Тяжелосредное обогащение углей

2.1.2. Классификация тяжелосредных сепараторов

Наиболее полная классификация конструкций тяжелосредных сепараторов была сделана польским профессором Т.С. Лясковским. По предложенной классификации все сепараторы разделены на два вида: подвижные и неподвижные. К подвижным относятся все барабанные сепараторы («Вемко», «Гардинг», «Рейнгайзен» и др.).

Неподвижные виды сепараторов разделены на два типа: с глубокой и мелкой ванной. Сепараторы с глубокой ванной объединяют в три группы: механические («Чанс», «Де-Войс», «Тромп» и др.), аэролифтные («Вемко», «Нельдко», «Сайнамид», «Сайнамид II», «Гумбольдт») и гидравлические (Эльзасский, Топоркова, «Трюмпельман» и др.).

Сепараторы с мелкой ванной разделяются на три группы: гребковые (ДSМ, ККН, Южгипрошахта, Лензена, Землянского), ленточные («Жезал», ДонУГИ, «Ридли-Сколз», «Фогель» и др.) и с элеваторным колесом («Линк-Белт», «Нельсон-Дэвис», «Саймон-Карве», «Дрюбой», «Взбодиш», Н.Р.С., СК, СКВ, СКВП, СКВД и др.)

Такая классификация (рис. 2.4) охватывает практически все виды тяжелосредных сепараторов.

Рис. 2.4. Классификация тяжелосредных сепараторов по Т.С. Лясковскому

Для обогащения в тяжелых суспензиях применяют различные конструкции сепараторов.

Конструкция сепаратора должна обеспечить поддержание устойчивой плотности суспензии в зоне расслоения обогащаемого материала, полное расслоение материала по плотности, быстрое удаление из ванны сепаратора продуктов обогащения и достаточную производительность.

Классификация сепараторов производится по следующим признакам:

1) способу поддержания (стабилизации) плотности суспензии:

с поступательным вертикальным движением суспензии;

с поступательным горизонтальным движением суспензии;

с вращательным движением суспензии;

2) характеру циркуляции суспензии:

закрытые – суспензия отделяется от продуктов обогащения в сепараторе на специальных ситах;

открытые – суспензия отделяется от продуктов обогащения вне сепаратора;

полуоткрытые – суспензия отделяется от одного продукта обогащения – в сепараторе и от другого продукта – вне сепаратора;

3) количеству выделяемых продуктов:

двухпродуктовые;

трехпродуктовые;

4) форме ванны:

корытные;

пирамидальные и призматические;

конусные;

барабанные;

5) способу удаления продуктов обогащения:

со скребковыми конвейерами;

с элеваторными колесами.

Первые два классификационных признака оказывают непосредственное влияние на процесс обогащения в сепараторах и косвенное влияние – последние три признака.

Пирамидальные, призматические и конусные сепараторы имеют глубокую ванну; корытные и барабанные – мелкую. В настоящее время в углеобогащении сепараторы с глубокой ванной не применяются.

Форма ванны сепаратора определяется рядом факторов:

необходимостью достижения максимальной стабильности суспензии;

стремлением к максимальному увеличению производительности сепаратора при одновременном уменьшении его размеров;

необходимостью устройства механических приспособлений для удаления продуктов обогащения и для обеспечения спокойного ввода угля в суспензию.

Одним из недостатков метода обогащения в минеральных суспензиях является абразивное действие утяжелителя на движущиеся металлические детали сепаратора, соприкасающиеся с суспензией. Поэтому желательно максимально уменьшить количество движущихся металлических частей, погруженных в суспензию. Одно время наиболее распространенным приспособлением для удаления продуктов обогащения являлись металлические скребковые конвейеры. Однако большое количество шарнирных соединений в цепи конвейера приводило к быстрому их износу и необходимости в связи с этим довольно частого ремонта цепи конвейера. Поэтому в последнее время конструкторы сепараторов стремятся избежать установки скребковых конвейеров для удаления продуктов обогащения, заменяя последние вращающимися колесами и спиралями, механическими лопатами, вращающимися лопастями, резиновыми лентами, что в ряде случаев предопределяет форму сепаратора.

Между тем, по литературным данным, расходы на ремонт короткой цепи скребкового конвейера не так уж велики, и при конструировании сепараторов необходимо руководствоваться не стремлением заменить скребковые конвейеры другими приспособлениями во избежание дорогостоящих ремонтов, а технологическими условиями процесса, главным образом, необходимостью обеспечения стабильности суспензии и возможностью непрерывного удаления находящегося во взвешенном состоянии угля, плотность которого близка к плотности суспензии.

