Современные тенденции развития технологий и оборудования для обогащения углей как в отечественной, так и в зарубежной практике обусловлены следующими требованиями, предъявляемыми к отраслям топливно-энергетического комплекса:
— повышение конкурентоспособности угольной энергетики;
— повышение качества товарной продукции, в особенности — качества коксующихся углей;
— экологические требования: сведение к минимуму вредных выбросов в окружающую средуповышение эффективности ресурсои энергосбережениясокращение неоправданных потерь угля при обогащении;
— упрощение технологических схем обогатительных фабрик (ОФ) и уменьшение количества технологических операций;
— комплексная механизация и автоматизация обогатительных процессов;
— необходимость научного обоснования методов расчёта, прогнозирования и управления технологическими процессами.
К числу важнейших из упомянутых тенденций следует отнести развитие технологий обогащения шламов преимущественно гравитационными методами и соответственно сокращение объёма шламов, обогащаемых флотацией. Главная причина заключается в относительно высоких капитальных и эксплуатационных затратах, связанных с флотационным обогащением углей.
Поэтому в отечественной и зарубежной практике для обогащения шламов крупностью 0,1 (0,2)-0,5 (1,0) мм получили широкое распространение:
— тяжёлосредные гидроциклоны;
— гидроциклоны без утяжелителя;
— шламовые отсадочные машины;
— винтовые сепараторы;
— концентрационные столы;
— гидросайзеры.
Технологические схемы обогащения угольных шламов с применением вышеупомянутого оборудования включают, как правило, следующие операции:
— классификацию шлама по крупности 0,1 (0,2) мм;
— обогащение шлама+0,1 (0,2) мм;
— обогащение шлама -0,1 (0,2) мм флотацией;
— обезвоживание продуктов обогащения.
Очевидно, что описанные технологические схемы являются весьма сложными и многооперационными (особенно для коксующихся углей трудной и очень трудной обогатимости). Следует также отметить низкую селективность обогащения флотацией частиц крупностью -0,05 мм. Поэтому в ряде случаев получение концентрата требуемого качества оказывается проблематичным. Кроме того, имеют место неоправданные потери угля в операциях классификации и обезвоживания, а также значительное вторичное шламообразование. Также не разработаны эффективные технологии обезвоживания тонкодисперсных продуктов флотации, прежде всего — концентрата.
Таким образом, существующие в настоящее время технологии обогащения угольных шламов не в полной мере отвечают современным требованиям. До настоящего времени не решена проблема рационального построения технологических схем обогащения, классификации и обезвоживания шламов.
Решение задач по повышению эффективности технологий обогащения, классификации и обезвоживания угольных шламов становится возможным на основе качественно новых подходов. Наиболее перспективным представляется совмещение операций обогащения и обезвоживания в одном аппарате. С этой точки зрения несомненный интерес вызывают фильтрующие центрифуги. Названные машины за последние 40−50 лет получили широкое распространение в практике углеобогащения для обезвоживания угольных концентратов, промежуточных продуктов и не-обогащённых углей крупностью 0,5 (0,2)-13 (30) мм. Совершенствование конструкции центрифуг и технологии обезвоживания центробежным фильтрованием имеет целью прежде всего повышение производительности по твёрдому и снижение влажности осадка. При этом переход частиц твёрдой фазы обезвоживаемого продукта в фугат считается нежелательным, но в тоже время является неизбежным. Однако, анализ результатов многочисленных опытно-промышленных испытаний позволил установить, что в фугат извлекаются преимущественно частицы с высокой зольностью. Таким образом, зольность обезвоженного осадка оказывается более низкой по сравнению с зольностью твёрдой фазы питания центрифуги. Это даёт основания полагать, что при обезвоживании угольных продуктов центробежным фильтрованием имеет место обогащение по зольности и существует возможность получения осадка, по своему качеству пригодного для отгрузки (без дальнейшей обработки) потребителю в качестве товарного продукта. До недавнего времени данному явлению в практике углеобогащения не придавалось сколь-нибудь существенного значения. Однако, совершенствование технологий и оборудования для обогащения углей, прежде всего — переход к нефлотационным методам обогащения крупнозернистых шламов, обусловило повышенный интерес к фильтрующим центрифугам как к машинам, потенциально способным к не только к обезвоживанию, но и классификации шламов по крупности, что, в свою очередь, при определённых параметрах питания центрифуг позволяет обеспечить возможность получения осадка, качество которого соответствует требованиям к концентрату. Настоящая работа выполнена применительно к ОФ «Нерюнгринская». Характерной особенностью углей, перерабатываемых на данном предприятии, является весьма значительная доля в шламе низкозольных частиц. Это обстоятельство даёт основания полагать, что упомянутые частицы могут быть выделены из шлама без обогащения с последующей отгрузкой в качестве товарного концентрата. Вполне целесообразным для осуществления данной операции по классификации шлама представляется применение фильтрующих центрифуг, тем более, что осадок при центробежном фильтровании подвергается глубокому обезвоживанию, следовательно, можно прогнозировать снижение затрат на термическую сушку концентрата.
