СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ
METHOD FOR INTEGRATED DEVELOPMENT OF STEAM COAL DEPOSIT

Предполагаемое изобретение относится к горному делу, в частности, к комплексному освоению угольных месторождений, и может быть использовано при разработке месторождений энергетических углей, в составе угольного вещества которых присутствует элемент платиновой группы металлов - осмий.
Известен способ добычи полезного ископаемого подземным выщелачиванием, при котором полезное ископаемое избирательно растворяют на месте залегания, а образовавшиеся в зоне реакции химические соединения извлекают на поверхность. Подземное выщелачивание может производиться путем традиционной шахтной технологии (когда в подготовленных горными выработками очистных блоках полезное ископаемое или породы подвергают орошению соответствующими растворами). Интенсифицировать процесс выщелачивания можно с помощью специальных бактерий или наложением на область извлечения полезных ископаемых различных физических воздействий, например, подогревом растворителя, предварительным обжигом полезного ископаемого под землей, пропусканием электрического тока и др. [1]. Недостатком такого способа является низкая эффективность разработки угольных месторождений.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является способ комплексного освоения месторождения энергетических углей, позволяющий выделить сырье для получения металлов платиновой группы. Способ включает детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление металлов платиновой группы, подлежащих попутному извлечению, селективную разработку угольного пласта, превращение элементов платиновой группы металлов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния путем сжигания угля в слоевой топке котла с образованием газообразных продуктов сгорания, извлечение этих соединений из общего потока и восстановление ценных компонентов [2].
Недостатком прототипа является то, что при его использовании нельзя выделить сырье для получения такого элемента платиновой группы металлов как осмий, так как осмий образует летучие соединения с кислородом воздуха при температуре порядка 800°С, а в обычной слоевой топке температура горения топлива в слое значительно выше и количество подаваемого в топку воздуха обеспечивает только приемлемый уровень сгорания топлива. Если учесть, что осмий широко представлен в пробах кузнецких углей, а стоимость одного грамма осмия на несколько порядков выше стоимости угля, то потеря такого ценного компонента из вещественного состава угля снижает эффективность комплексного освоения месторождения энергетических углей.
Цель изобретения - повышение эффективности комплексного освоения месторождения энергетических углей с повышенным содержанием элемента платиновой группы металлов, в частности, осмия путем создания условий образования летучих соединений этого металла с кислородом воздуха при сжигании угля и улавливанием их из продуктов сгорания с последующим восстановлением осмия до металла.
Поставленная цель достигается тем, что в способе комплексного освоения месторождения энергетических углей, включающем детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление металлов платиновой группы, подлежащих попутному извлечению, селективную выемку угля с повышенным содержанием металлов платиновой группы, обособленную поставку этого угля на углесжигающее предприятие, превращение элементов платиновой группы металлов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния путем сжигания угля в слоевой топке котла с образованием газообразных продуктов сгорания, извлечение этих соединений из общего потока и восстановление ценных компонентов, осмийсодержащий уголь сжигают в топке низкотемпературного кипящего слоя с не менее, чем двукратным избытком подаваемого для горения воздуха, по сравнению, с теоретически необходимым, температуру в объеме кипящего слоя поддерживают на уровне 800±50°С, газообразные продукты сгорания направляют в эмульгатор, в котором из них сначала удаляют крупные золовые частицы, затем им обеспечивают контакт с раствором щелочи типа NaOH; продукты взаимодействия дымовых газов с раствором щелочи выводят из эмульгатора и направляют на восстановление осмия до металла известным способом.
Способ поясняется схемой организации сжигания и улавливания газообразных продуктов сгорания угля.
Способ может быть реализован следующим образом. При освоении месторождения энергетических углей проводится изучение вещественного состава угольных пластов. Уголь, добытый из пластов (или из определенного слоя пласта путем его селективной выемки) с повышенными концентрациями осмия, выделяют из общего потока добываемой горной массы и направляют на переработку для получения осмийсодержащего сырья.
Для этого может быть использован один из водогрейных (паровых) котлов котельной, входящей в состав данного угледобывающего предприятия, например, котел 1 типа КВТС (КЕ), оборудованный топкой НКТС (низкотемпературного кипящего слоя), и золоулавливающее устройство 2, в качестве которого может быть использован эмульгатор.
Эмульгатор 2 содержит вертикально ориентированный
цилиндрический корпус 3, дозатор орошающей жидкости 4, трубу 5 подачи орошающей жидкости, лопаточный завихритель 6 газа, патрубок 7 подвода загрязненного газа, циклон 8, донную воронку 9, патрубок 10 слива жидкости, патрубок отвода золы уноса 11 и патрубок 12 отвода очищенного газа.
Лопаточный завихритель 6 выполнен в виде жесткого диска со ступицей 13 и направляющим лопаточным аппаратом 14. Завихритель 6 установлен во внутреннем пространстве цилиндрического корпуса соосно ему. В ступице 13 завихрителя 6 через подшипник качения 15 установлен дозатор 4.
Дозатор 4 выполнен в виде тарелки с коническим днищем и осью 16. Дозатор 4 установлен вершиной конуса днища, направленной вверх, а осью 16 - вниз. На оси 16 закреплен лопастной аппарат (крыльчатка) 17. Дозатор 4 с завихрителем 6 делят внутреннее пространство цилиндрического корпуса 3 эмульгатора на две части, верхнюю и нижнюю.
Труба 5 установлена в верхней части корпуса по его оси и предназначена для подачи орошающей жидкости в дозатор 4.
