Главное, не обогащать ничего лишнего

Дилемма снижения качества минерально-сырьевой базы и требования потребителей к постоянному повышению мономинерализации концентратов, решается технологиями глубокого обогащения полезных ископаемых.

Проблема глубокого обогащения ископаемых углей состоит в том, что качество этого вида углеродного сырья определяет его энергетическую и химическую ценность. Между тем, добываемые угли содержат, кроме углерода, ряд других минеральных фаз, составляющих от 8% до 50% товарной массы угля. Эта породная минерализация значительно снижает энергетическую отдачу использования угля в ТЭС и повышает экологические проблемы утилизации и складирования золы. Зольность главная экологическая проблема при потреблении ископаемых углей, приводящая, в этой связи, к снижению их товарных, потребительских, качеств.

Современные технологии мокрого и сухого гравитационного обогащения угольного сырья промышленно реализуется для сравнительно крупных, более 5 мм, фракций угля с переводом существенной части золы в мелкие фракции. При этом достигаемая степень снижения зольности зачастую уже недостаточна для эффективного применения в последующем промышленном производстве.

Становится всё более очевидным, что требуемого снижения зольности следует добиваться, прежде всего, путём максимального раскрытия фаз — углеродной составляющей и всех сопутствующих минералов таких как кварц, сульфиды, магнитные минералы и подобные. Такое раскрытие, как правило, прямо пропорционально степени помола и определяется, прежде всего, минеральными фазами углей, то есть золой.

Однако, чем тоньше помол исходного угля, тем существеннее снижается эффективность и рентабельность мокрых технологий обогащения. Малоэффективными в крупности частиц менее 1 мм становятся и сухие воздушные сепараторов ввиду недостаточной контрастности разделяемых фаз угля, а именно горючей фазы и породных минералов, по объёмной плотности.

Кроме того, мокрое обогащение при таком помоле приводит к применению таких объёмов воды, которые по массе могут на порядок превосходить массу перерабатываемых углей. Отсюда вырастают материальные затраты на обезвоживание и экологические мероприятия.

Традиционно в технологии полезных ископаемых используются процессы дробления и измельчения, флотации или мокрой магнитной сепарации и гравитации, обезвоживания и сушки концентратов, складирования хвостов, а также операции обезвоживания отходов производства — э кологические з атраты. Поскольку все используемые ресурсы этих операций, такие как вода, флотореагенты, энергия, сетки, фильтры, машины, изготавливаются с использованием энергии, то проблема ресурсосбережения, т. е. повышения рентабельности бизнеса, сводятся фактически к максимально возможному снижению энергозатрат.

На сегодняшний день энергосбережение, снижение удельных затрат энергии и сырья в каждой технологической операции до физически возможных — одна из наиболее актуальных задач, стоящих перед любым промышленным предприятием, а перед горнодобывающем — в особенности. В сфере науки об обогащении полезных ископаемых постулированы два главных принципа — не дробить ничего лишнего и не обогащать ничего лишнего, которые и определяют все возможные тенденции энергосбережения. На современном этапе развития науки о горно-обогатительном переделе не дробить ничего лишнего — это значит стремиться:

— минимизировать разубоживание при добыче полезного ископаемого;
— использовать предобогащение крупно кускового материала с попутным извлечением щебня и т. п.;
— уменьшать применение шаров и стержней, на «измельчение» которых приходится львиная доля затрачиваемой энергии.

Не обогащать ничего лишнего — это значит, что нужно стремиться:
— к тому, чтобы всё, что пришло в технологию обогащения из добычного карьера стало товаром;
— по возможности минимизировать применение воды и флотореагентов, в целом, так как с нею связаны основные энергетические (капитальные и эксплуатационные) затраты на обогащение (гидротранспорт, обезвоживание и сушка очистка сточных и оборотных объёмов воды).

Однако на практике чаще всего пока разубоживаем (водой в десятки раз), измельчаем лишнее (шары, футеровку), тратим энергию на отделение влаги и шламов.

Поэтому в научном сообществе главной тенденцией энергосбережения признана и разрабатывается идея сухих технологий обогащения. К ним относятся:
— сухие технологии дробления;
— сухие методы гравитационного, магнитного, электростатического обогащения, РРС, РЛС, пневмосепарация, пневмовиброконцентрация.

