Ресурсосберегающие технологии извлечения горючей массы из углесодержащих отходов

За последние десятилетия на угольных месторождениях, отрабатываемых открытым способом, понизились качественные показатели товарной продукции.

Обеспечение требуемых объемов добычи обусловило вовлечение в эксплуатацию пластов сложного строения, малой мощности, что не позволяет обеспечить выпуск угля по качеству на заданном уровне.

Одним из направлением ресурсосберегающей технологии по улучшению качества продукции угольных разрезов является обогащение угля на обогатительных установках с применением крутонаклонных сепараторов типа КНС.

Технологические схемы с использованием крутонаклонных сепараторов КНС просты, не требуют установки большого количества основного и вспомогательного оборудования и позволяют получить высокие технологические показатели.

Ресурсосберегающая технология переработки разубоженных углей в крутонаклонных сепараторах типа КНС на обогатительных установках обеспечивает снижения потерь угля на разрезах с максимальным извлечением горючей массы, высокую эффективность процесса при невысоких капитальных и эксплуатационных затратах.

В России открытым способом добывается до 270,0 млн. тонн угля.

При существующей технологии ведения открытых горных работ и современном уровне механизации из маломощных пластов Кузбасса извлекается не более 48-50% угля. До настоящего времени значительное количество угля из разубоженной части рабочих пластов и пластов-спутников вывозится вместе со вскрышными породами в отвалы. Такие угли содержат до 30-40% горючей массы, имеют зольность 40-70%, отличаются крайне неравномерным составом и не могут без обогащения быть использованы в качестве энергетического топлива.

Работы по улучшению качества добываемого угля и снижению его потерь ведутся одновременно в двух направлениях - в направлении совершенствования горной технологии и в направлении использования рациональной технологии обогащения углей валовой добычи и разубоженных углей.

Анализ физико-механических свойств углей, поступающих в отвалы, показывает, что их обогащение традиционными гравитационными методами оказывается, как правило, нецелесообразным. При большом и нестабильном содержании породных фракций, часто представленных глинистыми легко размокаемыми включениями, применение тяжелосредных процессов обогащения потребует значительного усложнения технологических схем обогатительных предприятий, в особенности затруднится регенерация утяжелителя и резко возрастет стоимость получаемого топлива.

Использование отсадки может оказаться нецелесообразным, так как эффективность этого процесса резко снижается при содержании концентратных и промпродуктовых фракций менее 50%. Кроме того, при большом содержании породы в питании отсадочных машин заметно снижается их производительность.

Институтом обогащения твердых горючих ископаемых (ИОТТ) разработана и внедрена на ряде предприятий России, Украины, Казахстана технология переработки разубоженной горной массы с использованием противоточных гравитационных сепараторов КНС. Данная технология используется также при механизированном удалении породы из крупных (+25мм) высокозольных классов углей шахт, а также при обогащении зернистых шламов.

С 1991 года проектированием и внедрением технологии обогащения высокозольных углей и шламов занимается созданное на базе института ИОТТ, Научно-внедренческое и проектно-конструкторское предприятие "КЭНЭС", Российская Федерация, Московская область, г. Люберцы. В 2014 году общество вошло в состав ООО “Холдинговая компания “КЭНЭС”, г. Кемерово.

Крутонаклонный сепаратор (см. Рисунок 1) представляет собой корпус прямоугольного сечения, наклоненный под углом 52-56⁰ к горизонту. В средней части корпуса имеется загрузочный патрубок, снабженный сверху загрузочной воронкой. В верхней части сечения канала сепаратора размещены породная и концентратная деки с перегородками. Положение дек в канале может изменяться с помощью механизмов регулировки, обычно располагаемых на верхней крышке сепаратора.

Каждая из дек подвешивается в двух точках и имеет независимую регулировку. С помощью механизмов регулировки деки могут быть перемещены параллельно дну канала либо им может быть сообщен технологически необходимый перекос. Деки соединены с крышкой сепаратора резиновыми манжетами, препятствующими попаданию крупных частиц исходного сырья и направленного потока разделительной среды в нерабочее пространство между деками и крышкой.

Нижняя часть сепаратора с помощью фланца и переходного желоба соединяется с обезвоживающим элеватором 7 для удаления отходов, а верхняя часть заканчивается желобом для разгрузки концентрата.

Вода в сепаратор попадает в двух точках. Обычно рабочая вода подводится в башмак элеватора и через него поступает в породный канал сепаратора. Как правило, в концентратный канал дополнительно подается вода с исходным питанием, обеспечивая получение в нем заданной плотности разделения.

