CC BY
4УДК 622.23.05 A.V. Chechevichkin, V.V. Samonin
А.В. Чечевичкин1, В.В. Самонин2
OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE CRUSHING PROCESS FOR CLINOPTILOLITE ROCKS IN PREPARATION OF SORPTION-CATALYTIC MATERIALS
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: samonin@lti-gti.ru
Possibilities of effective crushing of clinoptilolite rocks for obtaining a commercial product with the fractional composition in the range 0.25 - 5.0 mm employing various crushers and their combinations are considered. It is shown that the repeated run of the rock through the crusher does not lead to increase in the yield of commercial fraction. It is established that the greatest yield results when a roll crusher is used and also in the case of a successive crushing by a jaw and vibration-conical crusher. The initial size of the raw material must correlate with the gap between the mobile and immobile parts of the crusher.
Keywords: clinoptilolite, zeolite, crusher, fraction, jaw, roll, conical, grinding, crushing
Природные цеолиты, и в том числе клиноптило-лит (КП), находят широкое применение в промышленных процессах очистки воды и технологических растворов от различных загрязнителей [1-5], как в виде измельченных природных ионообменно-фильтрационных продуктов, так и химически модифицированных [6, 7], например, МПО2-сорбционно-каталитических материалов [8-10].
КП породы с содержанием цеолитовой фазы не менее 50-70 мас. % перерабатывают в товарный продукт в виде зернистых материалов определенного фракционного состава. Для использования в сорбционно-ионооб-менных процессах в динамических колонных аппаратах используют материалы с размером частиц 1,2^3,0 мм и 3,0^5,0 мм, а для снаряжения скорых песчаных фильтров - 0,25^0,8 мм и 0,8^1,2 мм [11, 12]. Получение таких мелких (0,25^1,2 мм) и крупных (1,2^5,0 мм) товарных фракций является крайне важной задачей, поскольку связано с экономией сырья и затрат на его переработку, что, в конечном счёте, определяет цену готового продукта.
В связи с этим, особое значение приобретают процессы измельчения исходных КП содержащих пород, в особенности, выбор оборудования, позволяющего полу-
ОПТИМИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
КЛИНОПТИЛОЛИТОВЫХ
ПОРОД ПРИ ПОЛУЧЕНИИ
СОРБЦИОННО-
КАТАЛИТИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: samonin@lti-gti.ru
Рассмотрены возможности эффективного измельчения кли-ноптилолитовых пород для получения товарного продукта с фракционным составом в диапазоне 0,25 - 5,0 мм, с применением различных дробилок и их комбинаций. Показано, что многократный прогон измельчаемой породы через дробилку не приводит к увеличению выхода товарных фракций. Установлено, что наибольший выход получается при измельчении на валковой дробилке, а также при последовательном применении щековой и вибрационно-конусной дробилок, причем размер куска исходно сырья должен быть согласован с величиной зазора между подвижной и неподвижной частями дробилки.
Ключевые слова: клиноптилолит, цеолит, дробилка, фракция, щековая, валковая, конусная, размол, дробление, измельчение
чать продукты оптимального гранулометрического состава. В процессе переработки КП содержащих пород, связанной с измельчением и последующей классификацией материалов, образуется много мелкодисперсного продукта (с размером частиц < 0,25 мм), который пока ещё не нашел широкого применения.
Авторами было проведено сравнение качества получаемого продукта на различных типах дробильного оборудования и изучены режимы работы этого оборудования для КП пород различных месторождений, позволяющие получать максимальный выход готовых товарных фракций.
В качестве дробильного оборудования использовали щёковые, валковые и вибрационно-конусные дробилки лабораторного масштаба отечественного производства. В работе изучали дробление КП содержащих пород Бадинского (Восточная Сибирь) и Мысовского (Западная Сибирь) месторождений России. Оценку выхода необходимых фракций после измельчения проводили гравиметрическим методом, а классификацию материалов - с помощью ситового анализатора АП-20 и набора аттестованных сит в диапазоне 10,0^0,04 мм.
1 Чечевичкин Алексей Викторович, аспирант, каф. химической технологии материалов и изделий сорбционной техники, e-mail: filter-w@mail.ru Aleksey V. Chechevichkin, Postgraduate student, Department of Chemical Engineering of Materials and Products of Sorption Technology
2 Самонин Вячеслав Викторович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. химической технологии материалов и изделий сорбционной техники, e-mail: samonin@lti-gti.ru
Vyacheslav V. Samonin, Dr Sci. (Eng.), Professor, Head of Department of Chemical Engineering of Materials and Products of Sorption Technology
Дата поступления - 8 октября 2015 года Received 8 October 2015
Содержание КП в породе (определялось термохимическим методом [13]) для породы Бадинского месторождения составляло 65±5 мас. %, а Мысовского месторождения - 50±5 мас. %. Прочность на истирание (определяли по МИС-60-8 [11]) достигала для этих образцов 80±3 % и 95±3 % соответственно.