Обогащение полезных ископаемых — комплекс технологий, нацеленных на механическое разделение минеральных агрегатов. Реализация этих технологий осуществляется с использованием гравитационной магнитной, электрической и тепловой энергий, а также их комбинаций.

Перемещение каждой частицы в конкретной технологической операции осуществляется за счёт энергии взаимодействия поля и частицы, которая обладает собственной энергией в этом поле. Величина (вектор) перемещения определяется энергетическими параметрами как поля, так и соответствующего ему заряда частицы. Эффективность перемещения (разделения) частиц, таким образом, определяется величиной потенциальной энергии их в заданном силовом поле. Отсюда следует, что все методы механического обогащения сводятся к энергосепарации — разделению частиц по величине (и знаку) их энергии в соответствующем разделяющем поле.

Физической базой концепции энергосбережения в технологиях ОПИ является то, что затраты энергии на перемещение частиц руды не зависят от природы силовых полей — инвариантны [179,186]. Так, работа силы тяжести (гравитационного поля) равна изменению потенциальной энергии в гравитационном поле (1):

A_g =m\times g \times \Delta h = -W_p

в электростатическом поле эта работа равна (2):

A_q = q \times E \times \Delta d

и в поле постоянных магнитов соответственно (3):

A_m = F_m \times \Delta s = x_0 \times m \times H \times gradH \times \Delta s

где m, q, χ_о — гравитационный, электрический и магнитный заряды частицы; g, E, H — напряжённость силового поля; Δh, Δd, Δs — смещение заряда (путь) в соответствующем поле. Расчёты по этим формулам показывают, что при перемещении в воздушной среде на Δh = 0,1 м (этого вполне достаточно для операции разделения сепарируемой смеси) затраты энергии на 1 т исходной руды составят: Ag=1•1000кг•9,81м/с•0,1м=~1•103, Дж/т, что эквивалентно ~ 0,278 Вт•ч/т.

В электростатическом поле таким затратам соответствуют практически реализуемые напряжённость поля Е = 5•105В/м и удельный заряд q/m = 2•10-5Kл/кг. Ag=Aq=5•105В/м•2•10-5Кл/кг•1•10-1м• 1•103кг=1•103Дж/т=0,278Вт•ч/т.

Все главные технологические операции при переработке минерального сырья осуществляются путём преобразования одного вида энергии в другой, и это происходит согласно закону сохранения энергии. При этом энергетические параметры процесса трансформации ограничиваются физическими свойствами той среды, через которую эта энергия передаётся [55]. В материальной среде плотность потока энергии U ограничивается выражением (вектором Умова-Поинтинга) общего вида (4):

U \lt v \times F

где v — cкорость распространения деформаций; F — плотность энергии, которая может быть упругой, либо тепловой.

Оценивая плотность потока энергии в магнитном и электростатическом полях, П.Л. Капица приводит следующие данные. В магнитном поле между ротором и статором электрогенератора напряжённость H ограничивается насыщением железа и не превышает 2 Тл. При этом плотность потока энергии получается ~10 МВт/м2. В электростатическом поле, где напряжённость E ограничена электрической прочностью воздуха, равной 30 кВ/см, плотность потока энергии составит 250 Вт/м2. В технической электросепарации напряженность поля фактически не превышает 3–5 кВ/см (ввиду наличия большого количества заряженных частиц в электростатическом поле). Поэтому величина плотности потока энергии в электростатических сепараторах составляет проктически ~2,5–6,9 Вт/м2. Не останавливаясь пока на конструктивных особенностях магнитных и электрических сепараторов из выше сказанного можно сделать вывод о том, что магнитные сепараторы могут обеспечить более высокую производительность (передать энергию массо-потоку частиц), чем электростатические.

Используя вектор Умова-Поинтинга можно оценить величину энергии ремённой передачи, например, в приводе дробилок и мельниц. В этом случае произведение скорости ремня на его упругое натяжение даёт мощность, которая ограничивается только прочностью ремня и практически может быть очень высокой.

При тепловой сушке продуктов обогатительного передела плотность потока тепловой энергии так же определяется градиентом температуры и свойствами среды (стенок тепловых агрегатов, атмосферы), через которую течёт тепловая энергия. Так в [205] приводятся экспериментальные данные того, что плотность потока тепловой энергии при испарении воды может составлять 1500 кВт/м2 (1,5 МВт/м2).

