Повышение эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации углей для интенсификации процесса их обезвоживания на ленточных фильтр-прессах :

Краткое описание

Содержание
2 СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...12

1.1. Современные теоретические представления о процессе флокуляции суспензий...12

1.2. Анализ современных способов и оборудования для перемешивания суспензий с флокулянтами...23

2. ТЕОРЕТРГЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...36

2.1. Исследование закономерностей перемешивания суспензий с флокулянтами в трубопроводах со статическими перемешивающими устройствами...36

2.2. Предложения по управлению процессом флокуляционного кондиционирования суспензий отходов флотации и свойствами получающимися в результате этого процесса флокуляционных структур...51

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...57

3.1. Методика исследований по флокуляционному кондиционированию и гравитационному обезвоживанию суспензий отходов флотации, описание лабораторного оборудования...57

3.2. Результаты экспериментальных исследований...60

3.2.1. Свойства исследованных отходов флотации...60

3.2.2. Свойства применявшихся коагулянтов и флокулянтов...67

3.2.3. Исследования по подбору флокулянтов...68

3.2.4. Исследования влияния ряда характеристик суспензий отходов флотации

на результаты опытов по флокуляционному кондиционированию...76

3.2.5. Исследования по предотвращению образования гелеобразных структур

в суспензиях отходов флотации...79

3.3. Оценка результатов экспериментальных исследований...83

3

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ ФЛОКУЛЯНТАМИ ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ НА ЛЕНТОЧНЫХ ФРШЬТР-ПРЕССАХ ЦОФ «ПЕЧОРСКАЯ»...88

4.1. Технологическая схема флокуляционного кондиционирования

и обезвоживания суспензий отходов флотации...88

4.2. Исследование влияния основных технологических факторов на

процесс флокуляции отходов флотации...92

4.3. Обоснование режимов кондиционирования суспензии отходов флотации флокулянтами...ПО

4.4. Расчёт экономической эффективности технологии флокуляционного кондиционирования и обезвоживания отходов флотации

ЦОФ "Печорская"...113

4.5. Перспективы дальнейших исследований...115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...119

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...121

ПРИЛОЖЕНИЯ...130
Введение

4 ВВЕДЕНИЕ

Современные процессы обогащения углей осуществляются с применением значительного количества воды (в среднем 3 — 4 м3 на 1 тонну обогащаемого угля). В связи с ужесточением требований по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов приобретают все большую актуальность задачи эффективного разделения твердой и жидкой фаз с целью получения продуктов обогащения с как можно более низкой влажностью и возвращения в систему оборотного водоснабжения углеобогатительных фабрик (ОФ) возможно большего количества воды с возможно более низким содержанием твёрдого. Необходимо осуществить полное замыкание водно-шламовых схем ОФ с целью исключения сброса шламовых вод (отходов флотации) за пределы ОФ.

Известно, что наиболее действенным способом повышения эффективности процессов разделения твердой и жидкой фаз (осветления, сгущения, фильтрования и обезвоживания) является применение синтетических полимерных флоку- лянтов (далее — флокулянтов). В последние годы флокулянты получают все более широкое применение в указанных операциях на ОФ России и зарубежных стран. Наибольшего количества флокулянтов требует операция обезвоживания тонкодисперсных шламов или отходов флотации на ленточных фильтр-прессах.

На процесс флокуляции влияет большое количество разнообразных факторов (рис. 1) [1]. Наиболее важным представляется комплекс параметров, определяющих режим флокуляционного кондиционирования, т.е. операции, заключающейся в добавлении к суспензии определенного количества флокулянта (флокулянтов) при определенных условиях с целью придания суспензии требуемых свойств исходя из назначения процесса разделения и его режимных параметров.

Флокуляционное кондиционирование включает следующие этапы: приготовление растворов флокулянтов; дозирование растворов флокулянтов; перемешивание растворов флокулянтов с суспензией; транспортирование сфлокули-рованной суспензии к аппарату.

