Подготовка углей к коксованию

Обогащение углей перед коксованием

Обогащением называется процесс удаления из углей минеральных примесей. Эти примеси удаляются в виде породы (хвосты), практически не содержащей угольного вещества и промежуточного продукта (промпродукт), который представляет собой минерализованную часть угля и трудноразделимые сростки угля с породой. В промпродукте может содержаться до 30 % угольного вещества и его можно использовать в качестве топлива. Обогащенная часть угля называется концентратом. Следует указать, что наименование угля, как сырьевого продукта в технике меняется по мере прохождения им ряда операций по подготовке.

Так, уголь, добытый на угольном предприятии, называется рядовым, этот же уголь, расклассифицированный по крупности, называется грохоченным, а подвергшийся обогащению — обогащенным.

В настоящее время отечественная коксохимическая промышленность перерабатывает практически только обогащенные угли, но зольность их разная — от 7 до 14 %. Содержание минеральных веществ в рядовом угле чрезвычайно различно. Практически можно обогатить уголь до содержания в нем 1 % минеральных веществ. Но зольность в идущем на коксование угле зависит от его обогатимости, поскольку с породой и промпродуктом в отвал уходит значительная часть угля.

Обогатимостъ - это оценка возможной степени полноты разделения компонентов полезных ископаемых при обогащении. Обогатимость углей гоняется от легкой до очень трудной. Легкообогатимый уголь дает до 90 % концентрата, т.е. из каждой тонны угля, добытого в шахте, пойдет на коксование 900 кг этого угля с определенной заданной зольностью. В то же время труднообогатимый уголь может дать, например, 50 % концентрата и зольность его может быть выше, то есть на коксование из тонны добытого угля пойдет только 500 кг и зольность кокса будет выше.

Поскольку обогащение процесс очень дорогой, уровень зольности в угле, идущем на коксование, определяется в каждом отдельном случае, исходя из соображений экономической эффективности получения необходимого количества концентрата (для получения необходимого количества кокса) оптимальной зольности.

Обогащение осуществляется на обогатительных фабриках, расположенных при отдельных шахтах (ОФ), на центральных обогатительных фабриках, где обогащается уголь одной или нескольких марок, поступающих с разных шахт (ЦОФ), а также непосредственно на ОФ в составе коксохимзавода.

Обогащение углей основано на различии физико-химических свойств органической массы угля и минеральных составляющих. Для обогащения углей практически всегда применяют два метода обогащения: гравитационный и флотационный.

Гравитационный метод основан на различии плотности зерен угля и минеральных примесей. При этом процесс разделения материала происходит в определенной среде движущегося потока жидкости или воздуха. Жидкостью чаще всего является вода или вода с примесью каких-либо веществ. То есть, может быть сухое (пневматическое) и мокрое обогащение. Самые распространенные гравитационные методы обогащения углей — это промывка их в пульсирующем (восходящем и нисходящем) потоках воды (отсадка), промывка угля в тяжелой жидкости (вода с добавлением вещества, повышающего ее удельную плотность) промывка в струе воды, текущей по наклонной плоскости (моечный желоб), промывка угля водой в циклоне (гидроциклон).

Пневматическое обогащение осуществляется в воздушной, непрерывно и прерывно восходящей струе.

Флотационные методы обогащения основаны на различной смачиваемости угля и породы водой и органическими жидкостями. Угольное вещество плохо смачивается водой, а минеральные вещества (порода) хорошо. Органические жидкости хорошо смачивают уголь и породу. Флотация очень дорогой процесс, поэтому этим методом обогащают только мелкие классы угля (менее 0, 5 — 1, 0 мм), и то тогда, когда зольность этих классов выше 14 %.

Из общего количества обогащаемых углей отсадкой обогащают свыше 50 %, в тяжелых средах — около 25 %, флотацией — около 10 %, пневматикой — до 9 % и другими способами — 6 %.

Основным рабочим аппаратом обогащения отсадкой является отсадочная машина, которая состоит из камеры, разделенной перегородкой на два сообщающихся отделения: рабочее и поршневое. В рабочем отделении установлено решето, на котором происходит расслоение зерен угля и породы в движущемся вверх-вниз потоке воды. Восходящие и нисходящие струи воды в рабочем отделении образуются при поступательно-возвратном движении поршня или действия сжатого воздуха в поршневом отделении. В потоке воды происходит разделение угля, его легкие зерна с меньшим содержанием минеральных составляющих концентрируются в верхних слоях и уходят с водой, а тяжелые породные частицы накапливаются на решетке. Процесс идет непрерывно. Производительность отсадочной машины определяется по исходному углю и достигает 500 — 550 т в час.

