ЗАДАЧА ВИЗНАЧЕННЯ ДІАМЕТРА ЦЕНТРАЛЬНОГО ЗЕРНА СТРУКТУР "ЯДРО-ОБОЛОНКА" ПРИ МАСЛЯНІЙ АГЛОМЕРАЦІЇ ВУГІЛЛЯ
Авторы: Білецький В.С.,Сергєєв П.В.,Потапенко С. Ю.
Источник: Науково-технічний журнал Вісті Донецького гірничого інституту
Постановка проблеми і стан її вивчення. Сьогодні в галузі вугільних технологій продовжуються дослідження і активно ведеться пошук технічних рішень по збереженню коксівних властивостей вугілля під час його дальнього магістрального гідротранспорту. Зокрема, про це свідчать останні роботи Уханьського проектного і науково-дослідницького інституту вугільних технологій (Wuhan Design & Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group) WDRI – провідного проектного та науково-дослідницького вугільного інституту Китаю. За останні 20 років WDRI було спроектовано близько двадцяти трубопроводів для транспортування вугілля, зокрема: Meizhou – Shantou
, Shenmu – Beijing
, Changchen
, Zuoquan and Heshun-Wuhan
, Pingdingshan – Wuhan
, Shen-Wei
і.т.д. [1].
В попередніх роботах нами показано, що одним з ефективних рішень по усуненню факторів гідротранспорту, що негативно впливають на технологічні характеристики коксівного вугілля: подрібнення вугілля під час його гідравлічного транспортування, обволікання (блокування) вугільних зерен розмоклими глинами, окиснення вугільної поверхні може бути застосування спеціального методу збагачення і зневоднення вугілля – масляної агломерації [2, 3]. Особливий інтерес у цьому плані викликає режим масляної агломерації, який забезпечує отримання структур типу "ядро-оболонка", в яких більш крупні вугільні зерна виступають центрами агрегатоутворення, а більш дрібні утворюють навколо них своєрідну "подушку"-оболонку, яка захищає від руйнування (подрібнення) та ін. перерахованих чинників. Такі вуглемасляні структури були одержані Донецьким національним технічним університетом і НВО "Хаймек" раніше, але умови їх отримання і область режимних параметрів досліджені недостатньо.
Мета статті – визначення умов отримання структур типу "ядро-оболонка" при масляній агломерації, які можуть бути ефективно використані при збереженні коксівних властивостей вугілля під час його дальнього магістрального гідротранспорту.
Виклад основного матеріалу.
Базуючись на розвинутих [4, 5] і підтверджених нами для умов масляної агрегації вугілля уявленнях про домiнуючу роль iнерцiйного та дифузiйного механiзмiв агрегатоутворення для полiдисперсного вугiлля (особливо для класiв крупностi dз>0,05 мм), проаналізуємо закономірності утворення структур типу ядро - оболонка
.
Спiввiдношення числа зустрiчей вугiльних зерен в одиницi об’єму турбулентного потоку рiдини в одиницю часу по iнерцiйному Ki та дифузiйному Kд механiзмам визначається виразом [4, 5]:
де ρв , ρо – відповідно густина вугілля та води; λ0 – внутрiшнiй маштаб турбулентних пульсацiй. Згiдно [4]:
При Ki=Kд iмовiрнiсть зустрiчi дрiбних зерен мiж собою та крупних зерен з дрiбними однакова. Вiдповiдаючий цьому стану граничний дiаметр частинок dr3 знаходимо по рiвнянням (1) та (2):
За виразом (3) в координатах dr3 (Re) можна одержати зони інерційного та дифузійного механізмів зустрічей вугільних зерен (рис. 1).
Рисунок 1 – Крива dr3 (Re) , що відповідає однаковій iмовiрності зустрiчi дрiбних зерен мiж собою та крупних зерен з дрiбними і розмежовує зони інерційного та дифузійного механізму зустрічі зерен у турбулентному потоці.
