Интенсификация процессов очистки шламовых вод углеобогащения и утилизации шламов флото-агломерационными методами

Актуальность проблемы. Высокий уровень техногенных воздействий на окружающую природную среду в регионах с повышенной концентрацией угольной промышленности предопределяет актуальность решения проблемы ресурсо и природосбережения. Значимая роль при решении данной проблемы принадлежит углеобогащению, которое, управляя качеством продуктов угле-производства, способствует повышению экологической безопасности работы предприятий угольной отрасли. Вместе с тем, углеобогатительные фабрики (УОФ) сами являются источниками повышенного техногенного воздействия.

Сравнительная оценка уровней экологической опасности технологических комплексов УОФ указывает на необходимость совершенствования прежде всего экологически «грязных» технологий очистки шламовых вод. Одним из «узких» мест указанных технологий является недостаточная глубина селективной очистки воды традиционным флотационным методом. Неохваченные флотацией тонкие угольные шламы (< 0,03 мм) накапливаются в оборотной воде и ухудшают показатели гравитационного обогащения углей. Низкозольные шламовые отходы являются основными источниками потерь угля, изъятия земельных ресурсов для их складирования. Термическая сушка шламовых концентратов сопровождается загрязнением воздушной среды.

Большое количество тонких шламов (до 10% от рядового угля) и несовершенство применяемых процессов их переработки предопределяют необходимость разработки технологических решений более высокого уровня. Вопросам экологизации технологий углеобогащения посвящено большое количество отечественных и зарубежных исследований, однако до настоящего времени проблема эффективной очистки шламовых вод с повышенным содержанием тонких шламов остается открытой и требует своего разрешения.

При выборе научного направления и способов повышения экологической безопасности углеобогащения целесообразно ориентироваться не на борьбу с отходами и загрязнениями на последнем технологическом этапе фильтры, очистные сооружения и т. д.), а на преобразование традиционных технологий в малоотходные, решающие задачи эффективного использования природного сырья и защиты окружающей среды за счет уменьшения количества отходов и различных загрязнений. Вместе с тем, проблема создания малоотходных технологий углеобогащения сдерживается недостаточной изученностью явлений, происходящих при разделении и обезвоживании тонких угольно-глинистых дисперсий. Необходим пересмотр принципов и развитие теоретических основ технологий очистки шламовых вод, обезвоживания шламовых концентратов и утилизации шламов. Это обусловило актуальность темы исследования, цель, задачи, структуру и содержание диссертационной работы.

Целью работы является теоретическое обоснование и разработка способов интенсификации процессов очистки шламовых вод и утилизации угольных шламов флото-агломерационными методами для создания малоотходной технологии углеобогащения.

Идея работы заключается в использовании закономерностей межфазных взаимодействий в процессах масляной агрегации и флотации угольных шламов для разработки эффективных способов разделения и обезвоживания угольно-глинистых дисперсий при очистке шламовых вод углеобогащения.

Задачи исследований:

— установить факторы, определяющие экологическую безопасность работы УОФ, и возможности интенсификации водно-шламовых процессов для создания малоотходной технологии углеобогащения;

— установить причины недостаточной эффективности флотационного мето да очистки шламовых вод от тонких шламов и потерь крупных частиц угля;

— исследовать механизм действия масляных реагентов и условия эффективного их использования при очистке шламовых вод методом флотации;

— изучить закономерности и механизм процесса образования углемасляных агрегатов и разработать на их основе эффективную технологию очистки шламовых вод, повышающую экологическую безопасность работы предприятий;

— разработать способы повышения эффективности механического обезвоживания угольных шламов для снижения загрязнения воздушной среды выбросами загрязняющих веществ при термической сушке углей;

— разработать эффективные технологии переработки и утилизации тонких угольных шламов с получением кондиционных товарных продуктов;

— разработать малоотходную технологию углеобогащения на основе научно обоснованных способов интенсификации водно-шламовых процессов.

