ВИДЫ ВЛАГИ В ПРОДУКТАХ ОБОГАЩЕНИЯ

Все продукты обогащения содержат воду. При использовании сухих методов обогащения количество влаги в продуктах незначительно; при использовании мокрых методов – флотации, магнитной сепарации, гравитационного обогащения – содержание воды в продуктах обогащения может достигать 8-10 м³ на 1 т твердого вещества. Соотношение количества воды и твердого вещества в продуктах обогащения может выражаться различными величинами. Наиболее широко используются следующие:

влажность(W) – отношение массы воды в продукте к массе этого продукта, %

W = 100Q_ж / (Q_тв+Q_ж), (11.1)

где Q_ж – масса воды в продукте, кг; Q_тв – масса сухого (твердого) продукта, кг;

содержание твердого(α_тв) – отношение массы твердого вещества в продукте (пульпе) к массе этого продукта, %

α_тв = 100 Q_тв / (Q_тв+Q_ж); (11.2)

отношение «жидкое / твердое»(R = Ж:Т) – отношение массы воды в продукте к массе твердого вещества в продукте (пульпе):

R = Q_ж / Q_тв; (11.3)

объем пульпы(V_п), м³

V_п = Q_тв (R / 1000+1 / ρ); (11.4)

плотность пульпы (δ_п) – отношение массы пульпы к занимаемому ею объему, кг/м³

δ_п = (Q_тв + Q_ж) / Q_тв· (R / 1000 + 1 / ρ), (11.5)

или

δ_п = (R + 1) / (R / 1000 + 1 / ρ). (11.6)

Продукты обогащения содержат различные формы влаги:

химически связанная (конституционная) – входит в структуру кристаллической решетки минерала в виде молекул воды или гидратных групп;

гигроскопическая – влага, удерживаемая на поверхности материала адсорбционными силами в виде мономолекулярных пленок;

пленочная – удерживаемая на поверхности частицы силами межмолекулярного сцепления (поверхностного натяжения) в виде обволакивающей пленки;

капиллярная – влага, находящаяся в порах и капиллярах твердого вещества;

гравитационная (свободная) – влага, заполняющая промежутки между частицами.

В зависимости от содержания влаги продукты подразделяются:

нажидкиеили пульпы – механическая смесь воды и твердых частиц. Содержание влаги в таких продуктах превышает 40 %, и вода присутствует в них во всех указанных выше формах;

мокрые (W = 40-15 %) – содержат все виды влаги;

влажные (W = 15-5 %) – содержат гигроскопическую, пленочную и капиллярную влагу;

воздушно-сухие (W = 5-1 %) – содержат конституционную, капиллярную и гигроскопическую влагу;

сухие(W = 1-0 %) – содержат гигроскопическую и конституционную влагу;

прокаленные (W = 0 %)– не содержат влаги.

Обезвоживанием называется процесс удаления воды из продуктов обогащения. Операции обезвоживания используются в качестве подготовительных при обогащении (предварительная сушка материала перед операциями грохочения, воздушной и электрической сепарации, сгущение пульпы перед магнитной сепарацией, флотацией и т. п.), а также в качестве заключительных операций в технологической схеме обогащения, имеющих целью снизить содержание влаги в товарных продуктах в соответствии с требованиями предприятий-потребителей, и для обеспечения необходимых условий перевозки продуктов в зимнее время. Например, влажность магнетитовых концентратов не должна превышать 2-4 %, гематитовых и мартитовых 3-5 %, угольных концентратов и концентратов руд цветных металлов 5-12 % и т. п.

МЕТОДЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

В зависимости от крупности и влажности продуктов, для их обезвоживания применяют различные методы:

дренирование – отделение воды от твердого вещества под действием силы тяжести (стекание гравитационной воды через промежутки между частицами в слое материала). Отделяемая вода носит название дренажная вода;

центрифугирование– отделение воды от твердого вещества под действием центробежных сил. Получаемые в результате центрифугирования продукты носят название осадоки фугат;

сгущение – отделение воды от твердого вещества вследствие осаждения частиц в воде. Получаемые продукты – сгущенный продукт и слив;

фильтрование – отделение воды от твердого вещества на пористой перегородке под действием сил вакуума или избыточного давления. Получаемые продукты – кек и фильтрат;

сушка – отделение воды от твердого вещества естественным или принудительным испарением влаги. В результате получают высушенный продукт и отработанные газы.

