Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

На правах рукопису

Кірнарський Анатолій Семенович

УДК 622.74:621.928.474

Технологічні основи мокрої гвинтової сепарації вугілля

Спеціальність 05.15.08 "Збагачення корисних копалин"

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі збагачення корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Пілов Петро Іванович,

Національна гірнича академія України
(м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України, перший проректор, завідувач кафедри збагачення корисних копалин.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Полулях Олександр Данилович, завідувач Придніпровської лабораторії удосконалення технології збагачення вугілля Західного Донбасу та Львівсько-Волинського басейну інституту УкрНДІвуглезбагачення
(м. Дніпропетровськ), Міністерство палива та енергетики України.

доктор технічних наук, бІЛЕЦЬКИЙ Володимир Стефанович, старший науковий співробітник кафедри збагачення корисних копалин Донецького державного технічного університету, Міністерство освіти і науки України.

доктор технічних наук, професор Серго Юхим Юхимович.

Провідна установа Криворізький державний технічний університет, Міністерства освіти і науки України, кафедра збагачення корисних копалин.

Захист відбудеться "__19__" ____жовтня___ 2000р. о _14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ27, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ27, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий "__14__" ___вересня___ 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 08.080.02 _____________ В.В. Панченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Збільшення зольності, вмісту сірки і дрібних класів у рядовому вугіллі і жорсткіші вимоги на світовому ринку до якості товарних концентратів ставлять перед вуглезбагаченням задачу істотного поліпшення ефективності технологічних процесів.

Класичні процеси (відсадка, важкосередовищна сепарація, флотація) майже вичерпали свій технологічний потенціал, тоді як сучасний рівень теорії і практики збагачення вугілля дає змогу створювати новітні високоефективні, екологічно чисті технології, що особливо актуально для України, де доля вугілля в енергетичному балансі домінуюча, а ступінь забруднення довкілля вищий, ніж у країнах з адекватною структурою народного господарства.

Максимальної ефективності збагачення вугілля можна досягти не за рахунок оптимізації та вдосконалення якогось одного процесу, а тільки поєднанням кількох методів збагачення з використанням їх найбільш пріоритетних технологічних особливостей, що зумовлює розробку принципово нових багатофункціональних технологій з універсальними можливостями, одна з яких мокра гвинтова сепарація (МГС). Ця технологія слугує гарантом підвищення ступеня використання потужності діючих вуглезбагачувальних фабрик, підтримки їх високого технологічного рівня, радикального вирішення проблем водношламового комплексу, забезпечення екологічної чистоти збагачувальних підприємств та освоєння забалансової сировини техногенних родовищ.

Отже, розкриття закономірностей та встановлення якісних і кількісних залежностей технології мокрої гвинтової сепарації на основі багатопланових теоретичних, експериментальних та промислових досліджень цього процесу актуальна наукова проблема.

Дисертацію виконано відповідно до планів найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України (теми ДП162, номер держреєстрації 0194U016251; ДП202, номер держреєстрації 0187U016025; ДП242), Міністерства вугільної промисловості України (теми №020591, номер держреєстрації 0195U012212; 020594, номер держреєстрації 0196U002873; 020595, номер держреєстрації 0196U002874), провідного інституту УкрНДІвуглезбагачення (теми №020585, номер держреєстрації UA01000315P; 020589, номер держреєстрації 0193U033322), де автор був відповідальним виконавцем, а за темами 020585, 020589 керівником науково-дослідних робіт.

Об'єкт дослідження принципово нові багатофункціональні технології, які відзначаються високою ефективністю та питомою продуктивністю, природомилосердям та низькими водо- і енерговитратами, доступністю та рентабельністю при збагаченні вугілля.

Предмет дослідження процес мокрої гвинтової сепарації дрібних класів вугілля та шламів як технологічна основа перспективних схем переробки вугільної сировини.

Мета роботи технологічне обґрунтування мокрої гвинтової сепарації дрібних класів вугілля та шламів для підвищення ефективності їх збагачення і створення на основі цього процесу перспективних технологій переробки вугільної сировини.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації поставлені та вирішуються такі задачі:

1.

2. Розкрити аутогенні властивості гвинтового потоку вугільної гідросуміші залежно від гідродинамічного режиму розділення (анізотропність і турбулентність, поперечна циркуляція, наявність вихорів), реологічних ознак суспензії (вміст твердої фази, в'язкість) та речовинного складу матеріалу (фракційний і гранулометричний склад).

3. Обґрунтувати верхню та нижню межі крупності ефективної мокрої гвинтової сепарації вугілля та встановити технологічні закономірності цього процесу для різних класів крупності, на основі чого розробити технологічні рішення щодо збагачення зернистих шламів, відсівів, промпродуктів, штибів, породи відсадки та важкосередовищної сепарації.

4. Виявити закономірності розпушування матеріалу в умовах мокрої гвинтової сепарації.

5. Визначити технологічні можливості МГС-процесу щодо збагачення вугілля по золі та сірці і запропонувати узагальнений технологічний критерій ефективності цього процесу.

6. Розробити новітні водно-шламові схеми з роздільною переробкою зернистої (мокрою гвинтовою сепарацією) та мулистої (флотацією) складових вугільних шламів і на основі цього відпрацювати перспективні технології переробки коксівного та енергетичного вугілля.

