CC BY
127
© М.С. Клейн, А.А. Байченко, Е.В. Почевалова, 2002
УДК 622.765.063
М.С. Клейн, А.А. Байченко, Е.В. Почевалова
ОБОГАЩЕНИЕ И ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ТОНКИХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА МАСЛЯНОЙ ГРАНУЛЯЦИИ
I роблема селективного из-I влечения мелких угольных и
I глинистых частиц из шламовых вод и своевременного удаления их из технологического процесса весьма актуальна для большинства углеобогатительных фабрик, поскольку решение ее предотвращает накопление высокозольных шламовых частиц в оборотной воде, что положительно сказывается на эффективности всех технологических операций водно-шламовой схемы.
Указанная проблема заметно обострилась на ряде углеобогатительных фабрик в связи с ухудшением качества рядовых углей и с внедрением спиральных сепараторов для обогащения крупнозернистого шлама. В результате этого изменились характеристики шламовой воды, поступающей на флотацию: резко возросло содержание в ней тонкодисперсных угольных и породных частиц, а плотность пульпы снизилась до 50-80 г/л. Флотация таких пульп в механических флото-машинах, не обеспечивающих достаточную аэрацию пульпы мелкими пузырьками воздуха, требует значительного увеличения фронта флотации при повышенных расходах реагентов. Кроме того, ухудшаются показатели процесса обезвоживания флотоконцентрата на вакуум-фильтрах из-за снижения его плотности до 160-200 г/л и повышенного содержания мелких частиц.
Одним из путей повышения эффективности обогащения и обезвоживания угольных шламов является использование метода масляной грануляции. Масляная грануляция угольных шламов достаточно известна в теории и практике углеобогащения [1-4] и обычно используется как самостоятельный процесс обогащения мелкого угля [5]. Процесс масляной грануляции угольных
шламов основан на различной смачиваемости маслом угольных и породных частиц в воде и способности аполярных жидкостей образовывать в суспензии углемасляные комплексы за счет гидрофобной агрегации. На способность углеводородов формировать агрегаты из омасленных частиц указывал Годэн [6].
Механизм образования в воде агрегатов из мелких гидрофобных частиц в присутствии диспергированных капелек углеводородного масла может быть следующим. Углеводородные масла закрепляются на поверхности гидрофобных угольных частиц за счет избирательной смачиваемости с образованием краевого угла больше 90°. В этом случае на угольную частицу, закрепившуюся на границе вода-масло, согласно уравнению равновесия поверхностных сил, действующих на трехфазной границе, будут действовать силы, направленные внутрь масляной фазы [7]. Поэтому мелкие угольные частицы при столкновении с крупными капельками масла затягиваются внутрь капли масла с образованием углемасляных агрегатов. Следовательно, крупные капли масла являются центрами грануло-образования для мелких частиц.
В случае мелких капелек масла они налипают на относительно более крупные частицы и при контакте последних через слой масла образуют агрегаты частиц. При этом масляная пленка между частицами способствует быстрому и прочному их слипанию за счет дополнительных сил, возникающих при вогнутом мениске масла и обусловленных дефектом давления в масляной пленке.
Для осуществления процесса масляной грануляции угольных шламов необходимо интенсивное перемешивание пульпы, чтобы мел-
кие угольные частицы могли многократно сталкиваться с каплями масла и между собой, образуя в результате этих столкновений углемасляные комплексы, которые, постепенно уплотняясь, преобразуются в гранулы. При недостаточной интенсивности перемешивания пульпы скорость движения твердых частиц и капель масла низкая, поэтому запаса кинетической энергии мельчайших частиц не хватает для разрушения гидратной прослойки, препятствующей образованию агрегатов. Частицы и капли при встречном движении обтекают друг друга, что приводит к резкому сокращению количества результативных столкновений.
Широкому распространению масляной грануляции, как одного из методов переработки угольных шламов, препятствует высокий расход масляных связующих, необходимый для образования крупных и прочных гранул, которые затем селективно отделяются от минеральной пульпы через просеивающую поверхность [8]. В работах [9, 10] приведены данные по использованию масляной грануляции для обогащения высокозольных угольных шламов, где расход масляных связующих снижен до 5-10 кг/т, что, тем не менее, в несколько раз превосходит расход аполярных реагентов при флотации угля. При существующих ценах на нефтепродукты такой расход углеводородных связующих существенно ограничивает возможности использования этого эффективного метода обогащения угольных шламов.
В данной работе показана возможность применения метода масляной грануляции при низком расходе аполярного реагента для селективной агрегации мелких угольных частиц перед флотацией в разбавленных пульпах. Это позволяет заметно увеличить скорость флотации мелких угольных частиц и повысить содержание твердого в пенном продукте, что существенно улучшает условия и показатели обезвоживания флотоконцентрата.
В табл. 1 приведены результаты опытов с предварительной агрегацией угольных частиц перед
флотации мелких (0,1 мм) частиц угля.
