Аналитическая W a
Различают четыре вида влажности:
Внешняя (поверхностная),
Капиллярная,
Коллоидная,
Кристаллогидратная.
Влажность рабочей массы топлива, %:
W ° = W внеш + W кап + W колл + W гидр.
Внешняя – влага, которая задерживается на поверхности частиц топлива. Поступает на поверхность кусков из грунтовых вод и с атмосферными осадками. Зависит от способности поверхности к смачиванию. Возрастает с уменьшением размера частиц, составляя W внеш = 3-5%.
Капиллярная – влага, которая содержится в капиллярах (тонких каналах и полостях кусков). Это основная составляющая влажности твердого топлива, снижающаяся с возрастанием геологического возраста. При этом ввиду снижения пористости частиц (объема капилляров) капиллярная влажность уменьшается. Для торфа W кап = 35%, для каменных углей - W кап < 10%.
Коллоидная – влага, которая в виде мельчайших коллоидных частиц (10 - 10 м) адсорбируется органической массой топлива. Зависит от химической структуры и состава топлива. С повышением геологического возраста (с увеличением степени углефикации) коллоидная влажность снижается, так как топливо теряет способность удерживать коллоидные частицы из-за их старения.
Кристаллогидратная – влага, входящая в кристаллическую структуру топлива и связанная с ее минеральной частью. Она входит в состав:
Силикатов Al 2 O 3 ×2SiO 2 ×2H 2 O; Fe 2 O 3 ×2SiO 2 ×H 2 O,
Сульфатов CaSO 4 ×2H 2 O; MgSO 4 ×2H 2 O.
Особенности гидратной влаги:
а) очень низкое содержание (< 0,1%);
б) не зависит от условий хранения;
в) увеличивается с повышением зольности топлива;
г) при сушке до 110º С сохраняется в топливе;
д) исключается только при t > 600° С в результате разрушения кристаллогидратов.
Влажность твердого топлива оценивается по убыли массы навески (1 ± 0,1 г), выдерживаемой 30-60 мин в сушильном шкафу при 102 - 105° С.
Отрицательное влияние влажности топлива на работу парового котла:
2. плохо зажигается и медленно горит;
3. снижается полнота сгорания;
4. повышается расход теплоты на сушку;
5. снижается сыпучесть частиц;
6. происходит смерзание кусков в штабелях;
7. подвергаются коррозии системы пылеприготовления.
Зольность топлива – это характеристика, обуславливающая содержание минеральных примесей в топливе.
Минеральные примеси – неорганические (негорючие) соединения, содержащиеся в топливе для сжигания:
1. Глина (алюмосиликаты) Al 2 O 3 × 2SiO 2 ×2H 2 O;
2. Кремнезем 2SiO 2 (основная часть песка);
3. Сульфаты CaSO 4 , MgSO 4 , FeSO 4 ;
4. Карбонаты CaCO 3 , MgCO 3 , FeCO 3 ;
5. Окислы железа FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ;
6. Сульфиды FeS 2 , CaS 2 .
По происхождению минеральные примеси делятся:
На первичные – содержатся в исходных растениях, из которых сформировалось топливо;
Вторичные – попали в топливо извне (через трещины пластов с почвенными водами);
Третичными – попали в топливо при добыче, транспортировке, хранении.
С увеличением геологического возраста топлива и повышением вероятности разбавления органической массы минеральными примесями зольность топлива возрастает.
Ориентировочный состав золы:
SiO 2 = 30 – 60%; Al 2 O 3 = 10 – 40%; Fe 2 O 3 = 5 – 20%;
CaO = 5 – 20%; K 2 O + Na 2 O + P 2 O 5 = 1 – 5%.
Образующиеся в топке негорючие остатки делятся на шлак и золу.
Температурные характеристики золы определяют экспериментально путем постепенного нагрева образца золы , сформированного в виде трехгранной пирамидки. При нагреве в электропечи фиксируют температуры, соответствующие трем степеням деформации образца.
t 1 – температура начала деформации (оплавление вершины) при 1000 - 1200º С,
t 2 – температура размягчения (1100 - 1400º С),
t 3 – температура жидкоплавкого состояния, соответствующая началу расткания по поверхности при 1200 - 1500º С,
t 0 - температура истинно жидкого состояния, при котором имеет место нормальное течение расплавленного шлака вдоль вертикальной стенки (t 0 = t 3 + 50 - 150º С).
t 3 < 1350º C – легкоплавкая зола,
Если t 3 = 1350 -1450º С – зола средней плавкости,
t 3 > 1450º С – тугоплавкая зола.
В топках с жидким шлакоудалением в случае пониженной нагрузки котла даже непродолжительное снижение температуры в нижней части факела t < t 3 может привести к застыванию шлака и ухудшению его удаления. При этом целесообразно сжигание углей, имеющих длинные шлаки.
