1.1.2. Термины и определения
Обогащение в тяжелых средах – метод разделения углей по плотности в истинных тяжелых жидкостях или минеральных суспензиях.
Истинные тяжелые жидкости – водные растворы неорганических солей и органические жидкости – в производственных условиях имеют ограниченное применение. Их используют в основном для разделения углей по плотности при фракционном анализе и контроле качества продуктов обогащения.
Взвеси в воде тонкоизмельченных утяжелителей – минеральные суспензии – широко распространены во всем мире в качестве разделяющей среды при обогащении углей.
В отечественной и зарубежной практике применяют преимущественно минеральные суспензии, в которых в качестве утяжелителя используют магнетитовый концентрат, позволяющий получать плотность разделяющей среды, достаточную для успешного обогащения всех видов твердых горючих ископаемых (каменных и бурых углей, антрацитов, горючих сланцев).
В некоторых странах в качестве утяжелителей в ограниченных масштабах используют барит, кварцевый песок, глину, лёсс и другие материалы, однако эти утяжелители не выдерживают конкуренции с магнетитом.
Следует отметить следующие особенности метода обогащения в тяжелых средах:
простоту регулирования и широкую возможность автоматизации производственного процесса;
малую чувствительность к колебаниям нагрузки (в пределах нагрузочной устойчивости оборудования) и качественного состава питания;
возможность эффективного обогащения углей с трудной и очень трудной характеристикой обогатимости и высоким содержанием свободной породы;
возможность разделения обогащаемого сырья в широком диапазоне крупности – от самых крупных штучных кусков (размером 500 мм и более) до мелкого материала (примерно до 0,2–0,5 мм и менее);
высокую точность разделения, обеспечивающую минимальное засорение конечных продуктов посторонними фракциями;
широкий диапазон изменения плотности разделения (от 1300–1350 до 2000–2200 кг/м3) с предельно точной регулировкой плотности разделяющей среды;
незначительное шламообразование в обогатительных аппаратах, возможность удаления размокающей породы в начале технологического процесса;
наименьший (по сравнению с другими мокрыми процессами обогащения) расход технологической воды.
Перечисленные достоинства тяжелосредного метода обогащения относятся к технологии обогащения как крупного, так и мелкого угля и угольного шлама. Обогащение крупного угля в магнетитовой суспензии осуществляется в тяжелосредных сепараторах, мелкого угля и угольного шлама – в тяжелосредных гидроциклонах.
Условия разделения частиц обогащаемого угля в тяжелой среде определяется соотношением сил, действующих на частицу: силы тяжести Fg и подъемной (архимедовой) силы FА, с учетом сил сопротивления среды и механического взаимодействия частиц при их соприкосновении. Равнодействующая G сил, действующих на частицу в неподвижной среде:
С учетом того, что Fg = Vδчg и FА = Vδсg, где V – объем частицы; δч и δч – плотность частицы и среды; g – ускорение свободного падения, получим
Возможны три условия разделения частиц: δч > δс; δч < δс и δч = δс. В первом случае G > 0 и частица тонет, во втором G < 0 и частица всплывает, в третьем G = 0 и частица находится во взвешенном состоянии.
С уменьшением размеров зерен снижается разность скоростей их падения и резко возрастает время, необходимое для их разделения.
Интенсифицировать процесс обогащения мелких зерен угля можно в поле действия центробежных сил, возникающих при вращательном движении суспензии. Центробежную силу Fц, действующую на частицу, определяют по формуле
где m – масса частицы; ω – окружная скорость вращения; r – радиус вращения; ω2/r – центробежное ускорение.
С учетом того, что m = Fg /g и ω = 2πrn/60, где n – частота вращения, получим
Подставив числовые значения для π и g, окончательно получим
Из полученного выражения следует, что значение центробежной силы в значительно большей степени зависит от частоты вращения суспензии, чем от радиуса вращения тела.
Для разделения мелкого угля по плотности в центробежном поле используют тяжелосредные гидроциклоны. Мелкий уголь вместе с суспензией (с определенной скоростью и под давлением) тангенциально вводят в гидроциклон. Плотность разделения угля в тяжелосредном гидроциклоне может быть равной ил выше плотности суспензии, подаваемой в него вместе с углем. Частицы угля, плотность которых меньше плотности разделения, удаляются из гидроциклона вместе с суспензией через сливной патрубок, а частицы с большей плотностью разгружаются через песковую насадку гидроциклона.
Плотность разделения в тяжелосредном сепараторе соответствует плотности магнетитовой суспензии, подаваемой в сепаратор.
Плотность разделения в тяжелосредном двухпродуктовом гидроциклоне может превышать плотность магнетитовой суспензии примерно на 20 % за счет расслоения утяжелителя.
Степень расслоения частиц утяжелителя зависит также от продолжительности пребывания суспензии в гидроциклоне. При большой скорости протекания суспензия не успевает полностью расслоится.
В трехпродуктовых тяжелосредных гидроциклонах превышение плотности разделения во второй ступени может достигать, в сравнении с плотностью разделения в первой, примерно на 400–500 кг/м3.
Для ориентировочного расчета разности плотностей между I и II ступенями разделения в трехпродуктовом тяжелосредном гидроциклоне В.И. Хайдакин предложил эмпирическую формулу
где S0 – параметр, характеризующий степень сгущения суспензии и зависящий от размера частиц утяжелителя, содержания шлама в суспензии, ее плотности и давления на входе в гидроциклон.
