ОСНОВЫ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ Обогатительная фабрика — это современное предприятие тяжелой промышленности, обычно расположенное в нескольких корпусах, соединенных галереями. Фабрика занимает сравнительно большую территорию, оснащена разнообразным мощным оборудованием Обогатительные фабрики, входящие в систему предприятий угольной промышленности, бывают трех типов: индивидуальные или просто обогатительные фабрики (сокращенно ОФ), находящиеся при отдельных шахтах; групповые обогатительные фабрики (сокращенно ГОФ), расположенные при шахте, но обогащающие угли не одной шахты как ОФ, а группы шахт; центральные обогатительные фабрики (ЦОФ) - наиболее крупные предприятия по обогащению углей, перерабатывающие большое количество углей разных шахт. Следует также отметить, что фабрики или даже секции (части) фабрик, обогащающие угли для энергетического использования, отличаются от фабрик или секций фабрик, перерабатывающих угли для коксования. Однако для всех обогатительных фабрик характерно наличие в их технологической схеме трех типов операций - подготовительных, собственно обогатительных и вспомогательных. Подготовительные включают в себя сортировку по крупности - грохочение, дробление и удаление из исходного (так называемого рядового) угля посторонних предметов (это уже как бы предварительное обогащение). Вообще же обогатительная фабрика начинается с подземного склада исходного угля, куда разгружается уголь, поступающий с шахт и разрезов. Сверху этот склад ограничивается большой колосниковой решеткой, на которой и начинается сортировка и грохочение. СОРТИРОВКА И ГРОХОЧЕНИЕ Кроме обогатительных фабрик, существуют простейшие установки для получения сортового топлива, т. е. для разделения угля на куски разного размера. Наименование класса Плитный Крупный Орех Мелкий Семечко Штыб Рядовой Обозначение П К О М С Ш Р Размер кусков, мм 100-200 (300) 50-100 25-50 13-25 6-13 0-6 0-200 (300) Механическое разделение по крупности смеси частиц угля или антрацита, да и вообще любого материала, осуществляемое на решетах и ситах, называется грохочением. В результате грохочения получаются продукты определенных размеров, которые называются классами крупности. Классы угля являющиеся готовыми товарными продуктами, называются сортами. Продукт, который остался на решете при грохочении, называется надрешетным, а продукт, прошедший через отверстия решета, - подрешетным. Грохочение применяется не только для получения готовых сортов угля, как было показано ранее, но и для подготовки угля к обогащению. Дело в том, что, во-первых, очень крупный уголь должен быть отделен и отправлен на дробление до необходимого размера, и во-вторых, так как различные классы крупности обогащаются разными способами и в разных аппаратах, уголь должен быть разделен на различные машинные классы. Отделение крупных кусков материала для последующего их дробления называется предварительным грохочением, а разделение материала на определенные классы крупности для раздельного обогащения называется подготовительным грохочением. Кроме наиболее простых устройств для грохочения - колосниковых решет, существуют более сложные аппараты для механического разделения материала по крупности - грохоты. Различаются грохоты неподвижные (колосниковые и решета) и подвижные. Подвижные в свою очередь делятся на барабанные, качающиеся, полувибрационные и вибрационные. Барабанные грохоты представляют собой цилиндрическое сито для отделения крупных кусков угля, породы и посторонних предметов, попадающих в уголь при его добыче и транспортировке. Частота вращения барабана составляет 11 мин"1, угол наклона барабана 8°, а производительность достигает 1000 т/ч. Качающийся грохот представляет собой плоское сито, укрепленное на раме, которой передаются качания, способствующие передвижению массы материала по ситу и его рассеву. Полувибрационные и вибрационные грохоты используют для разделения материала с помощью вибраций сита грохота. Обычно вибрации механизмов и машин являются нежелательными, так как способствуют более быстрому их износу. В случае же работы грохотов вибрации поверхности сита, создаваемые тем или иным способом, являются полезными, так как обеспечивают высокую эффективность процесса грохочения. Грохочение угля должно быть организовано так, чтобы получаемые классы материала не были засорены зернами угля другого размера. Чрезмерно крупные куски угля подвергаются дроблению. Дробление необходимо не только для того, чтобы получить уголь нужного размера, удобного для обогащения в тех или иных аппаратах, но и чтобы физически отделить относительно чистый уголь от связанной с ним пустой породы, т. е. чтобы раскрыть сростки. Дробление осуществляется в аппаратах, называемых дробилками. ДРОБИЛКИ Всем известен простой аппарат, с помощью которого относительно крупные кофейные зерна можно превратить в мельчайший порошок, идущий на приготовление ароматного бодрящего напитка. Однако далеко не все знают, что у обычной кофейной мельницы есть сестры - большие промышленные дробилки, превращающие крупные куски угля и более твердых горных пород в песчинки. Это осуществляется не в одной дробилке, а в нескольких, в которых последовательно происходит крупное, среднее и мелкое дробление, а затем грубое и тонкое измельчение (аппараты для измельчения называются обычно не дробилками, а мельницами). При подготовке к обогащению угля, в отличие от большинства других полезных ископаемых, процесс дробления облегчается хрупкостью угля. Для наиболее твердого угля со значительным содержанием серного колчедана (пирита) применяют щековые дробилки. Щековые дробилки раздавливают твердые куски горных пород, как щипцы орехи: одна щека (подвижная) прижимается к неподвижной, и в этот момент происходит раздрабливание материала. Производительность этих дробилок зависит от их размеров и достигает 350 т/ч. Широкое распространение для крупного и среднего дробления угля получили зубчатые двухвалковые дробилки, раскалывающие куски угля в пространстве между валками. Производительность наиболее крупных валковых дробилок составляет 525 т/ч. Для мелкого дробления углей применяются молотковые дробилки, работающие по принципу удара. Диски с подвешенными на них тяжелыми пластинами (молотками) массой от 3 до 180 кг вращаются, и молотки дробят уголь. Производительность крупных молотковых дробилок достигает 650 т/ч. Так как на углеобогатительных фабриках в промышленных масштабах не производится измельчения углей и антрацитов, мельницы применяются только потребителями угля для энергетики, где уголь или антрацит используются в виде полезного топлива. В практике обогащения руд и углей используется принцип основателя обогащения полезных ископаемых профессора Г. О. Чечотта: «Не дробить ничего лишнего», так как процессы дробления и измельчения очень энергоемки. Для этого перед дроблением на грохотах отделяют мелкий материал, чтобы не перегружать дробилку и не переизмельчать полезное ископаемое. К подготовительным операциям также относится и извлечение из рядового угля металлических предметов, поступающих вместе с ним из шахты. Для этой цели успешно используются электромагнитные шкивы (шкивные электромагнитные железоотделители) и другие подобные электромагнитные устройства. Мы кратко рассмотрели подготовительные операции перед процессами обогащения угля. Как же обогащают уголь? ОБОГАТИТЕЛИ - «МИЧУРИНЦЫ» В ГОРНОМ ДЕЛЕ Профессор Г. М. Еланчик назвал обогатителей «мичуринцами» в горном деле. Всем известны труды нашего отечественного селекционера И. В. Мичурина и его последователей, которые искусными приемами выводили новые ценные породы растений. Подобно этому обогатители из огромных масс горных пород с незначительным содержанием ценных минералов различными способами успешно получают концентраты с высоким содержанием нужных промышленности компонентов. Для обогащения используются различия в физических свойствах материалов. Представьте себе, что нам надо отделить железные гвозди от древесных опилок, находящихся в виде смеси. Мы можем использовать разницу в магнитной проницаемости - с помощью ручного постоянного подковообразного магнита отделить ферромагнитные гвозди от опилок. Аналогичным способом из рядового угля выделяют металлические предметы. На различии в магнитной проницаемости основано магнитное обогащение (магнитная сепарация). Можно отделить гвозди от опилок другим способом - погрузить смесь в воду. Железные гвозди пойдут на дно, а древесные опилки будут плавать. Этот способ разделения основан на различии материала по плотности; так как здесь используются гравитационные силы, то и метод называется гравитационным