CC BY
0к.т.н. Науменко В. Г.
(ДонНТУ, г. Донецк, ДНР, andiline.mail@gmail.com)
ОБОГАЩЕНИЕ АНТРАЦИТОВЫХ ШЛАМОВ ЛАТЕКСНЫМИ ФЛОКУЛЯНТАМИ
Методом планирования эксперимента разработана и проанализирована регрессионная модель процесса селективной флокуляции антрацитовых шламов бутадиен-стирольным латексом БС-30Ф. Установлено, что зависимость извлечения угольных фракций в концентрат Е от расхода флокулянта носит экспоненциальный характер, а характер зависимостей извлечения Е от интенсивности и времени перемешивания суспензии — экстремальный. В целом антрациты требуют более высоких расходов флокулянта и более интенсивного турбулентного перемешивания на стадии флокуляции, чем каменные угли.
Ключевые слова: антрацитовые шламы, синтетические латексы, селективная флокуляция, планирование эксперимента, регрессионная модель.
УДК 622.7
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Серьезным недостатком традиционной технологии обогащения угольных шламов — пенной флотации — является низкая селективность разделения частиц крупностью менее 50-60 мкм. Их повышенная концентрация в исходном питании приводит к ухудшению флотации как более крупных, так и тонких частиц и как следствие — к значительным потерям органической массы углей с флотоотходами.
Одним из наиболее эффективных путей повышения селективности разделения угольных шламов является внедрение технологии флокуляционно-флотационного обогащения с применением в качестве селективного флокулянта синтетических латексов [1]. Технология прошла широкую лабораторную, а также опытно-промышленную апробацию на ряде углеобогатительных фабрик Донбасса [1, 2]. Однако эти исследования проводились в основном на различных марках каменных коксующихся углей — Г, Ж, К и ОС. В то же время проблема глубокого обогащения тонких классов энергетических углей и антрацитов стоит не менее остро, чем коксующихся. Внедрение технологии флокуля-ционно-флотационного обогащения на антрацитовых шламах позволит существенно снизить зольность топлива, а также расширить сырьевую базу современной теплоэнергетики.
Целью данной работы является изучение закономерностей процесса селективной флокуляции антрацитовых шламов синтетическими латексами.
Объект исследования — технология обогащения угольных шламов.
Предмет исследования — закономерности селективной флокуляции антрацитовых шламов латексным флокулянтом БС-30Ф.
Задачи исследования:
- разработка регрессионной модели процесса селективной флокуляции антрацита флокулянтом БС-30Ф;
- определение характера и степени влияния на процесс селективной флокуля-ции исследуемых параметров.
Методика исследования. Флокуляци-онно-флотационный способ обогащения углей и антрацитов — сложный, многоступенчатый процесс, эффективность которого зависит от целого ряда технологических факторов. Исследования показывают, что наиболее существенными из них являются расход флокулянта (дл), время (гфл) и интенсивность турбулентного перемешивания (Rв или Ифл) на стадии флокуляции. Для оценки характера и степени влияния на процесс указанных параметров было принято решение о разработке статистической модели в виде уравнения регрессии, полученной по результатам активного многофакторного эксперимента.
Науки о земле
При разработке регрессионной модели процесса был реализован центральный композиционный рототабельный план (ЦКРП) для трех факторов. Подобные планы обладают высокими статистическими характеристиками оптимальности и обеспечивают одинаковую точность модели во всех направлениях гиперпространства при минимальном количестве опытов [3]. Априорная информация показала, что линейные модели неадекватны процессу флоку-ляции, поэтому была поставлена задача разработки модели второго порядка в виде полного квадратичного полинома
г = а +ТАХг +
г =1
k k k +1 I АХГ + 1 Ах2,
г =1 ] =г +1 г=1
где Г — целевая функция; Аг, А^, Лц — расчетные коэффициенты модели; k — число факторов.
Объектом флокуляции являлись антрацитовые шламовые воды ЦОФ «Комендантская» с содержанием твердого 150 кг/м3 и зольностью твердой фазы 32 %. В качестве флокулянта применялся латекс БС-30Ф производства Воронежского завода синтетических каучуков. Для повышения точности дозировки латекс разбавлялся водой в соотношении 1:100. После разведения водой рабочая концентрация фло-кулянта составляла 0,5 % основного вещества, латекс обладал достаточной агрега-тивной устойчивостью, о чем свидетельствовало полное отсутствие коагулюма.
