Обґрунтування параметрів процесів гідротранспортування пульпи в технологіях переробки вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСІВ ГІДРОТРАНСПОРТУВАННЯ ПУЛЬПИ В ТЕХНОЛОГІЯХ ПЕРЕРОБКИ ВУГІЛЛЯ

Спеціальність: Процеси гірничого виробництва

Саєнко Вікторія Вікторівна

Дніпропетровськ, 2002 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Для реалізації технологічних процесів на вуглезбагачувальних фабриках широко використовуються гідротранспорті установки. Режими роботи технологічного устаткування залежать від відповідних режимів установок, що забезпечують подачу вугільної пульпи, води, відведення пром. продуктів і відходів збагачення. При цьому транспортування вугільних пульп погоджується з виконанням ряду технологічних операцій, що багато в чому визначає ефективність збагачення вугілля.

Погоджена робота збагачувального устаткування і транспортної установки можлива у визначеному діапазоні швидкостей і концентрацій гідросуміші, а номінальний режим роботи визначається за середніми показниками. У результаті зміни властивостей вихідної сировини, накопичення шламів у системі оборотного водопостачання та інших нестаціонарних процесів виникають відхилення режимів роботи установок від номінальних, що призводить до експлуатації збагачувального устаткування за межами розрахункових режимів, погіршенню показників поділу і підвищенню собівартості переробки.

Отже, одночасно з узгодженням режимів роботи збагачувального устаткування з установкою, необхідне регулювання режиму роботи внутрішньо-фабричного гідротранспорту. Тому обґрунтування параметрів і режимів процесів транспортування пульпи в системах внутрішньо-фабричного гідротранспорту, спрямоване на підвищення стабільності й ефективності технологій збагачення за рахунок регулювання режиму роботи внутрішньо-фабричних комплексів, є актуальною задачею, яка має важливе народногосподарське значення для вуглепереробної галузі.

Зв'язок робот и з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до державної науково-технічної програми "Створити й освоїти технології та технічні засоби, що забезпечують екологічно чисті процеси видобутку й переробки корисних копалин за рахунок використання безвідхідних технологій і утилізації відходів промислових виробництв" і пов'язана з планами робіт Мінвуглепрому України в 1996-2000 рр., які спрямовані на підвищення ефективності збагачення вугілля.

Основна ідея роботи полягає у використанні гідросуміші в усмоктувальному трубопроводі насосу для забезпечення стійких режимів плину у внутрішньо-фабричних установках (ВГУ).

Мета роботи полягає в підвищенні стабільності й ефективності технологій переробки вугілля за рахунок цілеспрямованої зміни гідродинамічних параметрів процесу перерозподілу потоків гідросуміші у ВГУ.

Для її реалізації були поставлені та розв'язані такі задачі:

1. Обґрунтувати діапазони зміни параметрів процесів стійкого гідрологічного транспортування пульпи різного гранулометричного складу з урахуванням технологічних обмежень і параметрів збагачувального устаткування.

2. Експериментально дослідити способи реалізації спрямованої зміни гідродинамічних параметрів плину у ВГУ шляхом перерозподілу потоків.

3. Обґрунтувати параметри процесів гідрологічного транспортування пульп у технологіях переробки вугілля і визначити їхній вплив на ефективність ВГУ.

4. Розробити методику розрахунку параметрів пристрою для регулювання режиму течії у ВГУ шляхом перерозподілу потоків гідросуміші, що забезпечує її усталену роботу.

Об'єкт дослідження - внутрішньо-фабричний гідротранспорт технологій вуглезбагачення.

Предмет дослідження - процеси перерозподілу потоків і стійкість плину гідросуміші з різним гранулометричним складом.

Наукове значення роботи полягає в розробці моделей стійкого гідрологічного транспортування вугільних пульп різного гранулометричного складу з урахуванням процесів перерозподілу потоків; у встановленні залежності ефективності експлуатації внутрішньо-фабричної установки від режиму плину й обраного методу забезпечення його стійкості.

Наукові положення, що виносяться автором на захист.

1. Відношення швидкостей пульпи в трубопроводі ВГУ до та під час пасування обернено пропорційно квадрату відношенню діаметрів пасу та усмоктувального трубопроводу.

2. При перерозподілі витрат гідросуміші у ВГУ стійкий режим плину забезпечується, якщо відношення діаметрів паса й усмоктувального трубопроводу більше 0,24.

