GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2011 Tom 6 Zeszyt 2 Tomasz GAWENDA Akademia Górniczo-Hutnicza PRODUKCJA SUROWCÓW MINERALNYCH O WĄSKIM ZAKRESIE UZIARNIENIA W DWUSTADIALNYM ZAMKNIĘTYM UKŁADZIE ROZDRABNIANIA I KLASYFIKACJI Streszczenie. W artykule przedstawiono możliwości produkcji węgla kamiennego o wąskim zakresie uziarnienia 0,5-5 mm, który może być wykorzystywany do procesu zgazowania węgla. Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej w Katedrze Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców AGH, wykorzystując kruszarki szczękową i walcową oraz przesiewacz w dwustadialnym układzie zamkniętym. Na podstawie analizy efektów rozdrabniania groszku z ZG Sobieski zauważono, że układy z zamkniętym obiegiem materiału w porównaniu z otwartymi układami są korzystniejsze, ponieważ można uzyskać od kilku do nawet kilkunastu procent więcej pożądanej klasy ziarnowej, przy czym efekty procesu rozdrabniania są ściśle uzależnione od założonych stałych parametrów kruszenia (wielkości szczeliny wylotowej, oczka sita i uziarnienia nadawy). W doświadczalnym układzie zamkniętym po pierwszym stadium kruszenia w kruszarce szczękowej uzyskano 73% klasy o uziarnieniu 0,5-5 mm w stosunku do całej ilości nadawy, a na drugim stadium rozdrabniania w kruszarce walcowej uzyskano aż 97 % pożądanej klasy, resztę stanowiły przekruszone ziarna węgla poniżej 0,5 mm. PRODUCTION OF MINERAL RESOURCES IN NARROW SIZE FRACTIONS IN A TWO-STAGE CIRCUIT OF COMMINUTION AND CLASSIFICATION Summary. The possibilities of production of hard coal in a narrow size fraction of 0.5 5 mm, which can be utilized for the coal gasification processes, were presented in the article. On the basis of results obtained it can be stated that circuits with the material recirculation are more efficient comparing to open ones, because they can produce up to a dozen or so per cent more of desired size fraction.
40 T. Gawenda 1. Wstęp Instalacje układów technologicznych rozdrabniania oraz klasyfikacji mają zastosowanie w procesach przeróbczych różnych kopalin użytecznych. Jakość otrzymywanych produktów zależy głównie od prawidłowego doboru maszyn i urządzeń współpracujących w instalacji zależnie od rodzaju przerabianego surowca. Zakładając konkretny proces technologiczny, zwykle bierzemy pod uwagę charakterystyki pracy poszczególnych maszyn, które są zależne między innymi od właściwości fizykomechanicznych nadawy oraz wielkości parametrów konstrukcyjnych i sterowalnych maszyn. Okazuje się jednak, że na uzyskiwanie dobrych produktów wpływ ma także sposób prowadzenia procesu technologicznego (ilość stadiów rozdrabniania, cykle technologiczne, odsiewanie, sterowanie strumieniami przepływu materiału do wybranych maszyn itp.). Celem badań doświadczalnych było przygotowanie węgla o wąskim zakresie uziarnienia 0,5-5 mm jako materiału do zgazowania w złożu fluidalnym. Założeniem badań była optymalizacja uzyskania jak największej ilości masy materiału w danej klasie ziarnowej przy minimalizacji przekruszania węgla w zamkniętym dwustadialnym układzie rozdrabniania i klasyfikacji. 