Источник: Реферат по «Исследованию полезных ископаемых на обогатимость», ДонНТУ, 2010, 20с.
Большинство процессов обогащения осуществляються в водной среде,что приводит к необходимости удаления влаги после обогащения. Процесс удаления влаги из продуктов обогащения называеться обезвоживанием.
Цель данного реферата-определение влияния заключительных процессов на обогащаемые полезные ископаемые. Для достижения этой цели необходимо:
- определить показатели качества угля;
- выделить основные требования,которые предъявляються к угольным про-дуктам обогащения;
- ознакомиться с понятим обезвоживания и перечислить его основне виды;
- рассмотреть понятие влажности и виды влаги;
- изучить сущность таких процессов обезвоживания как дренирова-ние,фильтрование,гравитационное осаждение, обезвоживание в центробежном поле, термическое обезвоживание.
Качество угля и продуктов обогащения определяется его физическими и химическими свойствами, в частности выходом летучих веществ, удельной теплотой сгорания, влажностью, зольностью и содержанием серы.
Выход летучих веществ является одним из классификационных признаков марки угля и характеристикой его технологической пригодности. Для коксового угля он определяет выход кокса и химических продуктов коксования, для энергетического – является характеристикой реакционной способности и воспламеняемости топлива. Выход летучих веществ зависит от вида органического материала и стадии метаморфизма. Так для торфа выход летучих веществ составляет около 70 %, для бурого угля – до 50 %, для каменного угля – 50 – 8 %, для антрацита – 9 – 2 % .
Удельная теплота сгорания – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Это важнейший показатель характеристики топли-ва. Удельная теплота сгорания каменного угля Донбасса составляет 30,5 – 36,8 МДж / кг.
Влажность угля вредно влияет на процесс коксования, она снижает выход кокса и производительность коксовых печей, способствует их разрушению, ухуд-шает условия работы химических цехов. Влажность коксового угля и угольных концентратов должна быть не больше 8-10 %. Повышение влажности угля на 1 % снижает его цену на 1,5 % .
Зольность угля для коксования не должна превышать 8 % . Увеличение зо-льности кокса на 1 % тянет за собой его перерасходы на виплавку чугуна в доменной печи на 2,5 % и снижение производительности печи на 4 % . В энергетическом угле повышенная зольность обусловливает снижение теплоты сгорания. Уголь, который используется для производства синтетического бензина, должен иметь зольность не больше 5 – 6 % при влажности 2 %; для изготовления электродов нужен уголь с зольностью, которая не превышает 2 – 3 %. Повышение зольности угля на 1 % снижает его цену на 2,5 % .
Сера, которая содержится в угле почти полностью переходит в кокс и потом в металл. Сера делает металл красноломким и нековким, повышает его расходы на 17 %, при этом производительность доменной печи снижается на 16 %.
В результате обогащения угля его зольность, серистость и влажность, могут быть значительно сниженные и доведены до кондиций, которые удовлетворяют соответствующих потребителей.
Основные показатели качества энергетических углей — рабочая и гигроско-пическая влага, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, ситовой со-став, низшая теплота сгорания рабочего топлива, состав и плавкость золы. Для слоевого сжигания регламентируются также показатели механической прочности и термической стойкости углей, для пылеугольного — размолоспособности. Требования промышленности к энергетическим углям регламентированы государственными стандартами, ограничивающими предельную влажность, зольность, размер кусков, содержание породы. Слоевое сжигание предъявляет наиболее жесткие требования к топливу. Важнейшие характеристики — ситовой состав, спекаемость, зольность, выход ле-тучих веществ, реакционная способность и термическая способность топлива. Со-держание в углях как мелочи, так и крупных кусков — нежелательно. Для стан-дартных слоевых топок наиболее применимы куски топлива следующих разме-ров: 6-12 мм (бурые угли марки Б3), 12-25 и 25-50 мм ( каменные угли). Факельно-слоевое сжигание предъявляет менее жесткие требования к си-товому составу топлива. Для топок этого типа поставляются отсевы, рядовые угли и угли размером 0-25, 0-50 мм. Пылеугольный способ сжигания — основной в крупной энергетике и позволяет сжигать топливо с зольностью до 45% и в влажностью до 55%. Топливо при пылеугольном сжигании предварительно размалывается и подсушивается (для высоковлажных углей). Повышенные требования к стабильности cocтавa угля, составу и свойствам золы, размолоспособности топлива. Жесткие требования по изученности состава и свойств золы предъявляются к углям с легкоплавкими золами, сжигаемым в топках с жидким шлакоудалением. Для пылевидного сжигания поставляются рядовые угли, промпродукты и отсевы всех марок, не пригодные для коксования и других специальных целей. Ограничивается величина сернистости углей. Возможности использования высокосернистых углей в основном лимитируются содержанием вредных газов и зольности, расходом топлива, высотой дымовых труб, возможностью выделения санитарно-защитных зон. Угли для цементных печей. Требования к углям, предназначенным для це-ментных печей, нормируют содержание золы, влаги, выход летучих веществ, толщину пластического слоя, теплоту сгорания, кусковатость, содержание мелочи и минеральных примесей. Угли для известковых печей. Требования к этим углям предусматривают ограничения по зольности, влаге, кусковатости, содержанию мелочи, марочному составу. Угли для обжига кирпича. В углях для кирпичного производства нормиру-ются зольность, влага, толщина пластического слоя, теплота сгорания, выход ле-тучих, кусковатость, содержание мелочи и минеральных примесей. Угли для коммунальных нужд. Требования к этим углям определяют ма-рочный состав и группы углей, выход летучих веществ, толщину пластического слоя, теплоту сгорания, влажность, кусковатость, содержание мелочи и мине-ральных примесей. Идеальным углем для коммунально-бытовых нужд по соот-ношению цена-качество является каменный уголь марки КСН (коксовый слабо-спекающийся низкометаморфизованный).
