Процеси збагачення вугілля — технологічні процеси, що полягають у розділенні гірничої маси на основі відмінностей у властивостях її складових (густини, змочуваності, крупності, твердості та ін.). Послідовні прийоми механічної обробки гірничої маси, здійснювані з метою зміни її якості або розділення на продукти різної якості, називаються технологічними операціями.
Вступ Вугілля є одним із найважливіших видів паливно-енергетичної сировини. Частка вугілля у світовому енергетичному балансі складає близько 25 %. Запаси вугілля, які економічно доцільно розробляти, досить великі (вони в багато разів перевищують запаси нафти і газу), і в майбутньому вугілля може відіграти головну роль у вирішенні проблеми задоволення зростаючої потреби в енергії.
Вугілля використовують для багатьох цілей, зокрема для виробництва металургійного коксу, хімічних продуктів, електроенергії, електродної продукції, карбіду, при агломерації залізних руд і для інших технічних і технологічних потреб. Основні споживачі вугілля — теплові електростанції (42 %), чорна металургія (20 %), котельні й комунально-побутове господарство (16 %) та інші (заводи напівкоксування, установки з виробництва електродних наповнювачів, адсорбентів, термографіту, сульфовугілля та ін.).
Зольність вугілля для коксування не повинна перевищувати 8–10 %. Збільшення зольності коксу на 1 % спричиняє його перевитрати на виплавку чавуну в доменній печі на 2,5 % і зниження продуктивності печі на 4 %. В енергетичному вугіллі підвищена зольність призводить до зниження теплоти згоряння. Вугілля, яке використовують для виробництва синтетичного бензину, повинно мати зольність не більше 5–6 % при вологості 2 %; для виготовлення електродів необхідне вугілля із зольністю не більше 2–3 %. Підвищення зольності вугілля на 1 % знижує його ціну на 2,5 %.
Для задоволення потреб економіки Україна щорічно використовує близько 100 млн т вугілля, з яких майже 80 млн т видобувається вітчизняними підприємствами Донецького, Дніпровського і Львівсько-Волинського вугільних басейнів.
Зі зростанням видобутку безперервно збільшується абсолютна маса вугілля, що направляється на збагачення, сортування і брикетування. Ріст обсягу збагачуваного вугілля обумовлюється вимогами підвищення їхньої якості, що визначає економічну ефективність використання вугілля. Крім того, внаслідок погіршення гірничо-геологічних умов видобутку вугілля, широкої механізації виробництва та інших причин його якісна характеристика за зольністю, гранулометричним складом, вологістю і вмістом сірки погіршується.
Вуглезбагачення — крупна підгалузь вугільної промисловості. Сучасні вуглезбагачувальні фабрики — потужні повністю механізовані підприємства з частковою або повною автоматизацією окремих технологічних процесів і операцій, оснащені передовою технологією і високопродуктивним обладнанням. Основний напрямок технічного прогресу в вуглезбагаченні, який забезпечує підвищення технологічних і техніко-економічних показників, — це концентрація виробництва в результаті будівництва нових великих фабрик, реконструкції і технічного переобладнання чинних підприємств на основі передової технології і нової техніки.
