Пылегазоочистка при обработке полезных ископаемых

В. Г. Самойлик








ПЫЛЕГАЗООЧИСТКА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.7
ББК 33.4
     С17



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики ГОУВПО «ДОННТУ» Борщевский Сергей Васильевич;
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко Хилько Светлана Леонидовна





    Самойлик, В. Г.
С17     Пылегазоочистка при обработке полезных ископаемых : учебное по-
     собие / В. Г. Самойлик. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -252 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1258-2

     Приведены сведения по обеспыливанию и пылеулавливанию на предприятиях по переработке полезных ископаемых. Изложены теоретические основы процесса обеспыливания, описан принцип действия различных типов обеспыливающих установок. Рассмотрены основные характеристики пыли, технические средства и мероприятия по снижению запыленности воздуха производственных помещений. Дано подробное описание существующих методов и аппаратов для очистки пылегазовых потоков. Приведены методики выбора и расчёта различных типов промышленных пылеуловителей.
    Для студентов технических и горных специальностей.

                                                            УДК 622.7
                                                            ББК 33.4









ISBN 978-5-9729-1258-2

     © Самойлик В. Г., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


Введение.........................................................5
Глава 1. Обеспыливание полезных ископаемых.......................7
1.1. Теоретические основы обеспыливания..........................8
1.2. Эффективность обеспыливания................................10
1.3. Конструкции обеспыливателей................................12
  1.3.1. Гравитационные классификаторы..........................13
  1.3.2. Центробежные классификаторы............................19
  1.3.3. Пневмовибрационные обеспыливающие установки............23
  1.3.4. Обеспыливание на грохотах..............................25
Глава 2. Источники пылеобразования на обогатительных фабриках и мероприятия по борьбе с пылью.................................28
2.1. Источники образования пыли на обогатительных фабриках......28
2.2. Предельно допустимые концентрации пыли.....................29
2.3. Технические средства и мероприятия по снижению запыленности воздуха производственных помещений..............................33
  2.3.1. Укрытие оборудования...................................33
  2.3.2. Аспирация производственных помещений...................37
  2.3.3. Увлажнение исходного материала и продуктов переработки.38
  2.3.4. Уборка осевшей пыли....................................39
  2.3.5. Проект комплексного обеспыливания......................40
Глава 3. Свойства пыли..........................................45
3.1. Дисперсный состав..........................................45
3.2. Плотность частиц пыли......................................51
3.3. Аутогезионные свойства частиц пыли.........................53
3.4. Гигроскопические свойства пыли.............................57
3.5. Смачиваемость пыли.........................................58
3.6. Абразивность частиц пыли...................................61
3.7. Электрическая проводимость пыли............................62
Глава 4. Классификация методов и аппаратов для очистки пылегазовых потоков.............................................66
4.1. Классификация методов пылеулавливания......................66
4.2. Основные характеристики пылеуловителей.....................70
Глава 5. Гравитационно-инерционные пылеуловители................74
5.1. Пылеосадительные камеры....................................75
5.2. Инерционные пылеуловители..................................77
5.3. Циклоны....................................................82
  5.3.1. Принцип действия циклонного пылеуловителя..............82
  5.3.2. Конструкции циклонов...................................85
  5.3.3. Выбор и расчёт циклонов................................92
5.4. Батарейные циклоны.........................................98
  5.4.1. Конструкции батарейных циклонов.......................100
  5.4.2. Расчёт батарейных циклонов............................106
5.5. Вихревые пылеуловители....................................110