Температурные характеристики t 1, t 2, t 3 надо знать:
Для правильного выбора топочного режима, чтобы золовые частицы были в твердом виде и не прилипали к трубам фестона и пароперегревателя).
Выбора системы шлакоудаления (вывод шлака из топки в твердом или жидком виде).
Отрицательное влияние зольности топлива на работу парового котла:
1. повышается расход сжигаемого топлива;
2. снижается полнота сгорания;
3. загрязняются поверхности нагрева, что ухудшает теплопередачу и повышает потерю теплоты с уходящими газами;
4. изнашиваются трубы поверхностей нагрева золовыми частицами;
5. повышается нагрузка на оборудование систем шлако- и золоудаления.
ЗОЛЬНОСТЬ (а. ash соntent; н. Aschegehalt, Aschehaltigkeit; ф. teneur en cendres; и. соntenido de cenizas) — отношение массы негорючего остатка (Золы), полученной после выжигания горючей части топлива, к массе исходного топлива. Обозначается символом А (латинской) и выражается в процентах. Для практических целей значение зольности, определённое по аналитической пробе (Aa), обычно пересчитывается на cyxoe Ad или рабочее Ar состояние топлива. Для всех типов твёрдых топлив зольность — один из основных нормируемых показателей характеристики и оценки их качества, используемый при разработке технических условий, потребительских стандартов, кондиций и при подсчёте запасов. Повышение зольности снижает тепловой эффект сжигания топлив, удорожает (как балласт) стоимость их транспортировки, отрицательно отражается на технологии процессов переработки и качестве получаемых продуктов ( , и др.).
Золообразующие компоненты, химически связанные с органическим веществом углей или дисперсно в нём рассеянные (внутренняя зола), а также образующиеся за счёт содержащихся в углях неорганических включений и засоряющих (при добыче) вмещающих пород (внешняя зола), при термической переработке имеют различную летучесть и претерпевают неодинаковые изменения. Поэтому условия определения зольности и химического состава золы стандартизированы. Зольность углей за счёт внутренней золы (так называемой материнской) обычно колеблется в пределах 1-15%, но при тонкодисперсном распределении неорганического материала достигает десятков процентов с постепенным переходом углей в углистые породы (с Ad 60%). При обычном обогащении углей эта зола не удаляется. Зольность за счёт внешней золы зависит от внутреннего строения угольных пластов и технологии их ; подавляющая часть минеральных примесей, образующих внешнюю золу, может быть удалена при .
Зольность нормируется государственными стандартами. Наиболее высокий допустимый предел зольности рядовых углей, отсевов, штыбов , промпродукта и шламов обогащения установлен для условий пылевидного сжигания (Ad 45%, экибастузских углей — 53%). Для слоевого сжигания используются угли с Ad не более 37,5%, для коксования — необогащённые спекающиеся угли и концентраты обогащения с Ad до 10,6% (угольных месторождений Кавказа — до 13,8%). Предельная зольность углей для коксования, направляемых на обогащение для различных бассейнов, 25-36%. Зольность горючих сланцев колеблется в широких пределах (Ad 48-72%). Для условий потребления горючих сланцев зольность не нормируется; основным показателем качества служит удельная теплота их сгорания, на величине которой отражается зольность. Зольность торфа зависит от геологических условий его образования и различна для разных типов и видов торфа. По содержанию золы различают малозольные (менее 5%), среднезольные (5-10%) и высокозольные (более 10%) торфы.
В зольность углей и горючих сланцев определяется озолением навески испытуемого топлива в муфельной печи и прокаливанием зольного остатка при t 800-830°С, для ускоренного озоления горючих сланцев — при t 850-875°С (ГОСТ 11022-75). Зольность углей определяется также рентгенометрическим методом — по параметрам ионизирующего излучения после взаимодействия с углём (ГОСТ 11055-78).
Рядовой уголь после добычи представляется топливом с определенной исходной энергией, содержащим, как «чистое топливо», так и не горючие элементы, включающие внешнюю породу, внутреннюю зольность и воду. Не горючие элементы можно интерпретировать, как разбавляющие элементы, уменьшающими энергию «чистого топлива», содержащуюся в единице массы. Когда идет горение, порода и внутренние не горючие составляющие угля переходят в золу. Присутствующее в угле значимое содержание серы и ртути при сжигании является причиной возникновения экологических проблем, а также проблем в эксплуатации и ремонте топок электростанций и котельных.
Процесс обогащения угля, который основан на использовании различных физических сил, изменяет характеристики рядового угля в направлении, наиболее соответствующем требованиям рынка. В мире наблюдается тенденция, когда потребители угля для энергетических целей ужесточают требования к производителям угля по уменьшению влаги угля, его зольности и снижению содержания серы. Так, существуют Правительственные программы по снижению зольности добываемых углей, что предполагает не только значительное повышение калорийности топлива, но и позволяет решить экологические проблемы, связанные с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду более чем в 2 раза.
