Очистка шламових вод збагачувальних фабрик в напірних гідроциклонах з пневматичним регулятором

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Очистка шламових вод збагачувальних фабрик в напірних гідроциклонах з пневматичним регулятором

Водопостачання, каналізація

Київ - 2007

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Гірничо-видобувне та збагачувальне виробництво супроводжується комплексним негативним впливом на навколишнє природне середовище, який зокрема, пов'язаний із накопиченням відпрацьованих порід, викидами пилу й шкідливих газів, забрудненням поверхневих, ґрунтових і підземних вод.

За даними Мінприроди України в останні десятиріччя в порівнянні із 1990 р. більш ніж у два рази зросла кількість забруднених зворотних вод збагачувальних підприємств і відведених забруднених вод без очищення.

Для очищення від шламу повторно використовуваних вод збагачувальних фабрик (ЗФ) традиційно задіяна система спеціальних апаратів і пристроїв водно-шламового господарства таких об'єктів. Сучасні тенденції по удосконаленню водоочисних систем ЗФ пов'язані із створенням локальної очистки шламових вод безпосередньо на ЗФ.

Для інтенсифікації процесів осадження дрібних часток циркулюючих у замкненому циклі переважно використовують гідроциклони.

Для стабілізації і підвищення ефективності роботи гідроциклонів та підтримки оптимальних технологічних параметрів процесу поділу застосовують спеціальні регулювальні органи.

Детальний аналіз конструктивних і технологічних характеристик пристроїв для регулювання роботи гідроциклонів дозволив виявити суттєві недоліки і проблеми, пов'язані з їх функціонуванням. Автором запропоновано новий напрямок застосування способу пневматичного регулювання роботи гідро циклона. Наукове обґрунтування цього способу та розробка відповідної конструкції і технології, які дозволять інтенсифікувати процеси очистки шламових вод є актуальним напрямком удосконалення роботи водно-шламових систем у гірничо-видобувній галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми «Про концепцію розвитку водного господарства України» і безпосередньо пов'язана з держбюджетною тематикою Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№держреєстрації 0199U000661).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка конструкції і методики розрахунку гідроциклона з пневматичним регулюванням з більшою ефективністю розділення фаз при використанні в оборотних системах водокористування збагачувальних фабрик.

Для досягнення поставленої мети розв'язувались такі задачі:

- на основі аналізу достоїнств і недоліків існуючих конструкцій і способів регулювання роботи гідроциклонів розробити нову, більш ефективну конструкцію пневматично керованого гідроциклона;

- вивчити механізм і особливості взаємодії керуючого повітряного струменя із регульованими технологічними потоками у гідроциклоні;

- отримати функціональні залежності ефективності розділення фаз в гідроциклоні від основних технологічних характеристик процесу і оцінити вплив окремих факторів і вихідних параметрів на режим роботи гідроциклона;

- на основі теоретичних і експериментальних досліджень розробити методику інженерного розрахунку основних конструктивних характеристик апарата і технологічних параметрів процесу розділення фаз в гідроциклоні;

- провести апробацію удосконаленої конструкції пневматичного регулятора гідроциклона і запропонованих інженерних рекомендацій в реальних умовах збагачувального підприємства.

Об'єкт дослідження - напірний гідроциклон з пневматичним регулятором.

Предмет дослідження - технологічні показники процесу розділення фаз в оборотній системі водокористування промислового об'єкту.

Методи дослідження - фізичне і математичне моделювання процесу згущення фаз; фізичний експеримент; сучасні математичні методи обробки результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- науково обґрунтовано вдосконалену технологію розділення твердої і рідкої фаз пневматично регульованого шламового потоку в гідроциклоні;

- з використанням математичного моделювання досліджено механізм взаємодії потоків при пневматичному регулюванні роботи напірного гідроциклона і обгрунтовані раціональні режими роботи апаратів;

- визначено основні технологічні параметри процесу згущення твердої фази і взаємозалежності між факторами, які впливають на гідро- і аеродинаміку в пневматично регульованому гідроциклоні.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено пневматичний регулятор гідроциклона для згущення пульпи в системах оборотного водокористування збагачувальних підприємств, який підвищує ефективність процесу розділення фаз, зменшує експлуатаційні витрати і вартість виготовлення та подовжує термін їх безремонтної роботи.

