CC BY
29
УДК 622.3
А.Б.НЕЗАМЕТДИНОВ
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
ГИДРАВЛИЧЕКАЯ КРУПНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
В угольных частицах после дробления на различном оборудовании выделены формы игл, кубов, пластин, параллелепипедов и пирамид.
После анализа исследований определения скорости стесненного падения различных по форме частиц в воде (гидравлической крупности) предложены зависимости, учитывающие плотность гетерогенной несущей фазы, эффективную вязкость воды, содержащей шлам угля в различном количестве, эквивалентный диаметр и кажущуюся плотность сухого угля при фактической зольности и средней общей влаге.
Having accounted coal particles after fragmentation on different equipment, particles in the form of needles, cubes, plates, blocks and pyramids were distinguished.
After the analysis of the research to define the speed hindered falling of particles of different forms in water (hydraulic fineness) there have been proposed dependencies considering the density of the heterogeneous carrier phase, effective viscosity of water containing coal mud in different quantity, equivalent diameter for different forms of coal particles and the seeming density of dry coal at a specific ash content and average humidity.
После дробления угля его частицы принимают форму игл, кубов, пластин, параллелепипедов и пирамид [5]. Скорость относительного движения этих взвешенных в потоке частиц не сильно отличается от условий свободного падения в спокойной
жидкости со скоростями:
Vе
к
iäö
V
■ieö
которые называют гидравличе-
скими крупностями соответствующих частиц.
Исследованиям, направленным на изучение минеральных частиц различной формы, посвящены работы Риттингера, Стокса, Аллена, Ричардса, Монроэ, В.М.Маккавеева, М.А.Великанова, П.В.Лященко и др.
В их работах часто рассматриваются режимы транспортирования потоками текучего частиц шарообразной формы.
Минеральные частицы, подвергающиеся процессам обогащения и транспортирования, не имеют правильной шарообразной формы, поэтому зависимости предложенные, например, Стоксом для определения скорости их падения, можно применить в узком диапазоне числа Рейнольдса, к малому числу частиц гранулометрического состава водоугольной суспензии.
64 -
Для некоторых минералов П.В.Лященко выделил зерна неправильной формы: для касситерита продолговатые, угловатые, полукруглые, для магнетита угловатые, продольные, для золота пластинчатые, продолговатые, окатанные и предложил зависимости для определения гидравлической крупности, учитывающие форму зерна минерала,
Re ц
V =
d yP
(1)
yf w
где У0 - конечная скорость падения зерна (гидравлическая крупность); Re - критерий Рейнольдса; ц = 0,01 - динамический коэффициент вязкости воды; р^ - плотность воды; dэ - эквивалентный диаметр зерна.
Эмпирические формулы для конечных скоростей падения минеральных зерен и пределы их применения приведены в табл. 1.
В табл.1:
A =
1
p-p
; B =
1
f
p w
p-p
p
4
A 7 7
(2)
w j
где и- кинематический коэффициент вязкости воды; р - плотность минерального зерна.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178
W
Таблица 1
Зависимость гидравлической крупности от формы зерен
Форма зерен Пределы значения Re
От 2000 до 500 От 500 до 100
Пластинчатые У0 = 227А У0 = 14,385
Продолговатые ¥0 = 33,4А У0 = 21,215
Угловатые У0 = 35,8А У0 = 23,965
Округлые У0 = 42,2А У0 = 28,035
Движение минеральных частиц происходит в ограниченном пространстве, поэтому движение каждой из них резко нарушает влияние других одновременно движущихся частиц, вместе с тем сама среда (вода, флюид) испытывает динамическое действие каждой из частиц в отдельности и массы в целом. Это явление характеризуется условиями стесненного падения.
Значение коэффициента сопротивления свободного падения частицы у для одного и того же числа Рейнольдса будут весьма характерны для каждой формы зерна (табл.2).
Таблица 2
Зависимости между параметрами Re и у [4]
Форма зерен Пределы значения Re
От 2000 до 500 От 500 до 100
Пластинчатая Продолговатая Угловатая Округленная у = 1 0,29л ч/ке 0,21л № 1 1,54л 0,78л 0,63л 2 1 3 ^
П.В.Лященко предлагает эмпирическую формулу [4] скорости стесненного падения частицы:
У™ = У,^ = кг0,
(3)
где 9 - степень разрыхленности взвеси; п1 - показатель степени, который изменяется от 6 до 7,6; kv - коэффициент снижения скорости.