Все главные технологические операции в ОПИ обладают свойствами вероятностных процессов — дисперсией разделительного признака. Чем меньше дисперсия разделительного признака, тем выше его контрастность, тем больше вероятность (эффективность) реализации конечной цели той или иной технологической операции обогащения.

При гравитационном обогащении разделительный признак — плотность со стопроцентной вероятностью задан природой. Неизменность параметров силового поля гравитации в объёме сепаратора также гарантирована природой (массой Земли, во много раз превышающей массу сепарируемого материала). В этих условиях физически обоснованные затраты на разделение минералов, как показано, составляют ~0,3 Вт•ч/т. Однако, при технической реализации в водной среде расход электроэнергии может доходить до 100–1000 Вт•ч/т.

Магнитные методы обогащения также обеспечены природой достаточно высокой плотностью энергии поля и контрастностью магнитных свойств. Поэтому в подавляющем большинстве технически реализованных магнитных сепараторов со слабым полем расход энергии составляет от 10 до 100 Вт•ч/т. При этом следует иметь ввиду, что в отличие от поля гравитации магнитное поле сепаратора ограничено в пространстве конкретной конструктивной схемой аппарата. Его напряжённость уменьшается с увеличением расстояния от полюса и увеличением количества магнитных частиц сепарируемой смеси. Эти факторы приводят к снижению эффективности и производительности магнитного обогащения.

При электросепарации вероятность отклонения частицы на заданную величину определяется уже несколькими вероятностями: меняющимися значениями напряжённости электрического поля в рабочем промежутке сепаратора, величины заряда частицы и её координаты (в поле). Чтобы реализовать вероятность достаточной напряжённости, необходимо учитывать поле, образуемое суммарным зарядом сепарируемых частиц. Вероятностный характер распределения частиц по удельным зарядам требует дополнительных затрат энергии на обеспечение процесса электризации числом актов зарядки, повышением температуры или понижением влажности окружающей среды и сепарируемой смеси. А так же добавляются затраты на привод (вращение) осадительных электродов барабанных сепараторов. В результате физически необходимые затраты энергии на электросепарацию ~0,3–1,0 Вт•ч/т возрастают от 10–100 Вт•ч/т у электро-статических сепараторов свободного падения до 100–1000 Вт•ч/т у барабанных коронно-электростатических.

При флотации вероятность для частицы стать гидрофобной и перейти в концентрат (пену) равна произведению четырёх вероятностей [164]:

— вероятность столкновения частицы с пузырьком;

— вероятность закрепления на пузырьке;

— вероятность удержания на пузырьке до выхода в пуну;

— вероятность удержания в пенe.

Для практической реализации всех этих вероятностей производят интенсивную аэрацию и перемешивание пульпы, введение флотореагентов и нагрев пульпы, увеличение времени флотации и количества перечистных операций. В результате практические затраты на флотацию эквивалентны ~100000 Вт•ч/т и более, т. е. в 105 раз больше теоретически необходимых.

Обезвоживание и сушка так же обладают всеми свойствами вероятностных процессов. Гравитационная влага — основной объём воды в продуктах обогащения, наиболее легко отделяется от твёрдых частиц именно за счёт сил гравитации. Глубокое обезвоживание — сушка в современном техническом исполнении основана на эффекте испарения большого числа молекул воды. С учётом повышенной удельной теплоёмкости фазовых переходов для воды достижение 100% вероятности испарения даже теоретически требует затрат энергии ~2,3•106 Дж на каждый килограмм испарённой влаги. Промышленная тепловая сушка имеет к.п.д. ~40%. Поэтому при удалении 15% влаги расход энергии в электрическом эквиваленте практически достигает 285 кВт•ч/т высушиваемого продукта. К этому следует добавить, что вся энергия, расходуемая на нагрев пульпы при флотации и сушку концентратов (до 400 кВт•ч/т) затем безвозвратно рассеивается в атмосферу, нарушая тепловой баланс планеты.

При дроблении и измельчении возникает необходимость повысить вероятность получения куском руды достаточного разрушающего воздействия [152,172,214]. В дробилках при монослойном расположении кусков между дробящими элементами вероятность преобразования подведённой энергии в разрушающие напряжения равна единице, или за 2–4 движения приходит к единице.

