Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор . 9
1.1. Существующие способы обезвоживания угольных флотационных концентратов 9
1.2. Способы интенсификации обезвоживания угольных флотационных концентратов 12
1.3. Конструктивные особенности современных ленточных фильтр-прессов 17
1.4. Сведения о применении и технологических показателях работы ленточных фильтр-прессов на углеобогатительных фабриках 28
1.5. Физико-химическое и физико-механическое представление о процессах кондиционирования и обезвоживания тонкодисперсных продуктов флота-ции на ленточных фильтр-пресс 33
2. Теоретическая часть 37
2.1. Теоретический анализ процесса кондиционирования угольных суспензий флокулянтами 37
2.2. Исследование процесса разделения суспензии в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса 40
2.3. Исследование процесса обезвоживания осадка под действием механического отжима . 47
3. Экспериментальная часть 54
3.1. Методики исследований и описание лабораторного оборудования 54
3.1.1. Обоснование и разработка методики тестирования физико-механических свойств кондиционированных осадков 54
3.1.2. Методика исследований по флокуляционному кондиционированиюи дренированию угольных суспензий 58
3.1.3. Методика исследований по обезвоживанию угольных флотационных концентрата и промежуточного продукта на лабораторном ленточном фильтр-прессе 59
3.2. Результаты экспериментальных исследований .64
3.2.1. Свойства исследованных продуктов .64
3.2.2. Свойства флокулянтов 67
3.2.3. Результаты лабораторных исследований по флокуляционному кондиционированию угольных суспензий 69
3.2.4. Результаты лабораторных исследований по обезвоживанию осадков угольных суспензий на лабораторном ленточном фильтр-прессе 81
3.3. Оценка результатов экспериментальных исследований 84
4. Опытно-промышленная проверка и внедрение технологии обезвоживания угольных Флотационных концентратов и промежуточных продуктов на ленточных фильтр-прессах (на примере ОФ "Нерюнгринская") 88
4.1. Технологическая схема обезвоживания продуктов флотации ОФ "Нерюнгринская" на ленточных фильтр-прессах 88
4.2. Результаты исследований по кондиционированию и обезвоживанию флотационных концентрата и промежуточного продукта в промышленных условиях 95
4.3. Разработка технологического режима кондиционирования и обезвоживания флотационных концентрата и промежуточного продукта на ленточных фильтр-прессах 98
4.4. Технико-экономические показатели работы ленточных фильтр-прессов на ОФ "Нерюнгринская" 101
Выводы 107
Список литературы 110
Приложения. 116
- Сведения о применении и технологических показателях работы ленточных фильтр-прессов на углеобогатительных фабриках
- Исследование процесса разделения суспензии в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса
- Обоснование и разработка методики тестирования физико-механических свойств кондиционированных осадков
- Технико-экономические показатели работы ленточных фильтр-прессов на ОФ "Нерюнгринская"
Сведения о применении и технологических показателях работы ленточных фильтр-прессов на углеобогатительных фабриках
Кондиционирование суспензии угольного флотационного концентрата перед ее подачей на ленточный фильтр-пресс заключается в обработке суспензией растворами флокулянтов. Для того, чтобы обеспечить образование флокул, удовлетворяющим вышеуказанным требованиям (см. подраздел 1.2), необходимо применение по крайней мере двух флокулянтов: анионактивного и ка-тионактивного [ 47 ]. Механизм флокуляции угольных частиц высокомолекулярными водорастворимыми полимерами-флокулянтами является достаточно сложным; кроме того, наличие на поверхности частиц концентрата молекул флотационных реагентов в известной степени затрудняет процесс флокуляции.