Приведенные социально-экологические и экономико-технологические факторы обуславливают актуальность поставленной задачи.
Цель работы. Обоснование, разработка и внедрение технологии обогащения шламов коксующихся углей с применением фильтрующих центрифуг со шнековой выгрузкой осадка.
Основные задачи исследований:
— анализ технологических решений, применяемых при обогащении шламов;
— анализ способов моделирования процесса центробежного фильтрования в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях;
— анализ закономерностей центробежного фильтрования;
— разработка и экспериментальная проверка модели, описывающей закономерности перераспределения твёрдой фазы между осадком и фугатом при центробежном фильтровании;
— исследование процесса центробежного фильтрования шлама на лабораторных стендах;
— проведение опытно-промышленных исследований и испытаний технологии обогащения шлама с применением фильтрующих центрифуг;
— определение параметров режима разделения шлама центробежным фильтрованием;
— разработка технологии обогащения шлама с применением фильтрующих центрифуг со шнековой выгрузкой осадка.
Идея работы заключается в определении характеристик режима разделения шлама в фильтрующей центрифуге и разработке новой технологии обогащения шлама коксующихся углей.
Методы исследования. Применены методы анализа угольного шлама, использованы стенды, моделирующие работу фильтрующих центрифуг (стаканчико-вая центрифуга и одометр). Теоретические исследования закономерностей перераспределения частиц твёрдой фазы между осадком и фугатом осуществлялось на основе моделей, описывающих процессы фильтрования: центробежного и в статических условиях. Технологические исследования проводились в условиях действующего предприятия ОФ «Нерюнгринская» на промышленной шнековой фильтрующей центрифуге. При обработке результатов исследований использованы методы математической статистики.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Модель, описывающая закономерности перераспределения твёрдой фазы шлама между осадком и фугатом, учитывающая основные параметры центрифуги и обогащаемого материала (коэффициент формы частиц, давление в зоне напорного фильтрования, длину и ширину отверстия фильтрующего ротора, средний размер частиц твёрдой фазы, переходящих в фугат, содержание твёрдой фазы в исходной суспензии):
— результаты технологических исследований, подтвердивших адекватность разработанной модели (коэффициент корреляции > 0,7);
— применение модели для прогнозирования количества уноса твердого в фугат при расчете параметров центробежного фильтрования.
2. Аналитическая зависимость извлечения в фугат узких классов крупности, полученная на основе решения уравнения массопереноса при выбранных граничных условияхрезультаты численного эксперимента по полученной зависимости.
3. Технологические закономерности центробежного фильтрования в зависимости от содержания в питании центрифуги класса -50 мкм и содержания твёрдого в питаниизначения режимных параметров работы центрифуг, обеспечивающих получение осадка с зольностью не выше 10% (фактор разделения — 250−300- время центрифугирования — 8−10 ссодержание твёрдого в исходной суспензии — 400−500 кг/м3- содержание класса крупностью -0,05 мм в исходной суспензии — 35−45%).
4. Новая технологическая схема обогащения шлама на ОФ «Нерюнгринская», включающая фильтрующую центрифугу со шнековой выгрузкой осадка для разделения и обезвоживания шлама вместо флотации и фильтрования концентрата на ленточных фильтр-прессах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены закономерности перераспределения частиц твёрдой фазы шлама коксующихся углей между осадком и фугатом в процессе центробежного фильтрования.
