Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, в частности, к комплексному освоению угольных месторождений, и может быть использовано при разработке пластов энергетических углей, в составе угольного вещества которых присутствуют элементы платиновой группы металлов и другие ценные химические элементы.

Комплексное освоение месторождения полезных ископаемых предусматривает добычу минерального сырья и его последующую переработку для достижения оптимального уровня извлечения из добытого сырья основных и попутных компонентов и утилизацию отходов производства [Лидин, Г.Д. Горное дело: Терминологический словарь / Г.Д. Лидин, Л.Д Воронина, Д.Р. Каплунов и др. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 694 с.].

Известен способ комплексного освоения энергетических углей, включающий детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление осмия, подлежащего попутному извлечению, селективную выемку угля с повышенным содержанием осмия, обособленную поставку этого угля на углесжигающее предприятие, превращение осмия в химическое соединение с изменением его агрегатного состояния путем сжигания угля в топке низкотемпературного кипящего слоя с образованием газообразных продуктов сгорания, выведение этих соединений из общего потока газообразных продуктов сгорания и восстановление осмия до металла [Пат. 2498067 Российской Федерации, Е21С 41/18. Способ комплексного освоения месторождения энергетических углей].

Недостатком этого способа является его направленность на попутное извлечение только одного из металлов платиновой группы, что значительно сужает область его применения.

Наиболее близким к заявляемому способу, принятым в качестве прототипа, является способ комплексного освоения месторождения энергетических углей, включающий детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление ценных компонентов, подлежащих попутному извлечению, обособленную поставку этих углей на углесжигающее предприятие, размол в шаровой барабанной мельнице и обогащение до получения рудного концентрата в сепараторе инерционного типа, смешивание концентрата с флюоритовой пылью и брикетирование, превращение ценных компонентов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния сжиганием брикетов в слоевой топке котельного агрегата, выведение соединений платиновой группы металлов из потока газообразных продуктов сгорания резким их охлаждением до температуры ниже температуры конденсации извлекаемых компонентов с растворением их в воде гидроциклона и восстановление ценных компонентов, а также использование твердых очаговых остатков в качестве руды для получения других ценных компонентов [Пат. 2448250 Российской Федерации, Е21С 41/18. Способ комплексного освоения месторождения энергетических углей].

Недостатками прототипа являются:

- использование сепаратора инерционного (центробежного) типа обеспечивает разделение частиц пыли по их геометрическим размерам. Это означает, что частица пыли с содержанием ценных химических элементов, имеющая размеры, пригодные для сжигания в факеле, не будет выведена сепаратором из пылевоздушной смеси и будет направлена на сжигание в камерной топке котельного агрегата;

- брикеты сжигают в плотном фильтрующем слое, при котором температура на поверхности слоя достигает высоких значений (до 2000°С). При таких температурах нельзя выделить сырье для получения такого элемента платиновой группы металлов как осмий;

- кроме элементов платиновой группы металлов существуют другие ценные химические элементы, например рений (Re), который не может быть извлечен данным способом.

Эти недостатки сокращают область применения способа и снижают эффективность комплексного освоения месторождения энергетических углей с промышленными концентрациями ценных химических элементов.

Цель изобретения - повышение эффективности комплексного освоения месторождения энергетических углей, содержащих в промышленных концентрациях ценные химические элементы, путем выведения концентрата из общего потока пылевоздушной смеси и создания условий последующего разделения сырья для селективного извлечения ценных химических элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе комплексного освоения месторождения энергетических углей, включающем детальное изучение вещественного состава угольного пласта, выявление ценных компонентов, подлежащих попутному извлечению, обособленную поставку этих углей на углесжигающее предприятие, размол в шаровой барабанной мельнице и обогащение до получения рудного концентрата в сепараторе, его окускование, превращение ценных компонентов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния сжиганием угля в топке котельного агрегата, выведение соединений ценных химических элементов из потока газообразных продуктов сгорания резким их охлаждением до температуры ниже температуры конденсации извлекаемых компонентов с растворением их в воде и восстановление ценных компонентов, а также использование твердых очаговых остатков в качестве руды для получения других ценных компонентов, в соответствии с техническим решением в шаровой барабанной мельнице осуществляют переизмельчение угля и при этом требуемую тонину помола определяют опытным путем, обогащение угля до получения рудного концентрата осуществляют гравитационным сепарированием переизмельченной угольной пыли по плотности, окускование рудного концентрата осуществляют путем его гранулирования, сжигание гранул осуществляют в топке низкотемпературного кипящего слоя, охлаждение газообразных продуктов сгорания осуществляют в емкости, заполненной водным раствором щелочи типа NaOH, а галлий концентрируют в золе уноса энергетического котла.

