Оценка эффективности процесса масляной агломерации мелких угольных частиц

УДК 622.765.063

М.С. Клейн

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА МАСЛЯНОЙ АГЛОМЕРАЦИИ МЕЛКИХ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Метод селективной масляной агломерации мелких угольных частиц используется для интенсификации процесса флотации угольных шламов, т.к. в результате образования углемасляных агрегатов из частиц мелкого угля и капель масла происходит укрупнение частиц твердой фазы суспензии, что обеспечивает повышение скорости и эффективности флотационного процесса [1,2]. При этом наибольшее значение для флотации имеет агрегация самых мелких (менее 15-20 мкм), так называемых «безынерционных» частиц, которые при обычной флотации угля из-за низкой вероятности столкновений их с пузырьками воздуха очень медленно извлекаются в пенный продукт, а также отрицательно влияют на флотацию более крупных частиц. Поэтому селективное объединение одиночных микрочастиц угля в агрегаты повышает скорость их перевода в пенный продукт и улучшает условия флотации крупных угольных частиц.

При исследовании механизма процесса образования углемасляных комплексов определение гранулометрического состава дисперсной фазы водоугольной суспензии проводили с использованием метода фотоэлектрической седиментомет-

рии [3], который прост и удобен при проведении измерений, исключает какое-либо механическое воздействие на суспензию и необходимость выделения отдельных фракций порошка и взвешивания их.

Этот метод основан на том, что пучок света, прошедший через мутную жидкую среду, уменьшает свою интенсивность по сравнению с чистой дисперсионной средой. При этом концентрация твердых частиц в

суспензии пропорциональна суммарной поверхности частиц, которая, в свою очередь, пропорциональна относительной оптической плотности суспензии. В таком случае по измерениям светового потока могут быть определены величины суммарных поверхностей суспендированных в жидкости частиц и их концентрации [3].

При перемешивании суспензии все частицы равномерно распределены по ее объему, и световой поток соответствует содержанию твердых частиц в ней. По окончании перемешивания через отрезок времени ^ часть частиц опустится ниже уровня светового потока на глубину Н, при этом из зоны измерения полностью выйдут частицы крупностью + й], для которых выполняется условие (1 > Н/Уй], где Уй] - конечная скорость свободного падения в воде частиц крупностью й], рассчитываемая по формуле Стокса. Проведя измерения световых потоков через суспензию в моменты времени (], (2,..Лп получается ряд значений Т], Т2,...Тп, с помощью которых определяется гранулометрический состав твердой фазы суспензии. Содержания узких

фракций частиц, размеры

которых находятся в интервале от й] до й2, рассчитываются по формуле:

рй2 = ]00йср(^Г] -Т2)/

й=йтак

/ Е йср(^Т - + ]),

й=0

где йср - средний размер частиц в классе, мкм.

Проверка пригодности метода фотоэлектрической седи-ментометрии для определения дисперсного состава мелкого

угля проведена путем расчета величины светового потока в дистиллированной воде Тор на основе результатов измерений величины световых потоков Т при различных концентрациях твердого С в суспензии. Для двух суспензий с постоянным дисперсным составом твердой фазы и концентрациями твердого в них Са и Св справедливо уравнение:

1ёТОр =

= (ЫТ] -ЫТ2)Кк - ]) +18Т] ,

где к = Св/Са.

При равенстве величины светового потока, измеренного в чистой дисперсионной среде ТОэ, и значения Тор, рассчитанного по уравнению (2), данная методика может быть использована для определения дисперсного состава.

Для проверки равенства Тоэ = Тор проведены измерения величины световых потоков на приборе КФК-2 в кювете толщиной 10 мм с использованием светофильтра с длиной волны максимального пропускания 750 нм. Для приготовления суспензии в качестве дисперсной фазы использовали измельченный уголь марки КС крупностью - 100 мкм и зольностью Ай=4,7 %. Суспензии с различным содержанием дисперсной фазы получены путем разбавления исходной суспензии. Перед началом измерений кювета закрывалась стеклянной пластинкой и многократно перевертывалась Высота уровня суспензии в кювете во всех опытах поддерживалась постоянной,.

Измерения проводились при чувствительности прибора, соответствующей световому потоку в чистой дистиллированной воде ТОэ = 296.

