Оперативный технологический менеджмент в углеобогащении на основе теоремы Рейнхардта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© П.И. Пилов, И.И. Чумачснко, 2007

УДК 622.7

П.И. Пилов, И.И. Чумаченко

ОПЕРАТИВНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕНЕДЖМЕНТ В УГЛЕОБОГАЩЕНИИ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕМЫ РЕЙНХАРДТА

Семинар № 25

При обогащении каменных углей и антрацитов актуальной является задача выбора технологических режимов, обеспечивающих максимальный выход концентрата с заданной зольностью.

Решение этой задачи обеспечивается составлением шихты, формируемой из рядовых углей, поступающих из различных шахт и добычных участков и выбором граничной плотности при раздельном гравитационном обогащении каждого машинного класса, т.е. класса крупности, выделенного из шихты путем грохочения.

Фракционные составы машинных классов различаются как по содержанию фракций плотности, так и по зольности, что осложняет задачу поиска технологического режима, обеспечивающего максимальный выход суммарного концентрата.

При произвольном выборе значений граничной плотности (плотности разделения) из каждого машинного класса можно получать концентраты, соединение которых даст суммарный концентрат с заданной зольностью, но его выход не будет максимальным.

В соответствии с теоремой Рейнхардта [1] (правилом максимального выхода) максимальный выход суммарного концентрата с заданной зольностью при раздельном обогащении каменных углей или машинных классов,

полученных из шихты, достигается при одинаковой зольности элементарных слоев границы разделения.

Для использования теоремы Рейнхардта применяется графоаналитический метод, сущность которого состоит в следующем. Для каждого машинного класса и суммарного класса производится построение кривых обогатимости в соответствии с ГОСТ 4990-80.

Исходя из теоретической зольности суммарного концентрата, с помощью кривых обогатимости определяется зольность элементарной фракции, что соответствует границе разделения для всех машинных классов.

Теоретическая зольность суммарного концентрата должна быть ниже требуемой на величину, определяемую согласно ГОСТ 4990-80 категорией обогатимости, зависящей от содержания промежуточных фракций плотностью 1400-1800 кг/м в беспородной массе угля.

Используя найденную величину элементарной зольности, с помощью кривых обогатимости для каждого машинного класса определяются соответствующие плотности разделения, при которых достигается максимальный выход концентрата при заданной его зольности.

Очевидными недостатками такого метода является его трудоемкость и

низкая точность определения плотностей разделения из-за использования графического метода.

Трудоемкость метода является существенным препятствием для его оперативного применения. А необходимость в этом становится все более актуальной, поскольку реальная шихта, поступающая в технологический процесс углеобогащения, по сути, является ситуативной. Ее гранулометрический и фракционный составы определяются долевыми участиями углей, поступающих с шахт-постав-щиков и с добычных участков. При этом наблюдается высокая динамика изменения объемов поставляемых углей и их качества, что связано как с графиком ведения горных работ, так и с графиком транспортных поставок, а также с наличием усреднительных устройств на обогатительной фабрике и их мощностью. Из изложенного следует необходимость в постоянном технологическом менеджменте и выполнении расчетов по корректировке технологического режима по нескольку раз в сутки.

При использовании существующих методик и техники опробования, до начала процесса переработки поступившего угля экспресс-оценка его качества сводится лишь к определению зольности, влажности и, в отдельных случаях, гранулометрического состава, что является недостаточным для эффективного технологического менеджмента. Более точное опробование требует значительных материальных издержек и времени, что в условиях динамики поступления сырья на обогатительную фабрику неприемлемо, т.к. информация, полученная в результате опробования, поступает уже после обогащения данной партии сырья.

Современные информационные технологии и вычислительная техника

позволяют в короткое время производить большой объем расчетов и позволяют решить изложенные выше проблемы, сократить потери угля с отходами обогатительных фабрик, выбирать режимы, позволяющие при переработке данного сырья получать максимально возможную в данных условиях прибыль.

