CC BY
49
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ
УДК 622.753: 622.648.24
Мельников И.Т., Пыталев И.А., Мельников И.И., Шевцов Н.С.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОТРАНСПОРТА ПОЛИДИСПЕРСНЫХ И ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация. При гидротранспорте полидисперсных и полиминеральных отходов обогатительного производства в переходной области в интервале частиц диаметром 0,15 мм < dcp < 1,5 мм, характерной для транспортирования хвостов горнодобывающих предприятий чёрной промышленности, наличие фракций менее 0,15 мм приводит к формированию «тяжёлой» несущей среды с плотностью более единицы. Это приводит к росту архимедовой силы на более крупные фракции и обусловливает снижение гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии.
Ключевые слова: отходы обогатительного производства, полидисперсные и полиминеральные хвосты, гидротранспорт, «тяжелая» несущая среда, гидравлический уклон, удельный расход электроэнергии.
В процессе гидротранспорта отходов обогатительного производства традиционно в качестве несущей жидкости используется вода. В последние годы обсуждается вопрос о выборе новых видов носителей, что связано с дефицитом воды в районах добычи минерального сырья и необходимостью её последующей очистки. Для устранения этих недостатков предлагаются различные решения, например использовать в качестве носителя природные воды с высоким содержанием солей, непригодные для использования в быту (морскую воду, засоленные грунтовые воды и т.п.), предварительно повысив в них концентрацию солей с таким расчётом, чтобы носитель имел плотность до 1,2 т/м . Благодаря тому, что разность между плотностью транспортируемых частиц и несущей среды будет меньше, дифференциация частиц будет затруднена. В Австралии разработана технология транспортировки угля с водой, маслом, небольшим количеством присадок и предварительным измельчением транспортируемого материала [1].
Наличие в хвостах фракции менее 0,15 мм при плотности 3,5-4,5 т/м3 и 0,25-0,5 мм при плотности 2,8-3,4 т/м3 позволит при перемешивании с водой образовывать несущую среду с плотностью большей, чем плотность исходной воды. Естественным образом формируется так называемая «тяжёлая» несущая среда. Что обеспечивает снижение доли энергии потока, затрачиваемой на взвешивание крупных частиц в движущемся потоке несущей среды вследствие увеличения архимедовой силы. В этом случае возникает перераспределение энергии в напорном трубопроводе на перемещение твёрдой фазы. Таким образом, самопроизвольное взвешивание мелких частиц, на которое практически не затрачивается энергия, обеспечивает естественный процесс взвешивания крупных частиц в более плотной среде при меньшей затрате энергии [2].
В зависимости от крупности транспортируемого материала согласно исследованиям многочисленных
авторов существует три области течения гидросмеси при напорном гидротранспорте [3-7].
1. Ламинарная область в диапазоне крупности 0,010 мм < dcp < 0,15 мм характерна для транспортирования хвостов горнодобывающих предприятий цветной промышленности, содержание частиц в которых менее 40 мкр составляет 70-90%. Транспортирование гидросмесей с мелкими частицами, образующими гомогенные смеси, могут происходить при небольших числах Рейнольдса, так как силы тяжести в этом случае компенсируются силами, обусловленными вязкостью среды. Для каждого вида хвостов, являющихся полидисперсными и полиминеральными техногенными породами, существуют вполне конкретные граничные значения концентрации твёрдой фазы и вязкости гидросмеси, когда их течение подчиняется законам Бингамовской среды [8]. Реализация транспортирования неньютоновских жидкостей возможно при организации надёжной технологии сгущения гидросмесей и применения высоконапорных объёмных гидромашин. Реализация гидротранспорта высокоплотных пульп обеспечивает снижение энергоёмкости и материалоёмкости.
2. Переходная область в интервале частиц диаметром 0,15 мм < dcp < 1,5 мм характерна для транспортирования хвостов горнодобывающих предприятий чёрной промышленности. Традиционно в качестве несущей жидкости используется вода.
3. Турбулентная область с геометрической крупностью зерен 1,5 мм < dcp < Б мм характерна при разработке песчано-гравийно-валунчатых грунтов средствами гидромеханизации, а также гидротранспорте угля и руд черных и цветных металлов.
Детальный анализ существующих расчетных формул позволяет большинство из них представить общим выражением в функции диаметра грунтопроводов Б и скорости движения пульпы V [9]:
Теоретические исследования гидротранспорта.
Мельников И.Т., Пыталев И.А., Мельников И.И., Шевцов Н.С.