Розроблена методика інженерного розрахунку основних конструктивних характеристик пневматичного насадка і технологічних параметрів процесу згущення пульпи на підставі експериментального і виробничого випробування. Встановлено закономірності процесу розділення фаз в пневматично регульованому гідроциклоні дозволяють використати їх для розрахунку запропонованої конструкції та проектування відповідних елементів водно-шламових систем гірничо-збагачувальних підприємств.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на Центральній Збагачувальній Фабриці «Криворізька» ВО «Луганськвуглезбагачення». Використання запропонованого методу пневматичного регулювання гідроциклонами дозволило зменьшити вміст твердої фази в оборотній воді і збільшити (на 0,1%) вихід концентрату в розрахунку на кожну тону переробленого вугілля за рахунок підвищення ефективності процесів розділення фаз на всіх етапах збагачення.

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто здобувачем на основі виконаного літературно-патентного пошуку і аналізу роботи існуючих конструкцій гідроциклонів. Розроблено конструкцію пневматичного регулятора напірного гідроциклона. Проведено наукове обґрунтування технології розділення фаз в пневматично регульованому гідроциклоні для систем оборотного водокористування збагачувального підприємства та запропоновано математичну модель на основі балансу енергії і речовини. Запропоновано методику інженерного розрахунку пневматично регульованого гідроциклона для згущення пульпи у водно-шламовій системі збагачувального підприємства. Автором розроблена методика організації та проведення експериментів і обробки отриманих результатів. На реальному об'єкті розроблено і впроваджено пневматичний регулятор напірного гідроциклона.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати та положення дисертації доповідались: на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 1986,1991,2000-2002,2005-2007 рр.), на 60-62 науково-практичної конференції Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури (м. Харків 2005, 2007 р.р.), на ХХХIV науково-технічної конференції Харківської національної академії міського господарства (м. Харків 2006 р.), на міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м. Миргород 2007 р.).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, в тому числі 4 у фахових виданнях ВАК, в тому числі 3 без співавторів, 2 авторських свідоцтва СРСР на винахід.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури зі 146 найменувань і 2 додатка. Робота викладена на 157 сторінках, рисунків - 73, таблиць - 5.

повітряний гідроциклон шламовий очистка

Основний зміст роботи

У вступі приводиться обґрунтування актуальності даної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена їх наукова та практична цінність.

У першому розділі наведені основні відомості щодо технологічних характеристик процесів збагачення корисних копалин. Відстежено зв'язок між підвищенням ефективності таких виробничих етапів, як відсадження, флотація, згущення шламів, кінцеве зневоднювання продуктів збагачення та зниженням вмісту в оборотній воді твердої фази.

Показано, що впровадження нових швидкісних технологій і устаткування для виділення твердої фази, зокрема - гідроциклонів, дозволяє суттєво підвищити якість оборотної води.

Аналіз робіт Поварова П.І., Найденко В.В., Фоменко Т.Г., Скирдова І.В., Пономарева В.Г., Акопова М.Г., Барского Л.А., Плаксіна І.Н., Бочкарева Г.Р., Ангелова А.І., Жангаріна А. І., Вериго К.Н., Классена В.І., Tarjan G., Fujimoto T., Bednarski S., Drissen M., Kelsall D. та ін. дозволив виявити проблеми пов'язані із теоретичними засадами конструювання та експлуатацією регулювальних органів для гідроциклонів. Основи гідравлики апаратів, очистки води і методів розрахунку пристроїв струминной техніки приведені в роботах Олійника О.Я., Полякова В.Л., Грабовського П.О., Терновцева В.О., Бочарова В.П., Струтинського В.Б., Бадах В.М.

Здійснено аналіз сучасних способів регулювання роботи гідроциклонів на базі Державного патентного фонду України та джерел закордонної інформації: бази даних класифікатора патентів і товарних знаків США «US Patent and Trademark Office»; Європейського Центру Патентної Інформації «European Center Patent Office», яка включає патентну інформацію європейських країн, авторські свідоцтва бувшого Радянського Союзу, патенти Японії і США; «Інституту промислової власності» Федеральної служби по інтелектуальній власності, патентам і товарним знакам Росії.

