Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние угольной промышленности. структура работы, задачи и методы исследования 6
1.1. Основные тенденции развития угольной промышленности в мире 9
1.2. Современное состояние угольной промышленности России 12
1.3. Резюме, задачи, использованные методы исследований и структура работы 25
Глава 2. Анализ и оценка сортирующих устройств 30
2.1 Неподвижные сортирующие устройства 32
2.2 Подвижные сортирующие устройства 34
2.3 Устройства, не отнесенные к другим рубрикам 53
Выводы по главе 2 58
Глава 3. Обоснование параметров грохота с канатным движущимся полем 60
3.1. Конструкция грохота с канатным движущимся полем 60
3.2 Расчет параметров грохота с канатным движущимся полем 64
3.2.1 Характеристика сортируемого материала 66
3.2.2 Определение пропускной способности загрузочного бункера 67
3.2.3 Определение производительность грохота 72
3.2.4 Выбор каната 76
3.2.5 Определение длины канатного блока 81
3.2.6 Определение ширины канатного блока 83
3.2.7 Определение высоты грохота 84
3.2.8 Определение мощности двигателя 86
3.2.9 Расчет приемных бункеров 88
Выводы по главе 3 з
Глава 4. Выбор рациональных значений параметров грохота с канатным движущимся полем 90
4.1. Постановка задачи по рационализации значений параметров грохота 90
4.2. Определение зависимостей параметров грохота 92
4.3. Расчет зависимостей основных параметров 95
Выводы по главе 4 117
Глава 5. Расчет параметров и технико-экономическое обоснование использования грохота с канатным движущимся полем 118
5.1 Расчет параметров грохота с канатным движущимся полем для заданной производительности 118
5.2 Описание модели грохота с канатным движущимся полем и рекомендации для выполнения опытно-промышленного образца 132
5.3 Оценка экономической эффективности применения ГКДП 144
Выводы по главе 5 150
Заключение 151
Список литературы
- Современное состояние угольной промышленности России
- Устройства, не отнесенные к другим рубрикам
- Определение пропускной способности загрузочного бункера
- Расчет зависимостей основных параметров
Современное состояние угольной промышленности России
Таким образом, в России планируется увеличение добычи угля к 2030 г. на 36 %, при этом максимальный прирост будет в Республике Тыва, где объемы увеличатся в 40 раз. В Кемеровской области, регионе, добывающем более половины угля в стране, добыча вырастет на 17 %; в Байкальском регионе и на Дальнем Востоке - соответственно на 41 и 126 %. В Красноярском крае по прогнозам объемы добычи вырастут на 8 %. В остальных регионах страны - на 33 %.
Для производства тепловой и электрической энергии используются слоевой способ сжигания, факельный, или пылевой, и наиболее перспективный способ сжигания в «кипящем слое», позволяющий сжигать высокозольные (до 50 %) угли. Выбор способа сжигания определяется мощностью котла. Например, в коммунально-бытовом секторе используется преимущественно слоевой способ сжигания - за 2013 г. около 52,8 млн т (рис. 1.11). Для данных потребителей необходим уголь с заданным гранулометрическим составом. На электростанциях преимущественно используют пылевой способ сжигания (88 млн т в 2013 г.), и в настоящее время около 90 % бурого угля в нашей стране сжигается именно таким способом.
Поэтому для удовлетворения растущего спроса различных отраслей промышленности и населения в угле необходимо поставлять не просто рядовой, а отсортированный по крупности уголь, сжигание которого более рационально и выгодно конкретным группам потребителей.
Крупность (фракция, сорт) угля устанавливается по нижнему значению самой мелкой фракции и верхнему значению самой крупной фракции, указанной в марке угля (табл. 1.1).
В зависимости от поведения углей в ходе термического воздействия выделяют следующие марки: антрацит, бурый, газовый, длиннопламенный, жирный, коксовый, отощенный спекающийся, слабоспекающийся, тощий. Таблица 1.1 Классификация углей по крупности
Общий объем переработки угля за 2013 г. составил 164,4 млн т (на 9 % выше уровня 2012 г.). Большая часть переработана на обогатительных фабриках - 155,9 млн т (на 10 % больше, чем годом ранее), выпуск концентрата составил 91,6 млн т (на 11 % больше, чем годом ранее); выпуск углей крупных и средних классов - 18,5 млн т (на 3 % больше, чем годом ранее) [8]. Основными перерабатывающими регионами являются Кузбасс, Печорский бассейн, Забайкальский край и др. (рис. 1.16).
