Обґрунтування параметрів процесу класифікації вугільних шламів у гідроциклонах з сифонним розвантаженням зливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ОБґРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ КЛАСИФІКАЦІЇ ВУГІЛЬНИХ ШЛАМІВ У ГІДРОЦИКЛОНАХ З СИФОННИМ РОЗВАНТАЖЕННЯМ ЗЛИВУ

Спеціальність 05.15.08 - Збагачення корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Томілін Віктор Борисович

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис

шламовий гідроциклон сифонний вугільний

Робота виконана в Українському науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті по збагаченню та брикетуванню вугілля „Укрндівуглезбагачення” (м. Луганськ), Міністерство вугільної промисловості України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Полулях Олександр Данилович, начальник науково-дослідного відділу удосконалення технологій і схем вуглезбагачувальних фабрик інституту “Укрндівуглезбагачення” (м. Луганськ), Міністерство вугільної промисловості України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Блюсс Борис Олександрович, завідувач відділу геодинамічних систем і вібраційних технологій інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ширяєв Андрій Андрійович, завідувач лабораторії збагачення ТОВ НВП “Укрекологія” (м. Кривий Ріг).

Захист відбудеться „_11_”__січня_2008 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ - 05, проспект К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий „_2_”_грудня_ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д.08.080.02, к. т. н, доцент В.В. Панченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вуглезбагачувальне підприємство - це об'єкт з великим споживанням електроенергії, більша частина якої витрачається на роботу водно-шламового комплексу, декілька технологічних операцій котрого обладнані гідроциклонами з насосними установками значної потужності.

Сучасна компоновка технологічного обладнання у більшості випадків не дозволяє встановлювати гідроциклони без насосних установок. У цьому випадку питома витрата встановленої потужності складає 0,41-0,92 кВт/м3 при максимальному навантаженні насосів і 0,57-1,65 кВт/м3 при мінімальному.

Наведена питома витрата встановленої потужності є занадто висока. Одним з шляхів її зменшення є застосування гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу, робота яких можлива без насосних установок, тому що в них використовується всмоктуючий ефект сифону.

Але їх використання стримується відсутністю теоретичних основ розрахунку енергетичного ефекту сифону, за допомогою яких визначаються технологічні, конструктивні та гідродинамічні параметри гідроциклона. У зв'язку з цим встановлення теоретичних закономірностей виникнення додаткового тиску у середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, на основі яких виконано обґрунтування параметрів гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу, розроблені технологічні рішення, які дозволяють зменшити експлуатаційні витрати водно-шламових комплексів вуглезбагачувальних фабрик, є актуальною науково-практичною задачею.

Дисертаційна робота виконана відповідно тематичного плану науково-дослідних робіт інституту “Укрндівуглезбагачення” за темами “Розроблення і впровадження технологій та обладнання для зниження втрат вугілля з відходами вуглезбагачення” (номер держреєстрації 0103U007350), у якій автор розробив технологію обробки шламів у комплексі для зниження втрат вугілля з відходами вуглезбагачення, і “Засвоїти технологію гідравлічної класифікації шламових продуктів з застосуванням гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу на ЦЗФ “Комендантська” (номер держреєстрації 0103U003744), у котрій автор визначив основні технологічні, конструктивні і гідродинамічні показники енергозберігаючої технології класифікації вугільних шламів і здійснив її впровадження у технологічну схему фабрики.

Метою роботи є розробка технічних рішень зі зниження енергоємності процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклонах.

Для досягнення мети в дисертації сформульовані і вирішені наступні задачі досліджень:

1) обґрунтування застосування рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка і розробка стохастичної моделі процесу розподілу вугільних шламів у гідроциклоні з сифонним розвантажуванням зливу;

2) визначення аналітичної форми рівняння масопереносу частинок в гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу;

3) встановлення конструктивних, гідродинамічних, технологічних і енергетичних параметрів, що визначають режим роботи гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу;

4) обґрунтування параметрів гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу;

5) розробка та впровадження енергозберігаючої технології класифікації вугільних шламів у гідроциклонах з сифонним розвантаженням зливу;

6) апробація енергозберігаючої технології класифікації вугільних шламів у промислових умовах.

Ідея роботи полягає у використанні енергетичного ефекту сифона для розвантажування зливного продукту гідроциклона.

Об'єкт досліджень - процес класифікації вугільних шламів.

Предмет досліджень - процес гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклонах.

