CC BY
55
- © В.А. Козлов, Е.Н. Чернышова, 2014
УДК 622.7:658.512: 017.2: 504.064.43; 622.771.6
В.А. Козлов, Е.Н. Чернышова
РАЗРАБОТКА НОВОГО СПИРАЛЬНОГО СЕПАРАТОРА
ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ УГОЛЬНОГО ШЛАМА
ПРИ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ. ЧАСТЬ I
Существующие конструкции спиральных сепараторов, как одинарных, так и составных, обеспечивают эффективное разделение угля по нижней граничной плотности 1,60. Преимущества использования спиральных сепараторов хорошо известны и включают в себя низкую стоимость и эксплуатационные затраты, простоту и надежность конструкции, возможность обогащать широкий класс крупности шлама. Однако отсутствие возможности разделять уголь при плотностях разделения ниже 1,60 ограничивает применение спиральных сепараторов в обогащении угля. Австралийская компания «Mineral Technologies»» разработала новый спиральный сепаратор LC3, который может работать при границе разделения ниже той, при которой работают существующие в настоящий момент модели. В процессе разработки спиральный сепаратор LC3 прошел все необходимые испытания, его рабочие характеристики сравнивались с существующими широко известными моделями спиральных сепараторов компании «Mineral Technologies»: LD4E, LD7 и LD7RC. Спиральный сепаратор LC3 легко достиг нижней граничной плотности разделения 1,4 при производительности, сопоставимой с производительностью существующих моделей. При этом самое низкое значение плотности разделения, которой достиг 7-витковый спиральный сепаратор LD7RC составило 1,55. В данной статье представлены результаты испытаний нового спирального сепаратора LC3 и его модификации LC35Т.
Ключевые слова: спиральный сепаратор, плотность разделения, угольный шлам, класс крупности, зольность, выход концентрата, угольная пульпа.
Обогащение угольного шлама крупностью 0,1-1 мм в спиральных сепараторах является одной из основных технологий на протяжении последних тридцати лет в угольной промышленности. Преимущества спиральных сепараторов при обогащении угольного шлама хорошо известны и включают в себя низкие капитальные и эксплуатационные затраты, простоту эксплуатации, достаточную чувствительность к колебаниям качества питания, способность работать на разном типе сырья и высокую надежность.
В зависимости от категории обо-гатимости угля, гранулометрического состава шлама и эксплуатационных параметров, граничная плотность разделения угля в существующих конструкциях спиральных сепараторов
(как одинарных, так и составных моделей) находится в пределах от 1,6 до 2,0. Главной проблемой существующих моделей спиральных сепараторов является их неспособность достичь более низкой плотности разделения. Это ограничение приводит к тому, что операторам приходится принудительно снижать плотность разделения в циклах обогащения крупного угля в целях управления качеством общего концентрата, или, даже, направлять часть шлама в отходы, что является причиной значительных потерь в общем выходе готовой продукции.
При тщательном контроле качества питания и условий эксплуатации граничная плотность разделения в некоторых существующих моделях приближается к 1,55. Однако данные
границы не всегда достижимы в обычных условиях на фабрике. Отдел по развитию бизнеса поручил конструкторам спиральных сепараторов в компании «Mineral Technologies» создать спиральный сепаратор с более низкой границей плотности разделения. Усилия и инвестиции оказались ненапрасными и привели к разработке нового спирального сепаратора для мелкого угля под названием LC3, который способен достичь более низкой граничной плотности разделения фракций [1].
Кроме того, ключевые предприятия угольной отрасли Австралии выразили свое мнение о том, какими характеристиками должна обладать новая коммерческая модель спирального сепаратора. На основе этих мнений был составлен следующий список характеристик: низкая граница разделения фракций, соизмеримая с существующими моделями эффективность разделения, производительность сепаратора не менее 1,5 тонн в час для 3-хзаходной спирали, высота блока не превышает высоты модели LD7RC, а также небольшая установочная площадка. Другая технологическая задача, которую рассматривают ведущие инженерно-технические работники отрасли, состояла в обеспечении обогащения угля более тонких классов 40-150 микрон [2-7].
Особенности конструкции спирального сепаратора LC3
Сепаратор LC3 имеет 8 витков, что на один виток больше, чем у существующих составных спиральных сепараторов, применяемых в отрасли, но укороченный шаг спирали обеспечивает аналогичную или немного меньшую габаритную высоту. Наряду с другими факторами эффективность сепарации является функцией от продолжительности процесса разделения. Это подтверждают результаты других недавних программ по раз-
работке спиральных сепараторов для рудных материалов. По сравнению с сепаратором LD7RC, прохождение шлама через LC3 занимает в среднем на 16% больше времени.