Полезные ископаемые в большинстве случаев обогащают в водной или в тяжелой среде, потому продукты обогащения содержат воду в количестве от 30 до 90%. Для последующей металлургической, химической переработки или транспортирования таких продуктов вода из них должна быть удалена одним из процессов обезвоживания. Обезвоживанием называют процесс удаления воды из полезного ископаемого или из продукта обогащения. Различают процессы механического и термического обезвоживания.К ме-ханическому обезвоживанию относятся: дренирование, центробежное обезво-живание, сгущение и фильтрование, специальные методы, к термическому– су-шка.
Задачами заключительных процессов являются: 1) доведение товарных продуктов до кондиционной влажности (6-9%) в со-ответствии с требованиями потребителей и из условий транспортирования; 2) осветление оборотной воды, т.е. снижение содержания в ней твердой фазы до необходимого уровня, что позволит использовать воду в технологиче-ском процессе многократно.
В горном деле применяются в основном механические и термические ме-тоды обезвоживания.Процессы механического обезвоживания т.е. отделения твердой и жидкой фаз основаны на двух физических принципах: 1) фильтрование – выделение жидкости из массы твердого материала; при этом жидкость движется относительно твердой фазы. 2) осаждение – выделение твердого материала из массы жидкости; при осаждении твердые частицы движутся относительно жидкости.
Показателем, по которому оценивается качество обезвоживания, является влажность. Влажность – показатель содержания воды в физических телах или средах,отношение массы воды в продукте к массе сырого продукта. Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости. Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажности. Влажность подразделяют на рабочую, лабораторную и внешнюю.
В зависимости от содержания воды продукты обогащения делятся на: 1) обводненные (жидкие) – содержат ~40% воды, обладают подвижностью жидкости, представляют собой механическую смесь твердого и воды. Это слив мельниц, отсадочных машин. 2) мокрые – 15-40% влаги, не обладают подвижностью жидкости. Содержат все виды влаги. Получаются после обезвоживания жидких. 3) влажные – 5-15% влаги. В них нет гравитационной влаги. Получаются после обезвоживания мокрых. 4) воздушно-сухие – сыпучие продукты. Влага, конденсированная на поверхности частиц, не превышает 5%. 5) сухие – не содержат влаги.
Чем больше энергия связи жидкости с поверхностью твердого, тем труднее эту жидкость отделить. На энергетическом принципе основана классификация форм связи влаги с материалом по Ребиндеру: 1) химическая связь (адгезионная влага); 2) физико-химическая связь (адсорбционная или гигроскопическая влага); 3) физико-механическая (капиллярная, гравитационная влага).
В соответствии с этой классификацией влага разделяется на следующие виды:
1. Адгезиoнная (внутренняя) влага – удерживается на поверхности час-тиц молекулярными силами, химически связана с твердой фазой, не удаляетсядаже при термической сушке. Это гидратная или кристаллизационная влага. (рис. 1)
Рис.1 - Разновидности влаги в зависимости от ее связи с поверхностью твердой фазы.
2. Адсорбционная (гигроскорическая) влага – поглощается (адсорбируется гидрофильными материалами из воздуха. Удерживается на поверхности в виде пленок силами адсорбции. Прочно связана с поверхностью. Ее поглощают материалы капиллярно-пористой структуры и хорошо растворимые в воде вещества. Количество поглощенной влаги увеличивается с увеличением влагосодержания воздуха. Удаляется при сушке.
