CHARAKTERYSTYKA WZBOGACALNOŚCI ISTOTNY CZYNNIK EFEKTYWNOŚCI PROCESU ROZDZIAŁU W OSADZARCE PULSACYJNEJ

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 20 Tom Zeszyt 2 Daniel KOWOL, Piotr MATUSIAK Instytut Techniki Górniczej KOMAG CHARAKTERYSTYKA WZBOGACALNOŚCI ISTOTNY CZYNNIK EFEKTYWNOŚCI PROCESU ROZDZIAŁU W OSADZARCE PULSACYJNEJ Streszczenie. Powszechnie stosowanym urządzeniem do grawitacyjnego wzbogacania węgla jest osadzarka pulsacyjna. Istotnym czynnikiem efektywności procesu rozdziału w osadzarce jest charakterystyka wzbogacalności węgla surowego. W praktyce przemysłowej charakterystykę wzbogacalności wyznacza się wyłącznie na podstawie analiz laboratoryjnych pobieranych prób w cieczach ciężkich, których wykorzystywanie jest problematyczne z uwagi na ich możliwy negatywny wpływ na zdrowie oraz środowisko, a także pracochłonność i wysokie koszty. W artykule przedstawiono propozycje alternatywnych metod wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla surowego. Zamieszczone wyniki badań możliwości laboratoryjnego wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla, oparte na pomiarze profilu rozkładu gęstości warstw materiału w łożu, za pomocą pływaka wykazały, że możliwe jest wyznaczanie charakterystyki wzbogacalności nadawy z dość dużą dokładnością, na podstawie znanej imperfekcji maszyny. WASHING ABILITY CHARACTERISTICS AS THE IMPORTANT FACTOR OF SEPARATION EFFICIENCY IN THE PULSATING JIG Summary. Raw coal washing ability is an important factor influencing separation efficiency in pulsating jig. In the industrial practice coal washing ability is determined only on the basis of laboratory analyses of the samples taken from the process of separation in heavy liquids. Suggested alternative methods for determination of raw coal washing ability are presented in the paper.. Wprowadzenie Węgiel kamienny charakteryzuje wiele parametrów jakościowych, które wpływają na jego wartość użytkową. Spośród najistotniejszych można wyróżnić m.in.: wartość opałową,

2 74 D. Kowol, P. Matusiak zawartość popiołu, zawartość siarki, zawartość wilgoci. Możliwość otrzymywania produktów handlowych o zadanych parametrach jakościowych nazywa się wzbogacalnością węgla [2]. W badaniach wzbogacalności węgla zajmowano się przede wszystkim zawartością popiołu w węglu oraz w jego frakcjach gęstościowych. Z tego względu wykreślane na podstawie analiz densymetrycznych krzywe, będące zależnościami pomiędzy gęstością, wychodem i zawartością popiołu, nazwano krzywymi wzbogacalności [,3,,2]. Charakterystyka wzbogacalności węgla surowego decyduje w dużym stopniu o efektywności procesu rozdziału wzbogacanego materiału, a tym samym o jakości i ilości uzyskiwanych produktów. Zatem, znajomość tej charakterystyki jest istotna do poprawnego prowadzenia procesu wzbogacania węgla w osadzarce [7]. W praktyce przemysłowej charakterystykę wzbogacalności wyznacza się wyłącznie na podstawie pracochłonnych analiz laboratoryjnych pobieranych prób węgla surowego i produktów wzbogacania. Wykorzystywanie cieczy ciężkich jest problematyczne z uwagi na ich możliwy negatywny wpływ na zdrowie oraz środowisko, a także pracochłonność i wysokie koszty [4,7]. Czynniki te determinują rozwój alternatywnych metod wyznaczania charakterystyki wzbogacalności, które przedstawiono w niniejszym artykule. Znana jest z literatury propozycja metody opartej na procesie osadzarkowego wzbogacania [4]. Innym przykładem jest metoda identyfikacji charakterystyki wzbogacalności oparta na pomiarach parametrów ilościowych i jakościowych produktów wzbogacania [5,8,9]. Kolejnymi są opracowania opisujące wykorzystywanie metod izotopowych do badań charakterystyki wzbogacalności węgla [3,4]. W artykule przedstawiono również propozycję metody wyznaczania charakterystyki wzbogacalności opartej na wskazaniach pływaka, z wykorzystaniem osadzarki laboratoryjnej [,0]. 2. Metody wyznaczania charakterystyki wzbogacalności 2.. Określanie charakterystyki wzbogacalności w cieczach ciężkich Określanie charakterystyki wzbogacalności w cieczach ciężkich dokonuje się drogą rozdziału nadawy na frakcje różniące się gęstością, zanurzając próbkę w cieczy ciężkiej i wydzielając frakcję pływającą oraz tonącą. Następnie frakcję tonącą kieruje się kolejno do naczyń z cieczami ciężkimi o coraz to większej gęstości [,5].