Для разделения (сортировки) рядового угля по крупности частиц и получения сортового продукта различного гранулометрического состава применяются сортирующие устройства (грохоты, сепараторы, классификаторы и др.). Челябинская область
Сортовой уголь имеет значительные преимущества по сравнению с рядовым: - зольность низкосортного угля выше, чем у сортового, таким образом, для получения требуемой теплоты сгорания необходимо сжечь большее количество рядового угля, также повышенная зольность приводит к загрязнению котлов, дымоходов и прилегающей территории; - большое содержание инородных тел, породы, серы приводит к ускоренному износу камер сгорания; - влажность рядового угля выше, таким образом, часть тепла тратится на нагрев и испарение воды, что также приводит к увеличению расхода низкосортного угля.
Для сортировки угля используются различные дробильно-сортировочные комплексы, один из таких стационарных комплексов установлен в Красноярском крае на угольном разрезе «Переясловский» ОАО «Красноярсккрайуголь» (рис. 1.17, 1.18) [25; 26]. Рис. 1.17. Схема стационарного ДСК: 1 - ДСК; 2 - склад угля (класс 0-25 мм); 3 - отсыпка угля (класс 25-200) мм в железнодорожные вагоны
Рис. 1.18. Конструкция стационарного ДСК (Переясловский разрез) Рядовой уголь автосамосвалами доставляют в приемный бункер ДСК 1, где установлена валковая дробилка. Далее рядовой уголь (фракция 0-200 мм) поступает на скребковый конвейер (рис. 1.18, 1.19), снабженный колосниковыми решетками с щелью 25 мм, который выполняет роль гравитационного классификатора. Уголь разделяется на классы 0-25 мм и 25-200 мм. Класс 0-25 мм попадает через решетку на дно скребкового конвейера и далее транспортируется на ленточный конвейер, а затем к месту складирования 2 или в железнодорожные вагоны. Класс 25-200 мм также транспортируется к ленточному конвейеру и на погрузку в железнодорожные вагоны 3.
Устройства, не отнесенные к другим рубрикам
Для увеличения эффективности сортировки была предложена модель центробежного классификатора (рис. 2.18), который включает вертикальный корпус 6 с загрузочным 2 и разгрузочными патрубками 8, сепарирующую поверхность 5 в виде диска 4, размещенного внутри корпуса 6 с возможностью вращения. Классификатор снабжен сквозным цилиндром 1 для отбора нужных фракций и соосно установленным внутри цилиндра распределительным устройством в виде вертикального набора усеченных конусов 7, ориентированных меньшим основанием к сепарирующей поверхности 5 и расположенных в порядке уменьшения оснований в направлении от сепарирующей поверхности 5 к выгрузным патрубкам 8. Причем рабочая сепарирующая поверхность 5 классификатора выполнена в виде разгонного диска 4, по периферии которого жестко с ним установлены стержни 3, образующие в радиальном направлении клиновидные щели [46].
Благодаря данной конструкции центробежного классификатора возможно получение продукта любой фракции без остановки рабочего процесса [46].
В центробежном грохоте (рис. 2.19), варьируя скорость вращения рабочей воронки, ее высоту и угол, можно добиться необходимой производительности грохочения и его качества для материалов любой плотности [47]. крупного материала Данное устройство работает следующим образом: вал привода 4 приводит во вращение просеивающую поверхность 5. Через загрузочную воронку 2 подается исходный продукт на диск-питатель 3. Под воздействием центробежной силы исходный материал интенсивно разбрасывается на рабочую поверхность сита 5. При этом мелкие минералы просеиваются и попадают в разгрузочную воронку 7. Крупные минералы по винтовой линии движутся к нижнему краю сита и попадают на разгрузочную воронку 6 [47].
Интерес представляют конвейерные сортирующие устройства, так как они являются одними из самых перспективных с точки зрения простоты конструкции, массогабаритных характеристик и необходимой мощности привода.