Перечисленные методы обезвоживания продуктов обогащения могут применяться самостоятельно или составлять технологическую схему обезвоживания, например: сгущение – фильтрование – сушка для флотационных концентратов; дренирование - центрифугирование – сушка – для мелкокусковых угольных и т. п.

ДРЕНИРОВАНИЕ

На обогатительных фабриках дренирование осуществляется на грохотах, элеваторах, в спиральных классификаторах, обезвоживающих бункерах и штабелях. Дренированию подвергаются продукты, как правило, крупнее 3 мм. При обезвоживании в штабелях нижний предел крупности может составлять 0,1 мм.

В качестве обезвоживающих грохотов используются неподвижные дуговые и цилиндрические грохоты и подвижные инерционные и самобалансные грохоты с щелевидными ситами. Ширина шелей 0,25; 0,5; 0,75; 1 мм. Влажность крупных угольных концентратов после обезвоживания на грохотах составляет 6-9 %.

Обезвоживающий ковшовый элеватор представляет собой бесконечную цепь с закрепленными на ней перфорированными ковшами. Элеватор устанавливается под углом 60-70^о к горизонту. В процессе работы ковши зачерпывают материал вместе с водой, которая затем стекает через отверстия в стенках ковшей. Влажность обезвоженных продуктов колеблется в пределах 10-30 % в зависимости от крупности материала.

Обезвоживающий спиральный классификатор аналогичен по конструкции описаному в гл. 4.2, однако имеет несколько больший угол наклона корыта и меньшую скорость вращения спирали. Обезвоживание происходит дренированием песков при их перемещении по днищу корыта выше уровня пульпы. Влажность обезвоженных продуктов составляет 15-25 %.

Обезвоживающие бункера представляют собой ряд железобетонных ячеек с решетчатыми затворами в нижней части. В зависимости от крупности материала, продолжительность обезвоживания может составлять от 4 до 24 ч. Конечная влажность крупнокусковых концентратов – 5-10 %. В качестве обезвоживающих могут использоваться обычные аккумулирующие бункера с отверстиями в нижней части ячеек и желобом для отвода дренажной воды.

Обезвоживание в штабелях применяется как для крупнокускового (150-200 мм), так и для мелкозернистого (0,1-1 мм) материала. Обезвоживаемый материал укладывается грейферным краном в штабель трапецеидальной формы на специальную наклонную поверхность с канавками для стока дренажных вод. Продолжительность дренирования 8-30 ч, влажность материала после дренирования 10-14 %. Обезвоженный материал отгружается из штабеля грейферным краном. Процесс обезвоживания в штабелях может осуществляться на открытом воздухе или в дренажных складах.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

Для осуществления данного метода обезвоживания используются аппараты, называемые центрифугами. Рабочим органом центрифуги является конический ротор, вращающийся со скоростью нескольких сотен оборотов в минуту, что приводит к воздействию на обезвоживаемый материал, находящийся внутри ротора, значительных по величине центробежных сил. Использование центробежных сил позволяет существенно интенсифицировать процесс удаления гравитационной влаги, поскольку центробежное ускорение многократно превышает ускорение силы тяжести:

w²R >> g, (11.7)

где w – угловая скорость вращения ротора центрифуги, с^-1; R – радиус ротора, м.

Отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести называют фактором разделения. Для применяемых на обогатительных фабриках центрифуг фактор разделения составляет 250-300.

В настоящее время на обогатительных фабриках используют центрифуги двух типов – фильтрующие и осадительные. В фильтрующей центрифуге боковая (рабочая) поверхность ротора перфорированная, в осадительной – сплошная. В зависимости от положения оси вращения ротора различают центрифуги с вертикальным или горизонтальным ротором. Также центрифуги различаются по способу выгрузки осадка из ротора: с инерционной, вибрационной или шнековой выгрузкой.

