автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Разработка и обоснование гравитационного метода глубокого обогащения мелких классов антрацитов в безнапорных криволинейных потоках

л ^ /У

' * /Я.)Гъ — ¿л

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

МОЛЧАНОВ Андрей Анатольевич

УДК.622.7:622.333

Разработка и обоснование гравитационного метода глубокого обогащения мелких классов антрацитов в безнапорных криволинейных потоках

Специальность 05.15.08 - Обогащение полезных ископаемых

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, проф.

В.М. Авдохин

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВАУГЛЕПРОДУКТОВ

С ВЫСОКИМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ.........................8

1.1. Основные тенденции углепереработки и пути ее развития.......................8

1.2. Сера как дополнительный фактор снижения качества углей и продуктов их обогащения...............................................................................................16

1.3. Оценка возможностей эффективного использования различных методов обогащения мелких классов углей................................................................23

1.4. Выводы............................................................................................................36

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПО ПЛОТНОСТИ УЗКИХ МЕЛКИХ КЛАСС0Д;А1ВДА1 ЩТОВ..................39

2.1. Выбор и характеристика объекта исследований,V...................................39

2.2. Экспериментальные лабораторные исследования с использованием методов разделения по плотности и крупности и построением кривых обогатимости.................................................................................................46

2.3. Методы оценки результатов обогащения и эффективности работы обогатительных машин и аппаратов..........................................................64

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ГРАВИТАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ИХ ДВИЖЕНИИ ПО НАКЛОННЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ...............................................................74

3.1. Характеристики движения твердых тел по наклонной спиральной

(винтовой) поверхности...............................................................................74

3.2.Закономерности перемещения минеральных частиц в открытых

безнапорных потоках жидкости малой толщины.......................................82

3.3. Особенности механизма разделения частиц минералов в криволинейных желобах спиральных сепараторов................................................................92

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СПИРАЛЬНОЙ СЕПАРАЦИИ МЕЛКИХ

КЛАССОВ УГЛЕЙ НА ПИЛОТНЫХ УСТАНОВКАХ..............................102

4.1. Анализ параметров спиральных сепараторов и результатов испытаний на мелких классах углей.............................................................................102

4.2. Исследования процесса разделения мелких классов антрацитов в спиральном сепараторе с использованием метода интервалов ширины его желоба....................................................................................................111

4.3. Опытно-промышленные испытания различных технологических вариантов работы спиральных сепараторов на мелких классах антрацитов...................................................................................................128

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЛУБОКОГО ОБОГАЩЕНИЯ МЕЛКИХ КЛАССОВ АНТРАЦИТОВ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА С ПРИМЕНЕНИЕМ СПИРАЛЬНЫХ СЕПАРАТОРОВ................................135

5.1. Технологическое и технико-экономическое обоснование проектных решений о переработке антрацитов шахты «Октябрьская - Южная» на обогатительной фабрике с получением глубокообогащенной товарной продукции....................................................................................................135

5.2. Исследования качественных характеристик узких мелких классов крупности в промышленных продуктах спиральной сепарации на действующей ОФ «Октябрьская - Южная»..............................................143

5.3. Технологические и технико-экономические показатели глубокого обогащения антрацитов с применением спиральных сепараторов в промышленных условиях ОФ «Октябрьская - Южная».........................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................156

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Общемировая тенденция в добыче и потреблении угля имеет четко выраженный нарастающий характер: прогнозируется рост общей добычи угля в мире с 3705 млн.т в 1996 году до 4125 млн.т к 2000году и до 7700 млн.т в 2025 году. Сегодня 37 % мировой энергетики производится за счет угля, в то время как гидроэнергетика дает 21 %, атомная - 17 %, газ - 16 %, нефть - 9 %. Предполагается, что доля угля в мировом производстве электроэнергии возрастет до 40 % к 2010 году, учитывая современные акценты формирования угольной политики на развитие добычи угля в таких странах, как США, Китай, ЮАР, Австралия. В России же в начале 90-х годов тенденция увеличения объемов добычи угля сменилась на ее падение: достигнув в 1988 году максимума 426,6 млн.т, объем добычи сначала к 1990 году снизился до 396,5 млн.т, а к 1996 году упал до 242,7 млн.т.

