Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка рациональной технологии флокуляционного разделения тонкодисперсных угольных шламов

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка рациональной технологии флокуляционного разделения тонкодисперсных угольных шламов"

На правах рукописи

НОВАК ВАДИМ ИГОРЕВИЧ

005008236

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФЛОКУЛЯЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ

Специальность 25.00.13 - «Обогащение полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯНВ 2012

Москва 2011

005008236

Работа выполнена в ФГУП «Институт обогащения твердого топлива» - ИО'ГТ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубинштейн Юлий Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Вигдергауз Владимир Евелевич;

кандидат технических наук, доцент Юшина Татьяна Ивановна

Ведущая организация ОАО «Сибирский научно-

исследовательский институт углеобогащения»

(г. Прокопьевск, Кемеровской обл.)

Защита состоится «14» февраля 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.08 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГПС-1, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ).

Автореферат разослан «12» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Шек Валерий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем углепереработки является повышение эффективности обогащения тонких классов углей (в особенности коксующихся) с учётом возрастающих требований к качеству товарного концентрата, обеспечения экономической и экологической эффективности технологических процессов, сокращения неоправданных потерь углей. Флотация, остающаяся вплоть до настоящего времени практически единственным способом обогащения тонкодисперсных шламов (крупностью -200 мкм), характеризуется сложностью, сравнительно высокими капитальными и эксплуатационными затратами, необходимостью применения вредных для окружающей среды и опасных в пожарном отношении реагентов. Кроме того, селективность обогащения флотацией наиболее тонких шламовых частиц (-50 мкм) довольно низкая.

Анализ сырьевых баз углеобогатительных фабрик позволяет сделать предположение о возможности извлечения в концентрат наиболее тонких угольных частиц нефлотационными методами. В этом аспекте несомненный интерес представляет селективное разделение с применением флокулянтов. Сущность данного способа обогащения заключается в том, что макромолекулы соответствующего флокулянта связывают в агрегаты частицы угля, при этом пептизируя частицы породы, позволяя эффективно разделить угольные и породные частицы.

В последние 30 лет отечественные и зарубежные исследователи предпринимали попытки реализовать обогащение угольных шламов селективной флокуляцией в лабораторных и промышленных условиях. Применяли в основном нерастворимые в воде (то есть гидрофобные) полимеры. Тем не менее, селективная флокуляция угольных шламов не нашла применения на ОФ. Это связано прежде всего с необходимостью выбора эффективных с позиций селекции флокулянтов и в более глубокого исследования механизма процесса. Выполненный анализ дает основания полагать, что селективная

флокуляция имеет существенный потенциал для развития и в ряде случаев может успешно конкурировать с флотацией благодаря относительно невысоким капитальным и эксплуатационным затратам, применению "чистых" реагентов.

Приведенные экономические, технологические и экологические факторы обусловливают актуальность поставленной задачи.

Цель работы. Повышение эффективности обогащения тонкодисперсных угольных шламов коксующихся углей на основе процесса селективной флокуляции угольных и породных частиц водорастворимыми полимерами.

Основные задачи исследований:

- анализ технологических решений, применяемых при обогащении шламов;

теоретический анализ закономерностей взаимодействия водорастворимых полимеров с угольными и породными частицами;

- исследование поверхностных свойств частиц угольной и породной фракций шлама ОФ "Распадская";

- исследование процессов селективной флокуляции шлама и обезвоживания продуктов разделения на лабораторных стендах;

- проведение опытно-промышленных исследований и испытаний технологии обогащения шлама селективной флокуляцией на ОФ "Распадская";

- разработка и внедрение технологии обогащения шлама селективной флокуляцией.

Идея работы заключается в возможности применения водорастворимых анионактивных флокулянтов на основе полиакриламида для селективного выделения угля из суспензии шлама, содержащего частицы угля и породы.

Методы исследования. Анализ закономерностей взаимодействия макромолекул флокулянта с частицами угольной и породной фракций был выполнен на основе теории ДЛФО с учётом фактора концентрации твёрдых частиц и макромолекул флокулянта в водной фазе суспензии.

Электрокинетический потенциал фракций шлама определяли методом макроэлектрофореза. Содержание функциональных групп на поверхности угольных частиц (то есть степень окисленности) определяли методом кислотно-основного титрования. Процессы обогащения шлама селективной флокуляцией и обезвоживания продуктов разделения (концентрата и отходов) моделировали на лабораторных стендах; причём исходную суспензию и продукты разделения исследовали методом оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения. Технологические исследования проводились в условиях действующего предприятия ОФ "Распадская" на промышленном оборудовании: радиальных сгустителях и ленточных фильтр-прессах. При обработке результатов исследований использованы методы математической статистики.

Научные положения, разработанные соискателем н нх новизна:

1. Предложена модель ортокинетического механизма взаимодействия минеральных частиц с макромолекулами флокулянта, учитывающая полидисперсность твердой фазы суспензии и концентрацию полимера в дисперсионной среде, позволяющая рассчитать энергию их парного взаимодействия и определить условия образования флокул.

2. Установлены технологические параметры селективной флокуляции угольных и породных частиц водорастворимыми полимерами, кинетика распределения их по фракциям; определены значения режимных параметров процесса, обеспечивающего получение осадка зольностью не более 12% при коэффициенте разделения более 50%.

5. Разработана и обоснована новая технологическая схема обогащения тонких угольных шламов, включающая их селективную флокуляцию водорастворимыми производными полиакриламида и обезвоживание продуктов разделения на ленточных фильтр-прессах, обеспечивающая повышение выхода кондиционного угольного концентрата.

Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются удовлетворительной сходимостью

(Я2 = 0,85-0,95) данных расчётов, лабораторных экспериментальных и промышленных исследований, а также положительным опытом применения новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ "Распадская".

Научная значимость работы заключается в развитии и уточнении современных теоретических представлений о процессе (механизме) селективной флокуляции тонкодисперсных частиц и обосновании режимных параметров обогащения угольных шламов, использованных при разработке и внедрении технологической схемы ОФ «Распадская».

Практическое значение работы заключается в разработке новой технологии обогащения шламов коксующихся углей селективной флокуляцией, обеспечивающей высокую технико-экономическую эффективность производства кондиционного угольного концентрата. В условиях ОФ "Распадская" доказана эффективность новой технологической схемы по сравнению с традиционной, предусматривающей обогащение шлама флотацией. Определена определена величина экономического эффекта, достигаемого за счёт снижения капитальных и эксплуатационных расходов при работе ОФ по схеме с селективной флокуляцией шлама.

Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при разработке технологической схемы ОФ "Распадская". Высокая эффективность новой технологии подтверждена длительным опытом работы фабрики по данной схеме. Результаты работы могут быть распространены на проектируемые и реконструируемые углеобогатительные фабрики с учетом характеристики сырьевых баз.

Личный вклад автора состоит в обосновании, разработке и внедрении новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ "Распадская"; проведении лабораторных исследований, опытно-промышленных испытаний, обработке, анализе и обобщении полученных данных.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на: научных симпозиумах "Неделя горняка (г. Москва, МП У, январь 2010 и 2011 гг.); 16 Международном конгрессе по обогащению углей

(г. Лексингтон, США, апрель 2010 г.); научных симпозиумах "Плаксинские чтения" (г. Казань, сентябрь 2010 г. и г. В. Пышма, сентябрь 2011г.); VIII Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, март 2011 г.), учёных советах ИОТТ (г. Люберцы, 2009 - 2011 гг.); технических совещаниях ОАО "Распадская" (г. Междуреченск, 2007 - 2011 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7 статьях (в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения; содержит 52 рисунка, 16 таблиц и список использованных источников из 117 наименований (среди них 7 статей с результатами исследований по теме диссертации, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В мировой практике на сегодняшний день единственным эффективным способом обогащения угольных шламов остается флотация. Сложность и недостатки флотационного процесса стимулируют поиск новых технологических решений. Одним из перспективных направлений обогащения тонкодисперсных шламов является селективная флокуляция. Анализ работ П. А. Ребиндера, А.Н. Фрумкина, Б.В. Дерягина, М.А. Борца, B.C. Белецкого, И.Н. Никитина, Дж. Грегори, А. Рида, К. Мюле и других исследователей даёт основания полагать, что при действии на необогащённый угольный шлам водорастворимые анионактивные флокулянты могут селективно агрегировать угольные частицы, при этом частицы породы (глинистые минералы, кварц), обладающие высоким (по абсолютной величине) отрицательным поверхностным зарядом, не флокулируются. Это позволяет получить осадок, по своему качеству пригодный для отгрузки (без дальнейшей обработки) потребителю в качестве товарного продукта. Однако, до настоящего времени не выполнено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение технологии селективной флокуляции угольных шламов.

В настоящей работе с целью определения принципиальной возможности селективного разделения угольного шлама анионактивными

полиакрил амид ными флокулянтами выполнен теоретический анализ механизма взаимодействия частиц и породы с макромолекулами флокулянта на основе расчета энергии парного взаимодействия (и) полимера с частицами твердой фазы пульпы в соответствии с теорией ДЛФО по уравнению (1). При этом были приняты следующие допущения: частицы твёрдой фазы имеют сферическую форму; макромолекула полимера в водной фазе суспензии имеет форму статистического клубка, который в первом приближении также может рассматриваться как сфера; все заряженные функциональные группы полимера (в данном случае — карбоксилатные) принимают участие в образовании поверхностного заряда статистического клубка.

где: во - абсолютная диэлектрическая проницаемость (8,85-Ю"'2 Ф/м); е - относительная диэлектрическая проницаемость (для воды при

Т=293 К: е=80); г\, г2 - радиусы частиц соответственно 1-го и 2-го рода, м; <Р1,ф2~ потенциалы поверхности соответствующих частиц, В; А - расстояние между частицами, м;

А* 123 - константа Гамакера для взаимодействия двух частиц

различной природы (индексы 1 и 2) через прослойку дисперсионной среды (индекс 3), Дж; к - параметр Дебая, м'1.

Величина <р для частиц твёрдой фазы рассчитывалась, исходя из экспериментально определённого значения электрокинетического потенциала ¡¡, молекулярной массы звена полимера М3 и доли заряженных функциональных групп V. Установлено, что для угольных частиц шлама ОФ "Распадская" величина определенная методом макроэлектрофореза, составила -(8-И2) мВ, а для породных -(35+40) мВ (рН дисперсионной среды: 6,5-7,3). Расчетные значения <р составили соответственно -(21+33) и -(116+135) мВ. Учитывая, что

6

величина ср в 2-4 раза превышает ^-потенциал, представляется целесообразным рассматривать значение <р для угольных частиц в пределах от -1 мВ до -100 мВ, а для глинистых частиц - в пределах от -50 до -200 мВ. Долю заряженных функциональных групп флокулянта V рассматриваем в пределах от 0,01 до 0,50. Расчёты парной энергии взаимодействия угольной частицы с полимером позволили установить, что во всем исследованном диапазоне значений (р и V потенциальный барьер отсутствует.

