автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Технология обесвоживания и параметры брикетирования шлама железомарганцевых конкреций перед металлругической переработкой

РГ-Б ОД 0 2 ИЮН 1997

Па нрштч рукописи

НУШКАПОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ПАРАМЕТРЫ БРИКЕТИРОВАНИЯ ШЛАМА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ ПЕРЕД МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКОЙ

05.15.08 - Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации на гоискашж ученой гтепенн кандидата технических наук

Работа выполнена в Комплексном научно-исследовательском и нро-ектно-конструкторском институге обогащения твердых горючих ископаемых Министерства топлива и энергетики Российской Федерации.

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники России,

доктор технических паук, профессор А.Р.Молявко

Официальные оппоненты:

доктор технический наук, профессор Ю.Н.Бочков

кандидат технических наук, доцент Б.М.Равич

Ведущее предприятие - Институт проблем комплексного освоения недр (ИПКОН) РАН.

Защита диссертации состоится УУ" М а. Я 1997 г. в 4.0- час. на заседании диссертационного совета К 135.01.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Комплексном научно-исследовательском и проекгио-конструкторском институте обогащения твердых горючих ископаемых (ИОТТ) по адресу: 140004, г. Любсрцы-4, Московской обл., пос. ВУГИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комплексного научно-исследовательского и проекгио-конструкторско) о инспиуш обогащения твердых горючих ископаемых

Автореферат разослан "_" _1997 г.

Ученый секретарь диссертационного 1

сопсга, кандидат технических наук улРг-Л-—М.В. Давыдов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время потребность в цветных, редких, редкоземельных и других металлах неуклонно возрастает, что требует значительного расширения минерально-сырьевой базы. В свою очередь ззнасы континентальных руд ограничены и многие месторождения уже практически выработаны. Это ставит задачу поиска новых нетрадиционных видов минерального сырья. В связи с этим все более актуальной становится проблема изучения и вовлечения в промышленную сферу деятельности человека природных богатств Мирового океана. Среди последних наибольший практический интерес вызывают океанические железомарганцевые конкреции (ЖМК), так как они являются источником таких остродефицитных металлов, как меда, никель, кобальт, молибден, марганец. Поэтому во всем мире большое внимание уделяется проблеме их добычи и промышленного использования.

Промышленное освоение месторождений железомарганцевых конкреций представляет собой очень сложную задачу. В России в соответствии с государственной комплексной программой "Мировой океан" (раздел 04 "Геология н геофизика океана", подраздел 04.04. "Железомарганцевые конкреции с добычным судном") проводятся работы по созданию перспективных способов добычи, переработки и комплексного использования океанических конкреций. Ках показывает анализ, по всех раннее разработанных технологических процессах предусматривается операция их обезвоживания. Важное значение эта операция приобретает в условиях морского горного промысла па судах добычи п первичного обогащения железояаргапцевых конкреций, так как по предварительным дапным объем шлама крупностью менее 5 мм составит порядка 40% от добычи, однако п соответствии с нормированием безопасности морской перевозки пезерновых навалочных грузов необходимо обезвоживать до влажности при которой он будет находиться а динамическом равновесии с влажностью атмосферы. Как показывают расчеты, транспортировка обезвоженного шлама ЖМК позволяет снизить эксплуатационные затраты па 3 $ США с каждой тонны материала.

Шлам жслезомарганцевых конкреций, как показывают исследования, п салу характерных фпзпко-механических особенностей, является влагонасы-щеяным материалом (из-за высокой пористости), обладает невысокой механической прочностью, гидрофильностью поверхности, когезионными и аягези-

ониими саоисгвами, что обусловленно значительным содержанием неорганических минеральных примесей (глины, ила и др.), и это осложняет его обезвоживание на существующем оборудовании.

Учитывая вышеизложенное, а также ограниченность энергоресурсов и производственных площадей на судне, разработка новой эффективной технологии обезвоживания шлама ЖМК является весьма актуальной.

В рамках настоящего исследования разрабатывались теоретические основы и выявлялась практическая целесообразность применения способа обезвоживания шлама железомарганцевых конкреций в псевдоожиженноМ слое цеолигазированного туфа.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР институтов ИОТТ и "Механобр" за период с 1983 года по 1990.год, № ГР 01840049601; 01840069785; 01850067112. .

Результаты диссертационных исследований рекомендуются автором к широкому использованию на межотраслевом уровне, так как установленные в работе закономерности обезвоживания тошсоднсперсных материалов являются общими и технология обезвоживания была апробирована как для шлама желе-зомарганцевых конкреций, так и для угольного флотоконценхрата и шлама.

Цель работы в основные задачи вгелгдовапня. Исследование и разработка новой эффективной технология обезвоживания шлама железомарганцевых конкреций и методики расчета рабочих параметров процесса, а также подготовка шлама ЖМК методом брикетирования к металлургическому переделу.

