книги из ГПНТБ / Циперович, М. В. Обогащение углей в тяжелых суспензиях

Отделение твердых тел от жидкости с помощью центробежной силы хорошо известно и применяется в промышленных центрифугах. Однако центрифуги, применяемые для разделения, а затем для от­ деления жидкой фазы от продуктов обогащения и отмывки послед­ них весьма сложны и дороги.

Значительную сложность также представляет решение вопроса о жидкости высокой плотности для разделения обогащаемого ма­ териала. Применять суспензию практически невозможно вследствие тонкого измельчения утяжелителя, что усложняет систему регене­ рации суспензии.

Для разделения мелкого угля по плотности в центробежном поле можно использовать гидроциклоны. В гидроциклонах можно раз­ делять уголь по любой плот­ ности, причем верхний предел обогащаемого угля может до­

стигать 25 мм и более.

В качестве разделительной среды может применяться сус­ пензия, что значительно уде­ шевляет процесс и обработку продуктов обогащения.

Действие гидроциклона по­ казано на рис. 1. Пульпа, содер­ жащая твердые частицы, через патрубок тангенциально вво­ дится в гидроциклон с опреде­ ленной скоростью и давлением. Благодаря тангенциальному подводу пульпы ей сообщается вращательное движение внутри циклона, в результате чего обра­ зуется центробежное поле. Твер­

дые частицы, находящиеся в центробежном поле, подвергаются воздействию центробежных и центростремительных сил. В резуль­ тате их взаимодействия более крупные и тяжелые частицы отбрасы­ ваются к коническим стенкам гидроциклона и под влиянием равно» действующих сил, воздействующих на частицы, последние, двигаясь по спирали по внутренней стенке корпуса, опускаются книзу и раз­ гружаются через нижнюю насадку. Более легкие и тонкие частицы концентрируются у поверхности внутреннего цилиндра, образуемого вращающимся коническим столбом жидкости, и удаляются через этот воздушный цилиндр и отверстие в крышке конуса.

На твердую частицу, вращающуюся вместе с жидкостью, которая поступает под избыточным давлением 0,5—2 кгс/см2 в гидроциклон, воздействует несколько сил: центробежная, центростремительная, гравитационная и сила трения. В зависимости от того, к центру или к периферии направлена результирующая этих сил, частица покинет циклон через верхнюю или нижнюю насадку, т. е. удалится вместе

10

с осветленной водой или со сгущенным материалом. Результирующая сила определится объемом частицы, ее плотностью, силой трения (сопротивления) и скоростью вращения, которая является важней­ шим фактором.

Благодаря тому, что в гидроциклоне осуществляется разделение по плотности и по крупности, он может быть использован как для классификации, так и для обогащения угля.

Рассмотрим простейший случай разделения по плотности в гид­ роциклоне, когда средой является вода, легкими частицами — опилки и тяжелыми — уголь.

При вводе под давлением такой смеси в гидроциклон произойдет отделение опилок от угля. Через вершину конуса удалится более тяжелый продукт — уголь и через верхнюю насадку — опилки.

Если воду заменить например раствором хлористого цинка плот­

жидкости.

Однако применять для обогащения в гидроциклоне раствор ми­ неральной соли, как среды для разделения, нерационально, вслед­ ствие большой стоимости регенерации отработанного раствора. Применять же суспензию в качестве разделительной среды в гидро­ циклоне вполне возможно.

Часть более мелких зерен покидает гидроциклон через отверстие в верхней части циклона, а другая часть мелких зерен частично остается в гидроциклоне, циркулируя в нем до накопления опреде­ ленного количества, которое затем не изменяется. Такая циркуляция мелких частиц утяжелителя вызывается образованием равновесия между силами, действующими на мелкие частицы утяжелителя.

Процесс обогащения мелкого угля в гидроциклоне с применением в качестве тяжелой среды суспензии можно представить следующим образом.

Мелкий рядовой уголь вместе с суспензией поступает в гидро­ циклон, причем плотность суспензии меньше заданной плотности разделения. Благодаря сгущению суспензии в гидроциклоне обра­ зуется рабочая среда для разделения, в которой твердые частицы суспензии находятся в равновесии между центробежными и другими силами, действующими на частицы под давлением движения среды. Частицы угля, плотность которых меньше плотности разделяющей среды, удаляются из гидроциклона вместе с суспензией через отверстие в верхней части гидроциклона, а частицы более тяжелые, чем суспензия, удаляются через вершину конуса.

