Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, задачи и направления исследования 6
2. Анализ применения флотации в технологии обогаще сложных южно-якутских углей нерюнгринского разреза 10
2.1 Исследование состава угля и его характеристик с точки зрения эффективности обогащения 11
2.1.1. Петрология южно-якутских углей 18
2.1.2. Физико-химическая характеристика углей 21
2.2. Сопоставительные исследования эффективности обогащения шламов ОФ "Нерюнгринская" 23
2.2.1. Изучение вторичного шламообразования 23
2.2.2. Исследования по размокаемости 32
2.2.3. Методика исследования обогатимости 36
2.2.4. Изучение результативности флотации микрокомпонентов 40
3. Экспериментальные исследования закономерностей, флотации коксующихся углей марок к и ж южно якутского бассейна 45
3.1. Лабораторные исследования флотации углей марки К 46
3.1.1. Изучение роли реагентов в технологии флотации отсевов и шламов 49
3.1.2. Исследование кинетики флотации углей марки К 53
3.1.3. Сравнительная оценка результативности флотации сложных углей с реагентами селективного действия 60
Выводы 63
3.2. Лабораторные исследования флотации углей марки Ж 64
3.2.1. Характеристики углей марки Ж Нерюнгринского месторождения 64
3.2.2. Изучение реагентного режима и кинетики флотации углей марки Ж двух участков 67
3.2.3. Изучение флотации смесей коксующихся углей марки Ж различной категории обогатимости 73
4. Промышленные исследования флотации южно-якут ских коксующихся углей марок к и ж 77
4.1. Технологическая схема обогащения ОФ "Нерюнгринская" и структура питания флотации 77
4.2. Сопоставительные испытания взаимосвязи качественных показателей флотации углей марки К с входными параметрами угля 88
4.3. Испытания флотации шихты углей марки Ж 94
5. Разработка рациональной технологии флотации сложных шламов оф "нерюнгринская" 98
Заключение 102
Список литературы 105
Приложение
- Петрология южно-якутских углей
- Изучение роли реагентов в технологии флотации отсевов и шламов
- Характеристики углей марки Ж Нерюнгринского месторождения
- Сопоставительные испытания взаимосвязи качественных показателей флотации углей марки К с входными параметрами угля
Введение к работе
Южно-Якутский угольный бассейн является одним из важнейших в структуре производства высококачественных энергоносителей в стране, пригодных для решения проблемы эффективного использования угольных топлив в России и конкурентной торговли на мировом рынке. Он расположен в зоне вечной мерзлоты и представляет собой уникальное месторождение каменных углей высоких стадий метаморфизма относимых к маркам коксующихся углей (К, Ж) и энергетических (СС, Т).
Построенная и пущенная в эксплуатацию в 1985 году в бассейне обогатительная фабрика мощностью по переработке 9 млн. т. рядовых углей при разрезе "Нерюнгринский" стала крупнейшим предприятием по глубокому обогащению неокисленных коксующихся углей марки К9 , остальные угли разреза в необогащенном виде отгружаются потребителям в рядовом виде для энергети-ческого использования. ОФ Нерюнгринская была спроектирована и построена по самой прогрессивной на то время технологии обогащения: обогащение в тяжелых средах одним машинным классом 0,5-30 мм дробленых до 30 мм рядовых углей и флотацией класса менее 0,5 мм. С момента начала эксплуатации было очевидно, что получение стабильных показателей обогащения будет сопряжено с определенными трудностями, вызываемыми: сезонными колебаниями свойств добываемых углей; значительной хрупкостью угольной массы по отношению к породе; большой изменчивостью, из-за тектонической нарушенное Нерюнгринского месторождения, долевого участия в исходном крупных и мелких классов; очень трудной категорией обогатимости, связанной с повышенным содержанием промежуточных фракций плотностью 1400-1800 кг/м3.
