Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 12
1.1. Современные теоретические представления о процессе флокуляции суспензий 12
1.2. Анализ современных способов и оборудования для перемешивания суспензий с флокулянтами 23
2. Теоретическая часть 36
2.1. Исследование закономерностей перемешивания суспензий с флокулянтами в трубопроводах со статическими перемешивающими устройствами 36
2.2. Предложения по управлению процессом флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации и свойствами получающимися в результате этого процесса флокуляционных структур 51
3. Экспериментальная часть 57
3.1. Методика исследований по флокуляционному кондиционированию и гравитационному обезвоживанию суспензий отходов флотации, описание лабораторного оборудования 57
3.2. Результаты экспериментальных исследований 60
3.2.1. Свойства исследованных отходов флотации 60
3.2.2. Свойства применявшихся коагулянтов и флокулянтов 67
3.2.3. Исследования по подбору флокулянтов 68
3.2.4. Исследования влияния ряда характеристик суспензий отходов флотации на результаты опытов по флокуляционному кондиционированию 76
3.2.5. Исследования по предотвращению образования гелеобразных структур в суспензиях отходов флотации 79
3.3. Оценка результатов экспериментальных исследований 83
4. Опытно-промышленные исследования, испытания и внедрение технологии кондиционирования угольных суспензий флокулянтами при обезвоживании на ленточных фильтр-прессах ЦОФ «Печорская» 88
4.1. Технологическая схема флокуляционного кондиционирования и обезвоживания суспензий отходов флотации 88
4.2. Исследование влияния основных технологических факторов на процесс флокуляции отходов флотации 92
4.3. Обоснование режимов кондиционирования суспензии отходов флотации флокулянтами 110
4.4. Расчёт экономической эффективности технологии флокуляционного кондиционирования и обезвоживания отходов флотации ЦОФ "Печорская" 113
4.5. Перспективы дальнейших исследований 115
Заключение 119
Список использованных источников 121
Приложения 130
- Анализ современных способов и оборудования для перемешивания суспензий с флокулянтами
- Предложения по управлению процессом флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации и свойствами получающимися в результате этого процесса флокуляционных структур
- Свойства применявшихся коагулянтов и флокулянтов
- Исследование влияния основных технологических факторов на процесс флокуляции отходов флотации
Введение к работе
Современные процессы обогащения углей осуществляются с применением значительного количества воды (в среднем 3 — 4 м3 на 1 тонну обогащаемого угля). В связи с ужесточением требований по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов приобретают все большую актуальность задачи эффективного разделения твердой и жидкой фаз с целью получения продуктов обогащения с как можно более низкой влажностью и возвращения в систему оборотного водоснабжения углеобогатительных фабрик (ОФ) возможно большего количества воды с возможно более низким содержанием твёрдого. Необходимо осуществить полное замыкание водно-шламовых схем ОФ с целью исключения сброса шламовых вод (отходов флотации) за пределы ОФ.
Известно, что наиболее действенным способом повышения эффективности процессов разделения твердой и жидкой фаз (осветления, сгущения, фильтрования и обезвоживания) является применение синтетических полимерных флокулянтов (далее - флокулянтов). В последние годы флокулянты получают все более широкое применение в указанных операциях на ОФ России и зарубежных стран. Наибольшего количества флокулянтов требует операция обезвоживания тонкодисперсных шламов или отходов флотации на ленточных фильтр-прессах.
На процесс флокуляции влияет большое количество разнообразных факторов (рис. 1) [1]. Наиболее важным представляется комплекс параметров, определяющих режим флокуляционного кондиционирования, т.е. операции, заключающейся в добавлении к суспензии определенного количества флокулянта (флокулянтов) при определенных условиях с целью придания суспензии требуемых свойств исходя из назначения процесса разделения и его режимных параметров.
Флокуляционное кондиционирование включает следующие этапы: приготовление растворов флокулянтов; дозирование растворов флокулянтов; перемешивание растворов флокулянтов с суспензией; транспортирование сфлокули-рованной суспензии к аппарату.
СУСПЕНЗИЯ
ФЛОКУЛЯНТ
Раствор флокулянта: концентрация
способ приготовления продолжительность,
условия хранения рН
Ионогенность: -неионогенный -анионактивный -катионактивный
Молекулярная масса:
низкомолекулярный
среднемолекулярный
высокомолекулярный
Твёрдая Фаза плотность
удельная поверхность концентрация С, -потенциал вещественный состав -степень гидратированности
Жидкая фаза
солевой состав -рН -температура
электропроводность
жёсткость
УСЛОВИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ФЛОКУЛЯНТА С
СУСПЕНЗИЕЙ
дозировка
точка подачи
способ подачи
перемешивание:
время, интенсивность
Рисунок 1 Основные факторы, влияющие на процесс мостиковой флокуляции
Все указанные этапы имеют важное значение, однако наибольший теоретический и практический интерес вызывают вопросы, связанные с перемешиванием суспензий и флокулянтов [3; 4, с. 177 - 183; 7; 13; 45; 48; 69; 74].
В зарубежной практике углеобогащения широко применяются различные специальные устройства для перемешивания суспензий с флокулянтами: с вращающимися мешалками (в емкостях и в трубопроводах); статические перемешивающие устройства разнообразных конструкций. В то же время на отечественных ОФ вопросам перемешивания суспензий с флокулянтами до настоящего времени не уделялось должного внимания. Данный процесс на большинстве ОФ осуществляется в желобах или трубопроводах без применения специальных устройств, т.е. практически без регулирования. Только в последние годы на отдельных фабриках были установлены статические смесители.
