Тяжелосредное обогащение углей

– потерями тонких классов магнетита с хвостами регенерации при эксплуатации электромагнитных сепараторов на пониженных параметрах тока, особенно при регенерации разбавленной суспензии в одну стадию;

– отсутствием на ряде фабрик складов для хранения всего магнетита, разгрузка его на плохо оборудованные площадки у железнодорожных путей, где магнетит длительное время подвергается атмосферным воздействиям.

Рациональной считается форма доставки магнетита в железнодорожных вагонах непосредственно на склад. Разгрузка магнетита из вагонов на складе устраняет потери и засорение магнетита посторонними примесями. Вместимость склада должна удовлетворять потребность фабрики в магнетите на весь зимний период.

Для приготовления суспензии в помещении склада устанавливается емкость. Из траншей магнетит по мере необходимости выбирается грейфером, подвешенным на монорельсовой тележке, и подается на предохранительную решетку в емкость заполненную водой и барботируемую сжатым воздухом (рис. 1.12, а). Приготовленная суспензия, требуемой плотности, насосом перекачивается в сборник кондиционной суспензии тяжелосредной установки.

На обогатительных фабриках, где тяжелосредные установки внедрены в результате реконструкции, разгрузка магнетита из ж.д. вагонов осуществляется на площадки возле ж.д. путей, откуда магнетит автотранспортом доставляется в помещение, приспособленное для склада магнетита.

В этих помещениях смесительные воронки устанавливаются над железобетонным зумпфом емкостью 1,0–1,2 м3 с наклонным днищем, заглубленным ниже нулевой отметки на 0,6–0,7 м. Откачка накопившейся суспензии из зумпфа осуществляется насосом через вертикальный всасывающий патрубок с пробковым краном (рисунок 1.12, б) погруженным в зумпф на глубину не более 0,5 м при общей его длине 0,8 м [16]. На этих тяжелосредных установках теряется от 5 до 10 % магнетита при перегрузках и транспортировке на склад.

Рис. 1.12. Схемы установки с емкостями для приготовления и транспортирования магнетитовой суспензии

Общий расход магнетита складывается из безвозвратных потерь в ряде точек технологического цикла:

– при транспортировке, разгрузке и складировании;

– при приготовлении свежей суспензии;

– с продуктами обогащения;

– с отходами регенерации;

– с проливами суспензии, которые не возвращаются в технологический цикл регенерации.

Фактический общий расход магнетита определяется по отчетной документации фабрики, как количество полученного магнетитового концентрата за определенный период (например, за год), отнесенные к количеству перерабатываемого угля за тот же период в тяжелых средах.

Потери утяжелителя с продуктами обогащения и отходами регенерации определяются путем отбора проб, их обработки и соответствующих расчетов. При расчетах потерь магнетита необходим учет действительного содержания магнитных фракций. Для этой цели, во время опробования отбирают пробу рядового магнетита: набирают пробу массой 2–3 кг и сокращают до 100 г затем с помощью магнитного анализатора определяют содержание магнитных фракций в рядовом магнетите.

Определение потерь магнетита с продуктами обогащения

Для анализа продуктов обогащения на содержание магнетита используют пробы, отобранные с порогов дренажно-обезвоживающих грохотов. Подвергают анализу сухие остатки промывных вод, полученных в процессе обесшламливания проб продуктов обогащения при подготовке их к фракционному анализу.

С помощью магнитного анализатора определяют содержание магнитной фракции в сухих остатках, а затем рассчитывают содержание магнетита в продуктах обогащения:

где γс– выход сухого остатка от пробы продукта обогащения.

Здесь индекс ”пр“ означает ”продукт“ и далее к нему добавляются индексы ”к“, ”пп“, ”о“ при обозначении концентрата, промпродукта или отходов соответственно.

Далее определяют общие потери магнетита с продуктами обогащения при обогащении угля в тяжелосредном сепараторе и гидроциклоне М'ном в расчете на 1 т исходного питания по формуле:

где γк, γпп, γо – соответственно, выход концентрата, промпродукта и отходов от исходного.

Определение потерь магнетита с хвостами магнитных сепараторов

В период опробования тяжелосредных установок отбирают пробы хвостов магнитных сепараторов порциями по 0,5–1 л через равные промежутки времени из каждого магнитного сепаратора отдельно. Количество порций – не менее 30, каждая порция должна содержать продукт из всех хвостовых насадок магнитного сепаратора. При регенерации разбавленной суспензии в две стадии, для определения потерь магнетита отбирают пробы хвостов только второй стадии.

