ОСОБЕННОСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТОНКИХ ТРУДНОФИЛЬТРУЕМЫХ ОСАДКОВ

Гарковенко Е.Е.
Донецкий национальный технический университет

Источник:Сборник трудов НГУ. – 2003. – № 17. – т.1. – с. 88-93.

При высокой влажности конечных продуктов обогащения возрастает их транспортная стоимость и снижается эффективность, с которой они могут быть использованы. Основную трудность в обезвоживании представляют тонкие фракции крупности твердой фазы осадка. Например, при обогащении угля типичные циклы его обезвоживания позволяют получить осадок с содержанием влаги от 22 до 28%. Это часто является достаточно высоким значением и повышает среднюю влажность товарного продукта, который должен соответствовать требованиям потребителей.

Обезвоживание тонких углей, в противоположность флотации тонких углей, подвергалось за последние годы незначительным усовершенствованиям, с тех пор как в начале семидесятых годов было применено введение флокулянтов. Повышенное извлечение тонких и ультратонких частиц в концентрат при применении флотационных технологий сделало низкую эффективность их обезвоживания более явной и увеличило необходимость понимания проблем, с которыми сталкивается промышленная практика обезвоживания.

Неполное понимание фундаментальных принципов, происходящих при обезвоживании тонких материалов, является наиболее важной причиной, сдерживающей развитие технологии наиболее дешевого механического обезвоживания. Текущее состояние знаний в этой области является недостаточным для того, чтобы помочь промышленности в выборе технологии и оборудования для повышения эффективности процесса. Необходимо уяснить, являются ли возможности механических способов обезвоживания, достигнутые в настоящее время, ограниченными или есть перспектива для их развития. Следовательно, возрастает необходимость в понимании механизма, который управляет скоростью удаления влаги из осадков тонких частиц.

В последние десятилетия проводились многочисленные исследования по изучению влияния различных параметров на процесс механического обезвоживания. На базе этих исследований разработаны различные принципы и аппараты для решения этой проблемы, многие из которых успешно применяются в настоящее время в промышленности. Исследователи пришли к заключению, что одним из исследовательских приоритетов в обработке тонких осадков должно быть добавление динамических воздействий на осадок с целью повышения эффективности удаления влаги из наиболее трудно поддающихся обезвоживанию материалов.

Скорость удаления влаги зависит от ряда динамических воздействий - от приложенного перепада давлений, от сопротивления осадка, от перемещения границы раздела фаз в капиллярах, а также от микроструктуры порового пространства.

Проведенные ранее исследования микроструктуры осадков позволили установить, что несколько больших каналов в поровой среде осадка пропускают большую часть потока фильтрующейся жидкости. Именно они определяют проницаемость и фильтрующую способность осадка. Этот вывод закладывает физические основы для поиска и разработки новых путей совершенствования параметров технологии обезвоживания, основанной на активизации и управлении процессом фильтрации через тонкодисперсные осадки. Таким образом, следует управлять процессом формирования осадка и движением фильтрата так, чтобы происходило устойчивое формирование и сохранение определенного процента (10-30%) крупных пор, выполняющих основную роль в выведении фильтрующейся жидкости. Это значит, что микроструктура осадка должна иметь крупные немногочисленные равномерно распределенные поры [2].

Исследования микроструктурыосадков Осадок с большим числом мелких микропор, которые имеют примерно равный диаметр будет обладать плохо проводящей структурой. Вследствие этого мелкий концентрат будет иметь повышенную влажность, а удельные расходы энергии на его обезвоживание будут высокими, что является причиной неэкономичности процесса в целом и оправдывает применение дорогостоящей и экологически неблагоприятной термической сушки. Отметим, что крупные поры, пропускающие ^ьвищю долю фильтрата должны обязательно быть расположены равномерно по телу кека, причем расстояние между соседними крупными порами должно быть оптимальным с точки зрения охвата и обслуживания примыкающего мелкопористого пространства. При большом расстоянии радиус зоны эффективного дренажа для каждой проводящей поры будет недостаточен для эффективного выведения влаги из мелкопористого окружающего пространства. С другой стороны, чем меньше требуемое расстояние между проводящими крупными порами, тем труднее его обеспечить, так как для структурирования кека нужно будет затратить специальные усилия.

В свою очередь микроструктура осадка определяется не только его гранулометрическим составом, но и параметрами динамического воздействия на осадок, подвергаемый обезвоживанию механическими методами. Необходимо Тфоанализировать критически влияние свойств осадков, микроструктуры сложной пористой среды на совершенствование и расширение возможностей их обезвоживания. Такая оценка позволит количественно и сравнительно определить соответственное влияние на технологические возможности процесса и предельно идентифицировать потенциальные пути для улучшения свойств осадков и технологии.

Целью настоящей работы является исследование изменения свойств тонких труднофильтруемых осадков при наложении динамических полей и влияние этих изменений на скорость удаления влаги из порового пространства.

Существует значительное число параметров, которые характеризуют состояние осадка в процессе его обезвоживания. В данном случае представляющим наибольший интерес является коэффициент фильтрации, определяющий скорость удаления влаги. Для его вычисления в зависимости от состава (вещественного и гранулометрического) осадка и пористости различными авторами предложено большое количество формул. В одних случаях величина коэффициента фильтрации рассматривается как функция состава осадка, в ряде других – состава и пористости. Исследования показали, что сложные аналитические методы применимы только для ориентировочного определения этого параметра и соответственно скорости фильтрации. Экспериментальное определение в лабораторных условиях дает наиболее точные результаты, которые могут быть использованы и в теоретических исследованиях.

Тонкие глинистые осадки относятся к связным. Для исследования их водопроницаемости на базе прибора Тима [3] была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

В ходе исследований образец труднофильтруемого осадка в виде цилиндра помещается в кольцо установки между двумя прочными пористыми перегородками.

1 - слой осадка; 2 - пористая перегородка; 3 - поддерживающая перегородка; 4 -приемная воронка для фильтрата; 5 -тонкая трубка; 6 - индикатор часового типа; 7 - стальной шарик; 8 - приемная емкость

Рисунок 1 - Установка для исследования водопроницаемости осадка


Через стальной шарик на образец передается давление, равное давлению, испытываемому осадком в обезвоживающем оборудовании. Разрыхление или уплотнение осадка (нормальная деформация) измеряется индикатором часового типа с точностью до 0.01 мм. Передача давления на исследуемый осадок осуществляется при помощи рычага, стальной шарик исключает возможность эксцентриситета.

Фильтрующаяся вода вытекает в приемную воронку и по тонкой трубке капает в приемную емкость.

В установке предусмотрена возможность динамического воздействия на осадок путем наложения сдвиговых полей с помощью винтов. При этом скольжение осадка относительно прижимающих пористых перегородок исключается.

Предварительно были выполнены тарировочные испытания. Для снижения ошибки из-за неоднородности изменения вертикального размера образца и как следствие неточности измерений нормальных деформаций слоя осадка, часовые индикаторы были установлены с передней и задней его сторон. Показания снимались с обоих индикаторов и вычислялось среднее значение нормальной деформации.

Перед началом экспериментов осадок насыщался водой, этим обеспечивалось вытеснение воздуха из пор. В установке также предусмотрена возможность поддержания постоянного напора воды, уровень воды над осадком постоянный. Кроме того, осадок находится под действием постоянного давления, создаваемого рычагом с грузом.

В ходе тарировочных испытаний был определен период времени, с которым капли фильтрата капают из тонкой трубки воронки и достигают поверхности приемного сосуда. Расстояние, преодолеваемое каплями от конца тонкой трубки до поверхности жидкости в приемном сосуде поддерживалось постоянным.

Этот экспериментально определенный период времени с достаточной степенью точности характеризует скорость фильтрации. Результаты тарировочных испытаний представлены на рис. 2.

Рисунок 2 – Результаты определения периода времени падения капель фильтрата при тарировании установки



На базе проведенных измерений средний период времени падения капель определен равным 7.91с. В табл.1 приведены результаты статистической обработки данных тарировочных испытаний при доверительном интервале 0.95.