Для достижения данной цели в работе решались следующие задачи:

- исследование шлама железомарганцевых конкреций как объекта обезвоживания и рудпого сырья для металлургического производства

- выбор н обоснование способа обезвоживания шлама калезомарганце-вых конкреций;

- исследование цеоштипровапных туфов как шпенсифшсаторов процесса обезвоживания и выбор наиболее эффективного образца;

- исследование процесса обезвоживания шлама железомарганцевых конкреций в псевдоожнженном слое цеолитизированного туфа;

- экспериментальные определения кинетических характеристик процесса с учетом влияния гидродинамических режимов слоя;

-3- разработка технологии обезвоживания и брикетирования железоыар-ганцевых конкреций;

Научная новизна работы:

- на основании теоретического анализа процессов тепломассообмена выявлены общие закономерности процесса обезвоживания материала при подаче во взвешенный слой природного влагопоглотателя и обоснована технология обезвожииання и подготовки шлама ЖМК к металлургическому переделу;

- разработана математическая модель обезвоживания шлама железо-марганцевых конкреций в псгвдоожиженном слбе цеояитазированного туфа, учитывающая влияние параметров процесса на" его интенсивность;

- показана взаимосвязь полнмодалыюстп пористой структуры цеолити-зировапных туфов с многоуровневостью их строения и выявлено три структурных уровня клнпоптилолитсодержащих туфов, которые различаются как метрическими параметрами, так и морфологическими особенностями.

Основные полоягтш, выносимые на защиту:

- технология обезвоживания шлама железомарганцевых копкреций;

- применение цеолитизироватшых туфов для ийтенснфикащш процесса обезвоживания тонходисперсных материалов;

- математическая модель и методика определения кинетических параметров процесса обезвоживания шлама железомаргапцезых конкреций в псев-доожнженном слое цеолигазировашюго туфа и расчет режимных параметров процесса;

- технологические параметры брикетирования шлама ЖМК с восстановителями.

Практическая ценность. Разработаны технология и методика расчета режимов процесса обезвоживания шлама железомарганцепых конкреций в псездоожиясенпом слое цеолитизированного туфа с последующим брикетированием, которая имшггапа на Жилевсхой опытао-промышлепной обогатитель-пой фабрике (ОПОФ). Применение цеолитазированных туфов в аппарате псев-доожиженного слоя позволяет увеличить интенсивность процессов тепломас-сообмепа в 1,5-2 раза.

Брикетирование железомаргаяцевых конкреций с восстаношпелем (кокснком) и связующим (нефгебитумом марки БН 70.30) позволясг получать

брикеты заменяющие ферромарганец ФМн-75 при производстве литейного чугуна.

Опытная партия брикетов, полученная на Жилевской ОПОФ испытана при плавке в вагранке чугуна марки СЧ-15 на заводе Ленстанколнт. Опытные плавки показали, что чугуны, выплавленные с применением в шихте ЖМК, по пределу прочности при растяжешш и твердости не уступают чугунам, полученным с использованием ферромарганца ФМн-75.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на отраслевых научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (Люберцы, 1981-1985 гг.), на заседании технического совещания ВНИИОкеанолопш по рассмотрению эскизного проекта "Опытной судовой установки для первичного обогащения ТПИ дна Мирового океана" (Ленинград, 1983 г.), иа конференции молодых ученых ИПКОН АН СССР (Москва, 1985 г.), на втором Всесоюзном научно-техническом семинаре (Пенза, 1987 г.), на расширенном заедании бюро научных советов по геологии в химии Межведомственного координационного совета АН СССР (Ленинград, 1987 г.) и на заседании Ученого совета ИОТТ (1997г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Объем в структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературы, содержащего 106 наименовании, изложена на 150 стр. машинописного текста, включая 33 рисунка, 22 таблицы, 6 приложений, включающих акт полупромышленных испытаний и техническое задание на аппарат сушильный с псевдоожнженпым слоем АСП-0,5.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В первой главе диссертации дан краткий литературный обзор по оценке запасов ЖМК п способов их переработки, а также проведен анализ существующих методов обезвоживания мелкодисперсных материалов.

Дефицит марганца в России ; можно уменьшить за счет создания нетрадиционных технологий обогащения трудпообогатпыых окендно-силикатно-карбонатных марганцевых руд н технологий переработки глубоководных железомаргапцевых конкреций (ЖМК), запасы которых на дне Мирового океана достигают 2-3 триллиона тонн.

Алализ существующих технологических схем добычи н первичного обогащения железомарганцевых кошсрепий на судовых установках ¡ Укачивает на необходимость разработки эффективной технологии обезвоживания получаемого шлама до сыпучего состояния, н целях обеспечения экономичности и безопасности морских перевозок, а также для подготовки к дальнейшей технологической переработке.

Технологические схемы переработай ЖМК предусматривают операцию обезвоживания конкреций с учетом особых требований к технологии обезвоживания.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ КАК ОБЪЕКТА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Анализ литературных данных показывает, что железомарганцевые конкреции в силу характерных особенностей физико-механических свойств обусловливают особые требования к технологии его обезвоживания.