Не менее важной деталью, которой уделяется недостаточное внимание, является приспособление для ввода угля в суспензию. Практика обогащения в минеральных суспензиях показала, что лучшие результаты обогащения получены при предварительном смачивании угля перед его поступлением в сепаратор. Кроме того, при вводе угля в суспензию желательно избегать падения кусков с высоты. Для крупных кусков угля, обладающих большой подвижностью, это обстоятельство не имеет большого значения, так как они быстро всплывают на поверхность суспензии. Мелкие же куски угля при таком вводе в суспензию могут в большом количестве оказаться в отходах, как и крупные куски, плотность которых близка к плотности суспензии. Поэтому перед поступлением угля в суспензию желательно, во-первых, смочить его, во-вторых, обеспечить спокойный ввод угля в суспензию, чтобы предотвратить его падение с большой высоты.

Важнейшим показателем, характеризующим сепаратор, является его производительность. На производительность сепаратора влияет большое количество факторов и, в первую очередь, следующие:

1. Подвижность обогащаемых частиц, зависящая от размера угля, количества фракций, плотность которых близка к плотности суспензии, и вязкости суспензии.

2. Скорость удаления продуктов обогащения. Скорость удаления продуктов обогащения механическим путем не может превышать определенной величины, чтобы предотвратить образование завихрений и турбулентного движения, так как в последнем случае стабильность суспензии будет нарушена и нормальный процесс расслоения угля по плотностям прекратится. При удалении продуктов обогащения скребковыми конвейерами скорость их не должна превышать 100–200 мм/сек.

3. Степень разрыхления угля в верхнем слое суспензии. Чем полнее разрыхление слоя угля, тем точнее происходит разделение частиц по плотностям, но тем меньше производительность сепаратора. Всплывшие угольные зерна частично находятся под уровнем зеркала суспензии, значительная их часть выступает над уровнем суспензии примерно на 1/3 своей высоты. Для лучшего разделения необходимо, чтобы толщина всплывшего угольного слоя не превышала высоты максимального куска обогащаемого угля. Однако при этом резко падает производительность сепаратора, поэтому рекомендуется поддерживать высоту слоя всплывшего угля равной тройному диаметру крупных обогащаемых кусков угля при достаточном его разрыхлении.

Производительность сепараторов относят к 1 м ширины ванны. В настоящее время в сепараторах наиболее удачной конструкции достигнута производительность для крупного угля (класс 25-100 мм) 70–80 т/м ширины зеркала суспензии в ванне по всплывшему продукту. Для угля с размером кусков 6-25 мм производительность на 1 м ширины ванны не превышает 30–35 т/ч.

2.1.3. Корытные тяжелосредные сепараторы

Корытные сепараторы состоят из неглубокой ванны (корыта), в которой медленно циркулирует суспензия заданной плотности, и одного или двух транспортных устройств для разгрузки всплывшего и потонувшего продуктов.

Имеются корытные сепараторы со скребковыми, винтовыми, спиральными и ленточными конвейерами.

Корытные сепараторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами сепараторов:

их можно устанавливать на место, ранее занимаемое породоотборной лентой, заменив тем самым трудоемкую ручную породовыборку механическим обогащением крупного угля;

объем рабочей суспензии, циркулирующей через сепаратор, небольшой, поэтому изменение плотности суспензии можно производить достаточно легко и просто;

получают только два продукта обогащения, поэтому регулирование процесса несложное, причем увеличение содержания промежуточного продукта в угле не снижает производительности сепаратора.

Все конструкции корытных сепараторов отличаются друг от друга главным образом формой ванны и приспособлениями для удаления продуктов обогащения.

Как правило, рабочая суспензия циркулирует через ванну сепаратора в горизонтальном направлении и этим самым обеспечивается ее стабильность.

Наилучшие результаты обогащения в корытных сепараторах получают в ваннах, устройство которых, как и устройство приспособлений для удаления продуктов обогащения, исключает образование турбулентного движения суспензии.

Кроме того, весьма важным конструктивным узлом является устройство для ввода угля в сепаратор.

Схема сепаратора со скребковым конвейером приведена на рис. 2.5.

Ванна сепаратора представляет собой ящик прямоугольного сечения, дно которого с обеих сторон имеет наклон под углом около 30°. Внутри ванны 1 установлен скребковый конвейер 2. Под верхней ветвью наклонной части конвейера, выдающей концентрат, располагается направляющая плоскость 3, по которой перемещается концентрат, выдаваемый из ванны, в желоб 4.

