Изобретение относится к области обогащения минерального и техногенного сырья и может быть использовано для создания мобильных обогатительных фаб- рик, предназначенных для переработки и классификации сырья по форме практи- чески в любых погодных условиях, в том числе и при температурах окружающего воздуха от -50 до +50 °С.

Предшествующий уровень техники

Известно, что при переработке сырья для получения продуктов требуемого качества производится разделение физическими способами по различным парамет- рам, таким как крупность, плотность, магнитная восприимчивость и др. Одним из таких параметров является форма зерен. Очень часто необходимо разделить мате- риалы близкие по своим основным свойствам, но отличающиеся по форме. Например, в щебне, идущем на дорожные покрытия и строительство, регламенти- руется содержание зерен имеющих пластинчатую форму или лещадных зерен. Это связано с тем, что зерна плоской формы являются менее прочными, а так же сни- жают несущую способность насыпных материалов за счет снижения сил сцепления между зернами. Традиционно низкое содержание лещадных зерен обеспечивается за счет применения много стадиальных схем дробления пород с малым сокращени- ем крупности продукта на каждой стадии. Данное решение приводит к высокому образованию отсева класса 0-5 мм, который относится к продуктам низкого каче- ства и имеющего ограниченное применение. Например, при производстве щебня классов 5-10 мм и 10-20 мм, наиболее востребованных в дорожном строительстве, образуется отсев 0-5 мм в количестве от 60 до 75 %. При этом, чем более прочную и ценную породу используют при производстве щебня, тем больше выход отсева. При использовании схем дробления с меньшим количеством стадий, выход отсева снижается до 30-35%, но получаемый щебень содержит плоские зерна в большем количестве и их необходимо удалить из товарного щебня. Становится понятно, что дальнейшее развитие технологий обогащения невозможно без эффективных техно- логий, обеспечивающих разделение по форме. При этом, технология обогащения сырья по форме должна удовлетворять нескольким жестким требованиям. Во-первых, способ должен быть универсальным, легко перестраиваемым под переработку различного вида минерального сырья (щебня, асбеста, слюды и других минеральных или техногенных продуктов).

Во-вторых, способ переработки должен предусматривать возможность быст- ро и плавно производить изменение технологических режимов в зависимости от свойств перерабатываемого сырья (массы и размеров частиц, плотности и формы), что позволит создавать мобильные обогатительные фабрики модульного типа с ис- пользованием однотипного оборудования, с малым уровнем капитальных затрат на их доставку и установку.

В-третьих, способ обогащения сырья должна быть высокоэффективным, обеспечивающей высокое качество получаемых продуктов, а так же то чтобы после ее применения, оставались только те отходы, которые не пригодны к дальнейшей переработке или к непосредственному применению. В-четвертых, технология обо- гащения сырья должна быть всепогодной и круглогодичной, чтобы процесс прохо- дил не сезонно с временным привлечением трудовых ресурсов, а шел постоянно - с круглогодичной занятостью местного населения. По этой причине технологиче- ский цикл обогащения сырья должен включать диапазон температур окружающего воздуха от -50 до +50 °С и должен допускать размещение оборудования под от- крытым небом или с использованием укрытий легкого типа.

Известен способ разделения кускового материала по форме (патент RU

21 19393, Кл. В07В 13/00, 1998г.), в котором, за счет различия сил трения и динами- ческих характеристик частиц плоской (лещадной) и кубовидной формы, происхо- дит разделение частиц путем подачи материала на наклонную плоскость с после- дующим соударением с вращающейся цилиндрической поверхностью.

