автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Разработка и исследование колонн для флотации минералов широкого диапазона крупности

На правах рукописи

УДК: 622.765.002.5 (043.2)

РГБ од

1 s ДЕК Ш

РЕЦ Наталия Ивановна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛОНН ДЛЯ ФЛОТАЦИИ МИНЕРАЛОВ ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА КРУПНОСТИ

Специальность 05.15.08- Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК: 622.765.002.5 (043.2)

РЕЦ Наталия Ивановна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛОНН ДЛЯ ФЛОТАЦИИ МИНЕРАЛОВ ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА КРУПНОСТИ

Специальность 05.15.08- Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на обогатительных фабриках АО "Уралкалий", АО «Сильвинит» и кафедре обогащения полезных ископаемых Московского государственного открытого университета.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Н.Ф. Мещеряков

кандидат технических наук Р. X. Сабиров.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.Б. Рубинштейн

кандидат технических наук В.Д. Лунин

Ведущее предприятие: АО "Уралкалий»

Защита состоится июня 2000 г. в /О часов 00 мин. на заседании

Диссертационного совета К 135.01.01. по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Государственном дочернем унитарном предприятии «Комплексный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт обогащения твердых горючих ископаемых» (ИОТТ) Государственного унитарного предприятия «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. A.A. Скочинского» по адресу: 140004 г. Люберцы, Московской обл., пос. ВУГИ, ИОТТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОТТ. Автореферат разослан _2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат технических наук М.В. Давыдов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современная колонная флотацнонная техника находит всё большее 1рименение в промышленности. Колонны применяются для флотации руд цветных металлов, горнохимического сырья и углей. Особенно эффективно их применение в 1еречистных операциях вследствие более высокой селекции разделения минералов, чем в механических и пневмомеханических флотационных машинах. Они просты конструктивно, :анимают меньшие производственные площади и имеют меньшую энергоемкость. Однако ^дотационным колоннам свойственны и отдельные недостатки. В них хуже флотируются :рупные частицы, их удельная производительность ограничивается скоростью нисходящих ютоков 2 см/с, превышение которой приводит к выносу минерализованных пузырьков в :восты, они имеют большую высоту 8-16 м и применяемые в них аэраторы недостаточно тдежпы.

Цель работы - разработка и исследование флотационных колонн, обеспечивающих эффективную флотацию частиц широкого диапазона крупности, с одновременным озданием надежных и малоэнергоемких аэраторов для них.

Методы исследования. Работа выполнена с применением комплекса кспериментальных и аналитических исследований, в том числе методов математического и ризического моделирования, экспериментальных стендовых исследований на модулях различного масштаба и технологических исследований в полупромышленных и [ромышленных условиях.

Пробы продуктов обогащения в процессе их испытаний в разработанных колоннах и талонных машинах подвергались гранулометрическому, минералогическому и химическим нализам.

Научая новизна. Теоретически и экспериментально обоснована возможность создания ¡дотационных колонн с низкоэнергоемкими эффективными и надежными струйными эраторами поверхностного и глубинного типа для флотации крупных, мелких и тонких астнц. Разработана методика расчета отдельных узлов и колонн в целом.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований созданы колонны со труйными аэраторами для флотации частиц: крупных, обычной флотационной крупности и онких гидрофобных из оборотных промышленных вод.

Промышленными и полупромышленными испытаниями подтверждена их высокая адежность, эффективность, удельная производительность и низкая энергоемкость. Колонны зП-6,ЗС внедрены в операциях флотации алмазов крупностью -2 +0,5 мм на фабрике №3 )АО "Якуталмаз" и несколько лет эксплуатировались на фабрике БКРУ-2 ПО "Уралкалий" операции сильвиновой флотации материала крупностью -3+0,8 мм.

На защиту выносятся. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости груйных аэраторов, работающих на принципе аэрирования жидкости падающими струями, конструкции поверхностных и глубинных аэраторов. Конструкции и методика расчета олонн со струйными аэраторами для флотации частиц широкого диапазона крупности, •боснование целесообразности применения в колоннах минерализации воздушных узырьков в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях минералов. Результаты спытаний разработанных колонн в операциях флотации крупных частиц, частиц обычной

флотационной крупности и флотации тонких частиц. Предложения по реализации результатов работы в промышленности.

Апробация работы. Материалы диссертации в целом и отдельные ее положения докладывались и обсуждались на : симпозиумах "Неделя горняка-97"; "Неделя горняка-98"; научно-технической конференции, посвященной памяти И.Н.Плаксина, Петрозаводск, 1994 г.; кафедре обогащения МГОУ, 1999 г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация содержит 128 стр., включая рисунки, таблицы и список использованных источников из 94 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Публикации. По материалам диссертационной работы !;:.;естся 5 публикаций.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛОННОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

В последние годы отмечается расширение области применения флотационных колонн и их дальнейшее совершенствование. Исследования флотационных колонн и практика их применения в различных операциях флотации различных руд и углей позволила выявить их достоинства и недостатки.

К преимуществам колонн относят: низкий расход электроэнергии, использование противоточного движения частиц и пузырьков, повышающего вероятность их столкновения, высокая селективность флотации за счет использования вторичной концентрации в зоне очистки в пенном слое, возможность регулирования расхода воздуха и его дисперсности, простота конструкции, отсутствие вращающихся в агрессивной среде узлов, эффективное использование производственных площадей и объемов.

Недостатками колонн является то, что в них хуже флотируются крупные частицы из-за меньшего пребывания их в процессе флотации по сравнению с продолжительностью пребывания всего объема пульпы. Ограничения средней скорости нисходящих потоков 2 см/с, превышение которой приводит к выносу минерализованных пузырьков в хвосты. Несовершенство калибровки и эксплуатации технических средств для регулирования высоты пены и расхода воздуха, а также трудности обеспечения стабильного расхода промывочной воды. Отсутствие надежных аэраторов и большая высота колонн 8-16 м.

ВЫБОР ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АЭРАТОРОВ ФЛОТАЦИОННЫХ КОЛОНН И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АЭРИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ ПАДАЮЩИМИ СТРУЯМИ

Во флотационных колоннах в настоящее время в качестве аэрирующих устройств применяются аэраторы пневматического, гидравлического и пневмогидравлического типов. Их роль наряду с гидродинамикой внутрикамерных потоков является определяющей в процессе разделения минералов во флотационных колоннах. Аэраторы должны иметь стабильную аэрационную характеристику, быть надежными и долговечными. От выбора

рациональной конструкции аэратора, являющегося основным рабочим элементом флотационного аппарата, зависят его конструктивные и технологические параметры.

В промышленных флотационных колоннах наибольшее распространение нашли пневматические аэраторы из эластичных перфорированных материалов (резины, полиуретана) трубчатого типа. Они обеспечивают равномерность аэрации по объему аппарата и качественный гранулометрический состав пузырьков. К их недостаткам относят быстрый износ, увеличение диаметров отверстий и повышение неравномерности аэрации в ходе работы, а также необходимость замены аэратора при локальном нарушении его целостности, что существенно сокращает срок их службы.

Применение в колоннах гидравлических и пневмогидравлических аэраторов, принцип действия которых близок, менее распространено.

К гидравлическим и пневмогидравлнческим аэраторам относятся такие устройства, в которых подача воздуха в поток пульпы и его диспергирование или хотя бы один из этих процессов осуществляется за счет энергии движущейся жидкости. Разработано множество конструкций с идентичным принципом действия: поверхностные струнные, эжекторные и циклонные аэраторы. При их применении в ряде случаев обеспечивается более качественный гранулометрический состав пузырьков, чем при применении пневматических аэраторов. Крупность образующихся пузырьков может быть менее 0,5 мм, тогда как при применении пневматических аэраторов эта величина колеблется в пределах 1-3 мм. Недостатком этих конструкций является их интенсивный абразивный износ, невысокая степень эжекции воздуха потоками жидкости, особенно при глубинном аэрировании, затруднения в эбеспечении равномерности аэрированности пульпы по площади и объему флотационных аппаратов.

Сравнительная оценка исследовательских данных, по применению пневматических, гидравлических и пневмогидравлических аэраторов позволила сделать вывод о (елесообразности развития работ по созданию поверхностных и глубинных аэраторов, эбеспечивающих аэрацию жидкости во флотационных аппаратах падающими струями.