V D
J„ = J0 +AJ = A'— + B'—. n 0 D V
(1)
где J0 - гидравлический уклон пульпопровода при движении чистой воды;
AJ - дополнительные потери напора, обусловленные наличием твердых частиц в потоке жидкости, м/м; А' и В' - переменные коэффициенты пропорцио -нальности, которые являются функциями А' = f(X), В' =f(X, dcp, St, Sn).
Заменим в формуле (1) скорость движения пульпы выражением V = Q • (900 • п • D2) 1. После преобразования получим формулу гидравлического уклона при Я = const.
Плотность транспортируемой пульпы дп и несущей среды унс связана с весовой консистенцией R следующими зависимостями:
1 + R
R + 8~1
Унс =
R + у
Ут
R +
(4)
Q
J = J0 +AJ = A + B-к
n 0 d5
D2
(2)
где J0 я Jn - гидравлический уклон на чистой воде и пульпе, м/м; ^=(164,52-106) *м-1-ч2; Я - коэффициент сопротивления пульпопровода; Q - расход транспортируемой пульпы по трубопроводу. м3/ч; В - стандартный диаметр пульповода, м; В - параметр, не зависящий от скорости (расхода) и диаметра трубопровода и являющийся функцией различных характеристик гидросмеси, а также ее жидкой и твердой составляющих, м0,5 ч-1.
где ^-доля частиц крупностью менее 0,15 мм.
При наличии в хвостах фракций менее 0,15 мм, а в отдельных случаях до 0,25-0,5 мм, в смеси с водой образуют несущую среду с плотностью большей, чем вмещающая вода. Графическая зависимость плотности несущей среды от содержания мелких фракций у от 0 до 70%, изменения плотности твёрдых частиц в диапазоне 2, 0; 2,5-4,5 т/м3 для двух значений весовой консистенции представлена на рис. 1. Анализ полученных данных показывает, что плотность несущей среды зависит от суммарной весовой консистенции пульпы, плотности частиц и может изменяться для принятых условий расчёта от 1,005 до 1,09 т/м3.
B = 2826 • K • (8П Унс)х
xdcp -($T -Унс)";
(3)
для ламинарной области в диапазоне крупности 0,010 мм < dcp < 0,15 мм
K = 1045 м 175 • ч_1;
x = 2,25; j = 1,25;
для переходной области в интервале частиц диаметром 0,15 мм < dcp < 1,5 мм
K = 91,2 м 0 25 • ч_1;
x = 0,75; у = 1,25;
для турбулентной области с геометрической крупностью зерен 1,5 мм < с!ср < В мм
K = 207 м0'5 • ч_1;
Sn =
Уп
8T =
x = 0; у = 0,5;
Гт
- относитель-
Унс ГНС
ная плотность пульпы и твердых частиц, когда несущей средой является суспензия - смесь воды и мелких фракций хвостов, которые в течение длительного времени не формируют осадка в пульпопроводе (безразмерные), где У о, Унс - плотность воды и несущей среды, т/м3;
с1ср - средневзвешенная геометрическая крупность транспортируемых частиц (при установлении размерности подставляется в метрах, а при расчетах следует подставлять в мм).
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Содержэниемелкодислерсныхчастиц
Рис. 1. Зависимость плотности несущей среды от содержания мелкодисперсных частиц и их плотности ут=2,0-4,5 т/м3 для весовой консистенции Ж:Т = = 5 и = 10
Используя функциональную зависимость Ко = /(^е) пР°ф. Конакова П.К. [8] и учитывая замечания проф. Дюранда [9], нами получена зависимость коэффициента сопротивления пульповодов с установившейся шероховатостью [10]:
1 =
0,308 -[lg(m • Qn ■ D-1)]"
(5)
где m=35,386; D - внутренний диаметр пульпопровода,м; Qn - расход пульпы, м3/ч.
Из анализа формулы (5) следует, что коэффициент сопротивления пульпопровода X уменьшается с увеличением количества транспортируемой по трубопроводу пульпы при D = const и с увеличением диаметра пульпопровода при Q = const.
После подстановки уравнения (5) в зависимость (2) получим уравнение гидравлического уклона пульпопровода при переменном значении A?Const.
ся в каждой фракции определять долю частиц с различной плотностью (см. таблицу).
Гранулометрическая характеристика техногенных россыпей ЦГОКа
Jn = 0,308 х
x[lg(m • Ql • D5 + B • D2 5 • Q;1)].
(6)
Продифференцируем функциональную зависимость (4) по одной из двух переменных. Решая уравнения -— = 0 при
dJ.
¿Qn
= 0 при Q=const, получим
D=const и
3D
два уравнения [11].