Вся энергия переходит в полезную работу уменьшения крупности, и поэтому расход потребляемой энергии минимален и составляет ~100 Вт•ч/т. В мельницах эффект монослойного расположения частиц между мелющими телами исчезает.

Вероятность встречи каждой частицы с достаточным разрушающим воздействием уменьшается пропорционально увеличению числа частиц относительно неименного числа дробящих элементов. Поэтому приходится повторять акты измельчения много раз за счёт внутренней и внешней циркуляции.

В результате расход энергии возрастает в десятки раз и достигает в целом на измельчение 10–20 кВт•ч/т. Не эффективно затраченная энергия фактически расходуется на повышенное шламообразование вращение и износ мелющих тел, воды. Нарушается принцип «не измельчать ничего лишнего».

Перспектива снижения энергозатрат на измельчение заключается в практической реализации эффекта раскалывания куска (частицы) [160], а не сжатия, так как предел прочности руд на разрыв через раскалывание в десятки раз меньше, чем при сжатии.

Практически значимым преимуществом способа разрушения, реализуемым в дробилках, является наличие калибрующего зазора между дробящими поверхностями.

Благодаря этому выходит дроблёный продукт с коротким диапазоном распределения кусков по размеру при минимальном шламообразовании. В [160] подчёркивается, что «технологическим преимуществом валковых дробилок является незначительный выход мелких фракций в готовом продукте вследствие того, что дробление производится однократным раздавливанием материала и при его минимальном истирании».

В последнее время расширяется промышленное использование способа центробежноударного дробления и измельчения, обеспечивающего селективное разрушение при пониженных, по сравнению с традиционными мельницами, энергозатратах и шламообразовании. В России такое оборудование выпускают ОАО «НИИ Проектасбест», ЗАО «Урал-Омега», ЗАО «Новые технологии».

Принципиально важным фактом центробежного способа дробления является то, что вероятность встречи каждой частицы с дробящим элементом равна единице и реализуется с первого раза, первого разгона, для всех абсолютно частиц. Величина разрушающего воздействия, энергия удара, регулируется в широком диапазоне скоростью вращения ротора, что предопределяет селективность раскрытия минералов с пониженным шламообразованием. А это, в свою очередь, повышает эффективность последующих операций обогатительного передела.

Флотация зарекомендовала себя как наиболее универсальный и достаточно производительный метод, и поэтому технологически она вполне приемлема для глубокого обогащения углей. Феноменологически флотация проявляется всплытием лёгкого агрегата (частица — пузырёк) из пульпы в пену. Следовательно, флотация — гравитационный процесс обогащения. Физическая сущность теории гидрофобизации частиц состоит в закреплении флотореагентов на поверхности минералов за счёт электростатического притяжения между молекулами твёрдого тела и жидкого (флотореагента). Это взаимодействие проявляется в виде ковалентных, полярных или ионных связей. При этом практическая универсальность метода флотации обеспечивается нахождением (поиском) флотореагента, избирательно гидрофобизирующего разделяемые минералы.

Физическая сущность электросепарации сводится также, прежде всего, к зарядке (электризации) поверхности частиц избыточными зарядами положительной или отрицательной полярности с последующим разделением их в гравитационном, электростатическом и магнитном полях согласно законам ( 1) — ( 3). Технологическая перспективность этого метода состоит в том, абсолютно все тела в природе имеют свойство электризоваться.

Таким образом, практически одинаковая универсальность флотационных и электрических методов обогащения базируется на аналогичных физических явлениях, присущих поверхности частиц. Однако, технически универсальность флотации ограничивается диапазоном положительных температур (от 0 °С до ~80°С), а экологически — применением токсичных реагентов. Таких ограничений у сухих методов обогащения нет, что и предопределяет их концептуальную перспективу в XXI веке.

Поскольку ископаемые каменные угли представлены, как и любые руды, комплексом минеральных фаз, различающихся физическими свойствами, то очевидно, что при глубоком обогащении промышленная реализация может потребовать применение всех главных экологически чистых операций: дробления и измельчения до экономически оправданного максимального раскрытия всех минералов, глубокого обезвоживания — сушки, электрической и магнитной сепарации.