Запропоновано класифікацію найбільш поширених способів регулювання роботою гідроциклонів і конструкцій регуляторів. Визначено характерні недоліки відомих регулюючих органів гідроциклонів: безпосередній контакт із згущуваною суспензією, а отже - інтенсивне абразивне зношування; порушення з часом первісної форми вихідного отвору і, відповідно, погіршення якості поділу; зашламовка робочих отворів і аварійна зупинка апаратів; зашламовка і заклинювання діафрагм, клапанів та інших запірних елементів тощо.

Визначено проблеми, які пов'язані із специфікою та складністю умов експлуатації гідроциклонів в системах водокористування збагачувальних фабрик: абразивність шламової суспензії; високий напір потоку живлення; наявність в суспензії часточок твердої фази в дуже широкому діапазоні крупності; висока нерівномірність в часі якісних і кількісних характеристик оброблюваної суспензії.

На основі аналізу вищерозглянутих питань та сучасного стану їх вивченості сформульовано мету і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі наведено інформацію про апаратурно-методичне забезпечення досліджень. Представлено конструкцію експериментального стенду, прозорої моделі для досліджень потоків у гідроциклоні, металевої моделі та універсального регулювального органу (див. рис. 1), який складається із піскового

Досліджено наступні групи параметрів:

а) конструктивні: кут ; ширина щілинного отвору ; форма щілинного отвору (конфузор, дифузор); внутрішній діаметр прохідного отвору ;

б) технологічні: тиск оброблюваної суспензії на вході в гідроциклон та повітря на вході насадка ; вміст твердого в живленні і в згущеному продукті ; об'ємна витрата згущеного продукту та повітря в насадку .

Як критерії оптимальності прийнято мінімізацію витрати і тиску повітря в регулювальному органі. Виконано перевірку гідродинамічної подоби в експериментальних дослідженнях на моделі гідроциклона.

У третьому розділі представлено теоретичні основи пневматичного керування потоками в зоні піскового насадка гідроциклона. Наведено математичну модель процесу згущення шламів радіально направленим керуючим струменем повітря. Визначено наявність двох фаз процесу регулювання.

Проаналізовано рівняння балансу енергії потоку повітря:

, (1)

де - питома кінетична енергія регулюючого струменя; , - питома енергія, яка витрачається, відповідно, на протидію силі тиску та на подолання відцентрової сили потоку пульпи; - питома витрата енергії на місцеві втрати при перебудові стікаючого потоку пульпи.

Запропоновано рівняння для визначення :

(2)

Представлено розрахункові залежності процесу згущення. Витрата твердого до і під час регулювання становить, відповідно, і :

(3)

(4)

де - концентрація твердого, - початкові площі; - середні швидкості, відповідно, зовнішнього і внутрішнього потоках загального двофазного потоку.

Для перевірки методики розрахунку згущення твердого використані результати експериментів на моделі стандартного промислового напірного гідроциклона ГЦ350. Розрахунок проведено у системі Maple ver.11. Отримані значення коефіцієнту згущення в порівнянні із експериментально отриманими знаходяться в межах діапазону можливої помилки вимірів, яка дорівнює 5%.

Кількісний аналіз показав, що найбільший ефект при регулюванні спрямованим потоком повітря забезпечується енергією, що використана на протидію силі тиску (робота ), і втрати енергії при перебудові згущеного потоку через місцеві втрати (), можна одержати в найвужчому перетині піскового насадка, але обов'язково енергія (робота ) струму використовується з максимальним ефектом усередині піскового насадка. Тільки в цьому випадку спрямований під кутом струмінь повітря не відбивається в атмосферу і забезпечується ефективна протидія силі тиску згущеного продукту.

Зменшення діаметру повітряного стовпа (перша фаза) в зоні піскового насадка відображає характерні стадії обтискання потоку пульпи направленим керуючим струмом повітря, а подальше зростання діаметру повітряного стовпа (друга фаза) за рахунок пенітрації потоку пульпи керуючим повітрянім струмом і відтворення живлення повітряного стовпа - відображає характерні стадії процесу пневматичного регулювання роботи гідроциклона.