Профиль и шаг постоянно меняются на протяжении всех 8 витков в отличие от большинства предлагаемых в данный момент моделей спиральных сепараторов для угля, которые имеют постоянный профиль и шаг.
Первый скользящий разделитель потока для отходов находится на 4-м витке, второй расположен на 6-м витке. Последний разделитель, а так же делители для промпродукта и концентрата оснащены спаренными поворотными ручками такой же конструкции, которая обычно встречается на большинстве стандартных моделей компании «Mineral Technologies».
Обычно профиль сепаратора представляет собой плоский желоб. Профиль модели LC3 представляет собой пологую кривую, которая поднимается от центральной оси к наружному краю спирали.
Принципы разделения
Принцип спиральной сепарации основан на множестве сложных механизмов, для полного понимания которых еще предстоит выполнить значительный объем исследовательской работы [2]. Авторы работы [1] разработали модель, которая помогла в процессе исследований, получить положительные результаты.
В основе модели лежит учет следующих видов взаимодействий:
• жидкости с твердой поверхностью желоба;
• жидкости с воздухом (свободной поверхностью);
• твердых частиц с жидкостью;
• частиц с частицами;
• частиц с твердой поверхностью желоба.
Важными характеристиками потока являются:
• общая и локальная скорость потока пульпы;
• общая и локальная плотность пульпы;
• вязкость пульпы и текучесть шлама;
• подвижность частиц в слое, распределение частиц в зависимости от толщины потока.
Структурно исходная пульпа состоит из воды (с относительным удельным весом 1,0) и твердых частиц, которые имеют различную плотность, массу и объем.
При движении по спиральному желобу вода стремится к его внешнему краю, создавая градиент плотности пульпы вдоль желоба от центральной оси к внешнему борту. Таким образом, все гидродинамические характеристики потока, меняются от точки к точке вдоль радиуса спирального желоба. Данный градиент плотности пульпы вызывает появление двух общеизвестных режимов течения пульпы: зоны высокой скорости возле наружной стенки и зоны низкой скорости ближе к центральной оси спирали. Переходная зона находится между ними, а разница в скоростях приводит к разделению частиц в потоке пульпы.
Прямолинейные желоба (исторически предшествующие спиральным) являются простыми устройствами,
которые использовались для обогащения, например, золота на протяжении сотен, возможно даже тысяч лет.
В линейном желобе поток частиц расслаивается, при этом частицы с более высоким удельным весом перемещаются в нижние слои, стремясь принять более выгодное энергетически низкое гравитационное положение. В динамике более плотные частицы вытесняют менее плотные из нижних слоев благодаря различиям во взаимодействии между выталкивающей силой и силой гравитации. Спиральные сепараторы уникальны тем, что центробежная компонента влияет на поток шлама, нарастая по мере его спуска, что вызывает завихрения. Завихрения запускают второй поток, в котором нижние слои двигаются к центру колонны, а верхние слои (между жидкостью и воздухом) двигаются наружу по направлению к краю желоба спирального сепаратора. Этот вторичный поток приводит к сдвигу слоев частиц в разделяемом потоке. Вот почему поток разделяется на «ленты». «Лента» с отходами (тяжелыми фракциями) начинает выделяться и увеличивается постепенно, виток за витком, что является признаком того, что нижний слой частиц проходит через верхние слои.
Рис. 1. схематичное изображение вторичного и третичного потоков и линии пузырей в сечении лотка спирали
Цикличность вторичного потока (нижние слои двигаются внутрь, а внешние - наружу) подавляет остальные движения в желобе. Однако в верхней зоне у стенки желоба присутствует небольшая область, в которой вторичный поток двигается в обратном направлении. Для ясности мы назовем это третичным потоком. Наглядное подтверждение данного третичного потока проявляется в форме полосы пузырей (линии пузырей), которая проходит параллельно наружной стенке (см. рис. 1).
Данная линия пузырей на стандартном спиральном сепараторе обычно возникает на расстоянии 20-30 мм ниже наивысшей точки потока. Считается, что пузыри появляются здесь потому, что это точка, в которой встречаются третичный и вторичный потоки и свободная поверхность заворачивается на себя. Именно в области высокой скорости движения шлама и в точке, где встречаются два потока, проявляется наибольшая турбулентность, которая отрицательно влияет на разделение материала. Турбулентность может оказывать особенно негативное влияние там, где требуется малозаметная разница в силах для разделения частиц, относительная плотность которых практически одинакова, или мала и стремится к плотности воды.
