НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ГАРКОВЕНКО Євген Євгенович

УДК 622.794.3 (043.3)

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСІВ ЗНЕВОДНЕННЯ

КЕКУ ТОНКИХ ВУГІЛЬНИХ ШЛАМІВ

05.15.11 "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державній холдинговій компанії “Донвугілля“ і Інституті геотехнічної механіки НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Назімко Олена Іванівна,

Донецький державний технічний університет,

професор кафедри збагачення корисних

копалин

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Туркеніч Олександр Михайлович,

Національна гірнича академія України,

професор кафедри збагачення корисних

копалин

кандидат технічних наук

Булава Юрій Іванович,

ЦЗФ “Жовтнева“, м. Білецьке Донецької області,

директор

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і

технологічно-конструкторський інститут

проблем Центрального району Донбасу

Міністерства палива та енергетики України,

м. Горловка

Захист дисертації відбудеться 13 квітня 2001 о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а. Факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 12.03.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Погіршення гірничо-геологічних умов видобутку вугілля, пов'язане з переходом на розробку більш тонких глибоко залягаючих пластів, використання виїмочних машин призводить до зниження якісних показників видобутого вугілля, різкому збільшенню вмісту в них тонких та глинистих фракцій. Із збільшенням вмісту тонких і глинистих фракцій у вугіллі визначальне значення набуває зневоднення дрібних та тонких класів. При цьому виникає необхідність в застосуванні спеціальних методів переробки вугілля, його зневоднення та сушіння. Одним з найбільш розповсюджених процесів при зневодненні шламів та флотаційних концентратів є вакуумне фільтрування. Удосконалення технології зневоднення, яка знижує вологість кеків на вакуум-фільтрах, дозволить задовольнити вимоги до вологості кінцевого продукту та знизити енерговитрати при сушінні.

Швидкість виведення вологи залежить від прикладеного перепаду тиску, опору осаду та визначається як капілярними явищами, так і мікроструктурою порового простору, а проникність осаду залежить від гранулометричного складу твердої фази.

Аналіз стану проблеми зневоднення тонких класів вугілля показав, що у вітчизняній практиці процес вакуумного фільтрування досліджувався в ряді інститутів: УкрНДІвуглезбагачення, Інститут геотехнічної механіки НАН України, Національна гірнича академія України, Донецький державний технічний університет, Комплексний науково-дослідний і технологічно-конструкторський інститут проблем Центрального району Донбасу, Криворізький технічний університет, ДонВуГИ та інші. Дослідженнями установлені основні закономірності процесу вуглезбагачення, розроблені теоретичні основи і нові перспективні напрямки в зневодненні вугільних шламів, запропоновані нові конструкції фільтрів.

Одночасно з цим у вітчизняних і зарубіжних дослідженнях мікроструктура порового простору та такі її характеристики, як форма пор і розподіл їх розмірів, вивчені недостатньо. Установлення нових закономірностей на основі моделювання та дослідження мікроструктури порового середовища кеку тонких шламів дозволить знайти шляхи удосконалення процесу зневоднення та роз'язати проблему зниження вологості кеку при вакуумному фільтруванні.

У зв'язку з цим обгрунтування параметрів процесів зневоднення кеку тонких вугільних шламів при збагаченні вугілля є актуальною науково-практичною задачею, яка має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках державної програми по розробці екологічно чистих та ресурсозберігаючих технологій переробки вугілля, пов'язана з планами Мінвуглепрому України в 1996-2000 рр., направленими на підвищення ефективності збагачення вугілля.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей мікроструктури кеку та її зміни в процесі зневоднення для підвищення ефективності процесу фільтрування.

Метою роботи є підвищення ефективності технології переробки вугілля шляхом обгрунтування параметрів процесів зневоднення кеку тонких вугільних шламів.

Для її реалізації поставлені та роз'язані наступні задачі:

1. Вивчити мікроструктуру кеку флотоконцентрату та оцінити її роль в процесі вакуумного зневоднення: набору і просушування осаду.

2. Дослідити та обгрунтувати параметри процесів зневоднення вугільних шламів на безперервно діючих вакуум-фільтрах.

3. Розробити схему вузла фільтрування вугільних концентратів та провести промислові випробування.

4. Розробити рекомендації по удосконаленню технології зневоднення тонких вугільних шламів.

Об'єкт дослідження – кек флотоконцентрату тонких вугільних шламів.

Предмет досліджень – мікроструктура кеку та її зміна в процесі вакуумного зневоднення.

