Автоматизация процессов флотации и обезвоживания угольных шламов, их оптимизация
1. Теоретические аспекты процессов флотации и обезвоживания угольных шламов 6
1.2 Понятие и сущность процессов флотации и обезвоживания угольных шламов 6
1.3 Классификация процессов флотации и обезвоживание угольных шламов. 10
1.4 Особенности современных процессов флотации и обезвоживания угольных шламов 20
2. Анализ существующих процессов флотации и обезвоживания угольных шламов 25
2.1 Обзор технических средств флотации и обезвоживание угольных шламов 25
2.2 Исследование и обоснование подходов к оптимизации процессов сгущения угольных шламов. 30
3. Оптимизация автоматизации процессов флотации и обезвоживания угольных шламов 41
3.1 Разработка рекомендаций по оптимизации процессов флотации и обезвоживания угольных шламов. 41
3.2 Обоснование подходов к оптимизации процессов сгущения угольных шламов 48
Список используемых источников. 57
Обогащение углей флотацией, в отличии от гравитационных методов наилучшим образом показало себя при работе с мелкой фракцией до одного миллиметра. Также флотацией удаляется содержащиеся в углях мелкие вредные примеси (пирит, гипс, самородная сера, песчаник и сланец) и производится разделение петрографических ингредиентов для снижения зольности углей.
В результате обогащения угля на выходе получаем малосернистый и низкозольный концентрат, высокозольный промпродукт и хвосты. Главные методы обогащения угля это гравитация, флотация и электрическая сепарация.
В будущем прогнозируется повышение роли угля в энергетике, что обусловлено его крупными запасами и истощением месторождений нефти и газа. Поскольку с ростом добычи, а также, вследствие ухудшения горно-геологических условий и широкой механизации производства, ухудшается качественная характеристика углей по зольности, гранулометрическому составу, влажности и сернистости, следовательно, практически весь добываемый уголь требуется подвергать обогащению. В связи с чем, значительно увеличивается количество шламовых вод и угольных шламов в гидроотвалах и шламонакопителях, приводящих к загрязнению окружающей среды, поэтому разработка аппаратурно-технологического процесса утилизации угольных шламов является весьма актуальной.
Цель данной работы заключается в оптимизации процессов флотации и их обезвоживанияи обосновании автоматизации этих процессов.
Задачи:
1) раскрыть понятия и сущность процессов флотации и обезвоживания угольных шламов;
2) описать классификацию процессов флотации и обезвоживания угольных шламов;
3) выявить особенности современных процессов флотации и обезвоживания угольных шламов;
4) произвести обзор технических средств флотации и обезвоживания угольных шламов;
5) исследовать и обосновать подходы к оптимизации процессов сгущения угольных шламов;
6) разработать рекомендации по оптимизации процессов флотации и обезвоживания угольных шламов.
В работе для решения поставленных задач изучены теоретические и экспериментальные работы отечественных и зарубежных исследователей в данной области; проведены натурные наблюдения и эксперименты; использованы физико-химические методы.
Мокрые гравитационные процессы обогащения угля характеризуются высокой эффективностью, но подходят только для обогащения относительно крупных углей. Однако механизация процессов добычи угля привела к тому что 25-30% его составляют частицы,размером не превышающие одного миллиметра.
При невысокой влажности и зольности угликлассов крупности меньше одного миллиметра после обесшламливания присаживаются к концентратам без обогащения. Кроме того, в состав угля входят мелкие вредные примеси (пирит, гипс, самородная сера, песчаник и сланец), которые так же не могут быть отделены гравитационными методами, но могут быть удалены флотационным методом обогащения.
Часть углей мелких классов предназначены для химической переработки, например, в жидкое топливо. И к нему предъявляются повышенные требования к уровню зольности (не более 0,5–3%).
Флотация тонкодисперсных угольных шламов в течение многих лет является проблемным вопросом и объектом многочисленных отечественных и зарубежных исследований [1-5]. Анализируя их, можно выделить две основные группы работ, посвященных вопросу ослабления вредного действия на флотацию тонких высокозольных классов.
1. Исследования, связанные с удалением илистого материала из процесса флотации[6-8].А именно: схемы флотации с предварительным сбросом необогащенного шлама перед флотацией и селективная флокуляция-дешламация - как подготовительная операция перед флотацией.
