1.4.4. Подготовка угольного шлама к тяжелосредному обогащению

Подготовка угольного шлама к тяжелосредному обогащению в гидроциклонах с магнетитовой суспензией представляет собой выделение из подситного продукта узла обесшламливания мелкого машинного класса илистой составляющей крупностью менее 0,1 мм.

Согласно [39–41], класс менее 0.1 мм имеет низкую эффективность разделения в гидроциклонах с магнетитовой суспензией и почти с одинаковой зольностью распределяется по продуктам обогащения пропорционально их массовым потокам. Поэтому, чтобы не допустить озоления концентрата и повышения потерь угля с отходами, этот класс должен быть удален из продуктов обогащения.

Обогащение угольного шлама может осуществляться одним или двумя машинными классами. В первом случае крупность машинного класса 0,1–3 мм, во втором – 0,5–3 мм и 0,1–0,5 мм.

Удаление класса 0–0,1 мм можно осуществлять до операции обогащения (из исходного продукта тяжелосредных гидроциклонов перед смешиванием его с магнетитовой суспензией), после операции обогащения (из продуктов обогащения при отмывке магнетита и их обезвоживании) и после регенерации магнетитовой суспензии (из шламовой воды после удаления магнетита на электромагнитных сепараторах).

Для удаления класса 0–0,1 мм в зависимости от типа исходного продукта, его крупности, количества и разубоженности применяют специальные аппараты, высокочастотные грохоты, гидроциклоны и сгустители.

Специальные аппараты для тонкого грохочения описаны в [42–45], высокочастотные грохоты в [46–49], гидроциклоны в [50–53], сгустители в [54–57].

Технические характеристики оборудования для тонкой классификации угольных шламов приведены в табл. [A8 – A15], а общие виды некоторых специальных аппаратов, высокочастотных грохотов, гидроциклонов и сгустителей – на рис. 1.22-1.25.

Основным и наиболее распространенными аппаратами при классификации угольных шламов являются высокочастотные грохоты и гидроциклоны.

При тонком грохочении угольных шламов перевод частиц меньше крупности разделения в подситный продукт осуществляется посредством воды: чем меньше содержание твердого в исходном продукте, тем выше извлечение этих частиц. Рекомендуемое содержание твердого в исходном продукте должно находиться на уровне 200–300 г/л или 15–20 % по массе. С этой точки зрения грохоты для тонкого грохочения должны иметь большую ширину, а длину не более 1,5 мм. В противном случае, при большой длине грохота необходимо добавлять большее количество воды на сито, при ее незначительном промывочном эффекте. При необходимости иметь большую длину ситовой поверхности между ее участками устанавливаются так называемые желоба репульпации, в которые подается чистая вода. Вода подается противотоком движению надситного продукта грохота.

При тонком грохочении должны соблюдаться следующие принципы:

1) для прохождения тонких частиц через сита необходимо достаточное количество воды и высокочастотная вибрация;

2) исходный продукт должен подаваться на ситовую панель грохота тонким слоем;

3) надситный продукт должен быстро удаляться с сита, чтобы эффективная область сита и грохота оставалась свободной, поэтому длина сита должна быть короткой;

4) ширина грохота – наиболее важный фактор, определяющий его производительность.

Нагрузка на грохоты типа «Derrick» при классификации угольных шламов с содержанием твердого в исходной пульпе не более 300 г/л составляют: при щели отверстий 0,075 мм – 3,5 т/ч на 1 деку, при щели отверстий 0,1 мм – 8,0 т/ч на 1 деку, при щели отверстий 0,2 мм – 16 т/ч на 1 деку. При этом расход чистой воды для ополаскивания находится в пределах 150–200 л/ч на 1 деку.

При классификации угольных шламов в гидроциклонах их номинальная производительность соответствует паспортной, а эффективность классификации и граничная крупность разделения определяется диаметром гидроциклона, давлением подачи исходной пульпы, гранулометрическим составом угольного шлама, содержанием твердого в исходной пульпе, диаметрами песковой и сливной насадок и их соотношением с диаметром входного патрубка. Кроме того, на эффективность классификации и величину граничной крупности разделения влияют следующие конструктивные параметры гидроциклона:

– диаметр и глубина погружения сливного стакана;

– длина цилиндрической части гидроциклона;

– угол конусности и длина конической части гидроциклона;

– длина сливного патрубка.

Наиболее полное исследование влияния основных переменных факторов гидроциклона на эффективность разделения при классификации материала проведено Келсаллом. При исследовании использовались смеси зерен сферической формы одинаковой и определенной плотности и крупности в гидроциклоне диаметром 76 мм.

