автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Интенсификация процесса тонкослойного разделения эфельных хвостов при промывке металлоносных песков

АКАДЕМИЯ НАУК СССР Дальневосточное отделение ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

ЧЕРКАСОВ Валерий Георгиевич

УДК 622.58.31; 622.794 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТОНКОСЛОЙНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЗФЕЛЬНЫХ ХВОСТОВ ПРИ ПРОМЫВКЕ МЕГШОНОСЯЫХ ПЕСКОВ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного

производства" ■

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ХАБАРОВСК 1991

Работа выполнена в Читинском политехническом институте.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.П.Мязин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.В.Рашкин

кандидат технических наук А.А.Ковалев

Ведущая организация: институт "Гипроцветмет"

(Читинский филиал)

Защита диссертации состоится декабря 1991г. в /^^асов на заседании специализированного совета К 003.92.01. в Институте горного дела Дальневосточного отделения Академии наук СССР (680000, г.Хабаровск, ул.Тургенева 51).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела ДВО АН СССР

Автореферат разослан .¿у /¡Ла'^Ьг^С 1991г.

■0

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук Курсакин Г. А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, Актуальность работы. Обострившаяся экологическая ситуация по загрязнению природных водотоков хвостами промывки металлоносных !ё'сков (превышение фоновых значений в десятки- сотни раз) обус- . изливает острую необходимость создания высокоэффективных водоохранных технологий, основанных на широкомасштабном использовании зборотных систем водоснабжения, как для стационарных, так и пере-зтавных промывочных установок.

Однако на практике реализация водоохранных схем сдерживается этсутствием надежных обезвоживающих аппаратов для разделения гетерогенных систем (эфельных продуктов), направляемых в отвал. В ггрименяемых лоточных линиях промывки песков практически не реализован принцип локального водооборота, обеспечивающий сокращение потребления свежей вода и уменьшающий отчуждения земельных угодий при складировании эфельных хвостов.

Использование для этих целей высокоэффективных тонкослойных аппаратов сдерживается слабой изученностью процессов разделения зфельных хвостов. До сих пор при создании систем оборотного водоснабжения отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по использованию тонкослойных сгустителей для кондиционирования сточных и оборотных вод. Создание и разработка высокоэффективных технологических средств обезвоживания эфельных хвостов позволяет решить экологическую проблему при ведении горных работ.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом ВПО "Союзалмаззолото" по разделу КП.2 ОП, рабочей программы НИР и ОКР по выполнению мероприятий предотвращения сброса сточных вод в водоемы Арктического бассейна на 1986-1990 г. (программа "Арктика") и комплексной программы Минвуза РСФСР "Экологическая технология. Человек и окружающая среда" (код 52.45.94, 04.07.75).

Цель работы. Повышение эффективности разделения массопотока эфельных хвостов в тонкослойном пространстве обезвоживающих аппаратов для создания технологических средств локального водооборота при разработке россшей.

Научная- идея работы заключается в интенсификации процесса осаждения твердой фазы эфельных хвостов за счет направленного использования активных зон тонкослойного пространства в обезвоживающих аппаратах.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы динамического и математического моделирования процесса, расчеты проводились с использованием ЭВМ ДВК-3. Проведе-

ш лабораторные, полупромышленные и промышленные исследования с применением гранулометрического, химического, физического методо; анализа исследуемой среды, использованы методы математической ст; тистики.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- уточнена закономерность осадценкя твердой фазы эфельных хвое тов в тонкослойном пространстве, позволяющая по сравнению с сущес твующим представлением дополнительно учитывать стратифицированное течение и параболический закон распределения массопотока;

- вскрыта закономерность формирования тонкослойного пространен ва обезвоживающих аппаратов для интенсивного использования выявленных активных зон по выделению твердой фазы из эфельных хвостох

- разработан принцип построения технологических схем оборотного водоснабжения промывочных установок на основе создания технических средств тонкослойного разделения эфельных хвостов, новизна которых защищена авторскими свидетельствами.

Научная новизна. Впервые теоретически обосновано и эксперимен тально подтверждено, что направленное использование пограничных участков тонкослойного пространства позволяет интенсифицировать процесс осаждения твердой фазы массопотока эфельных хвостов. Вскр ты резервы тонкослойного пространства ранее не используемые при создании обезвоживающих аппаратов за счет рационального перераспределения массопотока эфельных хвостов по яротивоточно-поперечно: схеме движения продуктов разделения. Впервые в производственных условиях реализован принцип формирования эффективных зон тонкосло] ного пространства для разделения массопотока эфельных хвостов на жидкую и твердую фазы.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- впервые в производственных условиях исследована эффективное^ тонкослойного процесса разделения эфельных хвостов при промывке металлоносных песков;

- разработана новая технологичная конструкция тонкослойного аппарата на основе труб большого диаметра, разработан ряд типоразмеров модулей и даны рекомендации по их эффективному использованию.

