содержание   ..   100  101  102  103  104  105 

Часть VIII

ОБОГАЩЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА УГЛЯ
21. ОБОГАЩЕНИЕ УГЛЯ

21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ископаемые угли являются сложным веществом органического происхождения, содержащим минеральные примеси различного физико-химического состава и природы.

Полезная часть углей — горючее вещество — состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

Вода и минеральные примеси являются балластом, некоторые другие элементы, например, сульфатная сера и фосфор — вредными примесями (особенно в углях, предназначенных для коксования). Минеральные вещества, содержащиеся в добытом угле, можно разделить на следующие две группы, исходя из возможности их удаления при обогащении:

первая группа — рассредоточенные по всей массе угля мельчайшие минеральные частицы и соли, прочно связанные с органическим веществсм, которые практически существующими методами механического обогащения отделить невозможно;

вторая группа — минералы в виде обломков из пропластков (прослоев) глин, песчаников, известняков, а также вмещающих пород (кровли и почвы), попавших в уголь при его добыче. Эти примеси могут быть частично или полностью удалены из угля при обогащении.

Количество минеральных примесей в углях характеризует их зольность, которую определяют сжиганием угольной пробы в стандартных условиях. Зольность является основным показателем качества угля при обогащении и его переработке. Поскольку при определении зольности сжиганием происходит изменение массы минеральных примесей (удаление химически связанной воды, выделение углекислого газа и т. д.), то масса золы всегда меньше массы минеральных примесей.

Для более эффективного использования угля требуется повышение его качества, заключающееся в механическом отделении балластных и вредных примесей, рассортировке на классы по крупности и разделении на сорта в соответствии с требованиями основных потребителей. Совокупность указанных процессов называют обогащением.

Любая технологическая схема обогащения включает два основных этапа: разъединение минералов, т. е. разрушение
 

сростков различных минералов, и последующее разделение «чистых» зерен. Разрушение осуществляют дроблением, а разделение— собственно методами обогащения.

В результате обогащения -угля получают продукты, отличающиеся содержанием в них горючей массы и минеральных примесей: концентрат и породу (отходы). В отдельных

случаях при обогащении может выявиться необходимость в получении третьего продукта, являющегося по ценности промежуточным между концентратом и породой. Его так и называют— промежуточный продукт (промпродукт). Его используют как котельное топливо или подвергают повторному обогащению.
 

21.2. ДРОБЛЕНИЕ И ГРОХОЧЕНИЕ

Дробление углей. Дробление — разрушение кусков горных пород внешними механическими силами с целью получения продукта заданной крупности Оно необходимо, во-первых, для подачи в обогатительные машины материала определенной крупности, оптимальной для конкретного процесса, и, во-вторых, для достаточно полного раскрытия сростков угля с минеральными примесями, т. е. выделения угольных и породных зерен в чистом виде.

На углеобогатительных фабриках дробление применяют вместе с грохочением для подготовки угля к обогащению и как самостоятельную операцию.

Дробление может быть: подготовительное — для подготовки угля к обогащению (дробление крупных кусков исходного угля или промежуточного продукта обогащения); окончательное — когда продукты дробления являются конечными (при получении сортовых углей для энергетических целей и шихты для коксования); избирательное — для обогащения по прочности, когда один из компонентов исходного материала имеет меньшую прочность и разрушается быстрее другого.

Предел крупности дробления определяется размером вкрапленности частиц угля и породы. Эту крупность устанавливают опытным путем для каждого полезного ископаемого.

Оценку результатов дробления производят по степени дробления и эффективности работы дробилок

Степенью дробления называют отношение максимальных размеров кусков материала до и после дробления

При крупном и среднем дроблении углей степень дробления обычно принимают равной от 3 до 8, при мелком — от 10 до 30 и при грубом и тонком измельчении — от 30 до 200.

Способы дробления, на которых основана работа дробилок следующие: раздавливание — для крупного и среднего дробления твердого угля и пород; раскалывание — в большинстве случаев для крупного дробления хрупких углей; удар — для меткого дробления угля и промежуточного продукта; истирание — для измельчения.

