Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса сгущения и гидравлического транспорта продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях 13
1.1 Общая характеристика систем гидротранспорта на горных предприятиях
1.1.1 Виды гидросмесей 19
1.2 Гидравлический транспорт гидросмесей высоких концентраций 28
1.2.1 Анализ физической модели течения высококонцентрированныхгидросмесей 29
1.2.2 Механизм проявления вязкопластических свойств мелко фракционных гидросмесей высокой концентрации 33
1.2.3 Расчетные формулы для определения эффективной (кажущейся) вязкости гидросмесей 37
1.3 Сгущение гидросмесей хвостов обогащения в технологиях подготовки пульпы к гидротранспорту 40
1.3.1 Рабочий процесс гравитационного сгустителя радиального типа 42
1.3.2 Зависимость геометрических размеров сгустителя от параметров сгущаемой гидросмеси 48
1.3.3 Сгустители пластинчатые (тонкослойные) 54
1.4 Выводы по результатам анализа, цель и задачи исследования 59
Глава 2 Теоретические исследования процесса сгущения игидравлического транспорта высококонцентрированных гидросмесей хвостов обогащения 64
2.1 Физическая модель процесса сгущения 65
2.2 Математическая модель сгущения в тонком слое потока 71
2.3 Анализ математической модели тонкослойного сгустителя
2.4 Теоретический анализ физической модели течения высококонцентрированных гидросмесей хвостов обогащения руды по
трубопроводам 84
2.4.1 Физическая модель течения и деформации жидкостей 84
2.4.2 Математическая модель течения вязкопластических гидросмесей 86
2.5 Расход потока вязкопластической мелкофракционной гидросмеси 89
2.6 Потери напора и коэффициент гидравлических сопротивлений 95
2.7 Выводы по результатам теоретического исследования 97
Глава 3 Экспериментальные исследования сгущения и гидравлического транспорта концентрированных гидросмесей хвостов обогащения 100
3.1 Методика экспериментальных исследований 100
3.2 Обработка опытных данных по исследованию сгустителя 106
3.3 Опытные данные гидротранспорта гидросмесей хвостов обогащения медной руды 114
3.4 Экспериментальные исследования реологических характеристик гидросмесей 118
3.4.1 Вязкость гидросмесей хвостов обогащения медной руды 118
3.4.2 Начальное и безразмерное (относительное) напряжение сдвига 122
3.4.3 Удельные потери напора 128
3.5 Опытно-промышленные экспериментальные исследования 135
3.5.1 Методика проведения исследований 135
3.5.2 Результаты опытно-промышленных исследований 136
3.5.3 Проверка адекватности математической модели 142
3.5.4 Гидромеханические характеристики грунтового насоса 145
ГЛАВА 4 Технико-экономическая эффективность гидравлического транспорта гидросмесей с высокой коннентрацией твердой фазы 155
4.1 Удельная энергоемкость гидравлического транспорта 15
4.2 Удельная энергоемкость гидравлического транспорта гидросмесей высокой концентрации 161
4.3 Технико-экономические показатели системы гидротранспорта смесей высокой концентрации 164
4.3.1 Существующая система гидротранспорта хвостов обогащения 165
4.3.2 Система гидротранспорта хвостов обогащения с предварительным сгущением 169
4.3.3 Удельная металлоемкость 176
4.4 Основные выводы по главе 178
Заключение 180
Список литературы
- Гидравлический транспорт гидросмесей высоких концентраций
- Анализ математической модели тонкослойного сгустителя
- Обработка опытных данных по исследованию сгустителя
- Существующая система гидротранспорта хвостов обогащения
Гидравлический транспорт гидросмесей высоких концентраций
В горной промышленности неотъемлемой частью обогатительного производства является гидравлический транспорт концентратов, промпродуктов и хвостов обогащения.
Гидравлический транспорт является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Этот вид транспортирования обеспечивает передачу насыпных материалов без перегрузки по трассам сложного профиля и большой протяженности с помощью энергии потока жидкости, сообщаемого применяемым насосным оборудованием [1 - 4].
Гидравлический транспорт подразделяется на самотечный и напорный [1, 3]. Самотечное гидравлическое транспортирование - способ перемещения сыпучих материалов под действием гравитации в потоке воды по желобам и трубам при наличии разности геодезических отметок и свободной поверхности потока при давлении, равном атмосферному давлению.