Исследования ЖМК проводили на примере технологической пробы железомарганцевых конкреций со станции Г22, полученной в рейсе г/с "Степап

Малыгип" п пробе с участка с координатами центра месторождения 10° с.ш. п

г

138° з.д., доставленной НИС "Морской геолог".

В процессе исследований был установлен химический состав проб ЖМК методом эмиссионной н атомно-абсорбционной спектрометрии пламени.

, Определены виды п формы связи влаги с ЖМК методом снятия термограмм сушки, разработанным М.Ф.Казапскиы. Анализ полученных данных . показывает, что железомарганцевые конкреции, по классификации П.А.Ребиндера, относятся к типичным коллоидным капиллярно-пористым телам и обладают повышенными влагоудержнваюпцши свойствами. Находящаяся а них влага неодинакова по видам и неоднородна по формам связи (физшсо-мсхашпеская: максимальная молекулярная влагоемкость - 32,8-33,0%, влага магсрспор и стыковая -17,6-17,7%, влага микропор - 10,4-10,8%; физпко-хымическая: влзга полимолехулярной адсорбции - 8,2-8,5%, влага мопомоле-кулярпей адсорбции - 4,7-4,9%; химическая: химическая слабосвязанная - 1,41,5%, химическая прочносвязапная - 1,2-1,3%) для удаления которой требуется иагрев материала до температуры 320°С.

Анализ изо гермы сорбции влаги шламом ЖМК показал, что при относительной влажности воздуха равной 1,0 максимальное влзгосодержапие его

сосгавляет 43%, в том числе связанной адсорбционной влаги - 23% и влаги удерживаемой капиллярными силами - 20%.

Методами адсорбционной и ртутной порометрии установлено, что объем норового пространства конкреций составляет 0,46 см3/г. В структуре преобладают микро- и мезопоры (87,7%) с эффективными радиусами 7-10 А и 40 А.

Методом разъемного цилиндра на приборе Андрианова исследовались аутогезиониые свойства шлама, ЖМК, которые показали, что слипание частиц начинает проявляться при влажности материала свыше 43% (максимальная гигроскопическая влажность).

На основании проведенных исследований сформулированы требования к технологии и параметрам процесса сушки шлама ЖМК:

- влажность шлама после обезвоживания не должна превышать максимальной гигроскопической влажности (43%), чтобы он не мог образовывать конгломераты и не налипал на контактирующие поверхности;

- обезвоживание шлама целесообразно проводить в аппарате с псевдо-ожижешши слоем частиц, обладающих плагопоглотительными свойствами, при высоких скоростях теплоносителя; .

- в качестве влагопоглотнтельных частиц рекомендовано использовать цеолигизированные туфы.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕОЛИТИЗИРОВАННЫХ ТУФОВ КАК ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ПРОЦЕССА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНОГО ОБРАЗЦА

Для исследований были отобраны клинопгалолитсодержащие породы из действующих карьеров Ай-Даг, Дзегви, Ноембсряп и Сокпршща

Исследование влагопоглотптельпой способности цеолигазированных туфов показало, что образцы месторождений Ай-Даг, Дзегви, Сокиршща находятся на одном уровне н онн превосходят образец месторождения Ноембе-рян (рис.1)..

Определение видов и форм связи влага с цеолитизировашшмн туфамн показали, что находящаяся в них влага неодинакова по видам и неоднородна по формам связи. Кривые дифференциального термического анализа цеолигазированных туфов всех месторождений практически не отличаются и положение точки минимума пика дегидратация колеблется в пределах 180-210°С. На основании термографических и адсорбционных исследований рассчитано со-

держание в деолнтизированных туфах химически связанной воды: Ай-Даг -6,84%; Дзегви - 7,3%; Ноемберян - 6,32%; Сокирница - 5,72%.

W W. 0 "С

0,4- л ^^^^ \\ 'У/^

10 - 1 /

0,20,1 20- V

Л-1-1-1-1-1-1 10 30 60 90 120 150 180 t» в 25- С -1-1-1-(— 20 40 60 80

Рнс.1. Кннеттса кашшлярпого епи- Рис. 2. Кривые отклика температуры

тывания плат из шлама ЖМК цеолн- теплоносителя выходящего из слоя

тизнроватшмн туфами 1 - пасадка из гранита;

1 - Ай-Даг; Дзегви; Соклртшца. 2 - пасадка пз цеолптизированного

2-Ноемберян туфа

По классификации П.А.Ребнндера исследованные образцы относятся к типичным капиллярпо-порнстъш телам и нх влагспоглотательпые п водо-удержнзагощие свойства зависят от харапера пористой структуры.

Поровое пространство всех цсолнтпзпрованпых т>;фоп предстзплепо в основном макропорамп, за псюпочеппсм образца месторолсдспия Ноемберян, у которого отмечено наличие ипкропор радиусом 5 А. По суммарному объему пор они располагаются в следующий ряд убывания порксгосш: Ай-Даг (0,36 см'/г)» Дзггвл (0,15см5/г) > Ноемберяп (0,113 см'/г)> Сохнрнвд'а(0,11 см'/г).