Теория перемешивания суспензии с флокулянтами разработана ещё недостаточно. Сравнительно большое количество публикаций посвящено перемешиванию вращающимися мешалками в замкнутом объёме [13, 45, 52, 65, 67, 68], но процесс перемешивания в статических смесителях практически не исследовался. Между тем, именно статические смесители представляют весьма большой интерес, поскольку, по сравнению с вращающимися мешалками, они значительно проще и дешевле в изготовлении и не требуют затрат электроэнергии.
Следует отметить еще одну существенную проблему, возникающую при перемешивании с флокулянтами суспензий, содержащих значительное количество тонкодисперсных глинистых частиц (высокозольных шламов и отходов флотации) - гелеобразование. Данное явление заключается в том, что флокуляционные структуры, образующиеся в суспензиях при их кондиционировании, имеют геле-образный характер. Такие гелеобразные структуры практически не поддаются механическому обезвоживанию, что чрезвычайно нежелательно, особенно при обезвоживании суспензии на ленточных фильтр-прессах. До настоящего времени не предложены достаточно эффективные способы предотвращения данного явления.
Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных способов управления процессом флокуляционного кондиционирования для повышения эффективности технологии обезвоживания отходов флотации углей на ленточных фильтр-прессах.
Идея работы заключается в разработке критерия, позволяющего оценить эффективность перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях; разработка предложений по управлению свойствами флокуляционных структур и экспериментальная проверка этих разработок.
Исходя из поставленной цели, сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
анализ современных технологий и оборудования для флокуляционного кондиционирования;
разработка критерия, позволяющего оценить эффективность процесса перемешивания суспензии с флокулянтом в статическом смесителе;
установление закономерностей процесса обезвоживания суспензии отходов флотации на ленточных фильтр-прессах в зависимости от параметров режима флокуляционного кондиционирования;
разработка и экспериментальная проверка предложений по предотвращению гелеобразования при флокуляционном кондиционировании отходов флотации;
проведение опытно-промышленных исследований и испытаний технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации с применением статических смесителей;
разработка усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования и обезвоживания отходов флотации на ленточных фильтр-прессах.
При проведении исследований использованы следующие методы. Теоретические исследования закономерностей перемешивания суспензий с флокулянтами основаны на положениях физико-химической гидродинамики и коллоидной химии. Гранулометрический состав отходов флотации определен методом микро-
8 съёмки с компьютерной обработкой изображения. Моделирование процесса дренирования суспензий отходов флотации осуществлялось на лабораторной фильтровальной установке. Опытно-промышленные исследования флокуляционного кондиционирования отходов флотации и испытания статических смесителей с определением эффективности работы последних проводились по усовершенствованной методике опробования промышленных ленточных фильтр-прессов. При обработке результатов исследований использованы методы математической статистики: корреляционный и регрессионный анализ.
Основные положения, выносимые на защиту:
методология оценки эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статическом смесителе, основанная на разработанном автором критерии оценки эффективности перемешивания, позволяющая определять оптимальные режимы процесса флокуляционного кондиционирования.
модель перемешивания суспензии с флокулянтами в статических смесителях, позволяющая рассчитать время процессов: гомогенизации флокулянта в жидкой фазе суспензии; адсорбции флокулянта на частицах твёрдой фазы; собственно флокуляции;
способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации: с применением коагулянтов-электролитов и гетерокоагу-лянтов; высокомолекулярного анионактивного, низкомолекулярного катионак-тивного и высокомолекулярного катионактивного флокулянтов.
технологические закономерности процесса флокуляционного кондиционирования отходов флотации углей перед их обезвоживанием на ленточном фильтр-прессе.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые предложен критерий эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях, позволяющий определять оптимальные режимы процесса флокуляционного кондиционирования.
Разработана модель, позволяющая рассчитать время процессов, протекающих при флокуляционном кондиционировании суспензий в статических сме-
9 сителях: гомогенизации флокулянта в жидкой фазе суспензии; адсорбции флокулянта на частицах твёрдой фазы; собственно флокуляции.
Предложены и экспериментально подтверждены способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации.
Доказано, что эффективность процесса перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях регулируется путём варьирования объёмного расхода суспензии.
Выявлен характер зависимости удельного объёмного сопротивления осадка от свойств флокулянтов и параметров флокуляционного кондиционирования.
6. Установлена корреляция между производительностью ленточных
фильтр-прессов по твёрдому и удельным объёмным сопротивлением осадка.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций заключается в следующем:
теоретические выводы подтверждаются данными расчётов, экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями и испытаниями, а также положительным опытом внедрения усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации на ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь";
объём полученных экспериментальных данных является представительным: при проведении лабораторных экспериментов, полупромышленных и промышленных испытаний на ЦОФ "Печорская" и ОФ "Нерюнгринская" выполнено около 2400 опытов;
сходимость результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований является высокой: ошибка эксперимента во всех сериях опытов не превышала 15 %.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей перемешивания суспензии с флокулянтами в статических смесителях и создании оригинальной методологии оценки эффективности данного процесса, а также в обосновании предложений по управлению свойствами флокуляционных структур
10 в суспензиях отходов флотации. Данные предложения защищены патентами РФ [81,83].
Практическое значение работы заключается в разработке усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации углей на основании методологии оценки эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статическом смесителе. В условиях действующего предприятия (ЦОФ "Печорская") доказана высокая эффективность статических перемешивающих устройств и определена величина экономического эффекта, достигаемого за счёт снижения расхода флокулянтов.
Теоретическая и экспериментальная часть работы были выполнены в ИОТТ, промышленные исследования и испытания проводились на ЦОФ "Печорская" и ОФ "Нерюнгринская".
Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при реконструкции фильтровального отделения ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь" путем установки статических перемешивающих устройств на операции флокуляционного кондиционирования отходов флотации перед их обезвоживанием на ленточных фильтр-прессах. Результаты работы могут быть распространены на проектируемые, строящиеся и реконструируемые углеобогатительные фабрики.
Основные результаты и положения работы докладывались на: учёных Советах ИОТТ (г. Люберцы, 2003 - 2005 гг.); технических совещаниях ООО "Де-гусса-Евразия" (г. Москва, 2003 - 2005 гг.); технических совещаниях фирмы "J.F. Knauer GmbH" (ФРГ, г. Франкфурт, 2003 - 2005 гг.); научных симпозиумах "Неделя горняка" (г. Москва, МГТУ, 2004 - 2005 гг.); технических советах ЦОФ "Печорская" (г. Воркута, 2004 - 2005 гг.); V Конгрессе Обогатителей Стран СНГ (г. Москва, МИСиС, 2005 г.).
Непосредственно по теме диссертации опубликованы 5 статей, получено 3 патента РФ.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю данной диссертационной работы, директору Ин-
статута Обогащения Твердых Горючих Ископаемых (ИОТТ), доктору технических наук, Линёву Б. И.; генеральному директору ООО "Дегусса Евразия", доктору химических наук, профессору Лобанову Ф. И. за ценные советы и консультации при подготовке работы и помощи в организации стажировок в Германии; ответственному секретарю редколлегии журнала "Прикладная Математика и Механика", доктору физико-математических наук, профессору Гупало Ю. П. за критические замечания при разработке критерия оценки эффективности перемешивания суспензии с флокулянтами; заведующему сектором водно-шламовых процессов ИОТТ, к.т.н. Гольбергу Г. Ю. за консультации при подготовке работы и помощь в проведении лабораторных опытов.
Выполнение опытно-промышленных исследований и испытаний было бы невозможно без помощи и творческого участия коллектива и руководства ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь" - директора Канева Н. И., главного инженера Кутового В. М., зам. директора по производству Еременко Д. Г., главного технолога Редьки А. Н., начальника цеха флотации Иванова В. В.; а также коллектива и руководства ОФ "Нерюнгринская" ОАО ХК "Якутуголь" - директора За-сядько А. В., главного инженера Костромитина А. В., заместителя главного инженера Осадчего С. А.; и многих других.
Анализ современных способов и оборудования для перемешивания суспензий с флокулянтами
Как было отмечено во введении, в процессах разделения твердой и жидкой фаз с применением флокулянтов важное значение имеет операция перемешивания суспензий с флокулянтами. Для этой цели в настоящее время применяется различное оборудование (см. рис. 1.7) [24].
В зарубежной практике широкое распространение получили все вышеуказанные перемешивающие устройства. В тоже время, на отечественных ОФ перемешивание суспензий с флокулянтами осуществляется главным образом в трубопроводах; статические смесители пока не получили широкого распространения, а динамические устройства не применяются совсем. Ниже рассмотрены конструкции перемешивающих устройств и соответствующие параметры режима перемешивания.
Достоинствами вращающихся мешалок являются возможность гибкого регулирования режима работы (путем изменения частоты вращения), а также — стабильный режим работы и практически полное отсутствие осаждения твердой фазы в зоне перемешивания.
Перемешивание вращающимися мешалками в емкостях рассмотрено в работах [52, 54]. В работе [68] исследовалась флокуляция модельных суспензий при помощи мешалок следующих типов: турбинные открытые с прямолинейными лопатками; 3-х лопастные; 4-х лопастные (две последние - с наклонными лопастями). Вид данных мешалок представлен на рис. 1.8. Установлено, что наибольший размер флокул равновесного состояния1 при различных интенсивностях перемешивания (но наибольшем времени перемешивания) обеспечивается при применении турбинной открытой мешалки; за ней следуют 4-х лопастная и 3-х лопастная мешалки. При одинаковых значениях времени перемешивания и скорости конца импеллера наибольший размер флокул достигается при применении трехлопастной мешалки.
При не интенсивном перемешивании (частота вращения мешалки до 25 об/с) тип импеллера не оказывает влияния на изменение структуры флокул (рис. 1.10. а). При более интенсивном перемешивании (частота вращения мешалки 50 об/с) использование турбинной открытой мешалки позволяет получить более компактные агрегаты (рис. 1.10. б). Зависимость степени компактности флокул (периметрической фрактальной размерности Dpf) от времени перемешивания при различных интенсивностях перемешивания. Dp/Принимает значения от 1 до 2. 1 соответствует сфере, 2 - флокула состоит из частиц, расположенных цепью. Влияние перемешивания в замкнутом объеме при помощи турбинной открытой и трехлопастной мешалок на изменение структуры флокул также исследовалось в работе [65]. Полученные в этой диссертации результаты подтверждают известные данные о том, что время перемешивания определяет кинетику процесса флокуляции, а интенсивность перемешивания определяет размер флокул. В работе установлено, что при умеренном перемешивании (32 - 100 об/с) в монодисперсных суспензиях с размером частиц 60 и 380 нм с течением времени размер флокул сначала возрастает, а затем — уменьшается до размеров равновесного состояния вследствие уплотнения агрегатов, т.е. преобладает процесс изменения структуры флокул без разрушения1. В противоположность этому размер флокул, образованных из частиц большего размера (810 нм), при тех же условиях перемешивания, с течением времени уменьшался благодаря процессу разрушения флокул. При интенсивном перемешивании (246 - 330 об/с) в не зависимости от размера частиц модельной суспензии преобладали процессы разрушения флокул и образования компактных флокул из нескольких флокул меньшего размера.