В таблице 1 представлены результаты измельчения в одинаковых условиях пород Бадинского и Мысовского месторождений на щековой дробилке.
Таблица 1. Выход фракций п (мас.%) для клиноптилолитовых пород Бадинского и Мысовского месторождений на щёковой дробилке ЩД-6
№ Фракция, мм Выход, п (мас. %)
п/п Мысовское Бадинское
1 Недомол > 5 мм 0,6 0,3
2 5,0 + 1,2 мм 84,9 62,8
3 1,2 + 0,25 мм 12,8 28,4
4 Пыль < 0,25 мм 1,7 8,5
Условия дробления: Величина щели 2,0 мм.
Исходная фракция 5-8 мм.
При измельчении более прочной породы Мысовского месторождения образуется меньше пыли (фракция < 0,25 мм) и недомола (фракция > 5,0 мм) и, соответственно, больший выход крупных (1,2^5,0 мм) товарных фракций. Порода с меньшей механической прочностью (Бадинское месторождение) даёт в этих же условиях больший выход мелких товарных фракций (0,25^1,2 мм), но при этом выход пыли возрастает почти в 5 раз.
Величину выхода фракции г| (мас. %) определяли как отношение массы данной фракции (остаток на сите с размером соответствующим нижнему диапазону фракции) к сумме масс всех фракций, и выражали в процентах.
Наиболее простым решением снижения недомола и увеличения выхода товарных (особенно мелких) фракций является повторный прогон продукта через дробилку. В таблице 2 представлены результаты такой процедуры для породы Мысовского месторождения.
Таблица 2. Зависимость выхода фракций (мас. %) при дроблении клиноптилолитовой породы Мысовского месторождения на щёковой дробилке ЩД-6 при повторном дроблении.
01 с Выход фракций п (мас.%)
Фракция, мм I прогон II прогон III прогон
1 Недомол > 5 мм 0,6 0,4 0,2
2 5,0 + 1,2 мм 84,9 83,4 80,3
3 1,2 + 0,25 мм 12,8 13,5 13,9
4 Пыль < 0,25 мм 1,7 2,7 5,6
Условия дробления: Величина щели 2,0 мм.
Исходная фракция 5-8 мм.
Результаты эксперимента показали, что многократный прогон одной и той же партии сырья через щё-ковую дробилку (при одних и тех же условиях) несколько снижает выход товарных фракций, и существенно увеличивает выход пыли (более чем в 3 раза по сравнению с однократным измельчением).
Существенное влияние на выход готового продукта оказывает гранулометрический состав исходного КП сырья. В таблице 3 представлены результаты дробления одной и той же породы с размером куска исходного сырья 5-8 мм (на щековой дробилке ЩД-6) и 20-50 мм (на щековой дробилке ЩД-10) при одинаковой величине зазора между подвижной и неподвижной щекой 2 мм.
Таблица 3. Выход фракций п (мас.%) для клиноптилолитовой породы Бадинского месторождения при дроблении её на различных щёковых дробилках
№ п/п Фракция, мм Выход фракция г| (мас. %)
ЩД-6 ЩД-10
1 Размер куска исходной КП-породы, мм 8 - 12 20 - 50
2 Недомол > 5 мм 0,3 1,4
3 5,0 + 1,2 мм 62,8 57,8
4 1,2 + 0,25 мм 28,4 24,6
5 Пыль < 0,25 мм 8,5 16,2
Условия дробления: Величина зазора 2,0 мм.
Из данных таблицы 3 следует, что увеличение размера куска исходного сырья в 5 раз привело к повышению в 2 раза выхода пыли и соответственно к уменьшению выхода товарных фракций. Кроме этого, почти в 5 раз увеличился недомол материала.
Весьма перспективным является применение комбинированного измельчения с использованием дробилок различного типа. В таблице 4 представлены результаты такого комбинированного измельчения: предварительно на щековой дробилке ЩД-6 и последующего измельчения этого же продукта на вибрационно-конусной дробилке ВКМД-6.
Таблица 4. Выход фракций п (мас.%) для образца для КП-породы Мысовского месторождения при дроблении на щёковой и вибрационно-конусной дробилках
01 с Выход, п (мас. %)
Фракция, мм ЩД-6 ВКМД-6 Комбинация ЩД-6 + ВКМД-6
1 Недомол > 5 мм 0,6 - 0,6
2 5,0 + 1,2 мм 84,9 2,0 43,4
3 1,2 + 0,25 мм 12,8 84,0 48,3
4 Пыль < 0,25 мм 1,7 14,0 7,7
Условия измельчения: Исходная фракция (для ЩД-6) - 5*8 мм, щель - 2,0 мм. Исходная фракция (для ВКМД-6) - щель 0,5 мм.