ФЛОКУЛЯНТ

СУСПЕНЗИЯ

Ионогенность: -неионогенный -анионактивный -катионактивный

Молекулярная масса: ¦ низкомолекулярный • среднемолекулярный - высокомолекулярный

Раствор флокулянта:

¦ концентрация

¦ способ приготовления

¦ продолжительность, условия хранения

¦рН

Твёрдая фаза

- плотность

- удельная поверхность

- концентрация

- С, -потенциал

- вещественный состав -степень

гидратированности

Жидкая фаза

- солевой состав -рН -температура

- электропроводность

- жёсткость

УСЛОВИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ФЛОКУЛЯНТА С

СУСПЕНЗИЕЙ

- дозировка

- точка подачи

- способ подачи

- перемешивание:

время, интенсивность

Рисунок 1 Основные факторы, влияющие на процесс мостиковой флокуляции

6

Все указанные этапы имеют важное значение, однако наибольший теоретический и практический интерес вызывают вопросы, связанные с перемешиванием суспензий и флокулянтов [3; 4, с. 177 — 183; 7; 13; 45; 48; 69; 74].

В зарубежной практике углеобогащения широко применяются различные специальные устройства для перемешивания суспензий с флокулянтами: с вращающимися мешалками (в емкостях и в трубопроводах); статические перемешивающие устройства разнообразных конструкций. В то же время на отечественных ОФ вопросам перемешивания суспензий с флокулянтами до настоящего времени не уделялось должного внимания. Данный процесс на большинстве ОФ осуществляется в желобах или трубопроводах без применения специальных устройств, т.е. практически без регулирования. Только в последние годы на отдельных фабриках были установлены статические смесители.

Теория перемешивания суспензии с флокулянтами разработана ещё недостаточно. Сравнительно большое количество публикаций посвящено перемешиванию вращающимися мешалками в замкнутом объёме [13, 45, 52, 65, 67, 68], но процесс перемешивания в статических смесителях практически не исследовался. Между тем, именно статические смесители представляют весьма большой интерес, поскольку, по сравнению с вращающимися мешалками, они значительно проще и дешевле в изготовлении и не требуют затрат электроэнергии.

Следует отметить еще одну существенную проблему, возникающую при перемешивании с флокулянтами суспензий, содержащих значительное количество тонкодисперсных глинистых частиц (высокозольных шламов и отходов флотации) — гелеобразование. Данное явление заключается в том, что флокуляционные структуры, образующиеся в суспензиях при их кондиционировании, имеют геле-образный характер. Такие гелеобразные структуры практически не поддаются механическому обезвоживанию, что чрезвычайно нежелательно, особенно при обезвоживании суспензии на ленточных фильтр-прессах. До настоящего времени не предложены достаточно эффективные способы предотвращения данного явления.

7

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных способов управления процессом флокуляционного кондиционирования для повышения эффективности технологии обезвоживания отходов флотации углей на ленточных фильтр-прессах.

Идея работы заключается в разработке критерия, позволяющего оценить эффективность перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях; разработка предложений по управлению свойствами флокуляционных структур и экспериментальная проверка этих разработок.

Исходя из поставленной цели, сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

- анализ современных технологий и оборудования для флокуляционного кондиционирования;

- разработка критерия, позволяющего оценить эффективность процесса перемешивания суспензии с флокулянтом в статическом смесителе;

- установление закономерностей процесса обезвоживания суспензии отходов флотации на ленточных фильтр-прессах в зависимости от параметров режима флокуляционного кондиционирования;

- разработка и экспериментальная проверка предложений по предотвращению гелеобразования при флокуляционном кондиционировании отходов флотации;

- проведение опытно-промышленных исследований и испытаний технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации с применением статических смесителей;

- разработка усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования и обезвоживания отходов флотации на ленточных фильтр-прессах.

При проведении исследований использованы следующие методы. Теоретические исследования закономерностей перемешивания суспензий с флокулянтами основаны на положениях физико-химической гидродинамики и коллоидной химии. Гранулометрический состав отходов флотации определен методом микро-

8

съёмки с компьютерной обработкой изображения. Моделирование процесса дренирования суспензий отходов флотации осуществлялось на лабораторной фильтровальной установке. Опытно-промышленные исследования флокуляционного кондиционирования отходов флотации и испытания статических смесителей с определением эффективности работы последних проводились по усовершенствованной методике опробования промышленных ленточных фильтр-прессов. При обработке результатов исследований использованы методы математической статистики: корреляционный и регрессионный анализ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методология оценки эффективности перемешивания суспензий с фло-кулянтами в статическом смесителе, основанная на разработанном автором критерии оценки эффективности перемешивания, позволяющая определять оптимальные режимы процесса флокуляционного кондиционирования.

