Обезвоживание продуктов обогащения полезных ископаемых

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.794.7
ББК 33.4
      0-13

       Рекомендовано учёным советом Г0УВП0 «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования (Протокол№ 5 от 28.06.2019 г.)


Авторы:
Науменко В. Г., Самойлик В. Г., Звягинцева Н. А., Назимко Е. И.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики Г0УВП0 «Д0ННТУ» (г. Донецк) С. В. Борщевский;
кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Г0УВП0 «Д0ННТУ» Д.Д.Выговская



0-13 Обезвоживание продуктов обогащения полезных ископаемых : учебное пособие / [Науменко В. Г. и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 152 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1129-5

     Приведены сведения о различных способах обезвоживания продуктов обогащения. Изложены теоретические основы процессов обезвоживания, описан принцип действия различных типов обезвоживающего оборудования. Даны сведения о водно-шламовых схемах обогатительных фабрик. Большое внимание уделено особенностям обезвоживания продуктов обогащения в центробежном поле, под действием избыточного давления и разрежения. Рассмотрены теоретические основы термического обезвоживания, приведены сведения о конструкциях сушильных установок.
     Для студентов горных вузов всех форм обучения.

                                                     УДК 622.794.7
                                                     ББК33.4









ISBN978-5-9729-1129-5

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
   © 0формление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.....................................................5
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ................................................6
  1.1. Общие сведения о процессах обезвоживания..............6
  1.2. Виды влаги............................................6
  1.3. Классификация продуктов по содержанию влаги..........10
ГЛАВА 2. ДРЕНИРОВАНИЕ.......................................13
ГЛАВА 3. ФИЛЬТРОВАНИЕ.......................................22
ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМ-ФИЛЬТРОВ........................28
  4.1. Дисковые вакуум-фильтры..............................28
  4.2. Барабанные фильтры...................................35
  4.3. Ленточные вакуум-фильтры.............................38
ГЛАВА 5. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ. ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ.............................42
ГЛАВА 6. ФИЛЬТР-ПРЕССЫ......................................47
  6.1. Классификация фильтр-прессов ........................47
  6.2. Вертикальные фильтр-прессы...........................52
  6.3. Горизонтальные фильтр-прессы.........................56
  6.4. Ленточные фильтр-прессы..............................60
ГЛАВА 7. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ. ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ФИЛЬТРОВАНИЕ...................................65
  7.1. Центробежная сила и причины ее возникновения.........65
  7.2. Конструкции фильтрующих центрифуг....................71
     7.2.1. Инерционные центрифуги..........................71
     7.2.2. Шнековые центрифуги.............................73
     7.2.3. Вибрационные центрифуги.........................76
ГЛАВА 8. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ. ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ .....................................79
  8.1. Принцип действия осадительных центрифуг..............79
  8.2. Конструктивные особенности осадительных центрифуг ...82
  8.3. Промышленные типы осадительных центрифуг.............84
  8.4. Факторы управления процессом центробежного осаждения.87
ГЛАВА 9. ГИДРОЦИКЛОНЫ.......................................91
  9.1. Распределение потоков в гидроциклоне.................91
  9.2. Факторы, влияющие на работу гидроциклона.............93
  9.3. Выбор типоразмерагидроциклона........................97

3

ГЛАВА 10. ГРАВИТАЦИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ (СГУЩЕНИЕ).................99
   10.1. Сущность процессагравитационного осаждения.........99
   10.2. Сущность процессов коагуляции и флокуляции........103
      10.2.1. Свойства флокулянта..........................105
      10.2.2. Свойства суспензии...........................106
      10.2.3. Условия контакта флокулянта с суспензией.....109
ГЛАВА 11. КОНСТРУКЦИИ СГУСТИТЕЛЕЙ..........................110
   11.1. Удельная площадь сгущения.........................110
   11.2. Радиальные сгустители.............................111
   11.3. Сгуститель со взвешенным слоем....................114
   11.4. Цилиндроконические сгустители.....................115
   11.5. Тонкослойные (пластинчатые, ламельные) сгустители.116
ГЛАВА 12. БАЛАНС ВОДЫ ПО ФАБРИКЕ. ВОДНО-ШЛАМОВЫЕ СХЕМЫ.......................................122
   12.1. Баланс воды по обогатительной фабрике.............122
   12.2. Классификация водно-шламовых схем (ВШС)...........125
   12.3. ВШС для коксующихся углей.........................127
   12.4. Накопление шламов при многократном использовании оборотной воды..........................................128
ГЛАВА 13. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ .......................129
   13.1. Теоретические основы процесса.....................129
   13.2. Материальный баланс сушильной установки...........132
   13.3 Диаграмма/-^ для теоретической и практической сушилки.133
ГЛАВА 14. КОНСТРУКЦИИ СУШИЛОК .............................136
   14.1. Способы сушки.....................................136
   14.2. Барабанная сушилка................................137
   14.3. Трубы-сушилки.....................................141
   14.4. Сушилки кипящего слоя.............................143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .........................................146