В работе [73] используя микромеханику показано, что сила на разрыв флокул зависит от гидродинамических условий, при которых флокулы были образованы. Зависимость прочности флокул от интенсивности перемешивания имеет оптимум - при увеличении числа оборотов мешалки прочность флокул возрастает до некоторого значения, затем убывает.
В вышеперечисленных публикациях рассмотрено перемешивание модельных суспензий с флокулянтами при помощи вращающихся мешалок в емкостях. Влияние перемешивания суспензий продуктов углеобогащения с флокулянтами отражено в работах [4, с. 177-181; 13]. В работе [13] оптимизирован гидродинамический режим многостадийной флокуляции глинисто-угольных суспензий. Показано, что наибольшая скорость осаждения и плотность флокул достигается при трехстадийном режиме обработки суспензий. При этом на первой стадии Re = 25000, время перемешивания 15 с, на второй и третей стадиях - Re = 8200, время перемешивания 1-2 мин. Данные, полученные авторами, носят эмпирический характер и не позволяют выявить общие закономерности, связывающие эффективность разделительных процессов и гидродинамический режим перемешивания.
В настоящее время в зарубежных станах в различных отраслях промышленности применяют специальные вращающиеся мешалки для перемешивания суспензий с флокулянтами и коагулянтами в трубопроводах [31, 79]. Преимущества данных мешалок, по сравнению с описанными выше, заключаются в компактности, портативности и возможности установки практически в любой точке трубопровода. Схема одного из подобных устройств приведена на рис. 1.12.
Устройства этого типа применяется в различных отраслях промышленности для перемешивания суспензий с разбавленными флокулянтов (концентрация — не более 0,1 %) и с коагулянтами.
Известны также мешалки для перемешивания суспензий с флокулянтами в трубопроводе, изогнутом под прямым углом [31]. Схема данного устройства представлена на рис. 1.13. Такая конструкция обеспечивает дополнительное повышение турбулентности потока за счет изменения направления движения последнего. С другой стороны, гидравлическое сопротивление в случае изменения направления потока выше, чем для прямолинейного участка трубопровода. Фирмой "J.F.Knauer GmbH" (ФРГ) было разработано устройство под названием "inline mixer", в котором предусмотрена возможность подачи раствора флокулянта с высокой концентрацией (до 1 %) [80]. Схема данного устройства представлена на рис .1.14.
Описываемое устройство состоит из мешалки с приводом 6, присоединённой при помощи фланца 4 к трубопроводу 1 для суспензии. Вал мешалки 10 расположен внутри переходной камеры 3, в которую подаётся раствор флокулянта. Мешалка - лопастного типа; лопасти 8 изготовлены в виде полос, разделённых вдоль длинной стороны радиальными разрезами, имеют закруглённые края, причём отношение диаметра лопастей к диаметру трубопровода для суспензии составляет не менее 1:2. Распределительная головка 5 имеет щелевидные отверстия 7 и прикреплена к валу мешалки 10 при помощи соединительной трубы 9, также имеющей щелевидные отверстия. При работе устройства раствор флокулянта с концентрацией до 1 % по трубопроводу 2 подаётся в переходную камеру 3, затем через отверстия поступает в соединительную трубу 9 и далее - в распределительную головку 5.
Предложения по управлению процессом флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации и свойствами получающимися в результате этого процесса флокуляционных структур
Как показывает практика обогащения углей, в ряде случаев при флоку-ляции суспензий тонкодисперсных высокозольных продуктов (в особенности — отходов флотации) наблюдается гелеобразование. Данное явление заключается в образовании гелеобразных структур, практически не поддающихся механическому обезвоживанию. Это весьма нежелательно, поскольку для эффективного сгущения и обезвоживания суспензий необходимо, чтобы образовывались флокулы, быстро осаждающие под действием силы тяжести и отдающие свободную влагу. В настоящей работе флокулы и гелеобразные структуры, образующиеся из суспензии отходов флотации в результате обработки последней флокулянтами, объединены обобщенным понятием "флокуляционные структуры". Под термином "флокуляция" в данном подразделе подразумевается совокупность способов управления свойствами дисперсных систем, основанная на добавке синтетических полимерных флокулянтов. Ниже изложены возможные причины образования гелеобразных структур и предложения по управлению процессом флокуляционного кондиционирования, а именно получения флокул, способных образовывать осадок, легко отдающий свободную влагу, в тех случаях, когда применение существующих методов флокуляционного кондиционирования приводит к образованию гелеобразных структур.
Как известно, гелеобразование происходит в лиофильных дисперсных системах и заключается в переходе свободнодисперсной системы в связнодис-персное состояние за счёт взаимодействия между частицами дисперсной фазы. В результате образуется пространственная сетка, в определённой мере сходная с кристаллической решёткой: в узлах расположены частицы дисперсной фазы, а ячейки между ними заполняет дисперсионная среда. Для суспензий, т.е. систем с жидкой дисперсионной средой и твёрдой дисперсной фазой, такой структурированной системой является лиогель (далее - гель). Твёрдая фаза отходов флотации представлена главным образом тонкодисперсными глинистыми частицами (каолинит, иллит, монтмориллонит и др.); также содержатся: пирит, карбонаты и органическое вещество в виде отдельных частиц или в виде мозаичных вкраплений на поверхности минеральных частиц. Известно, что частицы глины в водной суспензии склонны к набуханию и образованию структур [9, с. 314 - 318]. Структурообразование в суспензии глинистых частиц имеет место и при флокуляции, как отмечено в работе [28], а также подтверждается экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторных исследований по флокуляции отходов флотации различных ОФ. В этом случае ячейки структуры ограничиваются макромолекулами флокулянта, который адсорбируется, вероятно, не на поверхности частиц твёрдой фазы, а во внешней (диффузной) части двойного электрического слоя (ДЭС), что обусловлено высоким значением -потенциала частиц отходов флотации и значительной толщиной гидратных оболочек вокруг ионов ДЭС. Существенное различие между двумя видами флокуляционных структур (собственно флокулами и флокуляционным гелем) заключается в том, что флокулы, представляющие собой не связанные между собой агрегаты из частиц, сами проявляют свойства макрочастиц, и при осаждении образуют пористый осадок, проницаемый для свободной жидкости. Напротив, в гелеобразной структуре частицы твёрдой фазы и жидкость удерживаются силами взаимного притяжения, образуя пространственную структуру, непроницаемую для жидкости. В таких сложных по своему составу дисперсных системах, как отходы флотации, может иметь место структура смешанного типа, включающая как флокулы, так и фрагменты геля. Структурообразование в суспензиях продуктов обогащения весьма нежелательно, поскольку образуется гель, практически не поддающийся механическому обезвоживанию, в то время как необходимо получить осадок из частиц или агрегатов частиц, между которыми расположены поры и капилляры .
