АВТОРЕФЕРАТ

МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ

На тему: "Определение ожидаемых параметров работы технологической схемы углеобогатительной фабрики в зависимости от методов их расчета"

Магистр: Кушина О.А.

Руководитель: д.т.н., проф. каф. ОПИ Назимко Е.И.

Translate to English

Введение

Добываемые угли различных марок, как известно, эффективно могут быть использованы другими отраслями промышленности только после их обогащения, так как повышенные зольность и сернистость значительно снижают полезность углей, а во многих случаях вообще делают из непригодными к использованию. Управление технологией фабрики возможно только на основе получения своевременной и достаточно точной информации как о перерабатываемом сырье, так и о режимах работы отдельных процессов, машин, узлов схемы и в целом предприятия. Определив качество угля и его особенности во всех стадиях добычи и обогащения, можно принять наиболее эффективную технологическую схему для вновь проектируемой, реконструируемой фабрики или отрегулировать режим обогащения действующей фабрики.

Актуальность темы

Статистика развития угольной промышленности отражает тенденцию её регресса из-за высокой себестоимости добычи и переработки угля. В то же время, уголь занимает первое место в производстве электричества и в ближайшем будущем будет основным источником энергии. При этом углеобогащение относится к приоритетным отраслям промышленности Украины, так как уменьшает безвозвратные потери ценного компонента. Эффективность технологии обогащения угля определяется уровнем её научного обоснования и наличием информационной системы для оперативного управления процессами.
Вопросом улучшения качества продуктов обогащения исследователи и технологи занимаются с начала развития обогатительной отрасли. На каждой обогатительной фабрике регулярно проводят предварительные расчеты ожидаемых показателей качества продуктов обогащения на основании имеющихся данных об исходном сырье. Этим вопросом занимаются НИИ горной отрасли нашей страны. Проблема получения дополнительной прибыли благодаря повышению показателей качества продуктов обогащения стоит очень остро в сложившихся условиях рынка топлива.
Учитывая вышесказанное, дальнейшие поиски и разработки новых методов определения ожидаемых параметров работы технологической схемы фабрики являются актуальными на данном этапе развития углеобогащения.

Цель и задачи работы

Целью работы является выявление наиболее точных методов расчета ожидаемых параметров работы технологической схемы углеобогатительной фабрики с помощью сравнения результатов расчетов и реальных данных, полученных при работе конкретной обогатительной фабрики, для дальнейшего применения этих методов на практике с целью получения наибольшей прибыли.
Для достижения данной цели поставлены следующие основные задачи:

1. Провести обзор литературы по данной теме
2. Выделить основные методы расчета ожидаемого качества из существующих в теории
3. Провести сравнение полученных результатов расчета ожидаемого качества
4. Обосновать выбор одного из методов, рекомендуемого для реального применения
5. Провести технико-экономический анализ результатов применения методов расчета

Практическая ценность

Практическая ценность данной работы состоит в том, что ее результаты можно будет использовать на реальной обогатительной фабрике для более точного определения параметров работы ее технологической схемы, в результате чего данное предприятие может получать прибыль, теряемую при выпуске бракованной продукции.

Обзор существующих разработок

Метод Бэрда

Метод Бэрда впервые был изложен в 1928 г. на второй международной угольной конференции в Питтсбурге, а затем в 1931 г. несколько дополнен. Сущность метода заключается в том, что решающим фактором, определяющим обогатимость углей, является количество материала, которое содержится в известных пределах выше и ниже принятой плотности разделения данного угля на составляющие компоненты. Пределы отклонения от разделительной плотности приняты Бэрдом на основании экспериментальных данных равными ±100 кг/м³. Например, если разделительная плотность равна 1500 кг/м³, то все сводится к определению количества материала, содержащегося в пределах плотности 1400-1600 кг/м³. Если один уголь содержит этой фракции 5%, а другой 15%, то первый уголь будет обогащаться легче второго.
При этом свободная порода (с плотностью выше 2000 кг/м³) Бэрдом исключается из рассмотрения. Такое исключение чистой породы необходимо во избежание получения ошибочного представления о действительной обогатимости угля, так как наличие случайно попавших при добыче угля кусков чистой породы из кровли или почвы сказывается на величинах, характеризующих этот уголь. Допустим, что при наборе пробы в уголь попало 10% породы из кровли. Уголь в этом случае будет более зольным, а выход концентрата уменьшится. Между тем разделительная его способность не уменьшилась, так как добавленная чистая порода легко отделяется. Однако количество фракции ±100 кг/м³, расположенной вблизи разделительной плотности, окажется меньше, что может привести к ложному выводу о более легкой обогатимости этого угля.
Кривая отклонения ±100 кг/м³ графически строится следующим образом [9]. На диаграмме (рис. 1) наносятся кривые зольностей элементарных слоев λ, средней зольности концентрата β, средней зольности отходов θ и плотностей δ.
Параллельно оси ординат проводится ряд вертикалей, соответствующих плотностям: 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 кг/м³ и т. д. С интервалом в 100 кг/м³. Эти вертикали пересекают кривую δ.

