reznichenko

на главную страницу |электронная библиотека

В.В. КОЧЕТОВ, А.П. ЛЕВАНДОВИЧ, З.Ш. БЕРИНБЕРГ, А.С. КИРНАРСКИЙ, кандидаты техн. наук, П.И. ПИЛОВ, д-р техн. наук

ПРИМЕНЕНИЕ ВИНТОВЫХ СЕПАРАТОРОВ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ УГЛЕЙ

Приведены теория и практика использования винтовых сепараторов и шлюзов на углеобогатительных фабриках Украины

Ключевые слова: уголь. теория, практика, винтовые сепараторы, шлюзы.

Повышение качества угля за счет удаления из него высокозольной угольной породы в Украине осуществляется примерно на 60-ти обогатительных фабриках общей мощностью около 150 млн.т в год по рядовому углю. Большинство из них имеют технологию, включающую предварительное разделение угля на машинные классы крупности: >13 мм, 0,5...13 мм и <0,5 мм и их раздельное обогащение с применением, соответственно, тяжелых сред (в магнетитовой суспензии), гидравлической отсадки и флотации. На отдельных фабриках для крупного класса также используется отсадка, а на некоторых-отсадка неклассифицированного угля крупностью 0...100 мм Имеются фабрики, перерабатывающие угли для энергетики. Они используют либо тяжелые среды, либо отсадку для класса крупности >13 (8) мм, где сухой отсев не обогащается.

Особую проблему всех углеобогатительных фабрик представляет обогащение шламов, к которым относят угольные и породные частицы крупностью <0,5( 1) и даже <2 мм. Шламов крупностью <0,5 мм в зависимости от физико-механических свойств угля и вмещающих пород, а также технологии добычи в исходном угле содержится от 5 до 25 %, а в процессах мокрого обогащения дроблением, истиранием и размоканием их дополнительно образуется до 8 %. В итоге доля шламов с зольностью 35...45 %, подлежащих обогащению, составляет до 1/3.

Особенности таких гравитационных процессов сепарации, как тяжелые среды и отсадка, не позволяют их эффективно употреблять для обогащения шламов. Для этих целей применяют тяжелосредные гидроциклоны, концентрационные столы, винтовые сепараторы, винтовые шлюзы и другие устройства, использующие гравитационные принципы сепарации в сочетании с эффектами, возникающими при взаимодействии взвесенесущего потока с твердой поверхностью. Рациональный диапазон крупности для них - 0,2...3мм. Имеется некоторый положительный опыт использования флотогравнтации для переработки этих продуктов.

Для угольных шламов крупностью <0,5 мм пригодна пенная флотация, которая особенно чувствительна к верхнему пределу крупности. Если он превышает 0,5 мм, то подъемной силы воздушных пузырьков недостаточно для извлечения в пенный продукт гидрофобных угольных частиц и они остаются в камерном продукте флотации, т.е. в отходах. Этим и обусловлен нижний предел машинного класса для отсадочных машин в типовой схеме обогащения угля, но, исходя из сепарационных возможностей процесса гидравлической отсадки, следует его увеличивать до 1...3 мм.

Анализ эффективности обогащения мелких классов углей и их шламов в различных аппаратах (винтовых сепараторах, флотационных машинах, концентрационных столах, тяжелосредных гидроциклонах, отсадочных машинах и др.), представленный в материалах XII международного конгресса по обогащению углей (В.Яхна, Краков, 1994 г.), показал, что для угольного шлама крупностью 0,1...1 мм имеют преимущество винтовые сепараторы.

Особенности шламообразования в процессах добычи и переработки углей определяют технологическую основу их обогащения. Во-первых, разнообразные фракции углей различной степени метаморфизма и вмещающих пород отличаются физико-механическими свойствами, так, например, при добыче и транспортировании разрушаются с образованием характерной для каждой из них дисперсности. Во-вторых, при мокром обогащении углей происходит размокание и диспергирование глинистых компонентов вмещающих пород, попавших в горную массу при добыче.

