Надежда Павловна Соловеенкоa, Никита Михайлович Болотин
Институт земной коры СО РАН, г. Иркутск, Россия
ООО «Научно-производственная компания “Спирит”», г. Иркутск, Россия
Автор, ответственный за переписку: Соловеенко Надежда Павловна, snp@spirit-irk.ru

Резюме: целью работы являлся анализ современного состояния проблемы технологии обогащения угольных шламов углеобогатительных фабрик, сравнение результатов переработки шламов угольных гидроотвалов на различных видах обогатительного оборудования, а также определение рекомендаций по применению метода винтовой сепарации при обогащении угольных шламов. К основным методам проведенного исследования можно отнести обобщение и анализ научно-технической информации, изучение результатов технологических испытаний по винтовой сепарации. Проблема обогащения шламов актуальна в связи с увеличением содержания тонких классов в добываемых углях и, следовательно, в угольных шламах. В реальности большинство шламов представляет собой топливо для энергетики. В результате работы проведен анализ экспериментальной части исследований, установлена эффективность разделения угля от породной фракции с использованием технологии винтовой сепарации угольных шламов. Определена необходимость предварительной классификации исходного материала перед винтовой сепарацией. Выявлено, что винтовые шламовые сепараторы по сравнению с винтовыми минеральными сепараторами имеют ряд технологических преимуществ, обусловленных более широким диапазоном крупности обогащаемого материала. Анализ выполненных испытаний позволил установить перспективность применения технологии винтовой сепарации при переработке угольных шламов. Авторами даны рекомендации по использованию винтовых аппаратов ООО «Научно-производственная компания “Спирит”» для обогащения шламовых продуктов (текущие хвосты, шламовый продукт гидроотвала) производственного участка «Обогатительная фабрика» филиала «Разрез “Черемховуголь”» ООО «Компания “Востсибуголь”».

Ключевые слова: угольные шламы, практика технологии винтовой сепарации, винтовые сепараторы, винтовые шлюзы, вторичный угольный концентрат.

Финансирование: Работы выполнены в рамках комплексного научно-технического проекта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2022-1192 «Переработка хвостов угольных обогатительных фабрик с целью получения товарного угольного концентрата» при поддержке комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твердых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации № 1144-р от 11 мая 2022 г.