На рис. 11.1 изображены схемы фильтрующих центрифуг различных типов. Ротор фильтрующей центрифуги представляет собой усеченный конус и имеет сетчатую боковую поверхность. Угол конусности ротора центрифуги с инерционной выгрузкой осадка составляет 15-18^о к вертикали. Исходный материал подается внутрь ротора и центробежными силами прижимается к перфорированным боковым стенкам. Под действием центробежной силы вода дренирует сквозь слой осадка и удаляется через отверстия в стенках ротора. Вследствие достаточно большого угла конусности под действием составляющей центробежной силы (силы инерции), направленной вдоль стенки ротора, осадок перемещается вверх и разгружается внутри корпуса центрифуги по всей периферии верхнего основания ротора.

Рис. 11.1. Фильтрующие центрифуги

Фильтрующие центрифуги с инерционной выгрузкой осадка (см. рис. 11.1, а) применяются для обезвоживания угольных концентратов крупностью –13+0 мм и исходной влажностью до 25 %. Влажность осадка составляет 8 %. Скорость вращения ротора – 420-470 мин^-1. Обозначаются центрифуги в соответствии со своим типом и диаметром ротора, например: ФВИ-100 – фильтрующая, с вертикальным ротором и инерционной выгрузкой осадка, с диаметром ротора 1000 мм.

В центрифугах с вибрационной выгрузкой осадка (рис. 11.1, б) угол конусности ротора составляет 10-12^о, что недостаточно для самопроизвольного перемещения осадка по стенкам ротора. Для обеспечения разгрузки осадка ротору с помощью вращающегося эксцентрикового вала через систему амортизаторов придаются осевые вибрации с частотой 1600-2200 мин^-1. Влажность осадка составляет 8-12 %.

Обозначение, например, НВВ-1000 – непрерывно действующая, с вертикальным ротором и вибрационной выгрузкой осадка, с диаметром ротора 1000 мм.

В фильтрующих центрифугах со шнековой выгрузкой осадка (рис. 11.1, в) угол конусности ротора также не превышает 12^о. Внутри ротора вращается шнек – внутренний ротор со спиралевидными скребками на боковой поверхности. Направление вращения шнека совпадает с направлением вращения ротора; частота вращения несколько ниже. Исходный материал подается на распределительный диск в верхней части шнека и отбрасывается к стенкам ротора. Фугат под действием центробежных сил уходит через отверстия в стенках ротора, осадок шнеком перемещается по стенкам ротора. Влажность осадка 8-10 %. НВШ-1000 – непрерывно действующая центрифуга, с вертикальным ротором, шнековой выгрузкой осадка, с диаметром ротора 1000 мм.

Осадительные центрифуги используются для обезвоживания пульпы, выдаваемой из гидрошахт, для обезвоживания шламов, продуктов флотации, осветления сточных вод. На рис. 11.2 приведена схема непрерывно действующей осадительной центрифуги с горизонтальным ротором, со шнековой выгрузкой осадка типа НОГШ. Центрифуга имеет ротор со сплошными стенками, вращающийся со скоростью около 800 мин ^–1. Внутри ротора в одном с ним направлении, с меньшей скоростью, вращается полый шнековый барабан. Исходная пульпа подается внутрь барабана и центробежной силой выбрасывается внутрь ротора через окна в стенках барабана. На стенках ротора под действием центробежной силы происходит осаждение твердых частиц, а жидкая фаза пульпы стекает по стенкам в направлении широкого основания конуса и, накапливаясь у основания в виде полого конуса, разгружается через пороги сливных окон. Осевший на стенках ротора осадок перемещается шнеком в направлении вершины конуса ротора и выгружается через разгрузочные окна в стенках ротора. Влажность осадка – 16-18 %.

СГУЩЕНИЕ

Сгущение – процесс осаждения частиц твердой фазы мелкозернистых (менее 0,5 мм) пульп с малым содержанием твердого (от долей процента до 20-25 %) под действием силы тяжести. Это очень распространенный метод обезвоживания различных продуктов обогащения – флотационных гравитационных и магнитных концентратов, промежуточных продуктов, хвостов и т. п. В качестве аппаратов для сгущения на обогатительных фабриках применяют пирамидальные отстойники, конусные, цилиндрические (радиальные), пластинчатые сгустители, а также рассмотренные ранее гидроциклоны и осадительные центрифуги.