В литературе описан механизм флокуляции угольных частиц. Отмечается [ 48 ], что в водной среде поверхность частиц (вследствие процессов окисления, поверхностной диссоциации и хемосорбции) заряжена отрицательно. Поэтому вблизи поверхности частиц образуется так называемый двойной электрический слой (ДЭС) из положительно заряженных ионов. ДЭС состоит из двух слоев: плотного (адсорбционного) слоя, непосредственно примыкающего к поверхности частицы, и диффузного слоя, примыкающего к адсорбционному слою. Таким образом, наличие ДЭС препятствует сближению и естественной коагуляции частиц, в особенности наиболее мелких (размером 10-15 микрон и менее), так как размер этих частиц сопоставим с толщиной ДЭС, что не позволяет этим частицам осаждаться. Следовательно, с уменьшением поверхностного заряда угольных частиц (по абсолютной величине) стабильность водо-угольных суспензий снижается. Это может быть достигнуто путем добавки к суспензии низкомолекулярных водорастворимых электролитов, т.е. коагулянтов [ 49 ]. Однако, скорость коагуляции угольных частиц является сравнительно низкой вследствие относительно небольшого размера образующихся при коагуляции агрегатов. Более эффективно применение флокулянтов - водорастворимых полимеров различного состава и свойств. Это обусловлено тем, что макромолекулы флокулянтов могут объединить в относительно крупные агрегаты (флокулы) несколько частиц, образуя между ними связи-мостики (так называемая мостиковая флокуляция), что способствует увеличению скорости седиментации и повышению степени осветления суспензии по сравнению с коагуляцией низкомолекулярными электролитами.
Рассматривается механизм флокуляции угольных суспензий тремя разновидностями флокулянтов: анионактивными (несущими отрицательный заряд), катионактивными (несущими положительный заряд) и неионогенными. [50-53]. Моногенность того или иного флокулянта обусловлена природой функциональных групп макромолекулы флокулянта, в частности, характером их диссоциации в воде и возникающего при этом заряда макроиона. Анионактивные флокулянты, имея заряд того же знака, что и поверхность угольных частиц, взаимодействуют в основном с диффузной частью ДЭС. В результате образуются весьма рыхлые, обводненные флокулы; наиболее мелкие частицы флокулиру-ются не полностью; поверхностный заряд частиц не уменьшается. Поэтому применение анионактивных флокулянтов не позволяет получить осадок с требуемыми для обезвоживания на ленточных фильтр-прессах свойствами и чистую воду. Катионактивные флокулянты при взаимодействии с твердой фазой водо-угольных суспензий частично нейтрализуют поверхностный заряд, а также способствуют разрушению гидратных оболочек, что обусловливает не только флокуляцию, но и коагуляцию угольных частиц. При этом образуются относительно мелкие и плотные флокулы, что весьма благоприятно при фильтровании суспензии, однако обезвоживание таких флокул механическим отжимом малоэффективно, так как флокулы могут продавливаться через фильтрующие ленты.
В связи с вышеизложенным на практике кондиционирование суспензий перед их подачей на ленточный фильтр-пресс осуществляют применением по крайней мере двух флокулянтов: сначала - анионактивного, затем - катионак-тивного [ 54 ]. Флокулы, образовавшиеся в результате действия анионактивного флокулянта, связываются макромолекулами катионактивного флокулянта в более крупные агрегаты, при этом флокулируются и наиболее мелкие частицы. При таком режиме кондиционирования становится возможным получение осадка, пригодного для обезвоживания на ленточном фильтр-прессе, а также практически чистой воды. Следует отметить, что суммарный расход и соотношение дозировок флокулянтов зависят от свойств флокулируемои суспензии (как твердой, так и жидкой фаз); эти величины должны определяться расчетным или экспериментальным путем для каждого конкретного продукта.
Физико-механическая сущность процессов, происходящих при обезвоживании осадка на ленточном фильтр-прессе, пока еще недостаточно исследована. Григорюк [ 55 ] рассматривает главным образом поведение осадка в клиновой зоне. Рименшнайдер и Альт [ 56 ] предлагают модель, описывающую обезвоживание осадка в зоне отжима, но без учета физико-механических свойств осадка и влияния на процесс отжима режима кондиционирования суспензии. Керин [ 57 ] рассматривает обезвоживание осадка в зоне отжима, не принимая во внимание изменения свойств осадка на предшествующих стадиях обезвоживания. Бадгуяр и Чианг [ 58 ] изучили механизм обезвоживания осадка в зоне отжима ленточного фильтр-пресса (как при линейном, так и при плоскостном давлении) с учетом напряжения сдвига, однако выведенные ими уравнения не позволяют рассчитать конечную влажность осадка.
