Теоретичні основи пневматичних процесів

Пневматичними називаються процеси розділення суміші мінеральних частинок за густиною (збагачення) і крупністю (класифікація) в розділовому середовищі, що розпушується висхідним або пульсуючим струменем повітря.

Пневматичні процеси відбуваються у відповідності з законами гравітаційного розділення. Рух тіл у повітряному середовищі є різновидом руху тіл у рідині, суттєва відмінність повітряного середовища від водного – низька густина 1,23 кг/м³ і мала в’язкість 1,8·10^-5 Па·с. Повітряне середовище оказує незначний опір руху зерен в порівняні з водою, що приводе до збільшення кінцевої швидкості. В цьому випадку формули для визначення швидкості вільного падіння здобувають вид:

– в турбулентному режимі ( > 2 мм): , м/с, (10.1)

– в перехідному режимі (0,1 2 мм): ,м/с, (10.2)

– в ламінарному режимі ( < 0,1 мм): ,м/с (10.3)

Для визначення швидкості стислого руху використовують звичайно формулу Ханкока: ,м/с . (10.4)

Час досягнення кінцевої швидкості руху зерна в повітрі значно більше, ніж у воді, і визначається за формулою: ,с (10.5)

Коефіцієнт рівнопадання визначається без урахування густини середовища: , (10.6)

Величина коефіцієнта рівнопадання у повітряному середовищі в 2 – 3 рази менше, ніж у водному, тому при розділенні у повітряному середовищі шкала класифікації повинна бути більш вузькою.

При пневматичному збагаченні на шар збагачуваного матеріалу (постіль), що находиться на перфорованому решеті, діє безперервний або пульсуючий потік повітря. Аеродинамічний тиск висхідного потоку повітря в будь якої точки постелі визначається за формулою:

, Па , (10.7)

де – середня густина постелі, кг/м³; – швидкість потоку повітря, м/с; – товщина постелі, м.

Початок розпушення постелі відбудеться при аеродинамічному тиску рівному тиску стовпа матеріалу на робочої поверхні збагачувального апарату:

, Па, (10.8)

де – коефіцієнт розпушення і товщина постелі в зімкненому стані.

При рівності мінімальна швидкість потоку повітря буде:

, м/с. (10.9)

Особливість процесу пневматичного збагачення полягає в тому, що він відбувається при коефіцієнті розпушення постелі значно більшому, ніж при гідравлічної відсадці, що породжується труднішими умовами транспортування продуктів розшарування по робочої поверхні.

Для забезпечення нормальної роботи апаратів пневматичного збагачення тиск повітря повинен бути не менше 50 – 80 Па на кожний сантиметр товщини постелі. Умови відносного переміщення елементарного об’єму частинок в постелі можуть бути отримані з рівності сили ваги цього об’єму і сили аеродинамічної дії висхідного потоку повітря ( ) :

, (10.10)

, (10.11)

, (10.12)

де – площа поперечного перетину елементарного об’єму постелі, м²; – відносне переміщення елементарного об’єму частинок в постелі, м.

З формули (10.12) видно, що відносне переміщення частинок в постелі і їх розшарування залежать в основному від густини. При – частинки переміщуються в низ постелі; при – частинки переміщуються в верх постелі; при – частинки будуть находиться в постелі у зваженому стані. Удержанню кожного шару постелі, що сформувався, у зваженому стані відповідає строго визначена швидкість висхідного потоку повітря.

Процеси пневматичного збагачення характеризуються спрощеною технологією, їх переваги полягають в простоті схем збагачення, менших капітальних витратах, собівартості процесу і енергомісткості, одержанні сухих продуктів збагачення і відсутності потреб у воді і операції зневоднення. Основні недоліки пневматичних процесів: вологість збагачуваних матеріалів не повинна перевищувати 5 %, їх збагачуваність повинна бути легкою, точність розділення – низька. Тому пневматичні процеси мають обмежене застосування – переважно для збагачення бурого та легкозбагачуваного кам’яного вугілля, азбесту і деяких інших корисних копалин з малою густиною. Застосування пневматичних процесів збагачення доцільно в суворих кліматичних районах або в районах з недостачею води, а також при переробці корисних копалин, що містять породу, яка легко розмокає з утворенням значного об’єму шламів, внаслідок чого порушується процес розділення.