Полимодальпость пористой струетуры цсолнтпзпропапных туфов хорошо согласуется с многоуровневостыо пх строения, выявленной методом сканирующей электронной микроскопии прп различных увеличениях. Она представляет собой три структурных уроЕПя юшноптплолпгсодеркапщх туфов в виде ажурной постройки, состоящей из соприкасающихся кристаллов микрожеод и последовательно агрегированных мшсрокрисгаллигов из межжеодового пространства в целом существенно неплотно упакованных на каждом структурном

уроине, что позволяет объяснить полимодальный характер распределения размеров вторичных пор в этой постройке. Выяилешше общие закономерности пористой структуры цеолптнзированных туфов могут служить основой для понимания целого ряда нецеолнгных эффектов, таких как повышенная влагоем-кость, адсорбции крупных органических молекул и другие. Существенное различие в метрике структурных элемягтов (пор, мнкрокрисгаллитов) для цеоли-гизированных туфов разных месторождений позволяют объяснить специфику их адсорбционных н ионообменных свойств при близком валовом содержании юшноптилолита. Эта данные показывают, что наряду с оценкой тала и количества цеолита в туфе необходимо проводил» комплексное исследование его текстурно-структурных особенностей.

Механическая прочность влагопоглотителен является одной из основных характеристик, определяющих срок их службы в технологии капиллярного влагопоглощения, поэтому сравнение цеолигазировашшх туфов по убыванию механической прочности в зависимости от степени увлажнения, которая в свою очередь зависит от структуры туфа (плотности упаковки кристаллов) показывает, что они располагаются в следующий ряд: Ноемберян > Созшршща > Дзегвн > Ай-Даг.

Падение механической прочности цеолнпшрованных туфов при увлажнении происходит за счет возникающих, капиллярных давлений в порах, кото* рос зависит от их эффективных радиусов. По степени падения прочности исследуемые образцы располагаются в рад Носмберяп(87 А) > Дзегвн (288 А) > Сокирннца (457 А) > Ай-Даг (3467 А).

На основании анализа результатов исследований по влагопоглотитель-пой способности и механической прочности, в качестве наиболее эффективного природного влагопоглоппеля рекомендован цсолнтазнрованный туф месторождения Сокнршща, с которым были проведены дальнейшие исследования на экспериментальной установке нссвдоожнжеппого слоя по обезвоживанию шлама железомарганцевых конкреций.

Целью исследований данного раздела являлось определение влшшпя материала насадки в аппарате нсевдоожнжекного слоя на степень обезвоживания шлама ЖМК. В качестве насадкн применшшсь цеолитизированный туф в для сравнения псобладающпй влагопоглогпгтельныш! свойствами гранит.

Реэультаты сравнительных испытаний показывают, что применение цео-лнтизированного туфа позволяет создать более благоприятные условия для тепло- и массообмена в процессе сушки шлама и как следствие увеличить вла-госъем в аппарате. Влажность шлама после сушки с применением цеолитиэи-ровдиного туфа в 4 раза ниже, чем с гранитом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ШЛАМА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ЦЕОЛИТИЗИРОВАННОГО ТУФА

Установка для проведения исследований представляла собой аппарат фонтанирующего слоя с тангенциальным подводом теплоносителя. Особенностью фонтаннрующего слоя, как модификации псендоожиженного, является существование устойчивого контура циркуляции частиц и отсутствие застой-пых ЗОН. ;

Фнзичегггея модель процесса.

Высокая шгтенаганость циркуляции дает созмоетшсть рассматривать фонтанирующий слой как аппарзг идеального смешения, так что п любой точке устанавливается одинаковое распределение по параметрам твердой фазы, а движение теплоносителя подчиняется модедн реального вытеснеппя. Время двпжешш частиц в фонтане составляет 0,1-0,2 секунды, а время . "опускания" их в плотной зоне 1-2 сскунды. Перемещение чгствд из одпой зоны в другую вызывает резкое пзкепешге параметров и услоппй теплообмена, а . следовательно, п резкое изменение скорости этого процесса. Можно считать, «по теплообмен между частицами п теплоносителем происходит в зоне фепта-вя. Так как скорости теплоносителя и згой зоне вешпгп, то обратным переме-инвакаш газа можно пренебречь. В ракках зтях преддояожешЕЙ теплообмен в восходящем потоке может быть огшслп соотношением:

В=а^-0), (1)

где е - тепловой поток; а* - коэффициент теплоотдачи; Г, 0 - температура газа п -¡истиц.

В зоне "опускания" теплообмен протекает метэду частпцаыи насадки п сунпшого материала, а с газом практически отсутстяуст, Обезвоживание в этой зоне происходит та счет передачи влаги частицами материала чаепщам цеолитизированпого туфа я тепла аккумулированного последними. Так как

время циркуляции частиц значительно меньше времени сушки и нагрева частиц, которое составляет десятки секунд, то среднюю интенсивность теплообмена за один цикл можно усреднить:

Математическая модель процесса.

Для выявления требований к конструкции аппарата и оптимизации технологических показателей процесса в исследованиях применен метод математического моделирования.

