CC BY
24
© В.Ю. Бажин, А.А. Пятернева, 2015
УДК 621.746.58.001.57
В.Ю. Бажин, А.А. Пятернева
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОГАЩЕНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ ПРИ СЕЛЕКТИВНОМ ИЗВЛЕЧЕНИИ МЕТАЛЛОВ
В связи с неустойчивой мировой ситуацией на рынке нефти, уголь приобретает значение основного источника органического сырья для химической и металлургической промышленности. Ископаемые угли способны накапливать значительные количества элементов и примесей, нередко достигающих промышленно значимых концентраций. В работе рассматривается технология извлечения оксидов некоторых металлов из низкосортных углей. Имеющиеся технологии обогащения низкокачественного угля с высоким содержанием летучих компонентов и серы непригодны для металлургического направления при использовании в обычных углеродно-композитных способах, но для получения обогащенного угля могут быть применимы для попутного извлечения высококачественных оксидов различных металлов при обработке органическими растворителями. В лабораторных условиях проведены опыты по обогащению угля с высоким выходом летучих компонентов, а также содержащего в своем составе наибольшее количество металлов. При современных технологиях на базе отдельных месторождений можно создать рентабельное производство по извлечению редких металлов. Наиболее перспективно извлечение из углей скандия и комплекса литофильных редких металлов. Ресурсы скандия только в Черногорском и Бородинском месторождениях способны обеспечить его мировые потребности на несколько десятилетий. Ключевые слова: угольная промышленность, обогащение, металлургическая промышленность, низкосортный уголь, редкие металлы, термопластичность, углехимия, селективное извлечение.
В настоящее время, при неустойчивой ситуации на мировом рынке нефти, уголь приобретает значение основного сырьевого источника для химической и металлургической промышленности. В этой связи, технологии, связанные с неэнергетическим использованием ископаемых углей нуждаются в существенной разработке. Известно [1], что ископаемые угли способны накапливать значительные количества элементов и примесей, процентное содержание которых часто достигает промышленно значимых для переработки концентраций. В отечественных месторождениях углей известны высокие кон-
центрации некоторых металлов (ве, и, Аи, Бе, Р1:, ИЬ), а также группы лантаноидов и других элементов. Сибирские угли имеют более высокие значения концентрирования металлов по сравнению с глобальным угольным кларком [1], а также литофильными элементами, характерными для пород щелочного ряда (Ег, №, ИЬ, У, лантаноидами, Ва, Бг и Ве) и отдельными элементами-сидерофилами (Бе, Ре, Сг, N1, Со). С другой стороны, они отличаются пониженными содержаниями элементов халькофилов (Си, РЬ, Еп) и отдельных литофи-лов (Ы, ИЬ, В, V). При современных технологиях обогащения и концентрирования элементов с использованием высокопроизводительной техники на базе отдельных месторождений можно создать рентабельное производство по извлечению редких металлов. Анализ показывает, что наиболее перспективно извлечение из углей ве, Бе, Аи, и комплекса ли-тофильных редких металлов (Та, ИЬ, Ег, №, У, лантаноидов) [2]. Наиболее высокие концентрации тантала, ниобия, циркония, гафния и редкоземельных элементов (РЗМ), установлены в углях Кузнецкого бассейна. Их Аномальные содержания отмечены также в углях и золах углей Минусинского и Канско-Ачинского бассейнов [3]. Аномальный Бе характерен и для бурых углей отдельных месторождений Канско-Ачинского бассейна. Скандий является одним из наиболее перспективных элементов для извлечения из углей. На территории Сибири имеется несколько угольных месторождений, пригодных для организации промышленного получения Бе, и интерес представляют угли хорошо освоенного Черногорского месторождения Минусинского бассейна [4]. Существуют технологические и экономические предпосылки для повышения качества добываемых в России углей за счет их глубокой переработки, обогащения при селективном извлечении различных металлов, что позволяет получать дополнительно ценную углехимическую продукцию и сырье, в частности для металлургии. В работе рассматривается технология селективного извлечения оксидов некоторых металлов из низкосортных углей сибирского кластера с наиболее высокими значениями металлов.
Методика и техника эксперимента
Для реализации существующих стандартных способов обогащения угля в вертикальных шахтных печах (доменных печах)
при использовании растворителей с компонентами содержащими донор водорода требуется, чтобы углеродсодержащий материал обладал высоким сопротивлением нагрузкам и термопластичностью [5]. Однако, подобные растворители нецелесообразны для применения в промышленном производстве, так как они быстро утрачивают свое свойство передачи водорода при экстрагировании. Азотсодержащий растворитель также обладает избирательной совместимостью с углем, но азот и экстрагированный уголь образуют устойчивую связь, в результате чего извлечь растворитель не удается, при этом нет возможности для его повторного использования. Таким образом, существующие технологии обогащения низкокачественного угля с высоким содержанием летучих компонентов и серы непригодны для металлургического направления при использовании в обычных углеродно-композитных способах, но для получения обогащенного угля могут быть применимы для попутного извлечения высококачественных оксидов различных металлов при обработке органическими растворителями.