Методи досліджень. Для роз'язання поставлених задач використовувався комплексний метод досліджень, що включає мікроскопічний аналіз шліфів, методи моделювання мікроструктур в пористих тілах, планування експерименту та статистичну обробку даних.

Наукове значення роботи полягає в оцінці впливу мікроструктури порового середовища на зміну проникності кеку та його вологості при зневодненні.

Наукові положення, які захищаються автором:

1. Проникність кеку залежить від характеристик пор, а не від їх питомої кількості. При цьому від 70 до 90 % витрат фільтрату забезпечується за допомогою 10-30 % великих пор від їх сумарної кількості, площа перерізу яких перевищує 1000 мкм2. Тобто, незначне число великих каналів в мікроструктурі кеку визначають його проникність та фільтруючу здатність.

2. При вакуумному фільтруванні зменшується коефіцієнт витягнутості пор осаду при його просушуванні з 0,82 в зоні набору осаду до 0,65, що сприяє зменшенню виносу твердого в фільтрат та знижує проникність осаду.

3. Вологість осаду монотонно збільшується на 2,5-3 % при зміні його товщини від 10 до 20 мм. Подальше збільшення товщини осаду до величини 30 мм практично не змінює його вологості, що пояснюється додатковою кількістю вологи, яка зберігає параметри порового простору. Збільшення товщини осаду більше за 30 мм призводить до незначного збільшення його вологості.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

· Вперше на основі моделювання та дослідження мікроструктури кеку вугільних шламів установлено, що від 70 до 90 % витрат фільтрату забезпечується за допомогою 10-30 % великих пор від їх сумарної кількості, площа перерізу яких перевищує 1000 мкм2. Тобто незначне число великих каналів в мікроструктурі визначають його проникність і фільтруючу здатність.

· Вперше експериментально встановлено, що при вакуумному зневодненні флотоконцентрату в зоні просушування осаду відбувається зміна параметрів порового простору в порівнянні із зоною фільтрації, яка робить визначальний вплив на його проникність.

· Вперше одержана залежність проникності осаду від характеристик його порового простору та дисперсії площі пор.

· Запропонований та науково обгрунтований новий підхід до збільшення питомої проникності осаду шляхом вибору форми і площі пор, а також їх коефіцієнта витягнутості.

Практичне значення роботи полягає в:

· визначенні класу крупності та кількісних характеристик зернистої присадки;

· розробці методики вибору схеми для одержання зернистої присадки до живлення вакуум-фільтрів;

· визначенні режимів роботи обладнання, яке використовується при реалізації вибраної схеми.

Особистий внесок автора. Автором самостійно запропонована ідея роботи, поставлена мета та задачі досліджень, одержані та сформульовані основні наукові положення і висновки. Автор приймав безпосередню участь в постановці досліджень, виборі методів та проведенні промислових експериментів. За його участю виконано аналіз результатів лабораторних і промислових експериментів. Основні висновки, що відносяться до механізму зміни мікроструктури порового середовища, автором зроблені самостійно. Текст дисертації викладений ним особисто.

Випробування роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції “Раціональному використанню землі і океану сучасну техніку і технології“ (Дніпропетровськ, березень 1999); III науковій школі “Імпульсні процеси в механіці суцільного середовища“ (Миколаїв, вересень 1999); науково-практичної конференції “Проблеми і особливості збагачення вугілля Західного Донбасу та Львовсько-Волинського басейну“ (Дніпропетровськ, березень 2000).

Реалізація результатів роботи. Розроблена методика вибору схеми для одержання зернистої присадки вакуум-фільтрів затверджена ДХК “Донвугілля“ і використовується на ЦЗФ “Чумаковська" при удосконаленні технології вакуумного зневоднення флотоконцентрату. Її застосування дозволило збільшити питому продуктивність вакуум-фільтрів на 15-20 % при зниженні вологості осаду на 1,5-2,0 % і знизити витрати палива на привод з 1,76 до 1,54 т/г. Річний економічний ефект від реалізації заходів становив 34 тис. грн.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 8 наукових працях. З них 1 монографія, 4 статті в фахових виданнях, 3 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку та додатків. Робота викладена на 146 сторінках, містить 61 рисунок і 14 таблиць, а також список використаних джерел з 149 найменувань.