Обогащение угля снижает зольность и значительно увеличивает отдаваемую мощность станции, уменьшает вредные выбросы в окружающую среду. Качество сжигаемого угля влияет на мощность станции, а химический состав золы – на эксплуатационные параметры топки.
Размер частиц, содержание влаги, наличие глинистого материала может влиять на калориметрические характеристики угля, особенно когда требуется измельчение угля до крупности, достаточной для применения в топках пылевидного факельного и циклонного сжигания. В топках со слоевым сжиганием или в топках кипящего слоя требования к крупности менее критичны. В топках пылевого сжигания, дробленый уголь подается питателем в распылитель. Уголь, высушенный и измельченный до крупности менее 0,074 мм, подается в распылитель, который и доставляет тонкие частицы в топку для сжигания. Увеличение влаги угля отрицательно сказывается на работе распылителя.
Величина зольности в угле и химический состав угля являются ключевым фактором формирования расплава и отложений в топке, сужения конвекционного прохода и перегрева секций в топке. Эти отложения препятствуют передаче тепла и выводу золы из топки. Когда массивные отложения накапливаются, они могут привести к необходимости остановки работы топки, из-за того что зола может также закупорить проходы для горячего воздуха. Минеральное вещество в угле уменьшает величину калорийности топлива, является причиной эрозии труб и воздуховодов топки, формирования отложений на трубах, превышения выбросов SO2 и, в итоге, увеличивает стоимость произведенной энергии, включающей затраты для складирования золы и скрубберного осадка. Минеральное вещество может присутствовать в угле в виде тонких диссоциированных частиц, как разделенные углем прослойки породы, или более в общем, как отдельные частицы породы из кровли или подошвы, попадающие в уголь при добыче. Различные формы негорючего компонента: глинистый сланец, песчаник, глина и пирит являются основными породообразующими элементами в угле.
Высокая зольность угля имеет непропорционально неблагоприятное влияние на теплотворную способность угля. На рис. 1 показан типичный график зависимости низшей теплоты сгорания угля от зольности.
Аналитическое уравнение зависимости для класса 25х100 мм:
Qн = 6858,42 – 79,41 * Ad, (1)
Из уравнения следует, что на 1% зольности приходится 79,41 ккал/кг.
Аналитическое уравнение зависимости для мелкого класса 1х25 мм:
Qн = 6811,48 – 79,20 * Ad, (2)
Из этого уравнения следует, что на 1% зольности приходится 79,20 ккал/кг.
Увеличение влаги угля влияет на калорийность также как и увеличение зольности, уменьшает его значение. Получено уравнение, для угля марки «Л» разреза «Виноградовский» (КТЭК, Кузбасс), связывающее зольность и влагу:
Qн = 7262,5 – 63,16*Ad – 73,08*Wr (3)
Например, требуемую низшую теплоту сгорания концентрата в 6000 ккал/кг мы сможем получить, при зольности на сухую массу Ad = 4,9% и рабочей влаге Wr = 13,0%.
Из уравнения видно, что на 1% зольности приходится 63,16 ккал/кг, а на 1% влаги – 73,08 ккал/кг, что несколько выше, чем для зольности. При горении угля происходит образование крупных частиц золы внизу топки, а тонкие зольные частицы вылетают в трубу. Обычно распределение происходит в пропорции около 20% вниз и 80% вверх. Удаление золы и ее размещение приводит к значительному увеличению стоимости производства энергии из угля. Улавливание ртути после сгорания угля требует специального места для складирования ртути с пылевидной золой и активации углерода для захвата ртути из дымоходных газов. Без последующего разделения летучей золы и активного углерода, летучая зола из таких процессов не будет пригодна для использования в цементе и бетоне.
В топке также наблюдается отрицательное явление, названное шлакованием, которое включает процесс расплавления золы и смешение расплава с частицами не расплавленной золы в нижней секции топки, включая и конвекционный проход, который не защищен от лучистого тепла.
Химический состав золы угля влияет на процесс шлакования. Имеются различные модели для предсказания процесса шлакования золы, но ключевые параметры качества угля включают, химический состав золы, температуру плавления и зольность топлива. Деление суммы основных компонентов (CaO, MgO, Fe2O3, Na2O, K2O) на сумму кислых компонентов (Si02, Al2O3, TiO2) золы, определяет величину, так называемого основно-кислотного отношения. Это отношение, так же как и индекс основности (I0) для коксующихся углей, широко применяется в модели для шлакования и включается в формулу вычисления фактора шлакования, который для восточных углей США определяется по эмпирической формуле:
Rs = (Fe2O3+ CaO + MgO +Na2O+ K2O)*S/(SiO2 + Al2O3 + TiO2), (4)
Rs = (Fe2O3 1,50 + CaO + MgO +Na2O + K2O)/(SiO2 + Al2O3 + TiO2) (5).
Величина Rs 2,6 к сверхвысокой степени шлакуемости.
