Обґрунтування технологічних параметрів гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 622.771.6:622.791:622.333

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ГРАВІТАЦІЙНО-ЕЛЕКТРОХІМІЧНОЇ ДЕСУЛЬФУРАЦІЇ КАМ'ЯНОГО ВУГІЛЛЯ

Спеціальність 05.15.08 - Збагачення корисних копалин

ГАЄВИЙ ВЛАДИСЛАВ ВАЛЕРІЙОВИЧ

Дніпропетровськ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі збагачення корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

КІРНАРСЬКИЙ Анатолій Семенович, кандидат технічних наук, доцент, Національна гірнича академія України (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України, доцент кафедри збагачення корисних копалин.

Офіційні опоненти:

Полулях Олександр Данилович, доктор технічних наук, Придніпровська лабораторія удосконалення технології збагачення вугілля Західного Донбасу та Львівсько-Волинського басейну інституту УкрНДІвуглезбагачення (м. Луганськ), Міністерство палива та енергетики України, начальник;

ОЛІЙНИК Тетяна Анатоліївна, кандидат технічних наук, Криворізький технічний університет, Міністерство освіти і науки України, в.о. доцента кафедри збагачення корисних копалин.

Провідна установа Донецький державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, кафедра збагачення корисних копалин.

Захист відбудеться "27" квітня 2001 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ27, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ27, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий "26" березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. техн. наук, доцент В.В. Панченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологічною особливістю вугілля України є підвищений вміст сірки, що викликає збільшення витрат доменного коксу, корозію стінок теплових установок і забруднення навколишнього середовища.

У загальному обсязі продукції вуглезбагачувальних фабрик від 10 до 20 % складають тонкодисперсні шлами, що видаляються до мулонакоплювачів внаслідок високої зольності (до 6065 %), сірчистості (від 2,2 до 3,4 %) і низької технологічної ефективності існуючого устаткування.

Як свідчить вітчизняна й закордонна практика вуглезбагачення, найбільш перспективним для десульфурації шламових продуктів (крупністю 30 мм) є поєднання процесу мокрої гвинтової сепарації (МВС) із хімічними методами довилучення сполук сірки.

На підставі вищевикладеного, в дисертаційній роботі виконане теоретичне обґрунтування і запропоноване нове вирішення актуальної науково-практичної задачі, яка полягає в розробці технологічних рішень щодо реалізації гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля з урахуванням швидкості поперечного циркуляційного потоку, кількісно-якісних показників вихідної сировини, кінетики вилучення піритних мінеральних комплексів на гвинтовій поверхні та діючих чинників процесу електрохімічної обробки водно-вугільної суспензії у полі тліючого електричного розряду.

Дисертаційна робота виконана відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки й техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" (номер держреєстрації теми 0100U001808, з якої автор був відповідальним виконавцем).

Мета роботи обґрунтування технологічних параметрів гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля із застосуванням мокрої гвинтової сепарації та наступної обробки водно-вугільної суспензії у полі тліючого електричного розряду для підвищення якості товарних концентратів.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації були поставлені та вирішені наступні задачі:

Визначення гідродинамічних умов збагачення вугілля щодо сірки при мокрій гвинтовій сепарації на підставі розробленого методу розрахунку епюр швидкостей поперечної циркуляції.

Дослідження кінетики десульфурації і впливу на ефективність вилучення сірки фракційного складу вихідного матеріалу та конструктивних параметрів гвинтового жолоба на натурних пробах вугільної сировини збагачувальних фабрик, де використання гвинтових сепараторів є найбільш перспективним.

Розробка й апробація в лабораторних і дослідно-промислових умовах технологічних рішень гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля із застосуванням мокрої гвинтової сепарації і наступної обробки в полі тліючого електричного розряду на основі обґрунтування раціональних технологічних параметрів.

Ідея роботи використання поперечної циркуляції гвинтового потоку вугільної гідросуміші для вилучення піритних мінеральних комплексів із наступним електрохімічним дозбагаченням відносно сірки у полі тліючого електричного розряду.

Об'єкт дослідження процеси десульфурації енергетичного й коксівного вугілля.

Предмет дослідження технологічні параметри гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля.

Методи досліджень. При виконанні дисертаційної роботи використовували аналітичний і експериментальний методи для дослідження й обґрунтування раціональних технологічних параметрів процесу гравітаційної десульфурації кам'яного вугілля при мокрій гвинтовій сепарації; метод планування експерименту за випадково-збалансованим планом, регресійний аналіз та лабораторне моделювання для дослідження й обґрунтування раціональних технологічних параметрів процесу електрохімічної десульфурації водно-вугільної суспензії при впливі тліючого електричного розряду; дослідно-промислову апробацію для перевірки розроблених технологічних рішень.

Достовірність отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується достатньою узгодженістю теоретичних і експериментальних досліджень, яка оцінювалася із залученням методів математичної статистики; позитивними результатами дослідно-промислових випробувань гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Характер розподілу сірки, вміст проміжних фракцій і, переважно, швидкість поперечного циркуляційного потоку визначають ефективність і кінетику гравітаційного вилучення піритних зерен, при цьому процес мокрої гвинтової сепарації протікає головним чином за щільністю. Враховуючи це, можна підвищити ступінь вилучення на гвинтовому сепараторі зернистої частини піритної сірки до 30 %.