В лабораторных условиях проведены опыты по обогащения низкокачественного угля с высоким выходом летучих компонентов, содержащего в своем составе наибольшее содержание металлов [2]. В качестве исходного материала (сырья) использовали низкокачественный уголь, имеющий низкую термопластичность, например, битуминозный уголь и антрацитовый уголь. Было отобрано по 5 проб с каждой партии с нескольких угольных месторождений. Главным критерием отбора было высокое содержание некоторых элементов использование которых рационально для производства лигатур и сплавов в цветной металлургии. В таблице 1 представлено содержание наиболее значимых элементов для извлечения.
Таблица 1
Содержание некоторых редких элементов в углях с разных партий
Угольный бассейн, месторождение Содержание элементов, г/т
Бе У Бт УЬ
Барзасское 6,4 35,5 5,4 1,5
Убрусское 8,7 33,4 7,8 5,7
Кузнецкий 3,9 15,4 2,6 1,3
Минусинский 8,2 13,76 2,2 1,1
Западно-Сибирский 16,0 17,0 2,5 2,1
Рис. 1. Схема технологического процесса обогащения угля и получения металлизированного расплава: 1 - растворитель; 2,5 - насос; 3 -уголь; 4 - суспензия; 6 - теплообменник; 7 - нагреватель; 8 - емкость для выдерживания; 9 - седиментатор; 10- надосадочная жидкость; 11 - остаточная угольная суспензия; 12,13 — устройство удаления растворителя; 14,15 -экстрагировавшийся и остаточный уголь; 16 - обогащенный уголь; 17 -шахтная печь
Исследуемые образцы (80—100 г) подвергали обработке по разработанной технологической схеме (рис. 1) органическим растворителем с целью получения углеродсодержащего материала для последующего использования восстановления из оксидов до металлизированного состояния.
На первой стадии готовили растворы различными марками углей 1-4, для того чтобы определить степень извлечения некоторых металлов. После деметаллизации изучали свойства обогащенного угля, и степень его пригодности для металлургических производств. На этапе экстрагирования выдерживали раствор при заданной температуре и скорости нагрева 6. В течение всего процесса суспензию продували кислородно-воздушной смесью 7 для извлечения компонентов и удаления растворителя из экстракционной смеси путем выпаривания 8 с получением обогащенного угля в твердой форме 11. При этом основная часть оксидов металлов переходила в экстракт. На этапе седиментации 9 осаждаются нерастворимые компоненты угля. Отстаивание экстракционной суспензии проводили до разделения жидких фаз раствора. Верхний слой удаляли из емкости 9 в бак 12, в котором в основном концентрируется растворитель, а остаточную угольную суспензию выпаривали до получения остаточного угля в твердой форме 15. Кроме этого, смесь проходила стадию компаундирования, на которой смешивали
экстрагированный уголь и остаточный уголь для получения обогащенного угля, имеющего высокий уровень термопластичности. Используемый органический нафтенат-растворитель содержит в качестве регулирующего компонента ароматическое соединение с двумя кольцами и имеет температуру кипения 250-300 °С при нормальном давлении. Органический растворитель удаляли путем выпаривания, и затем возвращали его для повторного использования на этап приготовления суспензии. Для испытания, очищенных от металлов углей, на пласто-метрические показатели брали навеску угля 100±1 г, измельченного до крупности <1,5 мм. Замеры толщины пластического слоя производили при помощи пластометра [6].
Метод определения этих показателей основан на свойстве спекающихся углей размягчаться при нагревании их без доступа воздуха и в интервале температур 350 - 470 °С переходить в пластическое состояние, а при дальнейшем повышении температуры нагрева образовывать кокс [7]. На рис. 2 представлены зависимости увеличения уровня термопластичности для различных исследуемых образцов. Самое высокое изменение термопластичности наблюдается при извлечении иттрия, и в некоторой степени скандия. Изменение содержания иттербия практически не влияет на свойства углей.
5 5 Щ 30 ШЙ 30 35
Согрржание геттпше, гаЛ-
Рис. 2. Зависимость термопластичности углей от содержания металлов
Для выделения и концентрирования металлов проводили смешение порций обогащенного угля с оксидами металлов. Полученную смесь восстанавливали в лабораторной вращающейся печи. На этом заключительном этапе проходят следующие процессы: нагрев восстановленной смеси в печи для агломерирования оксидов металла; перегрузка агломерационной смеси в шахтную печь и плавление для разделения металла и шлака; последовательный слив изложницы и разделение. При использовании комплексной технологии максимальная степень извлечения скандия составила 1,2 мг/ 100 г, иттрия - 2,5 мг/ 100 г, самария — 0,54 мг/ 100 г, иттербия — 0,15 мг/ 100 г.