На основании данных различных исследователей [ 53, 54, 59, 60 ] можно сформулировать представление о процессе обезвоживания на ленточном фильтр-прессе с учетом требований, предъявляемых к физико-механическим свойствам осадка на различных стадиях процесса. В зоне дренирования свободная влага удаляется под действием гравитационных сил (на некоторых ленточных фильтр-прессах - также под действием вакуума). К концу этой зоны образуется осадок, который содержит главным образом связанную влагу; главное требование к осадку заключается в том, что он не должен растекаться по ленте. В клиновой зоне осадок подвергается действию возрастающего механического давления, при этом частично удаляется межпоровая влага. В этой зоне осадок не должен выдавливаться за пределы лент. В зоне валкового отжима (за счет линейного или плоскостного давления в зависимости от конструкции фильтра) происходит уплотнение осадка и разрушение флокул, в результате чего удаляется межпоровая и частично - механически связанная влага. Осадок, как и в клиновой зоне, не должен выдавливаться за пределы лент и продавливаться через ленты; кроме того, обезвоженный осадок должен легко удаляться с лент при помощи ножей и не замазывать ленты.
Таким образом, современная теория не дает полного представления о механизме флокуляционного кондиционирования угольных флотационных концентратов и обезвоживания на ленточном фильтр-прессе. Данное обстоятельство объясняется тем, что флотационные концентраты, как правило, образуют малосжимаемые осадки [ 4, с. 6 ], поэтому возможность их обезвоживания на ленточных фильтр-прессах не рассматривалась. Можно предположить, что тонкодисперсные угольные флотационные концентраты, в особенности с добавкой флокулянтов, могут образовывать средне- и даже сильносжимаемые осадки, однако это предположение требует экспериментальной проверки. Необходимо также экспериментальное подтверждение того, что обезвоживание угольных флотационных концентратов на ленточных фильтр прессах подчиняется тем же закономерностям, что и обезвоживание шламов и отходов флотации.
Исследование процесса разделения суспензии в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса
Как было отмечено выше, одним из основных требований, предъявляемых к продуктам, обезвоживаемым на ленточных фильтр-прессах, является образование осадка достаточной механической прочности. Очевидно, что для оценки механической устойчивости осадка в лабораторных условиях необходимо найти критерий, определяющий его конечный результат, выражающийся в подготовленности осадка после прохождения зоны дренирования к прессованию в клиновой зоне и зоне валкового отжима.
Если представить кондиционированный осадок как дисперсную систему, жидкая фаза которой (вода и флокулянт) создает между твердыми частицами своеобразную подвижную пространственную решетку, то критерием нарушения ее равновесия (переходом в золь) может служить интенсивность механического воздействия. Такое изменение состояния дисперсной системы принято называть тиксотропией.
Существующие методики оценки механической устойчивости систем, содержащих твердую и жидкую фазы, применяются в основном для исследования свойств грунтов [ 67, с. 52-63 ], и не позволяют получить удовлетворительные результаты при оценке свойств такой специфической системы, как осадок, состоящий из угольных частиц, соединенных между собой макромолекулами флокулянтов (т.е. флокул, содержащих заключенную внутри них воду). Поэтому была разработана оригинальная методика, основанная на вибрационном воздействии на исследуемый осадок.
Суть данной методики заключается в том, что кондиционированный осадок, из которого удалена свободная влага, подвергается воздействию вибрации с постоянной амплитудой и переменной (регулируемой) частотой. Очевидно, что при возрастании частоты колебаний происходит нарушение структуры осадка, и при определенном значении частоты колебаний (в зависимости от механических свойств осадка) происходит переход осадка в текучее состояние (т.е. в золь), что визуально выражается в резком изменении угла естественного откоса осадка (т.е. начинается растекание).