Наибольшее распространение на обогатительных фабриках получили радиальные сгустители с центральным и периферическим приводами гребковой рамы (рис. 11.3).

Радиальный сгуститель представляет собой цилиндроконический чан, изготавливаемый из железобетона или стальных листов. Угол наклона образующей конического днища к горизонту 6-12°, глу-бина сгустителя в центральной части – до 4 м. По всей периферии верхней части сгустителя установлен кольцевой желоб для сбора слива. В сгустителе вращается гребковая рама, по нижней кромке которой закреплены скребки, скользящие по днищу сгустителя. Скорость вращения гребковой рамы невелика – 2-12 мин^–1. Сгуститель снабжен системой контроля скорости вращения гребковой рамы, так как замедление вращения или остановка рамы может привести к аварийной ситуации – заиливанию сгустителя. В центре днища имеется отверстие, к которому крепится труба, отводящая сгущенный продукт в зумпф, откуда он откачивается насосом. Исходное питание подается по трубе сверху, в центр сгустителя, под зеркало пульпы, на глубину 400-600 мм.

Основное направление движения пульпы в сгустителе – от центра (точки подачи исходной пульпы) к бортам в радиальном направлении, при этом твердые частицы оседают на дно сгустителя, а осветленная вода переливается через борта в сливной желоб. Осевшие на дно сгустителя частицы скребками рамы постепенно перемещаются к центру днища, где происходит разгрузка сгущенного продукта.

В радиальных сгустителях с центральным приводом привод гребковой рамы расположен на площадке непосредственно рядом с валом рамы, вращение на который передается от двигателя через червячный редуктор. В сгустителях с периферическим приводом привод расположен на верхней ферме рамы вблизи борта сгустителя. Вращение от двигателя через редуктор передается колесу, двигающемуся по рельсу, проложенному по борту сгустителя. Сгустители с центральным приводом изготавливаются диаметром 2-100 м, с периферическим – 15-200 м. Обозначаются в соответствии с диаметром сгустителя, например: Ц-20, П-50.

Работа сгустителя характеризуется удельной производительностью по твердому, составляющей для различных продуктов 0,1-5,0 т/(м²·сут.). Содержание твердого в сгущенном продукте составляет 60-75 %. Содержание твердого в сливе обычно составляет 5-7 г/л; крупность частиц, переходящих в слив, в основном менее 4-5 мкм. Снижение содержания твердого в сливе может быть достигнуто увеличением диаметра (площади) сгустителя, что не всегда оправдано.

В последнее время получают распространение пластинчатые сгустители (рис. 11.4), в них сгущение осуществляется в пространстве между наклонными пластинами (угол наклона 25-60^о, расстояние между пластинами 35-50 мм). Во время прохождения потока между пластинами твердые частицы выпадают на пластины и в виде сгущенного продукта разгружаются в нижнюю часть сгустителя. Пло щадь сгущения в таком сгустителе равна сумме площадей горизонтальных проекций пластин. При аналогичных технологических показателях сгущения пластинчатые сгустители значительно экономичнее радиальных, поскольку гораздо проще по конструкции и требуют для своей установки меньшей производственной площади.

Для интенсификации процесса сгущения в пульпу могут подаваться реагенты: коагулянты и флокулянты. Коагулянты – электролиты, понижающие электрокинетический потенциал частиц, при этом гидратная оболочка частиц становится тоньше (однако частицы остаются гидрофильными), и возникает возможность сцепления частиц, которые будут оседать с большей скоростью. В качестве коагулянтов используют вещества, диссоциирующие на ионы – известь, щелочи, водорастворимые силикаты, хлорное железо. При флокуляции происходит полная или частичная гидрофобизация поверхности частиц в результате адсорбционного или химического покрытия ее наружной обкладкой из углеводородных радикалов. Этот процесс связан со скачкообразным вытеснением прослойки воды с поверхности частиц, что приводит к образованию крупных флокул, оседающих с высокой скоростью. Наиболее широко применяемыми флокулянтами являются полиакриламид и полиоксиэтилен.