Принципиальная возможность электростатического обогащения ископаемых каменных углей многократно доказывалась на протяжении ХХ века в работах как отечественных, так и зарубежных исследователей [Олоф]. При этом в зависимости от соотношения петрографических ингредиентов угля (физен, дюрен, клорен, витрен) и с учётом их физических свойств (электросопротивление, крепость, гигроскопичность), а также других минеральных компонентов, определяющих зольность, применялись коронно-электростатические и трибоэлектрические сепараторы.

Удельный расход электроэнергии по этим операциям электросепарации составлял 0,1 кВт•ч/т. Отмечалось, в частности, что большое значение при электросепарации имеет природа минеральных компонентов, анализ которых позволяет прогнозировать эффективность и необходимую глубину обогащения.

Так показано, что наличие пирита, карбонатов (сидерит и кальцит), глинистых минералов, кварца, известняка, имеющих размеры в диапазоне нескольких десятков микрон, для раскрытия и эффективного удаления требуется измельчение до крупности частиц менее 1 мм.

Главными сдерживающими факторами промышленного применения электросепарации углей (как и всех прочих полезных ископаемых) являлись невысокая единичная производительность электросепараторов и необходимость глубокого обезвоживания-сушки при температурах 50-100 °С и выше.

Ретроспективный анализ конструкций барабанных коронно-электростатических (и магнитных) сепараторов показал, что главными параметрами, ограничивающими их производительность, является скорость вращения и фронт (ширина) питания, т. е. производительность сепаратора по рабочей поверхности. Производительность сепаратора с горизонтальным барабаном определяется формулой (5):

Q_r = L_r \times \nu_r \times \delta_r \times \kappa_r = \delta_r \Pi_r

где l_r — ширина питания для сепаратора с горизонтальным барабаном; ν_r — линейная скорость барабана (скорость ленты материала, м/с; δ_r — плотность исходного материала на барабане, кг/м2; κг — число зон сепарации (для горизонтального сепаратора κг = 1); П_r — производительность сепаратора по рабочей поверхности, м2/с.

Параметры	Сепараторы
СЭ–50/50	СЭ–70/100	СЭ–70/140	СЭ–100/100	СЭ–200/100	СЭ–100/200	СЭ–200/200
1. Диаметр барабана, мм	500	1000	1400	1000	1000	2000	2000
2. Длина барабана, мм	500	700	700	1000	2000	1000	2000
3. Габариты: длина, мм	1080	1800	1800	1840	1840	2840	2840
ширина	1080	1700	1800	1680	1680	2680	2680
высота	2390	2700	2700	3000	4000	3000	4000
4. Объем сепаратора, м3	0.6	9.35	9.35	9.27	12.36	22.83	30.44
5. Масса сепаратора, т	0.95	2.5	2.8	3.1	4.1	7.6	10
6. Число зон сепарации 1-го приёма, шт.	2	8	8	8	8	16	16
7. Ширина питания 1-го приёма, мм	1000	5600	5600	8000	16000	16000	32000
8. Частота вращения барабана, об/мин	91-NBA 4	270	319	63	100	64	180
9. Линейная скорость, м/с	0-4	3,04	0-5	3,04	3,04	4,3	4,3
10. Производительность, т/ч	1-2,5	14,4	14,5	20,6	41,2	58,3	116,6
11. Потребляемая мощность, кВт	0,5	3,9	3	6	8	8	10
12. Плотность материала на барабане, кг/м2	0,23-0,46	0,23-0,47	0,23-0,46	0,23-0,46	0,23-0,46	0,23-0,46	0,23-0,46

Радикально увеличить производительность этих сепараторов автором предложено за счёт изменения расположения барабана на вертикальное и увеличение его диаметра. За счёт этого при сохранении центробежной силы и плотности материала δ, появляется возможность увеличения скорости материала и числа рабочих зон. Формула производительности для вертикального сепаратора приобретает вид (6):

Q_B = \delta_B \times \Pi = \delta_B \times l_B \times \nu_B \times \kappa_B = Q_r \times \sqrt{\frac{D_B}{D_r}} \times \frac{D_B}{D_r}

где δв,lв,νв,κв и Пв — соответственно плотность материала, ширина питания, скорость материала, число зон сепарации и производительность по всей поверхности.