2. Накладення різниці потенціалів між анодом і катодом, із наступним виникненням тліючого розряду, ініціює у водно-вугільній суспензії електрохімічні реакції, що викликають утворення перекису водню, який є активним агентом-окислювачем і взаємодіє далі з піритною сіркою, обумовлюючи підвищення ступеню її вилучення з вугілля до 25 %, при цьому комплексна гравітаційно-електрохімічна обробка доводить цей показник до 50 %.

Наукове значення отриманих результатів, їх новизна.

1. Уперше розроблений метод розрахунку епюр швидкостей поперечної циркуляції на гвинтовій поверхні, що дозволило визначити гідродинамічні умови видалення піритних мінеральних комплексів на гвинтовому сепараторі та їх вплив на кінетику цього процесу.

2. Уперше створена математична модель кінетики процесу десульфурації вугільної сировини на гвинтовому сепараторі, що дозволило обґрунтувати раціональну кількість його витків.

3. Уперше встановлена можливість застосування явища тліючого електричного розряду для електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля, що дозволило розробити новий метод вилучення піритної складової сірки з концентратів мокрої гвинтової сепарації.

Практичне значення результатів роботи полягає у визначенні кількісно-якісних характеристик вихідного матеріалу, числа відсікачів і витків жолоба гвинтового сепаратора для забезпечення ефективної гравітаційної десульфурації кам'яного вугілля; у визначенні раціонального технологічного режиму нового методу електрохімічної десульфурації водно-вугільної суспензії у полі тліючого електричного розряду; в розробці варіантів технології гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля, що дозволяє зменшити вміст сірки на 3550 %.

Впровадження результатів роботи. Технологія гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля пройшла дослідно-промислові випробування на ДВАТ ЦЗФ "Україна" ДХК "Селідоввугілля" (акт дослідно-промислових випробувань від 17.10.2000 р.).

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової задачі, мети і наукових положень досліджень; проведенні теоретичних і експериментальних досліджень; розробці технологічних рішень щодо реалізації гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідались й одержали схвалення на II міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених ім. академіка М.А. Усова (Росія, м. Томськ, 1998), міжнародній науково-практичній конференції "XXI століття проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (м. Дніпропетровськ, 1998), IX Всеукраїнській наукової конференції аспірантів і студентів "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів" (м. Донецьк, 1999), міжнародному симпозіумі "Тиждень гірника 99" (м. Москва, 1999), науково-технічних конференціях молодих збагачувачів України (м. Донецьк, 19992000), науково-практичній конференції "Проблеми й особливості збагачення вугілля Західного Донбасу і Львівсько-Волинського басейну" (м. Дніпропетровськ, 2000), міжнародній науково-практичній конференції "Техніка й технологія тонкодисперсного просіювання і ресурсозаощаджуючі технології збагачення корисних копалин на порозі третього тисячоліття" (сел. Білосарайська коса, Донецька обл., 2000); наукових семінарах та засіданнях кафедри збагачення корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ, 19972000).

Публікації. Основні положення виконаних досліджень викладені в 14 наукових працях, в тому числі 9 у фахових виданнях; 2 патентах на винахід; 3 тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури з 103 найменувань, 2 додатків. Дисертація викладена на 152 сторінках тексту, містить 32 рисунка, 20 таблиць і додатки на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, об'єкт, предмет та ідея роботи, відображена наукова новизна і основні результати, наведені положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації й публікації досліджень.

У першому розділі розглянуто характеристику з'єднань сірки у вугіллі, зроблено порівняльний аналіз і зазначені принципи, на яких засновані основні методи десульфурації вугілля гравітаційними й хімічними методами збагачення, що розроблені й одержали поширення як у нашій країні, так і за кордоном до дійсного часу. Основна увага акцентується на десульфурації вугільних шламів крупністю 3,00 мм. Стосовно до вугілля України (80 % якого має у своєму складі більш 2,5 % сірки), проблема знесірчування вимагає комплексного вирішення, що включає:

визначення запасів вугілля, придатного для десульфурації, і ретельне вивчення та систематизацію даних про розподіл у ньому сірки;

розробку сучасних технологічних схем і устаткування для збагачення вугілля з метою одержання низькосірчистих концентратів і переробки паливного залишку з підвищеною концентрацією сірки.

Серед відомих збагачувальних апаратів (важкосередовищні і водні циклони, струменеві сепаратори, концентраційні столи) найбільш перспективними для гравітаційної десульфурації шламових продуктів є гвинтові сепаратори, які характеризуються високою технологічною ефективністю, точністю розділення, низькою енергоємністю й простотою конструкції. Застосування цих апаратів у технологічних схемах збагачення дрібного вугілля дозволяє вилучати до 90 % піритної сірки, при цьому можливе скорочення фронту флотації, яка при десульфурації проявляє себе неефективно внаслідок високої гідрофобності піриту. Процес розділення на них має важливу рису явище поперечної циркуляції, що сприяє інтенсивному розпушенню пульпи і наступному розділенню як за крупністю, так і за щільністю. У вітчизняній практиці вуглезбагачення гвинтові апарати почали застосовувати порівняно недавно, а процес десульфурації на них не має достатньо повного обґрунтування технологічних параметрів.