Рисунок 1 - Кривая Бэрда, построенная графическим путем:
1 - кривая средних зольностей концентрата β ; 2 - кривая элементарных зольностей λ; 3 - кривая средних зольностей отходов θ; 4 - кривая Бэрда; 5 - кривая плотностей δ.

Если вести разделение рассматриваемого угля по плотности 1300 кг/м³ (демаркационная линия АВ), то отрезок mа характеризует собой содержание в обогащенном угле материала, плотность которого отклоняется на ±100 кг/м³ от разделительной плотности, принятой в данном случае равной 1300 кг/м³.
Откладывая отрезок mа на вертикали плотности 1300 кг/м³ вниз от точки b₁, получаем отрезок b₁b₂. Аналогично этому откладываются остальные отрезки.
Таким образом, на всех вертикалях плотностей получились отрезки, длина которых выражает в данном угле весовой процент материала с плотностью, отличающейся на ±100 кг/м³ от плотности, обозначенной каждой вертикалью.
Точки b₂, c₂, d₂, l₂, f₂, q₂ соединяются плавной линией, которая называется кривой ± 100 кг/м³, или кривой Бэрда. Об обогатимости (о степени трудности обогащения) данного угля при принятой плотности разделения судят по величине отрезков, отсекаемых на кривой ± 100 кг/м³ вертикальной линией, проходящей через точку данной плотности. Чем больше отсекаемый отрезок, тем больше содержание близких по плотности зерен к разделительной плотности и тем труднее обогатимость этого угля.
Поправка на содержание чистой породы плотностью более 2000 кг/м³ делается следующим образом. Если в угле содержится 15% материала с плотностью более 2000 кг/м³, тогда остаток более легкого материала составляет 85%. Следовательно, поправочный коэффициент будет равен

100 / 85 = 1,18

При отсчете отрезков по кривой Бэрда получаемые значения должны быть увеличены на величину поправочного коэффициента, т. е. на 1,18.
Бэрд предложил следующую градацию трудности обогатимости углей:

Обогатимость угля определяется не только количеством фракций с плотностью, близкой к разделительной, но и характером распределения зольности в остальной части материала.
Кроме того, метод Бэрда не учитывает крупность зерен угля, которая при разделении также играет немаловажную роль. Несмотря на указанные недостатки, метод Бэрда все же является одним из наиболее приемлемых для практического использования.

Метод Топоркова

Для оценки обогатимости углей В. Я. Топорков [4, 5, 8] предложил следующую формулу:

T = γ 100 / β B

где γ - теоретический выход концентрата при плотности 1500 кг/м³ в процентах от исходного угля; β - теоретическая зольность концентрата при плотности 1500 кг/м³; В - выход угольной фракции плотностью менее 1800 кг/м³ в процентах от исходного угля.
Бэрд, Топорков и Панченко совершенно правильно отмечают, что при построении классификации углей по обогатимости необходимо вносить поправку на чистую породу. Поэтому введенное Топорковым отношение 100/В, как и у Бэрда, значительно уточняет саму шкалу оценки. В.Я. Топорков на основании своей формулы дает следующую шкалу оценки обогатимости углей:

Это делает шкалу Топоркова более гибкой, но и она является слишком условной и отвлеченной.