На опытной установке определялись кинетические параметры модели и проверялась адекватность математического описания реальным процессам.

Для определения кинетических характеристик теплообмена была использована методика, которая заключалась в том, что в предварительно прогретом слое распределялась определенная порция холодных частиц исходного влажного материала, при этом температура теплоносителя на входе в аппарат под* держивалась постоянной. Температура теплоносителя на выходе из слоя фиксировалась термопарой, полученный сигнал усиливался и записывался.

Образцы кривых отклика, в виде зависимости Д11Ы» = представлены па рис. 2. Качественный анализ этих кривых позволяет интерпретировать процесс теплообмена, происходящий при контакте влажного материала со слоем насадки следующим образом. В момент контакта начинается процесс передачи тепла от нагрстых частиц насадки к влажному материалу и влаги материала к нагретым частицам цеолитнзировапного туфа с последующим ее испарением. Количество тепла, передаваемого в процессе контакта, зависят от разности температур между поверхностью частиц насадхя и температурой влажного материала в процессе сушки, а также от врсыенп контакта, которое определяется пщродинамическиып условиями. В результате поверхность частиц насадки, отдавая теплоту, охлаждается, что нарушает равновесие между теплоносителем н насадкой.

Таким образом, возникает поток тепла от теплоносителя к слою, а это в свою очередь вызывает понижение температуры теплоносителя на выходе из слоя. Понижение температуры происходит очень быстро, за несколько секунд, и практически равно временя подачи влажного материала в слой насадки.

а =

(2)

Время распределения материала п слое и контактного тепло- и массообмена между частицами насадки и влажным продуктом мало но сравнению с дни-тельностью всего процесса изменения температуры. По окончании процесса контактного тепло- и массообмена начинается пагрев частиц насадки п процессе теплообмена с теплоносителем, что отражается в восходящей кривой изменения температуры теплоносителя. В результате пагрева вновь достигается тепловое равновесие между газом и слоем. В данном случае, конечная пяаж-ность продукта определяется не только условиями сушки, но и временем пребывания его в слое, определяемым косвенным путем.

В соответствии с законом сохранения энергии количество тепла (Q), передаваемое слоем мелкодисперсному продукту должно быть рапгго количеству Тепла, передаваемого от газа к слою, за пычетом потерь от газа к стенкам су-Ьшльного аппарата. Это количество тепла определяется по крипой отклика температуры:

Q = (Orcr+K0)J(trajI)-traj)dt,

(3)

1где Сг, Ст - масса п теплоемкость газа, {,К11> 11Ы,2 - температура теплоносителя па выходе из слоя до и после вброса влажного материала, Кп - коэффициент потерь тепла.

Тзк как основным механизмом передачи тепла в аппарате является контактный теплообмен, то естественно рассматривать удельную характеристику передаваемого тепла па единицу движущей силы процесса:

где |3 - коэффициент контактного теплообмена; 9, 0« - температура насадки и материала.

Модель передачи тепла в установившемся режиме выглядит следующим образом.

Горячий теплоноситель отдаст тепло частицам слоя:

(0^-^X1,-0 = 0^(1-0), (5)

а частицы слоя обмениваются теплом и влагой с сушимым материалом:

аР(1-0) = р(0-ви)Ои, (б)

- u- .

где F - щгащадь поверхности материала, to, t - начальная и средняя температура газа в слое.

Так как горячий теплоноситель отдает тепло частицам сдоя, а они в свою очередь передают тепло влажному материалу, то можно записать:

(Orcr-Kn)(t0-tea) = p(e-©II)Ou> (7>

Соотношение ыеаду температурой газа на выходе, и температурой частиц в слое может был, получено следующим образом.

Баланс тепла для дифферешщалыюго объема аппарата запишется

a(t(x) - ©)dF(x) = (Grcr - К,)dt, (8)

где s - текущее значите координаты по высоте слоя.

Интегрирование уравнения (8) при граничных услов1их t0|M =t дает возможность определить изменение температуры теплоносителя по высоте аппарата, а также получшъ связь между температурой теплоносителя в слое и температурой на выходе:

^'»вЧц-вЦ-д^-} (9)

Количество влага (ДО), удаляемой в слое, определяется ш уравнения т-термально! о баланса:

GM[r^U; + C'Ui +c.(l-U)](eu-0o),(Grcr-KD)(te-w), (10)

где г - удельная теплота парообразования, с,, с* - теплоемкость воды и материала, U», U, - начальное в конечное шхагосодерхагшс материала.

Решение уравнений (5>-(10) даст возможность определить количество плат, удаляемой из влажного материала при заданных значащих производительности и начальной температуре теплоносителя. Методика расчет.

В'качестве осиовных параметров при расчете пртвшасы прошвода-телънот аппарата Ои = 500 кг/ч, начальная температура теплокоептелг (i =

300"Q, коиичгстЕО удаляемой влага &U = 0,2 — к крупность подаваемого на

КГ

обезвоживание asui ЖМК (0-3 ми).

