Основи хімії і фізики горючих копалин. Частина ІІ - Посібник (Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С.)

15. збагачення твердих горючих копалин

Видобута з надр Землі гірнича маса являє собою суміш грудок окремих мінера- лів, мінеральних комплексів, зростків різноманітних розмірів і форми зерен, які мають різні фізичні, фізико-хімічні і хімічні властивості. Ефективність використання корис- ної копалини залежить головним чином від вмісту в ній корисного компонента і наяв- ності шкідливих домішок. Корисні копалини, що видобуваються, тільки в тих випадках піддаються безпосередній переробці металургійними, хімічними та іншими методами, коли їх якість відповідає вимогам, які висуваються до даної сировини. Але такі корисні копалини в природі зустрічаються рідко. Вміст корисних компонентів у сировині, що видобувається, може складати від часток відсотка (мідь, нікель, кобальт і ін.) до декіль- кох відсотків (свинець, цинк та ін.) і декількох десятків відсотків (залізо, марганець, вугілля і ін.). Безпосередня переробка бідних за вмістом корисних копалин технічно і економічно недоцільна. Тому в більшості випадків корисні копалини піддають спеціаль- ній попередній переробці з метою їхнього збагачення.

Збагачення корисних копалин – це сукупність процесів первинної переробки мінеральної сировини з метою підвищення концентрації корисних компонентів шля- хом їх відокремлення від порожньої породи і шкідливих домішок, що не являють со- бою практичної цінності в даних техніко-економічних умовах.

Збагачення корисних копалин дозволяє:

– збільшити промислові запаси сировини за рахунок використання родовищ бі- дних корисних копалин з низьким вмістом цінних компонентів;

– підвищити продуктивність праці на гірничих підприємствах і знизити вар-

тість руди (вугілля), що видобувається, за рахунок механізації гірничих робіт і суціль- ної виїмки корисної копалини замість вибіркової;

– підвищити техніко-економічні показники металургійних і хімічних підпри- ємств при переробці збагаченої сировини за рахунок зниження витрати палива, елект- роенергії, флюсів, хімічних реактивів, поліпшення якості готових продуктів і знижен- ня втрат корисних компонентів з відходами;

– здійснити комплексне використання корисних копалин, тому що попереднє

збагачення дозволяє вилучити не тільки основні корисні компоненти, але й супутні, що містяться в малих кількостях;

– знизити витрати на транспортування до споживачів більш багатих продуктів, а не всього об'єму видобутої гірничої маси;

– виділити з мінеральної сировини шкідливі домішки, що при подальшій його переробці можуть погіршувати якість кінцевої продукції, забруднювати навколишнє середовище і загрожувати здоров'ю людей.

Якість корисних копалин і продуктів збагачення визначається вмістом цінного

 

компонента, домішок, супутніх елементів, а також вологістю і крупністю.

Цінним (корисним) компонентом називають хімічний елемент або природну сполуку, для одержання яких видобувається корисна копалина (наприклад, Fe – у заліз- них рудах, Cu – у мідних рудах).

Домішками називають хімічні елементи або природні сполуки, що містяться в корисній копалині у невеликих кількостях. Домішки можуть бути корисними і шкідли- вими; корисні поліпшують якість цінного компонента, а шкідливі – погіршують (напри- клад, V, W, Mn, Cr – корисні домішки в залізних рудах, a S, P – шкідливі).

Супутніми називають цінні елементи, що містяться в корисній копалині у не- великих кількостях, і їх вилучення економічно доцільне тільки тому, що вони видобу- ваються з надр разом з основним компонентом (наприклад, благородні метали в поліме- талічних рудах). Супутні елементи при збагаченні виділяють або в самостійний про- дукт, або в колективний продукт з основним цінним компонентом. З колективного про- дукту супутні елементи вилучають у процесі металургійної або хімічної переробки. Мінерали, що не містять цінних компонентів, називають порожньою породою. При збагаченні вони разом зі шкідливими домішками направляються у відходи і видаля- ються у відвал. У результаті збагачення корисна копалина розділяється на кілька про- дуктів: концентрат (один або кілька) і відходи. Крім того, у процесі збагачення можуть бути отримані проміжні продукти.

Концентрати – продукти збагачення корисних копалин, у яких зосереджена ос-

новна кількість цінного компоненту. Концентрати в порівнянні зі збагачуваним матеріа-

лом характеризуються значно вищим вмістом корисних компонентів і нижчим вмістом порожньої породи і шкідливих домішок.

Відходи (хвости) – продукти збагачення корисних копалин, у яких зосереджена

основна кількість порожньої породи, шкідливих домішок і невелика (залишкова) кіль-

кість корисних компонентів.

Проміжні продукти (промпродукти) – це механічна суміш зростків з розкрити-

ми зернами корисних компонентів і порожньої породи. Промпродукти характеризу-

ються більш низьким у порівнянні з концентратами і більш високим у порівнянні з від- ходами вмістом корисних компонентів.

Переробка корисних копалин здійснюється на збагачувальних фабриках, що

являють собою потужні високомеханізовані підприємства зі складними технологічни- ми процесами.

Збагачення корисних копалин уможливлює подальшу ефективну металургійну,

хімічну та іншу їх переробку, використання в енергетиці тощо.

Результати збагачення корисної копалини характеризуються якісно- кількісними показниками, основні з них такі: вихід продукту, вміст компонента, вилу- чення, ступінь скорочення, ступінь концентрації.

Вихід продукту – показник, що характеризує, яку частину маси корисної копа-

лини, що переробляється, складає той чи інший продукт збагачення. Вихід продукту зба-

гачення виражають у відсотках, рідше в частках одиниці:

100Q пр

,\%

Qвих

(15.1)

4acrnuHalTeepoieopH> iKonanuHu     _          197

e Qpp iQ,nx -MaCH rrpo  )'KTY i BHXi Horo MaTepiany.