Определяют содержание твердого в хвостах Сm (кг/м3) и содержание магнитной фракции в сухом остатке γмх (твердом).

Определяют часовую потерю магнетита (рядового) с хвостами магнитных сепараторов по формуле:

где Qн – производительность одной насадки для выпуска хвостов, м3/ч; nн – количество насадок во всех параллельно включенных сепараторах, шт.

Потери магнетита с хвостами регенерации в расчете на 1 т исходного питания при непрерывной работе тяжелосредной установки в период опробования (без снятия нагрузки по питанию) М' ном определяют по формуле:

где G – часовая производительность тяжелосредной установки по исходному питанию, т/ч.

В случае если в процессе опробования были перерывы в подаче исходного угля, рассчитанные таким образом потери магнетита с хвостами регенерации будут заниженными. Точное их определение затруднено, ввиду того, что состав питания магнитных сепараторов в переходном режиме (при снятой нагрузке и некоторое время после ее подачи) непрерывно меняется. В этом случае потери магнетита (в пересчете на непрерывный режим работы):

где tопр., tраб. – продолжительность опробования и продолжительность работы с номинальной нагрузкой, час.

Общие потери магнетита на 1 т исходного питания составят:

Прочие потери магнетита (при транспортировке, приготовлении суспензии и др.) определяются вычитанием из общего расхода магнетита потерь с продуктами обогащения и отходами регенерации, отнесенными к количеству переработанного угля за отчетный период в тяжелых средах.

Потери магнетита при ведении технологического процесса компенсируются подачей свежеприготовленной суспензии в сборник кондиционной суспензии один раз в смену или по мере необходимости.

Годовая потребность в магнетите для обогатительной фабрики определяется произведением индивидуальной нормы расхода магнетита на объем производства, установленный для этой установки на планируемый год.

Нормативная потребность в магнетите на планируемый год [17]:

где Нми – нормативный показатель, индивидуальная норма расхода магнетита, установленная для данной обогатительной фабрики, кг/т; Qnmc – планируемый годовой объем переработки в тяжелосредных аппаратах, тыс.т.

Сокращение технологических потерь магнетита на фабриках, применяющих тяжелосредное обогащение, возможно при регулярном проведении следующих организационно-технических мероприятий:

– постоянно следить за исправностью запорной арматуры и отсутствие течей суспензии в трубопроводах и сальниковых насосах;

– применение для перекачки суспензии специальных износостойких суспензионных насосов и запорной арматуры;

– ведение постоянного и строгого учета количества свежего магнетита, подаваемого со склада на фабрику и расходуемого на производственные нужды;

– направление на регенерацию смывов и течей суспензии;

– ведение систематического контроля за качественной отмывкой магнетита, состоянием брызгальных устройств; обеспечение расхода на ополаскивание слива магнитных сепараторов в количестве 0,8–1,0 м3/т и технической воды на отмывке концентрата в количестве 0,2–0,3 м3/т;

– ведение контроля за состоянием шпальтовых сит на обезвоживающих грохотах; размер щели должен быть не более 1–1,5 мм;

– создание достаточного фронта регенерации, систематический контроль потерь магнетита с отходами регенерации;

– на выпрямительных станциях электромагнитных сепараторов постоянно поддерживать параметры тока;

– на воронках кондиционной и некондиционной суспензии очищать от шлама и угля предохранительные решетки;

– установить датчики уровней в сборниках суспензии и обеспечить их постоянную эксплуатацию, чтобы исключить переливы суспензии из сборников при условии баланса расхода хвостов регенерации, отводящих в водно-шламовую схему и расхода чистой воды на ополаскивание концентрата;

– для устранения нетехнологических потерь магнетита необходимо предусматривать систему сбора и возврата на регенерацию всех случайных сбросов, переливов, выпусков из стояков и течей через сальниковые уплотнения суспензионных насосов, трубопроводов и запорной арматуры.

Для ориентировочных расчетов потери магнетита принимаются по табл. 1.14.

Большие значения потерь магнетита следует принимать при наличии размокаемых пород в рядовом угле. При содержании глинистых примесей в породе более 50 % приведенные в табл. 1.14 потери магнетита следует увеличить в 1,5 раза.