Автор виражає вдячність працівникам ДХК “Донвугілля“ за допомогу в проведенні експериментальних досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В умовах збільшення вмісту тонких класів в шламових водах вуглезбагачувальних фабрик і в живленні флотації, а також нестаціонарності гранулометричного складу шламів виникає необхідність у використанні спеціальних методів переробки вугілля, його зневоднення та сушіння.

Одним із напрямів підвищення ефективності зневоднення є використання особливостей мікроструктури порового простору тонких вугільних шламів та її зміни в процесі зневоднення для визначення параметрів процесу фільтрування та просушування.

При вивченні мікроструктури кеку флотоконцентрату та оцінці її ролі в процесі вакуумного зневоднення: набору і просушуванні осаду встановлено, що пори мають вигляд многогранників. Ці многогранники або не перетинаються, або мають тільки одну спільну грань. За допомогою многогранників можна набрати пору практично любої форми.

Для штучної побудови неоднорідного пористого середовища використовувався спеціальний генератор, що являє собою ламану лінію певної конфігурації. На відрізках цієї лінії будувався рівносторонній трикутник – ініціатор. Штучне порове середовище створювали при многократному повторенні генератора. Керуючими параметрами були ймовірності появи генератора та ініціатора в площині.

В залежності від значень ймовірностей були одержані різні графічні зображення пористого середовища, на яких виконувався підрахунок площі пор в пікселях шляхом накладання палетки. Як змінні фактори прийняті ймовірності появи ініціатора і генератора в горизонтальному та вертикальному напрямках.

Шляхом підбору ймовірнісних параметрів і типу генератора створювалася така мікроструктура пор, яка максимально наближена до реального пористого середовища кеку по розміру, місцеположенню та іншим характеристикам пор. Порівняння проведено не тільки якісно, але і кількісно, для чого підраховано число пор різних поперечних розмірів і побудовані їх розподіли. При цьому врахована витягнутість пор і нерівномірність їх розподілу по площі шліфу. На основі такого підходу з достатньою точністю відображене реальне пористе середовище.

На лабораторних установках виконано дослідження фільтруємості кеку флотоконцентратів, відібраних на різних фабриках в різних точках ванни фільтрів, визначено коефіцієнт фільтрації та проникність. Із цих же проб виготовлені шліфи та вивчена структура і розподіл пор по величині їх площі.

Аналіз двомірної структури шліфу дозволив співвіднести розмір пор з потоком, який протікає через кек. Потік в кожному індивідуальному капілярі розрахований з використанням двомірного наближення. Ламінарна течія в таких капілярах визначалась прикладеним перепадом тиску і в'язкістю фільтрату.

Припустивши, що на межі частинка-пора ковзання відсутнє, швидкість потоку розраховували безпосередньо із зображення шліфу, тобто двомірної мікроструктури кеку. Діаметр капілярів (пор) визначали як приведений діаметр, для чого обчислювали в пікселях і потім приводили до круглого перерізу. Витрати потоку розраховували на основі закону Пуазейля для ламінарної течії рідини через капіляр круглого перерізу. В результаті розрахунків і вимірів було встановлено, що витрати фільтрату через декілька великих пор складае більшу частину від всіх витрат рідини через переріз (рис. 1).

Установлено, що декілька великих каналів в мікроструктурі кеку пропускають більшу частину потоку фільтрату. Саме вони визначають проникність та фільтруючу здатність кеку. Тому керувати процесом формування кеку та рухом фільтрату необхідно так, щоб відбувалося стійке утворення і зберігання великих пор, які виводять основний об'єм фільтрату.

Аналіз даних дозволив одержати нелінійне регресійне рівняння

SD = 659,87 + DL, (1)

де SD – дисперсія площі пор;

D = 1,61 – параметр генератора;

L = 20,86PiV – 27,38PiH – 48,52PgV + 46,49PgH;

PiV, PiH, PgV, PgH – ймовірнісні параметри для ініціатора і генератора, відповідно.

Коефіцієнт кореляції для даної залежності становить R = 0,89.

Дисперсія площі пор дозволяє також характеризувати пористе середовище. Показано, що чим більше розсіювання значень площі пор, тобто чим нерівномірніше розподілена площа пор в зразку, тим вище значення дисперсії і тим більша ймовірність вмісту великих поодиноких пор, які, в основному, визначають проникність.