Методи досліджень. Для рішення поставлених задач застосовувалися такі методи досліджень: аналітичний - для моделювання процесу розподілу вугільних шламів в гідроциклонах з використанням диференційних рівнянь; експериментальний - для встановлення взаємного зв'язку параметрів процесу з ефективністю класифікації; гідродинаміки - для визначення структури поля швидкостей двухфазних потоків; численного аналізу - для визначення коефіцієнтів вилучення за результатами гранулометричного аналізу продуктів розподілу; математичної статистики - для оцінки достовірності отриманих результатів, а також стандартні методи і обладнання для виконання технічних аналізів продуктів класифікації.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) вперше обґрунтуванно застосування рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка зі зносом для опису зміни концентрації при класифікації вугільного шламу в гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу, та отримано його параметричні рішення у вигляді несиметричної кривої розподілу, що дозволило здійснити аналітичне моделювання процесу і розробити методику знаходження не визначених параметрів моделі;

2) розроблена нова напівемпірична модель процесу класифікації вугільних шламів у гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу, яка дозволила визначити основні параметри, які впливають на ефективність розподілу;

3) вперше сформульована умова виникнення додаткового тиску у середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, на підставі якої розроблена енергозберігаюча технологія класифікації вугільних шламів і методика розрахунку гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу;

4) удосконалена залежність впливу довжини труби сифона на величину додаткового тиску, який виникає у середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, що дозволило визначити межу припустимого значення розрідження у ньому, при якому ще не здійснюється захоплення згущеного продукту висхідним потоком;

5) вперше встановлено, що для здійснення процесу класифікації у гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу тиск кільцевого обертового потоку на стінках апарату повинен бути надмірним, що відповідає довжині труби сифону не більше 8,7 м при щільності пульпи не більше 1228 кг/м3.

На підставі отриманих наукових результатів сформульовані наступні наукові положення:

1) наявність циркуляційного замкненого коаксіального потоку у протитечійному гідроциклоні визначається моментом гідродинамічних сил, які діють у низхідному та висхідному потоках, а його витрати - різницею тиску у пристінному шарі і повітряному стовпу, об'єм якого досягає 20% від вихідного продукту, що необхідно враховувати при виборі гідроциклонів для заданого навантаження;

2) причиною зниження енергоємності процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу є додатковий тиск у середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, що виникає у результаті всмоктуючої дії сифону.

Достовірність одержаних результатів підтверджується достатнім обсягом і збіжністю теоретичних і експериментальних даних, а також позитивними результатами промислової апробації розроблених технологій і гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу для класифікації вугільних шламів. Середньоквадратична похибка експериментальних даних не перевищує 10%, а несходимість теоретичних і експериментальних даних - не більш 6,6%.

Практичне значення результатів роботи полягає:

1) в розробленій методиці розрахунку гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу, яка враховує додатковий тиск, що має місце при використанні ефекту сифона;

2) в розробці і промисловому впроваджені технології гідравлічної класифікації вугільних шламів за допомогою гідроциклонів ЦАС-710, ЦАС-350 и ЦАС-320 на ЦЗФ “Комендантська” з розрахунковим економічним ефектом 1,5 млн. грн/рік, у тому числі підтверджений економічний ефект за рахунок зменшення енергоємності процесу склав 66,6 тис. грн/рік.

Особистий внесок здобувача полягає в формулюванні мети і задач досліджень, обґрунтуванні наукових положень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, розробці моделей гідравлічної класифікації вугільних шламів та методики розрахунку гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу. Експериментальні дослідження проводилися при безпосередній участі автора.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідались і обговорювалися на науково-технічних нарадах ДП “Ровенькиантрацит” (м. Ровеньки, 1998-2006 р.р.), засіданнях Вченої ради інституту “Укрндівуглезбагачення” (м. Луганськ, 2000-2006 р.р.), V міжнародний науково-практичній конференції “Сучасні тенденції інтенсифікації технологічних процесів переробки корисних копалин (м. Маріуполь, 24-26 травня 2002 р.), VI міжнародній науково-практичній конференції із збагачення корисних копалин (м. Маріуполь, 22-25 травня 2003 р.), науково-практичній конференції “Технологія збагачення корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 20-21 листопада 2003 р.), VII міжнародній науково-практичній конференції із збагачення корисних копалин (м. Маріуполь, 27-30 травня 2004 р.), VIII міжнародній науково-практичній конференції “Теорія і практика збагачення і переробки мінеральної сировини” (м. Маріуполь, 24-27 травня 2005 р.), IX міжнародний науково-практичній конференції “Ресурси і енергозберігаючі технології при переробці мінеральної сировини” (м. Маріуполь, 22-24 травня 2006 р.), XV міжнародному конгресі з вуглезбагачення (м. Пекін, КНР, 17-20 жовтня 2006 р.), Х міжнародний науково-практичній конференції “Технолого-екологічний інжиніринг при переробці мінеральної сировини” (м. Бердянськ, 23-26 травня 2007 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковані 10 наукових робіт, у тому числі: 5 наукових статей в фахових виданнях, один навчальний посібник (в співавторстві), один патент, 3 - матеріали конференцій. Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел на 15 сторінках, додатків на 37 сторінках; загальний обсяг дисертації 142 сторінки, у тому числі 41 рисунок, 24 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, об'єкт, предмет і ідея роботи, наукова новизна і основні результати, приведені наукові положення, які захищаються, а також дані про апробацію і публікацію результатів досліджень.