В качестве критерия механической устойчивости осадка служит величина максимального ускорения колебательного движения J max , при котором осадок не растекается. Величина J max рассчитывается по формуле:
Установка состоит из электродвигателя 1, вибропривода 2, обеспечивающего колебательное движение съемной кюветы 3, установленной на стойке 4 (амплитуда колебаний - 3 мм). С виброприводом 2 также соединен оптический компенсатор смещения 5, выполненный в виде прозрачной призмы, причем сопряжение его с кюветой 3 обеспечивает возможность наблюдения за пробой, находящейся в кювете 3. Частота колебаний регулируется при помощи лабораторного автотрансформатора 6; для измерения значения частоты колебаний служит счетчик 7, связанный с виброприводом 2.
Описанная установка работает следующим образом. Проба кондиционированного осадка помещается в кювету 3 в виде валика с углом откоса свободной поверхности 45 . Кювета 3 закрепляется на стойке 4, затем при помощи лабораторного автотрансформатора 6 постепенно увеличивается частота колебаний кюветы 3 и визуально отмечается начало изменения угла откоса осадка. В этот момент при помощи счетчика 7 замеряется частота колебаний п и рассчитывается Значение J щах ПО формуле 3.1.
Следует отметить, что в настоящей работе механическая устойчивость осадка не является единственным критерием для оценки процесса флокуляци-онного кондиционирования водо-угольных суспензий. Поскольку данный процесс оказывает непосредственное влияние на показатели разделения суспензии в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса, то механическая устойчивость осадка рассматривается наряду с временем дренирования и удельным сопротивлением осадка для определения оптимальных значений расхода флокулян-тов.
Обоснование и разработка методики тестирования физико-механических свойств кондиционированных осадков
Результаты опытов по флокуляционному кондиционированию и дренированию суспензий исследованных продуктов позволяют сделать вывод о том, что наиболее существенное влияние на свойства твердой фазы (удельное сопротивление осадка и его механическую прочность) оказывает расход флокулянтов. Минимальное значение удельного сопротивления осадка для исследованных продуктов составило (2 - 3) 1010 м"2. Характер зависимости удельного сопротивления осадка и времени дренирования от суммарной дозы флокулянтов согласуется с известными из литературы данными, полученными в процессе кондиционирования суспензий отходов флотации [ 54 ]. Поэтому можно сделать вывод о том, что кондиционирование угольных суспензий подчиняется тем же закономерностям, что и кондиционирование суспензий высокозольных угольных шламов и отходов флотации. Суммарная доза флокулянтов, рассчитанная по формуле (3.10), позволяет получать осадки с удельным сопротивлением, превышающим минимальное значение не более, чем на 50 %. При этом механическая устойчивость осадка является по крайней мере достаточной. Важно отметить, что расчетное значение суммарной дозы флокулянтов находится в пределах, соответствующих нисходящей ветви экспериментальной кривой, что позволит при кондиционировании избежать перерасхода флокулянтов. Однако, выведенная формула справедлива только для данного сочетания флокулянтов. Поэтому в общем случае необходимы предварительные исследования по подбору флокулянтов для кондиционирования того или иного продукта. Возможно, в формулу (3.10) следует ввести поправки, учитывающие ионную активность и степень диссоциации флокулянтов.
Исследования по определению зависимости гидростатического давления от времени показали, что для описания данной зависимости можно применять теоретически выведенное уравнение (2.20) с учетом определенного экспериментальным путем поправочного коэффициента. Поскольку в данное уравнение входит значение удельного сопротивления осадка, то при расчете величины эквивалентного давления желательно использовать экспериментальное значение do, или, по крайней мере, задаться этим значением.
Также установлено, что удовлетворительное кондиционирование суспензий исследованных продуктов достигается при перемешивании с растворами флокулянтов при небольшой интенсивности в течение короткого промежутка времени (около 5 с для каждого флокулянта). Однако, при более длительном и более интенсивном перемешивании наблюдалось увеличение времени дренирования, что обусловлено, вероятно, механической деструкцией флокул. Следовательно, перемешивание суспензий флотационных концентрата и промежуточного продукта с растворами флокулянтов в промышленных условиях должно осуществляться при движении суспензии самотеком без применения механических перемешивающих устройств.
