СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ И РОТОРНЫЙ ГИДРОУДАРНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B02C19/00 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для производства водоугольной суспензии (ВУС).

Известен способ тонкого помола угля в водоугольной суспензии в стержневых, шаровых, циплепсовых мельницах, измельчение в которых идет за счет ударных и истирающих нагрузок (Демидов Ю.В., Бруев Г.Г., Колесникова С.М. Проблемы развития переработки углей Канско-Ачинского бассейна, М., ЦНИИЭИУголь, 1991, с. 8). Недостатком способа является высокая металло- и энергоемкость производства суспензии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления ВУС в стержневых и шаровых мельницах (а.с. СССР N 1395654, C 10 L 1/32, 03.06.86 г.), включающий дозированную подачу составляющих суспензию компонентов на измельчение и перемешивание последовательно в стержневую и шаровую мельницы с дальнейшей гомогенизацией в репульпаторе. Недостатками способа являются большая металло- и энергоемкость производства, сложность монтажа и запуска в работу.

Известны устройства: стержневые, шаровые, циплепсовые мельницы (Закладочные работы в шахтах. Справочник. М., Недра, 1989, с. 85-87), содержащие цилиндрический корпус с горизонтально ориентированной осью и внутренней футеровкой, загрузочное и выпускное отверстия в противоположных торцах, загрузку мелющими телами (стержни, шары, циплепсы). Недостатки устройства - большой вес корпуса и мелющих тел, сложность монтажа и запуска, инерционность работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является роторный диспергатор гидроударного действия, включающий систему трубок переменного сечения - диффузоров, расположенных равномерно по окружности цилиндрического ротора, конфузоров, образованных в цилиндрическом статоре, концентрично охватывающем ротор, и рабочую камеру (а.с. СССР N 1586759, B 01 F 7/12, 1990 г.).

Недостатком роторного диспергатора является ограниченная частота гидроударных импульсов, равная
n₁ • K₂
где n₁ - частота вращения ротора, не достигающая частоты резонансного разрыва частиц угля;
K₂ - количество конфузоров на статоре.

Техническая задача - повышение эффективности приготовления ВУС по сравнению с известным измельчением частиц водной суспензии угля в шаровых мельницах.

Технический результат - уменьшение металло- и энергоемкости процесса приготовления ВУС за счет измельчения угля в суспензии до заданной тонины помола в режиме резонансного разрыва.

Она достигается за счет того, что в способе приготовления ВУС, включающем дозированную подачу составляющих компонентов на совместное измельчение угля до заданной тонины помола, согласно изобретению, измельчение и перемешивание угля в жидкой среде осуществляют в роторных гидроударных аппаратах, генерирующих импульсы с частотой резонансного разрыва частиц.

Сила сжатия частицы угля в суспензии при каждом гидроударе в диффузоре определяется зависимостью Н.Е. Жуковского
ΔP = ρ•(v₁-v₀)•a,
где ΔP - увеличение давления, Н/м²;
ρ - плотность суспензии, кг/м³;
V₀ и V₁ - скорости движения потока соответственно до перекрывания канала резонатора и после него, м/с;
a - скорость распространения ударной волны вдоль канала резонатора, м/с, равная скорости распространения звука в суспензии.

Известно, что измельчение угля в режиме резонансного разрыва требует меньше энергозатрат в сравнении с мельничным помолом, так как прочность его при растяжении на порядок и более меньше, чем при сжатии.

Сравнение удельной производительности мельниц (шаровой, циплепсовой, стержневой) Q_м и роторных гидроударных аппаратов Q_p по их металлоемкости (массе) G_м и G_р соответственно, т.е. Q_м/G_м и Q_р/G_р, показывает, что разница их в пользу Q_p/G_p составляет более 10.

Устройство - роторный гидроударный аппарат - обеспечивает реализацию способа приготовления ВУС за счет создания гидроударных нагрузок с частотой импульсов, соответствующей резонансному разрыву частиц угля в суспензии.

Поставленная задача решается тем, что роторный гидроударный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутренний ротор с лопастями центробежного насоса и цилиндрическим кольцом, по периметру которого выполнены щелевидные диффузоры, и рабочую камеру, согласно изобретению, дополнительно снабжен внешним ротором противоточного вращения с конфузорами по периметру его цилиндрического кольца, концентрически охватывающего внутренний ротор. Это позволяет увеличить частоту импульсов гидроударных нагрузок до частоты резонансного разрыва.

В сравнении с однороторным гидроударным аппаратом, частота ударов N в котором определяется произведением угловой скорости вращения n₁ ротора на количество конфузоров K₂ на статоре, т.е.

N = n₁ • K₂,
предлагаемый аппарат, дополнительно имеющий внешний ротор противоточного вращения с конфузорами по периметру его цилиндрического кольца, концентрически охватывающего внутренний ротор, за счет встречного вращения обеспечивает диапазон частоты ударов до
N = (n₁ + n₂) • K₂,
где n₁, n₂ - частота вращения внутреннего и внешнего роторов соответственно;
K₂ - количество конфузоров на внешнем роторе.