Таблица 1.14

Потери магнетита

1.3. Магнетитовая суспензия

1.3.1. Основные формулы для расчета параметров магнетитовых суспензий

Расчет основных параметров магнетитовой суспензии производится по формулам, основанным на балансе твердой и жидкой фаз в данном объеме. Твердая фаза в магнетитовой суспензии может быть представлена в виде магнетита или в виде смеси магнетита и угольного шлама.

В расчетных формулах приняты следующие обозначения:

δ – плотность, кг/м3;

δв – плотность воды, кг/м3;

δт– плотность твердого материала, кг/м3;

δм– плотность магнетита, кг/м3;

δш– плотность шлама, кг/м3;

δр. у.– плотность рядового угля, кг/м3;

δс.м.– плотность магнетитовой суспензии, кг/м3;

δс– плотность суспензии, кг/м3;

V– объем, м3;

Vв– объем воды, м3;

Vт– объем твердого материала, м3;

Vм– объем магнетита, м3;

Vш– объем шлама, м3;

Vр. у.– объем рядового угля, м3;

Vс– объем суспензии, м3;

Vс. м.– объем магнетитовой суспензии, м3;

М– масса, кг;

Мв– масса воды, кг;

Мт– масса твердого материала, кг;

Мм– масса магнетита, кг;

Мш– масса шлама, кг;

Мр. у.– масса рядового угля, кг;

Мс. м.– масса магнетитовой суспензии, кг;

Мс– масса суспензии, кг;

Ст– содержание твердого в 1 м3 магнетитовой суспензии, кг/м3;

См– содержание магнетита в 1 м3 магнетитовой суспензии, кг/м3;

С%– концентрация твердого по массе в магнетитовой суспензии, в долях единицы или в %;

R = Т: Ж – отношение массовых количеств компонентов магнетитовой суспензии.

В ориентировочных расчетах рекомендуется принимать:

δв = 1000 кг/м3 – плотность воды;

δм = 4600 кг/м3 – средняя плотность магнетита;

δш1 = 1500 кг/м3 – средняя плотность угольного шлама;

δш2 = 1700 кг/м3 – средняя плотность антрацитового шлама.

Все параметры магнетитовой суспензии рекомендуется определять на единицу объема.

Плотность магнетитовой суспензии выбирают в зависимости от свойства обогащаемого угля и целей обогащения.

Плотность магнетитовой суспензии

Принимая для воды δв = 1000 кг/м3 получаем

Отсюда требуемое содержание магнетита

Количество магнетита необходимое для приготовления объема 1 м3 магнетитовой суспензии

При подсчете плотности рабочей суспензии необходимо учитывать наличие в ней угольного шлама. В этом случае определяют среднюю плотность твердой фазы, исходя из баланса магнетита и шлама.

Плотность рабочей магнетитовой суспензии δс, образовавшейся из смеси магнетита и шлама

В процессе эксплуатации тяжелосредных установок плотность рабочей магнетитовой суспензии может систематически снижаться, например, при обогащении мокрых углей, либо повышаться за счет уноса воды с продуктами обогащения и возврата суспензии более высокой плотности из цикла регенерации.

Расчет добавок для корректировки плотности суспензии производится следующим образом.

Если первоначальная плотность суспензии δс возросла до δс1, то к ее объему Vс нужно добавить низкоплотную суспензию (или воду) плотностью δдн (δдн <δс <δс1).

Объем добавки пониженной плотности Vдн для восстановления первоначальной плотности магнетитовой суспензии

В случае понижения плотности рабочей суспензии до δс2 требуется добавка высокоплотной суспензии (или концентрата магнитной регенерации) плотностью δдв (δдв <δс <δс2) в объеме Vдв

1.3.2. Свойства магнетитовых суспензий

Наиболее важными физическими свойствами магнетитовых суспензий при гравитационном обогащении являются плотность, вязкость и гравитационная устойчивость.

Плотность суспензии – это отношение массы суспензии Мс к занимаемому его объему Vс

Плотность суспензии зависит от объемной концентрации и плотности магнетита δм

откуда объемная концентрация магнетита

Плотность магнетитовой суспензии выбирают в зависимости от свойства обогащаемого угля и целей обогащения. Она должна быть промежуточной между плотностями разделяемых компонентов. В практике обогащения углей обычно используются суспензии плотностью от 1350 до 2050 кг/м3.