Все большее значение в настоящее время приобретает обогащение углей в тяжелых средах, в особенности труднообогатимых углей.

Тяжелой средой называется водная суспензия, т.е. взвесь какого-либо тонкоизмельченного материала — утяжелителя (песок, глина, магнезит и др.) в воде. Плотность такой тяжелой жидкости является промежуточной между плотностями разделяемых компонентов обогащаемого материала.

Обогащение углей крупных классов (не более 300 мм) производится в сепараторах — аппаратах, состоящих из ванны, заполненной тяжелой жидкостью, и устройства для удаления всплывшей части угля — концентрата и затонувшей минерализованной, т.е. породы или промпродукта.

Для обогащения сравнительно мелких классов углей (25 —1, 0; 1, 0 — 0, 5 мм) в тяжелых жидкостях применяют гидроциклон. С каждым годом в силу развития и совершенствования механических методов добычи углей возрастает количество мелких классов в рядовых углях. Классы крупностью менее 0, 5 мм можно обогатить только флотацией.

Во флотационную машину поступает пульпа, представляющая смесь воды и мелких классов угля. В пульпу вводят воздух и флотореагент, создающий условия, при которых образующиеся в пульпе пузырьки воздуха не разрушаются. Гидрофобные (не смачивающиеся водой) частицы угля прилипают к пузырькам и выносятся на поверхность пульпы, образуя пену, которая снимается с поверхности пульпы специальным устройством — пеноснимателем.

Минеральные частицы хорошо смачиваются водой, не прилипают к пузырькам воздуха, поэтому они тонут на дно машины, откуда непрерывно выводятся. В качестве флотореагентов используют продукты переработки нефти, древесины и др.

Для флотации углей применяют машины разнообразных конструкций, однако основные операции при флотации углей одинаковы и заключаются в следующем: угольные частицы перемешиваются с водой и реагентами, пульпа насыщается воздухом (аэрация), к пузырькам прилипают угольные частицы, всплывающие на поверхность пульпы и образующие пену, которая непрерывно снимается с поверхности. Неофлотировавшаяся часть пульпы также непрерывно удаляется из машины. При флотации углей наибольшее распространение получили механические флотационные машины, снабженные устройством — вращающимся импеллером для перемешивания пульпы и ее аэрации.

На обогатительной фабрике процесс обогащения состоит из подготовительных, основных и вспомогательных технологических операций. Подготовительные операции предшествуют процессу обогащения, к ним относятся: прием угля, предварительное дробление, классификация по крупности (грохочение), обеспыливание (дешламация), т. е. выделение из угля частиц менее 0, 5 — 1, 0 мм.

Основные операции — собственно процесс обогащения с получением продуктов: концентрата, промпродукта и породы.

Вспомогательные операции: обезвоживание и сушка концентрата, сгущение шламовых вод (воды, которыми промывали уголь, содержащие некоторое количество тончайших классов угля) и их осветление, дозирование продуктов обогащения, транспортирование и складирование продуктов обогащения.

Обогащению могут подвергаться как отдельные угли, так и угольные смеси, в том числе готовая шихта для коксования. Спекающие свойства углей после обогащения улучшаются.

В связи с большими объемами обогащаемого угля, особое значение приобретают использование отходов обогащения — промпродукта и породы. Промпродукт сжигается на электростанциях, порода частично используется как строительный, дорожный материалы и сырье для приготовления вяжущих веществ.

Основные схемы подготовки углей на коксохимическом производстве

Углеподготовительный цех коксохимического производства должен выполнять следующие необходимые операции по подготовке углей к коксованию: разгрузку и складирование углей, при необходимости их обогащение, усреднение углей, составление угольных шихт, дробление и измельчение, смешивание углей и обеспечение угольной шихтой коксовых печей.

Все эти операции осуществляются в определенной последовательности в специальных устройствах. Последовательность операций определяют схему углеподготовки, которая в свою очередь определяется местоположением отделения окончательного измельчения углей.