Усі гравітаційні методи збагачення неефективні при десульфурації вугілля, в якому переважає органічна чи піритна сірка у вигляді тонковкраплених включень. У цьому випадку необхідне застосування спеціальних чи хімічних методів десульфурації. В даний час одержали найбільше поширення такі способи хімічного видалення сполук сірки, як окислювання в розчинах азотної кислоти, сульфату тривалентного заліза, перекису водню; обробка тонкоподрібненого вугілля при підвищених температурах і тисках ("процес Бателла"); взаємодія при підвищених температурах із киснем (процес "KVBengineering"); метод мікробіологічного знесірчування.

Широкому застосуванню хімічних методів десульфурації перешкоджають наступні недоліки: тривалість протікання процесів у часі, необхідність тонкого подрібнення вихідного вугілля, складність апаратурного оформлення, утворення агресивного середовища.

В окремий ряд виділені методи електрохімічного окислювання сульфідних мінералів у процесах збагачення. Зокрема, електрохімічні процеси виникають при обробці води тліючим електричним розрядом. При цьому одним із продуктів реакції є перекис водню, що може активно окисляти піритну складову сірки. На підставі цього зроблено висновок про можливість створення нового методу електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі розроблений метод розрахунку і визначені швидкості поперечної циркуляції у перетині гвинтового жолоба, теоретично й експериментально обґрунтовано рівняння кінетики десульфурації на гвинтовому сепараторі і розглянутий механізм хімічних перетворень, які ініціюються у воді та водно-вугільній суспензії в умовах впливу тліючого електричного розряду.

Задача визначення швидкостей циркуляційних потоків вирішена з метою вивчення процесу вилучення піритних зерен та його кінетики. Для цього використані усереднені рівняння руху в циліндричній системі координат.

Рішенням рівнянь руху є формула для розрахунку швидкості поперечної циркуляції на глибині y від дна:

, (1)

де постійна Кармана ( = 0,330,54); v_сер середня подовжня швидкість гвинтового потоку, м/с; hвисота перпендикуляра, опущеного з обумовленої точки до перетинання з дном гвинтового жолоба, м; r відстань від осі гвинтового сепаратора, м; y відстань від умовної лінії відліку до точки, у якій роблять визначення швидкості поперечної циркуляції, м; z висота перпендикуляра від точки на дні жолоба до перетинання з умовною лінією відліку, м; g прискорення сили ваги, м/с ²; С коефіцієнт Шезі.

У рівнянні (1) однією з недостатньо визначених по своєму числовому значенню величин є коефіцієнт Шезі. Для усунення цього недоліку використана наступна формула:

,

де шорсткість поверхні гвинтового жолоба (для дюралюмінію = 0,02 мм); Kрозмірний коефіцієнт (K=34).

Рівняння (1) піддано аналітичній перевірці, для чого по перетину гвинтового жолоба визначено глибину потоку на різній відстані від осі сепаратора. Розрахунок поперечних швидкостей проведено відповідно до рис. 1. Схема визначення швидкостей поперечної циркуляції по перетину гвинтового жолобу. електрохімічна десульфурація вугільний гвинтова

Побудовані епюри поперечної циркуляції (рис. 2) свідчать про те, що найбільшу інтенсивність вона має в середній частині гвинтового жолоба. Крім того, в цій зоні концентрується суспензія матеріалу з переважним вмістом проміжних фракцій, щільність яких близька до щільності розділення. Таким чином, для підвищення ефективності розділення вугільних і піритних зерен необхідно регулювання вмісту проміжних фракцій у вихідному матеріалі та розширення фронту поперечної циркуляції за рахунок підвищення діаметра або кількості витків гвинтового жолоба. З метою обґрунтування останнього технологічного параметра виконане теоретичне й експериментальне вивчення кінетики процесу вилучення піритних мінеральних комплексів на гвинтовій поверхні.

Аналіз механізму процесу видалення сірки на гвинтовому сепараторі і математичних залежностей, заснованих на законі діючих мас, виявив характерні для них загальні недоліки, а саме: прийняття допущення про незмінність швидкості сепарації в часі, тоді як вона залежить від тривалості процесу розділення і кількісно-якісних показників вихідного матеріалу. Крім того, отримані різними дослідниками аналітичні вирази, є результатом вирівнювання експериментальних кривих, а не засновані на теоретичних положеннях, що розкривають механізм процесу.

Для одержання кінетичної залежності прийняте допущення, що швидкість зменшення вмісту сірки в концентраті пропорційна цьому вмісту в будь-який момент часу.

Тоді, відповідно до закону діючих мас:

, (2)

де S вміст сірки в зоні розділення в момент часу t; k коефіцієнт пропорційності, що характеризує швидкість видалення сірки.

Для подальших перетворень у формулі (2) вміст сірки замінений величиною вилучення:

.

При цьому введений коефіцієнт m, якій є функцією вилучення сірки і змінюється від одиниці (у вихідну мить сепарації) до

.