Метод Фоменко

Анализ данных расслоения, например, донецких углей в тяжелых жидкостях показывает, что выделение концентрата эффективно может быть произведено по плотности от 1300 до 1600 кг/м³, т. е. в чрезвычайно широких пределах. Но обогащать все угли по одной и той же плотности при современных требованиях к концентрату будет неправильным.
Для нахождения оптимального режима обогащения углей Т.Г. Фоменко в 1950 г. разработал метод, позволяющий определить для данного угля наивыгоднейший режим его обогащения [6, 7]. Методика определения обогатимости углей сводится к следующему.
Обогатимость по Фоменко характеризуется:
кривой элементарных зольностей исследуемого угля λ или коэффициентом обогатимости К; плотностью угля (кривая δ) при наивыгоднейшем его разделении; выходом концентрата при наивыгоднейшей плотности разделения угля.
Исходные данные для определения этих показателей получаются на основе фракционного анализа угля по принятой шкале плотностей расслоения без учета фракции более 1800 кг/м³ для углей и более 2000 кг/м³ для антрацита, т. е. в пересчете на беспородный уголь. Кривая элементарных зольностей, или коэффициент обогатимости К, выражающий характер кривой λ, определяется на основе следующих соображений.
При идеально легкой обогатимости кривая элементарных зольностей, очевидно, будет приближаться к координатам диаграммы АОВ, а при идеально трудной - к прямой АВ (рис. 2). Все остальные промежуточные положения кривой λ будут соответствовать промежуточным значениям обогатимости. Кривая λ довольно точно характеризуется стрелой прогиба f, т.е. расстоянием по нормали от наиболее удаленной точки кривой λ (вершины кривой) до прямой, выражающей идеально трудную обогатимость угля. Отношение величины данной стрелы прогиба к максимально возможной ее величине (для кривой, выражающей идеально легкую обогатимость) называется коэффициентом обогатимости или показателем обогатимости К:

К = f / F

Рисунок 2 - Диаграмма для определения наивыгоднейшего режима разделения углей по Фоменко

Значение этого показателя изменяется от 0 при идеально трудной обогатимости до единицы при идеально легкой обогатимости угля. Полученный показатель обогатимости К, определяемый вершиной кривой λ, всегда определяет и наивыгоднейший режим разделения данного угля, так как демаркационная линия, проходящая через вершину, указывает оптимальный выход концентрата.
По значению коэффициента обогатимости К и наивыгоднейшей плотности разделения построена диаграмма дли классификации углей по обогатимости в которой на оси абсцисс откладывается наивыгоднейшая плотность разделения, а на оси ординат - коэффициент обогатимости К (рис. 3).

Плотность разделения

Рисунок 3 - Классификация углей по обогатимости по Фоменко

Оба эти признака характеризуют условия образования углей. Коэффициент обогатимости К выражает характер кривой λ, т. е. формы включений в угле минеральных примесей. Плотность угля характеризует степень его метаморфизма. В связи с этим изолинии равных выходов концентрата вв, гг и т. д. располагаются под одним и тем же углом наклона к оси абсцисс, т. е. оси метаморфизма. Эти изолинии разбивают всю диаграмму (рис. 3) на группы с интервалами, равными 10% выхода.
Изолинии карбонизации аа и бб делят диаграмму на три участка, к которым относятся бурые угли, каменные и антрациты.

В тех случаях, когда полученная зольность концентрата не удовлетворяет требованиям потребителя, особенно когда концентрат используется для специальных целей, должен быть принят другой режим разделения, отличающийся от наивыгоднейшего. Это отступление может быть обосновано только специальными требованиями. При обогащении углей для коксования и энергетических целей получаемые режимы разделения указанным методом, как правило, соответствуют требованиям, предъявляемым к качеству концентратов.

Метод Майера

В 1950 г. [3] Ф. Майер предложил кривую, выражающую среднее значение обогатимости углей. Кривая получается путем суммирования площади, замкнутой основной кривой Анри λ (рис. 4).
Точки, необходимые для построения кривой Майера, получаются следующим образом. На оси абсцисс откладывается количество зольных единиц (произведение выхода всплывшей фракции на содержание в ней золы), а на оси ординат выход фракций. Данные, по которым построена кривая Майера (рис. 4), представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Данные для построения кривой Майера

В отличие от суммарной кривой зольности Анри, начало которой совпадает с началом кривой К, кривая Майера берет начало в точке А (рис. 4).

Рисунок 4 - Кривая обогатимости Майера

Точки кривой Майера характеризуют границы фракции различных плотностей. Каждая хорда кривой между двумя точками ее представляет собой соответствующую фракцию в виде вектора, длина ординаты которого выражает выход фракции в процентах, а длина абсциссы - количество зольных единиц в этой фракции (умноженное на 100). Наклон вектора (тангенс угла между хордой и ординатой) характеризует зольность фракции. Если из точки А параллельно вектору (между плотностями 1300 и 1400 кг/м³) провести луч А-9 до пересечения с осью абсцисс, то на этой оси отсчитывается зольность соответствующей фракции рядового угля. Например, для фракции 1300-1400 кг/м³ это составляет 9%.
Таким образом, кривая обогатимости Майера дает векторное суммирование количества зольных единиц. По кривой Майера можно судить об обогатимости угля. Чем меньше радиус кривизны кривой Майера, тем легче обогатимость угля, и, наоборот, с увеличением радиуса кривизны трудность разделения возрастает.
Степень обогатимости угля по Майеру определяется величиной "половинного линейного рассеяния", обозначенной на рис. 4 отрезком 5-5', который соответствует длине абсциссы между лучом А-а и точкой касания линии t_а к кривой, проведенной параллельно лучу А-а. С увеличением длины этого отрезка обогатимость угля улучшается.
Предположим, разделение ведется по плотности 2000 кг/м³, демаркационная линия В-в пересечет кривую Майера в точке О. Величина абсциссы ВО равна количеству зольных единиц концентрата, разность абсцисс точек а и О - количество зольных единиц породы. Выход концентрата и породы, как обычно, отсекается на оси ординат демаркационной линией. АВ - выход концентрата, равный 76,1 %, ВД - выход породы - 23,9%.
Значения зольности концентрата и породы могут быть определены различными способами. Средняя зольность концентрата получается как частное от деления количества зольных единиц в нем (ВО = 10 х 100 = 1000) на выход

