Лекция 7. Обогащение углей Цель обогащения углей и размещение углеобогатительных фабрик

Зола кокса является балластом, уменьшающим содержание горючей части. Поэтому стремятся к получению менее зольного кокса.

Зольность-рядовых углей может быть в пределах 10—30%, и поэтому угли должны предварительно обогащаться, чтобы не вносить в большом количестве минеральную примесь в кокс, осо­бенно предназначенный для доменных печей и литейных ваг­ранок.

Обогащение углей, применяемых для коксования, позволяет получать кокс с минимальной зольностью и улучшать работу доменных печей и литейных вагранок.

Обогащение угля представляет собой процесс, состоящий из •нескольких технологических операций обработки, в результате которых в конечном продукте уменьшается содержание минераль­ных примесей, удаляемых в виде пустой породы или в виде срост­ков с углем (промпродукт). Обогащенный продукт называется концентратом.

Зола кокса не только негорючий балласт, но и вредное мине­ральное включение, резко снижающее прочность кокса.

Каждый кусочек породы, обладая другими, нежели уголь, фи­зическими константами (термический коэффициент расширения, теплопроводность и пр.), является инородным телом, которое в процессе образования кокса нарушает однородность структуры кокса и становится очагом развития трещин.

Помимо снижения зольности кокса и повышения его прочности и кусковатости, обогащение углей обусловливает снижение сернистости кокса. Поэтому к обогащению углей нужно относиться как к непременному технологическому процессу, предшествующему коксованию.

Наконец, обогащение углей способствует расширению сырье­вой базы коксования, так как у многих углей 'после их обогаще­ния значительно улучшается коксуемость, и их можно применять для коксования 'без ухудшения качества кокса.

Угли для коксования подвергаются обогащению как на обога­тительных фабриках коксохимических заводов, так и на обога­тительных фабриках, расположенных при шахтах (ОФ) или на центральных обогатительных фабриках (ЦОФ). В настоящее время для коксования не применяют угли, предварительно не обо­гащенные.

Обогащение углей может быть ручное и механическое. Ручное обогащение не эффективно, экономически не целесообразно и по­этому в настоящее время заменяется механическим. Для углей широко применяют два механических метода обогащения: гра­витационны и и флотационный.

Теоретические основы гравитационного метода обогащения углей

Гравитационное обогащение основано на использовании раз­личий в плотности зерен угля и минеральных примесей. Гравита­ционное обогащение может осуществляться двумя способами: ме­тодом сухого или пневматического обогащения (в воздушной среде) и методом мокрого обогащения (в водной среде).

Наиболее часто применяется метод мокрого обогащения, не­смотря на то что он требует больших капиталовложений и эксплуатационных расходов. Резко ограничивает применение пневмати­ческого метода то обстоятельство, что уголь получается с повы­шенной влажностью в связи с применением орошения в забое (борьба с силикозом). Поэтому пневматический метод страдает неточностью разделения угля и минеральных примесей. К тому же он ограниченно пригоден для обогащения крупных классов угля.

Твердая частица с плотностью (удельным весом) больше еди­ницы, попадая в водную среду, под действием гравитационной силы (силы тяжести) будет тонуть. Тонущая частица вначале движется с ускорением и достигает предельной скорости, после чего начинается движение с постоянной конечной скоростью, обоз­начаемой V₀. Определение конечных скоростей падения угольных и минеральных частиц в водной среде имеет .важное значение.

В настоящее время известно много формул для подсчета V₀, однако получаемые по ним результаты чаще всего не соответст­вуют фактическим данным. Все же они дают правильные теоре­тические представления, особенно в относительном ряду цифр, получаемых для частиц различной крупности. Наиболее распрост­раненными являются формулы Ньютона—Риттингера для круп­ных зерен (>0,5 мм) и Стокса для мелких зерен (<0,5 мм).

Формула Ньютона—Риттингера. Гравитационная сила, сооб­щающая частице движение вниз, равняется массе частицы в воде, умноженной на ускорение силы тяжести:

(1)

где G₀—гравитационная сила, Н (1Н=10⁵ дин);

d — диаметр падающей в воде шарообразной частицы, см;

 — плотность частицы, г/см³;

g — ускорение силы тяжести, см/с². На частицу действует сила сопротивления среды, которая, по Ньютону, пропорциональна динамическому напору жидкости и площади проекции частицы на плоскость, перпендикулярную дви­жению:

(2)

где Р — сила динамического сопротивления воды, Н (дин);

ψ—коэффициент сопротивления;

F — площадь проекции тела, см²;

 — плотность среды, для воды равна 1 г/см³;

v — скорость движения частицы, см/с. Площадь F равна d²/4, где d—диаметр падающей в воде шарообразной частицы (см). Заменив в формуле (2) и F, получаем

(3)