A • Q3 •[ 2 • lg(m • Qn ■ D-1) - 0,8686]--B • D2 5 • [lg(m • Qn ■ D-1) + 0,8686] = 0;
A • Qn-[0,8686 -5 • lg(m • Qn ■ D"1)] + •[2,5 • lg(mQn • D-1) + 0,8686
Класс крупности, мм Доля фракций с плотностью, т/м3 Массовая доля, % Средневзвешенная плотность фракций, т/м3
Более Менее 5,000 4,413 3,825 3,355 2,650
0,000 0,044 9,24 0,11 0,07 0,09 8,53 18,04 3,873
0,044 0,070 3,69 0,66 1,10 0,58 4,54 10,66 3,735
0,070 0,160 1,97 0,99 4,23 3,43 6,79 17,40 3,443
Среднеарифметическое класса +0,160 46,10 3,684
0,160 0,250 0,79 0,55 5,59 3,93 8,03 18,90 3,292
0,250 0,500 0,17 0,06 6,67 7,20 4,70 18,80 3,364
0,500 1,000 0,00 0,00 4,20 6,26 3,93 14,40 3,297
1,000 5,000 0,00 0,00 0,55 0,81 0,45 1,80 3,343
Сумма, % 15,85 2,37 22,42 22,30 37,07 100,0 3,478
Среднеарифметическое всей пробы
+B • D7
= 0.
(7)
(8)
Оба уравнения трансцендентные, для их решения можно использовать математические методы оптимизации с помощью ЭВМ и производить поиск корней Qnкp по зависимости (5) и Бкр по зависимости (6). Подставляя найденные корни в уравнения (3),(4), можно определить критический гидравлический уклон и коэффициент сопротивления пульпопровода.
Расчет удельных затрат энергии (на доставку 1 т хвостов гидротранспортом на расстояние 1 км) производили по следующему выражению [12], кВт ч/т км:
q0 = 500 •
J.
где P = 100•
^ ZK р
G
T к р
G
(9)
массовая консистенция пуль-
пы к массе (весу) пульпы.
В работе [13] автором предлагается для более точных расчётов производить детальное исследование по крупности и плотности твёрдых материалов, перемещаемых гидротранспортом. При этом рекомендует-
Согласно приведенным данным следует, что техногенные породы являются не только полидисперсными, но и полиминеральными, так как их плотность в пределах одной фракции изменяется от 5,0 до 2,65 т/м . Исследования хвостов обогатительных фабрик Соколовско-Сарбайского, Качканарского и Лисаков-ского ГОКов, ГОПа ОАО «ММК» также подтверждают их полидисперсность и полиминеральность. Для рассмотренного случая (см. таблицу) плотность несущей среды, рассчитанная по формуле (4), составляет унс= 1,064 т/м3 при Я=5 унс = 1,032 т/м3 при Л=10 для плотности мелких частиц ут = 3,684 т/м и их долевом содержании у=0,461. Интегральные показатели транспортируемых отходов обогащения следующие: средневзвешенный диаметр общей пробы й?ср=0,503 мм и средневзвешенная плотность ут = 3,324 т/м3. Следует отметить, что при расчёте параметров гидротранспортной системы принимались значения плотности и средневзвешенной крупности для фракций класса более 0,16 мм. Результаты теоретических расчётов по предлагаемой выше методике для отходов обогащения ЦГОКа по оценке гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии с учётом формирования несущей среды с плотностью выше единицы и увеличения архимедовой силы представлены на рис. 2.
Анализ полученных данных позволяет сделать выводы о том, что формирование несущей среды за счет образования устойчивой взвеси их частиц крупностью менее 0,16 мм приводит к снижению гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии на гидротранспортирование.
! 1 • ■ вода
- несущая среда
Мельников И.Т., Пыталев И.А., Мельников И.И., Шевцов Н.С.
• несущая среда
S 10 15 20 25
Весовая консистенция пульпы, R = Ж :Т
5 10 15 20 25
Весовая консистенция пульпы, Г? = Ж :Т
Рис. 2. Зависимости гидравлического уклона Jn(а) и удельного расхода электроэнергии до (б) от весовой консистенции пульпы Я (содержания пылеватых частиц Ф = 0,461 с плотностью ут = 3,684 т/м3 и средневзвешенной крупности транспортируемого материала &р=0,503 мм и средневзвешенная плотность ут = 3,324 т/м3)
1.
Выводы
При гидротранспорте полидисперсных и полими-неральных отходов обогатительного производства необходимо обращать внимание на содержание мелких фракций менее 0,15 мм. При их содержании более 20-30% от общего веса естественным путём формируется «тяжёлая» несущая среда с плотностью больше единицы.
