9. Оборудование для обогащения крупнозернистых угольных шламов

Важнейшей операцией в цикле регенерации шламовых вод является обогащение шламов. В настоящее время относительно крупнозернистые шламы (0,1-1,0 (3,0) мм) обогащаются главным образом гравитационными методами, а тонкие шламы (крупностью -0,1 мм) – флотацией.

Первым важным проектом в Кузбассе для компании CETCO стало внедрение схемы обогащения крупнозернистых шламов в спиральных сепараторах и обезвоживание тонкого концентрата (кл. 0-2 мм) в осадительно-фильтрующих центрифугах «Декантер» на ЦОФ «Кузбасская» в 1997 г.

Результатом применения новых технологий явилось значительное снижение себестоимости переработки угля. Например: использование центрифуг «Декантер» для механического обезвоживания тонкого концентрата позволило уменьшить количество работающих сушильных агрегатов вдвое, причем в оставшихся температура снизилась на 150-200°С, что благотворно сказалось на управляемости и безопасности термической сушки (рисунок 2).

Рисунок 2. Применение центрифуги «Декантер» на ЦОФ «Кузбасская» позволило значительно снизить себестоимость процесса обогащения.

Оборудование, применяемое для гравитационного обогащения крупнозернистых шламов (таблица 1), охватывает, по сути, весь спектр углей (как коксующихся, так и энергетических).

Тяжелосредные гидроциклоны получили широкое распространение на углеперерабатывающих предприятиях. В последние годы наметилась тенденция к снижению нижнего предела крупности углей, обогащаемых данным способом, с 0,5 до 0,15-0,125 мм. Предлагаются технологии обогащения в тяжёлосредных гидроциклонах шлама крупностью менее 1 мм. Ранее для углей очень трудной обогатимости выпускались трёхпродуктовые гидроциклоны; в настоящее время упомянутые угли обогащаются, как правило, в две стадии с применением двухпродуктовых гидроциклонов. К качеству машинного класса, поступающего на обогащение в гидроциклоны (засорение его избыточными по крупности зернами), предъявляются жёсткие требования. Также нормируется и содержание шлама крупностью менее 0,5 мм. Применение тяжелосредного обогащения обусловливается трудной обогатимостью, высокой точностью и эффективностью разделения, малым засорением продуктов разделения посторонними фракциями. В качестве утяжелителя среды используется магнетит.

Схемы обогащения делятся по числу стадий разделения обогащаемого материала и числу конечных продуктов и их назначению. Для обогащения мелких классов энергетических углей и антрацитов крупностью 0,5-25 мм используется схема обогащения в одну стадию с выделением двух конечных продуктов – концентрата и отходов (технические характеристики отечественных двухпродуктовых гидроциклонов приведены в таблице 2).

Таблица 1 – Оборудование для гравитационного обогащения крупнозернистых шламов

№№ пп	Наименование оборудования	Область применения	Производи-тельность	Плотность разделения, кг/м3	Ерм, кг/м3	Ведущие фирмы-производители
1	Отсадочные машины для обогащения шламов	Шламы коксующихся и энергетических углей лёгкой, средней и трудной обогатимости крупностью 0,15-3,0 мм	До 7 т/м2·ч	1550-1920	80-150	AKA Industrieanlagen GmbH (Германия); Humboldt-Wedag (Герма-ния), Allmineral (США)
2	Тяжёлосредные гидроциклоны	Шламы коксующихся углей трудной и очень трудной обогатимости крупностью 0,15(0,5)-3,0 (6,0) мм	50-100 т/ч (диаметр 500-700 мм)	1400-1800	40-80	British Coal (Велико-британия), Krebs Engineers (США), Multotec (ЮАР-Австралия)
3	Циклоны без утяжелителя	Шламы крупностью 0,1‑6,0 мм		1550-2000
4	Винтовые сепараторы	Шламы: энергетических углей лёгкой и средней обогатимости; коксующихся углей лёгкой обогатимости крупностью 0,15-1,0 мм	До 5 т/ч на 1 спираль	1600-2000	100-150	Krebs Engineers (США), Multotec (ЮАР-Австра-лия), Warman International, Inc. (Австралия)
5	Концентрационные столы	Шламы коксующихся и энергетических углей лёгкой, средней и трудной обогатимости крупностью 0,15-6,0 мм	До 1 т/м2·ч	1550-2000	100-150	Wilfley (Великобритания), Deister Concentrator (США)
6	Гидросайзеры	Шламы коксующихся и энергетических углей лёгкой и средней обогатимости крупностью 0,25-3,0 мм	До 50 т/ч	1500-2000	50-150	AKW Apparate + Verfahren GmbH (Германия), Linatex (США-Великобритания)