3 Charakterystyka wzbogacalności 75 Próbki materiału ziarnistego przeznaczone do badań powinny być na tyle wielkie, by w pełni reprezentowały badany materiał. Im większa średnica największych ziaren surowca, tym większa musi być objętość jego reprezentatywnej próbki. Masę próbki do badań, w tym i węgla, przeznaczoną do rozdziału w cieczach ciężkich określa się według wzorów wyprowadzonych na podstawie zależności statystycznych [5] Określanie charakterystyki wzbogacalności na podstawie procesu wzbogacania osadzarkowego W celu wyeliminowania analizy w cieczach ciężkich do wyznaczania charakterystyki wzbogacalności prowadzono prace badawcze w zakresie wykorzystania procesu fluidyzacji oraz wzbogacania osadzarkowego. Badania, z wykorzystaniem materiału o uziarnieniu - mm, prowadzono na dwóch osadzarkach laboratoryjnych: hydraulicznej (Mintec jig) oraz mechanicznej (Boner jig) oraz dodatkowo w kolumnie fluidyzacyjnej [4]. Uzyskane wyniki porównywano z charakterystyką wzbogacalności wyznaczoną w tradycyjny sposób, z wykorzystaniem cieczy organicznych. Stwierdzono, że zastosowanie procesu osadzarkowego wzbogacania pozwala na uzyskiwanie zbliżonych wyników jak w przypadku rozdziału w cieczy ciężkiej, a zgodność wzrasta wraz ze zwiększaniem ilości cykli (wydłużaniem procesu wzbogacania). Natomiast zastosowanie procesu fluidyzacji spowodowało uzyskiwanie znacząco gorszych (mniej dokładnych ) wyników Metoda identyfikacji charakterystyki wzbogacalności na podstawie pomiarów parametrów ilościowych i jakościowych produktów wzbogacania Metoda polega na odpowiednim przetworzeniu informacji zawartej w mierzonych instrumentalnie natężeniach przepływu trzech produktów wzbogacania (koncentrat, półprodukt, odpady) oraz zawartości popiołu w produktach handlowych (koncentrat, półprodukt). W metodzie tej zakłada się, że proces bieżącej identyfikacji będzie się odbywać w układzie technologicznym wzbogacalnika trójproduktowego. Rzeczywisty wzbogacalnik modelowany jest wraz z charakterystyką wzbogacalności nadawy, na podstawie równań wiążących parametry produktów wzbogacania z charakterystyką wzbogacalności węgla, krzywą rozdziału oraz dwoma gęstościami rozdziału.

4 7 D. Kowol, P. Matusiak W układzie osadzarki są mierzone, za pomocą wag przenośnikowych, natężenia przepływu koncentratu, półproduktu i odpadów oraz zawartości popiołu w koncentracie i półprodukcie mierzone za pomocą popiołomierzy radiometrycznych. Pięć powyższych sygnałów pomiarów daje obraz pracy rzeczywistej osadzarki w określonym przedziale czasu i w określonych warunkach zasilania nadawą. Powyższe sygnały są porównywane z odpowiednimi sygnałami uzyskiwanymi w modelu symulacyjnym, ze zmiennymi charakterystykami wzbogacalności węgla, gęstości rozdziałów oraz krzywej rozdziału. Minimum odległości sygnałów mierzonych i uzyskanych z symulacji uzyskuje się dla symulowanej charakterystyki wzbogacalności, gęstości rozdziałów i imperfekcji najbardziej zbliżonych do rzeczywistego procesu. Zasadność użycia proponowanej metody identyfikacji procesu wzbogacania węgla w układzie technologicznym została potwierdzona badaniami symulacyjnymi [8,9] Wyznaczanie charakterystyki wzbogacalności węgla w osadzarce laboratoryjnej z zastosowaniem czujnika pływakowego W celu sprawdzenia możliwości wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla surowego na podstawie wskazań czujnika pływakowego wykonano obliczenia wykorzystując wyniki badań zrealizowanych na stanowisku doświadczalnym osadzarki laboratoryjnej, którego schemat przedstawiono na rys. [,0]. Do pomiaru rozkładu warstw gęstościowych wzbogacanego materiału w łożu osadzarki wykorzystano czujnik pływakowy, przy zastosowaniu którego powstawały najmniejsze różnice gęstości rozdziału powodowane zmianami charakterystyki wzbogacalności. Uzyskane z doświadczeń wyniki pomiaru gęstości ośrodka (mieszaniny wzbogacanego materiału i wody) przeliczono na odpowiadające im gęstości frakcji [,0]. W obliczeniach założono, że współrzędne położenia pływaka w łożu u, u są równoznaczne z danymi uzyskanymi z analizy gęstościowej rozwarstwionego łoża osadzarki. Powyższe założenie oparto na znanej, wyznaczonej dla pływaka charakterystyce kalibracji (gęstości pływaka, gęstości warstw). Charakterystykę nadawy przygotowanej w stanie suchym charakteryzuje zależność () (w % wysokości łoża):