3. Критична швидкість плину пульпи у внутрішньо-фабричних гідрологічних установках зумовлюється значенням критичної концентрації гідросуміші, яка прямо пропорційна фіктивному напору насосу при нульовій подачі і обернено пропорційна погонному модулю трубопроводу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- обґрунтовано умови стійких режимів плину вугільних пульп з різним гранулометричним складом у ВГУ з насосами відцентрового типу, що враховують характеристики зовнішньої мережі, збагачувального і насосного устаткування;

- розроблено моделі плину вугільних пульп з урахуванням процесів перерозподілу потоків, основу яких складає пасування в усмоктувальному трубопроводі ВГУ;

- вперше встановлені залежності, що визначають вплив властивостей різних фракційних вугільних пульп, режиму їхнього плину й обраного методу забезпечення його стійкості, а також параметрів зовнішньої мережі на ефективність роботи ВГУ.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблена і впроваджена методика розрахунку параметрів пристрою, що забезпечує стійкі режими плину вугільних пульп у ВГУ шляхом пасування в усмоктувальному трубопроводі;

- розроблені й впроваджені рекомендації з вибору та обґрунтування параметрів процесів гідрологічних транспортування пульп у технологіях переробки вугілля;

- розроблено засіб управління та запропоновано спосіб діагностування режиму плину пульпи у ВГУ вуглезбагачувальних фабрик, що дозволяє контролювати і коригувати її параметри, у тому числі безпосередньо перед пуском.

Реалізація результатів роботи. Методика розрахунку параметрів пристрою, що забезпечує стійкі режими плину гідросуміші у ВГУ шляхом її пасування в усмоктувальному трубопроводі та рекомендації щодо обґрунтування параметрів процесів гідрологічного транспортування передані в ІГТМ НАН України, інститути Укр. вуглезбагачення і Гіпромаш. вуглезбагачення, Донецький національний технічний університет, де використовуються для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля.

Спосіб регулювання режиму роботи відцентрового насоса і пристрій для його реалізації впроваджені в умовах Моспинського РМЗ, ЦЗФ "Моспинська", ЦЗФ "Чумаковська" і ТОВ "Східвуглепереробка". Очікуваний економічний ефект складає 367 тис. грн./рік.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних семінарах у Донецькому державному технічному університеті, Інституті геотехнічної механіки НАН України, на III науковій школі “Импульсные процессы в механике сплошных сред” у м.Миколаєві (вересень 1999 г), 15-й щорічній Міжнародній науково-технічній конференції "Прогрессивные технологии в машиностроении. Технология 2000" у м.Одесі (квітень 2000 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 13 наукових роботах, в тому числі 7 у наукових фахових виданнях.

Структура й об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновку і 7 додатків, які викладені на 211 сторінках друкованого тексту, включаючи 49 малюнків і таблиць, та список використаних джерел із 168 найменувань.

Особистий внесок автора. Автором дисертації визначена ціль, ідея роботи, поставлені задачі досліджень, сформульовані наукові положення, висновки, рекомендації, проаналізовані й узагальнені результати теоретичних та експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження, розробка методики й рекомендацій, а також упровадження результатів роботи виконані при безпосередній участі автора. Текст дисертації написаний автором особисто.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод, що включає експериментальні дослідження в промислових умовах і теоретичні дослідження процесів гідрологічного транспортування вугільних пульп різного гранулометричного складу та режимів роботи гідравлічних систем під час цілеспрямованого перерозподілу потоків. Використано апробовані методи гідродинаміки гетерогенних середовищ і гідравліки, моніторинг відцентрових насосів, що експлуатуються в умовах вуглезбагачувальних фабрик, а також стандартні методи й устаткування.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Основними видами транспортування на вуглезбагачувальних фабриках є напірний і самопливний гідротранспорт. Отже, внутрішньо-фабричні ВГУ є обов'язковими елементами технологічних схем вуглезбагачення. При цьому в ряді випадків апарати і машини є елементами мережі насосних установок, тому режими роботи ВГУ безпосередньо впливають на якісні показники процесу збагачення. У цьому разі відхилення режимів роботи ВГУ від номінальних призводять не тільки до зниження експлуатаційної надійності насосів, але й до погіршення показників збагачення та підвищення енерговитрат. З метою аналізу процесів і обґрунтування параметрів ВГУ в цій роботі запропоновані гідродинамічні моделі плину гідросуміші різного гранулометричного складу, які враховують лінійну апроксимацію характеристики насоса:

І використовують формули О.Є. Смолдирьова для обчислення гідравлічних ухилів.

