Wzbogacanie węgla
I. Spis treści.
1. Definicja i cel wzbogacania węgla.
2. Sposoby wzbogacania węgla.
2.1. Wzbogacanie ręczne.
2.2. Wzbogacanie grawitacyjne na zasadzie różnicy ciężaru właściwego i różnicy prędkości opadania ziaren węgla i skały płonnej:
a) wzbogacanie w wodzie;
b) wzbogacanie w cieczach ciężkich zawiesinowych;
c) wzbogacanie w strumieniu powietrza;
2.3. Wzbogacanie na zasadzie różnicy właściwości powierzchniowych węgla i skały płonnej (flotacja).
2.4. Wzbogacanie metodami specjalnymi.
3. Technika wzbogacania węgla za pomocą wzbogacalnika zawiesinowego typu Teska oraz osadzarki pulsacyjnej tłokowej o poprzecznym łożu roboczym.
4. Parametry jakościowe wybranych węgli energetycznych i koksowych. Wpływ wzbogacania węgla na parametry jakościowe węgli energetycznych.
II. Literatura.
1. Roga Błażej, Tomków Kazimierz, Chemiczna technologia węgla, WN-T, Warszawa 1971 (str.180-190)
2. Blaschke Wiesław, Przeróbka węgla kamiennego – wzbogacanie grawitacyjne, Wyd. Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 2009
(str. 28-36, 134-135, 169)
3. http://www.jsw.pl
4. http://grupaiv.ovh.org/tpps/wzbogacanie.pdf
W procesie wydobywczym węgla w kopalni na urobek składają się obok właściwej substancji węglowej także skały płonne ze stropu i spągu oraz występujące w pokładzie węgla tzw. przerosty, stanowiące mieszaninę węgla i substancji mineralnej. Węgiel wydobyty w kopalniach stanowi mieszaninę ziaren i kawałków różnej wielkości o różnej zawartości substancji mineralnej. Węgiel taki tylko w sporadycznych przypadkach użytkowany jest bezpośrednio. Zazwyczaj poddaje się go tzw. przeróbce mechanicznej, w
której węgiel w zależności od jego jakości i przeznaczenia podlega następującym operacjom uszlachetniającym:
a) sortowaniu wg wielkości ziaren i kawałków,
b) rozdrabnianiu,
c) klasyfikacji wodnej lub powietrznej, dla rozdzielenia drobnych ziaren węgla wg wielkości,
d) wzbogacaniu, czyli rozdzielaniu minerałów wg składu, mającemu na celu zwiększenie zawartości substancji palnej w węglu przez częściowe usunięcie z niego domieszek substancji mineralnej,
e) suszeniu (odwadnianiu), czyli zwiększeniu zawartości substancji palnej przez częściowe
lub całkowite usunięcie balastu w postaci wilgoci,
f) odpylaniu, co wynika z potrzeb technologii procesów przeróbczych i względów BHP,
g) mieszaniu, mającemu na celu uśrednienie parametrów węgla,
h) brykietowaniu lub aglomeracji, w celu spojenia najdrobniejszych ziaren miałów węglowych w kawałki o większych rozmiarach. [4]
Zgodnie z tematem punktem najbardziej nas interesującym jest punkt d, czyli wzbogacanie węgla.
Wzbogacanie ma na celu częściowe lub niemal całkowite usunięcie substancji mineralnej, która stanowi balast obniżający efekt kaloryczny oraz wartość technologiczną paliw stałych w procesach przeróbki chemicznej. W węglu występują dwa rodzaje domieszek mineralnych, są to domieszki:
a) pochodzące z praroślin węglotwórczych oraz związki z substancją organiczną paliw w postaci związków chemicznych, jest to tak zwana wewnętrzna substancja mineralna,
b) występujące w postaci przerostów skał towarzyszących oraz zanieczyszczeń urobku odłamkami skał stropowych i spągowych, jest to tak zwana zewnętrzna substancja mineralna.
Domieszki z podpunktu a występują w postaci pierwiastków metalicznych (np. Ca, Mg, Fe, Al, Na, K), które są wprowadzone na miejsce wodoru w grupach funkcyjnych złożonych polimerów występujących w paliwach stałych. Są to przede wszystkim sole kwasów huminowych, żywicznych i woskowych, które występują w dużych ilościach w niżej uwęglonych paliwach stałych. Domieszek tych nie można usunąć w procesie przeróbki mechanicznej. Głównym zadaniem procesu wzbogacania jest usunięcie zewnętrznej substancji mineralnej. Mechaniczne wzbogacanie jest stosowane przede wszystkim dla węgli kamiennych i dla twardych odmian węgla brunatnego.
