Снижение энергоемкости гидротранспортирования хвостов обогащения горных предприятий оптимизацией режимов работы грунтовых насосов и гравитационных сгустителей

Специфика добычи и обогащения руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород. Современная технология позволяет использовать лишь часть извлекаемой горной массы, а оставшаяся часть породы накапливается в виде техногенных отходов. Из всего разнообразия техногенных объектов именно с отходами обогатительных фабрик (хвостами) связаны проблемы, решение которых является одной из важнейших задач, стоящих перед горнодобывающими предприятиями на сегодняшний день.

Одной из таких проблем является задача снижения энергетических затрат в технологическом процессе сгущения и гидравлического транспортирования хвостов обогащения минерального сырья, так как эта статья расхода на сегодняшний день одна из самых высоких среди экономических затрат горных предприятий.

Основными параметрами, определяющими возможность повышения эффективности систем гидравлического транспорта, являются скорость транспортирования и концентрация твердого материала в потоке гидросмеси. Но до настоящего времени еще недостаточно изучен процесс транспортирования гидросмесей высоких концентраций с объемным содержанием твердого материала 30 — 50% и практически не имеется таких систем в промышленных условиях. Имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты относятся в основном к транспортированию смесей с низкой концентрацией твердого материала, не превышающей 10% по объему смеси.

Существующие методики расчета систем гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья базируются на утверждении турбулентного характера движения гидросмеси и устанавливают эмпирические и полуэмпирические зависимости кинематических и динамических параметров гидравлического транспортирования от характеристик твердого материала, гранулометрического состава частиц, их концентрации в объеме гидросмеси и критической скорости потока. Основой этих методик являются гравитационная модель взвесенесущих потоков, разработанная академиком М. А. Великановым и диффузионная модель проф. В. М. Маккавеева (в зарубежной практике гидравлического транспорта известные как Power Model). Главной задачей этих методик является определение значений потерь напора при минимально допустимых (по условиям гравитационного взвешивания твердой фазы в осредненном пульсационном поле скоростей) средних скоростях транспортирования и соответствующих значениях диаметров трубопроводов.

На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследования взвесенесущих потоков были направлены на создание основ теории — системы дифференциальных уравнений для двухфазных и многофазных потоков, построенных методами механики сплошной среды. Несмотря на значительный прогресс в этой области теоретических исследований, единая теория, охватывающая все многообразие гомогенных и гетерогенных жидких сред, требует дальнейшего развития. Области использования предложенных уравнений, как правило, ограничены малыми концентрациями и большими крупностями дискретной твердой фазы и, следовательно, эти уравнения применимы для решения лишь ограниченного числа задач гидравлического транспортирования сыпучих твердых материалов.

От крупности частиц твердого материала и его концентрации зависят свойства транспортируемой гидросмеси. С уменьшением крупности и увеличением концентрации роль критической скорости снижается, а при некоторых предельных значениях этих характеристик влияние критической скорости на кинематические и динамические параметры потока исчезает, так как само понятие критической скорости в этих условиях теряет свой обычный общепринятый смысл. С уменьшением крупности твердых частиц и увеличением концентрации их в объеме смеси последнюю необходимо рассматривать как однородную, или гомогенную систему, отличающуюся по своим физическим свойствам от гидросмесей гетерогенных, с относительно крупными частицами и невысокими концентрациями.

Гидравлическое транспортирование гетерогенных смесей характерно лишь для турбулентного потока, при некоторых минимальных критических скоростях, соответствующих перемещению твердой фазы во взвешенном состоянии. При этом предполагается, что силы взаимодействия вмещающей жидкости и твердых частиц, обусловленные вязкостью жидкости достаточно малы по сравнению с силами тяжести, действующими на твердую фазу. Поэтому для перемещения твердой фазы во взвешенном состоянии необходим режим критической скорости, которая является функцией гидравлической крупности твердых частиц. Для обеспечения требуемой производительности системы по твердому материалу, при низких его концентрациях используются большие диаметры трубопроводов (600 — 1200 мм), что неизбежно связано с возникновением турбулентного режима течения.

Гидравлическое транспортирование смесей с относительно мелкими частицами, образующими гомогенные гидросмеси, теоретически возможно при сколько угодно малых числах Рейнольдса, так как в этом случае силы тяжести частиц компенсируются силами, обусловленными вязкостью вмещающей жидкости. С увеличением концентрации твердой фазы седиментационная устойчивость гидросмесей возрастает, так как к силам вязкости добавляются силы механического взаимодействия между отдельными частицами, что в итоге проявляется в возрастающем эффекте вязкости гидросмеси. Таким образом, при течении мелкофракционных высококонцентрированных смесей основными факторами, определяющими параметры гидравлического транспортирования, являются концентрация твердой фазы и вязкость гидросмесей, а не критическая скорость.