Изучение движения жидкости в прозрачной модели показало, что при вводе ее в гидроциклон в первый момент образуется враща­ ющаяся воронка, засасывающая воздух через отверстие в крышке циклона. По мере заполнения гидроциклона жидкостью диаметр

И

при увеличении окружной скорости v давление р уменьшается. Между скоростью потока (для идеальной жидкости) и радиусом

Тогда р = —°о. Таким образом, ось вращения является местом

Тангенциальная (окружная) скорость (рис. 4, а) вначале увели­ чивается от стенки гидроциклона к его оси и лишь вблизи воздуш­ ного столба круто падает на всех горизонтальных уровнях по высоте гидроциклона. Отсюда следует, что взаимоотношение между г; и г не зависит от положения горизонтальных уровней, если они распо­ ложены ниже вертикальной трубы для вывода суспензии с мелкими и легкими частицами.

Келсал показал, что в уравнение (15) для реальных жидкостей должна быть внесена поправка, после чего уравнение будет иметь

13

Исследования Келсала показали, что это взаимоотношение не зависит от давления. Для слоев, близко расположенных к верти­ кальной разгрузочной трубе и воздушному слою, такое взаимоот­ ношение отсутствует.

Радиальные скорости, измеренные на различных горизонтах по высоте гидроциклона (рис. 4, 6) ниже вертикальной трубы, умень­ шаются от стенки гидроциклона к оси. Кривая скорости проходит через нулевое положение в жидкой фазе. Для нижележащих слоев кривая скорости проходит через нулевое положение на границе жидкость — воздух, а для более высоких слоев сдвигается в сторону жидкой фазы. Для слоев, расположенных выше нижнего конца вер­ тикальной трубы, радиальная скорость уменьшается от стенки гид­ роциклона к оси. Ее кривая проходит через нулевое положение и у стенки трубы, где встречаются вертикальные потоки, направлен­ ные вверх, повышается, что способствует уносу частиц внутренней зоны в вертикальную трубу.

Вертикальные (осевые) скорости (рис. 4, в) вблизи стенок гидро­ циклона направлены вниз. По мере продвижения к оси гидроциклона вертикальная скорость жидкости уменьшается. Ее кривая проходит через нулевое положение, меняет направление на восходящее, ско­ рость начинает увеличиваться, достигая максимального значения на границе воздушного столба.

Нулевая поверхность, проходящая через точки с нулевой ско­ ростью движения жидкости, отделяет часть потока, движущегося вниз, от части, движущейся вверх.

Исследуя уравнения тангенциальной и радиальной скоростей жидкости в гидроциклоне, М. Дриссен [115] установил, что движе­ ние идеальной невязкой жидкости в гидроциклоне должно проис­ ходить по логарифмической спирали. С помощью математического исследования Дриссен установил, что при условиях, применяемых для обогащения углей, вязкость среды в гидроциклоне изменяет направление движения жидкости незначительно.

Процесс разделения твердых частиц по плотностям исходя из распределения скоростей в гидроциклоне можно представить сле­ дующим образом. Под действием центробежных сил твердые частицы суспензии стремятся двигаться от оси к периферии гидроциклона. Их движению препятствуют сопротивление среды и радиальное движение жидкости. Для частиц определенной плотности бх и раз­ мера d на некоторой вращающейся конической поверхности центро­ бежные силы уравновешиваются силами, действующими со стороны жидкости. На этой поверхности скорость осаждения частиц данной плотности равна нулю. Во внутреннем объеме конуса жидкости, ограниченном указанной поверхностью, частицы, плотность которых меньше плотности б15 перемещаются по направлению к воздушному столбу и удаляются в легкий продукт через отверстие в крышке гидроциклона. Частицы, плотность которых больше плотности бх, отбрасываются к периферии и удаляются через вершину конуса (нижнее отверстие).

15

Частицы плотностью Sx и определенного размера циркулируют

вгидроциклоне, тем самым повышая плотность суспензии в гидро­ циклоне по сравнению с плотностью исходной суспензии, вводимой

вгидроциклон. Этим объясняется, что плотность разделения угля

вгидроциклоне значительно выше плотности вводимой в циклон суспензии.

Г. Тарьян [153] показал, что величина зерна утяжелителя, вра­ щающегося в гидроциклоне, вследствие равновесных условий на радиусе г может быть определена по уравнению

где d — диаметр зерна утяжелителя, мк; dn — диаметр входного отверстия гидроциклона, см; бх и б2 — плотность утяжелителя и тя­

в гидроциклоне, частично удаляются через нижнее отверстие с от­ ходами и частично с концентратом через верхнее выпускное отвер­ стие,^ их место занимают другие частицы, поступающие со свежим материалом.