Методы исследований. Системный анализ и научное обобщение результатов теоретических исследований, данных лабораторных, стендовых и промышленных экспериментовколичественные и кинетические методы изучения механизма элементарного акта флотации и закономерностей межфазных взаимодействий, включающие измерение прочности прилипания частиц к пузырькам воздуха в динамических условиях и скорости сокращения периметра смачивания при отрыве частиц от пузырька, оценку времени прилипания частиц к воздушным пузырькам, определение изменений смачиваемости поверхности минералов, флотационные опыты в аппарате беспенной флотации и в механической флотомашинемикрофотографический метод определения крупности масляных эмульсийматематический и физический методы моделирования процессов образования и разрушения углемасляных агрегатовкалориметрический метод определения степени агрегации угольных дисперсийлабораторные и полупромышленные эксперименты в специальных камерах агломерации.

Научные положения, защищаемые в диссертации: — уровень экологической безопасности углеобогащения зависит от совершенства технологии очистки шламовых вод и определяется количеством циркулирующих с оборотной водой шламов, качеством шламового концентрата и потерями углей с отходами, при этом эффективность очистки возрастает при увеличении объема очищенных шламовых вод и глубины селективной очистки;

— количество шламовых отходов и потерь угля при использовании флотационного метода очистки шламовых вод уменьшается при увеличении константы скорости извлечения частиц угля из шламовых вод, величина которой экстремально зависит от крупности частиц, при этом для тонкодисперсных частиц (< 0,03 мм) константа стремится к нулю из-за малой вероятности закрепления их на воздушных пузырьках, а для крупных частиц (> 0,4−0,5 мм) резко падает из-за недостаточной вероятности закрепления и удержания их на пузырьках;

— минимизация потерь крупных угольных частиц с отходами флотации при использовании масляных реагентов обеспечивается увеличением вероятностей закрепления и удержания частиц на пузырьках воздуха, величина которых зависит от скорости движения периметра смачивания по твердой поверхности, пропорциональной величине гистерезисных сил, минимальных при расширении периметра в процессе закрепления и максимальных при его сокращении вместе с каймой масла в процессе отрыва частицы;

— глубина очистки шламовых вод пропорциональна скорости гетерокоагу-ляции угольно-масляных дисперсий и степени агрегации тонкодисперсных фракций угля масляными реагентами, величина которых зависит от концентрации и крупности угольной и масляной фаз и возрастает с увеличением диссипации энергии в перемешиваемой суспензии выше 3−5 Вт/кг;

— увеличение скорости и степени агрегации тонкодисперсных частиц в процессе масляной аэроагломерации (МАА) шламов обеспечивается ростом площади поверхности раздела масло — вода при подаче в суспензию газовой фазы, при этом эффективность процесса повышается с увеличением газосодержания и дисперсности воздушных пузырьков, зависящих от количества энергии, затрачиваемой на перемешивание суспензии;

— эффективность природопользования при переработке и утилизации угольных шламов методом фильтрации агрегированной маслом суспензии через слой гидрофобных частиц экстремально зависит от расхода масла, при этом величина экстремальных значений пропорциональна извлечению горючей массы в угольный концентрат и имеет обратную зависимость от соотношения цен на масло и товарную угольную продукцию.

Научная новизна:

— установленные зависимости эколого-экономических показателей обогащения углей от глубины очистки шламовых вод и избирательности процессов разделения шламов показывают, что интенсификация процессов очистки шламовых вод от тонких шламов, основных источников потерь углей и загрязнения природной среды, является необходимым условием создания малоотходной технологии углеобогащения;

— впервые установленные кинетические закономерности и вероятности процессов столкновения, закрепления и сохранения контакта между частицами угля, каплями масла и пузырьками воздуха позволили выявить причины малой эффективности флотационного метода очистки шламовых вод от тонких шламов и показать, что эффективным способом экологизации технологий очистки является селективная агрегация угольных дисперсий;

— теоретически и экспериментально с использованием оригинальных методик и приборов впервые обоснован гистерезисный механизм действия масляных реагентов, объясняющий упрочняющее действие масел зависимостью скорости движения периметра смачивания в процессе отрыва от свойств и структуры масляных пленок на поверхности частиц, что позволило установить зависимость флотируемости частиц разной крупности от свойств масляных реагентов и возможность сокращения потерь углей с отходами флотации;

— разработаны кинетическая модель процесса масляной агломерации и методика оценки эффективности образования агрегатов, позволившие впервые установить, что степень агрегации тонкодисперсных частиц определяется извлечением их на омасленные крупные частицы, а причиной малой степени агрегации (< 0,3) тонкого угля при расходе масла меньше 10 кг/т является недостаток свободной поверхности раздела масло — вода;