Wzbogacanie ręczne odbywa się częściowo na dole kopalni przez odrzucanie z urobku większych i widocznych okruchów skalnych. Na powierzchni kopalni usuwa się ręcznie z urobku różniącą się wyglądem od węgla skałę płonną i przerosty. Urobek ten przesuwany jest na wolnobieżnych taśmach lub na stołach przebierczych, stosowane jest także specjalne oświetlenie aby lepiej dostrzec różnice w wyglądzie węgla i skały płonnej. Ręczne wzbogacanie węgla stosowane jest tylko do sortymentów grubych węgla kamiennego. Ten rodzaj wzbogacania jest usunięty w nowszych zakładach przeróbczych, ponieważ stanowił ciężką pracę fizyczną.
2.2. Wzbogacanie grawitacyjne.
Grawitacyjne wzbogacanie węgla opiera się na wykorzystaniu różnicy ciężaru właściwego węgla i skały płonnej oraz różnicy prędkości opadania ziaren węgla w różnych ośrodkach. Łatwość wzbogacania grawitacyjnego węgla ocenia się na podstawie analizy w tzw. cieczach ciężkich. Próbka węgla wprowadzona do cieczy o określonej gęstości rozdzieli się na frakcję lżejszą od cieczy rozdzielającej, która wypływa na jej powierzchnię oraz frakcję cięższą opadającą na dno naczynia. W technice laboratoryjnej stosuje się ciecze ciężkie jednorodne, czyli roztwory soli nieorganicznych lub ciecze organiczne. Ciecz ciężką jednorodną przygotowuje się przez rozpuszczenie w wodzie określonej ilości soli nieorganicznej, wybór cieczy organicznej lub zmieszanie w odpowiednich proporcjach dwóch cieczy.
Na rysunku 2.1. przedstawiona jest krzywa nazywana podstawową krzywą wzbogacalności węgla surowego lub teoretyczną charakterystyką węgla surowego pod względem jego wzbogacalności. Kształt krzywej λ bardzo jasno charakteryzuje wzbogacalność surowca. Węgiel surowy o krzywej λ wklęsłej i ramionach zbliżonych do równoległych do osi wychodu jest łatwo wzbogacalny. W miarę „prostowania się” krzywej wzbogacalność ulega pogorszeniu.
Rys. 2.1. Krzywe wzbogacalności HR (Henry’ego-Reinharda) dla węgla. [4]
Rys. 2.2. Typy krzywych wzbogacalności. [4]
Oprócz krzywych wzbogacalności, do określenia trudności wzbogacenia węgla stosowane są również wskaźniki wyrażane liczbowo, nazywane wskaźnikami trudności wzbogacania. Wartości liczbowe tych wskaźników stanowią o wyborze metody i typu maszyny przeróbczej. Jedna z metod określenia stopnia wzbogacalności węgla surowego została opracowane przez B.M. Birda w formie wskaźnika trudności wzbogacania S. W zależności od wartości wskaźnika S, określa się wzbogacalność badanego węgla według tabeli 2.2. Wartość wskaźnika S oblicza się w procentach dla przyjętej gęstości rozdziału na podstawie danych odczytywanych z wykresu zależności wychodu γ* od gęstości ρ:
S=γ**ρ+0,1- γ**(ρ-0,1)γ**2,0*100
gdzie: ρ-przyjęta gęstość rozdziału
γ**ρ+0,1- zawartość frakcji o gęstości mniejszej od ρ+0,1
γ**ρ-0,1- zawartość frakcji o gęstości mniejszej od ρ-0,1
γ**2,0-zawartość frakcji o gęstości mniejszej od 2g/cm3
Tabela 2.2. Skala trudności wzbogacania według Birda. [2]
a) Wzbogacanie węgla w wodzie.
Wzbogacanie grawitacyjne w wodzie polega na poddaniu mieszaniny surowego węgla działaniu strumienia wody o tak dobranej prędkości przepływu lub pulsacji, aby surowy urobek ulegał rozdzieleniu na warstwy o rożnych ciężarach właściwych.
Przykładem rozdziału w strumieniu przepływającej wody jest płuczka Reo (rys. 2.4). Płuczka ta składa się ze stalowego koryta z otworami w dnie. Surowy węgiel (nadawę) i wodę wprowadza się od góry koryta. Pochyłość koryta powoduje, że nadawa nabiera prędkości pozwalającej na rozdział zanieczyszczeń mineralnych i przerostów od węgla (koncentratu). Ciężkie łupki opadają na dno, natomiast węgiel jako lżejszy unosi się w górę.
Rys. 2.4. Płuczka Reo.
Innym typem urządzeń do wzbogacania grawitacyjnego w wodzie są tzw. płuczki pulsacyjne. Przykładem może być płuczka Bauma (rys. 2.5.). Jest to urządzenie w kształcie litery U, w którym woda wprowadzana jest w ruch pulsacyjny za pomocą tłoka lub sprężonego powietrza. Ten typ osadzarek stosuje się do stosunkowo wąskich klas ziarnowych tj. 100-0,5 mm.