Приведённое соотношение диаметров в конечном счёте определяет во сколько раз производительность сепаратора с вертикальным барабаном может быть больше производительности сепаратора с горизонтальным барабаном. Так, если для стандартного сепаратора КЭС-1000 с диаметром D_r = 150мм удельная производительность составляет 1÷2 т•ч/м, то для сепаратора вертикального СЭ-100/100 единичная производительность может составлять

Q_D - Q_r \times \sqrt{\frac{1000}{1500}} \times \frac{1000}{150} \cong 17.2 \times Q_r

т.е. от 17.2 т\ч до 34,4 т\ч .

Расчётные показатели типоряда коронно-электростатических сепараторов, которые может выпускать ООО «Русская Корона», представлены в таблице 1.

Глубокое обезвоживание исходного сырья в современной практике обогатительных технологий производится в основном в барабанных сушилках и реализуется на базе физического явления фазового перехода первого рода. Теоретические затраты на испарение воды, как известно, составляют ~2,3•106 Дж/кг, или в электрическом эквиваленте 0,64 кВт•ч/кг.

Однако, с учётом К.П.Д. практические затраты энергии достигают ~1,6 кВт•ч/кг, что при влажности флотационного концентрата ~15% приводит к энергозатратам до 300 кВт•ч/т. При этом вся затраченная энергия вместе с паром и пылью выбрасывается в атмосферу.

Специалисты ООО «Русская Корона» запатентовали способ глубокой сушки минерального сырья, физическая концепция которого исходит из того экспериментального факта, что испарение жидкости (воды) происходит при любой температуре. Скорость испарения определяется выражением (7):

U = \frac{C \times S}{P_0} \times (P_\Pi - P)

, кг\с, где С — постоянная; S — площадь свободной поверхности; Pп — давление насыщенных паров (для данной жидкости); P — давление паров жидкости над её свободной поверхностью; P0 – внешнее барометрическое давление.

Учитывая, что P_п=f(t_ж) уменьшается с уменьшением температуры, можно соответствующим уменьшением P₀(при P=0) теоретически иметь любую регулируемую скорость испарения. Например: при t_ж=20 °С P_п=17,5мм.рт.ст.

Соответственно понизив P₀<P_п можно иметь скорость испарения воды даже выше, чем при нормальном атмосферном давлении P₀=760 мм.рт.ст. и t_ж=100 °С. Эффект испарения сопровождается потоком тепловой энергии из воды в пар в количестве (2,3÷2,5)•106 Дж/кг испарённой влаги. При этом жидкость охлаждается. Мощность теплового потока энергии при испарении воды может достигать порядка 1500 кВт/м2.

Легко показать, что физически (без учёта сил сопротивления в насосе) работа по созданию вакуума технически требуемых (указанных выше) параметров на 3 порядка (1•106) меньше энергии фазовых переходов традиционной промышленной тепловой сушки.

Предложенная физическая модель сушки вакуумом базируется, как и традиционная технология, на явлении фазового перехода первого рода, т.е. сохраняется условие подобия — физическая идентичность при сохранении скорости испарения с одной стороны и изменение параметров t_ж и P₀ с другой.

Способ обогащения полезных ископаемых с использованием вакуумной сушки запатентован. Результаты испытаний по электросепарации кианитового и ильменитового концентратов с предварительным вакуумным обезвоживанием от 20% влаги до 0% при комнатной температуре дают эффективность на уровне или выше высокотемпературной сушки традиционным способом.

Для глубокого обезвоживания угля перед электросепарацией вакуумная низкотемпературная сушка (-20 °С ÷ -40 °С) представляется весьма актуальной потому, что высокотемпературная сушка при температуре > 80 °С чревата, прежде всего, опасностью самовозгорания.

В ООО «Русская Корона» проводятся испытания пилотной установки вакуумной сушки производительностью ~1÷3 т/ч с целью определения основных параметров подобия для перехода к созданию высокопроизводительных установок глубокой инновационной сушки, в том числе и для ископаемых углей.
Современная научная концепция энергосбережения в операциях измельчения.

— разрушить руду необходимо по поверхностям раздела фаз — геометрическая селективность разделения;

— разрушать руду желательно с минимальными энергозатратами — энергетическая селективность.

Очевидно, что дробление и измельчение руды реализуется путём сообщения энергии каждому конкретному куску. Техническая энергия подводится от движущегося дробящего элемента (щека, конус, валок) к неподвижному куску Другой способ — сообщение кинетической энергии измельчаемой руде в центробежных дробилках с последующим ударом каждого куска о неподвижную преграду. В обоих случаях физически происходит взаимодействие энергий твёрдых тел — рабочего органа дробилки и куска руды.