На рис. 1 и 2 представлены потенциальные кривые взаимодействия полимера соответственно с породными и угольными и частицами (к -постоянная Больцмана, 1,3 8-10"23 Дж/К; Т - абсолютная температура, К; V -доля заряженных функциональных групп флокулянта). Причем для угольных частиц расчеты выполнены для двух предельных случаев: (1) - <р=\ мВ (10"3 В), у=0,01 и (2) - <з=100 мВ (10"' В), гН),50. Для породных частиц в более широком интервале: (1) - <р= -50 мВ; (2)- <р= -100 мВ; (3) - ф= -150 мВ; (4) - ф= -200 мВ.

Рис. 1. Потенциальные кривые взаимодействия породных частиц с полиакриламидными флокулянтами

Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что макромолекула полиакриламидного флокулянта может приблизиться к угольной частице на расстояние, соответствующее толщине адсорбционной части ДЭС (данная величина составляет примерно 5- Ю"10 м).

Расстояние между частицей п шкромолекупоп по.щмера.нм

Рис. 2. Потенциальные кривые взаимодействия угольных частиц с полиакриламидными флокулянтами

Отсутствие потенциального барьера позволяет макромолекуле полиакриламидного флокулянта беспрепятственно адсорбироваться на поверхности угольной частицы. В то же время, взаимодействие флокулянта с породными частицами затруднено вследствие наличия потенциального барьера и малого значения ординаты дальнего потенциального минимума (менее 2кТ).

Переход от теоретических расчетов к реальному процессу предопределяет учет концентрации твердой фазы и полимера в дисперсионной среде, не рассматриваемых в теории ДЛФО. В работе предложена модель, позволяющая рассчитать количество макромолекул полимера, взаимодействующих с частицей твёрдой фазы суспензии, в зависимости от концентрации и диаметра частиц, а также дозировки флокулянта.

Для определения количества макромолекул полимера, взаимодействующих с частицей твёрдой фазы полидисперсной суспензии по ортокинетическому механизму, рассмотрим сферическую частицу диаметром Ы\>1 мкм (в данном случае не рассматриваются частицы субмикронной крупности, поскольку их взаимодействие с флокулянтом осуществляется по перикинетическому механизму, и одна макромолекула полимера может присоединить несколько таких частиц). Опишем вокруг частицы сферу диаметром (1$, определённым исходя из условия (рис. 3):

, м, (2)

где: (¡г - диаметр статистического клубка полимера;

Нк — расстояние между частицей и клубком полимера, соответствующее ближнему или дальнему потенциальному минимуму.

Объём пространства Ух между сферами диаметрами (¡\ и составит:

Рис. 3 - Схема для расчёта количества макромолекул полимера, взаимодействующих с частицей твёрдой фазы

Следовательно, количество макромолекул полимера в объёме Ух при известных значениях дозы флокулянта йф и содержания дисперсной фазы в суспензии Ст выражается следующим образом:

мх = 10"31</ФСТЫА -¿(б ¿¡<12 +12б?1<5?! + М|), (4)

где: йф - доза флокулянта, г/т;

Ст - содержание твёрдой фазы в суспензии, кг/м3;

Ыл - число Авогадро (6-1023 1/моль);

М- молекулярная масса флокулянта;

¿¿2 — диаметр статистического клубка полимера, м.

Результаты расчётов по данному уравнению представлены на рис. 4.

Диаметр частицы, мкм Рис. 4. Зависимость количества макромолекул полимера, взаимодействующих с частицей твёрдой фазы суспензии, от диаметра частиц

Результаты расчетов в исследованном диапазоне значений дозировок флокулянта (1-20г/т; 2-40г/т; 3-60г/т; 4-80г/т; 5-100г/т) свидетельствуют, что макромолекулы полимера (при условии равномерного распределения в объеме суспензии) могут взаимодействовать с частицами, имеющими диаметр не менее 3-7 мкм. В основном диаметр частиц породы составляет менее 8 мкм, в этом случае на расстоянии эффективного взаимодействия оказывается не более 1-2 макромолекул полимера. Следовательно, при данных условиях флокуляция частиц породы маловероятна. Диаметр угольных частиц в исследованной суспензии в основном более 20 мкм. Потенциальный барьер отсутствует. На расстоянии эффективного взаимодействия расположено как минимум 8 молекул полимера, что предопределяет возможность флокуляции уголышх частиц.

Экспериментальные исследования выполнены на пробе суспензии необогащённого шлама угля ОФ "Распадская" (марка ПК с содержанием твёрдого 12 кг/м3). Для оценки гранулометрического состава пробы (рис. 5) использовался седиментационный анализ (классы крупностью -55 мкм) и ситовый анализ (классы крупностью +55 мкм)

¿5 30

■ О ф

5 20 %

й

ш ю

0

0-Э 8,0-12 12 0-16 16-24 24-35 35-55 55-100 100-200 >200 Кллсчы крупное ш, мкм

Рис. 5. Гранулометрическая характеристика шлама ОФ "Распадская"

Из представленных данных видно, что класс крупностью +55 мкм (выход - 35,6 %) имеет весьма низкую зольность - около 8,5 %, т.е. содержит преимущественно угольные частицы. Зольность класса крупностью менее 55 мкм значительно выше - 35,7 %. Это позволяет предположить, что данный класс состоит из частиц породы и сростков, причём класс крупностью -8 мкм, имеющий зольность порядка 65 %, представлен главным образом частицами породы. Принимая во внимание существенную разницу значений зольности классов +55 мкм и -55 мкм, можно предположить возможность получения концентрата с требуемой зольностью около 12% путём селективного разделения исходного шлама по крупности ориентировочно в интервале 20-30 мкм.