CyMapHHM BHxiycix rrpo KTiB 36araqemrn rroBHHHHM Bi rroBi aTH BHXOBHXi ­ Hoi: 36araqYBaHOlKOpHCHOlKOIIaJIHHH, ID;O rrpHHMaEThCJI  3a 100\%. 51KID;O  rrpH  36araqeHHi

.           .

o ep)K)'IOTh  Ba KIH:QeBHX rrpo yKTH- KOH:QeHTpaT 3 BHXO OM yK Bl O3 BHXO OM ym;;x, TO

:QH yMoBa 3arrHcyEThcJI TaKHM piBHHHHHM, rn;o BHpa)KaE 6aJiaHc BHXo iB rrpo )'KTiB  36araqeH­ HJI:

y k  + y5/0X     =100\%

a6o y BHII KY BH iJieHHJI rrpoMrrpo Kry:

(15.2),

yk + ynp +y"'ax  = 100\%          (15.2a)

BMicT KOMIIOHeiiTa -IIOKa3HHK, rn;o xapaKTepH3YE  iloro qacrKy B KOpHCHiM KOIIaJIH­ Hia6o rrpO  )'KTi36araqeHHJI. BMiCT KOMIIOHeHTiB y KOpHCHiM KOIIaJII1Hi  a iy rrpo ax 36a­ raqeHHH BHpa)KaiOTh y Bi cOTKax, iHoiB qacTKax o HHH:Qi. BMicT  oporo:QiHHHX MeTaJiiB y

py ax irrpO )'KTax 36araqeHHJI BHpa)KalOTh 3BHqaMHO B r/T.

CyMapHa  KiJihKicrh 6y h-JIKoro KOMIIOHeHTa, rn;o MiCTHThCH B KiH:QeBHX rrpo  )'KTax

36araqeHHJI, IIOBHHHa Bi IIOBi  aTH KiJihKOCTi:QhOrO KOMIIOHeHTa y BHXi HiM KOpHCHiM KO­ IIaJIHHi.51KUJ;O rrpH 36araqeHHiOTpHMaHi        KiH:QeBHX rrpo TH - KOH:QeHTpar iBi O H, TO

:QH YMOBa 3arrH111eThCH TaK:

YkfJk + r.,ax f3.,ax  =100a ·

IlpH BH iJieHHirrpoMrrpo KTy:

YkfJk + Ynp j]np +Y.,!Jx /3.,/)x  = 1OOa ·

(15.3)

(15.3a)

 

PiBHHHHH (15.2), (15.2a)  i(15.3), (15.3a)    Ha3HBaiOThCH piBHHHHHMH 6aJiaHcy rrpo y­ KTiB 36araqeHHJI.

B eHHH -rroKa3HHK, rn;o o:QiHIOE qacrHHY KopHcHoro KOMIIOHeHTa, rn;o MicTHTh­ CH  B 36ara aHiM KOpHCHiM KOIIaJIHHi, JIKa rrepeHlllJia B rrpo  yKT  36araqeHHJI. BHeyqeHHJI BHpa)Ka€ThCJI y Bi COTKax, pi 111e B qacrKax O HHH:Qi, io6qHCJI10€ThCJI JIK Bi H0111eHHH MaCH

KOMIIOHeHTa B J TOMY rrpo Ti0 iloro MaCH B 36ara aHiM KOpHCHiM KOIIaJIHHi:

s = rJJ, .

,           a

 

(15.4)

 

CyMapHe   BHJIYqeHHH  aHoro KOMIIOHeHTa B  yet   KIH:QeBl rrpo KTH  36araqeHHH

cKJia ae 100\%.

CTyniHh CKOpO

ro KOH:QeHTpary yK MeH111e KiJihKocrirrepepo6JieHo1KopHcHoi: KOIIaJIHHH:

k   = 100.         (15.5)

c

Y k

CryrriHh cKopoqeHHH rroKa3ye, HKY KiJihKiCTh TOHH KopHcHoi: KOIIaJIHHH Heo6xi Ho rrepepo6HTH   JIHO ep)KaHHJI 1T KOH:QeHTpary.

CTyniHh KOHl{eHTpaL{ii (crymnh 36aragenHH) kk -BeJII1qHHa,rn;o rroKa3ye, y cKiJihKH pa-

3iB 36iJih11111BCJI BMiCT KOMIIOHeHTa B KOH:QeHTpaTiB rropiBHHHHi3 MOrO BMiCTOM y 36araqy­ BaHiM KOpHCHiM KOIIaJIHHi:

                                                                     (15.6)

51KiCHO-KiJihKiCHiIIOKa3HHKH 36araqeHHJI xapaKTepH3)'10Th TeXHiqHy  OCKOHaJiiCTh

 

технологічного процесу фабрики. Чим вищі вміст цінного компонента в концентраті і

його вилучення, чим більші показники ступеня збагачення і ступеня скорочення, тим вища ефективність збагачення корисної копалини.

Якість продуктів збагачення в окремих випадках характеризують не тільки вміс- том цінних компонентів і наявністю шкідливих домішок, але і вмістом зерен різного ро- зміру – гранулометричним складом. Якість кінцевих продуктів збагачення, одержува- них на збагачувальних фабриках, повинна відповідати вимогам, пропонованим до них споживачами продукції. Вимоги до якості концентратів називаються кондиціями і рег- ламентуються державними стандартами (ДСТУ) або технічними умовами (ТУ), вони розробляються з урахуванням технології і економіки переробки даної сировини і її властивостей, а також з урахуванням реальних можливостей технології збагачення. Кондиціями встановлюються середній і мінімально або максимально припустимий вміст різних компонентів корисної копалини в кінцевих продуктах збагачення. Якщо якість продуктів відповідає кондиціям, продукти називаються кондиційними.

Переробка корисних копалин на збагачувальних фабриках включає ряд послідов- них операцій, у результаті яких досягається відокремлення корисних компонентів від домішок. За призначенням процеси переробки корисних копалин поділяють на підго- товчі, основні (збагачувальні) і заключні (допоміжні).

Підготовчі процеси призначені для розкриття або відкриття мінералів, що вхо- дять до складу корисної копалини, і розділення на класи крупності, що відповідають наступним процесам збагачення.

До підготовчих відносять процеси дроблення, подрібнення, грохочення і кла- сифікації, а також знешламлення.