Статистична обробка результатів дозволила установити залежність між стандартним відхиленням і проникністю. Тут необхідно враховувати витягнутість пор, яка відіграє значну роль в гідродинаміці видалення води. Для шліфу з високою проникністю середньозважений коефіцієнт витягнутості пор становить 0,84, для шліфу з низькою проникністю 0,58. Залежність проникності від стандартного відхилення має вигляд:

PRЧ1014 = Kв(12,003 + 0,02SD). (2)

Реальні шліфи виготовляли з тих же самих проб кеку флотоконцентрату, які випробовували на проникність в лабораторних умовах з використанням стандартних методик, що підвищує достовірність одержаних даних.

Дослідження мікроструктури кеку флотоконцентрату в стадії просушування виконувалося шляхом мікроскопічного дослідження зразків, одержаних на лабораторній установці в зоні набору осаду і в зоні його просушування після виготовлення шліфів (рис. 2).

Спеціальна обробка мікрофотографій свідчить про те, що в зоні фільтрування переважають пори заокругленої форми або близької до неї. Максимальне видалення вологи відбувається на початковому етапі конденсування осаду через заокруглені добре провідні канали. По мірі згущення продукту поверхня пор набуває більш ламаний, зморщений вигляд, хоч, в цілому, форма пори близька до круглої. Це забезпечує низький опір руху вологи через тіло кеку. Разом з тим виступи і шорсткості, які посилюються по мірі просушування кеку при відсмоктуванні або витісненні вологи, грають роль уловлювачів для тонкого матеріалу, що зменшує винос його в фільтрат. Подальший процес просушування супроводжується усадкою кеку і значним деформуванням пор в сторону витягнутості та зламаності. З одного боку це підвищує ймовірність уловлювання фракцій твердого і запобігання виносу їх в фільтрат. З іншого боку збільшується гідравлічний опір кеку. Тому процес виведення вологи затухає, а його інтенсифікація вимагає додаткової енергії.

Рис. 2. Типові мікрофотографії шліфів з осаду

в зоні фільтрування (зліва) і в зоні просушування (праворуч)

Параметри фільтрування необхідно підбирати таким чином, щоб момент значного звуження пор наступав після досягнення необхідної вологості продукту. При цьому усадка пор буде сприяти тільки зменшенню виносу твердого в фільтрат.

Для проб із зони набору осаду середній коефіцієнт витягнутості складає Kв = =0,82, для проб із зони просушування Kв = 0,65. Ці дані кількісно підтверджують, що в процесі формування осаду та його просушування відбувається зміна порового простору. Седиментаційний аналіз твердої фази в фільтраті показав, що середній діаметр зерна в фільтраті із зони набору осаду становить 0,030 мм, а із зони просушування – 0,026 мм.

Одним із варіантів зменшення негативного впливу звуження пор кеку в фазі просушування на проходження рідини є присадка невеликої кількості зернистої фракції. Виконаний статистичний аналіз розподілу пор по площі для шліфу із зернистою присадкою показав, що за статистичною оцінкою і властивостями цей шліф близький до шліфу з високою проникністю (C = 65,99Ч10-14м2), який одержано з проби, відібраної біля дна ванни фільтра.

Гранулометричний склад твердої фази фільтрату із зони просушування осаду при уведенні дрібнозернистої присадки свідчить про те, що середній діаметр зерна збільшився і становить 0,032 мм.

Виконані дослідження дозволили зробити висновок про зміну мікроструктури порового простору кеку флотоконцентрату в різних фазах процесу вакуумного зневоднення та про позитивний вплив на неї дрібнозернистої добавки, яка сприяє більш ефективному та швидкому видаленню вологи. Добавка зернистої частини створює розклинюючий екрануючий ефект, оберігаючи внутрішню структуру пор від деградації та зморщування на момент максимального видалення фільтрату.

В результаті дослідження і обгрунтування параметрів процесів зневоднення вугільних шламів на безперервно діючих вакуум-фільтрах установлено, що при укладці частинок в осад на фільтрувальній перегородці, в залежності від гранулометричного параметра, змінюються характеристики порового середовища кеку флотоконцентрату. Це призводить до зміни значення опору осаду.

Проникність осаду є величиною, оберненою питомому опору осаду. В свою чергу продуктивність фільтра обернено пропорційна кореню квадратному із питомого опору. Збільшення питомої проникності осаду шляхом підбору характеристик його порового простору призводить до підвищення продуктивності як стрічкових, так і дискових вакуум-фільтрів при одночасному зниженні вологості осаду. Це пояснюється зростанням швидкості фільтрації за рахунок утворення великої кількості провідних каналів із збільшеною, в порівнянні з останніми, площею перерізу.

