A preparação do carvão é o processo pelo qual o carvão ROM bruto é transformado em um produto de carvão limpo vendável de tamanho e qualidade consistentes especificados pelo consumidor. O uso final do carvão cai nas seguintes categorias gerais:

• Geração da eletricidade: O carvão é queimado para fornecer calor para mover turbinas que geram eletricidade.
• Fabricação de ferro e aço: O carvão é aquecido em fornos, na ausência de ar, para expulsar os gases (matéria volátil) para a produção de coque. O coque é usado no alto-forno para fazer ferro e aço. O carvão também pode ser adicionado diretamente ao alto-forno como no processo de injeção de carvão pulverizado (PCI).
• Industrial: O carvão é usado na indústria metalúrgica como um redutor, onde seu conteúdo de carbono é usado para remover o oxigênio (redutor) em um processo metalúrgico.
• Aquecimento: O carvão pode ser usado domesticamente e industrialmente como combustível para aquecimento de ambientes. Também é usado como combustível em fornos secos para a fabricação de cimento.

Esmagamento e Quebra

O carvão run-of-mine da mina precisa ser triturado até um tamanho superior aceitável para tratamento na planta de preparação. Dispositivos típicos de esmagamento e quebra são:

• Disjuntores do alimentador: Um tambor de rotação equipado com picaretas que fraturam o carvão. O carvão é entregue por um transportador raspador e o tambor gira na mesma direção do fluxo de carvão. Os disjuntores alimentadores são comumente usados ​​no subsolo, no entanto, existem alguns em uso na superfície no circuito de preparação de carvão.
• Demolidores rotativos: O circuito do disjuntor de um invólucro fixo externo com um tambor rotativo interno equipado com placas perfuradas. A velocidade de rotação típica do tambor é de 12 a 18 rpm. Placas levantadoras pegam o carvão de mina que então cai ao longo do diâmetro do tambor. O carvão mais macio quebra e passa pelas perfurações enquanto a rocha mais dura é transportada para a saída. O rompedor rotativo atinge duas funções, redução de tamanho e beneficiamento por remoção de rocha.
• Trituradores de rolos: Os trituradores de rolos podem consistir em um único rolo giratório e uma bigorna estacionária (placa) ou dois rolos girando na mesma velocidade um em relação ao outro. As faces dos rolos são geralmente dentadas ou onduladas. Uma forma comum de britador é o britador de dois estágios ou quádruplo, em que o produto do primeiro britador de rolo duplo cai no segundo britador de rolo duplo definido em uma abertura menor, com o resultado de que uma redução em grande escala pode ser alcançada em uma máquina . Uma aplicação típica seria a britagem de material de mina até 50 mm.

Às vezes, a trituração é usada após o processo de limpeza do carvão, quando o carvão de grande porte é triturado para atender aos requisitos do mercado. Trituradores de rolos ou moinhos de martelo são geralmente usados. O moinho de martelos consiste em um conjunto de martelos de giro livre girando em um eixo que atinge o carvão e o lança contra uma placa fixa.

Dimensionamento

O carvão é dimensionado antes e depois do processo de beneficiamento (limpeza). Diferentes processos de limpeza são usados ​​em diferentes tamanhos de carvão, de modo que o carvão bruto ao entrar na planta de preparação de carvão seja peneirado (peneirado) em três ou quatro tamanhos, que então passam pelo processo de limpeza apropriado. O processo de peneiramento geralmente é realizado por peneiras vibratórias retangulares com uma malha ou placa perfurada. Em tamanhos abaixo de 6 mm, a triagem úmida é usada para aumentar a eficiência da operação de dimensionamento e em tamanhos abaixo de 0.5 mm, uma tela curva estática (dobra da peneira) é colocada antes da peneira vibratória para melhorar a eficiência.

Após o processo de beneficiamento, o carvão limpo às vezes é dimensionado por triagem em uma variedade de produtos para os mercados de carvão industrial e doméstico. O dimensionamento de carvão limpo raramente é usado para carvão para geração de eletricidade (carvão térmico) ou para fabricação de aço (carvão metalúrgico).

