Протитечійна водна сепарація

Протитечійна водна сепарація

1. Загальні дані про процеси

Протитечійна водна сепарація - гравітаційний процес, який застосовується для збагачення енергетичного вугілля, антрацитів, розубоженої гірничої маси відкритих розробок, крупнозернистих шламів і видалення породи з гірничої маси на шахтах і розрізах. Протитечійні гравітаційні апарати відрізняються характером розділення збагачуваного матеріалу, способами транспортування продуктів і принципами регулювання робочого режиму. При цьому, незважаючи на розходження в конструктивних особливостях сепараторів, в них реалізуються спільні принципи, що полягають в підвищенні ефективності розділення внаслідок рециркуляції частини збагачуваного матеріалу в межах робочої зони. Вихідний матеріал у всіх протитечійних апаратах розділяється на два продукти: концентрат і відходи. Сформовані в процесі сепарації зустрічні транспортні потоки продуктів розділення рухаються в межах робочої зони з заданими гідродинамічним опором їх відносному переміщенню при цьому потік легких фракцій є попутним потоку розділювального середовища, а важких - зустрічним. Робочі зони сепараторів являють собою закриті канали, які оснащені системою обтічних потоком однотипних елементів, що обумовлюють створення визначеним чином організованої системи вторинних течій і вихорів. В таких системах при визначених умовах вихідний матеріал розділяється за густиною, що значно перевищує густину розділювального середовища.

Протитечійна сепарація реалізується з використанням крутопохилих (КНС) і шнекових (СШ і СВШ) сепараторів.

Суттєвою відмітною властивістю протитечійних гравітаційних апаратів є наявність специфічної природної постелі, яка значно відрізняється від відомих аналогів гравітаційного збагачення. В робочій зоні апаратів цього типу накопичуються важкі зерна і зростки, і тут їх вміст виявляється значно більшим, чим в вихідному живленні. Природна постіль виконує роль важкої суспензії, на її підтримку витрачається додатковий ґрадієнт тиску, що рівнозначно підвищенню густини середовища до деякого ефективного значення. Завдяки наявності взаємопроникних зустрічних потоків легких і важких фракцій природна постіль добре розпушена, а її довжина в напрямку сегрегації збагачуваного матеріалу достатньо велика. Крім того, природна постіль є саморегульованою, в ній краще гасяться випадкові засмічення і вона менше чутлива до коливань навантаження і речовинного складу живлення.

Застійні зони зі зворотною циркуляцією і зворотні течії виникають в місцях зміни перетину проточної частини каналу. При цьому робота, що пов'язана з прирощенням кінетичної енергії в зоні звужування потоку в більшій мірі витрачається на створення вихорів. Утворення вихорів відбувається тим активніше, чим гірше обтікається перепона.

В потоках, що несуть тверді частинки, неоднорідності в геометрії обмежувальних поверхонь приводять до появи зон з рециркуляцією твердих частинок і створення дюн. Сприятливіші умови для розділення за густиною виникають, якщо в робочій зоні апарату енергія хаотичного руху несучого середовища значно перевищує енергію направленого руху. Таким чином, внаслідок неоднорідності геометрії апарату зворотні течії повинні індукуватись вже при максимальних витратах несучого середовища і ефект класифікації збагачуваних частинок за крупністю зменшиться, а за густиною - збільшиться.

При виборі раціонального робочого простору протитечійного гравітаційного сепаратора головними є умови подачі вихідного матеріалу і первинного збагачення в центральній частині апарату, умови протікання процесів перезбагачення в периферійних частинах робочої зони, можливість і межі регулювання процесу, надійність елементів конструкцій.

Ці умови враховані в конструкціях відцентрово-гравітаційних сепараторів СШ і СВШ, що функціонують при низьких значеннях фактора розділення, а також в сепараторах КНС, в яких найбільш повно реалізована ідея сортувального шару.

