автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Разработка технологии обезвоживания углей различной степени метаморфизма и крупности

На правах рукописи.

МОЛЧАНОВ Анатолий Ефимович

П\/10

УДК 622.794.2

I I л

I У I

в I/

I А

00'

V

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ МЕТАМОРФИЗМА И КРУПНОСТИ

Специальность 05.15.08 — «Обогащение полезных ископаемых»

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

I ■ ^ ; с, "Г/ ' '

Работа выполнена в Комплексном научно-исследовательском н проектно-коиструкторским институте обогащения твердых горючих ископаемых (ИОТТ) Минтопэнерго России.

Научный руководитель канд. техн. наук В. В. БОБРИКОВ.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, профессор И. А. ЯКУБОВИЧ, канд. техн. наук Е. Г. ТРЕСКОВ.

Ведущее предприятие — АО «Сибгипрошахт».

Защита диссертации состоится 6 июня 1997 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 6 мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях развития рыночных отношении и необходимости увеличения конкурентоспособности угольной продукции обогатительных фабрик, наряду со снижением зольности и содержания серы, снижение влажности углей после их переработки является важной народнохозяйственной задачей, решение которой позволяет снизить объемы перевозок транспортом балласта в виде избыточной воды, предотвратить смерзаемость угля в вагонах в зимнее время и снизить сверхнормативные простои .вагонов под выгрузкой, улучшить технико-экономические показатели перерабатывающих производств: коксохимических заводов, тепловых электростанций и промышленных котельных.

Существующие методы нормирования влажности угольной продукции обогатительных фабрик, базирующиеся на определении обшей влаги, недостаточно полно оценивают необходимую влажность продуктов механического и термического обезвоживания, что позволяет потребителям угольной продукции и транспортникам устанавливать необоснованные, с научной точки зрения, требования к влажности продуктов без учета генетической природы угля, марочного состава, крупности, технологических возможностей процессов обезвоживания и оборудования.

Актуальной для России проблемой является разработка оптимальных технологий, обеспечивающих высокую эффективность удаления влаги из угольной продукции с учетом норм и показателей, основывающихся на изучении угольной продукции по видам связи влаги с углем, являющимся объектом механического и термического обезвоживания и смер-заемости при перевозках в условиях отрицательных температур.

В диссертационной работе приводится научная разработка определившегося направления в обезвоживании углей — разработка оптимальной технологии механического обезвоживания на основе закономерностей влияния степени метаморфизма и крупности на влажность угольной продукции.

Цель работы — разработка экологически безопасной технологии механического обезвоживания, научное обоснование показателей потребительских свойств угольной продукции по влажности, обеспечивающих несмерзаемость при перевозках и повышение технико-экономических показателей углеперера-батывающих предприятий.

Идея работы заключается в использовании закономерностей влияния степени метаморфизма и крупности углей на их влагоудерживающую способность для разработки экологически безопасной и эффективной технологии механического обезвоживания продуктов углеобогащения.

Методы исследований. В работе использованы следующие методы: аналитический, физико-химический, геолого-минералогический; экспериментальный с использованием лабораторных стендов, опытно-промышленных и промышленных установок; математической статистики, численной оптимизации функций одной или нескольких переменных.

Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием ЭВМ. Исследования по смерзаемости углей различного марочного состава и классов крупности и установление «безопасной» влажности выполнялись с применением стандартных методов измерения и анализа.

Критерий — «максимальная молекулярная влагоёмкость» определялся по методу влагоемких пористых сред. Научные положения и их новизна:

установлены закономерности взаимосвязи степени метаморфизма и крупности углей со свойствами, определяющими их влагоудерживающую способность;

предложены аналитические решения по определению максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ), являющейся аддитивным характерным показателем физико-механических свойств обезвоживаемого продукта;

установлена технологическая эффективность удаления влаги из углей в различных аппаратах механического обезвоживания по показателю максимальной молекулярной влаго-емкости (ММВ);

предложен критерий оценки допустимой влажности при смерзаемости углей;

научно обосновано применение обезвоживающих аппаратов с учетом генетических особенностей углей и их крупности;

разработан метод расчета норм влажности угольной продукции с учетом степени метаморфизма и крупности углей.' Практическая значимость работы:

установлена научно обоснованная целесообразная влажность углей, при которой обеспечивается эффективность использования обезвоживающего оборудования и железнодорожных перевозок;

разработана методика расчета минимального количества тонких классов углей для обеспечения промышленной и экологической безопасности термической сушки продуктов обогащения углей;

разработана-оптимальная экологически чистая техиолптя обезвоживания угольной продукции, обеспечивающая снижение влажности углей до научно обоснованных показателей;

разработаны комплексы механического и термического обезвоживания, обеспечивающие научно обоснованные показатели потребительских свойств продуктов обогащения по влаге.

Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при совершенствовании процессов обезвоживания и технологических схем па обогатительных фабриках ПОФ «Донецкая», «Лбашсвская», «Печорская» и др.

Рекомендации автора использованы при создании нового обезвоживающего оборудования: сгустителей взвешенного слоя типа СВГ-5,2 фильтра-пресса ФПКМ-1, барабанных фильтров со сходящим полотном типа Б.с.хОУ, дисковых фильтров с избыточным давлением (гипербарфильтров), центрифуг и др.

Личный вклад автора диссертационной работы. Изложенные в работе основные положения и выводы являются результатом исследовании и практической деятельности автора по совершенствованию новой технологии обезвоживания п нового оборудования на обогатительных фабриках России.

Лично автором или при его непосредственном участии выполнены:

постановка задач, участие в методическом обеспечении, организации и проведении исследовании;

обобщение результатов исследований;

аналитическая оценка взаимосвязи различных видов влаги, влияния марочного состава углей и крупности на конечную влажность обезвоживаемых углей;

исследование процессов обезвоживания на различных аппаратах в лабораторных и промышленных условиях;

разработка норм влажности.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается апробацией на обогатительных фабриках России новой оптимальной технологии обезвоживания, созданной па основе теоретических разработок, предложенных в работе. Адекватность положении подтверждена результатами промышленных испытании.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на заседаниях ученого совета ИОТТ в 1993, 1994, 1995 и 1996 гг.; на XII Международном конгрессе по обогащению углей, Польша, г. Краков, 1994 г.; на ежегс

ной годичной XXVI сессии ученого совета ИОТТ в 1995 г.; на техническом совете компании «Росуголь» в 1996 г.; на техническом совете ЦОФ «Донецкая» АО «Гуковуголь».

Публикации. Материалы работы опубликованы в 8 печатных трудах,, в том числе: журнале «Уголь», № 6— 1995, № 8— 1995, № 10— 1995, № 6— 1996 гг.; научных трудах института ИОТТ; в трудах XII Международного конгресса по обогащению углей; научно-техническом вестнике ИОТТ вып. 4—5 за 1995 г. По материалам диссертации выпущено 5 отчетов о научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений.

Общий объем 160 страниц машинописного текста, содержит 11 рисунков, 25 таблиц, 2 приложений. Список использованной литературы включает 72 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние механического обезвоживания и задачи исследований

На углеобогатительных фабриках России 89,4% углей подвергаются гидравлическим способам обогащения. Для удаления влаги из угольной продукции применяются комбинированные технологические схемы обезвоживания механическими и термическими методами.

Теоретические и экспериментальные исследования в области механического и термического обезвоживания углей в разное время выполнены ведущими учеными: Ребинде-ром П. А., Дубининым М. М., Михайловым Ю. А., Сажи-ным Б. С., Бочковым Ю. Н., Шлау А. В., Филипповым В. А., Лурье М. Ю„ Лыковым А. В., Липатовым С. М., Думан-ским А. В., Никитиной Л. М.

Сложилась практика, по которой без учета генетической природы угля, марочного состава, крупности, технологических возможностей механического и термического обезвоживания для всех угольных месторождений России установлены единые предельные нормы влажности продуктов обогащения — 7,0%—зимняя и 8,0%—летняя для каменных углей и 30,0% —для бурых углей.

Выполнение вышеуказанных норм без учета свойств углей как объекта сушки в ряде случаев приводит к крупным авариям: взрывам и пожарам на сушильных установках.

В этих условиях для обеспечения безопасности термического обезвоживания, эффективности железнодорожных перевозок, обоснованности применения оборудования механического и термического обезвоживания, разработки оптимальных технологических схем обезвоживания, разработки реко-

мендации по предотвращению смерзаемости угольной продукции в зимнее время необходимы научно обоснованные показатели, базирующиеся па изучении генезиса углей месторождений России по видам различных форм влаги в различных классах крупности.

Работа посвящена разработке оптимальной схемы, аппаратурному оформлению комплексов механического обезвоживания, обеспечивающих научно обоснованные нормы влажности продуктов обогащения и выполнения требовании экологической и промышленной безопасности.

Для решения поставленных задач в работе выполнен анализ состояния вопроса, научно обоснована допустимая влажность углей из условий несмерзаемости, промышленной и экологической безопасности, выполнено исследование н разработаны критерии оценки потребительских свойств угольной продукции по показателям влажности в зависимости от марочного состава углей и крупности, предложен критерии «безопасной» влажности угольной продукции, предложены критерии оценки эффективности работы обезвоживающего оборудования по показателям влажности угольной продукции, выполнен расчет научно обоснованных норм влажности угольной продукции, разработана оптимальная технология механического обезвожиятглия углей.