2. Предложена детерминированная модель для прогнозирования уноса твёрдого в фугат при расчёте параметров центробежного фильтрования.
3. Определены зависимости технологических показателей работы фильтрующей центрифуги со шнековой выгрузкой осадка от характеристики питания и параметров центрифуги.
4. Обоснована новая технологическая схема обогащения тонких классов углей, включающая фильтрующую центрифугу и обеспечивающая получение из не-обогащённого угольного шлама осадка, пригодного для отгрузки в качестве товарного концентрата.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций заключается в том, что теоретические выводы подтверждаются данными расчётов, лабораторными экспериментальными и промышленными исследованиями, и испытаниями, а также положительным опытом внедрения новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ «Нерюнгринская». Разработанная модель перераспределения частиц твёрдой фазы суспензии между осадком и фугатом адекватно описывает результаты опытно-промышленных исследований.
Практическое значение работы заключается в разработке новой технологии обогащения шлама с применением фильтрующих центрифуг. В условиях ОФ «Нерюнгринская» доказана эффективность новой технологической схемы по сравнению с проектной (предусматривающей обогащение шлама флотацией и обезвоживание концентрата на ленточных фильтр-прессах) и определена величина экономического эффекта, достигаемого за счёт снижения производственных расходов на процессы флотации, обезвоживания продуктов разделения и сушки, а также увеличения выручки от реализации товарной продукции.
Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при модернизации технологической схемы ОФ «Нерюнгринская» путём установки фильтрующих центрифуг со шнековой выгрузкой осадка в операции обогащения шлама. Высокая эффективность технологической схемы подтверждена более чем 2-х летним опытом работы фабрики по новой схеме. Результаты работы могут быть распространены на проектируемые и реконструируемые углеобогатительные фабрики с учетом характеристики сырьевых баз.
Личный вклад автора состоит в обосновании, разработке и внедрении новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ «Нерюнгринская» — проведении опытно-промышленных испытаний, обработке, анализе и обобщении полученных данных.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на: 4 международной научной школе молодых учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 6−9 ноября 2007 г.) — научном симпозиуме «Плаксинские чтения» (г. Владивосток, 2008 г.) — учёных советах ИОТТ (г. Люберцы, 2007 — 2009 гг.) — технических совещаниях ОАО ХК «Якутуголь» (г. Нерюнгри, 2007 — 2009 гг.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 9 статьях (в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК), патенте и решении о выдаче патента.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложениясодержит 64 рисунка, 12 таблиц и список использованных источников из 53 наименований.
Выводы по разделу.
1) Анализ ситового состава шлама ОФ «Нерюнгринская» позволил установить, что зернистая часть данного продукта (крупность 0,2−0,5 мм, зольность порядка 10%) может быть выделена путём центробежного фильтрования и отгружена потребителю без обогащения в качестве кондиционного концентрата.
2) Доказана принципиальная возможность получения из необогащённого шлама концентрата с заданной зольностью путём центробежного фильтрования.
3) На основании анализа полученных экспериментальных данных установлено, что наиболее эффективное разделение шлама в центрифуге, характеризуемое значениями извлечения класса -0,05 мм в фугат, выхода, влажности и зольности осадка, может быть достигнуто в интервале значений определяющих параметров исходной суспензии:
— содержание твёрдого в исходной суспензии от 450 до 550 кг/м ;
— содержание класса -0,05 мм в исходной суспензии от 30% до 40%.
4) Граничная крупность разделения шлама в фильтрующей центрифуге составила 0,100−0,125 мм.
5) Результаты технологических исследований подтвердили адекватность уравнения, предложенного для расчёта уноса твёрдого в фугат при центробежном фильтровании: значение коэффициента корреляции составило 0,7−0,8.
6) Экспериментально подтверждена адекватность модели извлечения твёрдой фазы в фугат по узким классам крупности, разработанной на основе уравнения массопе-реноса. Сходимость расчётных и экспериментальных данных составила не более 3% (в пределах ошибки эксперимента).