Основная сложность при проведении селективной агрегации тонких угольных шламов перед флотацией по сравнению с обычной масляной грануляцией шламов связана с меньшей концентрацией угольных частиц в суспензии и небольшим расходом масляного реагента. В таких условиях резко сокращается количество столкновений твердых частиц с каплями масла, необходимых для образования углемасляных агрегатов.
В разбавленных пульпах для Таблица 2 повышения вероятности столкнове-
гранулометрический состав отходов флотации ний и эффективности захвата при
агрегации мелких угольных частиц капельками масла требуется более высокая степень турбулентности суспензии. Данные о влиянии скорости перемешивания пульпы в процессе масляной грануляции на результаты последующих флотации шламов (уголь марки ОС) и фильт-
Влияние скорости перемешивания Vф на процессы грануляции, флотации и фильтрации.
Классы крупности, мм Номер опыта
1 2 3
7, % А°, % 7, % А°, % 7, % А°, %
+ 0,2 7,4 10,8 6,1 32,9 4,1 34,0
0,1 - 0,2 22,1 14,8 15,7 33,1 6,1 34,8
- 0,1 70,5 35,9 78,2 59,2 89,8 62,9
Всего 100,0 29,4 100,0 53,5 100,0 60,0
Таблица 3
Таблица 1
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛЯЦИИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ФЛОТАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ (МАРКА ГЖ)
№ Расход, кг/т їгр, tфл, Продукты 7, % А°, % С 1_ О
оп. ТГ КОБС мин мин
1 2,5 0,06 7,0 К-т Отходы питание 62,7 37,3 100,0 6,9 29,4 15,3 241 47 94
2 2,5 0,06 3 3,1 К-т Отходы питание 81,0 19.0 100.0 6.3 53,5 15.3 263 23 94
3 2,5 0,06 5 2,5 К-т Отходы питание 83.0 17.0 100.0 6,3 60,0 15,4 295 20 94
№ Vгр, Флотация Фильтрация
оп м/с 1фл, МИН Пр-ты у, % Аа,% Пр-ты у, % Wо, % /л 1_ 4 О дф, кг/(м2 ч)
1 - 5,7 к-т 92,18 6,56 Осадок 48,84 34,6 - 641
отх. 7,82 55,6 фильрат 42,30 - 56,5 -
Исх. 100,0 11,06 к-т 92,18 - 231,7 -
2 3,7 2,5 к-т 92,81 6,57 Осадок 40,17 30,7 - 1248
отх. 7,19 69,79 фильт-т 52,64 - 46,0 -
Исх. 100,0 11,06 к-т 92,81 - 254,0 -
3 5,5 2,2 к-т 93,06 6,37 Осадок 58,48 27,5 - 1016
отх. 6,94 75,48 фильт-т 34,58 - 35,3 -
Исх. 100,0 11,06 к-т 93,06 - 283,5 -
4 9,6 2,4 к-т 93,71 6,79 Осадок 58,58 26,1 - 1364
отх. 6,29 76,78 фильт-т 35,13 - 33,7 -
Исх. 100,0 11,06 к-т 93,71 - 298,6 -
флотацией и без нее. Для исследований использовали угольные шла-мы марок ОС и ГЖ, содержащие более 60 % частиц менее 50 мкм, поступающие на флотацию ЦОФ «Сибирь». Масляная грануляция проводилась в цилиндрической камере с двумя отражательными перегородками при окружной скорости вращения турбинной мешалки 5,5 м/с, а флотация - в механической флотомашине с объемом камеры 1 л. В качестве масляного реагента использовали термогазойль (ТГ), а в качестве вспенивателя - КОБС.
За счет предварительной грануляции тонких угольных шламов (оп.
2 и 3, табл. 1) заметно сократилось время флотации Ъфп и выросли как выход флотоконцентрата, так и содержание Ст в нем твердых частиц. С увеличением продолжительности процесса грануляции 1гр с 3 до 5 мин. улучшились все показатели флотации шламов.
Процесс агрегации мелких угольных частиц протекает достаточно селективно, о чем свидетельствует гранулометрический состав отходов флотации (табл. 2): сокращаются потери крупных (+0,2 мм) угольных частиц с отходами и повышается выход и избирательность
рации флотоконцентрата приведены в табл. 3. Заметное улучшение показателей флотации достигается при окружной скорости вращения мешалки более 5 м/с: зольность отходов повышается на 20 %, а время флотации сокращается почти в три раза. При такой скорости перемешивания пульпы обеспечивается эффективное столкновение самых мелких угольных частиц с капельками масла и между собой и происходит интенсивное образование углемасляных агрегатов. Высокая зольность отходов флотации свидетельствует о практически полном
переходе всех угольных частиц в углемасляные комплексы.
При низкой скорости перемешивания пульпы зольность отходов меньше, т.к. самые мелкие угольные частицы не могут попасть в углемасляные образования из-за недостатка запаса кинетической энергии при столкновении с ними и остаются в объеме пульпы. Повышение окружной скорости до 9-10 м/с нецелесообразно, поскольку показатели флотации изменяются незначительно, а энергетические затраты на перемешивание резко возрастают.
Предварительная агрегация мелких угольных частиц перед флотацией оказывает положительное влияние и на процесс фильтрации флотоконцентрата (табл. 3). Оценка фильтруемости флотоконцентрата проводилась на установке с помощью секторного фильтровального элемента в камере с мешалкой.
Снижение влажности осадка Wо и увеличение удельной производительности дф вакуум-фильтра происходит за счет объединения частиц угля в углемасляные комплексы, повышения плотности флотоконцен-трата, уплотнения в процессе перемешивания углемасляных агрегатов и вытеснения с поверхности угольных частиц водной пленки, т.к. сма-
чиваемость угольной поверхности маслом выше, чем водой.
Сравнительно высокое содержание твердых частиц в фильтрате Сф можно объяснить недостаточной крупностью образовавшихся агрегатов, часть из которых в начальный момент процесса успевает пройти через отверстия фильтроткани до образования зернистого слоя осадка на ней. Увеличение интенсивности перемешивания пульпы в процессе грануляции приводит к образованию более крупных и прочных агрегатов, что и обеспечивает улучшение всех показателей процесса фильтрации.
Для дополнительной интенсификации процесса обезвоживания флотоконцентрата можно использовать процесс масляной грануляции, который проводится в специальных грануляторах при небольших добавках углеводородных связующих (1-1,5 кг/т). Полученный в результате этой операции агрегированный омасленный угольный концентрат сравнительно легко обезвоживается на грохотах и в центрифугах. Для предотвращения прохождения мелких гранул сквозь отверстия сит целесообразна подача гранулированного продукта на слой гидрофобных частиц, крупность которых больше размера отверстий сита. При этом углемасляные грану-
лы налипают на гидрофобную поверхность крупных угольных частиц и задерживаются на них, а мелкие гидрофильные породные частицы вместе с водой свободно проходят сквозь дренажный слой и отверстия сита (вторичное обогащение флото-концентрата). В качестве слоя угольных частиц могут быть использованы мелкий концентрат отсадочных машин или концентрат спиральных сепараторов.
В результате лабораторных исследований установлено, что при последовательном обезвоживании на грохоте и в центрифуге смеси флотоконцентрата и концентрата спирального сепаратора (весовое соотношение твердого 1:3) можно добиться влажности обезвоженного продукта, равной 10-15 %. В этом случае создаются хорошие предпосылки для частичного (или полного) исключения из технологической схемы дорогостоящих и энергоемких процессов вакуумного фильтрования и сушки.
Таким образом, метод масляной грануляции можно использовать для повышения эффективности различных операций обогащения и обезвоживания тонких угольных шламов без увеличения расхода дорогостоящих масляных реагентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кейпс С.Е. Применение сферической агломерации в углеобогащении // 7 Международный конгресс по обогащению углей. - Сидней, 1976. - Н2.
2. Деминерализация углей с помощью технологии агломерации / Саркар Д.Д., Конар Б.Б., Сакха С. и др. // 8 Международный конгресс по обогащению углей. - Донецк, 1979. - Н3.
3. Николь С.К., Свенсон А.Р. Извлечение ультратонких классов угля из отходов углеобогатительной фабрики // 8 Международный конгресс по обогащению углей. - Донецк, 1979. - Д4.
4. Кейпс С..Е.. Новое применение технологии масляной агломерации для обогащения угля, облагораживания низкокачественных топлив и решения экологических проблем//11 Ме-ждународный конгресс по обогащению угля. - Токио, 1990. - С. 1 -2.
5. Масляная грануляция угольных шламов Кузбасса / Клейн М.С., Байченко А.А., Почевалова Е.В.// Вест. КузГТУ, № 6, с. 59-62.
6. Годен А.М. Флотация. - М.: Госгортехиздат, 1959.
7. Байченко А.А., Иванов Г.В. Флокулярная флотация тонких угольных шламов // Обогащение, переработка и комплексное использование минерального сырья: Материалы научно-технической конференции, Кемерово, 19-20 ноября 1999 г. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999, с. 9-29.
8. Богеншнейдер Б., Беренбек А., Кубитца К. Обогащение тонких угольных шламов методом селективной агломерации // Глюкауф. - 1976. - №23. - С. 19-25.
9. Обогащение ультратонких углей / Елишевич А.Т., Ог-лоблин Н.Д., Белецкий В.С., Папушин Ю.Л. - Донецк: Донбасс: 1986, 64 с.
10. Блецький В.С., Сергеев П.В., Папушин Ю.Д. Теорія і практика селективноі масляноі агрегації вугілля. Донецьк, 1996. - 264 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------------
Клейн Михаил Симхович - доцент, кандидат технических наук, кафедра обогащения полезных ископаемых, Кузбасский государственный технический университет.
Байченко Арнольд Алексеевич - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой обогащения полезных ископаемых, Кузбасский государственный технический университет.
Почевалова Елена Викторовна - аспирант, Кузбасский государственный технический университет.