Напорное транспортирование - способ перемещения сыпучих материалов по трубам за счет разности гидростатического давления воды. Напорный гидротранспорт выгодно отличается от всех других видов транспортирования твердых материалов тем, что органично связывает в единый поточный процесс технологию обогащения и транспортирования продуктов переработки, не требуя при этом больших пространств. Кроме этого, одновременно обеспечивается безопасность всех транспортных работ, возможность их полной автоматизации и практически неограниченную пропускную способность, малое количество обслуживающего персонала, постоянство количества доставляемого продукта, отсутствия негативного влияния на окружающую среду и минимум потерь при транспортировании [1, 4]. К недостаткам гидротранспорта следует отнести значительный расход несущей жидкости (воды), уменьшение эффективности в зимнее время, гидроабразивный износ насосного оборудования и трубопроводов и, в некоторых технологиях, отделения несущей жидкости от транспортируемого твердого материала, доставленного места назначения [5, 6].
Системы гидротранспорта хвостов переработки минерального сырья по технологическим признакам можно классифицировать следующим образом: - технологические, применяемые при добыче, обогащении и складировании продуктов обогащения и отходов переработки минерального сырья; - дальнего гидротранспорта руды, угля, концентратов, водоугольных суспензий и других дробленых и измельченных материалов на десятки и сотни километров.
К технологическому гидравлическому транспорту можно отнести системы, обеспечивающие внутрицеховые и внутрифабричные потребности технологического процесса переработки сырья. В основном это системы гидравлического транспортирования промпродукта.
Примером дальнего (магистрального) гидротранспорта является гидравлическое транспортирование угля из штата Кентукки до северной части Флориды (США) на расстояние 2400 км с производительностью системы 45 млн. т/год; проект магистрального трубопровода ВУС (водоугольных суспензий) Белово-Новосибирск, протяженностью 262 км, с производительностью 900 т/ч [7] и др.
В зависимости от рельефа и дальности транспортирования хвостов от обогатительной фабрики до места складирования (потребителя, терминального устройства) схемы гидротранспорта могут быть: - одноступенчатые - без промежуточных перекачивающих насосных станций; - многоступенчатые, выполняемые с промежуточными емкостями (зумпфами) или без них (по схеме «насос в насос»). В зависимости от направления уклона местности схемы гидравлического транспортирования подразделяются на: - с использованием естественного уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена выше места складирования (самотечные); - с преодолением естественного геометрического уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена ниже места складирования или терминального устройства (напорные); - комбинированные, сочетающие первые две схемы (напорно-самотечные).
В зависимости от способа подготовки гидросмеси к транспортированию схемы гидротранспорта разделяются на две группы: - со сгущением пульпы до концентраций, соответствующих расчетному режиму гидравлического транспортирования и процессу обогащения при использовании оборотного водопотребления; - без сгущения хвостовой пульпы. Приведенную классификацию существующих систем гидравлического транспортирования минерального сырья на предприятиях горной промышленности можно изобразить схемой, как показано на рисунке 1.1 [8].
Анализ математической модели тонкослойного сгустителя
Выполненный анализ изученности и состояния вопроса сгущения и гидротранспорта различных гидросмесей показывает, что в этой области накоплен большой теоретический и практический опыт. Гидротранспорт находит широкое применение в различных отраслях промышленности и особенно значима его роль на предприятиях горной промышленности в технологиях обогащения минерального сырья.
Из обзора работ видно, что достаточно полно изучены явления по взаимодействию твердой и жидкой составляющих гидросмесей. Установлен характер сил, действующих на частицы различной крупности и формы, определены основные закономерности изменения скоростного ПОЛЯ, критических скоростей потока и, связанными с ними потерями энергии, что дает возможность путем выбора оптимальных режимов наиболее эффективно использовать преимущества гидравлического транспорта насыпных материалов перед другими видами транспортирования.
В расширении и углублении теоретического подхода к проблеме переноса твердого в потоке жидкости важное значение имеют исследования, выполненные видными отечественными учеными Н.А. Силиным, М.А. Дементьевым, В.Н. Покровской, СИ. Крилем, А.Е. Смолдыревым, А.Г. Джваршейшвили и др. Из зарубежных школ гидротранспорта большой вклад в общую теорию и практику гидротранспорта внесли труды Р. Дюрана, Д.Ф. Ричардсона, С.А. Шука, В. Пажонки, Е. Соботы, П. Слаттера и других. На основе выполненных теоретических исследований разработаны методики расчета гидравлического транспортирования смесей, которые используются в промышленности при строительстве новых, а также эксплуатации и реконструкции существующих гидротранспортных трубопроводов.