Таблица 2 – Технические характеристики двухпродуктовых тяжелосредных циклонов

Параметры	ГТ-500	ГТ-630	ГТ-710
Производительность, т/ч	50	80	100
Внутренний диаметр, мм	500	630	710
Угол конусности, градус	20	20	20
Диаметр входного патрубка, мм	150х150	150х150	205х130
Диаметр верхнего разгрузочного патрубка, мм	220	240	270;320
Диаметр нижнего разгрузочного патрубка, мм	160;180	130;150;180	130;150;180
Пьезометрический набор питания на входе, м, не менее	4,5	6	6,5
Расход суспензии м3/ч	200	250	350
Габариты, мм, не более
длина	2530	3170	3700
ширина	930	940	1200
высота	2800	2200	3500
Масса, кг, не более	1090	1150	2000

При выделении трёх продуктов, в основном при обогащении коксующихся углей крупностью 0,5-25 мм (при наличии в них легко размокаемой породы), используют последовательное разделение в две стадии в двухпродуктовых гидроциклонах.

Россия является разработчиком и производителем трехпродуктовых тяжелосредных гидроциклонов (технические характеристики представлены в таблице 3), которые положительно зарекомендовали себя на обогатительных фабриках ОФ "Нерюнгринская" и ЦОФ "Печорская" на операции обогащения коксующихся углей. При этом выделение трёх продуктов происходит в две стадии в одном аппарате. Крупность обогащаемого материала 0,5-13 (25) мм, а также при обогащении одним машинным классом 0,5-30 (40) мм.

Таблица 3 ‑Техническая характеристика 3-х продуктового тяжелосредного гидроциклона с кольцевым уступом (ГТУ-900/630)

Параметры		Значения
Внутренний диаметр, мм:
	разгрузочной камеры 1 ступени	900
	разделительной камеры 1 ступени	750
	разделительной камеры 2 ступени	630
Угол конусности конической части, град.		20
Размеры патрубка, мм
	входного	190х200
	переходного на выходе из первой ступени	160х180
	переходного на входе во вторую ступень	160х160
Диаметры разгрузочных насадок, мм.
	сливного 1 ступени	360
	сливного 2 ступени	240
	нижнего (пескового)	130
Габариты, мм		4820х2000х2850
Масса, кг		3073
Режим работы (возможный)
Производительность по углю, т/ч		200
Крупность обогащаемого машинного класса, мм		0,5(0,2)-25(50)
Расход суспензии, м3/ч		600
Высота подачи питания, м		8,1

Широко применяемые в мировой практике тяжелосредные гидроциклоны зарубежных фирм: "Inpromin" (типа "Tri-Flo" ‑ цилиндрические, 3‑х продуктовые) – Италия; "Vorsyl" (цилиндрические, 2-х продуктовые); "British Coal" (цилиндрические, 2-х продуктовые и типа "Larcodems" ‑ цилиндрические и цилиндро-конические, 3-х продуктовые) – Великобритания; "Dutch Staats Mine" (DSM) (цилиндро-конические, 2-х продуктовые) – Нидерланды; "McNally" (типа "Cycloid") (цилиндро-конические, 2-х продуктовые) – США; "Altavip Technologies" (типа "DANIELS") – Германия.

Для регенерации магнетитовой суспензии в циклах тяжёлосредного обогащения применяются электромагнитные барабанные сепараторы.

В настоящее время на отечественных углеперерабатывающих предприятиях эксплуатируются главным образом электромагнитные барабанные сепараторы типа ЭБМ (см. рисунок 3).

1 – приемник суспензии; 2 – отжимной скребок; 3 – магнитная катушка;

4 – счищающий скребок; 5 – барабан; 6 – отбойный диск; 7 – привод барабана; 8 – ванна; 9 – листы, создающие сопротивление движению суспензии;

10 – уплотнительный щит; 11 – рама; 12 – хвостовая насадка;

13 – полюса электромагнита; 14 – направляющий лоток; 15 – приёмная камера

Рисунок 3 – Схема устройства электромагнитного сепаратора ЭБМ

Техническая характеристика сепараторов ЭБМ представлена в таблице 4.