Коэффициент разрыхления при полной сплоченности зерен
90 =
У-У1 У
(4)
где у - удельный вес минерала; у1 - насыпной вес минерала.
Насыпной вес угля определяется объемным весом угольных частиц и степенью заполнения объема этими частицами [1]
У1 =СЖ0,
(5)
где у1 - насыпной вес дробленого угля; С -степень заполнения (часть объема емкости,
занятая угольными частицами); Ж0 - объемный вес угольных частиц.
Например, насыпной вес угольной смеси, загруженный в камеры коксовых печей, неодинаков и в среднем колеблется от 0,7 до 0,85 т/м3.
Степень заполнения объема угольными частицами зависит от многих факторов: количества и состояния влаги в угле, его ситового состава, степени метаморфизма и окисления угля и т.п.
Исследование влияния влажности угля на величину его насыпного веса показало, что он имеет минимальное значение при содержании влаги 6-10 % [1]. Влажность угля, соответствующая минимальному насыпному весу, меняется в зависимости от ситового состава угля.
М.П.Лонская [3] подразделяет воду в антрацитах и каменных углях на две категории - связанную и свободную. Первая находится у поверхности твердой фазы под воздействием абсорбционных сил. Связанная вода обладает рядом свойств, отличных от свойств обыкновенной воды. Плотность связанной воды у антрацитов доходит до 3, а у испытанных образцов каменных углей составляет 1,48-2,25 г/см3.
Эксперименты с различными углями показали, что наибольший насыпной вес получится при наличии приблизительно равных количеств зерен крупного, среднего и мелкого классов.
Большая или меньшая степень гидро-фобности зависит прежде всего от химической природы углей. Гидрофобные свойства значительно слабее представлены в газовых
и длиннопламенных углях, с одной стороны, в антрацитах и тощих углях, с другой. Это можно оценить по эмпирической формуле, выражающей зависимость увеличения насыпного веса от его элементарного состава:
Н Г к
Ау, = т--ь| п--
1 О I О + N
С,
(6)
где Ау1 - увеличение насыпного веса угля, %; Н, О, N, С - соответственно содержание в угле водорода, кислорода, азота и углерода, %; т, п, к - константы, п = 0,07, т = 0,2, к = 9,0.
Результаты расчетов по уравнению (6) показывают, что максимальное повышение насыпного веса соответствует выходу летучих на горючую массу от 22 до 24 %.
Изменение насыпного веса углей при окислении определяется изменением их удельного веса, ситового состава и плотности упаковки частиц. Первый из этих факторов приводит к увеличению насыпного веса, а последние - к уменьшению.
После 72 ч окисления сухого угля наблюдается увеличение насыпного веса угля на 8,5-10,6 %. После 10 сут. окисления содержание кислорода в угольной смеси увеличивается с 5,76 до 12,92 % (табл.3).
Таблица 3
Влияние времени окисления сухого угля на его химический состав
Проба Химический элемент
№ Sг Сг Нг Ог
До окисления 1,75 0,46 86,67 5,34 5,76
После 3 суток окисления 1,84 0,44 83,18 5,09 9,45
После 5 суток окисления 1,80 0,45 82,22 4,66 10,87
После 10 суток окисления 1,79 0,46 80,10 4,73 12,92
Плотность воды для транспортирования изменяется в зависимости от температуры, солевого состава и содержания в ней твердых частиц угля [6]. Плотность химически чистой воды при температуре от 273 до 373 К имеет значения от 999,9 до 958,4 кг/м3. Вода, применяемая в качестве несущей среды при транспортировании и на углеобогатительных фабриках [6], всегда содержит некоторое количество солей.
Плотность воды в зависимости от содержания солей (на примере поваренной соли) изменяется следующим образом: при содержании соли 1; 15; 30; 45; 59; 75 г/л или 0,1; 1,5; 2,9; 4,3; 5,6; 7,0 % плотность 1000; 1010; 1020; 1030; 1040; 1050 кг/м3.