Шнекові сепаратори горизонтального і вертикального типів належать до класу збагачувальних апаратів, в яких підвищення густини розділення обумовлюється відставанням руху частинок збагачуваного матеріалу від руху розділювального середовища, а також дією додаткового ґрадієнту тиску, що виникає при розбіжності векторів швидкостей частинок і середовища. Відставання руху частинок є результатом дії сил інерції і особливого характеру розрозділення окружних швидкостей в межах робочої зони. В цьому випадку ефективна густина розділення буде:

, кг/м³, (9.1)

де - окружні швидкості розділювального середовища і твердої частинки, м/с; - густина середовища, кг/м³.

Між ефективною густиною розділення і швидкістю руху частинок матеріалу існує зворотно пропорційна залежність. При визначених умовах виникає додаткова об'ємна сила, що направлена до центру кривизни ґвинтового потоку; вона й визначає ефективність розділення.

В сепараторах КНС, на відміну від шнекових сепараторів, спостерігається керована взаємодія між транспортними потоками легкої і важкої фракцій по всієї довжині їх контактування в робочій зоні. В умовах рівноваги частинок в нахиленому каналі, в якому створюються турбулентні збурювання потоку (напр., пластинами з перегородками), опір турбулентного потоку для одних і тих же частинок буде тим більше, чим більше задана інтенсивність турбулентності. Ця залежність може бути описана рівнянням уявної додаткової густини середовища:

, кг/м³,(9.2)

де - густина середовища і уявна додаткова густина середовища, кг/м³; - додатковий перепад тиску на одиницю довжини каналу, Па/м; - коефіцієнт повноти турбулізації потоку; - число перегородок на одиницю довжини каналу, м^-1; - швидкості потоку середовища: максимальна на рівні перегородок і середня, м/с; - прискорення вільного падіння, м/с².

Це рівняння отримано з припущення, що турбулізація потоку введенням в нього регулярних перепон створює додатковий перепад тиску за рахунок переходу надлишкової кінетичної енергії на рівні перепон в енергію турбулентних вихорів.

2. Крутопохилі сепаратори

Крутопохилі сепаратори використовуються для збагачення розубоженого вугілля, крупнозернистих шламів і механізації вибірки породи крупністю до 150 мм.

Крутопохилий сепаратор (рис.9.1) являє собою прямокутний короб 1, нахилений під кутом 46 - 54є до горизонту.

Рис.1. - Крутопохилий сепаратор

У середині корпуса розташовано завантажувальний жолоб 2 для подачі в сепаратор вихідного матеріалу. На верхнійкришці кожного із відділень закріплені ґвинтові регулятори 3 дек 4, які обладнані зигзагоподібними перегородками. Деки, що фіксуються ґвинтовими регуляторами, забезпечують необхідний перетин каналу у породному (нижньому) і концентратному (верхньому) відділеннях сепаратора. Крім того, зигзагоподібні перегородки на деках збільшують опір потоку у верхній частині каналу і створюють змінне по довжині і ширині поле швидкостей потоку, яке забезпечує сприятливі умови для розділення матеріалу в робочій зоні. Гідравлічний опір каналу залежить від висоти, взаємного розташування і форми геометрично подібних обтічних поперечних перегородок на деках, а також інтенсивності створення вихорів на їх кромках.

Вихідний матеріал з водою безперервно по завантажувальному жолобу 2 подається в центральну частину каналу 1. Одночасно у нижню частину каналу через опирач елеватора 5 надходить із заданою швидкістю вода. Важкі фракції випадають у придонний шар і рухаються назустріч потоку води. Легкі фракції виносяться потоком води угору і розвантажуються через зливний поріг сепаратора. Таким чином в сепараторі існують два потоки - висхідний і низхідний, які займають визначену площу перетину каналу.