Основные выводы, сделанные Келсаллом [10, 11], можно сформулировать следующим образом:

1) уменьшение диаметра питающего отверстия (с 15,9 до 6,3 мм) обеспечивает заметное увеличение эффективности классификации;

2) длинное, узкое, прямоугольное питающее отверстие по сравнению с круглым отверстием равной площади не обеспечивает повышение (значительное) эффективности классификации;

3) лучшая эффективность разделения частиц вероятнее всего получается при максимальной скорости прохождения жидкости через отверстие питания;

4) с уменьшением диаметра сливного отверстия эффективность разделения тонких частиц увеличивается; при классификации более крупного материала эффективность повышается в случае уменьшения (до определенного предела) диаметра сливного отверстия, при дальнейшем уменьшении диаметра сливного отверстия эффективность разделения падает;

5) уменьшение длины сливной трубки приводит к повышению эффективности разделения тонких частиц и снижению эффективности разделения крупных частиц (иногда до 10 % в случае чрезмерного уменьшения длины сливной трубки);

6) уменьшение диаметра песковой насадки снижает эффективность разделения частиц всех размеров;

7) существует определенная зависимость между давлением питания и эффективностью разделения.

С увеличением диаметра гидроциклона его производительность повышается, но при этом закрупняется слив, в связи с чем снижается эффективность классификации.

Однако при работе гидроциклонов большого диаметра (более 750 мм) на разжиженных пульпах в операциях обесшламливания содержание крупных частиц в сливе может быть снижено.

Диаметр питающего отверстия обычно составляет 0,1–0,25, а диаметр сливного патрубка 0,2–0,3 диаметра гидроциклона, отношение диаметра песковых насадок к диаметру сливного патрубка составляет 0,4–0,9. Для снижения крупности частиц в сливе устанавливают максимальное значение этого соотношения. Для этих же целей применяют гидроциклоны с углом конусности до 5-10 град., работающих на разжиженных пульпах. Снижение крупности твердого в сливе достигается также на гидроциклонах сравнительно малых размеров.

Уменьшение диаметра песковой насадки приводит к увеличению твердого в песках и к увеличению выхода и крупности слива. Чрезмерное уменьшение диаметра песковой насадки может привести к забиванию насадки.

При классификации угольных шламов оптимальный вид потока сгущенного продукта на выходе из песковой насадки – веерный.

Сливная труба является продолжением сливного патрубка и ее диаметр должен быть больше диаметра сливного патрубка.

При большом перепаде высот концов сливной трубы она может действовать как сифон и засасывать в слив пульпу с содержанием сгущенного продукта. Для удовлетворительной работы гидроциклона применяют гидрозатвор, т. е. конец сливной трубы погружают в бачок, расположенный примерно на уровне песковой насадки.

Для получения тонких сливов давление подачи питания в гидроциклон должно составлять не менее 0,15 и 0,2 МПа и обязательно постоянным.

Влияние диаметра гидроциклона

С увеличением диаметра гидроциклона возрастает его производительность.

Для получения одинаковых технологических показателей в гидроциклонах различных диаметров необходимо увеличить давление на входе в аппарат. Ориентировочно одинаковые технологические показатели в гидроциклонах различных диаметров могут быть получены при условии:

Где ΔH – потери напора в гидроциклонах диаметрами D₁ и D₂.

При увеличении размеров аппарата и соблюдении приведенного соотношения технологические показатели обычно несколько улучшаются. Это явление вызвано масштабным эффектом, физическая основа которого заключается в снижении относительной шероховатости внутренней поверхности аппарата. Относительная шероховатость поверхности гидроциклона ε=l/D, где l – средняя высота выступов на внутренней поверхности аппарата. Так как качество поверхности гидроциклона с малым и большим диаметрами одинаковое, то относительная шероховатость ε с увеличением диаметра будет снижаться и, следовательно, гидродинамические характеристики улучшаться.

Влияние давления

Давление питания определяет количество потока, проходящего через гидроциклон, обусловливает скорость движения жидкости и твердых частиц и определяет время пребывания материала в аппарате. Поэтому давление питания играет важную роль в определении производительности гидроциклона, эффективности обогащения или классификации.

При постоянных размерах питающего патрубка и сливного насадка с увеличением давления на входе производительность гидроциклона возрастает. Этот фактор определяет также эффективность работы гидроциклона при классификации и сгущении пульпы. При прочих равных условиях, с увеличением давления на входе снижается крупность частиц в сливе и уменьшается размер граничного зерна разделения. В зависимости от диаметра гидроциклонов и технических требований напоры на входе в аппарат могут находиться в пределах 0,08-0,3 МПа. Так, если гидроциклоны используются для сгущения и классификации первичных шламовых вод, напор для ГЦ-600 равен 0,08, для ГЦ-900 – 0,1 и для ГЦ-1200 – 0,2 МПа. При применении гидроциклонов для сгущения и классификации тонких шламов напор соответственно равен: 0,1, 0,15 и 0,3 МПа.

