P RZERÓBKA MECHANICZNA WĘGLA

Węgiel kamienny wydobywany w kopalni, czyli tzw. niesort jest zbiorem różnej wielkości ziaren węgla, a także skały płonnej, przerostów węglowo-kamiennych i łupków węglowych. W takiej postaci nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania i musi być poddany procesom przeróbczym

(Blaschke 2009). W przypadku węgla energetycznego, jeśli parametry jakościowe odpowiadają wymaganiom potencjalnych odbiorców (wartość opałowa, zawartość popiołu, wilgoci i siarki) wystarczy go rozdzielić na węższe klasy ziarnowe. W większości przypadków surowy węgiel energetyczny nie spełnia jednak wymogów jakościowych odbiorców. Z kolei węgiel koksowy w stanie surowym nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania. Aby spełnić wymagania jakościowe odbiorców węgiel poddany musi być procesom przeróbki mechanicznej mającym na celu usunięcie kamienia, łupków, części przerostów kamienno-węglowych, piasku posadzkowego i pirytu. Procesy te nazywane są wzbogacaniem. W procesach wzbogacania wykorzystywane są różnice właściwości fizycznych substancji mineralnej i organicznej takich jak: gęstość rzeczywista czy właściwości powierzchniowe. Nowsze metody wykorzystują także różnice polarności cząstek węgla i substancji mineralnej (metody elektrostatyczne). Stosowane mogą być zarówno metody wzbogacania

na mokro, jak i na sucho (Aleksa 2007; Głodek 2007; Toole-O’Neil 1999; Zhang 2007). Należy

zaznaczyć, że procesy wzbogacania pozwalają także na obniżenie w węglu zawartości szkodliwych

pierwiastków, w tym siarki (Baic 2015; Gawenda 2014; Makowska 2014; Marciniak-Kowalska 2010)

i stąd też zaliczane są do Czystych Technologii Węglowych (Blaschke 2007; Hausner 2012).

Wg Kurus (2013) procesy przeróbki mechanicznej są jednym z kluczowych elementów

w zarządzaniu ładunkiem rtęci w cyklu życia węgla handlowego. Należy jednak pamiętać,

że skuteczność usuwania rtęci w procesie jego wzbogacania jest różna dla różnych węgli (Brown

2010; Toole-O’Neil 1999). Bardzo dobre rezultaty obniżenia zawartości rtęci uzyskuje się w przypadku

węgli bogatych w piryt, dla których można uzyskać nawet 92 % redukcję zawartości rtęci (Mastalerz

2005). Dla tychże węgli skuteczność usunięcia rtęci jest proporcjonalna do skuteczności usunięcia substancji mineralnej. Dla węgli o niskiej zawartości pirytu metoda może być mało efektywna,

a uzyskiwana skuteczność może nie przekraczać 10 % (Mastalerz 2005; Zhang 2007). Efektywność

usunięcia rtęci nie jest jedynie zależna od zawartości pirytu, ale i od jego formy. Piryt pochodzenia

epigenetycznego, tzw. piryt gruboziarnisty jest łatwy do usunięcia na drodze wzbogacania (Diehl

2004; Gabzdyl 1987; Toole O’Neil 1999), w odróżnieniu od pirytu syngenetycznego, tzw. pirytu

drobnoziarnistego (Mastalerz 2005; Yudovich 2005b). Piryt syngenetyczny, jest trudny

do wydzielania, gdyż po skruszeniu tworzy subtelne zrosty z macerałami - tzw. karbomineryty

pirytu występującego w postaci dużych wtrąceń nierównomiernie rozsianych w strukturze węgla

oraz przy odpowiednim rozdrobnieniu węgla. Do podobnych wniosków doszli autorzy pracy (Aleksa

2007). Głębokie rozdrobnienie węgla korzystnie wpływa na usuwanie z niego związków rtęci w procesach grawitacyjnych, ale pełne wyjaśnienie tego wpływu wymaga dalszych badań. Skuteczność usuwania rtęci w procesie wzbogacania dla węgli kamiennych przedstawiono w tabeli 4.1. Na możliwość obniżenia zawartości rtęci w węglu w procesie jego wzbogacania wskazują ponadto

wyniki prac (Bukowski 2008; Klojzy–Kaczmarczyk 2013b).