Детальными экспериментальными и аналитическими исследованиями аэрации падающими на поверхность жидкости струями установлено, что их эжектирующая :пособность зависит от скорости струй, угла падения, формы, длины струй, диаметра шсадок, поверхностного натяжения и содержания твердого в жидкости. Скоростная синосъемка показала, что эжекционный захват воздуха из окружающей среды, обусловлен 1аличием многочисленных завихрений на поверхности турбулентных струн.

Установлено, что эжекция возрастает с повышением скорости и турбулентности струи. 1а расход увлекаемого струей воздуха оказывает влияние диаметр отверстия насадок и их еометрия. Струи меньшего диаметра обладают большей эжектирующей способностью. Аэрирующая способность струй выше, если сопло имеет удлиненный участок с траллельными стенками, что является следствием турбулизации струи до выхода ее из [асадки. Эжекция воздуха зависит от высоты падения струи. Во всех случаях эжекция оздуха повышается с увеличением расстояния от обреза насадки до поверхности жидкости Ю тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой эжекция перестает возрастать и ичинает падать. Это свидетельствует о начале распада струи на капли. В этом случае корость частиц жидкости уменьшается относительно окружающего воздуха и его унос юнижается. Длина аэрированной струи до начала ее распада является функцией

интенсивности турбулентности, диаметра струи у насадки с!„ и скорости струи в насадке У„ или расхода воды

Эмпирические результаты описываются следующими соотношениями.

Влияние интенсивности турбулентности (1„) на длину струи (Ь) до ее распада

1Т..................... 0,3 3 8

Ь,м.................60 <50'39* 17,4 (Зо:"ж 4,1 (30'2Ж

Скорость эжекцни пропорциональна скорости жидкости на поверхности стпуи, полому

(}г=кя с!с ^1сУнКе" , (1)

где к, п - коэффициенты (по экспериментальным данным к = 2,1-10"3; п = 2/3);

уж - кинематическая вязкость жидкости;

<1С - диаметр струи;

Ьс - длина струи;

У„ - скорость струи при выходе из насадки;

<Зг- количество эжектируемого газа.

Диаметр струи определяют по эмпирической формуле

ас = 0,08с1„ (2)

где (1„ - диаметр сопла насадки.

Одним из наиболее важных аспектов массопереноса, происходящих в аппаратах, использующих вертикальные поверхностные струи, являются размеры и состав погруженного аэрированного участка ("факела"). На его параметры влияют высота падения струи, ее диаметр, скорость и интенсивность турбулентности.

В точке входа круглой струи 1 (рис. 16,в) образуется кратер 2 диаметром 4 -з- 5 сЦ. Воздух, увлекаемый струей в объем жидкости через цилиндрический разрыв 3 в нижней точке кратера в виде компактного "факела" движется вглубь жидкости. Зоной диспергирования является поверхность "факела" и особенно нижняя его часть (область вблизи точки М). В этой зоне на границе раздела двух фаз достигается наибольшее торможение "факела". Максимальная аэрированность соответствует осевой части "факела". По мере его заглубления аэрированность уменьшается. Глубина проникновения "факела":

Нф-5,1 ^КАЛ (3)

Среднее газосодержание "факела" <р может быть вычислено по уравнению:

<р = 100 <}г/((},- + (}*) (4)

где (Зг- количество эжектируемого газа.

Экспериментально определено, что максимально возможная концентрация воздуха в осевой части струи не превышает 40%; угол конусности "факела" турбулентной вертикальной струи составляет 12-15°, а для водяной струи, содержащей твердые частицы, этот угол составляет 17°. По другим данным, угол конуса "факела" равен 25°.

Исследования зависимости диаметра образующихся пузырьков от скорости струи, длины струи, диаметра сопла и поверхностного натяжения жидкости показали, что с увеличением скорости струи диаметр пузырьков уменьшается, высота падения в пределах 250 см не оказывает заметного влияния на диаметр пузырьков. С уменьшением диаметра сопла крупность пузырьков уменьшается. Понижение поверхностного натяжения для малых и больших скоростей приводит к уменьшению диаметра пузырьков. Крупность пузырьков изменяется в пределах 0,5 - 2,5 мм. Средний размер пузырьков по мере погружения водовоздушной струи повышается вследствие коалесценции.

Струя круглого сечения, падающая вертикально вниз, не обеспечивает высокой :тепени эжекцни из-за возврата пузырьков воздуха в зону падения струи. Коэффициент эжекции Qr /Q* при скорости струй 10-20 м/с колеблется в пределах 1-2.

Большей эжектирующей способностью обладают наклонные струи. При подаче струи тод углом к поверхности жидкости эжектирование воздуха увеличивается. При входе гаклонной струи в жидкость образуется конический кратер 2 (рис.1 г), который имеет зольший в сравнении с вертикальной струей периметр контакта с поверхностью воды. Зоздух из кратера 2 эжектируется в зону 4 и затем в виде "факела" движется в объем кидкости. Благодаря конической форме кратера воздух легче защемляется и ему труднее )ыйти в зону, лежащую над поверхностью жидкости. При этом максимальная глубина юрации

Нфа = Нф Sin а,

де Нф - глубина аэрации такой же струей, но направленной вертикально, а - угол наклона :труи.

Схема падения капли (я), вертикальной ламинарной (б), турбулентной (в) и наклонной (г) струи

(1)

(III)

(IV)

( i пузырёк

НИ

ч:

струя

W

туроулизоваиная поверхность : i

у пузырьки

> .

I- точка входа струн; 2 - кратер; 3 - цилиндрический разрыв;4 - ядро факела

>

4

струя

Рнс.1

Объем аэрируемой жидкости

0.= //,;Л0,5-0,8с(8Й)(4+0,44/^„) (5)

Голландскими и японскими исследователями, определявшими эжектирующую способность наклонных круглых струй в зависимости от их угла падения, длины, скорости, их диаметра, установлено, что при высоких скоростях струй отношение <3,/(}ж имеет большее значение при малых диаметрах насадок и углах их падения 30 - 60°.

Из полученных ими данных следует, что в промышленных аппаратах следует использовать аэрирование падающими наклонными струями при скоростях их движения более 10 м/с. Для оценки об'ёма эжектируемого воздуха наклонными круглыми струями при таких скоростях движения при 0,2 см < <1 „ < 0,8 см , 6 см < Ьс < 50 см предложено эмпирическое уравнение:

ег =1,9-10-5К„,'Ч/'оЛ/Д5-Япа**, (6)

где (1„ - диаметр насадки;

V,, - скорость струи на выходе из насадки; [_с - длина полета струи; а - угол наклона струи.

При использовании круглых струй их площади контакта между газом и жидкостью минимальная. Большие площади соприкосновения между жидкостью и газом, и соответственно, степень эжекции могут достигаться при использовании плоских и кольцевых струй, исследованию которых уделено меньшее внимание.

Нами была проведена сравнительная оценка аэрирующей способности круглых и плоских наклонных струй на установке с прозрачными стенками, (рис.2), в которой можно было проводить исследование процесса аэрирования жидкости падающими струями с применением скоростной киносъемки. Исследовалась аэрация круглыми и плоскими струями, вытекающими из насадки, расположенной над поверхностью жидкости на высоте 0,4 м при различных скоростях их движения и углах наклона.

7 -поверхность раздела газ-жчдкостьЯ - манометр;9 -расходомер; 10 - насос; 11 -перегородка

Рис.2.

Влияние угла паления, формы и скорости струн на степень аэрации (высота расположения насадки над поверхностью жидкости 0.4 м.)

Рис.З.

Захват воздуха плоскими струями наблюдается при меньших скоростях. Так, при шении плоской струи вертикально при скорости 4,7 м/с заметно образование воздушных 1узырьков непосредственно под поверхностью жидкости. При той же скорости аэрация >езко возрастает, если плоскую струю подавать под углом 30-45°. Размеры кратера, [меющего овальную форму возрастают до 5-6 с1„, вместо 2 с1„ для круглой струи. В 2-5 раза величивается глубина переходной зоны, через которую осуществляется эжекция воздуха, шняется и форма "факела". Он становится плоским, распад его начинается непосредственно т переходной зоны. Основная часть (до 40%) образующихся пузырьков имеет средний ;иаметр 1 мм. При увеличении скорости плоской струи до 7,3 м/с размер кратера увели-нвается до 7-9 с!„. На глубине 25 мм скорость "факела" уменьшается до 1 м/с. В этой зоне дет интенсивное образование пузырьков, средняя их крупность в этом случае в 1,5-2,0 раза 1еньше, чем при аэрации круглыми струями.