Сырье, подлежащее обогащению, непрерывно подается через загрузочный патрубок в центральную часть канала сепаратора. Одновременно в нижнюю часть канала через башмак элеватора поступает с заданной скоростью вода. Тяжелые фракции выпадают в придонный слой, движущийся навстречу потоку воды. Легкие компоненты выносятся потоком вверх через сливной порог сепаратора.

Рис. 1. Схема установки сепаратора КНС
1 - корпус; 2 - породная дека; 3 - концентратная дека; 4 - механизмы регулировки дек; 5 - загрузочный патрубок; 6 - питающая воронка; 7 - обезвоживающий элеватор.

Зоны перегородок, являющиеся участками локального увеличения скорости потока, вместе с тем представляют собой многократно повторяющиеся зоны повышенного разрыхления материала. Нисходящий поток материла, несущий тяжелые частицы, периодически разрыхляется и уплотняется, выделяя легкие частицы в область восходящего потока. Таким образом, по всей длине рабочей зоны сепаратора осуществляется противоточный обогатительный процесс с разделением преимущественно по плотности.

Важнейшими конструктивными параметрами регулировки сепаратора являются проходные сечения породного и концентратного каналов сепаратора.

Диапазон этих параметров для каждого типа сепараторов КНС известен. В процессе пуско-наладочных работ для каждого вида перерабатываемого материала опытным путем подбираются оптимальные значения проходных сечений породного и концентратного каналов сепаратора КНС.

Основными оперативными параметрами регулировки сепараторов КНС являются:

производительность;
расход воды, подаваемой в породное отделение;
расход воды, подаваемой в концентратное отделение.

Общий расход воды, подаваемой в сепаратор КНС, регулируется с помощью регулятора уровня. Регулятором уровня устанавливается уровень воды в элеваторе, от которого зависит скорость движения воды в сепараторе КНС и таким образом плотность разделения.

Чем выше уровень воды в элеваторе, тем выше расход воды и ее скорость прохождения через сепаратор КНС и соответственно плотность разделения.

При правильно подобранных для данного сырья проходных сечениях породного и концентратного каналов сепаратора, уровне воды в элеваторе, заданном регулятором уровня и стабильной производительности эффективность работы сепараторов КНС при обогащении высокозольных углей в одну стадию Е_р_m=120-140кг/м³ при плотностях разделения 1700-1800кг/м3. Плотность разделения в сепараторах КНС варьируется в пределах 1400-2000кг/м³.

Назначение сепараторов КНС обусловливает их конструктивные особенности.

В настоящее время эксплуатируются сепараторы КНС для обогащения неклассифицированного угля крупностью 0-150мм единичной производительностью до 400т/час. Ширина канала сепараторов достигает 1600мм.

Для обогащения угля 0-13(25)мм изготавливается типоразмерный ряд сепараторов производительностью до 150т/час.

Типоразмерный ряд сепараторов КНС, предназначенный для обогащения шлама включает сепараторы производительностью до 100т/час.

Сепараторы для обогащения мелкого угля и шлама имеют свои конструктивные особенности, заключающиеся в увеличении ширины концентратного канала сепаратора по сравнению с породным в 1,2-1,5 раза, а также с уменьшением расстояния между перегородками дек и уменьшением высоты проходных каналов сепаратора. Это связано с необходимостью уменьшения масштаба турбулентности в зоне разделения при обогащении по плотности мелкого материала.

С 1974 по 1998 г. в России эксплуатировалось 12 одностадиальных установок с сепараторами КНС для извлечения угля из углесодержащих пород вскрыши открытой добычи с глубиной обогащения 0,5(1)мм.

В результате обогащения получался товарный уголь зольностью 17-19%. Шлам 0-0,5(1)мм не обогащался и выбрасывался в гидроотвалы разрезов или наружные отстойники.

В 1991 году фирма «КЭНЭС» разработала одностадиальные установки в блочно-агрегатном исполнении и в течении 7 лет было введено в эксплуатацию 5 таких установок производительностью от 150 до 220 т/час, включающие:

передвижной бункер с питателем и колосниковой решеткой 300x300 мм. Бункер может перемещаться вдоль конвейера;
блок подготовки разубоженного угля 0-300мм перед обогащением, состоящий из трех модулей, включающий бункер с питателем, колосниковую решетку с щелью 100-150 мм и щековую дробилку для дробления надрешетного продукта до крупности менее 100-150 мм.
блок обогащения разубоженного угля, состоящий из 11 модулей, оснащенных обезвоживающим элеватором, грохотом, сепаратором КНС 108Л или КНС88А в зависимости от производительности установки, зумпфом для шламовой воды, напорным баком, насососом, классификационными гидроциклонами.