Реализация работы. Разработана техническая документация на трубчатые обезвоживающие модули для реализации их в практику гидромеханизированной разработки россыпей. Конструкции обезвоживающих модулей прошли промышленную проверку на объектах россыпной металлодобычи Якутии и Забайкалья. Рабочие чертежи переданы Читинскому механическому заводу и ЦРМ Забайкальского ГОКа. Разра-

ботанные технологические схемы замыкания массолотока эфелъных хвостов через обезвоживающие модули использовались в предпроектных проработках проводимых Новосибирским филиалом "Гиналмаззолото" для создания комплекса природоохранных мероприятий на комбинате "Ту-вазолото".

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными экспериментальных исследований. Оценка адекватности моделей выполнена с доверительной вероятностью 0,85. При этом относительная погрешность не превышает 10^.

Личный вклад соискателя. Разработал математическую и динамическую модели по уточнению закономерности осаждения твердой фазы эфелъных хвостов в тонкослойном пространстве, на основе которой установил принципиально новый подход по интенсификации процесса разделения за счет направленного использования пограничных слоев массолотока. Разработал конструкцию тонкослойного модуля и его типоразмерный ряд, технологические схемы локального водооборота, принял участие в лабораторных и промышленных исследованиях.

Апробация работы. Основше результаты работы представлены на I -ом Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (г. Фрунзе, 1987 г.), на научно-техническом семинаре "Обработка, обезвоживание и транспортировка сточных вод" (г. Челябинск, 1989 г.), на научной конференции "Проблемы природопользования в Забайкалье" (г. Чита, 1989 г.), на III Всесоюзной конференции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем" (г. Тамбов, 1991 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Читинского политехнического института (1987-1991 г.).

Материал конструкции разработанного тонкослойного модуля рекламировался в журнале "Калыма", № 6, 1990 г..

Публикации. По теме работы опубликовано 5 статей, получено два авторских свидетельства и два положительных решения на изобретения.

Объем •работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основной текст составляет 163 машинописных страницы. Работа содержит 51 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Кардинальным направлением по защите водотоков от загрязнения при ведении горных работ является создание замкнутых систем водоснабжения, исключающих сброс сточных вод в естественные водотоки. Для этого используют специальную технологию кондиционирования 061 ротной воды с размещением хвостов промывки в отстойниках и хвос-тохранилищах. Однако с позиции рационального водопользования ойа имеет ряд существенных недостатков заключающихся в том, что под отстойные сооружения огчуздаются значительные площади земельных угодий, на их создание требуются больше капитальные затраты, фильтрация дамб и плотин вызывает загрязнение прилегающих поверхностных водотоков.

Путем системного анализа существующих методов кондиционирован вода в системах оборотного водоснабжения выявлено, что наиболее эффективным техническим решением по защите естественных водотоке от загрязнения должен стать процесс по выделению твердой фазы эф ных хвостов в тонкослойном пространстве обезвоживающих аппаратов

Однако механизм разделения транспортируемых массопотоков в то кослойном пространстве на твердую и жидкую фазы довольно сложен до конца не изучен. Существующие метода расчета, принципы постро ения схем аппаратов имеют узкую направленность с учетом назначения конструкции и не позволяют перенести полученные зависимости рекомендации применительно к процессу разделения эфельных хвосто при промывке песков россыпных месторождений для создания высокоэ фекгивных обезвоживающих аппаратов из-за особенности состава мае потока, технологических требований, условий эксплуатации.

Отсутствие научно-обоснованых рекомендаций по использованию тонкослойного процесса разделения эфельных хвостов на твердую и жидкую фазы потребовали поиска новых подходов и дополнительных о ленаправленных исследований.