Основным недостатком данного способа является низкая эффективность раз- деления и возможность реализации процесса только на крупном материале, при том, что в промышленности необходимо перерабатывать в большей степени имен- но мелкий материал. Анализ отходов переработки природных материалов с извле- чением слюды по аналогичной технологии показал, что в результате терялось око- ло половины товарной слюды с крупностью 13-50 мм, а извлечение слюды в более мелких классах не происходило вообще.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ пневматического обогащения минерального сырья (см. Евразийский патент N° 022959, Кл. B07B 4/08, B03B 4/04, 2016г.), включающий размещение обогащаемого сырья на воздухопроницаемой поверхности, пересекающей вертикальную камеру с восходящим воздушным потоком, поднимающим легкие фракции с воздухопрони- цаемой поверхности, выполненной в виде конвейера, пропущенного ниже уровня нижнего основания вертикальной камеры, в которой выбором скорости воздушного потока образован объемный псевдокипящий слой из частиц заданной плотности, в который попадают и беспрепятственно проходят сквозь него частицы меньшей плотности, а затем восходящим воздушным потоком переносятся из вертикальной камеры в камеру гравитационного осаждения. При использовании данного способа возможно разделение материалов не только по плотности, но и по форме, ввиду то- го, что зерна плоской или игольчатой формы имеют большее значение соотноше- ния силы аэродинамического сопротивления к весу частицы.

Известный способ позволяет производить круглогодичное обогащение сырья под открытым небом или с использованием укрытий легкого типа, а также произ- водить быструю перестройку технологического процесса под переработку различ- ного вида минерального сырья путем изменения скорости потока воздуха.

Основным недостатком известного способа является его функциональная ограниченность при разделения минерального и техногенного сырья, которое со- держит в своем составе много плоских или нитевидных частиц.

Во-первых, это связано со сложностью подъема с конвейера вертикальным потоком тех частиц, длина, ширина и высота которых могут различаться в несколь- ко десятков раз. Такие тонкие плоские или нитевидные частицы могут быть обра- щены в вертикальному всасывающему потоку своей узкой гранью или игольчатым концом, при этом их аэродинамические свойства при воздействии всасывающего потока будут сильно отличаться от свойств частиц, лежащих на конвейере плашмя.

Во-вторых, это связано с тем, что камера осаждения не позволяет улавливать тонкие плоские или нитевидные частицы из-за их малой скорости витания в возду- хе, а, следовательно, для обеспечения их осаждения необходимо непропорциональ- но увеличивать размеры камеры осаждения.

Раскрытие изобретения

В основу данного изобретения поставлена задача расширения функциональ- ных возможностей пневматического способа разделения частиц, способного обо- гащать в различной степени отличающиеся по форме частицы различных видов минерального сырья и техногенных отходов, таких как слюда, асбестовая руда, ще- бень, а также бытовые отходы.

Указанная задача в пневматическом способе разделения минерального и тех- ногенного сырья по форме частиц, включающем размещение перерабатываемого сырья на воздухопроницаемой поверхности, выполненной в виде конвейера, про- пущенного ниже уровня нижнего основания сепарационной камеры, в которой вы- бором скорости воздушного потока образован объемный псевдокипящий слой из частиц заданной плотности, в который попадают и беспрепятственно проходят сквозь него частицы меньшей плотности, а затем восходящим воздушным потоком переносятся из вертикальной камеры в камеру гравитационного осаждения, решена тем, что в сепарационную камеру направляют дополнительную тангенциально ори- ентированную к стенке камеры струю воздуха, создающую вспомогательные вих- ревые потоки у стенок и нижнего основания камеры, после чего восходящим пото- ком воздуха, подхватывают частицы плоской, игольчатой или нитевидной формы и переносят их в камеру гравитационного осаждения, в которой создают один или более встречно направленных вихревых потока, осаждающих частицы в камере, откуда они затем удаляются.

Благодаря дополнительной тангенциально ориентированной к стенке камеры струи воздуха удается создать вихревые потоки воздуха у стенок и основания сепа- рационной камеры, и тем самым, избежать налипания частиц сепарируемого сырья на стенки сепарационной камеры с образованием агломератов частиц, а также воз- действовать у основания камеры на тонкие плоские или нитевидные частицы, ко- торые обращены своей узкой гранью или игольчатым концом к вертикальному вса- сывающему потоку, чтобы способствовать изменению их пространственного по- ложения, а значит, улучшить их взаимодействие с всасывающим потоком. При этом, в камере гравитационного осаждения создают один или более встречно направленных против движения частиц вихревых потоков, которые резко умень- шают кинетическую энергию движущихся частиц, что приводит к их быстрому осаждению на дно камеры.