При низком содержании серы в углях уравнение может не соответствовать действительности, так как, например, западные угли США имеют типично большие содержания кальция и натрия и меньше железа и серы чем в восточных углях. Модель предлагает для западных бурых углей с составом золы, когда CaO + MgO> Fe2O3 следующее уравнение:
Rs = (HT+4* DT)/5
где HT – температура образования полусферы, С°, DT – температура размягчения, С°.
Так, величина Rs, равная 1340 °С и более, соответствует низкой степени шлакуемости, 1230-1340 °С средней степени шлакуемости, 1150-1230 °С высокой степени и ниже 1150 °С – очень высокой степени шлакуемости.
Применение восстановительной или окислительной газовой среды в методе определения плавкости золы моделирует поведение углей при сжигании в промышленных агрегатах: при слоевом сжигании в зоне образования шлака создается восстановительная среда, а при пылевидном сжигании в условиях избытка воздуха – окислительная среда. В окислительной среде процесс плавления протекает при температурах выше на 70-90 °С, чем в восстановительной среде, что объясняется свойствами соединений железа. Так, в восстановительной среде образуются легкоплавкие эвтектики закисных форм железа с алюмосиликатами, а в окислительной – тугоплавкие гематитные формы железа. Химический состав и температура плавкости золы позволяет определить эффективный способ сжигания и удаления шлаков.
Специалисты АЕР (Электроэнергетической Организации Америки) развивают графический метод для предсказания процесса шлакования золы в топке. Эта процедура предполагает, что процесс шлакования является функцией количества золы в топливе, химического состава золы и температуры размягчения золы. Определено, что в больших топках уголь имеет низкий потенциал шлакуемости, а в маленьких или высокотемпературных топках зола имеет потенциал высокой шлакуемости.
Уменьшение зольности топлива ослабляет шлакуемость.
Обогащение угля часто уменьшает кальций и алюминий в золе концентрата, и обогащение иногда уменьшает температуру размягчения; однако в другом случае обогащение может существенно увеличить температуру размягчения золы. Даже когда обогащение уменьшает температуру размягчения, уменьшение золы в процессе обогащения угля, как показано в работе АЕР, может привести к значительному улучшению в шлаковании золы данного угля.
Загрязняющие отложения связаны с химией их образования при формировании отложений при нагреве паровых труб. Эти отложения приводят к коррозии труб и ухудшают прохождение газа через топку, поднимая нагрузку вентилятора и снижению мощности топки. Уменьшается открытое пространство между трубами для конвективного прохода. Загрязняющие отложения трудно удаляются. Отложения, в общем, связаны с содержание натрия в золе угля, но отложения могут быть также связаны с оксидами калия в золе и величиной зольности угля.
На модели для отложений в случае, если в золе наблюдается следующее отношение оксидов CaO + MgO
Rf = (Fe2O3+ CaO + MgO +Na2O+ K2O)* Na2O/(SiO2 + Al2O3 + TiO2).
Когда результат вычисления Rf ниже 0,2, зола относится к низкой степени склонности к отложениям, в пределах 0,2-0,5 средней степени склонности к отложениям, в пределах 0,5-1,0 относится к высокой склонности к отложениям и выше 1,0 относится к сверхвысокой склонности к отложениям. Этот фактор может также быть вычислен также по формуле:
Rf = (Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)* (Na2O+ К2O)/(SiO2 + AI2O3 + T1O2), учитывающей суммарное содержание оксидов Na2O и К2O.
Для бурых углей фактор отложений определяется как:
Rf = Na2O % в золе угля.
Испытания бурых углей, что содержание в золе угля натрия оказывает сильное влияние на образование отложений в топке. Фактически испытание показало потенциальное увеличение отложений при увеличении золы в топливе, и что топливо с высоким содержанием натрия и высокой золой создавало много эксплуатационных проблем.
Обогащение уменьшает зольность в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании угля с высоким содержанием натрия.
Это связано также с тем, что, возможно, влага обогащенного угля уменьшает содержание натрия в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании углей с высоким содержанием натрия. Влага не только уменьшает энергию сжигания единицы массы угля, но также уменьшает эффективность станции, за счет увеличения износа топок и уменьшает выходную мощность станции. Высокая влага в углях оказывает отрицательное влияние на тепловые характеристики угля, скорость нагрева воды и эффективность тепло- и электростанций. Высокая влага топлива может уменьшить производительность распылителя топлива в топках, уменьшить теплоотдачу, из-за потерь энергии на испарение воды в топливе при горении.
Дополнительная вода увеличивает массу газа счет парообразования в топке и увеличивает мощность вентиляторов. Увеличение электрической мощности внутреннего потребления, создаваемой высокой влагой угля, уменьшает эффективность станции. Затраты на очистку топок, пылеуловителей и скрубберов от золы также повышают себестоимость электроэнергии. Повышенная влага топлива может расширять эффект эрозии труб и материала топок за счет увеличения скорости газа в топке и трубах. Чрезмерное парообразование в топке уменьшает отдачу тепла и увеличивает фактические тепловые потери.