Целесообразно количество диффузоров на внутреннем роторе K₁ и конфузоров на внешнем K₂ и их разность выбирать четной. Это дает возможность сбалансировать центробежные нагрузки на оси роторов.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены соответственно технологическая схема приготовления ВУС по предлагаемому способу и эскизная схема роторного гидроударного аппарата.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Дозированные составляющие ВУС с максимальной крупностью угольных частиц - 8 мм подают в гомогенизаторную емкость 1 (фиг. 1), например в репульпатор, и затем - в рециркуляционную емкость 2. Предлагаемое устройство - роторный гидроударный аппарат 3 - генерирует импульсы с частотой резонансного разрыва частиц, измельчают уголь до необходимой тонины помола, перемешивает смесь в режиме рециркуляции суспензии в емкости 2, после чего готовую ВУС перекачивают в накопительный резервуар 4, из которого суспензию подают либо на сжигание, либо сохраняют с поддержанием седиментационной устойчивости известными способами.

Роторный гидроударный аппарат (фиг. 2) состоит из корпуса 5 с входным 6 и выходным 7 патрубками, внутреннего ротора (позиция не обозначена) с лопастями центробежного насоса 8 и цилиндрическим кольцом 9, по периметру которого выполнены щелевидные диффузоры 10, внешнего ротора (позиция не обозначена) противоточного вращения с цилиндрическим кольцом 11, по периметру которого выполнены конфузоры 12, и рабочей камеры 13.

Количество K₁ диффузоров10 и K₂ конфузоров 12 и их разность (K₁ - K₂) целесообразно выбрать четными для баланса гидроударных нагрузок на оси роторов.

Роторный гидроударный аппарат работает следующим образом. Предварительно измельченный до крупности - 8 мм уголь, смешанный в необходимой пропорции с водой и добавками в репульпаторе, подают через входной патрубок 6 в аппарат. Лопастями центробежного насоса 8 суспензия разгоняется в направлении диффузоров 10. В момент перекрывания выходного отверстия диффузора 10 скорость движения потока суспензии резко снижается, происходит гидравлический удар, сжимающие усилия через воду передаются на частицу, деформируя ее. Сила сжатия частицы от импульса давления прямого гидравлического удара определяется по приведенной выше формуле Н.Е. Жуковского.

В момент совмещения отверстий диффузора 10 и конфузора 12 нагрузка снимается, и частица восстанавливает свою форму. При выходе из диффузора 10 в конфузор 12 частицы получают дополнительное разрушение от воздействия схлапывающихся пузырьков жидкости в кавитационных зонах конфузора 12 (второй гидравлический удар). Частота собственных колебаний частиц и частота следования импульсов давления ударных волн должны быть равны или близки по значению. Под воздействием серии резонансных нагрузок в режиме "сжатие-разрежение" частицы разрушаются (резонансный разрыв).

Внутренний ротор с диффузорами 10, создающий центробежное ускорение потока суспензии, вращается с заданной частотой n₁. Частота вращения n₂ внешнего ротора с конфузорами 12 определяется условием достижения резонансной частоты частиц угля в суспензии f_p, т.е. (n₁ + n₂) • K₂ = f_p.

Использование предлагаемых решений создает возможность уменьшить на порядок металлоемкость и в 1,5-2 раза - энергопотребление технологии приготовления ВУС. Роторный гидроударный аппарат может использоваться в качестве гомогенизатора для поддержания седиментационной устойчивости ВУС в хранилищах, для снижения вязкости и сопротивления сдвига суспензии при трубопроводном транспорте.

Способ приготовления водоугольной суспензии включает дозированную подачу составляющих компонентов на совместное измельчение угля до заданной тонины помола, причем измельчение и перемешивание угля в жидкой среде осуществляют в гидроударных аппаратах, генерирующих импульсы с частотой резонансного разрыва частиц. Роторный гидроударный аппарат содержит корпус с входным и выходным патрубками, внутренний ротор с лопастями центробежного насоса и цилиндрическим кольцом, по периметру которого выполнены щелевидные диффузоры, внешний ротор концентрически охватывает внутренний ротор и имеет конфузоры по периметру его цилиндрического кольца. Внешний ротор имеет возможность противоточного вращения. Количество диффузоров и конфузоров связано зависимостью. Изобретение позволяет повысить эффективность приготовления смеси. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ приготовления водоугольной суспензии, включающий дозированную подачу составляющих компонентов на совместное измельчение угля до заданной тонины помола, отличающийся тем, что измельчение и перемешивание угля в жидкой среде осуществляют в роторных гидроударных аппаратах, генерирующих импульсы с частотой резонансного разрыва частиц. 2. Роторный гидроударный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутренний ротор с лопастями центробежного насоса и цилиндрическим кольцом, по периметру которого выполнены щелевидные диффузоры, и рабочую камеру, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен внешним ротором противоточного вращения с конфузорами по периметру его цилиндрического кольца, концентрически охватывающего внутренний ротор. 3. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что количество диффузоров K₁ на внутреннем роторе, конфузоров K₂ на внешнем роторе и их разность (K₁ - K₂) выбираются четными, а частота встречного вращения внутреннего и внешнего роторов (n₁ и n₂ соответственно) определяется частотой f_р резонансного разрыва угольных частиц в суспензии, т.е. (n₁ + n₂) • K₂ = f_р.