Для частинок dз>dr3 переважає iнерцiйний механiзм зустрiчi, а для частинок dз<dr3 – дифузiйний. Згiдно експериментальних даних в умовах турбулентного потоку рiдини кiлькiсть зустрiчей в одиницю часу за iнерцiйним механiзмом в (0,4...10)·103 раз перевищує кiлькiсть дифузiйних зустрiчей [5, 3, 6]. Тому при агрегацiї полiдисперсного вугiлля створюються умови для виникнення гетерогенних структур типу ядро - оболонка
, центрами яких є зерна dз>dr3. Iмовiрнiсть одержання таких структур при агрегацiї полiдисперсного вугiлля по коалесцентному механiзму значно бiльша, нiж вiдносно гомогенних структур iз зерен dз<dr3 .
На рис. 2 показано фрагменти структур типу ядро - оболонка
одержані при масляній агломерації вугілля на головному терміналі гідротранспортної системи (до гідравлічного транспортування).
Рисунок 2 – Фрагменти структур типу ядро - оболонка
одержані в зоні інерційного механізму зустрічей вугільних зерен
Характерною особливістю технології є продовження процесу агрегатоутворення в процесі гідротранспортування гідросуміші вуглемасляні агрегати – вода
. На рис. 3. показано процес гідротранспорту у скляному трубопроводі при концентрації гідросуміші 10% і 40%.
Рисунок 3 – Процес гідротранспорту у скляному трубопроводі НВО "Хаймек" при концентрації гідросуміші 10% і 40%.:структура потоку вуглемасляних агрегатів.
Чітко простежується структура потоку вуглемасляних агрегатів – якщо у першому випадку вони зосереджуються в центрі потоку (де швидкість максимальна), то в другому випадку утворюють (при малих швидкостях) суцільне грануляційне тіло з ланцюжками гранул.
ВИСНОВКИ.
1. Аналіз механізмів зустрічі вугільних зерен в умовах турбулентного потоку рiдини дозволив виділити зону за числом Re, в якій при масляній агломерації відбувається переважне виникнення гетерогенних структур типу ядро - оболонка
, центрами яких є вугільні зерна dз>dr3.
2. Одержані результати можуть бути застосовані при підготовці коксівного вугілля до дальнього магістрального гідротранспорту із застосуванням технології його масляної агрегації, а також для підбору раціональних режимів течії водо-вугільної (агломераційної) суміші у магістральному трубопроводі.
У подальших дослідженнях необхідно вивчити структурні особливості гетерогенних структур типу ядро - оболонка
в залежності від числа Re, а також розкрити механізм вторинного агрегатоутворення безпосередньо у гідротранспортному трубопроводі.
ЛІТЕРАТУРА
1. Wuhan Design & Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group, 2014 – Електронний ресурс. Режим доступу: [http://www.zmwhy.com.cn/en/gczs/gdsm.asp]
2. Сохранение технологических свойств коксующегося угля при гидравлическом транспортировании / В. С. Белецкий, А. Кхелуфи // Кокс и химия. – М., 1996. – № 4. – С. 9–10. – Библиогр.: 6 назв.
3. Білецький В. С. Теорія і практика селективної масляної агрегації вугілля / В. С. Білецький, П. В. Сергєєв, Ю. Л. Папушин. – Донецьк : Грань, 1996. – 264 с.
4. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Издат. физ.-мат. литер., 1959. - 700 с.
5. Самыгин В.Д., Барский А.А., Ангелова С.М. О механизме взаимной флокуляции частиц различной крупности// Коллоидный журнал. - 1968. - Т. 30, вып. 4 - С. 581-586.
6. Білецький В.С. Адгезійні взаємодії у вугламасляних гранулах // Геологія та геохімія. - 1996. - № 4.
7. Адгезійні взаємодії "вугілля–реагент" в процесі селективної агрегації вугілля / В. С. Білецький // Геологія і геохімія горючих копалин. – 1996, № 1/2 (94/95). – С. 125–130.