Конвейерные сортирующие устройства (рис. 2.20) по форме напоминают конвейер, но вместо ленты на барабаны натянута просеивающая поверхность, которая может быть образована канатами, струнами и другими элементами, расстояние между которыми устанавливается таким образом, чтобы получить фракцию необходимого класса. К данному типу относятся следующие модели: сепарирующий транспортер [48], ленточный грохот [49], разделительное устройство [50], сепаратор сыпучих материалов [51], грохот с канатным движущимся полем.
Сепарирующий транспортер (рис. 2.20, а) содержит бесконечное прутковое полотно 1, обводные ролики 4, установленные поочередно вверху и снизу относительно полотна 1. При включении в работу передней звездочки 2, являющейся ведущей, происходит натяжение нижней ветви пруткового полотна 1 на участке между ведущей 2 и ведомой 5 звездочками. Натяжение верхней ветви ослабевает, при этом верхняя ветвь пруткового полотна становится ведомой, из-за слабого натяжения свободно огибает обводные ролики 4 и, имея волновую поверхность, становится рабочей по сепарации смеси, а нижняя ветвь - ведущей, с гораздо более сильным натяжением. Почвенные пласты 3 по мере продвижения по верхней (рабочей) ветви транспортера приобретают волновую поверхность, претерпевают на гребнях волны разрыв верхних слоев и сжатие нижних, а на впадинах волны - сжатие верхних и разрыв нижних слоев, т. е. подвергаются знакопеременным нагрузкам. На набегающих и сбегающих участках волновой поверхности осуществляется разрыв, благодаря чему обеспечивается крошение почвенного пласта и сепарация почвы [48].
Схемы конвейерных сортирующих устройств: а - сепарирующий транспортер; б - ленточный грохот; в - разделительное устройство; г - сепаратор сыпучих материалов
Цель данного технического предложения - улучшение качества технологического процесса путем улучшения сепарации смеси и повышение производительности труда путем подталкивания сепарируемой смеси к выходу при одновременном уменьшении смещения ее в обратном направлении [48].
Ленточный грохот (рис. 2.20, б) содержит просеивающую поверхность 3 в виде бесконечного тягового органа из секций с рабочей зоной и зоной разгрузки, барабаны 1, закрепленные между основаниями секций и установленные с натяжением в рабочей зоне и без натяжения в зоне разгрузки. Каждая секция снабжена приспособлениями (механизмами) 4, обеспечивающими натяжение просеивающей поверхности 3 с заданным усилием только в рабочей зоне [49].
Исходный материал подается на ленточный грохот. Каждая секция, получив расчетную порцию материала, поступает в зону промывки 2 надре-шетного материала, который пройдя через просеивающую поверхность 3, попадает в приемник 5. Секция с промытым надрешетным материалом попадает в зону разгрузки, где натяжение просеивающей поверхности на время прохождения зоны разгрузки отсутствует, она обвисает, застрявшие трудные зерна освобождаются и смываются водой в приемник 6 [49].
Разделительное устройство (рис. 2.20, в) предназначено для разделения жидкостей и твердых частиц. Содержит несущую конвейерную ленту 5, которая проходит вокруг поддерживающих роликов 3 и имеет поперечно направленные каналы 6. Один из роликов 3 является ведущим. Несущая конвейерная лента 5 перемещает фильтровальную конвейерную ленту 2, которая аналогичным образом проходит вокруг поддерживающих роликов 7. Приемный бак 4 расположен на краю несущей конвейерной ленты 5. В начале и в конце приемных баков размещены уплотнения 1, которые уплотнены по отношению к боковым кромкам несущей конвейерной ленты [50].
Сепаратор сыпучих материалов (рис. 2.20, г) содержит раму 9, на которой параллельно установлены направляющие пластины 3. Между пластинами 3 вставлены пружины 5, на которых подпружинены валики 2, с расположенными на них разделительными шайбами 4. Центр тяжести шайб 4 смещен относительно оси их вращения. Верхняя ветвь бесконечной перфорированной гибкой ленты 6 установлена на разделительных шайбах 4. Ленту 6 приводят во вращение при помощи барабана 11, установленного со стороны загрузочного конца. Над верхней ветвью ленты 6 установлен загрузочный бункер 1. В нижней части лента 6 установлена на поддерживающих роликах 8. Под нижней ветвью ленты 6 размещен приемник продуктов разделения 10, а сбоку ленты в месте схода с разделительных шайб 4 установлен приемник 7 продуктов разделения [51].
