Одной из важнейших характеристик углей, влияющих на выбор конкретной схемы обогащения угля является его обогатимость. По этому параметру все угли подразделяются на легкообогатимые (содержание промпродукта не более 5 %), средней обогатимости (5-10 %), труднообогатимые (10–15 %) и угли очень трудной обогатимости (более 15 %).
Флотация углей может преследовать четыре цели: увеличение коксовой базы за счет флотации шлама и пыли обогатительных фабрик коксующихся углей; получение малозольного и обессеренного угля для кокса спецсталей; выделение коксующейся части из некоксующихся углей.
Вредными примесями являются сера, фосфор и зола. Сера встречается в углях в виде пирита, гипса или органических соединений, причем при флотации удаляются в той или иной степени только первые два вида серы. Фосфор часто присутствует в форме апатита и частично может быть удален флотацией. Минеральные примеси, состоящие из сланцевых и других частиц, удаляются флотацией в зависимости от степени срастания их с угольной массой.
Флотационный процесс, для которого характерны универсальность применения и высокие технологические показатели, чрезвычайно чувствителен к воздействию многих факторов, способных оказать значительное влияние на его ход. Не правильное управление флотации вызывает его серьезные нарушения, а в отдельных случаях может привести к полному расстройству процесса обогащения минерального сырья. Очень важным условием успешного применения флотационного метода обогащения того или иного полезного ископаемого является так же правильный выбор технологической схемы флотации.
Эффективность флотационного процесса зависит от следующих основных факторов: минерального состава и крупности исходного материала, массовой доли твердого в пульпе и ее температуры, реагентного режима, состава воды, продолжительности флотации, степени аэрации пульпы в машине.
От минерального состава обогащаемой руды зависит выбор применяемых реагентов, их расход и последовательность извлечения компонентов руды. При минералого-петрографическом изучении руды перед флотацией устанавливают состав всех минеральных компонентов, взаимную структуру прорастания, форму и размер включений, степень окисления минералов и массовую долю каждого компонента. На основании этого устанавливают рецептуру реагентов и выбирают схему измельчения и флотации.
Крупность исходного материала при флотации должна быть такой, чтобы максимальная доля полезных минералов была освобождена от сростков с минералами пустой породы, и размер флотируемых частиц соответствовал бы подъемной силе воздушных пузырьков.
Обычно флотация осуществляется при крупности частиц полезных минералов в пределах 0,02-0,5 мм. Максимальный размер флотируемых частиц минералов зависит от их гидрофобности, плотности и формы.
При большой массовой доле твердого в пульпе снижается ее степень насыщения воздушными пузырьками, ухудшается флотируемость крупных частиц минералов и снижается качество концентрата в результате более интенсивной флотации тонких частиц пустой породы. Флотация в разжиженной пульпе производится в том случае, когда необходимо получить высококачественный концентрат.
Продолжительность флотации определяет уровень извлечения флотируемого компонента в концентрат и качество концентрата.
Степень аэрации пульпы влияет на продолжительность флотации и технологические показатели обогащения. С увеличением аэрации пульпы уменьшается продолжительность флотации. Однако чрезмерная насыщенность пульпы пузырьками воздуха усиливает процесс их слияния. Более крупные пузырьки всплывают с большей скоростью, что увеличивает возможность отрыва от них минеральных частиц.
На эффективность флотации оказывают влияние так же условия работы флотомашины. Объем пульпы, поступающей во флотомашину, и массовая доля твердого в ней должны быть постоянными. Это обеспечивает определенный уровень пульпы в машине и значительно упрощает управление процессом.
Перегрузка флотомашины снижает извлечение металла в концентрат, т.к. продолжительность флотации уменьшается. При недогрузке продолжительность флотации будет велика, и в пенный продукт будут переходить частицы пустой породы, снижая качество концентрата.
На основании исследовательских работ и практики обогащения медно-свинцово-цинковых руд, в проекте применяется комплексная схема флотации руд Рубцовского месторождения. Принципиальная схема обогащения изображена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Принципиальная схема флотации
Схема включает циклы: коллективная флотация, медно-свинцовая флотация с последующим разделением минералов меди и свинца, а также флотация цинка из хвостов медно-свинцовой флотации.
В углеобогатительной отрасли тонкие угольные шламы крупностью 0-0,25 мм из-за высоких затрат на их обогащение и обезвоживание воспринимаются как серьезная экономическая проблема. На текущий момент только процесс флотации может обеспечить обогащение угля до «нулевой» крупности и сократить потери угля с отходами. Поэтому совершенствование флотационных технологий в применении к тонким угольным шламам, особенно коксующихся марок, является важной задачей для углеобогащения.
Одним из основных элементов, входящим в систему регулирования является автоматический регулятор – устройство, изменяющее или стабилизирующее выходную величину объекта регулирования по заданному алгоритму путем воздействия на его входную величину.
