Тяжелосредное обогащение углей

1.4. Подготовка угля к тяжелосредному обогащению

1.4.1. Границы машинных классов при тяжелосредном обогащении угля

Машинный класс – часть твердого полезного ископаемого определенной крупности, предназначенная для разделения на компоненты в обогатительном аппарате определенной конструкции.

Условно различают 6 машинных классов угля для обогащения:

– класс +13 мм в тяжелосредных сепараторах;

– класс 3-13 мм в отсадочных машинах, тяжелосредных гидроциклонах;

– класс 1–3 мм на винтовых сепараторах, концентрационных столах, гидросайзерах и тяжелосредных гидроциклонах;

– класс 0,5–1,0 мм на винтовых шлюзах;

– класс 0,005-0,5 мм в флотомашинах;

– класс -0,005 мм (илы) не предназначается для обогащения и направляется непосредственно в отходы.

Следовательно, для получения максимального технологического эффекта необходимо стремится к обогащению угля пятью машинными классами [18–20].

Границы машинных классов могут изменяться в зависимости от технологической или экономической целесообразности.

Выделение машинных классов на углеобогатительных фабриках осуществляется в основном в узлах подготовительного грохочения, обесшламливания и обезиливания с помощью ситовой и гидравлической классификации.

Для этих операций используются грохоты и гидрогрохоты, неподвижные и подвижные сита, багер-зумпфы и гидроклассификаторы, гидроциклоны, классификаторы и сгустители.

Качество машинного класса оценивается величиной его верхней и нижней границ, а также величиной содержания в нем некондиционных по крупности частиц.

Рекомендациями по обогащению угля в магнетитовой суспензии [16] установлено следующие нижние границы крупности машинных классов:

для тяжелосредных сепараторов – 13 мм с возможностью ее снижения до 6 мм;

для тяжелосредных гидроциклонов – 0,5 мм с возможностью ее снижения до 0,2 мм.

Верхняя граница машинных классов ограничивается конструктивными параметрами обогатительных аппаратов.

Практика показала, что верхний предел крупности машинного класса для тяжелосредных сепараторов доходит до 300 мм, тяжелосредных гидроциклонов до 50 мм. При переобогащении в гидроциклонах промпродукта традиционным машинным классом является класс 0,5-13 мм. Промпродукт крупнее 13 мм додрабливается до -13 мм.

Традиционно (исходя из необходимости получения сортового топлива) обогащение угля осуществляется двумя машинными классами: крупный машинный класс +13 мм обогащается в тяжелосредных сепараторах, мелкий машинный класс 0,5-13 мм – в тяжелосредных гидроциклонах. При содержании класса +50 мм в рядовом угле менее 15 % он может быть додроблен до крупности -50 мм и обогащаться в тяжелосредном гидроциклоне одним машинным классом 0,5-50 мм, или в двух тяжелосредных гидроциклонах двумя машинными классами, например, 0,5-13(20) мм и 13(20)-50 мм.

1.4.2. Подготовка крупного угля к тяжелосредному обогащению

Подготовка крупного угля к тяжелосредному обогащению в сепараторах с магнетитовой суспензией представляет собой выделение из рядового угля крупного машинного класса крупностью +13 мм в узле подготовительного грохочения.

Подготовительное грохочение по указанной крупности может осуществляться сухим и мокрым способах на вибрационных грохотах и гидрогрохотах с неподвижной и комбинированной поверхностью.

Грохоты для сухого подготовительного грохочения описаны в [21, 22], мокрого в [23, 24], гидрогрохоты – в [25].

Технические характеристики оборудования для подготовительного грохочения углей приведены в табл. А1-А6, а общие виды некоторых специальных грохотов, вибрационных грохотов и гидрогрохотов – на рис. 1.15-1.17.

