Научная статья на тему 'Изменение термопластичности низкосортных углей при селективном извлечении металлов'

Изменение термопластичности низкосортных углей при селективном извлечении металлов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
160
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Записки Горного института
Scopus
ВАК
ESCI
GeoRef
Ключевые слова
УГОЛЬ / КОКС / ОБОГАЩЕНИЕ / РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ / СКАНДИЙ / ТЕРМОПЛАСТИЧНОСТЬ / УГЛЕХИМИЯ / СЕЛЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Бажин В. Ю.

В связи с неустойчивой ситуацией на мировом рынке нефти уголь становится основным источником органического сырья для химической и металлургической промышленности. Ископаемые угли способны накапливать значительное количество элементов и примесей, нередко достигающих промышленно значимых концентраций. Ресурсы скандия и других редких элементов только в угольных месторождениях Сибири способны обеспечить его мировые потребности на несколько десятилетий. В работе решаются комплексные задачи, связанные с извлечением оксидов металлов по разработанной схеме обогащения для обеспечения необходимого уровня термопластичности, который определяет качество и характеристики металлургического кокса. В лабораторных условиях проведены опыты по обогащению высокозольных углей, содержащих в своем составе наибольшее количество металлов. При помощи модернизированного пластометра Гизелера определены значения термопластичности. При современных технологиях и оборудовании на базе отдельных месторождений можно создать рентабельное производство обогащенных коксующихся углей при попутном извлечении редких металлов. Доказано, что наиболее перспективно извлечение из углей скандия и комплекса редких металлов в виде оксидов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Бажин В. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Изменение термопластичности низкосортных углей при селективном извлечении металлов»

ёВ.Ю.Бажин

Изменение термопластичности низкосортных углей.

УДК 621.746.58.001.57

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОСТИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ ПРИ СЕЛЕКТИВНОМ ИЗВЛЕЧЕНИИ МЕТАЛЛОВ

В.Ю.БАЖИН

Санкт-Петербургский горный университет, Россия

В связи с неустойчивой ситуацией на мировом рынке нефти уголь становится основным источником органического сырья для химической и металлургической промышленности. Ископаемые угли способны накапливать значительное количество элементов и примесей, нередко достигающих промышленно значимых концентраций. Ресурсы скандия и других редких элементов только в угольных месторождениях Сибири способны обеспечить его мировые потребности на несколько десятилетий. В работе решаются комплексные задачи, связанные с извлечением оксидов металлов по разработанной схеме обогащения для обеспечения необходимого уровня термопластичности, который определяет качество и характеристики металлургического кокса.

В лабораторных условиях проведены опыты по обогащению высокозольных углей, содержащих в своем составе наибольшее количество металлов. При помощи модернизированного пластометра Гизелера определены значения термопластичности. При современных технологиях и оборудовании на базе отдельных месторождений можно создать рентабельное производство обогащенных коксующихся углей при попутном извлечении редких металлов. Доказано, что наиболее перспективно извлечение из углей скандия и комплекса редких металлов в виде оксидов.

Ключевые слова: уголь, кокс, обогащение, редкие металлы, скандий, термопластичность, углехимия, селективное извлечение.

Как цитировать эту статью: Бажин В.Ю. Изменение термопластичности низкосортных углей при селективном извлечении металлов // Записки Горного института. 2016. Т.220. С.578-581. DOI 10.18454/РМ1.2016.4.578

Введение. В настоящее время при резком снижении цен на нефть уголь становится основным сырьевым источником металлургической и электродной промышленности. В связи с этим технологии, связанные с неэнергетическим использованием ископаемых углей, нуждаются в существенной разработке. Известно [9, 11, 12], что ископаемые угли способны накапливать значительное количество элементов и примесей, процентное содержание которых часто достигает промышленно значимые для переработки концентраций. В отечественных месторождениях углей известны высокие концентрации германия, золота, платины, скандия и других металлов. Сибирские угли, особенно Кузбасского бассейна, имеют более высокие значения содержания металлов по сравнению с глобальным угольным кларком. 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 перспективным является извлечение из углей Ge, Sc, Аи, а также комплекса литофильных редких металлов (Та, №, 2г, Щ Y, лантаноидов) [2]. С другой стороны, аномальное содержание скандия и иттрия характерно и для бурых углей отдельных месторождений Канско-Ачинского бассейна, поэтому они являются одними из наиболее перспективных элементов для извлечения из углей в процессе обогащения [6, 8, 10].