Траектория движения твердых частиц в гидроциклоне предста­ вляет собой спиральную линию, причем более тяжелые частицы двигаются вниз по внешней спирали вдоль стенки гидроциклона, а менее Тяжелые — по внутренней спирали снизу вверх (рис. 5 и 6).

16

§2. РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ

ВТЯЖЕЛЫХ СУСПЕНЗИЯХ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЕГО

ВСССР И ЗА РУБЕЖОМ

Структура обогащения угля по процессам на углеобогатительных фабриках в СССР приведена в табл. 1.

За относительно небольшой промежуток времени новый метод

В зарубежных странах этот метод тоже развивался быстрыми темпами. Доля отдельных способов обогащения по некоторым стра­ нам [62] приведена в табл. 2.

Значительное распространение получил метод обогащения углей

Г*». г-)Слич.ча.*1

обогащалось в минеральных суспензиях 10,3% всего обогащаемого угля, а в 1971 г. — уже 27,7% [54].

В ЧССР в 1960 г. в суспензиях обогащалось 2% всего обогащае­ мого угля, а в 1970 г. — 33%.

Такое развитие обогащения углей в тяжелых суспензиях объяс­ няется более высокой эффективностью этого процесса по сравнению с другими методами. Продукты, получаемые после обогащения в сус­ пензии, мало засорены посторонними фракциями, и поэтому потери угля с энергетическим топливом или породой отсутствуют. Концент­ рат не только не содержит породных фракций, но в нем отсутствуют даже средние фракции, что определяет низкую зольность обогащен­ ного угля.

При обогащении углей в суспензии качество продуктов в меньшей мере зависит от категории обогатимости. При использовании других методов с повышением трудности обогащения углей практические результаты все более отличаются от теоретических, так как про­ дукты обогащения в большей степени засоряются посторонними фракциями.

Р. Мотт [130] приводит сравнительные результаты обогащения угля крупностью 14—80 мм в отсадочных машинах и в минеральной суспензии, из которых видно преимущество метода обогащения угля

Сравнительная оценка эффективности различных методов обо­ гащения для крупных классов угля (рис. 7) показывает, что наиболее эффективным является метод обогащения в минеральной суспензии.

Разделение угля в тяжелых средах (органических жидкостях высокой плотности или растворах минеральных солей) исполь­ зуется в течение ряда лет в лабораторных условиях. Однако жидкости с необходимой плотностью, применяемые для разделения угля на отдельные фракции, слишком дороги для использования их на про­ мышленных установках.

Применение в качестве тяжелой среды минеральных суспензий, представляющих собой смесь тонкоизмельченных частиц тяжелых минералов с водой, привело к развитию процесса обогащения в тя­ желых суспензиях.

18

В СССР в 1926 г. Е. А. Слепцов [84] предложил обогащать уголь в глинистой суспензии. Однако глинистые суспензии обладают рядом

промышленная установка на Губахинском коксохимическом заводе для обогащения углей в суспензии. Ввиду отсутствия необходимого оборудования, применения гидравлической регенерации при не­ подходящем утяжелителе (пиритные огарки), освоение установки происходило с большим трудом [97, 98, 99].

Процесс обогащения на опытной установке был полностью от­ работан только после реконструкции установки, вызванной заменой пиритных огарков на магнетит с регенерацией последнего на магнит­ ных ленточных сепараторах. Результаты исследований, проведенных

на этой установке, были использованы для проектирования обога­ тительной фабрики на Карагандинском металлургическом заводе, где в суспензии обогащался уголь крупностью 20 (13) — 100 мм.

В 1949 г. была сооружена опытная установка ДонУГИ для обо­ гащения углей в минеральной суспензии, приготовленной из колош­ никовой пыли, на Ирминской центральной обогатительной фабрике. Этим способом обогащали промпродукт крупностью от 0,5 до 30 мм моечных желобов после предварительного его дробления и обесшламливания.

Позднее опытная установка ДонУГИ была сооружена и испытана

фабрике при шахте № 13-бис «Советская» была сооружена опытно­ промышленная установка в Донбассе, где в качестве утяжелителя также вначале применялась колошниковая пыль, как это было пред­ усмотрено проектом, а затем пиритные огарки [100].

Промышленное внедрение процесса обогащения углей в ми­ неральных суспензиях началось в СССР только с применением