Классификация регуляторов может осуществляться по различным признакам. По способу действия они делятся на регуляторы прямого и непрямого действия.
На практике более широкое применение получили регуляторы непрямого действия. Данные регуляторы классифицируются по виду источника подводимой энергии для перемещения исполнительного механизма: электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.
Кроме того, регуляторы классифицируются на релейные, непрерывные и импульсные. Релейные регуляторы называют еще позиционными.
Регуляторы подразделяются также на экстремальные и стабилизирующие. Экстремальные регуляторы могут использоваться на объектах, характеризующихся экстремальной статической характеристикой.
Наиболее известными и распространенными аппаратами для флотации угля являются камерные и камерно-прямоточные (секционные) механические флотомашины (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Камерные механические флотомашины СЕТСО
Камеры данных машин соединяются в последовательные блоки по три-четыре штуки. Обычно во флотомашине устанавливаются последовательно два таких блока. Пульпа питания подается с одной стороны флотомашины в первую камеру и в процессе флотации проходит последовательно через все камеры, с разгрузкой хвостов флотации в последней камере. Разгрузка осуществляется пробковым устройством, открытие которого регулируется датчиком уровня пульпы в камерах флотомашины. Такие флотомашины обычно применяются для обогащения угольного шлама крупностью 0-0,5 мм.
Наиболее известные камерные механические флотомашины, применяющиеся в России, это секционные флотомашины МФУ, флотомашины марок Wemco, шестикамерные флотомашины СЕТСО с объемом камер 14 и 16 м3.
Благодаря продуманной конструкции, высококачественным конструкционным материалам и антикоррозионной обработке механические флотационные машины СЕТСО обладают высокой эффективностью и надежностью в работе. Значительным преимуществом их конструкции является отсутствие необходимости отключения всей машины при остановке одной из камер, например, для замены привода. При остановке механизма уровень осадка будет ниже положения ротора, то есть ротор будет находиться в жидкой фазе, что дает возможность повторного пуска без освобождения камеры.
Шламы и продукты флотации в практике углеобогащения в основном обезвоживают фильтрованием. В зависимости от свойств и состава шламов и продуктов флотации их обезвоживают на дисковых, барабанных и ленточных вакуум-фильтрах, а также в камерных и ленточных фильтр-прессах.
Дисковые вакуум-фильтры в основном применяются для обезвоживания флотационных концентратов. Широко применяются дисковые вакуум-фильтры. Эти же вакуум-фильтры применяются и для обезвоживания шламов. Дисковые вакуум-фильтры отличаются высокой удельной производительностью, но при этом родовым недостатком остается высокая влажность осадка 24-30 % и высокое содержание твердой фазы в фильтрате 30-60 г/л (так называемый проскок).
Фильтр-прессы, напротив, позволяют получать сухие транспортабельные осадки и чистый фильтрат, который может сразу направляться в водооборот фабрики.
Долгое время фильтр-прессы применяли в основном для обезвоживания отходов флотации угольных и антрацитовых шламов. Существовало ошибочное мнение, что камерные фильтр-прессы не способны догнать по производительности дисковые вакуум-фильтры. Современные быстродействующие камерно-мембранные фильтр-прессы позволяют опровергнуть данное утверждение.
Быстродействующий камерно-мембранный фильтр-пресс – это фильтровальный многосекционный аппарат периодического действия с максимально сокращенными фильтровальными циклами, за счёт увеличения скорости заполнения, фильтрации, прессования, просушки и выгрузки.
Быстродействующие фильтр-прессы меняют парадигму фильтровальной технологии. Фильтр-пресс из аппарата периодического действия превращается в действительно непрерывно действующий фильтр. Такой фильтр-пресс за один час выполняет 5-7 полных фильтровальных циклов, в то время как обычные фильтр-прессы - не более одного.
Увеличить скорости заполнения и фильтрации удалось за счет разделения фильтровального пакета на отдельный независимые секции и изменения одноканальной односторонней схемы подачи суспензии на двухстороннюю многоканальную.
Суспензия подается во внутрь фильтровального пакета через головную, промежуточные и нажимную плиты фильтр-пресса. Такая схема значительно сокращает время заполнения камер, при этом идет более равномерное формирование кека без пустот и линз.
Быстродействующие фильтр-прессы снабжены камерными плитами с отжимными мембранами (диафрагмами). Это позволяет производить операцию прессования осадка. Операция прессования осадка позволяет дополнительно удалить из осадка значительный объем остаточной жидкой фазы.
Сжатие осадка критически сокращает объем пор, тем самым вытесняет часть жидкой фазы, которая при обычных условиях не удаляется даже длительной продувкой. Сократить время прессования осадка позволяет применение современных компактных высоконапорных многоступенчатых насосов.
Длительность операции выгрузки осадка значительно сокращена за счет применения многосекционной пакетной раздвижки фильтровальных плит.