Рис. 1.15. Грохоты для сухого подготовительного грохочения угля:

а – ГИЛ-52; б – ГШ1000; в – Ливелл; г – валковый; д – барабанный

Рис. 1.16. Грохоты для мокрого подготовительного грохочения угля:

а – типа ГИСТ; б – типа ГИС; в – типа ГИСЛ; г – типа ГВЧ; д – типа «Банан»; е – типа «Tabor”

Рис. 1.17. Гидрогрохоты типа:

а – ГГН; б – ГНК; в – УМГ; г – ГГИК-К

Сухая классификация рекомендуется при нижнем пределе крупности машинного класса не менее 25 мм и влажности исходного угля не выше 7 %. При влажности исходного угля ниже 5 % сухая классификация может быть применена для машинного класса крупностью +13 мм.

При обогащении угля до нуля и 0,5 мм следует применять мокрую классификацию.

Во всех остальных случаях рекомендуется сухая классификация исходного угля с последующим обесшламливанием (мокрой классификацией) машинного класса.

Удельные нагрузки на классификационные грохоты при сухом подготовительном грохочении приведены в табл. 1.16.

Таблица 1.16

Удельные нагрузки на вибрационные классификационные грохоты при сухом подготовительном грохочении

При мокрой классификации эти нагрузки возрастают для сит с отверстиями 25, 13, 10 и 6 мм соответственно в 1,5; 2; 2,5 и 2,8 раза.

Для мокрой классификации используется оборотная вода с содержанием шлама до 80 г/л. Для обесшламливания рекомендуется примерно одну треть воды подавать в приемный желоб грохота, остальную – через одно-два брызгальных устройства, расположенных над грохотами. Нормы расхода воды на мокрую классификацию приведены в табл. 1.17.

Таблица 1.17

Нормы расхода воды на мокрую классификацию

Удельные нагрузки на гидрогрохоты и удельные расходы воды на них приведены в табл. 1.18.

Подлежащий обогащению в магнетитовой суспензии крупный уголь не должен содержать сверх установленной нормы частицы, крупность которых меньше нижней границы крупности машинного класса. Особенно жестко ограничивается содержание частиц крупностью меньше 1 мм, которые составляют шлам.

Таблица 1.18

Удельные нагрузки и удельные расходы воды на гидрогрохоты

Это требование обосновано тем, что мелкие частицы, содержащиеся в машинном классе, являются наиболее вероятным источником засорения продуктов обогащения, а шламовые частицы, сверх того, ухудшают реологические свойства суспензии. При обогащении крупного угля содержание класса крупностью меньше 1 мм не должно составлять более 1,5–2%. Общее содержание частиц меньших, чем нижний предел крупности машинного класса, при расчетах рекомендуется принимать:

нижний предел крупности машинного

Кроме того, на качество машинных классов при обогащении в тяжелосредных аппаратах накладывается ограничения по содержанию воды в них, излишество которой приводит к разбавлению кондиционной суспензии и снижению ее плотности. Влажность крупного машинного класса не должна превышать 10 %.

1.4.3. Подготовка мелкого угля к тяжелосредному обогащению

Подготовка мелкого угля к тяжелосредному обогащению в гидроциклонах с магнетитовой суспензией представляет собой выделение из подситного продукта узла подготовительного грохочения мелкого машинного класса крупностью 0,5(1–3) – 13 мм путем его обесшламливания и обезвоживания.

Обесшламливание мелкого угля осуществляется в основном мокрым способом на неподвижных и подвижных ситах, вибрационных грохотах, багер-элеваторах, смачивателях.

Обезвоживание осуществляется в элеваторах и вибрационных грохотах.

Оборудование для обесшламливания мелкого машинного класса на неподвижных и подвижных ситах описаны в [26–28], вибрационных грохотах – в [24, 29, 30], багер-элеваторах – в [31], обесшламливателях – в [32].

Оборудование для обезвоживания мелкого машинного класса на вибрационных грохотах описано в [33–35], багер-элеваторах – в [34, 35].