Из анализа этого процесса видно, что гранулометрический и фракционный составы угольных шламов предопределяются временем механических и гидродинамических воздействий на уголь, их интенсивностью и специфическими для каждой фракции плотности коэффициентами шламообразования. Поэтому, в зависимости от соотношения физико-механических свойств угольных и породных фракций, играющих роль в шламообразовании, возможны различные варианты состава шламов: при легкоразрушаемых, размокающих угольных породах образуются дисперсии породных шламов со средней крупностью меньше, чем угольных шламов. В данном случае зольность шламов снижается сепарацией по крупности, приводящей к удалению тонкодисперсных породных илов. При угольной породе, имеющей физико-механические свойства и шламообразование, сопоставимые с аналогичными свойствами угольных фракций, средние крупности угольных и породных шламов сближаются. В таком случае зольность уменьшается сепарацией по разделительному признаку, определяемому крупностью и плотностью частиц шламов.

Для большинства углей Донбасса характерна более высокая дисперсность для породных фракций, что обуславливает в шламах обогатительных фабрик илистой части крупностью менее 0,15...0,05 мм с зольностью более 70 %. Зольность зернистой части этих шламов колеблется в пределах 8...25 %.

Результаты исследований по обогащению мелких классов углей и их шламов, выполненных в Национальной горной академии Украины и в УкрНИИуглеобогащении, а также опыт работы углеобогатительных фабрик определили следующие основные принципы технологии обогащения угольных шламов:

-выделение высокозольной илистой части при сепарации по крупности с применением высокочастотных грохотов, гидроциклонов малого диаметра, статических гидравлических классификаторов с механической разгрузкой зернистой части;

- флотацию низкозольной илистой части для дополнительного извлечения горючей массы;

-при высокой зольности зернистой части необходима ее сепарация по плотности, например, с использованием тяжелосредных гидроциклонов, винтовых сепараторов, винтовых шлюзов, конусных сепараторов, концентрационных столов и других устройств, использующих сепарационные эффекты, возникающие при течении тонкого слоя суспензий по твердым поверхностям;

-для повышения эффективности сепарации по плотности необходима подготовка зернистой части шламов по крупности, например, грохочение по 3 мм с возвратом надрешетного продукта в отсадку;

-для требуемой влажности получаемых концентратов и дополнительного удаления из них остатка высокозольной илистой части их обезвоживание осуществляют в несколько приемов, например, последовательно в гидроциклонах, на грохотах и в центрифугах.

С целью уточнения механизма возникновения сепарационных эффектов в винтовых сепараторах и шлюзах, а также определения длины винтового желоба выполнен теоретический анализ .

При поперечной циркуляции криволинейного взвесенесущего потока придонный слой, перемещаясь от периферии к центру, переносит твердую фазу в область реверсирования течения, где у частиц с большей плотностью при касании дна и возникающей силы трения снижается тангенциальная составляющая скорости на величину D U центростремительное

ускорение становится равным (Ut -D U)²/r, а центробежная сила, воздействующая на частицу,

где - r радиус вращения; U_τ\- тангенциальная составляющая скорости движения жидкости.

В движущейся жидкости за счет инерционных эффектов возникает давление, градиент которого равен ρU_τ²/r, что вызывает появление выталкивающей силы

Тогда, пренебрегая величинами второго порядка малости, силу, определяющую направление перемещения частицы, можно записать как

Граничную плотность частиц, переходящих в тяжелую фракцию, находим из условия F_R=0. При осреднении U_τ в масштабе объема твердой частицы она равна

где .

Частицы с плотностью δ < δ_ρ и другие, не выделившиеся в тяжелыйпродукт, поверхностным слоем перемещаются от центра к периферии и достигают внешнего борта винтового желоба, где угол наклона днища к горизонту больше, чем у внутреннею борта, эффект торможения частиц снижается, что уменьшает выталкивающую силу, связанную с градиентом давления. С определенной вероятностью, связанной с массой частиц, часть из них концентрируется у внешнего борта, а оставшиеся вновь поперечной циркуляцией переносятся к внутреннему борту желоба, где опять происходит вышеописанный процесс.

