Обогащение угля

Что представляет собой ископаемый уголь

Залегающий в недрах земли ископаемый уголь – это не что иное, как осадочная горная порода, представляющая промышленный интерес в качестве топлива и сырья для химической промышленности.

Одно из первых добываемых человечеством топлив, дающих при сжигании до 7 тыс. ккал тепловой энергии, уголь ещё не так давно обеспечивал половину общемирового производства энергии. Сейчас ему на смену всё больше и больше приходят другие углеводороды – нефть и газ, а также альтернативные источники энергии. Но это нисколько не снижает потребности экономики в столь ценном минерале, каким является данное органическое вещество, по степени своего метафорфического преобразования и содержанию углерода, подразделяющееся на четыре вида:

• Антрацит. Самый желательный для угледобытчиков вид топлива, обладающий высокой теплотворной способностью, благодаря 95% содержанию углерода. По виду он очень чёрный, твёрдый, его цвет иногда сопровождается блестящим металлическим отливом. Фактически – это последняя стадия преобразования органических веществ на пути к графиту.  Антрацит находит применение не только в энергетике, но и при выпуске адсорбентов, извести, цемента; изготовлении электродов; производстве микрофонного порошка.
• Каменный уголь. В нём содержание углерода колеблется в пределах 75 - 92%. Остальное занимают влага и летучие вещества. Материал чёрного, иногда с присутствием серого, цветов, который находит применение в качестве металлургического, химического и энергетического сырья. Наибольшая достижимая теплота сгорания его доходит до 36,8 МДж/кг (в пересчёте на сухое беззольное состояние).
• Бурый уголь (чёрный лигнит). Самый молодой из ископаемых углей бурого цвета, отличающийся низкой теплотой сгорания, вследствие значительного количества воды – до 43% и летучих веществ – до 50%. Углерода в составе бурого угля содержится порядка 70%.  Находит применение в качестве топлива на ТЭЦ и котельных, а также – как сырьё для химической индустрии.
• Прочие виды углей, насчитывающие не один десяток наименований и разновидностей.

Существует и масса других факторов, по которым классифицируются угли, тут: и габаритные размеры, и происхождение, и особенности месторасположения пластов, и особенности технологии их использования. Но всё же самым главным фактором выступает теплота, получаемая при сгорании определённого количества ископаемого топлива. Именно для достижения оптимума этой величины в основном и производится обогащение.

Добываемый открытым способом – в разрезах, или закрытым – в шахтах, ископаемый уголь не отличается высокими эксплуатационно-потребительскими характеристиками. Внутри его содержится множество ненужных веществ – примесей, мешающих процессу горения. Кроме того, фракционность извлечённого минерала отличается значительным разнообразием. Для решения всех этих проблем и выполняется обогащение. 

Этапы и способы обогащения извлекаемой породы

Не существует единой методики повышения качества первозданной породы, так как она может сильно отличаться в зависимости от слоёв и месторождений. Поэтому, добытый на шахтах и в разрезах уголь, отправляют тяжёлой техникой на горно-обогатительные фабрики, где полученная порода проходит очистку от примесей, классифицируется в зависимости от сортамента и размеров. И уж затем, пройдя проверку на качество, конечный продукт поступает потребителям.

Подготовка

Первоначальная масса на первом этапе обогащения проходит так называемую «подготовку» – разделение на классы в зависимости от габаритов и содержания посторонних минеральных примесей. Осуществляется это посредством грохочения и дробления.

Загружаемая на видрогрохоты порода, в процессе последовательного прохождения через несколько огромных сит с разного размера ячейками, разделяется на несколько групп. Существует специальный государственный стандарт ГОСТ Р 51586-2000, который классифицирует уголь в зависимости от размеров – сортов угля (существуют также и марки угля, но это совершенно иное понятие, которое не следует путать с сортами):

• плитный (П) – размер от 100 мм и более,
• крупный (К) – 50-100 мм,
• орех (О) – 25-50 мм,
• мелкий (М) – 13-25 мм,
• семечко (С) – 6-13 мм,
• штыб (Ш) – до 6 мм.

Неотсортированная порода, содержащая в себе куски угля разных размеров, носит название «рядовой» (Р). 

После грохочения, отсортированную породу доводят (измельчают) до нужных габаритов посредством дробления на дробильных установках.

Обогащение

Простое обогащение

Существует множество методов, с помощью которых на горно-обогатительных фабриках (ГОФах) производится обогащение. Один из них – «простое» обогащение, известный ещё с далёкого прошлого. Суть его заключается в ручном отборе извлечённой породы, сопровождающейся визуальной оценкой внешних данных кусков угля.

Процесс получил своё дальнейшее развитие с помощью метода обогащения по трению – это когда порода скользит по наклонной плоскости. При этом куски разной массы и размеров развивают различную скорость и траекторию, что позволяет проводить необходимый пофракционный отбор.