Селективная флокуляция шлама осуществлялась в смесителе емкостью 750 см3, оборудованном импеллерной мешалкой с регулируемым приводом. Режим флокуляции Цл, и ПфЛ) задавался в соответствии с планом эксперимента. Отделение сфлокулированно-го продукта от минерализованной суспензии проводилось в камере лабораторной флото-машины типа ФЛ-1 с объемом камеры 750 см3. Режим флотационного разделения во всех экспериментах был постоянным: расход реагента-собирателя (керосина) — 2000 г/т
шлама; расход реагента-вспенивателя («Ок-саль») — 150 г/т шлама; время кондиционирования пульпы с реагентами — 30 с; частота вращения импеллера — 1750 мин-1; удельный расход воздуха — 2 м3/чм2; время флотации — 2 минуты.
Продукты разделения — концентрат и отходы — обезвоживали, высушивали, взвешивали и определяли их зольность по стандартной методике. По полученным данным рассчитывали величину извлечения концен-тратных фракций в концентрат Е по формуле
£ = *(100 - A ),%,
100 - A
где ук — выход концентрата; Adk и Adu — зольность концентрата и исходного шлама соответственно. Величина Е использовалась в данных исследованиях как целевая функция. Разработка и анализ плана осуществлялись с помощью модуля «Планирование эксперимента» программы Statgraphics 5.0 Plus.
Трехфакторный ЦКРП состоял из восьми опытов в ядре матрицы, шести звездных точек и шести опытов в центре плана. Величина звездного плеча а = 1,682.
Факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 1.
Матрица планирования, экспериментальные и расчетные значения извлечения Е в точках плана приведены в таблице 2.
Проверка значимости коэффициентов модели осуществлялась с использованием Парето-карты (см. рис. 1). Вертикальная линия на графике отвечает 95%-ному доверительному интервалу. Как видно, статистически значимыми являются все коэффициенты модели, за исключением А13 и А23, столбчатые диаграммы которых не достигают отмеченной вертикальной линии.
Высокое значение коэффициента детерминации (R2 = 94,85 %) свидетельствует об адекватности полученной регрессионной модели изучаемому процессу. Адекватность модели также подтверждается тем фактом, что р-уровень теста Lack-of-fit (потери согласия модели), равный 0,0674, превышает критическое значение (ркр = 0,05) [4, 5].
Таблица 1
Факторы и уровни их варьирования
Переменные Код переменной Единицы измерения Интервал варьирования Верхний уровень (+) Основной уровень (0) Нижний уровень (-)
Расход латекса Х1 г/т 100 300 200 100
Интенсивность перемешивания Х2 Re 0,6105 3,4105 2,8105 2,2105
Время флокуляции Х3 с 45 135 90 45
Таблица 2
Матрица планирования и результаты экспериментов
№ п/п Х] Х2 Х3 F % -^эксп? /и F % -^расч? 'и
1 —1 -1 -1 87,19 87,62
2 1 -1 -1 89,81 89,83
3 -1 1 -1 86,95 86,58
4 1 1 -1 90,57 90,23
5 -1 -1 1 87,60 87,87
6 1 -1 1 89,10 89,39
7 -1 1 1 86,27 86,18
8 1 1 1 89,64 89,14
9 -1,682 0 0 86,25 86,07
10 1,682 0 0 90,13 90,41
11 0 -1,682 0 89,90 89,26
12 0 1,682 0 87,42 88,16
13 0 0 -1,682 88,72 88,84
14 0 0 1,682 88,15 88,13
15 0 0 0 90,72 90,47
16 0 0 0 90,35 90,47
17 0 0 0 90,97 90,47
18 0 0 0 90,34 90,47
19 0 0 0 90,22 90,47
20 0 0 0 90,25 90,47
С учетом статистической незначимости коэффициентов А13 и А23, уравнение регрессии имеет следующий вид
Е = 90,47 +1,29Щ - 0,325X2 -0,219X3 + +0,359Х1Х2 - 0,789Х12 - 0,623X| - 0,703X|.