Armazenamento e armazenamento

O carvão é normalmente armazenado e armazenado em três pontos na cadeia de preparação e manuseio:

1. armazenamento e estocagem de carvão bruto entre a mina e a planta de preparação
2. armazenamento e empilhamento de carvão limpo entre a planta de preparação e o ponto de carregamento ferroviário ou rodoviário
3. armazenamento de carvão limpo em portos que podem ou não ser controlados pela mina.

Normalmente, o armazenamento de carvão bruto ocorre após a britagem e geralmente assume a forma de pilhas abertas (cônicas, alongadas ou circulares), silos (cilíndricos) ou bunkers. É comum que a mistura de costuras seja realizada nesta etapa para fornecer um produto homogêneo à planta de preparação. A mistura pode ser tão simples quanto depositar sequencialmente diferentes carvões em uma pilha cônica até operações sofisticadas usando transportadores empilhadores e recuperadoras de roda de caçamba.

O carvão limpo pode ser armazenado de várias maneiras, como depósitos abertos ou silos. O sistema de armazenamento de carvão limpo é projetado para permitir o carregamento rápido de vagões ou caminhões rodoviários. Os silos de carvão limpo são geralmente construídos sobre uma via férrea, permitindo que trens unitários de até 100 vagões sejam puxados lentamente para baixo do silo e enchidos com um peso conhecido. A pesagem em movimento é geralmente usada para manter uma operação contínua.

Existem perigos inerentes aos carvões armazenados. Os estoques podem ser instáveis. Andar sobre os estoques deve ser proibido porque podem ocorrer colapsos internos e porque a recuperação pode começar sem aviso prévio. A limpeza física de bloqueios ou bloqueios em bunkers ou silos deve ser tratada com o maior cuidado, pois o carvão aparentemente estável pode escorregar repentinamente.

Limpeza de Carvão (Beneficiamento)

O carvão bruto contém material de carvão “puro” a rocha com uma variedade de materiais intermediários, com densidades relativas variando de 1.30 a 2.5. O carvão é limpo separando o material de baixa densidade (produto vendável) do material de alta densidade (rejeito). A densidade exata de separação depende da natureza do carvão e da especificação de qualidade do carvão limpo. É impraticável separar o carvão fino com base na densidade e, como resultado, 0.5 mm de carvão bruto é separado por processos que usam a diferença nas propriedades superficiais do carvão e da rocha. O método usual empregado é a flotação por espuma.

Separação de densidade

Existem dois métodos básicos empregados, sendo um deles um sistema que usa água, onde o movimento do carvão bruto na água faz com que o carvão mais leve tenha uma aceleração maior do que a rocha mais pesada. O segundo método é imergir o carvão bruto em um líquido com uma densidade entre o carvão e a rocha, fazendo com que o carvão flutue e a rocha afunde (separação do meio denso).

Os sistemas que utilizam água são os seguintes:

• Gabaritos: Nesta aplicação, o carvão bruto é introduzido em um banho pulsante de água. O carvão bruto é movido através de uma placa perfurada com água pulsando através dela. Um leito estratificado de material é estabelecido com a rocha mais pesada no fundo e o carvão mais leve no topo. Na extremidade de descarga, o refugo é removido do carvão limpo. As faixas de tamanho típicas tratadas em um gabarito são de 75 mm a 12 mm. Existem gabaritos de carvão fino de aplicação especial que usam uma cama artificial de rocha de feldspato.
• Tabelas de concentração: Uma mesa de concentração consiste em uma plataforma de borracha estriada transportada em um mecanismo de suporte, conectado a um mecanismo de cabeça que transmite um movimento alternativo rápido em uma direção paralela às espingardas. A inclinação do slide da mesa pode ser ajustada. Um fluxo cruzado de água é fornecido por meio de uma calha montada ao longo do lado superior do convés. A alimentação entra logo à frente do abastecimento de água e é espalhada sobre o deck da mesa por movimento diferencial e fluxo gravitacional. As partículas de carvão bruto são estratificadas em zonas horizontais (ou camadas). O carvão limpo transborda do lado inferior da mesa e o descarte é removido do outro lado. As mesas operam na faixa de tamanho 5 ´ 0.5 mm.
• Espirais: O tratamento de finos de carvão com espirais utiliza um princípio segundo o qual o carvão fino bruto é transportado por um caminho espiral em um fluxo de água e as forças centrífugas direcionam as partículas de carvão mais leves para fora do fluxo e as partículas mais pesadas para dentro. Um dispositivo divisor na extremidade de descarga separa o carvão fino do refugo fino. As espirais são usadas como dispositivo de limpeza em frações de tamanho de 2 mm ´ 0.1 mm.
• Ciclones só de água: O carvão bruto transportado pela água é alimentado tangencialmente sob pressão em um ciclone, resultando em um efeito de redemoinho e forças centrífugas movem o material mais pesado para a parede do ciclone e de lá são transportados para o underflow no ápice (ou espigão). As partículas mais leves (carvão) permanecem no centro do vórtice do redemoinho e são removidas para cima por meio de um tubo (localizador de vórtice) e se reportam ao transbordamento. A densidade exata da separação pode ser ajustada variando a pressão, o comprimento e o diâmetro do localizador de vórtice e o diâmetro do ápice. O ciclone somente com água normalmente trata materiais na faixa de tamanho de 0.5 mm ´ 0.1 mm e é operado em dois estágios para melhorar a eficiência da separação.

