Проект угольной обогатительной фабрики

ВВЕДЕНИЕ

Угли ископаемые — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав ископаемых углей входят: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага. Угли ископаемые залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до чёрного.

Угли ископаемые — один из основных видов энергетического сырья; доля их участия в мировом топливно-энергетическом балансе 30—35%. С 1950 по 1974 мировая добыча ископаемых углей увеличилась в 1,7 раза, превысив 3 млрд,т.

Угли ископаемые составляют основную часть (87,5%) прогнозных ресурсов ископаемого топлива Земли, оцениваемых величиной 12,8 триллиона т топлива условного. СССР обладает крупнейшими ресурсами ископаемых углей; разведанные и прогнозные геологические запасы ископаемых углей, отвечающие современным требованиям по качеству и мощности разрабатываемых пластов, составляют 5,7 триллиона т (1968), или 4,6 триллиона.

Основные направления  промышленного использования. Угли ископаемые: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление ископаемым углям для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высокоазотистых гуминовых кислот для удобрений. Из ископаемых углей извлекаются германий, галий (см. Рассеянных элементов руды). Перспективно извлечение серы из ископаемых углей, использование высокоглинозёмистых зол и отходов обогащения для производства алюминия, в качестве керамического и огнеупорного сырья, строительных материалов, средства очистки промышленных сточных вод. Возможное использование ископаемых углей в промышленности определяется их составом и свойствами, характеризующимися большим разнообразием — следствием различий в исходном материале и условиях его преобразования.

По составу основного  компонента — органического вещества — ископаемых углей  подразделяются на 3 генетические группы: гумолиты (гумусовые угли), сапропелиты и сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их происходило преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озёр и рек) — автохтонное накопление; более ограниченным было отложение при сносе с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны растительного материала и продуктов его преобразования — аллохтонное накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф; при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Анаэробные (в водной среде) условия приводили к гелификации органического материала — основы образования блестящих — витринитовых, или гелинитовых, углей; аэробные условия и окислительная среда способствовали фюзенизации тканей — образованию волокнистых и сажистых фюзинитовых углей. Элювиация — вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей — сопровождалась обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т.п.), характерных для матовых лейптинитовых углей. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими своё строение и очертания), выделяются в особую группу — липтобиолиты (см. Каустобиолиты).

Минеральные примеси находятся  либо в тонкодисперсном состоянии  в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также  кристаллов и конкреций. Источником минеральных примесей в ископаемых углях могут быть: неорганические составные части растений-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. Состав минеральных примесей — кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, Ti, редкие и рассеянные элементы (U, Ge, Ga, V и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании ископаемых углей превращается в золу.

Различия в исходном материале, степени обводнённости торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и  интенсивность протекания окислительных  и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных  генетических типов ископаемых углей (см. Углепетрография). Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в бурый уголь. Угли ископаемые, включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углём, называемые лигнитами.

В результате длительного  воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются  в каменные угли, а последние — в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют 3 основных вида метаморфизма углей: региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении ископаемых углей в глубь земной коры; термальный — под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие её отложения; контактовый — под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в угольные пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признаётся возможным метаморфизм углей за счёт повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий — динамометаморфизма.

Структурно-молекулярная перестройка  органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; в определённых закономерностях  с экстремальными значениями на средних  стадиях углефикации изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твёрдость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства ископаемых углей. Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ V ^Г, содержание углерода, микротвёрдость и др. особенности химического состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ®.

Каменные угли на средних  стадиях метаморфизма приобретают  спекающие свойства — способность  гелифицированных и липоидных компонентов  органического вещества переходить при нагревании в определённых условиях в пластического состояние и  образовывать пористый монолит — кокс. Относительное количество запасов ископаемых углей с высокой спекающейся способностью составляет 10—15% от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических вещества на средних стадиях метаморфизма. Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160—180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма ископаемого угля, от 70—90 °С для длиннопламенных углей до 300—350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли  ископаемые угли подвергаются окислению. По своему воздействию на химический состав и физические свойства ископаемых углей окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: угшли ископаемые утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления ископаемого угля в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 м по вертикали.

Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили большую дифференциацию технологических свойств ископаемых углей. Для установления рационального направления промышленного использования ископаемых углей подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение Угли ископаемые в процессе термического воздействия на них. Границей между бурыми и каменными углями принята высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного угля, равная 5700 ккал/кг (23,86 Мдж).

Ведущий показатель при использовании  ископаемых углей в энергетических целях — низшая теплота сгорания — в пересчёте на рабочее топливо (Q^п_н) колеблется в пределах (ккал/кг): 2000—5000 (8,372—20,930 Мдж)для бурых, 4100—6900 (17,162 — 28,893 Мдж) для каменных углей и 5700—6400 (23,86—26,79 Мдж) для антрацитов. Пониженная величина этого показателя у бурых углей объясняется низкой степенью углефикации органического вещества, слабой уплотнённостью материала и, соответственно, высокой их естественной влажностью, изменяющейся в пределах 15—58%. По содержанию рабочей влаги (W ^p) бурые угли подразделяются на технологические группы: Б1 с W^p > 40%, Б2 с W^p 30—40% и Б3 с W^p < 30%.