Циклон 8 установлен в нижней части внутреннего пространства цилиндрического корпуса 3 соосно ему и имеет диаметр меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса эмульгатора.
Патрубок 7 входит во внутреннее пространство цилиндрического корпуса 3 эмульгатора хордально, т.е. по хорде, а в циклон 8 - тангенциально, т.е. по касательной, и приварен к цилиндрическому корпусу и циклону по переходным линиям пересечения цилиндрических поверхностей.
Работа котельного оборудования по получению осмийсодержащего сырья заключается в следующем. При поставке на котельную угля с повышенным содержанием осмия один (или несколько) котел с топкой низкотемпературного кипящего слоя переводится на сжигание этого угля.
4
При сжигании угля с повышенным содержанием осмия в кипящий низкотемпературный слой (температура в слое поддерживается на уровне 800-850°С) вводят повышенное количество избыточного воздуха (минимум в два раза больше, чем это необходимо для полного сгорания топлива); по трубе 5 в эмульгатор подают орошающую жидкость - раствор щелочи NaOH. При этом осмий, входящий в состав угольного вещества, возгоняется и в виде тетраоксида осмия (OSO) вместе с дымовыми газами покидает котел.
4
2
4
По трубе 7 дымовые газы поступают в нижнюю часть эмульгатора 2, в частности, в циклон 8. В циклоне 8 газовый поток закручивается и центробежной силой прижимается к внутренней поверхности циклона; под действием сил трения твердые частицы теряют свою энергию и по патрубку 11 выводятся из эмульгатора. Более чистая, следовательно, более легкая часть газового потока выходит из циклона 8 вверх. Из-за существенной разницы в диаметрах внутренней поверхности цилиндрического корпуса 3 эмульгатора и циклона 8 газовый поток на выходе из циклона теряет свою энергию. Это приводит к двоякому эффекту: очистке газа от механических примесей, так как более тяжелые загрязняющие примеси теряют скорость и падают далее вниз; более равномерному распределению газа по сечению корпуса. За счет разряжения, создаваемого в эмульгаторе, например, дымососом, газовый поток стремится вверх и попадает сначала на лопасти крыльчатки 17, а затем в кольцевой зазор между цилиндрическим корпусом 3 и дозатором 4. Крыльчатка 17 и дозатор 4 раскручиваются. При этом орошающая жидкость, находящаяся в тарелке дозатора, под действием центробежных сил срывается с края тарелки и попадает в кольцевой зазор, в котором установлен лопаточный аппарат 14 завихрителя 6. За счет установки лопаток под соответствующим углом к оси эмульгатора газовый поток, проходя через завихритель 6, закручивается в сторону, противоположную направлению вращения дозатора 4, и на выходе встречается с орошающей жидкостью, образуя устойчивый, интенсивно вращающийся слой газожидкостной смеси - эмульсии, которая взбивается в мелкодисперсную пену, кольцом опоясывающую пространство над кольцевым зазором. Последующий газовый поток проходит через пенное кольцо. При этом обеспечивается гарантированный контакт дымовых газов с орошающей жидкостью. Вследствие этого тетраоксид осмия (OSO), взаимодействуя с щелочью (NaOH), образует перосмат натрия Na[OsO(OH)] - сырье для получения осмия. Кроме того, дымовые газы очищаются от мелких механических примесей. Очищенные газы покидают эмульгатор через патрубок 12, а перосмат натрия в виде отработанной эмульсии - через патрубок 10.
Установка циклона 8 в нижней части внутреннего пространства корпуса 3 соосно с ним позволяет осуществить очистку дымовых газов от механических примесей. Кроме того, достигается дезориентация газового потока, за счет чего газ более равномерно по длине окружности поступает в кольцевой зазор между корпусом 3 и дозатором 4. Вследствие этого все лопатки 14 завихрителя 6 оказываются равнонагруженными газовым потоком.
Раскручивание дозатора газовым потоком обеспечивает более равномерное поступление орошающей жидкости (щелочи) по длине окружности кольцевой щели и, как следствие, стабилизирует высоту вращающегося эмульсионного слоя, а это снижает вероятность проскока дымовых газов без контакта с орошающей жидкостью.
2
4
Раскручивание потоков газа и орошающей жидкости в разные стороны увеличивает разность относительных скоростей газа и жидкости при эмульгировании, обеспечивая повышенное пенообразование эмульсии. Пузырьки пены становятся мельче, а их количество многократно возрастает, следовательно, увеличивается площадь поверхности контакта дымовых газов, в частности, тетраоксида осмия - OSO4, с орошающей жидкостью (щелочью NaOH), за счет чего достигается не только образование перосмата натрия - Na[OsO(OH)], но и более качественная очистка газов от механических примесей, в частности, золовых частиц.
Таким образом, поставленную цель можно считать достигнутой: за счет сжигания осмийсодержащего угля в топке кипящего слоя созданы условия образования тетраоксида осмия - летучего соединения осмия с кислородом воздуха; за счет пропускания дымовых газов через циклон, установленный внутри эмульгатора, обеспечивается грубая очистка газов от золовых частиц; за счет пропускания дымовых газов через пенный слой щелочи обеспечивается улавливание летучих соединений осмия и перевод их в жидкоподвижное состояние для последующего восстановления осмия до металла известным способом.
Источники информации
1. Жигалов М.Л. Технология, механизация и организация подземных горных работ / М.Л. Жигалов, С.А. Ярунин. - М.; Недра, 1999. - 423 с. (с.214 - аналог);
2. Способ комплексного освоения месторождения энергетических углей / Патент 2448250 РФ, заявка 2010141233, опубл. 20.04.2012, бюл. №11 (прототип).