В связи с этим предполагалось, что высокие проектные показатели могут быть обеспечены в процессе интенсификации технологии по отдельным пере- делам по мере более глубокого проникновения в механизм разделительных процессов. В связи с этим, предстояло изучить и разработать способы повышения эффективности обогащения. Неизбежная модернизация обогащения вызывалась также нарастающей тенденцией морального и физического износа оборудования, замена которого необходима для перевода фабрики на качественно новый технико-экономический уровень обогащения.
Сложилась ситуация, при которой материальная нагрузка на флотационный передел по содержанию твердого, из-за различных промежуточных потоков превысила 30% от исходного питания, превысив почти в два раза ожидавшуюся по проекту.
В этих условиях возникла необходимость исследования характера негативных проявлений изменчивости гранулометрического и вещественного состава шламов, их роли в формировании водно-шламовой схемы фабрики и воздействии на основные технологические переделы, чтобы на основании проведенных исследований осуществить разработку методов повышения эффективности флотации, позволяющих минимизировать отрицательные последствия неудовлетворительной флотации, найти способы повышения надежности принятия инженерных решений по флотации на базе оценки взаимосвязи показателей процесса с природой флотации углей, определить параметры рациональной технологии флотации.
Актуальность настоящей работы определяется не только внутренними проблемами флотации ОФ "Нерюнгринская", но и, прежде всего, необходимостью увеличения выхода ценных концентратов марок коксующихся углей, до настоящего времени в значительной мере теряющихся с почти неизбежными промежуточными продуктами обогащения, подлежащими энергетическому использованию.
Петрология южно-якутских углей
Макроскопические исследования рядового угля пласта "Мощный", показывает наличие в нем двух петрографических разновидностей: блестящей и полу матовой.
Блестящий уголь является преобладающей разновидностью, имеет черный цвет, достаточную прочность и не ясно выраженную полосчатость, обусловленную наличием тонких прослойков или линз фюзена и аргиллита, достигающих мощности 0,5 мм. Среди плотных массивных кусков блестящего угля встречаются тонкие прослои угля с мелкой зернистостью и меньшей прочностью. Из видимых минеральных включений в блестящих углях помимо аргиллита встречаются тонкие пленки кальцита.
Полуматовый уголь наблюдается в пробе в меньших количествах, чем блестящий. Куски такого угля плотные с тонкими (до штрихов) прослойками блестящего угля. Поверхность большинства кусков имеет следы скольжения. Из видимых минеральных примесей встречаются прослойки углистого аргиллита мощностью до 1 мм. Микроскопические исследования рядового угля показали, что по общему составу его можно отнести к среднеминерализованному.
В таблице 5 приведены результаты процентного соотношения общего количества органической массы и чистых минеральных примесей в рядовом угле.
Как видно, из общего количества органической массы, составляющего 82% от рядового угля, чистое угольное вещество представлено всего лишь 3,3% от исходного или 4% от органической массы; остальное количество органики тесно связанно в минеральные ассоциаты с глиной, карбонатами и кварцем.
В микрокомпонентном отношении состав органической массы однороден и представлен, в основном, литотипом витринита (до 94%), который в свою очередь представлен подгруппой коллинита - однородного бесструктурного вещества [26].
Коллинит (от греческого kolla - клей) является бесструктурным компонентом витринита, он представляет собой плавкое связующее вещество, которое полностью пропитывает и цементирует воедино все прочие компоненты угля. Отсюда органическая масса угля представляется в виде монотонного образования, нарушенного трещинами сжатия, образовавшимися в результате влияния тектонического давления и температуры.
Плотность витринита зависит от степени метаморфизма (содержание углерода), для якутских углей она равна 1340 кг/м3 при содержании углерода 90,7%. Пористость витринита при этом содержании углерода минимальна и равна 0,025 см/ г
Витринит характеризуется высокой степенью хрупкости. При давлении он легко трескается и раскалывается с образованием прямоугольных призм или кубиков большого размера, а также очень мелких обломков, скапливающихся в виде тонкой фракции пыли. Как известно, для углей с содержанием углерода 90,0% и выходом летучих веществ в районе 20% (в нерюнгринских углях выход летучих составляет Vdaf = 18,7-20,5%) степень хрупкости витринита самая высокая. Этим объясняется специфика вторичного шламообразования углей Южно-Якутского бассейна.
