CC BY
73
© В.А. Козлов, В.И. Новак, 2012
В.А. Козлов, В.И. Новак
ОСАДИТЕЛЬНО-ФИЛЬТРУЮШИЕ ЦЕНТРИФУГИ «ДЕКАНТЕР» — ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ УГОЛЬНОГО ШЛАМА
Рассмотрено устройство осадительно-фильтрующих центрифуг «Декан-тер». Приведены их технические характеристики. Показано изменение влажности кека от содержания тонких шламов в питании центрифуги. Кратко описаны! основные параметрыI, влияющие на работу центрифуг. Ключевыге слова: обезвоживание, угольныт шлам, пульпа, центрифуга, осадительная секция, фильтрующая секция, кек, фугат, влажность, зольность, концентрация твердого в пульпе.
В процессах обезвоживания на обогатительных фабриках с мокрыми процессами обогащения требуется удалить избыток влаги из чистых угольных продуктов. Для крупных частиц используются простые системы грохочения, в то время как для мелких и тонких частиц требуется более сложное оборудование, такое как центрифуги и фильтры. Избыток влаги, превышающий недопустимые пределы, в товарных продуктах создает проблемы при разгрузке транспортных средств из-за смерзания угля в зимнее время года и приводит к увеличению транспортных затрат на перевозку лишней воды. Поэтому влагу, которую не удаляется удалить механическими процессами, удаляется испарением при нагревании объема угля, что требует значительных капитальных затрат при строительстве сушильно-топочного отделения и последующих эксплуатационных затрат на сушку угля.
Однако существует оборудование, которое позволяет в большинстве случаев отказаться от строительства сушильно-топочных отделений на новых фабриках, это осадительно-фильтрующие центрифуги «Декантер», которые в настоящее время являются наиболее применяемым оборудованием для обезвоживания тонкого угля в США, Австралии и в России. Широкое использование этой центрифуги в большей степени обусловлено надежностью в работе и способностью получать
Рис. 1. Фотография осади-тельно-фильтруюших центрифуг «Декантер» на ОФ «Антоновская» (Новокузнецк, Кемеровская обл.)
более низкую влажность продукта (кека) по сравнению с конкурирующим оборудованием, таким как гипербарфильтры и дисковые вакуум-фильтры.
На рис. 1 показана фотография центрифуг «Декантер», установленных на ОФ «Антоновская». Применение этих центрифуг позволило уже на стадии проекта этой обогатительной фабрики впервые в России в 2000 году отказаться от термической сушки угля.
При крупности в питании 0—2 мм центрифуга может обеспечивать производительность до 90 т/ч по твердому и 180 м3/ч по исходной пульпе. При этом влажность кека будет в пределах 8—14 % в зависимости от гранулометрической характеристики шлама и степени метаморфизма угля.
Осадительно-фильтрующие центрифуги имеют большое преимущество над конкурирующими процессами, такими как фильтры, они производят значительно ниже влажность продукта и могут удалять в фугат значительную часть ультратонких частиц (размером менее 0,044 мм), которые обычно имеет высокую зольность и влажность.
Осадительно-фильтрую-щая центрифуга в том виде, каким мы ее видим на фотографии, была впервые произведена для угольной промышленности в Германии в 1969 году компанией Bird Machine Company [1, 2] и затем стала производиться компанией Decanter Machine Inc. в США. Схема центрифуги, разработанная компанией Bird Machine Company приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема осадительно-фильтруюшей центрифуги (от Bird Machine Company)
Осадительно-фильтрующая центрифуга является непрерывно действующей и имеет две последовательных стадии разделения твердого от жидкого исходной пульпы. Первая стадия включает центробежный отжим твердого в сплошном цилиндрическом роторе, вторая стадия включает центробежную фильтрацию на щелевом сите цилиндрической формы. Как показано на рис. 2, пульпа через конец стационарно установленной трубы питания. Пульпе придается вращательная скорость в разгонной камере, и она распределяется через питающий порт в осадительную часть ротора. Твердые частицы из пульпы осаждается на сплошной стенке ротора благодаря большой центробежной силе. Это осадительное действие является первой стадией обезвоживания в центрифуге. Отжатая вода к оси вращения центрифуги образует бассейн осветленной жидкости, которая содержит небольшое количество ультратонких твердых частиц, сливается переливом через регулируемые перегородки, расположенные в торце ротора центрифуги со стороны ввода питающей трубы. Этот слив называется фугатом осадительной секции и обычно направляется в отходы из-за низкого содержания ультратонкого твердого (около 20 г/л) и его высокой зольности. Осадок, осажденный на стенку сплошного цилиндрического ротора, транспортируется спиральным шнеком, который вращается с немного меньшей скоростью, чем ротор. Шнек перемещает осажденное твердое из цилиндрической секции на пляж, который формируется на уменьшающейся в диаметре конусной части сплошного ротора, где
Рис. 3. Зависимость обшей влажности кека от содержания ультратонкого класса 0x0,044 мм в питании центрифуги (уголь марки «К»)
осадок выхолит выше зеркала жилкости бассейна, и лалее транспортируется в цилиндрическую ситовую секцию меньшего диаметра. Здесь влага дополнительно удаляется из кека за счет центробежной фильтрации. Действие центробежной фильтрации является второй стадией обезвоживания в осади-тельно-фильтруюшей центрифуге. В большинстве случаях, материал, который дренировал через ситовую секцию (фугат фильтруюшей секции) содержит ценный низкозольный уголь и, поэтому, его возврашают обратно в питание на дополнительное извлечение.
