İNÖNÜ ÜNİVERSİTESİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 00322 CEVHER HAZIRLAMA LABORATUVARI ll YÜZDÜRME-BATIRMA DENEYİ ARAŞTIRMA-TARTIŞMA SORULARI i) Zenginleştirme kriteri (Taggart Kriteri) nedir? Ne amaçla kullanılır? Cevher zenginleştirme açısından önemini kısaca tartışınız. ii) Ağır ortam ayırmasında etkili olan kuvvetler nelerdir? Araştırınız. iii) Kömür bir mineral midir? Neden? Kömürü meydana getiren bileşenler nelerdir? iv) Kömür yıkama nedir? Kömür niçin yıkanır? v) Ağırlıkça %30 mineral madde (şist) içeren bir taşkömürü parçasının yaklaşık yoğunluğu nedir? Hesaplayınız. 1. GİRİŞ Akışkan bir ortam içine bırakılan mineral tanelerinin, aralarındaki yoğunluk farkından dolayı farklı şekillerde hareket ederek, birbirinden ayrılması şeklinde gerçekleşen zenginleştirmeye Gravite Zenginleştirmesi veya Özgül Ağırlık Farkı İle Zenginleştirme denilmektedir. İri boyutlu mineral tanelerinin aralarındaki özgül ağırlık farkları farklılığına dayanılarak ağır bir akışkan ortam içinde yüzme-batma yoluyla birbirlerinden ayrılması ile gerçekleştirilen zenginleştirme işlemine ise Ağır Ortam Ayırması İle Zenginleştirme veya Ağır Sıvı Ayırması İle Zenginleştirme veya Yüzdürme-Batırma ile Zenginleştirme denir. Ağır ortam ayırması ile zenginleştirme yönteminin uygulanabilmesi için, ayrılacak mineraller arasında en az 0,1 g/cm 3 özgül ağırlık farkı olması ve ayırmayı etkileyecek ölçüde gözeneklilik olmaması gerekir. Özgül ağırlık farkına dayalı olarak gerçekleştirilen zenginleştirme işlemlerinde başarılı bir ayırım için tane boyu son derece önemli olmaktadır. Bu bakımdan ağır ortam ayırmasında, cevherin birbirine yakın boyutlu tanelerden oluşan boyut gruplarına ayrılması ve her grubun ayrı bir ağır ortam banyosunda işleme girmesi gerekir. Ağır ortamın sağladığı fayda Taggart Kriteri değerinin değişimiyle kolayca anlaşılabilir. Örneğin, yoğunlukları 3,1 g/cm 3 ve 2,6 g/cm 3 olan iki mineralin su içinde birbirinden ayrılma durumu Taggart Kriteri, ile ifade edilirse; 3,1 1 2,1 k 1 1,31 değeri elde edilir. 2,6 1 1,6 Bu sonuca göre ayırma güçtür. Fakat, su yerine 2 g/cm 3 yoğunluğunda bir ağır ortam kullanılması durumunda Taggart Kriteri, 3,1 2 1,1 k 2 1,83 değerini alır. 2,6 2 0,6 Buna göre ayırma kolaylaşmakta ve genel olarak 0,1-0,2 mm tane boyutuna kadar uygulama yapılabilmektedir. 1
1.2. Ağır Ortam Ayırmasında Yüzdürme-Batırma Testleri Kömür, aslında, organik malzeme kökenli ve yanabilen özellikte tortul bir kayaçtır. Kömürler, genellikle, üretildikleri tüvenan şekliyle ekonomiktirler. Ancak, bu kömürlerin ekonomikliğini daha da arttırmak ve bazen de çeşitli tüketim alanlarının istediği özelliklere sahip kaliteli kömür hazırlamak gerekebilmektedir. Kaliteli kömür, kömürün çeşitli niteliklerinin fiziksel, kimyasal ve ısıl işlemlerle istenilen şekilde değiştirilmesi