Зависимость плотности воды, загрязненной шламом угля, от содержания твердого, показана в табл.4.
Жесткость воды - свойство, обусловленное присутствием в ней растворенных солей кальция Са(НС03)2 и магния
Mg(HCOз)2. Зная массу ионов кальция Са2+ и Mg2 + в 1 кг воды, определяют ее жесткость по формуле
т1Са2+ m2Mg
Ж =
2+
40,08
+ -
24,32
(7)
где т1 и т2 - масса ионов кальция и магния в 1 кг воды, мг/кг; 40,08 и 24,32 - молярная масса ионов кальция и магния, мг/ммоль.
Воду классифицируют по концентрации водородных ионов рН. Показатель рН менее 4,5 - вода очень кислая, 4,5-6 - слабокислая, 6-8 - почти нейтральная, 8-10 - слабощелочная, более 10 - сильнощелочная.
Таблица 4
Плотность воды, загрязненной шламом угля
Содержание твердой среды в воде, г/л Плотность воды при плотности шлама, кг/м3
1350 1400 1450 1500 1550 1600 2200 2300 2400
50 1012 1014 1016 1018 1019 1021 1042 1046 1050
100 1025 1029 1033 1036 1040 1044 1087 1094 1102
200 1049 1055 1063 1070 1077 1084 1168 1182 1196
300 1075 1086 1097 1108 1118 1129 1258 1279 1301
400 1100 1114 1128 1142 1156 1171 1342 1370 1398
500 1125 1143 1161 1179 1197 1214 1429 1465 1501
600 1150 1172 1194 1215 1237 1258 1516 1559 1602
Кроме того, вода загрязняется в результате выщелачивания из угля минеральных компонентов.
Минерализация воды Мпри контактах с окисленным и неокисленным углем, породой и пиритом характеризуется данными табл.5.
Таблица 5
Зависимость минерализации воды от времени контакта с водой
Наименование продукта Время контакта с водой, ч рН среды Минерализация М^, мг/л
В начале контакта В конце контакта
Уголь
окисленный 6-12 3-6,2 7,0-7,2 222-899
неокисленный 1-60 - - 504-540
Порода
почвы 6-12 3-11 6,9-7,2 120-285
кровли 3-12 3-11 7,0-7,2 150-312
Пирит 3-12 3-11 6,5-7,1 865-2128
Кислая среда способствует растворению минеральных примесей.
О степени химического загрязнения воды судят по ее жесткости, концентрации водородных ионов рН и электропроводности. Электропроводность свежей технической и оборотной воды обогатительных фабрик колеблется в пределах от 405 до 5614 мкСм.
Вязкостные свойства воды, содержащей соли, загрязненной шламом угля, определяются эффективной вязкостью, которая в значительной степени зависит от крупности твердых частиц, содержащихся в воде (табл.6).
Таблица 6
Эффективная вязкость (10-3, Па-с) воды при различной крупности шлама
Содержание твердой среды в воде, г/л Крупность твердых частиц, мм
Менее 1 Менее 0,25 Менее 0,075 Менее 0,045
0 1,140 1,140 1,140 1,140
100 1,208 1,204 1,208 1,211
200 1,275 1,280 1,308 1,295
300 1,321 1,339 1,428 1,429
400 1,434 1,458 1,607 1,613
500 1,614 1,720 1,955 2,114
600 1,704 2,477 2,955 3,396
Скорость осаждения частиц шлама в воде, содержащей 250 г/л твердого, по сравнению со скоростью осаждения шлама в чистой воде уменьшается в 3-3,5 раза при крупности осаждающихся частиц 12550 мкм и в 4-10 раз при крупности частиц 50-12 мкм [7].
В работе [8] указан предел объемной концентрации, равный 2 %, выше которого начинается взаимодействие между частицами твердого в потоке.
В работе [9] утверждается, что при объемной концентрации твердых частиц более 5 % происходит стесненное осаждение частиц так, что конечная скорость не может рассчитываться по закону Стокса.
Ричардс исследовал падение неправильных минеральных зерен в воде и нашел, например, что зерна одинакового диаметра одного и того же вещества падают с разной скоростью, а относительная разность скоростей тем больше, чем меньше частицы и чем меньше их удельный вес (табл.7-9).