В заметном количестве, 5,2-ь10,7%, наблюдаются микрокомпоненты мацерала фюзинита. Он представлен обрывками клеточных тканей или небольшими линзочками, включенными в витрииизированную массу. Фюзинит обладает высокой абразивной твердостью. Плотность фюзинита 1500 кг/мЗ,что превышает плотность витринита. Во время карбонизации фюзинит не плавится. С химической точки зрения для фюзинита характерно высокое содержание углерода и низкое водорода.
В незначительных количествах 0,8 -4,9% в углях встречается семивитринит, который по многим своим показателям тяготеет к группе инертных материалов, и при оценке коксующих свойств углей в основном относятся к группе отощающих компонентов [27]. Семивитринит имеет плотность 1350-1450 кт/мЗ, его свойства изменяются в широких пределах и в зависимости от степени углефикации колеблются, от свойств, присущих с одной стороны витриниту, с другой - фюзиниту. Семивитринит богаче углеродом и беднее водородом, чем витринит, но содержит меньше углерода и больше водорода, чем фюзинит.
Минеральные примеси в угле представлены чистыми глинистыми разновидностями, карбонатами и кварцем (табл. 6) и образуют ассоциаты с углем. В последнем случае микролитотипы, содержащие менее 20% примесей минералов, рассматриваются как кантоминированные, их плотность менее 1500 кг/м3, что грубо соответствует зольности порядка 20%. Если ассоциат содержит от 20 до 60% минеральных примесей, то его относят к карбоминериту (для глин - карбоаргиллиту), а при более высоком содержании - это уже порода. Объем глинистых минералов порядка 60% соответствует высокой зольности около 55%.
Изучение роли реагентов в технологии флотации отсевов и шламов
Зависимость результатов флотации от свойств флотационных реагентов исследовалась с применением реагентов фирмы "Clariant GmbH", имеющей большой опыт конструирования реагентов заданных свойств и известной ранее под брендом "Хёхст", а также реагентов, применяемых на ОФ "Нерюнгринская" собирателем - дизельное топливо (ДТ) и пенообразователем - кубовые остатки бутиловых спиртов (КОБС). і
Исходя из свойств флотируемых шламов, из большого числа известныхреагентов компании "Clariant GmbH", используемых при флотации угля (Монтанол 505, 508, 551, 555; Монтанол 710, 715, 720; Монтанол 88, 800, 802, 805, 810), были выбраны два-Монтанол 800 и Монтанол 802.
Эти реагенты модифицированы применительно к флотации сложных углей, отличающихся высоким содержанием в пульпе тонких классов с большой зольностью. Они предназначены для флотации углей коксующихся марок с содержанием летучих Vdaf= 19,6-3 9,5 ; отражательной способностью витринита Ro=0,84-1,6 и широким диапазоном изменения содержания в органической части отощающих компонентов 8-39% .
Монтанол 800 и Монтанол-802 являются смесью алифатических спиртов, полиэфиров и эфиров. По технологической характеристике они вспениватели, обладающие ярко выраженной собирательной активностью. В результате чего они могут использоваться при флотации углей в качестве индивидуального реагента комплексного действия. Повышение эффективности извлечения горючей массы достигается дополнительным введением аполярного собирателя (дизельное топливо, печное топливо, керосин и др.). В этом случае смесь определяется содержанием Монтанола в соотношении с собирателем в пропорции от 1:4 до 6:4. Удельный расход Монтанола может варьироваться в пределах 150-300 г/т.
При проведении лабораторных исследований рассматривались: реагентные режимы (включая способы подачи), расход собирателя и пенообразователя, время флотации.
