СПОСОБ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОГАЩЕНИЯ БУРОУГОЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК E21C45/00 E21B43/34 B03B7/00 

Изобретение относится к горнодобывающей и перерабатывающей отраслям промышленности, к области обогащения добытого минерального сырья, в частности бурого угля, путем разделения полезных компонентов сырья с помощью жидкостей. Изобретение может найти применение для первичного получения и обогащения промежуточных продуктов химического сырья в условиях добычного участка при скважинной гидродобыче.

Известны способы добычи условно сухого минерального сырья - углеродсодержащего полезного ископаемого с невысокой степенью углефикации, например бурого угля и торфа, посредством сухоройного карьера или поверхностно-послойным способом (Горная энциклопедия, www.mining-enc.ru).

Известны способы обогащения условно сухого бурого угля или торфа, ориентированные на получение гуминовых кислот, гуматов, битума, смол и монтан-воска. Эти способы сухого обогащения бурого угля или торфа до получения промежуточных продуктов химической переработки могут быть обобщены следующей цепочкой переделов сырья:

- экскавация (экскаватор/уборочный комбайн);

- дробление/измельчение (дробилка/мельница);

- механическое обезвоживание (центрифуга);

- экстрагирование щелочными растворами гуматов (перколяр);

- механическое обезвоживание (центрифуга);

- экстрагирование бензином суммы веществ битума, смол, монтан-воска (аппарат Сокслета) (см., например, Природные органические вещества: состав, свойства, применение: монография / С.А. Бабенко, O.K. Семакина, Н.В. Худинова, К.П. Бокуцова // Под общ.ред. С.А. Бабенко. - Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2007. - С.99-105); Забрамный Д.Т., Победоносцева О.И., Победоносцева Н.И. и др. Углегуминовые кислоты и их использование. - Ташкент: Изд-во «ФАН», 1980. - 153 с.; RU 2286970 и др.).

По аналогии с цементной промышленностью, где есть «мокрый» и «сухой» способы получения цемента, существуют способы добычи и обогащения бурого угля или торфа по «мокрой» технологии.

Известен гидроторф - способ разработки торфяной залежи с применением гидромеханизации и получаемая этим способом продукция (Горная энциклопедия, www.mining-enc.ru). Технологический процесс добычи торфа гидравлическим способом включает размыв торфяной залежи с влажностью 89-92% струей воды высокого (1-2 МПа) давления, при котором торф превращается в гидромассу с влажностью 95-97%, и транспортирование гидромассы по трубам к месту переработки.

Известен способ получения жидкого гуминового удобрения, включающий приготовление водной суспензии торфа, внесение в суспензию золы, обработку смеси щелочью при перемешивании, отстаивание суспензии и отделение жидкой фазы (RU 2263092).

Известен способ гидромеханического обогащения сырья путем разделения на ряд составных частей методом ступенчатого отстаивания (Раковский В.Е. Общая химическая технология торфа. - М. - Л.: Гос. Энергет. Изд-во, 1949. - С.358-360). В измельченном сырье высокодисперсная часть состоит из углеводов, наиболее богатых кислородом, имеющих наибольший удельный вес, из гуминовых кислот, содержащих меньше кислорода и имеющих меньший удельный вес, и из битумов, обладающих наименьшим удельным весом. Опытное изучение процессов седиментации в угольных/торфяных суспензиях показало, что наблюдается пятиступенчатое выпадение вещества в осадок. Вначале выпадают фракции, содержащие мало гуминовых кислот и битумов; затем начинают отделяться фракции все более богатые гуминовыми кислотами, а под конец содержание гуминовых кислот (во фракциях, наиболее медленно выпадающих) также падает. Содержание битумов неизменно повышается по мере увеличения продолжительности времени седиментации. Путем отбора отдельных последовательно выпадающих фракций можно получать продукты, обогащенные целевыми веществами, например, третья фракция будет содержать 60% гуминовых кислот, а пятая фракция - 20% битумов.

Общими недостатками «сухих» способов являются операции обезвоживания и экстрагирования, усложняющие, удорожающие технологию, а также снижающие производительность получения целевых продуктов.