Среднее газосодержание "факела" пропорционально объему, эжектнруемому струен оздуха, и времени пребывания пузырька в жидкости. Оно может быть определено на основе рофилей радиальной и вертикальной составляющих скорости пузырьков.

Ф = 17.70г [у0, • У, / £с Г4 ДГ + 1.2^]. (7)

*е Ла = 0,8 Нфа - максимальное расстояние от точки входа до точки выхода пузырьков из факела".

Результаты сравнительных опытов по аэрированию наклонными круглыми и плоскими груями с различными углами падения п насадками различного размера в зависимости от сорости струи V,, представлены на рис.3. Полученные данные демонстрируют эеимущество струйного аэрирования плоскими струями. Их эжектирующая способность >1ше, чем круглых струй в 3 - 4 раза. Оптимальными углами падения струй являются углы )° и 45°. Для оценки расхода эжектируемого воздуха плоскими наклонными струями может лть использовано эмпирическое уравнение:

0,. =р-б Г(-Л/,а-03 , (8)

где р - периметр струи, 5 -толщина пограничного слоя.

В настоящее время, несмотря на существенное преимущество аэрирования жидкости поверхностными наклонными плоскими и круглыми струями в сравнении с вертикальными струями, во флотационных машинах применяют последние.

Способ поверхностного аэрирования пульпы падающими струями имеет существенный недостаток. При его применении обеспечивается аэрирование только поверхностного слоя пульпы на глубину проникновения "факела", которая при скоростях V,, =10-г 15м/с не превышает - 0,6 м. Зона, расположенная ниже "факела", не аэрируется, что не позволяет создавать флотационные машины с поверхностными струйными аэраторами высокой удельной производительности на единицу занимаемой площади.

Поиски возможных путей устранения указанного недостатка привели к разработке способа, обеспечивающего эффективное глубинное аэрирование падающими струями. В объеме жидкости нами предложено создавать воздушный колокол и подавать струю через насадку на поверхность раздела газ-жидкость, формируемую внутри колокола.

Воздушный колокол на установке (рис.2) сформирован в боковой части камеры, но он может быть образован непосредственно внутри камеры на любой заданной глубине. Результаты исследования процесса глубинного струйного аэрирования при разных диаметрах и формах насадок и скоростях струй представлены на рис. 4а, б. Удельная эжектирующая способность струй плоской и круглой формы представлена на рис. 5. Она для струй плоской формы из-за большей толщины пограничного слоя выше в 2 - 3 раза, чем для струй круглой формы.

Исследованиями установлено, что основные закономерности глубинного струйного аэрирования остаются такими же, как и при поверхностном струйном аэрировании, но с увеличением гидростатического давления над воздушным колоколом повышается эжектирующая способность струи (рис. 6). Это обусловлено тем, что с его заглублением плотность воздуха внутри колокола повышается за счет гидростатического давления жидкости. Для оценки объема эжектируемого воздуха при глубинном аэрировании плоскими и круглыми струями может быть использовано полученное с применением ЭВМ уравнение:

= К р 5 К„5ша-М, (9)

где К - коэффициент, изменяющийся с шагом 0,1 на 1 м глубины погружения аэратора.

Исследования глубинного аэрирования с применением вертикальных трубчато -струйных аэраторов показали, что при противодавлении столба жидкости 1,5 - 2,0 м и соотношениях площади сечения насадок вц и площади транспортирующей трубы 5Т в пределах 2,5 - 2,6 коэффициент эжекции при скоростях струй 20 - 24 м/с составляет К=(ЗД2Ж=0,9 - 1,2 для насадок диаметром 12-20 мм. Это позволяет рекомендовать их применение для глубинного аэрирования при очистке сточных вод от гидрофобных загрязнений , которые содержат незначительное количество флотируемого твёрдого, и предварительного газонасыщения плотных пульп при их разжижении перед флотацией грубозернистых материалов , когда конструктивно невозможно применить другие аэраторы (рис 11).

Зависимость степени аэрации при глубинном аэрнрованнн от скорости струи в насадке (высота столба жидкости над поверхностью раздела гиз-жидкость 0.8 м, а=45° , Ьс = 0,4 м)

О г/0 ж 4

у„, м/с

12 10 8

6

4 2

1

1 2

X 3

/ У 1

Л 1 4

—^ »---

16

20

24

у„, м/с

а -круглая струя: 1-8-диаметр сопла 4; 6;8;10;16;20;24 и 23 мм; б- плоская струя:|-4- сечение соответственно: 3х5;3х10;3х12;3х17 мм

Рис. 4

Зависимость удельной эжектнрующен способности струй круглой н плоской формы от скорости в насадке (высота столба жидкости над насадкой 0,8 м , а= 45", Ьс=0,4 м)

-81 -52 -53 -Д1 -Д2 -ДЗ

Ун, м/с

51, 52,53 - плоские струн сечением 0.15;0.3;0.5 см1 ДI, Д2, ДЗ -круглые струи сечением 0.13;0.3;0.5 см2 Рис.5

Влияние глубины погружения насадки в жидкость па ОД}, для плоской и круглой струй

(У„=17.3 м/с, Ц=0.4 м, а=45")

6.5 -

0.1

0.3

0.5

0,7

0.9

Высота столба жидкости над насадкой, м

1 - плоская струя 0.5x0.3 см 2- круглая струя (1=0.3см

1.1

Рис. 6

При аэрировании мешалками (импеллерами), работающими на принципе аэрирования затопленными струями (5Д< 1. При этом крупность образующихся пузырьков составляет 1-2 мм. Для глубинного струйного аэрирования отношения <3Г/С>ж на порядок выше. В случае подачи струи со скоростью более 10 м/с после пересечения границы раздела газ-жидкость на твердую поверхность под углом 25-35°, устанавливаемую на расстоянии 60-100 мм от указанной границы, крупность образующихся пузырьков снижается до 0,5 мм, что в 2-4 раза ниже, чем при диспергировании воздуха импеллерами. Экспериментально установлено, что применение этого приема дополнительного диспергирования эжектируемого струёй воздуха обеспечивает повышение газосодержания в камере с 7,9% до 13,9% без увеличения энергетических затрат.

Разработанный способ глубинного аэрирования падающими струями на искусственно формируемую в объеме камеры поверхность раздела газ-жидкость с последующим направлением аэрированных струй после их пересечения этого раздела на твердую рассеивающую поверхность под углом 25 - 30° устраняет недостатки аэрирования поверхностными струями. Он может эффективно использоваться при флотации, биосинтезе, очистке сточных вод и аэротенках и других областях техники.

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ КОЛОНН СО СТРУЙНЫМИ АЭРАТОРАМИ ДЛЯ ФЛОТАЦИИ ГРУБОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Известно, что наибольшая скорость и максимальное извлечение достигаются при флотации частиц среднего размера, а крупные и тонкие частицы характеризуются пониженной флотируемостыо.

Основная причина плохой флотируемости крупных частиц - слабое их закрепление на поверхности пузырьков и наличие высокой турбулентности потоков пульпы в камерах флотационных машин механического и пневмомеханического типов, порождающих возникновение инерционных сил, обуславливающих отрыв частиц от пузырьков.

Пониженная флотируемость крупных частиц во флотационных колоннах объясняется меньшим временем их пребывания в процессе флотации по сравнению с продолжительностью пребывания всего объема пульпы.

В шестидесятые-восьмидесятые годы были разработаны, испытаны и внедрены флотационные машины и аппараты для флотации частиц повышенной крупности. Институтом Госгорхимпроект были разработаны пенные сепараторы ФПС-16, ФП-16, 1>П-6,3, которые были испытаны на грубоизмельченных снльвннитовых, марганцевых, тмазных, фосфатных, свинцовых рудах и углях. Они были внедрены на фабриках Второго и Третьего рудоуправлений ПО "Уралкалий" в операциях сильвиновой флотации материала срупностью -3 +0,8 мм и проработали на них в течение нескольких лет. Они применялись на шмазной фабрике № 3 ПО "Якуталмаз" в операции флотации алмазов из материалов срупностью -2 +0,5 мм.

В тот же период времени в ГИГХСе проводились работы по разработке флотационных машин с кипящим слоем ФКМ-6,3 и ФПМКА-2,5 для флотации рубозернистых материалов.

Их испытания проводились параллельно с испытаниями пенных сепараторов. По результатам этих испытаний машины с кипящим слоем были по проекту установлены на Третьей фабрике ПО "Белорускалий" и Второй фабрике ПО "Сильвинит" в операциях сильвиновой флотации материала крупностью -3 +0,8 мм, на которых они проработали длительное время до момента прекращения производства крупнозернистого концентрата.