12.
13.
2. Учет естественного формирования «тяжёлой» несущей среды за счёт наличия мелких фракций в техногенных отходах обогатительного производства приводит к снижению гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии, что подтверждается результатами практики. 3' Перспективным направлением совершенствования гидротранспортных систем горно-обогатительных комбинатов является проведения исследований применения искусственно создаваемой несущей среды с плотностью до 1,2 т/м3
Список литературы
1. Докукин В.П. Формирование системы трубопроводного гидротранспорта горных предприятий на основе метода динамической оптимизации её параметров: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург, 2005. 280 с.
2. Каненков В.В. Снижение энергоёмкости гидравлического транспортирования полидисперсных гидросмесей на предприятиях горной промышленности: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06. Санкт-Петербург, 2006. 136 с.
3. Роер Г.Н. Устойчивые режимы и потери напора при напорном движении пульпы в пульпопроводах // Известия Академии Наук СССР. ОТН. 1939. №8.
4. Юфин А.П. Движение неоднородной жидкости по горизонтальным стальным незаилённым трубам // Известия Академии Наук СССР. ОТН. 1949. №8.
5. Великанов M.A. Обоснование гравитационной теории движения наносов // Метеорология и гидрология. 1938. №9-10.
6. Великанов M.A. Динамика русловых потоков. Т. 2. Наносы и русло. М.: Гостехиздат, 1955. 316 с.
7. Маккавеев B.M. К теории турбулентного режима и взвешивания наносов II Известия Государственного гидрологического института (ГГИ). 1931. №32. С. 5-26.
8. Александров В.И., Кулешов A.A. Снижение удельной энергоёмкости гидротранспортных комплексов // Горные машины и автоматика. 2004. №6. С. 16-18.
9. Конаков П.К. Новая формула для коэффициента сопротив-лениядля гладкихтруб// ДАН СССР. 1946. Т. 10. С. 70-77.
10. Durand R., Condolios E. Donnes techniques sur le refulement hydrauligue des materiaux solides tn Condite. Congres du centenaire de Sosiete de l'industrie minerale, Paris, Juin, 22F,1955.
11. Мельников И.Т., Мельников Т.И., Горбатов А.И. Критический гидравлический уклон пульпопровода. // Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1997. №7-8, С. 143-146.
Снижение энергоёмкости гидротранспорта хвостов обогатительного производства железорудных горно-обогатительных комбинатов / Мельников И.Т., Пыталев И.А., Корнилов С.Н., Кутлубаев И.М., Васильев К.П., Мельников И.И., Шевцов Н.С.// Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. №2. С. 15-19.
Семененко Е.В. Методика расчёта параметров внутрифабричных систем гидротранспорта // Горная электромеханика. 2008. Вып. 15 (131). С. 174-179.
Сведения об авторах
Мельников Иван Тимофеевич - канд. техн. наук, доц. кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел: 8(3519)298466. E-mail: werty71@mail.ru.
Пыталев Иван Алексеевич - канд. техн. наук, ст. преп. кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: vehicle@list.ru.
Мельников Илья Иванович - канд. экон. наук, кафедра «Мировая экономика» Московского государственного университета управления, г. Москва. E-mail: mlnkv@bk.ru.
Шевцов Николай Сергеевич - аспирант кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел: 8(3519)298466. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THEORETICAL RESEARCH OF HYDROTRANSPORT OF POLYDISPERSE AND POLYMINERAL TAILS OF MINERAL PROCESSING INDUSTRY
Melnikov Ivan Timofeyevich - Ph.D. (Eng.), associate professor, Open-Pit Mining of Mineral Deposits department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519)298556. E-mail: werty71@mail.ru.
Pytalev Ivan Alekseevich - Ph.D. (Eng.), assistant professor, Open-Pit Mining of Mineral Deposits department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: vehicle@list.ru.
Melnikov Ilya Ivanovich - Ph.D. (Economics), assistant professor, World Economy department, Moscow State University of Management, Moscow. E-mail: mlnkv@bk.ru.
Shevtcov Nikolay Sergeevich - a postgraduate student, Open-Pit Mining of Mineral Deposits department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519) 298 466. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com.
Abstract. During hydro transportation of polydisperse and polymineral tails of mineral processing industry within the transition region in the 0.15 mm <dcp <1,5 mm particles diameter range, which are typical to transport tailings of ferrous industry mining, fraction existence less than 0.15 mm leads to the formation of «heavy» carrying medium with a density greater than unity. This results in buoyancy force increasing to the larger fractions and causes of hydraulic gradient and specific energy consumption reducing.