В основу промышленной маркировки каменных углей положены показатели, характеризующие результаты их высокотемпературной  сухой перегонки (коксования): выход  летучих веществ, образующихся при  разложении органической массы (частично неорганического материала —  сульфидов, карбонатов, гидратированных  минералов), и характеристика беззольного  горючего остатка — кокса по спекаемости. Весовой выход летучих веществ (V^Г) из ископаемых углей последовательно снижается с повышением степени углефикации от 45 до 8% у каменных углей и до 8—2% у антрацитов.

В СССР спекаемость ископаемых углей определяется в лабораторном аппарате пластометрическим методом, предложенным в 1932 советскими учёными Л. М. Сапожниковым и Л. П. Базилевич, по толщине образующегося при нагревании пластического слоя (у) с учётом усадки (х), выраженных в мм. Наибольшей спекающей способностью характеризуются каменные угли средних стадий углефикации с толщиной пластического слоя 10—35 мм (марок К и Ж). С понижением и увеличением степени метаморфизма спекаемость ископаемые угли снижается. Угли марок Д и Т характеризуются слабоспекшимся порошкообразным нелетучим остатком. В таблице приведены величины основных показателей качества углей на различных стадиях углефикации применительно к маркам, употребляемым в СССР.

Основные показатели качества углей марочного состава                                 Таблица 1

Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки: газовые жирные (ГЖ), коксовые жирные (КЖ), коксовые вторые (K₂), слабоспекающиеся (СС). Угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя (у) в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п. Для углей конкретных бассейнов величины классификационных показателей (V^Г и у)регламентируются ГОСТом. Для получения металлургического кокса используется смесь различных марок углей — шихта, основным компонентом которой являются угли с высокими спекающими свойствами.

Подразделение ископаемых углей на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы (в некоторых — с выделением дополнительно лигнитов). В основу принятой в 1956 Европейской экономической комиссией ООН Международной системы классификации каменных углей также положены выход летучих веществ (V^Г) для углей с V^Г > 33% — высшая теплота сгорания влажной беззольной массы (Q^в_безз), спекающая способность и коксуемость. Тип угля обозначается кодовым трёхзначным номером, первая цифра которого указывает класс угля (по V^Г или Q^в_безз), вторая — группу (по спекающей способности, определённой методом Рога или индексом вспучивания в тигле), третья — подгруппу (по коксуемости, определённой методами Одибер-Арну или Грей-Кинга). В США и некоторых др. странах ископаемые угли подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты; классификационными параметрами приняты: для лигнитов, суббитуминозных и битуминозных (с высоким V^Г >31%) углей — теплота сгорания беззольной массы, для битуминозных с V^Г < 31% и антрацитов — выход летучих веществ и содержание связанного углерода.

Маркировка углей, отражая  комплекс определённых технологических  свойств разновидностей ископаемых углей, используется как основной критерий в практике промышленного использования углей. Для конкретных направлений потребления устанавливаются дополнительные технические требования. Резкое снижение теплового эффекта сгорания ископаемых углей экономических показателей их использования за счёт балласта (золы и влаги) определяет необходимость брикетирования углей с высокой естественной влажностью и предварительного обогащения высокозольных углей (см. Обогащение полезных ископаемых). Предельная зольностьископаемого угля, направляемых на слоевое сжигание, не должна превышать 20—37%, на пылевидное сжигание — 45%.

Для коксования используются малозольные (обогащенные) спекающиеся  каменные угли, в которых лимитируется содержание серы и фосфора. Для полукоксования, газификации, получения жидкого  топлива, горного воска и др. направлений  потребления нормируются спекаемость, сернистость, зольность, кусковатость, термическая стойкость, содержание смол, битумов и др. показатели качества.

1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕЦКОКСА ИЗ КАРАГАНДИНСКИХ ТРУДНООБОГАТИМЫХ СПЕКАЮЩИХСЯ УГЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ЗОЛЬНОСТИ КОНЦЕНТРАТА

Постоянно сохраняющаяся  напряженость в обеспечении черной металлургии коксующимися углями хорошо спекающихся марок, несмотря на опережающую  отработку их запасов (табл 1), предопределяет необходимость расширения угольный сырьевой базы коксования, прежде всего  направлении увелечения использования  в шихте слабоспекающихся углей.

В соответствии с разработанной  Манчерметом СССР целевой программы  по ХІІ пятилетку и последующие  годы обновление основных производственных фондов коксохимического производства на базы новых технологических процессов  подготовка шихты (набирательное дробление, частичное брикетирование, трамбование, термоподготовка) и коксования (формованный  металлургический кокс) с доведением уже к 1990 г. Обьемов производства кокса с применением этих процессов  до 22,9 млн.т позволит высвободить  порядка 6 млн.т хорошоспекающихся  углей, заметно улучшит на этой основе состав шихты для традиционный технологии коксования и в целом повысит  качество металлургического кокса  до уровня, необходимого для запланированного снижения его удельного расхода  на выплавку чугуна с 541,2 кг/т в 1985 г. До 523 кг/т в 1990 г.