1. Предварительная добавка к суспензии коагулянтов-электролитов (на пример, солей А1, Са, Mg). Обработка суспензий коагулянтами в сочетании с фло кулянтами давно известна в практике обработки сточных вод (например, [29, с. 195 - 198]), а также в практике углеобогащения [2, с. 150]. Цель в данных случаях - повышение скорости осаждения частиц дисперсной фазы. Механизм коагуляции частиц дисперсной фазы коагулянтами-электролитами также хорошо известен. Однако, в статических условиях (возможно, и при ламинарном течении суспен зии) диффузия ионов к поверхности частиц дисперсной фазы затруднена вследст вие наличия вокруг частиц ДЭС толщиной до нескольких нм [23, с. 212] (в то время как радиус ионов составляет порядка 1 А), и, очевидно отталкиванием про тивоионов (в данном случае - катионов) из диффузной части ДЭС. Вероятность достижения коагулирующими ионами поверхности частиц возрастает только при весьма развитом турбулентном режиме перемешивания суспензии с коагулянтом.
2. Применение гетерокоагулянтов с поверхностным зарядом, противоположным по знаку заряду частиц суспензии (также перед подачей флокулянтов). Этот способ описан в литературе (например [17, с. 16]), но применяется весьма ограниченно и до настоящего времени не получил распространения. В то же время достаточно очевидное преимущество гетерокоагулянтов по сравнению с коагулянтами-электролитами заключается в следующем. Частицы гетерокоагулянта имеют диаметр, сопоставимый с толщиной ДЭС или превышающий последнюю. Благодаря этому обстоятельству частицы гетерокоагулянта даже при относительно небольшой интенсивности перемешивания способны за счёт своей кинетической энергии преодолеть отталкивание противоионов диффузной части ДЭС и достигнуть поверхности частиц твёрдой фазы, тем самым снижая поверхностный заряд последних. В качестве гетерокоагулянтов для отходов флотации могут быть рекомендованы, например, водные суспензии А1203 или Са(ОН)2.
3. Применение (последовательно) трёх флокулянтов различной природы. До настоящего времени в практике обогащения для тех или иных разделительных процессов применяется либо один флокулянт (сгущение шламов или от 55 ходов флотации, обезвоживание флотационных концентратов на вакуум-фильтрах), либо два флокулянта: сначала - анионактивный, затем - катионактив-ный (при обезвоживании тонкодисперсных шламов и продуктов флотации на ленточных фильтр-прессах). В последнем случае далеко не всегда удаётся исключить образование геля, даже если подобрано наиболее эффективное сочетание флоку-лянтов. Поэтому, основываясь на известном механизме флокуляции [4, 34, 40], можно предположить следующий механизм процесса при применении трёх фло-кулянтов. а) При добавлении к суспензии высокомолекулярного анионактивного флокулянта отрицательно заряженные функциональные группы последнего при тягиваются противоионами (в данном случае — катионами) диффузной части ДЭС Макромолекулы флокулянта связывают частицы твёрдой фазы во флокулы 1-го порядка. При этом поверхностный заряд частиц не компенсируется; частицы мик ронного и субмикронного размеров флокулируются не полностью (поскольку участвуют в броуновском движении). В то же время функциональные группы флокулянта, оставшиеся свободными, образуют своего рода "посадочные пло щадки" для катионактивных флокулянтов. б) После анионактивного добавляется катионактивный флокулянт с от носительно низкой молекулярной массой и высокой степенью ионной активности. Макромолекулы такого флокулянта по своим размерам сопоставимы с толщиной ДЭС; обладая относительно высокой подвижностью, они могут достигать поверх ности частиц, тем самым снижая поверхностный заряд последних и, уменьшая аг регативную устойчивость суспензии, способствуют ускорению флокуляции. Есть также основания полагать, что молекулы данного флокулянта адсорбируются и на поверхности частиц микронного и субмикронного размеров.