2. Układy zamknięte W procesach kruszenia i mielenia przy przygotowaniu materiału do wzbogacania lub produkcji określonych klas ziarnowych stosuje się często tzw. zamknięte cykle technologiczne. Mówimy wówczas o procesie rozdrabniania w obiegu zamkniętym. Istnieją także układy technologiczne z otwartym obiegiem materiału. Takie układy mają przewagę nad zamkniętymi cyklami pod względem wydajności, ale często produkty charakteryzują się niższą jakością. Na rysunku 1 przestawiono cykle technologiczne rozdrabniania z klasyfikacją ziarnową. Od instalacji z układem zamkniętym wymaga się ograniczenia powstawania nadmiernej ilości materiału drobnego (przekruszonego) oraz zmniejszenia zużycia energii. Przykładowy układ jest przedstawiony na rysunku 2a (z lewej) i jest to tzw. schemat rozdrabniania z nadziarnem, gdzie kruszarkę ustawia się na wymiar kruszenia większy o około 20% niż
Produkcja surowców mineralnych 41 a) b) c) Nadawa 70-100 mm Nadawa 70-100 mm e=12 mm e=12 mm Nadawa 0-31,5 mm dt=16 mm 16-31,5 mm 0-31,5 mm dt=16 mm 16-31,5 mm dt=16 mm <16 mm >16 mm 0-16 mm 0-16 mm Rys. 1. Cykle technologiczne: a) układ otwarty, b,c) układ zamknięty (Gawenda, 2009) Fig. 1. Technological cycles: a) open circuit, b,c) closed circuits (Gawenda, 2009) żądany wymiar największych ziaren produktu kruszenia. Uzyskany produkt z kruszarki kieruje się na przesiewacz zaopatrzony w sito o wymiarze otworów równym żądanemu wymiarowi rozdrabnianych ziaren. Produkt górny kieruje się ponownie do kruszarki. Ta metoda rozdrabniania umożliwia, poza zmniejszeniem ilości miału węglowego i pyłu, uzyskanie produktu o znacznej równomierności wymiaru skruszonych ziaren. Rozdrabnianie z nadziarnem jak i cały proces można uprościć kierując produkt skruszony w całości na ten sam przesiewacz, który klasyfikuje nadawę (rys. 2.5b). Dla tego przypadku wydajność przesiewcza należy odpowiednio zwiększyć, aby uniknąć jego przeciążenia i uzyskać prawidłowe przesiewanie (Blaschke S.,1982). a) b) Rys. 2. Schemat rozdrabniania w cyklu zamkniętym z nadziarnem (Blaschke S.,1982): w układzie kruszarka przesiewacz (a), w układzie przesiewacz kruszarka (b) Fig. 2. The scheme of comminution in a closed circuit with the screen oversize: crusher-screen circuit (a), screen-crusher circuit (b)
42 T. Gawenda Wielkość zawrotu jest określana również pod nazwą krotności obiegu, którą definiuje się jako iloraz ilości materiału zawracanego do ilości świeżej nadawy. Krotność obiegu osiąga wysokie wartości w procesach przemiału. W praktyce, dla mielenia materiału w młynach na sucho krotność obiegu wynosi 200-260%, dla mielenia na mokro krotność obiegu przekracza nawet 300%, natomiast dla kruszenia materiałów w kruszarkach jest zdecydowanie niższa i wynosi kilkadziesiąt procent (Gawenda, Naziemiec 2007). 3. Analiza efektów rozdrabniania groszku z ZG Sobieski w dwustadialnym zamkniętym układzie rozdrabniania i klasyfikacji Biorąc pod uwagę jakość produktu (zakres wąskich klas ziarnowych potrzebnych do zgazowania węgla), a nie wydajność procesu przeanalizowano układ zamknięty dla rozdrabniania i klasyfikacji węgla wg schematu przedstawionego na rys. 3. W układzie tym wykorzystano kruszarkę szczękową typu L44.41, kruszarkę dwuwalcową oraz przesiewacz wahadłowo-krzywkowy. Groszek 8-40 mm L44.41 e=8 mm > 5 mm P1 # 5 mm analiza 0,5-5 mm < 5 mm e=2,5 mm > 0,5 mm P2 # 0,5 mm analiza 0,5-5 mm < 0,5 mm Rys. 3. Uproszczony dwustadialny układ technologiczny z zamkniętym obiegiem materiału (groszek z ZG Sobieski ) (opracowanie własne) Fig. 3. A simplified two-stage technological circuit with closed material circulation (pea coals from Sobieski mine)