Транспортирование гидросмесей с высоким содержанием твердого материала неизбежно приводит к некоторому увеличению потерь напора и в большинстве случаев применение широко используемых грунтовых насосов становится неэффективным из-за недостаточности создаваемого ими давления нагнетания и зависимости рабочих характеристик этих насосов от параметров гидросмеси, в результате чего центробежные насосы работают в системах гидротранспорта с изменяющимися расходами и напорами.

Причиной является то, что в настоящее время вопросы сгущения и гидравлического транспорта рассматриваются в отрыве один от другого, и при этом отсутствует системный подход к выбору и обоснованию оптимальных и эффективных режимов сгущения и гидротранспорта. Поэтому правильнее было бы рассматривать эти процессы не по отдельности, как это делалось ранее, а в виде системы гидротранспорта. Под системой гидротранспорта необходимо понимать совокупность оборудования, машин и механизмов, обеспечивающих подготовку гидросмеси к гидравлическому транспортированию с заданными кинематическими и механическими характеристиками, и транспортирование приготовленной гидросмеси по гидротранспортному трубопроводу при помощи грунтового насоса. Таким образом, из всей совокупности сложных физико-механических явлений, характеризующих данную систему, основными процессами, определяющими ее эффективность, являются:

1. Сгущение исходной пульпы до требуемых параметров.

2. Гидравлический транспорт полученной гидросмеси по трубопроводу на заданное расстояние с наименьшими энергетическими затратами.

Из сказанного следует, что снижение энергетических затрат в технологическом процессе сгущения и гидравлического транспортирования хвостов обогащения является актуальной задачей и ее решение будет способствовать повышению эффективности добычи и обогащения минерального сырья на горнодобывающих предприятиях РФ.

Эта проблема входит в федеральную целевую программу развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 2000;2010 годы (ФЦП «Руда») по направлению «Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки» -' в программу научных исследований, проводимых кафедрой рудничных стационарных установок СПГГИ (ТУ) по соответствующим координационным планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленностив перечень НИОКР комплексного плана повышения технического уровня и эффективности производства АО «Норильский комбинат», АО Качканарский ГОК «Ванадий».

Идея работы. Для любого стратифицированного потока с заданной производительностью по дискретной фазе существует единственное соотношение кинематических параметров течения и концентрации дискретной фазы, удовлетворяющих наименьшим значениям энергоемкости процесса транспортирования и наибольшей его эффективности.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Наименьший уровень энергоемкости любой системы гидротранспорта определяется В — критерием, равным отношению произведения удельных потерь напора и плотности гидросмеси к величине концентрации дискретной фазы стратифицированного потока и принимающий единственное наименьшее значение при достижении оптимального значения концентрации.

2. Оптимальные геометрические параметры гравитационных сгустителей в системах гидротранспорта и гидромеханические характеристики грунтовых насосов, отвечающие наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы, определяются величиной оптимальной концентрации, являющейся функцией В — критерия.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается использованием теоретических положений гидромеханики, анализом и сравнением обработанных методами наименьших общих квадратов результатов экспериментов и промышленных данных. Удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов на различных гидросмесях, трубопроводах, концентрациях и гранулометрических составах с теоретическими.

Научная новизна работы заключается в разработке метода расчета рабочих параметров гравитационных сгустителей и гидромеханических характеристик грунтовых насосов на основе выявленной зависимости энергоемкости процесса гидротранспорта от величины концентрации дискретной фазы:

• определение Вкритерия и соответствующего значения оптимальной концентрации, удовлетворяющего наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы;

• установление расчетных зависимостей геометрических параметров радиальных и тонкослойных сгустителей для получения оптимальной величины концентрации дискретной фазы стратифицированного потока при обеспечении материального баланса продуктов в разгрузке и в сливе аппаратов и наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы;

• обоснование способа регулирования частоты вращения рабочего колеса грунтовых насосов на основе разработанной управляющей функции, устанавливающей соотношение номинальных (расчетных) режимов и случайных режимов, в зависимости от текущего значения концентрации дискретной фазы стратифицированного потока.

• впервые получена зависимость для КПД гидротранспортной системы, определяемая отношением полезной работы, расходуемой в гидротранспортном трубопроводе и работы расходуемой грунтовым насосом, позволяющая в широком диапазоне кинематических и динамических параметров стратифицированного потока оценить эффективность системы грунтовый насос — трубопровод.

Практическая ценность работы:

Впервые гидротранспортная система рассмотрена в виде гидромеханического комплекса (ГК) оборудования, включающего сгустители стратифицированного потока, трубопровод и грунтовый насос. Рабочие режимы ГК задаются функцией Вкритерием, минимизирующей энергоемкость процесса гидравлического транспортирования на основе расчетного оптимального значения концентрации дискретной фазы. Доказано, что для каждого вида стратифицированного потока, характеризующегося заданной производительностью дискретной твердой фазы существует вполне определенное соотношение кинематических характеристик и концентрации, при которых энергоемкость ГК будет иметь минимальное значение. Разработаны методы расчета сгустителей и грунтовых насосов, отвечающих Вкритерию и минимальной энергоемкости. Обоснован метод регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса и предложена формула для оценки эффективности ГК. Реализация выводов и рекомендаций работы.

