POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOLOGII INSTYTUT GEOLOGII STOSOWANEJ

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

2. JAKOŚĆ WĘGLA W ZŁOŻUI PRODUKCIE HANDLOWYM

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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,

8. 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.

9. 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.

10. 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).

11. 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).

12. 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,

13. 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.

14. 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.

15. POLSKI PODZIAŁ WĘGLA KAMIENNEGO NA TYPYWG 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%.

16. 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 33 – węgiel gazowy, • – typ 34 – węgiel gazowo-koksowy, • – typ 35 – węgiel koksowy, • – typ 36 – węgiel metakoksowy, • – typ 37 – węgiel semikoksowy.

17. 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.

18. 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.

19. MIĘDZYNARODOWY SYSTEM KODYFIKACJI WĘGLA [ECE, GENEWA 1998]

20. 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).

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

22. 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.

23. MONITORING JAKOŚCI WĘGLA OD ZŁOŻA DO PRODUKTU HANDLOWEGO

24. ETAP I: ROZPOZNANIE ZMIAN JAKOŚCI WĘGLA W ZŁOŻU • (NA PODSTAWIE MAP PARAMETRÓW JAKOŚCIOWYCH) • Prześledzenie zmian jakości węgla odstadium rozpoznania: • otworami wiertniczymi (kategoria C2 i C1), • poprzezwyrobiska udostępniające i przygotowawcze (kategoria B), • doeksploatacyjnych (kategoria A). Mapy zawartości części lotnych Vdaf Kategoria C2 i C1 Kategoria B Kategoria A

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

26. ETAP II: WERYFIKACJA SZACOWANIA JAKOŚCI NA MAPACH Z WYNIKAMI OZNACZEŃ LABORATORYJNYCH Porównanie wyników szacowania i oznaczania laboratoryjnego wykazałow przypadkuniektórych parametrów dużą zgodność, w innych zaś zasadniczą rozbieżność, uniemożliwiającą w praktyce skuteczne szacowanie. Wobec tego zgrupowano parametry jakości w czterech grupach różniącychsię kolejno coraz mniejszą trafnością szacowania ich wartości w złożu. Do I grupy zaliczono średnią refleksyjność witrynitu oraz zawartośćsiarki całkowitej(szacowanie tych parametrów na mapie daje dobre rezultaty). DoII grupy zaliczono zawartość wilgoci i części lotnych, a także zdolnośćspiekaniaikontrakcję. Do III grupy zaliczono zawartośćpopiołu, wartość wskaźnika wolnego wydymaniaorazoznaczenia składu petrograficznego. Do IV grupy zaliczono ciepło spalania i dylatację (charakteryzujące się brakiemzgodności wyników szacowania i oznaczeń laboratoryjnych).

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

28. SCHEMAT IDEOWY PROCESU PRODUKCYJNEGO KWK

30. 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 wprodukcie końcowymjest wyraźnie obniżona jedynie względempokładu wysokopopiołowego. Wzbogacanie w cieczach ciężkich Wzbogacanie w osadzarkach miałowych Wzbogacanie w osadzarkach miałowych i hydrocyklonach oraz w procesie flotacji

31. Koncentrat uzyskany w procesie wzbogacania charakteryzuje się bowiem zawartością popiołu podobnie niską, jak w próbkach bruzdowych zpokładu 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

32. WNIOSKI 1.Monitoring jakości węgla w istotny sposób poprawia znajomość bazyzasobowej, aszczególnie jej parametrów jakościowych. Stwarza także podstawy do wypracowanianaukowych podstaw jej weryfikacji i umożliwia tym samym lepszą ochronę bazyzasobowej. 2. Przeprowadzony monitoring pozwolił wykazać rozbieżności w ocenie jakości węgla wzłożu, na kolejnych stadiach rozpoznania złoża – od rozpoznania otworami wiertniczymi poprzezwyrobiska udostępniającei przygotowawcze aż do eksploatacyjnych (kategorie C2 – A). 3.Wydaje się możliwe poprawienie wiarygodności rozpoznania jakości węgla w złożuw kategorii rozpoznania A. Można to uzyskać poprzez zwiększenie gęstości opróbowania oraz oznaczanie, oprócz dotychczas stosowanychparametrów, także stopniauwęglenia i składu petrograficznego.

33. 4.Niedostateczne rozpoznanie jakości węgla w złożu powodować może w konsekwencjidobór niewłaściwego lub nieefektywnego sposobu przeróbki węgla. Uwaga ta dotyczy przede wszystkim nieznacznego, względemwysokopopiolowego pokładu, obniżenia zawartości popiołu w produkcie handlowym. 5. Pełny monitoring (na drodze złoże – węgiel handlowy) umożliwia dokonanie ocenyskuteczności procesu przeróbczego zarówno w całości, jak i poszczególnych urządzeń („węzłów”). Lepsze rozpoznaniejakości węglaw złożu umożliwia bardziej efektywnydobór metod i procesu przeróbkiwęgla.