CC BY
30
- © И.П. Хмеленко, 2014
УДК 622.74:621.928.2
И.П. Хмеленко
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ПРИ ГРОХОЧЕНИИ УГОЛЬНЫХ ПУЛЬП
Приведены результаты исследований обезвоживания угольных пульп на грохоте для тонкой классификации. Рассмотрены наиболее характерные случаи равновесного состояния в ячейке сита грохота. Предложена новая конструкция грохота с непосредственным возбуждением сита ГНВС-М.
Ключевые слова: вибрационный грохот, угольная пульпа, обезвоживание, ячейка сита, мениск.
Одна из актуальных проблем Украины на сегодняшний день - наличие и складирование значительного количества отходов обогатительных фабрик. Ежегодно в илонакопители сбрасываются значительные объемы угольных шламов, которые по скромным подсчетам составляют около 120 млн т. Кроме того, с отходами теряется 25-65% горючей массы.
Особенностью совершенствования схем обогащения угля является разработка оборудования и технологии для последних стадий получения готового концентрата. Разделение тонких классов крупности - является слабым звеном в процессе переработки минерального сырья. Проблемой обогащения и до-обогащения горной массы занимаются ученые Украины [1, 2] и зарубежья [3].
Одним из способов извлечения полезного компонента из горной массы является тонкое вибрационное грохочение. В тоже время процесс переработки шламовых отходов усложняется наличием воды в сырье и растворенных в ней глинистых включений, для разделения которых в Украине серийно грохота не выпускаются.
Целью данной работы является изучение процесса обезвоживания угольных пульп при тонкой классификации для обоснования выбора рабочей поверхности грохота.
Острота технической проблемы проявляется при грохочении классов крупности в интервале от 1,0 мм до 40 мкм. Это связано с тем, что образующаяся в ячейках сита пленка жидкости препятствует свободному прохождению частиц через него, что значительно снижает эффективность процесса. В работе [4] представлены теоретические и экспериментальные исследования процесса обезвоживания углей. Рассмотрены структурные характеристики пористых угольных сред, виды влаги и капиллярные явления в пористых средах, теория фильтрования, просушки и центрифугирования угольных пульп. Исследованы факторы, влияющие на процессы обезвоживания углей, и предложены физико-химические методы их интенсификации. Однако для обоснования выбора просеивающей поверхности и представления процесса прохождения пульпы через ячейку сита необходимо рассмотреть наиболее характерные случаи равновесного состояния в ячейке сита грохота.
Задачи о равновесии жидкостей со свободными поверхностями давно привлекают внимание исследователей. Они образуют самостоятельный раздел гидромеханики, рассматривающий формы равновесия жидкости в тонких капил-
лярах, формы равновесия капель на поверхностях, капиллярные поверхности в отсутствии силы тяжести, углы контакта жидкости со стенками сосуда. В основе рассмотрения задач о равновесии неподвижных капиллярных жидкостей лежит уравнение гидростатики
с<р
<х (1) где х - координата, м; р - давление, Н/м2; р - плотность жидкости, кг/м ; д -ускорение свободно падающего тела, м/с2; и условие на поверхности раздела фаз
Рь - Ра =
Ь"
Ь
(1 + (ь
*\2\3/2
г (1 + (Ь
'\2\1/2
(2)
где г - текущий радиус; ра - атмосферное давление; рь - давление в жидкости на свободной поверхности; ст - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Ь - координата х точек поверхности, м.
Таблица 1
Равновесные состояния жидкости в ячейке сита грохота
На границе соприкосновения трех фаз - твердой, жидкой и газообразной возникают капиллярные силы, действующие между молекулами воды, с одной стороны, и между молекулами воды и твердых частиц - с другой стороны. Величина капиллярных сил обуславливается величиной поверхностей, ограничивающих воду. При капиллярном смачивании поверхность жидкости искривляется и при малых размерах капилляра образуется мениск - вогнутый для случаев хорошего смачивания (а < 90°, где а - угол смачивания) и выпуклый для плохого смачивания (а > 90 °).