Технические характеристики этого оборудования приведены в табл. А7-А10, а общие виды некоторых сит, вибрационных грохотов, багер-элеваторов и смачивателей – на рис. 1.18-1.19.

Границы крупности мелкого машинного класса определяются применяемой технологией не только его, но и крупного машинного класса и шламовых продуктов.

Как правило, обесшламливание и обезвоживание мелкого машинного класса выполняется непосредственно в схеме самой гидроциклонной установки.

Для тяжелосредных гидроциклонов практикой установлены различные машинные классы, охватывающие как мелкие, так и средние классы угля и других твердых горючих ископаемых.

Рис. 1.18. Конусные и дуговые сита для обесшламливания мелкого машинного класса:

а – ГК; б – OSO; в – СтДуГд; г – СтВГд

Рис. 1.19. Оборудование для обесшламливания и обезвоживания мелкого машинного класса:

а – типа ГИСЛ; б – типа ГВЧ; в – багер- элеватор

Параметрами обогащения в тяжелосредных гидроциклонах [36] рекомендуется для угля, антрацита и горючих сланцев применять машинный класс крупностью от 0,5–1 мм до 6, 13, 25, 40 мм либо от 6, 13 до 25, 40 мм. При переобогащении промпродукта крупность машинного класса рекомендуется в пределах от 0,5 до 6, 13 или 25 мм.

На зарубежных фабриках диапазон крупности обогащаемого материала еще шире: помимо перечисленных машинных классов применяются и другие, например, 2-30 мм, 5-50 мм и т. д.

При выборе нижнего предела крупности машинного класса, обогащаемого в гидроциклоне, исходят из ряда технологических требований:

машинный класс не должен содержать тонких зерен шлама, загрязняющего суспензию, по крайней мере его количество не должно заметно ухудшать реологические свойства суспензии;

учитывая, что эффективность обогащения снижается с уменьшением крупности зерен, нижняя граничная крупность не должна быть меньше размеров зерен, за пределами которых разделение уже не является достаточно эффективным.

На практике нижний предел крупности обычно принимают равным 0,5–1 мм. Это – минимальная крупность, при которой рационально вести мокрую классификацию на вибрационных грохотах. Дальнейшее снижение граничной крупности невыгодно из-за уменьшения удельной производительности грохотов до низкого уровня.

По технологической эффективности нижний предел крупности зерен, обогащаемых в гидроциклонах, может быть принят равным примерно 0,2 мм. Показатель эффективности для этих зерен Е_pm = 0,20 получен на промышленных гидроциклонах, что находится на уровне эффективности обогащения частиц такой крупности другими методами (например, на концентрационных столах).

На основании результатов работы гидроциклона ГТ-3/80 на ЦОФ «Ткварчельская» В.И. Кармазин и П.И. Пилов [37] провели расчет нижнего предела крупности зерен угля, эффективно обогащаемых в гидроциклоне. Ими получено значение нижнего предела крупности примерно 0,09 мм. Фактически на ЦОФ «Ткварчельская» в схеме раздельной регенерации из промывных вод выделяется с помощью классификационных гидроциклонов шлам крупностью более 0,2 мм и присаживается к соответствующим продуктам обогащения [38]. Показатель эффективности для этого шлама составляет в первой секции гидроциклона Е_pm = 0,18, во второй секции – Е_pm = 0,195. Изменение реологических свойств суспензии связано с ее засорением тонким шламом. Поэтому в технологических параметрах [36] указано предельное содержание в машинном классе тонкого шлама крупностью менее 0,5 мм, равное 5 %.

При обогащении по низкой плотности разделения (например, 1400 кг/м³) даже значительное засорение суспензии шламом мало влияет на свойства суспензии, тогда как при обогащении по высокой плотности разделения (например, 2000 кг/м³) содержание в суспензии шлама должно быть строго ограниченным (не более 80 кг/м³).

