Введение к работе
Актуальность проблемы. Техническая полигика развития угольной промышленности на поставку высококачественного топлива потребителям, дальнейшее расширите переработки угля требуют сосредоточить внимание на поисках внутренних резервов и приведение ігх в действие.
D сзяза с требованиями поставки высококачественного топлива потребителям возрастает роль н значение переработки мелких классов угля физико-химическим методом . Процесс флотации становится все более универсальным вследствие усовершенствования его параметров и схем, применения бо-лге ітроизподнтельних машин. Создание и внедрение большеобъемных мантії, использование флотации как метода регенерации шламовых вод, улучшение качества концентрата невозможно без конднцноннроваїпія пульті.
В связи с отмеченным особую актуальность іїріїобретает разработка теоретических положений о физических особенностях процесса КОНДИЦИОШфО-г.ания угольных пульп.
Разнообразие существующих методов кондиционироваши обязывает ак-иеіптфовать теоретические разработки в направлении выбора способа конди-цнюпгоовэния при максіімальном использованіш фшнки процесса.
Эффективность кондидношфовшпм угольной пульпы перед процессом флотации определяется свойствами флотацношшх реагентов; твердой фазы пульпы; взаимодействием флотационных реагеїпов с твердой фазой пульпы (с частицами угля) н способом или устройством, позволяющим эффективно осуществлять это взаимодействие.
Создагапо аппаратов конднциошфовштя, обеспечивающих эффектив-isyio подтотовісу угольной пульпы с реагентами должного внимания не уделялось. Надежные методы прогнозирования и оценки кондиционирования отсутствуют. Без учета свойств твердой фазы, взаимодействия реагентов с твердой фазой , способов и устройств, обеспечивающих эффективную обработку твердой фазы пульпы реагентами нельзя оценить и обосновать пути интенсификации кондіавіонироваиия и повышения эффективности переработки угля.
На основании изложенного представляется актуальной разработка науч
но-обоснованных технических и технологических решений о физических осо-
бешгостях процесса кондиционирования уголышх пульп п создание новых
аппаратов подготовки пульпы к флотации с использованием центробежно-
гравіггационного поля, обеспечиваїощігх эффективную обработку твердой фа
зы пульпы реагеїггами. ~" С*ч;-.
Днссертационная работа обобщает результаты научно-исследовательских работ и этапов, выполненных при непосредственном участии н под руководством автора п рамках планов НИОКР Сибшшуглеобога-щение (б. Кузнииупкобогшпепие) 1971-1996 г и соответствин с координації-
oiiiii.tM планом ГКИЇ; по проблемо 0.05.100" Разработать и ссиоить повис технологические процессы п ш.ісокопроіізіюдіпелиіое оборудование для обогащения углей п CJiaiiueii, обеспсчишпоіцее значительное пошміпсшіс качестма копцсіп'рш'іі и снижение потерь угля її отходах ;ііо проблемо 0.05.04 " Рачра-6оі:пі. п шіедрнп, прогрессивную технологию н технику обогащения углей, шггріїціпок и слаицеи фтико-мехапичеекпми и фігшілі-хпмичсекимп методами"; по проблемо 0.05.М.()!.()І. "Иссдсдоїшь п орпшнчоють нроичг.одстсо гетерополярних релгептої) для флотации углей"; по целеіюіі комплексной проблеме Ц 131ШГУеопершеиечтнлшне технологических принесена и техники обогащении углсіі и слаицеи, ушерждеішш'і Мпііуглеііро.мо.м СССР 02.06.JS2 на 1981-І W5v.
iUv». іиіГмігм. Теоретическое обоснование и рдзрабоїиа физико-технических мегодон коп. иіціюішроитшн угольных пульп н счндашіе полых antiupuvon шідшиїоипрошшші, іюш.іиіліоіппх качесіио переработки угля методом «JlJlOUUtUII.
