Контрольные вопросы к главе 6

1. На какие категории подразделяются полезные ископаемые с точки зрения качества?

2. Какие полезные ископаемые входят в первую категорию по качеству?

3. Какие полезные ископаемые входят во вторую категорию по качеству?

4. Какие полезные ископаемые входят в третью категорию по качеству?

5. На каких принципах основана оценка качества минерального сырья?

6. По какому принципу производится оценка комплексных руд?

7. Как классифицируются попутные полезные ископаемые и попутные полезные компоненты?

8. Приведите примеры оценки качества металлических полезных ископаемых?

9. Приведите примеры оценки качества неметаллических полезных ископаемых?

10. Что понимается под технологическими свойствами минерального сырья?

11. На чем могут быть основаны процессы первичной переработки минерального сырья?

12. Каковы показатели обогащения минерального сырья?

13. Перечислите основные процессы обогащения минерального сырья.

14. На чем основано гравитационное обогащение минерального сырья?

15. На чем основано магнитное обогащение минерального сырья?

16. На чем основано флотационное обогащение минерального сырья?

17. На чем основана гидрометаллургия?

18. На чем основана пирометаллургия?

19. Для чего применяется ручная разборка минерального сырья?

7. Качество угольной продукции

7.1 Определение качества углей и их обогащение

Ископаемый уголь – твердая осадочная порода, образовавшаяся преимущественно из отмерших растений в результате их биохимических, физико-химических и физических изменений.

Основные компоненты угля: органическое вещество – носитель его горючих и других технологических свойств; минеральные включения и влага. В соответствии с характером исходного минерала выделяют группы углей:

– гумолиты – продукты отмирания высших растений;

– сапропелиты – продукты отмирания низших растений и зоопланктона;

– сапрогумолиты – переходные смешанные группы.

Органическое вещество углей представлено комплексом сложных высокомолекулярных соединений со сложной структурой. В элементном составе преобладает углерод (табл. 7), подчиненное значение имеют кислород, водород, азот и органическая сера. Менее 1 % в сумме составляют: фосфор, соединения черных, цветных руд и металлов и другие компоненты. В результате углефикации, в элементном составе органического вещества доля С нарастает последовательно с одновременным снижением доли О₂ и Н, параллельно изменяются другие химические, физические и технологические свойства [12].

Таблица 7 Элементный состав углей на стадиях углефикации (в %)

Элемент	Древеси-на	Торф	Бурый уголь	Каменный уголь	Антрацит
Углерод	49,7	50–60	63–77	74–92	89–98
Кисло-род	43,2	31–40	16–28	2–17	до 1
Водород	6,2	4,5–6,5	4,0–6,3	3,7–5,9	2–3
Азот	0,9	0,8–2,9	0,7–1,4	1–2,5	до 1

В соответствии со степенью углефикации и с учетом параметров, установленных нормативно-технической документацией, ископаемые угли подразделяются на три основных вида: бурые, каменные и антрациты [7, 12].

Бурый уголь – низший член генетического ряда. Различают мягкие и плотные разновидности. Мягкие (более молодого возраста) – землистые, листоватые. Влажность – 60–40 %. Содержание углерода (С) – 63–71 %. Плотные угли – однородные полосчатые, для них характерна экзо- и эндотрещиноватость. Влажность – 40–17%. Содержание С – 71–77 %. Блеск матовый. Все бурые угли на воздухе быстро теряют свободную влагу, при сгорании дают длинное коптящее пламя. Теплота сгорания (Q) – 25–33,5 М/Дж/кг.

Каменный уголь – твердая плотная, преимущественно полосчатая, реже однородная, порода черного или серо-черного цвета, блеск матовый, блестящий. Содержание С – 74–92%, Влажность – 16 –4,6 %. Высшая удельная теплота сгорания сухого беззольного угля – 30,5–36,8 M/Дж/кг.

Органическое вещество среднеметаморфизованных углей определенного состава (без доступа воздуха) переходит в пластическое состояние с последующим образованием связанного, нелетучего остатка. Это свойство – основа использования коксовых углей в коксохимическом производстве.

Антрацит – наиболее углефицированная (содержание углерода в органическом веществе 89–98 %) разновидность ископаемого угля. Плотная порода серовато-черного цвета с ярким металловидным блеском. Влажность – менее 4 %, Q – 33,5–35,2 % М/Дж/кг. Широк диапазон использования антрацитов в промышленности, так как для них характерна – высокая электропроводность, низкая реакционная способность к окислению, стойкость к истиранию (твердость = 4 по шкале Мооса), а также к агрессивным средам.