В першому розділі на основі аналізу роботи водно-шламових комплексів вуглезбагачувальних фабрик акцентована увага на їх енергоємності та наявності значного шламоутворення. Показано, що одним з високоенерговитратних і шламоутворювальних апаратів є гідроциклонні установки, які застосовуються для згущення і гідравлічної класифікації вугільних шламів. Це пов'язано з тим, що у більшості випадків компоновка обладнання технологічних схем вуглезбагачувальних фабрик не дозволяє здійснювати подачу вихідного живлення в гідроциклони без допомоги насосів. Питома витрата енергії на підняття пульпи в гідроциклони складає (за встановленою потужністю) 0,41-0,97 кВт/м3 при максимальному навантажені насосів і 0,57-1,65 кВт/м3 при мінімальному.

Питоме шламоутворення для обладнання, що розглядається, складає: в гідроциклонах 3-8%, в насосах 6-10% від вихідного продукту.

Тому в основу зменшення енергоємності процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів і шламоутворення покладена можливість утворення додаткового гідродинамічного потоку за рахунок розрядження у зоні повітряного стовпа. Дані практики свідчать, що очікуваний ефект може бути отримано з допомогою використання сифону для розвантажування зливу гідроциклона.

Огляд теоретичних робіт з гідродинаміки гідроциклонів дозволив встановити відсутність теоретичних закономірностей виникнення ефекту сифона в кільцевому обертальному гідродинамічному потоці, а також доцільність застосування турбулентної дифузійної моделі для дослідження процесу гідравлічної класифікації і оцінки розподілення часток різної крупності за продуктами розподілу.

Встановлена також доцільність розробки методики розрахунку гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу і необхідність уточнення впливу технологічних, конструктивних, гідродинамічних і енергетичних параметрів на ефективність гідравлічної класифікації у порівнянні з звичайними гідроциклонами.

В результаті виконаного аналізу визначена актуальність та сформульована суть науково-практичної роботи, мета, задачі та методи досліджень.

В другому розділі для рішення першої та другої задач досліджень виконані теоретичні та експериментальні дослідження гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу на основі стохастичного моделювання процесів розділення.

З метою отримання залежностей, котрі можуть бути використані для прогнозування результатів технологічного процесу розподілу і вибору оптимальних конструктивних параметрів гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу, на основі аналітичного аналізу сепараційних характеристик гідроциклонів за допомогою застосування рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка встановлено, що наявність циркуляційного замкненого коаксіального потоку у протитечійному гідроциклоні визначається моментом гідродинамічних сил, які діють у низхідному та висхідному потоках. Об'ємна кількість цього потоку залежить від різниці тиску у пристінному шарі і повітряному стовпу та може досягати 20% від об'єму вихідного продукту. Отримані дані дозволяють зробити висновок, що сепараційна характеристика гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу є несиметрична крива, математичний опис якої є параметричне рішення рівняння Колмогорова-Фокера-Планка зі зносом для концентрацій.

На підставі рішення рівняння масопереносу і експериментальних даних отримано формулу ефективності класифікації у вигляді

де - початкова концентрація часток крупністю менше 0,5 мм; - відношення діаметрів згущеного і зливного насадок; - вектор параметрів, який визначається розрахунковим шляхом для конкретних промислових умов роботи даного гідроциклона.

На підставі цих наукових результатів сформульовано перше наукове положення.

В третьому розділі для рішення третьої задачі досліджень на стендовій установці, схема якої наведена на рис.1, виконані експериментальні дослідження впливу конструктивних, гідродинамічних, технологічних та енергетичних параметрів гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу на ефективність процесу класифікації.

При досліджені конструктивних параметрів встановлено, що з збільшенням довжини труби сифону пропускаюча здібність гідроциклона росте по вихідному та зливному продуктам, а по згущеному продукту зменшується.

При дослідженні гідродинамічних факторів встановлено, що загальний тиск в гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу залежить від сполучення гідростатичного тиску на вході і розрядження , яке створюється стовпом рідини, що витікає з сифону, і апроксимується наступною залежністю

де ;

; ;

; - довжина сифона м; - тиск обертального потоку на стінку гідроциклона, кПа (повинно бути обов'язково надмірним); - щільність пульпи, кг/м3.

При аналізі результатів по заміру тангенціальних складових швидкості потоку в циліндричному циклоні з сифонним розвантаженням зливу встановлено, що для їх опису не може бути використана залежність, яка характерна для циліндроконічного циклона: де п - безрозмірний показник ступеня рівний 0,3-0,9; - тангенціальна складова швидкості потоку; - радіус потоку.