Для создания управляемых вихревых потоков вблизи стенок сепарационной камеры, способных оказывать заданное вихревое воздействие на тонкие плоские или нитевидные частицы, которые обращены своей узкой гранью или игольчатым концом к вертикальному всасывающему потоку, дополнительную тангенциально ориентированную струю воздуха подают через тангенциальное сопло, которое установлено с возможностью изменения его положения в вертикальной плоскости.

Поскольку каждая выделяемая фракция частиц имеет свои аэродинамические свойства, скорость дополнительной тангенциально ориентированной струи воздуха подбирают экспериментальным путем.

Для выполнения одновременного многостадийного пневматического разделе- ния минерального и техногенного сырья на частицы заданной формы и габаритов плоской, игольчатой или нитевидной формы, устанавливают последовательно не- сколько сепарационных камер, в каждой из которых подбирают индивидуальные параметры для отбора частиц заданной формы и габаритов, при этом каждая каме- ра соединена со своей камерой гравитационного осаждения.

Для удаления осаждающихся на стенки камеры гравитационного осаждения частиц используют контактный метод воздействия, например, механическими скребками, или бесконтактный метод, например, путем воздействия струей воздуха или комбинацию обоих этих методов.

Таким образом, заявляемый пневматический способ разделения минерального и техногенного сырья по форме частиц позволяет разделять минеральное сырье практически на любое количество фракций имеющих различную форму за один цикл перемещения на конвейере, при этом, способ разделяет фракции с большой эффективностью и производительностью, что не имеет аналогов среди известных методов пневматической сепарации тонких плоских или нитевидных частиц, а зна- чит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Краткое описание чертежей

Заявляемый способ поясняется рисунками, представленными на фиг. 1-2. На фиг.1 представлена схема установки для реализации заявляемого способа разделения минерального и техногенного сырья по форме частиц, где: 1 - воздухо- проницаемый конвейер с частицами обогащаемого минерального сырья 2; 3 - сепа- рационная камера с нижним основанием 4, тангенциальным патрубком 5, нагне- тающим поток воздуха 6, и механизмом поворота направления струи 7; верхняя часть сепарационной камеры 3 соединена воздуховодом 8 с камерой гравитацион- ного осаждения 9, нижнее основание которой 10, оборудовано поворотной шлюзо- вой заслонкой 1 1 для периодического высыпания отобранной по форме частиц фракции сырья 12; камера осаждения 9 через воздуховод 13 соединена с вытяжным вентилятором 14; 15 - тангенциальный воздуховод, создающий поток воздуха 16, противоположный потоку воздуха 17 с частицами сырья, поступающий в камеру 9; 18 - поток воздуха без сырья, отсасываемый из камеры 9.

На фиг.2 представлен рисунок сепарационной камеры 3 в изометрии и пока- заны вихревые потоки внутри камеры: 19 - пристеночный вихревой поток, 20 - осевой вихревой поток.