pfHoiiiiflti o.if'i олГкуіі.і ііо.міочуічт'.і d установлении я использовании закономерностей и іанмодсіістіиш угольник дисперсии с снолкрнтш реагентами v, цеіП'рабежпо-граіііігаціїоіінолі поле и сочдаши на этой ссноио ноилк технологий ііодгогог.ки угольной пулиы к флотации
'ї;г»:)чо неси?Tiwiiumi; - обасіїоїшь imsoe направленно кендпцнонпро-ьашы угольных пульп и цстробежію-факіїтаїшсніїсм полі, хграктерщую-іцемс» инсокоіі ніпенсітіюстмо турбулентных потоков;
устпноніїгь ролі. її значение при хонднциошіпоканин тксрдаЙ фазы no-лндиснерспоа пульпи;
установить заміскмоетн ьлнкпил на процесе підро.': о5гаац.іи угсльних дисперсий гранулометрического , петрографического состава п стадии метаморфизма ;
ьимтггь взаимосвязь гранулометрического состава от седеркгашдз шгг-
рннита и сш сорбцношоа способности н разработать, ікі этой о;:іог; Класси
фикацию 'оффекТИЕНОСТН К01ЩШШОШШО'.ШШ;
раскрыть механизм коияицдошгрошшя угодшо.1 пульпы її тучнть закрепление аподдрных реагентов наугольных фракціях в бгепешкш аппарате іювоіі модели; ' !
исследовать агрегирующую спосебноегь угольных частиц разновеликих но крушюсш с применением гшешрных реагаггея в различных условиях кондиционирования;
установить класс фяотащюнішх реагаггоа эффестиаио-действующах при подготовке угольной пульпы к флотации;
разработать метод оценки эффективности подготовки пулыш;
- исследовать механизм атрггащш разиапедшак угольных чаепщ н раз
работать математическую модель образования н разрушения этих агрегатов;
- выявить еппыальные підродіатаигчесіше параметры, оказывающие
положительное действие па ыехашом агрегации уголышх частішу
- разработать новые конструкции аппаратов кондиционирования .уголь
ных пульп:: создать комплекс оборудования для подготовки пульпы к фло
тации.
Методы исследований. Установление закономерностей фнэико-техпнческш характеристик турбулеіггности потоков при кондиционировании пульпы з шггробетсно-гразігтшпгошіом поле осуществлено путем лабораторных, экспериментальных исследований на специально разработанных стендах о использованием твеспшх и новых оригинальных методик таких как исследование підродішамичесісих параметров кондиционирования в центро-бсжно-грашггациошюм поле, определение адгезігашюго действия и агрегирующей способности аподярных реагентов и др.
Оценка влияния турбулентности пстохоа на коидіщионирование угольных пульп и обоснование коїіструтстшцьігьздгмеїггов аппаратов кондиционирования осуществлено с применением математических, физических и физико-химических методов исследований, включая микроскопический, фотометрический и скоростне." киносъемки.
Разработка аппаратов кондиционирования пульпы осуществлена на основа анализа и обобщения результатов аналитических, лабораторішх, стен-дспых и натурных экспериментальных исследований, создания экспериментальных образцов, опытно-промышленных испытаний.
Научные поло/кеппп, защищаемые п диссертации:
-кондиционирование угольной пульпы при флотации зависігг от качест-вешшх п количественных факторов. Качествсннодвердая фаза пульпы характеризуется стадией метаморфизма, веществениот петрографическим составом, окисленностыо, пористостью и адсорбциоіпюй способностью ; количественно- гранулометрическим составом, на который влияют физико-механические свойства угля: трещиноватость, прочность, вещественно-петрографический состав, шламообразопание, размокаемость;
качественные и количественные факторы учитываются при разработке классификации эффективности раздельного, кондиционировшия. Предлагаются четыре категории эффективности: I категория раздельное кондиционирование эффективно; II категория - весьма эффективно; III категория - менее эффективно; IV категория - неэффективно;
метод подбора эффективных флотационных реагентов, основанный на оптимальном процессе их кондиционирования в пульпе;
- для построения математической модели. образования и, разрушения аг-
рггатся при коидищіоіпірсізашиї угольных частиц, в пульпе использовано
имитационное моделирование , которое позволяет представлять модель в ви-
де машинной программы и рассчитывать ей с помощью ЭВМ. Расчет имита
ционной модели образования и разрушения агрегатов дает возможность опре
делить удельный расход реагентов при раздельном кондиционировании;
-процесс кондиционирования происходит в условиях шггененвной турбулентности. Измерения турбулентности в смесителе дают представление об
эффективности іїсрс*іеіішка)ііія ьодсліольиой суспензии, содержащей частини угла различной крупности, л йоэмоаптсть выбора формы смесителя;
- эффективность дондиинолироканш оценивается осткіочноіі концен
трации) ргаїсігтов ь жидкой фазе от холе» флотации. Чем меньше остаточная
хошіеятрациа, тем выше зффекпшпоеть ксцдтшиоипроьалш. Остаточная
конііїїпрапия зависит иі прочности закрепления реагента по поверхности
угольных частіш Омзсливанле частиц может пронзойїи d стеснённых усло
виях при високий турбулентности потока пульт.:. В этом случаг на эффек
тивность кондиционирования оказывает рликіше осреднешш скорость пото
ка в смесителе;
- модель иеремшиваиня «одоутолыюй суспензии в смесителе соошетст-
вует диффузионной модели - модели идеального вытеснения, осложненной
продольным и радиатьныч перемешиванием. Физическая модель кондишю-
ниронашш представлена о инк безразмерных критериев подобия.