Для сортировки угля эффективно подходит грохот с канатным движущимся полем (ГКДП), схема которого представлена на рис. 2.21.
ГКДП включает несколько просеивающих секций 2, расположенных друг над другом, которые представляют собой барабаны и натянутые на них канаты, расстояние между ними уменьшается от верхней к нижней секции. Последняя секция представляет собой ленточный конвейер 4 для сбора под-решетного материала. Все секции выполнены с разными по площади просеивающими поверхностями, для отбора крупных частиц угля предназначена самая большая по длине и ширине секция, ниже нее установлены меньшие по длине и ширине секции. Для равномерной загрузки рядового угля установлен бункер-питатель 1, а для сбора сортового с каждой секцией сопряжен приемный бункер 3.
ГКДП отличается простотой конструкции и относительно небольшими габаритами и массой, при этом обеспечивается высокая производительность и эффективность сортировки. Сортирующее поле ГКДП, образованное кана 53 тами, позволяет избежать возникновения забутовок и засорения, что характерно для распространенных моделей с сортирующими поверхностями в виде сит или решета. Отсутствие виброузлов дает снижение энергоемкости и металлоемкости, что также обеспечивает полное отсутствие вибронагрузок на фундамент.
Определение пропускной способности загрузочного бункера
Для одинаковых условий эксплуатации возможно применение ГКДП с разным сочетанием режимных и конструкционных параметров, т. е. при заданной производительности возможны различные соотношения значений ширины, длины канатного полотна и скорости его движения. Изменение этих параметров влияет на производительность грохота, поэтому очень важна задача выбора из большого числа возможных вариантов конструкций ГКДП самой лучшей или оптимальной, при которой обеспечивается требуемая производительность и высокая эффективность сортировки в любых условиях эксплуатации.
Конструктивные параметры канатного грохота находятся в тесной зависимости между собой, поэтому необходимо оптимизировать их в комплексе, т. е. рассмотреть все основные параметры, которые определяют конструкцию грохота. Чтобы определить количество параметров, которые будут оптимизированы, необходимо представить грохот как систему следующих взаимосвязанных элементов: несущая конструкция; канатное полотно; привод.
По каждому из этих элементов следует оптимизировать основные определяющие их параметры. Для канатного полотна - это его скорость движения и диаметр каната; для конструкции - ее габариты, а также габариты загрузочного и разгрузочных бункеров; для привода - мощность электродвигателя и их количество. Постановка задачи оптимизации содержит множество допустимых решений X и числовую функцию /, определенную на множестве X, называемую целевой функцией (а также критерием оптимальности или критерием качества). Множество X также называют допустимым множеством или множеством возможных решений [94].
Задача оптимизации заключается в выборе среди элементов множества X такого решения, которое было бы с определенной точки зрения наиболее предпочтительным. Сравнение решений по предпочтительности осуществля ется с помощью целевой функции. Выделяют два варианта сравнения произ вольной пары решений х \ х Є X с помощью функции /. Можно считать, что решение х предпочтительнее х 2\ если выполнено неравенство f(x&) Дх). Тогда поиск наиболее лучшего решения среди всех эле ментов множества X заключается в нахождении решения, доставляющего наименьшее возможное значение целевой функции / на множестве X. В этом случае задача оптимизации представляет собой задачу минимизации. Если же считается, что решение х 1 предпочтительнее решения х(2\ когда вы полнено неравенство то поиск наиболее предпочтительно го решения представляет собой задачу максимизации функции / на множест ве X [95; 96].
