СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ
COMPLEX DEVELOPMENT METHOD OF POWER-GENERATING COAL DEPOSITS

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, в частности к комплексному освоению угольных месторождений, и может быть использовано при разработке угольных пластов, в составе угольного вещества которых присутствуют элементы платиновой группы металлов и другие металлы, например Fe, Cu, Al.
Известен способ комплексного освоения угольного месторождения, включающий деление месторождения на блоки, бурение дегазационных и дренажных скважин, предварительную дегазацию угольных пластов и подземную газификацию угля, с выдачей на поверхность продуктов дегазации пластов и газификации угля [1]. Недостатком этого способа является то, что многие полезные компоненты, в частности платина и ее соединения, в процессе подземной газификации угля переходят в газообразное состояние и в дальнейшем никак не улавливаются и не извлекаются, снижая тем самым эффективность освоения угольного месторождения.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является способ комплексного освоения угольного месторождения, включающий детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление ценных компонентов, подлежащих попутному извлечению, ведение соответствующих горных работ по разработке угольного пласта, превращение ценных компонентов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния, извлечение этих соединений из общего потока и восстановление ценных компонентов [2].
Недостатками прототипа являются:
- превращение ценных компонентов в химические соединения и изменение их агрегатного состояния в общем потоке образующихся продуктов химических реакций обусловливают значительное разубоживание извлекаемого компонента;
- ориентированность способа на извлечение только одного ценного элемента - рения - не позволяет попутно извлекать, например, металлы группы платины и другие ценные компоненты.
Эти недостатки снижают эффективность комплексного освоения угольного месторождения.
Цель изобретения - повышение эффективности комплексного освоения месторождения энергетических углей с повышенным содержанием платины путем создания условий образования летучих соединений платины с фтором при сжигании угля и улавливанием их из продуктов сгорания с последующим восстановлением платины до металла.
Научными исследованиями состава кузнецких углей выявлено, что содержание элементов платиновой группы металлов в угольной пробе в пересчете на золошлаковую массу (ЗШМ) не соответствует их содержанию в реальной золе, полученной после сжигания указанной пробы (в реальной золе содержание элементов платиновой группы металлов значительно меньше, чем в расчетном ЗШМ). Это означает, что платина при нагревании (сжигании угля) взаимодействует с химически активным веществом с образованием соединений, меняющих свое агрегатное состояние при нагревании более определенной температуры.
2
В составе угольного вещества всегда присутствует некоторое количество фтора в виде его соединений, например, с кальцием (CaF), которые при нагревании распадаются. Металлическая платина реагирует с газообразным фтором с образованием гексафторида платины, который кипит при температуре 68°С [3], и, таким образом, переходит в газообразное состояние.
Идея комплексного освоения месторождения энергетических углей заключается в том, чтобы из добытого энергетического угля с повышенным содержанием платины выделить сырье для получения этого металла.
Поставленная цель достигается тем, что в способе комплексного освоения месторождения энергетических углей, включающем детальное изучение вещественного состава угольных пластов, выявление ценных компонентов, подлежащих попутному извлечению, ведение соответствующих горных работ по разработке угольного пласта, превращение ценных компонентов в химические соединения с изменением их агрегатного состояния, извлечение этих соединений и восстановление ценных компонентов, уголь с промышленным содержанием платины или элементов платиновой группы металлов вынимают из угольного пласта селективно и доставляют на энергетическое предприятие обособленно, в системе пылеприготовления его обогащают до получения рудного концентрата, смешивают с флюоритовой пылью и брикетируют, превращение ценных компонентов в химические соединения и изменение их агрегатного состояния осуществляют сжиганием брикетов в слоевой топке котла с образованием и отведением газообразных продуктов сгорания и твердых очаговых остатков, извлечение соединений элементов платиновой группы металлов осуществляют резким охлаждением газообразных продуктов сгорания до температуры ниже температуры конденсации извлекаемых компонентов с растворением их в воде гидроциклона, а твердые очаговые остатки используют в качестве руды для получения других ценных компонентов.
Способ поясняется схемой выведения рудного концентрата из системы пылеприготовления энергетического котла.
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 платины или металлов платиновой группы, выделяют из общего потока добываемой горной массы и направляют на углесжигающее энергетическое предприятие обособленной поставкой. Современные энергетические котельные агрегаты, вырабатывающие водяной пар высокого давления, например ТП-87-1 (Е 420-14-56-Ж) Таганрогского котельного завода, комплектуются двумя системами пылеприготовления с промежуточным бункером, показанными на схеме.
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, т.е. более тяжелые, 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% неуловленной 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.
2
Предложение по извлечению платины и других элементов платиновой группы металлов из энергетического угля заключается в том, что возврат неготовой пыли (более тяжелой и крупной) после сепаратора 8 (с повышенным содержанием металлов платиновой группы) выводят из системы пылеприготовления и направляют его в тракт топливоподачи водогрейного котла. При этом из бункера 32 по течке 33 в мельницу 34 подают флюорит (CaF). В мельнице его размалывают и в виде флюоритовой пыли подают в смеситель 35, в который также направляют возврат неготовой пыли из сепаратора 8. В смесителе 35 угольную пыль тщательно перемешивают с флюоритом до образования однородной смеси. Эту смесь по течке 36 направляют на брикетирование 37.
Полученные брикеты сжигают в слоевой топке водогрейного котла 38 и при этом улавливают газообразные продукты сгорания, собирают шлакозоловые очаговые остатки и вырабатывают горячую воду.
Горячая вода может быть использована, например, в качестве питательной воды для котла высокого давления.