Параметром р враховується те, що швидкість сепарації не є постійною величиною, а зменшується із збільшенням часу сепарації. Після інтегрування одержане кінетичне рівняння десульфурації на гвинтовій поверхні:

, (3)

де n кількість витків сепаратора.

Рівняння (3) свідчить про те, що для зниження вилучення піритної сірки до концентрату необхідно збільшувати кількість витків гвинтового жолоба. Крім того, цей показник цілком залежить від того, наскільки розкриті піритні зерна і як вони розподілені щодо фракційного складу вихідного матеріалу.

Експериментальними дослідженнями кінетики десульфурації встановлено, що найбільш сприятливе гравітаційне знесірчування кам'яновугільної сировини можливе при використанні гвинтового сепаратора з кількістю витків, яка збільшена до 6. Ефективність видалення сірки оцінена коефіцієнтом десульфурації, значення якого розраховані за формулою:

,

де _к вихід концентрату, %; S_вих вміст сірки у вихідному живленні, %;

S_к вміст сірки в концентраті, %.

Максимальне значення К_Д отримане для шестивиткового сепаратора (К_Д=0,12), у той час як для двовиткового і чотиривиткового ця величина складає відповідно 0,08 та 0,10.

Рівняння кінетики десульфурації вугільного шламу, що одержано на підставі експериментальних даних, має вид:

, (4)

де n кількість витків жолобу гвинтового сепаратора.

Залежність (4) дозволяє з достатньою точністю описувати процес десульфурації вугільного шламу (середньовідносне відхилення розрахункових даних вилучення сірки до концентрату від експериментальних не перевищує 2,02 %).

Таблиця 1.

Фракційний склад продуктів розділення, які одержані на сепараторах із різною кількістю витків

Фракція щільності, кг/м3	Живлення	Концентрат	Відходи
	вихід, %	сірка, %	вихід до продукту, %	вихід до вихідного, %	вилучення,	сірка, %	вихід до продукту, %	вихід до вихідного, %	вилучення,	сірка, %
двовитковий сепаратор
-1500	45,52	2,24	65,86	44,73	60,30	2,22	2,46	0,79	39,70	3,02
1500-1800	3,54	4,79	5,21	3,54		4,79	0,00	0,00
+1800	50,95	3,49	28,93	19,65		3,19	97,54	31,29		3,72
Усього	100,00	2,97	100,00	67,92		2,63	100,00	32,08		3,70
чотиривитковий сепаратор
-1500	45,52	2,24	78,60	44,68	46,68	2,10	1,95	0,84	53,32	3,23
1500-1800	3,54	4,79	5,54	3,15		4,75	0,90	0,39		3,98
+1800	50,95	3,49	15,86	9,01		3,30	97,15	41,93		3,66
Усього	100,00	2,97	100,00	56,84		2,44	100,00	43,16		3,66
шестивитковий сепаратор
-1500	45,52	2,24	87,92	43,78	38,03	1,98	0,96	0,48	61,97	3,35
1500-1800	3,54	4,79	5,55	2,76		4,65	1,40	0,70		4,63
+1800	50,95	3,49	6,53	3,25		4,09	97,64	49,02		3,64
Усього	100,00	2,97	100,00	49,80		2,27	100,00	50,20		3,65

В останній частині другого розділу дисертаційної роботи розглянуті електрохімічні процеси, що протікають у водному середовищі в умовах дії тліючого електричного розряду та визначають можливість його застосування для десульфурації вугілля. Для ініціювання тліючого розряду в реакторі створювалось розрідження порядку 0,01 МПа і на електроди накладали необхідну різницю потенціалів (30004000 В).

При реалізації тліючого розряду в системі газ-рідина можливе протікання наступних хімічних реакцій:

2Н ₂О ОН + Н ₃О⁺,

ОН е ОН,

2ОН Н ₂О ₂.

У цьому випадку активний агент-окислювач перекис водню далі вступає у взаємодію з піритною сіркою, що буде сприяти додатковому її вилученню після гравітаційної переробки вугілля за реакціями:

FeS₂ + H₂O₂ Fe(OH)₃ + S₂ (процес протікає в області, що прилягає до катода);

FeS₂ + H₂О + О ₂ FeSО ₄ + H₂SО ₄;

2FeSО ₄ + H₂SО ₄ + О ₂ Fe₂(SО ₄)₃ + H₂О (процес протікає в поверхневих шарах рідкої фази).

Таким чином, на підставі викладеного, запропонований новий метод електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля, спрямований на вилучення переваж-но піритної складової сірки.

Третій розділ присвячений експериментальному вирішенню задач дисертаційної роботи, а саме: досліджений вплив на ефективність вилучення мокрою гвинтовою сепарацією піритної сірки фракційного складу вихідного матеріалу і кількості відсікачів жолоба гвинтового сепаратора та обґрунтовані раціональні технологічні показники процесу електрохімічної десульфурації водно-вугільної суспензії при обробці в полі тліючого електричного розряду.