ФИЛЬТРОВАНИЕ

Обезвоживание фильтрованием осуществляется на пористой перегородке под действием разности давлений по обе стороны перегородки, создаваемой вакуумом или избыточным давлением. При этом жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде фильтрата, а твердая фаза пульпы задерживается на перегородке в виде осадка – кека, который затем удаляется. В кеке содержится небольшое количество воды в виде пленочной и части капиллярной влаги; в фильтрате – незначительное количество твердых частиц, прошедших через поры перегородки. Фильтрованию подвергаются тонко- и мелкозернистые продукты, как правило, это сгущенные продукты сгустителей – флотационные, магнитные, гравитационные концентраты, а также продукты гидрометаллургической переработки минерального сырья.

В качестве фильтрующих перегородок используют, главным образом, различные ткани: хлопчатобумажные (фильтродиагональ, фильтромиткаль, бельтинг и др.); шерстяные (сукно); более износостойкие синтетические (капроновые, лавсановые, хлориновые). В ряде случаев используют металлические сетки с размером отверстий около 0,2 мм; в последнее время начинают получать распространение керамические фильтрующие поверхности.

Аппараты, в которых фильтрование осуществляется под действием сил вакуума, называются вакуум-фильтрами, а под действием избыточного давления – фильтр-прессами. Максимальная разность давлений при вакуумном фильтровании не может превысить 0,1 МПа (на практике – 0,06-0,08 МПа), при фильтровании под избыточным давлением разность давлений может быть в несколько раз больше (до 1,5-2 МПа), поэтому фильтр-прессы применяют для труднофильтруемых пульп и в тех случаях, когда экономически выгоднее получить требуемую конечную влажность продукта фильтрованием без заключительной операции обезвоживания – термической сушки. Наибольшее распространение на обогатительных фабриках получили барабанные, дисковые, ленточные вакуум-фильтры, рамные и камерные фильтр-прессы.

На рис. 11.5 изображен барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью на обогатительных фабриках применяются значительно реже).

Рис. 11.5. Барабанный вакуум-фильтр

Фильтр представляет собой пустотелый стальной барабан с перфорированной поверхностью, обтянутой фильтротканью. На торцевых поверхностях барабана закреплены полые чугунные цапфы, опирающиеся на подшипники. Вращение от электродвигателя через многоступенчатый редуктор передается на зубчатую шестерню, закрепленную на одной из цапф.

Внутреннее пространство фильтра разделено на секторы, соединенные трубами с цапфой, на которой закреплена ячейковая шайба, вращающаяся вместе с барабаном. К срезу цапфы пружинами прижимается распределительная головка (в фильтрах большого типоразмера распределительные головки устанавливаются с обеих сторон, при этом внутреннее пространство барабана делится сплошной перегородкой на две части). Через окна в неподвижной распределительной головке внутренние полости барабана подключаются к вакууму, через них подается сжатый воздух, вода для промывки фильтроткани, удаляется фильтрат. Это достигается за счет того, что все трубы, соединяющие внутренние секторы барабана при его вращении, постоянно «соединены» с соответствующими окнами распределительной головки, и в каждом секторе создаются условия для того или иного цикла фильтрования. Барабан вращается в ванне, куда подается исходная пульпа. Для поддержания твердых частиц в ванне во взвешенном состоянии фильтр снабжен качающейся мешалкой.

На поверхности барабана выделяют несколько зон, соответствующих различным циклам процесса фильтрования. Зона А – зона набора осадка, соответствующая участку поверхности барабана, погруженному в пульпу. В этой зоне вследствие создаваемого разрежения происходит накопление (налипание) твердых частиц на поверхности барабана. Зона Б – зона просушки осадка, в которой под действием разрежения происходит удаление влаги из слоя осадка, при этом, в отличие от зоны А, накопление осадка прекращается, поскольку поверхность барабана находится выше зеркала пульпы. Зона В – зона разгрузки (отдувки) кека. Внутрь сектора, находящегося в этой зоне, через соответствующее окно распределительной головки по подводящей трубе подается сжатый воздух. Фильтроткань в этом секторе «набухает», кек разрыхляется и с помощью продольного скребка удаляется с поверхности барабана. В зоне Г происходит регенерация (промывка) фильтроткани. Внутрь сектора через распределительную головку под давлением подается вода, промывающая изнутри фильтроткань. Процесс фильтрования является непрерывным – каждый сектор барабана последовательно проходит все циклы фильтрования.