На первом этапе исследований, используя уравнения (1) и (2), рассмотрены наиболее распространенные случаи статического равновесного жидкости в ячейке сита [5]. Анализ выражений показал следующие результаты (табл. 1). Для определения качественных характеристик рассматривалась ячейка радиусом К, = 75-10-6 м, диаметр волокна К. = 50-10-6 м, коэффициент поверхностного натяжения а = 0,072 Н/м. В случае, когда жидкость не смачивает волокно ячейки, максимальный удерживаемый слой жидкости примерно в 3 раза больше слоя, удерживаемого в ячейке с жидкостью смачивающую волокно сита. Как результат, для нарушения равновесного состояния в ячейке сита необходимо приложить большие усилия. В случае если смачивающая жидкость образовала пленку в ячейке сита, т.е. существует две свободные поверхности, в ячейке удерживается объем жидкости. Система выйдет из равновесия в случае равенства радиусов кривизны верхнего и нижнего менисков, в результате чего жидкость в виде капли вытесняется из ячейки. Максимальный объем жидкости, который удерживается в ячейке, составляет 0,407-10-9 м3.
При обезвоживании угольных пульп важным является также прохождение частицы через ячейку сита. При наличии твердой частицы изменяются условия равновесия слоя жидкости и увеличивается многообразие вариантов равновесных состояний [6]. В табл. 2 представлены исследуемые схемы.
В дальнейших исследованиях под толстым слоем жидкости понимается слой, который опирается на ситовую ячейку и покрывает волокно; под средним слоем понимается слой, который нижней и верхней своими поверхностями связан с волокном сита, но при этом верхняя поверхность проходит выше частицы; под тонким слоем жидкости подразумевается слой, который двумя своими поверхностями связан не только с волокном, но и с частицей.
Результаты представлены для следующих условий: радиус ячейки И = 75-10-6 м, радиус волокна Кш = 50-10-6 м, коэффициент поверхностного натяжения (ст = 0,072 Н/м, радиус частицы К = 10-10-6; 15-10-6; 20-10-6; 25-10-6 м, угол зацепления, характеризующий расположение частицы в слое жидкости усЬ = 0,787; 0,816.
При анализе уравнений, которые соответствую схеме 1 и 2 (табл. 2) оказалось, что условия равновесия здесь идентичны. Толщина слоя, удерживаемого ячейкой сетки, связана с размером частицы. С увеличением радиуса частицы высота слоя уменьшаться, при этом и глубина проседания частицы уменьшается. Но это касается того случая, когда угол остается постоянным, и равным, например уА|. Если же слой жидкости увеличивается при постоянном радиусе частицы, то его вес вдавливает частицу глубже, увеличиваются расстояние до частицы и угол зацепления жидкости на частице. Проводя подробные расчеты можно определить некоторые предельные значения высоты слоя, радиусы частиц и угловые зацепления частиц. Таким образом выявить необходимые условия существования слоев с частицами в ячейке определенных размеров.
Таблица 2
Равновесные состояния жидкости с твердой частицей в ячейке сита грохота
Например, при К. = 25-10-6 м и усЬ = 0,787 удерживаемый слой 8-10-4 м. В то время как при К. = 25-10-6 м и усЬ = 0,816 удерживаемый слой в ячейке равен 0,025 м. При уменьшении частицы до К. = 10-10-6 м удерживаемый слой жидкости увеличивается до 2,4-10-3 м и 0,06 м соответственно, в 2,5-3 раза.
При анализе тонкого слоя рассматривался некоторый предельный случай усЬ = 0. На схеме 3 (табл. 2) видно, что поверхности вогнутые, с ростом радиуса частицы растет расстояние от поверхности до плоскости х = 0, но точки контакта соответствующих верхних и нижних поверхностей жидкости с волокном мало отличаются друг от друга. Анализ показал, что вес и размер частице в данных условиях не влияет на равновесное состояние в ячейке.
В случае 4 (табл. 2) было установлено, что при всех прочих равных условиях размер частицы не влияет на устойчивость системы в целом, а как и в предыдущем случае, равновесное состояние определяется капиллярными силами и поверхностным натяжением.
Одним из характерных случаев является наличие под сеткой висячих капель жидкости, которые закрывают ячейки сита и припятствуют свободному обезвоживанию горной массы, находящейся на сите. Схема 5 (табл. 2) - равновесия частицы, удерживаемой тонким слоем жидкости, зацепившейся за другую большую частицу. В данном случае определялись энергетические характеристики, при которых происходит отрыв частицы, весящей на перетяжки жидкости: работа и мощность.