Введение

Повышение качества добываемого угля за счет удаления из него высокозольной угольной породы в отечественной практике и за рубежом осуществляется на обогатительных фабриках. Об этом пишут в своей статье В. В. Кочетов и другие: «Большинство из них имеют технологию, включающую предварительное разделение угля на машинные классы крупности более 13 мм, 0,5–13 мм и менее 0,5 мм и их раздельное обогащение с применением, соответственно, тяжелых сред (в магнетитовой суспензии), гидравлической отсадки и флотации. На отдельных фабриках для крупного класса также используются отсадочные машины, а на некоторых − отделение неклассифицированного угля крупностью до 100 мм. Фабрики, перерабатывающие угли для энергетики, используют либо тяжелые среды, либо отсадочные машины для класса крупности более 13 мм, где сухой отсев не обогащается [1]. Особую проблему всех углеобогатительных фабрик представляет обогащение шламов, к которым относят угольные и породные частицы крупностью менее 0,5–1 и даже 2 мм. Шламов крупностью менее 0,5 мм в зависимости от физико-механических свойств угля и вмещающих пород, а также технологии добычи в исходном угле содержится от 5 до 25 %, а в процессах мокрого обогащения дроблением, истиранием и размоканием их дополнительно образуется до 8 %. В итоге доля шламов с зольностью 35–45 %, подлежащих обогащению, составляет до трети от общей массы переработанного угля. Особенности таких гравитационных процессов сепарации, как тяжелые среды и отсадочные машины, не позволяют их эффективно употреблять для обогащения шламистого сырья. Для этих целей применяют тяжелосредные гидроциклоны, концентрационные столы, винтовые сепараторы (винтовые минеральные сепараторы), винтовые шлюзы (винтовые шламовые сепараторы) и другие устройства, использующие гравитационные принципы сепарации в сочетании с эффектами, возникающими при взаимодействии взвесенесущего потока с твердой поверхностью. Рациональный диапазон крупности для них – 0,2–3 мм [2, 3]. Для угольных шламов крупностью менее 0,5 мм пригодна пенная флотация, которая особенно чувствительна к верхнему пределу крупности. Если он превышает 0,5 мм, то подъемной силы воздушных пузырьков недостаточно для извлечения в пенный продукт гидрофобных угольных частиц и они остаются в камерном продукте флотации, то есть в отходах. Этим и обусловлен нижний предел машинного класса для отсадочных машин в типовой схеме обогащения угля, но, исходя из сепарационных возможностей процесса гидравлической отсадки, следует его увеличивать до 3 мм1,2» [4]. В результате переработки угля на обогатительных фабриках в хвостохранилищах (гидроотвалах) накапливаются текущие и отвальные шламовые отходы [4–6], представляющие собой техногенные образования, негативно влияющие на окружающую среду. Известно, что вовлечение в производство сырья техногенных образований позволяет решать проблемы ресурсосбережения, охраны недр, рационального недропользования и защиты окружающей среды, кроме того, это важная сторона экономики России [7]. По определению К. Н. Трубецкого, техногенными месторождениями являются техногенные образования, которые по количеству и качеству содержащегося минерального сырья пригодны для эффективного использования в сфере материального производства в настоящее время и в будущем. В связи с этим для угледобывающей отрасли весьма актуальными являются вопросы, связанные с использованием техногенного сырья, то есть уже накопленных минеральных образований на поверхности. Особое место среди таковых занимают хвостохранилища (гидроотвалы, шламоотстойники) углеобогатительных фабрик, которые относятся к первой группе техногенных месторождений углесодержащего сырья [8]. Использование отходов производства считается важной задачей угольной промышленности. Основными критериями выбора в пользу поиска путей для переработки отходов производств являются, безусловно, экологический и экономический. Только в случае превышения прогнозируемых доходов от использования техногенных ресурсов над затратами на разработку и внедрение технологических решений с учетом экологических преимуществ возможно ожидать крупномасштабного процесса рециклинга отходов. В связи с этим на первое место выдвигаются задачи разработки технологических решений и схем для переработки сложного техногенного ресурса [9]. Цель представленного исследования заключалась в анализе научно-технической информации о возможности обогащения угольных шламов по технологии винтовой сепарации, а также разработке рекомендаций по применению метода винтовой сепарации при обогащении угольных шламов. Материалы и методы исследования: в ходе работы авторами было проведено обобщение научно-технической информации, произведен ее анализ. Вещественный состав материала был изучен при помощи гранулометрического и минералогического анализов, химический состав определен атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой (АО «Иргиредмет»). Зольность топлива установлена методом ускоренного озоления (ООО «Инженерный центр “Иркутскэнерго”»). Результаты исследования и их обсуждение: при выборе рационального метода переработки материала гидроотвалов необходимо учитывать физико-химические свойства твердой фазы и определять его приоритетные зоны для переработки. Результаты ситового и фракционного анализов дают возможность прогнозировать способ и технологию процессов обогащения. Особенностями технологии переработки извлекаемого материала из гидроотвалов, в отличие от технологии, использующейся на обогатительных фабриках, является их высокая зольность, высокое содержание частиц менее 0,05 мм, колебания зольности и гранулометрического состава извлекаемого продукта. Разработкой рациональных технологических и технических решений для разрешения проблемы обогащения угольных шламов занимаются исследовательские институты и предприятия, а также специалисты обогатительных фабрик. Многими исследователями сделано заключение о том, что для угольного шлама крупностью 2–3 мм имеют преимущество винтовые сепараторы. В данной статье приводятся результаты исследований по подготовке и обогащению угольного шлама с применением технологии винтовой сепарации.