Определенную последовательность осуществления технологических операций называют технологической схемой. Схемы дробления бывают открытые и замкнутые. В открытых схемах  конечный продукт данной стадии дробления может быть представлен или продуктом разгрузки дробилки, или смесью его с подрешетным продуктом грохота. В замкнутых схемах  конечный продукт получают только в виде подрешетного продукта, в связи с чем максимальная крупность кусков в нем гарантируется и определяется размером отверстия грохота.

Машины для дробления и измельчения углей делят на машины крупного дробления твердых углей (щековые дробилки) избирательного крупного дробления углей (барабанные и барабанно-молотковые дробилки), крупного и среднего дробления углей и антрацитов (валковые зубчатые дробилки), мелкого дробления углей (молотковые дробилки), глубокого и тонкого измельчения (барабанные мельницы, истиратели).

Щековые дробилки применяют для дробления горной массы, содержащей крупнокусковую породу средней и большой прочности. Дробящими органами являются неподвижная щека

(плита), закрепленная в корпусе, и подвижная щека, совершающая качание вокруг оси. Существуют щековые дробилки с простым (по дугам окружностей) и сложным (по замкнутым кривым) движением подвижной щеки.

Для крупного и среднего дробления рядовых углей, антрацита и сланцев, содержащих крупнокусковую породу с коэффициентом крепости до 4, широкое применение имеют двухвалковые зубчатые дробилки, типа ДДЗ, работающие по принципу раскалывания. Наличие зубьев на валках способствует не только уменьшению выхода мелочи и расхода энергии на дробление, но и уменьшению диаметра валка.

Зубчатые валки представляют собой вращающиеся навстречу друг другу шестигранные ступицы, к которым прикреплены стальные зубчатые сегменты. Крупность дробленого продукта регулируют установкой соответствующих сегментов с зубьями и изменением зазора между валками.
 

Основные достоинства валковых дробилок — простота конструкции, удобство обслуживания и ремонта, небольшой удельный расход электроэнергии.
 

Грохочение углей. Грохочение — это механическое разделение материала по крупности на просеивающих поверхностях (ситах, решетах).

Продукты, полученные при грохочении, имеют размер, зависящий от размера отверстий сит, и называются классами крупности. Классы крупности обозначают двумя числами, определяющими больший и меньший граничные размеры класса, например, «6—3», или «3—6» мм. Кроме того, применяют систему обозначения классов крупности с использованием знаков «минус» и «плюс». Например «4-6» (больше 6 мм), «—3 мм» (меньше 3 мм), «—6 + 3 мм» (меньше 6, но больше 3 мм).

Классы крупности угля, являющиеся готовыми товарными продуктами, называют сортами.

На обогатительных фабриках используются следующие виды грохочения:

предварительное, предусматривающее отделение из основной массы исходного материала крупных кусков для последующей их обработки, например, дробления;

подготовительное, при котором исходный материал разделяют на несколько классов крупности, предназначенных для последующей раздельной обработки в различных обогатительных машинах; продукты подготовительного грохочения называют машинными классами;

окончательное, при котором исходный материал разделяют на классы крупности, размеры и зольность которых регламентируют; полученные классы являются готовой продукцией;

обезвоживающее, предусматривающее удаление содержащейся в продукте мокрого обогащения основной массы воды.

Количественное распределение частиц по классам крупности называют гранулометрическим составом. Одним из способов его определения является ситовый анализ, заключающийся в рассеивании пробы материала с помощью набора сит. Гранулометрический состав продуктов позволяет оценить их

качество, определить эффективность работы грохотов и дробилок, рассчитать технологические схемы обогащения.

Ситовый рассев рядового угля производят на ситах с отверстиями размером 150, 100, 50, 25, 13, 6, 3, 1 и 0,5 мм, а рассев мелкого материала — на ситах с отверстиями 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,074 и 0,044 мм.
 