Гранулометрический состав – количественная характеристика угля по размеру кусков – нормируется для всех направлений использования.

Разделение угля по крупности производится путем его сортировки (грохочения) на ситах с соответствующими размерами. Выделяют следующие классы (сорта) углей: плитный (П) – крупностью более 300 мм; крупный (К) – 50–300 мм; орех (О) – 25–50 мм; мелкий (М) – 13–25 мм; семечко (С) – 6–13 мм и штыб (Ш) – менее 6 мм. Верхний предел крупности плитного класса 300 мм распространяется только на уголь, добытый открытым способом.

Механическая прочность – способность угля сохранять размеры кусков при ударах и истирании. Изучается для углей, предназначенных к использованию для газификации, для получения термоантрацитов, в электродном и литейном производствах, а также для сжигания в топках судов речного флота. Определяется путем разрушения углей во вращающихся (большом или малом) барабанах в соответствии с установленными стандартом условиями. Показатель (индекс) механической прочности – остаток (в %) массы кусков определенной крупности от массы испытуемой пробы, после испытания дробимости угля во вращающемся барабане.

Термическая прочность (стойкость) – механическая прочность угля в кусках после термической обработки – изучается для углей, предназначенных для сжигания в топках транспортных средств, для полукоксования, гидрирования и получения линейных электродных термоантрацитов. Устанавливается путем нагревания пробы угля (антрацита) в муфеле при t = 900+25⁰ С, испытания в барабане на дробимость, и последующего определения содержания классов по крупности кусков. Показатель (индекс) термической стойкости – выход класса более 13 мм в % от массы пробы.

Электрические свойства. На низких стадиях метаморфизма угли можно сравнить с диэлектриками, на средних – с полупроводниками, на высоких (антрациты) – с проводниками. Удельное электрическое сопротивление (p, Ом · м) колеблется в пределах: бурых углей 10–200, каменных 10²–10⁶, антрацитов – 10^-3– 10. Этот показатель нормируется для антрацитов, используемых в производстве термоантрацита.

Плотность угля. В естественном состоянии и извлеченный на поверхность уголь разбит обычно трещинами и включает поры различной формы и размеров. Объем пор и трещин единицы массы или объема угля, представленных порами и трещинами, сообщающимися с внешней средой, называют открытой, а не сообщающимися с внешней средой закрытой пористостью. Различают плотности: действительную (d_r) – отношение массы угля к его объему за вычетом объема пор и трещин, и кажущуюся (d_a) – отношение массы угля к его объему, включая объем пор и трещин.

Действительную плотность определяют пикнометрическим методом, кажущуюся – взвешиванием в воде и в воздухе запарафированных (покрытых влагонепроницаемой пленкой) кусков угля. Действительная плотность отражает генетические особенности угля, в процессе метаморфизма действительная плотность вначале снижается за счет уменьшения в органическом веществе содержания кислорода и достигает минимума в среднеметаморфизованных (коксовых) углях, а затем последовательно нарастает в высокометаморфизованных каменных углях и в антрацитах за счет уплотнения их молекулярной структуры.

Действительная плотность может незначительно увеличиваться (на сотые процента) при увеличении содержания золы, серы и минеральных примесей (особенно пирита). Кажущаяся плотность угля всегда ниже его действительной плотности. Различия в их величинах максимальные для мягких бурых углей (0,3–0,7 % г/см³) и минимальные (0,1 г/см³) для антрацитов. Кажущаяся плотность – один из основных параметров подсчета запасов углей в недрах и учета размеров его добычи. При добыче уголь образует сыпучую массу из крупных и мелких кусков и мелочи, которая характеризуется насыпной плотностью – отношением массы свеженасыпанного угля к его объему, определяемому в соответствующих емкостях – вагонетках, железнодорожных вагонах и т.д.

Влажность угля – Добытый уголь теряет на воздухе свободную влагу, находящуюся на внешней поверхности кусков и зерен. Это поверхностная влага, влага смачивания. При высушивании она теряется и оставшаяся влага, присущая химической природе углей, называется максимальной влагоемкостью – W_max.

В соответствии с принятыми методами анализов в углях определяется:

W_ex – внешняя влага, удаляемая при доведении угля до воздушно-сухого состояния W_h;

W_h – влага воздушно-сухого угля, остающаяся в углях после его доведения до воздушно сухого состояния.