Из данных таблицы 4 следует, что в случае комбинированного измельчения достигается хороший выход мелких (0,25-1,2 мм) товарных фракций (84 мас. %) и отсутствует недомол, однако возрастает выход пыли до 14 мас. %. Для производства обеих фракций (крупной и мелкой) целесообразно после дробления на щековой дробилке выделять полученные фракции и недомол пускать на повторное измельчение на щековой дробилке, а необходимое (по потребности) количество мелкой товарной фракции (0,25-1,2 мм) получать из крупной товарной фракции (1,2-5,0 мм), доизмельчая ее на вибрационно-ко-нусной дробилке.
В последней графе таблицы 4 представлен результат такого комбинированного измельчения, при котором 50 % по массе крупной товарной фракции (1,2-5,0 мм), полученной дроблением на щековой дробилке, доиз-мельчается на вибрационно-конусной дробилке. В итоге совокупный выход обеих товарных фракций (примерно в равных пропорциях) составил 91,7 мас. %, а пыли всего 7,7 мас. %.
Важнейшим технологическим параметром, определяющим качество продукта дробления, является величина зазора между подвижными и неподвижными элементами дробилок [14, 15].
На рисунке 1 показано влияние размера зазора (щели) между подвижной и неподвижной щёками (плитами) в щёковой дробилке на выход фракций продукта при измельчении КП породы Бадинского месторождения.
ц, % 100—
5 10 15 мм
1б
Рисунок 1.Зависимость выхода п (мас. %) различных фракция КП-содержащей породы на щековой дробилке ЩД-10: а - выход товарных фракций; б - выход всех полученных при измельчении фракций
Увеличение зазора (щели) приводит к уменьшению выхода пыли и увеличению недомола. Для данного конкретного случая измельчения на щековой дробилке (исходное сырьё 20-50 мм) оптимальный зазор составил 4 мм и он позволил получить суммарный выход крупной и мелкой (0,25-5,0 мм) товарных фракций порядка 8889 мас. %. при малом количестве пыли и недомола.
Валковые дробилки весьма перспективны при переработке минерального сырья вследствие большей производительности и меньших последствий воздействия на продукт в результате дробления. Недостатком валковых дробилок по сравнению со щековыми измельчителями является более узкий диапазон размеров куска исходного сырья, наиболее приближенный к размеру используемого для дробления зазора между валками.
В таблице 5 дано сравнение выхода фракций при дроблении одного и того же исходного сырья на щековой и валковой дробилках
Таблица 5. Выход фракций п (мас. %) для КП породы Бадинского месторождения при дроблении на щёковой (ДШ 60х100) и валковой (ДГ 200х125) дробилках
№ Фракция, мм Выход фракции, г| (мас. %)
п/п ДШ 60х100 ДГ 200х125
1 Недомол > 5 мм 16,5 5,4
2 5,0 -г- 1,2 мм 62,8 65,6
3 1,2 - 0,25 мм 13,5 19,9
4 Пыль < 0,25 мм 7,2 9,1
Условия измельчения: Исходная фракция 10-12 мм.
Из данных таблицы 5 видно, что применение валковой дробилки позволяет увеличить выход товарных фракций (0,25-1,2 мм и 1,2-5,0 мм) до 85,5 % по сравнению со щёковой дробилкой, снизить недомол в 3 раза при незначительном увеличении выхода пыли.
Оптимизация зазора между подвижным и неподвижным элементами весьма важна и в случае измельчения на валковой дробилке. На рисунке 2 представлен фракционный состав полученных при измельчении на валковой дробилке ДГ 200х125 продуктов, при изменении расстояния (зазора) между валками. При этом размер куска исходной КП породы Бадинского месторождения составлял 10-12 мм.
2б
Рисунок 2. Дисперсный состав продуктов дробления КП-содержащей породы на валковой дробилке ДГ 200х125:
а - фракция 0,8-5,0 мм; б - фракция 0,125 - 0,8 мм. Размер зазора между валками: • -16 мм; о - 4 мм; ▲ -1 мм.
Размер куска исходной породы -10-20 мм
Для условий опыта, результаты которого отражены на рисунке 2, оптимальное значение величины зазора составляет 3-4 мм.
В таблице 6 представлены результаты предварительного измельчения исходной КП-породы Бадинского месторождения при величине зазора между валками 3 мм и повторного дробления полученного в результате первого измельчения продукта на той же валковой дробилке, но с зазором между валками равным 1,5 мм.
Таблица 6. Выход фракций п (мас. %) КП-породы при дроблении на валковой дробилке ДГ 200x125.