Статистическая обработка

Таблица 1

Граничные размеры частиц й при времени осаждения t

1, с 15 30 60 120 180 300 420 600 900

4 мкм 74,0 56,0 37,0 25,1 17,5 9,5 4,9 2,4 1,1

выборки из 24 расчетных значений Тор, полученных по результатам измерений Ті при четырех значениях к показала: среднее значение выборки Тор=297,1; выборочная дисперсия результатов Б2=6,79. Проверка гипотезы о равенстве Тоэ=Тор, проведенная с использованием /-критерия Стьюдента, позволила установить справедливость гипотезы при уровне значимости а=0,95. Это свидетельствует о применимости данного метода анализа для определения дисперсного состава угольных частиц.

При исследовании процесса масляной агломерации методика определения гранулометрического состава угля заключает-

размеров частиц соответст-

вующие времени осаждения / их в кювете, рассчитанные по формуле Стокса, приведены в табл. 1.

Для статистической оценки результатов определения дисперсного состава угля проведены параллельные измерения в следующих условиях: содержание твердого в суспензии С=80 г/л; скорость вращения мешалки п=3000 мин-1; дисперсионная среда - дистиллированная вода, дисперсная фаза - уголь марки КС крупностью - 100 мкм и зольностью Аа=4,7 %. Перед измерениями каждая проба суспензии разбавлялась водой в 100 раз. Содержания узких классов частиц угля, рассчитан-

ние частиц крупностью от 0 до 9,5 мкм получено суммированием содержания четырех узких классов. Полученная таким образом новая экспериментальная выборка имеет меньшую дисперсию результатов и подчиняется закону нормального распределения ошибок. Это объясняется тем, что точность определения дисперсного состава повышается с уменьшением диапазона размеров частиц в классах, т.к. положенная в основу методики связь между массой и поверхностью частицы становиться более тесной со сближением границ фракций.

Точность и воспроизводимость результатов измерений в значительной мере зависит от условий отбора пробы и ее представительности. На представительность пробы, отбираемой из перемешиваемой суспензии, оказывают влияние такие факторы, как место отбора пробы, крупность и содержание частиц твердой фазы в сус-

Таблица 2

Гранулометрический состав угля по результатам параллельных опытов

Классы, мкм Содержание узких классов Р в пробах, % Р % Б2 Л/АЛ Е/АЕ

1 2 3 4 5 6 7 8

0-9,5 16,95 13,66 14,16 13,00 16,28 13,58 11,78 17,77 14,65 4,43 0,02 -0,94

9,5-17,5 7,26 9,14 6,24 7,37 5,10 6,15 6,02 5,93 6,65 1,54 0,71 -1,84

17,5-37,0 13,48 16,28 16,46 14,73 16,11 14,95 16,75 9,25 14,75 6,15 -0,04 -0,67

37,0-56,0 13,91 12,51 12,12 12,52 16,93 17,59 15,23 15,60 14,55 4,44 0,01 -0,94

56,0-100,0 48,40 48,42 51,02 52,38 45,57 47,73 50,22 51,45 49,40 5,12 -0,01 -0,81

ся в следующем.

Навеска исходного угля замачивается в дистиллированной воде в течение 30 минут при непрерывном перемешивании механической мешалкой. При фиксированной скорости вращения мешалки из определенной точки камеры агломерации с помощью пипетки отбирается проба суспензии постоянного объема и переносится (или предварительно разбавляется водой до необходимой концентрации) в измерительную кювету. Измерение величины светового потока проводится в строго фиксированные моменты времени t. Значения граничных

ные по формуле (1), и дисперсии результатов Б2 приведены в табл. 2.

Для количественной оценки степени отклонения экспериментальной кривой распределения от закона нормального распределения рассчитаны показатели асимметрии А и эксцесса Е, а также средние погрешности этих показателей А/АЛ и Е/ЛЕ. При значениях А/АА и Е/ЛЕ менее трех (табл. 2) можно считать, что экспериментальные данные подчиняются нормальному закону распределения случайных ошибок [4].

Необходимо отметить, что приведенное в табл. 2 содержа-

пензии, скорость перемешивания и др.

Установлено, что при перемешивании суспензии турбинной мешалкой диаметром 34 мм в литровой цилиндрической камере с четырьмя отражательными перегородками отбор проб необходимо проводить в следующих условиях:

- скорость вращения мешалки в момент отбора проб должна находиться в диапазоне от 1500 до 6000 об/мин;

- каждая аналитическая проба должна состоять как минимум из трех разовых проб;

- место отбора пробы должно быть постоянным и нахо-

Таблица 3

Содержание узких классов частиц угля в зависимости от времени перемешивания суспензии

Крупность частиц угля, мкм Содержание частиц угля, %

Время перемешивания, мин

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-100+37 8,47 5,81 5,53 4,67 4,56 4,10 4,09 4,08 4,02 3,95

-37+10 30,11 28,72 28,47 28,06 27,66 27,17 27,25 26,81 26,39 26,86

-10+0 61,42 65,46 66,00 67,26 67,78 68,73 68,66 69,10 69,60 69,18

диться на глубине 0,5 высоты уровня пульпы в камере и на расстоянии 0,5 радиуса от стенки камеры;

- увеличение содержания твердого в исходной суспензии до 250 г/л при крупности шлама менее 0,5 мм не влияет на точность отбора пробы.