Сущность технического решения поясняется схемами. На фиг. 1 показана схема системы пылеприготовления с пылевым промежуточным бункером; на фиг. 2 - гравитационный сепаратор (общий вид); на фиг 3 - жалюзийная решетка гравитационного сепаратора (аксонометрическая проекция).

Способ может быть реализован, например, при выработке тепловой и электрической энергии на ТЭС, работающей на угле пласта 67, разрабатываемого шахтой «Талдинская-Западная 1» в Кузбассе (при условии обособленной поставки этого угля на ТЭС). Уголь пласта относится к марке - «Д»; имеет зольность - 4,92%. Детальное изучение состава угольного вещества показало среднее содержание химических элементов в пересчете на золошлаковый материал, (г/т): рений (Re) - 0,3644 (0,003); палладий (Pd) - 0,11 (0,07); осмий (Os) - 0,1468 (0,002); иридий (Ir) - 0,021(0,002), золото (Аu) - 0,26 (0,002), галлий (Ga) - 38,9 (20) [Нифантов, Б.Ф. Геохимическое и геотехнологическое обоснование новых направлений освоения угольных месторождений Кузбасса / Б.Ф. Нифантов и др. - М.: Издательства «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2014 - 536 с.]. Цифры в скобках указывают промышленные кондиции на извлечение.

Современные энергетические котельные агрегаты, вырабатывающие водяной пар высокого давления, например ТП-87-1 (Е 420-14-560-Ж), комплектуются двумя системами пылеприготовления с промежуточным бункером.

Уголь из бункера сырого угля 1 через штыревой шибер 2 шнековым питателем 3 по течке 4 через клапан-мигалку 5 подается в шаровую барабанную мельницу 6, в которой размалывается в пыль с размером пылинок 50-200 мкм. Затем угольная пыль, пройдя через щепоуловитель 7, где из нее удаляется древесная вата, поступает в сепаратор 8, связанный течками возврата пыли 9 с мельницей и оснащенный взрывным клапаном 10. В сепараторе 8 происходит отделение готовых для сжигания пылинок от неготовых. Более крупные пылинки по течке 9 возвращают в мельницу 6 на домол. Готовые пылинки в виде пылевоздушной смеси поступают в циклон 11, в котором осуществляют отделение пыли от воздуха. Далее готовую пыль перекидным шибером 12 направляют в пылевой бункер данного котла 13 или посредством реверсивного шнека 14 - в пылевой бункер соседнего котла. Из бункера 13 пыль через шибер 15 посредством пылепитателя 16 по пылепроводу 17 поступает в горелки 18 топки котла 19.

Воздух, необходимый для горения топлива, дутьевым вентилятором 20 забирается из верхней части помещения котельного цеха и направляется в воздухоподогреватель 21. Подогретый воздух по коробу горячего воздуха 22 подается в качестве вторичного воздуха непосредственно в горелки 18, а по воздухопроводу 23 в качестве сушильного агента - в шаровую барабанную мельницу 6, где подсушивает уголь во время его размола и образует пылевоздушную смесь.

Сушильный агент (воздух) после циклона 11, содержащий до 10% не уловленной угольной пыли, посредством короба 24 отсасывается мельничным вентилятором 25 и подается по напорному трубопроводу 26 посредством распределителя 27 в основные 18 или сбросные горелки 28 топки котла.

Напорный короб 26 мельничного вентилятора 25 соединяется с входной горловиной мельницы 6 трубопроводом рециркуляции 29, который служит для увеличения скорости воздуха в мельнице при размоле сухих углей, требующих для сушки небольшого количества горячего воздуха.

Для регулирования температуры пылевоздушной смеси за мельницей, а также на всасе мельничного вентилятора используют присадки холодного или слабо подогретого воздуха, подаваемого по воздуховодам 30 и 31.