Наиболее ключевые выбросы на тепло- и электростанциях, сжигающих уголь, включают твердую пыль, SO2, ртуть, NOx и CO2. Выбросы могут быть уменьшены благодаря обогащению угля и снижению влаги. Обогащение угля удаляет золу, серу и ртуть из угля. Уменьшение влаги топлива, особенно важно при высокой влаге угля, улучшает эффективность станций и увеличивает выход продаваемой мощности.
Сокращение выбросов NOx и CO2 определяется контролем их образования в топке и расходом воздуха – топливной смесью. Очевидно, что сжигание качественного топлива в топке и контроль расхода воздуха на стадиях сжигания способствует снижению выбросов NOx. Если качество топлива широко изменяется, а расход воздуха не соответствует оптимальной смеси топлива, то наблюдается повышенные выбросы NOx, а при недостаточном сжигании и высокие потери углерода.
Высокое содержание NOx в выбросах топок связано с химией золы, особенно к содержанием пирита, и может иметь результатом проблемы забивания топок. Обогащение угля удаляет пирит из топлива и может уменьшать отложения, связанные с содержанием NOx. АЕР контролирует выбросы ртути на станциях США и будет требовать существенного снижения содержания ртути в выбросах в будущем. Не смотря на применение сорбентов, требуемых для улавливания ртути, эти технологии для захвата ртути.
Обогащение добытого рядового угля, предназначенного для энергетических целей, позволяет:
- Значительно снизить его зольность и получить концентраты существенно большей теплотворной способностью при сжигании, повышая эффективность работы тепло- и электростанций.
- Сократить транспортные расходы на перевозку топлива.
- Снизить содержание серы, NOx, CO2 и ртути в атмосферных выбросах, тем самым уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.
- Уменьшить объем таких отрицательных процессов, как шлакование и отложения в топках, на трубах и газоходах, и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты.
Добываемый в Украине уголь характеризуется высокой зольностью, поэтому не может напрямую использоваться ни в энергетической, ни в коксохимической отраслях. Свыше 90% добываемого угля перерабатывается на обогатительных фабриках. Однако многие угледобывающие предприятия находятся далеко от фабрик. Для обогащения угля непосредственно на шахтах располагаются поверхностно-технологические комплексы. О новых технологиях, призванных повысить эффективность работы поверхностных комплексов, рассказала заместитель директора "УкрНИИуглеобогащение" Людмила Морозова в ходе конференции "Перспективы развития угольной промышленности".
В 2010 г. в Украине было добыто 75.1 млн т рядового угля, зольность которого составила 39.9%. Из этого объема на углеобогатительных фабриках переработано 69.1 млн т, или 92%. Выпуск товарной продукции составил 41.676 млн т, в т.ч. для энергетики - 24.699 млн т (зольность - 19.9%), коксования - 16.976 млн т (9.0%). Без обогащения отгружено 6 млн т угля с зольностью 33.8%.
В нынешнем году зольность добываемого угля практически не снизилась, и по итогам 8 мес. составила в среднем 39.7% . За январь-август 2011 г. в Украине было добыто 55.06 млн т рядового угля, в т.ч. предприятиями Минэнергоугля - 25.53 млн т (зольность - 39.9%).
"Естественно, уголь с такой зольностью не может быть напрямую использован ни энергетикой, ни, тем более, коксохимической промышленностью. По требованиям энергетиков зольность угля не должна превышать 27%, коксохимиков - 8.4%. Поэтому в основном весь уголь подвергается переработке на обогатительных фабриках", - отметила Л.Морозова.
По словам Л.Морозовой, повышенная зольность угля негативно влияет на финансовое состояние угледобывающих предприятий: растут непроизводственные транспортные затраты на перевозки от шахты к фабрике, снижается выпуск товарной продукции обогащения, сокращаются объемы реализации угольной продукции.
Некоторые обогатительные фабрики расположены достаточно далеко от шахт. Из 87 шахт, добывающих энергетический уголь в Украине, только 35 находятся вблизи обогатительных фабрик и технологически с ними связаны. Из 23 шахт, добывающих уголь для коксования, только 4 шахты связаны конвейерным трактом с действующими ОФ. Поэтому непосредственно на шахтах размещаются поверхностно-технологические комплексы для обогащения угля.
По словам Л.Морозовой, на этих комплексах работает около 5.4 тыс человек, из них 2 тыс заняты породовыборкой и углевыборкой. Каждый породовыборщик за смену удаляет около 1.8 т породы, однако за счет этого зольность угля снижается всего лишь на 0.8%.