- использование методов кондиционирования как без аэрации, так и с '
предварительной струйной аэрацией (патент Кг 1752423. Способ подготовки
пульны) (ютишнли со їдать новые конструкции аппаратов подготовки пульпы
к флотации.
Достопсряпсп» нобосиоппнносп, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
математической обработкой статистической информации по состапам шламои углеперсрабатьтающих предприятий Кузнецкого бассейна;
применением метода Роэнна-Рамлсра для опенки распределения частиц угли но размерам крупности;
использованием математического метода планирования экспериментов Іджса-Ушсоиа (крутого восхождения ) для определения граничного зерна разделении. Опыты рандошпироианы. Результаты расчета проведены на ЭВМ;
применением математического метода наименьших кпадратоп получено аналитическое ішражеине яаалсичосш содержания класса более 0,2 мм от содержания шгфишпа и его отражательной способности. При лом корреляционное отношение п > 0,4. срсднекпадраіичпое отклонение о - 3,1. Таким образом также определена зашісимоеп, сорбцнонной сиособносш класса Поясе 0,2 мм or содержания іштрииита и его отражательной способности. Корреляционное отношение // 0,9. Достоверное! ь составила 91%.
применением скоростпо/1 киносъемки ( 48 кадроп/с);
использованием имитационного модилиропання. Разработана модель образования и разрушения aipciuioa при кондиционировании угольных пульп. Расчет модели произведен методом Мошс-Карло.-Корреляционное от- ношение п для всех kjuiccoh крупности, например, для ЦОФ "Сибирь" рашю 0,89- 0,93, среднее квадратичное отклонение о " 0,07-0,1;
примененном физических методо» определения интенсивности турбулентных составляющих поюки пульпы при перемешивании, ішдоуголмюй
суспешші с использованием термогидромегра, шарикового тензодатчика її растворимого трассера.
- использованием теории подобия метода размерностей и на основании
п- теоремы Всюшгсмп рассчитано уравнение движения водоуголыгай суспен
зии и получены критерии геометрического и гидродинамического подобия;
-результатами стендовых исследований и промышленных испытаний при внедрении новых флоташгонных реагентов и аппаратов кондиционирования пульп.
Піучняя иояіпііа заключается в следующем:
-получена зависимость влияния на процесс кондиционирования угольной пульпы различных ингредиентов органического происхождения и минеральных ключений, что определяется стадией метаморфизма, петрографическим составом;
-установлена взаимосвязь гранулометрического состава угольных шла-моз от стадии метаморфизма;
-предложена классификация эффективности кондиционирования угольно"! нулыпт, основанной на попом принципе, учитывающем содержание вит-ріпііггп, е~о отражательной її сорбцнониоГі способности;
-олепернменталию установлено, что эффективность кондиционирования целесообразно оцетгать по остаточной концентрации реагентов в отходах флотации. Доказано, что чем меньше остаточная коїщеігграцня реагеїггов в отходах флотащш, тем выше эффективность когщігционіїрования;
-обосновано, что цгибольпіаі эффективность флотации получена с нс-пельоогйнием коїздіндшніфованім с. аполярпымн реагентами "Кузбасс" и "Омский" изучен механізм и определена скорость агрггшгяи угольных частиц в цегггроиеякпо-грапіггаіп.гоішом поле;
-предложена имитационная магемаппеская модель образоватія н разрушения нгрегагоз при кондиционировании твердой фазы пульпы;
-опре;'елсііьі.оіпшГ;алмше підродішаміїчсшіе параметры смесителя, огсазыпзющнз вдиянпз на механизм агрггащш частиц углл;
-теоретически обосновала, форма смесителя, способствующая интенсивному пїремешішашно потоков пульпи;
- изведено уравнение, характеризующее резким перемешивания в смеси
теле в мш безразмерных критериев подобия.