Keywords: mineral processing industry tails, polydisperse and polymineral tailings, hydrotransport, «heavy» carrying medium, hydraulic gradient, energy discharge intensity.
References
1. Dokukin V.P. Formirovanie sistemy truboprovodnogo gidrotransporta gornykh predpriyatij na osnove metoda dinamicheskoj optimizatsii eyo parametrov: dis.... d-ra tekhn. nauk. [Formation of the pipeline system of mining enterprises on the basis of dynamic optimization of parameters. Dis.]. St. Petersburg, 2005, 280 p.
2. Kanenkov V.V. Snizhenie ehnergoyomkosti gidravlicheskogo transportiro-vaniya polidispersnykh gidrosmesej na predpriyatiyakh gornoj promysh-lennosti: dis. ... kand. tekhn. nauk. [Reducing of energy consumption of hydraulic transportation of polydisperse slurries in mining industry enterprises. Dis.]. St. Petersburg, 2006, 136 p.
3. Royer G. Stable regimes and the head loss in the pressure in the movement of the pulp slurry pipeline. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. OTN. [Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR, OTN]. 1939, no. 8.
4. Yufin A.P. Inhomogeneous fluid movement on horizontal steel pipes. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. OTN. [Proceedings of the Academy of
Sciences of the USSR, OTN]. 1949, no. 8.
5. Velikanov M.A. Justification of the gravitational theory of motion of nano-owls. Meteorologiya i gidrologiya. [Meteorology and Hydrology]. 1938, no. 9-10.
6. Velikanov M.A. Dinamika ruslovykh potokov. [Dynamics of channel flow]. Deals and track. Moscow, 1955, vol. 2, 316 p.
7. Maccabees V.M. The theory of turbulent and weighing sediment. Izvestiya Gosudarstvennogo gidrologicheskogo instituta (GGI). [Proceedings of the State Hydrological Institute (SHI)]. 1931, no. 32, pp. 5-26.
8. Alexandrov V.I., Kuleshov A.A. Reducing energy intensity of hydro facilities. Gornye mashiny i avtomatika. [Mining Machinery and Automation]. 2004, no. 6, pp. 16-18.
9. Konakov P.K. The new formula for the drag coefficient for smooth pipes. AS USSR, 1946, vol. 10, pp. 70-77.
10. Durand R., Condolios E. Donnes techniques sur le refulement hydrauligue des materiaux solides tn Condite. Congres du centenaire de Sosiete de l'industrie minerale. Paris, Juin, 22F, 1955.
11. Melnikov I.T., Melnikov T.I., Gorbatov A.I. Critical hydraulic gradient slurry pipeline. Izv. VUZov. Gornyj zhurnal. [Mining Journal Math. Universities]. 1997, № 7-8, pp. 143 - 146.
12. Melnikov I.T., Pytalev I.A., Kornilov S.N., Kutlubaev I.M., Vasilyev K.P., Melnikov I.I., Shevtsov N.S. Energy consumption reducing of hydrotransport iron ore tailings processing industry Mining and processing plants. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo uni-versiteta im. G.I. Nosova. [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2012, no. 2, pp. 15-19.
13. Semenenko E.V. Method of calculating the parameters of hydraulic transport systems intra fabric. Gornaya ehlektromekhanika. [Mining Electrical Engineering]. 2008, vol. 15 (131), pp. 174-179.
УДК 622.817
Медяник Н.Л., Варламова И.А., Калугина Н.Л.
ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ-КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЕЙ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ КАТИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ
Аннотация. Раздельное количественное извлечение цветных металлов из растворов воз-можно при использовании эффективных органических реагентов, выбор которых осуществлен квантово-химическим методом расчета параметров реакционной способности как извлекаемых компонентов, так и извлекающих реагентов.
Ключевые слова: органические реагенты, комплексообразование, цветные металлы, рас-творы, квантово-химический метод, параметры реакционной способности.
При добыче и переработке руд на горнообогатительных медно-цинковых предприятиях Уральского региона образуются значительные объёмы техногенных вод, таких как подотвальные, карьерные и шахтные воды, характеризующиеся различным поликомпонентным составом тяжелых и цветных металлов с минерализацией от долей до сотен мг в
1 дм3 с приоритетным содержанием меди, цинка, марганца и железа. Эти воды являются одним из основных источников поступления металлов в поверхностные и подземные водоемы, оказывая сильное токсичное воздействие на экосистемы районов недропользования. Практически все предприятия медного комплекса для очистки техногенных вод в настоящее