По кривой Майера (рис. 6) определяем теоретический выход концентрата с зольностью 12%. Он составит примерно 60%.

Ал=12%

Средневзвешашля чольносп.. "о

Рис. б. Кривая Майера для шлама

С целью определения принципиальной возможности селективно-флокуляционного разделения исследуемого шлама и значений режимных параметров процесса выполнены исследования на лабораторных стендах. Применялись серийно выпускаемые анионактивные флокулянты (производные полиакрил амида), получившие распространение в практике углеобогащения:

М2025, М3035, М155, М156, Праестол 2520, Праестол 2540, Суперфлок А-120V, Технофлок TN24, Полифлок 1510. В'результате установлено, что при прочих равных условиях М155 обеспечивает наибольшую скорость осаждения исследованного шлама (34 м/ч при расходе 20 г/т). Дальнейшие исследования по селективности разделения шлама проводили с данным флокулянтом.

При различных расходах М155 проведены кинетические опыты по флокуляционному разделению с определением распределения твердой фазы между осадком и сливом, зольности получаемых продуктов разделения, содержания твердого в осадке и в сливе, коэффициента селективности.

Исследования доказали принципиальную возможность селективного разделения шлама с получением осадка зольностью 12 % (соответствует кондиционному концентрату). Взаимосвязь зольности и выхода осадка при расходе флокулянта 20-80 г/т и времени осаждения 300-1800 с представлена на рис. 7. Осадок зольностью не более 12 % может быть получен при расходе флокулянта 20 г/т за время 600 с.

10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 Зольность осадка. %

Рис. 7. Взаимосвязь между выходом и зольностью осадка при

различном времени осаждения и расходе флокулянта

Исследование осадка и слива методом оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения позволили установить наличие в осадке флокул, образованных угольными частицами; крупность - ориентировочно 50-150 мкм. В сливе отсутствуют какие-либо агрегаты - частицы породы располагаются индивидуально. В состав твердой фазы слива входят преимущественно тонкодисперсные (ориентировочная крупность менее 15.. .20 мкм) частицы породы. Видимое отсутствие в сливе флокул позволяет предположить, что частицы породы могут адсорбировать макромолекулы анионактивного полимера, но не образуют мостиковых связей. Поэтому для осветления полученного слива необходимо применение двух флокулянтов: анионактивного и катионактивного. Поскольку для первой стадии сгущения в качестве анионактивного флокулянта выбран М155, то для того, чтобы не расширять номенклатуру используемых флокулянтов, он был оставлен и для последующих стадий. Установлено, что при прочих равных условиях из исследованных катионактивных флокулянтов наиболее эффективен TN1597. Порядок подачи флокулянтов: сначала катионактивный, затем анионактивный. Значения расходов: TN1597 - 80 г/т, М155 - 20 г/т. При этом скорость осаждения составила 33-35 м/ч, содержание твердого в осветленной воде (т. е. сливе второй стадии) - не более 1,0 кг/м3, в сгущенной суспензии - не менее 250 кг/м3. Таким образом, слив второй стадии вполне пригоден для направления в линию оборотного водоснабжения ЦОФ, а сгущенный продукт (отходы) может быть направлен на обезвоживание без дополнительного сгущения.

Технологические исследования, выполненные на ОФ "Распадская", подтвердили результаты теоретических и лабораторных исследований: доказана возможность реализации в условиях действующей углеобогатительной фабрики технологии разделения угольного шлама селективной флокуляцией водорастворимыми производными полиакрил амид а. Расход анионактивного флокулянта варьировали в зависимости от зольности питания сгустителя (т.е. шлама) Adn: 30 г/т при Adn<22%; 33 г/т при 22<Adn<26 %; 36 г/т при Adn>26 %.

Полученные данные свидетельствуют, что с увеличением зольности питания от 18 до 28 % отчётливо прослеживается тенденция к возрастанию зольности

концентрата (от 10 до 16 %, рис.8). При этом также увеличивается коэффициент селективности (примерно от 45 до 70 %), вероятно, вследствие повышения в питании доли породной фракции, сравнительно легко отделяющейся от угольной.

20 22 2-1 Зольность плиния.1

Рис 8. Зависимость зольности концентрата и коэффициента селективности от зольности исходного шлама (питания сгустителя I стадии)

Таким образом, в сгущённый продукт извлекается угольная фракция и некоторая часть промежуточной фракции (относительно низкозольная). Это подтверждает результаты теоретических расчетов и лабораторных исследований: угольные частицы способны к самопроизвольной коагуляции; флокулянт связывает отдельные агрегаты частиц, тем самым увеличивая скорость осаждения последних. Значение зольности сгущённого продукта позволило присаживать его (после обезвоживания) к концентрату гравитационного обогащения. На основании результатов технологических исследований рекомендована качественно-количественная схема обогащения шлама ОФ "Распадская" (рис. 10), где О -нагрузка по твёрдому, т/ч; Ас! - зольность, %; Ув - объёмный расход воды, мЗ/ч; Ус - объёмный расход суспензии, мЗ/ч; С - содержание твёрдого в суспензии, кг/мЗ; W — влажность осадка, %.