Стандартные кривые обогатимости каменного угля включают графики функций:

- суммарного выхода фракций с плотностью менее рассматриваемой от зольности элементарных фракций

у(Лае ) - кривая элементарных фракций;

- суммарного выхода фракций от их зольности у(Ллк ) - кривая концентрата;

- суммарного выхода фракций от максимальной плотности /($)-

кривая плотностей;

- суммарного выхода фракций с плотностью более рассматриваемой

от их зольности уп (Ллп ) - кривая породы.

Сопоставление функций у( Лле ) и у(д) приводит к выводу о наличии взаимосвязи Лле (5~) . Эта зависимость

известна [2] и имеет линейных характер.

Зольность фракций различна - для угля она равна внутренней зольности, обусловленной минерализацией

угольного вещества. Иначе эта зольность называется материнской и колеблется в пределах 3-15 %. Зольность промежуточных фракций составляет 25-45 % и определяется степенью насыщенности угля примесями вмещающих пород и продуктов их деструкции. Зольность сростков зависит

от доли компонентов в них и их зольности и, в принципе может колебаться от зольности чистых угольных фракций до зольности породы. Зольность угольной породы колеблется в довольно широких пределах: от 70 до 92 % и обусловлена степенью ее насыщения органическими веществами контактирующих с нею угольных пачек.

Внутренняя зольность зависит от соотношения органической массы углей и минеральных примесей, имеющих зольность Лл , Лл и плотность

орг ’ мин

5 , 5 . Принимая долю органиче-

орг ’ мин 1 1

ской массы во фракции плотности р, составим уравнение баланса и для средневзвешенной плотности фракции, приходим к системе уравнений:

Лй = рЛй +(1 -р)Ал ]

е г орг \ г / мин I (1)

5 = р5 + (1 - р) 5 |

г орг \ т/ мин

Ее решение дает теоретическую зависимость зольности элементарной фракции от ее плотности:

Лл — Лл

Лл =—-------о^5 + Лл . (2)

е 5-5 орг

ми орг

Действительная плотность компонентов каменных углей и их примесей зависит от условий углефикации и степени метаморфизма. Анализ данных [2] показывает, что определение таких показателей, как зольность и плотность органической массы для конкретного угля в процессе его переработки на обогатительной фабрике, затруднительно. Что касается плотности минеральных примесей, то следует учитывать то, что они имеют иной состав, чем те, которые содержатся в угольной породе. Довольно сложный состав угольной породы вызывает большие затруднения при определении ее средней плотности.

Однако для установления зависимости зольности элементарных фракций от их плотности можно использовать информацию, имеющуюся во фракционных составах, выполняемых в соответствии со стандартом.

При этом следует учитывать, что при производстве фракционного анализа определяется средняя зольность фракции, плотность которой изменяется в пределах 5г-1-5г-. К тому же плотность фракций фактически является кажущейся, поскольку уголь имеет определенную пористость.

В теоретической зависимости, приведенной выше имеет место отношение плотности фракции к разности плотности минеральных примесей и органической массы, поэтому поправки, определяющие переход от кажущейся плотности к истинной сокращаются.

Для подтверждения высказанных предположений определены зависимости зольности элементарных фракций от их плотности по данным фракционных составов углей из различных лав шахты «Красноармейская Западная №1» (нумерация лав условная) и приведены в табл.1.

Исходя из линейной зависимости зольности элементарных фракций от плотности Лле (5) , угловой коэффи-

Лл — Лл

ми орг

циент к =---------— в уравнении (2),

5ми - 5орг

ми орг

может быть определен для любого участка. Поэтому при расчете зависимостей (табл. 1) учитывался диапазон, включающий только угольные и промежуточные фракции, поскольку для породных фракций точно определить среднюю зольность затруднительно.