Сравнительное параллельное испытание пенных сепараторов ФПС-16, установленных по проекту на Второй фабрике ПО "Уралкалий", и машин с кипящим слоем ФКМ-6,3 показало преимущество последних. В результате было рекомендовано заменить пенные сепараторы машинами ФКМ-6,3, что и было реализовано на всех секциях фабрики.

Длительная эксплуатация пенных сепараторов ФПС-16 и машин с кипящим слоем ФКМ-6.3 показала, что они обеспечивают повышение крупное ти флшируемых частиц в 3-4 раза в сравнении с эталонными механическими и пневмомеханическими машинами. Однако в них были обнаружены и некоторые недостатки.

Недостатками машин пенной сепарации является то, что в них процесс разделения минералов протекает в пенном слое, толщина которого не более 200- 300 мм. Время пребывания частиц в зоне воздействия пузырьков при этом составляет 3-4 с. Этого времени недостаточно, особенно, при высоком разжижении питания и высокой удельной нагрузке по питанию. При этих условиях, как показали исследования, не только все питание, не задерживаясь проходит сквозь пену, но из пены начинают сравнительно быстро выпадать скопившиеся в ней ранее частицы, даже находящиеся на значительном расстоянии (15-30 см) от питающего потока. Выпавшие из пены в объем камеры частицы переходят в неаэрированную нижнюю ее часть и выводятся с хвостами. Потери гидрофобных частиц резко возрастают также при разрыве перфорированных резиновых трубок, приводящем к барботажному разрушению пенного слоя. Указанные недостатки были причиной прекращения их использования в промышленности.

Недостатками машин с кипящим слоем является то, что они имеют высокую удельную энергоемкость - 4 кВт-ч/м3 объема камеры (1,3 кВт-ч/т руды).

В связи с этим было решено на основе результатов исследований по поверхностному и глубинному аэрированию падающими струями, отличающемуся низкой энергоемкостью, выполнить конструкторские работы по созданию флотационных колонн для флотации грубоизмельченных материалов с применением этого способа аэрации и одновременным использованием положительных элементов предшествующих конструкций колонн, пенных сепараторов и машин с кипящим слоем.

Разработанная флотационная колонна ФП-6.3С представлена на рис.7. Загрузка исходного питания, обработанного необходимыми реагентами, подается в колонну I сверху через питатель полочного типа 2. Для обеспечения высокой аэрированности пульпы в зоне загрузки в задней стороне колонны 1 установлен поверхностный струйный аэратор 5 с насадками 6 и рассеивателем 3. В зоне загрузки исходного питания пластиной 7 и решеткой 4 сформирована зона предварительной флотации в режиме минерализации пузырьков в пенном и кипящем слоях. После прохождения этой зоны частицы переходят на решетки 9 и 10, на которых за счет работы глубинного струйного пневмогидравлического аэратора 11, обеспечивается их периодическое взвешивание восходящими аэрированными потоками, формируемыми щелями решеток, на которых частицы при своем движении вниз флотируются в режиме периодически взвешиваемого слоя. Пенный продукт, образующийся

на поверхности колонны, разгружается через пенный порог 8, а хвосты с конца нижней решетки 10 через полость 12 и патрубок 14 выводятся из колонны.

Проектная техническая характеристика колонны представлена в таблице 1.

Каждый узел колонны выполнен на основе экспериментальных и расчетных данных, полученных в данной работе, и с учетом рекомендаций исследователей, работавших в области флотации грубозернистых материалов.

Для предварительного аэрирования и разжижения исходного питания колонны с содержанием твердого 55 - 65% в зоне его загрузки установлен поверхностный струйный аэратор 5 (рис. 7). Схема этого аэратора представлена на рис. 8. Он состоит из горизонтальной трубы 4 диаметром 100 мм, длиной 1400 мм, в нее вмонтированы б насадок 5 для формирования струй диаметром 16 мм. Жидкость в него подается под давлением 0.150,20 МПа. Для превращения круглых струй, формируемых насадками 5, в плоские, обладающие, как это было показано выше, большей аэрирующей способностью, они направляются на отражательную пластину 6, устанавливаемую под углом 55-65° к горизонту на расстоянии 100 -120 мм от уровня пульпы в колонне.

I-колонна: 2-питатсль; 3-рассеиватсль: 4-рсш^гка; 5-струПпыП аэратор; 6-насалка:7-пластнпа,8-псш<ыП порог;9-верхняя реш£тка;10-[шжняя решетка; 11-глубинный аэратор; 12-ригрузочнмй карман; 13-расссипаютсс кольцо; 14-разгрузочный патрубок

Рис. 7

Таблица 1.

Проектная техническая характеристика колонны ФП-б.ЗС

Наименование показателя Значения показателя

1. Геометрическая вместимость, м1 6,3

2. Пропускная способность, м'/мин. 12

3.Габаритные размеры41, мм длина 3765

ширина 3345

высота 3795

4. Масса установки, кг 3350

5. Расчетная производительность по твердому на крупнозернистом 50-60

материале, т/час

б. Потребное количество воздуха, м'/мин до 3,0

7. Потребное количество маточника (РН16 0,15 - 0,20 МПа), м3/мин до 3,5

- с ограждениями и площадками обслуживания

Схема поверхностного струйного аэратора

Исходное питание

1- питатель; 2-рассенвающие пластины; 3-решетка;

4-коллектор; 5-насадка; 6-отражатель; 7-колонна

Рис. 8

Такой аэратор при заданных его конструктивных параметрах и указанном давлении обеспечивает подачу жидкости в виде струй 15-20 л/с (0,9-1,2 м3/мин.). При рассеивании этих струй за счет удара, об отражательную пластину 6 образуется плоская сплошная струя по всей длине этой пластины, эжекционная способность которой С?г/()ж = 3 + 4. Работа поверхностного струйного аэратора 5 (рис. 7) создает в зоне загрузки исходного питания восходящие аэрированные потоки над решеткой 4, на которой образуется однородный трехфазный кипящий слой.

При площади решетки 4 (рис.7) 0,6 ,\Г скорость восходящих потоков, создаваемых поверхностным аэратором 5, составляет 2,4 - 2,7 см/с, а скорость аэрации 2,5 - 3,0 см/с. В принципе, в этой зоне объемом 0,25 м3 в верхней ее части созданы условия флотации в режиме пенной сепарации, для которой рекомендована скорость аэрации 2,5 см/с, и в нижней части в режиме кипящего слоя со скоростью аэрации 0,5 - 1,2 см/с.

При проектной производительности колонны 60 т/ч объем питания с содержанием твердого 55 - 65% составляет 20 - 25 л/с. В целом с учетом подачи жидкости поверхностным аэратором в эту зону поступает 35 - 40 л/с. Время пребывания пульпы в этой зоне 6 - 7 с, т.е. оно превышает время пребывания пульпы во флотационной зоне пенных сепараторов ФПС-16.

Вследствие этого, в этой зоне обеспечивается флотация значительной части гидрофобных частиц.

Несфлотированные в указанной зоне частицы через порог 7 (рис.7) перемещаются на наклонные беспровальные решетки 9 и 10 с обратными углами наклона относительно друг друга, с углом наклона полок решеток к горизонту 155°. Решетки выполнены из уголка сечением 32x32 мм со щелями между ними 12 мм. Живое сечение щелей в этом случае составляет 25%, количество щелей по 24 в каждой решетке, т.е. 48 в двух решетках. Таким образом, частицы от места их загрузки до выхода из колонны пересекают 48 раз плоские вертикальные аэрированные завесы, формируемые щелями решеток из аэрированных потоков жидкости, поступающими от глубинного струйного аэратора 11 (рис. 7). Многократность воздействия завес восходящих аэрированных потоков на движущиеся по решеткам частицы в режиме периодического взвешивания обеспечивает теоретическую возможность полной флотации частиц, подготовленных к флотации.

Частицы пустой породы, достигнув конца нижней решетки, разгружаются в хвостовой карман колонны и выводятся из нее через патрубок с задвижкой 14.