Исходный шлам

(5=52,8 А^=19,3 Ув= 1764,8 Ус=1800,0 С=29,3

0=53,9 А"=19,2 Ув=1845,7 Ус=1881,6 С=28,6

Лнионактивный флокулянт

Ув=8,0

Сгущение (I стадия)

Сгущённый

0=48,9

А"=12,5

Ув=99,7

Ус=132,2

С=370

Флокулянты

Ув=8.9

Радиальный сгуститель

Флокулянты

Ув=0.3

Слив

0=5,0

А"=82,8

Ув=1789,9

Ус=1792,4

Р=2,8

0=5,1 А -82,9 Ув=1796,2 Ус= 1798,7 С=2,8

Обезвоживание

Сгущение (II стадия)

Фильтрат

0=1,1 А =14,8 Ув=80,9 Ус=81,6 С=13,5

Ленточный фильтр-пресс

Осадок

0=47,8 А^12,4 Ув=27,7 \У=36,6

Сгущённый

0=4,1

А*=&2,6

Ув=7,6

Ус=9,6

С=425

в присадку к концентрату

Радиальный сгуститель

Флокулянты Ув=1.0

Слив

0=1,0

А"=83,9

Ув=1788,9

Ус=1789,4

С=0,6

в оборот

Осадок

0=4,0 А<=82,5 Ув=2,3 W=37,5

Обезвоживание

Ленточный фильтр-пресс

Фильтрат

0=о,1

А(1=86,6 Ув=6,3 Уе=6,3 С=20,5

Рис. 10. Качественно-количественная схема обогащения шлама ОФ "Распадская" селективной флокуляцией

Предлагаемая схема включает операции: селективное разделение шлама крупностью -0,2 мм в радиальном сгустителе первой стадии; сгущение отходов (породной фракции шлама) в радиальном сгустителе второй стадии; обезвоживание концентрата и отходов на ленточных фильтр-прессах.

По сравнению с флотацией предлагаемая технология обогащения шлама ОФ "Распадская" является значительно более эффективной за счёт более высокого выхода концентрата, исключения затрат на флотационные реагенты, сравнительно низкого уровня энергопотребления. Высокая эффективность технологии обогащения шлама селективной флокуляцией подтверждена длительным опытом работы фабрики по данной схеме.

Технико-экономические расчёты позволили установить, что за счёт исключения затрат на флотационные реагенты и уменьшения расхода электроэнергии себестоимость концентрата при обогащении шлама селективной флокуляцией на 12,5 % ниже по сравнению с флотацией. Внедрение технологии селективной флокуляции шлама на ОФ "Распадская" позволило получить экономический эффект порядка 44 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных исследований решена актуальная научно-техническая задача: обоснована, разработана и внедрена новая технология обогащения тонкодисперсных угольных шламов коксующихся углей селективной флокуляцией. Работа имеет существенное значение для угольной отрасли России.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Аналитический расчёт энергии парного взаимодействия частиц твёрдой фазы суспензий угольного шлама и полиакриламидного флокулянта, выполненный на основе теории ДЛФО, позволил установить, что для угольных частиц потенциальный барьер отсутствует, и это предопределяет возможность

беспрепятственного образования флокул. В то же время, взаимодействие флокулянта с породными частицами затруднено вследствие наличия у них потенциального барьера.

2. Определено количество макромолекул флокулянта, взаимодействующих с угольными и породными частицами на основании оригинальной модели, учитывающей полидисперсность твёрдой фазы суспензии и концентрацию полимера в дисперсионной среде.

3. Экспериментально подтверждена возможность селективного разделения угольной и породной фракций водорастворимыми производными полиакрил амида на примере угольного шлама ОФ "Распадская" на основе изучения характеристик широкой гаммы анионактивных и катионактивных флокулянтов. Установлено, что при прочих равных условиях анионактивный флокулянт М155 обеспечивает наибольшую скорость осаждения исследованного шлама (34 м/ч при расходе 20г/т).

4. Исследование кинетики флокуляции с определением распределения твердой фазы между осадком и сливом, зольности получаемых продуктов разделения, содержания твердого в осадке и в сливе, коэффициента селективности показали возможность разделения шлама с получением зольности осадка не более 12 % за время 600 с. При этом содержание твёрдого в осадке составило 250-260 кг/м3, выход осадка - 60-65 %; коэффициент селективности - около 50 %; зольность твёрдой фазы слива (т.е. отходов) -около 50 % при содержании твёрдого 4-5 кг/м3.

5. Методом оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения установлено наличие в осадке флокул, образованных угольными частицами; крупность - ориентировочно 50-150 мкм. В сливе отсутствуют какие-либо агрегаты — частицы породы располагаются индивидуально.

6. Определены ожидаемые значения технологических показателей работы оборудования для обезвоживания продуктов разделения шлама на ленточных фильтр-прессах. Кондиционирование концентрата следует осуществлять последовательной добавкой анионактивного и катионактивного

18

флокулянтов с расходами соответственно 100-150 г/т и 200-250 г/т. Производительность по твёрдому одного фильтра должна составлять 20-27 т/ч, влажность осадка - 33-40 %, содержание твёрдого в фильтрате - не более 40 кг/м3. Обезвоживание отходов по аналогичной технологии. Расходы флокулянтов: анионактивного - 160-200 г/т, катионактивного - 240-300 г/т. Производительность по твёрдому - до 10 т/ч, влажность осадка - 35-40 %, содержание твёрдого в фильтрате - не более 40 кг/м3.

7. По результатам опытно-промышленных испытаний на фабрике подтверждены, уточнены и дополнены технологические закономерности разделения угольного шлама селективной флокуляцией, определенные на этапе лабораторных исследований и численного экспериментирования по модели.