.І?ііІіи^ІІІЛ!іїїІЇІЯиіііШОЛ сосїоііт в разработке научно-обоснованных тех-ліиєсісіх п технологических решсідііі коїщішошгроватія угольных пульп, создания аппаратов подготовки пульпи при флоташш а включает:
обоснование нозого направленім коцдищгонпролшпш угольных пульп в цсіггроСежіш-гравігїоіпюішом .поле, характеризующемся высокой шггенсив-ігостью турбулентных потоков;
разработку метода прогнозирования возможности кондиционирования на оспопашн граігулометрігіескога, петрографического состава, стадии мета-морфгама !і ссрбігноіпіоп способности шггрншгта;
- определение адсорбционной способности и прочности зифеплешш
аполярных реагентов на углях различных классов хрупкости в бсспешюм ап
парате новой конструкщш;
подбор класса оффеетивно-действуюппгх флотационных реагентов с оптимальным групповым и фракционным составами при коїцацпшгфозаигої угольной пульпы;
рщработку методологии процесса образования и разрушения агрегатов при кондиционировании твердой фазы пульпы и алгоритма расчета, осневан-нсго на методе Монте-Карло;
разработку стендовых установок и определение оптимальных пщродц-намнческих параметров смесителя, оказывающих влияние на механизм агрегации частиц угля;
теоретическое обоснование формы смесителя, способствующей интенсивному перемешиванию потоков пульпы;
-разработку стендовых установок для исследования параметров кондиционирования в аппаратах циклонного и спирального типов;
определите оптимальных условий для получеши граничного зерна разделения не более 0,2 мм и уточненных коэффициентов Кэю u Кд при классификации в гидроциклоне;
разработку , создание и внедрение новых конструкций аппаратов и комплекса оборудования для коїідицдошровашш уголышх пульп при флата-щш.
Практическая ценность. Результаты выполненных, исследований позволяют:
» установить влняшю на процесс ісанднциоїшровшіия сочетания разяич-иых ингредиентов оргаїпіческого происхождения и минеральных включений и их свойств, которые определяются стадией метаморфизма, петрографическим составом, степенью окнелсшюсти - это тревдшювагостъ, пористость, хрупкость и др. Эти факторы определяют гранулометр'їіческіш состав шла-мов;
выявить тесную взаимосвязь гранулометрического состава уголышх шламоз и отражательной способности витришгга (стадии метаморфизма);.
определить сорбхцюннуїо способность уголышх частиц разжішшх Стадий метаморфизма. На основании сорбциошюй способности и содержания витринита разработать классификацию эффективности кондшпішшровашія выбрать способ и аппарат ковдиционирования угольной пульпы при флотации;
рекомендовать новые флотационные реагенты для флотащш уголышх пшамов;
контролировать эффективность кондициощфоваіпія угольных пульп по остаточной ковдеатращш реагептоз в отходах флотащш;
- выбрать оптимальную геометрическую форму смесителя, составной
части аппаратов подготовки пульпы;
- использовать математическую н физическую модели при прогнозировании процессов кондиционирования угольной пульпы с флотационными реа-i'ciiiumm :і иентробежно-гравитанноппом поле и рассчитать параметры кондиционирования пульпы.
. На оснолшши выполненных исследований создана технология и разрабо-таиы аппараты кондиционирования пульпы, обеспечивающие подготовку пульпы с реагентами в ценгробежно-гравігтациоішом поле, дозаторы реагентов, предложены и внедрены флотационные реагенты аполярнсго типа для флотации угли. Псе разработки защищены 14-ю авторскими свидетельствами и двумя ішіенгамп на изобретение.