Produkcja surowców mineralnych 43 Należy pamiętać, że w takim układzie ilość zawracanego materiału zależy w głównej mierze od relacji wielkości szczeliny wylotowej i oczka na sicie przesiewacza. Zgodnie z zasadą rozdrabniania węgla, aby nie dopuścić do nadmiernego przekruszenia, zastosowano dużą zależność pomiędzy szczeliną wylotową kruszarki a maksymalną wielkością ziarna produktu. Szczelina była prawie czterokrotnie mniejsza. W celu właściwego doboru urządzenia rozdrabniającego o odpowiedniej wydajności jest konieczne ustalenie ilości materiału krążącego w obiegu zamkniętym, inaczej mówiąc ustalenie krotności obiegu, co jest bardzo kłopotliwe, gdyż wymaga długotrwałych badań w warunkach przemysłowych i laboratoryjnych. Ilość zawracanego materiału wpływa na obciążenie przesiewacza i kruszarki, a także urządzeń transportowych. Właściwie dobrane urządzenie klasyfikujące (przesiewacz) powinno dawać ostrą granicę rozdziału, co oznacza, że do produktu drobnego nie powinny przechodzić ziarna grube i w zawrocie z przesiewacza powinno być jak najmniej materiału drobnego o granulacji odpowiadającej produktowi finalnemu. Aby ustalić krotność obiegu, partię materiału przewidzianego do rozdrabniania podzielono na co najmniej 6 próbek o jednakowej masie. Materiał stanowił węgiel energetyczny - groszek z ZG Sobieski o uziarnieniu 8-40 mm, a próbki ważyły po 800 g. Pierwszą próbkę rozdrabniano przy ustalonej szczelinie wylotowej 8 mm i odsiewano materiał gruby powyżej 5 mm. Następnie produkt górny przesiewacza mieszano z drugą próbką i całość rozdrabniano w tych samych warunkach. Powyższe czynności powtarzano sześciokrotnie i za każdym razem wykonywano analizy granulometryczne uzyskiwanych produktów z kruszarki (rys. 4). Nadawa otrzymana po ostatnim cyklu rozdrabniania jest tą ilością materiału, która miała krążyć w cyklu zamkniętym w pierwszym stadium kruszenia. Za każdym razem uzyskany produkt dolny gromadzono osobno, aby analogicznie powtórzyć proces dla drugiego stadium kruszenia z kruszarką walcową, zgodnie ze schematem (rys. 2). Ilość zawracanego materiału ustalono przez ważenie zawracanych klas ziarnowych w poszczególnych cyklach kruszenia. Procentowa ilość zawracanej masy stanowi stosunek masy zawracanego produktu górnego do masy świeżej nadawy. Wyniki zmiany tego wskaźnika przedstawiono na rysunku 5. Jak łatwo można zauważyć z wykresów (rys. 4 i 5), proces kruszenia stabilizuje się bardzo szybko już po trzecim cyklu kruszenia i w obiegu będzie dodatkowo krążyć o 90% materiału więcej w stosunku do nadawy. Z tego wynika, że przy założonych stałych parametrach kruszenia (wielkości szczeliny wylotowej, oczka sita i uziarnienia nadawy),