2. Методика теоретических и экспериментальных

исследований влияния степени метаморфизма и крупности на различные виды влажности углей

В работе предложен и разработан метод расчета влажности угольной продукции с учетом генетических особенностей углей разных стадии метаморфизма и крупности. Метод основан па определении зависимости показателя общей влаги, гигроскопической влаги и внешней влаги углей от их марочного состава и крупности, при этом генетические особенности углей оцениваются выходом летучих веществ и показателем отражения вптринита.

Предельная норма массовой доли общей влаги продуктов обогащения , отгружаемых потребителям в зимний период, рассчитывалась по формуле:

то

где и^У1—предельно допустимая в отношении смерзаемости величина внешней влаги.

где Wlxn-\^ —безопасная в отношении смерзаемости влага класса 0—13 мм в товарном продукте, %; ^

Л

■^x*o-i3—коэффициент, учитывающий содержание кл. О—13 мм в продукте.

А'кло-и = 1,0 при Тклo-is>70%;

AT™,-« = 1,1 при Ткл о-1. =70-50%;

A'oo-ia = 1,2 при Ткло-1з =50—20%;

АГкло-13 = 1.5 при То о-1з <20%; W™—гигроскопическая влажность, %;

Ткмо-1з — выход класса 0—13 мм в товарном продукте.

Предельная норма массовой доли общей влаги продуктов обогащения, отгружаемых в летний период, определялась по формуле:

ЩП_ U7CHn

u// = wlT + w™ loo ~' °/o'

TTn СЫП

где Wex —предельная величина влаги, не допускающая потерю сыпучести.

Wex" ~ WeTo—13 • /СКло-13»

где Wexо-1з — предельная величина влажности класса 0— 13 мм, не допускающая потерю сыпучести.

Предельно допустимая норма массовой доли общей влаги (внешней влаги) для товарного продукта с максимальным размером куска менее 13 мм равна 8% (при этом частицы материала соприкасаются между собой и поведение массы частиц подчиняется законам сыпучей среды).

В результате определения содержания различных видов влаги в углях различной степени метаморфизма и классов крупности, а также зависимости массовой доли общей влаги от содержания в угле гигроскопической влаги, установлено, что гигроскопическая влага, являясь составной частью общей влаги, обладает стабильностью для углей определенной марки и класса крупности. Внешняя влага находится в прямой зависимости от условий обводненности угля.

Указанные зависимости легли в основу разработки проекта расчета предельных норм массовой влаги продуктов обогащения каменных углей и антрацитов для зимнего и летнего периодов.

Первоначально выполнялись исследования зависимости W"', Wex, Wtr от грансостава углей различной стадии метаморфизма.

Выявленные зависимости общей влаги в углях различной степени метаморфизма и крупности от Wr" и Wех использованы в методике расчета норм влажности угольной продукции с учетом степени метаморфизма (марочного состава) и крупности.

При разработке .методики осуществлялась систематизация факторов, влияющих на общую влагу продуктов обогащения, и выялялась корреляционная зависимость показателя общей влаги от свойств угля. _ .. . . _____

В основе расчета принималась зависимость IV { от и допустимого содержания внешней влаги \¥для углей определенной марки и класса крупности.

Допустимое содержание внешней влаги в летнее время ограничивалось потерей сыпучести угля, а в зимнее — значением, при котором уголь определенной марки п крупности не будет смерзаться.

Для оценки предела механического обезвоживания углей различного марочного состава и крупности по единому критерию, который бы учитывал как внутреннюю, так и влагу, удерживаемую в обезвоживаемой угольной мелочи силами адсорбции и капиллярного взаимодействий, превышающими силовые поля, развиваемые современным оборудованием, предложен критерий «максимальная молекулярная влагоем-кость» №мма , представляющий собой высший предел содержания влаги, неудаляемой механическими способами без термической сушки.

Для определения №ммв предложен метод влагоемких сред, который основан на стабильном способе отделения воды средой с 'неизмеримо большей удельной поверхностью от среды с меньшей удельной поверхностью.

Определение №ммп выполнялось как для широких, так и для узких классов крупности. Среднединамическое значение ^ммз для всего продукта рассчитывалось по выходу и \УММВ узких классов крупности.

Исследования выполнены для углей различных стадии метаморфизма: 1 — длиннопламеиные и газовые угли; 2—коксующиеся угли; 3 — тощие угли; 4 — антрациты.

Эффективность механического обезвоживания рассчитывалась по формуле:

гос

где №ос —влажность осадка после механического обезвоживания, %.

Общее выражение эффективности процессов механического обезвоживания г]0б не отражает технологическую эффективность работы обезвоживающего оборудования цт, так как учитывает только соотношение влажностей.

Принято оценку технологической эффективности производить процентным соотношением превышения над №ммв минимальной влажности осадка, которая может быть достигнута при данном процессе обезвоживания №пр и аналоги^**"5"

\

величины, учитывающей фактическую влажность осадка после обезвоживающего оборудования по формуле:

. и?«.. >1Ш) ^

wM - wv

Величины i]m и г]об изменяются в зависимости от влажности осадка и его максимальной молекулярной влагоем-кости.