Очаговые остатки, скапливающиеся в шлаковом бункере 39, направляют на извлечение из них ценных компонентов, например Fe, Al, Cu, а газообразные продукты сгорания по газопроводу 40 дымососом 41 отсасывают из водогрейного котла 38 и направляют в гидроциклон 42. В гидроциклоне газообразные продукты сгорания брикетов контактируют с водой. При этом некоторые из составляющих компонентов газообразных продуктов сгорания взаимодействуют с водой, растворяются в воде и в виде пульпы поступают в осадительную камеру 43. В осадительной камере 43 пульпа отстаивается, тяжелые компоненты оседают на дно камеры, а более легкий слабый водный раствор насосом 44 направляется в гидроциклон 42.
Газообразные продукты сгорания брикетов отсасывают из гидроциклона 42 дымососом 45 и по напорному газопроводу 46 направляют в сборный газопровод котла высокого давления, из которого дымососом 47 выводят в трубу для рассеивания в атмосфере.
Выделение из угля сырья для получения элементов платиновой группы металлов осуществляют следующим образом. При поставке на углесжигающее предприятие угля с повышенным содержанием платины в одной из пылесистем энергетического котла линию 9 возврата пыли от сепаратора 8 переключают на смеситель 35 и включают в работу линию по брикетированию угля и сжиганию брикетов.
В инерционном сепараторе 8 отделяются не только пылинки, не готовые для сжигания из-за размеров, превышающих регламентные размеры сжигаемой пыли, но и все частицы пыли, имеющие в своем составе значительно более тяжелые элементы (Fe, Pt и др.). Следовательно, по течке 9 в смесительную камеру будет поступать рудный концентрат, обогащенный более тяжелыми элементами. В смесительной камере 35 рудный концентрат тщательно перемешивают с пылевидным флюоритом и направляют на брикетирование.
2
6
3
Полученные брикеты сжигают в слоевой топке водогрейного котла 38. При этом на колосниковой решетке при высокой температуре горения слоя флюорит (CaF) распадается с выделением химически очень активных атомов фтора. Атомы фтора взаимодействуют с компонентами, входящими в состав угольных брикетов, в том числе и с платиной (элементами платиновой группы металлов), с образованием летучих соединений с платиной, например PtF(гексафторид платины), и тяжелых соединений с железом, например FeF (фторид железа), и другими металлами, удаляемых из топки в виде шлака.
6
6
Летучие соединения фтора с платиной в составе уходящих дымовых газов отсасывают из котла дымососом 41 и направляют тангенциально в гидроциклон 42, в который также подводят воду с пониженной температурой. За счет тангенциального ввода газообразные продукты сгорания прижимаются к стенкам циклона, по которым стекает вода. Газообразные продукты сгорания охлаждают водой, стекающей по стенкам гидроциклона, до температуры ниже конденсации PtF. Поскольку PtF - это кристаллическое вещество, обладающее высокой гигроскопичностью и растворимостью, гексафторид платины растворяется в воде. Образование слабого раствора плавиковой кислоты (HF) и оксида платины, с большей плотностью, чем раствор плавиковой кислоты, обусловливает выпадение оксидов платины в осадок. Из гидроциклона жидкая составляющая в виде пульпы поступает в осадительную камеру 43, где расслаивается и может быть разделена на слабый водный раствор плавиковой кислоты и оксид платины - сырье для восстановления платины.
Водный раствор плавиковой кислоты повторно направляют в гидроциклон насосом 44 и т.д. до тех пор, пока ее концентрация не достигнет промышленного значения. В этом случае полученную плавиковую кислоту реализуют как товар, циркуляционный контур переводят на резервную осадительную емкость и новый объем циркулирующей в системе воды.
Очищенные от летучих соединений платины с фтором и охлажденные продукты сгорания дымососом 45 подмешивают к относительно горячим продуктам сгорания топлива энергетического котла и через дымовую трубу сбрасывают в атмосферу.
За счет детального изучения вещественного состава угольных пластов месторождения, раздельной выемки угля и организации обособленной поставки угля с повышенным содержанием платины исключается разубоживание ценных компонентов.
За счет выделения платиносодержащей фракции угля при сепарировании угольной пыли достигается эффект обогащения угля рудными компонентами.
За счет присадки флюоритовой пыли к рудному концентрату, тщательного перемешивания, последующего брикетирования и сжигания на колосниковой решетке топки в плотном фильтрующем слое обеспечивается не только создание условий образования летучих соединений платины с фтором, но и образование значительно более тяжелых соединений других металлов с фтором, удаляемых из топки со шлаком.
За счет контактного охлаждения летучих соединений платины с фтором технологической водой обеспечивается возможность не только перевода соединений платины в твердую фазу, пригодную для переработки при получении металлической платины, но и получение плавиковой кислоты - товарного продукта.
Наконец, за счет выведения из топки шлака, полученного от сжигания угольных брикетов, обеспечивается возможность последующей переработки (рециклинга) шлака в качестве сырья для получения других ценных компонентов, в частности Fe, Al, Cu.
Суммируя положительные моменты от осуществления предложенного способа, приходим к выводу о том, что кроме собственно энергетического угля могут быть получены платина и элементы платиновой группы металлов (или сырье для их получения), а также другие ценные элементы-примеси. Это означает, что месторождение энергетических углей будет освоено эффективно и комплексно, а это и есть цель изобретения.
Источники информации
1. Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании. Патент РФ №2100588, опубл. 1997.12.27 (аналог).
2. Способ комплексного освоения угольного месторождения. Патент РФ №2391508, E21C 41/18, опубл. 10.06.2010, бюл. №16 (прототип).
3. Нараи-Сабо И. Неорганическая кристаллохимия. Издательство Академии наук Венгрии, Будапешт, 1969, с.233.