При сгущении и классификации антрацитовых шламов напор на входе в аппарат может быть несколько ниже (на 0,01-0,02 МПа), чем для угольных шламов в связи с их повышенной плотностью. Пульпа в гидроциклон может поступать самотеком или подаваться насосом. Следует отметить, что при классификации и сгущении в гидроциклонах соблюдение постоянного давления на входе особенно важно. Всякое колебание давления вызывает снижение эффективности классификации. При поступлении пульпы самотеком давление колеблется в значительно меньшей степени, поэтому такая подача более предпочтительна, хотя для создания необходимого напора в этом случае нужен достаточный перепад высот. Питание гидроциклона при этом осуществляется через приемную воронку.

Расчет необходимой геодезической высоты между уровнем жидкости в приемной воронке и осью питающего патрубка гидроциклона может быть произведен по следующему уравнению:

где – скорость течения жидкости в трубопроводе, м/сек; – длина трубопровода, м; – диаметр сечения трубы, м; – коэффициент сопротивления трения единицы относительной длины трубы; – местные коэффициенты сопротивления (вход в трубопровод, задвижки, повороты трубопровода); – коэффициент сопротивления гидроциклона; – ускорение силы тяжести, м/сек².

Скорость определяется по производительности гидроциклона

где – производительность, м/сек.

Коэффициент сопротивления трения для труб

Местный коэффициент сопротивления, характеризующий потери напора при выходе жидкости из приемной воронки в трубопровод —, в зависимости от угла конусности круглой воронки может иметь следующие значения

Коэффициент сопротивления задвижек и колен трубопровода зависит от их конструктивных параметров. Для задвижек типа «Лудло» при полном открытии ξ = 0,15. Коэффициент сопротивления колен в трубопроводе может быть определен по справочнику гидравлических сопротивлений.

Для обеспечения прохождения необходимого количества пульпы через приемную воронку и предотвращения закручивания в ней жидкости, критическое значение напора Н_к должно быть меньше необходимого напора Н (высота столба между уровнем жидкости в воронке и началом трубопровода).

Напор Н в воронке определяется по формуле:

где q – секундный расход, м³/сек.; µ- коэффициент расхода; – сечение выходного отверстия, м²; g– ускорение силы тяжести, м/сек.

При L/d≥50 коэффициент расхода (L– длина трубопровода, м).

Критическое значение напора H_к определяется по уравнению:

Здесь ε– коэффициент сжатия (ε≈90,0). При H_к < H закручивание жидкости в воронке приводит к уменьшению пропускной способности трубопровода и падению напора на входе в гидроциклон.

Учитывая неравномерность поступления пульпы в приемную воронку, необходимо чтобы высота уровня жидкости в ней превышала критическую в 2–3 раза.

Влияние диаметров разгрузочных отверстий

В практике углеобогащения при классификации шламов принято в основном регулирование работы гидроциклонов с помощью песковых насадок. Диаметр насадка для выпуска сгущенного продукта является одним из основных конструктивных параметров, оказывающих наибольшее влияние на работу гидроциклонов. С уменьшением диаметра нижнего насадка увеличивается содержание твердого в сгущенном продукте. Граничный размер разделения при сгущении до 500–600 г/л остается постоянным; при дальнейшем увеличении степени сгущения размер граничного зерна разделения также увеличивается. Таким образом, с помощью насадка для выпуска сгущенного продукта можно регулировать чистоту слива. Размер насадка по существу является единственным параметров, изменяя который можно регулировать работу гидроциклона в промышленных условиях. Однако надо помнить, что чрезмерное уменьшение диаметра нижнего насадка может привести к его забиванию. Слишком большое увеличение диаметра насадка также нежелательно, так как в этом случае разделение в гидроциклоне прекращается. Необходимо соблюдать следующее условие: наибольший размер насадка для выпуска сгущенного продукта должен быть меньше диаметра сливного стакана.

Если необходимо изменить содержание твердого в сгущенном продукте с G₁ на G₂, то оптимальный диаметр насадка может быть ориентировочно определен по соотношению:

где d₁ и d₂ – диаметры насадков, соответствующие содержанию твердого в сгущенном продукте C₁ и C₂.

Приведенное соотношение можно использовать для расчета необходимого диаметра насадка при содержании твердого в сгущенном продукте не более 700 г/л для коксующихся углей и не более 900 г/л для антрацитов.

Влияние высоты и диаметра сливного стакана