O segundo tipo de separação de densidade é o meio denso. Em um líquido pesado (meio denso), as partículas com densidade menor que o líquido (carvão) irão flutuar e aquelas com densidade maior (rocha) irão afundar. A aplicação industrial mais prática de um meio denso é uma suspensão finamente moída de magnetita em água. Isto tem muitas vantagens, nomeadamente:

• A mistura é benigna, em comparação com fluidos inorgânicos ou orgânicos.
• A densidade pode ser ajustada rapidamente variando a relação magnetita/água.
• A magnetita pode ser facilmente reciclada removendo-a dos fluxos de produtos com separadores magnéticos.

Existem duas classes de separadores de meio denso, o separador do tipo banho ou vaso para carvão grosso na faixa de 75 mm 12 mm e o separador de carvão de limpeza do tipo ciclone na faixa de 5 mm ´ 0.5 mm.

Os separadores do tipo banho podem ser banhos profundos ou rasos, onde o material flutuante é transportado sobre a borda do banho e o material da pia é extraído do fundo do banho por uma corrente raspadora ou roda de pás.

O separador do tipo ciclone aumenta as forças gravitacionais com forças centrífugas. A aceleração centrífuga é cerca de 20 vezes maior do que a aceleração da gravidade agindo sobre as partículas no separador de banho (esta aceleração se aproxima de 200 vezes maior do que a aceleração da gravidade no ápice do ciclone). Essas grandes forças são responsáveis ​​pelo alto rendimento do ciclone e sua capacidade de tratar carvão pequeno.

Os produtos dos separadores de meio denso, nomeadamente carvão limpo e refugo, passam por filtros de drenagem e lavagem onde o meio de magnetite é removido e devolvido aos separadores. A magnetita diluída das telas de enxágue passa por separadores magnéticos para recuperar a magnetita para reutilização. Os separadores magnéticos consistem em cilindros rotativos de aço inoxidável contendo ímãs cerâmicos fixos montados no eixo estacionário do tambor. O tambor é imerso em um tanque de aço inoxidável contendo a suspensão de magnetita diluída. À medida que o tambor gira, a magnetita adere à área próxima aos ímãs internos fixos. A magnetita é transportada para fora do banho e do campo magnético e cai da superfície do tambor por meio de um raspador para um tanque de estoque.

Ambos os medidores de densidade nuclear e analisadores nucleares on-stream são usados ​​em plantas de preparação de carvão. Devem ser observadas as precauções de segurança relativas aos instrumentos de fonte de radiação.

Flotação de espuma

A flotação de espuma é um processo físico-químico que depende da fixação seletiva de bolhas de ar às superfícies das partículas de carvão e da não fixação de partículas de refugo. Este processo envolve o uso de reagentes adequados para estabelecer uma superfície hidrofóbica (repelente à água) nos sólidos a serem flotados. As bolhas de ar são geradas dentro de um tanque (ou célula) e, à medida que sobem para a superfície, as partículas finas de carvão revestidas com reagente aderem à bolha, o refugo não-carvão permanece no fundo da célula. A espuma de carvão é removida da superfície por pás e é então desidratada por filtração ou centrifugação. O refugo (ou rejeitos) passa para uma caixa de descarga e geralmente é engrossado antes de ser bombeado para uma bacia de represamento de rejeitos.