Технологические возможности того или иного вида обезвоживающего оборудования определялись по формуле:

100- Woe о,

V - , /и.

100— wu

Этот показатель использован при анализе десяти основных технологических схем обезвоживания для ранее указанных четырех маркогрупп углей по классам крупности. По результатам выполненных расчетов определялась влажность обезвоженного продукта для каждого конкретного варианта схем.

Выполнен анализ качественно-количественных показателей работы существующих на ОФ России технологических схем и оборудования механического и термического обезвоживания по показателям влажности и крупности для различного марочного состава и крупности углей.

Предложен методический подход к выбору оптимальных технологических схем механического и термического обезвоживания, базирующийся на двух основных положениях:

— минимальное, установленное расчетом количество направляемых на сушку тонких классов (менее 0,1—0,25 мм);

— минимальная влажность после механического обезвоживания.

Оба положения рассматриваются при условии безопасной влажности отгружаемого товарного угля.

По результатам расчетов и определений предложена методика нормирования содержания влаги в угольной продукции на операциях обезвоживания и в общей массе товарной продукции.

3. Изучение влияния степени метаморфизма на различные виды влаги углей

Выполнены исследования по установлению взаимосвязи между характеристиками влагоемкости углей и параметрами, характеризующими степень метаморфизма углей (показатель отражения витринита выход летучих веществ на сухое беззольное состояние ).

Для установления указанной взаимосвязи использовались результаты исследований различных видов влагоемкости углей, взятых из разных месторождений 1Б, 2Б, ЗБ, ДГ, Г,

гжо, гж, ж, кж, к, ко, д, ксн, КС, ОС, ТС, Т, А. - -

Прежде всего оценивалось взаимовлияние между различными характеристиками влагоемкости углей, применены методы корреляционного и регрессионного анализов, реализация которых осуществлялась с использованием пакета прикладных программ ЭТАТСРАРШСБ.

Высокие значения коэффициентов корреляции (0,88—0,99) свидетельствуют о существенности связей между максимальной влагоемкостыо, влагой гигроскопической, аналитической, общей и внешней. Несколько ниже значения коэффициентов корреляции (0,68 -0,94) для влаги воздушно-сухого топлива, но и в этом случае теснота связи высокая, все коэффициенты корреляции значимы для 95%-ной доверительной вероятности.

Выполненный анализ позволяет рекомендовать определение только одного параметра влагоемкости углей (например, максимальная и гигроскопическая), значения которых практически функционально связаны со всеми видами влаги, кроме влаги воздушно-сухого топлива.

Определено наличие качественной связи между влагоемкостыо угля и содержанием в нем определенных органических компонентов — витрена, фюзена и споровых веществ.

Для прогноза влагоемкости угля как функции параметров п его метаморфизма были рассчитаны регрессионные многофакторные нелинейные модели, функцией отклика которых служила одна из двух устойчивых характеристик влагоемкости, либо максимальная влагоемкость №тйХ, либо гигроскопическая влага , а аргументами — показатель отражения витринита /?0, выход летучих компонентов на сухое беззольное состояние , т. е. строились и анализировались модели в виде:

Функции отклика рассчитывались для каждого видя проб отдельно.

Для каждого вида проб углей (исходная проба, термически обработанная проба, проба, доведенная до воздушно-сухого состояния) были рассчитаны регрессионные многофакторные нелинейные модели.

Исходные данные по влагоемкости угля №таХ) , пока. зателю отражения витринита Л?0 и выходу летучих Уа/ нормировались, чтобы получить независимые от размерности коэффициенты и по их значениям оценить степень влияния каждого фактора на влагоемкость угля.

И7».«=/(#о, V*«) и ИТ™ ='/(/?„, V««).

Построение моделей осуществлялось на ПЭВМ с использованием пакета прикладных программ STATGRAPHICS с использованием процедуры Stepwise Variable Selection (пошаговый выбор переменных).

Уравнения множественной корреляции для максимальной влагоемкости и гигроскопической влаги имеют вид:

И7«.« = 17,Ю - 2,02 -R02 - 28,23- Vda* + 12,06(1/^)';

UP™ =10,10- 1,02• R0" — 17,10- Vda' + 7,61 {Vdaf)\

Полученные модели имеют коэффициенты детерминизации 0,97 и 0,98 соответственно и характеризуются значениями критерия Фишера 143,72 и 263,61, что свидетельствует об адекватности рассчитанных уравнений и возможности их использования для прогнозных оценок влагоемкости угля по характеристикам метаморфизма. При этом предпочтительней использовать для этих оценок уравнение, полученное для гигроскопической влаги, рассчитывая ее как функцию показателя отражения витринита и выхода летучих. Эта модель имеет существенно меньшую остаточную дисперсию и более высокую статическую значимость доверительных интервалов коэффициентов регрессии.