Дроблення і подрібнення – процеси зменшення розмірів грудок корисних ко-

палин під дією зовнішніх сил, що переборюють внутрішні сили зчеплення між частин-

ками твердої речовини.

Дроблення  і  подрібнення  не  мають  між  собою  принципових  відмінностей.

Умовно прийнято вважати, що при дробленні одержують продукти, крупніші 5 мм, а при подрібненні – дрібніші 5 мм. Розмір максимальних зерен, до якого необхідно розд- робити або подрібнити корисну копалину при її підготовці до збагачення, залежить від розміру включень основних компонентів, що входять до складу корисної копалини, і від технічних можливостей обладнання, на якому передбачена наступна переробка дробленого (подрібненого) продукту.

Грохочення і класифікація застосовуються з метою розділення корисної копа- лини на продукти різної крупності – так звані класи крупності.

Грохочення здійснюється розсівом корисної копалини на решетах і ситах з ка- ліброваними отворами на дрібний (підрешітний) продукт і крупний (надрешітний). Грохочення застосовується для розділення корисних копалин за крупністю на про- сіювальних поверхнях з розмірами отворів від часток міліметра до кількох сотень мілі- метрів.

Класифікація здійснюється у водному або повітряному середовищі і базується

на використанні відмінності у швидкостях осадження частинок різної крупності. Великі частинки осаджуються швидше і концентруються у нижній частині класифікатора, дріб- ні частинки осаджуються повільніше і виносяться з апарата водним або повітряним

 

потоком. Одержувані при класифікації крупні продукти називаються пісками, а дрібні

– зливом (при гідравлічній класифікації) або тонким продуктом (при пневмокласифі-

кації). Класифікація застосовується для розділення дрібних і тонких продуктів по зер-

ну розміром не більше 1 мм.

Основні (збагачувальні) процеси призначені для розділення вільних (розкритих) мінеральних зерен (при хімічному збагаченні – відкритих) на відповідні продукти. У результаті основних процесів корисні компоненти виділяють у вигляді концентратів, а породні мінерали видаляють у відвал у вигляді відходів. У процесах збагачення вико- ристовують відмінності мінералів за густиною, магнітною сприйнятливістю, змочува- ністю, електропровідністю, крупністю, формою зерен тощо.

Відмінності в густині мінеральних зерен використовуються при збагаченні ко- рисних копалин гравітаційним методом, який застосовують при збагаченні вугілля, руд і нерудної сировини.

На розходженнях магнітної сприйнятливості компонентів заснований магніт- ний метод збагачення, застосовуваний для збагачення руд чорних металів, титанових, вольфрамітових руд, для виділення залізистих домішок із графітових, талькових і ін- ших корисних копалин, для регенерації магнетитових суспензій.

Відмінності в змочуваності компонентів водою використовуються при збагачен- ні корисних копалин флотаційним методом. Особливістю флотаційного методу є мож- ливість штучного регулювання змочуваності і розділення дуже тонких мінеральних зерен. Завдяки цим особливостям флотаційний метод є одним з найбільш універсаль- них, він застосовується для збагачення різноманітних тонковкраплених корисних ко- палин.

Корисні копалини, компоненти яких мають відмінності за електропровідністю

або здатні під дією тих чи інших факторів здобувати різні за величиною і знаком елект- ричні заряди, можуть збагачуватися методом електричної сепарації. До таких корисних копалин належать апатитові, вольфрамові, олов'яні та інші руди.

Збагачення за крупністю використовується в тих випадках, коли корисні компоне- нти представлені більш крупними або, навпаки, більш дрібними зернами в порівнянні з зернами порожньої породи. У розсипах корисні компоненти знаходяться у вигляді дрібних частинок, тому виділення крупних класів дозволяє позбутися значної частини породних домішок.

Відмінності у формі зерен і коефіцієнті тертя дозволяють відокремити плоскі лускаті частинки слюди або волокнисті агрегати азбесту від частинок породи, що ма- ють округлу форму. При русі по похилій площині плоскі і волокнисті частинки ковза- ють, а округлі зерна скочуються вниз. Коефіцієнт тертя кочення завжди менше коефіціє- нта тертя ковзання, тому плоскі і округлі частинки сходять з похилої площини з різною швидкістю і за різними траєкторіями, що створює умови для їх розділення.

Відмінності в оптичних властивостях компонентів використовуються при зба- гаченні корисних копалин методом фотометричної сепарації. Цим методом здійснюєть- ся механічна рудорозбірка зерен, які мають різний колір і блиск (наприклад, зерен алма- зів від зерен порожньої породи).

Застосування того чи іншого методу збагачення залежить від мінерального складу корисних копалин і фізичних властивостей розділюваних компонентів.

 

Заключні операції в схемах переробки корисних копалин призначені для зне-

воднення продуктів збагачення з метою зниження їхньої вологості до кондиційної, а також для регенерації оборотних вод збагачувальної фабрики.

Вибір методу зневоднення залежить від характеристики матеріалу, що зневод- нюється (початкової вологості, гранулометричного і мінералогічного складів) і вимог до кінцевої вологості. Часто необхідної кінцевої вологості важко досягти в одну ста- дію, тому на практиці для деяких продуктів збагачення використовують операції зне- воднення різними методами в кілька стадій.

Для зневоднення продуктів збагачення використовують методи дренування (бункери, елеватори), грохочення (грохоти), центрифугування (фільтруючі і відсаджу- вальні центрифуги), згущення (згущувачі, гідроциклони), фільтрування (вакуум- фільтри, фільтрпреси) і термічної сушки.

Крім технологічних процесів, для нормального функціонування збагачувальної фабрики повинні бути передбачені процеси виробничого обслуговування: внутріш- ньоцеховий транспорт корисної копалини і продуктів її переробки, постачання фабри-

ки водою і електроенергією, технологічний контроль якості сировини і продуктів пе- реробки.