Наиболее важные параметры пульпы, которые влияют на обезвоживаюшее действие осадительно-фильтруюшей центрифуги [3, 4] это размер частиц, содержание твердого в пульпе питания и расход пульпы. Наиболее важные механические параметры центрифуги включают глубину бассейна, скорость врашения и передаточное число редуктора.
Конечная влажность продукта производимой осадительно-фильтруюшей центрифугой зависит от количества ультратон-
ких частиц в пульпе питания. Обычно количество ультратонкого материала определяется содержанием частиц класса 0х0,044 мм в общем количестве твердого в питании.
На рис. 3 показана типичная зависимость влажности кека осадительно-фильтрующей центрифуги от величины содержания класса минус 0,044 мм в питании. Согласно практическим данным для угля марки «К», для которого построен график, ожидаемая общая влажность может быть оценена использованием выражения экспоненциальной зависимости:
Ш = 7,124 • ехр(0,0286с), % (1)
где с — содержание класса 0х0,044 мм в пульпе питания, %.
Таким образом, если в питании содержится 15 % класса 0х0,044 мм, то влажность кека будет около 11 %. К сожалению, этот участок формирования питания центрифуги обычно не подконтролен оператору фабрики и, в конечном счете, определяет потенциальную влажность кека, которая может быть получена в данном конкретном применении.
Для защиты центрифуги от повреждения при возможном попадании крупных частиц угля или посторонних предметов применяются ограждающие устройства (например, 3/8-дюймовое сито) в линии питания.
Можно предположить, что осадительно-фильтрующие центрифуги производят низкую влажность кека в результате избирательной классификации и удаления ультратонких частиц в осадительной секции. Установлено, что осадительно-фильтру-ющие центрифуги сбрасывают около половины частиц класса минус 0,044 мм с главным потоком фугата в осадительной секции. Например, в табл. 1 приведена гранулометрическая характеристика осадительно-фильтрующей центрифуги для крупности менее 1 мм в питании в составе спирально-флотационной схемы. Влажность кека составила 14,4 %. Машина извлекает в кек 88,8 % из общего твердого питания. Однако, машина извлекает фактически 97 % всех частиц размером больше чем 0,044 мм. Уменьшение наблюдается только в ультратонких классах, когда только 58,3 % класса минус 0,044 мм было извлечено в кек.
Таблица 1
Гранулометрический состав продуктов осадительно-фильтруюшей центрифуги
Класс, Питание Кек Фильтрат Извлече-
мм Выхол, % Зольн., % Выхол, % Зольн., % Выхол, % Зольн., % ние твер-лого, %
+ 1 6,5 6,7 7,3 6,5 0,2 7,4 99,7
0,15 х 1 51,0 4,2 57,3 4,2 0,5 4,3 99,9
0,44 х 0,15 16,9 6,7 18,6 6,7 4,0 6,9 97,3
0 х 0,044 25,6 23,2 16,8 18,4 95,3 29,9 58,3
Итого: 100,0 9,6 100,0 7,2 100,0 28,8 88,8
Это необходимый недостаток для осадительно-фильтрую-шей центрифуги [3]. Сброс ультратонких фракций относительно высокой зольности (29,9 %) уносит с собой до 50 % влаги из кека. Поэтому для энергетического угля зачастую лучше сбросить материал ультратонкого размера, что впоследствии не приведет к сушественным потерям из-за экономической нецелесообразности его извлечения [5, 6].