Підвищити проникність осаду можна присадкою крупнозернистого шламу (крупністю до 1,5-2,0 мм), за який запропоновано використовувати концентрат гідрокласифікатора або центрифугат концентратних центрифуг.

Для підтвердження результатів теоретичних досліджень експериментальні дослідження проводилися в умовах ЦЗФ “Чумаковська“ для вугілля марки К. Вміст твердого в вихідній пульпі флотаційного концентрату змінювався в межах 330-370 кг/м3, зольність живлення фільтра становила 12-14 %. Швидкість обертання дисків змінювалася від 30 до 50 ч-1. За рахунок цього регулювався час зневоднення, а також товщина осаду, що набирається з ванни, величина якої коливалась в межах 10-12 мм. Розрідження в системі створювалось від 30 до 80 кПа.

Проби кеку відбиралися і усереднювалися, потім по стандартній методиці визначалася їх вологість. Враховуючи необхідність обліку гранулометричного складу флотаційного концентрату, проведена статистична обробка, яка дозволила запропонувати його апроксимацію розподілом Розіна-Раммлера:

,

d0 = 0,172; k = 1,032.

Проведена серія дослідів по оцінці впливу товщини осаду на показники зневоднення послужила основою для побудови степеневої регресійної залежності вологості осаду від розрідження Р і товщини осаду d:

,

А = 5,019; а = -0,42; b = 1,18; с = -0,02.

Підтвердженням адекватності одержаної залежності є високі значення коефіцієнта множинної кореляції і критерію Фішера:

R2 = 0,992; F = 610,39.

Відповідні розрахунки статистики Стьюдента для коефіцієнтів дозволяють вважати їх значущими.

Важливим показником процесу фільтрування є також винос твердого в фільтрат, який вкрай небажаний і призводить до підвищення накопичення шламів в оборотній воді.

При фільтруванні флотаційного концентрату в фільтрат виносяться найбільш тонкі частинки. Направлення фільтрату в різні операції технологічної схеми підприємства призводить до підвищення вмісту тонкодисперсних частинок у водно-шламовій системі збагачувальної фабрики.

Основна частина твердого виноситься в фільтрат при формуванні початкового затримуючого шару осаду. При цьому швидкість утворення затримуючого шару залежить від відношення розміру отворів в фільтрувальній перегородці dотв до середньозваженого розміру зерен матеріалу, який фільтрується (dотв/dср). Чим менша величина цього співвідношення і значення гранулометричного параметра, тим менший винос твердого в фільтрат. З ростом dср також збільшується продуктивність фільтра та зменшується вологість кеку.

Слід відзначити, що виконаний седиментаційний аналіз фільтрату, відібраного в зоні фільтрування і в зоні просушування, дозволив установити, що в зоні фільтрування винос твердого в фільтрат найбільший. Причому, відносно великі частинки попадають в фільтрат саме в цій зоні. Як було установлено, в зоні набору осаду переважають пори з формою близькою до круглої; середньозважений коефіцієнт витягнутості Kв пор близький до значень 0,8-1,0.

При Kв = 1 спостерігається максимальний винос твердого в фільтрат. При деформації пор в сторону витягнутості на стінках пор з'являються складки-мікроуловлювачі, пора набуває зморшкуватість, а потім стає близькою до щілиноподібної. Уловлювачі виконують роль місцевих турбулізаторів потоку, направляючи найдрібніші тверді частинки в потоці, що протікає через пору, від стінки до стінки і уповільнюючи, таким чином, винос твердої фази в фільтрат. При Kв близькому до значення 0,6 форма пор слабо впливає на винос твердого в фільтрат, кількість твердого в фільтраті стабілізується (рис. 3).

Рис. 3. Залежність виносу твердого в фільтрат від витягнутості пор

Таким чином, винос тонких твердих частинок в фільтрат помітно знижується, якщо поверхня порових стінок шорстка, а самі пори злегка витягнуті. У цей момент пори ще є водопровідними, але вже виконують і роль уловлювача для тонких частинок твердої фази. При подальшому збільшенні витягнутості пор, коли Kв зменшується до мінімального значення 0,1, знижується їх провідність не тільки для твердої фази, але й для рідини, а проникність осаду погіршується.