Главным недостатком «мокрых» способов является отсутствие прямой связи гидродобычи сырья с гидромеханическими обогащением пульпы, а также длительностью процесса седиментационного обогащения.

Наиболее близкими аналогом (прототипом) изобретения является способ получения и использования продуктов скважинной гидродобычи и устройство для его осуществления (RU 2496980). Способ-прототип включает бурение добычных скважин, гидромониторное разрушение полезного ископаемого в выемочных камерах залежи, гидроподъем по скважине на дневную поверхность из выемочных камер гидросмеси в виде пульпы, гидротранспортирование по трубопроводу добытого полезного ископаемого в составе пульпы на карту намыва, гравитационного отделения тяжелой рудосодержащей фракции от гидросмеси песка и глины, направление потока гидросмеси песка и глины за пределы карты намыва с тангенциальной подачей в гидроциклон, где песок осаждается в зумпф-накопитель, откуда он откачивается насосом, водоглиняная смесь направляется в отстойную емкость, где глина осаждается в зумпф-накопитель, откуда она откачивается насосом, а осветленная вода направляется в оборотную схему водоснабжения добычных скважин, при этом выделенные фракции песка и глины используются в процессе.

Недостатком способа-прототипа можно считать, что он ориентирован на использование гравитационных методов обогащения в водной среде рудного сырья, состав которого характеризуется резкими различиями в величинах удельных весов тяжелой (рудной), средней (песок) и легкой (глина) фракций.

Для гидросмесей бурого угля или торфа, где целевые продукты имеют удельный вес, близкий к 1 т/м³, требуется усовершенствование способа-прототипа.

Поставлена задача - обеспечить единую технологическую последовательность гидротехнических приемов добычи, доставки и обогащения целевыми продуктами химической переработки бурого угля (торфа).

Поставленная задача решена следующим образом. В способе гидромеханического обогащения буроугольных продуктов скважинной гидродобычи (СГД), в отличие от прототипа, гидромониторное разрушение залежи бурого угля производят в процессе формирования выемочной камеры с вертикальной осью симметрии в форме цилиндра, конуса или шара, создавая закрученный вокруг вертикальной оси круговой поток угольной гидросмеси и осаждая в созданном гидроциклоне инородные тяжелые включения и песок на дно выемочной камеры, осуществляя всас угольной гидросмеси с уровня выше уровня осадка, производя трубопроводное турбулентное гидротранспортирование пульпы от выемочной камеры к месту подготовки к обогащению, осуществляя гидромеханическую обработку пульпы с получением буроугольной суспензии и осадительно-седиментационное получение целевых продуктов химического сырья в виде концентрата гуминовых кислот и концентрата битумов путем тангенциальной подачи потока бурогоугольной суспензии в конический бассейн-отстойник с последующим отстоем суспензии и ступенчатой откачкой последовательно выпадающих в осадок фракций, обогащенных гуминовой кислотой и битумами.

ОПИСАНИЕ СПОСОБА

Предложенное техническое решение поставленной задачи разрешает проблему рентабельного освоения ряда буроугольных месторождений, имеющих в своем составе кроме пластов, доступных к разработке карьерным способом, еще и глубокозалегающие пласты с большим коэффициентом вскрыши, разработка которых экономически нецелесообразна ни открытым, ни подземным способом с применением шахт. Изобретение делает рентабельным освоение подобных месторождений, позволяя получать из глубокозалегающего угля продукты для химической промышленности при одновременной добыче в карьере энергетического сырья.

Рассмотрим подробнее усовершенствование способа-прототипа по патенту RU 2496980.

Результаты геолого-разведочных работ, как правило, свидетельствуют о наличии в буроугольных пластах пропластков и линз, выполненных песком. Остроугольная ромбовидная кристаллическая структура кварца и крепость его зерен придают песковой фракции, добываемой вместе с бурым углем, существенные абразивные свойства в потоке гидросмеси/пульпы, приводящие к быстрому износу металла ответственных элементов конструкций скважинного снаряда, насосов, труб и другого оборудования. Принято решение не допустить поступление песковой фракции на всас скважинного гидродобычного снаряда. Для этого предложено в процессе СГД реализовать эффект гидроциклонирования с отсадкой песковой фракции на дно выемочной камеры путем формирования аксиально симметричных форм камеры в виде цилиндра или конуса или шара и закрутки угольной гидросмеси вокруг вертикальной оси симметрии камеры с созданием кругового потока и отбором гидросмеси для выдачи на дневную поверхность с уровня, лежащего выше уровня осажденного на дно песка. Обычно полученная пульпа транспортируется от добычной скважины к карте намыва на расстояние в первые десятки метров в виде турбулентного потока.