На рисунке 2 представлены частные трехмерные сечения поверхности отклика, а также их контурные кривые.
Анализ полученных графиков показывает, что зависимость извлечения Е от расхода флокулянта (Х1) носит экспоненци-
Standardized Pareto Chart for E
A:X1 AA CC BB B:X2 AB C:X3 AC BC
4 8 12
Standardized effect
16
Рисунок 1 Парето-карта коэффициентов модели
0
Науки о земле
альный характер, а характер зависимостей извлечения Е от интенсивности (Х2) и времени (Х3) перемешивания суспензии — экстремальный.
Оптимизация полученного уравнения регрессии средствами того же программного модуля позволила определить координаты экстремума-максимума целевой функции в п-мерном пространстве:
- в кодированных значениях Х1 = 0,84; Х2 = 0,016; Х3 = -0,26;
- в натуральном выражении qл = 285 г/т; Re = 2,81105; Тфл = 78 с.
Точки на графиках контурных кривых (см. рис. 2) соответствуют оптимальным значениям исследуемых параметров.
Предсказанное значение целевой функции в точке экстремума составляет Е = 91,04 %. В результате реализации опыта в точке экстремума получен концентрат с извлечением концентратных фракций в концентрат Е = 91,15 %. Близость экспериментальных и расчетных значений целевой функции в точке экстремума является еще одним подтверждением адекватности полученного уравнения регрессии.
<N
X
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
1-1
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 X1
W
X
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
1-1
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 X1
X
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
1-1
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 X2
Рисунок 2 Частные трехмерные сечения поверхности отклика и их контурные кривые
Выводы и направление дальнейших исследований:
1. Полученное уравнение регрессии адекватно описывает процесс селективной флокуляции антрацитовых шламов синтетическим латексом.
2. В целом следует отметить, что антрациты требуют более высоких расходов флокулянта и более интенсивного турбулентного перемешивания на стадии фло-куляции, чем каменные угли.
Библиографический список
Проведенные исследования по определению характера и степени влияния на процесс флокуляции антрацитовых шламов основных технологических факторов позволили оценить области рациональных значений режимных параметров процесса, что, в свою очередь, дает возможность приступить к этапу опытно-промышленной апробации технологии на обогатительных фабриках Донбасса.
1. HiKimin, I. М. Селективна флокулящя вугтьних шламгв латексами [Текст] /1. М. Hrnimin, П. В. Сергеев, В. С. Бтецький. — Донецьк : ДонДТУ, Cxidnm видавничий diM, 2001. — 152 с.
2. Сергеев, П. В. Селективна флокулящя вугтьних шламiв оргатчними реагентами [Текст] : монографiя / П. В. Сергеев, В. С. Бтецький. — Донецьк : Схiдний видавничий diM, редакщя гiрничоi енциклопедп, 2010. — 240 с.
3. Сергеев, П. В. Комп'ютерне моделювання mехнологiчних процеЫв переробки корисних копалин [Текст] : практикум /П. В. Сергеев, В. С. Бтецький. — Марiуполь : Схiдний видавничий diM, 2016. — 119 с.
4. Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / В. Дюк. — СПб. : Питер, 1997. — 240 с.
© Науменко В. Г.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. СЗПСиГДонНТУ Борщевским С. В.,
к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А.
Статья поступила в редакцию 02.03.20.
PhD in Engineering Naumenko V. G. (DonNTU, Donetsk, DPR, andiline.mail@gmail.com) ENRICHMENT OF ANTHRACITE SLURRIES WITH LATEX FLOCCULANTS
A regression model of selective flocculation of anthracite slurries with BS-30F butadiene-styrene latex was developed and analyzed using the experimental planning method. There has been determined that the dependence of extraction of coal fractions in the concentrate E from the flocculant consumption is of exponential nature, and the nature of the dependency extraction E from intensity and suspension mixing time is extreme. In general, anthracites require higher flocculant consumption and more intensive turbulent mixing at the flocculation stage than coal.
Key words: anthracite slurries, synthetic latexes, selective flocculation, experiment planning, regression model.