В отечественной коксохимической промышленности работают следующие основные схемы подготовки шихты (рис. 2).

Схема ДШ (дробление шихты) (рис. 2а). По этой схеме, составленная в дозировочном отделении смесь углей — шихта подается в дробильное отделение для окончательного измельчения и затем в угольную башню коксовых печей. При этой схеме прием углей не связан с окончательным измельчением, схема высокопроизводительна, но у нее имеется значительный недостаток. Все компоненты шихты дробятся вместе и поэтому твердые недоизмельчаются, а мягкие переизмельчаются.

Схема ДК (дробление компонентов, рис. 26). При этой схеме каждый компонент шихты сначала подвергается окончательному измельчению, потом компоненты дозируются и составляются шихты, после этого шихта перемешивается.

Производными этой схемы являются схемы ГДК (групповое дробление компонентов — рис. 2г), когда для окончательного дробления объединяются в группу близкие по прочности угли, например Ж и КЖ или ДЦК (дифференцированное дробление компонентов (рис. 2в), когда отдельно дробится один, наиболее прочный уголь - Г или Т.

Рис. 2. Основные схемы подготовки углей для коксования

а- схема ДШ; б- схема ДК; в- схема ДДК; г- схема ГДК.

1- дозировочный бункер; 2- дробилка; 3- смесительное устройство.

Эти схемы обеспечивают оптимальный режим дробления каждого компонента, но имеют и недостатки. Во-первых, окончательное измельчение связано с углеприемом, а значит, менее производительно, во-вторых, необходимо дополнительное отделение по смешиванию шихты.

Большие перспективы имеет схема ИД (избирательное дробление). При подготовке углей по этой схеме от составленной из принятых на завод углей шихты вначале отсеивается весь класс крупности 0 — 3 мм, а крупный уголь идет на окончательное измельчение, причем крупные классы все время отсеиваются и возвращаются в цикл дробления.

Таким образом, в схеме ИД одновременно как соблюдается принцип " не дробить ничего лишнего", так и подвергаются дополнительному измельчению крупные, наиболее минерализованные классы, что положительно сказывается на качестве кокса.

2.4. Углеподготовительный цех коксохимического завода

Углеподготовительный цех современного коксохимического производства должен принимать и перерабатывать 10 — 20 тыс. углей в сутки, а с учетом неравномерности поставок и до 40 тыс. т, при этом число поставщиков (шахт, ОФ) достигает 15-20, а число марок углей (компонентов шихты) 5 или 6.

Участки приема углей, поступающих на завод, включают комплекс сооружений и оборудование для разгрузки угля из вагонов, его транспортирования и складирования.

Подавляющее количество прибывающих вагонов с углем разгружается на вагоноопрокидывателях — устройствах, обеспечивающих высыпание угля из открытого вагона путем его опрокидывания. Высыпающийся уголь поступает в углеприемные ямы, оборудованные питателями производительностью до 1000 т/ч. На некоторых заводах имеются разгрузочные ямы или эстакады вне вагоноопрокидывателя. На них разгружают неисправные " больные" вагоны или малые партии углей. В зимнее время уголь в вагонах может смерзаться. Поэтому углеподготовительные цехи имеют в своем составе специальные " гаражи размораживания" — помещения, в которых может размещаться до 20 железнодорожных вагонов, обогреваемые продуктами сгорания коксового газа.

После разгрузки уголь может передаваться непосредственно на производство или временно располагаться на угольном складе. Склады выполняют роль буферной вместимости между поставщиком и потребителем, для создания оперативного запаса, обеспечивающего непрерывную работу коксохимического производства. Чем дальше шахты-поставщики находятся от коксохимзавода, тем больше должна быть оперативная вместимость склада, которая может быть от 50000 до 300000 т угля (четырех-двадцатисуточный запас).

Эксплуатируются два вида угольных складов: открытые и закрытые. Открытые склады представляют собой площадки, где располагаются штабеля угля.

В каждом штабеле вместимостью 10 — 12 тыс. т. угля накапливается одна марка угля. Открытые склады оборудованы мостовыми перегружателями или грейферными кранами и специальными штабелерами.