3

  5.5.1. Конструкции вихревых пылеуловителей..................111
  5.5.2. Выбор вихревых пылеуловителей........................116
Глава 6. Улавливание пыли фильтрованием.......................120
6.1. Характеристики пористой перегородки......................120
6.2. Механизм процесса фильтрации.............................122
6.3. Классификация фильтров...................................125
6.4. Тканевые фильтры.........................................125
  6.4.1. Рукавные фильтры.....................................126
  6.4.2. Картриджные фильтры..................................146
  6.4.3. Рулонные фильтры.....................................152
6.5. Зернистые фильтры........................................156
6.6. Расчёт рукавных фильтров.................................158
Глава 7. Мокрые пылеуловители.................................163
7.1. Полые скрубберы..........................................165
7.2. Центробежные скрубберы...................................168
7.3. Тарельчатые скрубберы....................................172
7.4. Ударно-инерционные скрубберы.............................179
7.5. Скрубберы Вентури........................................182
Глава 8. Электрофильтры.......................................190
8.1. Принцип действия электрофильтров.........................191
8.2. Устройство электрофильтров...............................193
8.3. Эффективность пылеулавливания в электрофильтрах..........197
8.4. Факторы, влияющие на эффективность пылеулавливания в электрофильтрах.............................................198
  8.4.1. Скорость газа в активном сечении аппарата............198
  8.4.2. Электрические параметры электрофильтра...............199
  8.4.3. Концентрация и дисперсность частиц...................200
  8.4.4. Удельное электрическое сопротивление пыли............200
  8.4.5. Свойства очищаемого газа.............................201
8.5. Конструкции электрофильтров..............................202
  8.5.1. Электрофильтры пластинчатые, горизонтальные, сухие...202
  8.5.2. Электрофильтры пластинчатые вертикальные сухие.......209
  8.5.3. Электрофильтры мокрые................................211
8.6. Расчёт электрофильтров...................................213
Заключение....................................................217
Список литературы.............................................220
Приложение 1..................................................225
Приложение 2..................................................226
Приложение 3..................................................227
Приложение 4..................................................233
Приложение 5..................................................235
Приложение 6..................................................241
Приложение 7..................................................243

4

ВВЕДЕНИЕ


     Настоящее учебное пособие предназначено для более глубокого изучения студентами дисциплины «Вспомогательные процессы обогащения».
     К вспомогательным процессам обогащения полезных ископаемых относятся (по классификации института «Механобр») следующие процессы:
     -  обезвоживание;
     -  фильтрование;
     -  сгущение пульп;
     -  сушка;
     -  обеспыливание и пылеулавливание;
     -  окускование.
     В данное учебное пособие включены процессы обеспыливания и пылеулавливания, так как остальные перечисленные выше процессы излагаются в отдельно выделенных дисциплинах «Обезвоживание продуктов обогащения, кондиционирование и очистка сточных вод», «Окускование минерального сырья».
     Дисциплина «Вспомогательные процессы обогащения» - это область научных представлений об особенностях процесса пылеобразования на обогатительных фабриках, методах обеспыливания и пылеулавливания. Эта дисциплина является неотъемлемой частью комплекса дисциплин по подготовке специалистов по направлению «Горное дело».
     Цель изучения дисциплины - получение информации о способах обеспыливания исходных продуктов переработки, об особенностях различных процессов пылеулавливания; формирование у студентов теоретических представлений о процессах обеспыливания и пылеулавливания, о конструктивных особенностях аппаратов и систем, обеспечивающих заданную эффективность удаления пыли.
     В результате изучения дисциплины студент должен знать место и роль процессов обеспыливания и пылеулавливания в технологических схемах обогащения полезных ископаемых; принципы регулирования и расчёта производительности аппаратов; средства очистки промышленных выбросов в атмосферу.
     Изучение дисциплины обусловливает приобретение умений, необходимых для: определения рациональной технологии обеспыливания и пылеулавливания; составления и расчёта технологических схем; выбора необходимого оборудования; организации управления процессами обеспыливания и пылеулавливания на обогатительных фабриках.
     Дисциплина относится к профессиональному циклу базовой части учебного плана.
     Базируется на знаниях и умениях, которые студент приобрел при освоении предшествующих дисциплин: «Физика», «Физическая химия», «Органическая химия», «Высшая математика», «Основы переработки минерального сырья», «Теория разделения минеральных ресурсов» и др. Кроме этого студенты должны обладать базовыми знаниями основ математики, информатики и статистики.

