CHARAKTERYSTYKA ZŁOŻA JAKO ELEMENT PROGNOZOWANIA JAKOŚCI WYROBU cz. 3 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOLOGII INSTYTUT GEOLOGII STOSOWANEJ Krystian PROBIERZ CHARAKTERYSTYKA ZŁOŻA JAKO ELEMENT PROGNOZOWANIA JAKOŚCI WYROBU cz. 3

JAKOŚĆ WĘGLA W ZŁOŻU I PRODUKCIE HANDLOWYM

Różnorodne kierunki wykorzystania węgla wymagają oceny jego jakości w oparciu o metody chemiczno-technologiczne. Uzyskane tymi metodami wskaźniki, zwane parametrami jakości węgla, mogą mieć charakter uniwersalny, niezależny od przeznaczenia i kierunku wykorzystywania węgla (np. zawartość popiołu i wilgoci) lub też są to wskaźniki o charakterze specjalnym ściśle określające przeznaczenie węgla i jego wykorzystanie w procesach technologicznych (np. zdolność spiekania RI dla węgla koksowego). Parametry te, można w sposób umowny podzielić na pięć grup: I. wskaźniki analizy technicznej, II. wskaźniki analizy elementarnej, III. wskaźniki analizy grupowej, IV. wskaźniki własności koksowniczych i produktów koksowania, V. wskaźniki fizyczne.

I. WSKAŹNIKI ANALIZY TECHNICZNEJ Wskaźniki charakteryzujące ogólne cechy węgla: zawartość wilgoci W, zawartość popiołu A, zawartość części lotnych V – lotne produkty rozkładu węgla, który podczas prażenia bez dostępu powietrza w temp. 850 oC przechodzi w ciągu 7 min. w stan lotny, ciepło spalania Qs – ilość ciepła wydzielająca się przy całkowitym spalaniu węgla w bombie kalorymetrycznej w atmosferze tlenu, wartość opałowa Qi – ciepło spalania pomniejszone o ciepło parowania wody wydzielonej z węgla podczas jego spalania.

II. WSKAŹNIKI ANALIZY ELEMENTARNEJ Wskaźniki charakteryzujące skład pierwiastkowy (elementarny) węgla – zawartość podstawowych składników masy organicznej wyrażonej w % w przeliczeniu na substancję bezwodną i bezpopiołową: zawartość węgla organicznego C, zawartość wodoru organicznego H, zawartość tlenu O, zawartość azotu organicznego N, zawartość siarki S, zawartość fosforu P, zawartość chloru Cl.

III. WSKAŹNIKI ANALIZY GRUPOWEJ Wskaźniki charakteryzujące rozdział heteromolekularnych substancji (do jakich zalicza się węgiel) na składniki grupowe: zawartość bituminów B, zawartość kwasów huminowych HA, zawartość ligniny L, zawartość celulozy Cel.

IV. WSKAŹNIKI WŁASNOŚCI KOKSOWNICZYCH Wskaźniki charakteryzujące zachowanie się i własności technologiczne węgla przy jego rozkładzie termicznym: zdolność spiekania RI (Roga Index) – oznaczana poprzez ogrzewanie (koksowanie) w temp. 500 oC (przy stałym ciśnieniu bez dostępu powietrza) mieszanki 1 g węgla i 5 g wzorcowego antracytu. Otrzymana pozostałość (koks) poddawana jest próbie na wytrzymałość mechaniczną, wskaźnik wolnego wydymania SI (Swelling Index) – wzrost objętości plastycznej masy węgla ogrzewanego w zamkniętym tyglu w sposób umożliwiający swobodne rozszerzanie się uplastycznionego węgla,

własności dylatometryczne: - kontrakcja a – zmiana objętości (skurcz) słupka węglowego podczas powolnego ogrzewania przy stałym ciśnieniu w pionowej rurze stalowej, - dylatacja b – zmiana objętości (rozszerzanie) słupka węglowego podczas powolnego ogrzewania przy stałym ciśnieniu w pionowej rurze stalowej, ciśnienie rozprężania Pmax, wychód prasmoły TK.

V. WSKAŹNIKI FIZYCZNE gęstość pozorna da, gęstość rzeczywista dr, wskaźniki mechaniczne - wytrzymałość mechaniczna na ściskanie Rc, - podatność przemiałowa GrH, wskaźniki optyczne - wartość średniej refleksyjności witrynitu Rr – zdolność odbicia światła od powierzchni kolotelinitu w środowisku imersyjnym.

Oprócz metod chemiczno-technologicznych w określaniu jakości węgla stosuje się metody petrograficzne służące oznaczeniu składu petrograficznego węgla: zawartość witrynitu Vtmmf, zawartość liptynitu Lmmf, zawartość inertynitu Immf, zawartość substancji mineralnej SM (MM – mineral matter).