Чтобы решить задачу минимизации функции / на множестве X, нужно найти такой вектор х 0) ЕХ (а также соответствующие значение /(х )), чтобы неравенство f(x ) f(x) было выполнено для всех х Є X. При этом решение х() называют оптимальным (точнее говоря, минимальным), а значение /(х()) - оптимумом (минимумом). Тот факт, что решение х() оптимальное, т. е. доставляет наименьшее возможное значение функции / на множестве X, записывают в виде [96; 97]
Задача максимизации заключается в отыскании такого вектора х Є X (и соответствующего значения /(х)), для которого неравенство /(х) /(х) имеет место при всех х() Є X. Если х() - решение задачи максимизации, то используется запись [96; 98] f(x(o)\ — тах fix). хех При этом х() называют максимальным (оптимальным) решением, а значение f(x ) - максимумом (оптимумом).
Решить задачу оптимизации означает найти оптимальную точку х 0) и оптимальное значение f(x ). Если же найдено только оптимальное значение /(х()), то для отыскания оптимальной точки необходимо решить уравнение f{x) = /(х 0)), что может составить сложную вычислительную задачу.
В теории оптимизации удобно рассматривать два вида оптимумов: локальный и глобальный. Говорят, что точка х 0 Е X доставляет функции / на множестве X локальный минимум, если существует такая окрестность Ue(x), (є 0) точки х(\ что неравенство f(x ) fix) справедливо для всех х Є X П ие(х( ). Глобальный минимум функции / доставляет точка х(о) g х дЛЯ которой записанное выше неравенство выполняется при всех х Е X. Прилагательное «глобальный» используется для того, чтобы подчеркнуть отличие этого минимума от локального минимума [99; 100; 101].
В соответствии с приведенными определениями в первом случае точку х() называют точкой локального минимума, а во втором - точкой глобального минимума. Таким образом, выражения «х 0 - минимальная точка», х() - решение задачи минимизации» и «х - точка глобального минимума» означают одно и то же.
Расчет зависимостей основных параметров
Как видно из табл. 5.4, 5.6, ГКДП имеет значительные преимущества по сравнению с ГИЛ, ГИСЛ. При равной производительности ГКДП обладает меньшими габаритами и массой, что дает возможность использовать его не только стационарно, но и устанавливать на мобильное шасси.
Требуемая мощность электродвигателя привода ниже, что обеспечит снижение расхода электроэнергии при сортировке.
Помимо обоснования преимуществ технических характеристик ГКДП необходимо также оценить эффективность сортировки ГКДП, для этого разработана модель и проведены испытания.
Для проверки работоспособности и отработки отдельных узлов конструкции изготовлена физическая модель ГКДП (рис. 5.1).
Модель грохота с канатным движущимся полем: 1 - кожух; 2 - загрузочный бункер; 3 - рама; 4 - канат; 5 - ведомый барабан; 6 - приемный бункер; 7 - бункер подрешетного материала; 8 - приводной барабан; 9 - электродвигатель
В соответствии с представленным в главе 3 техническим предложением ГКДП модель выполнена в виде перевернутой пирамиды (рис. 5.1, 5.3), с разными по площади рабочими поверхностями (просеивающими секциями).
Просеивающая секция состоит из приводного 8 и ведомого 5 барабанов (рис. 5.1). Диаметр барабанов верхней просеивающей секции составляет 60 мм, средней 55 мм, нижней 50 мм. На окружности барабанов выполнены проточки (канавки) глубиной 5 мм. Расстояние между проточками в верхней секции 20 мм, средней - 10 мм, нижней - 5 мм. В канавки уложен канат 4 выполненный по ГОСТ 3062 - 80 диаметром 3 мм. Таким образом, просеивающие секции (рис. 5.1) образованы канатом 4, который соединяет приводной 8 и ведомый 5 барабаны. Приводной барабан 8 каждой секции соединен с электродвигателем 9 АИР 80 В2 цепной передачей и обеспечивает движение канатов на просеивающей секции, а следовательно, и сортируемого материала от точки загрузки до приемного бункера.
В верхней части грохота (рис. 5.2) над приводным барабаном 4 расположен загрузочный бункер 2 с шиберным затвором для обеспечения равномерной подачи сортируемого материала на просеивающие секции.