Соответствие фильтр-прессов вакуум-фильтрам по производительности:
- МБ1-250/1500-1У - S=250 м? (30 т/ч) = ДОО80-2,7 «Украина» (26,5 т/ч)
- МБ1-400/2000-1У - S=400 м? (48 т/ч) = ДОО140-3,5У «Горняк» (44,8 т/ч)
- МБ1-500/2000-1У - S=500 м? (60 т/ч) = ДОО160-3,75 (51,2 т/ч)
- МБ1-700/2000-1У - S=700 м? (84 т/ч) = ДОО250-3,75У «Сибирь» (80 т/ч)
Сравнительный анализ энергоэффективности дисковых вакуум-фильтров и быстродействующих фильтр-прессов:
Информации об установленной мощности электроприводов и уровне энергопотребления фильтров будет недостаточно, чтобы проанализировать энергоэффективность и определить какой аппарат экономичнее. К этому необходимо добавить мощность и уровне энергопотребления вспомогательных машин и агрегатов, без которых процесс фильтрации не может осуществляться.
Флотация угля – один из методов обогащения, позволяющий повысить качество добываемого сырья.
Внедрение на шахтах механизированных систем и гидродобычи, связанных с повышением объемов добычи, приводит к увеличению уровня зольности и содержания мелких классов в углях. В результате добываемый уголь не отвечает требованиям по основным качественным показателям: зольности, влажности, теплотворной способности и спекающим свойствам. Устранить данный недостаток позволяет применение процессов обогащения.
«Полезная» часть угля, отвечающая за его свойства как горючего, состоит из углеводорода, кислорода, водорода, азота и серы. Кроме этих соединений добываемое сырье содержит ненужные вредные примеси: фосфор, серу, сланец, гипс, песчаник и другие. Обогащение представляет собой процесс обработки угля, позволяющий отделить «чистый» уголь от ненужных примесей и получить на выходе продукт высокого качества, соответствующий необходимым требованиям.
К основным методам обогащения относятся флотация, гравитация, механическая сепарация. Гравитационные методы и сепарация используются преимущественно при обработке крупнозернистого угля (до 300-600 мм). Кроме того, данные методы не позволяют достичь высоких показателей очистки, требуемых в определенных отраслях промышленности.
Так, при химической переработке угля в жидкое топливо массовая доля золы в используемом сырье не должна превышать 0,5-3%. Достичь таких показателей можно только с помощью флотации.
Флотация – высокоэффективный метод обогащения, применяемый при работе с породами мелкого класса (фракциями, не превышающими 1 мм). Флотация угля осуществляется в водной среде с применением флотореагентов – вспенивателей и собирателей и включает в себя следующие основные этапы:
- мелкие фракции необогащенного угля взмучиваются в воде, в которую предварительно добавили вспениватели;
- образуется большое количество пены;
- примеси оседают на дно, а частицы угля поднимаются вместе с пеной на поверхность воды.
Данный механизм объясняется разностью физико-химических свойств частиц угля и «пустой» породы. Частицы примесей обладают хорошей смачиваемостью (гидрофильностью) и при попадании в воду оседают на дне. Частицы угля не смачиваются (обладают гидрофобностью). Вместе с пузырьками воздуха, пропускаемыми через породу во флотационной машине, они поднимаются на поверхность воды и собираются.
Разберем значение снижения в продуктах флотации вредных примесей на стоимость операций по дальнейшему использованию этих продуктов.
1. Влага при флотации даже после обезвоживания всегда выше, чем в исходном угле и обычно выше, чем в крупных и более зернистых классах концентрата. Увеличение влаги вызывает не только излишние расходы при транспортировке концентратов до места потребления, но и излишние затраты на превращение ее в пар при сжигании или коксовании концентрата (для превращения в пар 1 кг воды расходуется 539 больших калорий).
2. Сера. Учитывая разницу в теплотворной способности кг угля — 8140 больших калорий и кг серы — 2 500 больших калорий, имеем, что присутствие 1% серы понижает теплотворную способность угля на 81,4—25,0 = 56,4 больших калорий, не считая вредного действия соединений серы при сгорании на аппаратуру. Кроме того при выплавке наличие 1% серы вызывает перерасход кокса на 17—20%.
3. Зола. Наличие золы, как и влаги, прежде всего вызывает перерасход при транспортировке. Зола понижает теплотворную способность концентрата. Например, при содержании 1% золы теплотворная способность угля уменьшается на 81,4 больших калорий, не считая затрат на нагревание самой золы, с уменьшением теплопередачи аппаратуре, а при газификации — уменьшения выхода газа на т угля.
При коксовании 1% зольности в коксе увеличивает расход кокса для металлургических целей на 0,67%. Так например, даже при содержании золы в коксе 8% (что обеспечивается содержанием золы в концентрате 5—6%) на 100 т расходуется излишнего кокса 8х0,67 = 5,35 т. При одинаковом расходе кокса в домне уменьшение содержания золы в нем на 1% равноценно увеличению выхода чугуна на 6,4%.