Закрытый склад состоит из одного или двух рядов железобетонных бункеров цилиндрическо-конической формы с диаметром цилиндрической части 13 м, высотой 35 м, вместимостью 2500 т каждый. Применяют бункера других размеров и форм. Внутри бункера футерованы плиткой с гладкой поверхностью. Обычно вместимость закрытого угольного склада составляет 50000 т.

Кроме создания оперативного запаса угольный склад выполняет важнейшую роль по усреднению углей перед коксованием. Усреднение необходимая операция, обеспечивающая постоянство качества угольной шихты, а значит и постоянство качества кокса.

Основные показатели, по которым уголь относят к той или иной марке — выход летучих и толщина пластического слоя — неодинаковы не только для углей, добываемых на разных угольных предприятиях одного бассейна, но и по простиранию одного пласта, разрабатываемого одной шахтой.

На завод прибывают угли разных шахт и ОФ, представляющих одну марку углей. Качественные показатели: выход летучих веществ, зольность, влажность, сернистость, толщина пластического слоя у них различны. Поэтому угли, отнесенные к одной марке, необходимо смешать — усреднить, т. е. подравнять по качеству.

На открытом угольном складе усреднение углей осуществляется путем послойной укладки их в штабеля и заборе на производство вразрез уложенным слоям. В закрытых складах усреднение углей достигается за счет выдачи на сборный конвейер, расположенный внизу бункеров, угля одной и той же шахтогруппы из нескольких бункеров.

Для определения степени усреднения углей на складах пользуются коэффициентом усреднения К: К=675у_Ср- Среднеквадратичное отклонение какого-либо показателя (зольность, сернистость, выход летучих веществ, толщина пластического слоя) качества до и после усреднения, подсчитывается по формуле:

где о — показатель; X — среднеарифметическое значение показателей качества; п — число определений.

Чем больше К, тем лучше усреднение, при К = 1 усреднения нет. Усредненные угли каждой марки (технологической группы) подают в дозировочные силоса железобетонные бункеры цилиндрической формы вместимостью до 800 т. В нижней конической части силосов устанавливаются дозировочные устройства, дозирующие строго определенные количества каждого компонента угольной шихты. Закрытый угольный склад сам по себе является Дозировочным отделением, так как нижняя часть бункеров оборудована Дозирующими устройствами.

При подготовке углей по схеме ДШ дозируются неизмельченные компоненты. Точность дозирования несколько ниже, но уголь меньше зависает в бункерах. При подготовке углей по схеме ДК дозируются измельченные компоненты шихты. Точность дозирования выше, но уголь может зависать в бункерах. Для предотвращения зависания угля в бункерах (силосах) они оборудуются устройством для пневматического обрушивания углей. Угли дробят и измельчают в молотковых дробилках. Схема устройства молотковой дробилки представлена на рис. 3. Отсев мелких классов 3-0 мм в схеме подготовки угля ИД производится в отделителе (с кипящим слоем) (ОКС рис. 4).

Рис. 3. Молотковая дробилка

I- вал; 2- диск; 3- ось; 4- молоток; 5- загрузочное отверстие; 6, 7- дробильные плиты; 8- сито или колосниковая решетка; 9- рама; 10- эксцентриковый диск; II- затвор.

В аппарат подается нагретый воздух, и в восходящем потоке воздуха мелкие классы накапливаются в верхнем слое, избыток которого выводится из аппарата, а крупные тяжелые классы идут в молотковую дробилку и снова на рассев.

Важнейшим условием получения качественного кокса является тщательное смешение компонентов шихты. Степень смешения угольных шихт можно определить различными методами.

Правилами технической эксплуатации (ПТЭ—1985) коксохимических предприятий установлено, что степень равномерности качественных показателей угольной шихты должна характеризоваться коэффициентами равномерности: Каш — по золе, К_вш — по влажности, К_ш - по выходу летучих веществ, К_сш — по сернистости, К, _|ш — по помолу. Коэффициенты определяются за смену по среднечасовым пробам, за сутки — по среднесменным данным лаборатории. Коэффициент равномерности определяется по формуле К = (п-п₀)/п, где п ■ общее число анализов за соответствующий период, По — число анализов с отклонениями, превышающими: по зольности ±0, 5 %, по влажности ±1, 0 %; по рнистости _±(^ од о/₀. _{п0 ВЫХО}ду летучих веществ ±0, 7 %. Допустимые отклонения могут быть изменены только в сторону уменьшения в зависимости ₀т условий работы данного предприятия.