Таблица 7
Зависимость скорости падения зерен от их размеров
Минерал Удельный вес, т/м3 Размер зерен, мм Скорость, мм/с
% тах % тт
Антрацит 1,47 1,85 95,1 35,1
1,47 0,5 41,4 10,5
1,47 0,12 9,8 1,1
В работе [4] предлагается зависимость для определения скорости стесненного падения частиц в воде
V,
(8)
где 6 - степень разрыхленности взвеси.
Коэффициент сопротивления стесненного падения частицы [4] определяется по формуле
>6 ,
V йб =
66
(9)
где у- коэффициент сопротивления свободного падения частицы.
Коэффициент разрыхления взвеси 6 есть функция восходящей струи потока.
Таблица 8
Зависимость коэффициента сопротивления от размера зерен
Минерал Размер зерен, мм V), см/с V*, см/с 0 V-1 по 0 Уст
Уголь марки Г 0,59 16,95 3,62 0,63 0,214 V Упо=06
0,59 16,95 3,76 0,63 0,222
0,156 6,92 0,83 0,62 0,1195 _ у уп0 07,6
0,156 6,92 1,01 0,63 0,146
Таблица 9
Зависимость у от Re для различных форм минеральных зерен
Форма зерен У Re Уст У Re Уст
Пластинчатые 2 40 У 1,0 450 У
Продолговатые 0,8 100 06 0,45 2000 07,6
Угловатые 0,62 90 0,36 2000
Округлые 0,5 90 0,28 3500
Полукруглые 0,3 1600 0,28 3200
Эмпирические формулы для конечных скоростей падения минеральных зерен, предложенные П.В.Лященко, для угольных пластин можно представить, если учесть [7-9]: для Re от 2000 до 500
V? _ П
1
Рб -Р
Pi
для Re от 500 до 100
VT =
^рб - Pi®
т/ц
i® V Pi® J
J
где р 6 - кажущаяся плотность сухого угля
при фактической зольности и средней общей влаге [2]; р1ж - плотность гетерогенной несущей фазы (плотность воды, загрязненной шламом угля) в зависимости от содержания твердой фазы в воде (см. табл.4);
- эквивалентный диаметр для твердых частиц угля в виде пластин стандартной
фракции, мм; cj и - постоянные коэффициенты,
d6 = 3
6аап
п
а - толщина, в - длина, с - ширина пластины, мм.
Кинематический коэффициент вязкости несущей фазы
и.
1Ж '
Р.®
где - эффективная вязкость (см. табл.6) воды при различной крупности шлама в зависимости от содержания твердой фазы в воде, г/л.
Для зерен угля другой формы (параллелепипедов и кубов), учитывая их геометрическое строение, можно аналогично получить эквивалентные диаметры и конечные скорости падения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агроскин А.А. Физические свойства углей. М.: Гос. научн.-технич. изд-во лит. по черной и цветной металлургии, 1961. 308 с.
2. ГОСТ 2160-92 Топливо твердое минеральное, методы определения плотности. М.: Изд-во стандартов, 1992.
3. Лонская М.П. К вопросу распределения влаги в антрацитах и каменных углях // Химия твердых топлив. 1937. T.VIII. Вып.7. С.604-611.
4. Лященко П.В. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1940.
5. Незаметдинов А.Б. Особенности подготовки угля перед гидротранспортированием на дальние расстояния / А.Б.Незаметдинов, В.Г.Ластов // Обогащение руд. 2001№ 6. 31-34 с.
6. Самылин Н.А. Водовоздушное хозяйство углеобогатительных фабрик / Н.А.Самылин, В.С.Бутовецкий. М.: Недра, 1982. 197 с.
7. Справочник по обогащению угля / И.С.Благов, А.М.Коткина, Л.С.Зарубин и др. М.: Недра, 1984. 614 с.
8. SteinourH.H., Ind. Eng. Chem., 36, 618, 840, 901, 1944.
9. Caus B.H. Proceedings of Symposim on Interaction between Fluids and Particles / B.H.Caus, R.P.Boardman // Inst. of Chem. Engrs, Lnd., 1962, p.17.
4
1