Зони перегородок, що є ділянками локального збільшення швидкості потоку, крім того представляють собою багаторазово повторювані ділянки підвищеного розпушення матеріалу. Низхідний потік матеріалу, що несе важкі частинки, періодично розпушується і згущується, при цьому легкі частинки виділяються в зону висхідного потоку. Отак, по всій довжині робочого каналу сепаратора здійснюється протитечійний процес розділення частинок переважно за густиною. При еквівалентності гідравлічного опору в зоні осадження важких частинок і перепаду тиску в зоні перегородок режим сепарації - оптимальний.

Ефективність роботи крутопохилого сепаратора залежить від ряду постійних і змінних параметрів. Постійні параметри - кут нахилу корпуса сепаратора (вибирається перед монтажем) і положення рухомих дек (підбирається в період настройки режиму роботи сепаратора). Змінним (оперативним) параметром є витрата води, що подається в завантажувальну лійку з вихідним матеріалом і надходить у опирач елеватора.

Кут нахилу корпуса сепаратора визначає ступінь розпушення матеріалу в робочій зоні. При збагаченні крупних класів і вугілля, класифікованого за вузькою шкалою, кут нахилу повинен бути більшим, ніж при збагаченні некласифікованого вугілля і вугілля, що не знешламлене.

Положення рухомих дек визначає прохідний перетин робочого каналу в концентратній і породній зонах сепаратора. Від їх положення залежать продуктивність сепаратора, показники процесу розділення, а також відносні витрати води на переробку вихідного матеріалу при оптимальному навантаженні.

Об'єм води, що надходить в завантажувальну лійку і опирач елеватора, визначає поле швидкостей в різних перетинах робочого каналу. Витрати води повинні відповідати пропускній спроможності перетинів у концентратній і породній зонах каналу. Співвідношення потоків необхідно вибирати таким чином, щоб підтримувати задану густину розділення в робочій зоні на постійному рівні. Відповідний вибір регульованих параметрів дозволяє забезпечити в сепараторі при збагаченні крупних класів робочі швидкості 0,5 - 0,7 м/с, при збагаченні дрібних класів - 0,2 - 0,3 м/с.

Технічні характеристики крутопохилих сепараторів наведені в табл. 9.1.

Таблиця 9.1 - Технічні характеристики крутопохилих сепараторів

У крутопохилих сепараторах досягається рівномірне збагачення по всім класам крупності аж до класу 0 - 3 мм. Засмічення крупного концентрату не перевищує 2%, дрібного - 3 %.

3. Шнекові сепаратори

Шнекові сепаратори використовуються для збагачення енергетичного вугілля крупністю 6 - 25 і 13 - 100 мм.

Сепаратор шнековий горизонтальний СШ-15 (рис. 9.2) складається з циліндричного корпуса 1, шнека 2, рами 8 і привода 3. У верхній частині корпусу знаходиться завантажувальна лійка 4 для подачі вихідного матеріалу. У нижній частині розташована лійка 5 для розвантаження породи. Концентрат розвантажується через тангенціальну лійку 6 у верхній частині корпусу. Вода в апарат подається через тангенціальний патрубок 7 і рухається по ґвинтовому каналу, що створюється внутрішньою стінкою корпуса і шнеком, у напрямку руху ґвинтового потоку. Обертання шнека суттєво перерозподіляє профіль швидкостей водного потоку. Ця швидкість і швидкість обертання шнека підбираються так, щоб ефективність розділення вихідного матеріалу була найбільшою при мінімальних витратах води.

Вихідний матеріал подається через завантажувальну лійку у середину робочої зони сепаратора, де на ділянці один-півтора витка здійснюється основне збагачення і формування двох транспортних потоків, що спрямовані у протилежні боки - до концентратної і породної розвантажувальних лійок.