Встановлено, що

Практично це значить, що, на відміну від циліндроконічного, у циліндричному гідроциклоні з сифоном при малому радіусі обертання потоку тангенціальна його швидкість із зменшенням радіусу зростає більш інтенсивно, а при великому радіусі - навпаки. Такий характер розподілу тангенціальної швидкості сприяє отриманню більш чистого зливу, тому що у центральній частині потоку утворюється більш інтенсивні відцентрові сили, які перешкоджають виносу радіальним потоком крупних часток у центральну зону гідроциклона. Так, наприклад, відцентрове прискорення і параметр Фруда при малому радіусі потоку для гідроциклона з сифоном збільшується в 15 разів, а для гідроциклона без сифона - в 8 разів.

Для опису розподілу по радіусу тангенціальної складової осьової швидкості поблизу стінки гідроциклона отримано рівняння

,

а поблизу повітряного стовпа:

де - швидкість потоку пульпи на вході в гідроциклон, м/с.

Аналіз розподілу осьових швидкостей в гідроциклоні без сифона і з сифоном показав, що їх епюри мають аномальне скривлення у середній по радіусу зони, що пояснюється наявністю в гідроциклонах замкнутого потоку.

Перевірка матеріального балансу в гідроциклоні з сифоном показала, що кількість пульпи, яка рухається у ньому, перевищує на 15-20% загальну її витрату через циклон, що також свідчить про наявність у ньому циркуляційних потоків. Отже сифон збільшує абсолютні значення осьових складових швидкості у внутрішньому потоці, але не сприяє суттєвому впливу на характер розподілення цих швидкостей.

При дослідженні технологічних параметрів для визначення межової граничної крупності розподілу отримано рівняння

мм,

де - об'ємне навантаження по вихідному продукту, м3/с; - діаметр гідроциклона, м; - загальний тиск на вході в гідроциклон, м.вод.ст.; - середньовиважений діаметр часток вихідного матеріалу, мм; - щільність, відповідно, твердого матеріалу та води, кг/м3; - динамічна в'язкість пульпи, н·с/м2; - динамічна в'язкість води при температурі 20°С, н·с/м2; - відношення об'єму твердого до об'єму пульпи.

З рівняння слідує, що при інших рівних умовах в гідроциклоні з сифоном буде менше, ніж в гідроциклоні без сифона, тому що

.

Крім того встановлено, що механізм і характер розподілу часток по крупності в гідроциклоні з сифоном аналогічні відповідним характеристикам циліндричних гідроциклонів.

Для визначення об'ємного навантаження гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу отримано рівняння

, м3/ч,

де - діаметр отвору насадок, відповідно, вихідного, згущеного та зливного продукту, м; - відповідно, гідростатичний та вакуумний тиск, м. вод. ст.; - щільність вихідного продукту, кг/м3; - коефіцієнт пропорційності, який дорівнює 0,008; 0,018; 0,030; 0,055 і 0,085, відповідно, для гідроциклонів діаметром 100; 250; 250; 500 и 710 мм.

При дослідженні енергетичних показників сифона встановлено, що енергетичний ефект сифона є наслідком динамічного зниження тиску попереду зливного стакана, яке утворюється всмоктуючою дією сифону. Величина збільшення тиску у гідроциклоні дорівнює

, м,

де - довжина труби сифону, м; - швидкість потоку відповідно перед зливним стаканом та на виході з сифонної труби, м/с; - втрати сифону, м; - прискорення вільного падіння, м/с2.

Ці результати дозволили сформулювати друге наукове положення.

В четвертому розділі для вирішення четвертої задачі досліджень на підставі технологічних і гідродинамічних вимог, які включають умови зниження енергоємності процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів, виконане обґрунтування параметрів гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу і розроблена методика його розрахунку з урахуванням енергетичного ефекту сифона.

Запропонована методика була використана для розрахунку гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу ЦАС-710, ЦАС-350, ЦАС-320 і ЦАС-100.

Таблиця 1. Середнє зниження зольності в згущеному продукті

Обладнання	Вилучення твердого бА в згущений продукт
	сcr <200 г/л	сcr = 200-300г/л	сcr = 301-400г/л	сcr = 401-500г/л	сcr > 500 г/л	Тиск, МПа
ГЦ-1000	0,93	0,88	0,83	0,76	0,71	0,1
ГЦ-710	0,92	0,85	0,79	0,74	0,69	0,1
ГЦ-630	<120* г/л	0,91	0,85	0,76	0,68	0,60	0,1
	120-200* г/л	0,94	0,89	0,80	0,72	0,62
	>200* г/л	1,00	0,91	0,84	0,75	0,65
ГЦ-500	0,86	0,80	0,72	0,70	0,65	0,1
ГЦ-350	0,80	0,76	0,71	0,68	0,65	0,15
ГЦ-250	0,80	0,75	0,68	0,65	0,62	0,15
ГЦ-100	0,78	0,73	0,66	0,64	0,62	0,3
ГЦ-50	0,75	0,70	0,64	0,63	0,62	0,3

* - вміст твердого в вихідному продукті, г/л

На підставі узагальнення результатів класифікації вугільних шламів в гідроциклонах у різних виробничих умовах визначене середнє зниження його зольності (табл. 1) і середнє вилучення твердого в згущений продукт (табл. 2), в залежності від діаметра гідроциклону, вмісту твердого в вихідній пульпі та згущеному продукті, що дозволяє розрахувати якісно-кількісні показники цієї операції.