4

ВВЕДЕНИЕ


   В большинстве случаев полезные ископаемые обогащают в водной среде, потому получаемые продукты обогащения содержат значительное количество воды и не пригодны для транспортирования и дальнейшего применения. Для удаления воды (влаги) из продуктов обогащения применяют ряд операций, называемых в общем случае обезвоживанием. В более широком смысле под обезвоживанием понимают процесс отделения жидкой фазы от твёрдой.
   Обезвоживанием называют процесс удаления воды из полезного ископаемого или из продукта обогащения. Ему могут подвергаться не только конечные, но и промежуточные продукты обогащения, осуществляемого обычно в водной среде. Причинами обезвоживания являются: необходимость снижения затрат на транспортирование продуктов обогащения (концентратов), необходимость организации на фабрике полного водооборота с целью снижения себестоимости продукции и охраны окружающей среды.
   Различают процессы механического и термического обезвоживания. К механическому обезвоживанию относятся: дренирование, центробежное обезвоживание, сгущение и фильтрование, к термическому - сушка.
   Задачами процесса обезвоживания являются: 1) доведение товарных продуктов до кондиционной влажности (6-9%) в соответствии с требованиями потребителей и из условий транспортирования; 2) осветление оборотной воды, т.е. снижение содержания в ней твёрдой фазы до необходимого уровня, что позволит использовать воду в технологическом процессе многократно.
   Целью настоящего учебного пособия - более подробно ознакомить студентов специальности «Горное дело» обучающихся по специализации «Обогащение полезных ископаемых» с теоретическими основами процессов обезвоживания продуктов обогащения, кондиционирования и очистки сточных вод. Конструкциями, техническими характеристиками и эксплуатационными данными применяемых для этой цели оборудование и аппараты, методами их технологического расчёта.

5

ГЛАВА 1

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
1.1 Общие сведения о процессах обезвоживания
   При обогащении в основном используются мокрые процессы. Расход воды при обогащении составляет 3-5 м³/т обогащаемого сырья. Для дальнейшей переработки таких продуктов из них необходимо удалить влагу.
   Обезвоживанием называют процесс удаления воды из полезного ископаемого и продуктов его обогащения.
   Задачами процессов обезвоживания являются:
   1)    доведение товарных продуктов до кондиционной влажности (6-9%) в соответствии с требованиями потребителей;
   2)    осветление оборотной воды, т.е. снижение содержания в ней твердой фазы до необходимого уровня, что позволит использовать воду в технологическом процессе многократно.
   В горном деле применяются в основном механические и термические методы обезвоживания [1,2].
   Процессы механического обезвоживания, т.е. разделения твердой и жидкой фаз, основаны надвух физических принципах (рис. 1.1):
   1)    фильтрование - выделение жидкости из массы твердого материала; при этом жидкость движется относительно твердой фазы;
   2)    осаждение - выделение твердого материала из массы жидкости; при осаждении твердые частицы движутся относительно жидкости.
1.2 Виды влаги
   Показателем, по которому оценивается качество обезвоживания, является влажность.
   Влажность - отношение массы воды в продукте к массе сырого продукта. Рабочая влажность определяется по формуле:
wr = [ qH ₂ о /(qH ₂ о+g )]-1оо, %
где qHio - масса воды, кг;
   G - масса сухого материала, кг.

6

МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ

Рис. 1.1. Классификация способов механического обезвоживания

   Влажность подразделяют на рабочую, лабораторную и внешнюю, между которыми соблюдается следующее соотношение:
Ид. = Wr - W*.
   На процессы удаления влаги из материалов значительное влияние оказывает энергия связи молекул воды с поверхностью твердого.
   Чем больше энергия связи жидкости с поверхностью твёрдого, тем труднее эту жидкость отделить. На энергетическом принципе основана классификация форм связи влаги с материалом по П. А. Ребиндеру [1]:
   1) химическая связь (кристаллизационная);
   2) физико-химическая связь (адсорбционная или гигроскопическая влага);
   3) физико-механическая (капиллярная, гравитационная влага).
   В соответствии с этой классификацией влага разделяется на следующие виды (рис. 1.2):
   1.    Химическая или связанная влага (внутренняя) - это влага, которая содержится в кристаллической решетке некоторых минералов в виде гидроксильных ионов в гидратах и в виде молекул воды в кристаллогидратах.
   2.    Адсорбированная (пленочная) влага - удерживается на поверхности в виде гидратных пленок силами адсорбции. Подразделяется на:
   -  гигроскопическую;
   -  прочно связанную;
   -  адгезионную.