Все существующие методы расчета гидравлического транспортирования взвесенесущих потоков исходят из концепции гидросмеси, как смеси твердых частиц и жидкой фазы (воды), свойства которой проявляются лишь в движении. В покое гидросмесь утрачивает свои специфические свойства и разделяется на две различные по физико-механическим свойствам составляющие - жидкую и твердую. В связи с этим в методиках за основной параметр гидравлического транспортирования принимается критическая скорость, при которой вся твердая компонента будет перемещаться во взвешенном состоянии. По величине критической скорости определяются все остальные параметры транспортирования, в предположении, что в режиме критической скорости затраты энергии при течении данной, конкретной гидросмеси, принимают наименьшие значения.
Методики, применяемые при расчете параметров гидротранспорта и основанные на критической скорости справедливы в той или иной степени для обычных, разделяющихся гидросмесей. В этом случае твердая фаза гидросмеси представлена большей частью частицами относительно крупных фракций. При расчете параметров гидротранспорта концентрированных гидросмесей с мелкими частицами такой подход может привести к определенным погрешностям. В данном случае гидросмесь по своим свойствам будет отличаться от разделяющихся смесей, так как твердая фаза в смеси с водой будет представлять собой несущую среду с плотностью отличной от воды и процессы седиментации (осаждения) твердого в такой смеси будут определяться вязкими свойствами несущей жидкости. Эти факторы в существующих методиках не учитываются. С увеличением концентрации твердого материала начинают проявляться реологические свойства. Гидросмесь трансформируется из обычной вязкой жидкости (ньютоновской) в вязкопластичную (неньютоновскую) с возникновением начального (статического) напряжения сдвига и соответствующими значениями реологических параметров.
Анализ, выполненный в этом разделе, показал, что в настоящее время процессы сгущения и гидротранспорта рассматриваются раздельно один от другого. На вход грунтового насоса поступает гидросмесь с той концентрацией твердой фазы, которая возникла в процессе сгущения, и которая, как правило, не отвечает требованиям по минимальным значениям энергетических затрат и, соответственно, система гидротранспорта, в этом случае, работает на неэффективных режимах. В тоже время сами процессы сгущения практически не поддаются регулированию и управлению.
При работе сгустительного аппарата основное внимание уделяется чистоте сливной (осветленной) воды, возвращаемой в обогатительный процесс. Для обеспечения необходимой степени очистки применяются добавки поверхностно активных веществ (ПАВ). Степень же сгущения не регулируется. Поэтому, системы гидротранспорта работают на малых концентрациях твердого материала; насосное оборудование работает на малоэффективных режимах при высоких энергетических затратах и завышенных диаметрах трубопроводов, так как основная часть энергии затрачивается на транспортирование оборотной воды.
Из анализа следует, что в основном внимание исследователей сосредотачивалось на определяющих параметрах гидравлического транспорта, а именно на зависимости критической скорости и удельных потерь напора от характеристик перекачиваемой гидросмеси. В тоже время эффективность работы всего комплекса оборудования, обеспечивающего рабочий процесс, остается за рамками исследований. В научной литературе, посвященной гидравлическому транспорту, не встречается исследований по влиянию параметров гидротранспорта на энергетические затраты и энергоемкость процесса, как экстенсивного параметра. Проблема заключается в том, что фактически решение задач гидравлического транспорта сводится к расчету гидравлических сопротивлений в трубопроводе, как для обычных вязких (ньютоновских) жидкостей, т.е. без учета влияния твердой фазы, ее гранулометрического состава и концентрации. В основном расчеты ведутся по уравнению Дарси-Вейсбаха, а дополнительные потери напора, учитываемые в некоторых методиках, практически не влияют на потребный напор системы, так как концентрация твердого в потоке гидросмеси не более 5-8 %.
Целью работы является разработка научно-обоснованной методики расчета процессов сгущения и гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях с обоснованием параметров насосного и сгустительного оборудования для повышения эффективности транспортирования и снижения удельной энергоемкости процесса.