Сепаратор ЭБМ работает следующим образом. Магнетитовая суспензия через приемник поступает в приемную камеру и по направляющему лотку подается в ванну по барабан. Частицы магнетита под действием магнитного поля притягиваются к барабану, осаждаясь на его поверхности, и удаляются при помощи скребков. Из верхней части ванны отводится слив (то есть суспензия со сравнительно небольшим содержанием угольного шлама). Из нижней части ванны отводятся отходы (хвосты)

Таблица 4 – Техническая характеристика сепараторов ЭБМ

Сепаратор	ЭБМ 80/170П	ЭБМ 90/250
Диаметр рабочей части барабана, мм . . . . . . . . . . . .	800	900
Длина барабана, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1680	2490
Напряженность магнитного поля в рабочей зоне на поверхности барабана, кА/м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	210	210
Установленная мощность привода барабана, кВт. . .	3	4
Габариты, мм
Длина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	3090	3840
Ширина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1995	1995
Высота. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	2500	2500
Масса, кг (не более) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6600	9200
Частота вращения барабана, мин-1. . . . . . . . . . . . . . . .	9,5	9,5
Мощность электромагнитной системы, кВт. . . . . . . .	15,7	23,5
Производительность (м3/ч) при содержании магнетита а твердой фазе питания, %
70-90. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	270	400
35-50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	240	370
Рекомендуемое содержание магнетита в питании (кг/м3) при содержании магнетита в твердой фазе, %
70-90. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	180	180
35-50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	130	130
Содержание магнетита в отходах регенерации, кг/м3
До 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	До 0,5	До 0,5
150-180. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	До 1	До 1
180-200. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	До 1,5	До 1,5
200-250. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	До 2	До 2
Плотность магнетитового концентрата, (кг/м3) при содержании шлама в питании до 150 г/л	2100-2300	2100-2300

регенерации, содержащие весьма значительное количество угольного шлама, а также частицы магнетита (возможен режим работы без выделения слива). Отходы могут направляться либо в систему регенерации шламовых вод, либо на вторую стадию регенерации магнетитовой суспензии с целью извлечения оставшегося магнетита. Степень извлечения магнетита на сепараторах ЭБМ составляет 99,7–99,97 %.

В настоящее время ряд фирм-производителей осваивают выпуск электромагнитных сепараторов на постоянных магнитах.

Отсадочные машины для обогащения шламов (рисунок 4) получили широкое распространение в практике обогащения углей благодаря следующим преимуществам.

1 Универсальность:

• возможность эффективного обогащения углей различного фракционного и гранулометрического составов в широком диапазоне их марочной принадлежности, целевого назначения и обогатимости;

• относительно малая чувствительность к содержанию классов посторонней крупности к колебаниям вещественного состава исходного угля, благодаря универсальности отсадка может применяться для обогащения различных классов крупности в качестве основной и контрольной операции;

2 Простота технологии, заключающаяся в малооперационности технологического комплекса, не требующего специальных операций по приготовлению и регенерации рабочей среды, применения специальных веществ (утяжелителя, реагентов), создания стабильного гидростатического напора на вводе питания;

3 Высокая производительность. Удельная производительность составляет 5-20т/ч на 1м² рабочей площади отсадочной машины; существуют технические обоснования возможности создания отсадочных машин с абсолютной производительностью до 1000т/ч.

4 Экономичность, являющаяся в определенной мере следствием названных выше преимуществ, а также обусловленная относительно низкими удельными энергоемкостью и металлоемкостью процесса обогащения.

1 – загрузочное устройство; 2 – выгрузка отходов; 3 – воронка для отходов;

4 – выгрузка промежуточного продукта; 5 – воронка для промежуточного продукта; 6 – выпускные устройства; 7 – выгрузка концентрата; 8 – воздушные камеры;

9 – патрубки для подачи подрешётной воды; 10 – воздухораспределительные трубы; 11 – воздухораспределительные камеры; 12 – трубы для отвода воздуха;

13 – клапаны управления

Рисунок 4 – Схема устройства отсадочной машины для обогащения шламов

Недостатки отсадочных машин: трудность регулирования плотности разделения; сравнительно низкая эффективность разделения углей очень трудной обогатимости; необходимость точно соблюдать параметры подрешётной воды (расход, содержание твёрдого).