Свойства применявшихся коагулянтов и флокулянтов
Свойства сгущенных отходов флотации, использовавшихся в этих сериях опытов, приведены в табл. 3.3. Принимая во внимание то обстоятельство, что отбор проб сгущённых отходов флотации для этих опытов производился примерно в тоже время, когда отбирались исходные отходы флотации для определения их гранулометрического состава, будем считать, что распределение по размерам частиц исходных отходов флотации примерно такое же, как на рис. 3.2 и 3.3. Таблица 3.3 Характеристики сгущенных отходов флотации второй стадии ЦОФ "Печорская" соо нmmлс о5 S CU Состав шихты рядового угля на фабрику Свойства суспензии отходов флотации 05S Я"и Марка угля Шахта, выход ЗольностьAd, % Содержание твёрдого С, кг/м3 рН жидкой фазы Электропроводность суспензии мкСм/см 1 1 2Ж ш. "Комсомольская" - 40 %, ш. "Заполярная" - 60 %. 55,1 363 7,5 1540 2Ж ш. "Комсомольская" - 43 %, ш. "Заполярная" - 57 %. 2 1 2Ж ш. "Комсомольская" - 65 %, ш. "Заполярная" - 35 %. 53,2 350 7,5 1520 ГЖО+Ж (50/50) ш. "Воргашорская" - 45 %, ш. "Комсомольская" - 25 %, ш. "Заполярная" - 30 %. 3 1 ГЖО+Ж (50/50) ш. "Воргашорская" - 55 %, ш. "Комсомольская" - 25 %, ш. "Заполярная" - 20 %. 49,6 392 7,5 1680 ГЖО+Ж (50/50) ш. "Воргашорская" - 55 %, ш. "Комсомольская" - 25 %, ш. "Заполярная" -20 %. 4 1 2Ж ш. "Комсомольская" - 43 %, ш. "Заполярная" -45 %, отсевы ш. "Северная"-12 %. 52,0 370 7,5 1580 ГЖО+Ж (50/50) ш. "Воргашорская" - 45 %, ш. "Комсомольская" - 15 %, ш. "Заполярная" - 30 %. отсевы ш. "Северная"-10 %. 5 1 ГЖО+Ж (50/50) ш. "Воргашорская" - 55 %, ш. "Комсомольская" - 25 %, ш."Заполярная"- 10 %. отсевы ш. Северная - 10 %. 48,3 380 7,5 1720 ГЖО+Ж (50/50) ш. Воргашорская - 55 %, ш. Комсомольская - 25 %, ш. Заполярная - 10 %. отсевы ш. Северная - 10 %. 70 Предварительные лабораторные опыты по кондиционированию сгущённых суспензии отходов флотации ЦОФ "Печорская" перед их обезвоживанием показали высокую эффективность применяющегося в настоящее время анионак-тивного флокулянта "Праестол 2540" в сочетании с различными катионактивны-ми флокулянтами, а также высокую его эффективность для осветления исходных отходов флотации. Поэтому большая часть опытов по подбору комбинации анио-нактивного и катионактивного флокулянтов для обезвоживания отходов флотации заключалась в подборе наиболее эффективного катионактивного флокулянта, его дозировок и условий перемешивания.
Не смотря на довольно значительные отличия в свойствах продуктов, на которых подбирались наиболее эффективные комбинации анионактивного и катионактивного флокулянтов (сгущённых отходов флотации второй стадии — см. табл. 3.2) - обогащение фабрикой различных марок углей по двум секциям, наличие или отсутствие отсевов в рядовом угле, зольности сгущенных отходов флотации от 48,3 до 55,1 % — основные тенденции в результатах этих опытов оставались одинаковыми, а именно - оптимальные комбинации флокулянтов для всех серий опытов оставались одинаковыми. Результаты этих серий опытов отличались между собой только различными суммарными дозировками, соотношениями дозировок и условиями перемешивания флокулянтов с суспензией. Поэтому на всех рисунках настоящего пункта приведены усреднённые результаты по всем пяти сериям опытов.
Для характеристики суммарной ионной активности комбинации анионактивного и катионактивного флокулянтов был введен параметр X, равный сумме доли заряженных функциональных групп макромолекулы анионактивного полимера, умноженной на долю анионактивного полимера в суммарной дозировке флокулянтов, и доли заряженных функциональных групп катионактивного флокулянта, умноженной на долю катионактивного полимера в суммарной дозировке флокулянтов [51].
Этот параметр принимает значение (-1), когда кондиционирование суспензии заключается обработкой только анионактивным флокулянтом, у которого заряжены все 100 % функциональных групп, (+1) - когда в опыте используется только один 100 % заряженный катионактивный флокулянт, 0 - доли анион- и катион- активных флокулянтов в дозировках равны и доли заряженных функциональных групп совпадают.
Обычно при обезвоживании суспензий угольных флотационных концентратов [15, 51], а также суспензий высокозольных отходов флотации [75] наи 1 Например, если применяется анионактивный флокулянт с долей заряженных функциональных групп 40 % и дозировкой 100 г/т, катионактивный флокулянт с долей заряженных функциональных групп 60 % и дозировкой 200 г/т, то X = (- 0,4)( 100/300) + (0,6)-(200/300)» 0,27. меньшие значения ао и наилучшее обезвоживание достигаются при значении X 0. Но в данном случае, предположительно из-за большого количества и высокого содержания глины в классе 0-5 мкм, этот параметр сильно смещен в положительную (катионную) сторону.
Все опыты ставились при добавлении первым анионактивного флокулянта с молекулярной массой -14 млн. и долей заряженных функциональных групп 40 %. Все катионактивные флокулянты на рис. 3.4 - 3.6, обладают м.м. 6 млн. и отличаются между собой только долей заряженных функциональных групп, которая изменялась от 10 до 80 %.
Суммарные дозировки в 410, 460 и 560 г/т были выбраны как наиболее показательные по результатам предварительных лабораторных опытов.
Изменение параметра X на рис. 3.4 осуществлялась варьированием заряда и дозировки катионактивного флокулянта. Дозировка анионактивного флокулянта составляла 60 - 90 г/т, при значениях X 0,63 - постепенно снижалась, при X = 0,8 применялся только катионактивный флокулянт с ионным зарядом 80 %. Значения ао при X 0,2 на графике не показаны, так как увеличение доли анионактивного флокулянта приводит к совершенно неудовлетворительному результату опыта.