Верхняя самая большая просеивающая секция 4 (рис. 5.3), предназна-ченная для отбора самых крупных кусков, имеет площадь 0,88 м при длине 1400 мм, ширине 630 мм. Ниже ее расположена средняя просеивающая секция 5 для отбора средних кусков сортируемой горной массы, площадь кото-рой составляет 0,38 м , длина 800 мм, ширина 480 мм. Нижняя просеивающая секция 6 площадью 0,17 м предназначена для отбора мелкой фракции. Ее длина 520 мм, ширина 330 мм. В самой нижней части модели грохота расположен бункер 7 подрешетного материала.
Под каждым ведомым барабаном 4 всех просеивающих секций (рис. 5.4) расположены приемные бункеры 5, аккумулирующие задержанный класс (одинаковый гранулометрический состав) сортируемой горной массы.
Загрузочный бункер 2 (рис. 5.5), приемные бункеры 4 и бункер подре-шетного материала 6 изготовлены из листового металла и крепятся к раскосой раме 3, выполненной из уголка. К нижней части рамы, изготовленной из швеллера, крепится электродвигатель 7, закрываемый кожухом.
В верхней части и по бокам (за исключением стороны, где расположены приемные бункеры), модель грохота закрывается съемным кожухом из оргстекла (на фото кожух снят). Габариты модели ГКДП составляют: длина 1,66 м, ширина 1,25 м, высота с установкой модели грохота на колеса - 0,92 м. Все линейные размеры разработанной модели ГКДП уменьшены в 2 раза относительно соответствующих размеров рассчитанной модели гро-хота на производительность 100 м /ч, таким образом, получено одинаковое
Для оценки эффективности сортировки предлагаемого грохота с канатным движущимся полем были проведены испытания.
В качестве сортируемого материала были изготовлены деревянные кубики различного гранулометрического состава (рис. 5.6). После включения привода 7 (рис. 5.5) сортируемый материал загружался в загрузочный бункер 2. Далее открывался затвор в загрузочном бункере и сортируемый материал под действием силы тяжести попадал на верхнюю просеивающую секцию 5. Куски сортируемого материала, большие, чем промежутки между канатами, задерживались на канатах и транспортировались в приемный бункер 4 верхней секции. Более мелкая фракция, прошедшая через верхнюю просеивающую секцию, попадала на среднюю секцию, где канатом транспортировалась в свой приемный бункер. Мелкий гранулометрический состав задерживался на нижней просеивающей секции и попадал в приемный бункер для мелкой фракции. Самая мелкая фракция, не задерживаясь на просеивающих секциях, под действием силы тяжести, попадала в бункер 6 подрешетного материала.
Состав сортируемого материала, задержанного верхней просеивающей секцией и собранного в приемном бункере (надрешетный продукт), был рассчитан с целью получения его процентного содержания к исходному питанию, а также содержание более мелкого класса (подрешетный продукт), который остался на верхней просеивающей секции и попал в бункер (рис. 5.7).
Устройство включает привод, вращающий ведущий 1 барабан квадратной формы со скругленными углами. Находящееся на барабане сортировочное полотно, представленное в виде множества бесконечных тяговых элементов (канатов) 6, передает вращающий момент на ведомый барабан 4, также выполненный квадратной формы со скругленными углами.
Наличие углов у ведущего и ведомого барабанов при их вращении приводит к вертикальному перемещению тяговых элементов (канатов) 6, составляющих сортировочное полотно. Причем ведущие и ведомые барабаны могут быть выполнены не только квадратной формы, но и треугольной, пятиугольной, а также с радиальным сдвигом (рис. 5.9) [104].
Горизонтальное перемещение тяговых элементов (канатов) 6 обеспечивается асимметричными гребнями 2 овальной формы, установленными под углом к оси на гранях ведущего и ведомого барабанов и направляющими своим изогнутым краем 5, выходящим за угол квадратного барабана, канат в канавку 3. Канавки и гребни на противоположных гранях квадратного барабана выполнены под углом в одну сторону, а канавки и гребни на смежных с ними гранях квадратного барабана в другую, при этом гребни на смежных гранях квадратного барабана расположены по правую и левую стороны относительно канавки с тяговым элементом. Изменение направления навивки каната на ведущем 1 барабане приводит к соскальзыванию каната 6 на ведомом 4 барабане, чем и достигается горизонтальное перемещение [104,105].