Анализ данных, приведенных в табл. 1, подтверждает линейную зависимость зольности элементарных

387

Таблица 1

Определение зависимости зольности фракций каменного угля, добываемого шахтой «Красноармейская Западная №1», от их плотности

Класс +13 мм Класс 1-13 мм Класс +1 мм

Зависимость зольности фракций А*, % от их плотности б, г/см3 и достоверность аппроксимации Я2

Лава 1

Ай = 95,6045 - 111,44 Ай = 93,8075 - 108,62 Ай = 93,8075 - 108,62

Я2 = 0,9906 Я2 = 0,9934 Я2 = 0,9934

Лава 2

Ай = 91,9625 - 113,03 Ай = 76,4995 - 91,95 Ай = 76,4995 - 91,95

Я2 = 0,9822 Я2 = 0,9806 Я2 = 0,9806

Лава 3

Ай = 90,9135 - 109,27 Ай = 85,825 - 102,52 Ай = 88,5535 - 106,11

Я2 = 0,9932 Я2 = 0,9909 Я2 = 0,9926

Лава 4

Ай = 88,5455 - 104,36 Ай = 88,1335 - 103,81 Ай = 88,3685 - 104,14

Я2 = 0,997 Я2 = 0,9985 Я2 = 0,9978

Лава 5

Ай = 83,2655 - 95,971 Ай = 81,485 - 92,748 Ай = 82,4495 - 94,429

Я2 = 0,987 Я2 = 0,9818 Я2 = 0,9864

Лава 6

Ай = 87,0665 - 101,81 Ай = 86,0065 - 100,29 Ай = 86,8555 - 101,53

Я2 = 0,9876 Я2 = 0,9965 Я2 = 0,9923

Лава 7

Ай = 83,795 - 101,57 Ай = 80,7735 - 94,207 Ай = 85,5585 - 102,82

Я2 = 0,9795 Я2 = 0,9739 Я2 = 0,977

Лава 8

Ай = 66,0865 - 78,036 Ай = 72,0095 - 83,601 Ай = 70,3075 - 82,298

Я2 = 0,9947 Я2 = 0,9783 Я2 = 0,9847

Лава 9

Ай = 90,4285 - 105,93 Ай = 84,0745 - 95,884 Ай = 87,425 - 101,29

Я2 = 0,9722 Я2 = 0,9739 Я2 = 0,9744

фракций от их плотности и показывает тесную корреляционную связь этих параметров.

Учитывая изложенное, уравнение (2) может быть представлено в виде:

А = к (55) + А

Ай - Ай

■“^шах ■‘^шіі

(3)

где к =

о о ; АШах , АШи - МаКСИ"

0тах - от

шах тій

мальная зольность промежуточной фракции и минимальная зольность угольной фракции; 8^,8^ - их плотность.

Из формулы (3) следует зависимость плотности элементарной фракции от ее плотности:

лЛ _ лЛ

8= -е----т^ + 5 . .

(4)

Таким образом, задача определения технологического режима сводится к определению плотности разделения для каждого машинного класса с помощью формулы (4). Однако для этого необходимо знать зольность элементарной фракции разделения, которая может быть рассчитана по формуле (3) если знать плотность разделения, при которой из суммарного машинного класса получается концентрат с заданной зольностью. Эту плотность нетрудно отыскать при использовании кусочно-линейной аппроксимации функций у(Аак ) (кривой

концентрата) и у (5) (кривой плотности):

А“1 - Ал

Ай - А

г (5,-5-,) + 5-п

(5)

1-1

лй лй лй

где Ак,А__х,А , соответственно, теоретическая зольность концентрата и зольности, соответствующие плотности 8_1 начала отрезка кривой у( А. ) и его конца 8 , в пределах которого

находится теоретическая зольность концентрата.

Для пояснения применения предложенной методики определения технологического режима углеобогащения, основанной на теореме Рейнхардта, рассмотрим следующий пример.

Пусть задан фракционный состав машинных классов (табл. 2). В колонке 1 показан диапазон изменения плотности фракций, в колонке 2 -средняя плотность фракций, как среднее арифметическое значений диапазона. Для фракции плотностью <1,3 кг/дм3 минимальное значение плотности принято для угля марки «Г», т.е. 1,23 кг/дм3, максимальная плотность породных фракций соответствует 2,6 кг/дм3. Выхода фракций плотности у указаны от шихты.