5 Charakterystyka wzbogacalności 77 Pł Zawory W Układ sterow ania Układ Powiet rze robocze Woda Rys.. Schemat stanowiska doświadczalnego osadzarki laboratoryjnej [0] Fig.. Diagram of the place of laboratory jig gdzie: w i - grubości warstw, w ; w ; w ; w ; w w W () ; i -środkowe gęstości przedziałów gęstościowych są określone przez zależności. Wysokości (grubości) frakcji w - w zmienią się po wzbogaceniu stosownie do krzywej rozproszenia. Wartości liczb rozproszenia wyliczono z poniższej zależności []: gdzie: 2 0,745 0,745 i j f ( i, j ) exp (2) 2 E 2 pi E pi E pi - rozproszenie prawdopodobne i-tej frakcji gęstościowej, i - gęstość i-tej frakcji. Na podstawie liczb rozproszenia nowe wysokości warstw (u) oblicza się z poniższych wzorów: u u f f f f f w f w f w f w f w w f f f f f f w f w f w f w f w w f5 (3)

6 78 D. Kowol, P. Matusiak Gęstości nowych frakcji u położone na wysokości ich środków w łożu określa się ze średnich ważonych: w f 2 f 3 f 4 f 5 f w 2 f 2 2 w 3 f 3 3 w 4 f 4 4 w 5 f 5 5 w f u (4) u / w f f 2 f 3 f 4 f 5 w f w 2 f 2 2 w 3 f 3 3 w 4 f 4 4 w 5 f 5 5 u u / Mając zależność u u można wyznaczyć charakterystykę wzbogacalności (skład u gęstościowy) nadawy. Dla uproszczenia obliczenia wykonano dla średniej wartości wskaźnika rozproszenia prawdopodobnego E p, wyznaczonego na podstawie analizy gęstościowej rozwarstwionego łoża osadzarki doświadczalnej. Do obliczeń przyjęto E p = 0,04 g/cm 3. Za pomocą wyznaczonych ze wzoru (2) liczb rozproszenia oraz wyników z analizy rozkładu gęstościowego łoża dokonano próby odtworzenia nadawy wyjściowej, a uzyskane wielkości zamieszczono w tabeli oraz przedstawiono graficznie na rysunku 2 [,0]. Tabela Zestawienie wyników doświadczeń odtwarzania nadawy Pomiary Odtworzenie Nadawa ρ, g/cm 3 h, % ρ, g/cm 3 h, % ρ, g/cm 3 h, %,292 0,75,282 3,24,23 9,0,39 9,8,395 4,5,35 9,0,498 5,05,478 8,22,45 3,0,597 7,20,0 5,33,55 8,30, 2,5,45 22,09,5 22,70,74 25,8,727 2,3,75 27,30 Przeprowadzone badania dowodzą, że z zależności położenia pływaka od jego gęstości (obciążenia) oraz uprzednio określonej imperfekcji osadzarki laboratoryjnej można, z dużym przybliżeniem, odtworzyć udział procentowy poszczególnych frakcji gęstościowych w węglu surowym.