Пути решения поставленной задачи
Сложность достижения более низкой граничной плотности разделения оценивается с учетом двух важных механизмов разделения [2]. Первый механизм учитывает взаимодействие частиц с жидкостью. В отличие от обычных минералов, частицы чистого угля обладают низкой плотностью, что делает их движение близким к скоростному потоку воды, и приводит к тому, что они практически не оседают. Во втором механизме нижние слои (в промежутке между жидкостью
и поверхностью желоба) двигаются вовнутрь по направлению к центральной оси, при этом более плотные частицы попадают во внутреннюю область желоба, где их можно отсортировать.
Отсюда следует важный вывод: если частица остается во взвешенном состоянии, она никогда не достигнет нижних слоев, движущихся внутрь. Понимание этого момента особенно важно для определения проектных параметров работы спиральных сепараторов.
Граничная плотность разделения 1,60, которая достигается в спиральных сепараторах традиционных конструкций, при обогащении угля с минимальным содержанием частиц с плотностью, близкой к плотности разделения (промпродуктовых фракций), означает, что спиральный сепаратор будет отделять преимущественно частицы низкозольного угля от высокозольных породных частиц. Высокозольные частицы обладают довольно высокой плотностью относительно плотности воды и быстро оседают в нижних слоях. В существующих моделях спиральных сепараторов рабочая поверхность имеет такую конструкцию, что частицы угля удельным весом от 1,2 до 1,6 переносятся водой во взвешенном состоянии во внешней области желоба, где преобладают высокие скорости течения. При этом сростки и породные частицы быстро оседают. Снижение границы разделения фракций означает, что новый спиральный сепаратор должен отделить частицы чистого угля от частиц угля промежуточной плотности. Чтобы это произошло, для частиц с более низкой плотностью (меньше 1,6) необходимо создать условия, в которых вероятность их контакта с поверхностью желоба спирали будет выше. Как только частицы вступают в контакт с поверхностью желоба, частицы с бо-
лее высокой плотностью начинают двигаться вовнутрь и попадают в потоки промпродукта или хвостов.
Поэтому новая конструкция спирального сепаратора требовала значительного снижения турбулентности для создания более спокойного характера потока пульпы. Такие проектные требования представляют определенную проблему, так как для действия механизмов разделения требуется, чтобы уровень подвижности и текучести потока пульпы был постоянным. Кроме того, с точки зрения эксплуатации очень важно, чтобы спиральный сепаратор успешно (быстро) транспортировал осевший шлам. В случае заиливания желоба, даже кратковременного, процесс разделения шлама будет существенно нарушен.
Для решения данной проблемы в компании «Mineral Technologies» был спроектирован спиральный сепаратор с постоянно меняющейся конфигурацией и шагом, что позволяет компенсировать непостоянство динамических свойств шламового потока на его пути вниз по желобу спирали.
Ограничение, присутствующее на существующих моделях спиральных сепараторов, заключалось в том, что в потоке шлама большинство частиц угля скапливалось в очень узкой области у внешней стенки желоба спирали вместе с большим количеством воды. Обычно 60-80% питания может оказаться в данной зоне с высокой скоростью потока, занимая слишком малую часть желоба. Эту область иногда называют зоной «потока в трубе». Так как особое значение для разделения имеет плотность частиц угля, и их скопление вызывает сложности при разделении частиц по плотности.
Создатели модели стремились обеспечить распределение данного скопления частиц угля по поверхности желоба спирали для облегчения процесса разделения. Также пре-
имуществом спиральных сепараторов, в сравнении с сепараторами конусного, шлюзового или лоткового типа, является то, что после расслоения частиц по плотности, слои разделяются и расходятся по полосам, «лентам». Это позволяет более точно разграничить фракции при помощи вертикального разделителя потока, по сравнению с разделением в других сепараторах, при котором верхние слои отделяются от нижних.
Исследования позволили выявить ряд особенностей поведения потока пульпы в спиральном сепараторе.
Линия пузырей. Одним из наглядных свойств потока в сепараторе ЬСЭ явилась разница в положении линии пузырей по сравнению с существующими моделями спиральных сепараторов.
В сепараторе ЬСЭ линия пузырей возникала рядом с верхней точкой потока в самой отдаленной области. Были необходимы и дальнейшие исследования, но такое поведение уже указывало на то, что третичный поток и его турбулентность в сепараторе ЬСЭ снижается или вообще исчезает.
