Повышение извлечения угля за счёт проектирования флотационной схемы

Извлечение угля в контуре флотации мелких частиц определяется эффективностью отдельных флотационных ячеек. Два контура, обрабатывающие одно и то же исходное сырьё при одинаковой схеме реагентов и одинаковом номинальном времени пребывания, могут обеспечивать существенно различное извлечение горючей массы, поскольку кинетика процессов внутри каждой ячейки различается. Диспергирование воздуха, размер пузырьков и поведение пены влияют на прикрепление частиц, их транспортировку через пульпу и, в конечном итоге, на извлечение в пенном продукте.

Правильное проектирование флотационной схемы для обогащения угля начинается с понимания того, где именно внутри ячейки достигается или теряется извлечение, а затем с целенаправленного управления диспергированием воздуха и поведением пены. В этой статье рассматриваются три зоны внутри флотационной ячейки, результаты опубликованных исследований по соотношению воздуха и пульпы и поведению пены, а также то, как оптимизированная конструкция учитывает эти факторы.

На углеобогатительной фабрике гравитационное разделение применяется для более крупных классов крупности. По мере уменьшения размера угольных частиц эффективность традиционных методов разделения, основанных на различии плотности, снижается. Спиральные сепараторы и другие гравитационные устройства остаются эффективными для части диапазона мелких классов угля, однако для самых тонких фракций предпочтительным методом обогащения становится пенная флотация, где разделение определяется поверхностными свойствами частиц, а не только их плотностью.

Эта флотационная операция имеет далеко не второстепенное значение. Мелкий уголь часто определяет разницу между товарным продуктом и потерянным ресурсом, а контур его переработки является наиболее важным инструментом, которым располагают операторы для повышения извлечения мелких фракций.

Конструкция схемы флотации включает гораздо больше, чем просто количество флотационных ячеек. Она определяет, сколько воздуха диспергируется там, где это действительно важно, как обеспечивается контакт между пузырьками и частицами, как уголь транспортируется в желоб для концентрата и какая доля мелких частиц вообще подвергается захвату пузырьками. Если эти параметры выбраны неправильно, никакая схема применения реагентов не сможет компенсировать потери в извлечении.

Ячейка Джеймсона состоит из трёх основных зон: нисходящей трубы (downcomer), пульповой зоны резервуара и пенной зоны резервуара. Каждая из них работает по-разному и зависит от собственного набора управляющих факторов.

Нисходящая труба (downcomer)

Нисходящая труба является зоной, где происходит интенсивный контакт между пузырьками воздуха и частицами. Пульпа подаётся в ячейку насосом и проходит через распределитель питания, который распределяет её по нисходящим трубам. Внутри каждой трубы пульпа под давлением проходит через сопло, образуя высокоскоростную струю. Эта струя захватывает и увлекает воздух из атмосферы. Удаление воздуха внутри трубы создаёт вакуум, который поднимает столб жидкости внутри нисходящей трубы и обеспечивает самовсасывающий режим работы ячейки. При этом не используются воздуходувки, компрессоры или аэраторы.

Затем струя погружается в столб жидкости. Кинетическая энергия удара дробит захваченный воздух на очень мелкие пузырьки диаметром обычно от 0,3 до 0,5 мм, которые сталкиваются с частицами угля. Большое количество мелких пузырьков создаёт значительную площадь поверхности для прикрепления частиц и в сочетании с интенсивным перемешиванием обеспечивает быстрое прикрепление частиц и высокую производительность ячейки.

Пульповая зона резервуара

Пульповая зона главным образом выполняет функцию разделения. После выхода из нисходящей трубы пузырьки, несущие частицы угля, отделяются от пульпы и поднимаются к пене с помощью пенообразователя, тогда как циркуляционные потоки поддерживают частицы во взвешенном состоянии без механического перемешивания.

Поскольку процесс сбора частиц осуществляется отдельно в нисходящей трубе, размеры резервуара не определяются временем пребывания материала. Ячейки Джеймсона зависят от эффективности контакта, а не от времени пребывания, поэтому объём их резервуара значительно меньше по сравнению с эквивалентными механическими флотационными машинами или колонными флотационными аппаратами.

Пенная зона резервуара

Пенная зона транспортирует извлечённые частицы угля в желоб концентрата, одновременно позволяя избыточной воде и части вовлечённых минеральных примесей стекать обратно в пульпу. Качество концентрата контролируется на этой стадии за счёт дренажа пены и, при наличии соответствующего оборудования, промывки пены. Расстояние перемещения пены и нагрузка на кромки сбора концентрата являются важными элементами конструкции резервуара.

Почему важно рассматривать три зоны отдельно

Исторически извлечение угля во флотационной ячейке представлялось одним общим показателем для всей ячейки. Исследование, опубликованное Харбортом, Каубёрном и Манлапигом в 2004 году, разделило ячейку на три зоны и измерило извлечение в каждой из них. Было установлено, что нисходящая труба является основной зоной извлечения горючей массы, пенная зона служит главным источником потерь частиц, а пульповая зона возвращает часть материала, потерянного в пене или не собранного в нисходящей трубе.

Это имеет важное значение для проектирования флотационных схем, поскольку нисходящая труба, пульповая зона и пенная зона не работают независимо друг от друга. Изменения, повышающие извлечение в одной зоне, могут влиять на эффективность остальных, поэтому ячейку необходимо оптимизировать как единую интегрированную систему, а не по отдельным зонам. Более подробное описание механизма работы приведено в разделе, посвящённом принципам работы ячейки Джеймсона.

Воздух является основным регулируемым параметром в нисходящей трубе (downcomer), и его влияние в значительной степени зависит от размера частиц.

В исследованиях Харборта было установлено, что увеличение соотношения воздуха и пульпы оказывает существенное влияние на извлечение мелкого угля размером менее 125 мкм. Большее количество воздуха создаёт большую площадь поверхности пузырьков и предоставляет больше возможностей для прикрепления мелких гидрофобных частиц. Для частиц крупнее 125 мкм этот эффект постепенно ослабевает, а для фракции свыше 500 мкм более высокие значения соотношения воздуха и пульпы, как было показано, приводят к небольшому снижению извлечения горючей массы.

Однако существует предел увеличения расхода воздуха. По мере роста соотношения воздуха и пульпы в нисходящей трубе формируется выраженная зона смешения с высокой турбулентностью, за которой следует режим трубного потока. При дальнейшем увеличении подачи воздуха дополнительный воздух уже не вовлекается в процесс, и единственным результатом становится снижение вакуума в нисходящей трубе. Если вакуум падает настолько, что зона смешения больше не удерживается внутри нисходящей трубы, контакт между пузырьками и частицами становится недостаточным для эффективного сбора, и извлечение тонких фракций начинает снижаться.

Практический вывод состоит в том, что фиксированная подача воздуха по принципу «настроил и забыл» приводит к потерям извлечения. Схема, спроектированная для поддержания оптимального режима работы с учётом гранулометрического состава питания, будет стабильно обеспечивать более высокие показатели извлечения по сравнению со схемой, в которой это не предусмотрено. Именно поэтому система рециркуляции хвостов играет важную роль: она обеспечивает постоянный объёмный расход пульпы через каждую нисходящую трубу даже при колебаниях производительности фабрики и позволяет частицам многократно проходить через зону контакта.

Потери извлечения в пенной зоне возрастают по мере увеличения времени пребывания пены. Частицы угля, особенно мелкие, с большей вероятностью могут отрываться от пузырьков или стекать обратно в пульпу до того, как достигнут концентрата. