Автоматизация процессов флотации и обезвоживание угольных шламов, их оптимизация

Автоматизация процессов флотации и обезвоживания угольных шламов, их оптимизация

Содержание

Введение. 4

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

Заключение. 55

Список используемых источников. 57

Введение

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.

1. Теоретические аспекты процессов флотации и обезвоживаниЯ угольных шламов

1.1.Понятие и сущность процесса флотации

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.

1.2.Классификация схем флотации

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.

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.

1.3.Особенности современных процессов флотации

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.

2. Анализ существующих процессов флотации

2.1 Обзор технических средств флотации и обезвоживания угольных шламов

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.

2.2 Исследование и обоснование подходов к оптимизации процессов сгущения угольных шламов

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%.

Таким образом, учитывая, что из всех запасов углей в Союзе на долю коксующихся падает примерно только 10%, всякое увеличение этой цифры за счет применения процессов обогащения, и флотации в частности, является настоятельно необходимым.

По данным Фомина; средний % выхода мелочи только класса — 1,0 мм можно принять в 14,5% при средней зольности 13,0, что указывает на огромную роль флотации в получении добавочных 14,5х0,7 = 10% от валовой добычи угля в виде флотационного концентрата с зольностью 4—6%, не считая возможности выделения при этом некоторого количества котельного топлива для местных нужд или для брикетирования.

Считая выжиг кокса в России на 1937/38 г. примерно в 57 800 000 т, можно видеть огромную экономию в народном хозяйстве, если содержание золы в коксе снизится, например, с 12—13% до 7—8%, а серы с 2—1,7% до 1,0-1,1%.

Для флотации углей могут быть использованы различные вспениватели и коллекторы, причем учитывая пригодность для этой цели продуктов перегонки тех же углей, обычно стоимость таких местных реагентов является вполне приемлемой. Расход реагентов колеблется от 0,25 до 2,5 кг/т. В части депрессоров для пирита вопрос следует считать еще недостаточно изученным.

Можно лишь отметить, что влияние обычных депрессоров для рудного пирита — извести и цианида, по опытам автора, мало эффективно для угольного пирита, в виду возможной разницы строения поверхности последнего, по-видимому, загрязненного импрегнированными микроскопическими углистыми частицами.

Для исследования процесса утилизации угольных шламов Кузнецкого бассейна объектами исследования экономически целесообразным было выбрать шламы средней зольности углей марок К (ЦОФ «Березовская») и Г (ОАО шахта «Заречная), так как известно, что увеличение зольности влечет за собой повышение затрат на ее удаление.

Кроме того, в гидроотвалах и отстойниках сосредоточено большое количество тонкодисперсных угольных шламов этих марок, применение которых в качестве исходного сырья для коксования позволит получить высокий экономический и экологический эффекты.

В таблице 2.1. приведена характеристика исходных угольных шламов.

Таблица 2.1 – Технический анализ исходных угольных шламов

Сущность процессов переработки угольных шламов заключалась в их сгущении с последующим обогащением методом масляной агломерации (т.к. другие методы обогащения не приемлемы в виду низкой селективности этих процессов при обогащении из-за тонкодисперсного состояния угольных частиц). Сгущение угольных шламов производилось на экспериментальной установке гравитационного сгущения, представленной на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема установки сгущения

Изначально угольные шламы представляли собой водные суспензии с концентрацией твердой фазы приблизительно 100-150 г/л. Поэтому первоначальным этапом подготовки (перед обогащением) угольных шламов к использованию в технологии коксования являлось их сгущение. Полученная водно-угольная суспензия имела 56-60 мас.% твердой фазы, т.е. с концентрацией около 600 г/л, и далее подвергалась обогащению по методу масляной агломерации.

Сгущенный угольный шлам направлялся на установку обогащения, по своей работе основанной на методе масляной агломерации, для получения глубоко обогащенных угольных концентратов (рисунке 2.3).

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема установки обогащения

1 - пульт управления;

2 - емкость;

3 - мешалка;

4 - преградители для разрушения воронки;

5 –двигатель.

В результате выполненных исследований по обогащению было установлено, что оптимальным связующим реагентом из использованных в данной работе (отработанное машинное масло, поглотительное масло, газойль) является отработанное машинное масло с эксгаустеров коксохимических производств (таблице 2.2).

Расход связующего был определен потребностью для формирования агломерированного концентрата с минимально возможной зольностью и зависел от зольности исходного угольного шлама.

Таблица 2.2 – Обогащение угольного шлама марки К и Г различными реагентами

Обогащенные с помощью этого реагента угольные шламы имели наименьшую по сравнению с другими реагентами зольность (Аа), хороший выход концентрата (82-84 мас.%), более высокий выход летучих веществ (Vdaf) и теплоты сгорания (Qet).

Полученные результаты показали высокую селективность процесса масляной агломерации и возможность получения низкозольного концентрата.

В таблице 2.3 представлены данные экспериментов обогащения угольных шламов (углей марок К и Г).

Таблица 2.3 – Данные экспериментов обогащения угольных шламов

Для коксования зольность (Ad) исходного угля согласно технологическим регламентам не должна превышать 10 мас.%. Увеличение зольности приводит к получению некачественного кокса и отрицательно влияет на технологию коксования в целом.

Из данных приведенных в таблице 2.3. видно: зольность полученных концентратов не превышает 10 мас.%, что говорит о приемлемости полученных угольных концентратов для технологии коксования и энергетики; высокий выход продукта и более низкая зольность концентратов обусловлены полнотой разделения органической и минеральной частей угольных шламов в процессе обогащения масляной агломерации.

Весьма важным было проследить зависимости распределения зольности по фракциям исходного угля и концентрата, перераспределения общей серы через зольность в исходных угольных шламах и концентратах, т.к. она является нежелательной примесью при переработке углей.

При обогащении угольных шламов марок К, Г и их крупности (-1,6 мм; -0,4 мм; -1,0 мм) при расходе связующего реагента (отработанного машинного масла) 15% от массы исходного угля в процессе масляной агломерации были получены низкозольные углемасляные концентраты с выходом 82-84 мас.%.

Зависимость зольности и сернистости исходных углей (марок К и Г) от среднего размера частиц по фракциям представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Зависимость зольности и сернистости исходных угольных шламов (марок К, Г) от среднего размера частиц по фракциям

Зависимость зольности и сернистости концентрата от среднего размера частиц по фракциям представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Зависимость зольности и сернистости концентрата от среднего размера частиц по фракциям

Результаты анализа показали, что промежуточные фракции в угольных шламах обладают наименьшей зольностью и сернистостью. Указанная зависимость сохраняется и в концентратах после обогащения. Данная закономерность распределения минеральной части угля по фракциям обусловлена тем, что при измельчении раздробление угольных частиц происходит по наиболее слабым зонам, между органической и минеральной составляющими угля. Так как размер минеральных частиц очень мал, происходит отделение породных частиц от крупных и средних фракций, переходящих в тонкие.

Снижение зольности концентрата после обогащения исходного угля объясняется более глубоким разделением органической части угля от породной (благодаря разным их взаимодействием с маслом), вследствие чего, уменьшается содержание высокозольных частиц.

Снижение общего содержания серы объясняется тем, что сера, содержащаяся в угле, находится в виде пирита (FeS2), имеющего значительно более высокую плотность по сравнению с углем, вследствие чего, в процессе масляной агломерации угля происходит более полное отделение пиритной серы, уходящей в отходы.

Для выполнения основных исследований и возможности получения приемлемого концентрата для коксования из отходов обогащения углей коксующихся марок, был выбран угольный шлам марки К с ЦОФ «Березовская». Требуемые качественные показатели шихты для коксования и полученного угольного концентрата отражены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Качественные показатели шихты и угольного концентрата

Определение индекса свободного вспучивания выполняли по ГОСТ 30313-95.

Индекс свободного вспучивания равен 5 единицам, показывающий, что полученный угольный концентрат пригоден для технологии коксования.

Полученный концентрат из угольного шлама угля марки К, отвечающий требованиям технологических регламентов производства кокса, необходимо исследовать на возможность применения его в технологии коксования.

Наиболее точную информацию о пригодности углемасляного концентрата в технологии коксования можно получить, приготовив из него или при помощи него прочный кокс.

Коксование угольного концентрата осуществлялось путем применения ГОСТированной методики - технического анализа углей.

Согласно методике, при определении выхода летучих веществ, образуется коксовый королек, по свойствам которого можно сделать вывод о качестве кокса.

Для определения прочности королька применялась методика определения механической прочности гранул. Анализ осуществлялся на чашечных весах.

На одну чашку помещались гранулы, на другую гири. Надавливали на гранулу какой либо пластиной до ее растрескивания.

По показаниям стрелки весов замеряли нагрузку на гранулу и делили ее на поперечное сечение гранулы.

В таблице 2.7 приведены данные испытаний на прочность коксовых корольков из обогащенного угольного концентрата и его смесей согласно состава производственных и аварийных шихт на коксохимических заводах. Угли марок Г и Ж соответствовали требованиям к углям идущим на коксование.?

Таблица 2.7 – Данные испытания на прочность в статических условиях коксовых корольков

Максимальной прочностью в смеси обладал королек ОУК + Г + Ж с соотношением ОУК = 50 мас.%, Г = 25 мас.% и Ж = 25 мас.%. Полученные данные показывают эффективность применения угольного концентрата для процесса коксования и возможность применения масляной агломерации с целью получения ценного коксохимического сырья хорошего качества и соответственно получения качественного кокса.

3. Оптимизация автоматизации процессов флотации и обезвоживание угольных шламов

3.1 Разработка рекомендаций по оптимизации процессов флотации и обезвоживание угольных шламов

За последние годы требования рынка и методы добычи угля изменились. Сегодняшний рынок требует уголь лучшего качества, с меньшим со-держанием золы, влаги и серы.

На протяжении многих лет традиционный метод обогащения мелкого угля заключался в использовании спиральных (винтовых) сепараторов совместно с пенной флотацией, но этот метод обычно производил продукты с высоким содержанием золы и влаги. Стоимость строительства флотационной линии с большим фильтрационным цехом для обезвоживания мокрого концентрата очень высока. При этом эксплуатационные затраты флотации из-за больших затрат на электроэнергию и использование реагентов достаточно высоки.

Чтобы снизить эксплуатационные и капитальные затраты флотации, при этом получить выход низкозольного и сухого угольного концентрата, используют винтовые сепараторы и агрегаты типа гидросайзер, вместе с гидроциклонами, вибрационным дуговым ситом и центрифугой.

Гидросайзер используют для обогащения мелкого угля размером 0,15 мм - 3 мм из шахт, отвалов, терриконов; обогащения мелкого угля размером 0,15 мм - 5 мм (в две стадии); разделения песков крупностью менее 5 мм; удаления пиритов из угля крупностью менее 2 мм; удаления лигнита (торфа) из песка; удаления тяжелых примесей из песка; обогащения руд, включая олово, свинец, цинк и другие. В настоящее время, гидросайзер широко используется при обогащении шламов от 100 микрон до 1 мм. Если класс шире, допустим от 100 микрон до 3 мм, необходимо просто установить два гидросайзера: первый для класса 1 - 3 мм, и второй для класса 1 мм - 100 микрон. На самом деле, гидросайзеры успешно работают с углем крупности до 5мм.

Гидросайзер (Рис. 3.1) представляет собой сепаратор с принудительным осаждением, состоящий из цилиндрической камеры для стока воды с параллельными стенками.

Рисунок 3.1 – Гидросайзер

В установке используется восходящий поток воды, создающий взвешенный слой в емкости. Восходящий поток воды вводится под постоянным давлением и заданной скорости потока в камеру давления, откуда он равномерно распределяется в основание гидросайзера через распределительную пластину. Восходящий поток воды подается отдельным насосом из бака с постоянной подпиткой воды. Для достижения требуемого значения скорости восходящего потока при запуске установки предусмотрена система клапанов регулировки потока вместе с расходомерами.

Через верхнюю часть в гидросепаратор непрерывно загружается исходный уголь в виде пульпы, с содержанием 40...60 % твердой фазы по массе. Оптимальное содержание твердой фракции - 600 г/л (50 %) - достигается за счет обработки исходного материала в гидроциклоне. По мере попадания частиц в восходящий поток воды происходит их разделение. Твердая фаза в гидросайзере разделяется таким образом, что более крупные (или тяжелые) частицы концентрируются в нижней части сепаратора, а тонкодисперсные (легкие) частицы - в верхней части. Таким образом, взвешенный слой образуется на подложке из тяжелых фракций, которая поддерживает слой более легкой фракции - угля. Вновь поданные порции исходного материала вытесняют мелкую и легкую фракции угля через слив гидросепаратора в сливной желоб [1].

Плотность взвешенного слоя поддерживается регулируемым сбросом избытка материала через разгрузочные клапана гидросепаратора. Крупные (тяжелые) частицы удаляются через клапана, которые управляются системой автоматического регулирования. Для бесперебойной работы гидросепаратора необходимо поддерживать постоянную подачу восходящего потока воды при постоянном давлении.

Достоинством гидросайзеров является простота устройства, возможность обогащения углей по низкой плотности разделения менее 1500 кг/м3; возможность автоматического регулирования плотности разделения; относительно высокая удельная производительность.

Недостатком гидросайзеров является низкая эффективность обогащения углей трудной обогатимости; потребность в чистой оборотной воде для обеспечения процесса обогащения; узкий класс крупности частиц эффективно обогащаемых в одном аппарате.

Погрешность Epm работы гидросайзеров составляет 70-150 кг/м3 при плотностях разделения 1350-2000 кг/м³.

Винтовые сепараторы это аппараты работающие по принципу разделения материала в безнапорном наклонном потоке малой глубины[2].

На винтовых сепараторах обогащают угольный шлам крупностью 0,074 — 3,0 мм, при содержании твёрдого в пульпе 370-440 г/л и нагрузке по твёрдому 2-2,5 т/ч. Лучше всего в винтовых сепараторах обогащается материал крупностью 0,1-1,5 мм. Обогащение материала крупностью 0,074 -0,1мм происходит хуже. Винтовой сепаратор, основанный на разделении материала по плотности в водной среде, лучше работает на узко классифицированном материале [2].

В винтовых сепараторах [3] имеется неподвижный наклонный гладкий желоб, выполненный в виде спирали с вертикальной осью. Пульпа загружается в верхнюю часть желоба и под действием силы тяжести стекает вниз в виде тонкого, разной глубины по сечению желоба потока. При движении в потоке кроме обычных гравитационных и гидродинамических сил, действующих на зёрна, развиваются центробежные силы. Тяжёлые минералы концентрируются у внутренней границы желоба, а лёгкие — у внешней. Желоб винтовых сепараторов в поперечном срезе представляет собой 1/4 окружности или вытянутого эллипса. На конце желоба находится разделяющие ножи, которые делят поток на две части, содержащие разные продукты. Внешний вид винтового сепаратора приведён на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Винтовой сепаратор

Достоинством винтовых сепараторов являются низкие капитальные и эксплуатационные затраты; простота устройства; малая занимаемая площадь; отсутствие движущихся деталей и привода; возможно колебание содержания твёрдого в питании (250-450 кг/м³);

Недостатком винтовых сепараторов являются ограниченный диапазон плотности разделения 1550-2000 кг/м³; низкая эффективность обогащения частиц крупностью менее 0,15 мм; относительно невысокая удельная производительность на единицу занимаемой площади по питанию - до 9 т/ч на одну трёхзаходную спираль.

Погрешность разделения Epm = 100-250 кг/м³.

Вывод: наиболее эффективным в работе по обогащению крупнозернистого угольного шлама является Гидросайзер. Он позволяет получать концентрат с низкой зольностью. Гидросайзер имеет наиболее низкую погрешность разделения Ep, по сравнению с другими процессами, а так же позволяет изменять плотность разделения от 1,40 до 2,00.

Для выявления эффективности стабилизационной обработки очищенной технической воды шламовых вод электрическим полем был проведен ряд экспериментов. Эксперименты проводились на исходной шламовой воде, имеющей следующие характеристики: рН=8,12; жесткость 3,44 ммоль/дм³; взвешенные вещества 80,1 мг/дм³; ХПК=19,38 мгО²/дм³ и др.

Обработка шламовой воды электрическим полем осуществлялась в герметичной ячейке, в которой встроены металлический катод, графитовый анод и штуцера для входа и выхода воды (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Схема лабораторной установки стабилизационной обработки шламовой воды электрическим полем:

1 - термостат; 2 - исследуемая вода; 3,11 - штуцера для подачи и отвода воды соответственно; 4 - насос; 5 - вентиль; 6 - аппарат для обработки шламовой воды электрическим полем; 7 - источник постоянного тока; 8 - нагревательная ячейка; 9 - нагревательный элемент; 10,12 - термометры; 13 - U-образная трубка для охлаждающей воды

Обработка шламовой воды электрическим полем осуществлялась в цилиндрической ячейке с соотношением площадей поверхностей катода и анода равном 2:1. Плотности катодного и анодного токов варьировались от 3,5 до 14 А/м2 и от 7 до 28 А/м² соответственно.

На катод и анод подавался электрический ток от источника постоянного тока. Таким образом, между анодом и катодом создавалось постоянное электрическое поле.

Исследуемая шламовая вода, проходя между анодом и катодом, подвергалась действию электрического поля, в результате чего частицы накипеобразователей, присутствующие в воде, приобретали положительный заряд, перемещались к металлическому катоду и осаждались на его поверхности в виде слоя накипи.

Количество накипи, выделившейся на поверхности нагревательного элемента, определялось гравиметрическим методом.

Исследования проводились в замкнутом режиме работы установки, т.е. без подпитки системы свежей шламовой водой. Обработка шламовой воды электрическим полем осуществлялась при разных значениях плотностей тока на катодах и анодах. Для того, чтобы возможно было узнать противонакипный эффект обработки шламовой воды электрическим полем сначала был проведен контрольный опыт, в ходе которого определялась динамика отложения накипи на нагревательном элементе в условиях отсутствия электрического поля. Эксперименты проводились на шламовой воде ОАО ЦОФ «Березовская». Условия проведения экспериментов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Условия проведения экспериментов

Для выявления эффективности стабилизационной обработки очищенной технической воды шламовых вод электрическим полем был проведен ряд экспериментов. Эксперименты проводились на исходной шламовой воде, имеющей следующие характеристики: рН=8,12; жесткость 3,44 ммоль/дм³; взвешенные вещества 80, 1 мг/дм³; ХПК=19,38 мгО²/дм³ и др. Вода подвергалась обработке при различных значениях плотностей тока. Полученные значения противонакипного эффекта обработки воды электрическим полем представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Противонакипные эффекты обработки очищенных шламовых вод электрическим полем

Из таблице 3.2 видно, что при повышении плотности тока на аноде и катоде происходит увеличение противонакипного эффекта обработки технической воды электрическим полем. При этом, достигаемый противонакипный эффект, позволяет обеспечить надежную защищенность водогрейного оборудования от накипи.

Рассмотренные способы обработки шламовых вод позволяют вернуть их в технологический цикл производства. Кроме того, существует возможность использовать очищенные шламовые воды для обеспечения предприятий угольной отрасли теплом и горячей водой.

3.2 Обоснование подходов к оптимизации процессов сгущения угольных шламов

Высокий уровень техногенных воздействий на окружающую среду в регионах с повышенной концентрацией угольной промышленности, таких как Кузбасс, обуславливает необходимость решения экологических проблем. Тенденция к снижению качества добываемых углей при одновременном повышении требований к качеству угольного концентрата расширяет объемы переработки рядовых углей, усложняет технологию углеобогащения и приводит к увеличению выбросов угля за пределы фабрик. В связи с этим обостряются проблемы рационального использования природных ресурсов и отрицательного воздействия углеобогатительных фабрик на природную среду [2].

Особого внимания заслуживает проблема переработки угольных шла­мов, которые являются не только одним из основных источников потерь ор­ганической части угля, но и загрязняют при этом окружающую среду. При­меняемые на фабриках технологии регенерации шламовой воды могут вызы­вать ряд негативных экологических последствий по следующим причинам:

-   на ряде фабрик, обогащающих коксующиеся угли, из-за недостаточной эффективности процесса флотации высокодисперсные и крупные угольные частицы часто теряются с отходами флотации и складируются в гидроотвалах, занимающих значительные площади земельных угодий;

-   при обогащении энергетических углей необогащенные, высокозоль­ные угольные шламы низкого качества накапливаются в шламовых отстойни­ках и илонакопителях, загрязняя окружающую среду;

-   в результате в наружных отстойниках угольных предприятий  скопились десятки млн. тонн шламов, из которых после обогащения можно получить сравнительно дешевое твердое топливо [2].

В настоящее время построены и успешно работают десятки современных обогатительных фабрик с глубиной обогащения угля до нуля, на которых возможна переработка шламов с отстойников.

Таким образом, вполне очевидна необходимость исследования возможности эффективного обогащения угольных шламов методом флотации на действующих обогатительных фабриках, что позволило бы решить следую­щие задачи:

- обеспечить получение качественного угольного концентрата из шла­мов коксующихся углей;

- снизить глубину обогащения энергетических углей и тем самым рас­ширить сырьевую базу углей для энергетики;

- включить в переработку и использовать огромные запасы угольных шламов, захороненных в гидроотвалах и илонакопителях, и тем самым сни­зить загрязнение окружающей среды за счет освобождения земельных пло­щадей, занятых накопителями угольных шламов.

Исследование возможности решения указанных выше задач проведено на представительных пробах углей различных марок из шламовых отстойников, в каждом из которых находятся десятки и сотни тысяч тонн угольных шламов. Гранулометрический состав четырех проб угольных шламов показан в таблице 3.3.

Необходимо отметить высокое содержание в пробах тонких шламов менее 0,05 мм, а также присутствие в небольших количествах высокозольных частиц крупнее 0,5 мм, которые перед проведением флотационных исследований были отсеяны.

Таблица 3.3 – Гранулометрический состав четырех проб угольных шламов

Флотационные опыты проводились с использованием применяемого на углеобогатительных фабриках Кузбасса комплексного реагента собирателя КРС, поставляемого на фабрики ООО «Завод химреагентов» г. Кемерово.

Эффективность флотации шламов оценивались в каждом опыте по следующим показателям: выход у и зольность Adконцентрата и отходов флотации; селективность процесса флотации Ксел.

В таблице 3.4 приведены результаты флотации шламов углей марок «Г», «КС», «КО» и «ОС» при оптимальном расходе реагента, обеспечивающем максимальную селективность процесса. По результатам проведенных иссле­дований установлено, что угольные шламы всех марок обладают неплохой флотируемостью и разделяются на концентрат и отходы с удовлетворитель­ной селективностью при сравнительно небольшом расходе реагентов.

Таблица 3.4 – Результаты флотации шламов марок «Г», «КС», «КО» и «ОС»

Таким образом, флотационное обогащение угольных шламов с от­стойников на действующих обогатительных фабриках с получением каче­ственного товарного продукта экономически целесообразно и позволяет ре­шить проблемы ресурсосбережения и защиты окружающей среды.

Из угольных шламов в зависимости от марки исходного угля можно получать следующие продукты:

1) из органической части - концентрат для сжигания (виды котельного топлива), кокс, полукокс, сорбенты и т.д.;

2) из минеральной части - редкие рассеянные элементы, магнетит, строительные материалы и т.д.

Отделенную от шламов воду можно вернуть в производственный цикл обратно.

Предлагается следующая принципиальная технологическая схема утилизации угольных шламов (рисунке 3.4).

Рисунок 3.4 – Принципиальная технологическая схема процесса утилизации угольных шламов

Согласно предлагаемой схеме - первоначальным этапом утилизации угольных шламов является отделение угольной составляющей от жидкой фазы путем сгущения в поле центробежных сил.

В результате получаются два полупродукта - сгущенный угольный шлам, представляющий собой суспензию с содержанием твердой фазы 60-75 мас.%, и техническая вода.

Отделенный угольный шлам перерабатывается в зависимости от дальнейшего применения (ВУТ, сырье для коксования, полукоксования, твердые энергетические топлива и т.д.). При необходимости его можно обогатить методом масляной агломерации, так как крупность частиц угольного шлама (менее 500 мкм) не позволяет это сделать другими методами. Хвосты обогащения могут использоваться в технологиях извлечения ценных элементов, строительных материалов и т.п.

Техническая вода проходит стадии отстаивания, отделения от остатков твердой фазы флотацией и очищения химическими методами. После этого в воде устанавливается определенная концентрация веществ органического происхождения - флотационных реагентов и флокулянтов.

Многократная циркуляция технической воды и ее контактирование с углем приводят к поглощению твердой фазой избытка флокулянтов и флотореагентов. Таким образом, происходит очищение технической воды от флокулянтов и флотореагентов. Глубокая очистка оборотной воды от флокулянтов и флотореагентов может производиться сорбционным методом с помощью активного угля.

Кроме взвешенных нерастворимых веществ в оборотных водах угольных предприятий велико содержание растворимых веществ. Снизить содержание растворимых веществ можно методами химической или физико-химической водоподготовки. Осадок, выделяемый на различных стадиях водоподготовки, также можно использовать в технологиях извлечения ценных элементов и строительных материалов.

Воду, очищенную от нерастворимых, растворимых солей и флотореагентов, согласно данной схеме, можно использовать в котельных установках или для других производственных нужд.

В результате промышленной реализации этой или подобной этой технологических схем утилизации угольных шламов угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, будут найдены и внедрены новые направления применения технологий обогащения сырья и угольной продукции из которых могут быть получены не только ценные угольные концентраты, но и извлечены редкие и ценные элементы, значительно превосходящие по стоимости добываемые угли. Соответственно - повысится конкурентоспособность угольной продукции на рынке сбыта.

В данной работе на основе разработки технологических процессов утилизации угольных шламов содержится решение задачи переработки угольных отходов Кузнецкого бассейна, имеющей существенное значение для рационального использования природных ресурсов, вторичного сырья и улучшения экологической обстановки региона.

Заключение

На большинстве фабрик скапливается угольный шлам, крупные сгущенные составляющие которого отправляются на отсадочные машины, шламовые грохота и другие устройства, а мелкий требует флотации.

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, контакт Петрова, керосино -газойливая фракция). Реагенты других типов применяются значительно реже. Тем не менее применение при флотации углей сополимеров винилпиридина с алкилсульфоксидами позволяет улучшить показатели процесса при одновременном снижении расхода реагентов.

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.

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.