Експериментальними дослідженнями десульфурації на гвинтовому сепараторі промпродукту відсадки ЦЗФ "Комсомольська" класу 30 мм установлено, що для здійснення ефективного вилучення піритної сірки з вугілля, при використанні мокрої гвинтової сепарації, необхідне попереднє вивчення її розподілу за фракціями щільності й класами крупності. Якщо ж сірка сконцентрована в легких фракціях, розподілених у крупних (1+0,63 мм) класах, для яких характерним є віднесення переважно в зону виділення концентрату, то такий матеріал недоцільно піддавати гравітаційній десульфурації на гвинтовому сепараторі.

Дослідження впливу фракційного складу вихідного матеріалу, особливо вмісту проміжних фракцій, свідчать про те, що разом із виключенням проміжних фракцій погіршуються і показники процесу мокрої гвинтової сепарації за сіркою (табл. 2.).

Як видно з табл. 2, відхилення фракційного складу вугільних шламів від природного позначилося негативним чином на показниках десульфурації, що дозволяє стверджувати про сприятливий вплив деякої визначеної кількості проміжних фракцій (в межах 46 %), які, виступаючи в ролі так званих "ґрат", запобігають взаємозасміченню продуктів розділення.

Експериментально досліджено, що для ефективної гравітаційної десульфурації вугільного шламу необов'язково відбирати важку фракцію за допомогою відсікачів, розташованих на гвинтовому жолобі по ходу руху потоку пульпи. Так, на сепараторі з відсікачами, що встановлені на 2-, 4- і 6-му витках, К_Д = 0,07, відносне зниження сірки S=14,8 %, в той час як для сепаратора, з відбором продуктів розділення на останньому розвантажувальному витку, ці показники складають відповідно 0,12 та 23,5 %.

Таблиця 2.

Результати десульфурації при різному вмісті проміжних фракцій

Вміст фракцій щільністю 15001800 кг/м 3, %	Продукт розділення	Вихід, %	Зола, %	Сірка, %	Коефіцієнт десульфурації КД
1,25	вихідний	100,00	37,29	3,19	0,05
	концентрат	73,44	21,38	2,96
	відходи	26,56	82,82	3,72
4,56	вихідний	100,00	39,87	3,42	0,13
	концентрат	42,78	8,80	2,43
	відходи	57,22	82,32	4,17
7,01	вихідний	100,00	39,87	3,52	0,09
	концентрат	55,58	10,60	2,95
	відходи	44,42	74,50	4,31

Отримані експериментальні дані свідчать про те, що максимально процес мокрої гвинтової сепарації дозволяє вилучити з вугільного шламу до 30 % сірки, інша її частина може бути видалена за рахунок використання хімічних методів десульфурації, зокрема обробки водно-вугільної суспензії у полі тліючого електричного розряду.

Розглянутий процес являє собою залежність від багатьох технологічних параметрів, тому використано чотирифакторний експеримент за випадково збалансованим планом, реалізація якого на установці тліючого електричного розряду (рис. 3. Схема лабораторної установки електрохімічної десульфурації у тліючому електричному розряді) дозволила знизити вміст сірки в концентраті мокрої гвинтової сепарації з 1,92 до 1,36 % (на 32 %), при цьому технологічні параметри процесу складають такі значення: крупність вугілля R 0,074 мм; сила струму I 140 мА; час обробки t 1800 с; відстань від анода до поверхні рідини h 7 мм.

Математична модель, що описує відносне зниження змісту сірки після обробки S має наступний вид:

, %. (5)

У четвертому розділі на підставі обґрунтування технологічних параметрів гравітаційно-електрохімічної десульфурації розроблені варіанти технологічних схем переробки коксівного і енергетичного вугілля. Відповідно ним вугільний шлам піддається десульфурації в окремому технологічному циклі, який включає модулі мокрої гвинтової сепарації й електрохімічної обробки в полі тліючого електричного розряду. При переробці енергетичного вугілля можливе видалення до 50 % сірки, коксівного до 26 %. На рис. 4 наведена технологічна схема гравітаційно-електрохімічної десульфурації енергетичного вугілля.

Технологія гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля пройшла дослідно-промислові дослідження на ДВАТ ЦЗФ "Україна". Результати випробувань свідчать про те, що при переробці вугілля даного підприємства можливе зниження сірки з 3,19 % до 1,55 % або на 35,6 %.

Техніко-економічна оцінка розроблених варіантів технології гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля показала, що при реалізації схеми збагачення коксівного вугілля можливий річний прибуток складає 1687961 грн.; енергетичного вугілля 770386 грн.

ВИСНОВКИ

В дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і розв'язана актуальна науково-практична задача, яка полягає в розробці технологічних рішень по реалізації гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля з урахуванням швидкості поперечного циркуляційного потоку, кількісно-якісних показників вихідної сировини, кінетики процесу вилучення піритних мінеральних комплексів на гвинтовій поверхні та діючих чинників процесу обробки водно-вугільної суспензії.