Лучший вариант осуществления изобретения

Осуществление заявляемого способа рассмотрим на установке, представлен- ной на фиг.1. На фиг.2 видна схема вихревых потоков внутри камеры 3. Частицы сепарируемого сырья 2 равномерным слоем размещаются на поверхности воздухо- проницаемого конвейера 1 и перемещаются в сторону сепарационной камеры 3. Оказавшись под основанием камеры 4 сырье 2 попадает в зону объемного псевдо- кипящего слоя из частиц заданной плотности, образовашегося в результате воздей- ствия восходящего потока газа создаваемого вентилятором 14 через воздуховоды 8 и 13. Разделении частиц по форме происходит за счет различия массы и аэродина- мического сопротивления частиц разной формы. Близкие по одному линейному размеру, но отличающиеся по одному или двум линейным размерам частицы име- ют различную массу и аэроднамическое сопротивление. Например, плоские части- цы имеют массу в несколько раз, а иногда в несколько десятков раз меньше, чем частицы условно кубовидной или сферической формы, при этом аэродинамическое сопротивление плоских частиц существенно выше сопротивления сферических ча- стиц. Различие в свойствах приводит к тому, что скорость витания частиц различ- ной формы существенно отличается. Это же справедливо и при сравнении игольча- тых или нитевидных частиц с плоскими или сферическими или кубовидными. Ока- завшись в зоне псевдокипящего слоя, частицы начинают циркулировать в нем, и те из них, которые имеют скорость витания меньше скорости потока в камере сепара- ции 3, удаляются с потоком 17 по воздуховоду 8 в камеру осаждения 9. Частицы с более высокой скоростью витания возвращаются на конвейер 2 и удаляются из зо- ны 4 сепарационной камеры 3. Одновременно с этим процессом, в камеру 3 через тангенциальный патрубок 5 поступает поток воздуха 6. В результате воздействия пристеночного вихревого потока 19 (см. фиг.2), удается избежать налипания частиц сепарируемого сырья 2 на стенки сепарационной камеры 3 с образованием агломе- ратов частиц, а также создать вихревые потоки у стенок и нижнего основания сепа- рационной камеры 4, и тем самым, воздействовать на тонкие плоские или ните- видные частицы, которые обращены своей узкой гранью или игольчатым концом к вертикальному всасывающему потоку и не могут в силу плохих аэродинамических свойств быть всосаны только вертикальным потоком 20. Частицы под воздействи- ем потока 19 поворачиваются, их аэродинамические свойства улучшаются и они захватываются потоком 20. Далее захваченные частицы с потоком 17 поступают в камеру гравитационного осаждения 9, нижнее основание которой 10, оборудовано поворотной шлюзовой заслонкой 1 1 для периодического высыпания отобранной по форме частиц фракции сырья 12. При работе гравитационной камеры в режиме осаждения, поворотная шлюзовая заслонка 1 1 закрыта. При этом навстречу потоку воздуха 17, поступает поток воздуха 16, скорость частиц резко падает, их аэроди- намические свойства ухудшаются и они под действием гравитационных сил опус- каются на дно камеры осаждения 9.

Техническая применимость

Конкретное осуществление заявляемого способа рассмотрим на примерах обогащения различного минерального сырья.

ПРИМЕР 1.

Рассмотрим сепарацию флогопитовой руды. Процесс пневматического обо- гащения проводился на экспериментальной установке, представленной на фиг.1. До начала переработки руда предварительно дробится до крупности 0 - 16 мм и по- даются на ленточный конвейер 1 , с полотном выполненным из сетки с ячейкой 1 мм, шириной 600 мм и движущегося со скоростью 0.5-1.5 м/с, над которым после- довательно друг за другом установлено две цилиндрические камеры 3 с конусными основаниями 4, равными ширине конвейера - 600 мм. Цилиндрическая часть каме- ры имеет диаметр 1200 мм и высоту 2000 мм. Каждая из камер соединена со своей камерой гравитационного осаждения 9 в форме перевернутого усеченного конуса с диаметром верхнего основания 2400 мм, нижнего основания 900 мм и высотой 3200 мм. Камера осаждения 9 имеет конструкцию, которая обеспечивает образова- ние двух встречно направленных вихрей 15 и 17, при этом вихрь 15 заводится в ка- меру 9 тангенциально к ее стенке по часовой стрелке, а вихрь 17 - тоже тангенци- ально, но против часовой стрелки. Частицы руды 2 с размером менее 1 мм просы- паются под сетку конвейера 1 , попадают на вибрирующий желоб (на фиг. 1 он условно не показан) и удаляются из дальнейшей обработки. Воздушный поток в камерах 3 подбирается таким образом, что в первой сепа- рационной камере выделяется продукт представленный пластинками флогопита с толщиной менее 0.1 мм, а во второй камере - выделяются зерна с толщиной до 1 мм. Оставшийся на конвейере материал представлен зернами щебня, который мо- жет быть использован для строительных целей. Производительность эксперимен- тальной технологической линии составляет до 20 т/ч.

ПРИМЕР 2.