Осадительно-фильтруюшая центрифуга имеет ограничение по двум параметрам по сухому твердому и объемному потоку пульпы, который может быть подан в машину. В табл. 2 показаны рекомендуемые максимальные значения для различного типоразмера машин обычно применяемых в угольной промышленности. Высокая нагрузка по твердому в питании (т/ч) может превысить максимум транспортной производительности шнека. Эта проблема может также ухудшить обезвоживание из-за чрезмерной толшины слоя в фильтруюшей секции. Увеличение потока пульпы (м3/ч) уменьшает время ее нахождения в осади-тельной секции. Обычно, короткое время пребывания из-за чрезмерно высокого питания по объему пульпы увеличивает количество твердого в фугате, увеличивает размер частиц, попавших в фугат, и, соответственно, уменьшает эффективность процесса. Увеличение скорости потока может также увеличить глубину бассейна и в результате привести к большому объему фильтрата, который переливается через край пластин перегородки. Вследствие важности этого параметра, поток пульпы в
Таблица 2
Гранулометрический состав продуктов осадительно-фильтруюшей центрифуги
Типоразмер Производи- Производительность по Потребляе-
центрифуги тельность сухому твердому, т/ч мая мощ-
по пульпе, м3/ч Крупный шлам 0,1 х 1 мм* Тонкий шлам 0 х 0,15 мм** ность, кВт
36 "х 72" (900 X 1800) 90 35-40 20-25 112
Повышенной 90 40-50 25-30 186
производительности
36"х 96" (900 х 1800) 90 35-50 25-28 186
40"х 72"(100 х 1800) 114 45-65 25-30 186
44"х 132"(1100 х 3300) 180 75-80 50-60 298
Повышенной 200 80-100 60-65 373
производительности
* — содержание твердого в питании 35-50 %; ** — содержание твердого в питании 20-25 %.
питании осадительно-фильтруюших центрифуг не должен превышать максимально рекомендованной величины в м3/ч (табл. 2). Объем пульпы питания и нагрузка по твердому регулируются для каждой центрифуги в процессе работы. Нагрузка для оса-дительно-фильтруюшей центрифуги контролируется датчиком крутяшего момента и по показаниям амперметра, который измеряет токовую нагрузку электродвигателя. Датчик крутяшего момента используется для контроля нагрузки по твердому на шнековом механизме. Увеличение показаний крутяшего момента показывает, что больше твердого материала поступает на вход машины. С другой стороны токовая нагрузка на механизме привода показывает превышение нагрузки производимой врашаюшимся механизмом. Повышенное значение тока обусловлено большим объемом питания, поступаюшим в машину, хотя забивание разгрузочных воронок может также увеличивать токовую нагрузку. В случае превышения нагрузки, необходимо производить сброс питания в байпасную линию.
Управление центрифугами производится по показаниям влажности кека, содержанию твердого в главном потоке фуга-та осадительной секции и дренажу фильтруюшей секции. Эти значения могут быть сверены с предыдушими данными собран-
ными ранее и, в результате, можно определять любые проблемы происходяшие с машиной. Увеличение показаний этих параметров говорит о том, что центрифуга может быть затоплена. В некоторых случаях, увеличение содержания твердого в главном потоке фугата показывает, что разгрузочная воронка забилась шламом. Рекомендуется иногда добавлять небольшое количество воды к дренажу сита фильтруюшей секции, чтобы предупредить забивку шламом. Увеличение концентрации твердого (или увеличение в размере частиц) в дренаже сита может показать, что фильтруюшая секция была повреждена и нуждается в ремонте.
Необходимо отметить, что центробежная сила, создаваемая в центрифуге, определяет производительность и влажность ке-ка. Для удобства, центробежная сила обычно представляется в единицах земного гравитационного ускорения отбрасываюшей частицу от центрально осевой линии. Это ускорение может быть вычислено по формуле:
в = (лп/30№/д, (2)
где п — скорость врашения ротора, об/мин; Я — радиус ротора, м; д — ускорение свободного падения, м/с2.
Таким образом, скорость врашения более важна в центробежной силе, чем радиус ротора, так как она имеет более высокую степень зависимости. Так, в угольной промышленности, большие декантируюшие центрифуги производят действие более 600в, которое предполагает скорость врашения между 900 и 1000 об/мин в зависимости от размера машины.