Таблиця 2. Середнє вилучення твердого в згущений продукт

Обладнання	сис., г/л	Вилучення твердого бТ в згущений продукт
		сcr < 200 г/л	сcr = 200-300г/л	сcr = 301-400г/л	сcr = 401-500г/л	сcr > 500 г/л	Тиск, МПа
ГЦ-1000	<80 80-120 121-200 >200	0,32 0,45 0,55 н/д	0,28 0,39 0,43 0,50	0,21 0,30 0,32 0,39	н/д 0,24 0,29 0,35	н/д 0,14 0,22 0,31	0,1
ГЦ-710	<80 80-120 121-200 >200	0,35 0,39 0,48 н/д	0,24 0,31 0,38 0,45	0,22 0,29 0,33 0,41	0,20 0,24 0,28 0,30	0,18 0,21 0,24 0,26	0,1
ГЦ-630	<80 80-120 121-200 >200	0,38 0,43 0,52 н/д	0,27 0,34 0,45 0,48	0,25 0,30 0,40 0,44	0,23 0,26 0,30 0,32	0,20 0,24 0,26 0,28	0,1
ГЦ-500	<80 80-120 121-200 >200	0,44 0,46 0,55 н/д	0,31 0,41 0,48 0,51	0,27 0,32 0,44 0,48	0,25 0,28 0,32 0,38	0,22 0,26 0,28 0,30	0,1
ГЦ-350	<80 80-120 121-200 >200	0,48 0,51 0,58 н/д	0,41 0,44 0,50 н/д	0,33 0,40 0,43 0,47	0,30 0,33 0,35 0,38	0,25 0,27 0,29 0,31	0,15
ГЦ-250	<80 80-120 121-200 >200	0,50 0,55 0,62 1,00	0,44 0,47 0,53 0,68	0,35 0,38 0,41 0,46	0,30 0,32 0,33 0,35	0,25 0,27 0,28 0,30	0,15
ГЦ-100	<80 80-120	0,56 0,60	0,45 0,54	0,33 0,41	0,29 0,32	0,24 0,26	0,3
ГЦ-50	<80	0,32	0,27	0,25	0,22	0,20	0,3

В п'ятому розділі, в межах рішення п'ятої і шостої задач досліджень, наведені результати промислових випробувань на ЦЗФ “Комендантська” гідравлічної класифікації вугільних шламів з використанням гідроциклонів ЦАС-710 (на операції класифікації підситного продукту вузла знешламлення дрібного машинного класу), ЦАС-350 (на операції згущення та класифікації відходів регенерації магнетитової суспензії), ЦАС-320 (на операції згущення і класифікації зливу гідроциклонів ГЦ-710 обробки вторинних шламів).

Впровадження гідроциклонів ЦАС дозволило збільшити вихід концентрату сорту АШ на 0,2%.

Річний розрахунковий економічний ефект від впровадження розробленої технології гідравлічної класифікації вугільних шламів в гідроциклонах с сифонним розвантаженням зливу в умовах ЦЗФ “Комендантська” складає 1,5 млн. грн., в т.ч. підтверджений економічний ефект за рахунок зниження експлуатаційних витрат через виключення із експлуатації двох насосів ШН-250 - 66,6 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримано рішення актуальної науково-практичної задачі, яка полягає в встановленні теоретичних закономірностей виникнення додаткового тиску у середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, на основі яких виконано обґрунтування конструктивних, гідродинамічних, технологічних і енергетичних параметрів гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу, розробку енергозберігаючих технологічних рішень, щодо удосконалення процесів гідравлічної класифікації вугільних шламів, що дозволило зменшити експлуатаційні витрати водно-шламових комплексів вуглезбагачувальних фабрик та знизити шламоутворення на них за рахунок виключення з експлуатації насосних установок.

Найбільш важливі науково-практичні результати, висновки і рекомендації полягають в наступному:

1. Ефективність роботи вуглезбагачувальних фабрик і вартість товарної продукції в більшості визначається станом і енергоємністю водно-шламового комплексу. Одним із перспективних напрямів удосконалення і спрощення водно-шламових схем є застосування гідроциклонів, які за простотою конструкції і економічністю ще довгий час будуть залишатися основними апаратами для згущення і гідравлічної класифікації шламових продуктів. Однак, використання насосного господарства, наявність значного шламоутворення у ньому визначають необхідність пошуку альтернативних рішень, які забезпечать, як зниження енергоємності цих операцій, так і зменшення виходу на них класу менше 0,5 мм. Одним з таких рішень є застосування на цих операціях гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу.