Механізований видобуток вугілля, залучення тонких пластів і пластів з пору- шеннями веде до підвищення вмісту в гірничій масі мінеральних домішок і дрібних фракцій. Підвищена зольність енергетичного вугілля знижує ККД паросилових агре- гатів, викликає передчасний знос деяких вузлів обладнання, сприяє забрудненню зо- лою навколишнього середовища. Збільшення зольності коксівного вугілля приводить до підвищення витрат при їх підготовці до коксування, витрат коксу і флюсів при ви- робництві чавуну і зниження продуктивності доменних печей.

Для видалення з ТГК мінеральних компонентів широко використовуються різ- ні способи збагачення, основані на використанні різниці фізичних, фізико-хімічних, а іноді і хімічних властивостей горючої маси і мінеральних включень.

Мінеральні речовини, що містяться у видобутому вугіллі, поділяються на дві основні групи. До першої групи відносять мінерали, привнесені в торф’яник на ранніх стадіях вуглеутворення, а також привнесені у сформовані вугільні пласти з розчинів. Складність збагачення такого вугілля залежить від складу, частоти і потужностей по- родних прошарків та дисперсності мінеральних включень.

До другої групи відносять мінеральні включення у вигляді уламків вмісних порід, що потрапили у вугілля з ґрунту і покрівлі при видобутку. Збагачення ТГК, за- смічених мінеральними домішками, що потрапили під час видобутку, здійснюється порівняно легко.

Основні методи мокрого і сухого збагачення твердих горючих копалин: гравіта- ційний, флотаційний і магнітний. Кожний з цих методів включає ряд процесів, основа- них на загальних фізичних або фізико-хімічних властивостях, за якими проводиться роз- ділення матеріалу і які відрізняються один від одного використанням додаткових розді- ляючих сил і відповідними конструкціями машин і апаратів.

Гравітаційний метод збагачення заснований на використанні відмінностей в гу- стині гірських порід. До цього методу відносять процеси збагачення у важких середо- вищах (рідинах і суспензіях), відсадку, збагачення в струмені води, яка тече по похилій

 

площині (концентраційні столи, гвинтові сепаратори, жолоби і ін.), збагачення у від-

центровому полі, протитечійну сепарацію і ін.

У флотаційному методі збагачення використовується відмінність в природній

та додатково підсиленій реагентами гідрофільно-гідрофобній контрастності гірських порід. Розрізняють власне пінну флотацію, пінну сепарацію, масляну флотацію (агло- мерацію), каскадно-адгезійне збагачення.

У основу магнітного методу збагачення покладена відмінність в магнітній сприйнятливості гірських порід. Він включає процеси магнітної сепарації і магнітну флокуляцію.

Застосування тих або інших процесів обумовлюється якісною характеристикою

початкової сировини і техніко-економічними міркуваннями. Сукупність процесів, що застосовуються, і операцій обробки вугілля компонується в схему збагачення.

Основними процесами збагачення вугілля в Україні, як і у всьому світі, є збага-

чення у важких середовищах, у відсаджувальних і флотаційних машинах. У 1992 р. в

Україні було збагачено 112,2 млн. т вугілля, в тому числі 23,6\% у важких середовищах,

63,1\% у відсадочних машинах і 13,3\% у флотаційних машинах. У 1993 р. ці цифри від- повідно становили 93,1 млн. т, 23,4\%, 64,4\% і 12,2\%.

На збагачувальних фабриках української національної науково-промислової асоціації “Укркокс" збагачено в 1992 р. 11,5 млн. т вугілля, з них 73,7\% у відсадочних машинах і 26,3\% у флотаційних машинах. У 1993 році ці показники складали відпові- дно 9,0 млн. т, і 75,7\% і 24,3\%.

У 2008 році в Україні діє понад 50 вуглезбагачувальних фабрик. У 2007 році з

75,5 млн. т видобутої гірничої маси на збагачувальні фабрики було направлено близь- ко 70 млн.т, з них 25-30 млн.т – коксівного вугілля.

Збагачення вугілля у важких середовищах застосовували в основному для ву- гілля крупних класів, однак зараз цей процес знаходить все більше застосування для збагачення у важкосередовищних гідроциклонах вугілля дрібних класів і дробленого промпродукту відсадки. Збагачення у важких середовищах здійснюється в рідкому (водно-обваженому) середовищі або в повітряних аеросуспензіях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Як важке середовище для лабораторних потреб, застосовують однорідні орга- нічні рідини і їх розчини, водні розчини солей, у промисловості – суспензії. Як органі- чні важкі рідини випробувані трихлоретан (  =1460 кг/м3), чотирихлористий вуглець (  =1600 кг/м3),  пенталоретан  (  =1680 кг/м3),  диброметан  (  =2170 кг/м3),  бромоформ (  =2810 кг/м3), ацетилентетрабромід (  =2930 кг/м3) та ін. Однак застосування органіч- них рідин для збагачення вугілля в промислових масштабах стримується їх високою вартістю, токсичністю, технічною складністю регенерації і, як наслідок, великими ка- пітальними і експлуатаційними витратами.

Водні розчини неорганічних солей хлористого кальцію (  =1654 кг/м3), хлорис-

 

 
того цинку (  =2070 кг/м3) і ін. застосовуються для дослідження збагачуваності вугілля і контролю роботи збагачувальних машин.

Найбільш широке застосування, як важке середовище для розділення вугілля у

важкосередовищних апаратах, знайшли суспензії мінеральних порошків високої гус- тини, подрібнені до крупності менше 0,1 мм.

Найважливішими властивостями мінеральних суспензій, що визначають мож-

 

ливість і ефективність розділення вугілля, є їх густина, в'язкість і стійкість.

Густина суспензії повинна відповідати граничній густині розділення. Зі збіль- шенням густини обважнювача і його вмісту густина суспензії збільшується. Оскільки з підвищенням вмісту обважнювача збільшується в'язкість суспензії, перевагу віддають обважнювачам з більш високою густиною. Визначення необхідної густини суспензії диктується збагачуваністю вугілля і необхідністю отримання продуктів збагачення кондиційної якості. Найбільш широке промислове застосування для збагачення вугіл- ля знайшли магнетитові суспензії густиною від 1300 до 2100 кг/м3.