β = (10 / 76,1)100 = 13,1%

или путем прямого отсчета по оси зольностей от точки β, полученной путем проведения луча А - β через точку О кривой Майера, до начала координат.
Зольность породы определяется путем деления количества зольных единиц на выход породы:

θ = (29,05 - 10) 100 / 23,9 = 79,9%

Графическим путем зольность породы определяется двумя способами. Параллельно хорде О - а (проекция которой на ось абсцисс представляет собой количество зольных единиц в породе) проводится луч А - θ, который на оси зольности отсекает зольность породы. Однако, учитывая, что этот луч пересек бы ось абсцисс вне плоскости кривой Майера, эта ось переносится на правую ординату на том основании, что треугольники, образованные соответствующей прямой с обеими осями координат, подобны. Например, для зольности 35% - это треугольники АРД и QАС, из которых значение ординаты СQ в процентах от всей длины оси ординат составит

CQ = AC / ДР = (30 / 35) 100 = 85,7%

(на рис. 4 85,7% оси ординат соответствует 13 мм) и т. д. В данном примере луч А - θ, параллельный хорде Оа, дает па правой оси ординат зольность породы, равную 79,9%.
Второй способ заключается в делении катета ДА треугольника ЕаД на его высоту γ_п^'. Точки E и γ_п^' находятся удлинением хорды Оа до оси ординат

θ = (29,05 / 36,40) 100 = 79,9%

Далее, для определения зольности элементарного слоя в точке О кривой Майера проводится касательная линия 1-1 (см. рис. 4). Луч А-А_λ, проведенный параллельно этой касательной, при пересечении с правой осью ординат дает значение зольности элементарного слоя разделения А = 63,0%. Зольность демаркационного элементарного слоя может быть определена как тангенс угла наклона касательной:

A^c_λ = (X_A / γ _A) 100 = (25 / 39,8) 100 = 63,0%

Таким же образом для любой точки кривой Майера могут быть сделаны все необходимые определения.
Кривой Майера можно пользоваться и при разделении угля на три продукта - концентрат, промпродукт и породу. Для этого должны быть проведены две демаркационные линии. Соответствующие точки пересечения с кривой Майера дадут выход и характеристику продуктов. Кривая Майера достаточно проста для практического применения. Она одна дает те же ответы, что и три кривых Анри (λ, β, δ). Однако пользование кривой Майера, так же как и кривыми Анри, возможно только в том случае, если предварительно задана разделительная плотность, выход или зольность.
Впоследствии К. Г. Грумбрехт и Ф. Майер для определения наивыгоднейшей плотности разделения материала на продукты с минимальным засорением смежными фракциями предложили следующий способ.
Если многозольный уголь (80-30 мм) расслоить по плотностям с интервалом 100 кг/м³ и изобразить в виде кривых распределения фракций в рядовом угле, концентрате и отходах (рис. 5), то при разделительной плотности 2000 кг/м³ могут быть получены чистые продукты. При разделении по другой плотности - 1900 или 2100 кг/м³ один из продуктов будет не свободен от смежного. В первом случае в отходы перейдет 2,2% легкой фракции, во втором, наоборот, в концентрат перейдет 2,8% тяжелой фракции. Таким образом, только в случае четкого разделения засорение продуктов отсутствует. Практическая плотность разделения должна соответствовать минимальному засорению. Такая плотность и кладется в основу оценки обогатимости данного угля.