8. Определены значения режимных параметров процесса, обеспечивающие получение осадка с кондиционной для концентрата зольностью 10-15 %: содержание твёрдого в суспензии исходного шлама - 1525 кг/м3; объёмный расход суспензии - 1800-1900 м3/ч, расход анионактивного флокулянта - 30-36 г/т. Рекомендована качественно-количественная схема обогащения шлама ОФ "Распадская"

9. Разработана, испытана и внедрена новая технология обогащения угольных шламов селективной флокуляцией. Внедрение данной технологии на ОФ "Распадская" исключило дорогостоящий процесс флотации. Экономический эффект составляет 44 млн. руб. в год.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1) Новак В.И., Долматов В.И., Козлов В.А. Селективная флокуляция угольного шлама на ОФ "Распадская" // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010, № 5. - С. 48-51.

2) Новак В.И., Гольберг Г.Ю. Исследование селективной флокуляции тонкодисперсных угольных шламов // Вода: химия и экология. - 2010, № 4. - С. 9-13.

3) Novak v., Dolmatov V. Raspadskaya Coal Preparation Plant: Selective Slime Flocculation Instead of Flotation // XVI International Coal Preparation Congress, Lexington, USA, April 25-29,2010. - Littleton: SME, 2010. - P. 123-126.

4) Рубинштейн Ю. Б., Новак В.И. Селективная флокуляция угольных шламов// Труды Международной конференции "Плаксинские чтения-2010". -М.: ИПКОН РАН, 2010, с. 197-198.

5) Рубинштейн Ю.Б., Яровая О.В., Гольберг Г.Ю., Новак В.И. Обоснование применения полиакриламидных флокулянтов для селективного разделения угольных шламов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2011, № 2. - С. 97-102.

6) Рубинштейн Ю.Б, Новак В.И. Технология флокуляционного разделения тонкодисперсных угольных шламов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2011, № 3. - С. 1-7

7) Рубинштейн Ю.Б, Новак В.И. Теория и практика применения селективной флокуляции для разделения тонкодисперсных угольных шламов // Уголь.-2011, №4.-С.-40.

Подписано в печать 28.12.2011. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2436

/\ИЗДАТЕЛЬСТВ0

—«МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛДКа 53-305

119"^ТЛа'/СП'1' Леншский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Новак, Вадим Игоревич, Москва

61 12-5/1854

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИНСТИТУТ ОБОГАЩЕНИЯ ТВЁРДОГО ТОПЛИВА" ИОТТ

На правах рукописи

НОВАК Вадим Игоревич

УДК 622.7.017.02

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФЛОКУЛЯЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ

УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ

Специальность: 25.00.13 "Обогащение полезных ископаемых"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, д.т.и. Рубинштейн Ю.Б.

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1 ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 3

2 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ............................... 8

2.1 Анализ технологий обогащения тонких классов углей......................... 8

2.2 Обзор и анализ технологий обогащения угольных шламов

селективной коагуляцией и флокуляцией......................................... 20

2.2.1 Технологии обогащения шламов с применением флокулянтов......... 20

2.2.2 Методы исследования процессов флокуляции............................ 29

3 СЕЛЕКТИВНАЯ ФЛОКУЛЯЦИЯ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ АНИОНАКТИВНЫМИ ФЛОКУЛЯНТАМИ...................................... 40

3.1 Сравнительный анализ механизмов флокуляции

угольных и породных частиц......................................................... 40

3.2 Обоснование применения полиакриламидных флокулянтов

для селективного разделения угольных шламов................................. 54

4 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ШЛАМА СЕЛЕКТИВНОЙ ФЛОКУЛЯЦИЕЙ................................................. 66

4.1 Методики проведения экспериментальных исследований..................... 66

4.1.1 Методика определения электрокинетического потенциала

твёрдой фазы суспензии методом электрофореза........................ 66

4.1.2 Методика исследования процесса сгущения суспензий

с применением флокулянтов................................................. 68

4.1.3 Методика исследования флокуляционного кондиционирования и дренирования суспензий перед обезвоживанием

на ленточном фильтр-прессе...................... ............................ 71

4.1.4 Методика исследования механической устойчивости сфлокулированных осадков.................................................. 73

4.1.5 Методика обезвоживания суспензий на лабораторном

ленточном фильтр-прессе.................................................... 74

4.2 Основные характеристики исследованного шлама.............................. 78

4.3 Результаты экспериментальных исследований................................... 83

4.3.1 Исследование процесса селективного разделения шлама............... 83

4.3.2 Определение параметров режима сгущения

суспензии частиц породы...................................................... 92

4.3.3 Определение режимов флокуляционного кондиционирования

и обезвоживания продуктов разделения.................................... 95

5 РАЗРАБОТКА, ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФЛОКУЛЯЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ

НА ОФ "РАСПАДСКАЯ"............................................................... 114

5.1 Описание технологической схемы фабрики....................................... 114

5.2 Методики проведения промышленных испытаний 120

5.2.1 Радиальные сгустители......................................................... 120

5.2.2 Ленточные фильтр-прессы..................................................... 120

5.3 Результаты опытно-промышленных испытаний технологии селективной флокуляции угольного шлама....................................... 121

5.4 Разработка рекомендаций по усовершенствованию технологии селективной флокуляции угольного шлама....................................... 129

6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ 144

ПРИЛОЖЕНИЕ 156

1 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем углепереработки является повышение эффективности обогащения тонких классов углей (в особенности коксующихся) с учётом возрастающих требований к качеству товарного концентрата, обеспечения экономической и экологической эффективности технологических процессов, сокращения неоправданных потерь углей. Флотация, остающаяся вплоть до настоящего времени практически единственным способом обогащения тонкодисперсных шламов (крупностью

-200 мкм), характеризуется сложностью, сравнительно высокими капитальными и эксплуатационными затратами, необходимостью применения вредных для окружающей среды и опасных в пожарном отношении реагентов. Кроме того, селективность обогащения флотацией наиболее тонких шламовых частиц (-50 мкм) довольно низкая.