Реализации работы. Научные результаты диссертационной работы использованы ігри подборе флотационных реагешов и разработке системы стабилизации расхода их, пключая дозаторы новой конструкции. На флотационные реагенты разработаны и утверждены технические условия: на Омский реагент-собиратель ТУ 38.101.720-78 и ТУ 38.301-19-31-91, на реагент "Кузбасс" ТУ 6.01-09-15-76. Практические рекомендации работы и результаты исследовании использованы при научном обосновании планов научно-технического прогресса, проектировании реконструируемых флотационных отделений углеперерабатьтаюіцір- предприятий Кузнецкого бассейна а также в дипломных проеігтах и бакалаврских работач стулеіггами КузПУ и в работах выпускников института поиышения квалификации.
Аппараты кондиционирования пульпы и флотационные реагенты внедрены на углеперерабатыпаю!!шх предприятиях ЦОФ "Сибирь", "Кузбасская", "Березовская", "Бслопсімд*', ''Кузнецкая", "Зимника", ГОФ "Красногорская", "Коксовая", "Томусі.тгская?' и др., позволяющие улучшпь качество выпускаемо!! продукции и снизить -остаточную коїщентрацню реагентов в отходах.
От в'їедрсішл разработок получеиг^ачнтельиий экономический эффект.
Апппбяшш пліштіл. Отдельные положения, работы и вся диссертация в полом до.'слздывалась и обсуждалась па Всесоюзном совещании" Новая техника и технологи)! флотации угля'-' (г.Кадиевка, 1972 г.), на научно-техническом совете Минуглепрома СССР. Секция обогащения и брикетирования угля (г.Шахты, сентябрь 1974 г..), па Всесоюзной школе передовою опыта " Совершенствование водно-шламовых схем" (г.Москва, ВДНХ, ноябрь 1975 г.), па Всесоюзном совещании "Физико-химические основы интенсификации комплексной переработки руд Восточной; Сибири" (г.Иркутск, сентябрь 1980 г.), на VH Международном конгрессе ко обогащению углей (Австралия., Г.Сидней), на заседании секции по новой, технологии обогащения полезных ископаемых Научного совета "Новые процессы и способы производства работ п горном деле " (ПС СССР по науке и технике, июнь 1932 г.), пз IX Международном конгрессе но обогащению угля (Индия, г.Ныо-Дели, ноябрь-декабрь 1982 г.), на региональной научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Л-И. Менделеева (г.Томск, февраль 1984 г.), на семинаре лаборатории флотационных методов обогащения ИОТТ
(г.Люберцы, сентябрь 1985 г.), на X Международном конгрессе по обогащению угля (Канада г.Эдмонтон, август-сентябрь 1986 г.), на XI Международном конгрессе по обогащстпо угля (г. Япония, Токио, 1990 г.), на XU Международном конгрессе по обогащению угля (г. Краков, Польша, май 1994 г.), на XIII Международном конгрессе но обогавденшо угля (г, Брисбен, Австралия, октябрь 1998г.).
Модели аппарата кондпциошіровашія пульпы, дозатора ршштов и апо-лярный реагент экспошфозались на ВДНХ СССР н ВВЦ . Получены одна серебрянач и дае бронзовые медали.
Публика щги. По материалам диссертационной работы опублнхозано 50 печатных работ, а том числе три монографии. Получено 14 авторских свидетельств и два патента на изобретешь. Результаты отдельных положений диссертации изложены в 80 научных отчетах.
Структура и объем работы, Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и приложений (296 страниц тексга, 49 рисунков, 36 таблиц, список литературы-182' источника)!
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую, благодарность за консультации докторам наук Н.Н Виноградову, В.А. Глембоцкому, И.Х. Дебердееву, В.11. Шохіпгу, А.А.Байчеіко, коллегам по совместной работе канд. техн. наук Е.Н.Щеголсвой, А.И.Чубенко, А.Г.Лайгсру, М.И.БабакойОй, Т.И.Додгановой, М.В.Романовской, Л.А.Ерошкиной, Н.Д.Лисишнноп, В.С.Красицкому.
Выполнение работ по испытаниям и промышленному внедрению аппаратов кондиционирования угольной пульпы было бы невозможно баз постоянной помощи и творческого участия коллектива и руководства утдеперераба-тывакмцнх предприятий Кузнецкого бассейна.