Основна ідея полягає у розділенні мінеральних часток за щільністю та крупністю в аутогенному середовищі за умов анізотропного турбулентного потоку під дією вихорів поперечної циркуляції при переміщенні вугільної гідросуміші на гвинтовій поверхні у відкритому безнапірному шарі.

Наукові положення та результати, що захищаються, їхня новизна.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1.

2. Мокра гвинтова сепарація саморегулювальний процес за рахунок формування під дією поперечної циркуляції аутогенного ядра із крупних зерен породи та промпродукту, що забезпечує таку щільність розділення, при якій досягається мінімальне засмічення продуктів збагачення в умовах технологічної рівноваги системи.

3. В умовах гвинтового потоку розпушування матеріалу пов'язано із швидкістю поверхневого прошарку у першій частині циклу мокрої гвинтової сепарації, а його ущільнення із швидкістю придонного прошарку у другій частині циклу; при цьому головний чинник зміни вертикального положення зерен дія турбулентних вихорів, які зриваються з мінеральної поверхні при циркуляції рідини навколо частинок матеріалу.

Наукові результати:

1.

2. Уперше обгрунтовані верхня та нижня межі крупності ефективної мокрої гвинтової сепарації, що дає можливість використовувати цей процес для збагачення промпродукту відсадки, відсівів, штибів, відходів флотації.

3. Уперше введене поняття "аутогенне ядро" для характеристики робочого середовища в центральній частині гвинтового потоку. Установлено, що аутогенне ядро структурно включає крупні частки породи та промпродукту і виконує роль гаранта високої технологічної ефективності процесу.

4. Установлена технологічна сумісність та доцільність мокрої гвинтової сепарації з основними процесами збагачення дрібного вугілля (відсадка) та шламів (флотація), що забезпечує підвищення їх ефективності, скорочення фронту флотації та зменшення витрат горючої маси з відходами збагачення.

5. Уперше отримана комплексна залежність кількісно-якісних показників збагачення, продуктивності, щільності розділення, витрат води, стирання матеріалу в умовах МГС-процесу від вмісту твердої фази в гідросуміші, оптимальна величина якого складає 250450 кг/м3.

6. Уперше з'ясована фізична сутність щільності розділення для умов мокрої гвинтової сепарації та встановлена її залежність від крупності збагачуваного матеріалу.

7. Удосконалений узагальнений критерій технологічної ефективності мокрої гвинтової сепарації, який дозволяє оцінювати кількісно і якісно вилучення горючої маси до концентрату та враховувати десульфурацію вихідного вугілля.

8. На підставі лабораторних та аналітичних досліджень дістала подальший розвиток аутогенна природа розділяючого середовища при мокрій гвинтовій сепарації, що зумовлено гідродинамічним режимом гвинтового потоку, реологічними властивостями гідросуміші та речовинним складом збагачуваного матеріалу.

9. Уперше встановлені закономірності розпушування матеріалу за умов мокрої гвинтової сепарації в горизонтальному та вертикальному напрямках під дією турбулентних вихорів, які зриваються з мінеральних частинок, що дає можливість регулювати кількісно-якісні показники залежно від гідродинамічного режиму процесу.

10.

Методи дослідження. У роботі здійснений комплекс теоретичних та експериментальних досліджень на основі узагальнення відомих сучасних досягнень науки і технології із означеної проблеми. У галузі теоретичних досліджень використані теорії анізотропної турбулентності, теорії ймовірних процесів для умов придонного шару, динаміки руслових потоків, розмірностей та подібності; метод математичного моделювання, диференціальні методи вирішення рівнянь гідродинаміки. У сфері експериментальних досліджень застосовувалися: лабораторне моделювання розділення матеріалу за крупністю і щільністю в гвинтовому потоці, лабораторні методи визначення аутогенного ядра в умовах МГС-процесу. Експериментальні дані оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується застосуванням фундаментальних основ теорії і практики гравітаційного збагачення корисних копалин та використанням теорії динаміки руслових потоків, теорії ймовірностей, теорії розмірностей та подібності; узгодженістю розробленої теорії мокрої гвинтової сепарації із фізичною концепцією про перебіг процесів розділення корисних копалин у водному потоці на похилій площині; задовільною збіжністю результатів теоретичних, натурних та експериментальних досліджень (розбіжність не перевищує 10%); достатньою апробацією наукових положень і висновків роботи, успішним упровадженням результатів на вуглезбагачувальних фабриках.

Наукова новизна роботи в узагальненні різних теорій динаміки руслових потоків, що дозволило застосувати поняття "аутогенне ядро" для розробки технологічних основ мокрої гвинтової сепарації з використанням анізотропної турбулентності, специфічних реологічних властивостей робочого середовища та речовинних характеристик збагачуваного матеріалу; у розробці моделі розпушування матеріалу на гвинтовій поверхні; у встановленні технологічної сумісності мокрої гвинтової сепарації з основними процесами збагачення дрібного вугілля та шламів; в отриманні залежності кількісно-якісних показників МГС-процесу від вмісту твердої фази у вихідному продукті; у з'ясуванні фізичної суті щільності розділення для умов гравітаційного протитечійного збагачення матеріалу; у розробці узагальненого критерію технологічної ефективності мокрої гвинтової сепарації, що дало змогу обгрунтувати та розробити новітні технологічні схеми збагачення коксівного та енергетичного вугілля.

