В практике углеобогащения достаточно остро стоит вопрос обогащения тонких классов крупности. Это связано с тем, что с течением времени количество запасов угля стремительно сокращается, и приходится искать альтернативные варианты более тщательного обогащению угля, а также разрабатывать методики переобогащения угольных шламов. Как правило, труднее всего обогащать мелкие классы угля: чем мельче уголь, тем сложнее методика его изъятия из необогащенного рядового угля. Но проходит время, технологии совершенствуются, и то, что раньше считалось невозможным, становится возможным благодаря научному прогрессу и инженерной мысли. Перед инженерами появляется новая задача – как получить концентрат из тонкого угля с максимальной эффективностью, и при этом затратить минимум усилий. Современные методы позволяют получить тонкие классы крупности с достаточной степенью эффективности. В то же время появляются технологии, которые значительно упрощают и удешевляют этот процесс. Рассмотрим, для начала, что собой представляют тонкие классы угля, а также какие основные методики применяют сейчас в Украине и мире.
В практике обогащения тонкими, или тонкодисперсными, принято называть класс крупности 0-0,1 (0,2) мм. Этот класс отвечает перегиба кривой «внешняя удельная площадь поверхности – величина материала» (рис. 1). Отрезок «а», где поверхность Sуд, резко увеличивается (уголь класса 0 – 100 мм) можно выделить как специфическую, уголь такой крупности называют ультратонким. Отрезок «б» (уголь класса 100 – 200 мм) соответствует зоне тонких классов. Исходя из этого, тонкий (тонкодисперсный) – это полидисперсный материал крупностью менее 100 (75) мкм. Вторым подходом к толкованию термина «тонкодисперсный» является привязка верхнего предела крупности тонкодисперсного материала к стыку областей применения различных методов обогащения, например, «гравитация-флотация», «гравитация-тяжелосредная сепарация» и т. д. При обезвоживании зернистых материалов в тонкодисперсных относят также суспензии с размером зерен 0,5 – 100 мкм.
Как правило, для обогащения угля используют гравитационные или флотационные методы обогащения. Эти методы имеют достаточную степень эффективности, относительно просты в применении, их используют для обогащения различных видов угля. Однако в случае с тонкодисперсных углем эти методы теряют свою эффективность. Тонкодисперсные частицы слишком малы для того, чтобы в должной мере ощутить на себе влияние грубых сил, которые применяются для обогащения частиц большей крупности. Этот факт, несомненно, делает тонкие классы угля специфической категорией обогащаемого материала. Рассмотрим процессы гравитации и флотации более подробно, чтобы понять, что же именно снижает эффективность в процессе обогащения тонкого зерна классическими методами обогащения угля.
Начнем с гравитации. Этот процесс основан на разделении угля и породы под действием силы гравитации. Однако зерна микронной крупности ощущают на себе влияние не только гравитационных сил, гидродинамические процессы, а именно турбулентные потоки воды, выносят тонкодисперсные частицы в тот или иной продукт. Частица размером менее 100 мкм приближается к крупности утяжелителя, и, поэтому, потери тонкодисперсного угля с утяжелителем также значительны. Наличие в суспензии ультратонких зерен также обусловливает изменение плотности самой суспензии, что негативно влияет на процесс тяжелосредной сепарации. Поэтому перестают эффективно обогащаться более крупные зерна, и это является одной из главных проблем гравитационного обогащения. Тонкие зерна, как правило, заранее отделяют, но без предварительных операций обогатить тонкодисперсный уголь гравитационными методами крайне трудно.
Вторым распространенным методом обогащения угля является флотация. Этот метод основан на различии в смачиваемости поверхности минералов, которые разделяются. Чем больше разница в смачиваемости, тем вероятнее, что одни частицы прилипнут к поверхности пузырька и всплывут с ней вверх, а другие в силу высокой гидрофильности их поверхности останутся взвешенными в гидросмеси. Разницу в смачиваемости можно усилить или снизить с помощью специальных реагентов, которые добавляются в пульпу перед или во время обогащения. Флотация – это достаточно сложный процесс, который зависит от большого количества факторов. Но тонкие дольки и здесь ведут себя совсем иначе, чем более крупные зерна. Для флотации такие частицы тоже труднообогатимы. Тонкие зерна не только отбирают на себя реагент из-за своей большой удельной поверхности, вероятность их перехода в пенный продукт существенно снижена, так как за счет гидродинамических процессов, происходящих в пульпе, тонкие частицы угля, как правило, не оседают на пузырьках с воздухом, они просто обходят их, несясь с потоком пульпы и теряются с отходами (рис 2). Очень сложно управлять таким процессом, даже применение сильных реагентов не решает проблемы закрепления тонких частиц на пузырьках воздуха. Если крупность зерен слишком мала, флотация теряет свою эффективность.
Таким образом, обогащение угольных тонкодисперсных частиц с помощью классических методов является непродуктивным, без применения дополнительных приемов по улучшению обогатимости этого класса крупности эффективность его обогащения приближается к нулевой отметке. Рассмотрим технологические решения, которые на сегодня способны решить эту проблему.
Современные методы обогащения тонкодисперсного угля
На сегодняшний день самым эффективным методом обогащения тонкодисперсного угля является селективная флокуляция (агломерация) угольных зерен с помощью реагентов-флокулянтов различной природы. Это могут быть органические соединения – полимеры, масла, смолы и т. д. В зависимости от вида реагента можно выделить 3 основных направления селективной флокуляции:
Процесс флокуляции происходит непосредственно перед процессом обогащения в специальных аппаратах, например, контактных чанах, где реагент-флокулянт перемешивается с исходной пульпой в турбулентном режиме, чтобы обеспечить наилучшие условия взаимодействия реагента с угольными частицами. После интенсивного перемешивания флокулы (агломераты) поступают на флотацию и успешно выделяются в концентрат. Подобное решение является достаточно эффективным, однако оно требует дополнительных капитальных и эксплуатационных расходов: обслуживание дополнительных аппаратов, большие затраты электроэнергии для обеспечения турбулентного режима перемешивания и т. д.