Полученные результаты и разработанная методика приняты гидротехническим отделом ЗАО «Механобр-инжиниринг» для использования при проектировании и реконструкции гидротранспортных комплексов на горнообогатительных комбинатах. Результаты работы переданы для использования при эксплуатации гидротранспортных систем на АО Качканарский ГОК «Ванадий» — хвосты обогащения железной руды, АО «РУДАС» — строительные пески и гравий.

Апробация работы — отдельные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ), «Полезные ископаемые России и их освоение» — апрель 2004, 2005, 2006 г. г., на технических совещаниях гидротехнического отдела института «Меха-нобр инжиниринг» — декабрь 2006 г., на заседании НТС АО «РУДАС» — декабрь 2006 г.

Личный вклад автора.

• разработан стенд и методика экспериментальных исследованийподготовлены гранулометрические составы для исследуемых гидросмесей с различными концентрациями твердой фазы;

• выполнены лабораторные эксперименты. Обработаны опытные данные, произведена оценка сходимости теоретических и экспериментальных результатов;

• обоснована функция В — критерия и установлена зависимость энергоемкости КГ от концентрации дискретной фазы.

• разработана и обоснована методика расчета геометрических параметров радиальных и тонкослойных сгустителей;

• предложен способ регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса в системе гидротранспорта и разработан вид управляющей функции.

• сопоставлены данные промышленных экспериментов с теоретическими и лабораторными и дана оценка сходимости и адекватности результатов. Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных работ. Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, дающей решение научно-технической задачи снижения энергоемкости гидротранспортирования хвостов обогащения горных предприятий оптимизацией режимов работы грунтовых насосов и гравитационных сгустителей, что имеет большое значение для горнодобывающих предприятий. Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Параметры гидросмеси, задаваемые гранулометрическим составом твердых частиц и их концентрацией при гидравлическом транспорте определяют энергетические затраты всего гидротранспортного комплекса, включающего сгустительное оборудование и систему трубопровод-насос, где каждому значению концентрации твердой фазы при заданном гранулометрическом составе и производительности по твердому материалу соответствует вполне определенная величина потребной энергии, расходуемой на преодоление всех сил сопротивления перекачиваемого потока гидросмеси.

2. Функция Я-критерия имеет минимум при достижении оптимального значения концентрации. Минимум параметра В всегда будет соответствовать минимальной для данного процесса гидравлического транспорта удельной энергоемкости, а, следовательно, и расходуемой мощности.

3. Повышение эффективности рабочего процесса гидравлического транспорта и КПД гидротранспортной системы достигается снижением напора в трубопроводе и увеличением напора, развиваемого грунтовым насосом. Наиболее эффективным режимом работы гидротранспортной системы является режим на оптимальном значении концентрации твердого материала. Такой режим можно обеспечить при использовании регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса.

4. Были разработаны физическая и математическая модели, основанные на положении о существовании некоторой оптимальной величины концентрации твердой фазы, при достижении которой, энергоемкость гидромеханического комплекса сгуститель — насос — трубопровод принимает наименьшее значение — emin.

5. Геометрические размеры радиального сгустителя и гидромеханические характеристики применяемых грунтовых насосов являются функцией оптимальной концентрации, при которой обеспечиваются наиболее эффективные режимы работы всего гидромеханического гидротранспортного комплекса.

6. На основе анализа критерия подобия турбомашин — коэффициента быстроходности, и особенностей течения по трубопроводам стратифицированных потоков с крупнодисперсной и мелкодисперсной дискретной твердой фазой, установлен параметр регулирования 8, принимающий промежуточные значения от 0 до 1, в зависимости от отклонения режима работы грунтового насоса от номинальных параметров, в частности от величины оптимальной концентрации дискретной твердой фазы стратифицированного потока.

7. Геометрические размеры гравитационного сгустителя зависят от производительности гидротранспортной системы по твердому материалу и гранулометрического состава твердых частиц, определяемого средневзвешенным диаметром d0 частицы.

8. Оптимальные геометрические параметры гравитационных сгустителей в системах гидротранспорта, отвечающие наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы, определяются величиной оптимальной концентрации, являющейся функцией Вкритерия при установившемся режиме работы сгустителя, определяемой постоянной высотой уплотненного слоя осадка.

9. Фактически, единственным параметром характеризующим энергетические затраты является концентрация твердой фазы в объеме гидросмеси. В этом случае, процессы сгущения и используемый насос, работающий на гидротранспортный трубопровод, образуют единую гидротранспортную систему — гидротранспортный комплекс, энергетические характеристики которого зависят от кинематических и динамических характеристик рабочей среды — перекачиваемой гидросмеси.