— впервые установлено, что повышение скорости и степени агрегации мелких частиц угля обеспечивают омасленные пузырьки воздуха, являющиеся центрами аэроагрегации, при этом с увеличением диссипации энергии в процесс агрегации вовлекаются тонкодисперсные частицы угля, что обеспечивает более глубокую очистку шламовых вод и повышает экологическую безопасность углеобогащения;

— разработан новый метод разделения продуктов масляной агломерации (МА) угольных шламов через слой гидрофобных частиц, использование которого обеспечивает практически полное извлечение углемасляных агрегатов в концентрат и повышает эффективность его обезвоживания, что позволяет производить из шламов кондиционную угольную продукцию без термической сушки;

— разработана малоотходная технология углеобогащения с использованием процессов масляной агломерации и аэроагломерации при очистке шламовых вод, обезвоживании и утилизации шламов, которая обеспечивает эффективное использование природного сырья и защиту окружающей среды от загрязнений.

Личный вклад автора состоит в научном обосновании и развитии перспективного направления по созданию малоотходной технологии углеобогащения за счет использования селективной агрегации тонкого угля масляными реагентами в процессах очистки шламовых вод и включает: анализ факторов и разработку методов оценки экологичности углеобогащениясоздание экспериментальных методов и установок для изучения механизма действия масляных реагентов и научное обоснование гистерезисного механизма их действияопределение закономерностей и оптимальных условий взаимодействия угольных частиц с каплями масла и воздушными пузырьками в процессах сепарации шламовразработку теоретических и экспериментальных методов исследования механизма образования углемасляных агрегатов и способа интенсификации процесса МА пузырьками воздухаразработку интенсивных технологий очистки шламовых вод с использованием селективной сепарации тонких шламовиспытание и внедрение новых технологий очистки шламовых вод и обезвоживания шламовых продуктов на УОФ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием фундаментальных закономерностей для описания межфазных взаимодействий в процессах очистки шламовых водадекватностью полученных аналитических зависимостей и экспериментальных данных при математической обработке результатов экспериментальных исследованийсоответствием теоретических положений работы результатам лабораторных, стендовых и промышленных испытанийположительными результатами многолетнего промышленного использования на УОФ разработанных технологий очистки шламовых вод.

Научное значение работы заключается в развитии теории управления устойчивостью дисперсных систем. Установлены новые и уточнены известные закономерности образования углемасляных агрегатов и флотационных комплексов, что позволило дать научное обоснование и разработать интенсивные способы разделения и обезвоживания угольно-глинистых дисперсий.

Практическое значение работы:

— разработана интенсивная технология очистки шламовых вод с использованием масляной аэроагломерации угля, которая повышает экономическую эффективность и уровень экологической безопасности УОФ;

— разработаны способы интенсификации механического обезвоживания шламовых продуктов методом МА, обеспечивающие сокращение выбросов пыли и вредных веществ в атмосферу сушильными установками;

— разработана технология переработки и утилизации угольных шламов методом МА с получением качественного концентрата кондиционной влажности без термической сушки, что решает проблему обогащения угольных шламов с повышенным выходом летучих веществ;

— разработана малоотходная технология углеобогащения с использованием МА и МАА в процессах очистки шламовых вод, обезвоживания шламовых концентратов и утилизации шламов.

Реализация результатов работы. Исследования выполнялись в рамках: долгосрочной комплексной программы «Сибирь" — программы СО АН СССР 12.9.1.2.3. «Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых" — международного гранта РОЛЛ-2000; договоров с обогатительными фабриками ЦОФ «Сибирь», ГОФ «Томусинская», ЦОФ «Абашевская», ОФ «Анжерская». Научные и практические результаты работы, повышающие экологическую безопасность углеобогащения, нашли промышленное применение в результате внедрения интенсивной технологии очистки шламовых вод на ЦОФ «Сибирь», ГОФ «Томусинская» и ОФ «Анжерская». Длительное использование установок масляной аэроагломерации угольных шламов позволило снизить техногенные воздействия на окружающую среду при работе УОФ, улучшить качество очистки шламовых вод и увеличить выпуск концентрата, сократить потери угля и стабилизировать работу водно-шламовых систем фабрик.