В'язкість суспензії і граничне напруження зсуву характеризують реологічні властивості суспензії. При високому вмісті обважнювача і наявності шламу та глини магнетитові суспензії стають структурно-в'язкими, внаслідок чого гіршає розділення вугілля, особливо дрібних зерен, які не спливають і не тонуть, оскільки не можуть по- долати опір середовища.

Стійкість суспензії характеризує її здатність зберігати однакову густину в різ- них шарах технологічного збагачувального апарата і залежить від гранулометричного складу обважнювача, його концентрації і ступеня засмічення суспензії шламами та глиною. Зі зменшенням розміру частинок обважнювача і збільшенням вмісту шламу та глини стійкість суспензії зростає, однак при цьому збільшується в'язкість суспензії.

Поліпшення реологічних властивостей суспензій проводиться шляхом підбору об- важнювачів, які мають високу агрегатну стійкість і не підвищують в'язкість суспензії гід- родинамічними впливами в робочому просторі важкосередовищного апарата, а також шляхом добавок реагентів-пептизаторів, що знижують в'язкість і граничне напруження зсуву на 15-35\%, внаслідок чого поліпшується процес збагачення, виділення обважнювача при споліскуванні продуктів і підвищується ефективність регенерації суспензії.

Гідравлічна відсадка – це процес розділення суміші зерен на окремі близькі за густиною матеріалу шари у вертикальному пульсуючому потоці води знакозмінної швидкості. Широке застосування  відсадки  при збагаченні крупного  (понад 13 мм), дрібного (0,5-13 мм) і некласифікованого вугілля пояснюється рядом істотних переваг відсадки, що полягають в універсальній виробничій простоті, технологічній ефектив- ності і економічності.

Універсальність  процесу  характеризується  широким  діапазоном  (від  0,5 до

250 мм) крупності вугілля, що збагачується.

Виробнича простота технології відсадки полягає в застосуванні незначного чи- сла основного і допоміжного обладнання.

Технологічна ефективність відсадки характеризується порівняно високою пи- томою продуктивністю, а економічність процесу зумовлена перерахованими вище пе- ревагами. Відсадка є найбільш економічним процесом збагачення, як за капітальними вкладеннями, так і за експлуатаційними витратами на 1 т вугілля, що збагачується.

Фізична модель процесу відсадки, що розробляється на основі швидкісної, су- спензійної, потенціально-енергетичної і масово-статистичних гіпотез, а також гіпотези прискорень, розглядає процес розшарування гірничої маси як горизонтальне під дією транспортної води і вертикальне під дією пульсуючого потоку переміщення постелі з утворенням шарів збагачувального матеріалу різної густини з деякою середньою шви- дкістю. Під постіллю розуміють суміш вугільних, промпродуктових і породних фрак-

 

цій, що знаходяться безпосередньо на решеті машини (природна постіль). При достат-

ній тривалості переміщення постелі вздовж відсадочного відділення розшарування гірничої маси приводить до того, що легкі фракції концентруються у верхньому, а ва- жкі – в нижньому шарах.

 

 
Процес відсадки в машині відбувається таким чином. Вихідне вугілля разом з транспортною водою через завантажувальний пристрій надходить в машину на решето завантажувального відділення. Внаслідок невеликого нахилу (2-3 ) і пульсації води (наприклад, стисненим повітрям, що періодично подається через пульсатори у водно- повітряні камери машини), вихідне вугілля по мірі переміщення розшаровується на відходи збагачення, промпродукт і концентрат. Відходи збагачення (порода) і промп- родукт послідовно вивантажуються розвантажувальними пристроями у відповідні во- ронки корпусів і потім в башмаки елеваторів, а концентрат разом з транспортною во- дою через зливний поріг подається в приймальний жолоб. Під час роботи машини ви- сота постелі важких фракцій (відходів збагачення і промпродукту) підтримується на заданому рівні за допомогою системи автоматичного регулювання.

На сучасних збагачувальних фабриках у відсаджувальних машинах збагачуєть- ся дрібне вугілля, а крупні класи збагачуються тільки у важкосередовищних сепарато- рах. Іноді разом з дрібним вугіллям на відсаджувальні машини надходить дроблений промпродукт важкосередовищних сепараторів.

Розділення гірських порід за густиною на концентраційному столі і в мийному

жолобі основане на закономірностях руху зерен в струмені води, що тече по похилій площині. Збагачення вугілля в мийних жолобах відбувається в порівняно глибокому потоці води, що тече по похилому жолобу. Внаслідок складної взаємодії суміші части- нок різної крупності, густини і форм з вихровими потоками води відбувається розша- рування матеріалу: у верхніх шарах потоку концентруються переважно легкі, а в ниж- ніх важкі фракції. Важка фракція розвантажується через донні отвори жолоба, а легка виноситься з жолоба з потоком води.

Концентраційний стіл являє собою слабконахилену в поперечному напрямі пове- рхню, що виконує коливальні рухи із заданими амплітудою і частотою. Завдяки встанов- леним на поверхні нарифленням і течії води створюються специфічні умови для страти- фікації матеріалу – середовище розділення. Розділення гірських порід на концентрацій- ному столі відбувається під дією комплексу механічних і гідродинамічних сил внаслідок чого на бічній і торцевій розвантажувальних сторонах деки утворюється так зване віяло продуктів різної густини, які спеціально встановленими відсікачами спрямовуються у збі- рники концентрату, промпродукту і відходів. Основною перевагою концентраційного столу перед апаратами інших типів є можливість його використання для досить ефектив- ного виділення піриту з високосірчистого вугілля.

Протитечійна водна сепарація в шнекових і крутонахилених сепараторах здій-

снюється в закритих каналах, оснащених системою однотипних елементів, обтічних потоків, що утворюють систему повторних течій і вихорів, завдяки чому початковий (вихідний) матеріал розділяється за густиною, що перевищує густину розділювального середовища.

Протитечійні сепаратори мають невисоку ефективність розділення, але завдя- ки простоті, надійності роботи, низьким капітальним і експлуатаційним витратам зна-

 

ходять застосування для збагачення низькосортного палива, перезбагачування старих

відвалів тощо.