- модель перемешивания суспензии с флокулянтами в статических смесителях, позволяющая рассчитать время процессов: гомогенизации флокулянта в жидкой фазе суспензии; адсорбции флокулянта на частицах твёрдой фазы; собственно флокуляции;

- способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации: с применением коагулянтов-электролитов и гетерокоагу-лянтов; высокомолекулярного анионактивного, низкомолекулярного катионак-тивного и высокомолекулярного катионактивного флокулянтов.

- технологические закономерности процесса флокуляционного кондиционирования отходов флотации углей перед их обезвоживанием на ленточном фильтр-прессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые предложен критерий эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях, позволяющий определять оптимальные режимы процесса флокуляционного кондиционирования.

2. Разработана модель, позволяющая рассчитать время процессов, протекающих при флокуляционном кондиционировании суспензий в статических сме-

9

сителях: гомогенизации флокулянта в жидкой фазе суспензии; адсорбции флоку-лянта на частицах твёрдой фазы; собственно флокуляции.

3. Предложены и экспериментально подтверждены способы управления свойствами флокуляционных структур в суспензиях отходов флотации.

4. Доказано, что эффективность процесса перемешивания суспензий с флокулянтами в статических смесителях регулируется путём варьирования объёмного расхода суспензии.

5. Выявлен характер зависимости удельного объёмного сопротивления осадка от свойств флокулянтов и параметров флокуляционного кондиционирования.

6. Установлена корреляция между производительностью ленточных фильтр-прессов по твёрдому и удельным объёмным сопротивлением осадка.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций заключается в следующем:

- теоретические выводы подтверждаются данными расчётов, экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями и испытаниями, а также положительным опытом внедрения усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации на ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь";

- объём полученных экспериментальных данных является представительным: при проведении лабораторных экспериментов, полупромышленных и промышленных испытаний на ЦОФ "Печорская" и ОФ "Нерюнгринская" выполнено около 2400 опытов;

- сходимость результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований является высокой: ошибка эксперимента во всех сериях опытов не превышала 15 %.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей перемешивания суспензии с флокулянтами в статических смесителях и создании оригинальной методологии оценки эффективности данного процесса, а также в обосновании предложений по управлению свойствами флокуляционных структур

10

в суспензиях отходов флотации. Данные предложения защищены патентами РФ [81,83].

Практическое значение работы заключается в разработке усовершенствованной технологии флокуляционного кондиционирования отходов флотации углей на основании методологии оценки эффективности перемешивания суспензий с флокулянтами в статическом смесителе. В условиях действующего предприятия (ЦОФ "Печорская") доказана высокая эффективность статических перемешивающих устройств и определена величина экономического эффекта, достигаемого за счёт снижения расхода флокулянтов.

Теоретическая и экспериментальная часть работы были выполнены в ИОТТ, промышленные исследования и испытания проводились на ЦОФ "Печорская" и ОФ "Нерюнгринская".

Реализация результатов работы. Основные положения работы использованы при реконструкции фильтровального отделения ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь" путем установки статических перемешивающих устройств на операции флокуляционного кондиционирования отходов флотации перед их обезвоживанием на ленточных фильтр-прессах. Результаты работы могут быть распространены на проектируемые, строящиеся и реконструируемые углеобогатительные фабрики.

Основные результаты и положения работы докладывались на: учёных Советах ИОТТ (г. Люберцы, 2003 - 2005 гг.); технических совещаниях ООО "Де-гусса-Евразия" (г. Москва, 2003 - 2005 гг.); технических совещаниях фирмы "J.F. Knauer GmbH" (ФРГ, г. Франкфурт, 2003 - 2005 гг.); научных симпозиумах "Неделя горняка" (г. Москва, МГТУ, 2004 - 2005 гг.); технических советах ЦОФ "Печорская" (г. Воркута, 2004 - 2005 гг.); V Конгрессе Обогатителей Стран СНГ (г. Москва, МИСиС, 2005 г.).