Анализ сырьевых баз углеобогатительных фабрик позволяет сделать предположение о возможности извлечения в концентрат наиболее тонких угольных частиц нефлотационными методами. В этом аспекте несомненный интерес представляет селективное разделение с применением флокулянтов. Сущность данного способа обогащения заключается в том, что макромолекулы соответствующего флокулянта связывают в агрегаты частицы угля, при этом пептизируя частицы породы, позволяя эффективно разделить угольные и породные частицы.

В последние 30 лет отечественные и зарубежные исследователи предпринимали попытки реализовать обогащение угольных шламов селективной флокуляцией в лабораторных и промышленных условиях. Применяли в основном нерастворимые в воде (то есть гидрофобные) полимеры. Тем не менее, селективная флокуляция угольных шламов не нашла применения на ОФ. Это связано прежде всего с необходимостью выбора эффективных с позиций селекции флокулянтов и в более глубокого исследования механизма процесса. Выполненный анализ дает основания полагать, что селективная флокуляция имеет существенный потенциал для развития и в ряде случаев может успешно конкурировать с флотацией благодаря относительно

невысоким капитальным и эксплуатационным затратам, применению "чистых" реагентов.

Приведенные экономические, технологические и экологические факторы обусловливают актуальность поставленной задачи.

Цель работы. Повышение эффективности обогащения тонкодисперсных угольных шламов коксующихся углей на основе процесса селективной флокуляции угольных и породных частиц водорастворимыми полимерами.

Основные задачи исследований:

- анализ технологических решений, применяемых при обогащении шламов;

- теоретический анализ закономерностей взаимодействия водорастворимых полимеров с угольными и породными частицами;

- исследование поверхностных свойств частиц угольной и породной фракций шлама ОФ "Распадская";

- исследование процессов селективной флокуляции шлама и обезвоживания продуктов разделения на лабораторных стендах;

- проведение опытно-промышленных исследований и испытаний технологии обогащения шлама селективной флокуляцией на ОФ "Распадская";

- разработка и внедрение технологии обогащения шлама селективной флокуляцией.

Идея работы заключается в возможности применения водорастворимых анионактивных флокулянтов на основе полиакриламида для селективного выделения угля из суспензии шлама, содержащего частицы угля и породы.

Методы исследования. Анализ закономерностей взаимодействия макромолекул флокулянта с частицами угольной и породной фракций был выполнен на основе теории ДЛФО с учётом фактора концентрации твёрдых частиц и макромолекул флокулянта в водной фазе суспензии. Электрокинетический потенциал фракций шлама определяли методом макроэлектрофореза. Содержание функциональных групп на поверхности угольных частиц (то есть степень окисленности) определяли методом кислотно-основного титрования. Процессы обогащения шлама селективной флокуляцией и обезвоживания продуктов разделения (концентрата и

отходов) моделировали на лабораторных стендах; причём исходную суспензию и продукты разделения исследовали методом оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения. Технологические исследования проводились в условиях действующего предприятия ОФ "Распадская" на промышленном оборудовании: радиальных сгустителях и ленточных фильтр-прессах. При обработке результатов исследований использованы методы математической статистики.

Научные положения, разработанные соискателем и их новизна:

1. Предложена модель ортокинетического механизма взаимодействия минеральных частиц с макромолекулами флокулянта, учитывающая полидисперсность твердой фазы суспензии и концентрацию полимера в дисперсионной среде, позволяющая рассчитать энергию их парного взаимодействия и определить условия образования флокул.

2. Установлены технологические параметры селективной флокуляции угольных и породных частиц водорастворимыми полимерами, кинетика распределения их по фракциям; определены значения режимных параметров процесса, обеспечивающего получение осадка зольностью не более 12% при коэффициенте разделения более 50%.

3. Разработана и обоснована новая технологическая схема обогащения тонких угольных шламов, включающая их селективную флокуляцию водорастворимыми производными полиакриламида и обезвоживание продуктов разделения на ленточных фильтр-прессах, обеспечивающая повышение выхода кондиционного угольного концентрата.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются удовлетворительной сходимостью

(Я2 = 0,85-0,95) данных расчётов, лабораторных экспериментальных и промышленных исследований, а также положительным опытом применения новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ "Распадская".

Научная значимость работы заключается в развитии и уточнении современных теоретических представлений о процессе (механизме) селективной флокуляции тонкодисперсных частиц и обосновании режимных параметров обогащения уголь-

ных шламов, использованных при разработке и внедрении технологической схемы ОФ «Распадская».

Практическое значение работы заключается в разработке новой технологии обогащения шламов коксующихся углей селективной флокуляцией, обеспечивающей высокую технико-экономическую эффективность производства кондиционного угольного концентрата. В условиях ОФ "Распадская" доказана эффективность новой технологической схемы по сравнению с традиционной, предусматривающей обогащение шлама флотацией. Определена определена величина экономического эффекта, достигаемого за счёт снижения капитальных и эксплуатационных расходов при работе ОФ по схеме с селективной флокуляцией шлама.

Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при разработке технологической схемы ОФ "Распадская". Высокая эффективность новой технологии подтверждена длительным опытом работы фабрики по данной схеме. Результаты работы могут быть распространены на проектируемые и реконструируемые углеобогатительные фабрики с учетом характеристики сырьевых баз.