Практичне значення роботи:

розроблені основи керування процесом розділення мінеральних частинок за щільністю та крупністю у безнапірних криволінійних потоках, що дозволило створити технологію мокрої гвинтової сепарації вугілля та запропонувати оригінальну конструкцію гвинтового сепаратора (патент №20363А);

розроблені технологічні схеми збагачення вугілля вузькими машинними класами при скороченні фронту флотації за рахунок упровадження мокрої гвинтової сепарації;

створений технологічний комплекс на основі МГС-процесу із дозбагачення шламових відходів вуглезбагачення поточного виробництва та заскладованих у мулонакоплювачах;

розроблені технологічні вирішення щодо збагачення відсівів, промпродуктів та штибів на гвинтових сепараторах;

результати теоретичних та лабораторних досліджень у вигляді рекомендацій впроваджені в проектах інституту УкрНДІвуглезбагачення;

розроблені новітні водно-шламові схеми з роздільною переробкою зернистої та мулистої частин вугільних шламів.

Реалізація результатів та рекомендацій роботи

Результати виконаних досліджень реалізовані при впровадженні та експлуатації мокрої гвинтової сепарації на вуглезбагачувальних фабриках України (довідка про впровадження від 02.02.2000р.).

Технологічні вирішення щодо дозбагачення відходів флотації, заскладованих у мулонакоплювачах, використані при розробці технікоекономічного обгрунтування (ТЕО) стосовно переробки відходів флотації ЦЗФ "Дзержинська", "Добропільська", Дніпродзержинського коксо-хімічного заводу (ДКХЗ).

Технологічна схема дозбагачення антрацитових штибів з використанням МГС-процесу розроблена по замовленню ДХК "Торезантрацит" для умов ЦЗФ "Кисилівська".

Спільно з інститутом "УкрНДІвуглезбагачення" були виконані промислові випробування та впровадження технології мокрої гвинтової сепарації на вуглезбагачувальних фабриках (акт випробувань від 07.09.1995р. та довідка про впровадження від 18.03.2000р.).

Декларація конкретного особистого внеску здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист, полягає у формулюванні наукової проблеми, мети, основної ідеї, наукових положень і завдань досліджень; розробці технологічних основ мокрої гвинтової сепарації та встановленні аутогенних властивостей розділяючого середовища на гвинтовій поверхні; розробці технологічних схем збагачення дрібного вугілля та шламів з використанням МГС-процесу; впровадженні результатів досліджень на вуглезбагачувальних фабриках.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались і одержали схвалення на XIII міжнародному конгресі по збагаченню вугілля (Австралія, 1998), YI, YII міжнародних симпозіумах з гірничого планування (Чехія, 1997; Україна, 1999), міжнародному симпозіумі з охорони навколишнього середовища (Туреччина, 1998), на II конгресі збагачувальників (Росія, м. Москва, 1999), міжнародних симпозіумах "Тиждень гірника" (Росія, м. Москва, 1997, 1998, 1999, 2000), міжнародній науково-технічній конференції "Екологічні проблеми гірничого виробництва, переробки та розміщення відходів (Росія, Москва, 1995), міжнародній науково-практичній конференції "Збагачення – 2000" (Росія, м. Санкт-Петербург, 2000), Міжнародній науково-практичній конференції "XXI століття проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин (м. Дніпропетровськ, 1998); Міжнародній конференції з охорони навколишнього середовища (м. Бердянськ, 1996), YII Всеукраїнській науковій конференції "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів" (м. Донецьк, 1997), міжнародній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини" (м. Дніпропетровськ, 1997), науково-технічних конференціях НГА України (м. Дніпропетровськ, 19911999), засіданнях вченої ради інституту УкрНДІвуглезбагачення (м. Луганськ, 19921993), науково-технічних нарадах ДХК "Донецьквуглезбагачення-сервіс","Луганськвуглезбагачення-сервіс, "Селідоввугілля", "Павлоградвугілля", "Торезантрацит" (19931999).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 60 наукових праць, в тому числі: статті у провідних фахових виданнях – 44; патенти – 2, доповіді на науково-технічних конференціях – 10; тези доповідей – 4;.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, містить 68 рисунків, 59 таблиць, список літератури з 267 назв та 2 додатки на 17 сторінках; загальний обсяг 378 сторінок.

Автор щиро вдячний доктору технічних наук, професору П.І. Пілову за постійну увагу до роботи і консультативну допомогу при її виконанні, генеральному директору ДХК "Донецьквуглепереробка" В.В. Кочетову за практичні поради та підтримку при виконанні промислових досліджень МГС-процесу та його впровадженні у виробництво, а також с.н.с.
Ю.В. Кочетову, с.н.с. В.Г. Мамренко, аспірантам В.В. Гаєвому, С.В. Артьомову, співробітникам НГА України, інженерно-технічним працівникам вуглефабрик за надану допомогу під час виконання експериментальної роботи та впровадження результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність досліджень і розробок, сформульовані наукова проблема, об'єкт, предмет, мета та завдання дослідження, відображена наукова новизна і практичні результати, наведені положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації та публікації досліджень.

У першому розділі "Огляд процесів і апаратів для збагачення дрібних та тонких класів вугілля" зроблено порівняльний аналіз основних технологічних процесів, що використовуються на вуглезбагачувальних фабриках для переробки вугілля широкого діапазону крупнисті, при цьому основна акцентується на збагаченні вугільного шламу крупності
3,00,0 мм.