Пневмокласифікація широко використовується в циклах сухого подрібнення і приготування пилоподібного палива, в схемах знепилення і пиловловлення. Крупність розділення при пневмокласифікації складає від 0,005 до 1,5 мм.

Пневмокласифікація

На збагачувальних фабриках процес пневмокласифікації застосовується для пиловловлення і знепилення.

В повітряних класифікаторах, як правило, розділення здійснюється на два продукти: крупний і дрібний. Якщо необхідно одержати декілька продуктів різної крупності, послідовно установлюють декілька пневмокласифікаторів.

Джерелом утворення промислового пилу на збагачувальних фабриках являються дрібніші мінеральні частинки, що містяться у корисної копалині, а також утворюються при її дробленні і сухому подрібненні. Особливо сильне пилоутворення відбувається при дробленні і сухому подрібненні, грохоченні, пневматичному збагаченні, сухої магнітної сепарації, електросепарації, транспортуванні сухих продуктів по жолобам і трубам, в містах перевантаження сухих продуктів, при роботі сушильних апаратів і т.д. Вміст пилу у повітрі характеризується масовою кількістю пилу у одиниці об’єму і виражається у мг/м³.

Залежно від крупності твердих частинок розрізняють таки категорії пилу:

– крупний пил з частинками розміром від 100 до 500 мкм;

– дрібний пил з частинками розміром від 10 до 100 мкм;

– тонкий пил з частинками розміром від 0,1 до 10 мкм;

– дуже тонкий пил з частинками розміром менш 0,1 мкм.

Знепилення і пиловловлення – процеси віддалення пилу з корисної копалини або продуктів збагачення. При цьому з продукту відділяється клас визначеної крупності, звичайно клас 0 – 0,5 мм.

Знепилення і пиловловлювання здійснюється в апаратах різної конструкції, ефективність роботи яких оцінюється показником ступеня пиловловлювання (знепилення) Е, що виражається відношенням кількості вловленого пилу до його кількості у вихідному продукті:

, (10.13)

де γ_вих – вміст пилу у повітрі, що поступає на очищення, мг/м³; γ_оч – вміст пилу у повітрі після очищення, мг/м³.

Продукти збагачення звичайно знепилюють двома способами: мокрим (на грохотах і у гідроциклонах) і сухим (на грохотах і повітряних класифікаторах).

Мокре знепилення (знешламлення) практично не відрізняється від підготовчих процесів на грохотах і у гідроциклонах. Основна особистість знепилення на грохотах – використання сит з відносно дрібними отворами.

Знепилення повітряною класифікацією здійснюється у вертикальних, горизонтальних і комбінованих потоках.

Сухе знепилення в повітряних класифікаторах – знепилювачах здійснюється повітряним струменем, що пропускається скрізь шар рухомого матеріалу. При цьому повітряний потік захоплює дрібні частинки і відносить їх до системи пиловловлення. Крупні частинки, що випадають з повітряного потоку, направляються у збірник знепиленого продукту. Розрізняють відцентрові, камерні, жалюзійні, вібраційні та інші типи знепилювачів, але найбільше застосування у практиці збагачення знайшли відцентрові знепилювачі.

В відцентровий знепилювач (рис. 10.1) вихідний матеріал через лійку 1 поступає на диск 2, що обертається.

Під дією відцентрової сили матеріал скидається з диску до стінок внутрішньої камери 3 і зсипається по жалюзі 4 в внутрішній конус 5. Тут матеріал пронизується висхідним повітряним потоком , що створюється вентилятором 6, який одержує обертання від валу 7 сумісно з диском 2. Частинки пилу захоплюються повітряним потоком, поступають на лопатки ротору вентилятору і викидаються ними до стінок зовнішньої циліндричної камери 8. Пилові частинки рухаються по спіралі у низ у конічну дільницю зовнішньої камері 9 до розвантажувального патрубку 10 і виводяться з апарату. Знепилений продукт зі знепилювача віддаляється через конус 5 і патрубок 11. Повітря, що викидається вентилятором у зовнішню камеру, по спіралі спускається у низ, проходе через жалюзі 4, повертається у камеру 3 і направляється скрізь шар матеріалу в вентилятор 6. Таким чином, повітря циркулює у знепилювачі і він одночасно являється ще й пиловловлювачем.