методом обогащения. Можно также использовать различия в цвете, блеске, хрупкости, коэффициенте трения, в способности прилипать к жировым поверхностям, в смачиваемости водой и т. д. Обогащать уголь можно в разных средах: в воде, воздухе, в различных органических жидкостях и растворах. Из жидкостей наиболее дешевой, доступной и удобной является вода, и если бы уголь, который имеет меньшую, чем пустая (вмещающая) порода, плотность, мог всплыть, то вес было бы идеально. МОЖЕТ ЛИ УГОЛЬ ПЛАВАТЬ? Итак, в каком случае уголь мог бы плавать на поверхности воды, в то-время как пустая порода пошла бы ко дну? Известно, что плотность вмещающей горной породы (1800-2000 кг/м3) значительно больше плотности угля (1200-1350 кг/м3), но и порода, и уголь тяжелее воды, плотность которой 1000 кг/м . Уменьшить плотность угля хотя бы до 900 кг/м3, чтобы он плавал па поверхности воды, мы не можем. Может быть, сделать воду плотнее? Можно вообще вместо воды применить тяжелые органические жидкости бромоформ (СНВг2), трихлорэтаи (С2НС13), четыреххлористый углерод (ССl4), но эти жидкости дороги и ядовиты. Вода сделается тяжелее, если растворять в ней соли (ZncCl2, CaCl2). В этом случае можно получить раствор требуемой концентрации, а следовательно, и нужной плотности. Однако и эти растворы не очень удобны, так как они «агрессивны», т. е. разъедают оборудование. Поэтому придумали утяжелять воду, приготавливая суспензию, т. е. взвесь в воде мельчайших твердых частиц суспензоида (утяжелителя), которым обычно является тонкоизмельченный (до размера менее 0,1 мм) минерал магнетит (магнитный железняк Fe3O4), Вот в такой минеральной суспензии уголь сумеет плавать, в то время как порода, плотность которой больше плотности суспензии, опускается на дно. ОБОГАЩЕНИЕ В ТЯЖЕЛЫХ СРЕДАХ Итак, из трех видов тяжелых сред: однородных органических жидкостей, растворов солей и минеральных суспензий в практике обогащения углей получили распространение минеральные суспензии, причем, как правило, магнетитовые. Установлено, что плотность магнетитовой суспензии не может быть больше половины плотности утяжелителя. Если суспензия будет иметь большую плотность, то вязкость ее увеличится настолько, что она потеряет свойство текучести и станет непригодной для применения. Обогащение углей в суспензиях очень эффективно. Это объясняется тем, что в соответствии с законом Архимеда потеря в весе тел, погруженных в тяжелую среду, больше, чем погруженных в воду, а ускорение свободного падения тела меньше. Наиболее важными характеристиками минеральной суспензии являются плотность, вязкость и устойчивость. Основным показателем суспензии является ее плотность, зависящая от плотности утяжелителя и его объемной концентрации. Динамическая вязкость, т. е. внутреннее трение, является причиной сопротивлений, возникающих при движении жидкостей. Нормальные условия разделения угля и породы в суспензии обеспечиваются при динамической вязкости не выше 0,007 Па•с. Вязкость суспензии возрастает с увеличением концентрации в ней угольных частиц крупностью 0-1 мм, при этом эффективность разделения, особенно мелких зерен материала, снижается. Другой важной характеристикой минеральной суспензии является ее устойчивость, под которой понимается способность не расслаиваться, т. е. сохранять одинаковую плотность на различной глубине. Повышение устойчивости суспензии достигается несколькими способами: созданием восходящих и горизонтальных потоков; добавлением веществ, обладающих пептизирующими свойствами, т. е. свойствами предохранять частицы от слипания, и др. Наиболее распространенным методом стабилизации суспензии является поддержание ее постоянной плотности с помощью создания восходящих и горизонтальных потоков. Для приготовления суспензии в качестве утяжелителя используется магнетитовый концентрат, т. е. продукт обогащения магнетитовой руды, плотностью 4300-4900 кг/м3, поступающий на углеобогатительные фабрики западных районов с Южного горнообогатительного комбината, из Кривого Рога, а на фабрики восточных районов - с Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбината. Обогащение угля в магнетитовой суспензии осуществляется в тяжелосредных сепараторах. ЧТО ТАКОЕ ТЯЖЕЛОСРЕДНЫЕ СЕПАРАТОРЫ Тяжелосредные сепараторы - аппараты для разделения (сепарации) материала в тяжелой среде (суспензии). По принципу действия они разделяются на два типа: сепараторы, разделение угля и породы в которых производится на основе действия только сил тяжести, и сепараторы, использующие для этих целей центробежные силы Сепараторы первого типа бывают колесные и конусные. Колесные в свою очередь делятся на сепараторы с наклонным колесом и сепараторы с вертикальным колесом, Последние получили наибольшее распространение. Они применяются для обогащения угля крупностью от 6 до 300 мм. Сепаратор с вертикальным колесом (рис. 5) состоит из корпуса 7, на котором установлены элеваторное колесо 2 с приводом 3, гребковый механизм 4 с приводом и концентраторный желоб 5. Исходный продукт поступает в ванну сепаратора через загрузочное устройство. Через нижний патрубок в ванну подается восходящий поток суспензии. Всплывшая фракция (уголь) разгружается гребковым механизмом, а утонувшая (пустая порода) оседает в ковшах элеваторного колеса и при его вращении выгружается из сепаратора. Для обогащения в тяжелых средах мелкого угля применяют сепараторы, использующие центробежные силы, - тяжелосредные гидроциклоны. Рис. 5. Сепаратор для обогащения угля в тяжелой среде. КРОМЕ ЦИКЛОНОВ И АНТИЦИКЛОНОВ СУЩЕСТВУЮТ ГИДРОЦИКЛОНЫ Изменения погоды мы ощущаем очень чутко. Накануне очередного рабочего дня слушаем по радио и телевидению прогноз погоды, из которого узнаем, что неприятный циклон с дождями сменяется устойчивым антициклоном, сопровождающимся ясной погодой. Однако этим число циклонов не исчерпывается. В технике термин циклон применяют для обозначения сосудов с верхней цилиндрической и нижней конической частью. Если в этих циклонах циркулирует вода, то они называются гидроциклонами (водяными циклонами). В гидроциклоны может подаваться и тяжелая среда, например минеральная суспензия. Такие аппараты и называются тяжело-средними гидроциклонами (иногда их называют просто тяжелосредыми циклонами). Гидроциклон - очень интересный аппарат. В нем нет подвижных деталей и узлов, требующих для своего функционирования определенной затраты энергии. Кроме того, используемые в гидроциклоне центробежные силы во много раз превосходят силы тяжести, что дает гидроциклонам большие преимущества перед другими обогатительными аппаратами. Тяжелосредные цилиндроконические гидроциклоны применяют для обогащения угля, антрацита и сланца крупностью от 0,5 до 25 мм, причем иногда верхний предел крупности может быть увеличен до 30 и даже 40 мм Гидроциклон (рис. 6) состоит из приемной камеры 7, сливной камеры 2, сливной насадки 3, конуса 4 и нижней насадки 5. Суспензия с частицами угля над напором тангенциально (по касательной) поступает в приемную камеру. Под действием центробежной силы суспензий расслаивается, и при этом плотность ее возрастает с приближением к стенкам гидроциклона. Частицы обогащаемого угля также расслаиваются по плотности - легкие фракции (чистый уголь) всплывают на поверхность суспензии и вместе с частью суспензии выходят через сливную насадку, а тяжелые фракции (порода) перемещаются но спирали по стенкам гидроциклона и разгружаются через нижнюю насадку. Подбирая размер нижней (породной) насадки, можно изменять плотность разделения. Производительность гидроциклона по твердому может достигать 100 т/ч. Рисунок 6 - Гидроциклон Необходимо упомянуть также о том, что циркулирующая в схеме обогащения в тяжелых средах суспензия насыщается тонкими частицами обогащаемого материала и теряет свою текучесть. Полная замена загрязненной суспензии свежей нецелесообразна, из-за больших расходов утяжелителя. Поэтому суспензию подвергают регенерации (буквально «возрождению»), что осуществляется с помощью барабанных электромагнитных сепараторов, так как магнетит - утяжелитель обладает высокой магнитной восприимчивостью. Мы кратко ознакомились с обогащением угля, основанном на различии в плотностях угля и породы непосредственно, т. е. со случаем, когда более легкий уголь всплывает, а более тяжелая порода тонет. Однако существуют также методы обогащения, использующие различие в плотности не прямо, а косвенно, например разницу в скоростях падения частиц в воде и в воздухе. Для этого, прежде всего надо определить, может ли зерно материала преодолеть силу встречного потока. МОЖНО ЛИ СПУСТИТЬСЯ В МЕТРО ПО ЭСКАЛАТОРУ, ДВИЖУЩЕМУСЯ ВВЕРХ? Сравнительно долгое