1 – винтовые сепараторы; 2 – концентрационные столы; 3 – тяжелосредные циклоны; 4 – отсадка; 5 – гидроциклоны; 6 – флотация

Анализ технологических схем вновь строящихся углеобогатительных фабрик как в Украине [5], так и за рубежом [6, 7], а также материалы XVI и XVII конгрессов по углеобогащению [8, 9] свидетельствуют, что для обогащения мелкого машинного класса угля повсеместно используются только тяжелосредные гидроциклоны с магнетитовой суспензией. Целесообразность их применения вместо гидравлических отсадочных машин подтверждается известными данными по значениям Е_pm для этого оборудования. Так, по данным статьи [1], при низкой плотности разделения (1600 кг/м³) разность в значениях Е_pm для отсадочной машины Батак и тяжелосредного гидроциклона для крупности 35-100 мм составляет 54–16 = 38 кг/м³, для крупности 18-5 мм – 60–22 = 38 кг/м³, для крупности 5-18 мм – 66–22 = 44 кг/м³, для крупности 0,5–5 мм – 96–40 = 56 кг/м³. Тоже при высокой плотности разделения 1800 кг/м³ соответственно 72–20 = 52; 80–26 = 54; 84–24 = 60; 120 – 46 = 74 кг/м³.

Исходя из проведенных по этим данным расчетов [10], можно прогнозировать снижение потерь горючей массы при обогащении мелкого машинного класса по любой плотности разделения практически в 2 раза. Следовательно, с технологической точки зрения замена гидравлической отсадки на операции обогащения мелкого угля на тяжелосредные гидроциклоны целесообразна. Естественно, что эта замена должна проводиться в первую очередь на углеобогатительных фабриках, применяющих тяжелосредные сепараторы для обогащения крупного машинного класса.

Развитие техники и технологии тяжелосредного обогащения угля позволяет увеличивать глубину обогащения практически до 0 мм. В этих случаях обесшламливание мелкого машинного класса не производится [11, 12], однако значительно увеличивается фронт регенерации суспензии и регенерации оборотной воды. Таким образом, в ближайшей перспективе могут появиться тяжелосредные фабрики, обогащающие угли только в гидроциклонах с магнетитовой суспензии.

Обогащение в тяжелых средах – метод разделения углей по плотности в истинных тяжелых жидкостях или минеральных суспензиях.

Истинные тяжелые жидкости – водные растворы неорганических солей и органические жидкости – в производственных условиях имеют ограниченное применение. Их используют в основном для разделения углей по плотности при фракционном анализе и контроле качества продуктов обогащения.

Взвеси в воде тонкоизмельченных утяжелителей – минеральные суспензии – широко распространены во всем мире в качестве разделяющей среды при обогащении углей.

В отечественной и зарубежной практике применяют преимущественно минеральные суспензии, в которых в качестве утяжелителя используют магнетитовый концентрат, позволяющий получать плотность разделяющей среды, достаточную для успешного обогащения всех видов твердых горючих ископаемых (каменных и бурых углей, антрацитов, горючих сланцев).

В некоторых странах в качестве утяжелителей в ограниченных масштабах используют барит, кварцевый песок, глину, лёсс и другие материалы, однако эти утяжелители не выдерживают конкуренции с магнетитом.

Следует отметить следующие особенности метода обогащения в тяжелых средах:

простоту регулирования и широкую возможность автоматизации производственного процесса;

малую чувствительность к колебаниям нагрузки (в пределах нагрузочной устойчивости оборудования) и качественного состава питания;

возможность эффективного обогащения углей с трудной и очень трудной характеристикой обогатимости и высоким содержанием свободной породы;

возможность разделения обогащаемого сырья в широком диапазоне крупности – от самых крупных штучных кусков (размером 500 мм и более) до мелкого материала (примерно до 0,2–0,5 мм и менее);

высокую точность разделения, обеспечивающую минимальное засорение конечных продуктов посторонними фракциями;

широкий диапазон изменения плотности разделения (от 1300–1350 до 2000–2200 кг/м³) с предельно точной регулировкой плотности разделяющей среды;

незначительное шламообразование в обогатительных аппаратах, возможность удаления размокающей породы в начале технологического процесса;

наименьший (по сравнению с другими мокрыми процессами обогащения) расход технологической воды.

Перечисленные достоинства тяжелосредного метода обогащения относятся к технологии обогащения как крупного, так и мелкого угля и угольного шлама. Обогащение крупного угля в магнетитовой суспензии осуществляется в тяжелосредных сепараторах, мелкого угля и угольного шлама – в тяжелосредных гидроциклонах.

Условия разделения частиц обогащаемого угля в тяжелой среде определяется соотношением сил, действующих на частицу: силы тяжести F_g и подъемной (архимедовой) силы F_А, с учетом сил сопротивления среды и механического взаимодействия частиц при их соприкосновении. Равнодействующая G сил, действующих на частицу в неподвижной среде:

С учетом того, что F_g = Vδ_чg и F_А = Vδ_сg, где V – объем частицы; δ_ч и δ_ч – плотность частицы и среды; g – ускорение свободного падения, получим

Возможны три условия разделения частиц: δ_ч > δ_с; δ_ч < δ_с и δ_ч = δ_с. В первом случае G > 0 и частица тонет, во втором G < 0 и частица всплывает, в третьем G = 0 и частица находится во взвешенном состоянии.

С уменьшением размеров зерен снижается разность скоростей их падения и резко возрастает время, необходимое для их разделения.

Интенсифицировать процесс обогащения мелких зерен угля можно в поле действия центробежных сил, возникающих при вращательном движении суспензии. Центробежную силу F_ц, действующую на частицу, определяют по формуле

где m – масса частицы; ω – окружная скорость вращения; r – радиус вращения; ω²/r – центробежное ускорение.

С учетом того, что m = F_g /g и ω = 2πrn/60, где n – частота вращения, получим

Подставив числовые значения для π и g, окончательно получим

Из полученного выражения следует, что значение центробежной силы в значительно большей степени зависит от частоты вращения суспензии, чем от радиуса вращения тела.

Для разделения мелкого угля по плотности в центробежном поле используют тяжелосредные гидроциклоны. Мелкий уголь вместе с суспензией (с определенной скоростью и под давлением) тангенциально вводят в гидроциклон. Плотность разделения угля в тяжелосредном гидроциклоне может быть равной ил выше плотности суспензии, подаваемой в него вместе с углем. Частицы угля, плотность которых меньше плотности разделения, удаляются из гидроциклона вместе с суспензией через сливной патрубок, а частицы с большей плотностью разгружаются через песковую насадку гидроциклона.