Повышение эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации углей для интенсификации процесса их обезвоживания на ленточных фильтр-прессах

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 флоку-лянтов (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 флокулянтовдозирование растворов флокулянтовперемешивание растворов флокулянтов с суспензиейтранспортирование сфлокули-рованной суспензии к аппарату. t*.

ФЛОКУЛЯНТ.

Ионогенность: -неионогенныйанионактивныйкатионактивный.

Молекулярная масса: низкомолекулярный среднемолекулярный высокомолекулярный.

Раствор флокулянта: • концентрация способ приготовления ¦ продолжительность, условия хранения ¦рН.

СУСПЕНЗИЯ.

Твёрдая Фаза.

— плотность.

— удельная поверхность.

— концентрация.

— С, -потенциал.

— вещественный составстепень гидратированности.

Жидкая фаза.

— солевой составрН.

— 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 смесителяхразработка 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 микросъёмки 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 фло-кулянтами 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 суспензииадсорбции флокулянта на частицах твёрдой фазысобственно флокуляции;

— способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации: с применением коагулянтов-электролитов и гетерокоагу-лянтоввысокомолекулярного 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:

1. Впервые предложен критерий эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях, позволяющий определять оптимальные режимы процесса флокуляционного кондиционирования.

2. Разработана модель, позволяющая рассчитать время процессов, протекающих при флокуляционном кондиционировании суспензий в статических смесителях: гомогенизации флокулянта в жидкой фазе суспензииадсорбции флоку-лянта на частицах твёрдой фазысобственно флокуляции.

3. Предложены и экспериментально подтверждены способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации.

4. Доказано, что эффективность процесса перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях регулируется путём варьирования объёмного расхода суспензии.

5. 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 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 Инстатута 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 Германииответственному 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 флокулянтамизаведующему 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.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

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: «Заполярная», «Комсомольская» (40 — 50% каждая) — отсевы ОФ шахты «Северная» (до 10%);

4 0 #.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи — повышение эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации углей, имеющей существенное значение для угольной отрасли России.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Анализ современной литературы позволил сделать вывод о перспективности применения статических смесителей на операции перемешивания суспензий тонкодисперсных продуктов углеобогащения с флокулянтами.

2. Предложен критерий, позволяющий оценить эффективность перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях, включающий необходимое и достаточное условия. Соблюдение первого условия свидетельствует о том, что смеситель способен обеспечить перемешивание суспензии с флокулянтом. Соблюдение второго условия означает, что смеситель работает в оптимальном режиме.

3. Предложены и подтверждены экспериментально следующие способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации: применение коагулянтов-электролитов перед перемешиванием суспензии с флокулянтами;

— применение гетерокоагулянтов, содержащих частицы с положительным поверхностным зарядом, перед перемешиванием суспензии с флокулянтами (Пат. 2 238 245 РФ) — применение последовательно трёх флокулянтов различной природы: высокомолекулярного анионактивногонизкомолекулярного катионактивноговысокомолекулярного катионактивного (Пат. 2 253 632 РФ). 3. Установлены значения молекулярной массы и доли заряженных функциональных групп для анионактивного и катионактивного флокулянтов, обеспечивающих наиболее эффективное кондиционирование суспензий отходов флотации ЦОФ «Печорская» .

4. Установлен характер зависимости удельного объёмного сопротивления осадка отходов флотации от свойств и дозировки флокулянтов, гранулометрического состава твёрдой фазы отходов флотации и параметров перемешивания суспензии с коагулянтами и флокулянтами.

5. Установлен характер зависимости производительности ленточных фильтр-прессов по твёрдому от удельного объёмного сопротивления осадка.

6. Разработана, испытана и внедрена усовершенствованная технология флокуляционного кондиционирования отходов флотации предусматривающая применение статических смесителей для перемешивания суспензии с катионактивным флокулянтом. Установлено, что усовершенствованная технология обеспечивает режим перемешивания суспензии с флокулянтами, удовлетворяющий критерию эффективности (как необходимому, так и достаточному условиям). Обеспечено повышение производительности ленточных фильтр-прессов по твёрдому, в среднем, на 35% и снижение суммарного расхода флокулянтов на 17% по сравнению с базовой технологией. Экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии на ЦОФ «Печорская» составил 2,8 млн руб. в год.

7. Определены направления дальнейших исследований. Одним из наиболее перспективных способов перемешивания суспензий с флокулянтами было признано применение вращающихся мешалок, устанавливаемых непосредственно в трубопроводах, и предназначенных для работы с высококонцентрированными растворами флокулянтов.