Wyróżnia się sześć stanów węgla: roboczy r Każdy parametr opatrzony jest górnym i dolnym indeksem pomocniczym informującym o stanie paliwa, przy którym oznaczono wartość danego wskaźnika. Wyróżnia się sześć stanów węgla: roboczy r – stan z taką zawartością wilgoci i popiołu, jaką miał węgiel, z którego pobrano próbkę, analityczny a – stan z taką zawartością wilgoci i popiołu, jaką ma próbka doprowadzona do stanu równowagi z wilgocią atmosferyczną, suchy d (dry) – stan nie zawierający wilgoci całkowitej, suchy i bezpopiołowy daf (dry, ash free) – stan nie zawierający wilgoci całkowitej i popiołu, organiczny – stan nie zawierający wilgoci całkowitej i substancji organicznej, bez substancji mineralnej mmf (mineral matter free).

Normy dotyczące pobierania i przygotowania próbek do analiz Parametry jakości węgla oznacza się według norm krajowych (PN) i międzynarodowych (ISO): Normy dotyczące pobierania i przygotowania próbek do analiz PN-81/G-04501. Węgiel kamienny. Próbki pokładowe. Pobieranie i przygotowanie do analizy chemicznej, PN-G-04501. Węgiel kamienny i antracyt. Pobieranie próbek pokładowych i bruzdowych, PN-90/G-04502. Węgiel kamienny i brunatny. Metody pobierania i przygotowania próbek do badań laboratoryjnych, Normy dotyczące oznaczania wskaźników analizy technicznej PN-80/G-04511. Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości wilgoci, PN-91/G-04512. Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości popiołu metodą wagową, PN-G-04516. Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości części lotnych metodą wagową, PN-81/G-04513. Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania,

Normy dotyczące oznaczania składu petrograficznego Normy dotyczące oznaczania wskaźników analizy elementarnej PN-81/G-04514.02. Oznaczanie zawartości siarki całkowitej metodą spalania w wysokiej temperaturze z miareczkowaniem alkalimetrycznym, Normy dotyczące oznaczania wskaźników własności koksowniczych i produktów koksowania PN-81/G-04518. Węgiel kamienny. Oznaczanie zdolności spiekania metodą Rogi, PN-81/G-04515. Węgiel kamienny. Oznaczanie wskaźnika wolnego wydymania, PN-81/G-04517. Węgiel kamienny. Oznaczanie wskaźników dylatometrycznych, Normy dotyczące oznaczania składu petrograficznego PN–92/G–04563. Węgiel kamienny. Analiza petrograficzna. Przygotowanie próbek węgla do badań mikroskopowych, PN–92/G–04524. Węgiel kamienny. Analiza petrograficzna. Oznaczanie refleksyjności witrynitu, PN–92/G–04529. Węgiel kamienny. Analiza petrograficzna. Oznaczanie zawartości macerałów, grup macerałów i substancji mineralnej, PN–93/G–04564. Węgiel kamienny. Analiza petrograficzna. Oznaczanie zawartości mikrolitotypów, karbominerytu i skały płonnej.

Próby jednolitego oznaczenia jakości węgla znajdują swoje odbicie w PN-82G-97002, która określa tzw. typ technologiczny węgla. Norma ta opiera się jednakże na zaledwie sześciu parametrach: zawartość części lotnych Vdaf, zdolność spiekania RI (Roga Index), dylatacja b, wskaźnik wolnego wydymania SI (Swelling Index), ciepło spalania Qsdaf, zawartość inertynitu Immf.

POLSKI PODZIAŁ WĘGLA KAMIENNEGO NA TYPY WG PN-82/G-97002 1) Uzupełniającym parametrem rozróżniającym węgiel typów 35.2A i 35.2B jest zawartość inertynitu, która w węglu typu 35.2A nie powinna przekraczać 30%.

węgiel do celów energetycznych: – typ 31 – węgiel płomienny, Przedziały wartości poszczególnych parametrów pozwalają określić przydatność i zastosowanie węgla. Pod względem możliwości użytkowania węgiel dzieli się generalnie na dwie grupy: węgiel do celów energetycznych: – typ 31 – węgiel płomienny, – typ 32 – węgiel gazowo-płomienny, – typ 33 – węgiel gazowy, – typ 38 – węgiel chudy, – typ 41 – węgiel antracytowy, – typ 42 – antracyt, – typ 43 – metaantracyt, węgiel do przetwórstwa chemicznego: – typ 34 – węgiel gazowo-koksowy, – typ 35 – węgiel koksowy, – typ 36 – węgiel metakoksowy, – typ 37 – węgiel semikoksowy.