В качестве контрольных технологических параметров использовались выход концентрата и его зольность.
Гранулометрические характеристики флотируемых проб отсевов и питания флотации представлены в табл. 20 и на рис. 6 и 7. На графиках в осях координат: абсцисс - логарифмическая шкала средней величины класса крупности частиц, мкм; ординат - AAK/AlogK (рис, 6) и AEmK/AlogK (рис. 7), где ААк - извлечение зольных единиц и АЕК-извлечение горючей массы в данном классе крупности; а AlogK=log(di)-log(d2) - разница логарифмов крайних значений рассматриваемого интервала крупности, хорошо видна разница в распределении зольности (рис. 6.) и горючей массы (рис. 7.) по крупности в отсевах и в питании флотации.
Если в пульпе распределение зольности по классам крупности имеет монотонный характер, то в отсевах просматриваются два максимума, отвечающих двум типам дробимости углей, это подтверждается и характером распределения по классам крупности горючей массы.
Для отсевов горючая масса сосредоточена в более крупных частицах, а у пульпы в классе менее 25 мкм заключается значительная часть І
Органической массы.
Сравнительная результативность флотации углей оценивалась по результатам кинетических опытов при единовременной подаче реагентов и дробном съеме пенных продуктов. При этом сравнивались качественные характеристики продуктов при одинаковом времени флотации, при одинаковом выходе концентрата с минимальной зольностью и определялся максимальный выход концентрата с заданной зольностью.
Для оценки эффективности флотационного разделения использовался показатель относительной эффективности Е0, отражающий соотношение полученного во флотационном опыте результата с теоретическим предельно возможным (по опыту флотационного фракционирования) [34]. Е _У«(Апиг-АЧ 0 УЛА"иТ-АТ«) где уКф — фактический выход концентрата; АКф - фактическая зольность концентрата; ует - теоретический выход концентрата по кривой предельной флотируемости при зольности А= АКф , Акт- теоретическая зольность, под которой понимается зольность по кривой предельной флотируемости при выходе концентрата ук=Укф При сравнении режимов флотации предпочтительным считается тот, который обеспечивает максимальное значение Е0.
Характеристики углей марки Ж Нерюнгринского месторождения
Рассматривались три типа углей марки Ж из Восточно Чульмаканского месторождения Южной Якутии, представленных из участка "Угольный", участка "Инаглинский" и переходной зоны участка (зачистки) "Угольный". Гранулометрические характеристики исследуемых компонентов приведены в табл. 26, фракционный состав - в табл. 27. Согласно официальной классификации (ОСТ 12.13.289-85) информационные модели углей по качественно-количественным показателям: зольность и выход легких фракций (менее 1400 кг/м3); массовая доля серы, а также выходу тяжелых фракций (более 1800 кг/м3), выходу крупных классов (+13 мм) и мелких (менее 1 мм), существенно различаются. Кодовые числа для представленных углей имеют вид: Участок Кодовое число "Угольный" Ж 600084 "Инаглинский" Ж 903343 "Угольный" (зачистка) Ж 602297 Угли плохо подходят для совместного обогащения, о чем свидетельствуют различия в категориях по зольности превышающие допустимые 2 единицы для пластов участка "Угольный" и "Инаглинский", а также в категории по выходу крупных и мелких классов.
Близки по кодовым числам пробы участка "Угольный" и участка "Угольный" (зачистка).
Технологические различия по обогатимости проявляются через степень обогатимости (ГОСТ 10100-82): средняя категория Т=8,6 - пласт "Угольный"; трудная Т=14 -пласт "угольный" (зачистка); очень трудная Т=25,7 - участок "Инаглинский".