Найбільш ефективні технології при збагаченні дрібного вугілля та шламів відсадка, важкосередовищна сепарація, збагачення у гідроциклонах, на концентраційних столах, у конусних сепараторах, протитечійних установках, а для переробки тонких класів (0,2 мм) використовується виключно флотаційний процес.

Для зазначених збагачувальних процесів, виходячи з критеріїв технологічної ефективності, економічної рентабельності та екологічної безпеки, були розглянуті їх недоліки та переваги, перспективи використання і зроблено висновок, що реалії вуглезбагачення потребують обгрунтованого технологічного компромісу між флотаційним та гравітаційним процесами, чого неможливо досягти без мокрої гвинтової сепарації.

У другому розділі "Технологічний генезис мокрої гвинтової сепарації та задачі досліджень" докладно розглянута кінематична структура гвинтового водяного потоку, звернено увагу на недоліки одержаних теоретичних та експериментальних результатів гідродинамічних досліджень МГС-процесу, оскільки вони не пов'язані з умовами розділення мінералів за крупністю та щільністю і допускають у робочій зоні гвинтового сепаратора наявність двох режимів: ламінарного (біля внутрішнього борту) та турбулентного (біля зовнішнього борту). Аналіз досліджень динаміки руху мінеральних зерен в умовах гвинтового потоку свідчить про те, що характер руху частинок гвинтовою поверхнею значно відрізняється від характеру руху водної фази, але невідомо, яка з компонентів швидкості виконує роль транспортної води, а яка розпушуючої води, що утруднює розділення мінеральних зерен за крупністю та щільністю, а без чіткої фізичної концепції МГС-процесу розроблені математичні моделі не дають можливість встановити вплив технологічних і конструктивних параметрів гвинтових сепараторів на показники збагачення корисних копалин. Таким чином, незважаючи на достатню кількість досліджень, що стосуються різних матеріалів і мають емпіричний характер, єдиного погляду, системних наукових основ щодо процесу мокрої гвинтової сепарації ще не створено.

У третьому розділі "Теоретичні дослідження руху суміші в умовах мокрої гвинтової сепарації" за допомогою напівемпіричних теорій турбулентності із застосуванням відомих рівнянь Рейнольдса, одержаних за рахунок усереднення рівнянь руху у в'язкій нестисливій рідині, запропоновано описувати МГС-процес у декартових координатах системою рівнянь виду:

Тут x, y, z декартові координати точки (вісь спрямована вгору);

vx, vy, vz проекції усередненої швидкості;

, , пульсаційні компоненти швидкості;

________ знак усереднення за часом;

X, Y, Z проекції одиничних масових сил;

кінематичний коефіцієнт в'язкості, м2/с;

оператор Лапласа;

щільність рідини, кг/м3.

Ураховуючи рівняння нерозривності потоку

(2)

та зробивши припущення за аналогією з рівняннями Нав'єСтокса для умов ламінарного потоку на основі напівемпіричних теорій турбулентності, що у турбулентному потоку має місце лінійна залежність між турбулентними напруженнями і усередненими швидкостями деформації рідкої фази, у циліндричних координатах одержимо систему рівнянь:

(4)

де r, , z циліндричні координати точки;

vr, v, vz проекції швидкості у напрямку координатних ліній;

кінематичний коефіцієнт турбулентної в'язкості, м2/с.

З урахуванням домінуючої ролі інерційних, відцентрових сил і значного перевищення ширини потоку (b) понад його глибину (h), що дозволяє знехтувати вертикальною складовою швидкості порівняно з поздовжньою та поперечними складовими, отримуємо систему рівнянь І.А. Розовського

; (5)

. (6)

В умовах процесу мокрої гвинтової сепарації відношення h/b незначне, тому компоненти та у рівнянні (5) залишимо без уваги, результат чого робоче рівняння

, (7)

де Ir поперечний уклон.

Цей вираз дає змогу встановити чинники, закономірності та умови
МГС-процесу.

При подачі вихідної гідросуміші на поверхню гвинтового сепаратора сталий режим розділення матеріалу досягається за рахунок поперечної циркуляції, яка зростає згідно з рівнянням

, (8)

де Vro, Vr радіальна швидкість відповідно для початкового та сталого режимів, м/с; С коефіцієнт Шезі; h глибина потоку, м; кут, який відраховується від місця подавання вихідного матеріалу, рад; g прискорення сили ваги, м/с2.

На основі одержаних рівнянь встановлюється протитечійний режим розділення матеріалу, розраховуються конструктивні (ефективна ширина жолоба, кількість витків) та технологічні (діапазон крупності, щільність розділення) параметри процесу, а також формулюється механізм розділення при мокрій гвинтовій сепарації.

Під дією поперечної циркуляції криволінійного змученого потоку придонний шар, переміщаючись від периферії до центру, переносить тверду фазу в сферу реверсування течії, при якому для частинок більшої щільності при торканні до дна за рахунок виниклої сили тертя знижується складова швидкості на величину U, а доцентрове прискорення стає рівним (UU)2/r, внаслідок чого можна одержати формулу розрахунку відцентрової сили, діючої на мінеральну частинку

(9)

де щільність мінеральної частинки, кг/м3; V об'єм частинки, м3; r радіус обертання, м; U тангенціальна складова швидкості руху рідини, м/с.

У рухомій гідросуміші за рахунок інерційних ефектів з'являється тиск, градієнт якого дорівнює , що викликає появу виштовхувальної сили

, (10)

де щільність рідини, кг/м3; Р тиск, кг/м2.