Мокрые способы обогащения

Но гораздо большее распространение получили мокрые способы обогащения угля, являющиеся одним из методов гравитационного обогащения. Суть этих методик заключается в различных гравитационных свойствах, обусловленных присущими конкретным породам параметрами и характеристиками:

• плотностью,
• направлением движения,
• скоростью перемещения форм и материалов в воздушных и водяных потоках. Существует множество методов гравитационного обогащения, но наибольшее применение в последнее время получили: обогащение в тяжёлых суспензиях, отсадка, винтовая и противоточная сепарация.

Возвращаясь к мокрому способу обогащения, необходимо отметить, что он на практике реализуется посредством использования тяжёлых сред.  Также находят применение концентрационные столы, моечные желоба, гидроциклоны. Или работают специальные отсадочные машины.

Концентрационные желоба и моечные машины не получили в нашей стране широкого распространения. Первые, вследствие отсутствия значительных залежей пирита и высокосернистых коксовых углей, вторые – по причине своей примитивности (корыто с бортами, установленное под незначительным уклоном), приводящей к низкой производительности процесса.

А вот отсадочные машины, разделяющие движущуюся смесь на элементы, имеющие большую или меньшую плотность, посредством движения восходящих и нисходящих потоков, получили гораздо большее распространение.

Тяжёлые среды – фактически растворы неорганических солей или минеральных суспензий в воде, обладают большей плотностью, чем уголь, что приводит к процессу всплытия последнего на поверхность жидкой среды.

Существенным недостатком мокрых способов обогащения является необходимость последующего обезвоживания концентратов (продуктов переработки, отличающихся наибольшими показателями содержания в себе горючих веществ, и наименьшими – сопутствующих неприменимых в качестве топлива природных материалов). Помимо концентрата в процессе обогащения образуются:

• промпродукт – материалы, требующие дальнейшей обработки,
• микст, или отходы, подвергающиеся хранению в хвостохранилищах, переработке и утилизации.

Флотация

Используя физическое явление прилипания угольных зёрен к воздушным пузырькам, которые затем устремляются на поверхность жидкой среды, осуществляется процесс флотации. Образуемая таким образом пена является сосредоточием искомого минерала, который затем служит основой будущего концентрата.

Процесс происходит в специальных устройствах, куда под давлением в пультовую среду запускается воздушный поток. Для повышения эффективности применяются реагенты: бензол, керосин, нефть, фенолы, соляровое и антраценовое масла.

Сухие методы обогащения

В пневматических агрегатах или на сухих лотках под воздействием воздушных потоков с периодическим встряхиванием, происходит сухое обогащение первичной угольной массы. Зёрна угля при этом приобретают разное направление и траекторию движения (в зависимости от своей массы и габаритов), что приводит к требуемому разделению на требуемые фракции.

Вспомогательные процессы и конечный продукт

Результатом обогащения служит конечный продукт, который необходимо довести до требуемых стандартов с помощью процесса доводки. Что и является конечным этапом всего процесса обогащения.

В ходе описанных процессов полученный материал иногда требует обезвоживания или обеспыливания. Первая потребность реализуется с помощью дренажа, вращения в центрифугах, термической сушки. Вторая – осуществляется на гидроциклонах и воздушных классификаторах.

С целью использования мельчайших фракций антрацитов, бурых и каменных углей, применяется брикетирование – окускование малогабаритной массы под давлением, подчас сопровождающееся добавлением связующих веществ (характерно для антрацита и каменного угля). Бурые угли отличаются высоким содержанием битумов, играющих в процессе склеивающую роль, поэтому брикетируются без связующих добавок.

Неэнергетические способы использования угля

Время не стоит на месте. Помимо стандартных способов использования угля в сфере топливной энергетики, металлургии и химической промышленности, появляются новые, весьма перспективные направления, требующие соответствующих технологий. Речь идёт о сжижении (гидрогенизации) и газификации угля, позволяющих создавать новые виды жидкого и газообразного топлива и сотни наименований продукции.

Новейшие достижения в области углеобогащения

Сегодня обогащения подвергается абсолютно большая часть добываемых углей, доходящая до 70-90%. В ЮАР и Австралии эта цифра для поставляемого на экспорт угля, составляет 100%. Германия производит 95% обогащение извлекаемого минерала.

Всё это требует самых передовых технологий, направленных на повышение выхода концентрата и практичного употребления микста, золы, шлама. Уже сейчас 60-80% отходов подвергается активной переработке с целью дальнейшего использования.

Да и сами обогащающие технологии претерпевают существенные изменения. Сегодня в целом ряде действующих установок можно увидеть:

• противоточные гравитационные сепараторы, основанные на замкнутом водно-шламовом цикле;
• комплексы сухого обогащения, оснащённые угольными мельницами, способными измельчать сортированный и несортированный уголь;
• пневматическое обогащение с использованием сжатого воздуха;
• флотацию с применением комплексных реагентов; обогащение угольных шламов.

Процесс явно идёт по нарастающей. Удовлетворяя тем самым всё более жёсткие требования, предъявляемые покупателям к качеству топлива. И к активному использованию отходов. Параллельно это сопровождается повышением производительности применяемых технологий и ростом экологической безопасности получаемой продукции. Что не может не радовать производителей и потребителей ископаемого угля.