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.

Известно, что редкоземельные и редкие металлы определяют уровень термопластичности угля, который в конечном итоге влияет на характеристики коксующихся углей и их поведение во время процесса коксования [4, 14-17].

В работе рассматривается технология селективного извлечения оксидов некоторых металлов из низкосортных углей сибирского кластера с наиболее высокими значениями металлов при характерном изменении уровня термоплатичности угольного материала после изменения значения концентрации каждого химического элемента (металла).

Методика и техника эксперимента. 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 обогащению низкокачественного угля с высоким выходом летучих компонентов с наибольшим содержанием металлов в своем составе [3, 4]. В качестве исходного материала (сырья) использовали уголь с низкой термопластичностью - битуминозный и антрацитовый. С каждой партии было отобрано по пять проб с нескольких угольных месторождений.

ёВ.Ю.Бажин

Изменение термопластичности низкосортных углей.

Содержание некоторых редких элементов в углях с разных партий

Угольный бассейн, месторождение Содержание элементов, г/т

Sc Y Sm Yb

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

В таблице представлено содержание наиболее значимых элементов для извлечения (скандий, иттрий, самарий, иттербий).

Исследуемые образцы (80-100 г) подвергали обработке по разработанной технологической схеме [3-5] органическим растворителем с целью получения углеродсодержащего материала для последующего восстановления из оксидов до металлизированного состояния.

На первой стадии готовили растворы с различными марками углей, 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. В течение всего процесса суспензию продували кислородно-воздушной смесью для извлечения компонентов и удаления растворителя из экстракционной смеси путем выпаривания с получением обогащенного угля в твердой форме. При этом основная часть оксидов металлов переходила в экстракт. На заключительной стадии смесь проходила стадию компаундирования, на которой смешивали экстрагированный уголь и остаточный уголь для получения обогащенного угля, уже имеющего высокий уровень термопластичности. Органический растворитель удаляли путем выпаривания и затем возвращали его для повторного использования на этап приготовления суспензии.

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 [4].

Наряду с решением вопроса извлечения металлов, также существует необходимость получения высокопрочного кокса после обогащения металлоносных углей. Кокс получают посредством коксования смеси углей - смеси различных типов коксующихся углей, которые измельчают в коксовой батарее. Во время коксования коксующийся уголь размягчается и плавится при температуре 300-550 °С, в это же время летучие вещества высвобождаются с образованием газа, который вызывает набухание, при этом частицы слипаются вместе с получением массы низкотемпературного кокса. После этого кокс уплотняется в ходе повышения температуры « 1000 °С, с получением жесткого кокса (коксового пирога). Таким образом, адгезивность термопластичного угля сильно влияет на такие свойства, как прочность кокса и диаметр частиц после коксования.

Для улучшения адгезии коксующегося угля (смеси углей), как правило, принимают способ получения кокса, в котором смесь углей смешивают со спекающей добавкой, которая демонстрирует высокую текучесть при температуре, когда уголь начинает размягчаться и плавиться. В работе в качестве спекающих добавок использовали каменноугольную смолу, нефтяной пек, угли селективной очистки и экстракционные угли. Подобно углю, адге-зивность этих спекающих добавок в термопластичном состоянии сильно влияет на свойства кокса после коксования.

Для моделирования термопластичных свойств угля в коксовой батарее известны способы исследования способности к набуханию угля, которые достигают улучшения моделирования свойств газопроницаемости, генерируемой во время пластификации угля. Для испытания очищенных от металлов углей на пластометрические показатели брали навеску угля 100±1 г, измельченного до крупности < 1,5 мм. Замеры толщины пластического слоя проводили при помощи модернизированного пластометра Гизелера [5] (рис.1).

10

Рис. 1. Модернизированный пластомер 1 - образец; 2 - материал со сквозными отверстиями от верхней до нижней поверхности; 3 - емкость; 4 - стержень для детектирования давления; 5 - рукав; 6 - датчик нагрузки; 7 - термометр; 8 - нагревательный элемент; 9 - датчик температуры; 10 - контроллер температуры; 11 - вход для газа; 12 - выход для газа

ё В.Ю.Бажин

Изменение термопластичности низкосортных углей.

Метод определения показателей термопластичности 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 в печи образовывать кокс [1, 13].

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.

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 в шахтную печь и плавление для разделения металла и шлака; последовательный слив изложницы. 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 России 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 и иттрия, содержащиеся в кузбасских углях, способны обеспечить его мировые потребности на несколько десятилетий.

