Üç ürünlü ağır ortam siklonunun ayırma performansı ve simülasyonu
Performance of the three product dense medium cyclone and its simulation
Yazar: YUSUF ENES PURAL
Danışman: DOÇ. DR. FERİDUN BOYLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Kömür, dünyanın birincil enerji ihtiyacının %25'inden fazlasını sağlamaktadır. Dünya elektriğinin %40'ı termal kömüre, demir-çelik üretiminin ise yaklaşık %70'i metalurjik kömüre bağımlıdır. Ayrıca çeşitli uç ürünlerin üretiminde de önemli bir bileşen olarak farklı sanayi alanlarında da kömür kullanılmaktadır. Kömürün yıkanarak kullanım alanına uygun özelliklere getirilmesi ise kaçınılmaz bir zorunluluktur. Bu amaçla günümüze kadar çok çeşitli yöntemler ve cihazlar geliştirilmiştir ve geliştirilmeye de devam edilmektedir. Günümüzde kömür hazırlama tesislerinin akım şeması iri, orta, ince ve çok ince boyutlu kömürlerin farklı cihazlarda yıkandığı birbirine paralel iki veya daha fazla devre içerecek şekilde standart hale gelmiştir. İri ve orta boyutlarda ağır ortam tekneleri ve siklonu, ince boyutlarda spiral ve çok ince boyutlarda ise flotasyon yöntemi kullanılmaktadır.
Üç ürünlü ağır ortam siklonları (ÜÜAOS) kömür hazırlama tesislerinde yaygın kullanılan bu tipik akım şemasının sadeleştirilmesi, bakım onarım masraflarının azaltılması, manyetit sarfiyatların düşürülmesi gibi avantajlar sağlamaktadır. Dünyada, özellikle Çin'de, yaygın olarak kullanılan bu cihaz, ülkemizde de çeşitli bölgelerde kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca  cihazın "çift makaralı ağır ortam ayırıma sistemi" adıyla patenti alınmıştır. ÜÜAOS temel olarak birbirine bağlı bir Larcodems ayırıcı ve ağır ortam siklonundan oluşmaktadır. Tüvenan kömür, ilk ayırma ünitesi olan Larcodems'e beslenmekte, buradan temiz kömür elde edilmektedir. İlk ünitenin şisti (ağır ürün-batan ürün) ikinci ayırma ünitesi olan ağır ortam siklonuna (AOS) geçerek, burada mikst ve şist olarak ayrılmaktadır. ÜÜAOS pompa veya gravite beslemeli olarak çalışabilmektedir. Sisteme tek yoğunlukta ağır ortam beslenmekte, ancak manyetitin doğal segregasyonu sonucu iki farklı yoğunlukta ayrım yapılabilmektedir.
Dünyada ve ülkemizde kullanımının yaygınlaşması beklenen ÜÜAOS'un performansının belirlenmesi, teknik ve ekonomik açıdan önem arz etmektedir. Performans belirlemede ilk aşama ise malzeme balansının kurulmasıdır. Lave ve şist olarak iki ürün alınan klasik kömür yıkama cihazlarının aksine, üç ürünün alındığı bu sistemde malzeme balansının kurulması, ikinci üniteye beslemeden numune alınamadığı için, zor olmaktadır. Bunun üstesinden gelmek için genellikle iteratif yöntemler kullanılmaktadır.
Bu çalışma kapsamında Zonguldak ilinde kurulu olan ve bölge kömürünün yıkanmasında kullanılan ÜÜAOS'un performansı tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla sistemin belirlenen noktalarından, numune alma esaları göz önüne alınarak  dört gün boyunca bir saat aralıklarla temsili numuneler alınmıştır. Alınan numunelere boyut analizleri ve yüzdürme-batırma testleri yapılmış, buradan elde edilen her yoğunluk fraksiyonuna da elek analizi uygulanmıştır. Böylece farklı boyut ve yoğunluklarda elde edilen herbir ürünün kül ve kükürt değerleri ölçülmüştür. Bu ölçümler kullanılarak malzeme balansı oluşturulmuş ve cihaz performansını ortaya koymak amacıyla farklı boyutlar için Tromp eğrileri çizilmiş ve hata faktörleri (Ep) hesaplanmıştır.
Hata faktörleri LARCODEM için 0,032, ağır ortam siklonu için 0,053 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, genel olarak etkin bir ayrım yapıldığı ve cihaz performansının, özellikle LARCODEM ünitesi için, makul değerlerde olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte ağır ortam siklonu ünitesi için beklenenden farklı bir durum gözlenmiştir. Boyut inceldikçe ayırma yoğunluğunun artması beklenirken, bu durum tersi yönde gelişmiştir. Beklenmeyen ya da alışılagelmeyen bu durum, ÜÜAOS geometrisi, mazleme balansı kurulması, AOS geometrisi ve kapasitesinin hesabı ve malzeme özellikleriyle ilgili gözlemlerle açıklanmıştır.
Genel olarak, çalışılan Zonguldak bölgesi kömürlerinin mikst oranının az, şist oranının ise çok yüksek olduğu, buna göre AOS dizaynının yetersiz kalabileceği yapılan değerlendirmelerle ortaya konulmuştur.