В результаті розробки схеми вузла фільтрування вугільних концентратів та проведення промислових випробувань запропонований варіант побудови вузла фільтрування. Аналітичне дослідження і розрахунки процесу накопичення тонких частинок в замкнутих технологічних циклах дозволили визначити раціональну технологічну схему обробки тонкодисперсних шламів. Розрахунки показують, що направлення фільтрату в бак оборотної води незначно підвищує накопичення тонкодисперсних частинок в системі. Проте, це не може служити достатнім аргументом для вибору такого варіанту, оскільки в цьому випадку можуть накопичуватися флотаційні реагенти, що може привести до “запінення“ системи фабрики. Моделювання процесу накопичення тонких частинок показало, що при направленні фільтрату в бак оборотної води без флокуляції накопичення тонких частинок в оборотній воді вище на 4-5 %, ніж при флокуляції фільтрату. Тому варіант з направленням фільтрату на флокуляцію є більш переважним.

Одним з можливих варіантів одержання зернистої присадки є використання гідрокласифікатора та комплексу забезпечуючого обладнання, установленого на фабриці.

У ході промислових випробувань на ЦЗФ “Чумаковська“ було підтверджено зниження вологості кеку вакуум-фільтрів на 1,5-2% при використанні концентрату гідрокласифікатору як крупнозернисту добавку до живлення вакуум-фільтрів. Це дозволило знизити витрати палива на сушіння з 1,76 до 1,54 т/год. і збільшити питому продуктивність вакуум-фільтрів на 15-20 %.

За рахунок зниження вологості матеріалу, що поступає на сушіння, забезпечується зменшення витрат палива для цієї операції на 1056 т/рік, що дозволить одержати річний економічний ефект біля 34 тис. грн.

Розроблені рекомендації по удосконаленню технології зневоднення тонких вугільних шламів дозволили розробити методику вибору схеми для одержання зернистої присадки до живлення вакуум-фільтрів і можуть бути використані при удосконаленні вузлів зневоднення флотаційних вугільних концентратів.

Установлено, що для підвищення продуктивності вакуум-фільтрів важливо забезпечити досить високу швидкість фільтрування, яка залежить від величини розрідження, що створюється, швидкості руху стрічки або обертання дисків та гранулометричного складу шламу, що фільтрується. Збільшення крупності частинок шламу при одній і тій же швидкості руху стрічки або обертання дисків підвищує продуктивність фільтра в більшій мірі, ніж збільшення швидкості.

Оптимальною швидкістю руху стрічки стрічкових вакуум-фільтрів при фільтруванні вугільних шламів є швидкість 0,058 м/с. При цій швидкості досягається найбільша продуктивність фільтра. Збільшення середньої крупності шламу від 0,2 мм до 0,4 мм визиває збільшення питомої продуктивності в 1,8 рази при одночасному зниженні вологості осаду на 4,5 %.

Дані про вплив гранулометричного складу шламу на порову структуру осаду та його проникність і, як наслідок, на технологічні параметри процесу фільтрування дозволили запропонувати ефективний метод інтенсифікації роботи вакуум-фільтрів шляхом присадки крупнозернистого шламу (крупністю 1,5-2,0 мм) до суспензії, що фільтрується. Присадка крупнозернистого шламу збільшує проникність шару осаду за рахунок формування великої кількості каналів з високою пропускною здатністю і підвищує швидкість фільтрування.

Підвищення швидкості фільтрації рідини в тілі кеку флотоконцентрату дозволяє збільшити швидкість руху стрічки або обертання дисків і тим самим істотно підвищити продуктивність вакуум-фільтра.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, основних висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням апробованих методів моделювання неоднорідного пористого середовища, використанням стандартних методик дослідження мікроструктури порового простору та фільтраційних властивостей середовища, високими значеннями коефіцієнтів множинної кореляції і критерія Фішера, позитивними результатами промислових випробувань.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій дано рішення актуальної науково-практичної задачі, яка полягає в обгрунтуванні параметрів процесів зневоднення тонких вугільних шламів при переробці вугілля, що має важливе народногосподарське значення.

У процесі виконання роботи одержані наступні заключні висновки і практичні результати.

1. За допомогою підбору типу генератора і ймовірнісних параметрів його розвитку проведено моделювання структури порового простору кеку флотоконцентрату та виконано дослідження розподілу пор по їх розмірах і витягнутості. Вперше визначені залежності між проникністю кеку та характеристиками його порового середовища, які враховують розсіювання значень площі пор.