Os reagentes usados ​​na flotação de carvão são geralmente espumantes e coletores. Os espumadores são usados ​​para facilitar a produção de uma espuma estável (isto é, espumas que não se desfazem). São produtos químicos que reduzem a tensão superficial da água. O espumante mais comumente usado na flotação de carvão é o metil isobutil carbinol (MIBC). A função de um coletor é promover o contato entre as partículas de carvão e as bolhas de ar formando uma fina camada sobre as partículas a serem flotadas, o que torna a partícula repelente à água. Ao mesmo tempo o coletor deve ser seletivo, ou seja, não deve revestir as partículas que não serão flotadas (ou seja, os rejeitos). O coletor mais utilizado na flotação de carvão é o óleo combustível.

Briquetagem

A briquetagem de carvão tem uma longa história. No final dos anos 1800, o carvão fino relativamente inútil ou a sobra foi comprimido para formar um “combustível de patente” ou briquete. Este produto era aceitável para os mercados doméstico e industrial. Para formar um briquete estável, era necessário um aglutinante. Geralmente alcatrões de carvão e piche eram usados. A indústria de briquetagem de carvão para o mercado interno está em declínio há alguns anos. No entanto, houve alguns avanços em tecnologia e aplicações.

Os carvões de baixa classificação com alta umidade podem ser atualizados por secagem térmica e subsequente remoção de uma porção da umidade inerente ou “bloqueada”. No entanto, o produto desse processo é friável e sujeito à reabsorção de umidade e à combustão espontânea. A briquetagem de carvão de baixa classificação permite a produção de um produto estável e transportável. A briquetagem também é utilizada na indústria de antracite, onde produtos de grande porte têm um preço de venda significativamente mais alto.

A briquetagem de carvão também tem sido usada em economias emergentes, onde os briquetes são usados ​​como combustível para cozinhar em áreas rurais. O processo de fabricação geralmente envolve uma etapa de desvolatilização em que o excesso de gás ou matéria volátil é removido antes da briquetagem para produzir um combustível doméstico “sem fumaça”.

O processo de briquetagem, portanto, geralmente tem as seguintes etapas:

• Secagem do carvão: O teor de umidade é crítico porque tem impacto na resistência do briquete. Os métodos usados ​​são a secagem direta (secador flash usando gás quente) e secagem indireta (secador de disco usando calor de vapor).
• Devolatilizante: Isso só é aplicável a carvões altamente voláteis de baixa classificação. O equipamento utilizado é uma retorta ou um forno de coque tipo colméia.
• Trituração: O carvão é frequentemente esmagado porque um tamanho de partícula menor resulta em um briquete mais forte.
• Aglutinantes: Os aglutinantes são necessários para garantir que o briquete tenha resistência adequada para suportar o manuseio normal. Os tipos de ligantes que têm sido usados ​​são piche de coqueria, asfalto de petróleo, lignossulforato de amônio e amido. A taxa de adição típica é de 5 a 15% em peso. O carvão fino e o aglutinante são misturados em um moinho pug ou misturador de pás a uma temperatura elevada.
• Fabricação de briquetes: A mistura de carvão e aglutinante é alimentada a uma prensa de rolo duplo com superfícies recortadas. Uma variedade de formas de briquete pode ser feita dependendo do tipo de indentação do rolo. A forma mais comum de briquete é a forma de travesseiro. A pressão aumenta a densidade aparente da mistura carvão-aglutinante de 1.5 a 3 vezes.
• Cobertura e cozimento: Com alguns ligantes (lignossulforato de amônio e asfalto de petróleo) é necessário um tratamento térmico na faixa de 300°C para endurecer os briquetes. O forno de tratamento térmico é um transportador fechado e aquecido com gases quentes.
• Resfriamento/têmpera: O forno de resfriamento é um transportador fechado com passagem de ar recirculante para reduzir a temperatura do briquete a uma condição ambiente. Os gases residuais são coletados, purificados e descarregados na atmosfera. A têmpera com água às vezes é usada para resfriar os briquetes.