Виконано математичне моделювання регулювання для другої фази регулювання роботи гідроциклона і отримано залежності радіусу повітряного стовпа і всіх основних факторів, які впливають на гідро- і аеродинаміку взаємодії потоків пульпи в гідроциклоні та керуючого спрямованого струменю повітря.

Розрахунок характеристик газу на вході в повітряний стовп виконувався при таких припущеннях: рух газу є ізентропічним, газообмін між повітряним стовпом і навколишньою рідиною, а також сила ваги малі.

Побудована система рівнянь.

В результаті для визначення отримано рівняння:

(6)

Розрахунки радіуса повітряного стовпа проведено в пакеті Maple v11. Результати теоретичного розрахунку радіуса відповідають експериментальним вимірюванням діаметрам повітряного стовпа при візуалізації процесів на прозорій моделі гідроциклона. Експеримент підтверджує теоретичні розробки, що стосуються визначення параметрів повітряного стовпа, пов'язаних з ними технологічних параметрів згущення пульпи в процесі очистки шламових вод і конструктивні параметри регулятора.

При однакових граничних умовах теоретичним шляхом обчислено значення радіусу , а тестові усереднені заміри величини повітряного стовпа в зоні взаємодії потоків на прозорій моделі показують м.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень пневматичного регулювання роботи напірного гідро циклона. За дослідженнями структури потоків рідини показано, що крім зовнішнього і внутрішнього обертових потоків рідини формується внутрішній повітряний потік у вигляді повітряного стовпа. Візуалізація потоків в зоні піскового насадка отримана на прозорій моделі гідроциклона з такими умовними позначеннями:

Встановлено, що запропонований новий пневматичний спосіб керування не змінює процес формування потоків в стандартному напірному гідроциклоні і зони їх розподілу.

Показано, що при розширення повітряного стовпа відбувається на рівні вихідного отвору насадки в площині найменшого поперечного перерізу прохідного отвору, при чому відношення діаметра повітряного стовпа до площі перерізу піскової насадки в розглянутій площині є найбільшим, за рахунок чого і досягається максимальна ефективність регулювання витрати.

В статистичному пакеті «Statgrafics» ver.5.1 Manugistics corp. проведено планування активного експерименту з метою визначення оптимальних конструктивних параметрів пневморегулятора (кут і ширина щілини сопла конфузора ). Графичне відображення результатів експерименту представлено на поверхні відгуку і контурному графіку.

Чисельне значення оптимальних параметрів розраховано модулем планування експерименту

Для дослідження запропонованого нового пневматичного способу регулювання, встановлення якісних взаємозв'язків між конструктивними і технологічними параметрами (кут , ширина щілини сопла L, довжина сопла b, відносна ширина сопла b/L, витрати повітря Q, тиск в насадці , тиск живлення гідроциклона , коефіцієнт згущення , коефіцієнт тиску , число Рейнолдса Re), розробки рекомендацій до конструювання промислового пневматичного регулятора і визначення режимів роботи аппарата було виконано спеціальні екпериментальні дослідження. Результати цих експериментів, аналіз яких здійснено за статистичними методиками (пакет Statistica v6.0, Statsoft corp.).

При визначенні коефіцієнта витрати насадки було використано відомі рекомендації з розрахунку витрати повітря в звужуючим соплі

. (7)

Отримано функціональні залежності в безрозмірних комплексах (див. рис. 9а), які визначають режим роботи пневматичного регулятора, тиск і витрати повітря в насадку:

Технологічні параметри процесу згущення визначає залежність в безрозмірних комплексах та :

Установлено, що тиск живлення на вході гідроциклона не впливає на отримані функціональні залежності, які мають спільні узагальнені безрозмірні комплекси, також не впливає на залежності коефіцієнта витрати насадки від числа і не змінює характер залежності числа від коефіцієнта тиску . Такич чином, при визначенні величини коефіцієнта витрати насадка використано його залежність від коефіцієнта тиску .