Примем теоретическую зольность суммарного концентрата 7,5 %. Из табл. 2 (колонка 10) следует, что плотность разделения для его получения находится в пределах 1,5-1,6 кг/дм3. Поэтому для суммарного класса в соответствии с формулой (5) при этом она составит:

<, 7,5 _ 6,84 , ч

8, =—----------(1,6 _ 1,5) +1,5 =

к 7,99 _ 6,84

= 1,457 кг/дм3.

Для суммарного и каждого машинного класса находим коэффициенты в уравнении (3) зависимости зольности элементарных фракций от их плотности:

- для суммарного класса при подстановке максимальной и минимальной зольности беспородной массы из колонки 8 и средних значений плотности соответствующих этим зольностям фракций из колонки 2

к =

АШах - АШіи _ 38,78 -5,81

5шах -5ш

1,7 -1,27

= 76,67;

389

Таблица 2

Фракционный состав машинных классов каменного угля

Плот- ность фракций, кг/дм3 8 , кг/дм3 Класс +13 мм Класс 0,5-13 мм Суммарный класс Суммарно для вплывших фракций

Г, % А1, % Г, % А1, % Г, % А1, % Г, % А1, %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

<1,3 1,27 5,47 3,6 41,35 6,1 46,82 5,81 46,82 5,81

1,3-1,4 1,35 2,71 9,9 7,32 12,3 10,03 11,65 56,85 6,84

1,4-1,5 1,45 2,59 18,9 2,93 20,7 5,52 19,86 62,37 7,99

1,5-1,6 1,55 0,69 27,1 1,39 29,4 2,08 28,64 64,45 8,66

1,6-1,8 1,7 0,95 35,2 1,41 41,2 2,36 38,78 66,81 9,72

>1,8 2,2 7,11 69,3 16,70 82,2 23,81 78,35 90,62 27,75

Итого 19,52 32,80 71,10 26,37 90,62 27,75

Шлам 9,38 33,7

Всего 100 28,31

- для класса при подстановке максимальной и минимальной зольности беспородной массы из колонки 4 +13 мм

к = 35,2 ~ 3,6 = 73,49;

1.7 -1,27

для класса 0,5-13 мм при подстановке максимальной и минимальной зольности беспородной массы из колонки 6

к = 41,2 - 6,1 = 81,63.

1.7 -1,27

С помощью формулы (3) находим зольность элементарной фракции разделения:

А = 73,49 -(1,457 -1,27) + 5,81 = 20,18.

Подстановка полученного значения в формулу (4) при соответствующих значениях минимальной зольности угольных фракций и коэффициента к для каждого из машинных классов, получаем плотности разделения, обеспечивающие максимальное значение выхода суммарного концентрата с зольностью 7,5 %:

- для класса +13 мм

20,18 - 3,6 Л ЛГЛГ I 3

8 =------------+1,27 = 1,496 кг/м ;

73,49

- для класса 0,5-13 мм

_ 20,18 - 6,1 , . 3 8 =-------------+1,27 = 1,442 кг/м .

81,63

Таким образом, определение технологического режима осуществлено с помощью нетрудоемкого расчета без построения кривых обогатимости. Преимущество предложенной методики состоит в существенном сокращении времени, что дает возможность более эффективно осуществлять технологический менеджмент, базируясь на информации о гранулометрических и фракционных составах углей шахт-поставщиков рядового угля и объемах его поступления. При этом отпадает необходимость в обязательном измерении зольности исходного угля, поскольку для расчета рационального технологического режима достаточно знать информацию о зольности и содержании беспородных фракций, распределение которых является специфичным для угля в независимости от объема присечки вмещающих пород при добыче.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Артюшин С. П. Проектирование углеобогатительных фабрик. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. М.: Недра, 1974, 200 с.

2. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С. Благова, А.М. Коткина, Ё.С. Зарубина. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Недра, 1984, 614 с. ШИЗ

— Коротко об авторах---------------------------------------------------------------

Пилов Петр Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой обогащения полезных ископаемых, первый проректор Национального горного университета, г. Днепропетровск,

Чумаченко Игорь Иванович - директор ЦОФ «Чумаковская», г. Донецк.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 25 симпозиума «Неделя горняка-2006». Рецензент проф. В.А. Горбатов.