На Печорской центральной обогатительной фабрике (Республики Коми, Россия) особое внимание уделено вопросу классификации угольного шлама. Проектом данного предприятия разработано несколько вариантов схем с установкой двухстадиальной классификации в гидроциклонах диаметром 1000 и 360 мм, а также с применением двухстадиальной классификации в гидравлических аппаратах. Теоретические и экспериментальные исследования рассматриваемых схем выявили ряд существенных недостатков, например, невозможность обогащения по плотности, что не позволило внедрить технологии в производство. В продолжение исследований установлена перспективность и в последующем внедрена классификация шламов в гидроциклонах диаметром 500 мм, слив которых поступает на флотацию, а сгущенный продукт – на обогащение в винтовые сепараторы LD-7 (Австралия), отходы обезвоживаются на высокочастотном грохоте, концентрат − на двух последовательно установленных дуговых ситах. В результате внедрения технологии обогащения зернистого шлама 0,1–1,5 мм в винтовых сепараторах в два-три раза снизилась нагрузка на тяжелосредные гидроциклоны, что позволило стабилизировать работу тяжелосредного комплекса и сократить расход магнетита с продуктами обогащения с 4,5 до 0,92 кг/т. Снижение крупности питания флотации с 0–0,5 до 0–0,2 мм обеспечило уменьшение нагрузки по крупному шламу, что позволило в два раза сократить расход реагентов и улучшить экологическую обстановку в районе предприятия [10]. На кафедре обогащения полезных ископаемых Национального горного университета г. Днепра (Украина) коллективом под руководством А. С. Кирнарского изучено влияние условий подготовки исходного продукта на результаты винтовой сепарации угольных шламов, а также проведена их предварительная классификация в гидроциклонах, спиральных классификаторах и на грохотах. В результате упомянутым коллективом «разработана стендовая установка, на которой детально изучался этот вопрос. Исходный угольный шлам загружался в усреднительный зумпф, где он перемешивался и разбавлялся водой до нужного содержания твердого, а затем центробежным насосом перекачивался непосредственно на винтовой сепаратор, там подвергался обогащению в замкнутом цикле с получением двух продуктов: концентрата и отходов. Опробование последних осуществлялось непрерывно. Согласно второму и третьему технологическим режимам, исходный угольный шлам классифицировался в гидроциклонах и спиральном классификаторе соответственно. В рамках четвертого технологического режима проводилось распределение на ситах, при этом зернистая часть после мокрого рассева загружалась в усреднительный зумпф и подвергалась мокрой винтовой сепарации по первому варианту в замкнутом цикле. Данные винтовой сепарации угольных шламов, подвергнутых предварительной гидроклассификации по классу -200 мкм, сведены в таблицу» [11]. Указанные данные представлены в табл. 1. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о необходимости предварительной классификации исходного материала перед винтовой сепарацией. Наибольший эффект достигнут при применении гидроциклона и высокочастотных сит: содержание золы снижено вдвое при выходе обогащенного концентрата около 80 %.