Найбільш важливі наукові та практичні результати, висновки і рекомендації містяться в наступному:

1. Технологічною особливістю вугілля України є підвищений вміст сірки, що викликає збільшення витрат доменного коксу, корозію стінок теплових установок і забруднення навколишнього середовища. У загальному обсязі продукції вуглезбагачувальних фабрик від 10 до 20 % складають тонкодисперсні шлами, які направляються до мулонакопичувачів, внаслідок високої зольності (до 6065 %), сірчистості (від 2,2 до 3,4 %) і низької технологічної ефективності існуючого устаткування. Досвід вітчизняної й закордонної практики вуглезбагачення свідчить, що найбільш перспективним для десульфурації шламових продуктів (крупністю 30 мм) є їх збагачення у відокремленому технологічному циклі із застосуванням гвинтових сепараторів у поєднанні з електрохімічними методами довилучення сполук сірки.

2. Розділення на гвинтовій поверхні має найважливішу відмінність явище поперечної циркуляції, що викликає інтенсивне розпушення водно-вугільної суспензії і наступну сепарацію вугільних і піритних зерен із переважною спрямованістю за щільністю. Внаслідок цього такий технологічний параметр, як швидкість поперечної циркуляції, визначає гідродинамічні умови десульфурації кам'яного вугілля і, відповідно, кінетику цього процесу.

3. Ефективне вилучення сірки з кам'яного вугілля на гвинтових сепараторах, що дозволяє знизити її вміст у концентраті на 30 %, у порівнянні із вихідним, можливе при наступних технологічних параметрах:

найбільш прийнятний вміст у вихідному живленні проміжних фракцій (щільністю 15001800 кг/м ³) знаходиться в межах від 4 до 6 %;

число витків жолоба гвинтового сепаратора є підвищеним (до 6), тому що, на відміну від процесу розділення за золою, процес розділення за сіркою протікає переважно за щільністю, внаслідок чого піритні зерна вимагають більшої тривалості сепарації для досягнення зони їхнього видалення у відходи;

найбільш раціональне місце установки відсікача останній розвантажувальний виток. Тільки у цьому випадку не порушується визначений в заданих умовах мокрої гвинтової сепарації розподіл вугільних і піритних зерен за крупністю і щільністю, величина сталого розрідження водно-вугільної суспензії та щільність розділення.

4. Накладення різниці потенціалів між анодом і катодом, із наступним виникненням тліючого розряду, ініціює у водно-вугільній суспензії електрохімічні реакції, що викликають утворення перекису водню, який є активним агентом-окислювачем і взаємодіє далі з піритною сіркою, обумовлюючи підвищення ступеню її вилучення з вугілля до 25 %, при цьому комплексна гравітаційно-електрохімічна обробка доводить цей показник до 50 %.

5. Застосування електрохімічної обробки гравітаційного концентрату за допомогою впливу на водно-вугільну суспензію поля тліючого електричного розряду є ефективним при наступних значеннях технологічних параметрів процесу: крупність вихідного матеріалу 0,074 мм; сила струму 140 мА; час обробки 1800 с. При цих показниках вміст сірки в концентраті мокрої гвинтової сепарації знижується на 32 %. Розроблена математична модель процесу електрохімічної обробки адекватно його описує (F_р = 1,3747; F_т = 2,4590).

6. Розроблені схемні рішення технології гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля передбачають, після попередньої класифікації в гідроциклонах, збагачення зернистих вугільних шламів в окремому технологічному циклі, що включає модулі мокрої гвинтової сепарації й електрохімічної обробки в полі тліючого електричного розряду, при цьому можливе зниження вмісту сірки для енергетичного вугілля складає 50 %, коксівного 26 %.

7. Результати дослідно-промислових іспитів гравитаційно-електрохімічної десульфурації зернистих вугільних шламів, які переробляються в умовах ЦЗФ "Україна", показують, що використання процесу мокрої гвинтової сепарації дозволяє зменшити вміст сірки з 3,19 % у вихідному до 2,33 % у концентраті, або на 27 %. Наступна електрохімічна обробка знижує його до 1,55 % або на 36 %. Таким чином, величина сумарного зниження вмісту сірки складає 63 %.

8. Техніко-економічна оцінка розроблених варіантів технології гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля показує, що при реалізації схеми збагачення коксівного вугілля можливий річний прибуток складає 1687961 грн.; енергетичного вугілля 770386 грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Кирнарский А.С., Гаевой В.В. Обзор гравитационных технологий де-сульфурации угольных шламов // Збагачення корисних копалин: Наук. -техн. зб. 1999. Вип. 4(45). С. 95100.

2. Гаевой В.В. Технологии химической десульфурации углей // Збагачення корисних копалин: Наук. -техн. зб. 2000. 8(49). С. 100110.

3. Гаевой В.В., Кирнарский А.С. Расчет скоростей поперечной циркуляции винтового потока // Збагачення корисних копалин: Наук. - техн. зб. 2000. 9(50). С. 2532.

4. Гаевой В.В. О кинетике десульфурации угольного шлама в условиях мокрой винтовой сепарации // Науковий вісник НГА України. 1999. №3. С. 114 115.

5. Гаевой В.В. Кинетика извлечения серы при мокрой винтовой сепарации // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. 2000. Вып. 22. С. 8185. (Тр. ИГТМ НАН Украины).

6. Кирнарский А.С., Гаевой В.В. Влияние плотности пульпы на показатели мокрой винтовой сепарации // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. 1999. Вып. 13. С. 100104. (Тр. ИГТМ НАН Украины).