З огляду на різний характер руху під час ГТУ твердих часток різних розмірів розглянути:

- тонкі класи (0-0,25 мм);

- дрібні класи (0,25-3 мм);

- кускові класи (+3 мм).

Для кожного з цих випадків запропоновані рівняння для розрахунку подачі ВГУ й умови стійкого плину гідросуміші в усмоктувальному трубопроводі, у вигляді нерівностей.

Для тонких класів:

Для дрібної фракції:

Для кускових фракцій:

У загальному випадку:

Уведені такі позначення:

Де:

m - погонний модуль трубопроводу;

l - коефіцієнт гідравлічного опору;

k - приведена ефективна довжина трубопроводу;

zS - сумарний коефіцієнт місцевих гідравлічних опорів;

D, L - діаметр і довжина трубопроводу;

S - об'ємна концентрація часток тонкої фракції;

rT, ro, r - щільності твердих часток, рідини та гідросуміші;

g - прискорення вільного падіння;

dcp - середньозважений діаметр часток дрібної фракції;

w - швидкість стиснутого падіння часток дрібної фракції;

f - узагальнений коефіцієнт тертя часток об стінку труби;

S1, S2, S3 - об'ємні концентрації відповідно тонких, дрібних і кускових фракцій;

Q, Qkp - поточна і критична подачі;

Z2 - різниця геодезичних позначок рівня гідросуміші в зумпфі та усмоктувального патрубка насоса;

Z1 - різниця геодезичних позначок виходу з трубопроводу установки і напірного патрубка насоса.

Cr - константа Руднєва;

n - число обертів робочого колеса;

j - коефіцієнт запасу;

Pa - атмосферний тиск;

Pk - тиск насиченої пари рідини;

L2 - довжина усмоктувального трубопроводу.

Запропоновані умови стійкого плину для кожного варіанта гранулометричного складу гідросуміші справедливі за умов відсутності кавітації в усмоктувальному трубопроводі й у проточній частині насоса при надкритичному плині.

Аналіз отриманих рівнянь показує, що їх аналітичне рішення існує тільки для тонких і кускових фракцій.

При цьому управляти режимом плину гідросуміші під час експлуатації ВГУ можна або цілеспрямованою зміною потоків, або зміною величини погонного модуля трубопроводу m.

Значення m, що забезпечує заданий надкритичний режим плину Q розраховується за формулою:

Крім цього, для режиму плину гідросуміші у ВГУ, обмеженого робочою зоною, а також технологічними та конструктивними вимогами, має бути:

Де:

H* - напір насоса з подачею Q*;

H* - напір насоса з подачею Q*.

Математичні моделі процесу гідрологічного транспортування з урахуванням режимів цілеспрямованого перерозподілу потоків гідросуміші розглядалися для двох видів пасування: з перпендикулярним уведенням напірного струменя в усмоктувальний трубопровід і в усмоктувальний трубопровід.

Перевагою пасу є те, що він підключається до мережі паралельно насосу, тому його вплив у будь-який момент може бути нейтралізований закриттям засувки. Між тим пас дає можливість впливу на гідрологічного транспортну установку: з одного боку, він зменшує витрату гідросуміші в трубопроводі, з іншого боку - збільшує тиск в усмоктувачі насоса, що впливає на режим роботи насоса і запобігає кавітації в усмоктувальному патрубку й у проточній частині насоса. Режим плину для кожного випадку пасування визначається на основі рівняння збереження витрати для розглянутої системи трубопроводів, рівняння зміни енергії і кількості руху, зневажаючи силами тертя рідини об тверді межі між пасом і насосом у порівнянні із силами тиску.

При пасуванні модель руху гідросуміші має вигляд:

Де:

H(Q) - витратно-напірна характеристика насоса;

zm, zo, zn, zb, z1, z2 - гідравлічний опір нагнітаючого та усмоктувального трубопроводів, дільниць трубопроводу між насосом і змішувальної камери, дільниці нагнітаючого трубопроводу від насоса до входу в пас;

Q, Qb - витрати через насос та пас;

DHb, DH - різниця геодезичних висот початку і кінця пасу та різниця позначок початку і кінця магістралі;

F, Fb - площі перерізів трубопроводу та насадки;

Dh - висота підключення до напірного трубопроводу, що відрахована від осі усмоктувального трубопроводу.