Были проведены расчеты для следующих условий: углы смачивания на частицах а = 40° и 10°; радиусы частиц Кс = 0,1 мм, Кш = 1 мм. Из решения уравнений получены величины сил, необходимых для растяжки капиллярного жидкого слоя, для рассматриваемой частицы максимальная величина ее может составлять ~5-10-5 Н. Сделана также оценка величины работы, необходимой для отделения частицы, которая составляет ~6-10-9 Нм.
В Институте геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины постоянно ведутся теоретические и экспериментальные исследования в области тонкого грохочения, на основе которых была разработана конструкция и получен патент [7, 8] на вибрационный грохот для классификации сухих материалов и пульп. Рассмотренные варианты равновесного состояния в ячейке сита позволили обосновать выбор рабочей поверхности. Было предложено установить дополнительное несмачивающее сито между динамически активным и классифицирующим ситами. Сито позволяет разрушить силы вязкости и капиллярные силы между жидкостью и рабочей поверхностью. Однако, как показали исследования, эффективность процесса классификации на несмачи-вающей поверхности значительно уменьшается, поэтому размер ячеек несма-чивающего сита необходимо увеличить в 5-10 раз по сравнению с классифицирующим ситом.
Кинематическая схема грохота представлена на рисунке. Грохот состоит из следующих элементов: 1 - короб грохота; 2 - классифицирующее сито, 3 - дополнительное сито; 4 - динамически активное сито, 5 - вибровозбудитель; 6 -опорные амортизаторы; частотный регулятор привода (на рисунке не показан). Вибрационный грохот ГНВС-М (грохот с непосредственным возбуждением сита модернизированный) работает в резонансном режиме. Короб грохота 1 совершает гармонические колебания под действием вибровозбудителя 5. За счет наличия частотного регулятора привода обеспечивается совпадение частот вибровозбудителя и динамически активного сита 4.
Кинематическая схема грохота ГНВС-М
Сито 4 выполняется в виде резиновых лент струн (возможно несколько вариантов) и выполняет следующие функции: поддерживающую для свободно уложенных, установленных без натяжения классифицирующего 2 и дополнительного 3 сит; вибровозмущающую для классифицирующего сита. Классифицирующее сито изготавливается из металла и может иметь ячейки до 50 мкм.
Дополнительное сито также выполняет две функции: уменьшение контактных напряжений при ударе лент-струн о классифицирующее сито; разрушения сплошности потока при грохочении пульп. Грохот ГНВС-М прошел промышленные испытания, которые показали увеличение эффективности грохочения в среднем на 5% и срока службы классифицирующего сита в 2 раза за счет установки дополнительного несмачивающего жидкостью сита [9].
Таким образом, на последних стадиях производства при получении готового концентрата и дообогащении шламов перспективным является использование грохота с динамически активным и дополнительным ситами ГНВС-М. Преимуществами грохота являются:
• возможность использования резонанса для интенсификации процесса без дополнительного подведения энергии;
• возможность плавного регулирования режимных параметров за счет наличия частотного регулятора;
• разрушения сплошности потока жидкости при классификации пульп, увеличение срока службы сит благодаря наличию дополнительного несмачиваю-щего сита.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пивняк Г.Г., Пилов П.И., Кирнарский А.С., Кочетов В.В. Вторичные ресурсы твердого топлива Украины // Збагачення корисних копалин: науч.-техн. зб. - 1998. - № 1 (42). -С. 3-9.
2. Надутый В.П. Обоснование метода определения эффективности разработки техногенных отходов углеобогащения // Збагачення корисних копалин: науч.-техн. зб. - 2007. - № 29 (70). - С. 224-226.
3. Каплунов Ю.В., Цукерман И.С., Пушканов В.В. Эколого-экономический анализ образования и утилизации твердых отходов в угольной промышленности России / Химия и природосберегающие технологии использования угля: сборник трудов Международной научной конференции, посвященной 275-летию Российской академии наук. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - С. 186-188.
4. Бейлин М.И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей. - М.: Недра, 1969. - 238 с.