5

     Знания и умения, приобретенные при освоении данной дисциплины, реализуются студентом при прохождении производственной практики, государственной итоговой аттестации и в дальнейшей своей производственной деятельности на обогатительной фабрике.
     В учебном пособии последовательно раскрываются вопросы, связанные с процессами обеспыливания полезных ископаемых, мероприятиями по борьбе с пылью на обогатительных фабриках, основными характеристиками пыли. Приведена классификация методов и аппаратов для очистки пылегазовых потоков, рассмотрены основные характеристики пылеуловителей, оказывающих влияние на эффективность их работы. Подробно рассмотрены типы, конструктивные особенности и технические характеристики гравитационно-инерционных пылеуловителей; рукавных, рулонных и зернистых фильтров; мокрых пылеуловителей; электрофильтров. Приведены методики и примеры расчёта различных типов пылеулавливающего оборудования.
     Учебное пособие будет полезно для работы студентам и аспирантам технических и горных специальностей, работникам промышленных предприятий, инженерно-техническим работникам.

6

Глава 1


ОБЕСПЫЛИВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

     Обеспыливанием называют процесс удаления пыли из полезного ископаемого или продуктов обогащения.
     Процесс обеспыливания основан на классификации, так как при обеспыливании из продукта удаляют тем или иным способом класс определенной крупности, максимальный размер частиц которого зависит от минерального состава исходного продукта. Так, при обогащении углей и асбестовых руд обеспыливание проводят по крупности 0,5 мм, а при переработке руд чёрных и цветных металлов в пылевой продукт выделяют класс 0-0,1 мм.
     Удаление классов такой крупности может осуществляться сухим способом (обеспыливание), или мокрым (обешламливание).
     Применение операций обеспыливания обусловлено тем, что при обогащении некоторых полезных ископаемых пыль снижает эффективность разделения, равномерно распределяясь между концентратом и отходами. Особенно вредное влияние пыль оказывает на эффективность пневматических методов обогащения. Повышенное содержание пыли в питании пневмосепаратора приводит к уплотнению постели, что существенно затрудняет процесс поддержания её разрыхленности в необходимых пределах и существенно увеличивает значение параметра Epm. В работе [1] установлена логарифмическая регрессионная зависимость параметра Epm от среднего размера частиц d:

Epm = -42,95Ln(d) + 203,8.

     Применение обеспыливания перед сухой магнитной сепарацией способствует улучшению условий сепарации и получению более качественного концентрата [2].
     Операции обеспыливания достаточно широко применяются при обогащении углей, в особенности, в условиях Крайнего Севера. Обеспыливание углей позволяет уменьшить подачу материала на отсадочные машины и обезвоживающее оборудование, а также сократить объёмы подлежащих обработке шламовых вод. Выделение пыли в сухом виде в начале технологического процесса из окисленных углей Кузбасса приводит к резкому возрастанию эффективности флотации (удельная эффективность флотационных машин увеличивается примерно в 2 раза) [3].
     Обеспыливание является основной технологической операцией при обработке черновых концентратов, получаемых при обогащении асбестовых руд.
     Качество асбестовых концентратов оценивается по массовой доле волокна основного сита контрольного аппарата, пыли (фракции 0-0,4 мм), гали (частиц сопутствующей породы размером более 0,4 мм и менее 4,8 мм). Увеличение массовой доли пыли в готовой продукции снижает прочностные характеристики асбестоцементных изделий.

7

      Недостаток применяемых методов извлечения свободных волокон асбеста из раздробленной руды заключается в том, что одновременно с асбестом из руды увлекается и значительное количество находящейся в ней пыли (до 35-40 %) и гали (до 40-45 % веса извлеченного асбеста). Получаемый черновой концентрат приходится обеспыливать и очищать от мелкой раздробленной породы.
      Перечистка черновых концентратов осуществляется в операциях классификации (на обеспыливателях, классификаторах) и обезгаливания (на грохотах с отсасыванием волокна пневмосистемами, сепараторах, обезгаливателях).
      Для операции классификаций применяются асбестовые обеспыливатели АО-61, барабанные классификаторы БК, грохоты инерционного действия ГИД-1500, ГИД-2000, грохоты кругового движения ГКД («Холл») [4, 5].


1.1. Теоретические основы обеспыливания

     Для обеспыливания полезных ископаемых чаще всего применяют воздушную классификацию материала, которая осуществляется подачей струи воздуха навстречу движущемуся потоку материала.
     Рассмотрим свободное падение частицы в воздухе (рис. 1.1).