Указывая нижнюю границу крупности машинного класса для тяжелосредных гидроциклонов при раздельной регенерации промывных вод в 0,2 мм, соответствующего глубине эффективного обогащения по крупности, следует отметить, что эти зерна намного крупнее зерен магнетита. Так, например, для гидроциклонной установки ЦОФ «Ткварчельская» среднединамический размер зерен магнетита, выходящего в слив вместе с концентратом, составляет 0,05 мм [37]. Если зерна шлама крупнее 0,2 мм мало влияют на реологические свойства суспензии, то увеличение их содержания в суспензии сопровождается одновременным увеличением количества более тонких частиц, ухудшающим реологические параметры суспензии. В ряде случаев при высокой плотности разделения для снижения содержания шлама в суспензии прибегают к увеличению нижнего предела крупности машинного класса до 1 и даже 1,5–2 мм.

Определение верхнего предела крупности машинного класса, обогащаемого в тяжелосредных гидроциклонах, связано как с технико-экономическими соображениями, так и с конструкцией аппарата (размер проходных сечений патрубков).

В тех случаях, когда материал данной крупности может быть обогащен с той же эффективностью в тяжелосредных сепараторах, отличающихся более высокой единичной производительностью и меньшими производственными затратами, чем тяжелосредные гидроциклоны, следует отдать предпочтение гравитационному обогащению. Для этих условий верхняя граница машинного класса, обогащаемого в гидроциклонах, будет определяться нижней границей машинного класса, обогащаемого в сепараторах (обычно 13 мм либо 25 мм). Следует учитывать, что эффективность обогащения узких классов крупности в гидроциклоне несколько выше, чем в сепараторе, кроме того для зерен близких к граничной крупности машинных классов это различие в эффективности заметно возрастает с увеличением вязкости рабочей среды (из-за высокой плотности разделения или значительного содержания шлама). Иногда выгодно принимать верхний предел машинного класса для гидроциклонов в 25(30), 40(50) мм, додрабливая более крупный уголь. В этом случае обогащение класса +0,5 мм производится одним машинным классом. Высокие технологические показатели могут быть получены при любом верхнем размере машинного класса, если этот размер не выходит за пределы технических возможностей гидроциклонов, т. е. если обогащаемый материал не содержит кусков, которые могут перекрыть внутреннее сечение патрубков аппарата.

Такие схемы являются целесообразными в связи с тем, что с ростом механизации добычи количество крупных классов в угле настолько сократилось, что их обогащение самостоятельным машинным классом стало менее экономичным, чем додрабливание и совместное обогащение с мелкими и средними классами. В этих схемах наиболее распространен класс 0,5-30 мм, иногда применяются классы 0,5-40 и 0,5-50 мм.

В зарубежной практике в технологических схемах принято сочетание тяжелосредных и водных обогатительных гидроциклонов. Для таких схем нижний предел машинного класса, обогащаемого в тяжелосредных гидроциклонах, принимается равным 2; 2,5; 3 или 5 мм. Мокрая классификация на грохотах по такой граничной крупности является более высокопроизводительной и эффективной, чем обесшламливание по крупности 0,5 мм, что составляет преимущество использования этих машинных классов. Применение нижнего предела крупности машинного класса для тяжелосредных гидроциклонов 2–5 мм можно рекомендовать только для углей легкой обогатимости, иначе более низкая эффективность водных гидроциклонов ухудшит общие технико-экономические показатели процесса.

В схемах имеет место и обогащение в тяжелосредных гидроциклонах двумя машинными классами, например, 2-20 и 20–50 мм.

При обогащении антрацита тяжелосредные гидроциклоны используются для сорта АС, имеющего крупность 6-13 мм, или сортов АС и АО крупностью от 6 до 25 мм.