время метрополитен был одним из достопримечательностей только нашей столицы. Затем вступили в строй метро Ленинграда и Киева, а сейчас этим удобным и быстрым видом транспорта пользуются жители и гости многих крупных городов пашей страны. Поэтому можно с уверенностью сказать, что подавляющее большинство читателей этой книги спускались в метро по лестнице-чудеснице эскалатору. Кроме того, эскалаторы сейчас устанавливаются и в многоэтажных магазинах, т. е. они широко известны. Так вот, можно ли спуститься в метро по эскалатору, движущемуся вверх? Допустим, эскалатор, доставляющий пассажиров на подземную станцию метро, переполнен, а движущийся вверх только что пустили и он совершенно свободен. Да, ответите вы, по нему можно спуститься, но только надо бежать вниз быстрее, чем эскалатор движется вверх. Тогда, хотя и с трудом, но можно достичь нижнего вестибюля метро. Аналогичное явление происходит и при обогащении в восходящей струе воды. Если скорость этой струи является средней между скоростью падения тяжелой частицы (частицы породы) и легкой частицы (зерна угля), то тяжелая частица, хотя и медленно, но верно опустится на дно обогатительного аппарата, а легкая - так и не сможет преодолеть силу восходящего потока и отделится от пустой породы. Обычно в практике обогащения угля используют комбинацию восходящей и нисходящей струй, которые действуют попеременно. Обогащение в таких переменных по направлению и скорости потоках называется отсадкой ОТСАДКА Процесс разделения по плотности смеси угля, сростков угля с породой и породы в переменных по направлению и скорости струях воды называется гидравлической отсадкой. При движении струи воды вверх быстрей поднимаются легкие частицы угля, а частицы породы большей плотности отстают. Когда же струя воды меняет свое направление и начинает двигаться вниз, тяжелые частицы первыми устремляются вместе с нисходящим потоком. Таким образом, в результате таких многократных изменений направления движения водных струй, смесь материала расслаивается: внизу накапливаются тяжелые частицы породы, легкий уголь собирается в верхнем слое, а сростки занимают среднее положение. Чтобы лучше себе представить сущность отсадки, предположим, что в большую корзину, с которой ходят собирать грибы, вы насыпали смесь песка и угля, с примерно одинаковым размером зерен. Затем с этой однородной смесью вы входите по колени в реку и начинаете, погрузив корзину в воду, двигать ее вверх и вниз, не вынимая из воды. Через дно корзины струйки воды будут проходить свободно, и через некоторое время на дне корзины образуется два слоя: нижний, состоящий из более тяжелого песка, и верхний, представляющий собой черные частицы угля. Таким образом, вы осуществили процесс отсадки в «аппарате с подвижным решетом». Обычно же применяют обогащение в отсадочных машинах с неподвижным решетом, через которое проходят струи воды под действием поршня или сжатого воздуха. На рис. 7 показана схема беспоршневой отсадочной машины. Корпус 1 с Uобразным дном разделен не доходящей до дна перегородкой в продольном направлении на два сообщающихся отделения: отсадочное (рабочее) 2, в котором расположено неподвижное решето 3, и воздушное 4. Исходный материал поступает в отсадочное отделение на решето. В поперечном направлении машина разделена на две или три ступени, каждая из которых предназначена для выделения одного из тяжелых продуктов. Воздушное отделение служит для создания переменного по направлению и скорости движения потока воды с помощью периодического впуска и выпуска сжатого воздуха из воздушного отделения. Естественно, что во время работы машина заполнена водой. Так как воздушное и отсадочное отделения сообщаются между собой, во время впуска воздуха в воздушное отделение вода устремляется вверх в рабочее отделение через отверстия решета. В этот момент материал, находящийся на решете, подвергается действию восходящей струи воды. При выпуске воздуха из воздушного отделения вода устремляется вниз, стремясь занять прежнее положение, и на частицы материала действует нисходящая струя. В результате воздействия на обогащаемый материал переменных по направлению и скорости струй воды происходит его разделение На тяжелый продукт, образующий нижний слой, и легкий продукт - уголь, концентрирующийся вверху. Общий слой материала, находящийся на решете отсадочной машины, называется постелью. Рис. 7 Схема беспоршневой отсадочной машины ОТСАДОЧНАЯ МАШИНА И ЕЕ ЖЕСТКАЯ ПОСТЕЛЬ Промышленная отсадочная машина сложнее, чем аппарат, схематично изображенный на рис. 6. В настоящее время на углеобогатительных фабриках работают беспоршневые отсадочные машины, позволяющие изменять характер пульсаций струй воды или, как говорят, цикл отсадки. Схема устройства современной отсадочной машины изображена на рис. 8. Отсадочная машина имеет следующие конструктивные элементы: устройство для загрузки исходного угля 7, совмещаемое с устройством для отделения избытка транспортной воды и шлама; отсадочное решето 2, через которое проходит пульсирующая в машине вода и разгружаются наиболее мелкие частицы тяжелого продукта; пульсатор 3 с приводом, обеспечивающий чередование восходящего и нисходящего потока воды в надрешетной части отсадочного отделения; разгрузочные устройства 4, обеспечивающие непрерывное удаление тяжелых продуктов отсадки; корпус отсадочной машины 5. Процесс отсадки происходит в том слое материала, который называется постелью. Наряду с естественной постелью, представляющей собой слой частиц тяжелых минералов, попавших на решето из исходного материала, иногда «селят» на решето искусственную постель из зерен минерала, не содержащегося в исходном угле. Эта искусственная постель разрыхляется при движении воды вверх и уплотняется при движении водной струи вниз. Сравнительно мелкие частицы тяжелого продукта проходят через промежутки между зернами такой постели, а как только туда устремляются легкие угольные частицы, засасываемые нисходящей струей, зерна постели сближаются и закрывают проход углю. Это в значительной степени увеличивает эффективность процесса отсадки. Под действием поступающего загружаемого материала и несущего его потока транспортной воды вся постель перемещается в горизонтальном направлении и разгружается через разгрузочные щели, которыми заканчивается каждая ступень машины. В первой ступени выгружается порода (отходы), во второй - промпродукт (промежуточный продукт). Кроме того, как уже упоминалось, мелкие частицы тяжелых продуктов разгружаются через постель и решето. Обогащенный уголь (концентрат, или, как иногда говорят, мытый уголь) удаляется вместе с водой через сливной порог. В зависимости от размеров и конструкций отсадочных машин их производительность составляет от 80 до 650 т/ч по исходному углю, а крупность обогащаемого материала находится в пределах 0,5 - 13, 0,5 - 150, 13 - 150 (для углей) или 6 - 250 мм (для антрацита). Существуют и другие методы обогащения углей. Так, для самых мелких (тонких) частиц применяется способ разделения, при котором используются пузырьки воздуха, образующие вместе с частицами угля пышную пену. Рисунок 8 - Схема устройства современной отсадочной машины МОЖНО СНИМАТЬ ПЕНКИ НЕ ТОЛЬКО С ВАРЕНЬЯ Когда варят варенье, на поверхности образуются пенки, которые снимают. На обогатительных фабриках тоже снимают пенки, и они, хотя и не сладкие, не менее ценные. Эти пенки или вернее, минерализованная пена несут большое число обогащенных тонких частиц угля. Во всем мире ежегодно в такой пенный продукт переходит около 80 млн. т угля. Другим способом достаточно эффективно невозможно обогащать угольные частицы размером менее 0,5 мм. «А зачем обогащать такой мелкий материал?» - спросите вы. Раньше, до сороковых годов нашего столетия у нас, да и во многих других странах такие тонкие частицы угля не обогащали - их просто добавляли к более крупному концентрату, полученному другими методами, или выбрасывали. В дальнейшем же, когда шахты стали механизированными, количество угольной мелочи резко возросло, и на обогатительные фабрики стало поступать весьма много материала крупностью менее одного и даже 0,5 мм. В процессе транспортировки на фабрику и на самой фабрике количество мелочи значительно увеличивается. В настоящее время на фабриках оказывается до 30% угля с размером частиц менее 1 мм. Добавлять к концентрату отсадки такой материал без обогащения невозможно, так как он к тому же отличается высокой зольностью. Направлять в отходы до 30% ценного угля, особенно коксующегося, экономически невыгодно. Тонкий уголь стали обогащать очень интересным методом, который называется флотация. РОМАНТИЧЕСКОЕ СЛОВО «ФЛОТАЦИЯ» Когда