Силовое поле дробящего элемента проявляется в потенциальной энергии сжатия кристаллической решётки брони в области контакта с куском. Адекватная потенциальная энергия возбуждается в куске. Далее припревышении потенциальной энергии сжатия дробящего элемента над соответствующей энергией силового поля куска, предельной по условиям прочности, происходит разрушение последнего.

Причём очевидно, что разрушение происходит по границе наиболее слабых энергетических связей, каковыми, прежде всего, являются поверхности раздела фаз, т. е. границы минералов, принцип геометрической селективности разделения.

Отсюда следует концептуальный вывод: уменьшение крупности руды реализуется через разделение (сепарацию) на куски с различным уровнем энергии связи (крепости). фактически реализуется энергосепарация кусков, которые по их энергии связи в целом куске сравниваются с подведённой энергией дробящего элемента в каждом конкретном контакте.

Однако в рамках существующих промышленных технологий измельчения подавляющая часть подводимой энергии диссипирует (рассеивается), и это является следствием наличия слоя материала между шарами, приводящего к эффекту демпфирования внешней нагрузки.

Поэтому для повышения энергетической селективности рекомендуется:

— искать способы (и технические средства) создания высоко градиентных напряжений в разрушаемых телах;

— снижать затраты на трение за счёт снижения диссипативного взаимодействия рабочих тел (шаров), среды (воды) и руды.

Принципиальное значение для повышения энергетической селективности имеет создание условий максимизации скорости деформирования измельчаемых кусков. В этой связи способ дробления с зазором между дробящими деталями реализует физический процесс передачи энергии через весьма малую площадь контакта кусков, а значит с большой плотностью подводимой энергии и при высокой скорости распространения деформаций раскалывающего типа.

Перспектива снижения затрат энергии в цикле измельчения состоит в распространении принципа многослойного (высоко вероятностного) дробления в диапазон менее 5 мм. И это практически уже реализуется в валковых и центробежных дробилках и мельницах.

Резюмируя вышеизложенную физическую концепцию глубокого обогащения полезных ископаемых, можно сформулировать алгоритм эффективности технологии в ОПИ. Он включает сухую технологию электростатического, магнитного и информационного обогащения с использованием собственной энергии полезного ископаемого на глубокую сушку, а также технологию монослойного дробления (максимальной вероятности разрушения) в диапазоне крупности частиц менее 5 мм.

Такая концепция ставит целью в каждой операции стремиться к максимальной вероятности (эффективности) разделения компонентов на монофракции с использованием базисных законов физики при моделировании обогатительных аппаратов, их реализующих. При этом эффективность следует рассматривать как получение технологического результата сминимально возможными затратами энергии.

Принципиально такой комплекс технологий ОПИ должен включать:

1. Дезинтеграцию (раскрытие минеральных фаз) обогащаемого сырья с реализацией максимальной вероятности получения куском (частицей) достаточной разрушающей энергии. Такая технология может реализоваться в центробежных и валковых мельницах в открытых (без циркуляции) схемах рудоподготовки с удельными затратами 3÷5 кВт•ч/т при конечной крупности от -0,5 мм до -0,2 мм с минимальным шламообразованием.

2. Сушку в вакуумных агрегатах с использованием собственной внутренней энергии продуктов обогащения при фазовых переходах влаги.Такая техническая реализация может сократить затраты внешней энергии на обезвоживание до 1-2 кВт•ч/т при полном исключении тепловых выбросов в окружающую среду.

3. Сухое обогащение на электрических и магнитных сепараторах при высокоскоростных режимах. Такое обогащение реализуется в сепараторах, моделируемых на базе основных критериев теории подобия. Суммарные затраты на обогатительный передел могут составлять 2÷2 кВт•ч/т.

Суммарные удельные затраты на энергосберегающую технологию ОПИ по вышеизложенной концепции могут составить порядка 6÷10 кВт•ч/т исходной руды при резком сокращении вредных выбросов в окружающую среду.
В лабораторных и опытно-промышленных испытаниях, проведённых ООО «Русская Корона», мы уже предлагаем инновационные методы в сфере глубокого обогащения ископаемых углей и зол ТЭЦ.

---

Текст: Анатолий Урванцев, технический директор ООО «Русская Корона»