Графическое изображение зависимости выхода классов крупности от их размера называют характеристикой крупности. Наиболее удобны суммарные характеристики, выражающие суммарный выход классов крупности, позволяющие определить выход любого класса.

При построении кривых на оси абсцисс откладывают значения размеров классов крупности, на оси ординат — суммарный выход классов. По суммарной характеристике выход отдельного класса находят по разности ординат, соответствующих большему и меньшему пределам данного класса.

В процессе грохочения часть «мелочи», т. е. зерен, имеющих размер меньше размера отверстия грохота, остается в надрешет-ном продукте. Этот остаток зависит от удельной нагрузки на грохот, угла наклона просеивающей поверхности, типа грохота, формы зерен материала, влажности материала и т. д.
 

Применяемые на углеобогатительных фабриках грохоты разделяют на неподвижные, у которых рама и просеивающая поверхность неподвижны (колосниковые, дуговые); подвижные; комбинированные, у которых рама неподвижна, а просеивающая поверхность подвижна.
 

В качестве просеивающей поверхности грохотов применяют колосниковые решетки, листовые решета и проволочные сита.

Колосниковые решетки набирают из устанавливаемых параллельно друг другу стальных балок-колосников в виде стержней, рельсов или брусьев различного профиля. Колосники скрепляют поперечными связями, образуя решетку с шириной отверстий 50—200 мм.

В дуговом грохоте  решетка, набранная из колосников трапециевидного сечения, имеет дугообразную форму. Колосники могут располагаться как поперек, так и вдоль потока. Ширина щели обычно составляет 0,5—2 мм.

Решета изготовляют из стальных или резиновых листов путем штамповки или резания в них отверстий различной формы (рис. 21.6) и размером 150 мм и менее.

Сита, применяемые для грохочения и обезвоживания продуктов обогащения, изготовляют из металлической проволоки или

полимерных волокон с квадратными и реже прямоугольными отверстиями размером от 80 до 0,044 мм.

Высокая производительность и эффективность грохочения могут быть достигнуты при непрерывной и равномерной загрузке исходного материала; определенной скорости перемещения слоя грохотимого материала относительно просеивающей поверхности; периодическом разрыхлении или перемешивании материала для интенсификации перемещения мелких частиц из верхней части слоя к просеивающей поверхности; устранении забивания отверстий грохота отдельными зернами или влажными слипшимися комками; непрерывном удалении с поверхности надрешетного продукта.

На неподвижных колосниковых грохотах перемещение и частичное перемешивание материала происходит под действием собственного веса, поскольку просеивающую поверхность устанавливают под углом от 25 до 45° к горизонту. Из-за недостаточного перемешивания слоя материала эффективность грохочения невелика и составляет 60—70 %. Колосниковые грохоты применяют для предварительного отделения крупных кусков угля, выделения крупных посторонних примесей (дерева, металла).

В дуговых грохотах исходный материал самотеком или насосом подают на решетку в виду пульпы с содержанием твердого от 7 до 70 %. Так как при этом обеспечивается высокая подвижность тонких частиц, эффективность грохочения достигает 70—80 %, даже несмотря на малый размер отверстий грохота. Дуговые грохоты предназначены для предварительного обезвоживания и обесшламливания (отделения класса—0,5 мм) мелкого угля перед его обогащением гравитационными методами, выделения крупнозернистой части из угольной пульпы перед ее обогащением методом флотации.

Подвижные грохоты подразделяют на три типа: легкие (Л), предназначенные для грохочения материалов с насыпной массой 1 т/м3; средние (С) —соответственно 1,6 т/м3 и тяжелые (Т) —

2,5 т/м3. Подвижные грохоты характеризуются также исполнением, определяющим вид механизма, который приводит в колебательное движение просеивающую поверхность, и характер самих колебаний. В соответствии с этим существуют инерционные (И), самобалансные (С), резонансные (Р), цилиндрические (Ц) грохоты.
 

