Обезвоживание продуктов обогащения

В большинстве случаев получаемые продукты обогащения содержат значительное количество воды и не пригодны для транспортирования и металлургической обработки. Для удаления воды (влаги) из продуктов обогащения применяют ряд операций, называемых в общем случае обезвоживанием. В более широком смысле под обезвоживанием понимают процесс отделения жидкой фазы от твердой.

Влажность материалаопределяется отношением массы воды в продукте к общей массе влажного материала и обычно выражается в процентах:

W = (Q ₁ - Q ₂)100/ Q ₁,

где Q ₁ - масса влажного материала; Q ₂ - масса сухого материала.

Для характеристики продуктов обогащения часто используют разжижение R, определяющее отношение массы жидкости в продукте к массе твердого. Влажность продукта в процентах определяется через разжижение выражением

W = R × 100/(R + 1).

Получаемые на фабриках при обогащении руд продукты, как правило, представлены жидкими пульпами. Присутствующую в продуктах влагу подразделяют на внутреннюю и внешнюю.

Внутренней влагой называют влагу, содержащуюся в кристаллической решетке минерала. Ее именуют кристаллизационной, если она присутствует в виде молекул Н₂О (например CuSO₄ · 5H₂O), или конституционной, если присутствует в виде ионов ОН^-, Н⁺, Н₃О⁺ (например, Cu(OH)₂). Удалить ее можно при обжиге или прокаливании материала.

Внешнюю влагу делят на гравитационную, капиллярную, пленочную и гигроскопическую:

· свободная (гравитационная) удаляется под действием сил тяжести; продукты обогащения представляют собой суспензии;

· капиллярная удерживается силами капиллярного давления и удаляется с помощью внешних сил; продукты называются влажными (мокрыми);

· пленочная удерживается на поверхности частиц силами молекулярного притяжения между молекулами воды и частиц; продукты называют воздушно-сухими;

· гигроскопическая содержится в сухих продуктах и удерживается на поверхности частиц адсорбционными силами в виде мономолекулярных пленок.

В зависимости от содержания влаги про­дукты подразделяют на жидкие (обводненные), мокрые, влажные, воздушно-сухие, сухие и прокаленные.

Жидкие продукты характеризуются большим разжижением и текучестью. Влаги в них содержится не менее 40 %.Такие продукты хорошо транспортируются.

Мокрые продукты содержат меньше воды (от 15—20 до 40 %), чем жидкие. Если такие продукты представлены мелким мате­риалом, они растекаются, часть воды из них выделяется при транспортировании, перегруз­ках и непродолжительном хранении. Для жидких и мокрых продуктов харак­терно присутствие всех видов влаги.

Влажные продукты являются промежуточными между мокрыми и воздушно-сухими. Содержание влаги в них составляет от 5—6 до 15—20 %. Они нетекучи. Во влажных продуктах содержится гигроскопическая, пленочная, часть капиллярной и внутренняя влага.

Воздушно-сухие продукты представляют собой сыпучие материалы, поверхность которых вследствие гигроскопичности незначительно увлажнена находящимися в воздухе парами воды. Иногда воздушно-сухими называют продукты с влажностью в несколько процентов. Они содержат внутреннюю и гигроскопичную влагу.

Сухие продукты не содержат внешней влаги.

Прокаленные – это продукты, из которых термически удалена химически связанная вода.

Процесс удаления влаги из продуктов обогащения называется обезвоживанием. В зависимости от крупности материала и его влажности используют различные методы обезвоживания.

В зависимости от крупности материала и его влажности используют различные методы обезвоживания: для сравнительно крупных частиц - дренирование, иногда центрифугирование; для мелких частиц - сгущение и фильтрование. Часто последовательно применяют несколько способов обезвоживания. Последней операцией обезвоживания является сушка. Чем мельче материал и больше его влажность, тем сложнее (и дороже) эту влагу удалить. Например, для удаления влаги из крупных классов углей (-150 + 13 мм) используют только дренирование, из средних классов (-13 + 1 мм) дренирование и центрифугирование, из мелких классов (- 1 мм) – сгущение, фильтрование и сушку.