Рис. 1.2. Разновидности влаги взависимости от её связи с поверхностью твёрдой фазы

   Гигроскопическая влага образует на поверхности частиц тонкие пленки воды, удерживаемые силами адсорбции, и заполняет структурные поры и трещины в частицах. Эта влага обладает рядом аномальных свойств: большей плотностью, повышенной вязкостью, пониженной температурой замерзания, пониженной способностью к растворению. Различия в физических свойствах гигро

8

скопической и свободной влаги объясняются наличием значительных электростатических сил притяжения диполей воды к ионам на поверхности твердых частиц. Наблюдается строгая ориентация диполей воды, что затрудняет их движение по сравнению с движением молекул свободной влаги.
   Над слоем гигроскопической влаги в водной среде образуется слой прочно связанной влаги, для которой характерна пониженная растворяющая способность, отсутствие электропроводности и повышенная плотность.
   Адгезионная влага образует над пленками прочно связанной влаги более толстые пленки толщиной до 100 диаметров молекулы воды, которые удерживаются силами адсорбции, но менее прочно. Ориентация диполей воды относительно поверхности твердого уже менее правильная, вследствие этого аномальные свойства адгезионной влаги проявляются слабее. Плотность адгезионной влаги - 1,25 г/см³; она обладает пониженной растворяющей способностью и пониженной температурой замерзания. Наибольшее количество адгезионной влаги в 2-4 и более раза превышает количество гигроскопической влаги при максимальной гигроскопичности среды. Адгезионная влага занимает промежуточное положение между прочно связанной и свободной влагой.
   3.    Капиллярная влага - заполняет капиллярные промежутки, образующиеся между частицами, или поры внутри самих частиц твердого и удерживается в них силами капиллярного давления. Капиллярные силы возникают на границе соприкосновения трех фаз - твердой, жидкой и газообразной и создаются поверхностным натяжением на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре. Капиллярная влага подвижна в материале и зависит от размеров капилляров и условий смачивания водой их поверхности.
   Капиллярное давление определяется по формуле Лапласа:
P = 2а- созв/г,
где о - поверхностное натяжение на границе вода-воздух, Н/м;
   в - краевой угол смачивания, градус;
   r - радиус капилляра или кривизна поверхности, м.
   4.    Гравитационная влага - это свободная влага, которая заполняет все промежутки между частицами и перемещается под действием силы тяжести.
   Капиллярная и свободная влага удаляются механическими и термическим методами обезвоживания. Оказывают максимальное отрицательное влияние на такие показатели как грохотимость, смерзаемость и транспортабельность продуктов.

9

1.3 Классификация продуктов по содержанию влаги
   В зависимости от содержания воды продукты обогащения делятся на следующие классы:
   1.    Обводненные (жидкие) - содержат более 40% воды, обладают подвижностью жидкости, представляют собой механическую смесь твердого и воды. Это - слив мельниц, отсадочных машин.
   2.    Мокрые - 15-40% влаги, не обладают подвижностью жидкости. Содержат все виды влаги. Получаются после обезвоживания жидких продуктов. Содержат в себе остатки гравитационной влаги, а также адсорбированную и капиллярную влагу.
   3.    Влажные - 5-15% влаги. В них нет гравитационной влаги. Получаются после обезвоживания мокрых продуктов. Не обладают текучестью. В них не содержится свободной гравитационной влаги, а присутствует лишь некоторое количество капиллярной, пленочной и гигроскопической влаги.
   4.    Воздушно-сухие - сыпучие продукты. Получаются после высушивания на воздухе влажных продуктов. В них содержится только гигроскопическая влага. Влажность не превышает 5%.
   5.    Сухие - получаются в результате термической сушки при условии испарения из материала большей части гигроскопической влаги. Практически не содержат влаги.
   Влажные материалы в зависимости от форм связи и содержания влаги делятся на:
   1) коллоидные,
   2) капиллярно-пористые,
   3) капиллярно-пористые коллоидные.
   В коллоидных материалах влага осмотически связана и поглощена. При удалении влаги они значительно сжимаются в объеме (например, желатин). В капиллярно-пористых влага связана капиллярными силами (например, рудные концентраты, кварцевый песок, каменные угли). Капиллярно-пористые коллоидные - содержат влагу всех форм связи (торф, молодые бурые угли).
   Влагоудерживающая способность материалов зависит от удельной поверхности частиц и от энергии, расходуемой на взаимодействие с водой.
   Удельная поверхность бывает двух видов:
   1)    массовая удельная поверхность - поверхность, приходящаяся на единицу массы;
   2)    объемная удельная поверхность - поверхность, приходящаяся на единицу объема.