Конструкция глубинного струйного аэратора представлена на рис.9. Он устанавливается в колонне (рис. 7, позиция 11) в донной ее части и работает следующим образом. Жидкость под давлением 0,15-0,20 МПа от коллектора 4 подается через насадки 2 (четыре насадки сечением 1,5 x3см) в аэрацнонные короба 1, в которых искусственно поддерживается на заданном уровне поверхность раздела газ-жидкость. Ее поддержание на постоянном уровне обеспечивается подачей сжатого воздуха в ресивер 11 и из него через патрубки 10 в короба 1. Избыток подаваемого сжатого воздуха отводится в атмосферу через конус 12 и воздухозаборник 5. Такое конструктивное решение обеспечивает поддержание в коробах 1 уровней раздела газ-жидкость на уровне обреза конуса 12. Струи, сформированные насадками 2, после пересечения границ раздела газ-жидкость направляются на диспергирующее кольцо 13, на котором при их ударе о его поверхность происходит дополнительное диспергирование пузырьков воздуха и рассеивание аэрированных потоков по горизонтальному сечению колонны. Конечная крупность пузырьков при ударе струй снижается до 0,5 мм. Степень эжекции при работе аэратора =1,2-1,5. Заданная

производительность аэратора по жидкости 80-90 м3/ч (22-25 л/с) и по воздуху 96-135 м3/ч (26-38 л/с). При этом, при сечении колонны 1,4x1,4 м (площадь =2м2 ) скорость восходящих потоков жидкости в нижней части колонны 1,10-1,25 см/с, а воздуха 1,3-1,9 см/с. В зоне минерализации и флотации (на выходе из щелей решеток) скорость потоков жидкости 4,4-5,0 см/с, а воздуха 5,2-7,6 см/с. Суммарная скорость восходящих аэрированных потоков может колебаться в пределах 9,6-12,6 см/с, т.е. заданные скорости близки оптимальным, определенных лабораторными исследованиями, и не превышают рекомендованных Ф. Дедеком относительных скоростей движения частиц и пузырьков (5-15 см/с) для эффективного их слипания при столкновении.

Схема струйного аэратора глубинного типа

5 6 7

I-аэрацноиный короб:2»насалка;3-[|атрубок;4-коллсктор;5«аоиу\озабориик; 6-кришка.7-обсчайка;8-крышка.9-патрубок в вола сжатого воздуха: 10-отворстие:

II-ресивер ноздуча;12-конус;13 - рассеивающее колыю

Рнс.9

Таблица 2

Усредненные данные сравннгелыьк испытаний фтогсмашш ФК\МгЗикптап[ыФП-6,ЗС<)(и|1фРь| в скобках - данные сравнений секции II, оснащенной двумя колоннами ФП -6,ЗС в основной и одной колонной в контрольной флотации, и секции III, оснащенной шестью камерами ФКМ-6,3 в основной и двумя пенными сепараторами ФПС-16 в контрольной флотации)

Показатели Флотомашнны

ФКМ - 6, 3 ФП - 6.3С

1 2 3

Объем флотомашин, м3 Количество, шт Нагрузка:

по твердому, т/ч по пульпе, м3/ч

Содержание твердого, %:

в питании в процессе флотации

Объемая удельная производительность по твердому, т/чм'(основная флотация)

Суммарная потребляемая мощность на подачу воздуха, маточника и взвешивание минеральных частиц, кВт.ч

Удельная потребляемая мощность, кВтч/т

Содержание KCl, %

в питании в концентрате

в хвостах

Содержание НО"

в питании в концентрате

Извлечение КС! в концентрате, %

Данные по 36 опробованиям (в скобках данные НО - нерастворимый остаток.

18.9(37,8) 3(6+2 ФПС-16)

57(120) 322,8(295)

60(64) 19(20)

3.1(3,1)

73(145) 1,2(1,18)

33,8(36,7) 88,0(86,7) 5.1(3,3)

1,6(2.04) 1,6(1,7)

90,8(94,5) по 24 опробованиям)

6,3(12,6) 1.(2+1 коитр.)

57(118) 305,0(290)

60(65) 23(22)

9.0(9.2)

34(70) 0,56(0,6)

34,5(34,2) 86,1(86.9) 3,3(2,56)

1,7(2,04) 1.7(1,8)

95,0(96,1)

Промышленные испытания флотационной колонны ФП-6.3С были проведены на фабрике БКПРУ-2 АО "Уралкалий" в основной сильвиновой флотации на материале крупностью -3,0 +0,8 мм. В период испытании ее показатели сравнивались с показателями эталонных машин с кипящим слоем ФКМ-6,3 (три камеры). Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 2.

Полученные данные демонстрируют преимущество колонны ФП-6.3С в сравнении с эталонными машинами. На ней было получено извлечение КС1 95%, в эталонной извлечение было 90,8% КС1. Расход собирателя снизился на 12%, удельные энергозатраты снизились в 2 раза, металлоемкость в 3.8 раза, объемная производительность повысилась в 3 раза.

Более высокое извлечение обеспечено за счет снижения потерь с верхними классами

крупности. Содержание KCl во фракции хвостов класса +3; -3,0+1,6 и -1,6+1,0 мм снизилось в 1,5-2,0 раза. Минералогический анализ хвостов флотации показал, что в них отсутствуют зерна чистого сильвина, в хвостах флотации флотомашины ФКМ-6,3 такие зерна обнаруживаются. Таким образом, предположение о возможности получения теоретически возможного извлечения при флотации в колонне ФП-6.3С подтверждено ее промышленными испытаниями.

По результатам промышленных испытаний колонна ФП-6,ЗС была сдана в серийное производство. Серийными колоннами ФП-6,ЗС была оснащена вторая секция фабрики. Они были установлены в операциях основной (две колонны) и контрольной (одна колонна) сильвиновой флотации класса -3,0+0,8 мм.

В качестве эталонной машины при сравнительных испытаниях в соответствии с программой использовалась Ш секция, оснащенная на стадии основной флотации шестью камерами ФКМ-6.3, а на стадии контрольной флотации двумя пенными сепараторами ФПС-16.

Согласно программе испытании, обе секции работали при нагрузках до 310 т/ч по руде (по классу -3,0+0,8 мм до 130 т/ч). Управление процессом и обслуживание машин осуществлялось персоналом фабрики. Опробования проводились в течение двух месяцев. Полученные данные по основной и контрольной флотации в сравниваемых аппаратах на II и Ш секциях приведены в таблице 2 (цифровые значения этих опробований приведены в скобках указанной таблицы).

Из анализа полученных результатов следует, что колонны ФП-6.3С обеспечивают при флотации материала крупностью -3,0+0,8 мм более высокие технологические показатели, чем машины ФКМ-6,3 (основная флотация) и пенные сепараторы ФПС-16 (контрольная флотация):

- массовая доля KCl в хвостах ниже в среднем на 0,74%;

- качество концентрата близкое (на II секции 86,9% KCl, на III секции 86,7% KCl);

- извлечение флотируемого компонента выше на 1,6% (94,5% - III секция, 96,1% - II секция).

Средняя нагрузка на секции 285 т/ч при колебаниях от 310 до 260 т/ч. Нагрузка на передел крупнозернистой флотации по секциям, определенная расчетным путем, в среднем была 120 т/ч на машинах основной флотации и 66 т/ч на машинах контрольной флотации. За время испытаний значимого влияния изменения фактора нагрузки в данных пределах на показатели работы машин не зафиксировано.

Удельная производительность по твердой фазе была для ФКМ-6,3 - 3,17 т/м3 ч, для ФП-6,ЗС - 9,5 т/м3 ч. Удельный расход электроэнергии для машины ФКМ-6,3 - 1,18 кВт-ч/т, для флотоколонны ФП-6,ЗС - 0,6 кВт-ч/г руды.

Таким образом, разработанная флотационная колонна ФП-6,ЗС обеспечивает получение более высоких технологических показателей, чем машина ФКМ-6,3 и ФП-16 с одновременным повышением удельной производительности в 3 раза и снижением удельного расхода электроэнергии в 2 раза.

В процессе испытаний флотационной колонны ФП-6.3С исследовалась минерализация воздушных пузырьков при флотации с отбором проб в подпенном слое с использованием прибора О.С. Богданова на различных расстояниях от места поступления питания в колонну с одновременными замерами аэрации в точках отбора проб. Полученные результаты

представлены на рис.10. Из приведенных данных следует, что наибольшая часть мелких и средних частиц сильвина флотируется в зоне пенной сепарации и кипящего слоя, прилегающего к зоне подачи исходного питания, в этой зоне имеет место и максимальная нагрузка воздушных пузырьков. Крупные частицы флотируются при их движении по решеткам в периодически взвешиваемом слое. Прн этом, несущая способность воздушных пузырьков в колонне ФП-б,ЗС была 146 кг/м3, что в 2,9 раза выше, чем в машинах ФКМ-6,3 (50,4 кг/м3).