veya iyileştirilmesi ile elde edilmektedir. Bu niteliklerin başında kömürün ısıl değeri, kül ve kükürt oranı gelmektedir. Kömür yandıktan sonra arta kalan malzemeye kömür külü denilir. Kömür külünün iki kaynağı vardır. Birincisi yanıcı organik malzeme kaynaklı kül ki, bu küle bünye külü veya organik kül olarak ifade edilmektedir. İkincisi ise yanıcı olmayan malzeme kaynaklı kül ki, bu küle de yabancı kül veya inorganik kül denilmektedir. Genelde kül(veya şist) olarak adlandırılan söz konusu yanıcı olamayan inorganik bileşikler ve mineral maddeler kömürle değişik şekillerde bulunabilmektedir: Kömürleşme sırasında, kömürü oluşturan bitkilerin yapılarında bulunan ve kömürlerin organik yapısına kimyasal olarak bağlanan mineral maddeler(na, K, Al, Mg, Ca, Fe silikatlar gibi) Kömürleşme sırasında, bitkiler ile birlikte çökelen ve sedimantasyona uğrayan mineral maddeler(killer, karbonatlar, sülfitler gibi) Canlı organizma kalıntıları(bitki ve hayvan fosilleri gibi) Kömürleşme sonrası, çeşitli jeolojik hareketler sonucu kömür damarına sonradan yerleşen çeşitli mineral maddeler(sülfürler, tuzlar, karbonatlar gibi) Kömür üretimi sırasında kömüre karışan mineral maddeler(tavan taşı, taban taşı, ara kesme gibi) İşletme yönteminden kaynaklı mineral madde ve malzemeler(dolgu malzemesi, tahkimat malzemesi, nem gibi) Çeşitli kömür yıkama yöntemleriyle bu kül yapıcı bileşenlerin bir kısmı kolayca kömürden uzaklaştırılabilmektedir. Ancak, kömüre kimyasal olarak bağlı bileşenlerin fiziksel yöntemlerle uzaklaştırılması imkansızdır. Saf kömür ile mineral maddeler arasındaki en önemli fark yoğunluktur. Saf kömürün özgül ağırlığı karbon (C) içeriği arttıkça artmaktadır. Aynı sınıflardaki kömürlerin yoğunlukları arasındaki fark, esas olarak, bunların içerdiği farklı bünye küllerinden ileri gelmektedir. Bünye külü miktarı arttıkça kömür yoğunluğu da artar. Ancak külün kömür yoğunluğu üzerindeki etkisi kül yapıcı maddelerin cinsine göre değişir. Örneğin, alüminyumlu külün yoğunluğu demirli külün yoğunluğundan daha azdır. Kömür Türü Yoğunluk, g/cm 3 Linyit 0,05-1,30 Bitümlü Kömürler 1,15-1,50 Antrasit 1,40-1,70 Kömürdeki esas kül yapıcı ve kükürt taşıyıcı maddelerin yoğunlukları kömürün yoğunluğundan çok daha yüksektir. Bu mineral maddelerin başlıcalarının ortalama yoğunlukları 2,5 ile 5,5 arasında değişmektedir. 2
Mineral madde Yoğunluk, g/cm 3 Pirit Şeyl-kumtaşı Jips Kalsit Kaolin 4,8-5,2 2,6 2,3 2,7 2,6 Temiz kömür ile artık maddeler arasındaki yoğunluk farkı kömür yıkama teknolojisi yönünden çok büyük önem taşır. Flotasyon dışındaki kömür yıkamada kullanılan yöntemlerin tamamı gravite ayırma yöntemlerine dayanmaktadır. Ancak lavvar ölçeğinde yıkama işlemine geçmeden önce, kömürün yıkanabilme durumu ve karakteristiğini laboratuvarda yüzdürme-batırma deneyleri ile saptanması