, что отрицательно влияет на экологическую обстановку в регионе. Так как многие илонакопители уже практически заполнены, остро стоит вопрос о наращивании старых или строительстве новых резервуаров для складирования шламовых вод. А это, с точки зрения экологии и рационального использования земельных ресурсов, не допустимо.
Итак, практическая ценность данной разработки заключается в получении дешевого энергетического топлива и улучшении экологической обстановки в регионе за счет высвобождения занятых под илонакопители земель [7].
Качественные показатели шламов, хранящихся в илонакопителях, колеблются в широких пределах по глубине и площади распределения, что затрудняет переработку сырья. Кроме того, каждый илонакопитель в зависимости от марки угольной фракции, ее свойств требует индивидуального подхода при разработке технологии его использования [8].
В зависимости от свойств содержимого илонакопителя возможны следующие направления его отработки:
1. Экскаваторная выемка шлама и в зависимости от его зольности производить его отгрузку после воздушной просушки на теплоэлектростанции
(Аd <45 %) либо на близлежащую обогатительную фабрику для переобогащения (при Аd 45 - 60 %)[7].
2. Строительство технологического комплекса с выемкой шламов земснарядом и с обогащением его на простых гравитационных установках
(Аd 45 - 60%).
3. Для низкозольных (Аd<55 %) илонакопителей, содержащих коксующие марки углей, предусмотреть переобогащение отходов на обогатительной фабрике, технология которой предварительно усовершенствована [6].
4. Шламы высокозольных илонакопителей (Аd>60-65 %) подготавливать к сжиганию в теплотехнических объектах, оборудованных топками с кипящим слоем.
Принятие рационального варианта отработки илонакопителя потребует информацию о свойствах шламов (паспорт, кадастр) и глубокого экономического анализа.
При этом следует учитывать:
– переобогащение любым способом флотационных отходов с зольностью более 65 % в настоящий момент нерентабельно;
– переобогащение флотоотходов на действующей фабрике потре-бует предварительных исследований и усовершенствование ее технологии;
– при переработке по п. 2 - необходимо предусмотреть подготовку обводненных вновь получаемых отходов к складированию в отвалах;
– при переобогащении коксующихся шламов с зольностью 45-50 % (п. 3) технически возможно выделять концентрат с зольностью до 10 % при его выходе до 30 %.
Вовлечение в промышленный оборот угольных шламов, находящихся в илонакопителях, для угольной промышленности является актуальной задачей. Для ее реализации необходимо решить проблему обезвоживания класса 0-2 мм при его обогащении. Было предложено ряд технологических решений данной проблемы. Рассмотрим некоторые из них.
1 Обезвоживание шлама центрифугами
В Гипромашуглеобогащении разработан комплекс оборудования, позволяющего эффективно обезвоживать этот класс с повышенным содержанием влаги. Комплекс включает сито СтВГд-3,0-МП (вибросито) и центрифугу ЦфШнГ-1,00 (рисунок 1) [9]. Сгущенный продукт после гидроциклона поступает на вибросито, где теряет часть жидкой фазы. Предварительно обезвоженный шлам поступает в центрифугу для окончательного обезвоживания.
Рисунок 1 - Комплекс оборудования для обезвоживания крупнозернистого шлама
При испытании вибросита влажность надрешетного продукта составляла 45...50%, что оптимально для центрифуги ЦфШнГ-1,00, производительность колебалась от 34 до 50 т/ч.
2 Обогащение шлама винтовой сепарацией
К концу 2006 года был изготовлен и прошел промышленные испы-тания на ГОФ "Белореченская" сепаратор ССп-1,0х2-М конструкции Гипромашобогащение (г. Луганск). Основные результаты таковы: зольность концентрата марки Г класса + 0,16 мм - 4,8...5,4% при выходе 36...38%; зольность отходов — 85...86% с выходом 1:5... 16%; промпродукт класса + 0,16 мм - зольность 42...45%, выход около 20%. Остальное 25...30% составляет класс 0-0,16 мм с зольностью 76...84%, который представлен тонкими илистыми частицами, удаление которых производилось на сетке с ячейкой 0,2 мм.
Спиральный сепаратор типа ССп (рис. 2) - основной обогатительный аппарат комплекса - состоит из двух 5-витковых спиралей диаметром 1000 мм. Материал спиралей - стеклопластик, материал футеровки - износостойкий композиционный материал на основе каучука. И пластиковый каркас спирали, и футеровка изготовляют цельнолитыми, т. е. не имеют стыков по всей длине спирали, что исключает возможность отслаивания футеровки и нарушения технологического процесса. Производительность одного сепаратора 6...7 т/ч, поэтому для обеспечения необходимой производительности всей установки сепараторы объединяются в блоки по 4 или 6 шт. (рис.3) [1].
Рис. 2 Спиральный сепаратор типа ССп. Рис. 3 Блок спиральных сепараторов
При разработке илонакопителя, состоящего из трех резервуаров, возможно применение схемы, представленной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Предлагаемая схема отработки илонакопителя.
Здесь флотохвосты, поступающие с фабрики, складируются во второй секции илонакопителя. В это время ведется активная разработка секции №3. При этом шлам извлекается и поступает для классификации по зерну 0,2 мм на ленточный классификатор типа КЛ-10. Класс крупностью +0,2 мм направляется в модуль брикетирования, откуда сырой брикет транспортируется в модуль сушильной установки для подсушки в кипящем слое ТКС и далее на склад готового брикета.