3. Капиллярная влага – заполняет капиллярные промежутки, образующиеся между частицами, или поры внутри самих частиц твердого и удерживается в них силами капиллярного давления. Количество влаги зависит от пористости материала и смачиваемости поверхности.
4. Свободная (гравитационная влага) – заполняет все промежутки между частицами и перемещается под действием силы тяжести.
Влажные материалы в зависимости от форм связи и содержания влаги делятся на: 1) коллоидные, 2) капиллярно-пористые, 3) капиллярно-пористые коллоидные. В коллоидных влага осмотически связана и поглощена. При удалении влаги они значительно сжимаются в объеме (например, желатин). В капиллярно-пористых влага связана капиллярными силами (например, рудные концентраты, кварцевый песок, каменные угли, старые бурые). Капиллярно-пористые коллоидные – содержат влагу всех форм связи (торф).
Влагоудерживающая способность материалов зависит от удельной поверхности частиц и от энергии, расходуемой на взаимодействие с водой. Удельная поверхность бывает двух видов: 1) массовая удельная поверхность – поверхность, приходящаяся на единицу массы; 2) объемная удельная поверхность – поверхность, приходящаяся на единицу объема. Различают также внешнюю и внутреннюю поверхности, которые в сумме дают полную поверхность. Внешняя – геометрическая поверхность частиц; внутренняя – суммарная поверхность микропор и микротрещин. Чем больше поверхность материала и степень смачивания, тем больше влаги может удерживать этот материал и тем труднее ее отделить. Энергия, расходуемая на взаимодействие с водой, определяет степень смачивания твердой поверхности. Мерой смачивания служит краевой угол ? между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания (рис. 2).
Рис.2 - Силы, действующие на периметр смачивания трех фаз.
Поверхностное натяжение является термодинамической характеристикой поверхности раздела фаз. Для жидкости ? равна свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объеме (энергии нескомпенсированных межмолекулярных сил). Это работа образования новой поверхности, затрачиваемая на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия (когезии) при переходе молекул вещества из объема в поверхностный слой. Показателем влагоудерживающей способности является максимальная молекулярная влагоемкость ММВ, которая зависит от сил взаимодействия поверхности частиц с водой. Чем больше эти силы, тем больше толщина водных пленок, удерживаемых на поверхности частиц при механическом обезвоживании. ММВ - это максимальное количество влаги, которая не удаляется при механическом обезвоживании. Бoльшие значения влажности принимаются для углей меньшей степени метаморфизма. При размокаемых породах (содержание глинистых частиц больше 50%) влажность породы увеличивают на 20%.
Дренирование – процесс удаления гравитационной влаги из обводнених и мокрых кусковых и крупнозернистых продуктов путем естественного просачивания жидкости через слой материала или перфорированную перегородку под действием сил веса. Перегородкой, которая используется для дренирования, может быть решето, сыто, перфорированый лист, слой щебня, песка, булыжника и тому подобное .Дренирование осуществляется на дренажных складах, обезвоживающих бункерах, элеваторах, и грохотах. Обезвоживание в бункерах применяется для крупнозернистых продуктов, из которых предварительно удалена основная масса воды на ситах, грохотах и элеваторах. Зневоднювальни бункера (рис. 4.3) состоят из прямоугольных чарунок 1, каждая из которых являет собой прямоугольную емкость из пирамида-льним днищем. Обезвоживающие элеваторы применяют в первой стадии зневод-нення грудкових и зернистых продуктов. Обезвоживание материала видбу-ваеться при транспортировке его из классификаторов, багерного зумпфа, видсаджувальних машин, шлюзов, шнековых сепараторов.
Фильтрованием называется процесс истечения жидкости через слой осадка под действием разности давлений. Схема процесса фильтрования в общем случае имеет вид (рис. 1.4). По?ристость (устар. скважность) — характеристика материала, совокупная мера размеров и количества пор в твёрдом теле. Является безразмерной величиной от 0 до 1 (или от 0 до 100 %). 0 соответствует материалу без пор; 100 %-я пористость недостижима, но возможны приближения к ней (пена, аэрогель и т. п.). Дополнительно может указываться характер пористости в зависимости от величины пор: мелкопористость, крупнопористость и т. п.