Расчст параметров технологического процесса сводится к последовательному решению следующих задач: определению крупности и массы инерта (цеолитизированноготуфа), габаритов аппарата и расхода теплоносителя.

Для обеспечения режима уноса шлама ЖМК фракции 0-3 мм,согласно экспериментальным данным (табл. 1)энеобходимо установить скоросгь тепло-поситсля в верхней части аппарата более 6 м/с. Однако, наличие пульсации в процессе фонтанирования инертного материала приводит к выбросам и выносу высушенных частиц шлама ЖМК данного размера при меньших скоросгах теплоносителя.

Таблица I

Значения скорости витания для частиц жеяезомарганцевых конкреций и цеолитизированного туфа

Материал Размер фракшга, Диапазон измене- Средняя ско-

мм ния скорости пита- рость витания,

ния, м/с м/с

Железомарганцевые 1-2 2-5 4,0

конкреции 2-3 . 3-6 5,0.

Цеолнтнзнровашшй 5-7 9-14 12,0

туф 7-10 10-15 12,9

В связи с тем, что предполагаемый диапазон скоростей теплоносителя обеспечивающий, пребывание высушиваемых частиц шлама в слое составляет 2,5-4 м/с, то задаемся скоростью 3,6 м/с п в соответствии с формулой паходим скорость вптаппя частиц инерта:

•-'Г1^ (П>

Этой скорости соответствует размер фракции нперта 7-10 мм.

Значение коэффициента контактного теплообмена, согласно рис.3, со. „ кДж ставит 4,8.

К-кг

(V кДж/К кг • 6

г -

и», м/с

Рис.3. Зависимость коэффициента контактного теплообмена от скорости теплоносителя для фракции шлама 0-3 мм

N11

{АЫО^

¡ЗУ 5 4

3 -2 I

0,1

0.2

3,3 Яе

1Ц,

Рис. 4. Обобщенная зависимость интенсивности теплообмена от гидродинамического режима в аппарате

Из уравнений (7 и 10) определяем температуру инерта:

о14т-ди=р(е-©м)о|<, .

0 = ^1 + О|,=15О<>С. Р

Коэффициент теплообмена, который зависит от гидродинамического режима в аппарате, находим согласно рис. 4.

В первом приближении считаем, что температура инерта равна температуре теплоносителя па выходе из аппарата, и каЯищш по уравнению (7) расход теп поносителя:

О-М*»-*««)

Нахолнм сечение аппарата:

Б = —= 0,15мм1, (12)

ро

I до илошоегь газа (р) берем согласно его температуры на'выходе ш слог.

Задаемся режимом, когда п аппарате находится 2,5 кг цеолиттиропаи-ного туфа, согласно экспериментальным данным, то есть на 1 м? площади аппарата - 62,5 кг.

Ошошенне поверхности цеолитгоированного туфа к объему составит:

пд1 _ 6

ж!3 «V 6

Тогда поверхность инерта на I мг аппарата составит:

(13)

р0 = °-..А.8=4,1м1. (14)

Рм а»

По уравнению (9) уточним температуру газа на выходе из слоя:

аЕ,

<»м=® + 0о-®)ехр

ОгСг-^

-168,9°С.

Для того чтобы увеличить тепловой к.п.д., то есть уменьшить тепловые потери с отходящими газами, увеличиваем массу инерта в дна раза (Го =8,2 м'), тогда температура газа на выходе из слоя будет.

Теперь уточним расход теплоносителя подставив значение температуры газа на выходе пз слоя в уравнение (7):

„ 4,8-(150-55)-500 ,

. =171 кг/ч.

г 0,9-1-(300-152)

Отсюда температура газа на выходе из слоя составит:

(_ = 1504300-150)ехр(-11^|^) = ,51,9»с.

Проверяем по уравнению (10) количество удаленпой влаги пз шлама жс-лезомарганцевых конкреций:

ли_(Огсг-Кп)-(10-1пд)-(1-и,)_019е кг Ои-г 'кг'

ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБПЗВОЖИВАНИЯ ШЛАМА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ

Полупромышленную проверку технологии обезвоживания шлама ЖМК в псевдоожиженном слое цеолитизйроианного туфа проводили на установке Жиленской

ОПОФ/ИОТ^.

Полученные результата показали возможность практического применения данной технологии для подготовки шлама ЖМК к транспортировке на судах и последующему металлургическому переделу. Установлено, что максимальный расход тепла на испарение влаги составил 2686 кДж/кг. Результаты рабогы использованы в ВПО "Союзмашцветмет" при проектировании и разработке аппарата АСП-0,5.