Rys. 2.5. Płuczka Bauma.
b) Wzbogacanie w cieczach ciężkich.
W wzbogacaniu tym wykorzystuje się różnice w ciężarze właściwym węgla i skały płonnej. Ciecz, w której węgiel jest wzbogacany ma większy ciężar właściwy od ciężaru węgla a mniejszy od ciężaru skały płonnej. W takiej cieczy węgiel wypływa na powierzchnię, natomiast skała płonna opada na dno. Ciecze stosowane w tym wzbogacaniu mają ciężar właściwy 1,3-1,8 kG/dm3.
Tabela 2.3. Charakterystyka najczęściej stosowanych obciążników cieczy ciężkich zawiesinowych. [4]
c) Wzbogacanie w strumieniu powietrza.
Polega ono na oddzieleniu węgla od skały płonnej w strumieniu powietrza. Rozdział następuje na podstawie różnych prędkości opadania poszczególnych ziaren. Do wzbogacania suchego nadają się tylko łatwo wzbogacane gatunki węgla w wąskim przedziale klas ziarnowych. Na rys. 2.6. przedstawiony jest wialnik Giprokoks. Składa się on z systemu sit rozmieszczonych szeregowo pod pewnym kątem nachylenia. Surowiec zsuwa się po sitach, pod które wdmuchiwane jest powietrze. Prąd powietrza rozdziela skałę płonną od węgla, który spada na taśmę. Skała płonna spada w luki znajdujące się między poszczególnymi sitami.
Rys. 2.6. Wialnik Giprokoks. [1]
2.3 Flotacja węgla kamiennego.
Flotacja węgla polega na oddzieleniu drobnoziarnistego węgla od skały płonnej w środowisku wodnym na podstawie niejednakowej zwilżalności. Węgiel ma małą polarność powierzchni, przez co wykazuje naturalną zdolność flotacyjną. W celu zwiększenia szybkości flotacji do zawiesiny (drobnoziarnisty węgiel w wodzie) dodaje się kolektory (zwiększają apolarność powierzchni węgla) oraz odczynniki pianotwórcze. Hydrofobowe ziarna węgla, które powleczone są filmem kolektora, przyczepiają się do pęcherzyków powietrza wprowadzonych przy mieszaniu. Flokuły (pęcherzyki powietrza z ziarnami węgla) mają mniejszy ciężar właściwy od środowiska wodnego i wypływają na powierzchnię, gdzie tworzą pianę bogatą w koncentrat, czyli oczyszczony węgiel. Substancja mineralna zewnętrzna tonie i odprowadza się ją oddzielnie. Aby koncentrat oddzielić od cieczy i piany stosuje się sedymentację oraz odsączanie na filtrach bębnowych. Jako kolektory stosuje się oleje pochodzące z przerobu ropy naftowej i olej ponaftalenowy. Jako odczynniki pianotwórcze stosuje się wyższe alkohole alifatyczne, niekiedy etery terpenowe. Niektóre kolektory mogą również spełniać rolę środków pianotwórczych. Flotacji poddaje się przede wszystkim miały węgli kamiennych koksujących. Zdolność flotacyjna węgla kamiennego rośnie wraz ze wzrostem stopnia uwęglenia, maksymalną wartość osiąga dla węgli ortokoksowych, po czym spada. Rys. 2.7. przedstawia typowy schemat flotownika mechanicznego Fahrenwalda.
Rys. 2.7. Flotownik Fahrenwalda. [1]
2.3. Specjalne metody wzbogacania.
Jedną ze specjalnych metod wzbogacania węgla jest wzbogacanie w hydrocyklonach w środowisku wodnym i cieczach ciężkich suspensyjnych. Na rysunku 2.8. przedstawiony jest hydrocyklon, składa się on z dwóch podstawowych części walca (1) i stożka (3). Zawiesinę drobnoziarnistego węgla w wodzie lub cieczy ciężkiej wprowadza się do hydrocyklonu pod ciśnieniem 0,5-5 atmosfer, gdzie zostaje ona wprawiona w ruch wirowy. Cięższe ziarna skały płonnej są odrzucane na zewnątrz przez otwór spustowy (4). Lżejsze ziarna węgla ulegają działaniu siły odśrodkowej i są wyprowadzane wraz ze strumieniem wody poprzez przelew (5) do górnej części walca i zostają usunięte przez wypust (6) do osadników.
Rys. 2.8. Hydrocyklon. [1]
Stosuje się hydrocyklony o średnicy 0,2-0,6 m o wydajności przerobowej 3-30 ton węgla na godzinę. Średnica ziaren węgla nie może przekraczać 10mm.
Drugą specjalną metodą wzbogacania węgla jest elek...
DWito