Рисунок 1.1 - Схема свободного падения твёрдой частицы в воздушной среде

     Пусть твёрдая частица, имеющая массу т, свободно падает под действием силы тяжести Go. В первый начальный момент времени частица будет падать под действием ускорения свободного падения, но т. к. воздух оказывает сопротивление движению частицы, через некоторое время частица будет падать с определенной постоянной скоростью без ускорения. Таким образом, скорость падения частицы в вязкой среде, которой является воздух, не может беспредельно возрастать, а с течением некоторого времени достигает своего наибольшего значения (конечная скорость падения Ук), которая сохраняется во все последующее время падения. Если твёрдую частицу поместить в восходящий воздушный поток, частица зависнет в нём, т. е. будет витать.
     Средняя скорость восходящего воздушного потока, при которой частица не будет иметь вертикального перемещения, а будет находиться во взвешенном состоянии, называется скоростью витания (У в).
     Скорость витания частицы равна конечной скорости падения частицы в неподвижном воздухе.

8

      Таким образом, конечная скорость падения частиц в восходящем потоке определяется исходя из условия равенства действующих на них во взаимно противоположных направлениях сил тяжести Go и динамического давления потока (сила сопротивления движению частицы R).
     По закону Архимеда сила тяжести шара в среде составляет
Gₒ = "d- (8 - Л) g,
6
где d - диаметр частицы, м;
      8 - плотность частицы, кг/м³;
      А - плотность среды, кг/м³;
      g - ускорения свободного падения (g = 9,81 м/с²).
      Установлено, что при малых скоростях и малых размерах частиц (менее 60 мкм) сопротивление среды определяется законом Стокса следующим выражением
R = -o.udV.,


где V. - конечная скорость падения частицы, м/с; U - динамическая вязкость среды, Па-с.
     Из условия равенства Go и R получим


^d-(⁸ ⁻ л⁾ g = ³~/<'‘/Г., 6

откуда

Vk = -ПГ2(²(8 - Л) м/с.
    18ц

(1.1)

      При падении частиц в воздухе, приняв значение А = 1,23 кг/м³ и и = = 0,000018 Па-с

VK = 3027d² (8 -1,23) м /с.


(1.2)

     Данные формулы справедливы для расчёта скорости падения частиц крупностью 1-60 мкм.
     Для частиц крупностью 0,12-0,85 мм определение скорости конечного падения в воздухе находят по эмпирической формуле Аллена (значение числа Рейнольдса будет в пределах 10<Re<1000)

VK = 40,6 ■ -](8-1,23 )2d.


(1.3)

      В процессе воздушной классификации отделение пыли производится из вертикальных и горизонтальных потоков исходного продукта. Количество воздуха V (м³/с), подаваемого в камеру пылеотделителя, зависит от скорости газа (воздуха) Vo (м/с) и площади сечения камеры F. (м²)

V = dF, м³/с,

9

откуда можно определить необходимое сечение камеры

F = —     2
F — , м². г г

      Скорость потока (м/с) воздуха дукта определяется по формуле [2]

в момент пересечения им исходного про-

Vг = mVK,


(1.4)

где —к - конечная скорость падения частицы пыли заданной крупности, м/с;
      m - коэффициент, зависящий от массовой концентрации пыли (Пк) в пылегазовой смеси (табл. 1.1).


8п
ⁿk = ~~
⁽'воз


где 8п - масса пыли, отделяющейся из исходного продукта при обеспыливании, кг;
     8воз - масса воздуха, подаваемого в обеспыливающий аппарат, кг.