Таким образом, вполне очевидна необходимость исследования возможности эффективного обогащения угольных шламов методом флотации на действующих обогатительных фабриках, что позволило бы решить следую­щие задачи:

- обеспечить получение качественного угольного концентрата из шла­мов коксующихся углей;

- снизить глубину обогащения энергетических углей и тем самым рас­ширить сырьевую базу углей для энергетики;

- включить в переработку и использовать огромные запасы угольных шламов, захороненных в гидроотвалах и илонакопителях, и тем самым сни­зить загрязнение окружающей среды за счет освобождения земельных пло­щадей, занятых накопителями угольных шламов.

Список используемых источников

1. Абрамов А. А. Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых : учебник для вузов: в 3 т. / А. А. Абрамов. - 2-е изд., стер. - Москва : МГГУ. - 2004. - (Высшее горное образование)

2. Абрамов Н. П., Байдаков Л. А., Страхов Л. П. Исследование состояния воды в некоторых дисперсных системах методом ЯМР // Коллоидный журнал. - 1974. - № 1. - С. 22-26.

3. Авдохин В. М. Основы обогащения полезных ископаемых : учебник для вузов: в 2 т. / В. М. Авдохин ; рец. Г. Д. Краснов. - Москва : Издательство МГГУ. - 2006.

4. Автоматизация производства на углеобогатительных фабриках / Л. Г. Мелькумов, В. А. Ульшин, М. А. Бастунский [и др.] ; рец. В. З. Козин. - Москва : Недра, 1983. - 296 с.

5. Базанова Н. М. Опробование и контроль процессов обогащения : учебное пособие для техникумов / Н. М. Базанова, А. В. Курочкина. - Москва: Недра, 1983. - 102 с.

6. Бейлин М. И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей. - М.: Недра, 1969. - 240 с.

7. Винтовой сепаратор [Электронный ресурс] // Википедия — свободная энциклопедия. URL: https://ш.wikipedia.org/wiki/Винтовой сепаратор.

8. Автоматизация управления обогатительными фабриками / Б. Д. Кошарский, А. Я. Ситковский, А. В. Красномовец [и др.] ; ред.: Б. Д. Кошарский, А. Я. Ситковский. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Недра, 1977. - 528 с.

9. Волотковский С. А. Автоматизация производственных процессов на обогатительных фабриках : учебное пособие для вузов / С. А. Волотковский, В. А. Бунько ; рец. М. А. Бастунский. - Москва : Недра, 1964. - 282 с.

10.  Еремеев Д. Н. Обезвоживание сгущенных тонкодисперсных угольных шламов с применением органических полимеров / Д. Н. Еремеев. - Текст : непосредственный // Вода: Химия и экология. - 2012. - № 7. - С. 23-29.

11. Жбырь Е.В. Разработка технологии комплексной переработки шламовых вод, повышающей экологическую безопасность предприятий угольной отрасли / Е.В. Жбырь, А.В. Папин, А.В. Неведров // Проблемы геологии и освоения недр: Труды X Международного симпозиума им. акад. М.А.Усова студ. и молодых ученых. Томск, 2007. - Т. III. - С. 112-113.

12. Жбырь Е.В. Технология комплексной переработки шламовых вод повышающая экологическую безопасность предприятий угольной отрасли / Е.В.Жбырь, А.В. Папин, А.В. Неведров // Энергия молодых - экономике России: Труды VII Междунар. науч.-практ. конф. Томск, 2006. - С. 571-572.

13. Жбырь Е.В. Технико-экономическое обоснование переработки угольных шламов в сырье для коксования / Е.В. Жбырь, А.В. Папин, А.В. Неведров // «Уголь». Москва, 2008. - № 9. - С. 62.

14.  Изучение влияния тонкодисперсных угольных шламов на их флотируемость / В. Н. Петухов, Н. Ю. Свечникова, О. В. Куклина, С. В. Юдина. - Текст : непосредственный // Кокс и химия. - 2020. - № 5. - С. 39-44.

15.  Каминский В. С. и др. Пути интенсификации обезвоживания мелкого угля и очистки шламовых вод / Проблемы обогащения твердых горючих ископаемых. Труды ИОТТ, т. 2, вып. 2. - М., 1973. - С. 3-25.

16.  Клейн, М. С. Повышение технологической и экологической эффективности очистки шламовых вод углеобогащения / М.С. Клейн, Т.Е. Вахонина // Вестник КузГТУ.- 2014. - № 3.- С. 125-127.

17.  Кирнарский, А. С. Водно-шламовый комплекс углеобогатительных фабрик Германии / А. С. Кирнарский. - Текст : непосредственный // Уголь. - 2012. - № 1. - С. 56-58.