Для магнетита марки «М» (средний взвешенный диаметр зерна утяжелителя 40–50 мкм) S0 определяется эмпирическим соотношением
где p – давление на входе в циклон, МПа; Сш – содержание шлама в суспензии, кг/м3; δс – плотность суспензии, кг/м3.
Наиболее рациональные области применения тяжелосредного обогащения:
крупные классы углей для коксования и энергетики и антрациты (от 13–25 до 200–300 мм) очень трудной, трудной, средней и легкой обогатимости при содержании породных фракций (плотностью +1800 кг/м3 – для углей, +2000 кг/м3 – для антрацитов) более 35 % и выходе класса >13 мм более 20 % с разделением на три и два продукта;
крупные классы (>25 мм) сланцев;
мелкие классы углей для коксования (от 0,2–0,5 до 13; 25; 40 мм) трудной и очень трудной обогатимости с разделением на три продукта;
мелкие классы энергетических углей трудной и очень трудной обогатимости и антрациты (от 0,5 до 13(25) мм) с разделением на два продукта;
промпродукты отсадки крупных (после додрабливания) и мелких каменных углей и антрацитов (0,5-13 мм) с разделением на три и два продукта.
Тяжелосредное обогащение твердых горючих ископаемых может производиться также с целью получения продуктов высокого качества для специальных целей, например, антрацитовых концентратов для электродной промышленности, малосернистых угольных концентратов, сланцевых концентратов с повышенным содержанием органической массы.
1.1.3. Характеристика тяжелой среды
В качестве тяжелой среды при обогащении полезных ископаемых по плотности применяют суспензии, которые приготовляют из смеси тонкоизмельченных твердых частиц и воды. Следовательно, твердые частицы являются дисперсной фазой, которую называют утяжелителем. Дисперсионной фазой является вода. Содержащиеся в суспензии твердые частицы поддерживаются в состоянии движения энергией жидкости и потенциальной энергией поверхностного натяжения.
В качестве утяжелителя используют измельченные до крупности менее 0,1 мм различные минералы (иногда смесь минералов), (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Характеристика утяжелителей и суспензии
Суспензии могут быть разделены на три группы: устойчивые (колоиднодисперсные), неустойчивые (грубодисперсные) и стабилизированные, т. е. системы, устойчивость которых достигается путем применения величальных мер, сопровождающихся затратой энергии.
В практике обогащения угля применяют главным образом стабилизированные суспензии. Относительно ограниченное применение получили неустойчивые суспензии.
Стабилизация суспензий может быть произведена следующими способами:
1) применением соответствующего утяжелителя;
2) добавлением в суспензию материалов, обладающих коллоидными свойствами;
3) применением восходящих потоков;
4) механической активацией суспензии;
5) горизонтальным перемещением суспензии.
Первые два способа дают возможность получить статически устойчивую суспензию, а остальные – динамически устойчивую. Результаты обогащения углей в статически устойчивых суспензиях несколько лучше, чем в динамически устойчивых. Однако наибольшее распространение в настоящее время получили динамически устойчивые суспензии, стабилизированные их горизонтальным перемещением.
Если не предусмотрены специальные меры для стабилизации суспензии и она оставлена в состоянии покоя, то утяжелитель быстро осаждается. Через небольшой промежуток времени образуется значительная разница в плотностях выше- и нижележащих зон суспензии.
Уголь, погруженный в суспензию, расслаивается по плотности: частицы угля, плотность которых меньше плотности суспензии в верхней зоне, всплывают, а частицы, плотность которых больше плотности суспензии в нижней зоне, опускаются на дно ванны. В промежуточном слое суспензии находятся во взвешенном состоянии частицы угля промежуточной плотности. Следовательно, в суспензии в одном аппарате можно получить три продукта обогащения: концентрат, промежуточный продукт и породу.
Плотность суспензии по высоте ванны можно изменять, меняя скорость продольного перемещения суспензии и крупность утяжелителя.
Суспензии должны быть эффективны для широких пределов крупности обогащаемого угля, не обладать большой вязкостью при принятой плотности разделения, а также корродирующими и токсичными свойствами. Этим требованиям удовлетворяет суспензия, содержащая 25–35 % твердых веществ высотой плотности (утяжелителя) по объему. Приготовление суспензии, обладающей перечисленными свойствами, является нелегкой задачей.
Содержание твердой фазы в суспензии при обычно применяемой плотности разделения в первую очередь зависит от плотности утяжелителя. Следовательно, свойства суспензии определяются главным образом плотностью и размером частиц твердой фазы.
Если для обогащения угля применяется суспензия, образованная магнетитом, то приемлемая текучесть и необходимая плотность суспензии могут иметь место даже в том случае, когда в суспензии находится значительное количество угля и глины. Однако если суспензия приготовляется из смеси барита и глины, необходимо самое тщательное отделение угольного шлама от утяжелителя.
В промышленных условиях для приготовления суспензий в качестве утяжелителей применяют минералы и некоторые отходы различных видов производства. Проводятся также работы с целью применения в качестве утяжелителя искусственно приготовленных минералов (гуммированные металлические зерна).
Утяжелитель должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) обеспечивать возможность приготовления маловязкой суспензии плотностью 1,3–2,0 т/м3. Для этого плотность утяжелителя должна примерно втрое превышать заданную плотность суспензии;
О проекте
О подписке