Традиційні мокрі процеси збагачення зі складним водношламовим господарст-

вом, пов'язані зі споживанням і втратами води, незважаючи на високу ефективність ро- зділення, залишаються складними і дорогими. Сухе збагачення вугілля в деяких випа- дках може значно спростити технологію переробки, знизити собівартість продуктів і вирішити ряд питань складування і утилізації відходів.

Пневматичне збагачення здійснюється на перфорованій робочій поверхні ма- шин під дією постійного або пульсуючого повітряного потоку, іноді в комбінації з ме- ханічним струшуванням робочої поверхні. При цьому матеріал розпушується і розша- ровується за густиною і крупністю. Матеріал розділяється на продукти збагачення внаслідок переміщення шарів частинок, що утворюються на робочій поверхні (деці), в одному або декількох напрямах.

Характер впливу робочої поверхні і повітряного потоку на збагачений матеріал, принципи розділення і способи розвантаження продуктів визначаються конструкцією машин. Розрізняють пневматичні сепаратори і пневматичні відсаджувальні машини.

Пневматичне збагачення набуло деякого поширення головним чином при зба-

гаченні бурого і кам'яного енергетичного вугілля в районах з суворими кліматичними умовами або обмеженими водними ресурсами.

Збагачення в аеросуспензіях основане на використанні явища псевдозрідження

тонкодисперсних сипких матеріалів під дією висхідного повітряного потоку. Аеросуспен- зії, що утворюються при цьому (киплячий шар), використовуються як сухе важке середо- вище для гравітаційного розділення частинок вугілля за густиною. Аеросуспензії в прин- ципі подібні до водних суспензій, що підтверджено дослідженнями їх фізико-хімічних характеристик і експериментальними даними щодо розшарування сумішей мінеральних частинок різної густини та крупності. Як обважнювачі в аеросуспензіях можуть бути ви- користані різні порошкоподібні сипкі матеріали: кварц (пісок), тонкодисперсні магнетит, галеніт, апатит, гранульований феросиліцій і ін.

Флотація вугілля відбувається внаслідок так званого акту флотації – прилипан- ня гідрофобних частинок до бульбашок повітря. В основі цього методу лежать фізико- хімічні явища, що протікають на границі розділення трьох фаз – твердої, рідкої і газо- подібної, найбільш важливими з яких є змочуваність поверхні твердої фази і зміна її властивостей при сорбції флотореагентів.

Вугілля є природногідрофобною речовиною, однак практично його флотація

здійснюється із застосуванням флотореагентів, що підвищують флотованість вугіль- них шламів. При флотації вугілля впливають, як правило, тільки на компонент, що флотується (вугілля), а також на міжфазну поверхню вода-повітря для забезпечення стійкості піни. Флотаційному збагаченню підлягають вугільні шлами, кількість яких досягає 20\% від вугілля, що переробляється.

Велика різноманітність фізичних і фізико-хімічних властивостей гірських порід і вугілля зокрема дозволяє застосовувати для розділення гірничої маси практично всі відомі методи збагачення, основані на різниці в електропровідності, магнітних і тер- момагнітних поверхневих властивостях та інші. Однак, такі методи і процеси не знай- шли промислового застосування через велику складність, низьку ефективність, високу

 

вартість і з інших причин. Найбільш перспективними для збагачення вугілля вважають

процеси   магнітогідродинамічного,   магнітогідростатичного,   каскадно-адгезійного,

селективно-флокуляційного розділення і масляної грануляції.

В основі методу масляної грануляції лежить відмінність в змочуваності вугле- воднями вугілля і породних домішок, внаслідок чого частинки вугілля спочатку пок- риваються масляною плівкою, а потім, при турбулентній (як правило) агітації гідросу- міші, злипаються в гранули. Мінеральні частинки залишаються зваженими у воді. Тех- нологія реалізації грануляції полягає в перемішуванні вугільного шламу з відносно великою (6-12 мас.\% і більше) кількістю вуглеводнів (нафтопродукти, мазут, масла) у водному середовищі.

Масляна грануляція може бути використана як високоефективний метод збага- чення тонких класів високозольного вугілля і антрацитів, інтенсифікації процесу зне- воднення дрібних концентратів, підготовки вугілля всіх стадій вуглефікації до гідрот- ранспорту, утилізації твердих осадів мулонакопичувачів збагачувальних фабрик, а та- кож як метод підготовки вугілля до гідрогінезації.

15.1. Методи збагачення вугілля

15.1.1. Збагачення у важких середовищах

Рядове вугілля – механічна суміш, яка складається зі шматочків власне вугіль- ної речовини, породи та зростків вугілля з породою.

Густина вугільної речовини не перевищує 1,5 г/см3. Зростки вугілля з породою,

в залежності від наявності в них вугілля та породи, мають густину від 1,5 до 1,8 г/см3. Густина мінеральних домішок (породи), як правило, більша 1,8 г/см3. Зі збільшенням кількості мінеральних домішок в вугіллі збільшується його зольність.

Збагачення вугілля у важких середовищах полягає в зануренні його у важку рі-

дину різної густини, де більш легкі частинки вугілля підіймаються на поверхню, а більш важка порода тоне. Для приготування такої рідини можуть використовуватися різноманітні речовини, розчинні в воді, наприклад, хлористий цинк.

Якщо в посудину, наповнену важкою речовиною з густиною, яка дорівнює 1,5 г/см3, помістити рядове вугілля, то зерна чистого вугілля, густина яких менша 1,5 г/см3, в ній випливуть, а зерна зростків разом з мінеральними домішками, густина яких вища 1,5 г/см3, – потонуть. Зібравши легку вугільну фракцію, яка випливла на поверхню рідини, можна продовжити розділення суміші промпродукту і породи, що потонула. Для цього суміш занурюють в посудину з речовиною, що має густину 1,8 г/см3. В ній спливає пром- продукт, густина якого менша 1,8 г/см3, а порода, густина якої більша 1,8 г/см3 – тоне.