18.  Козин В. З. Автоматизация производственных процессов на обогатительных фабриках : учебник для вузов / В. З. Козин, А. Е. Троп, А. Я. Комаров ; рец. А. С. Руппо. - Москва : Недра, 1980. - 334 с.

19.  Козин В. З. Контроль технологических процессов обогащения : учебник для вузов / В. З. Козин ; Урал. гос. горный ун-т. - 4-е изд., стер. - Екатеринбург : Издательство УГГУ, 2010. - 302 с.

20.  Козин В. З. Опробование, контроль и автоматизация обогатительных процессов : учебник для вузов / В. З. Козин, О. Н. Тихонов. - Москва : Недра, 1990. - 343 с.

21.  Кожонов А. К. Выявление возможных причин проблем при обезвоживании продуктов флотационного обогащения / А. К. Кожонов, М. С. Молмакова, Н. П. Дуйшонбаев. - Текст : непосредственный // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. - 2018. - № 3. - С. 17-22.

22.  Клейн, М. С. Проблемы экологии и ресурсосбережения при очистке шламовых вод углепереработки / М. С. Клейн, Т. Е. Алешкина // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2005. - № 2. - С. 114-117.

23.  Лейчкис И. М. Фильтрование с применением вспомогательных веществ. - Л.: Техника, 1975. - 192 с.

24.  Обезвоживание продуктов обогащения полезных ископаемых: Учебное пособие / В. Г. Науменко, В. Г. Самойлик, Н. А. Звягинцева, Е. А. Назимко. - Текст : непосредственный // ГОУВПО «ДОННТУ». - Донецк, 2019.

25. Оценка возможности эффективного обогащения угольных шламов с отстойников методом флотации / А. Д. Орлова, Л. С. Васильев, Т. Е. Вахонина, М. С. Клейн. - Текст : непосредственный // XII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых "Россия молодая" 21-24 апреля 2020 г. - С. 1-3.

26.  Петухов В. Н. Исследование влияния флокулянтов на показатели флотации угольной мелочи и разработка реагентного режима / В. Н. Петухов, В. В. Субботин. - Текст : непосредственный // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2013. - № 2. - С. 30-33.

27.  Петухов, В. Н. Разработка технологического режима флотации сфлокулированных угольных зерен, обеспечивающего высокую эффективность обогащения углей / В. Н. Петухов, В. В. Субботин, В. С. Фролов. - Текст : непосредственный // Кокс и химия. - 2013. - № 10.- С. 37-41.

28.  Поиск эффективных композиционных реагентов для флотации углей на основе показателей квантово-химических межмолекулярных комплексов "ОМУ-вода" и "ОМУ-реагент" / В. Н. Петухов [и др.]. - Текст : непосредственный // Кокс и химия. - 2018. - № 2. - С. 39-46.

29.  Решетов В.В. Обогащение на винтовых сепараторах. [Электронныйресурс] URL: http: //masters .donntu. org/2008/fema/kutsenko/library/stat2. Htm.

30.  Решетов В.В. Модульный агрегат для переработки угольной мелочи с гидросайзером фирмы "STOKES" [Электронный ресурс]. URL: http: //masters .donntu.org/2003/fema/reshetov/library/index3 .htm.

31. Солодов Г.А. Технология переработки угольных шламов в зависимости от исходных углей / Г.А. Солодов, А.В. Неведров, А.В. Папин, Е.В. Жбырь // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды междунар. научн.- практ. конф. - Кемерово: ИУУ СО РАН, КузГТУ, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», 2007. - 150 с.

32. Солодов Г.А. Технология переработки отходов угольной отрасли в сырье для коксования и энергетики / Г. А. Солодов, А.В. Папин, А.В. Неведров, Е.В. Жбырь // Химия ХХ1 век: новые технологии, новые продукты: доклады Х1 междунар. Научн.-практ. конф. ГУ КузГТУ. - Кемерово, 2008. - 350 с.

33.  Справочник по обогащению углей: справочное издание / ред.: И. С. Благов, А. М. Коткин, Л. С. Зарубин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Недра, 1984. - 614 с.

34.  Стальский В. В. Автоматизация управления процессами обезвоживания на обогатительных фабриках / В. В. Стальский. - Москва: Недра, 1977. - 200 с.

35.  Шевченко, А. И. Интенсификация разделения по крупности и обезвоживания угольных шламов при виброударном грохочении / А. И. Шевченко. - Текст : непосредственный // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2016. - № 2. - С. 100-105.