Плотность суспензии является основным показателем, характеризующим граничную плотность разделения, которая зависит также от крупности обогащаемого угля, скорости потока суспензии в различных зонах обогатительного аппарата, зашламленности суспензии и дисперсности утяжелителя.

С технологической точки зрения различают два типа суспензии: кондиционную, или рабочую (суспензия заданной плотности, подаваемая из сборника в аппарат для обогащения), некондиционную или разбавленную (суспензия, получаемая после отмывки утяжелителя от продуктов обогащения на обезвоживающих грохотах, случайных переливов и капельных вод, содержащих магнетит). В некондиционную суспензию подается также часть кондиционной суспензии для очистки ее в процессе регенерации от шлама. Плотность некондиционной суспензии обычно не превышает 1100 кг/м3.

Вязкость суспензии – это свойство ее оказывать сопротивление при перемещении слоев жидкости, включающих твердые частицы, относительно друг друга. Сопротивление скольжению оказывает не только внутреннее трение жидкости, обусловленное молекулярным притяжением, но также и трение взвешенных частиц друг о друга и о жидкость.

Вязкость разжиженных суспензий незначительно отличается от вязкости однородных жидкостей или растворов. С увеличением концентрации утяжелителя и его дисперсности повышаются плотность суспензии и ее способность оказывать сопротивление сдвигу отдельных слоев. При определенных условиях наблюдается структурирование суспензии, когда частицы утяжелителя связываются в одну общую сетчатую структуру. При объемном содержании утяжелителя 20–25 % проявляются структурно-механические свойства суспензии, а при содержании утяжелителя 40–44 % суспензия практически теряет подвижность. Эффективность обогащения в тяжелых средах в большой степени зависит от состояния среды разделения, характеризуемой реологическими свойствами суспензии – вязкостью и предельным напряжением сдвига.

Для определения вязкости суспензии в зависимости от объемной концентрации твердой фазы с учетом гидродинамического взаимодействия частиц утяжелителя наиболее приемлема эмпирическая формула Ванда

где μс – вязкость суспензии, Па·с; μв – вязкость воды при температуре 20°С; μв = 0,001 Па·с; С – объемная концентрация утяжелителя, доли единиц.

Эта формула пригодна для суспензий при объемной концентрации твердой фазы от 0 до 0,444.

Различают динамическую и кинематическую вязкости.

Вязкость магнетитовой суспензии зависит от плотности, дисперсности утяжелителя, его содержания, дисперсности и петрографического состава угольного шлама. Суспензии магнетита плотностью до 2000 кг/м3 имеют достаточно низкую вязкость (до 5,5 · 10-3 Па·с). Содержание шлама в суспензии, особенно глинистого, является определяющим фактором при оценке пригодности суспензии. При высокой плотности суспензии накопление в ней тонких частиц угля и пород ведет к резкому возрастанию вязкости и предельного напряжения сдвига. Магнетитовые суспензии тех плотностей, которые обычно применяются при обогащении углей, относятся к структурно-вязким системам, обладающим в некоторой области (при содержании твердого более 27,5-32,5 %) пластической текучестью. В этой области резко ухудшается эффективность разделения обогащаемого материала.

Для магнетитовых суспензий вязкость не является постоянной величиной и изменяется в зависимости от касательного напряжения сдвига и градиента скорости среды: практически она прямо пропорциональна ее плотности. При критической плотности суспензии происходит резкое возрастание ее вязкости. Предельное напряжение сдвига и вязкость возрастают с увеличением плотности суспензии и содержания в ней тонких угольных и породных шламов.

Породные шламы в неразмокаемых породах влияют в меньшей степени, чем угольные, на вязкость и предельное напряжение сдвига суспензии. Наличие в породе глинистых сланцев и глины значительно повышает эти показатели. По данным многочисленных исследований, установлено, что нормальные условия разделения для углей крупностью более 10(13) мм обеспечиваются при вязкости рабочей суспензии, не превышающей 7 · 10-3 Па·с. Общее содержание твердой фазы в магнетитовой суспензии, включая шлам крупностью 0–1 мм, не должно превышать 32,5 % по объему. В этом случае обеспечивается поддержание вязкости суспензии на допустимом уровне при соотношениях магнетита и шлама, соответствующих данным табл. 1.15.

Таблица 1.15

Предельно допустимое содержание магнетита и шлама в суспензии, кг/м3

При обогащении мелких классов углей в поле действия центробежных сил (в гидроциклонах) содержание шлама в рабочей суспензии может быть в 2–3 раза выше указанных норм – объемная концентрация твердой фазы может достигать 40 %, а вязкость – 4 ·10-2 Па·с.