Выводы
Проблема обеспечения промышленности цветными и редкими металлами в РФ усугубляется из-за сложной социально-экономической ситуации. При современных технологиях на базе отдельных месторождений можно создать рентабельное производство по извлечению редких металлов. Наиболее перспективно извлечение из углей скандия и некоторых редкоземельных элементов. Ресурсы скандия только в Черногорском и Бородинском месторождениях способны обеспечить его мировые потребности на несколько десятилетий.
Предлагаемая технологическая схема обогащения низкосортных углей может быть адаптирована для металлосодержа-щих углей. Комплексная переработка угольной смеси с органическими растворителями при различных условиях термообработки полученных смесей позволяют одновременно с обогащением концентрировать металлы в растворителе и затем восстанавливать на другом этапе. Выбранные режимы обеспечивают извлечение оксидов, а также улучшаются свойства углей, в особенности термопластичность.
Имеющихся ресурсов достаточно для создания на базе месторождения крупного производства по попутной добыче У, Бе и других элементов и примесей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юдович Я.Э. Ценные элементы и примеси в углях / Я.Э. Юдович, М.П. Кетрис// Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - 538 с.
2. Арбузов С.И. Металлоносность углей Сибири [Текст]/ С.И. Арбузов// Известия Томского политехнического университета 2007. Т. 311. № 1. С. 77-83.
3. Арбузов С.И. Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна [Текст] / С.И. Арбузов, В.В. Ершов, А.А. Поцелуев, Л.П. Рихванов// - Кемерово, 2000.- 248 с.
4. Арбузов С.И. Редкометалльный потенциал углей Минусинского бассейна [Текст] / С.И. Арбузов, В.В. Ершов //- Новосибирск: Изд-во СО РАН Филиал «ГЕО», 2003. - 300 с.
5. Артюшин С.П. Обогащение углей [Текст] / С.П. Артюшин - Москва: Недра 1975.
6. Гагарин С.Г. Взаимосвязь показателей структуры и термопластичности углей [Текст] / Кокс и химия. № 9, 2002. С. 3-9.
7. Агроскин А.А., Панина Е.Ф. Лабораторные работы по химии и технологии угля. М., 1961.134 с. ГТТГГЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Бажин В.Ю. - доктор технических наук, профессор, декан факультета переработки минерального сырья, зав. кафедрой АТПП, [email protected],
Пятернева А.А. - аспирант, [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 621.746.58.001.57
METALS SELECTIVE EXTRACTION BY INCREASING OF THE LOW-GRADE COALS CONCENTRATION EFFICIENCY
Bazhin V.Y., Dr. in eng. sc., professor, Dean of mineral raw materials processing faculty, National Mineral Resources University (Mining University), Russia, Pyaterneva A.A., post-graduate, National Mineral Resources University (Mining University), Russia.
Due to the instability of the world oil market, coal becomes primary source of organic raw materials for the chemical and metallurgical industries. Fossil coals are able to accumulate significant amounts of elements and impurities, which often achieve commercially important concentration. This paper considers the metal oxides extraction technology from low-grade coals. Existing low-grade coal preparation technology with a high content of volatile components and sulfur is not suitable for metallurgical industry by using in normal carbon
composite methods. But they can be useful for extraction of high quality metal oxides by solvent treatment in coal preparation.
Experiments were performed to preparate low-grade coal with high contain of volatile components and large amount of metals. Today with the use of modern technology possible to make a cost-effective production for rare metals extraction in different deposits.
Key words: coal mining, preparation, metallurgy industry, low grade coal, rare-earth metals, thermoplasticity, coal fuel chemistry, selective extraction.
REFERENCES
1. Yudovitch Y.E. Cennye elementy i primesi v ugljah (Valuable elements and impurities in coals) / Y.E. Yudovitch, M.P. Ketris // Ekaterinburg: UrO RAN, 2006. 538 p.
2. Arbuzov S.I. Metallonosnost' uglej Sibiri (Metallogenetic coals of Siberia) / S.I. Ar-buzov// Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta 2007. V. 311. No 1. pp 77-83
3. Arbuzov S.I. Redkie elementy v ugljah Kuzneckogo bassejna (Rare elements in coals of the Kuznetsk basin) / S.I. Arbuzov, V.V. Ershov, A.A. Poceluev, L.P. Rihvanov // Kemerovo, 2000. 248 p.
4. Arbuzov S.I. Redkometall'nyj potencial uglej Minusinskogo bassejna (Rare-metal potential of the coals of the Minusinsk basin) / S.I. Arbuzov, V.V. Ershov // Novosibirsk: Izd-vo SO RAN Filial «GEO», 2003. 300 p.
5. Artushin S.P. Obogashhenie uglej (Enrichment of coal) / S.P. Artjushin. Moscow, Nedra, 1975.
6. Gagarin S.G. Vzaimosvjaz pokazatelej struktury i termoplastichnosti uglej (Correlation of structure and thermoplasticity coal) / Koks i himiya. No 9, 2002. pp 3-9.
7. Agroskin A.A., Laboratornye raboty po himii i tehnologii uglja (Laboratory work in chemistry and technology of coal) / A.A. Agroskin, E.F. Panina. Moscow, 1961.134 p.