Обработка опытных данных по исследованию сгустителя
Основой физической модели течения и деформации вязкопластических мелкофракционных гидросмесей является предположение о переменных значениях концентрации в поперечном сечении потока и в соответствии с этим величина начального напряжения сдвига и вязкость смеси являются переменными величинами, причем: т = т(р), a ju = ju(r), где р - величина нормальных напряжений, г - радиус потока. при при (
Общей математической модели течения подобной среды в настоящее время не существует. В отличие от обобщенного закона вязкого трения согласно исходному в предлагаемой модели реологическому уравнению (2.71), касательные напряжения приобретают аддитивный член т0 и тогда тензор напряжений будет иметь вид: T0+/U —- + —-Зс, 3c. где /л = /л (x, у, z) - переменная вязкость, та - начальное (статическое) напряжение, ру - компоненты тензора деформаций, vzy - компоненты вектора
Подстановка (2.73) в общие для сплошной среды уравнения в напряжениях приводит к известным уравнениям Навье Стокса, в которых коэффициент вязкости считается величиной постоянной, для переменной вязкости в случае течения вязкопластической жидкости запишем общее уравнение динамики сплошной среды в напряжениях:
Система уравнений (2.72) - (2.80) определяет математическую модель вязкопластического течения с переменными реологическими параметрами. Для решения системы требуется задание начальных и граничных условий, определяющихся постановкой конкретной физической задачи.
Полученные уравнения пространственной задачи, являющиеся основой предлагаемой модели при наличии в ней членов Ах Ф 0, Ау Ф 0, Аг Ф 0, значительно сложнее, чем уравнения Навье Стокса, получивших весьма слабое применение. Здесь далее, в этой же главе 2, решается частная задача течения вязкопластического флюида - высококонцентрированной мелкофракционной гидросмеси, в трубопроводе, имеющего круглое сечение.
Необходимо также дополнительно заметить, что система уравнений предлагаемой математической модели принципиально отличается от известной системы уравнений взвесенесущего (турбулентного) потока, которую в настоящее время в общем виде еще не удается замкнуть [83]. Отметим, что методами аппроксимации уравнений движения (2.72)-(2.80) можно получить реологическое уравнение (2.71), см., например, [84].
Значения параметров, входящих в реологическое уравнение, зависят от концентрации твердых частиц в потоке смеси. При некоторых значениях концентрации начальное напряжение сдвига принимает нулевое значение, так же как и коэффициент структуры. В этом случае уравнение (2.72) преобразуется в уравнение для ньютоновских жидкостей. Уравнение показывает, что при течении вязкопластической смеси по трубопроводу диаметра D поток смеси разделяется на две зоны: - ядро потока, характеризующееся начальным напряжением сдвига т 0, радиусом ядра течения г0 и некоторым средним по сечению ядра потока значением концентрации твердых частиц ст; - кольцевое течение между ядром потока и стенкой трубопровода, то есть течение в зазоре, ограниченном внутренним радиусом г0 и наружным D » радиусом — = R, так что толщина зоны кольцевого течения равна R-r0. Концентрация твердых частиц в кольцевом течении изменяется от максимального среднего значения ст на границе ядра потока до нуля на стенке трубопровода.
Схематический вид потока вязкопластической смеси в поперечном сечении трубопровода приведен на рисунке 2.6.
Относительные размеры областей течения (ядра потока и кольца) зависят от концентрации твердых частиц. С уменьшением концентрации ядро потока уменьшается и при некоторых значениях исчезает. При этом все сечение трубопровода занимает кольцевая зона, а эффективная вязкость становится равной динамической вязкости чистой жидкости - ju. Кольцевая область
Таким образом, получено уравнение определяющее расход высококонцентрированной вязкопластической гидросмеси в трубопроводе круглого сечения путем интегрирования основного реологического уравнения Бингама-Шведова.
Покажем, что аналогичный результат можно получить на основе теории размерностей. Зависимость расхода гидросмеси от определяющих параметров можно записать в виде следующей функции: Q =F —, ri(c\ р{с\ т0 (с), R, V, (2.99) где /Ар - потери давления на участке трубопровода длиной /(м), Па; г/ -динамический коэффициент вязкости вязкопластической гидросмеси, Па-с; р- плотность гидросмеси, кг/м3; г0 - начальное напряжение сдвига (статическое напряжение), Па; R - радиус сечения трубопровода, м; V -средняя скорость потока гидросмеси в трубопроводе, м/с; /0 - начальный (статический) гидравлический уклон.
Существующая система гидротранспорта хвостов обогащения
. Определенные погрешности математической модели вызваны применением условия равномерного распределения твердых частиц по сечению потока с линейным законом изменения концентрации от центра течения к стенке трубопровода. Фактически некоторая часть твердых частиц наиболее крупных фракций может не отвечать этим условиям, что и вносит дополнительные неточности в расчетные результаты. Все допущения и ограничения, наложенные на математическую модель при ее выводе, проявляются в виде неучтенных факторов взаимодействия гидросмеси на границе ядра потока и кольцевой области течения.