Барабанные цилиндрические грохоты имеют цилиндрическую, реже коническую или призматическую форму просеивающей поверхности, состоящей из перфорированных стальных листов или сетки. В практике углеобогащения рабочая поверхность барабана представляет собой многозаходную спираль, расстояние между витками которой определяет размер кусков подрешетного продукта. Ось барабана имеет небольшой наклон к горизонту. Грохотимый материал загружается в барабан с верхнего торца и продвигается по внутренней поверхности. Силой трения куски материала увлекаются барабаном на некоторую высоту, а затем под действием собственного веса скатываются вниз, перемешиваясь и просеиваясь сквозь отверстия барабана. Встряхивания просеивающей поверхности и материала в процессе грохочения не происходит, поэтому отверстия легко забиваются, обусловливая низкую эффективность грохочения.

Гравитационные методы обогащения. Гравитационные методы обогащения заключаются в разделении частиц под действием собственного веса и сопротивления среды и основаны на различии в плотности минеральных зерен.

Разделяющими средами при гравитационном обогащении могут быть водные суспензии, вода и воздух.

К гравитационным методам обогащения относятся: разделение в суспензиях плотностью 1,5—2 г/см3 (обогащение в тяжелых средах);

разделение в потоке воды или воздуха, пульсирующем в вертикальном направлении (гидравлическая и пневматическая отсадка);

разделение в потоке воды, текущем по наклонной плоскости (обогащение на концентрационных столах, в желобах, крутонаклонных сепараторах).

Гравитационные методы применяют для обогащения углей крупностью от 0,5 до 300 мм. Наиболее широко используют отсадку и обогащение в тяжелых средах.

Обогащение в тяжелых средах заключается в разделении минеральных зерен в суспензии с плотностью, промежуточной между плотностями разделяемых зерен. При этом зерна, плотность которых больше плотности суспензии, опускаются вниз, а более легкие всплывают на ее поверхность. Суспензии состоят из взвешенных в воде тонких частиц тяжелых минералов, которые называют утяжелителями. В качестве утяжелителей используют в основном магнетит, а также специальный сплав — ферросилиций, состоящий из кремния (14—16 %) и железа (86— 84 %).

Эффективность тяжелосредного обогащения зависит от состояния суспензии, которое наиболее полно характеризуется ее плотностью, устойчивостью и вязкостью
 

Плотность — основное технологическое свойство суспензии, определяющее результаты разделения, т. е. количество и качество продуктов обогащения.

Устойчивостью суспензии называют ее способность сохранять постоянную плотность по высоте, т. е. в различных точках объема суспензии. В обычных условиях суспензии неустойчивы, так как они разрушаются из-за осаждения утяжелителя под действием собственного веса, что приводит к нарушению процесса разделения и ухудшению его результатов.

Устойчивость суспензии можно повысить за счет применения «устойчивого», т. е. тонкодисперсного, утяжелителя крупностью 0,16—0,01 мм, создания слабых восходящих потоков суспензий, механического перемешивания, а также добавления специальных растворимых в воде реагентов-пептизаторов, препятствующих слипанию частиц утяжелителя в суспензии.
 

Вязкость — свойство суспензии оказывать сопротивление относительному движению отдельных ее слоев или перемещению в ней каких-либо посторонних тел, например, кусков угля.

Повышение вязкости суспензии происходит с увеличением объемной концентрации утяжелителя, с уменьшением его крупности, а также вследствие накопления в суспензии угольных шламов. С повышением вязкости суспензии снижается точность разделения. Поэтому практически обогащение в тяжелых средах применяют для углей крупностью +13 мм (в гравитационном поле) и 4-0,5 мм (в центробежном поле).

Обогащение угля в тяжелых средах производят в специальных аппаратах — сепараторах и гидроциклонах. Для обогащения крупных классов угля используют двух- и трехпродуктовые тяжелосредные сепараторы, в которых разделение происходит под действием собственного веса. Мелкие и средние классы разделяют в двух- и трехпродуктовых гидроциклонах под действием центробежной силы.