Do głównych kierunków użytkowania węgla należą: spalanie, zgazowanie, odgazowanie (koksowanie i wytlewanie), otrzymywanie koksu foremnego, paliw bezdymnych oraz wyrobów z węgla i grafitu, otrzymywanie paliw płynnych (upłynnianie), otrzymywanie węgla wtryskowego (PCI - Pulverized Coal Injection) łagodne utlenianie węgla, utylizacja odpadów przywęglowych i produktów spalania.

W standardach międzynarodowych (Międzynarodowy system kodyfikacji węgla ECE, Genewa 1998) uwzględnia się ponadto wartość średniej refleksyjności witrynitu Rr, skład petrograficzny (zawartość Vtmmf, Lmmf, Immf), zawartość popiołu Ad, zawartość siarki całkowitej Std.

MIĘDZYNARODOWY SYSTEM KODYFIKACJI WĘGLA [ECE, GENEWA 1998]

Te same parametry znajdują także zastosowanie w międzynarodowej klasyfikacji węgla w pokładzie (International Classification Of Seam Coals. Economic Commission For Europe, Committee On Energy, 1995, 2001).

ZADANIA GEOLOGA KOPALNIANEGO Przeprowadzanie obserwacji w wyrobiskach górniczych (kartowanie wyrobisk), Pobieranie próbek w złożu, Interpretacja wyników badań laboratoryjnych, Określenie jakości kopaliny i określenie jej użyteczności w obrębie złoża, Aktualizacja dokumentów faktograficznych (mapy, przekroje itp.) Prowadzenie dokumentacji złoża (Dokumentacja Geologiczna, Projekt Zagospodarowania Złoża, Plan Ruchu Zakładu Górniczego, Operaty Ewidencyjne Zasobów itp.)

Według danych literaturowych i praktyki przemysłowej, rzadko śledzi się zmiany jakości kopaliny urobionej (tzw. węgla surowego) poza złożem tj. podczas odstawy i transportu oraz wskutek łączenia poszczególnych nitek produkcyjnych. Kontrola jakości urobku dostarczanego do zakładu przeróbczego (tzw. nadawy), kontrola jakości urobku w newralgicznych węzłach procesu przeróbczego (półprodukty) oraz kontrola jakości koncentratu w produkcie końcowym nie należy w zasadzie do zadań geologa lecz do zadań działu przeróbczego kopalni. Uzyskanie pełnej wiedzy o zmianach jakości węgla wymusza na geologu kopalnianym śledzenie zmian parametrów (wskaźników) jakościowych na wszystkich etapach produkcji węgla. Służy temu odpowiednio przeprowadzony MONITORING jakości węgla na drodze złoże – węgiel handlowy.

MONITORING JAKOŚCI WĘGLA OD ZŁOŻA DO PRODUKTU HANDLOWEGO

ETAP I: ROZPOZNANIE ZMIAN JAKOŚCI WĘGLA W ZŁOŻU (NA PODSTAWIE MAP PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH) Prześledzenie zmian jakości węgla od stadium rozpoznania: otworami wiertniczymi (kategoria C2 i C1), poprzez wyrobiska udostępniające i przygotowawcze (kategoria B), do eksploatacyjnych (kategoria A). Mapy zawartości części lotnych Vdaf Kategoria C2 i C1 Kategoria B Kategoria A

Mapa typów węgla według PN82/G–97002. Kategoria A.

ETAP II: WERYFIKACJA SZACOWANIA JAKOŚCI NA MAPACH Z WYNIKAMI OZNACZEŃ LABORATORYJNYCH Porównanie wyników szacowania i oznaczania laboratoryjnego wykazało w przypadku niektórych parametrów dużą zgodność, w innych zaś zasadniczą rozbieżność, uniemożliwiającą w praktyce skuteczne szacowanie. Wobec tego zgrupowano parametry jakości w czterech grupach różniących się kolejno coraz mniejszą trafnością szacowania ich wartości w złożu. Do I grupy zaliczono średnią refleksyjność witrynitu oraz zawartość siarki całkowitej (szacowanie tych parametrów na mapie daje dobre rezultaty). Do II grupy zaliczono zawartość wilgoci i części lotnych, a także zdolność spiekania i kontrakcję. Do III grupy zaliczono zawartość popiołu, wartość wskaźnika wolnego wydymania oraz oznaczenia składu petrograficznego. Do IV grupy zaliczono ciepło spalania i dylatację (charakteryzujące się brakiem zgodności wyników szacowania i oznaczeń laboratoryjnych).