Внешняя влага – свободная влага на внешних поверхностях кусков и зерен угля, а также удерживаемая капиллярными силами в порах. Ее повышение до 5 % и более обуславливает смерзаемость углей, слеживаемость его в бункерах, слипание угольной мелочи. Определяется при подсушивании углей до температуры 40⁰ С (для бурых углей) и 50⁰ С (для каменных углей) в сушильных шкафах.

Влага воздушно-сухого угля представлена, в основном, адсорбционно-связанной водой и характеризует пористость и гидрофильные свойства поверхности частиц угля. Определяется путем просушивания пробы угля до t = 105–110⁰ С. Значения ее снижаются от 10–13 % в мягких бурых углях до 6–10 % в плотных бурых, до 5 % в слабометаморфизованных углях, до 1–1,5 % в средне- и сильнометаморфизованных углях и вновь возрастают до 3–5 % в антрацитах

Суммарная величина внешней и воздушно-сухой влаги – составляет общую влагу углей (W_t) (табл. 8). Вода, содержащаяся в органическом веществе угля и в кристаллической решетке неорганических минералов не удаляется при температурах, в пределах которых определяется общая влага и ее составляющие. Эта вода удаляется при процессах термического разложения углей (например, при коксовании) и учитывается как пирогенетическая W_sk и гидратная W_М влаги. Содержание W_М в углях в пределах 3–18 %.

Таблица 8

Виды влаги в углях

Связь с углем	Виды влаги	Определяемые показатели
Внешние поверхности кусков и зерен	Влага смачивания
Трещины и поры	Общая: Свободная и связная	Wrt (Wmax)	Wex
			Wh
Минеральные примеси	Гидратная	WM
Органическое вещество	Пирогенетическая	Wsk

Общая влага в расчете на рабочее состояние угля W_t^r один из основных показателей его качества. Массовая доля ее снижается с повышением степени метаморфизма углей: от 60 % и более в мягких бурых углях; от 40 до 17 % в плотных бурых углях; от 16 до 3–5 % в каменных; в антрацитах она колеблется в пределах 4–6 %. Повышенная влажность углей снижает тепловой эффект их сжигания, удорожает (как балласт) стоимость транспортировки, осложняет технологию подготовки к использованию и процессы переработки.

Мягкие бурые угли (с увеличением W) подвергаются брикетированию с последующим просушиванием, причем брикетирование производится без связующих веществ. Предварительно угли дробятся до крупности 0–6 мм и подсушиваются до оптимальной влажности 15–20 %, прессуются под давлением 100–250 МПа.

Брикеты обычно имеют форму параллепипеда и вес 300–600 г. Используются для коммунально-бытовых нужд или для полукоксования. Брикетируются и отходы обогащения каменных углей и антрацитовый штыб. Брикетирование производится с добавкой связующих веществ (каменноугольный пек, нефтяные битумы и др.) при давлениях 20–80 Мпа, после додрабливания до крупности 0–6 мм и подсушки до влажности 2–4 %. Брикеты обычно имеют форму кирпича и вес 1–5 кг. Качество брикетов (механическая прочность, водоустойчивость, самовозгораемость, удельная теплота сгорания) регламентировано ГОСТами.

Зольность (А) – отношение (в %) массы неорганического остатка (золы), получаемой при полном сгорании угля, к единице массы исследованной пробы угля. Обычно определяют зольность на сухое (А^d), реже на рабочее (А^r) состояние углей. Зольность определяется при прокаливании до t = 815 +15 ⁰С.

Различают внутреннюю и внешнюю золы. Внутренняя («материнская») зола образуется за счет неорганических компонентов, связанных с органической массой угля. Зольность (А^d) наиболее чистых разностей углей колеблется (в %): – донецких 1,2 – 7,5; кузнецких 1,9 – 5,9; карагандинских 3,4 – 9,2; кизеловских 5 – 5,6, при повышенном тонкодисперсном распределении минеральных примесей в органическом веществе «материнская» зольность может достигать нескольких десятков процентов.

Внешняя зола образуется за счет содержащихся в угле минеральных включений, а также внутрипластовых и вмещающих пород, засоряющих уголь при добыче.

Состав и свойства золы. Основные компоненты – оксиды Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, подчиненное значение имеют оксиды Ti, P, Mn. По составу различают кремнистые (SiO₂ – 40 – 70 %), глиноземные (Al₂O₃ – 30 – 40 %), железистые (Fe₂O₃ > 20 %) и известковистые (СаО 20 – 40 %) золы.