7. Кирнарский А.С., Гаевой В.В. Промпродукт как регулятор процесса десульфурации угля // Горный инф. - анал. бюллетень. №8. 1999. С. 6264.

8. Гаевой В.В. О влиянии числа отсекателей на десульфурацию угольных шламов в условиях мокрой винтовой сепарации // Збагачення корисних копалин: Наук. - техн. зб. 1999. 3(44). С. 5761.

9. Технологические решения гравитационно-электрохимической десульфурации каменного угля / А.С. Кирнарский, О.Н. Чечель, В.В. Гаевой, А.Г. Рудницкий / Збагачення корисних копалин: Наук. - техн. зб. 2000. 10(50). С. 6873.

10. Пат. 32915А Україна, МПК 6 В 03 В 5/32, 6 В 03 В 5/52. Гвинтовий сепаратор / П.І. Пілов, А.С. Кірнарський, С. В. Артьомов, В.В. Гаєвий, А.А. Христов. Заявл. 21.07.98; Опубл. 15.02.01.

11. Пат. 33063А Україна, МПК 6 В 03 В 5/32, 6 В 03 В 5/52. Гвинтовий сепаратор.

12. А.С. Кірнарський, П.І. Пілов, А.А. Христов., С.В. Артьомов, В.В. Гаєвий. Заявл. 28.10.98; Опубл. 15.02.01.

13. Гаевой В.В., Артемов С.В. О распределении серы в углях по классам крупности и фракциям плотности // Проблемы геологии и освоения недр: Мат-лы докл. Второй международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова Томск: Изд-во НТЛ, 1998. С. 162.

14. Гаевой В.В., Топунова Ю.Ю. Гравитационная технология переработки отходов ЦОФ "Киселевская" // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: Зб. допов. IX Всеукраїнської наук. конф. аспірантів та студентів. Донецьк: ДонДТУ, ДонДУ, ДонДАУ, 1999. С. 4546.

15. Гаевой В.В. Опыт использования винтовых сепараторов для десульфурации углей // Сб. тез. докл. конф. молодых обогатителей Украины. Донецк: ДонГТУ, 1999. С. 34.

Особистий внесок автора у роботи, написані у співавторстві: 1 виконання огляду і аналізу існуючих технологій; 3 виконання теоретичних досліджень, розрахунок та аналіз отриманих результатів; 6, 7, 12, 13 постановка мети і завдання досліджень, виконання теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз результатів; 9 обґрунтування і розробка технологічних схем гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля, 10, 11 формулювання ідеї, обґрунтування відмітних ознак і новизни.

АНОТАЦІЯ

Гаєвий В.В. Обґрунтування технологічних параметрів гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.08 Збагачення корисних копалин. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Проведений порівняльний аналіз і зазначені принципи, на яких засновані основні технології гравітаційної та хімічної десульфурації вугілля. Встановлено, що підвищення ефективності десульфурації дрібних класів кам'яного вугілля можливе за рахунок поєднання процесу мокрої гвинтової сепарації із електрохімічними методами довилучення сполук сірки.

Виконано дослідження гідродинамічних умов і кінетики процесу розділення піритних і вугільних мінеральних комплексів на гвинтовій поверхні та запропоновано новий метод електрохімічної десульфурації водно-вугільної суспензії в полі тліючого електричного розряду. Обґрунтовано, що ефективність вилучення піритних зерен на гвинтовій поверхні визначається швидкістю поперечної циркуляції, яка у свою чергу впливає на кінетику цього процесу. Обробка водно-вугільної суспензії в полі тліючого електричного розряду ініціює виникнення перекису водню, який активно окислює невилучену після гравітаційної обробки піритну сірку, що дозволяє знижати її вміст до 50 %.

Встановлено, що на ефективність гравітаційної десульфурації на гвинтовому сепараторі впливає вміст проміжних фракцій, при цьому обґрунтовано застосування жолобу з підвищеною кількістю витків і відсікачем, встановленим на останньому розвантажувальному витку. Також обґрунтовано технологічні параметри електрохімічної десульфурації та розроблені варіанти схемних рішень гравітаційно-електрохімічної десульфурації кам'яного вугілля.

Ключові слова: збагачення, кам'яне вугілля, мокра гвинтова сепарація, десульфурація, технологічні параметри.

АННОТАЦИЯ

Гаевой В.В. Обоснование технологических параметров гравитационно-электрохимической десульфурации каменных углей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 Обогащение полезных ископаемых. Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2001.

Проведен сравнительный анализ и определены принципы, на которых основаны современные методы десульфурации угля, разработанные и получившие распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Установлено, что повышение эффективности десульфурации мелких классов каменных углей возможно за счет сочетания процесса мокрой винтовой сепарации с химическими методами доизвлечения серы. Применение винтовых сепараторов в технологических схемах обогащения углей мелких классов позволяет извлекать до 90 % пиритной составляющей серы, при этом возможно сокращение фронта флотации, которая при десульфурации проявляет себя неэффективно вследствие высокой гидрофобности пирита. Процесс разделения на винтовых поверхностях характеризуется важной отличительной особенностью явлением поперечной циркуляции, которое приводит к интенсивному разрыхлению в водном потоке пиритных и угольных зерен и последующей сепарации по плотности, ввиду их значительной контрастности по этому свойству.

