Умный уголь» - создание научных основ обогащения углеродсодержащих материалов

В настоящее время все большую важность приобретают вопросы чистой энергии, для создания и развития которой требуются различные виды сырья, в том числе и углеродсодержащие материалы. Но при этом, горная отрасль столкнулась с проблемой истощения запасов легкообогатимого минерального сырья, содержащего углерод различной степени метаморфизма. Эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций, так же является основной целью энергетической стратегии. Согласно этой стратегии потребление энергии к 2030 г. возрастет на 60%, что потребует увеличения производства различных видов энергоносителей. При этом повышаются требования к их экологической безопасности и снижению выбросов CO2. Характерными особенностями вовлекаемого в переработку минерального сырья являются тонкая вкрапленность, низкие содержания ценных компонентов и близкие физико-химические и поверхностные свойства минералов и пр. В таких условиях первостепенное значение приобретает повышение полноты и комплексности обогащения полезных ископаемых за счет создания высокоэффективных, экологически безопасных технологий на основании глубокого изучения вещественного, химического и минералогического состава, а также использования и разработки методик и методов тестирования минерального сырья на последовательных стадиях трансформации сырья. Но, не смотря на это, основными методами обогащения и переработки такого минерального сырья остаются классификация, флотационное и химическое обогащение. Несмотря на существующий уровень развития научных основ этих процессов обогащения углеродсодержащего минерального сырья, исследования в данной области не потеряли своей актуальности. Актуальность совершенствования существующих технологических режимов также связана с современной тенденцией к ухудшению качества сырья и вовлечением в переработку труднообогатимого минерального сырья, переработка которого осложнена и зачастую невозможна. Сложность переработки осложняется тонкодисперсной вкрапленностью ценных компонентов в минералы-концентраторы, взаимного произрастания минералов друг в другу и в пустую породу, что приводит к значительным потерям. Получение высококлассных углеродных материалов при снижении выбросов СО2 позволит создать конкурентноспособные высококачественные продукты, снизить экологическую нагрузку за счет повышения комплексности переработки и минимизировать дефицит промышленности углеродных материалах. Также, ухудшение минерально-сырьевой базы и необходимость соблюдения принципов устойчивого развития требуют поиска новых технических решений, с одной стороны обеспечивающих снижение издержек горно-перерабатывающего комплекса, с другой стороны охрану окружающей среды и соблюдение рационального использования природных ресурсов. В этой связи, задача разработки принципов гибкого управления технологией в режиме реального времени является актуальной задачей на любом предприятии, так как от выбора режима обогащения в конечном счете зависит эффективность всей технологической цепочки горного производства. Научно-технический прогресс в области обогащения и переработки всегда был тесно связан с развитием измерительной техники, обеспечивающей формирование наиболее полного информационного вектора для изучаемого объекта, и применением новейших математико-статистических методов для анализа получаемых данных. Для большего повышения экономической эффективности процесса обогащения, необходимо также использовать новые методы и системы оптимизации, базирующиеся на на использовании современных средств аналитического контроля, в том числе с использованием методов «Big Data», а также создание цифровых двойников. Многолетние исследования различных классических алгоритмов, показали, что задачи в обогащении полезных ископаемых, отличающиеся нечеткой логикой и неявным характером, решаются традиционными методами с недостаточной точностью и информационной достоверностью для практического использования в конкретных задачах диагностики, прогнозирования и принятия решений. Сочетание технологических и экономических критериев оптимизации позволяет реагировать на изменение вещественного и минерального состава сырья, его обогатимости с учетом значимости отдельных технологических факторов, что выражается в общем повышении эффективности обогатительного производства. Однако, в настоящее время существует проблема разработки новых компьютерных технологий для изучения процессов классификации и сепарации на базе методов «Big Data» и углубленной статистики. Отмечается, что при диагностике результатов промышленных данных традиционно применяются только методы классической дескриптивной статистики и не используется современный математический аппарат углубленной статистики, нейросетевое моделирование и технологии машинного зрения, что снижает достоверность определения взаимосвязей между параметрами изучаемого объекта. Исходя из вышесказанного, актуальная проблема вариативности перерабатываемого углеродсодержащего сырья в процессах обогащения и переработки может решаться посредством разработки эффективных технико-технологических решений. Научная значимость предполагаемого проекта заключается в установлении новых закономерностей, позволяющих за счет положительного синергетического эффекта, направленного на изменение поверхностных свойств минерального сырья в условиях гидродинамических полей повысить эффективность переработки углеродсодержащего минерального сырья различного генезиса, изучении взаимосвязи структурного, вещественного и фазового состава компонентов с физическими, физико-химическими и технологическими свойствами углеродсодержащего сырья, определении термодинамических и кинетических основ в протекающих процессах, сочетании методов физико-химического и математического моделирования процессов обогащения и переработки с экспериментальными исследованиями и на основании накопленных и систематизированных данных. В результате выполнения проекта будут определены минералого- петрографические, структурные, физико-химические характеристики с целью выявления основных закономерностей протекания процессов классификации и флотации с учетом реологии углистых суспензий; созданы математические модели для повышения точности разделения при обогащении углеродсодержащих материалов. Будут созданы модели поведения частиц в гидроциклонах с учетом реологических свойств при наложении физических и химических воздействий и определены возбуждающие параметры при классификации углистых суспензий. Будут изучены и обоснованы механизмы, а так же исследована кинетика многостадийных процессов, которые относятся к гетерогенным полидисперсным системам, для удаления углистой мелочи (классификация и флотация), получены новые термодинамические и кинетические параметры для интенсификации процессов на основе численного моделирования. Будет разработана технология машинного зрения для оценки количественного распределения флотационного обогащения угольной мелочи с учетом возмущающих факторов и оптимизации конструкций импеллеров и реагентных режимов с учетом динамических факторов, создание динамической модели флотации углеродсодержащих материалов. Будут исследованы процессы химического обогащения углеродсодержащих материалов для повышения качества концентратов, а также развиты кинетические модели сепарации, многоцелевой совместной оптимизации сложных систем обогащения углеродсодержащих материалов. Будет изучено поведение агломерации несферического вязко-влажного материала, установлена дезагрегированная энергия, связанная с основными факторами модели. Будут исследованы сегрегация, расслоение и динамика частиц вязко-влажного материала. Будут созданы вероятностная модель и кинетическая модель грохочения. Будет разработан метод он-лайн мониторинга размера частиц и оценки эффективности процесса классификации в режиме реального времени. Будет создан цифровой двойник процесса грохочения для осуществления интеллектуального мониторинга, раннего предупреждения и диагностики неисправностей состояния грохота. Будет создана модель интеллектуального контроля между переменными процесса и измеренными сигналами, а также предложены методы точного восприятия, совместного извлечения и анализа динамических сигналов в реальном времени. В рамках проекта будет проведен анализ динамических характеристик процесса разделения, предложен алгоритм интеллектуального выбора оптимальной модели, построена киберфизическая система слияния нескольких моделей, управляемая данными из нескольких источников, и разработана оптимальная стратегия управления. Будет предложен совместный метод классификации-грохочения с улучшенной сепарацией минералов. Будет сформирована стратегия автоматического согласования всего процесса обогащения угля для реализации интеллектуального регулирования сложных по составу угольных материалов на основе совместного процесса полной градации, глубокой классификации и усиленного разделения многофазного потока. Планируемые результаты исследований имеют междисциплинарное геологическое, геохимическое, физико-химическое и экологическое значение, обладают научной новизной и оригинальностью и сопоставимы, а по некоторым параметрам превосходят мировой уровень исследований в данной области.