Дробление (уменьшение размеров частиц материала по крупности выше 5 мм) и измельчение (уменьшение размеров частиц материала до крупности меньше 5 мм) углей обязательное звено в технологии их подготовки к коксованию, так как при этом создаются условия для лучшего перемешивания и спекания компонентов шихты, различающихся по свойствам угольных зерен. Помол (уровень дробления) углей и шихт характеризуется содержанием в них материала класса крупности 0 — 3 мм (масс %). В качестве дополнительных по казателей используют содержание класса более 6 мм (содержание крупных классов) и класса 0-0, 5 мм (содержание пылевидных частиц).

Рис. 4. Принципиальная схема отделителя мелких классов угля с кипящим слоем:

1- отделитель; 2- скребковый транспортер; 3- переливные пороги; 4- калорифер; 5- вентилятор; 6- шлюзовый затвор; 7- воздухораспределительный клапан; 8- ресивер; 9-воздуховоды; 10 - воздухораспределительная решетка; 11- ведущие шестерни.

Показатель помола колеблется для разных коксохимических производств в широких пределах 70 - 80 % класса 0-3 мм, что связано с широким диапазоном свойств углей, применяемых для коксования, различными условиями их подготовки и коксования.

Очень важно правильно определить уровень дробления, поскольку эта стадия является самой дорогостоящей в процессе подготовки углей.

При повышении помола до определенного предела увеличивается прочность кокса, но одновременно снижается плотность насыпной массы угольной шихты, а значит и производительность коксовых печей. Чем тоньщ_е помол, тем в угле больше пыли, а значит, из-за запыленности ухудшаются условия труда на коксовых печах, при очень низком помоле не удается получить прочный кокс, поэтому обычно для каждой шихты определяют оптимальный уровень опытным путем.

Показано, что чем выше спекаемость шихты, тем ниже может быть уровень ее дробления. На заводах, работающих в основном на донецких углях, спекаемость которых выше, уровень дробления шихт ниже, чем на заводах Урала и Востока страны, где коксуются кузнецкие и карагандинские угли.

При равной спекаемости угольных шихт количество кокса в значительной степени зависит от свойств отдельных классов крупности шихты, которые, в основном, зависят от степени (глубины) обогащения углей.

При дроблении плохо обогашенных углей в крупных классах шихты концентрируются неспекающиеся и плохо спекающиеся частицы, являющиеся источниками местных напряжений и трещин в коксе. Отрицательное влияние этих частиц на качество кокса уменьшается лишь с увеличением помола, то есть чем больше в шихте минерализованных частиц угля, тем выше должна быть степень измельчения.

Важной характеристикой угольной шихты является плотность ее насыпной массы, чем она выше, тем больше загрузка коксовых печей и лучше условия спекаемости, так как частицы угля плотнее прилегают друг к другу. Плотность насыпной массы зависит от влажности и фракционного (по крупности) состава, то есть от помола.

Угольные шихты, которые коксуют на наших заводах, имеют влажность 7 — 10 %. При этой влажности угли наиболее пригодны для переработки, дробления, перемешивания, перегрузки, дозирования. Большая влажность приводит к налипанию углей на поверхность транспортирующих устройств в бункеров, а низкая — к чрезмерному пылевыделению, особенно на перегрузках.

Но следует иметь в виду, что при 7 — 10 % - ной влажности плотность насыпной массы шихты минимальна. Поэтому в настоящее время разработан метод термической подготовки угольной шихты перед коксованием, т. е. нагрев ее до 120 — 180 °С с последующей загрузкой в нагретом состоянии специальными устройствами в коксовые печи.

Плотность насыпной массы угля обратно пропорциональна степени измельчения. Чем тоньше помол, тем она меньше. Технические возможности современного цеха углеподготовки позволяют в значительных пределах регулировать качество угольной шихты.

Важной операцией при подготовке углей является извлечение посторонних предметов (металл, бетон, дерево), которые могут попадать в уголь при добыче и транспортировке (крепежные стойки, детали добычных и транспортирующих устройств). Попадание этих предметов на тракт может вызвать забивку желобов, порез транспортных лент, разрушение дробящих и измельчающих аппаратов Извлечение металла обычно производится электромагнитами, установленными на тракте конвейеров.