Непосредственно по теме диссертации опубликованы 5 статей, получено 3 патента РФ.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю данной диссертационной работы, директору Ин-

11

статута Обогащения Твердых Горючих Ископаемых (ИОТТ), доктору технических наук, Линёву Б. И.; генеральному директору ООО "Дегусса Евразия", доктору химических наук, профессору Лобанову Ф. И. за ценные советы и консультации при подготовке работы и помощи в организации стажировок в Германии; ответственному секретарю редколлегии журнала "Прикладная Математика и Механика", доктору физико-математических наук, профессору Гупало Ю. П. за критические замечания при разработке критерия оценки эффективности перемешивания суспензии с флокулянтами; заведующему сектором водно-шламовых процессов ИОТТ, к.т.н. Гольбергу Г. Ю. за консультации при подготовке работы и помощь в проведении лабораторных опытов.

Выполнение опытно-промышленных исследований и испытаний было бы невозможно без помощи и творческого участия коллектива и руководства ЦОФ "Печорская" ОАО "Воркутауголь" - директора Канева Н. И., главного инженера Кутового В. М., зам. директора по производству Еременко Д. Г., главного технолога Редьки А. Н., начальника цеха флотации Иванова В. В.; а также коллектива и руководства ОФ "Нерюнгринская" ОАО ХК "Якутуголь" - директора За-сядько А. В., главного инженера Костромитина А. В., заместителя главного инженера Осадчего С. А.; и многих других.

12 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Современные теоретические представления о процессе

флокуляции суспензий

В настоящей работе рассматривается механизм мостиковой флокуляции синтетическими полимерными флокулянтами (далее - флокулянтами). Исследования данного процесса, выполненные различными авторами (как отечественными, так и зарубежными), позволили выявить следующие закономерности этого процесса.

Авторы работ [36; 44, с. 172] рассматривают следующие этапы процесса флокуляции (см. рис. 1.1):

- гомогенизация флокулянта в жидкой фазе суспензии;

- адсорбция флокулянта на частицах твердой фазы;

- собственно флокуляция, заключающаяся в образовании мостиковых связей между частицами; росте флокул (возможно также образование агрегатов 2-го и более высоких порядков); изменении структуры флокул; механической деструкции флокул; восстановлении разрушенных флокул, причем скорости двух последних процессов через определенный промежуток времени выравниваются; иными словами устанавливается динамическое равновесие (см. рис. 1.2).

Для определения времени адсорбции полимера ta и времени флокуляции

гф предложены следующие формулы [22, с. 40,105; 43; 45, с. 233-238]:

(и)

где /- доля вносимого полимера,

Nj — число частиц суспензии в единице объема,

К12 - константа скорости адсорбции для ортокинетической флокуляции:

^)\ (1.2)

где G - градиент скорости потока,

13

ai и а2 - радиусы частиц и полимерного клубка соответственно.

А - гомогенизация флокулянта, В - адсорбция флокулянта, С — изменение кон-формации адсорбированных макромолекул флокулянта, D - образование флокул, Е - деструкция флокул, F - флокуляция без изменения конформации адсорбированных макромолекул флокулянта.

Рисунок 1.1 Схематическое изображение этапов процесса флокуляции суспензий

Время ортокинетической флокуляции:

3 1 4 ~ 16 \ '

4

16

где No - изначальное число частиц в единице объема. Время перикинетической флокуляции:

ф

4N0kT

где /л - вязкость дисперсионной среды; к - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура.

(1.3)

(1.4)

14

1 - деструкция; 2 - уплотнение флокулы;

3 - образование флокулы из нескольких агрегатов меньшего размера. Рисунок 1.2 Схематическое изображение процессов изменения

структуры флокул

Вышеприведенные формулы действительны в случае, когда флокулянт равномерно распределен в жидкой фазе суспензии. Следует отметить, что в литературе отсутствуют формулы для расчета времени гомогенизации флокулянта.

Современные представления о механизме флокуляции основаны на теории ДЛФО. Согласно авторам работ [4, 22, 33, 42], адсорбция макромолекул фло-кулянтов на поверхности частиц твердой фазы суспензии происходит за счет сил электростатического притяжения. При этом макромолекула флокулянта может притягиваться либо непосредственно поверхностью частицы, либо диффузной частью двойного электрического слоя.