Отримані залежності в безрозмірних комплексах і дають змогу прогнозувати необхідні зміни тиску в насадці і витрати повітря залежно від зміни тиску живлення та ширини щілини для досягнення запланованого згущення , за умов мінімізації тиску і витрат повітря.

У п`ятому розділі приведено результати випробувань промислового гідроциклона ГЦ350 у складі водно-шламової системи ЗФ «Криворізька» ВО «Луганськвуглезбагачення».

Живленням гідроциклона виступали попередньо сконцентровані в радіальному згущувачі відходи вугільної флотації, вміст твердої фази яких в часі досліджень коливався в межах від до .

Проведено планування двофакторного активно-пасивного эксперименту (кут подачі повітря і ширина щілини сопла конфузора) за яким отримано наведені нижче чисельні значення оптимальних параметрів і:

Отриманий оптимальний кут в для промислового насадка, який підтверджує результати модельних досліджень на ГЦ50.

За результатами промислових досліджень запропоновано методику інженерного розрахунку регулювального органа гідроциклона, яка базується на взаємозв'язках між безрозмірними комплексами для різних значень ширини щілини формувача , при оптимальному значенні кута .

На підставі отриманих результатів модельних і промислових досліджень гідроциклона розроблена комп'ютерна програма розрахунку параметрів промислового зразка регулювального органа. В алгоритм розрахунку закладено визначення мінімальних значень витрати й тиску повітря в насадці та ширини щілини при заданих значеннях тиску живлення на вході гідроциклона , вмісту твердого в живленні та необхідного ступеня згущення .

Висновки

1. На підставі аналізу літературних джерел розроблено класифікацію способів і пристроїв керування гідро циклонами з оцінкою основних недоліків існуючих рішень. Показано, що розробка високо надійного регулятора напірного гідроциклона для очистки шламових вод у складі водношламової системи збагачувальної фабрики, який забезпечує керування в автоматичному режимі, є актуальною задачею.

2. На основі аналізу балансу механічної енергії повітряного струменя розроблено та науково обґрунтовано конструкцію пневматичного регулятора гідроциклона, який забезпечує високоефективний безконтактний спосіб очистки шламових вод в стандартних напірних гідроциклонах.

3. Розроблено математичну модель нового способу пневматичного керування роботою напірного гідроциклона, який забезпечує стандартний процес згущення багатофазної суспензії. За допомогою стандартної комп'ютерної програми символьної математики на основі реалізації зазначеної моделі отримана оцінка потенціальної і кінетичної складових енергії направленого керуючого струму повітря, що дозволило обґрунтувати вибір сопла пневморегулятора.

4. Отримано залежності між технологічними параметрами процесу очистки шламових вод і конструктивними параметрами регулятора, визначені оптимальні режими роботи апарата. Доведено, що новий спосіб безконтактного пневматичного керування не порушує рух висхідних та низхідних потоків в зоні піскового насадка на всьому діапазоні зміни вихідних технологічних параметрів.

5. Запроваджено промисловий пневморегулятор напірного гідроциклона у складі водношламової системи збагачувальної фабрики, який забезпечує стабілізацію подальшої технології згущення шламів. В процесі експлуатації встановлено, що регулятор забезпечує згущення шламових вод до рівня у всьому діапазоні зміні густини живлення , що забезпечує ефективну роботу вакуум-фільтрів і освітлення шламових вод для системи зворотного водопостачання збагачувальної фабрики.

6. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерні рекомендації до розрахунку технологічних і конструктивних параметрів промислового пневморегулятора і визначення режиму його роботи та встановлені економічні показники ефективності його промислового впровадження.

7. Техніко-економічні розрахунки, які виконано для гідроциклонного обладнання з пневматичним регулюванням у складі водношламової системи збагачувальної фабрики, дозволяють констатувати зменшення вмісту твердої фази в оборотній воді і збільшення виходу концентрату в розрахунку на кожну тону рядового вугілля. Впровадження пневматичного регулятора проведено на Центральній Збагачувальній фабриці «Криворізька» Виробничого об'єднання «Луганськвуглезбагачення».

Размещено на Allbest.ru