Таблица 1.1
Значение коэффициента m в функции концентрации пыли Пк

Пк   до 1     1-2     2-10   10-15   >15  
m  1,25-1,3 1,35-1,5 1,5-2,0 2-2,5 2,5-3,0

1.2. Эффективность обеспыливания

     Работа обеспыливающей установки характеризуется степенью извлечения пыли и КПД обеспыливающего аппарата.
     Отношение количества пыли, извлеченной в пылевой продукт, к количеству пыли, содержащийся в исходном материале, называется степенью обеспыливания или степенью извлечения пыли.
     КПД обеспыливания учитывает степень извлечения и количество материала крупнее заданного (граничного) размера, который попадает в пылевой продукт.
     Обозначим:
     а - содержание пыли в исходном материале, %;
     рп - содержание пыли в пылевом продукте, %;
     f>ₙ - содержание пыли в обеспыленном продукте, %;
     уп - выход пылевого продукта, % от исходного;
     Уо - выход обеспыленного продукта, % от исходного.


10

     При полном извлечении пыли в пылевой продукт и крупного в обеспыленный продукт

 у, = а; р, = 100; flo = 0.

Составим уравнение материального баланса по пыли

       100а у,Рп + уо !>«;            
Откуда Г. - '-^.                 (1.5)
                    Рп Ро             

На основании определения степени извлечения пыли в пылевой продукт

 Sn - Рп7ап.                                 (1.6)

Подставляя в выражение 1.6 значение у, (1.5), получим

 Сп 100'рк - Р), %.                      (1.7)

     Степень извлечения крупного материала в обеспыленный продукт определяется как отношение количества крупных классов, попавших в обеспыленный продукт, к количеству крупного продукта, содержащегося в исходном

 Р Р У           
 ЬК             ,
        а        

где рк - содержание крупного материала в обеспыленном продукте, %; уо - количество (выход) обеспыленного продукта, %;
     ак - содержание крупного материала в исходном, %.

      рк = 100 - Ро; уо = 100 - у,; ак = 100 - а.         
Тогда - \Ю° - Ро I100 - Г„)                   п ~         
      " -      100 - а      .                        (1.8)

Подставляя значение у, из уравнения материального баланса по пыли

(1.5), получим „ -100 ■ - Ро ID, - а) %                       
               '   Р - Ро \1Ю - а) ’ %.                  (1.9)

11

      Коэффициент полезного действия обеспыливателя равен единице, если вся пыль попадает в пылевой продукт, а весь крупный материал - в обеспыленный, т. е. в этом случае

Л = ⁱ:':- = ¹


      В общем виде коэффициент полезного действия определяется по формуле

Л =

р„ (100 - P р - а\д - P) а (100 - a р - PQ)²


, (доли ед.).

(1.10)

     КПД пылеулавливания (ц) можно выразить через массовые показатели, как отношение массы уловленной пыли Qyₓ. к массе пыли Qₑₓ., поступающей в пылеулавливающий аппарат

Л = 100^%.                          (1.11)
Qex.


1.3. Конструкции обеспыливателей

     Полезные ископаемые и продукты обогащения обеспыливают в аэродинамических классификаторах различной конструкции, пневмовибрационных обеспыливающих установках, на грохотах и в аппаратах специальных конструкций [2, 3, 6-8].
     Аэродинамические классификаторы относятся к аппаратам объёмного типа преимущественно непрерывного действия. Разделение в классификаторах осуществляется, в основном, в турбулентных двухфазных потоках одновременно по размеру, плотности и форме частиц, составляющих исходную смесь. В зависимости от сил, оказывающих определяющее влияние на частицы при их разделении по крупности, аэродинамические классификаторы разделяются на гравитационные и центробежные. В зависимости от характера движения воздуха они подразделяются на проходные и замкнутые (циркуляционные). В последних материал загружается и выгружается из сепаратора механическим способом.
     На рис. 1.2, а показана схема простейшего гравитационного классификатора. Исходный материал подаётся в восходящий поток воздуха, переходит в состояние сквозного газодисперсного потока, после чего мелкие частицы под действием преобладающих сил аэродинамического сопротивления выносятся вместе с воздухом в тонкий продукт, а крупные - под действие преобладающих сил тяжести - в нижнюю часть классификатора, откуда выводятся в обеспыленный продукт. Такой принцип классификации может быть использован для выделения в пылевой продукт частиц крупностью менее 0,5 мм.
     Переход к разделению по тонким классам (менее 200 мкм) требует значительного увеличения массовых сил по сравнению с силой тяжести. Это достигается использованием центробежных сил инерции переносного движения, воз



12