Это связано со снижением потребительского спроса в условиях рыночной экономики на производимую по несовершенным технологиям товарную продукцию низкого качества (по содержанию золы, серы, непостоянной теплотворной способности) в виде рядовых углей и отсевов (угольная мелочь крупностью менее 6 (3) мм). Необходимость удовлетворения возросших требований потребителя является основной предпосылкой получения товарной продукции высокого качества, которую невозможно получить без широкого развития углеобогащения.

Сущность этого развития заключается в необходимости технического перевооружения обогатительных фабрик, работающих по традиционным технологическим схемам, и строительства новых фабрик с целью производства кондиционного обогащенного и глубокообогащенного топлива при минимальных затратах и максимальных ценах, обеспечивающих высокий уровень производства электроэнергии у потребителя.

В этой связи установление возможностей получения такого угольного топлива на базе эффективных методов и технологий, обеспечивающих достаточно высокую глубину обогащения углей, в частности, антрацитов Восточного Донбасса, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в рамках научного направления МГГУ «Переработка, обогащение и комплексное использование сырья» в соответствии с планом НИР по темам: УР - 6.3 и ОПИ - 351.

Цель работы заключается в установлении закономерностей влияния особенностей разделения по плотности узких классов крупности антрацитовой мелочи для разработки гравитационного метода ее глубокого обогащения в безнапорных криволинейных потоках.

Идея работы состоит в использовании различий в закономерностях движения мелких частиц антрацитовой угольной пульпы в безнапорных криволинейных потоках для обогащения антрацитов в спиральных сепараторах.

Методы исследований. В работе использованы методы определения гранулометрического и фракционного состава различных проб антрацитов Восточного Донбасса, химико-аналитический, метод определения показателей разделения фракций по плотности с построением кривых обогатимости, метод оценки эффективности работы машин для гравитационного обогащения по критериям среднего вероятного отклонения и коэффициента погрешности, метод «интервалов» поперечного сечения спирального желоба для изучения особенностей распределения в нем мелких частиц антрацитовой пульпы, экспериментальный с использованием опытно-промышленных установок и промышленных модулей, сравнительные технико-экономические расчеты технологических схем с различной глубиной обогащения.

Научные положения и их новизна:

- теоретически обоснована возможность разделения по плотности мелких классов антрацитов в узких диапазонах их крупности и построены кривые обогатимости, позволяющие оценить предельно-возможные показатели сепарации;

- установлены закономерности движения и распределения мелких частиц антрацита и пустой породы в безнапорных криволинейных потоках пульпы на различных участках зон сепарации в желобах спиральных сепараторов;

- научно обоснованы характеристические параметры и принципы компоновки спиральных сепараторов для глубокого обогащения мелких классов антрацитов с учетом оценки эффективности работы гравитационного оборудования

Научное значение работы состоит в установлении теоретической возможности разделения по плотности и крупности узких мелких классов частиц антрацитов, закономерностей их движения в безнапорных криволинейных потоках и оптимальных условий их разделения в спиральных сепараторах.

Практическое значение работы состоит в разработке гравитационного метода обогащения антрацитов в спиральных сепараторах, обеспечивающего эффективность глубокого обогащения их мелких классов с получением товарной продукции улучшенного качества.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы использованы для обоснования целесообразности применения спиральных сепараторов в технологической схеме обогащения антрацитов для проектируемой новой обогатительной фабрики «Октябрьская - Южная» ОАО «Ростовуголь». Внедрение результатов работы в промышленных условиях построенной и введенной в строй в середине 1998 года обогатительной фабрики позволило получить товарную угольную продукцию класса 0 - 6 мм улучшенного качества и, соответственно, с более

высокими потребительскими свойствами. Экономический эффект от улучшения качества класса 0-6 мм составил 10,8 млн.руб. в год.