Различия в обогатимости крупных классов дополняются сложностью состава шламов. В шламах участка "Угольный" порядка 40% горючей массы находится в зернистой части (крупностью более 0,2 мм), в то время как у участка "Инаглинский" 41,7% горючей массы сосредоточено в илистом продукте крупностью менее 0,1 мм. При общей более высокой зольности Инаглинских углей зольность их тонких классов в 1,7 раза выше чем в углях участка "Угольный" (табл. 26). У последних проблемными являются и продукты крупностью от 0,1 до 0,5 мм. Из анализа кривых обогатимости А, (рис. 12.) видно, что рассматриваемые угли по сложности разделения и потенциалу выхода качественных концентратов располагаются в последовательности: пласт "Угольный" - зачистка пласта "Угольный" - пласт "Инаглинский". Поэтому основу разработки должны составлять угли первого пласта (Угольного), а второй и третий перспективны в качестве компонентов шихты. При этом рациональной является раздельная обработка мелких и крупных классов гравитационными способами и объединение конечных, в то время как технология флотации не представляется очевидной. В связи с этим с научной точки зрения важно изучить синергизм, проявление взаимовлияния столь разных углей одного месторождения и марки на показатели флотации. 3.2.2. Изучение реагентного режима и кинетики флотации углей марки Ж двух участковНа рис. 13. приведены кривые кинетики флотации шламов участка "Угольный". Возможные устойчивые показатели флотации А=12,1-12,5% при выходе 81,1-83,3% были получены с использованием в качестве реагента собирателя - дизельное топливо (ДТ), а пенообразователей - кубовые остатки бутиловых спиртов (КОБС) и Карбофлот. При этом зольность отходов колебалась от 48,6 до 51,5% при выходе 18,9-16,7%.
Очевидная зависимость показателей разделения от результата флотации в конечных стадиях съема пенного продукта ассоциативных образований с зольностью выше 10% была исследована путем разделения пенного продукта по выше показанному методу с углем марки К. Рис. 12. Для чего рассматривались условия изменения в долевом участии реагентной смеси соотношения карбофлот:дизельное топливо по данным кинетических исследований проявившей более высокие избирательные свойства.
В опытах (табл. 28) за первые 30 сек снимались пенные продукты, отвечающие выходу витринита и последующие 60 сек - его ассоциатов с другими микрокомпонентами и породой (до 20% примесей). Несколько более высокая зольность исходного питания флотации объясняется спецификой измельчения углей в технологическом цикле фабрики в результате вторичного шламообразования и размокания породы (см. глава 4).
Сопоставительные испытания взаимосвязи качественных показателей флотации углей марки К с входными параметрами угля
Для оценки взаимосвязи качественных показателей флотации с входными параметрами рядового угля были изучены с применением статистических методов анализа корреляционные связи фракционного состава рядового угля (выхода и зольности легкой фракции менее 1400 кг/мЗ) с показателями лабораторной флотации отсевов (выход и зольность пенного продукта - концентрата).
Для этого в течение длительного периода на фабрике отбирались накопительные пробы угля, поступающего на обогащение после дробления, которые в дальнейшем усреднялись и подвергались фракционному анализу по плотностям разделения легкой фракции, отвечающей условиям выделения витринита (плотность менее 1350 кг/мЗ), а также фракция 135-1400 кг/мЗ, отвечающая выделению более плотных мацералов или ассоциатов витринита с породными минералами, фракция 1400-1800 кг/мЗ, соответствующая выделению сростков органического вещества с породными примесями (табл. 34). От усредненных проб был отсеян кл. 0-0,5 мм на котором были поставлены флотационные лабораторные опыты при одинаковых гидродинамических, кинетических и реагентных режимах. Фракционный анализ проводился в соответствии с ГОСТ 4790-80. Флотационные опыты были поставлены в стационарных условиях в механической лабораторной флотомашине с объемом камеры 1 л, скорость вращения импеллера составляла 1800 об/мин; реагентный режим: собиратель - дизельное топливо -1000 г/т, пенообразователь - КОБС - 100 г/т. Подача реагентов - 70% в голову (в начале) процесса и 30% после 2-х минут флотации. Пенный продукт за 2 минуты флотации рассматривался как концентрат, после второй подачи реагентов флотация велась до полного прекращения пенообразования (3-5мин), пенный продукт рассматривался как промежуточный продукт. Камерный продукт после флотации являлся отходами. По результатам флотационных опытов определялись выход и зольность продуктов флотационного разделения.