Падающая в воде шарообразная частица достигает конечной скорости v₀ тогда, когда сила динамического сопротивления станет равной гравитационной силе. Приравнивая уравнения (1) и (3), получим

(4)

Коэффициент в формуле (4) выведен для случая, когда в воде падает минеральная частица правильной шарообразной формы с гладкой поверхностью. В действительности формы частиц угля и породы крайне разнообразны и неправильны, поэтому зна­чение коэффициента в формуле будет различным для каждой инди­видуальной формы. Следовательно, в общем виде в формуле (4) можно заменить коэффициентом К и написать так:

(5)

Исследования показали, что в действительности величина ко­эффициента К зависит от формы падающей в воде частицы, круп­ности и ее плотности и может быть в пределах от 2,26 до 3,04.

Формула Стокса. Формула (5) выведена без учета действия сил трения между частичками самой жидкости, а также между жидкостью и поверхностью движущихся в ней частичек. В любой жидкости такое трение существует, и оно обусловливает ее вяз­кость. Когда частица движется в вязкой жидкости, она испыты­вает дополнительное, кроме динамического, сопротивление вязко­сти. Мелкие частицы имеют малую абсолютную массу, поэтому сопротивление вязкости заметно влияет на скорость их движения в воде.

Сила Р_вяз, по Стоксу, равна

Р_вяз=3dv (6)

где —коэффициент вязкости среды, Нс/м² (1 Нс/м=10П);

d — диаметр шарообразной частицы, см;

v — скорость движения частицы, см/с.

Можно приравнять уравнения (1) и (6):

(7)

Принимая g=981 см/с² и  для воды 0,01, получим

V²=5450d²(-1) (8)

Формулы (7) и (8) показывают, что конечная скорость сво­бодного падения твердой частицы в воде зависит от ее крупности и плотности.

Товарные угли представляют собой механическую смесь кусоч­ков различной крупности и плотности, которые характеризуются гранулометрическим составом и свойствами обогатимости. В любом угле существуют такие частицы различной крупности и плот­ности, которые имеют одинаковую конечную скорость свободного падения. Такие частицы называются рав.нопадающими, а от­ношение их диаметров—коэффициентом равнопадаемости, который обозначается буквой е:

e=d₁/d₂, (9)

- где d₁ и d₂—диаметры двух равнопадающих частиц плотностью соответственно ₁ и ₂/ Для крупных частиц можно использовать формулу (5) и написать равенство

Условно принимаем, что форма равнопадающих частиц одина­кова и После преобразования получим

(10)

Для мелких частиц следует пользоваться формулой (8). На­пишем равенство

После преобразования

(11)

Пример. Принимаем плотность угольной частицы ₁=1,3 г/см³, а породной б₂=2,5 г/см³. Необходимо вычислить коэффициент равнопадаемости угольных и породных частиц.

Для крупных частиц пользуемся формулой (7):

e₁=5

Для мелких частиц пользуемся формулой (11):

e₂=2,23.

Из полученных цифр следует, что угли нерационально обога­щать в рядовом виде, а нужно предварительно разделить по круп­ности на несколько классов, чтобы ослабить явление равнопада-емости частиц разной плотности (угля и породы). Кроме того, для мелких частиц нужно иметь более дробную шкалу грохочения, чем для крупных.

Рассмотренные выше положения только частично освещают яв­ления, наблюдаемые при гравитационных процессах обогащения. При движении не двух, а большого числа зерен движение каждого зерна нарушается в результате влияния на него других движу­щихся зерен.

Кроме того, вода, в которой происходит движение зерен, испы­тывает динамическое воздействие каждого зерна в отдельности, а также и всей движущейся массы зерен.

В связи с этим исследуют явления при стесненном паде­нии зерен в водной среде, вносят поправки в формулы Ньютона— Риттингера и Стокса, уточняют коэффициенты равнопадаемости и создают более совершенные типы машин для обогащения угля.

Установлено, что конечная скорость падения частиц в стеснен­ных условиях значительно меньше, чем при свободном падении. Соответственно большей получается величина коэффициента рав­нопадаемости. Некоторые авторы указывают, что величина е в сте­сненных условиях для крупных угольных и породных частиц ко­леблется от 8 до 13. Это позволяет значительно увеличить шкалу грохочения углей перед их обогащением.

Операции обработки угля на углеобогатительной фабрике мо­гут быть подразделены на три стадии:

1) подготовка углей перед обогащением: разделение угля на классы по крупности (грохочение), удаление из угля пыли (обес-пыливание) и раскрытие зерен угля путем измельчения в целесо­образных пределах (дробление);

2) собственно обогащение;

3) операции после обогащения: обезвоживание и сушка кон­центрата, шламоулавливание, осветление сточных вод, вторичное дозирование продуктов обогащения.