Повышенное содержание в золах глинистых компонентов затрудняет сжигание углей. Повышенное содержание натриевых минералов (кроме Na-силикатов) в золе приводит к шлакованию поверхности нагрева, уменьшению t⁰, получаемых при горении газов, корродированнию арматуры топок и котлов. Повышенное содержание в составе золы СаО приводит к изменчивости плавкости зол и осложняет технологию золоулавливания и золоудаления. Si и Al в составе золы переходят в кокс, что приводит к дополнительной подаче флюсов.

Состав зол, их плавкость и другие технологические свойства – вязкость в жидкоплавком состоянии, шлакуемость и шлакующая способность, дисперсность и абразивность влияют на процессы сжигания и переработки углей, а также на возможность использования зол в производстве стройматериалов или для извлечения из них ценных компонентов.

Выход летучих веществ. При нагревании угля без доступа воздуха органическая его масса разлагается с образованием газо- и парообразующих продуктов (летучих веществ) и твердого нелетучего остатка. Масса (или объем) летучих продуктов, выражаемая в % по отношению к единице массы испытуемого угля в определенных стандартом условиях (t⁰_{нагрева} = 850 +10⁰С в течении 7 мин.), называется выходом летучих веществ (V).

Состав летучих продуктов: первичный деготь (из бурых углей) или каменноугольная смола (из каменных), газы – CO, CO₂, H₂, CH₄, легкие углеводороды и их производные, вода. Выход летучих веществ зависит от петрографических свойств углей, степени восстановленности органической части и доли минеральной части. Разложение минералов сопровождается дополнительным образованием сернистых газов, СО₂ и Н₂О.

Выход летучих веществ в пересчете на сухое, беззольное (V^daf) состояние угля используется как один из основных параметров промышленной классификации каменных углей, характеризующих их свойства и строение. Наиболее богаты летучими компонентами – сапропелиты.

Теплота сгорания – важнейшая характеристика, используемая для сопоставления теплотехнических свойств углей различных месторождений, марок между собой и с другими видами топлива, а также как классификационный показатель слабометаморфизованных и окисленных углей.

Определение теплоты сгорания производится замером количества тепла, выделяемого единицей массы угля при полном сгорании его в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода в установленных стандартом условиях. Соответствующими пересчетами теплоты сгорания, определенной по бомбе, получают значения высшей теплоты сгорания Q_S с исключением тепла, полученного за счет кислотообразования, и низшей теплоты сгорания Q_i с дополнительным исключением тепла, полученного за счет испарения воды. Высшая теплота сгорания, пересчитанная на сухое беззольное состояние угля Q_S^daf, характеризует природный тип угля, степень его углефикации, вещественный состав. Низшая теплота сгорания рабочей массы угля Q_i^r выражает количество тепла, которое с учетом балласта (влаги и золы) может быть практически реализовано при сжигании.

Теплота сгорания горючей массы (Q) зависит главным образом от его элементного состава, определяемого, в свою очередь, вещественным составом и степенью метаморфизма (36000 – 36000 кДж/кг для Ж, К, ОС по Кузбассу).

Спекаемость – это свойство угля переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с образованием связанного нелетучего остатка (спекающая способность). При нагреве углей определенного свойства и определенной степени углефикации до температуры > 300 ⁰С без доступа воздуха из них выделяются паро-газовые и жидкие продукты. Часть этих продуктов удаляется из зоны реакции, оставшаяся – образует совместно с твердыми продуктами пластическую или вязкотекучую массу. При t⁰ 500 – 550 ⁰С эта масса затвердевает, образуется спекшийся твердый остаток – полукокс. При дальнейшем увеличении t⁰ (до 1000⁰С и более) в полукоксе снижается содержание O₂, H₂, S, последовательно возрастает содержание С, происходит структурно-молекулярная перестройка органического вещества с упорядочением расположения углеродных слоев. Полукокс переходит в твердый углеродистый продукт – кокс.

Спекаемостью обладают каменные угли II – V стадий метаморфизма, определенного петрографического состава. Носители спекаемости – мацералы групп витринита и липтинита. Спекаемость угля – основа переработки его для получения кокса. В некоторых процессах использования угля (газификация, получение синтетического топлива, производство адсорбентов и др.) она является отрицательным фактором и поэтому изучается для всех каменных углей. Оценка спекаемости производится путем изучения характера нелетучего остатка, получаемого из угля после отгонки летучих веществ (пластометрический метод Л.М. Сапожникова – ГОСТ 1186 – 87). Метод заключается в испытании угля в пластометрическом аппарате, в котором создаются условия, сходные с условиями промышленного коксования. По результатам испытаний определяются: толщина пластичного слоя у, в мм, характеризующая спекаемость угля, – максимальное расстояние между поверхностями раздела: уголь – пластическая масса – полукокс (обычно от 10 до 40 мм); характеристика нелетучего остатка (трещиноватость, пористость, блеск, цвет и т.д.). Если у менее 6 мм, спекаемость не определяется.