Таблица 1 – Результаты статистической обработки данных тарирования установки

№	Параметр	Значение
1	Медиана	0.173
2	Минимум	-1.45
3	Максимум	1.553
4	Медиана	0.173
5	Расхождение	0.4137
6	Стандартное отклонение	0.6432
7	Стандартная ошибка	0.0928

При тарировании экспериментальной установки поддерживалось постоянное статическое воздействие на осадок -механическое пригружение и протекание воды через слой осадка.

После этого выполнялось динамическое воздействие путем наложения сдвиговых полей. Изменение скорости фильтрации воды и деформаций осадка представлено на рис. 3.

Рисунок 3 – Скорость фильтрации и нормальные деформации осадка при наложении сдвиговых полей

Анализ результатов показывает, что до точки измерения №30, которая соответствует 250-й секунде с момента начала эксперимента, происходит незначительное уплотнение осадка под действием приложенной статической нагрузки. Нормальная деформация осадка составляет в этот момент порядка 0.0027-0.003 мм. Период падения капель фильтрата колеблется в пределах 8 с при некоторых отклонениях в большую и меньшую стороны от среднего тарировочного значения.

В дальнейшем за период от 250 до 500-й секунды от начала эксперимента (точки измерений №31-60) в целом нормальная деформация осадка увеличивается до значения 0.017-0.026 мм, т.е. происходит уплотнение структуры осадка.

При этом каналы между частицами твердого скелета уменьшаются, соответственно снижается пористость осадка и его проницаемость, повышается сопротивление осадка перемещению влаги и возрастают капиллярные силы.

Данные эксперимента свидетельствуют о том, что одновременно увеличивается период между появлением капель фильтрата в среднем с 8 до 8.3 с.

После точки измерения №60, соответствующей 500-й секунде от начала эксперимента, к образцу были приложены сдвиговые деформации с помощью винтов, расположенных на платформе установки. Статическое пригружение образца и напор воды при этом оставались неизменными. Результаты измерений показывают, что период появления капель фильтрата в этот момент увеличился с 8.3 до 9.1 с. Это увеличение продолжалось в течение 100 секунд абсолютного времени.

Для реализации процессов, происходящих при наложении сдвиговых полей, в твердом скелете образца произошло некоторое разуплотнение, расстояние между отдельными зернами увеличилось, что и было зарегистрировано датчиками. Нормальные деформации изменили свой знак на отрицательный и имели значение в пределах от -0.0025 до -0.12 мм. При этом поровая среда осадка претерпевает изменения, выражающиеся в том, что раскрываются тупиковые ловушки, возникают новые каналы для удаления влаги и в целом скорость фильтрации увеличивается [4].

Данные эксперимента подтверждают это предположение и показывают снижение среднего периода появления капель фильтрата с 9.1 до 2.3с. Одновременно происходит и увеличение скорости удаления влаги из измененной структуры скелета твердой фазы осадка.

Таким образом, в результате наложения сдвиговых полей экспериментально установлено снижение среднего периода появления капель фильтрата в 3.9 раза по сравнению с предыдущим несколько уплотненным состоянием осадка и в 3.4 раза по сравнению со средними данными тарирования установки. Соответственно происходит увеличение скорости фильтрации за счет изменения структуры порового пространства осадка и освобождения влаги из раскрывшихся тупиковых каналов-ловушек.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на определение оптимальных параметров сдвиговых полей, способствующих повышению эффективности процессов механического обезвоживания труднофильтруемых осадков, содержащих тонкодисперсную твердую фазу.


Список литературы

1. Гарковенко Е.Е., Назимко Е.И., Самойлов А.И. и др. Особенности флотации и обезвоживания тонкодисперсных углесодержащих материалов. – Донецк: ООО «Норд Компьютер», 2002. – 266 с.

2. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Микроструктура кека флотоконцентрата и ее роль в процессах обезвоживания // Збагачення корисних копалин. Днепропетровск. – 2000. -№9 (50). – С. 93-99.

3. Денисов Н.Я. Инженерная геология. М.: Госстройиздат, 1960. – 404 с. ?0 4. Е.И. Назимко, Е.Е. Гарковенко, И.Н. Друц Исследование микроструктуры шлифов кека в фазе просушки осадка // Геотехническая механика. ИГТМ. Днепропетровск. – 2000. – №22. – С. 42-46.