№ п/п Фракция, мм Выход фракция, г| (мас. %)
I прогон (щель 3 мм) II прогон (щель 1,5 мм) I прогон (50 мас. %) + II прогон
1 Недомол > 5 мм 5,4 0,6 0,3
2 5,0 + 1,2 мм 65,6 Сумма 85,5 29,2 Сумма 77,6 45,5 Сумма 82,7
3 1,2 + 0,25 мм 19,9 48,4 37,2
4 Пыль < 0,25 мм 9,1 22,2 17,0
Условия измельчения: Исходная фракция: 10-12 мм.
Как следует из данных таблицы 6, повторный прогон уже измельченного материала через валковую дробилку уменьшил суммарный выход товарных фракций более чем в два раза и увеличил выход пыли, хотя и снизил недомол. В последней графе таблицы 6 представлен результат комбинированного измельчения, когда 50 % крупной товарной фракции (1,2-5,0 мм), полученной после отсева из продукта первого помола доизмельчается на этой же дробилке, но с использованием уменьшенного зазора между валками (1,5 мм). Видно, что в итоге общий выход товарных фракций (при близком их соотношении) возрастает до приемлемой величины (82,7 мас. %) и сокращается недомол, однако выход пыли в этом случае значителен (17 мас. %).
Выводы
1. Оптимальным режимом измельчения природного цеолита является: комбинированный: измельчение на щековой (с шириной щели около 5 мм), и валковой дробилках (с зазором между валками около 1,5 мм), позволяющий получать высокий выход как крупных, так и мелких товарных фракций, в близких пропорциях, с общим выходом более 80 мас. %.
2. Оптимальной величиной зазора между подвижными и неподвижными элементами дробилок для решения поставленной задачи является величина 3-4 мм, при которой наблюдается максимальный выход суммы товарных фракций (более 80 %).
3. Режим многократного прогона измельчаемой породы через щековую и валковую дробилки снижает количество недомола, однако, не приводит к увеличению суммарного выхода товарных фракций (78-83 мас. %), вследствие увеличения образования пыли.
Литература
1. Ватин Н.И., Чечевичкин В.Н., Чечевичкин А.В. [и др.]. Применение цеолитов клиноптилолитового типа для очистки природных вод // Инженерно строительный журнал. 2013. № 2. С. 81-88.
2. Вейсгейм А.С., Назаренко О.Б., Зарубина Н.Ф. Удаление железа из скваженной воды на фильтре с загрузкой из бадинского цеолита // Вестник науки Сибири. 2012. № 4(5). С. 23-29.
3. Каратаев О.Р., Новиков В.Ф., Шамсутдинова З.Р. Очистка сточных вод цеолитсодержащими породами // Вестник технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. С. 169-174.
4. Филатова Е.Г., Пожидаев Ю.Н., Помазкина О.И. Использование природных цеолитов в технологии очистки сточных вод // Вода: химия и экология. 2014. № 11(77). С. 83-88.
5. Гогина Е.С., Янцен О.В., Макиша Н.А. [и др.]. Исследование принципиальной возможности очистки сточных вод полигона тбо с применением цеолита // Естественные и технические науки. 2014. № 9-10(77). С. 404406.
6. Акимбаева A.M., Ергожин Е.Е., Акимбаева С.М. Очистка отходов производства модифицированными природными цеолитами // Успехи современного естествознания. 2015. № 6. С. 6-70.
7. Губонина З.И., Тарчигина Н.Ф., Харичев О.Е. Изучение возможности использования модифицированной цеолитовой породы в технологии очистки природных вод от фторид-ионов // Энергосбережение и водоподго-товка. 2015. № 1(93). С. 21 - 25.
8. Тарасевич Ю.И., Поляков В.Е., Иванова З.Г. [и др.]. Получение и свойства клиноптилолита модифицированного диоксидом марганца. // Химия и технология воды. 2008. Т. 30. № 2. С. 159-170.
9. Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1979. 400 с.
10. Чечевичкин А.В., Самонин В.В. Оптимизация условий синтеза Мп02-фазы на поверхности клиноптилолита. // Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности. Матер. Всерос. конф. с междунар. участием. Москва, 13-17 апреля 2015 г. М.: 2015 С. 88.
11. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Химия, 1984. 592 с.
12. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды Л.: Химия, 1982. 168 с.
13. Челищев Н.Ф., Беренштейн В.Г., Володин В.Ф. Цеолиты - новый тип минерального сырья. М.: Недра, 1987. 176 с.
14. Бирбков А.В. О дроблении твердого тела // Вестник КузГТУ. 2004. № 5(42). С. 118-129.
15. Петухов А.Н., Желобков П.С. Увеличение эффективности дробления исходного сырья в щековых дробилках // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2009. № 12. С. 350-354.