Из сепараторов с гравитационным полем на углеобогатительных фабриках нашли применение колесные сепараторы с наклонным элеваторным колесом типа СК, с вертикальными колесами типа СКВ (двухпродуктовый с одним колесЪм) и типа СТТ (трехпродуктовый с двумя колесами).

Сепараторы типа СКВ получили наибольшее распространение.

Сепаратор СТТ (сепаратор тяжелосредный трехпродуктовый) состоит из двух сепараторов СКВ, совмещенных в один агрегат. Разделение углей происходит последовательно в суспензиях двух плотностей. Сначала разделение осуществляется при высокой плотности суспензии с выделением породы. Всплывший продукт (смесь промпродукта и концентрата) направляют затем во вторую секцию сепаратора, где разделение осуществляется в суспензии меньшей плотности.
 

Обогащение отсадкой заключается в разделении минеральных зерен, находящихся на горизонтальной поверхности отсапульсирующем потоке воды или воздуха. Пульсации разделительной среды осуществляются в вертикальном направлении через отверстия решета.

Процесс разделения (расслоения) смеси минералов различной плотности или отсадки происходит следующим образом. В период действия восходящего потока воды с заданной скоростью происходит разрыхление зерен исходного материала и они получают возможность взаимоперемещения под действием собственного веса, гидродинамического давления и сил сопротивления. В период действия нисходящего потока зерна опускаются на решето и уплотняются. В результате происходит постепенное перераспределение минеральных зерен таким образом, что наиболее тяжелые зерна концентрируются в нижнем слое (на поверхности решета), а наиболее легкие — в верхнем слое.
 

Если теперь осуществить раздельное удаление образовавшихся слоев, то мы получим продукты обогащения с различным содержанием тяжелых и легких минералов. Способ разгрузки конечных продуктов зависит от крупности исходного материала.

С целью регулирования количества и качества тяжелого продукта при этом применяют так называемую искусственную «постель», состоящую из минералов или других материалов, размер которых больше размера отверстий решета. Искусственная постель играет роль своеобразного фильтра, пропускающего тяжелые зерна и задерживающего легкие.

Основное различие отсадочных машин заключается в способах создания пульсирующих движений воды.

При обогащении углей широкое распространение получили беспоршневые отсадочные машины, которые практически полностью вытеснили машины других типов.

По расположению воздушных отделений машины разделяют на беспоршневые с боковым (БОМ) и с подрешетным (ОМ) расположением воздушных камер.

В машинах предусмотрено автоматическое регулирование процесса разгрузки тяжелого продукта (породы), а также уровня минеральной постели, что обеспечивает поддержание оптимальных условий отсадки при изменении состава питания.
 

Флотационные методы обогащения. Флотационный процесс основан на избирательном закреплении частиц минералов на границе раздела фаз: жидкость (вода) и газ (воздух). Способность частиц удерживаться на межфазной поверхности определяется их смачиваемостью, зависящей от химического состава и строения кристаллической решетки. Если сила притяжения между молекулами минерала и воды больше, чем сила взаимного притяжения между молекулами воды, то происходит смачивание поверхности минерала водой и вытеснение с поверхности воздуха. В противном случае поверхность минерала не смачивается водой. Несмачиваемые минеральные частицы, находящиеся в воде, при контакте (столкновении) с пузырьком воздуха прилипают к нему и поднимаются (всплывают) на поверхность пульпы Если обеспечить условия, чтобы пузырьки воздуха, поднявшиеся на поверхность, не разрушились (не лопнули), то образуется устойчивая пена, в которой будут

сконцентрированы минералы, обладающие в данных условиях флотации несмачиваемой поверхностью (пенный продукт).

Смачиваемые частицы не прилипают к воздушным пузырькам и поэтому остаются в объеме пульпы, образуя камерный продукт.

Таким образом, для реализации процесса флотации необходимо придать поверхности разделяемых минералов различную смачиваемость, перемешивать минеральную пульпу с воздушными пузырьками, предотвратить быстрое разрушение минерализованной пены и удалить из флотационного аппарата полученные продукты.