Максимальная площадь фильтрования для барабанных вакуум-фильтров – 40 м², скорость вращения барабана – 0,5-10 мин^-1, удельная производительность – 0,1-1 т/(м²·ч). Обозначение, например: БОУ40-3-4 – барабанный вакуум-фильтр обычного исполнения с площадью фильтрующей поверхности 40 м², диаметр барабана – 3000 мм, длина – 4400 мм.

Принцип работы дискового вакуум-фильтра (рис. 11.6) аналогичен принципу работы барабанного фильтра. Фильтрующей поверхностью дискового вакуум-фильтра является боковая поверхность дисков, набираемых из полых секторов с перфорированной или рифленой поверхностью. Каждый сектор диска обтягивается фильтротканью и своим патрубком вставляется в канал, проходящий внутри полого вала фильтра таким образом, что все секторы, расположенные напротив друг друга по длине вакуум-фильтра, соединены с одним каналом.

Торцы каналов на срезе цапф образуют ячейковую шайбу, к которой в процессе работы прижимается распределительная головка, обеспечивающая осуществление всех циклов фильтрования, описанных выше. Вал фильтра с дисками вращается в ванне, имеющей карманы со стороны входа секторов в пульпу для разгрузки кека, осуществляемой с помощью радиально установленных над карманами ножей, снимающих кек с боковых поверхностей дисков в зоне отдувки.

Дисковые вакуум-филь-тры могут иметь значительно бóльшую площадь фильтрования в сравнении с барабанными фильтрами при аналогичных размерах установки и технических характеристиках. Кроме того, возможна замена фильтроткани на отдельном секторе, что существенно снижает эксплуатационные затраты. Это обусловливает более широкое применение дисковых вакуум-фильтров на обогатительных фабриках. Обозначаются дисковые вакуум-фильтры в соответствии с площадью фильтрующей поверхности, диаметром и длиной барабана, например: ДУ100-2,5-2.

Влажность получаемых осадков при фильтровании находится в пределах 9-10 % – для магнитных и флотационных концентратов, получаемых из руд черных и цветных металлов, 15-25 % – для неметаллических полезных ископаемых и угля. Влажность осадка барабанных вакуум-фильтров обычно на 1-2 % ниже, чем дисковых.

Для фильтрования крупнозернистых пульп, твердые частицы которых не удерживаются на вертикальных поверхностях дисковых и, отчасти, барабанных фильтров, применяются ленточные вакуум-фильтры (рис. 11.7), по своей конструкции напоминающие ленточный конвейер. Фильтрование происходит через фильтроткань, уложенную на резинотканевую ленту, с отверстиями для стока фильтрата по продольной оси ленты. Под лентой снизу установлена вакуум-камера, обеспечивающая «просасывание» жидкости через слой осадка и фильтрующую перегородку. В фильтрах данного типа направление действия сил тяжести, действующих на твердую и жидкую фазы пульпы, совпадает с направлением действия сил вакуума. Ленточные вакуум-фильтры имеют небольшую площадь фильтрования, но обладают большей удельной производительностью по сравнению с барабанными и дисковыми. Обозначаются в соответствии с площадью фильтрования, шириной и длиной рабочей зоны ленты, например: Л10-1,25-8.

Рис. 11.8. Схема вакуумного фильтрования с самотечным удалением

фильтрата из ресивера:

1 – вакуум-фильтр; 2 – ресивер; 3 – гидроловушка; 4 – вакуум-насос; 5 – гидрозатвор

Применяемые на обогатительных фабриках схемы вакуум-фильтровальных установок предполагают использование различного вспомогательного оборудования: ресиверов, гидроловушек, барометрических труб, гидрозатворов, вакуум-насосов, воздуходувок. В зависимости от используемого способа удаления получаемого фильтрата из ресивера, различают две схемы установок – с самотечным (рис. 11.8) и с принудительным удалением фильтрата. Схема с самотечным удалением фильтрата более проста, однако требует установки вакуум-фильтров на верхних отметках фильтровальных отделений. При принудительной откачке фильтрата вакуум-фильтры могут располагаться на нижних отметках зданий, исключается возможность забивания гидрозатворов твердой фазой, но при использовании схемы с принудительной откачкой фильтрата требуется установка фильтратных насосов (основного и резервного) и более сложная система автоматического контроля процесса.