Следует отметить, что только значения удельного сопротивления осадка менее чем примерно 2 10п м"2 соответствуют удовлетворительному результату опыта. Как можно видеть на рис. 3.4, зависимость а ? от X для всех трёх представленных суммарных расходов имеет экстремальный характер с минимумом. Наименьшие значения а0 достигаются при суммарном расходе 460 г/т и значениях X и 0,6. Это соответствует катионактивному полимеру с долей заряженных функциональных групп 80 % и дозировкой 400 г/т, что примерно в 7 раз больше дозировки анионактивного флокулянта, которая составляет 60 г/т.
Зависимость ао от соотношения дозировок флокулянтов представлена на рис. 3.6. Указанная зависимость также имеет минимум. Для всех трёх наиболее эффективных катионактивных флокулянтов минимальное значение ад достигается при дозировке катионактивного флокулянта в 6 - 8 раз большей по сравнению с оптимальной дозировкой анионактивного флокулянта, составляющей 60 - 90 г/т в зависимости от серии опытов.
При прочих равных условиях применение катионактивных флокулянтов с молекулярной массой более 6 млн. приводило к увеличению ао. Учитывая достаточно большой (350-500 г/т) расход катионактивного флокулянта, применение полимеров с более высокой вязкостью даже при оптимальном значении доли активных функциональных групп часто приводило к образованию геля в сфлокули-рованной суспензии. Флокулы, образованные комбинацией анионактивного и катионактивно-го флокулянтов, при применении катионактивных образцов с молекулярной массой менее 6 млн. даже при повышенных дозировках последних имели заметно меньший размер, быстро разрушались и, как следствие, не обладали удовлетворительной механической устойчивостью; а0 также было выше, чем при применении аналогов с молекулярной массой 6 млн.
Исследование влияния основных технологических факторов на процесс флокуляции отходов флотации
Опытно-промышленные исследования и испытания технологии флоку-ляционного кондиционирования сгущённых отходов флотации перед их обезвоживанием на ленточных фильтр-прессах были выполнены на ЦОФ "Печорская" в 2004 - 2005 гг. согласно методике (Приложение 1) при непосредственном участии автора данной работы. Преимущественно исследовалась работа IV тракта ФПО. Исследования проводились при следующих условиях: управляющие параметры-} - суммарный расход флокулянтов на обезвоживание: dz - 100 - 800 г/т; - соотношение расходов флокулянтов катионактивного к анионактивно-му dK/dA = 6:1 -12:1; - объемный расход суспензии отходов флотации: Vcycn = 5-50 м3/ч; - условия перемешивания отходов флотации с катионактивным флокулянтом (гладкий трубопровод диаметром 270 мм; гладкий трубопровод диаметром 150 мм, длиной 1000 мм; статический смеситель диаметром 150 мм, длиной 1000 мм); - расстояние от точки подачи катионактивного флокулянта до статического смесителя катионактивного флокулянта с отходами флотации (L = 0; 6; 12; 18 м); контролируемые параметры-? - гранулометрический состав исходных отходов флотации; - содержание твердого в отходах флотации, подаваемых на обезвоживание на гравитационный стол: С си = 320 - 420 кг/м3; - зольность сгущенных отходов флотации: Ad = 46 55 %; - состав шихты рядового угля, поступающего на ЦОФ; ходные параметры: - удельное объемное сопротивление осадка, подаваемого на гравитационный стол: а.о = 1,8 10п - 9,3 10п м"2 (оптимизируемый параметр); - производительность фильтра по твердому: Q - 3 - 14,5 т/ч (оптимизируем ы и параметр); - содержание твердого в осадке гравитационного стола, подаваемом на ленточный фильтр-пресс: Сгр = 360-430 кг/м3; - влажность обезвоженного осадка: W= 35 - 45 %; - содержание твердого в фильтрате фильтр-пресса: Сф = 13,6 - 156 кг/м3.
Величина а0 рассчитывалось исходя из уравнения фильтрования при переменном давлении без учета сопротивления фильтрующей перегородки согласно методике (подраздел 3.1). Для этого отбиралась проба сфлокулированной суспензии, подаваемой на гравитационный стол, и ставились опыты по дренированию на лабораторной воронке. Производительность фильтра по твёрдому рассчитывалась по методике (Приложение 1).