Yapılan tez çalışmaları sonucunda; ÜÜAOS'un bir ağır ortam ayırma sistemi olması dolayısıyla, ayırma performansının yüksek olduğu, ancak, siklon performasının arttırılması ve mikste olan şist kaçaklarının azaltılması amacıyla özellikle mikst ürünü az ve şist ürünü çok fazla olan kömür örnekleri için standart bir Larcodems-AOS boyutlandırılması yerine, farklı opsiyonların kullanılması gerekliliği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Coal provides more than 25% of the world's primary energy needs. 40% of world electricity is depend on thermal coal while 70% of iron and steel production is achieved using metallurgical coal. In addition, coal is used in different industrial areas as an important component in the production of various special products. It is an inevitable necessity that the coal is washed and brought to the suitable properties for the usage area. For this purpose, a wide variety of methods and devices have been developed. Today, the process flowsheet of coal preparation plants has become standardized form to include two or more parallel circuits where coarse, medium, fine and very fine sized coals are washed through different separation devices. Coarse and medium sized coals are washed with heavy medium baths and cyclones. Spirals or water only cyclones are used to wash fine coals.  Ultra fine coals especially in hydrophobic nature such as bituminous coals are beneficiated through flotation method. 
Three product dense medium cyclones (TPDMC) provide some advantages such as simplification of this typical flowsheet commonly used in coal preparation plants, reducing maintenance and repair costs, and magnetite consumption. This device, which is widely used currently in the world, especially in China, has been used in various regions in Turkey. In addition, the device has been patented as "double roller dense medium separation system". TPDMCs consist essentially of a dense medium vessel resembling a Larcodems and standard dense medium cyclone attached to Larcodems tailing discharge. The ROM coal is fed to the first separation unit Larcodems, where clean coal is obtained. The tailing of the first unit (heavy product-sink product) passes to the second separation unit, dense medium cyclone (DMC), where it is separated into middling and tailing. TPDMC can be operated with pump or gravity feed. A single density heavy media is fed to the system, but due to the natural segregation of magnetite, two different separation densities occur.
The determination of the performance of TPDMCs, which are expected to become widespread in the world and in our country, is technically and economically important. The first step for determining the performance of a separator or process is to establish a material balance. In contrast to the conventional coal washing devices in which two products are obtained as clean coal and tailing, it is difficult to establish the material balance in this system which three products are taken, since samples cannot be taken from the second unit. Density tracers can be used to overcome this challenge. They give precise results. However, if this is not possible, iterative methods may be used, or a further products value such as sulphur or calorific value in addition to ash content may be used to establish a three-product balance.
Within the scope of this thesis, the performance of TPDMC, which was established in Zonguldak province and used for washing coals in that region, was investigated. For this purpose, the representative samples were taken from the determined points of the separation unit at a hour intervals for four days taking into consideration the sampling procedures. Sieve analysis and float – sink tests were performed on the samples. Thus, ash and sulfur values of each product were obtained in different sizes and densities were measured. Material balances were created by using these measurements. After the determination of partitions, tromp curves were plotted for different sizes and Ecart probables (probable error) (Ep) were calculated to show the performance of device. In addition to performance determination, the effect of cyclone geometry and working conditions such as medium split and medium stability on performance were also investigated.
It was found that the Ep values calculated for Larcodems, the first separation unit of TPDMC, were between 0.020-0.058 and the probable error increased from 0.020 levels to 0.058 levels as the particle size decreased. Ep value started to show an excessive increase especially in sizes smaller than the average particle size of 8 mm. It was determined from the Ep-coal size curves that the breakaway size was around 6-8 mm. When the performance of DMC which is the second separation part of TPDMC is examined; the probable error, depending on the size of the coal, value is in the range of 0.035-0.100, the smaller the size the higher the Ep, and similar to Larcodems the breakaway size was found to be around 6-8 mm. Probable errors were calculated as 0.032 for Larcodems and 0.053 for dense medium cyclone. According to the results, an effective separation was made in general terms and the device's performance was reasonable high especially for the Larcodems unit. However, a different situation was observed for the dense medium cyclone unit than expected. While the separation density has expected to increase as the particle size becomes finer, it was found that appropriate separation conditions did not occur. This unexpected or unusual situation has been explained by observations and calculations of TPDMC geometry, material balancing, DMC geometry and spigot capacity, and material properties. In the calculations, it was determined that media division and media stability were within the appropriate range.
Modeling/simulation of TPDMC separation was performed using classical DMC separation models and assumptions according to Wiseman, Wood and Osborne. Product weight and ash contents obtained as a result of the simulation studies were compared with the actual results obtained with performance tests. As a result of the comparisons; according to the three simulation methods, while the amount and ash contents of clean coal and tailing were found to be similar, it was observed that only the middling product weight and ash content were higher than the values obtained by simulation. In this case, the only responsibility for the increase of the mixed product weight and ash content is that the second separation unit DMC's spigot capacity is insufficient for the studied coal sample and plant capacity. Since the spigot was overloaded, some amount of tailing mixed in the middling product increasing both the amount and ash content of the middling.
In general, it has been showed that the DMC design may be insufficient due to the low rate of middling and very high rate of tailing content of the Zonguldak coals.
As a result of the studies in this thesis; because TPDMC is a dense medium separation system, the separation performance is high. However, for a more efficient separation and recution of tailinig misplacing, the necessity of using different options rather than a standard Larcodems – DMC sizing should be demonstrated.