Рис. 2.5. Схема сепаратора со скребковым конвейером

Суспензия заливается в ванну так, чтобы она перекрывала верхний край скребков верхней части конвейера. Уголь загружается в начале горизонтального участка конвейера. Материал большей плотности, чем плотность суспензии, погружается и выносится из ванны нижней ветвью конвейера в желоб 5, а всплывший продукт выносится верхней ветвью.

Сепаратор обладает следующими преимуществами по сравнению с другими типами сепараторов:

дно и боковые продолжения дна ванны непрерывно очищаются скребками конвейера, поэтому выпадающий в небольшом количестве утяжелитель непрерывно удаляется;

удаление всплывшего и утонувшего продуктов производится одним конвейером;

отсутствует различие между плотностью суспензии в выше- и нижележащих зонах. Для обеспечения такого постоянства плотности суспензии достаточно небольшое движение жидкости, создаваемое скребковым конвейером;

малая глубина ванны предопределяет небольшой объем заливаемой суспензии, что позволяет очень быстро изменять ее плотность;

в связи с незначительными габаритами ванны ее можно легко установить для обогащения крупного угля вместо породоотборных лент или столов.

Рис. 2.6. Сепаратор Тромпа для разделения угля на два продукта

Сепаратор Тромпа для разделения угля на два продукта (рис. 2.6) представляет собой ванну, состоящую из двух частей: для суспензии 1 и для поддержания нижней ветки пластинчатого конвейера 2, снабженную верхним скребковым конвейером 3 и нижним скребковым конвейером 4. Уголь подается в сепаратор и расслаивается на две части: концентрат, удаляемый нижней ветвью конвейера 3, и отходы, удаляемые верхней частью конвейера 4.

Суспензия вводится в сепаратор в месте, указанном стрелками, а удаляется из сепаратора вместе с отходами.

Конструкция сепаратора обеспечивает движение продуктов обогащения по направлению движения рабочих ветвей конвейеров, что способствует более точному разделению угля по плотности и уменьшает износ цепей конвейеров, так как цепь в большей своей части перемещается вне суспензии.

Схема кольцевого скребкового сепаратора (аппарат Нельсон Дэвис) приведена на рис. 2.7. Внутри корпуса концентрически установлен неподвижный цилиндр с широким отверстием внизу. В корпусе вращается колесо с лопастями, проходящими от одной торцовой стенки до другой. Привод осуществляется через фрикционные ролики, расположенные в верхней части колеса. Уголь поступает на опускающиеся лопасти (на рис. 2.7 – справа), движется между наружными и внутренними стенками корпуса и попадает под уровень суспензии. Легкая фракция всплывает и удаляется с потоком суспензии к сливному порогу, тяжелая – падает вниз и поднимается затем движущимися лопастями в верхний желоб для породы.

Рис. 2.7. Сепаратор Нельсон Дэвис:

1 – зона первичного разделения; 2 – решетка диффузора для впуска суспензии

Суспензия подводится снизу посредством диффузора и проходит через решетку внутрь сепаратора, создавая, восходящий поток. Этот поток достаточно силен у самой решетки, так что случайно захваченный кусок легкого угля освобождается от осевшей породы. Размер отверстия диффузора 2×0,6 м, размер щели в решетке сначала был 6 мм, а затем его увеличили до 9 мм. Это ликвидировало забивание решетки и позволило обойтись без периодического частичного выпуска суспензии для промывки решетки. Кроме того, площадь отверстий была уменьшена на 60 % для усиления действия восходящего потока у входа в ванну.

Схема сепаратора со спиральным конвейером (сепаратор ДонУГИ) приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Сепаратор ДонУГИ

Сепаратор представляет собой мелкодонную наклонную сварную ванну 1, основанием которой является полукруглый лоток 2 винтового конвейера 3, предназначенного для удаления породы из зоны разделения. Боковые стенки ванны от основания расходятся вверх под углом 70° к горизонту. Торцевая стенка ванны со стороны загрузки – вертикальная. Сочетание подъема основания с наклоном боковых стенок придает ванне вид лотка, сужающегося вперед и вниз, что приводит к уменьшению ее сечения в сторону разгрузки, обеспечивает необходимые условия для равномерноускоренного движения среды и способствует повышению устойчивости дисперсного вещества в потоке.

Суспензия подается в сепаратор через торцевую стенку по трубе 4, входящей в нижнюю часть ванны. Перед входным отверстием для суспензии установлена наклонная распределительная решетка 5, образующая сужающуюся вверх клиновидную распределительную камеру. Наличие перфорированной решетки необходимо для равномерного распределения потока суспензии по всему сечению ванны и устранения турбулентности потока.