Процесс фильтрования в фильтр-прессах – дискретный. Фильтрование происходит в вертикальных или горизонтальных камерах, образуемых фильтровальными плитами, перфорированные, ребристые или рифленые стенки которых обтянуты фильтротканью (рис. 11.9). Цикл фильтрования осуществляется следующим образом: фильтровальные плиты сжимают, подают в камеры пульпу под давлением до полного заполнения камер, при этом жидкая фаза «отжимается» через фильтроткань (при необходимости осуществляют продувку осадка сжатым воздухом), раздвигают плиты и разгружают осадок. Избыточное давление может создаваться подачей воды под давлением в каждую камеру, которая воздействует на фильтруемую пульпу через резиновую диафрагму, установленную на одной из стенок камер (ФПАКМ – фильтр-пресс автоматический камерный). Площадь фильтрования фильтр-прессов может достигать 300 м².

Фильтр-прессы позволяют получать осадки влажностью 6-10 %, что в ряде случаев позволяет обходиться без традиционной заключительной операции цикла обезвоживания – сушки, что особенно важно при росте в последнее время стоимости природного газа.

СУШКА

Сушка влажных материалов представляет собой сложный технологический и теплофизический процесс, протекающий в результате тепло- и массообмена под действием разности давлений водяных паров и температуры внутри материала и у его поверхности.

Существуют следующие виды сушки:

конвективная – тепло, необходимое для испарения влаги, передается от агента сушки (горячих газов) высушиваемому материалу при их соприкосновении;

контактная – тепло предается материалу при его контакте с нагретой поверхностью;

радиационная (излучением) – тепло передается материалу инфракрасными лучами от нагретой поверхности или любого другого теплового излучателя;

высокочастотная (ВЧ) и сверхвысокочастотная (СВЧ) – тепло выделяется в высушиваемом продукте вследствие возникновения вихревых токов в проводящем материале в высокочастотном поле (10³-10⁶Гц) и нагрева содержащейся в высушиваемом продукте воды – в сверхвысокочастотном (10⁹-10¹² Гц);

химическая – содержащаяся в высушиваемом материале вода усваивается кристаллической решеткой химических соединений, добавляемых в материал;

сублимационная – сушка материала в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

На обогатительных фабриках преимущественно используется конвективная сушка. Тепловым агентом при конвективной сушке являются дымовые газы – продукты сжигания органического топлива: природного газа, мазута, угля и т. п. Поскольку внутренние поверхности сушильных агрегатов нагреваются вследствие контакта с тепловым агентом, конвективной сушке неизбежно сопутствует контактная сушка и сушка излучением.

Под кинетикой сушки понимают изменение влажности и температуры материала с течением времени. Изменение влажности материала в процессе сушки можно представить зависимостью, приведенной на рис. 11.10. На этой зависимости можно выделить четыре участка.

Участок I характеризует этап прогрева материала – влажность на этом этапе меняется незначительно, поглощаемое тепло расходуется на нагрев материала и содержащейся в нем влаги. Участок II, представляющий практически прямую линию, – этап постоянной скорости сушки. На этом этапе процесса вследствие повышения парциального давления паров воды внутри материала происходит перенос влаги из внутренних слоев к поверхности по свободным капиллярам и порам. На поверхности имеет место перенос влаги в окружающую среду (дымовые газы) вследствие более низкого парциального давления паров воды в «сухих» дымовых газах. На этом этапе происходит значительное снижение влажности материала. По мере повышения влагосодержания дымовых газов и вследствие этого уменьшения разности парциальных давлений водяных паров в материале и в окружающих газах скорость сушки снижается (участок III – этап падающей скорости сушки). Когда парциальные давления паров воды в материале и в окружающих газах выравниваются, влажность высушиваемого материала перестает изменяться. Участок IV – этап постоянной влажности материала.