"Для улучшения качества угля необходимо повысить эффективность работы поверхностно-технологических комплексов", - подчеркнула Л.Морозова. С этой целью институтом "УкрНИИуглеобогащение" разработаны новые технологические схемы, которые могут применяться на разных шахтах - в зависимости от гранулометрического состава углей, распределения породных фракций по классам крупности, механической прочности и обогатимости углей.
Если угли содержат незначительное количество сростков уголь-порода, достаточно механизированной ручной выборки породы на ленточном конвейере с перекидным шибером, управляемым дистанционно с поста оператора. Более совершенной является созданная институтом "УкрНИИуглеобогащение" породовыборочная машина, которая находится на стадии опытного образца. При существенных отличиях механической прочности угля и породы рациональнее применять метод избирательного дробления с помощью устройства для удаления породных примесей и посторонних предметов (УПП-50).
Для углей легкой и средней обогатимости, имеющих влажность не выше 6-7%, можно использовать сухой метод обогащения с применением пневматических сепараторов. При этом зольность угля доводится до уровня товарной продукции. Для углей с большей влажностью необходимо применять технологию отсадки. Для углей трудной и очень трудной обогатимости предлагаются тяжелосредные сепараторы.
Институтом "УкрНИИуглеобогащение" определены шахты, где целесообразно применение тех или иных технологий снижения зольности угля, рассчитаны затраты на их внедрение и ожидаемый технологический и экономический эффект.
Так, установка механизированной выборки породы предлагается к использованию на шахтах "Булавинская", "Ольховатская", "Полтавская" (ГП "Орджоникидзеуголь"), "Фащевская" (ГП "Луганскуголь"), "Карбонит", "Горская" (ГП "Первомайскуголь"), "Крепинская" (ГП "Антрацит"), "Харьковская" (ГП "Свердловантрацит"), имеющих суммарный объем добычи 1465 тыс т. При внедрении технологии будет достигнуто снижение зольности добываемого угля на 3-5%, увеличение реализационной стоимости товарного угля на 27 млн грн, снижение эксплуатационных затрат на 2.2 млн грн, сокращение транспортных расходов на 1 млн грн. Ожидаемый экономический эффект - 29.4 млн грн.
Технология избирательного дробления на установке УПП-50 может применяться на шахтах "Октябрьский Рудник" (ГП "ДУЭК"), "Енакиевская" (ГП "Орджоникидзеуголь"), "Золотое", "Тошковская" (ГП "Первомайскуголь"), им. Капустина, "Привольнянская", "Новодружевская" (ОАО "Лисичанскуголь"), "Шахта "Надежда" (ГП "Львовуголь"), где имеются существенные отличия в механической прочности угля и породы. Использование УПП-50 позволит снизить зольность рядового угля на 3-5%, отказаться от ручной выборки породы, уменьшить эксплуатационные расходы на 3.4 млн грн, транспортные расходы - на 1.96 млн грн. Улучшение качества конечной продукции обеспечит увеличение ее реализационной стоимости суммарно на 14.2 млн грн. За вычетом капитальных затрат, расчетный экономический эффект в целом по группе указанных шахт составит 17.61 млн грн.
Пневматическая сепарация предлагается для шахт "Холодная Балка", "Бутовская" (ГП "Макеевуголь"), "Вергилевская", "им. XIX съезда КПСС" (ГП "Луганскуголь"), "Хрустальская" (ГП "Донбассантрацит"), "Енакиевская", "Булавинская", "Полтавская" (ГП "Орджоникидзеуголь"), "Алмазная" (ООО "ДТЭК Добропольеуголь") для углей класса крупности 6-13 мм, 6-50 мм. При зольности рядового угля 48.5% возможно ее снижение на 21% и получение концентрата с зольностью 27.5%. Затраты на внедрение установок оцениваются в 138 млн грн, ожидаемый суммарный экономический эффект - 136.6 млн грн.
Тяжелосредные сепараторы могут применяться на шахтах "Алмазная", "Новодонецкая" (ООО "ДТЭК Добропольеуголь"), "Заря" (ГП "Снежноеантрацит") с общим объемом добычи 1510 тыс т в год. Предполагается получить 1072 тыс т товарной продукции (выход 71%), зольность рядового угля снизится на 13.6%. Реализационная стоимость обогащенной угольной продукции увеличится на 81.1 млн грн. Транспортные расходы на перевозку угля от шахты до обогатительной фабрики снизятся на 18.9 млн грн в год.
Малооперационная установка УВЕВ-150М для обогащения угля в отсадочных машинах обеспечивает получение сортового топлива. Эта установка предлагается для использования на шахтах "Коммунарская" (ш/у "Донбасс"), им.Кирова (ГП "Макеевуголь"), "№1/3 Новогродовская" (ГП "Селидовуголь"), "Краснокутская" (ГП "Донбассантрацит"), "им. Мельникова" (ОАО "Лисичанскуголь"). Производительность обогатительной установки УВЕВ-150М - 150 т/ч. При зольности исходного угля 30-52%, зольность товарной продукции составит 25.0%, влажность товарной продукции - не более 9.0%, зольность отходов - 80.0%. Капитальные затраты на внедрение установки оцениваются в 29.9 млн грн. При суммарном годовом объеме добычи рядового угля 2046 тыс т ожидается повышение реализационной стоимости на 130.0 млн грн, снижение транспортных расходов на 37.4 млн грн. Срок окупаемости капитальных затрат составит 2.3 года.