Наибольшее распространение получили три способа обесшламливания: мокрая классификация на грохотах, гидравлическая классификация в багер-зумпфах, комбинированный способ с последовательной классификацией в багер-зумпфах и на грохотах (рис. 1.20). Выбор способа обесшламливания, как правило, связан с характером предшествующей ей классификации и с условиями транспортирования мелкого угля на гидроциклонную установку.

Для обогатительных фабрик является естественным подъем исходного угля на высоту, обеспечивающую дальнейшее самотечное движение его через обогатительные машины. Однако в случае применения тяжелосредных гидроциклонов такая система, как правило, становится неосуществимой. Установка с гидростатической подачей питания в гидроциклоны имеет высоту около 25 м, что делает нерациональным размещение над ней классификационных грохотов. Поэтому чаще мелкий уголь поднимается на гидроциклонную установку специальным транспортом.

Рис. 1.20. Схемы обесшламливания машинного класса перед обогащением

в гидроциклонах:

а – мокрая классификация на грохотах; б – гидравлическая классификация в багер-зумпфах;

в – комбинированная классификация в багер-зумпфах и на грохотах; 1 – дуговой грохот;

2 – вибрационный грохот; 3 – смеситель; 4 – багер-зумпф

На рис. 1.21 представлены схемы подготовки угля, отличающиеся в основном компоновкой оборудования.

Схемы (рис. 1.21, а и 1.21, б) применяются при сухой классификации исходного угля. Подача мелкого угля на дешламационный грохот осуществляется через смесительный желоб, в котором сыпучий поток превращается в пульпу. Для подъема угля используется конвейерный транспорт или элеватор. Схема (рис. 1.21, в) применяется как при сухой, так и при мокрой классификации. Смесительный желоб в ней заменяется дуговым грохотом, а для подачи угля на обогащение применяется насос. Использование схемы (рис. 1.21, г) наиболее рационально при мокрой классификации.

Рис. 1.21. Схемы подачи угля на дешламацию перед обогащением в гидроциклонах:

а, б – при сухой классификации; в, г – при мокрой классификации;

1 – желоб; 2 – вибрационный грохот; 3 – дуговой грохот; 4 – элеватор

Наиболее широко применяется технология обесшламливания на грохотах. Как правило, они устанавливаются совместно с дуговыми грохотами, так как независимо от системы классификации мелкий уголь подается на обесшламливание в виде пульпы. Количество воды, используемой для обесшламливания, зависит от системы транспортирования. При сухом транспортировании и раздельной подаче угля и воды в смесительный желоб на 1 т твердого материала расходуется 2–3 м³ воды, около одной трети общего количества подается через брызгала на грохоте. При гидравлической подаче угля расход воды повышается до 3–4 м³/т. Кроме повышенного расхода воды насосная подача имеет еще один существенный недостаток – переизмельчение угля. Интенсивность измельчения зависит от физических свойств угля и породы и может быть весьма значительной.

Производительность дешламационных грохотов, обеспечивающая требуемую чистоту машинного класса и достаточное его обезвоживание, зависит от крупности обогащаемого материала.

На современных инерционных грохотах со щелевидными ситами с размером щели 0,5 мм приняты следующие нагрузки, т/м²:

Производительность дуговых грохотов согласуется с нагрузкой вибрационных грохотов и определяется с помощью следующих эмпирических зависимостей [36]:

и

где Q_т и Q_ж – производительность гидроциклонной установки по твердому углю (т/ч) и по пульпе (м³/ч); F – площадь живого сечения сита, м²; ν – скорость подачи пульпы, м/с.

Мокрая классификация на щелевидных ситах, которая используется для обесшламливания угля, имеет одну особенность, весьма существенную как для обогащения машинного класса, так и для шламовой системы фабрики: заданная чистота надрешетного продукта достигается при значительных потерях этого продукта с подситным шламом. По данным института «Укрнииуглеобогащение» [38], содержание зерен, превышающих по крупности номинальный размер щели дешламационных грохотов, составляет на фабриках, обогащающих коксующиеся угли, 12,5 %, а на фабриках, обогащающих антрациты, 25 %. Засорение подрешетного продукта является как следствием наличия в угле плоских частиц, проходящих через щелевидное сито, так и следствием износа сит.