Гидродинамические условия десульфурации таковы, что наибольшее воздействие на ее эффективность оказывает скорость поперечной циркуляции, влияющая в свою очередь на кинетику, при этом, для увеличения фронта поперечной циркуляции и времени выделения пиритных зерен в зону отходов, необходимо увеличивать диаметр желоба винтового сепаратора или количество его витков. Анализ механизма извлечения пиритных минеральных комплексов на винтовой поверхности и известных кинетических зависимостей сепарационных процессов позволил создать адекватную математическую модель кинетики десульфурации при мокрой винтовой сепарации, экспериментальная проверка которой показала, что максимальная эффективность выделения пиритной серы (снижение ее содержания по сравнению с исходным составляет 30 %) возможна на сепараторе с повышенным (до 6) количеством витков. Отбор продуктов разделения следует осуществлять посредством отсекателя, установленного на последнем разгрузочном витке. Важным технологическим параметром является содержание в питании мокрой винтовой сепарации промежуточных (плотностью 15001800 кг/м³) фракций, которые, выступая в роли своеобразной "решетки", препятствуют взаимозасорению концентрата и отходов. Регулируя содержание указанных фракций в пределах 4_6 %, можно достичь наиболее высоких показателей сепарационного процесса по сере, не прибегая к изменению конструктивных параметров винтового аппарата. Кроме этого, следует учитывать, что если в исходном материале соединения серы сконцентрированы в легких фракциях, распределенных в зернах крупностью 1+0,63 мм, для которых характерен унос в зону выделения концентрата, то такой материал нецелесообразно подвергать переработке в условиях мокрой винтовой сепарации.

Рассмотрение химического механизма явлений, протекающих в воде при воздействии поля тлеющего электрического разряда, показало образование активной перекиси водорода, которая, воздействуя как активный агент-окислитель на пиритную составляющую серы, способна интенсивно ее извлекать из водно-угольной суспензии. На основании этого был разработан новый метод электрохимической десульфурации каменных углей.

Исследования процесса электрохимической десульфурации водно-угольной суспензии, выполненные с использованием метода планирования эксперимента по случайно сбалансированному плану, позволили создать математическую модель. Ее анализ показал, что основное влияние имеют такие факторы процесса, как крупность твердой фазы и сила тока, при этом, с ростом последней, существенно возрастает и влияние остальных факторов, в особенности крупности. Максимальное снижение содержания серы (до 32 %) в угле, после электрохимической обработки, достигнуто при следующих параметрах: крупность твердой фазы 0,074 мм; сила тока 140 мА; время обработки 1800 с; расстояние от анода до поверхности жидкости 7 мм.

Проведенное исследование и обоснование основных технологических параметров позволило разработать схемные решения гравитационно-электрохимической десульфурации энергетических и коксующихся углей мелких классов в отдельном технологическом цикле, состоящем из модулей мокрой винтовой сепарации и электрохимической обработки.

Реализация этих схемных решений в случае переработки коксующихся углей позволяет снизить в них содержание серы на 26 %, энергетических на 50 %. Технико-экономическая оценка предложенных технологий показала, что при обогащении коксующегося угля возможная годовая прибыль от их реализации составляет 1687961 грн.; энергетического 770386 грн.

Процесс гравитационно-электрохимической десульфурации прошел опытно-промышленные испытания на ГОАО ЦОФ "Украина" ГХК "Селидовуголь", которые показали снижение серы на винтовых сепараторах до 27 %, при электрохимической обработке до 36 %, суммарно 63 %.

Ключевые слова: обогащение, каменный уголь, мокрая винтовая сепарация, десульфурация, технологические параметры.

ABSTRACT

Gaуevoy V.V. Substantiation of Technological Parameters Under Gravity-Electrochemical Desulphurization of Mineral Coals. Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 05.15.08 Minerals processing. National Mining University of Ukraine. Dnipropetrovs'k, 2001.

It was made comparative analysis and principles which had been used for development of general technologies of gravity and chemical coal desulphurization. It was established that improving of fine coal efficiency desulphurization is possible by means of gravity-electrochemical technology utilization. Such technology had been developed on the basis of its working parameters substantiation.

The analysis of hydrodynamic and kinetically conditions under separation of pyrite and mineral complexes on the spiral surface and the theoretical fundamentals of coal electrochemical desulphurization have been developed. It was shown that pyrite grains recovery efficiency under wet spiral separation is determined by transverse circulation velocity which influences also on the kinetics of this process. Treatment of water-coal suspension in the field of glow electrical discharge that supply arising of hydrogen peroxide which oxidizes uncovered after gravity preparation pyrite sulfurs that allows to decrease its content to 50 %.

Efficiency of gravity desulphurization in spiral separator depends upon intermediate fractions content as a result it was based the utilization of spiral with increased quantity of turns and supplied by splitter on the last unloading turn. The technological parameters of electrochemical desulphurization and variants of scheme solutions with gravity-electrochemical desulphurization of coals have been developed.

Key words: preparation, coal, wet spiral separation, desulphurization, technological parameters.

Размещено на Allbest.ru

...