При транспортировании пульпы на большие расстояния трубопровод может стать проточным седиментационным устройством, если поток пульпы ламинаризуется. Тогда фракции пульпы с большим удельным весом могут выпадать в осадок, уменьшая проходное сечение трубопровода и выбывая из состава целевого продукта. Для избежания этого предложено в расчетных или установленных опытным путем местах трубоповода организовать турбулизацию потока пульпы путем, например, установки в трубопроводе вихревых гребней.

Опыт СГД показывает, что в составе твердой части пульпы содержатся частицы размерами от долей миллиметра до величины параметра проходного сечения всаса скважинного гидродобычного снаряда - (5-50 мм).

Поэтому для более эффективного обогащения пульпа должна быть преобразована в буроугольную суспензию с однородным грансоставом дисперсионной фазы. Это предложено осуществить посредством гидромеханической обработки пульпы, например путем гидропомола твердой части пульпы на встречных струях пульпы в струйной гидромельнице. Тонина помола бурого угля регулируется рециркуляцией пульпы в составе мелющих струй и устанавливается опытным путем исходя из качества сырья и эффективности его обогащения.

Процедура обогащения полученной буроугольной суспензии основана на принципе ступенчатой седиментации (Раковский В.Е., 1949), который иллюстрирует Фиг.1, где обозначено: по оси ординат - содержание целевых продуктов в %; по оси абсцисс-«O»-исходное сырье; I-V- номера фракций, последовательно выпадающих в осадок из состава буроугольной суспензии; кривая 1 - выход гуминовых кислот кривая; 2 - выход битумов. Видно, что если сырье обладает свойством фракционированной и избирательной седиментации из водных взвесей высокодисперсной части бурого угля, то путем селективного отбора отдельных, последовательно выпадающих в осадок фракций можно получать целевые продукты, более чем в два раза обогащенные гуминовыми кислотами (фракция III) или битумами (фракции IV и V).

С целью ускорения отсадки углеводсодержащих фракций I и II, имеющих в своем составе мало целевых продуктов, при заполнении конического бассейна - отстойника организуют действие эффекта гидроциклонирования путем тангенциальной подачи потока буроугольной суспензии.

После заполнения бассейна осуществляется отстой буроугольной суспензии с последовательным выпадением в осадок фракций I-V, которые ступенчато, по-мере их осаждения, откачиваются из бассейна в отдельные накопительные емкости, откуда они подаются в качестве химического сырья на первичную химическую переработку. Фракция III, обогащенная до 60% гуминовыми кислотами, подается в перколятор на экстрагирование щелочными растворами гуматов с последующим механическим обезвоживанием на центрифуге и гранулированием (окатыванием) и сушкой с использованием тарельчатого гранулятора и сушильной установки. А фракции IV и V, обогащенные до 20% битумами, подаются в аппарат Сокслета на экстрагирование бензином суммы веществ (смол и монтан-воска) вместе с битумами, которые выделяются из экстракта в каскаде реакторов. При этом хвосты обогащения смешиваются с обедненными по целевым продуктам фракциями I и II и могут быть использованы для газификации органической части и озоления минеральной части в газогенераторной установке с последующей гидрометаллургической переработкой золы в каскаде пачуков и использованием минерального остатка для производства строительных материалов.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ

Устройство-прототип по патенту RU 2496980 представляет собой связанные в единую технологическую линию части: участок СГД, участок

гидротранспортирования (ГТ) и участок гидромеханического обогащения (ГМО). В состав участка СГД входят: выемочная камера, скважинный гидродобычный снаряд, скважина со скважинным оборудованием, буровая установка, наземное техническое оборудование (насосы, компрессор, энергоустановка и др.). В состав участка ГТ входят: выдачный пульпопровод и карта намыва. В состав участка ГМО входят: гидроциклон, осадительный бассейн, пруд осветленной воды, склад песка, склад глины.