Рисунок 5 - Кривые распределения фракций в рядовом материале и в теоретически возможных концентрате К_т и отходах Q_т

Рисунок 6 - Кривые распределения фракций в рядовом материале и в практических концентрате и отходах	Рисунок 7 - Распределение засорения продуктов

На рис. 6 изображены кривые распределения фракций в продуктах при нечетком разделении. При наложении кривых концентрата и отходов (рис. 7) точка пересечения кривых О показывает оптимальную плотность разделения, поскольку бесконечно малый слой с данной плотностью в равных долях содержится в обоих продуктах. Если разделение вести по данной плотности, засорение будет минимальным (площади f_о и f_к на рис. 7 равны). Сумма этих площадей дает общее засорение. Из рис. 7 видно, что разделение по любой другой плотности ведет к увеличению содержания засоряющего материала.

Метод Геращенко

Одним из интересных методов аналитического определения кривых обогатимости является метод, предложенный К.Д. Геращенко [10]. На основании статистической обработки большого количества результатов фракционных анализов донецких углей, были получены уравнения для описания кривых λ и β. В связи с тем, что описание кривых обогатимости одним уравнением не обеспечивало достаточного приближения из-за их сложности и резких изменений характера кривых у различных углей, пришли к выводу о целесообразности построения этих кривых по трем участкам, соответственно заданным фракциям (например, < 1500 кг/м³, 1500-1800 кг/м³, > 1800 кг/м³), при этом каждый участок кривой описывается своим выражением.

Кривая элементарных зольностей λ описывается системой уравнений:

A_I = A_min + a₁γⁿ;
A_II = b₀ + b₁γ + b₂γ ^k;
A_III = c₀ + c₁γ + c₂γ².

Исследования показали, что значение минимальной зольности можно определить по зависимости от зольности легких фракций. При выделении легких фракций по плотности 1500 кг/м³ имеем:

А_min = 0,7 + 0,29 А _<1500

Параметры a₁, b₀, b₁, b₂, c₀, c₁, c₂, n, k определяются из граничных условий, т.е. из равенства конечных и начальных зольностей по участкам, количества зольных единиц, равенства первых производных в местах соединения участков.

Так как кривая зольностей всплывших фракций β является интегральной по отношению к кривой λ, то в результате интегрирования получена система уравнений, описывающих кривую β:

где γ₁ и γ₂ - содержание легких и промежуточных фракций в рядовом угле.

Предложенные уравнения описывают кривые обогатимости донецких углей различных категорий обогатимости с точностью, достаточной для технических показателей (σ = 1-3%). На рисунке изображены кривые обогатимости λ и β, рассчитанные по методу Геращенко с помощью ЭВМ.

Заключение

В данной работе использованы описанные выше методы определения ожидаемых параметров работы технологической схемы фабрики и некоторые другие способы с применением ЭВМ. В результате проделанной работы по сравнению близости результатов исследования к реальным показателям работы фабрики можно будет давать рекомендации предприятиям по использованию наиболее точного и приемлемого метода определения ожидаемых качественных показателей работы для их расчета на практике. В результате применения рекомендованного метода предприятие может получить больше прибыли, чем получало до его использования, что и является важнейшим результатом данной работы.

На данный момент работа находится в разработке. Результаты работы Вы можете получить после ее защиты в декабре 2007 г.

Литература

1. Фоменко Т.Г., Бутовецкий В.С., Погарцева Е.М. Исследование углей на обогатимость. - М.: "Недра", 1988.
2. Фоменко Т.Г. Метод оценки обогатимости углей. // "Сталь", 1988. - №12.
3. Фоменко Т.Г. Исследование углей на обогатимость. // Сб. работ ДонУГИ. Вып. 3. - 1988.
4. Фоменко Т.Г. Классификация донецких углей по обогатимости. // Сб. работ ДонУГИ. Вып. 8. - 1980.
5. Фоменко Т.Г. Определение оптимальных показателей обогащения. - Магадан: ВНИИ-1, 1987.
6. Павлович В.И., Фоменко Т.Г., Погарцева Е.М. Определение показателей обогащения угля. - М.: "Недра", 1986.
7. Гайденрайх Г. Оценка промышленных результатов обогащения полезных ископаемых. - Госгортехиздат, 1992.
8. Топорков В.Я. Обогатимость коксующихся углей СССР и метод оценки обогатимости угля. // "Сталь", 1988. - №5.
9. Черненко Б.Г., Шубин М.Б. Оценка кривых обогатимости угля по методу Бэрда. // Сб. статей по обогащению углей. Вып. 2. - Харьков: ОНТИ, 2001.
10. Геращенко К.Д. Исследование и разработка методов оценки донецких углей как объектов обогащения: Автореф. … дис. канд. техн. наук. - Донецк, 1983. - 24 с.: ил.
11. К вопросу разработки рациональных технологий обогащения угольного топлива на основе энергетического подхода
    http://www.rosugol.ru
12. Система управления качеством на "КЗ"№1"
    http://www.kz1.donetsk.ua

Translate to English