Простейшим способом обезвоживания является дренирование. Дренирование – процесс обезвоживания, основанный на естественной фильтрации жидкости через промежутки между твердыми частицами (кусками) под действием силы тяжести. Иногда для ускорения фильтрации жидкости на фильтрующий слой воздействуют механическими колебаниями. Дренирование производится в неподвижном состоянии и в движении. Процесс обычно используется для крупных и средних частиц. Для дренирования используют разные приемы и аппараты. Обезвоживание в штабелях. Продукт загружают в емкость или на ровную поверхность, имеющую дренажную систему. Вода под действием силы тяжести просачивается между отдельными зернами и собирается в специальные приямки, откуда ее периодически откачивают. Такой способ обезвоживания требует длительного времени. В качестве обезвоживающих дренированием аппаратов в движении применяют классификаторы, грохоты, элеваторы. На этих аппаратах отделяют, как правило, гравитационную влагу.

Центрифугированием называются операции обезвоживания мелких мокрых продуктов обогащения и разделения суспензии на жидкую и твердую фазы под действием центробежных сил. Процесс применяется обычно для обезвоживания средних классов углей и для минеральных солей. Центрифугирование осуществляется в центробежных машинах – центрифугах, представляющих собой вращающиеся вокруг своей оси с большой скоростью роторы цилиндрической или конической формы с перфорированными или сплошными стенками. Различают фильтрующее и осадительное центрифугирование. В первом случаеобезвоживаемый материал загружается в перфорированный ротор центрифуги и совершает вместе с ним вращательное движение. Под действием центробежной силы происходит принудительная фильтрация воды, находящейся в продукте, через осадок твердых частиц, отлагающийся на стенках ротора, и дырчатую его поверхность. Прошедшая через дырчатую поверхность ротора жидкая фаза называется фугатом, а движущаяся по ротору твердая фаза – осадком (готовым обезвоженным продуктом). Центрифуги с перфорированным ротором называются фильтрующими.

Осадительное центрифугирование осуществляется в центрифу­гах со сплошным ротором. Под действием центробежных сил твердые частицы оседают на стенки ротора и уплотняются, вода выжимается из промежутков между частицами и удаляется в виде фугата через сливные окна ротора. Осадок на стенках ротора шнеком перемещается в конец ротора и удаляется из него через отверстия. При перемещении осадка шнеком из него выжимается вода, стекающая к сливным окнам.

Сгущение – процесс осаждения твердой фазы и выделения жидкой фазы из пульпы, происходящий в результате оседания в ней твердых частиц под действием силы тяжести или центробежных сил (гравитационное или центробежное). При этом под термином «сгущение» подразумевается, получение уплотненного конечного (сгущенного) продукта (пески). Процесс сгущения сопровождается процессом осветления, т. е. получением свободной от твердой фазы жидкости – слива. Сгущение обычно применяется для пульп, содержащих твердую фазу в виде мелких частиц размером < 0, 5 мм. Основным аппаратом, применяемым для сгущения, является радиальный сгуститель, представляющий собой цилиндр диаметром 2, 5 – 100 м и более и высотой 1, 5 – 10 м (высота увеличивается с увеличением диаметра) с коническим днищем, образующая которого наклонена под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Загрузка пульпы происходит через центральный патрубок, разгрузка продуктов – через отверстие в центре дна сгустителя (сгущенный продукт) и желоб у края цилиндра (слив). Для улучшения разгрузки сгущенного продукта около дна сгустителя установлены грабли, вращающиеся с периферической скоростью 3-12 м/мин. Для улучшения показателей сгущения в пульпу добавляют коагулянты и флокулянты.

Фильтрование представляет собой процесс разделения жидкой и твердой фаз пульпы с помощью пористой перегородки под действием разности давлений по обе стороны перегородки, создаваемой разрежением воздуха (вакуум – фильтры), или избыточным давлением (пресс – фильтры). Фильтровальной перегородкой в промышленных фильтрах может быть: фильтроткань (хлопчатобумажная, металлическая, из синтетических материалов) или пористая керамика.

Фильтры, работающие под вакуумом делятся на барабанные с внешней и внутренней фильтрующей поверхностью, дисковые, и ленточные. Барабанные и дисковые фильтры хорошо работают при фильтровании относительно мелких продуктов, ленточные – при более крупном материале. Влажность отфильтрованных продуктов обычно бывает в пределах 20 – 40 %.