Исходный разубоженный уголь экскаватором или скребковым конвейером подается в передвижной бункер приема горной массы. На колосниках, установленных наверху бункера, отделяются куски более 300мм. Класс 0-300мм питателем подается на ленточный конвейер и далее транспортируется на блок подготовки перед обогащением, где на колосниках отделяется класс 100(150)-300мм, который додрабливается до крупности менее 150(100)мм и объединяется с подрешетным продуктом колосников. Горная масса крупностью 0-150(100)мм конвейером подается на блок обогащения в сепаратор КНС, где выделяется концентрат и порода. Порода обезвоживается элеватором, а концентрат - на грохоте.

Обезвоженные концентрат и порода поступают на соответствующие склады. Шламовая вода сгущается в гидроциклонах и выбрасывается в наружный отстойник.

Водно-шламовая схема замыкается через наружные отстойники (илонакопители). Установка выполнена в виде сборно-разборных модулей, которые могут быть изготовлены и укомплектованы оборудованием в заводских условиях. Сборка модулей осуществляется в максимально короткие сроки. Привязка ОУ к местным условиям производится для каждого объекта индивидуально.

С 1995 года в связи с ужесточением требований рынка к качеству товарных углей угольные компании России стали заказывать установки с целью получения товарных продуктов зольностью от 6 до 12(14)% в зависимости от марок углей.

Фирмой «КЭНЭС» разработаны, а угольной компанией «Кузбассразрезуголь» (г. Кемерово) реализованы проекты, а также выполнена реконструкция существующих одностадиальных установок с целью снижения зольности мелких классов углей 0-25мм, до 10-15% и обогащения шламов 0-1мм, ранее выбрасываемых с установок в отстойники, двухстадиальных установок с глубиной обогащения до 0,2мм.

Типичной двухстадиальной установкой подобного типа является обогатительная установка, перерабатывающая углесодержащие породы вскрыши Краснобродского разреза Угольной компании Кузбассразрезуголь.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема цепи аппаратов обогатительной установки.

Установка построена в 2006 году. Производительность установки 280т/час. Перерабатываемые угли – смесь марок СС и Т средней зольностью 54%. Установка производит товарные угли +25-150мм зольностью не более 8%, влажностью 7% и 0-25мм зольностью от 11 до 14%, влажностью 9%. Зольность товарного угля 0-25мм меняется в зависимости от требований рынка. Общий выход товарного угля – 30-32%. Средняя зольность отходов, включая шламы – 74%.

Рисунок. 2. Принципиальная схема цепи аппаратов обогатительной установки

На рисунках. 3 и 4 приведены фотографии Ерунаковской обогатительной установки, а также ОУ с КНС на Талдинском разрезах УК «Кузбассразрезуголь».

Процесс подготовки горной массы перед обогащением на двухстадиальных установках такой же, что и на одностадиальных установках. Отличия начинаются после 1-й стадии обогащения горной массы 0-150мм в сепараторе КНС-138. Концентрат 1-й стадии обезвоживается на двухситном грохоте, где выделяются два класса крупности 25-50мм и 1-25мм. Крупный уголь 25-150мм сразу направляется на склад, т.к. в нем уже нет примесей породы. Класс 1-25мм имеет зольность до 22% и направляется на 2-ю стадию обогащения в сепаратор КНС 80/120.

Рисунок. 3. Ерунаковская обогатительная установка с КНС

Экспликация оборудования: 1 - Крутонаклонный сепаратор КНС 138Л, 2 - Обезвоживающий элеватор ЭО-10С, 3 - Грохот ГИСЛ-62, 4 - Крутонаклонный сепаратор КНС 80/100, 5 - Обезвоживающий элеватор ЭО-4С, 6 - Грохот ГИСЛ-62, 7 - Центрифуга ФВШ-100, 8 - Насос, 9 - Батарея гидроциклонов ГЦЧ 360.0, 10 - Крутонаклонный сепаратор КНС 40/60, 11,12 - Сито вибрационное СВ-1, 13 - Осветлитель, 14 - Батарея гидроциклонов ГЦЧ 360, 15 - Грохот ГИСЛ-62, 16 - Насос

Концентрат обезвоживается на двухситном грохоте с отверстиями 8 и 0,5мм. Класс менее 8мм после грохота обезвоживается в шнековой центрифуге. Для уменьшения зольности концентрата 0-25мм схемой может быть предусмотрена циркуляция отходов 2-й стадии на переобогащение в 1-ю стадию. При этом зольность концентрата 2-й стадии обогащения не будет превышать 8%.