Отсадка применима для обогащения углей широкого диапазона крупности от 0,5 до 150 (200) мм.

Для обогащения мелких машинных классов отсадка применима без ограничения по условиям обогатимости и содержания породных фракций. Легко- и среднеобогатимые мелкие классы энергетических углей могут обогащаться отсадкой без выделения промежуточного продукта, если к концентрату не предъявляются особые требования по зольности исходя из условий его потребления. Контрольное обогащение в отсадочных машинах ведется, при пониженной удельной производительности с выделением трех конечных продуктов. Альтернативой может служить переобогащение промежуточного продукта основной отсадки в тяжелосредных гидроциклонах.

На углеперерабатывающих предприятиях применяются различные типы отсадочных машин, отличающиеся рядом конструктивных параметров: (способ возбуждения колебаний, по пространственному расположению воздушной камеры и т.п.). На отечественных углеперерабатывающих предприятиях широкое применение получили отсадочные машины типа ОМ и МО, применяемые для обогащения крупных (более 13 (6)мм) и мелких (0,5-13 (6) мм) классов. Отсадочные машины типоразмерного ряда МО (технические характеристики даны в таблице 5) оснащены воздушными камерами с односторонним направленным выходом потока. Проточная часть этих машин сконструирована по оптимизационному принципу и обеспечивает высокую равномерность поля по площади решета.

Таблица 5 – Техническая характеристика отсадочных машин МО

для обогащения мелкого угля

Характеристики		МО312	МО318
Крупность обогащаемого угля, мм		13-150	0,5-13
Производительность, т/ч
	по исходному углю	320	500
	по выделению отходов	115	115
Площадь отсадки, м2		12	18
Ширина отсадочного отделения, м		3	3
Мощность привода, кВт			1,6
Удельный расход электроэнергии, кВтч/т		0,011	0,011
Габариты, мм
	длина	4975	7300
	ширина	4100	4100
	высота	4550	4550

Интерес представляют отсадочные машины зарубежных фирм: "Humboldt-Wedag" (типы "Batac", "Romjig") – Германия; "McNally Pittsburg"(типа "Baum"); "Allmineral" (типа "Alljig") – США; "Norton" – Великобритания; "Pioma" (тип "ODM") – Польша; "Sumitomo Machinery" (типа "Takuba") ‑ Япония и др.

Угольные отсадочные машины типа "Baum" подходят для крупного питания, с диапазоном крупности от 40 (60)-175(200) мм, воздушно-пульсационные, с разделением на 2 или на 3 продукта. Снабжены автоматической разгрузкой. Площадь минеральной постели и конструкция элеваторов соответствует типу условий работы. Машина рассчитана для обработки углей, содержащих большой процент породных фракций.

Отсадочные машины "Batac" с воздушной пульсацией выпускаются в различных исполнениях: для обогащения углей средней крупности и для обогащения мелких углей. Длина постели достигает до 7 метров, производительность по пульпе до 600 т/ч (для мелкого угля.). Контроль воздушных пульсаций осуществляется электронной системой. Отсадочная машина "Alljig" фирмы Аllmineral (США) применяется для обогащения ширококлассифицированного угля (кл.1-75 мм), в частности, на отечественных углеперерабатывающих предприятиях; её техническая характеристика представлена в таблице 6.

Таблица 6 – Техническая характеристика двухсекционной отсадочной машины АLLJIG -2х2500х3400

Характеристики	Значения
Производительность, т/ч	581
Крупность обогащаемого угля, мм	3-100
Длина машины, мм	3400
Ширина постели отсадки, мм	2х2500
Ширина воздухораспределительной камеры, мм	2х1000
Количество камер, шт.	3
Длина камер, мм	1000
Эффективная площадь отсадки, м2	2х7,5

Зарубежные отсадочные машины отличаются высокой технологической эффективностью (Epm=70-90 кг/м³, погрешность разделения I=0,11-0,12); большой удельной производительностью (до 1000 т/ч по крупно-среднему классу) и высокой степенью автоматизации процесса.