мы слышим слово «флот», в нашем воображении возникает или эскадра военных кораблей, или пароходы торгового флота, совершающие рейсы в далекие страны. Слово «флотация» имеет тот же корень «флот» и означает всплывание. Это латинское слово перешло во все европейские языки: по-русски - флотация, по-английски (флотейшн), по французски - (ля флотасьон), по-немецки - (ди флотацион) и т. д. Даже пояпонски это слово звучит несколько похоже - «фусэн». Так что же такое флотация? Флотация - это метод обогащения полезных ископаемых, основанный на различии в поверхностных свойствах минералов и в первую очередь в смачиваемости их водой. Все материалы отличаются различным отношением к воде. Есть «любящие» воду по-гречески - гидрофильные, а есть «боящиеся» воды - гидрофобные. Чистое стекло, так же как и кусочки кварца, - гидрофильно . Если на поверхность чисто вымытого стакана нанести пипеткой каплю воды, то она потечет по этой поверхности, равномерно смачивая ее. Однако если в этом стакане находится какой-нибудь жир или масло или такие загрязнения покрывают его стенки, то вода, попавшая сюда, останется на стенках стакана в виде маленьких шариков-капелек, напоминая капельки ртути. В данном случае поверхность стекла не смачивается водой она гидрофобна. Из этого примера также следует, что можно искусственно превращать гидрофильные поверхности в гидрофобные. ДРЕВНЯЯ ПЕРСИДСКАЯ РУКОПИСЬ И ФЛОТАЦИЯ Флотационный метод обогащения был открыт случайно. Кэрри Эверсон полоскала в реке мешки, в которых раньше находился медный колчедан (халькопирит). Так как мешки были с пятнами жира, то частички оставшегося в мешках колчедана и капельки жира одновременно попали в воду и, к удивлению женщины, мелкие частицы колчедана, плотность которого явно больше плотности воды, не утонули, а поплыли по воде, окруженные капельками масла. Это навело на мысль о том, что с помощью масла или жира, всплывающего в воде, можно поднять на поверхность воды частицы ряда ценных минералов, т. е. использовать обнаруженное явление для обогащения полезных ископаемых. Такой технологический процесс был назван масляной флотацией (всплывание с помощью масла). Это произошло в 1885 г. Справедливости ради, надо отметить, что первый патент на аналогичный технологический процесс был взят за 25 лет до этого события - в 1860 г. Гёте сказал, что «новое - это основательно забытое старое». Оказалось, что в одной древней персидской рукописи XV века, датированной историками 1491 годом, имеется описание четырех обогатительных процессов, составленное Мэксюром. В двух из них предусматривалось предварительное перемешивание с маслом разделяемых минералов с последующим отделением ценных минералов, избирательно смачивающихся маслом и не смачивающихся водой (гидрофобных), от гидрофильной пустой породы, которая не всплывала. В одном таком процессе предусматривалось обогащение ультрамарина, в другом - азурита. Вообще же свойство отдельных веществ, в первую очередь металлов, избирательно прилипать к смазанной жиром поверхности было известно очень давно. Знаменитый древнегреческий историк и путешественник Геродот описывает способ, которым из ила доставали золотинки. Для этого использовали гусиные перья, смазанные жиром, к которым прилипали золотые песчинки, причем этой работой обычно занимались молодые девушки. ПОЧЕМУ ИГЛА НЕ ТОНЕТ? При обогащении материалов флотацией могут использоваться силы поверхностного натяжения воды. Если осторожно положить совершенно горизонтально на поверхность воды, налитой в чашку, металлическую иглу, то она не утонет, а будет спокойно лежать, лишь прогибая поверхностный слой. Этот простой опыт показывает, какое значение может иметь поверхностное натяжение жидкости, ее поверхностная энергия. Существовал и метод обогащения - пленочная флотация. В аппаратах пленочной флотации разделяемый материал медленно вводился в воду наклонным ленточным конвейером. Гидрофобные частицы оставались на пленке воды, поддерживаемые силами поверхностного натяжения, а гидрофильные сразу смачивались водой и вместе с конвейером погружались в глубину аппарата. Однако такой способ имел ряд недостатков, из которых важнейшими были - малая производительность (конвейер двигался медленно, чтобы поверхность воды была спокойной) и возможность обогащать только очень тонкий материал, масса частиц которого позволяла бы им удерживаться на поверхности воды. В связи с этим пленочная флотация не получила широкого распространения и так же, как и масляная, была вытеснена пенной флотацией. ПЕННАЯ ФЛОТАЦИЯ В современном мире из пены ежегодно извлекается огромное число частиц различных ценных минералов. Осуществляется это способом пенной флотации, при котором частицы полезных минералов прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются в пенный слой, а частицы пустой породы остаются в толще веды. Применение пенной флотации дало возможность эффективно обогащать мельчайшие частицы руд цветных и редких металлов, сырья для химической промышленности, Минеральных удобрений, строительных материалов и т. п. Зачем же обогащать мелкие частицы руд, не лучше ли использовать более крупные? Дело в том, что в настоящее время в большинстве случаев добываются тонковкрапленные руды, в которых включения ценных минералов рассеяны в виде мельчайших зернышек в толще пустой породы. Естественно, что перед обогащением руду необходимо раздробить и измельчить, чтобы физически освободить рудные минералы от породы. Затем же используют самый эффективный способ обогащения материала такой крупности (менее 0,1 мм) - пенную флотацию. Так как сейчас повсеместно используется только пенная флотация, то в случае, когда имеют в виду этот метод флотации, говорят и пишут просто флотация. Флотация тонких угольных частиц (менее 1 мм), так называемых шламов, впервые была применена в угольной промышленности в 1921 г. В нашей стране первую промышленную установку для флотации угля пустил И. Ф. Пахалок в 1935 г, на НовоЕнакиевской углеобогатительной фабрике при коксохимическом заводе. Впервые на предприятиях угольной промышленности флотацию применил И. С. Благов в 1950 г. на Ирминской ЦОФ. В дальнейшем технология флотации углей непрерывно совершенствовалась. Что же такое технология флотации? ТЕХНОЛОГИЯ ФЛОТАЦИИ Слово «технология» происходит от древнегреческих слов (техие) - искусство и (логос) - учение и означает совокупность сведений о способах переработки того или иного сырья в готовое изделие, а также совокупность процессов такой переработки. Технология флотации каменных углей и антрацитов - совокупность сведений о способах флотационного обогащения каменноугольных и антрацитовых шламов с целью получения концентрата низкой зольности при достаточном его количестве и высокозольных отходов. Чтобы правильно управлять процессом флотации, надо знать наиболее совершенные приемы ведения этого процесса. Французский политический деятель О. Мирабо, живший почти двести лет назад, сказал, что порядок и последовательность нужнее великих дарований, чтобы хорошо управлять. Определенный порядок и последовательность крайне нужны при управлении таким процессом обогащения углей, как флотация. Это приобретает еще большее значение, если учесть, что в нашей стране флотируется в год угольного шлама больше, чем во всех других странах нашей планеты вместе взятых. Технология флотации углей включает в себя следующие операции: подготовку пульпы, т. е. смеси угля с водой, контакт со специальными веществами, собственно флотацию и обезвоживание продуктов флотационного обогащения. Процесс современной пенной флотации происходит следующим образом. Через толщу пульпы, состоящей из воды и взвешенных в ней тонких частиц угля и пустой породы, проходят пузырьки воздуха, к которым прилипают частицы угля. Мельчайшие частицы угля, закрепившиеся на пузырьке, как на воздушном шаре поднимаются на поверхность. На поверхности пульпы «воздушный шар» может лопнуть и тогда уголь снова упадет вниз. Чтобы этого не случилось, пузырьки особым образом стабилизируют, и они не разрушаются, а образуют минерализованную черную пышную пену, которую специальными лопастями удаляют в концентратный в желоб. Несфлотировавшиеся частички пустой породы остаются в камере машины, образуя камерный продукт, который выходит из машины как отходы флотации. Для успешного протекания процесса флотации необходимо подобрать наиболее оптимальные условия, такие как крупность исходного шлама, плотность пульпы, содержание в ней твердого и т. д. При этом следует учитывать множество независящих от нас факторов, которые влияют на технологический процесс. Это метаморфизм (углефикация) угля, его минеральный