В связи с этим для достижения поставленной цели в работе реша лись следующие задачи:

- уточнить теоретические представления процесса разделения э| ных хвостов в тонком слое движущегося массопотока, вскрыть закот мерность по осавдению твердой фазы хвостов промывки в тонкослойном пространстве;

- выявить неиспользованные резервы тонкослойного пространстве и пути по интенсификации процесса осаждения твердой фазы эфельнь хвостов;

- разработать и исследовать конструкцию тонкослойного апларг

применительно к основным типам промывочных приборов. Дать границы' и области применения разработанной конструкции;

- разработать рекомендации по применению тонкослойных аппаратов для создания локальных систем оборотного водоснабжения в поточных линиях переработки металлоносных песков.

Задача решалась применительно к трудноразделяемым частицам класса -0,1 мм при концентрации твердого в массопотоке не более 2%. Для исследования процесса перемещения твердой фазы применен метод единичной ячейки.

Так как осаждение частиц протекает в стратифицированном массопотоке, то рассматривая нижний подвижный слой, прилегающий к нижней пластине, как сплоченный осадок, перемещение жидкости можно свести к течению Куэгта.

Приняв параметры и обозначения согласно рис. I с целью определения границы встречных потоков и длины перемещения частиц/ с уровня до уровня Л0 , определена скорость жидкой среды (// по сечению канала

*-""г(»-')'«(§-<). ш

где - динамическая вязкость средняя для пульпы, Па-с;

у* - динамическая вязкость пульпы на расстоянии у от нижней пластины по нормали; - средняя скорость пульпы в канале, м/с. С учетом (I) получено

/ - 6* M /JfjfS y-i) ¡/ Г1/г А/

А = §[(/+в> - Уе*- у* - Уз в],

У. /2>

(3)

где 0 = Ay Р) ¿Л, «^/V ¿/с/,

Граница встречных потоков определена через коэффициент ^ равный отношению расходов сгущенного продукта на выходе к исходному питанию. Максимальная длина продольного перемещения частиц =• при if о =Н.

Для предотвращения переноса глинистых частиц из нижнего слоя в верхнее встречное из условия сохранения ламинарного потока при критерии устойчивости стратифицированного течения /"'< 150 получено условие для определения критического значения сдвига Л V среднерасходных скоростей слоя исходной пульпы и слоя сгущенного продукта

Рис.1. Схема осаждения монодисперсных частиц в тонкослойном потоке

- активная зона осаждения;

- зона осаждения улавливаемых частиц;

- зона осадка;

- пассивная зона.

аУ< О,/4 у/г?

(4)

где /г* - объемное содержание твердой фазы в питании.

Для эфельных хвостов лУ — 0,08 м/с.

Изучение закономерности распределения улавливаемой твердой фазы проведено на основе исследования относительной плотности улавливаемых частиц по длине канала. Если на входе через участок л у0{-проходит Л монодисперсных частиц, которые оседают на участке то отношение плотности частиц в осадке к плотности на входе дает среднее значение коэффициента относительной плотностиЛу

Лсг ~ л е.-» = ~л7Г- (5)

Для монодисперсных частиц

Л = - ¿г (6}

Для полидисперсных частиц при п(х) классов твердой фазы

Л*« У л,- . (7)

г*?

Из зависимостей Лх =/(Х) и Л = /(I) следует, что плотность оседания частиц в начале расчетной длины канала резко возрастает и не подтверждает существующие ранее гипотезы. Из условия Л >Лу получены границы активных зон улавливания частиц: в продольном измерении

в поперечном измерении с учетом подвижного слоя осадка

(9)

С использованием этих закономерностей показано, что через активные зоны в продольном направлении проходит 42,2% улавливаемых частиц, которые осаждаются только на 23? плоа^ади пластин, а 50$ межпластинчатого пространства канала в формировании осадка не используется. Поэтому для повышения эффективности осаждения частиц предложено ступенчатое расположение пластин с противоточно-попереч-ной схемой движения продуктов^, рис. 3. Этот принцип реализован на уровне изобретения в разработанной конструкции тонкослойного модуля, /9/, рис. 4. Для этой разработки выявлена взаимосвязь основных геометрических и технологических параметров тонкослойного пространства и установлены граничные условия его эффективного использования.

Определены рациональные методы компоновки модуля, направленные на резкое снижение массы обезвоживающего аппарата, за счет сов-

0,1

н 0,09

I

5! $0,06

I

ч

ч г 1

ч. N 1

1——.

0,1

¿О

ю

Д/Шна /<дж/га, л?

Рис.2. Распределение твердой фазы эфелъных хвостов по длине канала при содержании илисто-глинистой фракции класса -0,0; мм: I - 20%; 2 - 105?; 3 - 5%; Н=0,04 м; V =0,02 м/с; Л =6!