При вероятности перехода частиц в тяжелый Р₁ и легкий P₂ продукты, зависящих от отклонения их плотностей от плотностей разделения, при повторяющемся с периодичностью циркуляции процесс извлечение частиц в легкий продукт составит:

где q=(1-P₁)(1-P₂); п - число циркуляции.

При п→∞ функция стремится к пределу Е=1-Р₁/(1-q), что

практически достигается при п > 10.

При анализе результатов исследований винтовых сепараторов установлены следующие зависимости для вероятности перехода частиц в тяжелый и легкий продукты сепарации:

;

позволяющие определить сепарационные характеристики винтового сепаратора Е(δ). Здесь δ₁\ и δ₂ соответственно плотности разделения у внутреннего и внешнего бортов винтового желоба.

Эта характеристика относится лишь к зернистой части твердых частиц, не взвешиваемых турбуленгным потоком. Что касается мелких частиц, перемещаемых во взвешенном состоянии турбулентным потоком воды вдоль желоба винтового сепаратора, то для них ΔU = 0 и сепарации по плотности не происходит. Такие частицы, исходя из условия отделения легкого продукта от тяжелого, остаются в легком, независимо от их плотности.

Среднее вероятное отклонение Ерm плотности разделения для винтовых сепараторов составляет 150...200 кг / м , поэтому технология обогащения с их использованием включает несколько приемов сепарации.

Для выявления рациональной топологии схем обогащения с применением винтовых сепараторов выполнен анализ, на основании которого установлено, что наибольшую точность сепарации достигают следующим сочетанием технологических операций:

- основная и контрольная сепарации тяжелого продукта, перечистка легкого продукта и разделение промежуточных продуктов в отдельном цикле с добавкой выделенных продуктов соответственно к тяжелому и легкому, что обеспечивает получение среднего вероятного отклонения

плотности разделения 115 кг / м ;

- основная и контрольная сепарации тяжелого продукта, перечистка легкого продукта с рециркуляцией промежуточных продуктов в основную сепарацию, что обеспечивает получение среднего вероятного отклонения

плотности разделения 80 кг/ м .

В настоящее время более чем на 50 предприятиях, в том числе и на украинских, используются винтовые сепараторы с эллиптическим профилем днища австралийской фирмы Минерал Депозите Лтд и немецкой фирмы Хельтер-АБТ Гмбх Нижним пределом крупности обогащаемою шлама является 0,2 мм.

В 1994-1997 гг. на предприятиях Государственной холдинговой компании "Донецкуглеобогащенне-Сервис" выполнены испытания винтовых шлюзов ШВ2-1000, изготовленных на Усольском заводе горного оборудования (Россия), их принципиальное отличие от винтовых сепараторов заключается в том, что они имеют прямой профиль днища с углом наклона 5⁰, что обеспечивает более благоприятные условия концентрации мелких частиц по сравнению с винтовыми сепараторами с эллиптическим профилем днища. Шлюзы состоят из двух изготовленных из силумина и покрытых резиной винтовых желобов диаметром 1000 мм, имеющих по 4 витка каждый, с шагом 550 мм. Шлюзы испытывались на ОФ "Добронольская", "Украина" и "Узловская", расположенных в Донбассе.

На обогатительной фабрике "Добропольская" испытывались два таких шлюза по одностадиальной схеме без предварительного обесшламливания. При этом установлено, что наиболее эффективное обогащение угольного шлама происходит при концентрации твердой фазы в исходной пульпе 400-500 г/л с нагрузкой по твердому на один желоб 3...4 т/ч. В результате зольность шлама снижается на 6...10 % при зольности отходов 75...85 %. Анализ гранулометрических и фракционных составов продуктов обогащения показал, что в отходах практически отсутствует легкая (угольная)

фракция плотностью <1500 кг/м³, промежуточной фракции плотностью 1500...1800 кг/м³ содержится 1,2...5,5 % и более 90 % высокозольной фракции плотностью >1800 кг/мг . Наибольшую эффективность сепарации имеет класс крупности 0,16...1 мм. Класс крупности <0,08 мм в отходы извлекается всего на 10...15 %, что позволило заключить о том, что нижним пределом крупности обогащения угля в винтовых шлюзах является 0,05...0,08 мм.