Предлагаемые технологии снижения зольности угля на поверхности шахт
| Вариант технологии | Параметры и условия применения |
| 1. Механизированная выборка породы из угля класса крупности +100 мм или +50 мм на ленточном конвейере с перекидным шибером, управляемым дистанционно с поста оператора. | Производительность по классу крупности +50 мм - до 15 т/ч, по классу +100 мм - до 12-15 т/ч, по классу крупности +100 мм - до 12 т/ч. Скорость ленты конвейера - 0.4 м/сек. Отсутствие сростков уголь-порода. Достаточное рабочее освещение. Изготавливается по индивидуальному заказу. |
| 2. Механизированная выборка породы из угля класса крупности +100 мм с одновременным отсевом класса крупности 0-100 мм - с применением породовыборочной машины МПВ конструкции ГП "УкрНИИуглеобогащение". | Наличие надрешетных продуктов +100 мм в питании - до 15% выхода. Машина МПВ находится на стадии опытного образца. |
| 3. Избирательное дробление класса крупности +100 (+50) мм с одновременным отсевом класса крупности 0-100 (0-50) мм на устройстве УПП-50 в комплексе с просеивающим модулем МОМ или без него. | Достаточная контрастность механической прочности угля и породы. Производительность по рядовому углю - до 500 т/ч. УПП-50 может применяться как на поверхности шахт, так и в комплексе углеобогатительной фабрики. |
| 4. Избирательное дробление класса крупности +100 (+50) мм с одновременным отсевом мелкого класса крупности в барабанном грохоте-дробилке БГД (зарубежный аналог - дробилка "Брэдфорд"). | Контрастность механической прочности уголь-порода. Производительность по рядовому углю - до 400 т/ч. Применение на поверхностном комплексе шахт и на обогатительных фабриках - равноценное. |
| 5. Углеобогатительная установка (индивидуальная) с обогащением методом отсадки угля класса крупности 0.5-50 мм и флотацией шлама для коксования. | Производительность по исходному углю - не менее 600 тыс т в год (до 120 т/ч) с возможным повышением до 1000 тыс т (до 200 т/ч). Для угля легкой и средней обогащенности. |
| 6. Углеобогатительная установка (индивидуальная) с обогащением угля класса крупности 0.5-25 (50) мм с измельчением до 0-25 (50) мм в тяжелосредных гидроциклонах с магнетитовой суспензией и флотацией шлама для коксования. | Производительность по исходному углю - не менее 600 тыс т в год (до 120 т/час) с возможным повышением до 1000 тыс т (до 200 т/ч). Для угля трудной и очень трудной обогатимости. |
Введение к работе
Актуальность темы. Поддержание экономически елесообразных соотношений между показателями качества обываемых углей и требованиями к ним потребителей является дной из ключевых технических задач современной іеханизированной угледобычи. К числу основных показателей ачества, оказывающих существенное влияние на издержки роизводства и конкурентоспособность угольной продукции, тносится зольность добытой горной массы. Увеличение зольности обываемого угля приводит к росту затрат на обогащение и ранспортирование горной массы.
Основным направлением в преодолении различий в ольности добытых и отгружаемых потребителю углей является овершенствование способов их обогащения с использованием геханической породовыборки или обогатительных фабрик.
Проблема повышения качества добываемого угля и нижения издержек производства является актуальной для шахт)АО "Воркутауголь", отрабатывающих пласты в сложных горно-еологических условиях, характеризующихся большой глубиной едения горных работ, наличием зон с ложной и неустойчивой ровлями, значительными по размерам участками с руднообрушаемой основной кровлей, мелкоамгшитудной изъюнктивной и пликативной нарушенностью.
Практически все шахты Воркуты, в их числе и:ерспективные ("Воркутинская", "Заполярная", "Северная" и Комсомольская"), работают по временным технологическим хемам с совместным транспортированием угля и породы из клонных полей второй и третьей ступеней. Зольность угля, обываемого перспективными шахтами, по данным статистического чета составляет 37-48%, что в 2.5-3.0 раза превышает реднепластовую зольность разрабатываемых пластов и в 1.7-2.3 аза зольность отгружаемой потребителю угольной продукции.
Затраты на обогащение 1 т горной массы в условия Воркуты достигают 30 тыс. руб в ценах 1997 г. Затраты н подземный транспорт из-за засорения угля возрастают на 40-48%.