Илавмваиие частиц, %

.Рис.3. Осаждение твердой фазы эфелъных хвостов в тонкослойном пространстве при интенсивном использовании активных зон

мещения функций тонкослойного пространства и несущего корпуса. Создан ряд типоразмеров модулей-осветлителей на основе труб большого диаметра, разработаны варианты их соединения в батареи применительно к основным типам промывочных приборов для создания локальных контуров в системах оборотного водоснабжения, рис. 5. На уровне изобретений разработаны пршщилиально новые технические решения /6,7,8/ по созданию лоточных линий транспортно-обогати-тальдах комплексов на основе тонкослойных аппаратов с целью выделения технологической воды и складирования выделенной твердой фазы эфельных хвостов в отвал.

Лабораторные и промышленные исследования на месторождениях Якутии и Забайкалья показали работоспособность модулей и эффективность тонкослойного процесса разделения эфельных хвостов с выделением 80-85% технологической воды при удельной нагрузке на поперечное сечение до 200 м3/м2-ч. Установлено, что использование водорастворимых полимерных добавок (до 5 г/м3) повышает производительность модулей в 3-5 раз с двукратным понижением содержания твердого в сливе и позволяет получать технологическую воду с концентрацией твердой фазы до I г/да3. Удельная масса конструкции по пропускной способности достигает 7-10 кг.ч/м3, содержание илисто-глинистой фракции в сгущенном продукте - 450-500 г/да3, рис. 6. Многократное использование активных зон тонкослойного пространства за счет разворота смежных комплектов пластин в полости модуля на угол ^ дает возможность интенсифицировать процесс разделения и снизить содержание твердой фазы в сливе в 1,6-1,8 раза без изменения объема камер и площади пластин.

Путем эколого-экономической оценки применения локальных контуров на основе тонкослойных аппаратов в системах оборотного водоснабжения применительно к промывочным приборам золото- редкоме-метальной добычи песков выявлено, что за счет сокращения выбросов загрязняющих веществ в естественные водотоки при ведении горных работ предотвращенный ущерб на примере месторождения "Э" Алтага-чанского рудоуправления составит 31,1 тыс. руб. на один модуль с производительностью 100 м3/ч.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Осуществлено новое решение актуальной задачи из области физических процессов горного производства по созданию технических

средств локального водооборота при промывке металлоносных песков

//

¿W

Сгищешый ffPûàw/я Рис.4. Батарея тонкослойных модулей (а) и схема (б) противоточнс

поперечного движения массопотока в камере разделения {

£нешм/(/ /rmmt/fi

-ЖТГЖЖЩ^

Рис.5. Вариант построения локального контура системы водообеспе-чения промывочного прибора

I - промывочный прибор; 2 - обезвоживатель; 3 - батарея toi кослойных модулей; 4 - станция приготовления реагента; 5 -накопитель технологической воды; 6 - илоотстойник.

Рис.6. Зависимости разделительного процесса эфельных хвостов от пропускной способности модуля (а) и отроения тонкослойного пространства (б),

а) I - исходное питание; 2 - слив и сгущенный продукт без использования флокулянта; 3 -слив и сгущенный продукт с добавлением флокулянта (4 г/м3);

б) производительность модуля по питанию 40 м3/ч без реагентных добавок.

за счет интенсификации процесса разделения минеральных фракций и их непрерывного вывода, обеспечивающего снижение водопотребления и сокращения затрат на охрану прилегающих водотоков от загрязнеи с существенным эколого-экономическим эффектом.

2. Путем системного анализа водоохранных схем, используемых для защиты прилегающих водотоков от загрязнения хвостами промыв! песков, выявлена их крайне низкая экологическая надежность при г мыкании водно-шламовых продуктов эфелей через внешние грунтовые отстойники. По данным практики содержание взвешенных веществ в 1 ках ниже горных работ превышает их фоновое значение в десятки-сотни раз.

3. Основным направлением по повышению надежности систем оборотного водоснабжения промывочных установок должно стать создаш эффективных технических средств водооборота путем разделения дв! жущегося массопотока эфельных хвостов на тонкие слои и замыканго их через обезвоживающие-модули-осветлители, включающие новые щи щлы интенсивного сгущения мелкой фракции, и непрерывного вывода продуктов твердой и жидкой фаз»

4. Разработана математическая модель формирования осадка из минеральных частиц эфелей различной плотности в межпластинчатом пространстве, позволяющая выявить новые закономерности с учетом

- стратификации течения исходной пульпы и сгущенного продук

- формирования и распределения осадка по длине канала улавл вания;

- влияния слоя сгущенного продукта на геометрические параме ры тонкослойных элементов.