Розв'язання отриманих систем знаходилося чисельно. Виявлено, що максимальна витрата, при якій можливе управління пасом з обраним діаметром, визначається за формулою:

Аналіз результатів розрахунків для насоса НШ-500-40 показує, що для інженерних розрахунків ці залежності можна апроксимувати квадратичними поліномами вигляду:

a + b(d/D) + c(d/D)2

Для випробування запропонованого методу забезпечення стійкості і управління режимом плину у ВГУ проведений ряд експериментальних досліджень запобігання кавітації у відцентрових насосах за допомогою регульованого перепуску частини витрати з напірного в усмоктувальний трубопровід.

Дослідження проводилися на іспитовому стенді з відцентровим насосом НШ-250-34 патрубки якого, що нагнітають і всмоктують, з'єднані між собою пропускним пристроєм, який дозволяє реалізувати два способи пасування в усмоктувальному трубопроводі й без нього. При цьому з'єднання пропускного трубопроводу з напірним і усмоктувальним патрубками дозволяє проводити іспити з пропускними пристроями різного діаметру. Регулювання витрати через пропускний пристрій здійснюється за допомогою засувки, яка установлена на його вході. Управління витратою в трубопроводах іспитового стенда здійснюється засувкою на виході з нагнітального трубопроводу. На усмоктувальному трубопроводі встановлена засувка, що відокремлює його від зумпфа насоса і створює додатковий гідравлічний опір в усмоктувальному патрубку.

Дослідження проводилися в умовах Моспинського РМЗ на спеціальному стенді, обладнаному трубопроводом Dy150 мм, мірним об'ємом 1 м³ і накопичувальним об'ємом 22,8 м³, баками, спеціальними вимірювальними приладами. Висота води в зумпфі в ході досліджень підтримувалася на рівні позначки 1,62 метра.

Було проведено дві серії експериментів, в одній з яких використовувався пропускний пристрій без насадки, а в другій - з насадкою. Експерименти проводилися з пропускними пристроями трьох діаметрів: 0.05, 0.036 і 0.02 м за "Методиці проведення іспитів по запобіганню кавітації у відцентрових насосах за допомогою регульованого перепуску частини витрати з напірного в усмоктувальний патрубок”, яка була спеціально розроблена за участю автора в ІГТМ НАН України . У процесі досліджень контролювалися витрати, напір та корисна потужність насосу, частота обертання електродвигуна, а також показники призначення, ефективності, енергоспоживання і кавітаційні показники.

Аналіз результатів іспитів показав, що використання пропускних пристроїв малого діаметру неефективно. Так, при проведенні експериментів із пропускним пристроєм Dy=0.02 м у всіх випадках як з ежектуванням в усмоктувальному патрубку, так і без нього, спостерігався зрив роботи насоса. Дослідження дозволяють зробити висновок про те, що перепуск частини витрати з нагнітального в усмоктувальний патрубок не дозволяє запобігти кавітації в проточній частині насоса.

Разом з тим дослідження доводять, що можна використовувати для регулювання режимів плину у ВГУ з відцентровими насосами в технологіях збагачення мінеральної сировини.

Експериментальні дослідження підтвердили теоретичні припущення про те, що забезпечення стійкості режиму плину пульпи у ВГУ при регулюванні шляхом цілеспрямованого перерозподілу витрат можливо. У цьому випадку можливе підвищення тиску потоку в усмоктувальному патрубку, що забезпечує стабільність плину у ВГУ. При цьому діаметр пропускного пристрою не повинен бути менше 24% діаметра трубопроводу, що до нього підводить. Що дає змогу змінити подачу ВГУ від 10 до 30% початкового значення.

Ефективність ВГУ пропонується оцінювати за часткою витрат на її експлуатацію у собівартості переробки вугілля. У загальному випадку при дотриманні правил експлуатації і з урахуванням лінійної залежності напору насоса від його подачі доля втрат на експлуатацію ВГУ у собівартості продукції, що випускається, має вигляд:

Де:

- коефіцієнти K1, K2, K3 залежать від кратності резерву, штату обслуговуючого персоналу установки, міжремонтного терміну, ресурсу насоса, вартості спожитої електроенергії та технічного обслуговування, зарплати обслуговуючого персоналу, потужності і ККД насоса. Згідно з цією формулою була проведена оцінка ефективності запропонованого методу забезпечення усталеної роботи ВГУ шляхом цілеспрямованого перерозподілу витрат. Показано, що у ВГУ з відцентровим насосом регулювання режиму плину буде економічно виправдано у разі, коли:

Де:

k - коефіцієнт, що враховує зменшення ресурсу турбіни насоса при роботі в кавітаційному режимі;

kN - коефіцієнт, що враховує зміну потужності, яка споживається насосом при роботі в кавітаційному режимі;

b - коефіцієнт, що враховує зміну потужності, яка споживається насосом;

C1, C2 - вартість спожитої електроенергії та одиничної заміни запасних частин;

N - корисна потужність насоса;

T - наробіток ВГУ.