Подача питания. В опытном образце сепаратора ЬСЭ инженеры воспользовались возможностью доработать конструкцию устройства для приема питания в верхней части спиралей с целью оптимизации условий подачи пульпы. Был разработан новый питающий короб для исходного материала, а контуры первого витка были спроектированы таким образом, чтобы обеспечить ускорение потока шлама и его равномерное распределение, сводя к минимуму резкое торможение и уменьшая турбулентность потока при загибании желоба.
Влияние волн. Во многих спиральных сепараторах наблюдаются волновые фронты, которые загибаются в двух или более точках, но в основном остаются радиальными. Это зависит от материала питания и эксплуатаци-
онных параметров (нагрузка по питанию и плотность пульпы), но волны располагаются примерно на одной восьмой части интервала витков, перемещаются вниз и наружу. Это явление не считается негативным фактором для разделения, так как наблюдается в то время, даже когда эффективность разделения считается очень высокой, для моделей спиральных сепараторов, работающих как с углем, так и с минералами.
Волнообразные проявления, наблюдаемые в сепараторах ЬС3, по форме совершенно другие по сравнению с другими моделями. Волны имеют кольцевой характер и кон-центричны оси сепаратора. На данном этапе не ясно, как это влияет на механизмы разделения. Этому явлению есть одно объяснение - в данной модели сепаратора градиент скорости по желобу может распределяться более равномерно, что приводит к уменьшению сдвига зон потока, но для уточнения данного явления необходимо провести дополнительные исследования (см. рис. 2).
Понятия о поведении потока в спиральном сепараторе были основаны на исследованиях, проведенных несколько лет назад. На основе исследований поведения потока пульпы в трубе была выдвинута гипотеза о том, что верхняя область потока может содержать частицы угля преимущественно малой плотности, а нижняя область -частицы угля преимущественно большой плотности. Если бы эта гипотеза оказалась верной, то стандартный разделитель потока, работающий в вертикальной оси, оказался бы не та-
Радиальный волновой фронт Концентрическое очертание волн Рис. 2. Очертания волн в разных моделях сепараторов
Рис. 3. Два типа скользящих разделителей потока в спиральных сепараторах, в случае, когда имеет место гипотетическое распределение частиц в трубопроводном потоке
ким эффективным, по сравнению с радиальным разделителем.
Упрощенная схема, представленная на рис. 3, показывает гипотетический вариант развития событий. Черные точки означают очень легкие частицы угля в диапазоне плотности 1,2-1,5. Серые точки означают частицы с плотностью 1,5-1,7. Белые точки означают породу с высокой плотностью.
Для проверки гипотезы на спиральном сепараторе ЬЭ7 был установлен радиальный разделитель особой конструкции. Работа этого спирального сепаратора сравнивалась с результатами, полученными на стандартной модели ЬЭ7. Если бы приведенные выше предположения оказалась верными, то при фиксированном выходе продукта должен был бы получиться более низкозольный концентрат.
S5 20
10
16
14
12
10
а
Радиз льный разде литет -
Д - Стандартный разделитель LD7 — 2 мм 1- гD
/
/.•■ о
if'*
. - а- ■
-
10 20 30 40 SO 60
70
SO
90 100 Выход. %
Рис. 4. сравнение результатов применения стандартного и радиального разделителей потока на модели LD7
Рис. 5. схема модели турбулентного потока
Был проведен ряд испытаний, результаты которых показаны на рис. 4.
Кривые, построенные по результатам испытаний и изображенные на рисунке 4, показывают лишь неболь-
шое преимущество радиального разделителя, которое не является значительным. Если в зоне «потока в трубе» и произошло разделение частиц в соответствии с выдвинутой гипотезой, то оно оказалось слишком слабым, что бы быть как-то использованным на практике в коммерческих целях. Результаты показали, что в трубопроводном потоке именно турбулентность имела наибольшее влияние на взвешенные частицы, по сравнению с какими-либо механизмами разделения. Поэтому модель «потока в трубе», учитывающая турбулентность, оказалась более предпочтительной. Распределение частиц согласно этой модели схематично изображено на рис. 5.
Тогда становится понятным, что для того, чтобы разделить частицы с плотностью 1,2-1,5 от частиц с плотностью 1,5-1,7 необходимо изменение конструкции поверхности спирального желоба и динамики потока, а не только изменение конструкции разделителя потока.
(Окончание в ГИАБ № 8).
1. Palmer M.K., Weldon W.S. A new low cut point for fine coal separation. / Mineral Technologies Pty Ltd, Gold Coast, Queensland, Australia // CPSA Journal, Winter-2014, v. 12, #4, pp. 27-34.