Эффективность работы сушильных агрегатов характеризуется влагонапряжением А, кг/м³·ч:

А = М_в/(V·t), (11.8)

где М_в– масса испаряемой влаги, кг; V – внутренний объем сушильного агрегата, м³; t – продолжительность сушки, ч.

На обогатительных фабриках в настоящее время используются следующие типы сушильных агрегатов: барабанные сушилки, трубы-сушилки, шахтные сушилки, сушилки «кипящего слоя».

Барабанная сушилка представляет собой металлический барабан диаметром 1,2-3,5 м и длиной 6-27 м, вращающийся со скоростью 2-6 мин^–1 (рис. 11.11). Барабан устанавливается под углом 1-5^о в сторону разгрузки материала. Внутренняя поверхность барабана футерована огнеупорным кирпичом. Барабан имеет кольцевые бандажи, которыми он опирается на ролики в процессе вращения, и зубчатую шестерню. Высушиваемый материал подается внутрь барабана и перемещается вдоль него при вращении. Внутри барабана установлены насадки в виде лопастей для перемешивания материала в процессе сушки. Сушилка оборудована топкой, где происходит сжигание топлива, для чего в топку дутьевым вентилятором подается атмосферный воздух, а также смесительной камерой, где раскаленные дымовые газы, смешиваясь с атмосферным воздухом, приобретают необходимую для сушки температуру 700-900^оС. Перемещение сушильного агента вдоль барабана осуществляется дымососом, при этом отработанные газы выбрасываются в дымовую трубу, проходя через систему пылеулавливания, включающую, как правило, циклоны и электрофильтры (либо мокрые пылеулавливатели). Высушенный материал разгружается на выходе из барабана в осадительной камере. Температура отработанных газов 300-400 ^оС, влажность материала на выходе из сушилки 4-6 %. Применяют также противоточные сушилки, где направление движения дымовых газов противоположно направлению движения материала. Барабанные сушилки применяются для сушки флотоконцентратов руд цветных металлов, неметаллорудного сырья и т. п.

Рис. 11.11. Барабанная сушилка

Труба-сушилка (рис. 11.12) представляет собой вертикальную металлическую трубу высотой до 25 м, диаметром до 1,25 м. Внутренние стенки трубы футерованы огнеупорным кирпичом. Труба оборудована загрузочным устройством. Дымовые газы подаются снизу и просасываются через трубу со скоростью 30-40 м/с, что обеспечивает возможность подъема материала вверх по трубе и одновременного его высушивания. Высушенный материал разгружается в осадительной камере. При сушке часть материала может упасть в нижнюю часть сушилки (провал). Этот материал выводится из сушилки через специальный затвор. Система пылеулавливания в трубах-сушилках аналогична вышеописанной. Применяются трубы-сушилки для сушки угля крупностью до 15 мм.

Для мелкозернистого материала могут использоваться сушилки кипящего слоя (рис. 11.13). Сушилка состоит из двух камер: нижней топливосмесительной и верхней сушильной. Камеры разделены между собой решеткой. В нижней камере осуществляется сжигание топлива, верхняя оборудована загрузочным и разгрузочным устройствами. Дымовые газы просасываются через решетку снизу вверх с такой скоростью, что материал на решетке находится во взвешенном состоянии в виде «кипящего слоя», обладающего свойствами маловязкой жидкости. Материал слоем высотой 0,3-0,45 м перемещается по решетке и в процессе перемещения высушивается. К достоинствам таких сушилок можно отнести высокую интенсивность сушки и возможность регулирования продолжительности пребывания материала в сушильной камере.

Шахтные сушилки применяют для сушки асбестовых руд перед обогащением. Сушилка представляет собой вертикальную шахту высотой 16-18 м, сечением 2х2 м. По высоте шахты размещены колосники для равномерного распределения материала по всему объему сушилки. Принцип работы противоточный – материал перемещается сверху вниз, дымовые газы – снизу вверх. Высушенная руда отводится из сушилки по наклонному лотку в нижней части установки. Температура дымовых газов на входе в сушилку – до 600 ^оС, производительность сушилки по твердому – 150-250 т/ч.