Tabela. 4.1.Skuteczność usuwania rtęci w procesie wzbogacania dla węgli kamiennych

Lp. ^{Skuteczność usuwania rtęci}

[%] ^{Kraj Literatura}

1 12 – 78 USA (Toole O’Neil 1999)

2 9 – 92 USA (Mastalerz 2005) 3 13 – 40 Indie (UNEP 2014) 4 28 – 75 Polska (Wichliński 2013b) 5 41 – 75 (<20 mm) 25 – 45 (20 – 0,5 mm) 27 – 72 (0,5 – 0,045 mm)

Polska (Pyka 2010a,2010b)

6 18 – 79 Polska (Zajusz-Zubek 2014)

7 10 – 59 Polska (Dziok 2014a)

8

59 (ciecze ciężkie) 39 (osadzarki)

45 (flotacja)

Polska (Kurus 2015)

9 10 – 58 Polska (Pyka 2016a)

Wg (Aleksa 2007) dla usunięcia rtęci z węgla można wykorzystać wzbogacalniki cieczy ciężkiej, osadzarki miałowe, wzbogacalniki zwojowe, stoły koncentracyjne oraz maszyny flotacyjne. Skuteczność usuwania rtęci w procesie wzbogacania może być nieznacznie zwiększona poprzez modyfikację tradycyjnego sposobu i stosowanie: flotacji pianowej, selektywnej aglomeracji,

zawansowanych systemów cyklonów oraz metod chemicznych (Pavlish 2003). Należy wspomnieć,

że istnieją duże możliwości poprawy skuteczności wzbogacania flotacyjnego (Marciniak-Kowalska

2009), mogące mieć istotny wpływ na zwiększenie skuteczności usuwania rtęci z klas najdrobniejszych.

4.1.1.1. WZBOGACANIE NA MOKRO

W warunkach krajowych procesy wzbogacania realizowane są najczęściej w środowisku wodnym. Stosowane metody wykorzystują różnice w gęstości substancji organicznej i mineralnej węgla. Są to procesy wzbogacania grawitacyjnego. Wzbogacanie grawitacyjne stosowane jest najczęściej dla ziaren urobku powyżej 10 – 20 mm, choć wzbogaca się też urobek o uziarnieniu powyżej 1 – 3 mm. Drobniejsze ziarna urobku węglowego wzbogaca się metodami fizykochemicznymi. Wykorzystują one różnice we właściwościach powierzchniowych ziaren węgla

W Polsce najczęściej stosowanymi procesami wzbogacania są:

 _{wzbogacanie w cieczy ciężkiej,}

 _{wzbogacanie osadzarkowe,}

 _{wzbogacanie flotacyjne.}

Wzbogacanie w cieczy ciężkiej polega na wykorzystaniu cieczy jednorodnych

lub zawiesinowych o gęstości większej od gęstości wody. Ciecze jednorodne są roztworami soli, a ciecze zawiesinowe są mieszaniną wody i rozdrobnionego minerału, najczęściej magnetytu, który

pozwala na uzyskanie gęstości do 2,5 g/cm³(Blaschke 2009). Przykład wzbogacalnika zawiesinowego

dwuproduktowego przedstawiono na rys. 4.1. Ciecz zawiesinowa doprowadzana jest do skrzyni roboczej (1) dwoma rurociągami (2) i dodatkowym rurociągiem (3). We wzbogacalniku węgiel rozdziela się na dwa produkty: koncentrat i odpad. Koncentrat wyłapywany jest wygarniaczem łopatkowym (4), a odpady kołem łopatkowym (5) do zsuwni odpadów (6). Zsuwnia odpadów umieszczona jest obok wyodrębnionego koryta roboczego wzbogacalnika (7). Stosowane są również wzbogacalniki trójproduktowe, które są konstrukcyjnym połączeniem dwóch wzbogacalników dwuproduktowych. W pierwszym wzbogacalniku następuje wydzielenie koncentratu, a frakcja odpadowa wygarniana jest do drugiego wzbogacalnika, gdzie następuje jej rozdział na produkt pośredni i odpad końcowy. Oba wzbogacalniki wymagają oddzielenia od siebie ścianą działową, aby uniemożliwić mieszanie się cieczy (zawiesiny), które charakteryzują się różną gęstością.