2. Причиною зниження енергоємності процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу є додатковий тиск в середині кільцевого обертального гідродинамічного потоку, що виникає в результаті засмоктуючої дії сифону. Загальний тиск на вході в гідроциклон є сумою гідростатичного тиску на вході і вакуумного тиску попереду зливного стакану.

3. Сепараційна характеристика гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу є несиметрична крива, математичний опис якої являється параметричним рішенням рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка зі зносом для концентрацій у явному вигляді або у вигляді численного алгоритму.

4. На підставі рішення рівняння масопереносу встановлено існування і вигляд нелінійного зв'язку технологічних, конструктивних і гідродинамічних параметрів, які відображені через вектор параметрів , з локальною концентрацією часток в об'ємі апарату. Отримана залежність ефективності класифікації від вектора параметрів і розроблена методика визначення .

5. Для здійснення процесу класифікації в гідроциклоні з сифонним розвантаженням зливу тиск обертального потоку на стінку апарату повинен бути надмірним, що відповідає довжині труби сифону не більше 8,7 м при щільності пульпи не більше 1228 кг/м3.

6. Наявність циркуляційного замкненого коаксіального потоку у протитечійному гідроциклоні визначається моментом гідродинамічних сил, які діють у низхідному та висхідному потоках, а його витрати - різницею тиску у пристінному шарі і повітряному стовпу, об'єм яких досягає 20% від вихідного продукту, що необхідно враховувати при виборі гідроциклонів заданої продуктивності.

7. Найбільша ефективність класифікації досягається при довжині труби сифону 6,8-8,7 м. У цьому випадку величина гідростатичного тиску , де - діаметр гідроциклона.

8. Епюра розподілу осьових швидкостей потоку у гідроциклоні з сифоном має аномальне викривлення у середній по радіусу зоні, що пояснюється наявністю в ньому замкнутого потоку у кількості 15-20% від об'єму пульпи, що прямує на класифікацію. Таким чином, сифон збільшує абсолютні значення осьових складових швидкості у внутрішньому потоці, але не чинить суттєвого впливу на характер розподілу цих швидкостей.

9. Механізм та характер розподілу часток по крупнисті в гідроциклоні з сифоном аналогічний відповідним характеристикам традиційних гідроциклонів.

10. Встановлені залежності об'ємної потужності і межової крупності розподілу від конструктивних, гідродинамічних, технологічних і енергетичних параметрів, в яких вперше враховано гранулометричний склад вихідного продукту.

11. Обґрунтовані конструктивні, гідродинамічні, технологічні і енергетичні параметри і розроблена методика їх розрахунку, яка використана при створенні гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу ЦАС-710, ЦАС-350, ЦАС-320 і ЦАС-100.

12. Технологія гідравлічної класифікації вугільних шламів на базі гідроциклонів ЦАС успішно пройшла випробування на ЦЗФ “Комендантська” на операціях згущення і класифікації первинних та вторинних шламів. Впровадження технології дозволило збільшити випуск сорту АШ на 0,2%. Розрахунковий економічний ефект від впровадження розробленої технології складає 1,5 млн. грн/рік, у т.ч. підтверджений економічний ефект - 66,6 тис. грн/рік, за рахунок зниження експлуатаційних витрат, який отримують у результаті зупинки двох насосів ШН-250 з встановленою потужністю 55 кВт кожний.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах

1. Особенности распределения угольных частиц в аппарате сифонной разгрузкой слива / В.Б. Томилин; Н.И. Абакумов, В.Н. Корнеева, П.В. Чигринцев // Обогащение полезных ископаемых: Науч.-техн. сб. - 2004. - Вып. 20 (61). - С. 94-98.

2. Полулях А.Д., Пожидаев В.Ф., Томилин В.Б. Математическая модель процесса разделения в гидроциклоне на основе вывода кривой извлечения // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2005. - Вип. 22 (63). - С. 64-69.

3. Перспективное оборудование и технология обогащения угля / В.Б.Томилин, В.И. Хайдакин, В.И. Корнеева, Н.И. Абакумов // Уголь, 2005. - № 12. - С. 58-61.

4. Низкозольные и низкосернистые антрацитовые концентраты для доменного производства / В.И. Хайдакин, В.И. Корнеева, В.П. Спиридонова, В.Б. Томилин // Уголь Украины, 2005. - № 12. - С. 41-43.

5. Полулях А.Д., Бевзенко Б.Ф., Томилин В.Б. Расчет показателей сгущения шламових продуктов в гидроциклонах // Уголь Украины. - 2006. - № 8. - С. 41-42.