Ефективність роботи відцентрового знепилювача залежить від швидкості руху повітряного потоку через внутрішню камеру – з її збільшенням підвищується вилучення пилу у пиловий продукт, але з ним можуть уноситься і крупні частинки. Ефективність роботи знепилювача залежить також і від вологості вихідного продукту: при вологості 5 % – ефективність знепилення складає 70 – 80 % , а при збільшенні вологості – знижується до 25 – 30 % . Крім того, важною умовою ефективної роботи знепилювача являється його повна герметизація від підсмоктувань атмосферного повітря.

Як збагачувальний апарат відцентровий знепилювач застосовується при збагаченні азбесту, частинки якого значно легше породних і виносяться з апарату у зваженому стані в пиловловлюючі циклони.

Для очищення запиленого повітря і газу на збагачувальних фабриках застосовують механічні і електричні способи пиловловлення. До механічних відносяться способи, що використовують силу ваги, відцентрову силу, фільтрування через пористу перегородку і зрошення запиленого повітря водою. Вибір способу пиловловлення залежить від властивостей і коштовності пилу, що вловлюється, необхідного ступеня очищення, температури повітря або газу, що очищується і т.п.

Камерні пиловловлювачі (рис. 10.2) призначені для виділення крупного пилу (більш 100 мкм) з потоків запилених газів.

Потік газу при попаданні в осаджувальну камеру, що має значно більшу площу поперечного перетину, різко знижає швидкість руху і частинки пилу під дією сили ваги осаджуються у нижню дільницю камери, звідкіля вивантажуються тим або іншим способом. Очищений від крупного пилу газ виходе з камери у подальшу стадію пиловловлення. Ефективність пиловловлення цих апаратів складає 40 – 60 % . Пиловловлюючі камери дуже громіздкі, тому застосовуються обмежено (напр., як розвантажувальні камери барабанних сушарок).

Циклони(рис. 10.3) відносяться до пиловловлювачів інерційного типу і призначені для уловлення пилу крупністю більше 10 мкм. Принцип дії циклонів складається у тому, що пилогазова суміш подається по дотичної до внутрішньої поверхні циліндричної частини корпусу і рухається по гвинтової лінії зверху униз. Частинки пилу під дією відцентрових сил прижимаються до внутрішніх стінок циклону і під дією газового потоку і сили ваги рухаються по спіралі униз, де розвантажуються через спеціальний насадок у конічної частині циклону. Очищене від пилу повітря віддаляється через осьовий патрубок у верхньої частині циклону. Ефективність очищення повітря у циклонах складає 60 – 80 % .

Батарейні циклони призначені для виділення пилу крупністю до 5 мкм і представляють собою агрегати, що складаються з окремих невеликого розміру циклонів, яки функціонують паралельно. Застосовують батарейні циклони різні за конструкцією, розмірами, способом підводу газу і т.д.

Відцентровий пневмокласифікатор (рис. 10.4) призначений для роботи в замкненому циклі з млинами в схемах приготування пиловугільного палива.

Вихідний матеріал (аеросуміш) в класифікатор подається повітрям знизу по трубі 1 зі швидкістю 18 – 20 м/с, що забезпечує підйом частинок вугілля крупністю до 5 мм. При виході з живильної труби швидкість аеросуміші знижується до 4 – 6 м/с. Найбільш крупні частинки випадають з потоку, осаджуються на внутрішньої поверхні конусу 1 і самопливом повертаються у млин по патрубку 4.

Дрібні частинки уносяться потоком в верхню частину конусу і при переході через тангенціально установлені лопатки 5, одержують радіальний рух. Далі процес розділення відбувається у відцентровому полі. Клас середньої крупності за допомогою патрубка 6 приєднується до крупного класу, а готовий дрібний продукт виноситься потоком повітря через патрубок 7.