При всех испытаниях значение рН жидкой фазы суспензии, подаваемой на обезвоживание, составляло порядка 7,5; электропроводность составляла приблизительно 1,6 - 1,7 мСм/см. В табл. 4.1 представлены основные результаты исследований. Все данные, приведенные в этой таблице, получены при работе фабрики в следующем режиме: I секция - переработка углей марки 2Ж, нагрузка на секцию 550 - 600 т/ч; II секция - переработка углей марки ГЖО + Ж (50 % + 50 %), нагрузка на секцию 550 - 600 т/ч. Исследования производились в четыре этапа: - I этап - изучение базовой технологии кондиционирования суспензии отходов флотации, которая предполагала применение анионактивного флокулянта "Праестол 2540" и катионактивного флокулянта "Праестол 851 ВС" (свойства ука занных флокулянтов приведены в табл. 3.2). Перемешивание суспензии с анио нактивным флокулянтом осуществлялось в статическом смесителе (схема устрой ства смесителя представлена на рис. 2.4), перемешивание с катионактивным фло кулянтом - в гладком трубопроводе диаметром 270 мм при подаче катионактив ного флокулянта сразу после смесителя анионактивного флокулянта (схема цепи аппаратов базовой технологии представлена на рис. 4.1). - II этап - изменение базовой технологии, заключающееся в следующем: для перемешивания с катионактивным флокулянтом устанавливалась труба диаметром 150 мм (против 270 мм в базовом варианте, то есть сужение трубопровода) и длинной 1 м на расстоянии 3 м от гравитационного стола для интенсификации перемешивания суспензии с катионактивным флокулянтом. Подача катио-нактивного флокулянта осуществлялась в различные точки трубопровода суспензии, отстоящие от данной трубы на 0, 6, 12 и 18 м. - III этап - на место сужения трубопровода устанавливался статический смеситель для перемешивания суспензии с катионактивным флокулянтом (схема смесителя представлена на рис. 2.4). На данном этапе также осуществлялась подача катионактивного флокулянта в различные точки трубопровода суспензии (Приложение 2). - IV этап - испытания осуществлялись со смесителем, установленным на предыдущем этапе; катионактивный флокулянт "Праестол 851 ВС" был заменён на "Праестол 655 ВС", определённый как наиболее эффективный по данным лабораторных испытаний. Катионактивный флокулянт подавался непосредственно в смеситель (Приложение 2). Основные результаты исследований приведены в табл. 4.1. Зольность твердой фазы обезвоживаемых отходов флотации (графа 16) составляла на I — IV этапах соответственно: 48,2 - 51,4; 47,7 - 54,6; 46,3 - 50,0 и 47,8 - 53,4 % (в среднем: 49,1; 50,3; 47,6 и 50,2 %). В этой таблице приведены только результаты тех опробований, которые осуществлялись при наиболее характерном составе шихты рядового угля, поступающего на фабрику (графа 4): - I секция - уголь марки 2Ж, поступавший со следующих шахт: "Запо лярная", "Комсомольская" (40 - 50 % каждая); отсевы ОФ шахты "Северная" (до 10 %); - II секция - уголь марки ГЖО + Ж (50 % + 50 %), поступавший со следующих шахт: "Воргашорская" ( 50 %); "Заполярная", "Комсомольская" (две по следние шахты суммарно 40 - 50 %); отсевы ОФ шахты "Северная" (до 10 %);
Содержание твердого в сгущенных отходах флотации второй стадии Ссусп, являющихся питанием гравитационных столов, приведенное в табл. 4.1 (графа 5) составляет 325 - 385 кг/м . Это соответствует интервалу значений Сс ,си, обеспечивающему наименьшее значение а« и наибольшую производительность ленточных фильтр-прессов (320 - 420 кг/м3), полученному по данным предварительных опробований ФПО и признанного в качестве оптимального на данном этапе испытаний.
Приведенные выше значения зольности отходов флотации, состава шихты, поступающей на обогащение, и Ссусп свидетельствуют о том, что результаты исследований на всех четырех этапах сопоставимы между собой, а также с результатами лабораторных исследований. Из табл. 4.1. видно, что средние значения влажности обезвоженного осадка W (графа 15) на I - IV этапах исследований составили соответственно 39,3 %, 39,0 %, 39,1 % и 39,7 %, т.е. отличались менее, чем на 0,7 % абс. При этом значения Wлежали в интервалах 34,6 - 45,1; 35,0 - 43,2; 35,5 - 44,0 и 36,0 - 43,5 для I - IV этапа соответственно. Таким образом, влажность обезвоженного осадка на всех этапах исследований изменялась в пределах ошибки измерений. Приведенные в табл. 4.1. значения производительности фильтра при содержании твердого в фильтрате менее примерно 25 - 30 кг/м3 соответствуют максимальным возможным значениям Q при данных условиях кондиционирования. Содержание твердого в фильтрате свыше этих значений свидетельствует о выдавливании осадка за пределы фильтровальных лент при отжиме. Работа ленточного фильтр-пресса в таком режиме является неудовлетворительной, однако эти режимы исследовались при повышенном объемном расходе суспензии для определения зависимостей значений Q и а0от VcyCn.
Содержание твердого в фильтрате ленточного фильтр-пресса Сф при отсутствии выдавливания осадка за пределы зоны отжима также практически не из 100 менялось на всех этапах исследований и составляло примерно 20 кг/м3. Средние значения Сф составили 18,8; 21,6; 20,5 и 19,9 кг/м3 для I - IV этапа соответственно (табл. 4.1, графа 17). Исследования базовой технологии (I этап) показали, что производительность ленточных фильтр-прессов по твёрдому Q не превышает примерно 10 т/ч даже при оптимальных для данного случая расходах анионактивного (dA « 30-60 г/т) и катионактивного (сік w 400-450 г/т) флокулянтов (табл. 4.1, данные от 24.10 и 28.10). Опробования от 24 и 28 октября показали также, что ленточный фильтр-пресс работает наиболее устойчиво (отсутствует выдавливание осадка, обеспечивается максимальная производительность) при значениях суммарного расхода флокулянтов dz, лежащих в интервале 400 - 600 г/т. Значения а0 при этих условиях составляло 3,2 - 5,0 10п м"2, а объемный расход суспензии VcyCn составлял при-мерно 25 - 30 м /ч. В результате ленточный фильтр-пресс обеспечивал значение Q « 8 - 10 т/ч. Меньшие значения Q и большие значения ао были получены при значениях dz, лежащих вне данного интервала. При низких удельных расходах флокулянтов (efc 400 г/т) суспензия оказывалась недостаточно сфлокулированной, что приводило к выдавливанию осадка за пределы лент при объемном расходе суспензии VcyCn свыше примерно 25 м3/ч. При высоких расходах флокулянтов (dz 600 г/т) получающиеся флокуляционные структуры преимущественно представляли собой гель, который плохо поддавался механическому обезвоживанию, поэтому Q принимало значения не более 7 т/ч.