Оба параметра и центробежная сила и время пребывания твердого в центрифуге имеют важное действие на итоговую влажность продукта. Высокая скорость врашения обычно осаждает больше твердого и тянет меньше твердого в фильтрат, т.е. машина делает сброс более тонких по крупности частиц в соответствии с более высоким ускорением. Так как скорость врашения машины может изменять гранулометрическое распределение частиц в обезвоженном кеке, то можно влиять на произведенную влажность кека, если использовать привод с изменяемой скоростью. Однако, в большинстве исполнений для угля, скорость врашения обычно фиксируется при выборе двигателя и размера шкива.
При настройке центрифуги обязательно необходимо производить регулировку глубины бассейна. Уменьшение высоты перегородок в окнах стока фугата осадительной секции уменьшает глубину бассейна, и тем самым уменьшается время пребывания пульпы в роторе. Мелкий бассейн обычно увеличивает количество твердого в фугате и увеличивает крупность частиц в фугате. Увеличение длины пляжа, участка на котором кек выводится из бассейна, способствует уменьшению влажности кека и увеличению уровня крутяшего момента. Не смотря на то, что глубина бассейна не может регулироваться без остановки центрифуги, это важный параметр, изменение которого нуждается в обязательной регулировке. Для максимального сброса фугата необходима небольшая глубина бассейна до 2-х дюймов и менее. Для максимального извлечения твердого, в осадительно-фильтруюшие центрифугах иногда производят установку перегородки, которая увеличивает глубину бассейна до 3,5 дюйма для машины типоразмера 36 "х 72" и до глубины 4,0—4,5 дюйма для типоразмера машины 44" х 132".
Редуктор, используемый для центрифуги, имеет две стадии планетарной передачи. Он закреплен на роторе центрифуги и врашается за счет скорости ротора. Отношение редуктора дает эффект различных скоростей между ротором, ведомым двига-тел ем, и шнеком, ведомым через редуктор. Выпускаемые редукторы имеют отношение 40/1. Это значение, за которое шнек повернется 39 раз на каждые 40 оборотов ротора. Нижнее отношение редуктора обеспечивается высокой дифференциальной скоростью, которая находится как разница в скоростях врашения между внешним ротором и внутренним шнеком. Разница скоростей определяет скорость транспортирования твердого в центрифуге — более высокая дифференциальная скорость быстрее удаляет кек из центрифуги. Скорость транспортировки кека вдоль образуюшей корзины может вычисляться по формуле:
V = N х Р /60, м/с, (3)
где N—дифференциальная скорость, об/мин; Р — шаг шнека, м. Например, ротор врашается со скоростью 900 об/мин и шаг шнека составляет 0,12 м, тогда скорость перемешения будет равна 1,8 м/с. Дифференциальная скорость обычно фиксиру-
ется, она не изменяется и определяется скоростью вращения ротора. Высокая дифференциальная скорость обычно производит более влажный кек из-за малого времени пребывания на пляже и в ситовой секции, уменьшает содержание твердого в фугате из-за малого времени нахождения в роторе. Любое изменение отношения редуктора оказывает классифицирующее действие на гранулометрическое распределение частиц в продуктах центрифуги.
Осадительно-фильтрующие центрифуги характеризуются длительным сроком службы и относительно низкими требованиями к техобслуживанию. Эти преимущества могут больше относиться на счет точного изготовления и использования высококачественных материалов. Все части машины, находящиеся в контакте с углем, футерованы керамикой и карбидом вольфрама.
С 1997 года центрифуги Декантер нашли широкое применение в углеобогащении России. В табл. 3 приведен перечень обогатительных фабрик, на которых компанией СЕТСО установлены эти центрифуги.
Сегодня компания «Decanter Machine, Inc.» силами ООО «Коралайна Инжиниринг» предлагает гарантийное и послегарантийное обслуживание и поставку запасных частей для этого оборудования. С целью ускорения ремонта в России построен специализированный завод «Элемет», расположенный в г. Электрогорске Московской области. На заводе производится послепродажное обслуживание и лицензионный капремонт центрифуг «Декантер», а с 2007 года действует программа обмена выработавших ресурс роторов на восстановленные или новые. В г. Мыски Кемеровской области организован обменный склад запасных частей и сервисный центр, позволяющий оперативно поставлять подменные ротора и запчасти для оборудования обогатительных фабрик Кузбасса.
Заключение
С тех пор как в 1960-х годах были произведены первые в мировой угольной промышленности осадительно-фильтрующие центрифуги, они становятся наиболее распространенными машинами для обезвоживания тонкого угля. За период с 1997 г. по 2011 г. СЕТСО установила на обогатительные фабрики России и Украины, более 40 единиц этого оборудования.