10

   Различают также внешнюю и внутреннюю поверхности, которые в сумме дают полную поверхность. Внешняя - геометрическая поверхность частиц; внутренняя - суммарная поверхность микропор и микротрещин. Чем больше поверхность материала и степень смачивания, тем больше влаги может удерживать этот материал и тем труднее ее отделить.
   Энергия, расходуемая на взаимодействие с водой, определяет степень смачивания твердой поверхности. Мерой смачивания служит краевой угол в между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Силы, действующие на периметре смачивания трех фаз

   При равновесном смачивании краевой угол 9 определяется уравнением Юнга: cosO = (ат₋г - &т₋ж ) / стж₋г, \ т е т ^^                              ^^ е
где о - поверхностное натяжение на границе раздела фаз, Н/м.
   Смачивание на границе раздела фаз является результатом межмолекулярного взаимодействия в зоне контакта этих фаз.
   Поверхностное натяжение является термодинамической характеристикой поверхности раздела фаз. Для жидкости о равна свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёме (энергии некомпенсированных межмолекулярных сил). Это - работа образования новой поверхности, затрачиваемая на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия (когезии) при переходе молекул вещества из объема в поверхностный слой.
   Показателем влагоудерживающей способности является максимальная молекулярная влагоемкость ММВ, которая зависит от сил взаимодействия поверхности частиц с водой. Чем больше эти силы, тем больше толщина водных пленок, удерживаемых на поверхности частиц при механическом обезвоживании. ММВ - это максимальное количество влаги, которая не удаляется при механическом обезвоживании.
   В табл. 1.1 приведена влажность продуктов обогащения углей, которая принимается в расчетах по данным практики углеобогащения [3].


11

Таблица 1.1

Влажность продуктов обогащения углей, принимаемая по результатам практики

                                Влажность продуктов, %,              
Наименование Крупность,           после обезвоживания:               
  продукта       мм                                  вакуум- фильтр-
                        элеваторы грохоты центрифуги фильтры прессы 
                      Продукты отсадки:                              
Концентрат   13-150     -          6-12   -             -    -      
 Концентрат  6-13           -       7-9       -         -       -   
 (марка А)                                                          
Концентрат   0,5-13       18-22    14-16  8-10          -    -      
Промпродукт  13-150       9-14     7-13   -             -    -      
Промпродукт  0,5-13       19-23    15-17  8-12          -    -      
   Отходы    13-150       10-15    8-14   -             -    -      
   Отходы    0,5-13       20-24    16-20  -             -    -      
                    Продукты тяжелых сред:                           
Концентрат   13-300     -          6-12   -             -    -      
 Концентрат  6-13           -       7-9       -         -       -   
 (марка А)                                                          
Концентрат   0,5-13     -          14-16  8-10          -    -      
Концентрат   0,5-6      -          16-18  9-10          -    -      
Промпродукт  13-200     -          7-13   -             -    -      
Промпродукт  0,5-13     -          15-17  7-12          -    -      
   Отходы    13-200     -          8-14   -             -    -      
   Отходы    0,5-13     -          20-24  -             -    -      
                      Продукты флотации:                             
Концентрат   0-0,5      -            -    -           23-26  -      
 Концентрат  0-0,5      -            -    -           21-23  -      
 (марка А)                                                          
   Отходы    0-0,5      -            -    -             -     22-30 

   Большие значения влажности принимаются для углей меньшей степени метаморфизма. При размокаемых породах (содержание глинистых частиц больше 50%) влажность породы увеличивают на 20%.

Вопросы для самоконтроля

   1. Перечислите основные задачи процессов обезвоживания.
   2.    На каких физических принципах основаны процессы механического обезвоживания?
   3. Как определяется влажность продуктов обогащения?


12