2. Holland-Batt A.B. Spiral separation: theory and simulation. // Trans. Instn. Min. Metall. (Sect.C: Mineral process. Extr. Metall.). pp. 46-60.
3. Barbara J., Arnold, Dan Petrunak. Application for Two-Stage Coal Spirals for Fine and Ultrafine Coal Cleaning. // XV International Coal Preparation Congress And Exhibition,
_ список литературы
China National Coal Association, Pekin, 2006, pp. 479-488.
4. Vadim I.N., Vadim A.K., Mikhail F.P. Cutting Costs of Coal Fines Preparation in Spiral Separators. // XVII International Coal Preparation Congress, Istambul, Turkey, 1-6 october 2013. pp. 231-236.
5. НовакВ.И., КозловВ.А., ПикаповМ.Ф. Схемы СЕТСО для обогащения угольного шлама в спиральных сепараторах // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2012. - Отдельный выпуск № ОВ5. -С. 146-154.
6. Новак В.И., Козлов В.А., Пика-лов М.Ф. Обзор исследований применения спиральных сепараторов для обогащения ультратонкого угля. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. -Отдельный выпуск № ОВ5. С. 139-145.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
7. Khoshjavan S., Abshenas M. Optimization and Increasing of the Coal Separation Efficiency on Coal Preparation Plant Using Coal Spirals. // XVII International Coal Preparation Congress, Istambul, Turkey, 1-6 October 2013. pp. 217-223. EES
Козлов Вадим Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, главный технолог, e-mail: [email protected],
Чернышева Елена Николаевна - кандидат технических наук, инженер-технолог, ООО «Коралайн Инжиниринг» (СЕТСО), e-mail: [email protected].
UDC 622.7:658.512: 017.2: 504.064.43; 622.771.6
DESIGN OF A NEW SPIRAL SEPARATOR FOR LOW SEPARATION DENSITY SLURRY COAL BENEFICIATION. PART I
Kozlov V.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Chief Technologist, e-mail: [email protected], Chernyshova E.N., Candidate of Engineering Sciences, Engineer-technologist, Coraline Engineering Ltd. (CETCO), e-mail: [email protected].
The available spiral separators, both single-body and multi-component, ensure efficient separation of coal of density down to lower bound of 1.60. The well-known advantages of spiral separators are low purchase price, low operational cost, simple and reliable design, and beneficiation of slurry within a wide particle size range. However, impossibility to separate coal at separation density under 1.60 restrains application of spiral separators in coal dressing. Australian company Mineral Technologies has designed a new spiral separator LC3 serviceable at the separation density lower than the separation density serviced by the spiral separators in existence. While being designed, the spiral separator passed all the required tests, and its operating performance was compared with operation rating of the known models of spiral separators manufactured by Mineral Technologies: LD4E, LD7 and LD7RC. The spiral separator LC3 readily reached the bottom separation density bound of 1.40 at the capacity comparable with the capacity of the available models. The lowest bound of separation density reached by 7 spiral turn separator LD7RC was 1.55. The article reports the results of testing the new spiral separator LC3 and its modified arrangement LC35^
Key words: spiral separator, separation density, coal slurry, size grade, ash content, concentrate yield, coal pulp.
REFERENCES
1. Palmer M.K., Weldon W.S. A new low cut point for fine coal separation. / Mineral Technologies Pty Ltd, Gold Coast, Queensland, Australia. CPSA Journal, Winter-2014, v. 12, no 4, pp. 27-34.
2. Holland-Batt A.B. Spiral separation: theory and simulation. Trans. Instn. Min. Metall. (Sect.C: Mineral process. Extr. Metall.), pp. 46-60.
3. Barbara J., Arnold, Dan Petrunak. Application for Two-Stage Coal Spirals for Fine and Ultrafine Coal Cleaning. XV International Coal Preparation Congress And Exhibition, China National Coal Association, Pekin, 2006, pp. 479-488.
4. Vadim I.N., Vadim A.K., Mikhail F.P. Cutting Costs of Coal Fines Preparation in Spiral Separators. XVII International Coal Preparation Congress, Istambul, Turkey, 1-6 october 2013, pp. 231-236.
5. Novak V.I., Kozlov V.A., Pikalov M.F. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2012, special issue no OV5, pp. 146-154.
6. Novak V.I., Kozlov V.A., Pikalov M.F. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2012, special issue, no OV5, pp. 139-145.
7. Khoshjavan S., Abshenas M. Optimization and Increasing of the Coal Separation Efficiency on Coal Preparation Plant Using Coal Spirals. XVII International Coal Preparation Congress, Istambul, Turkey, 1-6 October 2013, pp. 217-223.