Обезвоженный шлам использовали для получения литейного чугуна непосредственно, а также после его предварительного брикетирования совместно с восстановителем (8-12%) и связующим (6-8%) на валковом прессе. При выплавке чугуна марки СЧ-15 на заводе Ленстанколит на вагранке производительностью 2т/ч, показано, что чугун по споим свойствам отвечает требованиям ГОСТ 1412 и не уступает чугунам, полученным с использованием ферромарганца ФМп-75. Также было отмечено, что степень восстановления марганца из ЖМК составляет 40-50%, а из брикетов соответственно 55-65%.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ

ВЛАЖНОСТИ

Исходные данные для расчета технико-экономических показателей транспортировки ЖМК:

1. Объем перевозок (<3г) - 3 млн. тонн в год сухих ЖМК;

2. Транспортное судно - т/х тапа "Зоя Космодемьянская";

3. Максимальная грузоподъемность судна (О*) -47105 тонн;

4. ^Эксплуатационные расходы по данным Черноморского морского пароходства на 01.10.90:

па ходу (Ц0 - 13585 руб/сут.;

ня стоянке при загрузке (Ц>) и разгрузке (Цр) - 5335 руб/сут.

5. Скорость в грузу - 13,6 умов (25,2 км/ч);

б,Эксплуатационный период (т,) - 360 сучок;

"7, Расстояние ДО порта ра »Грузки (Дальний Восток) - £000 км.

Таблица 2.

Технико-экономичесхие показатели перевозки ЖМК от места добычи в порт разгрузки

N пп Показатели Расчетные формулы Крупность ЖМК, мм

0,1-5 0,1-5 0,1-5 0-5 0-5

1 2 3 4 ■ 5 6 7 8

1 Влажность ЖМК*, % 47 32 15 38 20

2 Количество ЖМК перевозимых за 1 рейс/г 34966 32031 40039 29205 37684

3 Необходимое количество рейсов в год (а) 120 94 75 103 80

4 Количество судов, шт. (б) Пс" X 10 8 6 9 7

5 , Эксплуатационные затраты, млн.руб. (в) 43,547 34,112 27,217 37,378 29,031

6 Затраты на перевозку 1т жмкгру£<т; - г_Цг а 14.52 11,37 9,07 12,46 9,68

•Влажность ЖМК по ГОСТ 27314

Расчешые показатели для различных типов рудной массы ЖМК и расчетные формулы приведены в табл. 2, а зависимость этих показателей от влажности перевозимого материала отражена на рис. 5.

г45 ■

>20 10 У

» / 40

100 8 / 7 / 35

£0 « у/ -1-1-1- 30

10 20 30 40 Влажность ЖМК. %

Рис. 5. Зависимость технико-экономических показателей перевозки ЖМК с места добычи в порт разгрузки от их влажности а - необходимое количество рейсов в год.

б г необходимое количество судов д ля перевозки, в - эксплуатационные затраты на транспортировку (шш. руб./г). " г - затраты па перевозку 1 тонны ЖМК (рублей)

ВЫВОДЫ

1. При разработке способа обогащения ЖМК установлено наличие в них большого количества шлама, который значительно затрудняет их транспортировку и подготовку к металлургической переработке из-за высоких аутогези-онкых свойств, вызывающих агрегирование и налипание на рабочие органы транспоршых средств и оборудования. Установлено, что ЖМК обладают повышенными влагоудеркивающимн свойствами (максимальная гигроско-иическацблажносгь сухого материала составляет 43%), которые обусловлены развито^ капиллярно-пористой структурой (Уг - 0,46 см'/г) и размерами капилляров (микро- и ыезопоры составляют 87,7% с эффективным радиусом - 7-10А в 40А), а также определена температура их полной дегидратации (320°С) и лиянатн проявления сил аугогезии (при влажности материала от 45% до 75%).

2. Сравнительный анализ способов обезвоживания шлама ЖМК (четаничгское обешожнпапие, термическая сушка) показал, что для использования иаибем* эффективным является способ обезвоживания в псевдоожн-

женном сЛое с влагопоглотательным пнертом. В качестве ышопопктпелей предложено использовать дешевые и доступные для применения природные материалы - цеолилпнрованные туфы.

3. Сравнительный анализ физико-химических, физико-механических и влагопоглотагельных свойств цеолитизированных туфов месторождений Лй-Даг, Дзегви, Ноемберян и Сокирннца показал, что наиболее эффективным является - цеолигизированный туф месторождеш1я Сокирпица, который при равном влагопоглощешш превосходит остальные по механической прочности. Установлено, что обезвоживание шлама желез ом арганцевых конкреций в контакте с цеолитнзированным туфом месторождения Сокирница позволяет получил. кондиционный продукт с влажностью 43% для условий района добычи.

4. Полнмодальпосгь пористой структуры цеолитизированных туфов, полученная по данным ртутной порометрин и адсорбции бензола, хорошо согласуется с многоуровпевосгью пх строения, выявленной методом сканирующей электронной микроскопии при различных увеличениях.

Выявлено три структурных уровня ялннодшлолотсодержащнх туфов.

5. Разработана математическая модель обезвоживания шлама железо-марганцевых хонхрецпй в псевдоожяжснном слое цеошгтзпроваянопэ туфа, позволяющая всесторонне описать процесс обезвоживания ЖМК и рассчитать параметры технологического процесса.

! б. Разработана методика расчета рабочих режимов обезвожнвапкя шлама железомаргапцевых конкреций в псевдоожижепном слое цеолптизирован-ного туфа, учитывающая влнянне режимных параметров на кинетику процесса.