5. Елисеев В.И., Луценко В.И., Надутый В.П., Хмеленко И.П. Равновесные слои жидкости в капиллярной ситовой ячейке / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч.трудов. ИГТМ НАН Украины - Днепропетровск, 2008. - Вып. 74. - С. 44-54.
6. Надутый В.П., Елисеев В.И., Луценко В.И., Хмеленко И.П. Определение условия равновесия слоя жидкости с твердой частицей в ячейке сита // Вюник ХП1. - 2008. - № 38. -С. 22-28.
7. Грохот в1брашйний: пат. 39362 Украши МПК В 07 В 1/40. / Надутий В.П., Ягню-ков В.Ф., Хмеленко 1.П.; заявник та патентовласник 1ГТМ НАН Украши. № u200810796, заявл. 01.09.2008; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4, 4 с.
8. Хмеленко И.П. Обоснование необходимости выбора режимных и конструктивных параметров грохота при тонкой классификации горной массы / Геотехническая механика: Меж-вед. сб. науч. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 77. - С. 207212.
9. Хмеленко И.П. Результаты промышленных испытаний грохота для тонкой классификации / Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2010. - Вып. 85. - С. 148-154. ЕПЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Хмеленко И.П. - аспирант, e-mail: khmelenkoigtm@gmail.com, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины.
UDC 622.74:621.928.2
RESULTS OF RESEARCHES OF DEWATERING AT SCREENING COAL PULP
Khmelenko I.P., Graduate Student, e-mail: khmelenkoigtm@gmail.com, Institute of Geotechnical Mechanics of National Academy of Science of Ukraine.
The results of researches of dewatering of a coal pulp on the screen for thin classification are given in the article. The most characteristic cases of the equilibrium state in the mesh of sieve of the screen are considered. A new construction of screen with direct excitation of sieve SDES-M is offered.
Key words: vibrating screen, coal pulp, dewatering, mesh of sieve, meniscus.
REFERENCES
1. Pivnyak G.G., Pilov P.I., Kirnarskii A.S., Kochetov V.V. Zbagachennya korisnikh kopalin: nauch.-tekhn. zb., 1998, no 1 (42), pp. 3-9.
2. Nadutyi V.P. Zbagachennya korisnikh kopalin: nauch.-tekhn. zb., 2007, no 29 (70), pp. 224-226.
3. Kaplunov Yu.V., Tsukerman I.S., Pushkanov V.V. Khimiya i prirodosberegayushchie tekhnologii ispolzovaniya uglya: sbornik trudov Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii, posvyashchennoi 275-letiyu Rossiiskoi akademii naukd (Chemistry and Low Impact Technologies of Coal Utilization: Proceedings of International Scientific Conference Devoted to the 275th Anniversary of the Russian Academy of Sciences), Moscow, Izd-vo MGU, 1999, pp. 186-188.
4. Beilin M.I. Teoreticheskie osnovy protsessov obezvozhivaniya uglei (Coal dewatering theory), Moscow, Nedra, 1969, 238 p.
5. Eliseev V.I., Lutsenko V.I., Nadutyi V.P., Khmelenko I.P. Geotekhnicheskaya mekhanika: Mezhved. sb. nauch.trudov. IGTM NAN Ukrainy (Geotechnical mechanics: Interdepartmental collected papers. Institute of Geotechnical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine), Dnepropetrovsk, 2008, issue 74, pp. 44-54.
6. Nadutyi V.P., Eliseev V.I., Lutsenko V.I., Khmelenko I.P. Visnik KhPI, 2008, no 38, pp. 22-28.
7. Nadutii V.P., Yagnyukov V.F., Khmelenko I.P. Patent 39362 Ukraine MnK B 07 B 1/40, 25.02.09.
8. Khmelenko I.P. Geotekhnicheskaya mekhanika: Mezhved. sb. nauch.trudov. IGTM NAN Ukrainy (Geotechnical mechanics: Interdepartmental collected papers. Institute of Geotechnical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine), Dnepropetrovsk, 2008, issue 77, pp. 207-212.
9. Khmelenko I.P. Geotekhnicheskaya mekhanika: Mezhved. sb. nauch.trudov. IGTM NAN Ukrainy (Geotechnical mechanics: Interdepartmental collected papers. Institute of Geotechnical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine), Dnepropetrovsk, 2010, issue 85, pp. 148-154.