ETAP III: ZMIANY JAKOŚCI WĘGLA W PROCESIE PRODUKCYJNYM (PÓŁPRODUKTY I WĘGIEL HANDLOWY)

SCHEMAT IDEOWY PROCESU PRODUKCYJNEGO KWK

P3 K P4 K NP4 K Symbol próbki Wielkość ziaren, [mm] Opis próbki 31 – Próbka bruzdowa, pokład 403/1, ściana nr VII, chodnik 54 (nadścianowy) 32 Próbka bruzdowa, pokład 403/1, ściana nr VII, chodnik 56 (podścianowy) 61 Próbka bruzdowa, pokład 406/3, ściana nr XV, chodnik 32 (nadścianowy) 62 Próbka bruzdowa, pokład 406/3, ściana nr XV, chodnik 27 (podścianowy) 151 Próbka bruzdowa, pokład 415/2, ściana nr X, chodnik 40 (nadścianowy) 152 Próbka bruzdowa, pokład 415/2, ściana nr X, chodnik 20 (podścianowy) S1 Węgiel surowy, sortownia, przenośnik taśmowy nr 1 S2 0–200 Węgiel surowy, sortownia, przesyp między przenośnikami taśmowymi nr 22 i 23 P1 0–20 Miał surowy, płuczka P2 20–200 Węgiel surowy, płuczka P3 K Koncentrat węglowy, płuczka, WĘGIEL HANDLOWY P4 K 2–20 Miał wzbogacony (miał płukany), płuczka, WĘGIEL HANDLOWY NP1 Miał surowy NP2 Miał wzbogacony (miał płukany) NP6 0–2 Nadawa do wzbogacania w płuczce hydrocyklonowej NP5 Odwodniony koncentrat węglowy z hydrocyklonu klasyfikującego HC 500 NP7 0–1 Nadawa na flotację, przelew z hydrocyklonu klasyfikującego HC 500 NP3 Odwodniony flotokoncentrat wraz z koncentratem węglowym z hydrocyklonu klasyfikującego HC  500 NP4 K Koncentrat zbiorczy, WĘGIEL HANDLOWY

Wzbogacanie w cieczach ciężkich Wzbogacanie w osadzarkach miałowych Porównując zawartość popiołu w produkcie handlowym z jego zawartością w próbkach bruzdowych zauważono, że nie zawsze jest ona niższa. W przypadku produkcji „węgla handlowego” z mieszanki węgli z dwóch pokładów wykazano, iż zawartość popiołu w produkcie końcowym jest wyraźnie obniżona jedynie względem pokładu wysokopopiołowego. Wzbogacanie w cieczach ciężkich Wzbogacanie w osadzarkach miałowych Wzbogacanie w osadzarkach miałowych i hydrocyklonach oraz w procesie flotacji

Wzbogacanie w cieczach ciężkich Wzbogacanie w osadzarkach miałowych Koncentrat uzyskany w procesie wzbogacania charakteryzuje się bowiem zawartością popiołu podobnie niską, jak w próbkach bruzdowych z pokładu niskopopiołowego. Wydaje się zatem celowe i możliwe wzbogacanie węgla tylko z pokładu wysokopopiołowego. Wzbogacanie w cieczach ciężkich Wzbogacanie w osadzarkach miałowych Wzbogacanie w osadzarkach miałowych i hydrocyklonach oraz w procesie flotacji

WNIOSKI 1. Monitoring jakości węgla w istotny sposób poprawia znajomość bazy zasobowej, a szczególnie jej parametrów jakościowych. Stwarza także podstawy do wypracowania naukowych podstaw jej weryfikacji i umożliwia tym samym lepszą ochronę bazy zasobowej. 2. Przeprowadzony monitoring pozwolił wykazać rozbieżności w ocenie jakości węgla w złożu, na kolejnych stadiach rozpoznania złoża – od rozpoznania otworami wiertniczymi poprzez wyrobiska udostępniające i przygotowawcze aż do eksploatacyjnych (kategorie C2 – A). 3. Wydaje się możliwe poprawienie wiarygodności rozpoznania jakości węgla w złożu w kategorii rozpoznania A. Można to uzyskać poprzez zwiększenie gęstości opróbowania oraz oznaczanie, oprócz dotychczas stosowanych parametrów, także stopnia uwęglenia i składu petrograficznego.

4. Niedostateczne rozpoznanie jakości węgla w złożu powodować może w konsekwencji dobór niewłaściwego lub nieefektywnego sposobu przeróbki węgla. Uwaga ta dotyczy przede wszystkim nieznacznego, względem wysokopopiolowego pokładu, obniżenia zawartości popiołu w produkcie handlowym. 5. Pełny monitoring (na drodze złoże – węgiel handlowy) umożliwia dokonanie oceny skuteczności procesu przeróbczego zarówno w całości, jak i poszczególnych urządzeń („węzłów”). Lepsze rozpoznanie jakości węgla w złożu umożliwia bardziej efektywny dobór metod i procesu przeróbki węgla.