7. Проведенные испытания технологии па полупромьппленпой установке пропзвод1ггелыюсшо 5 т/ч подтвердили адекватность математической модели а методики расчета реальным параметрам технологического процесса обсзно-жнваыпя шлама железомаргапцевых конкреций до транспортабельного состояния.

8. Испытала я решена технологическая задача брикетирования железо-марганцевых конкреций после нх обезвоживания в псевдоожнженном слое цеолишзнрованного туфа, с получением механически прочных н водостойких брикетов на валковом прессе с добавлением коксика (10%) и нефтебитума марки БН 70/30 (7%).

Использдвание брикетов из железомарганцевых конкреций в качестве марганецсодержащего сырья при производстве литейного чугуна позволяет заменить ферромарганец ФМн-75.

9. Разработанная технология обезвоживания шлама ЖМК позволяет ее применить как в условиях берегового комплекса, так и на добычном судне в условиях ограниченности энергоресурсов и производственных площадей.

10. Результаты, полученные в работе, использованы в ВПО "Союзмашцветмег" при проектировании и разработке аппарата АСП-0,5 для полупромышленной судовой установки.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Пушканов В.В. Применение капиллярно-пористых материалов для интенсификации процесса сушки угольного флотоконцентрата II Тез. докл. VI отраслевой конференции молодых ученых и специалистов углеобогатителей. ИОТГ. Люберцы, 1981.-С.21-22.

2. Пушканов В.В. Исследование цеолнтизнрованных туфов с целью выбора наиболее эффективного образца для глубокого обезвоживания тонкодисперсных продуктов обогащения угля II Обогащение и брикетирование угля: Тез. докл.- М.: ЦИИЭИуголь, 1982,- N5.-С. 45-46.

3. Береинггейн Б.Г., Будаев С.С., Пушканов В.В. Исследование возможности использования природных цеолитов для глубокого обезвоживания угольного флотоконцентрата // Методы исследований в области технология рсдкометального сырья и охраны окружающей среды.- М.: ИМГРЭ, 1982.- С. 79-84.

4. Жихарев Ю.И., Пушканов В.В. Сушка ишамов океанических конкреций в аппарате фонтанирующего слоя в контакте с природным капиллярно-пористым влагопоглотителем II Физико-технические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых: Тез. докл.- М.: ИПКОН АН СССГ. 1986.-С. 141-144.

5. Пушканов В.В., Жихарев Ю.И. Дифференциальный количественный япалзд вля1и по формам я видам связи в материале железомарганцевых конкреций // Разработка и обогащение рудных в нерудных месторождений при их комплексном освоении: То. докл. -М.: ИПКОН АН СССР, 1987,- С. 114-115.

6. Будаеп С.С., Пушканов B.D.. Передерни Ai.Л. Исследопанне каннл-лярпо-пористон структуры цеолитизировапных туфов месторождений СССР / Комплексный науч.-послед, и проектно-коистр. ин-т обогащения твердых горючих ископаемых.- Люберцы, 1987,- 12 е.- Дсп. в ЦНИЭИуголь 3.01.87, N4105.

7.; Молявко Л.Р., Будаеп С.С., Пушканов В.В., Круковскпй О.И. Обезвоживание угольного флотоконцентрата и шлама в псепдоожиженном слое природного влагопоглопггелтя / Комплексный науч.-исслед. и проекгпо-конпр. пи-т обогащения твердых горючих ископаемых.- Люберцы, 1987.- 18 е.- Дсп. ri Ц1ШЭИуголь 25.06.87, N4184.

8. Пушканов В.В., Краковский О.Н. Модель передачи тепла прп сушке тонкодпсперсных продуктов обогащения в контакте с насадкой из капкллярпо-порнсгых тел:- Угольная промышленность СССР: Реф. на картах / ЦНПЭИ-уголь, вып.* 8,1937.

9. Пушкапов В.В., Крукопскнй О.Н. Обезвоживание шлама железо-марганцевых когасрецнй do взвешенном слое цеолнпшгрованного туфа // Методы исследования технологических свонстп топкоднсперсных минералов н руд.- М.: НМГЮ, 1987,- С. 114-122.

10. Марширов И.В., Кзплуповскнй Ю.А., Тимофеев Н.Г., Путкаиоз В.В. Применение железомаргаицезых конкреций прп выплавке чугуна в па-гранке И Современное оборудование и технология плавки, внепечной обработки п залишш чугуна: Тез. докл..- Пепза, 1987.- С. 59-61.

11. Будаеп С.С., Пушканов В.В., Маципа В.Д. Дифференциальный ко-лнчестветшй апалнз злагн в материале железомаргапцевых кошерецпй и ее влияние на аутогезио // Разработка перспективной тешпкп и технологпн обогащения углей.- Люберцы: ИОТТ, 1989.-С. 92-101.

12. Четнздев Н.Ф., Пушкапов В.В., Малпков А.Н. Вторичная пористость цеолнттирогзашшх туфов II Переработка п прпиенепие природных пеолитп,-Тбнлпсп: Сакартаело. 1989.-С. 121-127.