Цель нашего дальнейшего исследования и разработок – упростить процесс обогащения тонкодисперсного угля посредством сочетания процессов гидротранспорта пульпы в гидротранспортных сети, которая является частью любой обогатительной схемы, и селективной флокуляции (агрегации). Трубопровод, насосы и т.д. по сути заменяют контактный чан для предварительной флокуляции (агломерации) перед обогащением, на выходе из трубопроводной сети мы получаем уже готовую к обогащению сфлокулированную угольную смесь.
Такую идею можно осуществить технологически различными способами. Рассмотрим некоторые из них.
1. Флокуляционно-гравитационная и флокуляционно-флотационная схема обогащения тонкодисперсного угля
Эти схемы применяются для гравитации и флотации с предварительной флокуляцией обогащаемого материала с помощью реагентов-флокулянтов. Однако эти схемы можно значительно упростить, если обойтись без контактного чана, а реагент смешивать с пульпой еще перед подачей на обогащение в гидротранспортных сетях. Таким образом мы решаем сразу две проблемы: мы увеличиваем время контакта реагента и угольной смеси, а также решаем вопрос с перемешиванием: в гидротранспортных сети процесс гидротранспортирования протекает в турбулентном режиме, потоки и так турбулентные можно дополнительно усилить, добавив на пути движения пульпы различные препоны в виде колен, задвижек, байпасов и т. д.
На следующей схеме (рис 3) реагент (латекс) подается непосредственно в воронку для сгущения, затем полученная смесь попадает сначала в насос, затем проходит значительный участок трубы, а затем поступает в гидроциклон для сгущения. После этого сгущенный и сфлокулированный исходный уголь поступает на отсадку.
Флокуляционно-флотационная схема (рис 4) начинается непосредственно с подачи реагента (латекса) из баков для транспортировки и хранения латекса через буферный бак и дозатор в пирамидальный отстойник со шламом. Затем через гидротранспортную сеть полученная гидросмесь перемещается в радиальный сгуститель для сгущения. Слив подается на отсадку, как транспортная вода, а сгущенная и сфлокулированная гидросмесь через аппарат АКП подается на флотацию. В АКП добавляются только флотационные реагенты, флокуляция латексом происходит во время транспортировки.
2. Процесс каскадно-адгезионной сепарации и грануляции
Этот метод является отечественной разработкой, он был разработан в 70-х годах В. Шилаевим. Суть процесса заключается в том, что исходный угольный материал крупностью менее 50 мкм и плотностью 150-250 г / л сначала кондиционируют с углеродными реагентами, а потом сбрасывают пульпу в режиме «водопад» с большой высоты в специальную ванну, где проходит аэрация в результате удара (рис 5, а). Далее пеногон перемещает полученную пену к цилиндру адгезионной выгрузки, затем она попадает в гранулятор, где происходит масляная грануляция, а полученные гранулы выделяются из пульпы с помощью грохота.
В данном случае турбулентный режим перемешивания пульпы и реагента реализуется за счет ударной силы, возникающей при ударе струи воды о свободную поверхность жидкости, что значительно упрощает процесс.
3. Совмещенный процесс «гидротранспорт – масляная агломерация».
Эта технология была предложена в 80-х годах в Японии (рис. 6). Технологически она осуществляется следующим образом: исходный уголь измельчается, затем он попадает в смеситель, куда подаются также вода и реагенты (мазут) в необходимой пропорции. Затем полученная пульпа с помощью насоса закачивается в трубопровод, имеет специфический сечение – трубопровод-гранулятор. Этот трубопровод оборудован винтовыми элементами, предназначенными для закручивания потока и усиления его турбулентности. Тонкодисперсный уголь в процессе транспортировки таким трубопроводом успешно агрломерируется, затем полученные агломераты-гранулы попадают в обезоживающее устройство, далее в дробилку и сразу в топку, где уголь сжигается. В данном случае трубопровод выполняет две функции: транспортного средства от смесителя к обезвоживающему устройству и, одновременно, агломератора (гранулятора). Никаких вспомогательных аппаратов для грануляции в этой схеме не используется. Весь процесс агрегатообразования (флокул, гранул, агломератов) происходит в процессе транспортировки.
Это техническое решение описано в изложенной заявке № 58 – 104997 на изобретение в Японии. Разрезы трубопроводов-грануляторов могут иметь различную конструкцию: винтовые нарезки, перепады толщины, изгибы. Также трубопровод оборудуют импелерами. Задвижки, краны, и другая арматура также усиливает турбулентность потока жидкости(pис. 7).
Сочетание процессов агрегации (флокуляции, агломерации, грануляции) и гидравлического транспортирования угля в гидротранспортных сетях существенно упрощает обогащение тонкодисперсного угля. Такое техническое решение не требует существенных дополнительных затрат и капитальных вложений, базируется на использовании уже существующих машин и коммуникаций, и, таким образом, не перегружает схему большим количеством подготовительных операций с использованием вспомогательных аппаратов. С помощью простых приемов можно обеспечить протекание сразу двух процессов одновременно, что повышает интенсивность и эффективность обогащения тонких гидравлических материалов.
В теоретическом и практическом плане еще необходимо провести ряд исследований и экспериментов, но в целом эта методика готова к использованию и применению в различных условиях и для большого количества материалов и реагентов.