Для количественной оценки эффективности процесса агломерации в качестве основных показателей использовались содержание узких классов частиц в анализируемой пробе и степень их агломерации. Степень агломерации узкого класса

частиц Ag‘d в момент времени t

после начала перемешивания суспензии определялась по формуле:

Agf=р: -р: )/р:,

где Р: и - содержание

узких классов частиц соответственно в начальный момент времени и в момент t.

Методока определения дисперсного состава мелкого угля использована при изучении кинетики образования углемасляных агрегатов в процессе перемешивания водо-угольной

суспензии. Пять параллельных опытов проведены в следующих условиях: содержание твердого - 80 г/л: скорость вращения мешалки - 3500 мин-1; расход реагентов: термогазойль - 2 кг/т, КЭТГОЛ - 0,1 кг/т; твердая фаза - измельченный уголь марки КС крупностью - 100 мкм.

Из приведенных в табл. 3 результатов видно, что с увеличением времени перемешивания содержание мелких классов угля (0-10 и 10-37 мкм) в суспензии уменьшается, а крупных

(+37 мкм) - увеличивается. углемасляных комплексов, ко-

торая, при постоянной величине диссипации энергии, растет с увеличением количества образовавшихся агрегатов. При выравнивании скоростей этих процессов в суспензии устанавливается равновесие, и степень агломерации частиц с этого момента практически не меняется.

Степень агломерации микрочастиц угля в состоянии равновесия и время достижения этого состояния зависят от мно-

Максимальная степень агломерации достигается у самых мелких частиц угля, а у крупных частиц - она отрицательная (рисунок), т.к. за счет укрупнения мелких частиц количество крупных частиц увеличивается.

Основное изменение дисперсного состава угля в суспензии происходит в начальные 5 минут процесса агломерации, а после 10 минут состояние дисперсной системы фактически стабилизируется. Такой характер процесса агломерации объясняется тем, что при перемешивании суспензии одновременно происходит образование и разрушение углемасляных агрегатов. Скорость процесса образования агрегатов пропорциональна количеству столкновений микрочастиц угля с каплями масла, которое характеризуется выражением [5]:

34

п О с

N =

Время, мин

— п0—г

—0 0 у5/4

0 й4,

где п0 - число частиц в единице объема, р и р0 - плотность соответственно частиц и жидкости; £о - диссипации энергии; V -кинематическая вязкость; Ч -средний размер частиц.

В ходе процесса агломерации в суспензии увеличивается количество углемасляных образований, а число одиночных частиц угля и свободных капель масла уменьшается, что приводит к снижению числа столкновений и скорости образования агрегатов. Обратный характер должна иметь кинетическая зависимость скорости разрушения

Кинетические кривые процесса аглолера-ции частиц угля крупностью: 1 - 0-10мкм, 2 -10-37мкм, 3 - 37-100мкм.

гих факторов: расхода и типа масляного реагента, гранулометрического состава и содержания частиц угля в суспензии, скорости вращения мешалки и др. Оценка влияния этих факторов на изменение дисперсного состава угольных частиц дает возможность установить основные закономерности процесса масляной агломерации и целенаправленно воздействовать на него.

Таким образом, методика определения дисперсного состава твердой фазы водоугольной суспензии позволяет изучить механизм процессов образования и разрушения углемасляных агрегатов и на научной основе управлять процессом масляной агломерации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клейн М. С. Селективная сепарация по смачиваемости мелких угольных и породных частиц // Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства: Материалы Международной научно-практической конференции. -М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, 2003. С. 385-392.

2. Клейн М.С., Байченко А.А., Почевалова Е.В. Обогащение и обезвоживание тонких угольных шламов с использованием метода масляной грануляции // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 4. С. 237-239.

3. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. -Л.: Химия, 1974. 280 с.

4. Практикум по обогащению полезных ископаемых: Учеб. Пособие для вузов / Под ред. Н.Г. Бед-раня. -М.: Недра, 1991. 526 с.

5. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. -М.: Издат. физ.-мат. литер. 1959. 700 с.

Автор статьи:

Клейн Михаил Симхович

- канд.техн.наук, доцент кафедры «Обогащение полезных ископаемых»