У такому разі сила, яка визначає напрямок переміщення частинки, коли ми не зважаємо на величини другого порядку мализни, складає

. (11)

Гранична щільність частинок, які переходять у важку фракцію, визначається з умови FR=0. При усередненні U в масштабі об'єму твердої частинки гранична щільність розділення дорівнює

р=/(12), (12)

де =U/U.

Частинки щільністю <р та зерна, що не виділились у важкий продукт, рухаються поверхневим шаром від центру до периферії і досягають зовнішнього борту гвинтового жолоба, де кут нахилу днища до горизонту більший, ніж у внутрішнього борту, при цьому ефект гальмування частинок зменшується, результатом чого стає зменшення виштовхувальної сили, пов'язаної з градієнтом тиску. З певною ймовірністю, зумовленою масою твердих зерен, деякі з них концентрується біля зовнішнього борту, а решта поперечною циркуляцією переміщується до внутрішнього борту жолоба, де повторюється процес, описаний вище.

При ймовірності переходу частинок у важкий продукт і легкий , що залежить від відхилення їх щільності від щільності розділення в умовах повтореного з періодичністю циркуляцій сепараційного процесу, вилучення частинок у легкий продукт складатиме

, (13)

де ; n кількість циркуляцій.

Якщо , то функція наближається до межі , що практично досягається при n>10.

В умовах мокрої гвинтової сепарації залежності ймовірності переходу частинок у важкий та легкий продукти розділення мають вигляд:

; . (14)

Такі закономірності дають можливість розраховувати сепараційні характеристики гвинтових сепараторів при щільності розділення біля внутрішнього та зовнішнього бортів.

Циркуляція зумовлює накопичення у центрі гвинтового потоку породних та промпродуктових частинок, які складають аутогенне ядро (рис. 1).

Рис. 1. Формування аутогенного ядра в умовах МГС-процесу

Наявність такого ядра забезпечує високу технологічну ефективність МГС-процесу за рахунок зниження випадкових засмічень продуктів сепарації, при цьому фізична суть щільності розділення полягає в тому, що відображає такий стан сепараційного процесу, в умовах якого взаємозасмічення продуктів збагачення мінімальне, а система досягає рівноваги.

Розпушування матеріалу при мокрій гвинтовій сепарації відбувається у горизонтальному та вертикальному напрямках під дією турбулентних вихорів, які зриваються з мінеральних частинок і намагаються розсунути шари матеріалу. Якщо циркуляція швидкості збігається за знаком з вихором швидкості розділяючого середовища, то вихрова система інтенсифікується, а турбулентність потоку зростає і, як результат, розпушення матеріалу покращується. Якщо ж при обертанні мінерального зерна циркуляція швидкості не збігається по знаку з вихором швидкості розділяючого середовища і турбулентність останнього затухає, то вихрова система послаблюється і відбувається ущільнення матеріалу.

Ефективна мокра гвинтова сепарація спостерігається при збагаченні вугілля крупністю 150,1 мм, при цьому верхня межа крупності визначалася за допомогою рівняння М.А. Веліканова

(15)

де середня швидкість потоку, м/с; g прискорення сили ваги, 9,8 м/с2; Dmax максимальний розмір частинок матеріалу, м.

При визначенні нижньої межі крупності порівняли значення піднімальних сил, що діють на зерна концентрату та породи в умовах гвинтової поверхні і встановили, що при крупності матеріалу 0,1 мм частинки знаходяться у змученому стані і їх швидкість збігається з швидкістю робочого потоку. Останнє положення підтверджується дослідженнями В.С. Кнороза, який довів, що для гідросуміші з відносно тонкими частинками (0,1 мм і менше) епюра їх швидкості збігається з епюрами швидкості води.

За шириною технологічного діапазону МГС-процес теоретично не має конкуруючих, що свідчить про його високу універсальність, але найбільша ефективність такої технології при збагаченні зернистих вугільних шламів крупністю 30,1 мм.

Розглядаючи мокру гвинтову сепарацію як розділення вугілля на концентрат та відходи за рахунок зменшення його зольності та сірчистості на величину відповідно ; , що супроводжується очищенням вугілля від шкідливих домішок (золи, сірки) у кількості хв=вих-к, приходимо до висновку, що чим більше вилучено золи та сірки і при цьому одержано мінімум відходів (хв), тим ефективніший МГС-процес. Нами взяті стандартні позначення: , зольність вихідного продукту та концентрату, %; , вміст сірки у вихідному продукті та концентраті, %; вих, к, хв вихід вихідного продукту, концентрату та відходів. З цього синтезуємо узагальнений критерій ефективності збагачення за формулою

(16)

Завдяки аутогенним властивостям розділяючого середовища в умовах МГС-процесу нами викладена фізична суть щільності розділення, яка зводиться до того, що щільність розділення відповідає умовам технологічної рівноваги системи при мінімальному засміченні її компонентів.

У четвертому розділі "Експериментальні дослідження МГС-процесу" на стендовій установці з використанням натурного матеріалу перевірені теоретичні закономірності мокрої гвинтової сепарації.

Дослідження гідродинамічних умов розділення вугілля на гвинтовій поверхні свідчать про те, що у сфері транспортування важких фракцій (біля внутрішнього борту) режим робочого потоку близький до ламінарного, в той час як у сфері розшарування та розділення матеріалу виключно турбулентний.