Анализ результатов опытов по обезвоживанию исследованных продуктов на лабораторном ленточном фильтр-прессе позволяет сделать вывод о том, что обезвоживание осадков угольных суспензий путем механического отжима подчиняется, в общем, тем же закономерностям, что и обезвоживание осадков угольных шламов и отходов флотации. Такие показатели процесса, как влажность осадка, время дренирования, производительность по твердому и содержание твердого в фильтрате зависят, прежде всего, не от свойств твердой фазы исходной суспензии, а от свойств кондиционированного осадка. Учитывая достаточно высокую степень механической устойчивости осадка, можно предположить, что при обезвоживании на ленточном фильтр-прессе не будет происходить выдавливание осадка за пределы лент.
Как уже было отмечено, производительность ленточного фильтр-пресса при условии хорошего кондиционирования суспензии практически не зависит от свойств твердой фазы исходной суспензии, то есть от удельного сопротивления несфлокулированного осадка. Однако, как показывает практика, обезвоживание сравнительно легкофильтруемых продуктов обогащения (удельное сопротивление осадка до 1013 м"2) целесообразнее всего осуществлять с применением дисковых вакуум-фильтров. Ленточные фильтр-прессы могут быть альтернативой только для обезвоживания сравнительно труднофильтруемых продуктов, образующих при фильтровании под вакуумом осадки с влажностью более 30 % и дающих высокое содержание твердого в фильтрате (80-100 кг/м и более).
Полученные значения конечной влажности обезвоженных осадков практически не зависят от свойств твердой фазы суспензии и составляют в среднем примерно 31-33 %; минимальное значение - 29,8 %. Можно ожидать, что при обезвоживании суспензий угольных флотационных концентрата и промежуточного продукта на промышленных ленточных фильтр-прессах минимальная влажность обезвоженного осадка будет составлять не менее 30 %. Это обусловлено относительно малой сжимаемостью осадков угольных суспензий и невысоким давлением отжима на ленточных фильтр-прессах.
Следует также отметить, что полученные на лабораторном ленточном фильтр-прессе экспериментальные данные не могут служить для точного прогнозирования ожидаемых технологических показателей работы промышленных ленточных фильтр-прессов, что обусловлено следующими причинами. 1. По мнению ряда исследователей [ 54] величина времени дренирования, определенная на лабораторной или опытно-промышленной установке, не позволяет правильно оценить технологические показатели работы промышленного ленточного фильтр-пресса. Кроме того, зона дренирования ленточных фильтр-прессов "Эймко" снабжена устройствами для разрыхления осадка. Поэтому при правильном кондиционировании суспензии скорость дренирования на ленточных фильтр-прессах "Эймко" возрастает, следовательно, можно ожидать, что время дренирования на промышленном ленточном фильтр-прессе будет меньше, чем на лабораторном (при прочих равных условиях).
Значения влажности осадка, полученные на лабораторном ленточном фильтр-прессе в общем случае могут отличаться от значений, полученных на промышленном ленточном фильтр-прессе, поскольку давления отжима осадка можно только очень приближенно оценить, но точно определить нельзя.
Отсюда следует, что для уточнения результатов лабораторных исследований необходимо провести опытно-промышленные исследования по кондиционированию и обезвоживанию угольных флотационных концентрата и промежуточного продукта ОФ "Нерюнгринская" на ленточных фильтр-прессах.
Технико-экономические показатели работы ленточных фильтр-прессов на ОФ "Нерюнгринская"
На основании результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний предлагаются следующие рекомендации по освоению и совершенствованию технологии флокуляционного кондиционирования и обезвоживания угольных флотационных концентрата и промежуточного продукта ОФ "Нерюнгринская" на ленточных фильтр-прессах.
Кондиционирование суспензий данных продуктов перед подачей на ленточные фильтр-прессы целесообразно осуществлять в соответствии со схемой, изображенной на рис. 4.2. Необходимо, чтобы подача и перемешивание кондиционируемой суспензии с флокулянтами осуществлялась самотеком (во избежание деструкции флокул). Порядок кондиционирования суспензии флокулянтами следующий: сначала осуществляется перемешивание с раствором анионактивного флокулянта, затем - с раствором катионактивного флокулянта (вместе с ним может подаваться часть раствора анионактивного флокулянта). Суммарный расход флокулянтов устанавливается на уровне, соответствующем расчетному значению по формуле (3.10). Соотношение расходов анионактивного и катионактивного флокулянтов может изменяться в пределах от 1:1 до 2:1. Концентрация рабочих растворов флокулянтов должна составлять 0,05 %; допустимое отклонение - 0,02 %. Точки подачи флокулянтов должны быть определены с таким расчетом, чтобы перемешивание суспензии с каждым из флокулянтов осуществлялось в течение 5 - 10 с.