Таблица 3
Перечень мест установки компанией СЕТСО центрифуг «Декантер»
№ Наименование Производитель- Кол-во Год уста- Продукт Влажность
п/п объекта ность, млн т/год центрифуг новки обезвоживания продукта, %
1 ЦОФ «Кузбасская» 6,0 4 1997 Конц-т спиралей + флотоконцентрат 14,0
2 ОФ «Антоновская» 4,5 2 2001 Конц-т спиралей + пески ГЦ 150 13,0
3 ЦОФ «Печорская» 7,0 6 2006 Конц-т спиралей + флотоконцентрат 13,6
4 ОФ «Распадская» 15,0 6 2006, 2008 Конц-т спиралей + пески ГЦ 150 11,0
5 ЦОФ «Северная» (Кемеровская обл.) 3,0 4 2007 Конц-т спиралей + флотоконцентрат 13,0
6 ОФ «Красноарм. — 12,0 6 2007 Конц-т спиралей 11,0
Западная» (Украи-
на)
7 ОФ «Листвянская» 1,5 1 2007 Конц-т спиралей + пески ГЦ 150 13,0
8 ОФ «Бачатская- 3,0 2 2008 Конц-т спиралей 10,0
Коксовая»
9 ОФ «Инаглинская» 3,0 2 2008 Конц-т спиралей + -
(строительство от- флотоконцентрат
лож.)
10 ОФ «Северная» (г. Воркута) 3,0 1 2009 Конц-т спиралей 12,0
Со Окончание табл. 3 о
№ Наименование Производитель- Кол-во Гол уста- Продукт Влажность
п/п объекта ность, млн т/год центрифуг новки обезвоживания продукта, %
11 ОФ «Абашевская» 3,6 1 2009 Конц-т спиралей, шламы 13,0
12 ЦОФ «Щедрухин-ская» 2,0 1 2011 Конц-т спиралей + пески ГЦ 150 12,0
13 ОФ «Красноброд-ская»(идет строительство) 3,0 2 2011 Конц-т спиралей + флотоконцентрат
14 ОФ «Черногорская» (идет строительство) 2,0 1 2011 Пески ГЦ350
15 ОФ «шахты им. Кирова» (идет строительство) 3,9 1 2011 Пески ГЦ 150
Центрифуга «Декантер» заслужила хорошую репутацию в России благодаря высокой надежности, низкой влажности продукта, позволяющего отказаться от термической сушки концентрата, и значительно меньшей себестоимостью обезвоживания шламов, по сравнению с такой конкурирующей технологией, как вакуумная фильтрация.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Parekh B.K. and Matoney J.P. «Mechanic Dewatering», Coal Preparation, 5th Edition, Chapter 8 (Leonard J.W.), Society for Mining, Metallurgy and Exploration, Inc. (SME), Littleton, Colorado, 1991, p.p. 499—580.
2. Gallagher E., Lewis J.E., Post J.J., Swanson A.R., Armstrong L.W. «Dewatering of Fine Coal by Screen-Bowl Centrifuges» / Proceeding 1st Australian Coal Preparation Conference, 1981, Newcastle, Australia, p.p. 135—154.
3. Hart G., Townsend P., Morgan G. and Firth B. «Improving Fine Coal Cen-trifuging — Stage 3»/Australian Coal Association Research Program, Project C9047, 2005.
4. Records A. and Sutherland K. «Decanter Centrifuge Handbook», 1st Ed., El-sivier Science Inc., New York, 2001, p.421.
5. Bethell P.J., 2004. «Froth Flotation — To Deslime or Not to Deslime?», CPSA Journal, Vol.3, No. 1, Spring 2004, p.p.12—15.
6. Bethell P.J. and Lutterell G.H. «Effect of Ultrafine Desliming on Coal Flotation Circuit» Proceedings, centenary of Flotation Symposium, Brisbane, Queensland, Australia, p.1063.
7. W. Schultz, R. Jahnig, R. Bratton, G. Luttrel //Papers of 25-th Annual International Coal Exibition & Conference, Lexington, KY USA, 2008. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Новак Вадим Игоревич — кандидат технических наук, директор, novak@cetco.ru, Козлов Вадим Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, главный технолог, vak@cetco.ru,
Угольный департамент Коралайна Инжиниринг — СЕТСО.
А