Предложение по извлечению ценных химических элементов из энергетического угля основано на том, что химические элементы, в частности, рений, палладий, осмий, иридий, золото, обладают большой плотностью (более чем в десять раз больше, чем уголь). Но их содержание в угольном веществе достаточно мало для того, чтобы в рядовом угле можно было выделить куски с их повышенным содержанием. В связи с этим существующий инерционный (центробежный) сепаратор в системе пылеприготовления настраивают поворотом лопаток на пропуск более мелких частиц пыли (требуемая тонина помола устанавливается опытным путем), увеличивая объем возврата пыли в мельницу на домол и обеспечивая тем самым некоторое переизмельчение угольной пыли. Кроме того на том, что галлий (легкоплавкий металл) при сжигании будет концентрироваться в газообразных продуктах сгорания топлива.

В системе пылеприготовления после инерционного сепаратора 8 (по ходу движения пылевоздушной смеси) устанавливают гравитационный сепаратор 32, выполненный из вертикально ориентированного корпуса 33 с цилиндрической верхней частью и воронкообразной нижней частью. Сверху корпус закрыт крышкой 34 с центрально расположенным патрубком 35 отвода пылевоздушной смеси, в которой установлен взрывной клапан 10. Воронкообразная нижняя часть корпуса снабжена центрально расположенным патрубком 36 подвода пылевоздушной смеси и боковым патрубком 37 отвода рудного концентрата. Нижняя часть корпуса в месте сопряжения с патрубком 36 выполнена с углом раскрытия боковых стенок большим угла раскрытия струи пылевоздушной смеси, движущейся в замкнутом пространстве.

Во внутреннем пространстве корпуса перпендикулярно цилиндрической части установлена жалюзийная решетка 38, кольцевые лопасти которой установлены под углом 45 градусов к оси корпуса в направлении раскрытия по ходу движения струи пылевоздушной смеси.

Пылевоздушная смесь, двигаясь по пылепроводу с определенной скоростью, по патрубку 36 поступает во внутреннее пространство нижней части корпуса сепаратора. За счет резкого увеличения площади поперечного сечения потока скорость пылевоздушной смеси падает. В верхней части сепаратора пылевоздушный поток попадает в жалюзийную решетку 38. Частицы угольной пыли, ударяясь о лопасти жалюзийной решетки, отскакивают в сторону стенки корпуса, теряя большую часть кинетической энергии. При этом более плотные частицы, обладающие большей массой, отскакивают дальше от оси движения потока, менее плотные - ближе, а совсем легкие - пролетают сквозь лопасти решетки, увлекаемые движущимся пылевоздушным потоком.

Более плотные частицы, выпав из пылевоздушного потока, по внутренней стенке корпуса сепаратора, где скорость движения пылевоздушного потока практически равна нулю, под действием гравитации поступают в нижнюю часть корпуса и через патрубок 37 вывода концентрата удаляются из сепаратора.

Частицы пыли, выведенные по патрубку 37 из гравитационного сепаратора 32, представляют собой рудный концентрат, содержащий в повышенных концентрациях рений, палладий, осмий, иридий, золото. Этот концентрат по течке 39 направляют на гранулирование 40.

Пылевоздушная смесь, выведенная из гравитационного сепаратора 32 по патрубку 35, поступает в циклон 11 и далее через промежуточный бункер 13 в горелки, установленные в топке энергетического котла 19. Эта пылевоздушная смесь будет содержать в себе почти весь галлий (Ga), содержавшийся в рядовом угле, так как плотность галлия значительно меньше плотности элементов, составивших рудный концентрат.

При высокотемпературном сжигании (~2000°С) весь галлий будет концентрироваться в уносе. Газообразные продукты сжигания пылеугольного топлива направляют на очистку в электрофильтры 41, где улавливают до 98-99% золы уноса. Эту золу далее используют на участке 42 в качестве сырья для извлечения галлия.

Гранулированный рудный концентрат сжигают в топке 43 с низкотемпературным кипящим слоем водогрейного котла 44, поддерживая температуру в объеме кипящего слоя на уровне 800±50°С и обеспечивая при этом двукратный избыток подаваемого воздуха (по сравнению с теоретически необходимым).