Поставлена задача - усовершенствовать техническое оборудование всех трех участков технологической линии с целью реализации непрерывного технологического процесса первичного гидромеханического обогащения буроугольных продуктов скважинной гидродобычи в условиях добычного полигона.

Обозначенная задача решена следующим образом. Выемочная камера в продуктивном пласте выполнена в виде фигуры, обладающей аксиальной симметрией (цилиндр, конус, шар), имеющей в любом поперечном сечении форму круга. Скважинный гидродобычной снаряд, кроме торцевого и радиальных гидромониторов, снабжен тангенциальными гидромониторами. Из состава оборудования участка ГТ исключена карта намыва. Пульпа из выдачного пульповода с помощью насоса подается в пульпопровод, снабженный запорно-регулирующей арматурой и турбулизатором потока. Участок ГМО включает узел гидромеханической подготовки пульпы к обогащению путем приготовления буроугольной суспензии, осадительно-седиментационный бассейн с насосом и накопительными емкостями и, при необходимости, блок первичной химической переработки целевых продуктов, содержащий перколятор, центрифугу, гранулятор, сушилку, экстрактор, газогенератор. Далее сущность изобретения поясняет Фиг. 2, где обозначено: 1 - глубокозалегающий буроугольный пласт; 2 - аксиально симметричная выемочная камера; 3 - скважинный гидродобычной снаряд с тангенциальными гидромониторами; 4 - скважина со скважинным оборудованием; 5 - дневная поверхность; 6 - энергообеспечивающая установка; 7 - буровая установка; 8 - насосно-компрессорное оборудование; 9 - запорно-регулирующая трубопроводная арматура; 10 - насосная станция; 11 - пульпопровод; 12 - турбулизатор потока; 13 - узел гидромеханической подготовки пульпы к обогащению; 14 - осадительно-седиментационный бассейн; 15 - насос выдачи целевого продукта; 16 - емкости для накопления: целевого продукта, обогащенного гуминовыми кислотами; целевого продукта, обогащенного битумами; хвостов обогащения; 17 - блок первичной химической переработки целевых продуктов. Изобретение работает следующим образом.

Спрессованная горным давлением буроугольная масса глубокозалегающего пласта 1 переводится в выемочной камере 2 в подвижное состояние под воздействием гидромониторных струй скважинного гидродобычного снаряда 3. Отработка выемочной камеры 2 производится снизу вверх, от подошвы к кровле глубозалегающего пласта 1, путем образования вырабатываемого пространства в виде фигуры вращения с вертикальной осью симметрии, например цилиндра, конуса или шара.

При этом торцевой гидромонитор разрабатывает горную породу дна выемочной камеры 2, а радиальные гидромониторы скважинного гидродобычного снаряда 3 - стенок выемочной камеры 2. Когда объем подвижной гидросмеси угля достигает нескольких кубических метров, включаются в работу тангенциальные гидромониторы, выпускающие в радиальной плоскости струи воды по касательной к цилиндрической поверхности скважинного гидродобычного снаряда 3, с напором, достаточным для закрутки всей массы гидросмеси в круговой поток вокруг аксиальной оси симметрии выемочной камеры 2.

Если в состав гидросмеси попала песковая фракция из пропластка или линзы, то благодаря организованному гидроциклонному эффекту она будет осаждаться на дно выемочной камеры 2. Отбор обогащенной гидромассы угля для ее выдачи на дневную поверхность 5 через скважину 4 производится гидроэлеваторным или эрлифтным способами или их комбинацией при размещении всаса гидродобычного скважинного снаряда на уровне, лежащем выше уровня выпавшего в осадок песка.

Наземный комплекс технического оборудования участка СГД в составе энергообеспечивающей установки 6, буровой установки 7, насосно-компрессорного 7 и другого оборудования обеспечивает процесс СГД и может перемещаться по участку СГД при отработке следующих выемочных камер 2 в пределах горного отвода.