2. Установлено, що проникність кеку залежить від характеристик пор, а не від їх питомої кількості. При цьому від 70 до 90 % витрат фільтрату забезпечується за допомогою 10-30 % великих пор від їх сумарної кількості, площа перерізу яких перевищує 1000 мкм2. Тобто, незначне число великих каналів в мікроструктурі кеку визначають його проникність і фільтруючу здатність.

3. У процесі формування осаду, фільтрування вологи через нього в зоні фільтрації та при просушуванні осаду відбувається зміна порового простору. В першій фазі переважають пори, близькі за формою до округлої, у другій – спочатку пори за формою змінюються мало, але на стінках пор з'являється все більше число мікровпадин і мікротріщин. Установлено, що винос твердих частинок в фільтрат помітно знижується, якщо поверхня порових стінок шорстка, а самі пори злегка витягнуті. У цей момент пори ще є водопровідними, але вже виконують і роль уловлювача для тонких частинок твердої фази. При подальшому збільшенні витягнутості пор знижується їх провідність не тільки для твердої фази, але і для рідини.

4. Присадка крупнозернистого матеріалу (клас крупності 0,2-1мм) в кількості до 5 % від початкового живлення створює екрануючий розклинюючий ефект, затримуючи процес збільшення витягнутості пор і схлопування в період просушування осаду, тобто, охороняючи внутрішню структуру пор від деградації і зморщування, що, зрештою, сприяє збільшенню проникності осаду.

5. На основі експериментальних досліджень установлено, що середній діаметр зерна в фільтраті із зони набору осаду становить 0,030 мм, а із зони просушування – 0,026 мм. Шліфи із зернистою присадкою близькі по властивостях до шліфу з високою проникністю (C = 65,99Ч10-14 м2). Середній діаметр зерна твердої фази, яка виділилася в фільтрат, при цьому збільшується і становить 0,032 мм.

6. Промислові випробування вдосконаленої технології з урахуванням запропонованої схеми одержання присадки підтвердили можливість зниження вологості кеку на 1,5-2% в умовах ЦЗФ “Чумаковська“, що дозволило збільшити питому продуктивність вакууму-фільтрів на 15-20%, знизити витрати палива на сушіння з 1,76 до 1,54 т/год. Річний економічний ефект при цьому склав близько 34 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ РОБІТ,

ЩО ВІДОБРАЖАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гарковенко Е.Е. Аналитические методы расчета ленточного вакуум-фильтра при фильтрации в случае полного отсутствия расслоения суспензии // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999. - Вып.13. - С. 109-113.

2. Гарковенко Е.Е. Анализ условий работы ленточного вакуум-фильтра и разработка эффективных режимов обезвоживания продуктов обогащения // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999. - Вып.15. - С. 16-19.

3. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Микроструктура кека флотоконцентрата и ее роль в процессах обезвоживания // Збагачення корисних копалин. - 2000. - №9. - С. 93-99.

4. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Совершенствование работы систем осветления оборотных вод углеобогатительных фабрик. - Днепропетровск: Полиграфист, 2000. - 174 с.

5. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е., Друц И.Н. Исследование микроструктуры шлифов кека в фазе просушки осадка // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 2000. - Вып.22. - С. 42-46.

6. Гарковенко Е.Е. Математическая модель процесса изменения концентрации фаз при движении многофазной среды // Материалы III Научной школы “Импульсные процессы в механике сплошных сред“. - Николаев, сентябрь 1999. - С. 18-21.

7. Гарковенко Е.Е. Анализ влияния гранулометрического состава добываемого материала на параметры течения в вертикальном трубопроводе //Тезисы докладов международной научно-практической конференции “Рациональному использованию минеральных ресурсов земли и океана современную технику и технологию“. - Днепропетровск, май 1999. - С. 21-22.

8. Семененко Е.В., Гарковенко Е.Е. Научные предпосылки обеспечения рентабельности технологий в горной промышленности // Материалы международного симпозиума “Наука и предпринимательство“. - Трускавец, февраль, 2000. - С. 476-479.

АНОТАЦІЯ

Гарковенко Є.Є. Обгрунтування параметрів процесів зневоднення кеку тонких вугільних шламів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва“. – Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2001.

За допомогою фізичного і комп'ютерного моделювання, а також натурних спостережень в лабораторних умовах досліджено мікроструктуру кеку флотоконцентрату та її вплив на показники вакуумного зневоднення. Експериментально встановлено, що незначна кількість великих каналів в мікроструктурі кеку визначають його проникність та фільтруючу здатність. Встановлено, що в стадії набору осаду пори мають переважно круглу форму, а в стадії просушування – стають витягнутими. Встановлена експериментальна залежність проникності осаду від структури порового середовища. Досліджені та вдосконалені технологічні параметри фільтрування вугільних суспензій на безперервно діючих фільтрах, проведені промислові випробування рекомендацій.