Вся выборка была представлена 27 образцами проб. Зольность рядового угля составляла от 14,2 до 20,1% при среднем значении 16,7%. Зольность отсевов (кл. 0-0,5 мм) составляла от 10 до 16%, при средней зольности 13,5%).
Мощный. Общий состав шлама на 83-89% представлен чистым углем, который в свою очередь почти полностью (на 87,8-93,9%) состоит из витринита. Шлам, поступающий на флотацию на 73-81% представлен витринитом, что необходимо учитывать при оценке состава сфлотированного продукта. Теоретически при идеальном разделении выход пенного продукта в сопоставимых объемах может оцениваться как сфлотированный витринит.
Статистическая обработка данных показала, что пробы шихты рядового угля отличаются по выбранным анализируемым параметрам: 1) По зольности рядового угля Ар/у при среднем значении Айср=\6,7% колебания составляют от 14,2% до 20,1% 2) По содержанию легкой фракции плотностью менее 1400 кг/м3 (Y i 4) при среднем значении Y 4 =69,6% отклонения составляют от -6,4 до +9,7 %, т.е. min Y 1 4 = 63,2% и max Y M = 79,3% 3) По зольности легкой фракции менее 1400 кг/м3 (Y i 4) при А 4 = 8%: min А м=7,05% (-0,9%) max А 8,56% (+0,6%) 4) Существенные отличия наблюдаются в содержании легкой фракции плотностью менее 1350 кг/м3 (Y i,3s) и фракции 1350-1400 кг/м3 (Y -M): min Y i.35= 21,9%; max-Y U5= 49,4%, соответственно no YII35_II4 - min Yi,35 -1,4=20%; max Y U5.,,4 = 44,8%. Соотношение этих фракций в составе легкой фракции плотностью менее 1400 кг/м3 (Y i 35/Yi,35-i,4) - изменяется от 0,49 до 2,29; содержание фракции плотностью менее 1350 кг/м во фракции легче 1400 кг/м меняется от 32,8% до 69,6%.
В зависимости от соотношения содержания фракций Y i,35/Yi,35-i,4 в рядовом угле по показателям выхода и зольности концентрата флотации практически прослеживается три зоны поведения углей: при Y 135 Y, З5.м (соотношение Y Us/Y 1,35-1,4 от 0,5 до 1,1); при Y UJ Y,,35-1,4(Y I,35/YI,35-I,4 в пределах от 1,1 до 1,7); при Y 35 Y ,35-1.4 (Y i,35/Yi,35-i,4 в пределах от 1,7 до 2,2). Возможно, это является результатом смешения 2-х типов (групп) углей, различающихся природой мацералов, которые варьируются по своему химическому составу и физическим свойствам. В таблице 36 приведены основные показатели, соответствующие группам витринитовых мацералов, имеющих различную плотность. Как видим деление по плотности 1350 кг/м3 выявляет различия 2-х групп по содержанию углерода и атомным отношениям Н/С, О/С, N/C. С увеличением плотности теряются ароматические группы ОН, СООН, СНз, что несомненно приводит к изменению поверхностных свойств и тем самым к различию по флотируемости входящих в состав угля мацералов. Условное деление поступающего на обогащения рядового угля по признаку соотношения количества фракций легче 1350 и 1300-1400 кг/м3 показало, что корреляция выхода флотационного концентрата наиболее явно проявляется с выходом фракции менее 1350кг/м , при выделении 2-х типов шихты: 1 - уголь, в котором содержание фракции легче 1350кг/м в легкой фракции менее 1400кг/м3 составляет до 55%; 2 - содержание фракции легче 1350кг/м3 во фракции менее 1400кг/м3- более 55% (рис. 19.).