Личный вклад автора диссертационной работы. В процессе выполнения диссертационной работы непосредственно автором проведены необходимые теоретические и экспериментальные исследования, включающие анализ литературных данных и постановку задачи исследований, разработку методик исследований, участие в лабораторных, опытно-промышленных и промышленных исследованиях и испытаниях, обобщение результатов работы, проведение технико-экономических расчетов.

Обоснованность и достоверность результатов проведенных исследований подтверждается соответствием теоретически определенных показателей обогатимости мелких классов антрацитов с экспериментальными результатами, установленными гравитационными методами исследований на опытно-промышленной установке спиральных сепараторов, и положительными результатами, полученными в промышленных условиях новой фабрики для обогащения антрацитов Восточного Донбасса.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались в ходе научных симпозиумов «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1998, 1999 гг.), на Международной научной конференции «Химия и природосберегающие технологии использования угля» (Звенигород, 1999 г.), на технических советах ОАО «Ростовуголь» (Шахты, 1997, 1998 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем 165 страниц машинописного текста, содержит 33 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 73 наименований.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОИЗВОДСТВА УГЛЕПРОДУКТОВ С ВЫСОКИМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ

СВОЙСТВАМИ

1.1. Основные тенденции углепереработки и пути ее развития.

Россия обладает огромными разведанными запасами угля 201,8 млрд. т, которые в стратегическом плане являются основой ее экономической безопасности и стабильности. Разведанные запасы твердых горючих ископаемых в России и дальнейшее их использование в значительной мере определяют задачи специалистов по решению проблем повышения качества добываемого топлива и его рационального применения с учетом охраны окружающей природной среды.

Необходимость широкого использования угля обуславливается потребностью общества в источниках энергии, отличающихся возможностью получать топливо во все возрастающих количествах и на протяжении большого промежутка времени, и чтобы применение этого топлива оправдывало большие капиталовложения. Совершенно очевидно, что этим требованиям отвечает уголь, балансовые запасы которого, указанные выше, существенно превосходят сопоставимые запасы нефти и газа.

Основным потребителем угольной продукции является энергетика и, в частности, электрические станции. Для энергетических целей в России используется 81,4 % всего добываемого угля. В свою очередь энергетические угли распределяются между основными потребителями следующим образом: ТЭС-60,9 %; коммунально-бытовое хозяйство, население, ВПК и др. - 15,5%; экспорт - около 5 %.

Однако, в настоящее время в России сложилась неблагоприятная тенденция вытеснения угля из производства электрической энергии, что

находится в резком противоречии с растущей ролью угля в промышленно - и экономически развитых странах.

Так, в настоящее время в нашей стране из угля вырабатывается 18,3 % всей производимой энергии. В то же время США вырабатывают на базе угля свыше 55 % своей энергии, Германия - 55,1 %, Великобритания - 50 %, Япония - 20 %, Австралия - 88 %. В 1995 году США произвели на угле 1920 млрд. кВт-ч электроэнергии, а Россия только 157,5 млрд. кВт-ч, т.е. в 12 раз меньше. Большой объем использования угля в энергетике стран - лидеров экономического развития объясняется его очевидной

конкурентоспособностью как энергоносителя на мировом рынке органических топлив. По данным исследовательских организаций США и Японии современное производство кВт-ч электрической энергии на угле дешевле на 77 - 30 %, чем на нефти, и на 55 - 19 %, чем на газе. Поэтому 36 из 60 новых ТЭС Америки, ориентированных на использование горючих ископаемых, будут работать на угле.