Мокра гвинтова сепарація технологічно ефективна особливо при переробці відходів флотації, тільки за умови попереднього розділення вихідного матеріалу за крупністю, при цьому, як встановлено, краще використовувати гідроциклони малого діаметра та сита. МГС-процес без попередньої класифікації матеріалу не дозволяє одержувати якісні продукти збагачення (зольність концентрату та відходів складає відповідно 20 і 55,0% при зольності живлення 24,50%), тоді як застосування перед МГС гідроциклування або ситової класифікації дає можливість одержати кондиційні концентрати зольністю 11,12 та відходи 78,0%.

Попередня гідрокласифікація вихідного продукту забезпечує також підвищення продуктивності гвинтових апаратів (на 1525%).

Після попередньої обробки матеріалу за крупністю процес мокрої гвинтової сепарації набуває аутогенних властивостей, що зумовлено, окрім протитечійного режиму розшарування, реологією вугільної суспензії, один з характерних показників якої вміст твердої фази.

Вміст твердої фази змінюється за шириною гвинтового жолоба, що зумовлює поле ізоденс поверхонь рівної щільності, при цьому підвищення вмісту твердої фази супроводжується розділяючою ознакою за щільністю, як біля внутрішнього борту гвинтового сепаратора.

Із чинників речовинного складу вихідного продукту найбільший вплив на показники гравітаційного розділення має його гранулометричний та фракційний склад, особливо вміст промпродуктових фракцій, про що свідчать дані табл. 1. Вилучення з вихідного продукту фракції щільністю 15001800 кг/м3, як і завищення її вмісту, тільки погіршує результати
МГС-процесу.

Характерна особливість процесу мокрої гвинтової сепарації полягає в тому, що на відміну від інших технологій (шламова відсадка, збагачення в гідроциклонах, гідросайзерах, конусних сепараторах, на концентраційних столах) щільність розділення в міру зменшення крупності матеріалу не збільшується (рис. 2, 3). Встановлено, що в діапазоні крупності матеріалу від 7 до 3 мм щільність розділення досягає максимального значення
(2200 кг/м3), тоді як мінімальне значення цього показника (1700 кг/м3) відповідає тонкому шламові (0,10,5 мм), при цьому середньовірогідне відхилення (Epm) має мінімальне значення (100 кг/м3) при обробці на гвинтових сепараторах зернистого шламу (1,52,0 мм).

Рис. 2. Криві розподілу фракцій за класами крупнисті

Рис. 3. Динаміка розподілу легких (менших 1600 кг/м3) і важких (більших
1600 кг/м3 частинок різної крупності за довжиною та шириною жолобу гвинтового сепаратора

Експериментально встановлена структура аутогенного ядра, що формується всередині гвинтового потоку і забезпечує необхідну ефективність МГС-процесу. Як видно з табл. 2, у центрі потоку, де переміщується промпродукт, в основному концентруються породні частинки, на долю яких припадає 69,387,5% сумарного засмічення проміжного продукту.

Таблиця 1

Результати мокрої гвинтової сепарації з різним вмістом промпродуктової фракції

Продукт розділення | Вміст фракції 15001800 кг/м3 в живленні, %

0 | 5 | 10

Вихід,% | Зола,% | Сірка,% | р,

кг/м3 | Epm,

кг/м3 | Вихід,% | Зола,% | Сірка,% | р,

кг/м3 | Epm,

кг/м3 | Вихід,% | Зола,% | Сірка,% | р,

кг/м3 | Epm,, кг/м3

Вихідний продукт | 100,0 | 39,87 | 3,13 | 1825 | 200 | 100,0 | 39,87 | 3,42 | 1750 | 102 | 100,0 | 39,87 | 3,52 | 1780 | 150

Концентрат | 69,83 | 21,57 | 2,96 | 1825 | 200 | 64,54 | 8,8 | 2,43 | 1750 | 102 | 54,24 | 10,60 | 2,95 | 1780 | 150

Відходи | 30,17 | 82,37 | 3,54 | 1825 | 200 | 35,46 | 82,32 | 5,22 | 1750 | 102 | 45,76 | 74,50 | 4,20 | 1780 | 150

Таблиця 2

Вміст фракцій в продуктах МГС вугільних шламів ЦЗФ "Добропільська"

№

п/п | Продукти МГС | Вміст домішок, % | Сумарне засмічення, %

концентратних <1500 кг/м3 | проміжних 15001800 кг/м3 | порідних >1800 кг/м3

1 | Концентрат | 63,5 | 12,5 | 24,0 | 36,5

Промпродукт | 9,0 | 3,5 | 87,5 | 96,5

Відходи | 1,25 | 98,75 | 1,25

2 | Концентрат | 95,7 | 19,4 | 24,9 | 44,3

Промпродукт | 16,75 | 5,75 | 77,5 | 94,25

Відходи | 1,90 | 98,1 | 1,90

3 | Концентрат | 50,0 | 13,8 | 36,2 | 50,0

Промпродукт | 21,5 | 9,2 | 69,3 | 90,8

Відходи | 100 | 0,0

Подальші кінетичні дослідження МГС-процесу, фрагмент яких наведено на рис. 3, виявили склад аутогенного ядра переважно із крупних зерен, що підтверджує теоретичне посилання про наявність такого ядра на гвинтовій поверхні.