Коксуемость – это свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Изучается в лабораторных и полупромышленных условиях, с помощью прямых и косвенных методов.

Обогащение – это обработка добываемого угля для повышения содержания в нем горючей массы путем удаления негорючих компонентов. Различают трех- и двух продуктовое обогащение [12].

В первом случае получают 3 продукта:

– концентрат, в котором содержание горючей массы более высокие, чем в исходном питании – угле, поступающем на обогащение;

– промежуточный продукт – смесь органо-минеральных частиц и сростков угля и породы;

– отходы (хвосты обогащения) с содержанием негорючих компонентов более высоким, чем в исходном и промежуточном продукте.

Побочный продукт обогащения – шлак (уголь, крупностью менее 0,5 мм) скапливается в водах углеобогатительных фабриках. При двух продуктовом обогащении промежуточный продукт не получают.

Перед обогащением угли подвергаются предварительному дроблению и классификации – разделению на классы крупности. Уголь, выделенный из рядового и не подвергающийся обогащению, называется отсевом.

Методы обогащения углей: гравитационный, флотационный, электрический, магнитный центробежный, химический.

Гравитационное обогащение основано на различии плотностей разделяемых компонентов – угля, сростков, породы. Осуществляется разделением обогащаемого угля в вертикальном пульсирующем потоке воды, воздуха (отсадка) либо в тяжелых жидкостях или суспензиях.

Флотация угля основана на различии смачиваемости частиц, обработанных флотационными реагентами, всплывании и накоплении их на поверхности пульпы. При введении в пульпу воздуха накопление частиц на ее поверхности происходит в виде трехфазной пены (пенная флотация). Разновидность этого способа – вакуумная флотация, при которой воздух, необходимый для осуществления процесса, выделяется из пульпы в результате перепада давления. При введении в пульпу масла флотируемые частицы накапливаются на ее поверхности в виде крупных агрегатов (масляная флотация).

Электрический и магнитный способы обогащения осуществляются соответственно в электрическом или магнитном поле и основаны на различии электрических (магнитных) свойств разделяемых компонентов.

Химическое обогащение основано на удалении из угля негорючих компонентов химическими способами.

Дополнительные операции при обогащении – обесшламливание, обеспыливание углей, осветление оборотной воды, обезвоживание и сушка частиц угля, усреднение качества продуктов обогащения.

Основные показатели обогащения:

– глубина обогащения – степень чистоты продуктов обогащения по заданным показателям качества;

– предел обогащения – наименьший и наибольший размеры частиц угля, эффективно обогащаемых в обогатительной машине;

– выход продуктов обогащения по отношению к исходной массе (в том числе по фракциям);

– потери ценных компонентов, теряемые с отходами обогащения;

– эффективность обогащения – отношение фактического показателя обогащения к теоретически достижимому.

При обогащении углей необходимо учитывать экономическую эффективность работы угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий – доходность, прибыльность, уровень рентабельности, среднюю оптовую цену за уголь и себестоимость.

Обогатимость угля – это способность к разделению на продукты обогащения по заданным показателям качества. Для каменных углей и антрацитов она исследуется путем обработки результатов фракционного анализа проб (ГОСТ 4790 – 80) – расслоения угля различных классов по крупности кусков на фракции в жидкостях различной плотности (1300 – 2100 кг/м³) и определения выходов и показателей качества полученных фракций.

Фракции группируются по плотности (кг/м³) каменных углей: в концентрате (с A^d до 10 %) до 1500, в промежуточном продукте – свыше 1500 до 1800, в породе – выше 1800; в антрацитах, соответственно, до 1800, 1800–2000, и > 2000. Показатель обогатимости (T, %) рассчитывается:

, (27)

где - выход промежуточного продукта, %;

- выход фракций породы, %.

В зависимости от значения показателя обогащения определяется его категория Т (в %): до 5 – 1-ая (легкая), 5–10 – 2-я (средняя), более 10 до 15 – 3-я (трудная), свыше 15 – 4-я (очень трудная).