Rys. 4.1. Dwuproduktowy wzbogacalnik zawiesinowy (Blaschke 2009)

1 – skrzynia robocza, 2 – doprowadzenie wody zawiesinowej, 3 – dodatkowe doprowadzenie cieczy zawiesinowej, 4 – wygarniacz łopatkowy koncentratu, 5 – koło łopatkowe do odpadów, 6 – zsuwnia odbiorcza

odpadów, 7 – koryto robocze wzbogacalnika

Wzbogacanie osadzarkowe polega na wykorzystaniu różnicy w prędkości opadania w wodzie ziaren różniących się miedzy sobą gęstością. To zjawisko wykorzystywane jest w klasyfikacji

hydraulicznej, z tym że w osadzarkach ośrodek wodny poddawany jest pulsacji (Blaschke 2009). Wzbogacany materiał przesuwa się po sicie, a woda wprawiana jest w ruch pulsacyjny (w górę i w dół). Ruch pulsacyjny wody w górę powoduje unoszenie materiału do góry, który następnie opada z prędkością zależącą od jego gęstości. Ruch pulsacyjny jest tak dobrany, aby opadanie ziaren zakończyło się w momencie ruchu wody w dół. W osadzarkach zamontowane są przegrody, które mają na celu oddzielenie węgla od zanieczyszczeń. Lżejsze ziarna materiału węglowego (koncentrat) przechodzą nad przegrodami, a cięższe odbierane są u dołu w formie odpadów i produktu pośredniego. Schemat osadzarki pulsacyjnej przedstawiono na rys. 4.2.

Rys. 4.2. Schemat osadzarki pulsacyjnej (Blaschke 2009)

1- łoże osadzarki, 2- tłok, 3 – sito robocze, 4 – tarcze napędowe, 5 – mimośród, 6 – wał osadzarki

Wzbogacanie flotacyjne prowadzi się w urządzeniach zwanych flotownikami. W komorach roboczych flotowników w czasie energicznego mieszania zawiesiny flotacyjnej wytwarzają się drobne pęcherzyki powietrza. Pęcherzyki powietrza unoszą się w komorze roboczej ku górze i wypływają na jej powierzchnię. W tym czasie ziarna węglowe przywierają do powierzchni pęcherzyków tworząc agregat i razem z nimi wynoszone są na powierzchnię. Jeżeli w komorze wytwarzane są również bardzo małe pęcherzyki, to otaczają one większe ziarna i przy dostatecznie dużej liczbie tych pęcherzyków unoszą ziarno do góry. Na powierzchni zawiesiny tworzy się warstwa piany flotacyjnej, która jest zgarniana i kierowana do odwadniania. Następnie ziarna skały płonnej opadają na dno wraz z kierunkiem przepływu zawiesiny skąd odbierane są w formie odpadów. Stosowanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych flotowników. W powszechnie stosowanych flotownikach mechaniczno-pneumatycznych zawiesina flotacyjna napowietrzana jest powietrzem rozproszonym w wodzie oraz doprowadzonym do flotownika powietrzem sprężonym z zewnątrz i dyspergowanym zespołem

aeracyjno-dyspersyjnym (Blaschke 1990). Na rys. 4.3 przedstawiono schemat flotownika

pneumatyczno-mechanicznego IZ-12 powszechnie stosowanego w zakładach przeróbczych w Polsce

kosztów suszenia, lecz negatywną stroną jest tworzenie się bardzo drobnych frakcji ziarnowych

wydzielanych z odwirowanej wody, tzw. odwodnionego sedymentu (Pyc 2011).

Rys. 4.3. Schemat flotownika IZ-12 (Blaschke 1990)

1 – przedział roboczy, 2 – wydrążony wał, 3 – wirnik, 4 – stator, 5 – pozioma tarcza statora, 6 – płaskie łopatki służące do uspokojenia ruchu wirowego zawiesiny flotacyjnej, 7 – kolektor powietrzny, 8 – przewody powietrza, 9 – tuleje łożyskowe doprowadzające powietrze do wnętrza wydrążonych wałów napędowych, 10 – zawór regulacyjny powietrza, 11 – drążek nastawczy zaworu powietrza, 12 – silniki napędzające wały wirników, 13 - przekładnia pasów klinowych, 14 - skrzynia nadawcza zawiesiny flotacyjnej, 15 – nachylone ścianki służące do kierowania piany flotacyjnej do progów wyładowczych, 16 – zgarniacze skrzydełkowe piany