На вуглезбагачувальних фабриках застосовуються високоефективні методи збагачення: важкосередовищна сепарація, відсадка і флотація. У великих масштабах освоєна технологія збагачення у важкосередовищних гідроциклонах. Постійно зростає роль флотації вугілля, яка дозволяє вирішити дві важливі задачі — припинення випуску енергетичного шламу на фабриках, що переробляють коксівне вугілля, і переведення фабрик на раціональні схеми обробки шламових вод з повністю замкненим водно-шламовим циклом. Усе частіше застосовується технологія збагачення енергетичного вугілля дрібних класів. Збагачення вугілля в останні роки спрямовано на вирішення задач комплексного використання їхньої органічної і мінеральної складових. Особливого значення набуває розширення галузі застосування вугілля для виробництва газів, рідких палив та інших технологічних потреб, зокрема для виготовлення електродів і вуглецевих блоків, які застосовуються як відновники при електротермічних процесах виробництва кольорових металів, агломерації залізних руд та ін. Визначаються технічні можливості широкого використання мінеральної складової вугілля в глиноземному виробництві й виробництві будівельних матеріалів. Велика роль приділяється розробці й освоєнню високопродуктивного обладнання, без якого неможливо створити потужні й ефективні збагачувальні фабрики. Окремі види вітчизняного обладнання не мають аналогів за кордоном, наприклад, крутопохилі сепаратори типу КНС для збагачення розубоженої гірничої маси, апарат для кондиціонування флотаційної пульпи АКП-1600, відсаджувально-фільтрувальна центрифуга НОГШ-1320Ф, трипродуктові гідроциклони. Темпи розвитку збагачення вугілля повинні випереджати темпи збільшення його видобутку, що обумовлює необхідність подальшого удосконалення техніки і технології збагачення вугілля, особливо в галузі комплексного і раціонального використання органічної та мінеральної складової вугілля.
Збагачення вугілля реалізується головним чином гравітаційними методами та флотацією. При цьому для збагачення вугілля використовуються майже всі гравітаційні процеси.
Продукти збагачення вугілля Продукт, що надходить в операцію, зветься вихідним або живленням операції. У процесі переробки гірничої маси одержують наступні продукти: концентрат — продукт із найбільшим вмістом горючої маси і найменшим породних компонентів; промпродукт — проміжний продукт, що за вмістом горючої маси не є кондиційним концентратом чи відвальними відходами і потребує подальшої переробки; промпродукт — це суміш зростків вугільних і породних компонентів та суміші їхніх розкритих зерен (мікст); відходи — продукт із найбільшим вмістом породних мінералів і найменшим органічної маси.
Процеси збагачення За технологічним призначенням процеси переробки вугілля на збагачувальних фабриках підрозділяються на:
— підготовчі процеси, призначені для розкриття компонентів гірничої маси, розділення її на машинні класи, попереднього знешламлення тощо. До підготовчих операцій в схемах переробки вугілля відносять операції дроблення і грохочення. Дроблення — процес руйнування грудок під дією зовнішніх сил для отримання продукту заданої крупності. Дроблення застосовується для підготовки вугілля перед збагаченням (розкриття зростків, зниження крупності), а також при приготуванні шихти для коксування і брикетування. Грохочення — процес механічного розділення вугілля за крупністю на просіюючих поверхнях. На вуглезбагачувальних фабриках застосовують грохочення: попереднє (відділення крупних грудок для наступного дроблення), підготовче (розділення вугілля на машинні класи), остаточне (розділення концентрату на товарні сорти), зневоднююче (відділення основної маси води з продуктів збагачення, відділення суспензії, знешламлення); — основні, або збагачувальні процеси, призначені для власне розділення вихідного продукту на концентрат, відходи та промпродукт, для чого використовують відмінності в фізичних і фізико-хімічних властивостях частинок вугілля і породи. Гравітаційні процеси збагачення вугілля на сьогодні одержали найбільше розповсюдження. Вони основані на використанні різниці у густині, крупності і формі вугільних і породних частинок і отже різної швидкості їх руху у середовищі (воді, повітрі. суспензії). На вуглезбагачувальних фабриках застосовують такі гравітаційні процеси: збагачення у важких суспензіях, відсадку, гвинтову і протитечійну сепарацію. Гравітаційні процеси використовують для збагачення вугілля в широкому діапазоні крупності від 0,2 мм (гвинтові сепаратори, важко-середовищні гідроциклони), до 200—300 мм (важкосередовищні сепаратори). Флотація основана на використанні різниці в фізико-хімічних властивостях частинок вугілля і породи (частинки вугілля — гідрофобні, частинки породи — гідрофільні). Флотація використовується для збагачення тонких і дрібнодисперсних класів вугілля крупністю до 0,5 мм; — допоміжні, або заключні процеси, застосовувані для згущення, зневоднення, знешламлювання, знепилювання і регенерації оборотних вод.