Уперше експериментально показана роботоздатність МГС для дозбагачення відсівів, промпродуктів, штибів, на основі чого запропоновані відповідні технологічні вирішення, які дають змогу, наприклад, із антрацитового штибу ЦЗФ "Кисилівська" зольністю 40,0%, одержати концентрат та відходи зольністю 12,16 і 64,22%, а із промпродукту ЦЗФ "Комсомольська" зольністю 47,62% концентрат зольністю 18,67% та відходи зольністю 77,60%.

У п'ятому розділі "Промислові випробування та впровадження мокрої гвинтової сепарації на вуглезбагачувальних фабриках" подані результати дослідно-промислових та промислових випробувань і впровадження розробленої технології мокрої гвинтової сепарації в умовах вуглезбагачувальних фабрик (ЦЗФ "Калінінська", "Вузлівська"). Вихідний матеріал в умовах ЦЗФ "Калінінська" відходи флотації зольністю 69,4%, при цьому дослідження здійснювали в два етапи: спочатку вугільний шлам розділяли за крупністю на спіральному класифікаторі, а на другому етапі зернистий осад збагачували за щільністю на гвинтових шлюзах. В умовах ЦЗФ "Вузлівська" на гвинтових шлюзах ШВЛ21000 збагачували крупнозернисті шлами, які до впровадження гвинтової сепарації переробляли на машинах пінявої сепарації (ФПС16).

Результати промислових та перелічених випробувань, промислової експлуатації процесу мокрої гвинтової сепарації підтверджують основні прогнозні дані лабораторних та стендових досліджень. У промислових умовах підтверджені такі технологічні результати:

ефективна мокра гвинтова сепарація вугільних шламів можлива за умови попередньої гідрокласифікації в гідроциклонах або спіральних класифікаторах по граничному зерну 0,10,2 мм.;

завдяки мокрій гвинтовій сепарації зернистої частини вугільних шламів зольністю 28,4% можна одержати концентрат зольністю 15,6% при виході 76,5%, промпродукт зольністю 62,2% при виході 12,0% та відходи зольністю 78,5%;

водно-шламова схема збагачувальної фабрики з використанням
МГС-процесу має скорочений фронт флотації, що покращує показники технологічної схеми;

відходи флотації зольністю 67,6% можуть ефективно дозбагачуватися за дві стадії (за крупністю та щільністю) послідовно в спіральних класифікаторах (гідроциклонах) та гвинтових шлюзах з одержанням концентрату зольністю 38,9%, щільність розділення при цьому складає 1800 кг/м3, а вміст твердої фази у живленні МГС 200300 кг/м3;

одержання якісних показників концентрату можливе шляхом підвищення кількості стадій МГС до 24;

гвинтові сепаратори добре компонуються з основним та допоміжним устаткуванням, потребують мало енергії (тільки на роботу насосів) та забезпечують технологічну рівновагу збагачувальної системи.

У 90-х роках гвинтова сепарація впроваджена на збагачувальних фабриках України: "Вузлівській", "Калінінській", "Добропільській", "Торезькій", "Донецькій", "Красноліманській", "Червоноградській", "Україні", "Курахівській", що дало змогу одержати економічний ефект у сумі 2785,7 тис. грн.

У шостому розділі "Технологія збагачення відвальних шламів вуглезбагачувальних фабрик з використанням МГС-процесу" детально розглянуті гранулометричні та фракційні характеристики вугільних шламів, які заскладовані в мулонакоплювачах вуглезбагачувальних фабрик України. Результати досліджень свідчать про те, що фактична зольність цих забалансових шламів коливається у широких межах (від 40 до 70%): їх можна переробляти гравітаційними методами з використанням одно- та двостадіальної мокрої гвинтової сепарації за умови попередньої гідрокласифікації вихідного шламу в гідроциклонах малого діаметра по граничному зерну розміром 0,10,2 мм. При зольності зернистої частини відвальних шламів 3540% на гвинтових сепараторах одержали коксівний концентрат зольністю 89,5%, енергетичне паливо зольністю 2335% та відходи зольністю 6075%, що дозволило авторові розробити техніко-економічне обгрунтування щодо переробки мулонакоплювачів збагачувальних фабрик у гравітаційних схемах, в основу яких покладено мокру гвинтову сепарацію.

У сьомому розділі "Мокра гвинтова сепарація як засіб удосконалення технології вуглезбагачення" підкреслена необхідність технологічної адаптації схем діючих фабрик під сучасну сировинну базу, що зумовлено як динамікою змін якісних характеристик гірничої маси в бік їх погіршення, так і неспроможністю традиційних процесів (відсадка, важкосередовищна сепарація, флотація) забезпечити випуск високоякісних товарних концентратів без переходу на новітні технологічні вирішення. Особливу проблему для вуглезбагачувальних фабрик становить збагачення крупнозернистого шламу (30,2 мм), який малоефективно збагачується відсадкою, а в умовах флотації втрачається у відходах, у той час як для мокрої гвинтової сепарації це найбільш придатний продукт. Виходячи з цього ми визначаємо наявність чотирьох машинних класів: крупне вугілля (10010 мм), дрібне вугілля (103,0 мм), зернистий шлам (3,00,1 мм) та тонкий шлам (0,1 мм).