7) Разработана рациональная технологическая схема переработки шлама, включающая следующие операции:
— сгущение исходной суспензии (слива багер-зумпфа) до требуемого содержания твёрдого;
— разделение шлама в фильтрующей центрифуге;
— отгрузку осадка центрифуги в качестве концентрата;
— обезвоживание фугата на ленточном фильтр-прессе с последующей отгрузкой осадка в качестве промежуточного продукта.
8) Установлено, что внедрение новой технологии переработки шлама на ОФ «Не-рюнгринская» с применением фильтрующих центрифуг обеспечит снижение производственной себестоимости по сравнению с проектной технологией ориентировочно на 85 млн руб. в год и увеличение суммарного экономического эффекта примерно на 100 млн руб. в год при значении коэффициента рентабельности 13,3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе на основании выполненных исследований решена актуальная научно-техническая задача — обоснована, разработана и внедрена новая технология обогащения угольных шламов коксующихся углей с применением фильтрующих центрифуг со шнековой выгрузкой осадка. Работа имеет существенное значение для угольной отрасли России.
Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:
1. Обоснована перспективность применения фильтрующих центрифуг для обогащения угольных шламов на основе изучения сырьевой базы фабрики и данных по вторичному шламообразованию. До настоящего времени это оборудование применялось только для обезвоживания мелких классов углей.
2. Предложена математическая модель, описывающая закономерности перераспределения твёрдой фазы шлама между осадком и фугатом, учитывающая основные параметры центрифуги и обогащаемого материала (коэффициент формы частиц, давление в зоне напорного фильтрования, длину и ширину отверстия фильтрующего ротора, средний размер частиц твёрдой фазы, переходящих в фугат, содержание твёрдой фазы в исходной суспензии). Данные технологических исследований подтвердили адекватность разработанной модели: величина коэффициентов корреляции по исследованным зависимостям не менее 0,7. Показана возможность применения модели для прогнозирования и количественной оценки уноса твёрдого в фугат при расчёте параметров процесса центробежного фильтрования.
3. Разработана и экспериментально подтверждена модель извлечения в фугат частиц твёрдой фазы суспензии по узким классам крупности, основанная на решении уравнения массопереноса при выбранных граничных условиях. Сходимость результатов, рассчитанных по данной модели, с данными технологических исследований показывает точность в пределах погрешности опробований (не более 3%).
4. Принципиальная возможность обогащения шлама коксующихся углей по плотности и крупности центробежным фильтрованием подтверждена исследованиями на лабораторных стендах. Определен характер зависимостей:
— влажности осадка от фактора разделения;
— влажности, зольности и выхода осадка от содержания твёрдого в — питании центрифуги;
— извлечения класса крупностью -0,05 мм в фугат от содержания в питании твёрдого и данного класса.
5. Возможность получения кондиционного концентрата путём разделения необо-гащённого шлама в фильтрующей центрифуге доказана в промышленных условиях на ОФ «Нерюнгринская» .
6. По результатам опробования центрифуги на фабрике подтверждены, уточнены и дополнены технологические закономерности разделения угольного шлама центробежным фильтрованием, определенные на этапе лабораторных исследований и численного экспериментирования по модели.
7. Определены значения режимных параметров процесса, обеспечивающие получение осадка с кондиционной для концентрата зольностью (10%), максимально возможным выходом (55−60%) и минимально возможной влажностью (15−16%): содержание твёрдого в питании центрифуг — 450−550 кг/м — содержание класса крупностью -0,05 мм в питании центрифуг— 30−47%.
8. Выполнено сравнение 3-х технологических схем: проектной, обогащение шлама в фильтрующих центрифугах и обогащение шлама в фильтрующих центрифугах с последующей флотацией фугата. В качестве предпочтительной выбрана схема обогащения шлама с применением фильтрующих центрифуг, характеризующаяся простотой, малооперационностью, относительно невысокими эксплуатационными затратами.
9. Разработана, испытана и внедрена новая технология обогащения угольных шламов с применением фильтрующих центрифуг. Внедрение данной технологии на ОФ «Нерюнгринская» улучшило экологическую обстановку за счет снижения выбросов парниковых газов, исключило применение флотационных реагентов и частично флокулянтов, сократило расход топлива и электроэнергии для сушильных установок и другие эксплуатационные затраты. Производственная себестоимость снижена на 85 млн руб. в год, а суммарный экономический эффект составляет 100 млн руб. в год.
