Исследованиями последних лет установлено, что потенциальные ресурсы каменного угля в мировом масштабе оцениваются примерно в 16000 млрд т, причем извлекаемые запасы составляют около 730 млрд т. Доля угля в мировом топливном балансе электроэнергетики к 2030 г. прогнозируется до 44 %. Таким образом, в нынешнем столетии уголь будет оставаться важнейшим электроэнергетическим потенциалом планеты [9].
По объемам угледобычи Россия занимает пятое место в мире после Китая, США, Индии и Австралии. В последние годы Россия вышла на уровень добычи свыше 300 млн т в год. В недрах России сосредоточена треть мировых достоверных извлекаемых запасов угля (195 млрд т) и пятая часть разведанных запасов. Извлекаемые запасы на действующих предприятиях составляют почти 18 млрд т, в том числе коксующихся углей – около 4 млрд т, разведанных запасов угля хватит как минимум на 500 лет. Эти запасы являются основой экономической безопасности и стабильности России [3].
Уголь в России добывается в 25, а потребляется во всех 83 субъектах Федерации. Основные потребители угля на внутреннем рынке – это электростанции и коксохимические заводы. Крупнейшие угольные компании России в перспективе на ближайшее десятилетие (2010 – 2020 гг.) планируют сооружение новых углеобогатительных фабрик как в действующих угольных регионах, особенно в Кузбассе, так и на вновь осваиваемых угольных месторождениях и бассейнах с общей мощностью по переработке, с учетом модернизации действующих производств, до 100 млн т в год.
Основной и постоянной задачей угольной промышленности является повышение объемов угледобычи при минимальных расходах на модернизацию, создание новых способов переработки и использования угля при соблюдении экологических требований, в том числе защиты окружающей среды от загрязнений и снижения уровня парниковых газов.
Реализация этих задач требует разработки новых технологических и технических решений, основанных на отечественных и зарубежных научно-производственных достижениях в области горного дела, использования прогрессивных технологий и технических средств, достигнутых в других отраслях науки и техники.
К числу первоочередных задач, подлежащих решению в обозримой перспективе, относится повышение качества угольной продукции, которое на современном этапе возможно только с применением методов обогащения.
Среди наиболее прогрессивных технологий следует отметить гравитационные методы обогащения и флотацию. В настоящее время на углеобогатительных предприятиях применяется обогащение в тяжелосредных установках (тяжелосредные сепараторы и гидроциклоны), отсадочных машинах, спиральных сепараторах и флотационных машинах.
Тяжелосредные гидроциклоны применяются для обогащения углей с нижним пределом крупности 0,5 мм. Несмотря на относительно высокую точность разделения, их использование ограничено, поскольку требует высоких эксплуатационных затрат, а необходимость регенерации магнетитовой суспензии усложняет технологическую схему.
В последнее десятилетие на углеобогатительных фабриках России, перерабатывающих коксующиеся угли, устанавливают спиральные сепараторы. Это позволило значительно снизить нагрузку на флотационные отделения фабрик по твердому. Но, вместе с тем, уменьшилась средняя крупность частиц, поступающих на флотацию. Также, если присутствует в питании флотации глина, то критически ухудшаются показатели флотации, увеличивается расход флотореагентов и, соответственно, увеличивается себестоимость процесса обогащения. Помимо этого, недостатками спиральных сепараторов являются ограниченный диапазон плотности разделения 1550-2000 кг/м3, низкая эффективность обогащения частиц крупностью менее 0,15 мм.
Использование сепараторов с качающейся постелью дает возможность обогащения углей по низкой плотности разделения менее 1500 кг/м3. Однако, обогащение углей трудной обогатимости в этих сепараторах характеризуется низкой эффективностью.
По сравнению с другими методами гравитационного обогащения угля отсадка отличается относительной простотой, дешевизной и универсальностью, но для обогащения тонких шламов эффективность ее применения относительно низкая [7].