состав, степень окисленности поверхности угольных зерен, характер включения пустой породы, форма частиц угля, его пористость (содержание и размер пор) и наличие размещаемых глинистых включений, а также свойства применяемой воды. Наилучшей (оптимальной) крупностью зерен угля, поступающих на флотацию, считается 0,25-0,5 мм, хотя хорошо флотируются частицы от 0,02 до 1 мм. Так как выделить частицы размером менее 0,02 мм крайне затруднительно, на флотацию практически направляется материал крупностью 0-0,5 мм или даже 0-1 мм. Весьма существенно влияет на результаты флотации значение плотности пульпы, зависящее от содержания в ней твердого. Питание флотации представляет собой смесь твердого и жидкого - исходного необогащенного угольного шлама и воды. Необходимо решить, при каком же соотношении твердого и жидкого результаты процесса флотации будут лучше? Казалось бы, чем больше твердого, тем выше производительность флотационных машин. Однако при увеличении плотности пульпы ухудшается качество разделения угольных и породных частиц. Многочисленными опытами было доказано, что оптимальной плотностью питания угольной флотации является плотность от 80 до 150кг/м3 (80-150 г/л). Однако в питании флотации должны содержаться также специальные вещества, способствующие флотации. По аналогии с веществами, необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека даже при достаточно калорийном питании, известный обогатитель А. Ф. Таггарт назвал эти, химические соединения «витаминами флотации». Официальное название этих «витаминов» - флотационные реагенты. «ВИТАМИНЫ ФЛОТАЦИИ» - ФЛОТАЦИОННЫЕ РЕАГЕНТЫ. Итак, флотационные реагенты - вещества, способствующие флотации. Обычная промышленная флотация невозможна без реагентов Как правило, при флотации углей применяют два типа реагентов - собиратели, повышающие способность флотируемых частиц концентрироваться на поверхности пузырьков газа, и пенообразователи, сообщающие жидкости способность к образованию пены. В качестве собирателей используют а полярные (неполярные) вещества, а пенообразователей - гетерополярные (разнополярные) вещества, обладающие высокой поверхностной активностью (их также называют поверхностно-активными веществами, сокращенно ПАВ). Выбор наиболее оптимального реагента для флотации углей является очень важным и сложным процессом вследствие ряда обстоятельств. Дело в том, что к реагентам для флотации угольных шламов предъявляется ряд требований. Во-первых, реагенты должны обладать высокой эффективностью, т. е. обеспечивать значительный выход пенного продукта. Во-вторых, реагенты обязаны иметь высокую селективность (избирательность) действия, т. е. при большой эффективности «вытягивать» в пену только чистый уголь низкой зольности. В-третьих, реагенты должны быть постоянными по составу и свойствам, что тоже нелегко обеспечить, учитывая, что они представляют собой обычно смеси веществ. Четвертым требованием к реагентам является требование отсутствия токсичности (ядовитости). Это очень важное условие, так как даже при наличии незначительной опасности для здоровья рабочих реагент не применяется. Перед тем как реагент начинают применять в промышленности, он подвергается тщательному токсилогическому исследованию: подопытные животные получают реагент с пищей, дышат его парами, на участок их кожи с выбритой шерстью наносят капли исследуемого вещества. Только при наличии положительного заключения специального института главный санитарный врач - заместитель министра здравоохранения союзной республики дает разрешение применять новый реагент в промышленности, так как забота о здоровье трудящихся - высший закон. Пятым требованием к флотационным реагентам является требование отсутствия резкого или неприятного запаха. Реагент может быть безвредным, но при этом обладать таким запахом, пребывание в атмосфере которого в течение смены вызывает у человека отрицательные эмоции и утомление. В одной исследовательской лаборатории был разработан эффективный и безвредный реагент, который даже и не отличался при лабораторных опытах плохим запахом. Однако во время промышленных испытаний в Кузбассе в больших количествах он обнаружил такой неприятный «аромат», что мы отказались от него только по этой причине. К шестому и седьмому требованиям относят необходимость обеспечения хорошей текучести и малой вязкости реагента при низких температурах. Это имеет особенно большое значение для обогатительных фабрик, расположенных в Сибири - в Кузнецком бассейне. Большие морозы могут сделать невозможным применение реагентов, хороших во всех отношениях, по застывающих при низких температурах. Естественно, что реагент не должен обладать легкой воспламеняемостью и быть взрывоопасным. Восьмым требованием к реагенту является требование отсутствия корродирующего действия на оборудование флотационного цеха, оборудование не должно ржаветь и портиться. Наконец, к реагентам предъявляются два экономических требования недефицитность и невысокая стоимость. Это не одно и то же, так как даже сравнительно дешевый, получаемый без больших трудностей и затрат химический продукт может быть дефицитен из-за необходимости использования его в других отраслях промышленности или из-за большой удаленности завода-изготовителя от потребителя - обогатительных фабрик. В то же время часто по ряду причин недефицитное химическое вещество стоит дорого и поэтому не может быть использовано в качестве реагента в угольной флотации. Таким образом, изыскание и подбор веществ, удовлетворяющих перечисленным требованиям, представляет собой весьма сложную задачу, которой приходится заниматься исследователям, работающим в области флотации. В настоящее время в нашей стране применяются следующие аполярные реагентысобиратели: керосин, АФ-2, ААР-1, ААР-2 и печное топливо. Все это продукты нефтяной и газовой промышленности. Реагент ААР-1 (аполярный ароматизированный реагент) отличается стабильностью состава и нетоксичностью. С 1978 г. производится новый реагент ААР-2, отличающийся большим содержанием ароматических соединений. По внешнему виду реагенты ААР-1 и ААР-2 представляют собой коричневую жидкость. Реагент ААР-2 широко распространен на углеобогатительных фабриках Кузбасса. Реагент печное топливо - ТПБ (топливо печное бытовое) представляет собой маслянистую жидкость желтого цвета. Этот реагент применяется на фабриках Ростовской области, в Кузбассе и особенно широко - в Карагандинском бассейне. Средний удельный расход его 1,8 кг на 1 т угля, но на большинстве фабрик Караганды, где упорядочен реагентыый режим, его расход ниже - 1,1 - 1,6 кг на 1 т угля. К недостаткам печного топлива относится непостоянство его состава, что может привести к ухудшению качества концентрата и чрезмерному пенообразованию. Кроме флотации, этот реагент используется в качестве топлива, что и определяет его название. Из гетерополярных реагентов-пенообразователей применяются в основном два: реагент Т-66 (и его модификация Т-80) и кубовые остатки производства бутилового спирта (КОБС). Другие гетерополярные реагенты: высшие спирты, «масло-X», ТЭФ-2 и пенореагент - применяются на одной или двух фабриках и поэтому здесь не рассматриваются. Реагент Т-66 был предложен для флотации руд, поскольку гетерополярные реагенты выполняют в основном роль пенообразователей (т. е. создают пену, которая не разрушается в камере флотационной машины, но легко разрушается при транспортировке ее по желобам), они могут применяться при обогащении всех полезных ископаемых, в том числе и углей, Т-66 нашёл широкое применение при флотации угольных шламов в Донбассе и Грузии. По внешнему виду реагент Т-66 представляет собой легкоподвижную однородную нерасслаивающуюся жидкость от желтого до коричневого цвета. Получается этот реагент на заводах синтетического каучука в качестве побочного продукта. Расход Т66 на большинстве фабрик составляет от 30 до 90 г на 1 т угля. В настоящее время реагент Т-66 заменяется его измененным вариантом - реагентом Т-80, по свойствам подобным реагенту Т-66. Кубовые остатки производства бутилового спирта (КОБС) - эффективный гетерополярвый реагент, был предложен для флотации углей, но он может также быть применен и при флотации руд. По внешнему виду этот реагент представляет собой прозрачную подвижную однородную маслянистую жидкость желтовато-коричневого цвета с очень слабым запахом. Получается КОБС как побочный продукт производства бутилового спирта. Реагент застывает только при морозе от 50 до 65° С, т. е. пригоден для углеобогатительных фабрик, расположенных в районах с суровой зимой. В настоящее время КОБС применяется на всех фабриках Кузбасса и Караганды при расходе, от 