По просьбе АО "Якуталмаз" одна серийная колонна ФП-6,ЗС была отправлена в г. Мирный на фабрику № 3, где она была смонтирована и испытана в операции флотации материала -2,0+0,5 мм. При флотации такого материала было получено извлечение в пределах 90-92% при производительности 40 т/ч. В дальнейшем колонна была модернизирована и ее производительность была доведена до 80 т/ч. Две модернизированные колонны (одна рабочая и одна резервная) эксплуатируются до настоящего времени. Схема модернизированной колонны представлена на рис. 11. Суть модернизации заключалась в установке в верхней центральной части колонны 1 загрузочного устройства 3, вертикальных трубчато- струйных аэраторов 4, глубинных эжекторных аппаратов 7 и организации двухстороннего пеноудаления.

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ФЛОТАЦИИ МАТЕРИАЛА ОБЫЧНОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ КРУПНОСТИ

Положительные результаты испытаний и внедрения колонн ФП-6.3С послужили основанием для постановки работ по использованию подобных колонн для флотации материала обычной флотационной крупности (-0,8+0 мм). Была разработана и изготовлена полупромышленная колонна объемом 0,15м3 (ФП-0,15С) из оргстекла (рис.12), которая была смонтирована на опытной фабрике БКРУ-2 АО "Уралкалий". Габаритные размеры колонны 0,8 х 0,8x0,25 м.

При испытаниях колонны ФП-0,15С в операции основной сильвиновой флотации при средней нагрузке 3,4 т/ч был получен концентрат с содержанием 90,56% КС1 при извлечении 96,5%. Перечистки чернового концентрата в одну стадию в открытом цикле повысило содержание КС1 в концентрате до 95,6% при этом извлечение было 91,4%. Извлечение в промпродукт составляло 5,1% с содержанием в нем 16,1% КС1. Удельная производительность составила около 20 т/ч.м3. Этот показатель для эталонных машин ФКМ - 6,3 колеблется в пределах 3,0-3,5 т/ч.м3.

Исследования процесса минерализации воздушных пузырьков в колонне ФП-0,15С, выполненные в период ее испытании прн нагрузке 3,4 т/ч показали, что по мере продвижения минеральных частиц от места их загрузки происходит интенсивная флотация гидрофобных частиц и процесс флотации заканчивается на расстоянии 0,2 м от места подачи питания. Это свидетельствует о том, что прн указанной нагрузке колонна недогружена. Существенно повысить подачу питания в колонну прн ее испытаниях не представлялось возможным. Расчетная несущая способность пузырьков воздуха по флотируемому минералу при скорости аэрации 1 см/с составила 178 кг/м3.

Качественная и количественная характеристика .минеральной нагрузки воздушных пузырьков в зависимости от расположения точек отбора в колонне ФПб^ЗС

р,г/л С>д,М5/м"МИН

300 — 1.5

I

— 1.25

— 1.00 0.75

100 _ 0.5 50 _ 0.25 0 — О

4р,мм

—90

\ 1 ч \ ! ' --^ 3 ) рТГ25 1x8

1 —86

0.75 ■ 84

| ХОЬ^^.! "Л5 82

; 1 ) [Х2г5 1 1 ! 80

! \ 2 ) —Уй 1-78

0.25

0.5

0.75

1.00

1.25

/,м

1 -аэраиия(0А);2-мимеральная нагрузка пузырьков(р);3-средння крупность флотируемых частиц(11ср);4- качество минеральной нагрузки воздушных пузырьков в подпенном слос(Р); I- расстояние точек отбора от места загрузки исходного питания

Рис.10

Схема флотационной колонны со струйными и эжекторнымн аэраторами

питание Вода и воздух

1-колонна;2-пенныП отсек;3-загрузочное устройство;4-струйный аэратор; 5-беспровалыше наклонные решеткн;6-камера струнного аэрирования; 7-эжекторные аэраторы

PlIC.ll

Результаты испытаний были положены в основу разработки промышленного образца флотационной колонны на 120 т/ч для флотации материала крупностью -0,8+0 мм. В этой колонне предусмотрено осуществлять в одном агрегате основную сильвиновую флотацию и две перечистки концентрата с получением конечного концентрата с содержанием 96% КС/ при конечном извлечении не менее 92%.

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОБОРОТНЫХ МАТОЧНЫХ РАСТВОРОВ ОТ ГИДРОФОБНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Результаты испытаний разработанных колонн со струйными аэраторами в операциях флотации крупных частиц и частиц обычной флотационной крупности были положены в основу разработки флотационной колонны ФП-1.2С для флотационной очистки сточных и оборотных вод от тонких гидрофобных загрязнений (рис. 14). В ней использованы глубинные струйные аэраторы вертикального типа, работающие на принципе эжектирования атмосферного воздуха струям. Для повышения плотности пенного продукта и уменьшения расхода промывной воды верхняя часть колонны сужена. Устранение возможности уноса тонких минерализованных пузырьков с камерным продуктом в ней обеспечивается установкой пластинчатых улавливателей пузырьков.

Размеры колонны ВхЬхН = 0,6x0.8x2,5 м.

Колонна работает следующим образом. Очищаемая пульпа подается через насадки под давлением 0,15 - 0,2 МПа в вертикальные трубы 1, имеющие отверстия в их верхней части для прохода атмосферного воздуха. Формируемые насадками струи эжектнруют воздух из атмосферы и движутся совместно с ним вниз, до выхода их в донную часть камеры флотации 2. При совместном движении пульпы и воздуха происходит его диспергирование на мелкие пузырьки, с одновременной их минерализацией. В донной части камеры 2 аэрированные потоки преобразуются в восходящие аэрированные потоки, в которых процесс минерализации пузырьков продолжается. В верхней части камеры минерализованные пузырьки всплывают в пенный слой, формируемый внутри цилиндра 3, из которого они удаляются через пенный порог в желоб 4. Камерный продукт через борта камеры флотации 2 поступает в зону пластинчатых улавливателей пузырьков 5, при движении через которые не успевшие всплыть минерализованные пузырьки всплывают под верхние наклоненные в сторону сборника пены 3 пластины и направляются в пенный слой. Очищенная жидкость по боковым отсекам 6 направляется в донную часть и разгружается из колонны через разгрузочное устройство 7.

Принятый в разработанной колонне способ минерализации пузырьков в струйных аэраторах и в восходящих аэрированных потоках в рабочей камере колонны, установка пластинчатого улавливателя пузырьков обеспечивает эффективную флотацию частиц при меньшей (в 4-5 раз) высоте колонны при высоких скоростях движения пульпы или очищаемого раствора через ее поперечное сечение.

Испытания лабораторной и полупромышленной установок были проведены на фабрике СКРУ-3 АО "Сильвинит" на сливе сгустителя, работающего на фугате центрифуг,

обезвоживащих конечный концентрат флотации. Слив сгустителя содержал в основном тонкие гидрофобные частицы крупностью 65-75%- 0,1 мм. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Схема полупромышленного образца флотационной колонны ФП-0,15

1-питающее устройство; 2,3,4 - наклонные сеспровальиые решётки; 5 - отсеки I и И; 6 -горизонтальная рассеивающая решетка; 7 - струйные аэраторы; 8 — хвостовой карман; 9 - краны аварийной разгрузки I и II

Рис.12

Схема флотационной колонны ФГ1-1.2С

желоб;5- пластинчатые улавливатели пузырьков;6-разгрузо'шые отсеки;7-раэгрузочный патрубок;8-ороситель; 9-аварнйный кран

Рис.13

Таблица 3

Результаты испытаний флотационной колонны ФП-1,2

Продукт Ж:Т Содержание. % Извлече- Производительность, м'/ч

КС1 | НО. ние КС1. %

1. Результаты флотации на лабораторном установке

Слив сгустителя 18,6 86,5 не определен 100

ПенныП продукт флотации 1,65 93,6 2,5 98,7 0,8 м'/ч

Камерный продукт 605 10,5 0,15 1,3

2. Результаты флотации на полупромышленной установке

Слив сгустителя 19.6 96,91 1,42 100

Пенный продукт флотации 8,9 97,48 12 94,2 9.8 м'/ч

Камерный продукт флотации. 157,7 12,3 6,02 5,8 (20м'/м!ч)

Испытаниями установлено, что в результате флотационной очистки слива сгустителя извлекается в пену 94,2-98,7% КС/ с содержанием в ней 93,6-97,43% КС/. Полученный пенный продукт близок по качеству выпускаемому фабрикой концентрату (95% КС/). Поэтому он может смешиваться с готовым концентратом, обеспечивая повышение фабричного извлечения. Камерный продукт, представляющий очищенный от загрязнений маточник, может быть направлен в голову процесса и другие точки схемы обогащения сильвинитовых руд.