Испытания этих шлюзов в двухстадиалыюй схеме показали, что из шламов с зольностью 27,5...41,2 % при нагрузке на шлюз 5...10 т/ч с концентрацией твердого 430...540 г/л возможно получение (после обесшламливания) концентратов с зольностью 6,1...11,7 % при зольности отходов 73.4...78.1 %.

При промышленных испытаниях этих шлюзов на обогатительной фабрике "Узловская" из отходов пенной сепарации угольных шламов с зольностью 36...66,6 % при сепарации в одну стадию удалось дополнительно получить концентраты с зольностью 26...33,9 % при зольности отходов 83...85,6 %.

На ОФ "Украина" с помощью винтовых шлюзов снизилась зольность шламов на 6...10 %, а — "Калининская" из отходов флотации дополнительно извлекается 20...30 % шламов с зольностью до 40 % при получении отходов сепарации с зольностью до 75...78 %.

В 1997 г. на ОФ "Узловская" для зернистых шламов, перерабатываемых пенной сепарацией, были установлены шесть винтовых шлюзов ШВ"2-1000 и при нагрузке на один шлюз 6 т/ч при массовой доле твердого в питании 32...42 % в одну стадию был получен концентрат зольностью 10,5. ..15,5 %, промежуточный продукт зольностью 30...45 % и отходы с зольностью более 78 %. Результаты этих испытаний легли в основу создания промышленных образцов винтовых шлюзов, конструкция которых адаптирована к обогащению угольных шламов.

Кроме того, на ОФ "Добропольская" проверена принципиальная возможность обогащения на винтовых шлюзах продуктов крупностью до 13 мм. При переобогащении промежуточного продукта отсадки с зольностью 1 45...48 % были получены продукты сепарации с зольностями 24 и 72 %, а при переобогащении отходов отсадки с зольностью 74...75 % - продукты с зольностями 49 и 79,..81 %.

Анализ выполненных испытаний позволил установить перспективность применения на углеобогатительных фабриках Украины винтовых шлюзов, основными преимуществами которых по сравнению с винтовыми сепараторами с эллиптической формой желоба являются:

- снижение в 2...3 раза нижнего предела крупности обогащаемого материала даже без предварительной дешламации исходного продукта;

- более низкие эксплуатационные затраты, обусловленные изготовлением и заменой резинового покрытия для желобов с линейным профилем днища;

- получение более чистых отходов по сравнению с винтовыми сепараторами;

- эффективность обогащения материалов крупностью до 13 мм при линейном профиле поперечного сечения желоба, представленного отрезками двух-трех прямых с переменными углами наклона.

Выводы

1. Анализ эффективных пределов крупности обогащения угля в различных аппаратах и практики углеобогащения Украины свидетельствует” о необходимости раздельного обогащения углей по четырем машинным классам: >13 мм в тяжелых средах или в отсадочных машинах для крупного класса: 3...13 мм в отсадочных машинах для мелкого класса; 0,2(0,1)...3 мм на винтовых сепараторах и винтовых шлюзах; <0,2(0,1) мм во флотационных машинах. Это позволит повысить извлечение горючей массы в концентрат и удешевить процесс обогащения за счет снижения объема угля. направляемого в отсадку, потребляющую много воды, и на дорогостоящую флотацию.

2. Винтовые шлюзы по сравнению с винтовыми сепараторами имеют ряд технологических преимуществ, обусловленных более широким диапазоном крупности обогащаемого материала и возможностью получения более чистых отходов.

3. Ориентировочная потребность предприятий угольной промышленности Украины в винтовых шлюзах и сепараторах составляет порядка 900 шт., а для переработки угольных шламов, находящихся в илонакопителях и отвалах потребуется еще около 500 шт.