30до250гна1т угля. Изыскания и исследования новых аполярных и особенно гетерополярнкх реагентов проводятся научно-исследовательскими институтами угольной промышленности. Однако существует метод флотации, при применении которого удастся не употреблять реагенты или употреблять их при минимальном расходе, это обогащение в пустоте или вакуумная флотация. ОБОГАЩЕНИЕ СПОМОЩЬЮ ПУСТОТЫ ИЛИ ВАКУМНАЯ ФЛОТАЦИЯ Существует способ флотации, особенно эффективный для тонких (очень мелких) частиц угля, в котором основную роль играют мельчайшие пузырьки воздуха, выделяющиеся из раствора. Как известно, в воде растворен воздух, и если поместить сосуд с водой в пространство, в котором будет создаваться разрежение - вакуум (уасиит по-латыни пустота), то этот воздух выделится в виде мельчайших пузырьков. Всем хорошо знакомо явление выделения мельчайших пузырьков на стенках стакана с минеральной водой, например «Боржоми», Если опустить в эту воду чайную ложечку, то на ней сразу же появятся мельчайшие шарики - пузырьки воздуха, чем-то даже похожие на капельки ртути. В угольной пульпе роль чайной ложечки играют тонкие шламы - мельчайшие частицы угля. Выделение воздуха происходит в соответствии с законом Генри, по которому растворимость газов прямо пропорциональна давлению над раствором. Поэтому при падении давления - разрежении (вакууме) из раствора начинают быстро выделяться пузырьки воздуха. Рискнок 9 - Стадии взаимодействия частицы угля с воздушными пузырьками Еще в 1906 г. был предложен этот способ - вакуумная флотация (процесс Эльмора), однако в дальнейшем он практически был забыт и применялся только на некоторых английских углеобогатительных фабриках. Советский ученый профессор В. И. Классен и его сотрудники возродили этот метод. В. И. Классеном было открыто явление так называемой коалесцентной минерализации (коалесцепция - слияние). Дело в том, что флотации иногда мешает то, что крупные пузырьки воздуха, обладающие большой подъемной силой, не закрепляются на многих угольных частицах, недостаточно обработанных реагентами. В то же время мелкие пузырьки легко закрепляются на этой частице, но их подъемная сила мала для того, чтобы поднять па поверхность пульпы это зернышко угля. Когда же крупный пузырек приближается к частице с сидящим на ней мелким пузырьком, он сливается с ним, и частица оказывается на пузырьке, который как воздушный шар поднимает ее в пенный слой (рис. 9). Поэтому сочетание аэрации (насыщения воздухом) путем выделения газов из раствора с обычной подачей воздуха во флотационную машину способствует лучшему обогащению частиц различной крупности. Этот принцип был использован в эжектор пых флотационных машинах. Вместо создания вакуума для флотации можно насыщать угольную пульпу воздухом под давлением, (так же, как это делается для получения питьевой газированной воды), а затем направлять ее в область обычного атмосферного давления. Здесь растворенный ранее воздух выделится в виде мельчайших пузырьков. Это так называемая компрессионная (или напорная) флотация. Сам процесс флотационного обогащения при компрессионной флотации происходит так же, как и при вакуумной. Кстати, к применению вакуума на углеобогатительных фабриках придется еще вернуться в разделе о фильтровании. Как и другие процессы обогащения угля, флотация осуществляется в специальных аппаратах, называемых флотационными машинами. ФЛОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ На углеобогатительных фабриках установлены флотационные машины разных типов. Рассмотрим одну из наиболее распространенных - машину МФУ2-6.3 (машина флотационная угольная с двухстадиаяыюй аэрацией и объемом камеры 6,3 м ). Эта машина (рис. 10) состоит из шести последовательно расположенных камер 1, приемного кармана 2, пеносъемника 3, блок-аэраторов 4 с приводами 5 (по два на каждую камеру), камеры соединяются между собой переливными карманами 6. Рис.10 Флотационная машина одготовленная к флотации пульпа подается в приемный карман первой камеры, а затем по трубе-пульповоду поступает в полость импеллера. В импеллер же по воздушной трубе подается воздух. После перемешивания в зоне импеллера подготовленная пульпа поступает в камеру. Благодаря тому, что зона импеллера отделена от зоны флотации, минерализация пузырьков воздуха, в результате которой пузырьки «нагружаются» мельчайшими угольными частицами, и их всплывание происходят в спокойной пульпе, что способствует сохранению на поверхности пузырьков угольных частиц. Минерализованные пузырьки воздуха, всплывшие на поверхность, в виде пены удаляются лопастными пеносъемниками. Пульпа поступает из первой камеры в переливной карман, а из него идет во вторую камеру двумя путями: в пульповод и непосредственно в камеру через отверстие, регулируемое шибером (заслонкой). Во второй камере флотация продолжается, а затем пульпа поступает в третью камеру и т. д. Пульпа, удаляемая из последней камеры, представляет собой отходы операции флотации. Флотационная машина МФУ2-6,3 имеет производительность по твердому 60 т/ч, а по пульпе 450 м3/ч. Ведутся исследовательские работы, в результате которых уже созданы флотационные машины еще большей производительности. Флотация относится к методам обогащения полезных ископаемых, которые осуществляются в водной среде. А если вместо воды, которая в ряде районов нашей страны не имеется в избытке, применить воздух? МОЖНО ЛИ ОБОГАЩАТЬ УГОЛЬ В ВОЗДУХЕ? На вопрос «можно ли обогащать уголь в воздухе?» следует ответить утвердительно. И уголь, и порода тяжелее воздуха, но они также тяжелее и воды, и тем не менее, как мы видели, успешно разделяются в водной среде. Воздух является менее плотной средой, чем вода, а поэтому обогащение в нем менее эффективно. Однако в районах с суровым климатом, в Воркуте и на Северном Урале, обогащение в воздушной среде - пневматическое обогащение, получило распространение. При чем здесь суровый климат? А дело в том, что в местностях с холодной зимой влажный уголь сильно смерзается, что очень затрудняет различные операции с ним. Кроме того, пневматическое обогащение отличается простотой технологических схем, низкой стоимостью обогатительных фабрик, небольшими затратами на процесс обогащения, малой энергоемкостью, отсутствием водно-шламового хозяйства и получением продуктов обогащения, не нуждающихся в сушке. Для пневматического обогащения крупных и средних (0-75 мм) классов легко обогатимых углей применяют пневматические сепараторы, а для обогащения мелких классов (0-25 мм) - пневматические отсадочные машины. Пневматические сепараторы имеют поверхность сепарации от 6,7 до 12 м2 длину от 6 до 8 м при ширине от 3 до 3,5 м и высоте от 5,5 до 7,5 м. Их производительность по исходному материалу составляет от 40 до 100 т/ч в зависимости от размеров. Работа пневматического сепаратора основана на принципе разделения исходного материала по плотности в восходящей струе воздуха. Пневматические отсадочные машины производят расслоение обогащаемого материала в слое угольной постели под действием пульсирующего воздушного потока. Размеры пневматических отсадочных машин находятся в следующих пределах: длина от 4 до 6 м, ширина от 1,7 до 1,9 м, а высота от 3 до 4 м, Общая площадь плоскости разделения - деки составляет от 2,8 до 4,5 м , а производительность по исходному углю - от 30 до 100 т/ч. Технологические схемы обогащения пневматическим методом отличаются большой простотой. После предварительной классификации угля крупный класс(13-75 или 25-75 мм) обогащается на пневматических сепараторах, а мелкий (0-13или 0-25 мм) на пневматических отсадочных машинах. Иногда мелочь отсеивается, а в пневматических сепараторах обогащается только крупный (13-75 мм) уголь. В последнее время начали использовать для крупного угля (13-75 мм) гидравлическую отсадку, а для мелкого (0-13 мм) - обогащение в пневматических отсадочных машинах. 4 В годы Великой Отечественной войны, когда Донбасс был оккупирован фашистами, донецкие шахты были затоплены, а обогатительные фабрики разрушены, главнейшей кочегаркой страны стал Кузбасс. Для обогащения кузнецких углей строились фабрики с пневматическим методом обогащения. Эти углеобогатительные фабрики не требовали воды, продукты обогащения не подвергались смерзанию в условиях суровой сибирской зимы, не нуждались в сушке. Пневматический метод обогащения сыграл большую роль в те трудные, героические годы, когда и самоотверженный труд советских людей в тылу обеспечивал, наряду с ратными подвигами солдат, победы на фронте. С обогатительных фабрик Кузбасса поступал концентрат для коксовых печей и электростанций, чем обеспечивалась работа металлургических заводов и других предприятий, отопление и освещение. В настоящее время пневматический метод находит значительно меньшее применение: из-за нечеткости разделения он используется только для низкосортных углей. Следует также отметить, что крупным недостатком пневматического метода обогащения углей является и чрезмерная чувствительность этого процесса к влажности материала. При повышенной влажности исходного материала (свыше 5%) снижается и производительность, и эффективность работы аппаратов для пневматического обогащения. Развитие же получают наиболее прогрессивные, обеспечивающие высокую эффективность разделения, методы обогащения.