Сепараційні можливості гравітаційних процесів збагачення залежать від гранулометричного та фракційного складу вихідного матеріалу. Якщо останній включає дві фракції легку і важку, вміст яких відповідно складає та , а середнє вилучення легких і важких фракцій складає відповідно та , то ефективність сепарації

, (17)

де вихід класів крупності.

Коли збагачуваний матеріал має крупне вугілля, яке переробляється краще, а дрібне вугілля гірше (різниця для другого випадку менша, ніж для першого):

, (18)

то стає очевидним, що із збільшенням вмісту дрібного вугілля ефективність сепарації зменшується. Порівнюючи точність сепарації вугілля різної крупності з використанням класичних процесів, доходимо до висновку, що нижня межа крупності для відсадки складає 3,0 мм, а вища може бути знижена для флотації до 0,10,2 мм. Таким чином, новий технологічний клас 30,1 мм має перероблятися в окремому циклі, для ефективної роботи якого необхідно використовувати мокру гвинтову сепарацію. Таке технологічне вирішення підвищує надійність підготовчих операцій (наприклад дешламації вугілля), забезпечує високу ефективність збагачення основних процесів (відсадка, флотація) та вдосконалює водно-шламовий комплекс шляхом розділення загального потоку шламової води на два окремих цикли: розведена флотація мулистих частинок і мокра гвинтова сепарація зернистих шламів.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою важливого народногосподарського значення, в якій вирішена проблема мокрої гвинтової сепарації дрібного вугілля та шламів як нової складової технологічних схем збагачення коксівного та енергетичного вугілля, що має важливе народногосподарське значення, а саме: дано нове обгрунтування технологічних основ мокрої гвинтової сепарації вугілля, виявлені закономірності аутогенного розділення матеріалу в гвинтових потоках з урахуванням гідродинамічного режиму розділення, реологічних характеристик суспензії та речовинного складу матеріалу, що зробило можливим створення новітніх водно-шламових схем та перспективних технологій збагачення вугілля. Процес мокрої гвинтової сепарації забезпечує ефективне збагачення дрібного вугілля та шламів, що дозволяє перейти на технологічні схеми з переробкою вузькими машинними класами, результат чого поліпшення кількісно-якісних показників збагачення, підвищення технологічної надійності та екологічної безпеки всього вуглезбагачувального комплексу.

Наукові та практичні результати полягають у такому:

1.

2. Уперше обгрунтовані верхня та нижня межі крупнисті ефективної мокрої гвинтової сепарації, на основі чого встановлений оптимальний діапазон використання цього процесу в технологічних схемах вуглезбагачення.

3. Уперше введене поняття "аутогенне ядро" для характеристики розділяючого середовища в робочій зоні гвинтового потоку, експериментально встановлена структура та обгрунтована його технологічна роль для умов МГС-процесу.

4. Уперше встановлена технологічна доцільність та сумісність мокрої гвинтової сепарації з підготовчими (гідрокласифікація, грохочення) та основними процесами збагачення дрібного вугілля (відсадка) і шламів (флотація), що забезпечує підвищення кількісно-якісних показників збагачення, рентабельності та технологічної надійності схем переробки коксівного і енергетичного вугілля.

5. Уперше обгрунтована оптимальна величина вмісту твердої фази в гідросуміші, яка складає 250450 кг/м3, та встановлено її вплив на зменшення зольності у концентраті, підвищення зольності у відходах, щільність розділення, продуктивність сепаратора та стирання матеріалу.

6.

7. Уперше встановлено, що на відміну від інших гравітаційних апаратів (гідроциклони, концентраційні столи, гідросайзери, конусні сепаратори, шламові відсаджувальні машини) щільність розділення на гвинтових сепараторах зменшується у міру зменшення крупності збагачуваного матеріалу.

8. Для повноти технологічної оцінки мокрої гвинтової сепарації вперше розроблений критерій ефективності, який дає можливість кількісно та якісно враховувати розподілення золи і сірки в продуктах збагачення.

9. Уперше розкрита аутогенна природа розділяючого середовища на гвинтовій поверхні, що зумовлено специфічними особливостями гідродинамічного режиму гвинтового потоку, реологічними властивостями гідросуміші та речовинним складом збагачуваного матеріалу.

10. Уперше встановлені закономірності вихрового розпушування збагачуваного матеріалу при мокрій гвинтовій сепарації у горизонтальному та вертикальному напрямках під дією турбулентних вихорів, які зриваються з мінеральних частинок та намагаються розсунути шари аутогенного середовища, при цьому обертання частинок може підсилювати або послаблювати турбулентність гвинтового потоку, що супроводжується відповідним розпушенням та ущільненням аутогенного ядра.

11. Уперше розроблені новітні водно-шламові схеми з використанням мокрої гвинтової сепарації для збагачення зернистої частини вугільних шламів та запропоновано методи їх розрахунку.

12. Уперше розроблені технологічні вирішення щодо використання мокрої гвинтової сепарації для збагачення антрацитових штибів, промпродуктів та відсівів.

13. Уперше розроблена та випробувана у промислових умовах технологія мокрої гвинтової сепарації для дозбагачення відходів вуглезбагачення поточного виробництва і заскладованих у мулонакопичувачах.

14. Результати досліджень у вигляді науково-дослідних звітів, техніко-економічного обгрунтування і рекомендацій впроваджені у виробництво на вуглезбагачувальних фабриках та реалізовані в проекті УкрНДІвуглезбагачення, що підтвердило обгрунтованість та вірогідність наукових результатів і висновків.

15.