Первая характеристика максимальной влагоемкости является универсальной и связана со степенью метаморфизма угля через показатель отражения витринита и выхода летучих одной и той же по структуре и коэффициентам модели независимо от физических воздействий на пробы угля.

Модели использованы для прогноза влагоемкости как бурых, так и каменных углей при определении технологии обезвоживания и выборе необходимого оборудования.

Выполнены исследования по смерзаемости углей в зависимости от содержания в них влаги.

Установлено, что основными факторами смерзания угольной продукции являются:

полная или частичная потеря сыпучести угля; глубина примерзания к стенкам транспортного или добычного оборудования;

определенный уровень прочностных характеристик смерзшейся угольной массы;

наличие фазового перехода на кривых калориметрирова-ния при замораживании влажного угля.

Из перечисленных наиболее точно отражающим фактором процесса смерзания являются прочностные характеристики смерзшейся угольной массы, например, прочность на сдвиг.

Разработана методика определения безопасной влажности на основе измерения прочности смерзшегося угольного продукта на сдвиг.

Установлено, что безопасная влажность марки 2Б бурых углей характерна для данного месторождения и изменяется в пределах от 15 до 27%. Наиболее подвержены смерзаемости угли марок Ж, К, СС и Т, для которых безопасная влажность составляет до 4%.

Для предотвращения смерзания угля достаточно удалить свободную и часть приграничной воды, вода же в тонких порах частиц угля и прочносвязанная вода не влияют на смер-заемость.

4. Разработка оптимальной технологии механического обезвоживания углей

Теоретические предпосылки взаимосвязи влажности углей от степени метаморфизма и крупности позволили обосновать оптимальную технологию механического обезвоживания углей.

Выполнен анализ качественно-количественных показателей работы существующих на обогатительных фабриках России 24 технологических схем и оборудования механического и термического обезвоживания по показателям влажности и крупности перерабатываемых продуктов обогащения различного марочного состава.

К основным факторам, характеризующим способность угля удерживать влагу, отнесены:

гранулометрический состав;

характер укладки частиц в массе обезвоживаемого продукта;

физико-химические факторы, зависящие от свойств поверхности угольных частиц.

От первых двух зависит капиллярная структура осадка. Третья группа факторов влияет на адгезионную влагу, удерживаемую силами молекулярного и физико-химического взаимодействия.

Силы адсорбции связывают на поверхности частиц тончайшую пленку влаги и имеют тем большее значение, чем тоньше измельчен материал. Прочность связи адсорбционной пленки с поверхностью частиц приравнивается давлению нескольких тысяч атмосфер. Современные технические средства механического обезвоживания только частично удаляют из угля капиллярную и адгезионную влагу.

Анализ оборудования технологических схем обезвоживания показал, что фронт оборудования для механического обезвоживания представлен фильтрующими и осадительны-ми центрифугами, дисковыми вакуум-фильтрами, ленточными фильтрами и фильтр-прессами.■

Для выделения из потоков угля различной крупности технологической воды и основного количества . поверхностной

И

благи применяются обезвоживающие грохоты, элеваторы, дуговые сита и др.

Прослеживается тенденция снижения объемов продуктов обогащения угля, подвергаемых сушке. Показано, что снижение на 1% влажности угля, подвергаемого обезвоживанию механическими способами перед сушкой, на всех фабриках России способствует снижению на 700 тыс. т в год испарения влаги термическим способом и снижает соответственно затраты на сушку.

Все технологические схемы обезвоживания подразделяются на два типа: однопоточные и двухпоточные.

В однопоточных схемах все шламовые воды объединяются, затем крупнозернистый шлам отделяется, а часть шламовой воды, освобожденной от крупнозернистого шлама, подвергается флотации.

Обезвоживание мелкозернистого концентрата практически на всех фабриках осуществляется по одинаковым схемам: первая стадия — обезвоживание на грохотах, вторая — обезвоживание в центрифугах. Флотоконцентрат на всех фабриках подвергается фильтрованию на дисковых вакуум-фильтрах, а зернистый шлам на фабриках без флотации —на ленточных вакуум-фильтрах.

Влажность концентрата после обезвоживания углей разных марок в центрифугах одного типа изменяется в пределах от 7—10% для марок СС, К, Ж, А, КО, КС и до 19% — для марки Д. Влажность концентрата после дисковых вакуум-фильтров составляет 22—36%, а после ленточных вакуум-фильтров — 20—24%.

Доля флотоконцентрата в питании сушильных отделений в среднем составляет 30—40%.

Выполнен анализ качественно-количественных показателей и работы обезвоживающего оборудования на фабриках России.

Установлено, что на многих фабриках используется устаревшее оборудование: центрифуги НОГШ-1320Ф, НАЭЛЬ-ЗА, вакуум-фильтры ДУ-250, «Ведаг», «Аджидиск» и др., не позволяющее повысить эффективность обезвоживания. Не отличаются высокими показателями и схемы обезвоживания, влажность флотационного концентрата при обезвоживании достигает 35%.