При такой схеме обогащения 1-я стадия будет работать в режиме получения чистой породы, а 2-я стадия в режиме получения чистого концентрата. В этом случае эффективность разделения материала по плотности может быть рассчитана для двух стадий как для одного аппарата, разделяющего на два конечных продукта. Расчеты показывают, что в этом случае эффективность обогащения класса 1-150мм в две стадии в сепараторах КНС составляет Е_р_m=100кг/м³. Шлам 0-1мм обогащается в две стадии. В первой стадии обогащение происходит в водных обогатительных гидроциклонах.

В водных циклонах эффективно обогащается класс крупностью +0,15-0,8мм, поэтому концентрат 1 (слив гидроциклонов) направляется на сгущение в гидроциклоны диаметром 360мм, где отделяется основная часть класса 0-0,15мм, частично направляемая в оборот и на осветление в отстойники или фильтр-прессовое отделение, а концентрат +0,15-0,8мм обезвоживается на дуговом сите, грохоте, шнековой центрифуге и направляется на конвейер мелкого угля.

Пески обогатительных гидроциклонов направляются на дуговое сито, где отделяется высокозольный класс 0-0,5мм, направляемый в отходы, а шлам 0,5-1мм повторно обогащается в шламовом сепараторе КНС. Концентрат 2 после сепаратора КНС поступает на дуговое сито с отверстиями 0,5мм, где в отходы выделяется класс 0-0,5мм, а класс +0,5мм обезвоживается на грохоте, шнековой центрифуге и направляется на конвейер мелкого угля. Такая схема обогащения устойчива к колебаниям нагрузки по объему, содержанию твердого в пульпе, ситовому и фракционному составу шлама.

Зольность обогащенного шлама находится в пределах 14-15%, зольность отходов – 60-65%.

Общее количество оборотной технологической воды при обогащении в сепараторах КНС, на все три стадии обогащения, составляет 3,5м³/час перерабатываемого материала, из них 1,5м³/час- осветленная вода. Оборотная вода подается на 1-ю стадию обогащения. На 2-ю и 3-ю стадии обогащения в КНС, как правило, подается осветленная вода в основном с целью отмывки угля от глинистых и размокаемых пород.

Рисунок. 4. Обогатительная установка с КНС на Талдинском разрезе

На 2-ю стадию обогащения может также направляеться оборотная вода, а осветленная вода подается на брызгала для отмывки угля на грохотах и при обезвоживании на центрифугах. Это резко снижает расход осветленной воды. Такая схема реализована на одной из обогатительных установок на Украине при переработке антрацитовых шахтных породных отвалов. Осветление шламовых вод производится в отстойниках.

Обогатительные установки расположены в непосредственной близости к добычным участкам разрезов, их строительство не требует больших капитальных затрат, водно-шламовые схемы замыкаются через гидроотвалы, горные выработки разреза или через отстойники, сооружаемые в породных отвалах, где происходит фильтрация воды сквозь отвал и осаждение шлама в отстойниках. Шлам из отстойников вывозится в зимнее время в породный отвал. Водоснабжение установки производится двумя насосами, подающими оборотную и осветленную воду. Оборудование в корпусе обогащения располагается, как правило, по каскадной схеме. Разделительная среда (вода) насосом подается наверх в обогатительные гидроциклоны и при своем движении вниз производит все необходимые для разделения операции: обогащение в сепараторах КНС, сгущение в гидроциклонах, обезвоживание на грохотах и в центрифугах.

Изготовление всех типоразмеров сепараторов КНС, гидроциклонных установок, дуговых сит, нестандартизированного оборудования для одно и двухстадиальных установок производится компанией ООО “ХК “КЭНЭС”.

Поздеев В.Н. ООО «КЭНЭС», г. Люберцы, Московская область, Россия

Михальцевич В.В. ООО «КЭНЭС», г. Люберцы, Московская область, Россия

Ляшенко А.П. ООО «КЭНЭС», г. Люберцы, Московская область, Россия