- обогащение в тяжелых средах, гидравлическая отсадка и флотация. Долевое участие пневматических методов в общем объеме обогащения углей непрерывно снижается. В США пневматическим методом обогащается примерно 5% углей, а в большинстве европейских стран этот способ обогащения вообще не применяется. Производительность пневматических сепараторов достигает 100 т/ч, а пневматических отсадочных машин - от 30 до 100 т/ч. Как уже было сказано, продукты пневматического обогащения не нуждаются в сушке. Продукты же всех других методов обогащения углей должны обезвоживаться. Каким же образом удаляется излишняя влага? ОБЕЗВОЖИВАНИЕ УГЛЯ Обезвоживание угля - операция по снижению содержания влаги в угле или в продуктах его обогащения В практике обезвоживания на обогатительных фабриках применяют следующие основные методы: • дренирование, т. е. естественное отекание воды под действием собственного веса • центрифугирование - обезвоживание в центробежном поле • фильтрование через пористую перегородку Кроме того, для удаления гигроскопической влаги, которая удерживается адсорбционными силами, применяют термическую сушку. Дренирование может осуществляться на дренажных площадках, в обезвоживающих бункерах, в обезвоживающих элеваторах и на грохотах. Наиболее простым и достаточно эффективным в летнее время в сухом климате является обезвоживание на открытых дренажных площадках. В дождливое время и зимой этот метод обезвоживания малоэффективен и вызывает значительные трудности в работе фабрики. Обезвоживание в бункерах также недостаточно эффективно и на современных углеобогатительных фабриках заменяется обезвоживанием в центрифугах, Обезвоживающие элеваторы применяются сравнительно широко, так как дают возможность обезвоживать уголь, промпродукт (промежуточный продукт) и отходы (породу) в процессе транспортирования, т. е. в данном случае продукты обогащения углей перемещаются в нужном направлении, и одновременно через отверстия в ковшах эле- ваторов удаляется излишняя влага. Отверстия в ковшах элеваторов делаются продолговатыми и располагаются в шахматном порядке. Обезвоживанию на грохотах подвергают концентрат, шлам, промпродукт и породу. Применяются неподвижные сита предварительного обезвоживания и подвижные механические грохоты. При использовании механических грохотов процесс обезвоживания значительно интенсифицируется, так как в этом случае материал подбрасывается и перемещается по решету. Основная масса воды удаляется под решето на первых участках обезвоживающего грохота, интересно, что дополнительное снижение влажности материала на обезвоживающих грохотах достигается ополаскиванием движущегося угля струей чистой воды. Почему же при дополнительном введении воды влажность не только не увеличивается, но уменьшается? Дело в том, что дополнительная вода стекает через отверстия грохота, унося с собой мельчайшие влагоемкие частицы, смытые с поверхности зерен угля. При этом влажность мелкого концентрата с размером частиц от 0,5 до 13 мм снижается на 1,1%, а шлама - на 1,8%. Обезвоживание углей мелких классов обычно осуществляется в центрифугах под действием центробежных сил. ЦЕНТРИФУГИ Существует несколько типов центрифуг. На углеобогатительных фабриках применяют фильтрующие и осадительные центрифуги Высокая интенсивность отделения влаги от обезвоживаемого угля обеспечивается использованием сил центробежного поля, которые превосходят силу тяжести. Фильтрующие центрифуги применяются для обезвоживания продуктов обогащения мелкого угля (концентрата и промпродукта), а осадительные центрифуги - для классификации и обезвоживания угольных шламов и продуктов флотации. Фильтрующие центрифуги делятся на машины с вибрационной, шнековой и центробежной выгрузкой осадка, осадительные же центрифуги имеют только шнековую выгрузку. На рис. 11 изображена вибрационная фильтрующая центрифуга. Исходный уголь (питание центрифуги) через загрузочное устройство подается в нижнюю часть вращаюхцегося и одновременно вибрирующего ротора в форме конуса 1 и распределяется равномерным слоем по фильтрующему ситу 2. Под влиянием суммарного воздействия составляющей центробежной силы, направленной вдоль стенки ротора, осевых вибраций и подпора вновь поступающих порций питания уголь передвигается от узкой части конуса к широкой, одновременно обезвоживаясь. Отделяемая от угля вода (фугат) свободно проходит сквозь щели фильтрующего сига и через внутренний кожух по желобу выводится из центрифуги. Обезвоженный уголь через верхнюю кромку фильтрующего сита отбрасывается в кольцевое пространство 3 между внутренним и наружным кожухом, затем проваливается вниз, попадает в приемный бункер, а оттуда поступает на конвейер. Производительность такой центрифуги до 80 т/ч. Для классификации и обезвоживания шлама и продуктов флотации применяют шнековую осадительную центрифугу. В этой центрифуге твердые частицы осаждаются в жидкости под влиянием центробежной силы, а затем образовавшийся осадок обезвоживается. Производительность осадительной центрифуги до 25 т/ч. В настоящее время для повышения степени обезвоживания углей мелких классов, а также флотационного концентрата и высокозольных шламов создана принципиально новая осадительно-фильтрующая центрифуга с двухступенчатым ротором. Обезвоживание осуществляется в расположенных последовательно осадительной и фильтрующей ступенях ротора. Эта центрифуга обеспечивает получение осадка меньшей влажности и улучшение условий его транспортирования. Как уже упоминалось, для обезвоживания угля используется фильтрование через пористую перегородку. Этот процесс осуществляется на фильтрах. Рисунок 11 - Вибрационная фильтрующая центрифуга ФИЛЬТРЫ В практике обезвоживания продуктов обогащения крупностью 0-1 мм применяются вакуум-фильтры и фильтр-прессы. В вакуум-фильтрах для интенсификации процесса фильтрования через пористую ткань используется вакуум (разрежение), создаваемый специальными вакуум-насосами. Обычно для обезвоживания флотационного концентрата применяются дисковые вакуумфильтры. Наибольшее распространение получил дисковый вакуум-фильтр «Украина-80» (поверхность фильтрования 80 м ) с восемью дисками диаметром 2,7 м. Производительность фильтра 25-35 т/ч. Схема установки фильтра «Украина-80» показана на рис. 12. Эта установка включает собственно вакуум-фильтр 1, воздухосборники 2, вакуум-насосы 3, ресиверы 4, гидрозатвор 5 и фильтратный насос 6. Фильтрование осуществляется за счет всасывания влаги благодаря вакууму во внутреннюю часть дисков, покрытых пористой тканью. Диски медленно вращаются и проходят последовательно зону фильтрования и зону просушки. Так как величина вакуума в зоне фильтрования и в зоне просушки различна, для их создания используют разные вакуум-насосы. Фильтрат, попавший в вакуумную систему, собирается в ресиверах и через гидрозатвор откачивается фильтратным насосом. Содержание твердого в фильтрате 20-30 г/л. В зоне отдувки фильтрата вакуум заменяется избыточным давлением, а осадок с влажностью 21-27% падает на транспортер и подается на сушку. Избыток пульпы поступает в специальный зумпф для возврата на фильтрование. В настоящее время освоено серийное производство дискового вакуум-фильтра «Горняк» с поверхностью фильтрования 140 м2, предназначенного для обезвоживания угольных и антрацитовых флотационных концентратов. Сравнительно небольшие габаритные размеры вакуум-фильтра «Горняк» позволяют устанавливать его на большинстве действующих старых обогатительных фабрик, а разборная конструкция ванны и рамы фильтра облегчает его монтаж в стесненных условиях фильтровальных отделений этих фабрик. Это обстоятельство является большим преимуществом вакуумфильтра «Горняк». Рисунок 12 - Схема установки фильтра «Украина» Освоено также серийное производство дискового вакуум-фильтра «Сибирь» с поверхностью фильтрования 250 м2, предназначенного для обезвоживания угольных флотационных концентратов и шламов. Вакуум-фильтр «Сибирь» оснащен вращающейся лопастной мешалкой, которая предотвращает расслоение суспензии в ванне