Высокая эффективность технологии совместного обезвоживания флото-концентрата с концентратом спирального сепаратора подтверждена результатами промышленных испытаний на ЦОФ «Сибирь». Перспективность разработанной технологии заключается в возможности получения кондиционных по содержанию влаги товарных продуктов без термической сушки.

Полупромышленная установка МА угля производительностью 10 м3/ч включена в схему приготовления водоугольного топлива из тонко измельченных шламов энергетических углей в ГУП НПЦ «Экотехника».

Интенсивная технология очистки шламовых вод углеобогащения отмечена дипломом участника конкурса экологического Фонда имени В. И. Вернадского «Национальная экологическая премия» за 2005 год и награждена золотой медалью 6-го Московского международного салона инноваций и инвестиций, организованного Федеральным агентством по образованию.

Полученные в работе результаты общетеоретического и экспериментального характера используются в лекциях и лабораторных практикумах по курсам «Экология», «Флотационные методы обогащения», «Безотходные технологии обогащения полезных ископаемых», в дипломных проектах и работах студентов ГУ КузГТУ. Практические результаты исследований рекомендуются для использования в проектных институтах и на углеобогатительных фабриках.

Апробация работы. Отдельные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, республиканских и международных научно-практических конференциях и совещаниях: «Новая техника и технология флотации угля» (Прокопьевск, 1981) — «Развитие теории и практики, совершенствование технологии рудоподготовки при обогащении» (Ленинград, 1981) — «Совершенствование техники и технологии грубозернистой флотации» (Апатиты, 1985) — «Коагулянты и флокулянты в очистке природных и сточных вод» (Одесса, 1986) — «Обогащение, переработка и комплексное использование минерального сырья» (Кемерово, 1999) — «Проблемы утилизации и переработки промышленных и бытовых отходов» (Кемерово, 2003), «Экология Сибири: Сибэко' 93» (Иркутск, 1993) — «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1997) — «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2000) — «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2000;2004) — «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2001, 2004) — «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск, 2001) — «Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства» (Москва, 2003) — «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2003) — «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ в том числе 1 авторское свидетельство и 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложений (298 страниц основного текста, 85 рисунков, 54 таблицы).

ВЫВОДЫ:

1. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны, испытаны и внедрены в производство новые технологии переработки и обезвоживания угольных шламов с использованием масляной агломерации мелкого угля, позволившие повысить эффективность очистки шламовой воды и обезвоживания шламовых концентратов.

2. Показана возможность обезвоживания агрегированного флотоконцентрата на грохоте через слой концентрата спирального сепаратора с получением высоких технологических показателей. Найдены оптимальные условия процесса.

3. Промышленное применение на трех УОФ масляной аэроагломерации мелкого угля показало возможность получения экономического и экологического эффекта за счет сокращения сброса угольных частиц за пределы фабрик, рационального использования ресурсов ценных марок угля, уменьшения выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду, снижения материальных затрат и увеличения выпуска товарной продукции.

4. Практическое применение малоотходной технологии углеобогащения на основе испытанных и внедренных в производство технических решений по интенсификации процессов очистки шламовых вод, обезвоживания и утилизации шламов повышает эффективность использования природных ресурсов и снижает негативное воздействие обогатительных фабрик на окружающую среду.

Заключение

.

Диссертация является квалификационной научной работой, в которой теоретические и экспериментальные исследования в области управления устойчивостью дисперсных систем позволили установить новые и развить известные знания о закономерностях межфазных взаимодействий в процессах масляной агрегации и флотации угольных шламов, что явилось теоретической основой для разработки способов интенсификации процессов очистки шламовых вод и технологических решений по созданию малоотходной технологии углеобогащения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономического потенциала и решение геоэкологических проблем угольной отрасли.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Определяющим фактором экологической безопасности углеобогащения является степень совершенства наиболее экономически затратных и экологически «грязных» технологий очистки шламовых вод, совершенствование которых должно быть направлено на снижение загрязненности оборотной воды, уменьшение количества шламовых отходов и сокращение ущерба от потерь углей, а также на ликвидацию основных источников загрязнения природы — гидроотвалов и выбросов термической сушки, что позволит комплексно решить проблемы охраны природы, ресурсосбережения и оборотного водопотребления.