Таким чином, занурюючи рядове вугілля в рідини з різною густиною, можна розділити його на чисте вугілля, промпродукт і породу.

Вказаний спосіб розділення вугілля та мінеральних домішок застосовується в лабораторіях з метою контролю роботи різноманітних збагачувальних машин та визна- чення характеристики збагаченості вугілля.

У промислових умовах вихідне, попередньо знепилене вугілля жолобом надхо- дить у ванну апарата, наповнену важкою речовиною. Легка вугільна фракція спливає

 

на поверхню та видаляється скребковим конвеєром, а порода осаджується на дно ван-

ни і гвинтовим конвеєром подається до другого скребкового конвеєра, котрим видаля- ється з ванни. Для підйому на поверхню вугільних частинок, захоплених осаджуваною породою, у ванні встановлено імпелер, який розпушує гірничу масу та створює умови для підйому вугільних частинок.

Одержані концентрат і порода спрямовуються на зневоднення й відмивку їх

водою від залишків розчину. Розбавлений розчин випаровується до необхідної конце- нтрації і знову повертається до процесу.

У промисловості замість важких рідин для збагачення вугілля застосовують штучно приготовлені суспензії. Вони за своїми властивостями наближуються до важ- ких рідин.

Суспензія являє собою механічну суміш води з тонкоподрібненим порошком, який перебуває у воді у зваженому стані. Питома вага суспензії регулюється кількістю зваженого у ній порошку. Для приготування порошку, що називається обважнювачем, застосовуються різноманітні мінерали з великою густиною, наприклад: магнетит, гли- на тощо, а також відходи деяких виробництв – колошниковий пил, залізна окалина, піритна окалина тощо. Збагачення в мінеральних суспензіях принципово не відрізня- ється від збагачення у важких рідинах, за виключенням того, що в цьому процесі пос- тійно підтримують мінеральний порошок у зваженому стані, а також регулюють гус- тину суспензії додаванням нових порцій порошку або розбавленням її водою.

15.1.2. Мокра відсадка

Збагачення вугілля шляхом мокрої відсадки отримало найширше розповсю- дження. Відсадка дає гарні технологічні результати в широкому діапазоні характерис- тик вихідного матеріалу. Кращих показників можна досягти тільки при збагаченні у важкому середовищі.

Відокремлення вугілля від породи в процесі відсадки основане на використанні різниці в їх густині.

Процес відсадки відбувається у відсадочній машині. На сьогодні відомо біля

100 різноманітних варіантів конструкцій відсаджувальних машин, які можна класифі- кувати на чотири основних групи: 1) машини з рухомим решетом; 2) поршневі; 3) діа- фрагмові; 4) клапанні (пульсаторні).

Поршнева машина складається з корпусу (камери), розділеного перегородкою, яка не досягає дна, на два сполучених між собою відділення: робоче та поршневе. У робочому відділенні по всій його поверхні поставлене сито, а у поршневому знахо- диться поршень, якому від кривошипного механізму передається рух у вертикальному напрямку вгору і вниз.

Під час роботи машини корпус її заповнюють водою. Під дією поршня у робо- чому відділенні над ситом створюються змінні за напрямком висхідні та низхідні по- токи води. Поршень відсадочної машини робить 70-125 циклів за хвилину; відповідно стільки ж разів відбувається зміна напрямку руху води над ситом.

В сучасних машинах роль поршня виконує повітря, яке подається спеціальним

пульсатором періодично в поршневе відділення і випускається з нього після створення

 

висхідного потоку. Вихідне вугілля надходить в машину в робоче відділення і розта-

шовується на ситі шаром певної товщини. Під час руху поршня вниз в робочому відді- ленні виникає висхідний потік води з поступово зростаючою швидкістю. На початку ходу поршня швидкість висхідного потоку мала, тому вода проходить у проміжки ша- ру мінеральних зерен, виносячи угору найбільш дрібні та легкі частинки вугілля. По мірі зростання швидкості потоком підіймається угору решта зерен. При цьому зерна вугілля, маючи меншу густину, піднімуться на більшу висоту, ніж важкі зерна породи.

При підході поршня до крайнього нижнього положення швидкість потоку води зменшується та стає рівною нулю, а потім, коли поршень піднімається угору, потік змінює напрямок і стрімко рухається униз. Підняті висхідним потоком зерна падають назад на сито, причому більш важка порода досягає сита швидше, ніж легкі вугільні частинки. Та- ким чином відбувається перегрупування (стратифікація) важких та легких зерен породи та вугілля. Останні опиняються у верхньому шарі, а перші у нижньому. Частинки промпро- дукту, які мають середню питому вагу, розташовуються між шарами вугілля та породи.

Шари вугілля та породи рухаються в машині до її розвантажувальної частини. Верхній шар вугілля видаляється через зливний поріг разом з транспортною водою, а нижній шар породи через розвантажувальну щілину надходить до внутрішньої части- ни камери, звідки за допомогою елеватора видається з машини. Відсадку вугілля про- водять окремо за класами крупності, або для всього рядового вугілля в одній машині.

У вугільній промисловості застосовуються поршневі та безпоршневі відсаджу-

вальні машини. Пульсація води в поршневих машинах створюється поршнем, а в без- поршневих – повітрям, яке подається через спеціальний золотник в повітряну камеру (аналог поршневого відділення) машини.

15.1.3. Збагачення в ґвинтових сепараторах

Винайдена Парді, вперше використана на вуглезбагачувальній фабриці в США у 1898 р. Процес застосовується для сухого і мокрого збагачення. Розрізняють суху і мокру ґвинтову сепарацію.

С у х а   ґ в и н т о в а   с е п а р а ц і я (СҐС) широко застосовувалася в 20-і роки ХХ ст. для збагачення антрацитів крупністю 6-100 мм. Конструктивно сепаратор скла- дався з декількох каскадно розташованих жолобів, один з яких ширший за інші і мав вищий борт. У 1922 р. тільки на американських збагачувальних фабриках працювало близько 4000 ґвинтових сепараторів такого типу. Принцип дії цих сепараторів основа- ний на різниці в коефіцієнті тертя для породи та вугілля по робочій поверхні.