Предлагаемая технологическая схема обогащения низкосортных углей для получения коксующихся углей с заданными значениями термопластичности может быть адаптирована для металлосо-держащих углей. Комплексная переработка угольной смеси с органическими растворителями при различных условиях термообработки полученных смесей позволяет одновременно с обогащением концентрировать металлы в растворителе и затем восстанавливать на другом этапе. Выбранные режимы обеспечивают извлечение оксидов, а также улучшают свойства углей, в особенности термопластичность, по которой можно контролировать степень извлечения РЗМ.

Имеющихся ресурсов достаточно для создания на базе месторождения крупного производства по попутной добыче Y, Sc и других элементов и примесей.

Благодарность. Работа выполнена в рамках международного гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение исследований международными научными коллективами» (совместно с Департаментом науки и технологий Министерства науки и технологий Республики Индия - DST).

ЛИТЕРАТУРА

1. Агроскин А.А. Лабораторные работы по химии и технологии угля / А.А.Агроскин, Е.Ф.Панина. М.: Высшая школа, 1961. 134 с.

2. Арбузов С.И. Металлоносность углей Сибири // Известия Томского политехнического университета. 2007. Т.311. № 1. С. 77-83.

3. Бажин В.Ю. Повышение эффективности обогащения низкосортных углей при селективном извлечении металлов / В.Ю.Бажин, А.А.Пятернева // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 5 (специальный выпуск). С.153-160.

4. Воздействие на структуру и свойства углей при экстремальной термообработке / В.Ю.Бажин, Ф.Ю.Шариков, Р.Ю.Фещенко, Е.О.Судницин // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 7(38). Ч.1. С.13-15.

—О—Sc —□—Y —Д—Sm —X—Yb

Рис.2. Зависимость термопластичности углей от содержания металлов

ё В.Ю.Бажин

Изменение термопластичности низкосортных углей.

5. Гагарин С.Г. Взаимосвязь показателей структуры и термопластичности углей // Кокс и химия. 2002. № 9. С.3-9.

6. Кетрис М.П. Неорганическая геохимия углей. Аналитическая библиография, 1800-2006 гг. / М.П.Кетрис, Я.Э.Юдович. Сыктывкар: Геопринт, 2008. 252 с.

7. Крюкова В.Н. Распределение скандия в веществе углей Восточной Сибири / В.Н.Крюкова, Н.Г.Вязова, В.П.Латышев // Химия твердого топлива. 2001. № 3. С.73-76.

8. Ломашев И.П. Германий в ископаемых углях / И.П.Ломашев, Б.И.Лосев. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 258 с.

9. Обработка углей различных месторождений перед использованием в водных смесях / А.Н.Теляков,

B.Ю.Бажин, А.А.Пятернева, В.В.Сергеев // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 7 (38). Ч.2.

C.62-65.

10. Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна / С.И.Арбузов, В.В.Ершов, А.А.Поцелуев, Л.П.Рихванов. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. 248 с.

11. Юдович Я.Э. Ценные элементы и примеси в углях / Я.Э.Юдович, М.П.Кетрис / УрО РАН. Екатеринбург, 2006. 538 с.

12. Юдович Я.Э. Неорганическая геохимия угля: аспекты теории / Я.Э.Юдович, М.П.Кетрис. Сыктывкар: Геопринт, 2003. 55 с.

13. Marika Nel. Proposed methods to study the influence of trace metals on sintering and agglomeration of different coal feeds // 24th Annual International Pittsburgh Coal Conference. 2007. 10-14 September. Johannesburg, South Africa. Р.234-245.

14. Ren D., Zhao F., Wang Y., Dai S et al. Geochemistry of elements in coal. China. 2006. 556 p.

15. Environmental aspects of trace elements in coal / Editor D.Swaine, F.Goodarzi // Rluwer Acad. Dordrecht. London, 1995. 313 р.

16. QuerolX. Trace elements in coal and their behavior during combustion in a large power station / X.Querol, J.L.Fernandez-Turiel, A.Lopez-Soler // Fuel. 1995. Vol.74. N 3. P.331-343.

17. Zhao Z.G. Geochemistry of rare earth elements of coal in Huaibei coalfield / Z.G.Zhao, X.Y.Tang, B.F.Li // Geo-chimica. 2000. Vol.29. № 6. P.578-583

Автор В.Ю.Бажин, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, bazhin-alfoil@mail.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Россия).

Статья принята к публикации 25.05.2016.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.