С учетом допускаемого засорения надрешетного продукта шламом и потерь со шламом более крупного материала, количество машинного класса, поступающего на обогащение после обесшламливания, составит [36]:

где Q и Q_общ – нагрузка соответственно на гидроциклоны и грохоты; α– содержание в исходном продукте дешламации зерен, меньших, чем нижний предел крупности машинного класса.

Унос жидкости с надрешетным продуктом колеблется в пределах 1,0–0,4 м³/т. Меньшее значение относится к случаю, когда площадь сита обеспечивает сброс основного потока жидкости до разгрузочного конца. При подаче разбавленного питания и полном сбросе основного потока пульпы под решето, к.п.д. дугового сита может достигать 80–90 %.

Крупность граничного зерна классификации на дуговых ситах с поперечными щелями приблизительно в два раза меньше ширины щелей. Поэтому для обесшламливания угля, например, по зерну 0,5 мм ширина щели должна быть принята 1 мм.

Ширина дуговых сит, установленных перед обесшламливающими и обезвоживающими грохотами, должна быть равна ширине грохота ±0,2 м. Перед одним грохотом могут устанавливаться два сита.

При последовательной компоновке двух дуговых сит, которая рекомендуется для схем с переобогащением перемывочного продукта, удельная нагрузка по отделяемой суспензии составляет 45–50 м³/ ч на 1 м ширины сита.

В комплексе с гидроциклоном диаметром 500 мм обычно устанавливаются последовательно два дуговых сита шириной 600 мм.

Влажность обесшламленного материала после грохотов принимать в зависимости от крупности в пределах 18–23 %.

При содержании шлама в оборотной воде, не превышающем 100–120 г/л и отсутствии в рядовом угле глинистых, размокающих пород, в схемах гидроциклонных установок могут применяться багер-зумпфы, совмещающие обесшламливание угля и транспортирование его на обогащение.

Размеры элеватора определяются количеством обесшламленного угля, а площадь багер-зумпфа зависит от размера граничного зерна классификации. При обесшламливании по крупности 0,5 мм допустимая нагрузка составляет 15–20 м³/час на м² площади багер-зумпфа. Содержание класса +0,5 мм в сливе не превышает 5–6%. Содержание класса 0–0,5 мм после обесшламливания в багер-зумпфах составляет 15–17 %. влажность осадка багер-зумпфа следует принимать в пределах 25–30 %.

Количество шлама, образующегося при обесшламливании, принимать при самотечной подаче материала 1,5 % и при насосной подаче до 10 % от поступающего.

Подача мелкого машинного класса в тяжелосредный гидроциклон осуществляется вместе с магнетитовой суспензией под геометрическим напором пульпы не менее 9 диаметров гидроциклона. Для гидроциклонов с безнапорной подачей угля, в которых рабочий напор суспензии обеспечивается насосом, приняты несколько большие давления – 0,12-0,15 МПа.

При обогащении мелкого машинного класса в тяжелосредных гидроциклонах содержание шлама крупностью 0–0,5 мм в нем не должно превышать 5 % при совместной регенерации промывочных вод от всех продуктов обогащения и выведении на регенерацию 10–15 % рабочей суспензии и 10 % при раздельной регенерации промывочных вод и выведении на регенерацию 30–40 % рабочей суспензии.

Для тщательного обесшламливания мелкого угля над обезвоживающими грохотами устанавливают одно-два брызгальных устройства, к которым подводят чистую добавочную воду с содержанием твердого не выше 20–30 г/л.

Влажность обесшламленного мелкого машинного класса не должна превышать 15 % для центрифуг, 23 % для грохотов, 30 % для багер-элеваторов – чем меньше, тем лучше.