Дисковый фильтр (рис.3.1) состоит из полого вала на котором закреплены диски, состоящие из отдельных пустотелых секторов. Секторы имеют ребристую поверхность с отверстиями, на которой натянута фильтровальная ткань. Питание подается по трубе через патрубки в ванну, заполненную до переливного окна. Диски по окружности так же, разделены на зоны: фильтрования; подсушки; перехода от вакуума к отдувке, называемая «мертвой» отдувки; «мертвая» — переход от давления к вакууму. Для снятия оставшегося после отдувки осадка установлены ножи. Подача воздуха и создание вакуума в секторах осуществляются через каналы, имеющиеся во вращающемся валу, при помощи распределительной головки.

В барабанный фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (рис.3.2) исходный продукт загружается через трубу в ванну и поддерживается во взвешенном состоянии мешалкой. Полый барабан имеет несколько секторов, разделяющих его на зоны: набора осадка, подсушки, отдувки и продувки ткани. Вся цилиндрическая поверхность барабана покрыта фильтровальной тканью или сеткой. Для съема осадка смонтирован специальный нож. Центральный вал барабана, имеющий специальные отверстия, соединяет зоны набора осадка и подсушки с вакуум системой, а отдувки и продувки с системой воздуходувок. По сравнению с дисковыми – барабанные вакуум-фильтры позволяют получить несколько более сухой кек (на 1 – 2 %) но имееют меньшую удельную производительность.

Ленточные фильтры (рис.3.3) выпускаются со сходящим полотном и полотном, закрепленным на ленте. Принцип работы их одинаков. Отличаются они только тем, что у фильтров со сходящим полотном фильтровальная ткань на холостой ветви отделяется от ленты и лучше промывается. Фильтруемый материал через питающий лоток загружается на поверхность фильтровальной ткани, которая лежит на рифленой ленте, имеющей в средине отверстия. Лента вместе с фильтровальной тканью и продуктом на ней движется благодаря вращению приводного барабана. Отверстия на ленте совмещены с отверстиями на вакуум-камере. Вакуум-камера создает разрежение, в результате чего через фильтровальную ткань отсасывает фильтрат, который отводится по трубопроводу; осадок с помощью ножа разгружается в конце фильтра. Борта фильтра предотвращают рассыпание осадка по сторонам. Брызгала служат для промывки ткани.

Пресс – фильтры позволяют получить более сухой продукт, чем вакуум – фильтры (в отдельных случаях с кондиционной влажностью, позволяющей избежать дальнейшей сушки), но они имеют более низкую производительность и дороже.

Сушкой называют операции обезвоживания влажных продуктов обогащения, основанные на испарении содержащейся в них влаги в окружающую их газовую (воздушную) среду при нагревании сушимого продукта.

Аппараты, применяемые для сушки, называются сушилками. В зависимости конструкций различают барабанные, подовые, конвейерные, трубы-сушилки и сушилки кипящего слоя. В практике обогащения полезных ископаемых наиболее широко применяют барабанные, трубы – сушилки и сушилки кипящего слоя. Барабанные сушилки (рис 3.4) представляют собой вращающийся наклонный барабан, с одной стороны которого загружается материал и от топки подаются горячие газы. За счет специальных насадок внутри барабана материал постоянно поднимается на некоторую высоту и сбрасывается. Горячие газы проходят сквозь этот падающий материал за счет разрежения, создаваемого дымососами. Барабанные сушилки изготовляются диаметром 1000 – 3500 мм и длиной 4000 – 27000 мм. Время пребывания материала в барабане зависит от характеристики продукта, подвергаемого сушке, его начальной и конечной влажности и составляет 29 – 40 мин. Влажность высушенного материала составляет 4 – 6 %, а в некоторых случаях 0, 5 – 1, 5%.

В трубе – сушилке материал сушат во взвешенном состоянии. Установка для сушки материала в трубе-сушилке (рис. 3.5) состоит из топки со смесительной камерой и вертикально установленной трубой. Материал из бункера с помощью конвейера подается к питателю – забрасывателю. Забрасыватель подает материал в трубу, по которой он горячими газами транспортируется вверх. Движение горячего газа от топки вверх обеспечивается разрежением, создаваемым вентилятором – дымососом. Верхний конец трубы входит в циклонообразную емкость. За счет увеличенного по сравнению с трубой объема емкости разрежение в ней падает, и материал оседает вниз, откуда он периодически выгружается с помощью затвора – мигалки. Двигаясь в потоке горячего газа, частицы материала высушиваются.

Установки для сушки материала в кипящем слое работают на принципе псевдосжижения сыпучего материала потоком горячего газа, который получается от сжигания топлива в топке.