Уголь загружается в сепаратор сверху в начальную наиболее широкую часть ванны при помощи питателя.

Всплывший продукт вращающимися лопастями разгружается в поперечный желоб 7 через порог на уровне потока суспензии в конце рабочего пространства ванны.

Погрузившийся продукт поднимается вдоль по лотку винтовым конвейером и выгружается через люк 8 немного выше уровня суспензии в ванне.

В сепараторе осуществляется непрерывный равномерноускоренный поток с разгрузкой суспензии вместе с продуктами обогащения на дренажные грохоты. Скорость потока определяется условиями сохранения ламинарного режима исходя из критерия безразмерного параметра и составляет в наибольшем сечении ванны, у распределительной решетки, 3–3,5 см/сек и в наименьшем сечении у сливного порога для всплывшего продукта, – 6,0–7,0 см/сек. Коэффициент сужения ванны по длине равен, таким образом, 0,5.

Рассматриваемый сепаратор является проточной машиной открытого типа, в конструкции которой учтены требования, предъявляемые к сепаратору.

Из подвижных частей внутри сепаратора подвержены износу только лопасти винтового конвейера, которые не имеют каких-либо шарнирных и трущихся соединений.

Сепаратор разделяет уголь на два продукта.

В процессе испытаний было установлено, что описанный тип сепаратора, наряду с простотой конструкции и технологическими качествами, отличается также высокой производительностью.

Схема сепаратора с ленточным конвейером (сепаратор «Ридли-Сколс») приведена на рис. 2.9.

Сепаратор «Ридли-Сколс» имеет вид трехгранной прямоугольной призмы, установленной так, что ее наклонная грань образует дно аппарата. Ширина сепаратора примерно 2 м, максимальная высота 1,3 м.

Рис. 2.9. Сепаратор «Ридли-Сколс»

Рядовой уголь и суспензия загружаются в сепаратор с глубокой стороны и движутся со скоростью 2–3 м/мин к противоположной, мелкой стороне. Суспензия подается насосом через расположенный у вертикальной стороны аппарата распределительный карман, отделенный от ванны листом с отверстиями. Всплывший продукт движется вместе с потоком и подается лопатой специальной конструкции в желоб, расположенный по всей ширине аппарата под поверхностью суспензии. Механическая лопата подвешена на валу, который вращается в подшипниках, расположенных над ванной. Из желоба продукт выдается на дренажный грохот.

Для устранения завихрений стенкам желоба придана обтекаемая форма.

Утонувший продукт выносится из сепаратора на прорезиненном конвейере, передвигающемся внутри сепаратора вдоль его дна. Обратная ветвь ленты расположена вне ванны аппарата. Лента вводится в торцовую стенку ванны через эластичные водонепроницаемые пазы.

Механические лопаты для продвижения всплывшего продукта к выпускному желобу показаны на рис. 2.10. Лопаты 1 и 2 продвигают всплывший продукт к выпускному желобу 3, а лопата 4 возвращает всплывшие зерна, случайно попавшие в желоб.

Рис. 2.10. Механические лопаты в сепараторе «Ридли-Сколс»

К преимуществам сепаратора «Ридли-Сколс» следует отнести наличие прорезиненной ленты для удаления тяжелых продуктов обогащения, что значительно уменьшает эксплуатационные расходы и имеет определенное технологическое значение. Так как транспортирование материала лентой целиком зависит от сил трения, то материал, более легкий, чем разделяющая жидкость, не пристает к ленте, следовательно, не выносится из ванны, что уменьшает потери угля с отходами. Кроме того, легкие частицы, захваченные более тяжелыми частицами материала, снова всплывают. Утонувший продукт удаляется в спокойной среде без толчков в противоположность удалению материала при транспортировании скребковым конвейером.

Скорость движения ленты регулируют в пределах 3–8 м/мин в соответствии с характеристикой угля.

Производительность сепаратора зависит от ширины ванны и размера частиц обогащаемого угля. Так, при ширине ванны 2 м и обогащении угля размером частиц 10-100 мм производительность сепаратора достигает 100 т/ч.

Технические характеристики некоторых корытных сепараторов приведены в табл. А16.

2.1.4. Барабанные тяжелосредные сепараторы

Барабанные тяжелосредные сепараторы, применяемые для обогащения угля, подразделяются на два типа: барабанные сепараторы с неподвижным цилиндрическим кожухом и элеваторными колесами для удаления продуктов обогащения и вращающиеся барабанные сепараторы.