2. Исследования и разработка методов повышения селективности разделения флотируемого шлама с высоким содержанием тонкодисперсных илов без их удаления из процесса [9-12]. К ним следует отнести применение разбавленных пульп; схемы с включением перечисток продуктов флотации; раздельную подготовку пульпы и раздельную флотацию зернистого и тонкого шлама.
Применение флотации для обогащения мелких классов угля позволяет увеличить итоговый выход концентрата для коксования и снизить его зольность.
Процессы флотации угля значительно отличаются от флотации руд:
• Высокой сорбционностью углей, являющаяся причиной низкой селективности действия реагентов и большого их расхода.
• Аполярной (неполярной) природой углей и, как следствие, высокой естественной гидрофобностью.
• Неоднородностью поверхности углей, в связи с присутствием нескольких петрографических разновидностей, имеющих различную степень метаморфизации. Это вызывает затруднение при выборе флотационных реагентов и в процессе флотации.
• Низким удельным весом угля.
В качестве реагентов при флотации угля применяются сравнительно недорогие вещества. Это продукты переработки самого угля или каменноугольной смолы, такие как антраценовое масло, фенолы (черная карболка), масло коксохимического производства, модифицированное формалином, реже сырой бензол.
Широко используются продукты переработки нефти (нефть, керосин, соляровое масло. Реагенты других типов применяются значительно реже. Наиболее эффективным реагентами являются реагенты, содержащие керосиновую фракцию нефти.
В некоторых углях возможно присутствие значительного количества шламов, подлежащих выделению. Шламы чаще всего коагулируют, преобразуя в более крупные, имеющие меньшую адсорбционную способность. В качестве коагулянтов используется известь, NaCl, AlCl3.
Показатели флотации при обогащении углей постоянно улучшаются за счет совершенствования процессов и внедрения новых конструкций флотационных машин. Таких как флотомашины с кипящим слоем с коническими, трубчатыми, струйными, циклонными импеллерами, использующими водные форсунки с высокой скоростью сдвига при скорости потока воды несколько метров в секунду и форсунки, подающие флотореагент в виде водно-газовой эмульсии.
Процесс флотации углей сопровождается большим выходом концентратов (80 – 90 %) и незначительным хвостов, а также более высокой скоростью протекания процесса по сравнению с флотацией минералов. Это необходимо учитывать при выборе конструкции флотомашин, которые в обязательном порядке должны осуществлять двухсторонний съем пены.
Объекты регулирования на обогатительных фабриках характеризуются большим многообразиям по своим технологическим свойствам и назначению. Однако с позиций авторегулирования они могут быть обобщены по некоторым признакам.
Несмотря на разнообразие динамических свойств промышленных объектов регулирования, можно выделить некоторые специфические особенности, присущих большинству из них. Одной из этих особенностей является вид переходной функции объекта регулирования, по которому они классифицируются на три категории: устойчивые, неустойчивые и нейтральные.
Объект устойчив, если после окончания действия внешнего импульсного возмущения (Х), он с течением времени возвратится к исходному состоянию.
Устойчивые объекты часто называют объектами, обладающими свойствами самовыравнивания. Только для данных объектов имеют смысл статические характеристика, поэтому они еще именуются - статические объекты.
Неустойчивые объекты характеризуются тем, что после окончания внешнего воздействия выходная величина (Yвых) продолжает изменяться. Это весьма сложные для автоматического регулирования объекты.
В нейтральных объектах или объектах, не обладающих свойством самовыравнивания, выходная величина после снятия возмущения принимает новое установившееся значение. Эти объекты чаще называют астатическими.
В процессе исследования рассматривались и изучались следующие варианты схем флотации:
1. Схемы с предварительным «сбросом» (обезыливанием) необогащенного тонкого шлама перед флотацией.
2. Схемы с классификацией необогащенного шлама перед флотацией на узкие классы 0-0,045 мм и 0,045-0,2 мм в гидроциклонах малого диаметра.
3. Схемы флотации с включением перечисток пенных продуктов
4. Схемы флотации шламов с различными реагентными режимами в I и П стадиях флотации.
5. Схемы флотации шламов с выводом отвального тонкодисперсного шлама из объема флотируемой пульпы после предварительного его обогащения в головных камерах флотомашины.
Рассмотрим эти схемы подробнее.