С целью достижения высоких показателей механического обезвоживания выполнены исследования по построению совершенных технологически^ схем обезвоживания и аппаратурному их оформлению.

В качестве показателя оценки схем и эффективности обезвоживания различными механическими способами принят критерий «максимальная молекулярная влагоемкость». Этот же показатель использован при определении ожидаемой вла-

Жности продуктов после обезвоживания. Установлено, что \*7ММВ изменяется в широких пределах в зависимости от крупности и марочного состава углей. №„„„ для класса крупное-;ги_ <6,0 мм концентрата, полученного из углей средней стадии метаморфизма коксующихся углей,"составляет 2,0—3,4%, а для того же класса крупности концентрата длиннопламен-ных и тощих углей — 9,2—13,3%.

Для мелких классов крупности №ммн указанных углей увеличивается практически вдвое.

В углях, расклассифицированных по узкой шкале классификации (3—6, 1 — 6 и т. д.), Гммв снижается в 1,5 раза по сравнению с углями широкой шкалы классификации. Выполнен расчет эффективности центрифугального обезвоживания мелких классов концентратов крупностью 0,5—13 мм (0,5— 6,0 мм) с содержанием класса <0,5 мм не более 0,5% по показателю для фильтрующих центрифуг со шнековой разгрузкой осадка ФВШ-1000, с вибрационной выгрузкой вертикальной ФВВ-100 и горизонтальной ФГВ-132, а также с инерционной выгрузкой осадка ФВШ-100.

Установлено, что при обезвоживании углей марок Д, Г и Т с относительно высокими значениями №„иа в пределах 9,4; 7,8% влажность обезвоженных осадков больше приближается к своему предельному значению, чем при обезвоживании коксующихся углей и антрацитов. Поэтому эффективность обезвоживания мелких классов <13 и 6 мм углей с высокой IV чм„ в 1,5 раза выше, чем эффективность обезвоживания в таких же фильтрующих центрифугах менее влагоемких коксующихся углей и антрацитов, и составляет для первых 64—68,5%, а для вторых — 40—45,5%, при этом эффективность обезвоживания в малой степени зависит от типа применяемой центрифуги. В шнековых осадительных центрифугах при обезвоживании шламов и отходов с увеличением И7ММ„ возрастает и эффективность обезвоживания. Показано также, что при обезвоживании шламов и отходов флотации в режиме работы осадительных центрифуг с увеличением фактора разделения от 260 (280) до 1000 повышается эффективность обезвоживания в 1,4 раза и снижается влажность осадка с учетом уменьшения размера граничного зерна разделения. В связи с разработкой новых технологических схем обогащения крупных и мелких шламов (крупностью <0,2 мм) проведены исследования фильтрационного обезвоживания, при которых на фильтрацию поступает материал соответствующей крупности.

Исследования проводились на лабораторных установках, воспроизводящих процессы механического обезвоживания на промышленном оборудовании с применением тканевых фильтровальных перегородок. При моделировании работы барабанного вакуум-фильтра со сходящим полотном и гипербар-фильтра применялась фильтроткань арт. 56007, а при моделировании фильтра-пресса—> ткань арт. 56035 (56335).

Установлено, что как при вакуумном обезвоживании на дисковых фильтрах, так и при обезвоживании с небольшим избыточным давлением в режиме работы гипербарфильтра, эффективность обезвоживания флотационных концентратов составляет всего 51,0—52,5 и 58,0—60,0% соответственно, т. е. глубокого обезвоживания флотоконцентрата на этом оборудовании не достигается. Глубокое обезвоживание такого продукта до влажности, близкой к его максимальной молекулярной влагоемкости, достигается при фильтровании под давлением 1,5 МПа в камерных фильтрах-прессах с просушкой осадка при высокой эффективности 92,5—98,0%.

Показано существенное влияние просушки осадка, перспективно применение обезвоживания в гипербарфильтрах с просушкой осадка при давлении 0,2—0,4 МПа.

Для 12 наиболее характерных схем обезвоживания выполнены расчеты балансов продуктов по влаге.

При выполнении расчетов схем механического обезвоживания влажность крупного концентрата (кл. >13 мм) после грохотов принималась для четырех маркогрупп углей: первой — Г и Д — 8,0 %; второй — ОС, Ж, КСН, К, КС, КО, СС — 6,0; третьей — Т—5,5; четвертой маркогруппы А (антрациты) -4,0%.

В качестве основных балансовых уравнений для расчета практически достижимых влажностей при обезвоживании в различных аппаратах использовались зависимости для определения эффективности по величине УУимв и влажности осадка.