При выдаче на дневную поверхность 5 гидросмесь преобразуется в пульпу с более дисперсной твердой частью, поскольку на всасе снаряда 2 и в проходном сечении скважинного гидротранспортного подземного оборудования 5 бурый уголь подвергался дроблению. Практика показывает, что соотношение твердой части к жидкой в процессе СГД лежит в диапазоне значений от Т:Ж=1:5 до Т:Ж=1:100.

Запорно-регулирующая арматура 9 установлена на всех функционирующих трубопроводах, регулирует поток перемещаемого продукта и, при необходимости, перекрывает его.

Насосная станция 10 закачивает пульпу в пульпопровод 11, снабженный турбулизатором потока 12, установленным на определенным опытным путем или расчетным путем расстоянии от насосной станции 10. Турбулизатор 12 может быть выполнен, например, в виде вихревых гребней (лопастей), приваренных к внутренней стенке трубы пульпопровода, проходя которые поток пульпы будет прорабатываться вихревыми образованиями, препятствующими осаждению твердого материала на дно трубы.

Поступая на узел гидромеханической подготовки пульпы к обогащению 13 твердая часть пульпы измельчается до состояния высокодисперсной фазы водобуроугольной суспензии путем гидропомола на встречных струях пульпы струйной гидромельницы или гидроударной или кавитационной гидромельницы.

В процессе получения суспензии ее состав может корректироваться различными добавками, повышающими эффективность и производительность обогащения, путем, например, регулирования удельного веса целевых продуктов.

Приготовленная суспензия, содержащая сумму целевых продуктов в высодисперсной фазе, подается тангенциально в осадительно-седиментационный бассейн 14, имеющий форму усеченного конуса, при заполнении которого реализуется осадительная фаза обогащения путем ускоренного выпадения в осадок фракции I и II за счет гидроциклонного эффекта, а после заполнения которого реализуется седиментационная фаза обогащения путем последовательного осаждения после отстоя суспензии фракции III и IV, V, содержащих целевые продукты.

По мере осаждения фракций I-V осадки последовательно перекачиваются насосом 15 в накопительные емкости 16, откуда, при необходимости, продукты подаются в блок первичной химической переработки целевых продуктов 17.

Пример получения технико-экономического результата от использования изобретения при обогащении буроугольных продуктов скважинной гидродобычи, обладающих способностью фракционированной и избирательной седиментации, может быть представлен следующими соображениями, основанными на предыдущем опыте СГД и обогащении продуктов СГД.

При обработке в течение одного месяца двух выемочных камер возможно добыть до 3,2 тыс.т/мес буроугольного сырья (по твердому материалу).

В зависимости от качества добытого сырья при первичном обогащении в осадительно-седиментационном бассейне можно получить с выходом до 65% целевой продукт, обогащенный до 60% гуминовыми кислотами, и с выходом до 80% целевой продукт, обогащенный до 20% суммой веществ (битумы, смолы, воска). Путем первичной химической переработки целевых продуктов: экстрагированием щелочными растворами гуматов и экстрагированием бензином битума, смол, восков могут быть получены высоколиквидные товарные продукты:

- гуматы гранулированные стоимость до 100 тыс. руб./т;

- битум стоимость до 25 тыс. руб./т;

- монтан-воск (сырец) стоимость до 80 тыс. руб./т;

- смолистые вещества стоимость до 10 тыс. руб./т.

Месячный доход от реализации этих товарных продуктов может составлять до 50 млн руб./мес, соответственно, годовой доход - более 600 млн руб./год.