С учетом принятых допущений и результатов проверки сходимости лабораторных и промышленных экспериментов с расчетами по теоретическим формулам можно сделать вывод, что полученная математическая модель адекватно описывает поток смеси в ламинарном режиме течения.
Гидромеханические характеристики грунтового насоса Для определения гидромеханических характеристик грунтового насоса 5Гр-8 использовались данные, полученные при его работе на чистой воде и на гидросмеси. Вначале были построены гидромеханические характеристики при работе насоса на чистой воде. Для этого после запуска насоса измерялся расход и развиваемое давление путем дросселирования потока воды на нагнетательном патрубке насоса с помощью пробкового крана. Потребляемая электрическая (Л эл) мощность измерялась с помощью ваттметра, включенного в цепь электродвигателя насоса, а гидравлическая мощность рассчитывалась по формуле:
По отношению гидравлической и потребляемой (электрической) мощности рассчитывался общий КПД насосного агрегата, который учитывал все потери (гидравлические, объемные и механические). Опыты повторялись 4-5 раз на каждом режиме, результаты усреднялись и заносились в журнал наблюдений. Усредненные опытные данные приведены в таблице 3.17. Таблица 3.17 - Опытные данные для построения гидромеханической характеристики грунтового насоса (5ГрТ-8)
Данные таблицы показывают, что с увеличением подачи (расхода) насоса развиваемый напор уменьшается. При этом возрастает как потребляемая мощность (электрическая), так и гидравлическая. Если гидравлическую мощность принимать за полезную работу в единицу времени, то электрическая мощность будет определять всю энергию, подведенную на привод насоса. В этом случае суммарный КПД насоса будет равен отношению полезной работы к затраченной работе, т.е.
Из данных таблицы 3.17 следует, что КПД грунтового насоса с увеличением расхода вначале возрастает до своего предельного значения, а затем начинает снижаться. Максимальное значение КПД, по опытным и расчетным данным, составляет 0,65. При таком значении КПД напор насоса составляет 17 м, а расход - 5 м3/ч, что и определяет номинальные параметры насоса данного типа.
На рисунке 3.26 по данным таблицы 3.17 приведены номинальные гидромеханические характеристики грунтового насоса 5Гр-8 в функции расхода при работе его на чистой жидкости (воде).
Опытно-промышленные эксперименты, описанные в разделе 3.5.2, дают возможность построить гидромеханические характеристики системы насос-трубопровод при транспортировании гидросмесей различных концентраций. На рисунке 3.26 приведены графические зависимости Яшс( 2), нтр(0) N {Q) И нЛб) Для трубопровода L = 100 мм при работе на гидросмеси хвостов обогащения медной руды, построенные по данным таблицы 3.18. Характерной особенностью кривых напора и мощности для различных концентраций является то, что они располагаются выше аналогичных кривых для чистой воды. При этом, отмечаем, что КПД насоса с увеличением концентрации твердой фазы снижается и для всех концентраций этот параметр ниже, чем при работе на чистой жидкости (воде).
Гидромеханические характеристики грунтового насоса при работе на гидросмеси хвостов обогащения медной руды (красные линии - работа насоса на воде; синяя линия - кривая регулирования при изменении числа оборотов рабочего колеса насоса, длина трубопровода принята равной L = 500 м) Анализ опытных данных по изменению напора насоса при изменении концентрации твердой фазы в потоке гидросмеси дает возможность получить вид расчетной формулы для расходно-напорной характеристики грунтового насоса (в частности насоса 5ГрТ-8) с учетом характеристики при работе насоса на воде. В общем виде эта формула может быть представлена в виде:
Опытные и расчетные данные подтверждают гипотезу, что с увеличением концентрации твердой фазы величина мощности и фактически энергоемкости гидравлического транспортирования снижается. На графиках, рисунок 3.26 видно, что при увеличении концентрации рабочая точка системы смещается в сторону меньших мощностей.
Если мощность, расходуемую в трубопроводе рассматривать как полезную, затрачиваемую на преодоление гидравлических сопротивлений, то отношение этой мощности к мощности, расходуемой насосом, будет определять эффективность гидротранспортной системы. Расходно-напорные характеристики трубопроводов гидротранспортной установки, перекачивающей высококонцентрированную гидросмесь, в общем виде можно описать формулой