7 Charakterystyka wzbogacalności 79 Wysokość łoża, % ,,2,3,4,5,,7,8,9 Gęstość frakcji, g/cm 3 Rys. 2. Zestawienie wyników doświadczeń odtwarzania nadawy: nadawa, 2 pomiar, 3 odtworzenie Fig. 2. List of feed reproduction experiments: feed, 2 measurement, 3 reproduction 3. Podsumowanie Powszechnie stosowanym urządzeniem do grawitacyjnego wzbogacania węgla jest osadzarka pulsacyjna. Istotnym czynnikiem skuteczności procesu rozdziału w osadzarce jest charakterystyka wzbogacalności węgla surowego. Jedyna znana i wykorzystywana metoda wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla surowego w warunkach przemysłowych oparta jest na analizach laboratoryjnych pobieranych prób węgla surowego i produktów wzbogacania w cieczach ciężkich. Analizy takie charakteryzują się dużą pracochłonnością, wysokimi kosztami i możliwym negatywnym wpływem na zdrowie pracowników i środowisko [4,7]. Wymienione czynniki są powodem, dla którego powstają propozycje alternatywnych metod wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla surowego. Zamieszczone w artykule wyniki badań możliwości laboratoryjnego wyznaczania charakterystyki wzbogacalności węgla, na podstawie pomiaru profilu rozkładu gęstości warstw materiału w łożu, za pomocą pływaka wykazały, że możliwe jest wyznaczanie charakterystyki wzbogacalności nadawy z dość dużą dokładnością, korzystając ze znanej imperfekcji maszyny. Zatem, zastosowanie osadzarki doświadczalnej o znanym współczynniku

8 80 D. Kowol, P. Matusiak imperfekcji, wyposażonej w pływak o zoptymalizowanych kształtach, może stanowić skuteczną alternatywę dla tradycyjnej metody opartej na analizach w cieczach ciężkich [0]. BIBLIOGRAFIA. Blaschke S.: Przeróbka mechaniczna kopalin. Wydawnictwo Śląsk, Katowice Blaschke W.: Przeróbka węgla kamiennego wzbogacanie grawitacyjne. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. Kraków Budryk W.: Przeróbka mechaniczna kopalin. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa Callen A.M., Patel B, Zhou J., Galvin K.P.: Coal washability analysis by water fluidization and jigging. XV Międzynarodowy Kongres Przeróbki Węgla. Materiały konferencyjne, Pekin Cierpisz S.: Komputerowe modele symulacyjne przebiegu procesów wzbogacania węgla. Monografia, Politechnika Śląska, Gliwice Cierpisz S., Kowol D.: Możliwości identyfikacji charakterystyki wzbogacalności węgla w osadzarce z zastosowaniem czujnika pływakowego. Automatyzacja Procesów Przeróbki Kopalin, Materiały Konferencyjne, Szczyrk Cierpisz S., Pielot J.: Symulacyjna analiza możliwości ciągłej identyfikacji charakterystyki wzbogacalności węgla surowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej s. Górnictwo, z. 245, Cierpisz S., Zębik A.: Identyfikacja grawitacyjnego procesu wzbogacania węgla badania symulacyjne. Automatyzacja Procesów Przeróbki Kopalin, Materiały Konferencyjne, Szczyrk Cierpisz S., Zębik A.: Symulacyjna metoda ciągłej identyfikacji grawitacyjnego procesu wzbogacania węgla, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, Katowice 2/ Kowol D.: Wpływ zmian parametrów nadawy na efekty działania pływakowego układu sterowania odbiorem produktów osadzarki. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice Krukowiecki W.: Metody określania wzbogacalności węgla kamiennego. Przegląd Górniczy nr 5, Katowice Laskowski J., Łuszczkiewicz A., Malewski J.: Przeróbka kopalin. Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Lin C.L., Miller J. D., Cortes A. B., Galery R.: Coal Washability Analysis by X-ray Computed Tomography, Coal Preparation, Vol. 9, Lin C.L., Miller A.B., Luttrell G.H., Adel G.T.: Development of an On-line Coal Washability Analysis Using Xray computed Tomography. Coal Preparation, Vol. 2, 2000.

9 Charakterystyka wzbogacalności 8 5. Łuszczkiewicz A.: Wzbogacalność węgla kamiennego na podstawie rozdziału w cieczach ciężkich jednorodnych. Instrukcje do ćwiczeń z przeróbki kopalin, Zakład Przeróbki Kopalin i Odpadów Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej.. Zapała W.: Teoretyczny model krzywej rozdziału osadzarki. XII Międzynarodowy Kongres Przeróbki Węgla, Kraków 994. Prof. dr hab. inż. Wiesław Blaschke Abstract Pulsating jig is commonly used machine for gravitational beneficiation of coal. Raw coal washing ability is an important factor influencing separation efficiency. In the industrial practice coal washing ability is determined only on the basis of laboratory analyses of the samples taken from the process of separation in heavy liquids. Use of heavy liquids is problematic due to their possible negative impact on human health and environment as well as due to high costs and labor consuming analyses. Suggested alternative methods for determination of raw coal washing ability are presented in the paper. Presented results of possibility of determination of coal washability characteristics basing on measurement of density distribution profile of the material layers in jig bed by use of a float have proved that it is possible to determine characteristics of feed washabiltiy with high accuracy including known imperfection of the machine.