Изобретение относится к горнодобывающей и перерабатывающим отраслям промышленности. Способ гидромеханического обогащения включает бурение добычных скважин, гидромониторное разрушение полезного ископаемого в выемочных камерах залежи с переводом его в подвижное состояние в составе гидросмеси, гидроподъем по скважине на дневную поверхность из выемочных камер гидросмеси в виде пульпы, гидротранспортирование пульпы к месту обогащения, гравитационное обогащение полезного ископаемого в водной среде. Разрушение залежи производят в процессе формирования выемочной камеры с вертикальной осью симметрии в виде фигуры вращения: цилиндра, конуса или шара, создавая закрученный вокруг вертикальной оси симметрии круговой поток угольной гидросмеси и осаждая в созданном гидроциклоне инородные тяжелые включения и песок на дно выемочной камеры. Всас угольной гидросмеси осуществляют с уровня выше уровня осадка, производят трубопроводное турбулентное гидротранспортирование пульпы от выемочной камеры к месту ее подготовки к обогащению. Гидромеханическую обработку пульпы осуществляют с получением буроугольной суспензии. Целевые продукты получают в виде концентрата гуминовых кислот и концентрата битумов путем тангенциальной подачи потока буроугольной суспензии в конический бассейн-отстойник, заполнения бассейна-отстойника с последующим отстоем буроугольной суспензии и ступенчатой откачкой последовательно выпадающих в осадок высокодисперсных фракций с подачей их в разные накопительные емкости для сбора целевых продуктов и хвостов обогащения. Технологическая линия, реализующая данный способ, состоит из трех участков - скважинной гидродобычи, гидротранспортирования и обогащения - последовательно диспергирующих бурый уголь до тонины, обеспечивающей реализацию ступенчатого получения целевых продуктов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ гидромеханического обогащения буроугольных продуктов скважинной гидродобычи, включающий бурение добычных скважин, гидромониторное разрушение полезного ископаемого в выемочных камерах залежи с переводом его в подвижное состояние в составе гидросмеси, гидроподъем по скважине на дневную поверхность из выемочных камер гидросмеси в виде пульпы, гидротранспортирование пульпы к месту обогащения, гравитационное обогащение полезного ископаемого в водной среде, отличающееся тем, что гидромониторное разрушение залежи бурого угля производят в процессе формирования выемочной камеры с вертикальной осью симметрии в виде фигуры вращения: цилиндра, конуса или шара, создавая закрученный вокруг вертикальной оси симметрии круговой поток угольной гидросмеси и осаждая в созданном гидроциклоне инородные тяжелые включения и песок на дно выемочной камеры, осуществляя всас угольной гидросмеси с уровня выше уровня осадка, производят трубопроводное турбулентное гидротранспортирование пульпы от выемочной камеры к месту ее подготовки к обогащению, осуществляют гидромеханическую обработку пульпы с получением буроугольной суспензии и осадительно-седиментационное получение целевых продуктов химического сырья в виде концентрата гуминовых кислот и концентрата битумов путем тангенциальной подачи потока буроугольной суспензии в конический бассейн-отстойник, заполнения бассейна-отстойника с последующим отстоем буроугольной суспензии и ступенчатой откачкой последовательно выпадающих в осадок высокодисперсных фракций с подачей их в разные накопительные емкости для сбора целевых продуктов и хвостов обогащения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что целевые продукты и хвосты обогащения подаются в качестве химического сырья на первичную химическую переработку.

3. Технологическая линия для реализации способа по п. 1, включающая участок скважинной гидродобычи, участок гидротранспортирования и участок гидромеханического обогащения, причем в состав участка скважинной гидродобычи входят выемочные камеры, скважинный гидродобычной снаряд, скважина со скважинным оборудованием, наземный комплекс оборудования: буровая установка, насосно-компрессорное оборудование, энергоустановка, склад горюче-смазочных материалов, жилые вагон-дома, в состав участка гидротранспортирования входят насосная станция и пульпопровод, в состав участка гидромеханического обогащения входит оборудование для гравитационного обогащения полезного ископаемого в водной среде с накопителями целевых продуктов первичного обогащения на добычном полигоне, отличающаяся тем, что выемочная камера в глубокозалегающем буроугольном пласте выполнена в виде фигуры вращения: цилиндра, конуса, шара, скважинный гидродобычной снаряд снабжен тангенциальными гидромониторами, пульпопровод снабжен турбулизатором потока, в состав участка гидромеханического обогащения включены узел гидромеханической подготовки пульпы к обогащению путем приготовления буроугольной суспензии, конический осадительно-седиментационный бассейн-отстойник с насосом для последовательного подъема осаждаемых высокодисперсных фракций из состава дисперсной фазы буроугольной суспензии, накопительные емкости для целевых продуктов и хвостов обогащения и, при необходимости, блок первичной химической переработки целевых продуктов.

4. Технологическая линия по п. 3, отличающаяся тем, что в состав участка гидромеханического обогащения включен блок первичной химической переработки целевых продуктов.