Управление свойствами жидкой и твердой фаз при флотации производят с помощью специальных химических соединений — флотационных реагентов, без которых флотационный процесс практически невозможен. В зависимости от назначения флотационные реагенты делят на собиратели, регуляторы и пенообразователи.

Собиратели — это органические соединения, закрепляющиеся на поверхности минерала, снижающие ее смачиваемость и тем самым способствующие прилипанию частиц к воздушным пузырькам. Собиратели должны обладать избирательностью действия для достижения хорошего разделения минералов при флотации.

Регуляторы — это специальные реагенты, усиливающие или ослабляющие действие собирателей. Такие реагенты называют соответственно активаторами и депрессорами.

В обычных условиях воздушные пузырьки, достигнув поверхности пульпы, практически мгновенно лопаются, а закрепившиеся на них минеральные зерна вновь оказываются в объеме пульпы Для обеспечения устойчивости пузырьков в течение времени, достаточного для удаления пенного продукта, применяют пенообразователи, которые закрепляются на границе раздела фаз жидкость — воздух и упрочняют тонкую водную оболочку вокруг воздушного пузырька. Тем самым снижается скорость разрушения пузырьков, а также предотвращается их слияние друг с другом при столкновении в объеме пульпы.

Расход и число флотационных реагентов зависят от состава сырья и свойств разделяемых минералов. Расход реагентов измеряют в граммах вещества на 1 тонну материала (г/т).

Процесс флотации осуществляют в аппаратах, называемых флотационными машинами. В машинах должно происходить перемешивание пульпы с тем, чтобы минеральные зерна не выпали в осадок, насыщение пульпы воздушными пузырьками (аэрация), их минерализация и подъем на поверхность пульпы. • Кроме того, необходимо создание спокойной зоны пенообразова-ния на поверхности, чтобы не разрушить пенный слой.
 

По способу перемешивания и аэрации пульпы флотационные машины разделяют на механические, пневматические и пневмомеханические.

В механической машине (рис. 21.14, а) перемешивание пульпы, засасывание воздуха и его разбиение на пузырьки осуществляют вращением на валу 2, помещенного внутри трубы 4, диска (импеллера) с радиально расположенными на нем лопатками 3. Насыщенная воздухом пульпа поступает в камеру /. Пенный продукт удаляют с помощью гребкового устройства 5. Камерный продукт поступает в следующую, последовательно работающую камеру, или разгружается в качестве хвостов, если процесс флотации завершен.
 

В пневмомеханических машинах (рис. 21.14, б) аэрирование пульпы осуществляют подачей сжатого воздуха во вращающийся на валу 1 импеллер 2, которым перемешивают пульпу и воздух. Камерный продукт удаляется через окно 3 в боковой стенке камеры.

На углеобогатительных фабриках страны применяют в основном механические флотационные машины.

Флотацию применяют для обогащения угля крупностью менее О, 5 (1) мм. Уголь является легко флотируемым минералом, т. к. обладает высокой природной несмачиваемостью поверхности, особенно основные марки коксующихся углей (К, Ж, ОС). Поэтому при флотации углей применяют простые схемы, состоящие из одной операции. При такой схеме пенные продукты всех камер объединяют в общий концентрат, а хвосты получают из последней камеры. Для труднообогатимых углей используют схемы с повторной флотацией всего или части пенного продукта.

Оптимальное содержание твердого в питании флотации составляет 80—120 кг/м3. Положительно сказывается на результатах флотации подогрев пульпы до 27—30 °С. Реагентный режим флотации предусматривает состав реагентов, их количество и способ (точки) загрузки. Расход собирателя составляет 600— 1500 г/т, пенообразователя — 20—200 г/т. Как недостаток, так и избыток реагентов ухудшают показатели флотации.

Для повышения эффективности флотации применяют дробную загрузку реагентов — часть реагентов подают в пульпу перед флотацией, а часть — непосредственно в камеры флотационной машины.

Оптимальное время флотации, т. е. необходимая продолжительность пребывания пульпы в машине, зависит от свойств флотируемого угля и условий флотации и составляет 5—9 мин.