Полученная удельная производительность (20 м3/м2.ч) испытанной колонны превышает удельную производительность стандартных напорных флотаторов, у которых она из-за малой скорости всплывания микропузырьков, выделяющихся из раствора, не превышает 8 м3/м2.ч.

По результатам испытаний разработаны чертежи промышленной флотационной колонны для флотации рудных пульп и очистки сточных и оборотных вод в различных режимах (обычном, напорном и вакуумном) с аэрацией атмосферным воздухом или каким-либо другим газом.

выводы

1. Анализ литературных данных и практики применения флотационных колонн показал, что для расширения области применения и повышения эксплуатационной надежности колонн необходимо их дальнейшее совершенствование. Определено, что решение этой задачи возможно при условии разработки надежных и эффективных аэрирующих устройств и замене противоточного колонного принципа минерализации пузырьков частицами минерализацией пузырьков в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях.

2. Сравнительная оценка применяемых в колоннах аэрацнонных устройств пневматического, гидравлического и пневмогидравлического типов позволила сделать вывод о целесообразности проведения работ по созданию поверхностных и глубинных аэраторов, обеспечивающих аэрацию жидкости падающими струями.

3. Стендовыми исследованиями поверхностной и глубинной аэрации падающими струями установлено, что их эжектирующая способность зависит от скорости, размера и формы струй, угла падения, длины струй, их турбулентности, поверхностного натяжения, глубины погружения в жидкость источника, формирующего струи. По результатам исследований предложены уравнения для оценки объема эжектируемого струями газа в зависимости от вышеуказанных факторов. Определены оптимальные параметры поверхностной и глубинной аэрации падающими круглыми и плоскими струями. Экспериментально обоснована целесообразность применения для аэрирования жидкостей плоских струй, эжектирующая способность которых в 2 - 3 раза выше, чем круглых струй при равных удельных энергозатратах.

Даны рекомендации по уменьшению крупности образующихся при аэрировании падающими струями воздушных пузырьков.

4. Создана колонна ФП-6,ЗС для флотации грубозернистых материалов со струйным поверхностным и глубинным аэраторами, в которой для интенсификации флотации минеральных частиц используется минерализация воздушных пузырьков в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях. Предложена методика расчета конструктивных параметров колонны и ее отдельных узлов.

5. Промышленные сравнительные испытания колонны ФП-6.3С с эталонной механической флотомашиной ФКМ-6,3 в операции флотации сильвинитовой руды крупностью -3+0,8 мм на руднике БКПРУ-2 фабрике АО "Уралкалий" показали, что ее удельная производительность выше в 3 раза, чем у эталонной, соответственно 9,5 и 3,17 т/м3ч. При одинаковом качестве концентрата 86,7-86,9% КС/ извлечение на колонне ФП-6.3С было 96,1%, а. эталонной машине 94,5%. Удельный расход электроэнергии в колонне ФП-6,ЗС ниже в 2 раза.

6. Более высокие, чем у машин ФКМ-6,3, показатели работы колонн ФП-6,ЗС обусловлены применением в них эффективных способов аэрации падающими струями и минерализации воздушных пузырьков в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях, обеспечивших повышение удельной минеральной нагрузки пузырьков в 2,9 раза. При этом, несущая способность пузырьков для колонн ФП-6,ЗС была 146 кг/м3 и для машин ФКМ-6.3 - 50,4 кг/м3.

7. Флотационные колонны ФП-6.3С были внедрены на второй фабрике ЛО "Уралкалий" в операции флотации материала крупностью -3+0,8 мм и на третьей фабрике АО "Якуталмаз" в операции флотации материала крупностью -2+0,5 мм.

8. Разработана полупромышленная колонна с глубинными струйными аэраторами ФП-0.15С для флотации сильвинитовой руды, измельченной до обычной флотационной крупности (-0,8 мм). На ней при средней нагрузке 3,4 т/ч (удельная производительность около 20 т/ч.м3) был получен черновой концентрат с содержанием 90,56% KCI при извлечении 96,5%. Полученные результаты были использованы при разработке колонны со струйными аэраторами ФП-16С для флотации материалов обычной крупности с расчетной производительностью около 120 т/ч, в которой предусмотрено в одном агрегате осуществлять основную сильвиновую флотацию и две перечистки концентрата с получением готового концентрата с содержанием 96 % КС1, при извлечении не менее 92%.

9. Создана колонна ФП-1,2С со струйными глубинными аэраторами вертикального типа для очистки сточных вод от тонких гидрофобных загрязнений. Испытания лабораторной и полупромышленной установок, проведенные на сливе концентратного сгустителя (Ж:Т=18+19) с содержанием в нем 86-96% KCI , показали, что при удельной производительности 20 м3/м2.ч может быть извлечено от 94.2% до 98,7% твердого из исходного питания. Подобные колонны могут быть использованы для очистки промышленных и сточных вод от гидрофобных загрязнений и в других отраслях промышленности.

10. Проведенные исследования подтвердили возможность создания флотационных колонн со струйными аэраторами для эффективной флотации частиц широкого диапазона крупности.

11. Экономический эффект от внедрения колонн ФП-6.3С в операции основной сильвиновой флотации материала крупностью -3+0,8 мм составил 968064 у.е. в год за счет дополнительного выпуска концентрата (12000 т/год) и экономии электроэнергии

576 тыс. кВт-ч/год.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1.Мещеряков Н.Ф., Сабиров Р.Х., Рец Н.И. и др. Полупромышленные испытания флотационной колонны со струйным аэратором для очистки оборотных маточных растворов от гидрофобных загрязнений. Цветная металлургия, 1997., № 5/6, с. 15-17.

2.Мещеряков Н.Ф., Сабиров Р.Х., Рец Н.И. и др. Флотационная техника накануне XXI века. Цветная металлургия, 1998., № 2/3, с. 8 -11.

3.Мещеряков Н.Ф., Сабиров Р.Х., Рец Н.И. и др. Результаты испытаний флотационной колонны при флотации мелкозернистого сильвина. Цветная металлургия, 1999., № 1, с. 4 - 6.

4.Мещеряков Н.Ф., Сабиров Р.Х., Рец Н.И. и др. Пути совершенствования колонной флотационной техники. Цветная металлургия, 1999., № 5, с. 12-14.

5.Mesheriakov N.F., Sabirov R.H., Rets N.I., Development and research of deep mechanical flotation machines with axial impellers and of flotation columns with jet aerators. XXI International mineral processing congress-Rome 2000 (in print).

ВВЕДЕНИЕ.

Г л а в а 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛОННОЙ

ФЛОТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ.

1.1. Конструкции флотационных колонн.

1.2. Современное состояние технологии колонной флотации.

Выводы.

Г л а в а 2. КОНСТРУКЦИИ И АНАЛИЗ РАБОТЫ АЭРАТОРОВ

ФЛОТАЦИОННЫХ КОЛОНН.

2.1. Пневматические аэраторы.

2.2. Гидравлические и пневмогидравлические аэраторы.

2.3. Струйные аэраторы.

Выводы.

Цели и задачи исследования.

Г л а в а 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙНЫХ

АЭРАТОРОВ ДЛЯ ФЛОТАЦИОННЫХ КОЛОНН.

3.1. Описание стенда и методики исследования аэрирования падающими струями.

3.2. Сравнительная оценка аэрирующей способности падающих струй круглой и плоской формы при поверхностном аэрировании.

3.3. Сравнительная оценка аэрирующей способности наклонных падающих струй плоской и круглой формы при глубинном аэрировании.

3.4. Исследование глубинного аэрирования вертикальными падающими струями.

Выводы.

Г л а в а 4. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ КОЛОНН ДЛЯ ФЛОТАЦИИ ГРУБОЗЕРНИСТЫХ

МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Анализ конструкций флотационных машин и аппаратов для флотации грубозернистых материалов.

4.2. Разработка и испытание флотационных колонн со струйными аэраторами для флотации грубозернистых материалов.

Выводы.

Г л а в а 5. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ФЛОТАЦИИ МАТЕРИАЛА ОБЫЧНОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ КРУПНОСТИ.