Ключові слова: вугільні шлами, кек флотоконцентрату, мікроструктура порового простору, параметри процесу зневоднення.

АННОТАЦИЯ

Гарковенко Е.Е. Обоснование параметров процессов обезвоживания кека тонких угольных шламов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства“. – Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2001.

Выполнено исследование микроструктуры кека флотоконцентрата и проведена оценка ее роли в процессах обезвоживания: обоснованы технологические параметры фильтрования угольных суспензий на непрерывно действующих вакуум-фильтрах; разработана схема узла фильтрования и рекомендации по совершенствованию технологии обезвоживания тонких угольных шламов.

Целью работы является повышение эффективности технологии переработки угля путем обоснования параметров процессов обезвоживания кека тонких угольных шламов. Идея работы заключается в использовании особенностей микроструктуры кека и ее изменения в процессе обезвоживания для повышения эффективности процесса фильтрования.

Впервые установлены закономерности фильтрации угольных суспензий при их обезвоживании на основе сопоставления результатов моделирования микроструктуры кека и лабораторных экспериментов.

Экспериментально установлено, что в процессе формирования осадка, фильтрования влаги через него в зоне фильтрации и при доводке осадка в зоне просушки происходит изменение порового пространства. В первой фазе преобладают поры, близкие по форме к круглой, во второй – вначале поры по форме изменяются мало, сохраняя начальную водопроводимость, но на стенках пор появляется все большее число микровпадин и микротрещин, которые служат своеобразными ловушками для тонких частиц, увлекаемых в фильтрат. Затем поры становятся более вытянутыми, и появляется значительное число щелевидных пор, в результате чего коэффициент вытянутости пор снижается, что приводит к уменьшению проницаемости осадка.

Найден новый подход к увеличению удельной проницаемости осадка путем подбора характеристик его порового пространства, что обеспечивает увеличение производительности как ленточных, так и дисковых вакуум-фильтров при одновременном снижении влажности осадка. Объясняется это увеличением скорости фильтрации за счет образования большего количества проводящих каналов с повышенной по сравнению с остальными площадью сечения. Поэтому следует управлять процессом формирования кека и движением фильтрата так, чтобы происходило устойчивое формирование и сохранение от 10 до 30 % крупных пор, которые выполняют основную роль в выведении фильтрата.

Научное значение работы состоит в оценке влияния микроструктуры поровой среды на изменение проницаемости кека и снижение влажности угольных концентратов при обезвоживании на непрерывно действующих вакуум-фильтрах.

Практическое значение состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию технологии обезвоживания кеков тонких угольных шламов путем управления микроструктурой кека с помощью присадки крупнозернистого шлама и создания необходимой устойчивой микроструктуры, в положительных результатах промышленных испытаний совершенствованной технологии, позволившей снизить влажность на 1,5-2%.

Предложенные автором практические рекомендации прошли успешное испытание и внедрены в промышленность.

Ключевые слова: угольные шламы, кек флотоконцентрата, микроструктура порового пространства, параметры процесса обезвоживания.

ANNOTATION

Garkovenko Ye.Ye. Validation of processes dehydration characteristic of coal curtain slurry cake. - Manuscript.

The thesis for a candidate degree (technical sciences) in speciality of 05.15.11 - "Physical processes of mining industry". - The Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2001.

With the help of physical and computer simulation as well as with natural observations in the laboratory environment, the microstructure of flotation concentrate cake tailing and its influence on vacuum dehydration indices has been investigated in the thesis.

It is experimentally determined that slightly quantity of big canals in cake microstructure denotes its penetrability and filter discrimination.

It is defined that during the stage of sediment collecting, pores are mainly of round form and at the stage of drying they become elongated ones.

The experimental dependence of sediment penetrability on the structure of porous medium is established.

The technological characteristic of filtration of coal slurry at continuously functioning filters are investigated and improved.

The release testing of the recommendation are carried out.

Key words: slurry coals, flotation concentrate cake, porous space microstructure, processes dehydration characteristic.

Видруковано на різографі ООО фірма “Сервис“

Підписано до друку 21.02.2001

Умов. друк. арк. 1,04. Формат 80ґ60 1/16

Тираж 100 прим. Замовлення № 149

49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 21