Отсадочные машины разной ширины и производительности могут быть собраны из отдельных модулей; машины изготавливаются для обогащения крупных и мелких классов, в последнее время разработаны отсадочные шламовые машины.

Спиральные (винтовые) сепараторы получили широкое распространение главным образом в технологии обогащения руд. Для обогащения угольных шламов применяются сепараторы конструкции Райхерта.

Достоинства винтовых сепараторов: низкие капитальные и эксплуатационные затраты; простота устройства; отсутствие движущихся частей; безопасность для окружающей среды. Недостатки: высокая плотность разделения, практически не поддающаяся регулированию, что не позволяет эффективно использовать винтовые сепараторы для обогащения коксующихся углей; необходимость точного соблюдения содержания твёрдого в питании (350–450 кг/м³); низкая эффективность обогащения частиц крупностью менее 0, 15 мм; относительно невысокая единичная мощность.

Винтовой сепаратор (см. рисунок 5) состоит из одного или нескольких спиральных лотков, поддерживаемых центральной колонной. При движении пульпы по спирали частицы разного размера и плотности под воздействием системы сил (тяжести, трения, центробежной и др.) начинают двигаться по разным траекториям. При этом частицы с меньшей плотностью (легкие) будут выноситься наружу к внешнему борту желоба, частицы с большей плотностью (тяжелые) концентрируются ближе к оси спирали (рисунок 6).

Важное преимущество спиральных сепараторов – высокая скорость разделения угля, и как следствие, значительная удельная производительность: 15,7-10,2 т/м²ч. Это на порядок выше, чем у концентрационных столов (2,4 т/ м²ч).

В последние годы на вновь строящихся и реконструируемых углеперерабатывающих предприятиях России для обогащения зернистых шламов крупностью 0,3 (0,15)-2 (3) мм спиральные сепараторы нашли широкое применение.

Внедрение спиральных сепараторов на углеперерабатывающих предприятиях с целью снижения нагрузки на дорогостоящие тяжелосредные установки и флотационные машины, для переработки циркулирующих шламов в схемах с отсадочными машинами, для перечистки породных отвалов и шламовых отстойников, не требует особых затрат. В то же время, принимая во внимание высокое значение плотности разделения (см. таблицу 1), рекомендуется применять винтовые сепараторы для обогащения энергетических углей лёгкой и средней обогатимости, а также коксующихся углей лёгкой обогатимости. Для обогащения коксующихся углей трудной обогатимости применение винтовых сепараторов неэффективно, поскольку концентрат засоряется фракциями плотностью 1400-1600 кг/м³, что существенно ухудшает качество концентрата.

а

а – общий вид; б – схема устройства

1 – распределитель питания; 2 – винтовой жёлоб; 3 – жёлоб для разгрузки

концентрата; 4 – жёлоб для разгрузки отходов;

К – концентрат; О – отходы

Рисунок 5 – Винтовой сепаратор

Рисунок 6 – Поперечное сечение жёлоба винтового сепаратора

Современные конструкции винтовых сепараторов обладают малым весом: лотковые элементы (желоба) изготавливаются из легких полимерных материалов - полиуретана и фиброволокна.

Одним из ведущих предприятий по изготовлению винтовых сепараторов является компания "Mineral Deposit Ltd." (Австралия). Основными конструкциями сепараторов являются: LD-4, LD-7, и LD-10. Спиральный сепаратор LD-4 может применяться для продуктов любой зольности.

В России спиральные сепараторы не производятся, однако, в последние годы успешно применяются на вновь строящихся и реконструируемых обогатительных фабриках (ОФ "Антоновская", ЦОФ "Кузбасская", ЦОФ "Печорская", ОФ разреза "Красногорский", ЦОФ "Беловская" и др.).

Концентрационные столы (рисунок 7) получили распространение главным образом в США, Великобритании, Австралии и ЮАР.

Достоинства концентрационных столов: простота устройства; возможность эффективного обессеривания углей. Недостатки: низкая удельная производительность; трудность регулирования плотности разделения.

Гидросайзеры, или сепараторы с качающейся постелью нашли применение в практике углеобогащения в последние годы. Принципиальная схема устройства гидросайзера представлена на рис. 8.

Достоинства гидросайзеров: относительная простота устройства; возможность обогащения высокозольных углей. Недостатки: трудность регулирования плотности разделения; относительно низкая производительность.

а

б