Класс -0,2 мм поступает на ленточный вакуум-фильтр типа ЛС-10 для обезвоживания. Образующийся при этом кек поступает в модуль окомкования для получения окатышей крупностью 3-10 мм, которые после подсушки в модуле с сушильной установкой ТКС является готовым топливом для ТКС. Фильтрат вакуум-фильтра поступает совместно с флокулянтом на сгущение в сгуститель типа СУ-10, слив которого направляется в секцию №1 илонакопителя и далее используется фабрикой как оборотная вода. Сгущенный продукт возвращается в ленточный вакуум-фильтр для обезвоживания.
Подготовку окатышей для дальнейшего сжигания в ТКС предлагается осуществлять на тарельчатом окомкователе. Эксперименты показали, что при управлении такими факторами процесса как угол наклона и частота вращения тарели, влажность исходной шихты, может быть достигнута требуемая крупность готового продукта для любых связующих в широких интервалах изменения их расхода. В большей степени размер получаемых окатышей определяется влажностью комкуемого материала. При этом выявлен различный характер зависимости указанных параметров для двух видов исследуемого сырья, что объясняется повышенной капиллярной влагоемкостью отходов флотации в связи с более высокой степенью их дисперсности. Наряду с этим, окисленность и значительное содержание минеральных примесей в хвостах флотации способствует увеличению количества адсорбционной влаги.
Важным фактором, определяющим требуемую влажность шихты, является содержание в ней тонкодисперсной фракции (<0.063мм). Для практического использования получено эмпирическое выражение, справедливое для угольных шламов крупностью <1.5 мм, связывающее влажности шихты и дисперсность шлама:
При соотношении параметров, определяемым данным выражением, обеспечивается конечная крупность продукта 3...10 мм.
Схема работы модуля окомкования и брикетирования представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Схема работы модуля окомкования и брикетирования (количество кадров - 11, количество повторений - 7, размер анимации - 180 кБ).
Готовые окатыши крупностью 3 – 10 мм поступают для сжигания в топки кипящего слоя (ТКС).Характерной особенностью технологии сжига-ния твердых топлив в кипящем слое является наличие большого количества инертного материала в топке. В нижней части топки устанавливается воздухораспределительная решетка. При скорости превышающей скорость минимального псевдоожижения объем слоя увеличивается, образуются пузырьки газа. При дальнейшем увеличении скорости газа пузыри растут в размерах, сливаются, происходит турбулизация слоя. Этот режим соответствует пузырьковому (стационарному) кипящему слою – КС. Благодаря длительному времени пребывания топлива в слое и высокой интенсивности процессов тепло-массообмена эффективность сжигания в топке с КС довольно велика, не-смотря на относительно низкую температуру процесса. В пузырьковом слое наблюдается незначительный вынос частиц из топки. Основным преимуществом кипящего слоя является снижение выбросов NOх и SO2. К недостаткам технологии относится повышенные энергозатраты на дутье, возможность шлакования при неравномерной подаче воздуха, возможность увеличения механического недожога с уносом (при отсутствии его возврата), износ поверхностей нагрева в слое.
В результате внедрения предложенной схемы переработки илонако-пителя УПП "ЦОФ "Моспинская" возможно получение дешевого энергети-ческого топлива, освобождение резервуара для дальнейшей нормальной работы фабрики, а также решение ряда экологических и экономических вопросов, связанных с складированием флотационных отходов.
1. Епихин В.Ю., Чумак В.Ф., Вертола Л.Т. Модульные установки для переработки породных отвалов и илонакопителей.
2. Использование отходов обогащения путем их сжигания в топках с псевдоожиженным слоем/ А.А. Рандел, Д.В. Гоулл и др.// Новое в теории и практике псевдоожижения. - М.: Недра, 1980. -С. 55-65.
3. Папушин Ю.Л. Разработка технологии окатывания угля и углесодержащих материалов с целью их промышленного использования как топлива. Донецк, ДонГТУ, 1996.
4. Классен П.В. Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования. - М.: Химия. 1982. - 272 с.
5. Папушин Ю. Л., Негреев О.В. «Об энергетическом использовании углесодержащих отходов Донбасса» Сборник тезисов докладов конференций молодых обогатителей Украины, Донецк- 1999.
6. Папушин Ю.Л., Резниченко А.Г. «Илонакопители - источники бытового и энергетического топлива» Сборник тезисов докладов конференций молодых обогатителей Украины, Донецк- 2006.
7. Папушин Ю.Л. «Илонакопители», Сборник трудов кафедры ОПИ ДонНТУ.
8. Смирнов В.О., Білецький В.С. «Гравітаційні процеси збагачення корисних копалин». Навчальний посібник. – Донецьк: Східний видавничий дім, - 2005.
9. Білецький В.С., Смирнов В.О. «Технологія збагачення корисних копалин».-Донецьк: Східний видавничий дім, 2003.
10. Білецький В.С., Смирнов В.О. «Переробка і якість корисних копалин». Курс лекцій. – Донецьк: Східний видавничий дім, 2005.