фильтра. Облегченные секторы этого вакуум-фильтра имеют ловушки, препятствующие попаданию остаточного фильтрата в осадок при его отдувке. В условиях ЦОФ «Сибирь» производственного объединения Куэбассуглеобогащение один вакуум-фильтр «Сибирь» заменил три вакуум-фильтра «Украина-80» и обеспечил снижение влажности осадка на 1,5-2,5%. Намечено создать и освоить промышленное производство вакуум-фильтров для обезвоживания флотационных концентратов и угольных шламов с поверхностью фильтрования 400 м . Фильтр-прессы применяются для обезвоживания тонких шламов, отходов флотации и флотационного концентрата. Процесс фильтрования происходит в результате действия избыточного давления, создаваемого сжатым воздухом или водой. В отечественной угольной промышленности применяются фильтр-прессы с фильтрующей поверхностью 25 м2. Удельная производительность такого фильтра при обезвоживании флотационного концентрата 0,20-0,25 т/(ч-м ), а при обезвоживании отходов флотации - 0,06-0,08 т/(ч-м ). Отходы флотации перед фильтрованием сгущают до плотности пульпы 400 кг/м . В ближайшее время предусмотрено создать и освоить промышленное производство фильтр-прессов для обезвоживания отходов флотации угольных шламов с рабочей поверхностью фильтрования 600 м", т. е. в 24 раза большей, чем у применяемых в настоящее время фильтр-прессов. Проектная производительность такого фильтр-пресса по осадку при содержании твердого в питании 300-500 г/л составит 6-10 т/ч. Фильтр-пресс отвечает требованиям, предъявляемым к обезвоживающему оборудованию, предназначенному для оснащения технологических схем углеобогатительных фабрик большой производственной мощности (до 10 млн. т в год) Намечено создать и освоить промышленное производство фильтр-прессов для обезвоживания-отходов флотации углей с рабочей поверхностью фильтрования 1000 м2. Флотационный концентрат после фильтрования (осадок или, как иногда говорят на производстве, как вакуум-фильтров) поступает на сушку. СУШКА УГЛЯ В настоящее время на углеобогатительных фабриках широко применяется сушка продуктов обогащения. Как правило, на сушку направляются наиболее влагоемкие продукты - флотационный концентрат в смеси с мелким концентратом гравитационного обогащения. Сушильные отделения углеобогатительных фабрик оборудованы слоевыми или факельно-слоевыми топками с механическим удалением золы. В качестве сушильных аппаратов применяются барабанные сушилки или трубы -сушилки. В барабанных сушилках газ и материал движутся параллельно. Сушильный барабан (рис. 12) представляет собой полый сварной цилиндр .1. внутри которого находится насадка 2. Металлическое торцевое (запорное) кольцо препятствует выпадению материала из барабана в сторону топки. Корпус сушилки опирается бандажами 3 на свободно вращающиеся опорные ролики. Барабан устанавливается под углом 3-5° к горизонту. Диаметр барабана 2,8-3,5 м, длина.- 14-27 м. Барабан вращается с частотой 5 мин-1 . Продолжительность сушки колеблется от 15 до 40 мин, а коэффициент заполнения объема барабана - от 0,15 до 0,25. Производительность барабанных сушилок составляет 810 т/ч по испаренной влаге. Трубы-сушилки представляют собой вертикальные трубы, сушка угля в которых происходит при параллельном токе газов и материала. Диаметр труб-сушилок 900 и 1100 мм, длина - от 12 до 41,5 м. Высушиваемый уголь увлекается вверх поступающим снизу горячим газом. Крупные частицы угля, которые не могут быть увлечены потоком газа, оседают в нижней части трубы, откуда удаляются шлюзовыми или шнековыми затворами на конвейер. Взвешенный в газовом потоке материал попадает в циклон, где он оседает и разгружается на конвейер. В трубах-сушилках сушат смесь мелкого концентрата отсадки и концентрата флотации. Производительность труб-сушилок составляет от 25 да 80 т/ч по сырому материалу и от 3 до 7 т/ч по испаренной влаге. Большинство труб-сушилок работает при производительности 40-60 т/ч по сырому материалу и 4-6 т/ч по испаренной влаге. Влажность угля, поступающего на сушку, составляет от 12 до 24%, а выходящего из трубы-сушилки - 3-11 % (в среднем около 7 %). В обогащении углей получила также распространение сушка в кипящем слое. Самое интересное, что при этом не применяется жидкость, которая кипит, а сам слой просушиваемого материала под воздействием горячего газа находится в состоянии, подобном вязкой кипящей жидкости (псевдоожижения). Скорость потока газа, соответствующая началу «кипения» слоя, называется критической скоростью псевдоожижения. Высота «кипящего» слоя на основании экспериментальных данных принимается равной 0,5-0,6 м. Производительность установок для сушки в кипящем слое достигает 600 т/ч. Процесс сушки завершает переработку угля на обогатительной фабрике, но можем ли мы быть уверены, что получили концентрат нужного качества? За этим следит отдел технического контроля (сокращенно ОТК). который осуществляет опробование и контроль продуктов обогащения. Рисунок 13 - Сушильный барабан КАК КОНТРОЛИРУЕТСЯ КАЧЕСТВО ОБОГАЩЕНИЯ Опробование и контроль на углеобогатительных фабриках производят с целью наладки и стабилизации технологического процесса и обеспечения выпуска продуктов, удовлетворяющих по качеству действующим стандартам (ГОСТам) и техническим условиям (ТУ). Опробование исходного материала - рядовых углей производят с целью определения их качества для расчета с поставщиками и исследования угля как объекта обогащения. Определяют следующие показатели качества рядовых углей: зольность, влажность, содержание минеральных примесей, содержание серы, состав по крупности и обогатимость. Опробование промежуточных продуктов технологического процесса производится с целью регулировки отдельных аппаратов и создания условий, обеспечивающих выпуск продуктов обогащения требуемого качества. Опробование конечных продуктов обогащения осуществляют для установления соответствия их качества стандартам и техническим условиям и расчета с потребителями. Число точек опробования на углеобогатительной фабрике зависит обычно от принятой технологической схемы обогащения. Отбор проб осуществляется с помощью пробоотборников - от простейших ручных до сложных механических. Отобранные пробы подвергаются обработке (сокращению, подготовке к анализу), а затем химическому и другим методам анализа состава и свойств. Наряду с опробованием продуктов обогащения производится технологический контроль отдельных параметров процесса обогащения, тесно связанный с управлением обогатительными операциями. Так, контролируется плотность суспензии, плотность пульпы, поступающей на флотацию, расход флотационных реагентов и другие важнейшие технологические показатели. Этот контроль и управление стараются максимально автоматизировать. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИКАХ Во всем народном хозяйстве нашей страны стараются как можно шире использовать механизацию и автоматизацию. Механизация - это использование машин и механизмов для выполнения технологических операций. Как видно из предыдущих разделов, обогатительные фабрики - высокомеханизированные предприятия, где процессы обогащения осуществляются с помощью различных машин и механизмов. Доля ручного труда на вспомогательных операциях непрерывно снижается. Автоматизация производства - это такой процесс развития машинного производства, при котором функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком,- передаются приборам и специальным устройствам. В настоящее время широко внедряются автоматизированные системы управления отдельными технологическими процессами обогащения, а в недалеком будущем решено начать внедрение автоматизированного управления всей фабрикой в целом. Наибольший экономический эффект дает автоматизация основных технологических процессов (обогащения в тяжелых средах, отсадки, флотации), а также сушки. При внедрении автоматизации этих процессов можно получить годовой экономический эффект от нескольких сотен тысяч до одного миллиона рублей по одной фабрике со средней производственной мощностью 2-3 млн. т в год. В настоящее время в технике все больше применяются различные кибернетические системы автоматического регулирования. Системы автоматического регулирования, существующие на углеобогатительных фабриках, дают возможность значительно улучшить течение технологических процессов, стабилизируя значения основных параметров, определяющих результаты этих процессов, но полностью заменить пробоотборщика не могут. Как уже было сказано выше, эффективность автоматизации определяется достигаемым при ее внедрении экономическим эффектом. Это же относится к эффективности каждого технологического процесса и к эффективности обогащения углей в целом.