Рассмотрим сепарацию строительного щебня. Задачей является получение стабильного качества щебня содержащего малое количество слабых зерен, имею- щих плоскую форму (лещадных зерен). Процесс пневматического обогащения про- водился на экспериментальной установке, представленной на фиг.1. При перера- ботке исходный материал дробится и классифицируется на машинные классы, и на переработку поступает щебень класса 5-10 и 10-20 мм, наиболее часто используе- мый в дорожном строительстве, каждый из которых перерабатывается по отдель- ности. Частицы крупностью 5-10 мм подаются на ленточный конвейер 1 , с полот- ном, выполненным из сетки с ячейкой 3 мм и шириной 1000 мм, движущегося со скоростью 1.0-2.0 м/с, над которым установлена одна камера 3, с конусным осно- ванием 4, равным ширине конвейера - 1000 мм.. Цилиндрическая часть камеры имеет диаметр 1500 мм и высоту 1600 мм. Камера соединена с камерой гравитаци- онного осаждения 9 с диаметром верхнего основания 2800 мм, нижнего основания 2000 мм и высотой 3700 мм. Частицы щебня с размером менее 3 мм, которые оста- лись в щебне класса 5-10 по причине невозможности их полного удаления, просы- паются под сетку конвейера 1 , попадают на вибрирующий желоб (на фиг. 1 он условно не показан) и удаляются из дальнейшей обработки. Воздушные потоки 6 и 17 в сепарационной камере 3 подбирается таким образом, что в камере 3 выделяет- ся продукт, имеющий плоскую лещадную форму, а на сетке конвейера 1 остается продукт представленный зернами с формой близкой к кубической. Производитель- ность экспериментальной технологической линии составляет до 100 т/ч.

Щебень класса 10-20 мм перерабатывается на аналогичной установке, отли- чающейся тем, что размер ячеек сетки конвейера 1 составляет 5 мм.

ПРИМЕР 3.

Рассмотрим сепарацию бытового мусора. В процессе жизнедеятельности че- ловека образуются большие объемы твердых бытовых отходов. Они содержат как органические отходы, так и ценные для вторичной переработки материалы: стекло, пластики, бумагу, картон и т.д. При переработке твердого мусора на первом этапе предусмотрено удаление мелких примесей с крупностью 40 мм и менее. Они в ос- новном представлены органическими отходами и стеклобоем, и поступают на дальнейшую промывку. Материал крупностью более 40 мм подается на шредер с шириной ножей 20 мм, в котором материал плоской формы режется на полоски шириной 20 мм или дробится на частицы той же крупности. Далее весь материал подаются на ленточный конвейер 1 , с полотном выполненным из сетки с ячейкой 10 мм, шириной 500 мм и движущегося со скоростью 0.5-1.5 м/с, над которым по- следовательно друг за другом установлено две цилиндрические камеры 3 с конус- ными основаниями 4, равными ширине конвейера - 500 мм. Цилиндрическая часть камеры имеет диаметр 1200 мм и высоту 2000 мм. Каждая из камер соединена со своей камерой гравитационного осаждения 9 в форме перевернутого усеченного конуса с диаметром верхнего основания 2400 мм, нижнего основания 900 мм и вы- сотой 3200 мм. Каждая камера имеет конструкцию, которая обеспечивает образо- вания двух встречно направленных вихрей 15 и 17. Частицы сырья с размером ме- нее 10 мм просыпаются под сетку конвейера 1 и попадают на вибрирующий желоб (на фиг. 1 он условно не показан), который удаляет продукт из под конвейера 1. Воздушный поток в камерах подбирается таким образом, что в первой камере вы- деляется продукт, представленный тонкими материалами, такими как пленки, тка- ни, бумага, пластик от бутылок, а во второй камере, выделяются более толстые по- лоски, которые представлены в основном картоном. Оставшийся на конвейере ма- териал представлен зернами кубовидной формы, которые поступают на дальней- шею переработку. Полученные продукты далее брикетируются и используются в качестве топлива или сырья для химической промышленности. Производитель- ность экспериментальной технологической линии составляет до 4,5 т/ч.

Таким образом, заявляемый способ позволяет эффективно осуществлять пневматическую сепарацию частиц из различного минерального и техногенного сырья, различающихся по своей форме.