М о к р а   ґ в и н т о в а   с е п а р а ц і я (МҐС) вперше з’явилася на рудозбагачу-

вальних фабриках, а потім поширилася на збагачення вугілля. Перші досліди з МҐС стосувалися збагачення золота (40-і роки ХХ ст., І.Б.Хемфрі), перша промислова уста- новка МҐ-сепарації створена в США (1943) для збагачення хромітвмісних пісків. Виго- товляються одно-, дво- та тризахідні сепаратори з регульованим (з листової сталі і алюмінієвих сплавів) і нерегульованим кроком витків (з чавунного або сталевого литва і алюмінієвих сплавів). Різновид ґвинтових сепараторів – ґвинтові шлюзи.

Сьогодні ґвинтові сепаратори і шлюзи застосовують для вилучення питомо-

важких мінералів з корінних і розсипних руд і додаткового вилучення дорогоцінних

 

мінералів з високою густиною з відходів флотаційного або магнітного збагачення. Во-

ни знайшли широке застосування  для збагачення дрібнозернистих пісків, що містять ільменіт, циркон, рутил і інші корисні копалини, а також для збагачення корінних руд рідкісних і благородних металів, залізних руд, фосфоритів, хромітів, кам’яного вугілля і алмазів. Галузь застосування того або іншого типу ґвинтового апарата визначається крупністю корисних мінералів. При їх крупності в межах 0,1 – 3 мм застосовують ґвин- тові сепаратори, для дрібнішого матеріалу 0,05 – 0,2 мм використовують ґвинтові шлю- зи. Принцип дії ґвинтових апаратів однаковий, вони відрізняються лише формою жо- лоба: у шлюзу – прямокутна, у сепаратора – частина круга або еліпса (профіль жолоба є ноу-гау фірм-виробників). Жолоби ґвинтових апаратів виготовляють з чавуну, алюмі- нієвих сплавів, пластмас. Число жолобів у ґвинтових сепараторах і шлюзах може бути від 1 до 4. Вилучення корисної копалини до концентрату у ґвинтових сепараторах ста- новить до 90-97\%. Вміст твердого в пульпі 15-25\%.

Продуктивність сепараторів по твердому в середньому 1-12 м3/год і більше. Оп- тимальна продуктивність на вугіллі складає 10-15 т/год. При зольності вихідного ву- гілля 16-36\%, крупності –3,5 мм, процес МҐС дозволяє отримати концентрати зольніс- тю 5-12\% і відходи зольністю   від 54-55\% до 75-80\%. Широке застосування ґвинтові сепаратори отримали в останні роки при перезбагаченні лежалих вугільних шламів мулонакопичувачів та шламовідстійників збагачувальних фабрик.

15.1.4. Пневматичне збагачення

Пневматичне, або повітряне, збагачення вугілля, як і мокрі процеси збагачення, основане на розділенні частинок вугілля та породи за їх густиною. На відміну від мок- рих процесів, при пневматичному збагаченні середовищем розділення є не вода, а по- вітря. Такий спосіб збагачення доцільний в умовах дефіциту води, суворого клімату, і знайшов використання зокрема у Сибіру.

Пневматичне збагачення має ті основні переваги, що отримані продукти не по- требують зневоднення та сушіння. Це особливо важливо при суворому кліматі і при подальших перевезеннях продуктів збагачення, коли є небезпека їх змерзання в зимо- вий час у випадку зволоження.

На пневматичних збагачувальних фабриках великі класи вугілля збагачуються на сепараторах, а дрібні – у відсадочних машинах.

Пневматичні відсадочні машини (ПВМ) застосовуються для збагачення вугілля крупністю менше 13 мм. Основною робочою частиною є дека – металевий майданчик, встановлений з нахилом в поперечному напрямку на три секції. Під деку підводиться пульсуючий струмінь повітря, в якому відбувається розшарування вугілля на фракції за густиною.

Між секціями є кармани для випуску породи і промпродукту. Вони перекри- ваються знизу хитними секторними затворами. Внизу під затворами встановлені гвин- тові конвеєри для розвантаження матеріалу з карманів.

Для отримання більш чистих продуктів збагачення, що накопичуються у кар- манах, розвантаження їх регулюється таким чином, щоб кармани були весь час запов- нені відповідними продуктами.

 

15.1.5. Флотація вугільного пилу та шламу

При видобутку вугілля і в різних операціях його обробки на вуглезбагачуваль- них фабриках утворюється багато зерен розміром менше 1 мм.

Способи збагачення, що розглядалися раніше, при застосуванні їх для частинок вказаної крупності дають погані результати.

Для збагачення дрібнодисперсного вугілля в Україні  широко застосовується

процес флотації, в якому для розділення вугілля породи використовується ефект різної змочуваності поверхні зерен вугілля та породи водою, що залежить від їх складу та фі- зико-хімічних властивостей. Відмінність у змочуваності вугілля і породи спостеріга- ється при такому досліді: якщо взяти відшліфовану пластину вугілля і таку ж пластину породи, то краплина води, розміщена на вугільній пластині, буде мати овальну форму, близьку до кулеподібної, а на поверхні породи вода розтікатиметься.

Процес флотації полягає в тому, що добре перемішану пульпу, яка являє собою

суміш дрібних частинок вугілля і породи з водою, обробляють невеликою кількістю флотаційних реагентів – збирачів і спінювачів, поміщають до ванни флотаційної ма- шини та аерують, створюючи в пульпі механічним чи іншим способом дрібні бульба- шки повітря. Вугільні частинки вкриваються тонкою плівкою реагенту-збирача (на- приклад,  гасу), що суттєво підвищує їх гідрофобність, прилипають до бульбашок пові- тря і з ними підіймаються на поверхню пульпи, утворюючи мінералізовану піну, яка складається з вугільних частинок і бульбашок повітря. Вона через перелив ванни по жолобу виводиться з машини (гідрофобний пінний продукт). Частинки порожньої по- роди, які добре змочуються водою, до бульбашок повітря не прилипають і залишають- ся в машині (гідрофільний камерний продукт).