6. Пожидаев В.Ф., Полулях А.Д., Томилин В.Б. Обогащение и классификация углей в гидроциклонах: Учебное пособие. - Луганск. Из-во Восточно-украинский национальный университет им. В. Даля. - 2004. - 176 с.

7. Томилин В.Б., Корнеева В.Н., Трошин А.Г. Совершенствование обогащения антрацита на ЦОФ “Комендантская” // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. // Материалы 6-ой междунар. науч.-практ. конф. по обогащению полезных ископаемых. - 2003. - Вип. 17 (58). - С. 6-11.

8. Испытание гидроциклона с сифонной разгрузкой слива на ЦОФ “Комендантская” / В.И. Хайдакин, П.В. Чигринцев, О.А. Зозуля, Л.П. Спиридонова, В.Б. Томилин // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. // Материалы 8-ой междунар. науч.-практ. конф. “Теория и практика обогащения и переработки минерального сырья”. - 2005. - Вип. 23 (64). - С. 56-61.

9. Томилин В.Б. Методика расчета гидроциклонов с сифонной разгрузкой слива // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. // Материалы 10-ой междунар. науч.-практ. конф. “Технолого-экологический инжиниринг при переработке минерального сырья”. - 2007. - Вип. 29 (70)- 30 (71). - С. 89-94.

10. Патент № 59847А України. Гідроциклон для класифікації зернистих матеріалів / І.П. Курченко, В.Б. Томілін, Л.П. Спірідонова, Б.Х. Таіров, В.І. Хайдакін. - 2003. - Бюл. № 9.

Особистий внесок автора в роботах, які написані в співавторстві: [1, 2] - розробка технологічних рішень, формулювання мети; [3, 4, 5] - участь в теоретичних дослідженнях, обґрунтування ефекту сифона; [6] - обґрунтування конструктивних параметрів гідроциклона з сифонним розвантаженням зливу і розробка технології класифікації вугільних шламів в ньому; [7] - обробка та аналіз результатів і формування висновків, розробка технологічної схеми; [8] - узагальнення результатів гідравлічної класифікації вугільних шламів і формування висновків; [10] - ідея і основні відмінні ознаки.

АНОТАЦІЯ

Томілін В.Б. Обґрунтування параметрів процесу класифікації вугільних шламів у гідроциклонах з сифонним розвантаженням зливу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.08 - “Збагачення корисних копалин”. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню процесу гідравлічної класифікації вугільних шламів і вирішує задачу зниження енергоємності водно-шламового господарства вуглезбагачувальних фабрик.

У дисертації виконані теоретичні дослідження гідравлічної класифікації вугільних шламів у гідроциклонах з сифонним розвантаженням зливу на підставі стохастичного моделювання процесів розподілу. Встановлено, що сепараційна характеристика гідроциклону з сифонним розвантаженням зливу є несиметричною кривою, математичний опис якої є параметричним рішенням рівняння Колмогорова-Фоккера-Планка із зносом у явному вигляді, або у вигляді численного алгоритму.

За допомогою рішення рівняння масоперенесення встановлено наявність та вигляд нелінійного зв'язку технологічних, конструктивних та гідродинамічних параметрів, які виражені через вектор параметрів , з локальною концентрацією часток у об'ємі апарата. Отримана залежність ефективності класифікації від вектора параметрів і розроблена методика його визначення.

На підставі прийнятих технологічних і конструктивних вимог, обґрунтовані параметри і розроблена методика інженерного розрахунку, які використані для створення гідроциклонів з сифонним розвантаженням зливу ЦАС-100, ЦАС-320, ЦАС-350 та ЦАС-710.

Результати досліджень використані при розробці енергозберігаючої технології гідравлічної класифікації шламових продуктів на ЦЗФ “Комендантська”.

Впровадження цієї технології дозволило збільшити вихід сорту АШ на 0,2% та виключити з експлуатації 2 насоса ШН-250.

Економічний ефект складає 1,5 млн. грн/рік.

Ключові слова: гідравлічна класифікація, вугільний шлам, стохастична модель, гідроциклон з сифонним розвантаженням зливу, енергозбереження.

АННОТАЦИЯ

Томилин В.Б. Обоснование параметров процесса классификации угольных шламов в гидроциклонах с сифонной разгрузкой слива. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 - “Обогащение полезных ископаемых”. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена исследованию процесса гидравлической классификации угольных шламов и решает задачу снижения энергоемкости водно-шламового хозяйства углеобогатительных фабрик. В работе выполнены теоретические исследования гидравлической классификации угольных шламов в гидроциклоне с сифонной разгрузкой слива на основе стохастического моделирования процессов разделения. Установлено, что сепарационная характеристика гидроциклона с сифонной разгрузкой слива является несимметричной кривой, математическое описание которой является параметрическим решением уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка со сносом в явном виде либо в виде численного алгоритма.