Личный вклад автора состоит в обосновании, разработке и внедрении новой технологии обогащения угольных шламов на ОФ "Распадская"; проведении лабораторных исследований, опытно-промышленных испытаний, обработке, анализе и обобщении полученных данных.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на: научных симпозиумах "Неделя горняка (г. Москва, МГГУ, январь 2010 и 2011 гг.); 16 Международном конгрессе по обогащению углей (г. Лексингтон, США, апрель 2010 г.); научных симпозиумах "Плаксинские чтения" (г. Казань, сентябрь 2010 г. и г. В. Пышма, сентябрь 2011г.); VIII Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, март 2011 г.), учёных советах ИОТТ (г. Люберцы, 2009 - 2011 гг.); технических совещаниях ОАО "Распадская" (г. Междуреченск, 2007 - 2011 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7 статьях (в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения; содержит 52 рисунка, 16 таблиц и список использованных источников из 117 наименований (среди них 7 статей с результатами исследований по теме диссертации, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

2 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ

2.1 Анализ технологий обогащения тонких классов углей

В мировой практике на сегодняшний день единственным эффективным способом обогащения тонких шламов остается флотация. Другие способы обогащения шламов флотационной крупности (пенная сепарация, масляная агломерация и т.д.) не получили практического распространения.

Технологические схемы обогащения углей флотацией отличаются разнообразием: по принципу построения схемы; по номенклатуре применяемых реагентов, по аппаратурному оформлению; по количеству получаемых продуктов и т.д. Шламовая вода, поступающая на флотацию, прежде всего подвергается классификации (как правило, с применением гидроциклонов) с тем, чтобы выделить относительно крупнозернистый шлам, направляемый на обогащение гравитационными методами. При необходимости суспензия шлама сгущается до требуемого содержания твёрдого, затем кондиционируется реагентами. При обогащении углей трудной и очень трудной обогатимости в ряде случаев предусматривается выделение промежуточного продукта.

В последнее десятилетие практически на всех углеобогатительных фабриках России, перерабатывающих коксующиеся угли, выполнена модернизация технологических схем. Это позволило снизить крупность частиц, поступающих на флотацию: для относительно крупных шламов - 0,2(0,3)-1,0 мм применяют гравитационные методы обогащения.

Рассмотрим основные гравитационные аппараты, применяемые для обогащения шламов.

Тяжелосредные гидроциклоны [1-2] применяются для обогащения углей с нижним пределом крупности 0,5 мм, в ряде случаев - 0,1-6мм [3]. Значение Ерш составляет 40-80 кг/м3. Достоинства технологии обогащения углей в тяжёлосредных гидроциклонах: высокая точность разделения; возможность эффективного

обогащения углей трудной и очень трудной обогатимости; возможность точного регулирования плотности разделения. Недостатки: относительно высокие эксплуатационные затраты (главным образом на магнетит); необходимость регенерации магнетитовой суспензии, что усложняет технологическую схему.

Отсадочные машины для обогащения шламов [4,5] получили широкое распространение в практике обогащения энергетических углей благодаря следующим преимуществам.

1 Универсальность: возможность эффективного обогащения углей различного фракционного и гранулометрического составов в широком диапазоне их марочной принадлежности, целевого назначения и обогатимости.

2 Простота технологии, заключающаяся в малооперационности технологического комплекса, не требующего специальных операций по приготовлению и регенерации рабочей среды.

3 Высокая производительность. Удельная производительность составляет 5-20 т/ч на 1 м рабочей площади отсадочной машины.

4 Относительно низкая удельная энергоемкость процесса.

По сравнению с другими методами гравитационного обогащения угля отсадка отличается относительной простотой, дешевизной и универсальностью; но для обогащения шламов труднообогатимых углей эффективность ее применения низкая.

В Китае разработана конструкция центробежно-отсадочной машины для обогащения дроблёного промежуточного продукта крупностью 0,2-3 мм [6]. Разделение по плотности происходит под действием центробежной силы (аналогично гидроциклонам) и под действием пульсаций постели (аналогично отсадке). Соответственно, питание (промежуточный продукт, дроблённый до -3 мм) подаётся в корпус машины тангенциально, угольные частицы концентрируются в верхней части корпуса, а породные - в нижней.

Технологическая схема ориентирована прежде всего на повышение выхода концентрата путём дробления (с целью разрушения сростков и кусков с вкраплениями) и последующего обогащения дроблёного промежуточного продукта.

Шлам, получающийся при обезвоживании концентрата центробежно-отсадочной машины, обогащается флотацией. Опытно-промышленные испытания центробежно-отсадочной машины показали следующие результаты:

- крупность питания - 0,5-3 мм;

- зольность питания - 24,7 %;

- плотность разделения - 1400-1500 кг/м ; -Ерш- 100-120 кг/м3;

- выход концентрата - 45 %, зольность - 10,9 %;

- выход отходов - 55 %, зольность - 34,7 %.

Недостатки данного способа: сложность регулирования процесса; относительно высокие потери угольных частиц с отходами.

Следует также рассмотреть возможность применения центробежных концентраторов фирм "Falcon Concentrators" и "Knelson" (обе - Канада). [7,8]. Концентраторы применяются для обогащения руд и углей; крупность обогащаемых угольных частиц - 0,045-1,0 мм.

Концентратор "Falcon" [7] состоит из цилиндрического корпуса; конического ротора с приводом; питающего устройства; устройств для выгрузки концентрата и отходов. Исходный уголь крупностью 0,045-1,0 мм, полученный путём классификации в гидроциклонах (пески), поступает через питающую трубу во внутреннюю полость вращающегося конуса. Под действием центробежной силы (фактор разделения составляет от 50 до 300) на внутренней поверхности ротора происходит разделение угольных и породных ча