Барабанные сепараторы с неподвижным кожухом. Наибольшее распространение получили сепараторы «Нельсон-Девис» и «Линк-Бельт».

Рис. 2.11. Барабанный сепаратор «Нельсон-Девис»

Сепаратор «Нельсон-Девис» (рис. 2.11) представляет собой цилиндрический кожух 1 диаметром 3 м и шириной 2,1 м. В кожухе заключен вращающийся барабан 2, разделенный на отсеки 4 лопастями 3 с отверстиями. Частота вращения барабана 2 об/мин.

Цилиндрический кожух наполовину заполнен суспензией, уровень которой достигает отверстия 5 для выпуска всплывшего угля. Уголь, подлежащий обогащению, поступает в приемник 6.

Принцип обогащения в барабанном сепараторе «Нельсон-Девис» показан на рис. 2.12. Барабан механическим путем осуществляет операции по разделению смеси тяжелых и легких частиц угля, которые легко можно производить вручную.

Сепаратор «Линк-Бельт» (рис. 2.13) состоит из ванны 1 в виде пирамидальной воронки, верхнего кожуха 2 призматической формы и элеваторного колеса 3 с сетчатым ободом 4, имеющего на внутренней поверхности подъемные лопасти 5. Магнетитовая суспензия подается в сепаратор в двух точках: основная часть суспензии подается вдоль оси барабана по желобу 6 вместе с обогащаемым углем и меньшая часть – в вершине 7 воронки.

Рис. 2.12. Принцип обогащения углей в барабанном сепараторе:

1 – захват угля рукой; 2 – погружение руки с углем в суспензию; 3 – всплывание угля при раскрытии погруженной руки в суспензии; 4 – потряхивание рукой для более полного отделения концентрата; 5, 6 и 7 – удаление из суспензии невсплывшего продукта

Всплывший уголь продвигается потоком суспензии вдоль оси барабана и вместе с потоком суспензии удаляется по желобу 8. Утонувшие отходы большей плотности, чем плотность суспензии, поднимаются лопастями элеваторного колеса и сбрасываются в приемный желоб, расположенный вдоль барабана над зеркалом суспензии.

Рис. 2.13. Барабанный сепаратор «Линк-Бельт»

Схема вращающегося барабанного тяжелосредного сепаратора приведена на рис. 2.14.

Барабанный тяжелосредный сепаратор с элеваторной разгрузкой представляет собой вращающийся барабан 1, на внутренней поверхности которого закреплены перфорированные лопасти 2 (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Барабанный тяжелосредный сепаратор типа СБЭ

Исходное сырье подается внутрь барабана через отверстие в передней торцовой стенке по желобу 3, а суспензия – по трубопроводу 4. Барабан посредством реборд удерживается на четырех опорных роликах 5 и предохраняется от осевого смещения такими же роликами 6.

Привод барабана, состоящий из электродвигателя, клиноременной передачи, редуктора 8 и шестерни 9, установлен на раме 7. Непосредственно вращение ему передается через венцовую шестерню 10.

Всплывший продукт вместе с потоком суспензии самотеком через отверстие в задней торцовой стенке барабана выгружается в желоб 11. Потонувшая фракция поднимается лопастями 2 вверх, а затем под действием сил тяжести направляется в желоб 12 и далее – на отмывку суспензии. Поскольку лопасти перфорированы отверстиями, в желоб 12 попадает незначительная часть суспензии.

По сравнению с конусным сепаратором время обогащения в барабанном значительно меньше, поэтому эффективность разделения в нем несколько ниже.

Спиральные барабанные сепараторы (рис. 2.15), предназначенные для обогащения различных полезных ископаемых, изготавливаются трех типоразмеров: СБС-1,8, СБС-2,5 и СБС-3. Технологические параметры данных машин и предыдущих – аналогичны.

Рис. 2.15. Спиральный барабанный сепаратор типа СБС:

1 – барабан; 2, 3 – загрузочный желоб и стойка его крепления; 4 – опорный ролик; 5 – желоб всплывшего продукта; 6 – привод барабана; 7 – редуктор привода; 8 – рама; 9 – упорный ролик; 10 – желоб потонувшего продукта; 11 – стойка крепления желоба; 12 – лопастный элеватор; 13 – реборда качения; 14 – спиральная решетчатая лопасть

Конструктивно сепараторы типа СБС отличаются наличием решетчатых спиралей на внутренней поверхности барабана, при вращении которого они перемещают потонувшие фракции к его разгрузочному концу, где с помощью лопастного элеватора эти фракции поступают в желоб тяжелого продукта.

Технические характеристики некоторых барабанных сепараторов приведены в табл. А17.