В работе [40] рассматривается три возможных варианта механизма флокуляции (рис. 1.3):

15

(a) мостиковая флокуляция, заключающаяся в связывании отдельных частиц мостиками из макромолекул флокулянта;

(b) нейтрализационная флокуляция, заключающаяся в нейтрализации поверхностного заряда частиц макромолекулами флокулянта, несущими заряд противоположного знака и последующей самопроизвольной коагуляцией нейтрализованных частиц;

(c) флокуляция последовательно двумя полимерами различной природы (например, анионактивным и катионактивным). В этом случае макромолекулы первого флокулянта располагаются вдоль поверхности частиц, а макромолекулы второго флокулянта притягиваются к заряженным функциональным группам первого, образуя мостиковые связи между частицами. Следует отметить, что данный вариант механизма действия двух флокулянтов не является единственным возможным, поскольку существует вероятность образования флокул 2-го и более высоких порядков.

(а) (Ь)

Рисунок 1.3 Варианты механизма флокуляции

(с)

До настоящего времени в литературе не был освещен вопрос о гелеобра-зовании при флокуляции.

Количественное описание механизма образования флокул приведено в работе [6, с. 84 - 91]. В основу данного подхода положено представление об образовании флокул за счет диффузии отдельных частиц по направлению друг к дру-

16

гу. Предложенные авторами уравнения позволяют рассчитать скорость перикинетической1 и ортокинетической2 флокуляции (число частиц, флокулирующих в единице объема в единицу времени):

Мбр=ЪтЮбр11п1, (1.5)

где МбР - скорость перикинетической флокуляции, обусловленной броуновским движением,

D6p - коэффициент броуновской диффузии,

R — расстояние между двумя частицами, сблизившись до которого они образуют флокулу,

щ — число частиц в единице объема;

3nl (1.6)

где Nmyp6 - скорость перикинетической флокуляции в турбулентном потоке, Р — некоторый численный коэффициент порядка единицы,

е° — энергия турбулентных пульсаций, отнесенная к единице массы жидкости,

V— коэффициент кинематической вязкости жидкости;

Nopm = n0ln02D2/V2/3l24/2f(Re) (1.7)

где Nopm — скорость ортокинетической флокуляции,

ио1 _ число отдельных частиц и мелких флокул в единице объема, wo2 _ число крупных флокул в единице объема, V2 — средняя скорость осаждения крупных флокул,

'г - радиус крупных флокул, /(Re) - функция числа Рейнольдса.

' Столкновения мелких флокул и отдельных частиц в ламинарном потоке вследствие броуновского движения или в

турбулентном потоке.

2 Преимущественное столкновение мелких флокул и частиц с более крупными агрегатами - направленная флоку-

ляция.

17

Влияние гидродинамического режима на флокуляцию приведено в рабо-те [69], в которой рассматривается вероятность образования флокулы из частиц разного размера при развитом турбулентном режиме.

Уравнения, описывающие процесс флокуляции в вышеперечисленных источниках, применимы только к разбавленным суспензиям; кроме того, не учитываются процессы гомогенизации и адсорбции флокулянта.

Закономерности кинетики флокуляции изучались на протяжении более чем 80 лет, как отечественными, так и зарубежными авторами (например, [4 с.212 - 214; 13; 66; 69]). В основу этого подхода были положены уравнения, описывающие кинетику химических реакций. Практические расчеты по данным уравнениям осложняются невозможностью определить значения некоторых величин, входящих в данные уравнения.

В настоящее время для описания кинетики флокуляции наибольшее признание получила так называемая модель "популяционного баланса" [49, 65, 71]. В соответствии с данной моделью (см. рис. 1.4) рассматривается изменение количе-

ства агрегатов определенного размера / с течением времени —'- в результате

\ dt )

процессов слияния и деструкции флокул.

флокула размера i

1 - образование флокулы размера i из двух меньших флокул, 2 - выход флокулы из интервала размеров i агрегацией с другой флокулой, 3 - образование флокулы размера i деструкцией флокулы большего размера, 4 - выход флокулы из интервала размеров i при ее деструкции.

Рисунок 1.4 Схематическое изображение модели "популяционного баланса"

Список литературы