Выводы.

Г л а в а 6. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ФЛОТАЦИОННЫХ

КОЛОНН ДЛЯ ФЛОТАЦИИ ТОНКИХ ЧАСТИЦ.

Выводы.

Г л а в а 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ВНЕДРЕНИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ КОЛОНН ФП-6,ЗС В ОПЕРАЦИИ ФЛОТАЦИИ СИЛЬВИНИТОВОЙ РУДЫ КРУПНОСТЬЮ -3,0 +0,8 мм

НА ФАБРИКЕ БКРУ-2 АО "УРАЛКАЛИЙ.

В последней трети XX века происходило интенсивное развитие колонной флотационной техники. Ее появление было связано со стремлением снизить энергозатраты на флотационное обогащение руд, уменьшить капитальные затраты, повысить селективность флотационного разделения минералов и упростить технологические схемы. Важность решения этих проблем обусловлена тем, что на переработку, например, руд цветных металлов тратится от 18 до 60 кВт-ч/1 т руды. При этом доля затрат электроэнергии на осуществление процесса флотации составляет 30-35%. В применяемых импеллерных флотационных машинах механического и пневмомеханического типов большая часть энергии расходуется на поддержание минеральных частиц в пульпе во взвешенном состоянии и не связана непосредственно с флотационным процессом. Интенсивное перемешивание в них пульпы приводит к отрыву от пузырьков флотируемых минеральных частиц и одновременно к выносу мелких частиц пустой породы локальными восходящими потоками в пену, снижающих качество получаемых концентратов.

При противоточном движении частиц и пузырьков, реализуемом в большинстве колонных аппаратов, обеспечиваются лучшие условия образования и сохранения флотокомплексов. Повышается селективность флотации вследствие большей, чем обычно роли процессов вторичной концентрации, происходящих в зоне очистки в пенном слое, позволяющей получать высококачественные концентраты.

Конструктивными отличиями колонн является статичность, простота, компактность, отсутствие вращающихся в абразивной среде узлов, эффективное использование производственных площадей и объемов.

Флотационным колоннам свойственны и отдельные недостатки. В них хуже флотируются крупные частицы (+0,15 мм), их удельная производительность ограничивается скоростью нисходящих потоков 2 см/с, превышение которой приводит к выносу минерализованных пузырьков в хвосты. Они имеют большую высоту (8-16 м) и применяемые в них аэраторы недостаточно надежны.

Актуальность. В современных экономических условиях повышение эффективности работы флотационных аппаратов, расширение диапазона крупности флотируемых частиц, улучшающих качественные характеристики конечного продукта, снижающих затраты на стадиях измельчения руды, фильтрации и сушки продуктов обогащения, является актуальной задачей.

Целью работы является разработка флотационных колонн, обеспечивающих эффективную флотацию частиц широкого диапазона крупности при высокой удельной производительности с одновременным уменьшением их высоты и разработка надежных эффективных и малоэнергоемких аэраторов для них.

Методы исследования. Работа выполнена с применением комплекса экспериментальных и аналитических исследований, в том числе методов математического и физического моделирования, экспериментальных стендовых исследований на модулях различного масштаба и технологических исследований в полупромышленных и промышленных условиях.

Пробы продуктов обогащения разработанных колонн и эталонных машин в процессе их испытаний подвергались гранулометрическому, минералогическому и химическим анализам.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обосновано, что повышение крупности флотируемых частиц в колонных аппаратах и повышение их удельной производительности может быть достигнуто при замене минерализации воздушных пузырьков, при противоточном движении частиц и пузырьков на их минерализацию в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях.

Обоснована целесообразность применения в колоннах аэрирования жидкости падающими струями с развитой поверхностью раздела газжидкость при поверхностном и глубинном аэрировании. Предложена методика расчета струйных аэраторов поверхностного и глубинного типа.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны колонны со струйными аэраторами для флотации крупных частиц, частиц обычной флотационной крупности из руд и тонких гидрофобных загрязнений из оборотных промышленных вод.

Промышленными и полупромышленными испытаниями подтверждена их высокая надежность, эффективность, удельная производительность и низкая энергоемкость. Колонны ФП-6,ЗС внедрены в операциях флотации алмазов крупностью -2 +0,5 мм на фабрике № 3 ОАО «Яку-талмаз» и несколько лет эксплуатировались на фабрике БКРУ-2 ПО «Уралкалий» в операции сильвиновой флотации материала крупностью -3 +0,8 мм.

В результате внедрения колонн ФП-6,ЗС получен значительный экономический эффект.

По результатам полупромышленных испытаний колонны ФП-0Д5С в операции основной сильвиновой флотации на материале обычной флотационной крупности (-0,8 мм) и колонны ФП-1,2С в операциях очистки маточников от гидрофобных загрязнений крупностью -0,1 мм выданы рекомендации для проектирования промышленных образцов колонн для этих операций.

На защиту выносятся. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости струйных аэраторов, работающих на принципе аэрирования жидкости падающими струями. Конструкции поверхностных и глубинных струйных аэраторов; конструкции и методика расчета колонн со струйными аэраторами для флотации частиц широкого диапазона крупности; обоснование целесообразности применения в колоннах минерализации воздушных пузырьков в пенном, кипящем и периодически взвешиваемом слоях; результаты испытаний разработанных колонн в операциях флотации крупных частиц, частиц обычной флотационной крупности и флотации тонких частиц; предложения по реализации результатов работы в промышленности.

Апробация работы. Материалы диссертации в целом и отдельные ее положения докладывались и обсуждались на: симпозиумах «Неделя горняка-97»; «Неделя горняка-98»; научно-технической конференции, посвященной памяти И.Н.Плаксина, Петрозаводск, 1994 г.; кафедре обогащения МГОУ, 1999 г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация содержит 126 стр., включая 33 рисунка, 12 таблиц и список использованных источников из 94 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

выводы

Создана колонна ФП-1,2С со струйными глубинными аэраторами вертикального типа для очистки сточных вод от тонких гидрофобных загрязнений. Испытания лабораторных и полупромышленных установок на сливе концентратного сгустителя (Ж : Т = 18-И 9) с содержанием в нем 86-90% КС1 показали, что при удельной производительности 20 м3/ м2-ч может быть извлечено от 94,2% до 98,7% твердого из исходного питания. Такие колонны могут быть использованы для очистки промышленных и сточных вод от гидрофобных загрязнений и в других отраслях промышленности.

Глава 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФЛОТАЦИОННЫХ КОЛОНН ФП-63С В ОПЕРАЦИИ ФЛОТАЦИИ СИЛЬВИНИТОВОЙ РУДЫ КРУПНОСТЬЮ -3,0 +0,8 мм НА ФАБРИКЕ БКРУ-2 АО "УРАЛКАЛИЙ"

Флотационные колонны ФП-6,ЗС были внедрены на секции III фабрики БКРУ-2 АО "Уралкалий" в операции флотации сильвинитовой руды крупностью -3,0 +0,8 мм. На этой секции было установлено три колонны ФП-6,ЗС (две колонны на основной флотации и одна колонна на контрольной флотации) взамен шести камер ФКМ-6,3 (основная флотация) и двух камер ФПС-16 (контрольная флотация). В результате внедрения колонн ФП-6,ЗС извлечение повысилось на 1,1%, выход на 1,1%, что обеспечило повышение годового выпуска концентрата с содержанием 87% KCl на 12000 т/год в сравнении с эталонными секциями I и II, оснащенными машинами ФКМ-6,3 и пенными сепараторами ФПС-16. При этом достигнуто снижение расхода электроэнергии на флотацию с применением колонн ФП-6,ЗС на 576 тыс.кВт-ч (таблица 7.1).

В таблице не учитываются капзатраты на оборудование, амортизационные отчисления и эксплуатационные затраты. В таблице 7.1 экономические преимущества колонн ФП-6,ЗС в сравнении с машинами ФКМ-6,3 и ФПС-16 только за счет увеличения производства концентрата на 12000 т вследствие повышения извлечения KCl на 1,1% и снижения годового расхода электроэнергии на 576 тыс.кВт-ч. При мировой цене за 1 т готового концентрата 80 у.е. годовой экономический эффект от производства дополнительной продукции составляет 12000x80 = 960000 у.е.

Годовой экономический эффект от снижения расхода электроэнергии при флотации 960 тыс. т руды (экономия 576 тыс. кВт-ч/год) при цене 14 у.е. за 1000 кВт составляет 576x14 = 8064 у.е.