2. Использование сепарационных процессов в схемах очистки шламовых вод повышает экологическую безопасность углеобогащения, обеспечивая устойчивое получение кондиционного концентрата при колебаниях качества рядовых углей, рациональное использование природных ресурсов и снижение загрязнения окружающей среды шламовыми отходами. Вместе с тем, недостаточные глубина и селективность применяемых процессов очистки шламовых вод от тонких угольных шламов, являющихся основными источниками потерь углей и загрязнения природной среды, свидетельствует о необходимости интенсификации и разработки высокоэффективных водно-шламовых процессов для создания на их основе малоотходной технологии углеобогащения.

3. Кинетическими исследованиями элементарного акта флотации выявлены причины низкой эффективности флотационного метода очистки шламовых вод, связанные с малой вероятностью безинерционного столкновения и закрепления тонкодисперсных частиц угля на пузырьках воздуха и недостаточной прочностью контакта крупных угольных частиц с пузырьками. Анализ установленных закономерностей образования и разрушения флотационных комплексов показал, что для экологизации технологий очистки необходимы селективная агрегация тонкодисперсных угольных частиц и повышение эффективности действия масляных реагентов.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями механизма действия масляных реагентов доказана зависимость скорости и прочности прилипания частиц к пузырькам воздуха от величины гистерезисных сил и установлено, что для сокращения потерь крупных угольных частиц с отходами флотации необходимо использовать масляные реагенты, свойства которых должны соответствовать крупности флотируемых частиц.

5. Эффективным способом интенсификации процессов очистки шламовых вод и утилизации шламов является селективная агрегация угольных дисперсий масляными реагентами, которая достигается при интенсивной турбу-лизации суспензии за счет увеличения числа результативных столкновений частиц угля и капель масла и повышения энергии взаимодействия их между собой. Экспериментальным и теоретическим определением степени агрегации угольных частиц установлено, что основными факторами, определяющими эффективность агрегации, являются диссипация энергии в перемешиваемой суспензии и площадь поверхности раздела масло — вода, величина которой уменьшается в ходе агрегации и зависит от степени омасливания угольной поверхности и содержания тонко дисперсных частиц угля.

6. Интенсификация сепарационных процессов очистки шламовых вод достигается проведением масляной агломерации угольных шламов в аэрированной пульпе в результате многократного увеличения поверхности раздела масловода и образования углемасляных аэрокомплексов, повышающих эффективность и скорость последующей угольной флотации. Разработанная на основе процесса масляной аэроагломерации угольных шламов технология селективной очистки шламовых вод от тонкодисперсных частиц позволяет при пониженном расходе масла повысить скорость и качество очистки, сократить количество шламовых отходов и загрязнение ими окружающей среды, снизить потери углей и получить дополнительный кондиционный товарный продукт.

7. Эффективным способом защиты воздушной среды от выбросов пыли и загрязняющих веществ при термической сушке углей является интенсификация процессов механического обезвоживания шламовых концентратов агрегацией мелких частиц угля масляными реагентами, обеспечивающей снижение влажности обезвоженных продуктов за счет вытеснения маслом влаги с угольной поверхности, увеличение скорости формирования осадка из агрегированных частиц и уменьшение их уноса через отверстия перегородок.

8. Перспективность широкого применения природоохранной технологии переработки и утилизации угольных шламов путем селективного разделения продуктов масляной агломерации фильтрацией через слой гидрофобных частиц обусловлена высокими эколого-экономическими показателями и возможностью производить из шламов кондиционный угольный концентрат без термической сушки, что особенно важно при переработке углей с повышенным выходом летучих веществ.

9. Практическое применение разработанной малоотходной технологии углеобогащения на основе испытанных и внедренных в производство технических решений по интенсификации процессов очистки шламовых вод, обезвоживания и утилизации шламов повышает эффективность использования природных ресурсов и снижает негативное воздействие обогатительных фабрик на окружающую среду.

10. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны, испытаны и внедрены в производство технологии очистки шламовых вод, обезвоживания и утилизации шламов с использованием масляной агломерации угля, повышающие экологическую безопасность работы предприятий. Предотвращенный экологический ущерб в результате внедрения разработок автора только на трех УОФ Кузбасса составил 49 млн. рублей. Годовой экономический эффект от улучшения производственной деятельности этих же фабрик превысил 120 млн. рублей.