44 T. Gawenda 100 90 80 70 wychód, % 60 50 40 30 20 10 cykl 1 cykl 2 cykl 3 cykl 4 cykl 5 cykl 6 0 0 5 10 15 20 25 30 uziarnienie, mm Rys. 4. Krzywe składu ziarnowego uzyskane po kolejnych cyklach kruszenia w kruszarce szczękowej z zawrotem (groszek z ZG Sobieski ) Fig. 4. Particle size distribution curves obtained after consecutive crushing cycles in jaw crusher with the material recirculation (pea coals from ZG Sobieski ) zgodnie ze schematem na rysunku 2 wychód węgla w klasie 0,5-5 mm wyniesie ok. 31% w stosunku do całego strumienia przepływu nadawy. Natomiast całkowity uzysk przyrostu klasy ziarnowej w układzie zamkniętym w porównaniu do układu otwartego zaprezentowano na rysunku 6. Z wykresu wynika, że przy założonych parametrach układ zamknięty jest korzystniejszy, ponieważ możemy uzyskać więcej o 4% klasy ziarnowej 0,5-5 mm, a wiec 73% materiału z całości nadawy. Układ otwarty potraktowano tu jako przepływ pierwszego strumienia materiału, zgodnie ze schematem na rysunku 2, a charakterystykę uziarnienia tego produktu przedstawia wykres składu ziarnowego dla 1 cyklu rozdrabniania (rys. 4). 100 90 procent zawracanego materiału 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 kolejny cykl kruszenia Rys. 5. Ilość zawracanego materiału w kolejnych cyklach kruszenia Fig. 5. The amount of recirculating material in consecutive crushing cycles
Produkcja surowców mineralnych 45 35,00 30,00 25,00 uzysk, % 20,00 15,00 10,00 5,00 uzysk klasy 0,5-5, % 0,00 1 2 3 seria 4 5 6 Rys. 6. Uzysk klasy ziarnowej 0,5-5 mm w kolejnych cyklach kruszenia Fig. 6. The mass recovery of 0.5-5 size fraction in consecutive crushing cycles W analogiczny sposób przeprowadzono doświadczenie dla drugiego stadium rozdrabniania z wykorzystaniem kruszarki walcowej, przy czym do zawrotu kierowano materiał uzyskany w pierwszym stadium rozdrabniania po każdym cyklu kruszenia, stąd podstawowe nadawy na kolejne cykle dla kruszarki walcowej nie były równe wagowo. Wyniki zaprezentowano na rysunkach 7-9, z których można wywnioskować, że proces kruszenia również stabilizuje się bardzo szybko, bo już po trzecim cyklu kruszenia, a w obiegu będzie dodatkowo krążyć o 66% materiału więcej w stosunku do nadawy. 100 90 80 70 wychód, % 60 50 40 30 20 10 cykl 1 cykl 2 cykl 3 cykl 4 cykl 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 uziarnienie, mm Rys. 7. Krzywe składu ziarnowego uzyskane po kolejnych cyklach kruszenia w kruszarce walcowej z zawrotem Fig. 7. Particle size distribution curves obtained after consecutive crushing cycles in roller crusher with the material recirculation
46 T. Gawenda 100 90 procent zawracanego materiału 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 kolejny cykl kruszenia Rys. 8. Ilość zawracanego materiału w kolejnych cyklach kruszenia (II stadium) Fig. 8. The amount of recirculating material in consecutive crushing cycles (second stage) 94,00 92,00 90,00 88,00 86,00 uzysk, % 84,00 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 72,00 1 2 seria 3 4 5 wychód klasy 0,5-5, % Rys. 9. Uzysk klasy ziarnowej 0,5-5 mm w kolejnych cyklach kruszenia (II stadium) Fig. 9. The mass recovery of 0.5-5 size fraction in consecutive crushing cycles (second stage) Przy założonych stałych parametrach kruszenia (rys. 2 II stadium) można uzyskać w obiegu zamkniętym 92% wychód klasy o uziarnieniu 0,5-5 mm w stosunku do całego strumienia przepływu nadawy (dla dwustadialnego układu). Zgodnie z wykresem na rysunku 9 całkowity uzysk przyrostu klasy ziarnowej 0,5-5 mm w układzie zamkniętym w porównaniu do układu otwartego wynosi ok. 12%, co oznacza, że w układzie dwustadialnym możemy uzyskać 97% pożądanej klasy i 3% przekruszonego węgla. W układzie otwartym przekruszono by aż 15% węgla.