По результатам выполненных расчетов определялась суммарная влажность обезвоженного продукта для каждого конкретного варианта схемы обезвоживания. Определялись влажность осадка, варианты сочетания узких машинных классов для различных марок углей. Осуществлен выбор оборудования, обеспечивающего минимальную суммарную влажность Гт1п обезвоженных продуктов для различных вариантов схем и различных марок углей по ранее обозначенным группам. Установлено, что с увеличением степени метаморфизма от марок Г и Д до А по рассмотренным схемам обезвоживания минимальная суммарная влажность обезвоженных продуктов снижается с 15,7 (19,3) до 8,8 (11,9)%.

5. Разработка научно обоснованных норм влажности механического обезвоживания углей основных регионов России

■ При разработке оптимальной технологии механического обезвоживания установлено, что наиболее достоверными критериями оценки влажности и так называемых «безопасных» показателей являются критерии, учитывающие характериста-

ку обезвоженного продукта по вещественному составу (марочному составу) и крупности.

Выполнен комплекс исследований углей различных марочных составов с точки зрения выявления зависимостей «безопасной» влажности от всех видов влаги угля как объекта исследований. Определен оптимальный критерий оценки влажности угольной продукции в зависимости от применяемых способов и оборудования механического и термического обезвоживания, а также от требований экологической и промышленной безопасности.

Критерий оценки влажности угольной продукции зависит от марочного состава, крупности, зольности угля и выхода летучих веществ. Этот показатель определялся с учетом требований потребителей угольной продукции по всем видам потребления: коксование, энергетическое сжигание, бытовое II сортовое топливо.

Научное обоснование влажности продуктов обогащения производилось на основе исследовании эффективности, удаления влаги в различных типах аппаратов механического обезвоживания в зависимости от диапазона крупности питания аппаратов.

Исследования механического обезвоживания производились для классов крупности 13—100 мм, 0,5—13, 2—0,2 (для антрацитов 0—13 и 0,5—б мм), 0,2—0, 0—0,5 мм, что соответствует существующим технологическим схемам с включением операций сгущения шламовых вод перед обезвоживанием механическими способами.

После определения пределов крупности н влажности продуктов обогащения, направляемых па термическое обезвоживание, обеспечивающих экологическую и промышленную безопасность процесса сушки, сокращение ее объемов и соответственно сокращение затрат на все виды обезвоживания, разработан проект научно обоснованных норм влажности продукции обогатительных фабрик. В качестве примера приводится расчет научно обоснованных норм влажности с учетом марочного состава и крупности, выполненный применительно к ЦОФ «Донецкая» АО «Гуковуголь». Указанная фабрика выбиралась из условий максимального содержания (50 --60%) класса 0—13 мм в угле, как наиболее склонного к смерзанию после обезвоживания в зимнее время и к обеспечению сыпучести в летнее время.

В качестве исходных данных для расчета приняты:

— товарный концентрат марки К, КЖ;

— содержание класса 0—13 мм в угле —50 - 60%;

— значение гигроскопической влаги— №г" ;

— величина безопасной в отношении смерзаемости влажности — = 5,4 %;

— коэффициент состава товарного продукта Ко-т =1,15.

В результате расчета по методикам, приведенным в главе 2 диссертации, установлено, что предельная норма массовой доли общей влаги в товарном концентрате составит 7,62%, а в зимнее время концентрат класса 0—13 мм необходимо подвергать сушке до влажности №кло-1з =6,21%.

Для летнего периода при заданных исходных данных предельная норма массовой доли общей влаги отгружаемых продуктов обогащения составит 11,85%, а. для угля крупностью менее 13 мм №ехП составит 11,0%. Таким образом, в летнее время товарный концентрат необходимо отгружать с влажностью не более 11,85%.

Из расчетов следует, что в зимнее время предельная норма влажности товарного концентрата должна составлять 7,62%, при этом массовая доля влаги класса 0—13 мм после сушки должна быть не более 6,21%. В летнее время эти показатели соответственно составляют 11,85 и 11,0%.

Сравнение с едиными предельными нормами влажности продуктов обогащения (7,0%—зимняя и 8,0%—летняя) показывает, что по действующим нормам необходимо производить обезвоживание товарного концентрата в зимнее время на 0,62% больше, а в летнее время на 3,0—3,85% больше, чем по расчету.

Следовательно, фабрика в настоящее время для обеспечения действующих нормативов по содержанию общей влаги при погрузке угольной продукции вынуждена содержать больше, чем необходимо, число единиц парка оборудования для термического обезвоживания мелкозернистых углей, что снижает уровень экологической и промышленной безопасности предприятия.

В работе предложены схемы обезвоживания и сушки, позволяющие обеспечить на ЦОФ «Донецкая» производство товарного концентрата в соответствии с расчетными показателями научно обоснованных норм влажности в зимнее и летнее время.

Разработаны рекомендации по обеспечению расчетных показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи обоснования и разработки технологии обезвоживания углей различной степени метаморфизма и крупности, обеспечивающее снижение влажности угольной продукции и повышение ее потребительских свойств.

Основные выводы

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем.