В промышленных условиях вязкость измеряют по времени истечения 500 мл суспензии из воронки через капилляр диаметром 5 мм и длиной 100 мм, пользуясь воронкообразным полевым вискозиметром СПВ-5 вместимостью 700 мл (рис. 1.13). Измеренная вязкость выражается в относительных единицах. Относительная вязкость определяется по формуле

где μотн – относительная вязкость исследуемой суспензии, Па·с; μв = 0,001 Па·с – вязкость воды при температуре 20°С; δс и δв – плотность соответственно суспензии и воды (δв = 1000 кг/м3), кг/м3; tс и tв – время истечения соответственно суспензии и воды через капилляр, с.

В лабораторных условиях для определения реологических параметров суспензии наибольшее распространение получили капиллярные вискозиметры. ИОТТ и Укрнииуглеобогащением для измерения вязкости суспензии рекомендуется капиллярный вискозиметр, работающий под давлением.

Рис. 1.13. Переносной вискозиметр СПВ-5:

1 – воронка диаметром 165 мм, длиной 440 мм; 2 – стека; 3 – ручка-кронштейн; 4 – капилляр 5×100 мм; 5, 6 – кружка вместимостью 500 см3 и 200 см3

Рис. 1.14. Схема установки капиллярного вискозиметра: 1 – резервуар; 2 – воронка; 3, 4 – патрубки; 5 – манометр; 6 – баллон сжатого воздуха (азота)

Вискозиметр состоит из стеклянного герметичного резервуара с мешалкой (рис. 1.14). Суспензия вводится в вискозиметр через воронку, после чего воронка закрывается, и в резервуар через патрубок от баллона подается сжатый воздух или азот. Резервуар патрубком сообщается с дифференциальным манометром, измеряющим внутреннее давление, при котором происходит истечение суспензии через капилляр. Давление сжатого воздуха или азота регулируется редуктором и изменяется от 0 до 0,122 МПа. Вязкость и предельное напряжение сдвига суспензии рассчитываются по изменению скорости истечения суспензии через капилляр в зависимости от давления. Время истечения суспензии регистрируется секундомером.

Устойчивость суспензии – это способность сохранять плотность в различных по высоте слоях в течение сравнительно длительного периода времени. Устойчивость суспензии существенно влияет на эффективность обогащения и во многом определяет конструкцию основного и вспомогательного оборудования. Скорость осаждения частиц утяжелителя зависит от гранулометрического состава твердой фазы, плотности суспензии, степени засорения ее шламами и формы отдельных зерен. Магнетитовые суспензии статически неустойчивы, в спокойном состоянии зерна магнетита осаждаются. Как низкая, так и чрезмерно высокая устойчивость суспензии отрицательно влияют на эффективность обогащения.

Вследствие расслоения малоустойчивой не загрязненной шламами суспензии в сепараторе фактическая плотность разделения угля может значительно отклоняться от плотности суспензии. С увеличением зашламленности устойчивость суспензии растет, однако одновременно увеличивается и ее вязкость, что снижает эффективность разделения угля и ухудшает отмывку частиц магнетита с поверхности продуктов обогащения.

Статическая устойчивость суспензии измеряется по скорости образования осветленного слоя в измерительном цилиндре за определенное время. При определении динамической устойчивости суспензии в сепараторе измеряется плотность ее в верхнем и нижнем слоях. Устойчивость магнетитовой суспензии оценивается величиной объема осветленной воды (% к общему объему) при отстаивании пульпы плотностью 2000 кг/м3 в цилиндре диаметром 50 мм и вместимостью 500 см3 в течение 5 мин. Магнетит считается пригодным, если объем чистой воды, образовавшийся за указанный промежуток времени, составляет 15–25 % для размагниченного материала и 25–40 % для намагниченного материала с хлопьями.

При обогащении углей в сепараторах необходимо обеспечить стабильность суспензии, в особенности постоянство ее плотности и вязкости.

В производственных условиях стабилизация магнетитовой суспензии осуществляется различными способами:

подбором магнетита определенной крупности;

повышением содержания шлама до определенного предела, границей которого является максимально допустимая вязкость;

перемешиванием ее механизмами, используемыми для выгрузки продуктов обогащения;