Несомненно, схемы с обогащением шламов крупностью 0,2 (0,3) – 1 мм гравитационными методами эффективны и экономичны. Однако, методы обогащения в тяжелосредных гидроциклонах и отсадочных машинах ограничены нижней крупностью материала 0,15 мм, методы с использованием водных циклонов, спиральных сепараторов и центрифугирования ограничены нижней крупностью 0,03 мм. Фактически, альтернативных флотации способов, позволяющих обогащать ультратонкий шлам крупностью менее 0,03 мм в промышленных масштабах, не существует. Флотация позволяет выделить ценный компонент в виде флотоконцентрата с низкой зольностью из мелкого угольного шлама, образующегося в процессах гравитационного обогащения и промывки углей.
В качестве флотационных реагентов в России используются полупродукты нефтепереработки и отходы нефтехимии. Аполярные реагенты используются в качестве собирателей: дизельное топливо, керосин, топливо ТС-1, термогазойль. В качестве пенообразователей – гетерополярные: Т-80 (полупродукт, образующийся при получении 1,3-диоксана), ВПП (полупродукт, образующийся при производстве 4,4-диметил-1,3-диоксана), КОБС (кубовые остатки производства бутилового спирта), КЭТГОЛ (кубовые остатки от производства 2-этилгексанола).
В настоящее время помимо традиционных собирателей и пенообразователей для флотационного обогащения углей используют комплексные флотореагенты. Так, в Кузбассе на некоторых фабриках применяется комплексный реагент собиратель КРС – смесь регенерированных нефтепродуктов (минеральных масел) с добавлением или без добавления керосиногазойлевых фракций переработки нефти, активирующих добавок для увеличения флотационной способности (масло Х) и присадок для понижения температуры замерзания.
Также ООО «Минерал» внедряет для флотации угольных шламов новые флотореагенты UnicolTM марок «С» и «F» на спиртовой основе. Причем флотореагент UnicolTM марки «С» обладает собирательными свойствами, а флотореагент марки «F» пенооборазующими свойствами. Эти флотореагенты смешиваются между собой в любых соотношениях и могут применяться как совместно, так и отдельно, в зависимости от конкретных условий. Оптимальное соотношение марок и дозировки определяются на этапе лабораторных и промышленных испытаний. При совместном использовании флотореагентов UnicolTM марок «С» и «F» достигается выраженный синергетический эффект. Флотореагенты UnicolTM флотируют все известные виды углей: газовые, жирные, коксовые, тощие, а также антрациты, образуют стабильную пену, которая хорошо обезвоживается [4].
Существенно повысить селективность процесса флотации позволяет использование реагентов – модификаторов, в качестве которых применяются органические и неорганические соединения. Так, применение сульфатов позволяет улучшить качественно-количественные показатели флотации, в частности повысить извлечение серы в отходы флотации. Данное обстоятельство вызвано повышением гидратированности поверхности пиритсодержащих примесей за счет образования водородных связей между координированными молекулами воды гидроксоаквакомплексов катионов исследуемых солей и молекулами воды жидкой фазы пульпы, что обеспечивает депрессию пиритсодержащих примесей углей при флотации [2, 5].
Целесообразно также использование в качестве реагентов – модификаторов органических соединений. Так, флотационные исследования с использованием сложных эфиров линейного строения, свидетельствуют о повышении селективности процесса при наличии изомерии в структуре вещества. Изомерия в структуре сложных эфиров способствует увеличению специфической компоненты межмолекулярного взаимодействия их молекул с угольными частицами вследствие смещения электронной плотности +I-типа от метильных групп к углеродным атомам главной цепи. Данное обстоятельство создаёт возможность специфического закрепления энергетически активного водорода на отрицательных сорбционных центрах угольной поверхности. В то же время наличие радикалов в углеводородной цепи молекул приводит к уменьшению неспецифической компоненты взаимодействия при их адсорбции на поверхности углей [1, 6, 8].
Анализ различных методов обогащения углей показал, что для более эффективного обогащения угольных шламов необходимо применение флотационных методов. Для повышения селективности флотационного процесса представляется целесообразным использование флотационных реагентов, способных к специфическому взаимодействию с угольным веществом.