Зневоднення продуктів мокрого збагачення вугілля здійснюють різними способами залежно від крупності матеріалу. Продукти крупністю більше 13 мм зневоднюються на грохотах, елеваторах з перфорованими ковшами, а також у дренажних бункерах. Для зневоднення дрібних класів крім названих способів застосовують центрифугування, а в зимовий період і термічну сушку. Найбільші труднощі складає зневоднення продуктів флотації і шламів, для зневоднення яких застосовують згущення, фільтрування і термічну сушку. При згущенні і фільтруванні відбувається також процес регенерації оборотних вод. Знепилення — процес відділення з вугілля частинок пилу розміром менше 0,5 мм. Знепилення здійснюється двома способами: мокрим — на грохотах і у гідроциклонах (знешламлення) і сухим — на грохотах і в повітряних класифікаторах різних конструкцій.
Глибина збагачення вугілля
Глибина збагачення вибирається у такий спосіб: — коксівне вугілля з високими виходом і зольністю класу –0,5 мм переробляють за схемами із глибиною збагачення 0 мм; — коксівне вугілля з низькими виходом і зольністю класу –0,5 мм переробляють за схемами із глибиною збагачення 0,5 мм, а клас –0,5 мм додається до концентрату в незбагаченому вигляді; — глибина збагачення енергетичного вугілля становить 6, 13, іноді 25 мм. У цьому випадку глибина збагачення залежить від відстаней, на які перевозять вугілля, і від потужності котельних установок. На великих котельних установках, обладнаних пиловугільними топками, можливе спалювання високозольного вугілля при високих к.к.д. Тому вугілля, призначене для спалювання у великих котельнях, при невеликих відстанях перевезення звичайно не збагачується; — енергетичне вугілля гідровидобутку переробляють за схемами із глибиною збагачення 0,5 мм, іноді 0 мм.
За нормами технологічного проектування рекомендується в проектах збагачувальних фабрик приймати глибину збагачення вугілля 0 мм, але при цьому питання про найвигіднішу глибину збагачення повинно вирішуватися на основі техніко-економічних розрахунків.
Схеми збагачення вугілля Схему збагачення вугілля вибирають залежно від його властивостей і призначення.
За глибиною збагачення можна виділити такі технологічні схеми: — збагачення тільки крупних класів розміром більше 25 (13) мм із роздільним або спільним відвантаженням продуктів збагачення і незбагачених відсівів; — збагачення крупних і середніх класів розміром більше 6 (3) мм зі спільним або роздільним відвантаженням продуктів збагачення і незбагачених відсівів; — збагачення зернистого вугілля крупністю більше 0,5 мм зі спільним відвантаженням продуктів збагачення і незбагачених шламів; — збагачення всіх класів крупності.
За якістю концентрату і асортиментом продуктів збагачення технологічні схеми розрізняють: — з випуском одного товарного продукту. Схема набула поширення при збагаченні енергетичного вугілля таких марок, з яких не виділяють сорти за класами крупності, наприклад, вугілля марки П; — з випуском одного товарного продукту і розділенням його на сорти за класами крупності. Схема застосовується при збагаченні антрацитів і енергетичного вугілля, з якого виділення сортів за класами крупності є доцільним, наприклад, при збагаченні вугілля марок Г і Д; — з випуском двох товарних продуктів (концентрату і промпродукту). Схема використовується при збагаченні вугілля для коксування та інших технологічних цілей. Застосовується у випадку, якщо до якості концентрату висуваються підвищені вимоги, що визначає збагачення усього рядового вугілля (крупного, дрібного, шламів). Одним з різновидів цієї схеми може бути випуск концентратів двох сортів — зі зниженою зольністю для технологічних потреб і з підвищеною зольністю для енергетичних цілей;