Эффективность разделения твердой и жидкой фаз зависит от величины действующей силы. Поэтому оборудование, действие которого основано на использовании только силы тяжести, имеет ограниченные технологические возможности. С уменьшением размеров частиц, отношение величины сопротивления движению к силе тяжести становится больше. В таких случаях в дополнение к силе тяжести используется центробежная сила. В частности – центрифугирование – это процесс обезвоживания мелких и тонких продуктов под действием центробежных сил во вращающемся роторе. Делится на центробежное фильтрование и центробежное осаждение. Процесс центробежного фильтрования происходит в более сложных условиях по сравнению с обычным фильтрованием, т.к. форма осадка и фильтрующей перегородки искривленная. Следовательно, площадь фильтрования зависит от радиуса вращения. Кроме того на уплотнение осадка влияют гравитационные силы и гидростатическое давление вращающейся жидкости. Фильтрование под действием центробежного поля будет осуществляться до тех пор, пока давление, развиваемое жидкостью при вращении, не станет равным потерям напора при движении жидкости через слой осадка и стенки ротора. Фильтрующие центрифуги применяются во второй стадии обезвоживания угольных концентратов и промпродуктов крупнистью 0,5 – 13 мм после их предыдущего обезвоживания на вибрационных, конических и дуговых грохотах или в багерном зумпфе и элеваторах.
Для обезвоживания тонкоизмельченных продуктов и шламов могут применяться осадительные и осадительнольно-фильтрующие центрифуги. Осаждение – процесс выделения одного или нескольких компонентов из растворов от выщелачивания руд или продуктов обогащения в виде чистых металлов или их соединений. В промышленной практике для этого использують кристаллизацию, осаждение, в виде труднорастворимых соединений, электроосаждение, осаждение металлами (цементация) и газами, ионную флотацию и др. Выбор метода зависит от характера исходного сырья, качества конечного продукта, состава полученных при выщелачивании растворов, концентрации и стоимости реагентов, наличия дешевой электроэнергии, безопасности обслуживающего персонала.
Сгущение – процесс выделения твердой фазы из пульпы, что происходит в результате осаждения в ней твердых частиц под действием силы веса или центробежных сил. При этом получается уплотненный (сгущенный) конечный продукт. Цель процесса сгущения – получение сгущенного конечного продукта, а также чистого слива. На процесс сгущения влияют минеральный и гранулометрический состав материала, форма частиц, содержимое твердого в пульпе, плотность твердой и жидкой фаз, вязкость жидкости, температура пульпы, рН среды, наличие в пульпе реагентов. Основные характеристики процесса сгущения: скорость прояснения, выход проясненной части, концентрация твердых частиц в сливе, степень уплотнение осадка, удельная площадь сгущения, высота зоны уплотнения, реагентний режим сгущения. Параметры сгущения в лабораторных условиях обычно получают в результате проведения опытов в цилиндрах вместимостью 0,5 и 1 л. При сгущении пульп в отстойниках, радиальных и цилиндроконичних сгустителях осаждения частиц происходят под действием силы веса, при сгущении в осадительних центрифугах и гидроциклонах – под действием центробежных сил. Целью сгущения является получение конечного густого (сгущенного) продукта и чистой жидкой фазы (ливень).
Сушкой называется процесс обезвоживания материала, основанный на испарении влаги в окружающую среду при нагревании. При сушке удаляется только та влага, которая связана с материалом механическими или физико-химическими связями. Процесс сушки относится к массообменным процессам, т.к. происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду. В качестве теплоносителя – сушильного агента – применяются дымовые газы, нагретый воздух, перегретый пар. Используются дымовые газы, образующиеся при сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива. Скорость сушки определяется по снижению влажности материала за определенный период времени и зависит от формы связи влаги с материалом. Изменение скорости сушки характеризуется кривой сушки
Роль заключительных операций очень велика в процессе обогащения, особенно это касается обезвоживания. Лишняя влага отрицательно влияет на качество полезного ископаемого(угля),что влечет за собой снижение стоимости продукции и, следовательно, приводит к денежным потерям. Повышение влажности угля на 1 % снижает его цену на 1,5 % . Поэтому очень важно применять процессы обезвоживания при обогащении угля. При помощи механических (дренирование, фильтрование, гравитационное осаждение, обезвоживание в центробежном поле) и термических(сушка) способов обезвоживания осуществляется удаление влаги. Благодаря этим процессам влажность доводится до необходимого значения. В дальнейшем угольная продукция может применяться в металлургии, химической промышленности, энергетики и т.д. удовлетворяя требования , какие к ней предъявляет потребитель.
1. Білецький В.С.,Смирнов В.О. «Переробка та якість корисних копалин»-Донецьк, “Східний видавничий дім”,2005.
2. Назимко Е.И. Конспект лекцій по курсу «Обезвоживание продуктов обогащения»-Донецк,2008..
3. http://b-3.su/poleznaya_informaciya/ispolzovanie_uglej_v_energetike/