5. Выявлена взаимосвязь основных геометрических и технологи ческих параметров тонкослойного пространства и установлены граничные условия его эффективного использования с учетом особенно тей формирования в трубчатом модуле активных зон выделения осад; и удаления слива. Доказано, что ступенчатое расположение пласта по длине тонкослойного пространства позволяет наиболее рациона! но использовать пограничные слои канала.

6. Выявлена зависимость распределения осадка по длине тонкс алойного пространства от числа участков поперечного сдвига плас тин, с помощью которой доказана целесообразность максимального : деления осадка в зоне разгрузки сгущенного продукта, что позво,' ет снизить концентрацию твердого в сливе технологической воды з 1,6-1,8 раза.

7. Впервые в промышленных условиях испытана на месторовдек

Я

Якутии и Забайкалья разработанная конструкция обезвоживающего тонкослойного модуля, позволяющая выделять до 80-85% технологической воды и-многократного использования её в обороте применительно к переставным промывочным установкам. Выявлена перспектива повышения качества сточных и оборотных вод путем совместного применения аппаратов тонкослойного разделения и водорастворимых полимеров.

8. На основании проверки и реализации полученных основных результатов исследования применительно к системам промывочных установок разработано следующее:

- новая конструкция обезвоживающего модуля-осветлителя трубчатого типа на уровне изобретения;

- создан ряд типоразмеров трубчатых обезвоживателей для основных типов промывочных приборов;

- техническая документация, разработанная автором и рекомендованная в серийное производство;

- выданы рекомендации по созданию локальных контуров водообо-рота в поточных .линиях транспортно-обогатительных комплексов, реализованные Новосибирским филиалом "Гиналмаззалото" в предпроектных проработках систем водоснабжения на предприятиях ПО "Тувазалото".

9. Расчетный предотвращенный ущерб от загрязнения природного водотока при ведении горных работ на один обезвоживающий модуль с пропускной способностью 100 м3/ч составляет 31,1 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Черкасов В.Г., Резник Ю.Н. К расчету тонкослойных отстойников поточных линий для обезвоживания хвостов // Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья: Тез. докл.

1 Всесоюз. семинар.--Фрунзе, 1987. - С.98-99.

2. Мязин В.П., Черкасов В.Г., Близнецкий А.Г. Разработка новых водно-шламовых схем транспортно-обогатительных комплексов в условиях высокогорья, (там же), С.99.

3. Черкасов В.Г., Близнецкий А.Г. Передвижные обезвоживающие модули в технологии водоподготовки на объектах россыпной металло-добычи // Проблемы природопользования-в Забайкалье: Тез. докл. регион, конференции.- Чита, 1989.- С.123-124.

4. Черкасов В.Г., Мязин В.П. Модульная установка для обезвоживания хвостов промывки металлоносных песков // Обработка, обезвоживание и транспортировка сточных вод: Тез. науч.-техн. семинар. -Челябинск, 1989.- С.35-3?.

/У

5. Черкасов В.Г., Мязин В.П. Передвижные обезвоживающие моду .ли в технологии водоподгоговки при разработке россыпных месторо» декий // Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем: III Всесоюз. конференция.- Тамбов, 1991,- С.83-84.

6. A.C. 1380006, МКИ В 03 В 7/00. Поточная линия для обезвоя вания хвостов промывки / Мязин В.П., Черкасов В.Г., Близнецкий ü Личаев В.Р., Курылев А.П. (СССР). 4066793/31-26; Заявл. II.5. -/ДСП/. '

7. A.C. 1462546 СССР, МКИ В 03 В 7/00. Поточная линия для ос воживания хвостов промывки / Мязин В.П., Черкасов В.Г., Близнец-кий А.Г. (СССР). - № 4272665/31-26; Заявл. 30.06.87.-/ДСП/.

8. Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке

I 4809502/26 от 26.07.90. Тонкослойный разделитель минеральных частиц в потоке / Черкасов В.Г., Мязин В.П., Макковеев Е.П., lllei ченко Ю.С; (СССР).

9. Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке

№ 4855322/26 от 27.03.91. Поточная .линия для обезвоживания и удг ления хвостов промывки / Черкасов В.Г., Мязин В.П. (СССР).

Подписано в печать M.iW ■ Заказ а/ 97 Тираж 100 экз.

Тип.