На основании решения уравнения массопереноса установлено существование и вид нелинейной связи технологических, конструктивных и гидродинамических параметров, выраженных через вектор параметров , с локальной концентрацией частиц в объеме аппарата. Получена зависимость эффективности классификации от вектора параметров и разработана методика определения .

Причиной снижения энергоемкости гидроциклона с сифонной разгрузкой слива является возникновения дополнительного давления в середине кольцевого вращательного гидродинамического потока, которое возникает в результате всасывающего действия сифона.

Экспериментальными исследованиями установлено, что для осуществления процесса классификации в гидроциклоне с сифонной разгрузкой слива давление вращающегося потока на стенки аппарата должно быть избыточным, что соответствует длине трубы сифона не более 8,7м и плотности пульпы не более 1228 кг/м3.

Основываясь на эпюрах распределения тангенциальных и осевых составляющих скоростей потока доказано, что распределение тангенциальной составляющей в гидроциклоне с сифонной разгрузкой слива в отличие от традиционных включает функцию

где - показатель степени, - радиус потока. Такое распределение способствует получению более чистого слива. Распределение осевых составляющих скорости во внутреннем потоке в гидроциклоне с сифонной разгрузкой слива аналогично традиционным, однако абсолютные их значения увеличиваются на 15-20%.

Механизм распределения и характер распределения частиц по крупности в гидроциклоне с сифоном аналогичен соответствующим характеристикам традиционным гидроциклонам.

Основываясь на полученных кинетических зависимостях, установлены зависимости объемной производительности гидроциклона и граничной крупности разделения от его параметров.

Наибольшая эффективность классификации угольных шламов в гидроциклонах с сифонной разгрузкой слива достигается при длине трубы сифона 6,8-8,7 м. В этом случае величина гидростатического давления составляет

где - диаметр гидроциклона.

На основе принятых технологических и конструктивных требований, обоснованы параметры и разработана методика инженерного расчета, которые использованы при создания гидроциклонов с сифонной разгрузкой слива ЦАС-100, ЦАС-320, ЦАС-350 и ЦАС-710.

Результаты исследований использованы при разработке энергосберегающей технологии гидравлической классификации шламовых продуктов на ЦОФ “Комендантская”. Гидроциклоны ЦАС применены на операциях обработки слива гидроциклонов ГЦМ-710, отходов регенерации магнетитовой суспензии, подситного продукта дуговых сит узла обесшламливания мелкого машинного класса. Внедрение технологии позволило увеличить выход сорта АШ на 0,2% за счет повышения зольности жидких отходов с 62,9 до 65,4%, снижения их выпуска на 1,3 т/ч и вывода из эксплуатации двух насосов ШН-250.

Годовой расчетный экономический эффект составляет 1,5 млн. грн/год, в том числе подтвержденный экономический эффект от снижения расходов на электроэнергию - 66,6 тыс. грн/год.

Ключевые слова: гидравлическая классификация, угольный шлам, стохастическая модель, гидроциклон с сифонной разгрузкой слива, энергосбережение.

SUMMARY

Tomilin V.B. The substantiation of the parameters of the process of the classification of the coal slime with the siphon unloading of discharge. - Manuscript.

The dissertation to obtaining of the scientific degree of Candidate in Technical Sciences with specialty 05.15.08 - "Enrichment of minerals". - National mining university, Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation is dedicated to a study of the process of the hydraulic classification of the coal slime and solves the common problem of reduction of the energy consumption of the water-sludge of coal-concentrating factories.

In the dissertation the studies of the hydraulic classification of the coal slime in the sand cones with the siphon unloading of discharge on the basis of the stochastic simulation of the processes of separation are executed. It is established that the separative characteristic of sand cone with the siphon unloading of discharge is asymmetrical curved, whose mathematical description is the parametric solution of the equation of Kolmogorov-Fokker-Planck with the removal explicitly or in the form of numerical algorithm.

With the aid of the solution of the equation of mass transfer the presence is established and the form of the nonlinear coupling of the technological, design and hydrodynamic parameters, which are expressed through the vector of the parameters with the local particle concentration in the volume of apparatus. The dependence of the effectiveness of classification on the vector of the parameters is obtained and the procedure of its determination is developed.

On the basis technological and of the design specifications accepted, the parameters are substantiated and the procedure of the engineering calculation is developed, which are used for developing the sand cones with the siphon unloading of discharge TSAS - 100, TSAS - 320, TSAS - 350 and TSAS - 710.

The results of studies are used for the development of the energy-saving technology of the hydraulic classification of sludge products on TSOF "Commendantskaya".

The introduction of this technology made it possible to increase the output of type AH by 0,2% and to remove 2 pumps SHN - 250 from the operation.

Economic effect composes 1,5 mln. grn/year.

Key words: hydraulic classification, the coal slime, stochastic model, sand cone with the siphon unloading of discharge, energy-economy.

Размещено на Allbest.ur