Режим обезвоживания осадка на ленточном фильтр-прессе регулируется следующими независимыми друг от друга параметрами: - скорость движения лент; - объемный расход суспензии, подаваемой на фильтр; - натяжение лент. Первые два параметра оказывают существенное влияние на производительность фильтра по твердому, и в меньшей степени - на влажность обезвоженного осадка. Натяжение лент, изменяющееся в относительно узком диапазоне, может влиять только на влажность обезвоженного осадка, причем весьма незначительно (в пределах 1 - 2 % абс). Поэтому целесообразно рассматривать только первые два из вышеуказанных параметров.
Как известно, с увеличением скорости движения лент производительность ленточного фильтр-пресса по твердому монотонно возрастает. Поэтому максимальная производительность достигается при максимальном значении скорости движения лент (в данном случае - 21 м/мин). При этом необходимо, следить за тем, чтобы толщина обезвоженного осадка была не меньше критического значения (3-4 мм). В противном случае эффективность ножевого съема осадка будет весьма низкой, что приведет к резкому снижению производительности фильтра. Следовательно, в процессе эксплуатации ленточного фильтр-пресса скорость движения лент должна поддерживаться на максимальном возможном уровне. В случае уменьшения толщины осадка до 3 - 4 мм следует увеличить объемный расход подаваемой на фильтр кондиционированной суспензии или уменьшить скорость движения лент.
Опыт работы ОФ "Нерюнгринская" показывает, что содержание твердого в суспензиях флотационных концентрата и промежуточного продукта колеб-лется весьма незначительно (в пределах 200 - 220 кг/м ). Поэтому в данном случае рассматривается влияние на показатели работы ленточного фильтр-пресса только объемного расхода подаваемой суспензии. При прочих равных условиях, с увеличением объемного расхода подаваемой суспензии производительность ленточного фильтр-пресса возрастает до тех пор, пока время дренирования не становится больше времени пребывания осадка в зоне дренирования. В этом случае суспензия растекается по ленте, что приводит к нарушению режима работы фильтра.
Следовательно, при выбранной скорости движения лент необходимо регулировать объемный расход подаваемой на фильтр суспензии таким образом, чтобы к концу зоны дренирования на поверхности осадка не оставалось бы жидкости. Если дренирование заканчивается раньше, то это может привести к снижению производительности фильтра. Поэтому объемный расход подаваемой суспензии следует устанавливать точно на требуемом уровне. Если осадок, образующийся в зоне дренирования, выдавливается за пределы лент в клиновой зоне или в зоне отжима, то это свидетельствует о недостаточной механической устойчивости осадка. В этом случае необходимо увеличить суммарный расход флокулянтов до получения осадка, не выдавливающегося за пределы лент.
Содержание твердого в фильтрате труднее поддается точному регулированию, чем другие показатели работы ленточного фильтр-пресса. Это обусловлено тем, что данная величина зависит не только от свойств твердой фазы исходной суспензии и режима ее кондиционирования, но также и от состояния фильтрующих лент. В то же время, по данным лабораторных и опытно-промышленных испытаний, при правильном кондиционировании суспензии содержание твердого в фильтрате не превышает 25 - 30 кг/м . Поэтому в процессе эксплуатации ленточного фильтр-пресса следует периодически определять значение данной величины, и в случае превышения указанных значений необходимо увеличить расход флокулянтов или проверить состояние фильтрующих лент.
Соблюдение вышеуказанных условий должно обеспечить стабильную работу ленточных фильтр-прессов и возможность достижения оптимальных значений технологических показателей их работы. В дальнейшем следует изучить возможность автоматизации управления процессами кондиционирования и обезвоживания флотационных концентрата и промежуточного продукта на ленточных фильтр-прессах путем установки адаптивной системы управления.