flotacyjnej, 17 i 18 – drążek i dźwignia zaworu króćca wylewowego

4.1.1.2. SUCHA SEPARACJA

Procesy suchej separacji, zwane również procesami suchego odkamieniania, odbywają się bez udziału wody lub z niewielką jej ilością, co sprzyja ochronie środowiska i pozwala zmniejszyć nakłady

inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne (Blaschke 2013; Gawenda 2014). W niektórych krajach sucha

separacja węgla stosowana jest przed poddaniem go procesowi wzbogacania na mokro. Wstępne usunięcie skały płonnej pozwala uprościć schemat technologiczny zakładu przeróbczego, zmniejsza

koszty wzbogacania na mokro. Co więcej, wydzielone produkty odpadowe, z uwagi na brak kontaktu

z wodą mogą być z powodzeniem stosowane jako substytut kruszyw naturalnych (Baic 2013). Dla

suchej separacji zastosowanie mogą znaleźć m.in. powietrzne stoły koncentracyjne, separatory

rentgenowskie i kruszarki Bradforda (Baic 2013; Gawenda 2014).

Powietrzny stół koncentracyjny składa się z perforowanego stołu roboczego, urządzenia wibracyjnego, komory powietrznej, napędu oraz mechanizmu pozwalającego zmieniać kąty nachylenia stołu i częstotliwość wibracji. Schemat działania powietrznego stołu koncentracyjnego przedstawiono na rys. 4.4. Nadawa surowego węgla kierowana jest na stół wprawiany w ruch wibracyjny. Spod stołu z komór powietrznych podawane jest powietrze powodujące unoszenie złoża węglowego. W wyniku przepływu powietrza następuje separacja złoża węglowego. Materiał o małej gęstości (węgiel) koncentruje się na powierzchni złoża, a materiał o dużej gęstości (odpad) w strefie dolnej złoża. Z uwagi na to, że stół jest pochylony w kierunku poprzecznym, materiał o małej gęstości znajdujący się na powierzchni złoża ma tendencję do przesuwania się po tej powierzchni i spadania pod wypływem siły grawitacji poprzez przegrodę usytuowaną na brzegu stołu. Materiał o wyższej

gęstości koncentruje się w dolnej części złoża i przesuwa się w kierunku wylotu odpadów (Baic 2013).

Możliwość obniżenia zawartości rtęci w węglu przy wykorzystaniu powietrznych stołów

koncentracyjnych została potwierdzona przez Honaker (2007). Podczas separacji węgla uzyskano

obniżenie zawartości rtęci na poziomie 67%.

Rys. 4.4. Schemat działania powietrznego stołu koncentracyjnego(Baic 2013)

Przykładem separatora rentgenowskiego może być separator OSX-CXR firmy Comex. Separator pozwala na określenie struktury wewnętrznej i gęstości separowanego materiału. Urządzenie wykorzystuje jednocześnie promienie rentgenowskie oraz własności optyczne materiału. Schemat działania separatora przedstawiano na rys. 4.5. Urządzenie składa się z układu podającego nadawę, zaawansowanego układu analizy i układu odrzucającego. Nadawa jest równomiernie rozprowadzana przenośnikiem wibracyjnym na przenośniku taśmowym. Na przenośniku taśmowym przebiega analiza rentgenowska, a przy wylocie analiza optyczna. Na podstawie wyników analiz podejmowana jest decyzja, które ziarna mają opadać grawitacyjnie w dół (węgiel), a które mają zostać odrzucone

Rys. 4.5. Schemat separatora typu OSX-CXR firmy Comex(Kołacz 2013)

Wzbogacanie urobku węglowego w tzw. kruszarkach Bradforda polega na selektywnym kruszeniu surowego urobku węglowego i wydzieleniu frakcji węglowej i odpadowej. Węgiel ulega

rozdrobnieniu, a skała płonna pozostaje w zasadzie nieskruszona (Baic 2013). Przykład wykorzystania

kruszarki Bradforda do wstępnego odkamieniania urobku na dole kopalni przedstawiono na rys. 4.6. Urobek kruszony jest selektywnie w kruszarce, a następnie produkt drobny składający się z węgla, przerostu i kamienia kierowany jest na górę do zakładu wzbogacania. Produkt nierozdrobniony w postaci grubych kamieni może znaleźć zagospodarowanie na dole kopalni do podsadzania wyrobisk

(Tumidajski 2008).

Rys. 4.6. Przykład wykorzystania kruszarki Bradforda do wstępnego odkamieniania urobku na dole kopalni