1. Схема с предварительным обезвоживанием необогащенного тонкого шлама перед флотацией является наиболее простым и экономичным вариантом, не требующим значительных капитальных затрат, позволяющим уменьшить фронт флотации. Такая схема применяется на ПАО «ДТЭК Павлоградская ЦОФ», обогащающей высокозольные газовые угли и может быть рекомендована для фабрик, где зольность шлама крупностью менее 0,045мм составляет более 70,0%. В противном случае неизбежны потери угля со сбрасываемым тонким шламом в сливе гидроциклонов
2. Схемы с классификацией необогащенного шлама перед флотацией по узким классам 00,045 и 0,045-0,2мм в гидроциклонах малого диаметра. Ввиду низкой селективности флотации наиболее тонких частиц (крупностью менее 0,04-0,05мм) в последние годы на ряде ОФ, построенных по технологии СЕТСО (ОФ Свято-Варваринская в Украине, ОФ Северная г. Березовский, ОФ Коксовая г.Белово и др.), предусматривается классификация необогащенного шлама перед флотацией в гидроциклонах малого диаметра с целью выделения тонких частиц [7]. Такой подход может способствовать улучшению показателей флотации, однако, создаёт проблему переработки шламовой воды, содержащей тонкие частицы, и увеличивает потери угля.
Имеется опыт раздельной флотации песков и шламов после классификации. Так, на ОФ Северная и ОФ Свято-Варваринская применены схемы раздельной колонной флотации тонкозернистых (0,04-0,2 мм) и тонких шламов (0-0,04 мм). На ОФ установлены колонные аппараты, что позволяет подбирать соответствующие оптимальные расходы флотореагентов и аэрогидродинамические режимы для частиц различной крупности. Тем не менее, полученные результаты не обнадеживают: эффективность разделения частиц тонкого класса 0-0,04мм низкая[7, 9].
3. Схемы флотации шламов с включением перечистных операций пенных продуктов. Известно, что эффективность перечистных операций зависит в первую очередь от содержания тонкого шлама в питании флотации, его состава и степени раскрытия угольной и минеральной составляющих в нем [3]. Зольность отходов при включении перечисток концентрата редко остается на одном и том же уровне [12], как правило, она снижается на 1-3%, что влечет за собой потери горючей массы.
Поскольку процесс перечистки концентрата протекает почти исключительно в самых тонких классах <0,045 (0,063) мм, а малозольные крупнозернистые классы не снижают своей зольности в этой операции, то более эффективной представляется схема флотации с перечисткой не всего пенного продукта, а выделенного из него тонкодисперсного класса менее 0,045 (0,063) мм.
4. Схемы флотации шламов с различными реагентными режимами в Iи IIстадиях флотации. Принципиальная схема непрерывной двухстадийной флотации шлама с различным расходом реагентов в Iи IIстадиях, осуществляемая в одной и той же машине, приведена на рис. 1.1.
Особенностью этой схемы, отличающей ее от общепринятой с дробной дозировкой реагентов, является то, что в ней в «голову» процесса подается не основная часть реагентов, а небольшое его количество - 25-50% от общего расхода. Назначение I стадии процесса в условиях "голодного" реагентного режима обеспечить выделение в пенный продукт преимущественно тонкого шлама и за счет этого повысить эффективность флотации крупнозернистого материала во IIстадии флотации. Эта схема позволяет снизить потери крупнозернистого угля в отходах флотации, снизить расход реагентов и значительно уменьшить объем пены при флотации высокозольных тонкодисперсных углей.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема двухстадиальной флотации
Сопоставляя их с полученными при флотации по общепринятой одностадиальной схеме с единовременной подачей реагентов можно отметить, что в данном случае достигается значительное повышение зольности отходов, но при этом снижается качество концентрата за счет высокой зольности пенного продукта IIстадии.
Схемы флотации углей с выводом тонкодисперсного шлама из объема флотируемой пульпы после его предварительного обогащения в головных камерах флотомашины. Для повышения скорости и селективности процесса целесообразно вывести отвальный тонкий шлам из камерного продукта Iстадии, подвергнув его гидравлической классификации по определенному граничному зерну. Исследуемый вариант схемы прерывной двухстадийной флотации с включением гидравлической классификации представлен на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Принципиальная схема флотации
с гидравлической классификацией
Применение данной схемы позволит не только значительно снизить потери угля, но также улучшить качество концентрата, снизив его зольность на 2,5-6,5% без увеличения расхода реагентов. При этом на 20-30% может увеличиться производительность флотоотделения за счет сокращения фронта флотации. Кроме того, вывод из цикла флотации и фильтрации илистого материала повысит эффективность обезвоживания флотоконцентрата. Такая схема может быть применена и при флотации окисленных труднофлотируемых углей.