После перехода России к рыночной экономике и в связи с этим с резко возросшей стоимостью угля и его перевозки, а также в связи с остро поднятой проблемой загрязнения окружающей среды выбросами и отходами ТЭС угольная промышленность оказалась в критическом состоянии. В начале 90-х годов тенденция постоянного увеличения объемов добычи угля сменилась на ее падение. Достигнув в 1988 году максимума 425,6 млн. т, объем добычи сначала к 1990 году снизился до 396,5 млн. т, а к 1996 году упал до 242,7 млн. т. К этому привела сложившаяся ситуация, при которой угольная промышленность производит отсталую продукцию, крайне неэффективную для производства электроэнергии на современном научно-техническом уровне, неконкурентоспособную ни на внутреннем, ни на внешнем рынках.

Углепользование страны ориентировано на производство и потребление в энергетике угольного топлива валовой добычи, так

называемого рядового угля или угля-сырца. Это можно наглядно проследить из структурной схемы товарных показателей работы угольной отрасли в 1996 году, составленной по данным Департамента угля Минтопэнерго РФ (рис. 1.1.).

Из 242,7 млн. т. добытых углей, 119,0 млн. т (49,0 %) направляются прямо из шахты или карьера непосредственно потребителю. Туда же поступают 28,7 млн. т отсевов, представляющих из себя специфический продукт, полученный из рядовых углей путем механического отделения мелочи крупностью менее 13; 6 или 3 мм и характеризуемый, как правило, более худшим составом, чем у исходного рядового угля. Таким образом, 147,7 млн. т углей или 60,9 % добычи формируются произвольно и не подвергаются обогащению, остальная часть энергетических углей 49,9 млн. т подвергается облагораживанию на обогатительных фабриках (29,4 млн. т), на сортировках (4,9 млн. т) и установках первичного обогащения (14,5 млн.т). Обогащенный энергетический концентрат и сортовое топливо используют для специальных нужд, коммунально-бытового хозяйства, ВПК и экспорта / 1 /.

Угли валовой добычи подвержены изменчивости показателей качества (зольность, влажность, теплотворная способность и т.п.). Необходимые в этих случаях технологии обеспечения стабильного качества отгружаемых углей на угольных предприятиях отсутствуют. Колебание качества наблюдается на всех угледобывающих предприятиях. Ориентация ТЭК на угли валовой добычи привела к тому, что качество энергетических углей постоянно снижалось. Одновременно снижались и нормативные требования по качеству в государственных стандартах. Так, например, допустимое содержание золы в углях Донецкого бассейна для пылевидного сжигания по ГОСТ 8194-70 возросло с 25 до 31,65 %, а в подмосковном угле по ГОСТ 4810-78 с 37 до 45 %. В последний раз нормативы качества ростовских антрацитов для сжигания на ТЭС были снижены в 1992 году за счет

ДОБЫЧА, 242,7

в т.ч. бурые 35,4%

КОКСУЮЩИЕСЯ 48,0

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ 194,7

ОБОГАЩЕНИЕ 45,1

ОТСЕВ 2,9

7\

ПЕРЕРАБОТКА 75,7

43,6 ОБОГАТ.Ф-КИ

ОТСЕВ

СОРТ

14,5 ИРОВКИ

ОТСЕВ

Т 6,5

УСТАНОВКИ

ОТСЕВ

V

г 29,4

ОБОГАЩЕНИЕ 14,2

У

9,6

V

2,0

отхрды

4,0

ОТХОДЫ

КОНЦ. 25,4

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ К-Т 25,4

СОРТОВОЕ ТОПЛИВО 20,5

РЯДОВОЙ 119,0

'1.1

БРИКЕТИРОВ.

ОТСЕВ 28,7

ТОПЛИВО ТЭС 147,7

Рис. 1.1. Показатели угольной отрасли по переработке добытых углей в 1996 г млн.т. (по данным Департамента угля Минтопэнерго РФ)

повышения зольности с 22,8 до 28,9 %. Снижение же качества топлива приводит к снижению эффективности его использования при производстве теплоэлектрической энергии.

В общем виде ущерб от ухудшения качества энергетических углей схематически поясняется на рис. 1.2. Считает