A briquetagem de carvão marrom macio com alto teor de umidade de 60 a 70% é um processo um pouco diferente do descrito acima. Os carvões marrons são frequentemente atualizados por briquetagem, que envolve trituração, peneiramento e secagem do carvão até aproximadamente 15% de umidade e extrusão por prensagem sem aglutinante em compactos. Grandes quantidades de carvão são tratadas dessa forma na Alemanha, Índia, Polônia e Austrália. O secador utilizado é um secador de tubo rotativo aquecido a vapor. Após a prensagem por extrusão, o carvão compactado é cortado e resfriado antes de ser transferido para transportadores de correia para vagões, caminhões rodoviários ou armazenamento.

As plantas de briquetagem lidam com grandes quantidades de material altamente combustível associado a misturas potencialmente explosivas de pó de carvão e ar. O controle, coleta e manuseio de poeira, bem como uma boa limpeza são de considerável importância para uma operação segura.

Disposição de Resíduos e Rejeitos

A eliminação de resíduos é parte integrante de uma moderna planta de preparação de carvão. Tanto o refugo grosseiro quanto o rejeito fino na forma de lama devem ser transportados e descartados de maneira ambientalmente responsável.

refugo grosseiro

Os rejeitos grosseiros são transportados por caminhão, correia transportadora ou teleférico até a área de disposição de sólidos, que geralmente forma as paredes do depósito de rejeitos. O lixo também pode ser devolvido à mina a céu aberto.

Estão agora a ser utilizadas formas inovadoras e rentáveis ​​de transporte de resíduos grosseiros, nomeadamente, trituração e transporte por bombagem em forma de lama para uma lagoa de represamento e também por um sistema pneumático para armazenamento subterrâneo.

É necessário selecionar um local de descarte que tenha uma quantidade mínima de superfície exposta e, ao mesmo tempo, forneça boa estabilidade. Uma estrutura exposta em todos os lados permite uma maior drenagem superficial, com maior tendência à formação de lodo nos cursos d'água próximos, e também maior probabilidade de combustão espontânea. Para minimizar esses dois efeitos, são necessárias maiores quantidades de material de cobertura, compactação e vedação. A construção de descarte ideal é o tipo de operação de preenchimento de vale.

Os aterros de resíduos da estação de preparação podem falhar por vários motivos:

• fundações fracas
• encostas excessivamente íngremes de alturas excessivas
• mau controle da infiltração de água e material fino através do lixão
• controle inadequado da água durante eventos extremos de chuva.

As principais categorias de técnicas de projeto e construção que podem reduzir significativamente os riscos ambientais associados ao descarte de rejeitos de carvão são:

• drenagem de dentro da pilha de lixo
• desvio de drenagem superficial
• compactação de resíduos para minimizar a combustão espontânea
• estabilidade da pilha de estéril.

Rejeitos

Os rejeitos (resíduos sólidos finos na água) são geralmente transportados por dutos para uma área de represamento. No entanto, em alguns casos, o depósito de rejeitos não é ambientalmente aceitável e é necessário tratamento alternativo, ou seja, desidratação de rejeitos por prensa de correia ou centrífuga de alta velocidade e, em seguida, descarte do produto desidratado por correia ou caminhão na área de refugo grosso.

Reservatórios de rejeitos (lagoas) operam com base no princípio de que os rejeitos se depositam no fundo e a água clarificada resultante é bombeada de volta para a usina para reutilização. A elevação da piscina na lagoa é mantida de modo que os fluxos de entrada da tempestade sejam armazenados e depois retirados por bombeamento ou pequenos sistemas de decantação. Pode ser necessário remover periodicamente sedimentos de reservatórios menores para prolongar sua vida útil. O aterro de retenção do reservatório é geralmente construído com lixo grosseiro. O mau projeto do muro de contenção e a liquefação dos rejeitos devido à má drenagem podem levar a situações perigosas. Agentes estabilizantes, geralmente produtos químicos à base de cálcio, têm sido usados ​​para produzir um efeito de cimentação.

Reservatórios de rejeitos normalmente se desenvolvem durante um longo período de vida da mina, com condições em constante mudança. Portanto, a estabilidade da estrutura do reservatório deve ser cuidadosa e continuamente monitorada.

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