gerekmektedir. Yüzdürme-batırma testleri, kömürün hangi yoğunlukta külünden ayrılabileceğini, ayırma işlemi sonucunda elde edilecek yüzen kısmın(temiz kömür veya lave) miktarının belirlenmesi ve kül oranının tayin edilmesini sağlar. Yüzdürme-batırma deney sonuçlarının değerlendirilmesiyle: kömürün yıkanabilirlik kolaylığı veya zorluğu, arzu edilen kül oranına göre hangi yoğunlukta yıkamanın yapılması gerektiği, yıkama işleminde kullanılacak ünite ve cihazların kapasitelerinin saptanması gibi önemli bilgiler elde edilmektedir. Yüzdürme-batırma testleri, yoğunlukları belirli değerlerde olan durgun ağır sıvı banyolarında yapılır. Ağır sıvı olarak genellikle farklı konsantrasyonlarda hazırlanan çinko klorür (ZnCl 2 ) veya kalsiyum klorür (CaCl 2 ) sulu çözeltileri kullanılır. Hazırlanacak ağır sıvı sayısı ve ağır sıvı yoğunluk değerleri kömürün cinsine ve deneyin amacına göre belirlenir. Yüzdürme batırma testleri için seçilen yoğunluklar genellikle 1300 kg/m 3 den başlayarak 100 kg/m 3 artışlarla 2000 kg/m 3 e kadar ayarlanabilir. Test yapılacak kömürün cinsine ve tüvenan kömür içindeki ara ürün (mikst) miktarına bağlı olarak bazen söz konusu yoğunluklar 1200 kg/m 3 den başlayarak 1800 veya 1900 kg/m 3 e kadar 100 kg/m 3 artışlarla, bazen de deneyin amacı ve yine kömür özelliklerine bağlı olarak 50 kg/m 3 artışlarla hazırlanabilir. Yüzdürme-batırma testlerinde kullanılacak kömür numunesi, kömürün kullanım alanları dikkate alınarak, tane boyuna göre sınıflandırılmış olmalıdır. Testlerde kullanılacak numune miktarı, kömür numunesinin tane iriliğine bağlı olarak değişir. Ancak tüvenan kömürde şist ve mikst miktarı arttıkça örnek miktarının da artırılması gerekir. Aşağıda, kömürün tane iriliğine bağlı olarak yüzdürme batırma testinde kullanılacak yaklaşık numune miktarları verilmiştir. Kömür Tane İriliği, mm 80-50 50-30 30-10 10-1,0 1,0-0,5-0,5 Numune Miktarı, kg 150 75 50 10 0,2 0,5 3
1.3. Yüzdürme Batırma Test Sonuçlarının Değerlendirilmesi Yüzdürme batırma testi için hazırlanan kömür numunesi ya en düşük ya da en yüksek yoğunluktaki ağır sıvıdan başlayarak her bir ağır sıvıda yüzdürme-batırma işlemine tabi tutulur. Genellikle, kömür numunesinin en düşük yoğunlukta yüzen oranı fazla ise en düşük yoğunluktan, en yüksek yoğunlukta batan oranı fazla ise yüzdürme batırma işlemine en yüksek yoğunluktan başlanması işlemlerde kolaylık sağlar. Her iki durumda da aynı sonuçlar elde edilir. En düşük yoğunluktan başlanması durumunda, kömür numunesi önce en düşük yoğunluklu ilk ağır sıvı içine konulur. Kömür numunesinde bulunan ve yoğunluğu ağır sıvının yoğunluğundan fazla olan taneler batarken, ağır sıvı yoğunluğundan daha düşük yoğunluğa sahip taneler yüzer. Yüzen kısım bir kenara ayrılırken, batan kısım yoğunluğu daha yüksek olan bir sonraki ağır sıvıya beslenir. Burada, yoğunluğu bir