Наряду с этим ключевым направлением совершенствования структуры  обеспечения черной металлургии  углями для коксования крупным резервом экономии хорошоспекающихся углей  является замена металлургического  кокса во внедоменных производствах (в 1985 г. На эти нужды были израсходованно более 9 млн.т или 12,6 % металлургического кокса) специальными видами кокса из недефицитных углей.

 В этой связи как  первоочередное для реализации  уже в ХІІ пятилетне следует  расматривать предложение ГКНТ  об организации производства  спецкокса с использованием карагандинских  труднообогатимых спекающихся углей,  отгружаемых в настоящее время  на энергетические нужды. В  основе этого предложения лежат  результаты исследований и опытно-промышленных испытаний ряда научно-исследовательских организации (КНИУИ, ХМИ АН КазСССР, ВУХИН, КазНИИГипрофосфор и др) и производственных коллективов (По «Карагандауголь», Карагандинский металлургический комбинат, Алтайский коксохимический завод, Чимкентское ПО «Фосфор» и др.), докозавшых реальную возможность получения из шихты с участием труднообогатимых углей Карагандинского бассеина марки К (концентрат ПОФ «Сабурханская» зольностью около 28%) высокозольного (18-20%) кокса и его использования взамен металлургического в производстве фосфора и ферросплавов.

С целью оценки народнохозяйственных эффективности этого мерроприятия и разработка рекомендаций по наиболее рациональному варианту его промышленной реализации ВНИИКТЭП с привлечением институтов Минуглепрома СССР, Минчермета СССР и Минудобрении выполняя комплексный  технико-Экономический анализ, приняв в качестве исходных следующие данные: 

1. Технико-экономические показатели добычи и обогащения карагандинских углей, привлекемых в сырьевую базу коксования.

Это в основном высокозольные (зольностью до 40%) угли нижних пластов Карагандиннской свиты (К₃, К₂, К₁) с хорошей спекаемостью (толщиной пластического слоя 12-18 мм), относительно небольшим содержанием серы (0,5-0,9%), выходом летучих (менее 33%) и суммарным содержанием плавких микрокомпонентов в среднем около 62%. Запасы этих углей в бассеине до глубины 600 м оцениваются в 1,8 млрд.т балансовые запасы на 01.01.85 г. – 230,8 млн.т . в настоящее время добыча углей с участием нижних пластов ведется на 7 шахтах («Майкудукская», им «Костенко», «Северная» им.60-летя Октябрской революции, им. «Горбачева», «Кировская» и «Дубовская») с суммарным обьемом около 12,8 млн.т и сохранится до 2000 года на уровне 8-9 млн.т., в том числе углей из пластов К₃, К₂, К₁ – 6-8 млн.т (табл.2).

Себестоимость добычи угля на этих шахтах в 1985г, составила около 11 руб/т (средняя по бассеину 13,9 руб/т) при плане на 1986 г.м – 12,2 руб/т  и по оценке на 1990 г. – 12,95 руб/т (табл.3). Затраты на поддрежание производственных мощностей на ХІІ пятилетку составляют около 1,1 руб/т , что в 2,7 раза ниже, чем  в среднем по бассеину.

Угли нижних пластов   К₃, К₂, К₁ Карагандинской свиты характеризуются очень трудной обогатимостью, низким (около 15%) выходом концентратных фракций (плотностью 1400 кг/м3) и высокой (до 15%) их зольностью, что крайне затрудняет использование этих углей в шахте для производства доменного кокса и они вынужденно в рядовом виде отгружаются как энергетическое топливо.

Для производства высокозольного кокса рассмотраны несколько  вариантов обогащения углей пластов  К₃, К₂, К₁, различающихся по технологии, зольности концентрата и обьемом переработки. При этом обогащение рядовых углей по машинным классам крупности более 13 мм во всех вариантах принято в тяжелых средах с зольностью крупногоконцентрата 30-62% и направлением его на слоевое сжигание. Обогащение классов крупностью менее 13 мм рассмотрено в трех вариантах:

• Отсадкой с зольностью концентрата 24%;
• Отсадкой с выделением промпродукта и зольностью концентрата - 20%;

В трехпродуктовых тяжелосредних  гидроциклонах с зольностью концентрата 14%.

Уголь крупностью менее 0,5 мм во всех вариантах обогащается флотацией.                 

Таблица 1

Структура запасов  и добычи коксующихся углей

Таблица 2

Добыча углей  на шахтах, добывающих угли пластов  К₁, К₂, К₃ по плану ПО «Карагандауголь» на 1990 г

Таблица 3

Себестоимость добыча угля на шахтах ПО «Карагандауголь» (уголь  марки КР)