На предприятиях ЗАО «Донецкуглеобогащение-Сервис» (Ростовская область, Россия) изучение и внедрение технологии винтовой сепарации было начато в прошлом столетии [4]. Здесь были выполнены испытания винтовых шлюзов ШВ2-1000, изготовленных на Усольском заводе горного оборудования (Иркутская область, Россия), принципиальное отличие которых от винтовых сепараторов заключается в том, что они имеют прямой профиль днища с углом наклона 5º, что обеспечивает более благоприятные условия концентрации мелких частиц по сравнению с винтовыми сепараторами с эллиптическим профилем днища. Шлюзы испытывались на обогатительных фабриках «Добропольская», «Украина» и «Узловская», расположенных в Донбассе. Как было упомянуто выше, коллективом В. В. Кочетова на обогатительной фабрике «Добропольская» испытывались два таких шлюза по одностадиальной схеме без предварительного обесшламливания. Данными учеными было установлено, что «наиболее эффективное обогащение угольного шлама происходит при концентрации твердой фазы в исходной пульпе 400–500 г/л с нагрузкой по твердому на один желоб 3–4 т/ч. В результате зольность шлама снижается на 6–10 % при зольности отходов 75–85 %. Анализ гранулометрических и фракционных составов продуктов обогащения показал, что в отходах практически отсутствует легкая (угольная) фракция плотностью менее 1500 кг/м3, промежуточной фракции плотностью 1500–1800 кг/м3 содержится 1,2–5,5 % и более 90 % высокозольной фракции плотностью более 1800 кг/м3. Наибольшую эффективность сепарации имеет класс крупности 0,16–1 мм. Класс крупности менее 0,08 мм в отходы извлекается всего на 10–15 %, что позволило сделать заключение о том, что нижним пределом крупности обогащения угля в винтовых шлюзах является 0,05–0,08 мм. Испытания этих шлюзов в двухстадиальной схеме показали, что из шламов с зольностью 27,5–41,2 % при нагрузке на шлюз 5–10 т/ч с концентрацией твердого 430–540 г/л возможно получение (после обесшламливания) концентратов с зольностью 6,1–11,7 % при зольности отходов 73,4–78,1 %. При промышленных испытаниях этих шлюзов на обогатительной фабрике “Узловская” из отходов пенной сепарации угольных шламов с зольностью 36–66,6 % при сепарации в одну стадию удалось дополнительно получить концентраты с зольностью 26–33,9 % при зольности отходов 83–85,6 %. На обогатительной фабрике “Украина” с помощью винтовых шлюзов зольность шламов снизилась на 6–10 %, а на обогатительной фабрике “Калининская” из отходов флотации дополнительно извлекается 20–30 % шламов с зольностью до 40 % при получении отходов сепарации с зольностью до 75–78 %. На обогатительной фабрике “Узловская” для зернистых шламов, перерабатываемых пенной сепарацией, были установлены шесть винтовых шлюзов ШВ2-1000 и при нагрузке на один шлюз 6 т/ч при массовой доле твердого в питании 32–42 % в одну стадию был получен концентрат зольностью 10,5–15,5 %, промежуточный продукт зольностью 30–45 % и отходы с зольностью более 78 %. Результаты этих испытаний легли в основу создания промышленных образцов винтовых шлюзов, конструкция которых адаптирована к обогащению угольных шламов. Кроме того, на обогатительной фабрике “Добропольская” проверена принципиальная возможность обогащения на винтовых шлюзах продуктов крупностью до 13 мм. При переобогащении промежуточного продукта отсадочной машины с зольностью 45–48 % были получены продукты сепарации с зольностями 24 и 72 %, а при переобогащении отходов отсадки с зольностью 74–75 % – продукты с зольностями 49 и 79–81 %. Анализ выполненных испытаний позволил установить перспективность применения на углеобогатительных фабриках винтовых шлюзов, основными преимуществами которых по сравнению с винтовыми сепараторами с эллиптической формой желоба являются: – снижение в два-три раза нижнего предела крупности обогащаемого материала даже без предварительной дешламации исходного продукта; – более низкие эксплуатационные затраты, обусловленные изготовлением и заменой резинового покрытия для желобов с линейным профилем днища; – получение более чистых отходов по сравнению с винтовыми сепараторами; – эффективность обогащения материалов крупностью до 13 мм при линейном профиле поперечного сечения желоба, представленного отрезками двух-трех прямых с переменными углами наклона» [4]. В Лаборатории обогащения ООО «Научно-производственная компания “Спирит”», занимающейся в числе прочего разработкой и производством винтовых аппаратов, проведен ряд технологических исследований по выявлению возможности получения вторичного топлива из накопленных угольных шламов производственного участка «Обогатительная фабрика» компании «Разрез “Черемховуголь”» (Иркутская область, Россия). Объектом первых тестовых исследований явилась проба, отобранная с гидроотвала с зольностью исходного материала 49 %. По гранулометрической характеристике материал представлен на 90 % зернами менее 1 мм, причем около 40 % составляет глинисто-углистая суспензия крупностью -0,04 мм с зольностью около 70 %. Разработанная схема обогащения включала следующие операции: – двухстадиальную классификацию исходного материала с выделением класса +1 мм, приемлемого по зольности для присадки к готовому продукту обогащения, класса -1+0,04 мм, являющегося питанием винтового шлюза марки ШВ-750, и класса -0,04 мм, который выводился из процесса обогащения в отвал вследствие его высокой зольности; – основную и контрольную винтовую сепарацию промежуточного класса (-1+0,04 мм).