Частинки матеріалу рухаються у сепараторі за складними ґвинтовими траєкторіями, при цьому частота їх обертання навколо валу шнека визначається густиною і крупністю. Частинки, у яких частота обертання близька до частоти обертання водного потоку, переміщуються разом з ним до концентратної лійки. Частинки, у яких частота обертання менше частоти обертання водного потоку, а також ті, що випали зі зваженого потоку на дно і придонні ділянки біля стінок сепаратора, з різною швидкістю транспортуються шнеком до породної лійки. Зони робочого каналу по обидва боки від завантажувальної лійки виконують функції перечисних. Ефективність перезбагачення визначається інтенсивністю обмінної взаємодії частинок матеріалу на кожному витку робочого каналу. Густина розділення визначається головним чином витратами води, частотою обертання шнека і навантаженням на сепаратор.

Переваги сепаратора СШ-15 полягають в простоті конструкції і можливості регулювання густини розділення; недоліки - в швидкому зносі корпуса і шнека, що порушує криволінійний потік, і в складності ремонту.

Сепаратор шнековий горизонтальний СШ-15П розроблений з метою усунення недоліків сепаратора СШ-15.

Корпус цього сепаратора складається з трьох робочих і двох розвантажувальних секцій. Шнек сепаратора укорочений на 650 мм без зміни довжини робочої зони. Витки шнека, що швидко зношуються, виконані знімними, а їх зовнішні кромки футеровані пластинами зі зносостійкого чавуну. Труба шнека також захищена сталевими накладками. Конструкцією сепаратора СШ-15П передбачений мінімальний кільцевий зазор (3 мм) між стінкою корпусу і кромкою шнека, що в значній мірі запобігає заклинюванню шнека. Зміни в конструкції сепаратора СШ-15П дозволяють збільшити термін його міжремонтного циклу в 1, 5 - 2 рази в порівняні з сепаратором СШ-15.

Сепаратор шнековий вертикальний СВШ-15 (рис. 9.3) відрізняється від горизонтального завантаженням вихідного матеріалу через порожній вал і приводом, що розташований знизу.

Рис. 9.3 - Схема вертикального шнекового сепаратора.

1 - лійка розвантаження породи;

2 - тангенціальний патрубок введення води;

3 - корпус;

4 - лійка розвантаження концентрата;

5 - завантажувальна лійка;

6 - шнек;

7 - завантажувальне вікно;

8 - привод;

9 - рама.

Сепаратор СВШ-15 складається з циліндричного корпуса 3, шнека 6 і привода 8. В середній частині валу прорізані два завантажувальних вікна 7, через які матеріал надходить у сепаратор. Вода подається через тангенціальний патрубок 2 таким чином, щоб напрямки обертання шнека і водного потоку збігалися.

Вода з нижньої частини сепаратора рухається вгору по ґвинтовому каналу, що створений внутрішньою стінкою корпуса, валом і лопаттю шнека. Зверху через порожній вал шнека подається вихідний матеріал. При переміщенні по криволінійним траєкторіям легкі зерна вугілля, густина яких менше густини розділення, виштовхуються до валу шнека і виносяться спіральним висхідним водним потоком до розвантажувальної концентратної лійки 4. Важкі зерна під дією відцентрової і гравітаційної сил рухаються по нахиленій поверхні лопаті шнека в напрямку до породної лійки 1. Параметрами регулювання процесу в сепараторі СВШ-15, як і в горизонтальному, є: витрати води, частота обертання шнека і навантаження сепаратору.

Сепаратор шнековий вертикальний СВШ-15М (модернізований варіант) відрізняється від сепаратора СВШ-15 конструкцією корпусу, що виконаний з чотирьох циліндричних секцій, збільшеним прохідним перетином завантажувальної труби і розвантажувальних лійок, підвищеною зносостійкістю шнека.

Таблиця 9.2 - Технічні характеристики шнекових сепараторів

Протитечійна водна сепарація характеризується порівняно низькими капітальними та експлуатаційними затратами, простотою компонувальних рішень і високою ефективністю процесу.