önceki ağır sıvı yoğunluğundan daha yüksek ancak ikinci sıvı yoğunluğundan daha düşük yoğunluktaki taneler yüzerken, yoğunluğu ikinci sıvı yoğunluğundan da daha fazla yoğunluğa sahip taneler batar ve bu taneler bir sonraki sıvıya beslenir. Böylece bütün sıvılarda yüzen ve en yüksek yoğunluklu son sıvıda batan kısım olmak üzere kullanılan ağır sıvı adedinden bir fazlası kadar ürün elde edilmiş olur. Bütün ağır sıvılarda yüzdürme-batırma işlemleri tamamlandıktan sonra elde edilen bütün ürünler kurutulur ve tartılır. Çeşitli yoğunluk aralıklarında olan bu ürünlerin her birinin kül analizi yapılarak kül oranları saptanır (istenirse külden başka kükürt, uçucu madde vd. analizleri de yapılabilir). Böylece, kömür yıkanabilme özelliğini karakterize edebilecek veriler elde edilmiş olur. Elde edilen bu veriler Yüzdürme-Batırma Çizelgesi adı verilen bir çizelge halinde gösterilir. Çizelge, esasen, her bir yoğunluk aralığındaki kömür miktarı ve kül oranları temel alınarak hazırlanmaktadır. Yüzdürme-batırma çizelgesindeki değerler yalnızca kullanılan ağır sıvı yoğunluklarına ait olduğundan, çizelgeden sağlanan bilgiler sınırlı kalmaktadır. Bu yüzden, eldeki yıkama verilerini grafiksel olarak eğriler şeklinde göstermek daha yararlı olmaktadır. Bu amaçla çizilen eğriler beş adettir ve Kömür Yıkama Eğrileri olarak bilinirler. Bunlar; Yüzen Eğrisi Batan Eğrisi Yoğunluk Eğrisi Parça Külü Eğrisi Dağılım Eğrisi Kömür yıkama eğrileri, kömürün yıkanabilme yoğunluğu, yıkama sonunda elde edilecek ürünlerin miktarı ve külü, yıkama verimi ve proses seçimi hakkında önemli bilgiler sunar. Örneğin, parça külü eğrisinin yanı sıra kümülatif yüzen ve kümülatif batan eğrileri de kömürün yıkanabilme özelliği hakkında önemli fikir vermektedir. İyi yıkama özelliği gösteren kömürlerde, bu eğriler yukarıda aşağı doğru dike yakın bir eğimle inerler. Bu eğriler yardımıyla belirli bir kül oranında temiz kömür elde etmek istendiğinde ayrım yoğunluğunun ne olacağı, verimin nasıl olacağı, artıkta kalan kısmın kül oranının ne olacağı bulunabilir. Bu bakımdan yıkama proses seçiminde ve proses sonucu elde edilecek ürünlerin özelliklerinin saptanmasında yıkama eğrilerinin yapısı oldukça önemli olmaktadır. Yüzdürme-batırma testlerine ilişkin örnek bir uygulama aşağıda özetlenmiştir. 4
Çizelge 1: Yüzdürme-batırma testleri değerlendirme çizelgesi Yoğunluk Aralığı (g/cm 3 ) Yoğunluk Aralığındaki Malzeme Toplam Yüzen Malzeme Toplam Batan Malzeme Parça Kül Ağırlk % Ağ. % Kül Kül % Ağ. Kül % % Ağ. Kül % Kül %Ağ. (g) İçeriği İçeriği Kül İçeriği ±0,1 g/cm 3 Yoğunluktaki Malzeme Yoğ %Ağ. (a) 1 (b) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14-1,40 656,5 43,77 9,28 406,2 43,77 406,2 9,28 100,00 3953,4 39,53 21,88 1,40 - +1,40-1,50 146,7 9,78 20,96 205,0 53,55 611,2 11,41 56,23 3547,2 63,08 48,66 1,50 14,80 +1,50-1,60 75,3 5,02 30,68 154,0 58,57 765,2 13,07 46,45 3342,2 71,95 56,06 1,60 7,90 +1,60-1,70 43,2 2,88 39,24 113,0 61,45 878,2 14,29 41,43 3188,2 76,95 60,01 1,70 4,86 +1,70-1,80 29,7 1,98 46,97 93,0 63,43 971,2 15,31 38,55 3072,2 79,77 62,44 1,80 3,60 +1,80-1,90 24,3 1,62 54,32 88,0 65,05 1059,2 16,28 36,57 2982,2 81,54 64,24 1,90 3,38 +1,90-2,00 26,4 1,76 60,42 106,3 66,81 1165,5 17,44 34,95 2894,2 82,81 65,93 2,00 - +2,00 497,9 33,19 84,00 2787,9 100,00 3953,4 39,53 33,19 2787,9 84,00 83,41 Toplam 1500,0 100,00 39,53 3953,4 Şekil 1: Kömür yıkama eğrileri Kolon No 1,2,4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Hesaplanış Şekli Yüzdürme-batırma deneylerinden Kolon(2) nin% ye dönüştürülmesiyle Kolon (3) ile Kolon (4) ün çarpımıyla Kolon (3) ün yukarıdan aşağı toplanmasıyla Kolon (5) in alt alta toplanmasıyla Kolon (7) nin Kolon (6) ya bölünmesiyle Kolon (3) ün aşağıdan yukarı doğru toplanmasıyla Kolon (5) in aşağıdan yukarı doğru toplanmasıyla Kolon (10) un Kolon (9) a bölünmesiyle Kolon (6) deki birinci değere Kolon (3) deki bir sonraki değerin yarısı eklenerek Kolon (1) deki yoğunluklar En düşük ve en yüksek yoğunluklar atıldıktan sonra kalan yoğunluklarda bir alt ve bir üst yoğunluktaki malzemenin toplam miktarı Kömür Yıkama Eğrileri 1. Kümülatif yüzen eğrisi(k.y.e) 2. Kümülatif batan eğrisi(k.b.e) 3. Yoğunluk eğrisi(y.e.) 4. Parça külü eğrisi(k.k.e) (Kül karakteristik eğrisi) 5. Dağılım eğrisi(d.e.) ( ±0,1 yoğunluk eğrisi) X Ekseni Y Ekseni Kolon (8) Kolon (6) Kolon (11) Kolon (9) Kolon (1) Kolon (6) Kolon (4) Kolon (12) Kolon (13) Kolon (14) 5
2. YÜZDÜRME-BATIRMA DENEYİ 2.1. Deneyin Genel Amacı Bu deney kapsamında, ağır ortam ile zenginleştirmenin esası üzerine kömür-şist ayrımını içeren bir statik ağır ortam ayırması deneyi gerçekleştirilecektir. Ayrıca, bir miktar kömür numunesinin yoğunluk analizi yüzdürme-batırma testleriyle gerçekleştirilecek ve kömür yoğunluğu ile kömür külü arasındaki değişim incelenecektir. 2.2. Malzeme ve Donanım Yüzdürme-batırma testlerine tabi tutulacak kömür numunesi. Yüzdürme-batırma deney seti. 2.3. Deney İşlem Basamakları i. Kömür numunesi temini ve deney setinin kurulması ii. Daha önce hazırlanmış olan ağır sıvıların yoğunluklarının kontrol edilerek ayarlanması iii. Yüzdürme-batırma deneyine tabi tutulacak kömür numunesinin hazırlanması(kırma, sınıflandırma, suyla yıkama ve süzme, kurulama gibi işlemlerden geçirilmesi) iv. Yüzdürme-batırma testine en düşük (veya en yüksek) yoğunluktaki ağır sıvıdan başlanılması. En düşük yoğunluğa sahip ağır sıvıdan başlanılması durumunda, kömür numunesi en düşük yoğunluktaki ağır sıvı banyosuna atılarak karıştırılır ve yüzen kısım uygun bir aparat yardımıyla(süzgeç, kepçe, kaşık gibi) bir kenara alınır. Yüzen bu kısım, yüzdüğü ağır sıvının yoğunluğundan daha düşük yoğunluktaki