Значительная зольность добываемого угля является одной и основных причин увеличения издержек производства и снижени конкурентоспособности шахт ОАО "Воркутауголь" на рынка угольной продукции.
Цель работы. Обоснование технологических схем угольны шахт, обеспечивающих снижение зольности горной массь выдаваемой из шахты.
Задачи исследований:
Изучение основных природных факторов и условие
предопределяющих засорение добытых углей при разработк
запасов придонной части мульды на шахтах Воркутског
месторождения;
исследование влияния технологических схем и параметро выемочных участков на показатели качества угля;
анализ известных способов снижения зольности угля очистных забоях и технологической сети шахт и оценк целесообразности их применения в условиях шахт ОА("Воркутауголь";
разработка рекомендаций и предложений по техническом совершенствованию типовых технологических модулей и звенье подземного комплекса угольных шахт,"обеспечивающих снижение: усреднение зольности горной массы, выдаваемой из шахты.
Основная идея работы. Параметры технологических схеї угольных шахт необходимо определять с учетом закономерноете: формирования зольности горной массы в очистном забое различных звеньях подземной транспортной сети.
Методы исследований. При проведении исследованиі использован комплексный метод исследований, включающи; анализ и обобщение данных о влиянии горно-геологических j горнотехнических факторов на показатели качества угля; шахтны исследования динамики грузопотоков на различных этапах и формирования; математическое моделирование горнотехнически
итуаций. Данные шахтных исследований случайных процессов брабатывались с использованием методов математической гатистики и теории вероятности. Защищаемые положения:
1. За счет совершенствования фактически сложившихся
зхнологических схем зольность горной массы, выдаваемой на
оверхность перспективными шахтами ОАО "Воркутауголь", может
ыть снижена на 25-30%, в том числе: за счет повышения
ффективности управления кровлей в лавах на 10-12%; за счет
одернизации подземных транспортных сетей шахт на 15-18%.
[ижние границы снижения зольности горной массы определяются
олевым участием пластов в добыче и пластовой зольностью,
реднестатистические величины которой для пластов Мощный,
ройной и Четвертый составляет соответственно 13-14%, 12-18% и
0-22%.
2. Принципиальным требованием при разработке
ероприятий по повышению качества добываемого угля следует
читать отказ от присечки пород ложной кровли очистными
омбайнами. Задачу поддержания ложной кровли необходимо
ешать на основе технических и организационных мероприятий,
ключающих оставление временных защитных пачек угля у кровли
азрабатываемого пласта с последующим обрушением этих пачек на
авный конвейер после выполнения ими своих функций.
3. На действующих горизонтах шахт, характеризующихся
евозможностью быстрого изменения ранее принятых
ространственно-планировочных решений по подготовке и
фаботке пластов, существенное снижение зольности добываемого
гля может быть достигнуто путем модернизации транспортных
зтей шахт на основе временных и стационарных накопительных
ункеров, обеспечивающих селективно-порционное разделение угля
пород, поступающих из лав, проходческих забоев и мест ведения емонтно-восстановительных работ.
Достоверность научных положений, выводов и екомендаций обеспечивается большим объемом шахтных сследований, проведенных для широкого диапазона горно-
геологических и горнотехнических условий; удовлетворительно сходимостью фактических и прогнозируемых показателей зольност горной массы в различных звеньях транспортной сети шахть апробацией основных результатов исследований производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлены характер и степень влияния горш геологических и технических факторов на нижние границ снижения зольности горной массы в различных звенья технологической схемы шахты.
Предложена физическая модель процесса формирования последующего управляемого скалывания на лавный конвейе предохранительной угольной пачки, оставляемой дг предотвращения обрушений пород "ложной" кровли в зоне выемк пласта.
Практическая значимость работы:
Сформулированы принципы компоновки сетей ПОДЗЄМНОІ
транспорта на основе временных и стационарных бункеро!
обеспечивающих снижение зольности горной массы;
предложен и обоснован эффективный вариаь модернизации схемы подземного транспорта шахты "Северная" целью адаптирования ее к селективно-порционному раздельное транспортированию угля и породы;
доказано преимущество технологических схем ведет очистных работ с удержанием или самообрушением ложной кровл по сравнению с применяемой на шахтах ОАО "Воркутауголі технологией совместной выемки комбайном угольного пласта пород ложной кровли;
установлены средние численные значения приращени зольности горной массы в различных звеньях технологически схемы шахты дифференцированно по источникам поступления.
Реализация результатов исследований.
Разработанные пр
проведении исследований практические рекомендації
использованы при модернизации технологических схем шахт ОА "Воркутауголь", а также в качестве методической базы пр
оделировании подземных грузопотоков в условиях одготавливаемых горизонтов. Установленные зависимости широко спользуются в учебном процессе при подготовке специалистов эрного профиля.
Апробация работы. Основные результаты исследований эклады вались и получили положительную оценку на технических эветах в ОАО "Воркутауголь", на ежегодных конференциях олодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" }