При сжигании гранул в кипящем слое осмий возгоняется и в виде тетраоксида осмия (OsO₄) вместе с дымовыми газами покидает котел. В составе этих газов будут и окислы рения, так как температура газообразных продуктов сгорания гранул будет выше температуры конденсации окислов рения.

Газообразные продукты сгорания дымососом 45 направляют в горизонтальную емкость 46, до половины заполненную водным раствором щелочи типа NaOH и дыхательными трубами 47 связанную с выносным циклоном 48 по воде и газу. В емкости 46 газообразные продукты сгорания равномерно распределяются по всей площади погружного перфорированного щита, проходят через его отверстия и через слой водного раствора щелочи над ним, охлаждаясь при этом. На поверхности раствора щелочи газ образует пенистый кипящий слой, выделяющий в паровое пространство некоторое количество водяного пара, который способствует растворению в нем окислов рения, не растворившихся в водном растворе щелочи. Тетраоксид осмия, взаимодействуя со щелочью (NaOH), образует перосмат натрия Na[OsO₂(OH)₄]. Раствор, содержащий химические соединения рения и осмия, по дыхательной трубе 47 (связь с циклоном по воде) поступает в циклон 48, где смешивается с аналогичным раствором, полученным при сепарации влажного газа.

Далее очищенные газообразные продукты сгорания и взаимодействия с раствором щелочи выводят из циклона 48 и направляют в дымовую трубу 52, а рений- и осмий-содержащий раствор - в осадитель 49.

В осадителе 49 за счет разницы в поперечном сечении из потока выделяются механические примеси, в частности золовые частицы. Механические примеси выводят из осадителя, осушают в устройстве сушки 50 и направляют на участок 42 в качестве сырья для извлечения галлия, а очищенный раствор направляют на участок 51 в качестве сырья для извлечения рения (например, электролизом) и осмия (восстановлением до металла).

Очаговые остатки, образующиеся в топке 43 после сжигания гранулированного рудного концентрата, будут содержать в повышенных концентрациях, палладий, иридий, золото (обогащенный рудный концентрат). Их направляют на участок 53, где методами гидрометаллургии производят получение перечисленных металлов. Туда же направляют шлак из шлакового бункера энергетического котла 19.

В данном способе используются три вида обогащения:

- гравитационное сепарирование частиц угольной пыли по плотности, в результате чего из угольной пыли выделяют рудный концентрат, содержащий рений, палладий, осмий, иридий, золото;

- сжигание угольной пыли в камерной топке энергетического котла в факеле и улавливание золы уноса в электрофильтре, в результате чего получают рудный концентрат галлия;

- сжигание гранул рудного концентрата в низкотемпературном кипящем слое, в результате чего получают обогащенный рудный концентрат, содержащий в повышенных концентрациях палладий, иридий и золото.

Таким образом, использование оборудования системы пылеприготовления энергетического котла и шлакозолоулавливания всей станции, а также различных способов сжигания топлива обеспечивает получение положительных результатов, а именно:

- за счет переизмельчения угольной пыли в шаровой барабанной мельнице и введения дополнительной гравитационной сепарации угольной пыли достигается разделение пылевоздушной смеси по плотности с выведением из пылевоздушного потока рудного концентрата;

- за счет сжигания угольной пыли в камерной топке котла высокого давления создаются условия для перевода галлия в газообразные продукты сгорания и последующей концентрации галлия в золе уноса, т.е. получения сырья для извлечения галлия;

- за счет гранулирования рудного концентрата, появляется возможность эффективного сжигания его в топке низкотемпературного кипящего слоя;

- за счет сжигания рудного концентрата в топке низкотемпературного кипящего слоя появляется возможность разделения химических элементов по продуктам сгорания на летучие (рений и осмий) и очаговые остатки (палладий, иридий, золото);

- за счет разделения химических элементов по продуктам сгорания появляется возможность последующей соответствующей целенаправленной переработки сырья по извлечению ценных химических элементов.

Все перечисленное свидетельствует о повышении эффективности комплексного освоения месторождения энергетических углей, в частности, Ерунаковского в Кузбассе, а это и есть цель изобретения.