1. Обоснована целесообразность разработки оптимальной технологии и выбора оборудования, обеспечивающих высокую эффективность удаления влаги из угольной продукции, с уче-' том показателей, базирующихся на изучении влияния генезиса месторождений (марочного состава) и крупности углей на влажность угля, перерабатываемого на обогатительных фабриках.

2. Установлена взаимосвязь степени метаморфизма углей и свойств, определяющих их влагоудерживаюшую способность.

3. Показана возможность снижения (до 2—4%) значений предельных норм общей влаги в сравнении с их максимальной влагоемкостью по отношению к действующим нормативным документам.

4. Анализ технологических схем и эффективности механического обезвоживания выполнен по предложенному новому критерию оценки минимальной влажности угольной продукции различного марочного состава и узких классов крупности— максимальной молекулярной влагоемкостн й7,,^,.

5. Установлено, что №мм„ изменятся в широких пределах в зависимости от крупности и марочного состава углей. Для концентрата крупностью <6.0 мм коксующихся углей XV мм„ составляет 2,0—3,4%, а для того же класса крупности концентрата длинпопламенных углей (марка Д) и тощих (марка Т) — 9,2—13,3%.

Для мелких классов указанных углей Н'7^,,;, увеличивается практически вдвое. Для узкоклассифицировапных угле!"] №нмв уменьшается в 1,5 раза по сравнению с углями, классифицированными по широкой шкале.

6. Разработаны рекомендации по выбору оборудования для механического обезвоживания на основании расчетов эффективности центрифугального и фильтрационного обезвоживания.

7. Определены пределы крупности и влажности продуктов обогащения, направляемых на термическое обезвоживание, обеспечивающие экологическую и промышленную безопасность процесса сушки, сокращение се объемов и соответственно сокращение затрат па все виды обезвоживания.

8. Разработан проект научно обоснованных норм влажности продукции обогатительных фабрик с учетом степени метаморфизма и крупности углей, основанный на выполненном комплексе исследований.

9. На примере ЦОФ «Донецкая» АО «Гуковуголь» показано, что в зимнее время предельная норма влажности в товарном концентрате должна составлять — 7,62%, при массовой доле влаги класса 0—13 мм подвергаемого сушке, не превышающей 6,21%. В летнее время эти показатели соответственно 11,85 и 11,0%.

В сравнении с едиными предельными нормами влажности продуктов обогащения расчеты показали различие для зимнего периода 0,62%, а летнего — 3,85%.

10. Разработаны рекомендации для ЦОФ «Донецкая» по осуществлению производства товарного концентрата в соответствии с расчетными показателями норм влажности. Принято решение перевести работу фабрики с однопоточной водно-шламовой схемы обезвоживания на двухпоточную.

11. Технико-экономическая оценка реализации предлагаемых рекомендаций обеспечит экономический эффект 4,108 млрд. руб. в год за счет уменьшения объемов продукции, подвергаемой сушке в зимнее время на 0,62%, уменьшения количества тонких классов углей, направляемых на сушку, и улучшения экологической обстановки в районе ЦОФ «Донецкая».

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах автора:

1. Пути снижения себестоимости продукции и повышение безопасности на обогатительных фабриках. М.: «Уголь», 1994, № 11, с. 46—48 (соавтор: В. В. Бобриков).

2. Эффективность обезвоживания мелких продуктов углеобогащения по показателю максимальной влагоемкости.// Научно-технический вестник ИОТТ. Люберцы, 1995, № 4—5, с. 167—176 (соавторы: Ю. Н. Бочков, В. В. Бобриков).

3. Максимальная молекулярная влагоемкость мелких продуктов углеобогащения.//Научно-технический вестник ИОТТ. Люберцы, 1995, №4—5, с. 176—181 (соавторы: Ю. Н. Бочков, В. В. Бобриков).

4. К вопросу потребительских свойств угля по влажности.//Научно-технический вестник ИОТТ. Люберцы, 1995, № 4—5, с. 181 — 185 (соавторы: В. В. Беловолов, Г. М. Пота-ренко).

5. Проектирование и строительство углеобогатительных фабрик.//Труды XII Международного конгресса по обогащению углей. Польша, г. Краков, 1995, с. 819—821 (соавторы: В. И. Ческидов, Г. П. Сазыкин, Б. А. Синеокий).

6. Оптимизация технологических схем углеобогатительных фабрик по показателям влажности угольной продукции. М.: «Уголь», 1996, № 6, с. 52—56.

7. Углеобогащение на предприятиях Российской Федерации. М.: «Уголь», 1995, № 6, с. 56—58 (соавтор: С. И. Грой-сман).

8. Некоторые направления дальнейшего развития техники и технологии углеобогащения. М.: «Уголь», 1995, № 8, с. 44— 48 и 1995, № 10, с. 52—56 (соавторы: Б. И. Линев, М. В. Давыдов).

2*

19