Produkcja surowców mineralnych 47 4. Podsumowanie Układy z zamkniętym obiegiem materiału w porównaniu z otwartymi układami są korzystniejsze, ponieważ można uzyskać od kilku do nawet kilkunastu procent więcej pożądanej klasy ziarnowej, przy czym efekty procesu rozdrabniania są ściśle uzależnione od założonych stałych parametrów kruszenia (wielkości szczeliny wylotowej, oczka sita i uziarnienia nadawy), które należy zawsze przetestować przy doborze urządzeń i projektowaniu układów. Im więcej materiału grubego krąży w obiegu, tym selektywnej jest materiał kruszony bez ponoszonych strat. W doświadczalnym układzie zamkniętym po pierwszym stadium kruszenia w kruszarce szczękowej uzyskano 73% klasy do złoża fluidalnego o uziarnieniu 0,5-5 mm w stosunku do całej ilości nadawy. Jest to o 4% większy uzysk niż w przypadku układu otwartego. Skierowanie strumienia węgla z układu otwartego do układu zamkniętego z kruszarką walcową na drugim stadium rozdrabniania pozwoliło uzyskać aż 97% pożądanej klasy, resztę stanowił przekruszony węgiel. W układzie otwartym ilość nadmiernie rozdrobnionego węgla wyniosłaby 15%. BIBLIOGRAFIA 1. Blaschke S.: Przeróbka mechaniczna kopalin cz. I. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1982. 2. Gawenda T.: Technologie procesów rozdrabniania - opracowanie materiałów do podręcznika, niepublikowane, 2009. 3. Naziemiec Z., Gawenda T.: Badanie procesu kruszenia z zamkniętym obiegiem materiału. Kruszywa mineralne: surowce rynek technologie jakość. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Konferencja 18 20 kwietnia 2007, Szklarska Poręba 2007. Artykuł jest wynikiem projektu badawczego NN 524 466 139 Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego finansowanego ze środków finansowych na lata 2010 2013. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Wiesław Blaschke
48 T. Gawenda Abstract Technological circuits of comminution and classification can be implemented in processing of various raw materials. Qualities of obtained products are determined in a major degree by the suitable selection of machines to the circuit (for given material). Considering the specific technological process, the work character of individual machines, which depends on physic-mechanical feed properties and the design parameters of the device, is usually taken into consideration. It appears that also the manner of a process course (number of crushing stages, technological cycles, screening, the control of material flow for individual devices) affects the obtaining of a good quality products. The possibilities of production of hard coal in a narrow size fraction of 0.5 5 mm, which can be utilized for the coal gasification processes, were presented in the article. Laboratory scale experiments were carried out in the Department of Environmental Engineering and Mineral Processing, AGH University of Science and Technology, with utilization of roller and jaw crushers working in two-stage closed circuit. The main target of investigation was to optimize the product mass recovery in the specific size fractions at minimizing the over-grinding of coal. On the basis of results obtained it can be stated that circuits with the material recirculation are more efficient comparing to open ones, because they can produce up to a dozen or so per cent more of desired size fraction. Comminution results were also in a close relationship to the technological parameters of the circuit (gap, screen s cut point, feed particle size distribution). The coarser material was in the recirculation stream, the more selective crushing process took place, without the over-grinding phenomenon. After the first crushing stage in jaw crusher (in closed circuit), 73% of 0.5-5mm fraction mass recovery was obtained, the 4% more than for the respective open circuit. The product of the open circuit was then comminuted in roller crusher on the second crushing stage. For the closed circuit on the second stage 97% of product mass recovery constituted the desired size fraction, while the remaining 3% was the over-grinded coal. For the open circuit, in turn, the over-grinded coal constituted 15% of the product.