– обезвоживание полученных продуктов обогащения. Показатели обогащения угольных шламов представлены в табл. 2. Эксперименты по винтовой сепарации угольных продуктов проводились на лабораторной установке, принципиальная схема работы винтового сепаратора показана на рис. 1. Анализ полученных показателей свидетельствует о достаточно высокой степени разделения по зольности на винтовом шлюзе мелких классов углей. Зольность угольного концентрата составляет 22,66 %. Тяжелая фракция винтового шлюза представляет собой породу при 76,17 % зольности [12]. В целом по представленной технологии получено вторичное топливо (класс +1 мм и концентрат шлюза) с выходом 39,77 % и зольностью 21,38 %, что по качеству соответствует получаемому на фабрике концентрату марки ДСШ (d = 0–13 мм) по ТУ 12.36.225-91 «Угли ОАО “Востсибуголь” для сжигания на электростанциях». Кроме того, данная технология позволяет провести процесс обогащения и по сере: массовая доля общей серы на сухое состояние топлива в исходном продукте – 1,18 %, в обогащенном угольном концентрате – 0,86 %. Последующие технологические испытания в тестовом режиме подтвердили возможность использования технологии винтовой сепарации при переработке не только гидроотвала, но и текущих хвостов обогатительной фабрики. Объектом технологических испытаний явились две пробы: проба № 1, отобранная с гидроотвала обогатительной фабрики с зольностью 53,3 %, и проба № 2, отобранная из накопленных текущих хвостов с зольностью.

49,7 %. С учетом распределения зольности по классам крупности проведена компоновка схемы обогащения каждого продукта с включением операций классификации, винтовой сепарации и обезвоживания полученных продуктов обогащения (рис. 2, 3)3 [13–15].

Кроме того, на пробе текущих хвостов фабрики класс -13+2 мм с зольностью 33,1 % можно рассматривать как отсев марки ДСШ, который по качеству аналогичен отсеву по ТУ 12.36.203-91. Он может быть пригоден для пылевидного сжигания и коммунальных нужд. Результаты технологических испытаний (табл. 3) позволили сделать заключение о принципиальной возможности вовлечения в переработку шламовых угольных продуктов производственного участка «Обогатительная фабрика». Критическая наполненность гидроотвала производственного участка «Обогатительная фабрика» обусловила проведение укрупненных технологических испытаний, на основании которых в настоящее время принято решение о разработке проектной документации для переработки гидроотвала фабрики [16–18]. Проектируемая установка предполагает получение дополнительной продукции в виде угольного концентрата и магнетитового концентрата. Магнетит в процессе винтовой сепарации концентрируется в породной фракции, после ее магнитной сепарации полученная магнитная фракция может быть использована в операции тяжелосредного обогащения. Заключение: на основании проведенных лабораторных исследований установлена целесообразность раздельного обогащения углей по четырем машинным классам: более 13 мм – методами тяжелосредной сепарации или на отсадочных машинах для крупного класса; 3…13 мм – с помощью отсадочных машин для мелкого класса;

0,2–0,1…3 мм – на винтовых сепараторах и винтовых шлюзах; менее 0,2…0,1 мм – во флотационных машинах. Это позволит повысить извлечение горючей массы в концентрат и удешевит процесс обогащения за счет снижения объема угля, направляемого на обогащение в отсадочных машинах, потребляющих большое количество воды, и на дорогостоящую флотацию. Отмечено, что винтовые шлюзы по сравнению с винтовыми сепараторами имеют ряд технологических преимуществ, обусловленных более широким диапазоном крупности обогащаемого материала и возможностью получения более чистых отходов. Для повышения эффективности винтовой сепарации рекомендуется сочетание основной и контрольной сепарации тяжелого продукта, а также перечистка легкого продукта и разделение промежуточных продуктов в отдельном цикле с добавкой выделенных продуктов соответственно к тяжелому и легкому [19, 20]. Технологические испытания винтовой сепарации на шламовых продуктах гидроотвала производственного участка «Обогатительная фабрика» компании «Разрез “Черемховуголь”» показали перспективность использования винтовых аппаратов (сепараторов и шлюзов) конструкции и производства ООО «Научно-производственная компания “Спирит”». Технология винтовой сепарации при переработке угольных шламов, являющихся отходами обогащения угольного сырья, позволяет получить качественное вторичное топливо без дополнительных затрат на добычу по экологически чистой технологии при низких энергозатратах.