ürün olarak adlandırılır. Batan kısım ise yoğunluğu daha yüksek olan bir sonraki ağır sıvıya beslenir. Bu ağır sıvıda yüzen kısım, yoğunluğu bir önceki ağır sıvı yoğunluğundan daha yüksek ancak ikinci sıvı yoğunluğundan daha düşük yoğunluktaki taneler olarak adlandırılır. Yoğunluğu ikinci sıvı yoğunluğundan da daha fazla yoğunluğa sahip tanelerin oluşturduğu batan kısım ise bir sonraki sıvıya beslenir. Aynı işlem daha yüksek yoğunluklu ağır sıvılarda tekrarlanır ve en yüksek yoğunluktaki ağır sıvıda son bulur. Elde edilen yoğunluk aralığındaki ürünler ılık suyla yıkanarak çinko klorürden arındırılır. Aşağıdaki şekilde yüzdürme-batırma testinin uygulaması özetlenmiştir. v. Yıkanıp süzülen ürünler kurutulup tartılır ve her birinden ayrı örnekler alınarak kül analizleri yapılır. vi. Test sonunda elde edilen ağırlık ve kül analizi değerleriyle yüzdürme-batırma çizelgesi oluşturulur ve bu çizelge yardımıyla kömür yıkanabilirliğini gösteren yıkama eğrileri çizilir. Besleme -d 1 +d 1 -d 2 Besleme -d a -d b Yüzen Yüzen Batan d 1 d 2 Bir sonraki ağır sıvı. Batan d a d b Bir sonraki ağır sıvı. +d 1 +d 2 +d a +d b -d a En düşük yoğunluktan başlanması durumunda(d 1 < d 2 ) En yüksek yoğunluktan başlanması durumunda(d a >d b ) 6
2.4. Değerlendirme Soruları 1) Aşağıdaki soruların her birini yüzdürme-batırma deney sonuçlarına göre cevaplandırınız. a) Yüzdürme-batırma değerlendirme çizelgesini oluşturunuz. b) Yıkama eğrilerini çiziniz. c) Besleme kömürün kül oranı nedir? d) 1,5 ağır sıvı yoğunluğunda ayırım yapıldığında yüzen kömür miktarını ve kül oranını bulunuz. e) 1,4-1,7 yoğunluk aralığındaki kömürün miktarını ve kül oranını bulunuz. f) Yüzdürme-batırma deneyine en yüksek yoğunluktaki ağır sıvıdan başlamış olsaydınız nasıl bir işlem takip etmeniz gerekecekti? Bu durumda deneyi şematize ediniz ve her bir ağır sıvıda a) yüzen kömür miktarı ve kül oranını b) batan kömür miktarını ve kül oranını bulunuz. 2) Yüzdürme-batırma deneyinde dikkat edilmesi gereken önemli noktaları ve yıkama sonuçlarına etkisini açıklayınız. 3) Kömür yoğunluğu ile kömür külü arasında nasıl bir genel ilişkiden söz edilebilir? Bu durumun neden(ler)ini tartışınız. 4) Mineral mühendisliğinde metalik cevherler için Cevher Zenginleştirme terimi kullanılıyorken, bu terim kömürlerin değerlendirilmesi söz konusu olduğunda Kömür Yıkama biçimine dönüşmektedir. İki terim arasında uygulama ve temel işlemler bakımından ne gibi farklılıklar vardır? Belirtiniz. 7
Ek: Yüzdürme-batırma deney veri çizelgesi ve yıkama eğrileri grafiği Yoğunluk Aralığı (g/cm 3 ) Yoğunluk Aralığındaki Malzeme Toplam Yüzen Malzeme Toplam Batan Malzeme Parça Kül Ağırlk % Ağ. % Kül Kül % Ağ. Kül % % Ağ. Kül % Kül %Ağ. (g) İçeriği İçeriği Kül İçeriği 1 Yoğunluktaki Malzeme Yoğ %Ağ. (a) 1 (b) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 8