На основі отриманих результатів були розроблені "Методика расчета параметров устройства, обеспечивающего устойчивые режимы течения во внутрифабричной гидротранспортной установке путем байпассирования с эжектированием во всасывающем трубопроводе" і "Рекомендации по выбору и обоснованию параметров процессов гидротранспортирования пульп в технологиях переработки угля", які впроваджені в ІГТМ НАН України, інститутах УкрНІІвуглезбагачення, Гіпромашвуглезбагачення та Донецькому національному технічному університеті, де використовуються для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля.

Розроблений засіб діагностування і запропонований метод управління режимом плину гідросуміші у ВГУ шляхом цілеспрямованого перерозподілу потоків і спосіб його реалізації були впроваджені на ЦЗФ “Моспинська”, ЦЗФ “Чумаківська”, ТОВ "Східвуглепереробка" і Моспинському РМЗ. Очікуваний економічний ефект від упровадження склав 367 тис. грн./рік.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються коректністю постановок задач, що розв'язувались, відповідністю розроблених моделей реальним умовам, використанням апробованих методів гідродинаміки гетерогенних середовищ і відомих експериментально-аналітичних залежностей параметрів транспортування вугільних пульп, а також підтверджується позитивними результатами промислових випробувань.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій розв'язана актуальна науково-практична задача підвищення стабільності й ефективності технологій збагачення вугілля на основі обґрунтування параметрів процесів гідрологічного транспортування пульпи при цілеспрямованому перерозподілі потоків у внутрішньо-фабричних гідрологічних транспортних установках, що має важливе народногосподарське значення для вуглепереробної галузі.

У процесі виконання роботи отримані такі підсумкові наукові висновки і практичні результати:

1. Досліджено вплив параметрів ВГУ і збагачувального устаткування на режим плину вугільних пульп різного гранулометричного складу і сформульовано умови стійкого режиму плину гідросуміші у ВГУ.

2. Експериментально оцінені способи і засоби реалізації цілеспрямованої зміни гідродинамічних параметрів плину у ВГУ шляхом перерозподілу потоків, що дозволило розробити рекомендації з вибору й обґрунтування параметрів процесів гідрологічного транспортування пульп у технологіях переробки вугілля.

3. Визначено вплив режимів плину гідросуміші різного гранулометричного складу на ефективність ВГУ, що дозволило сформулювати умови регулювання ГТУ шляхом перерозподілу потоків гідросуміші.

4. Розроблено математичну модель процесів плину гідросуміші у ВГУ у вигляді нелінійної системи рівнянь, що визначають зміну подачі і напору установки. вугілля гранулометричний гідросуміш

5. Експериментально визначено, що при перерозподілі витрат гідросуміші у ВГУ стійкий режим плину забезпечується при величині відношення діаметрів паса й усмоктувального трубопроводу більше 0,24, що дозволяє регулювати режим течії гідросуміші в ВГУ у широкому діапазоні умов, в тому числі з запобіганням кавітації.

6. Розроблено і науково обґрунтовано спосіб діагностування режиму плину пульпи у ВГУ вуглезбагачувальних фабрик, що дозволяє контролювати і коригувати її параметри безпосередньо перед запуском.

7. Розроблено, теоретично обґрунтовано й експериментально випробувано регулюючий пристрій для відцентрового насоса НШ-250-34, який дозволяє здійснювати пасування в усмоктувальному трубопроводі.

8. В результаті проведених досліджень розроблена методика розрахунку параметрів пристрою регулювання гідрологічної транспортної установки, яка передана в інститути Укр. вуглезбагачення, Гіпромаш. вуглезбагачення та ІГТМ НАН України, Донецькому нацыональному технічному університеті, а також на ЦЗФ “Моспинська”, ЦЗФ “Чумаківська”, ТОВ "Східвуглепереробка" і Моспинському РМЗ, де використовуеться для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля.

Очікуваний економічний ефект від упровадження результатів дисертаційної роботи складає 367 тис. грн./рік.

Размещено на Allbest.ru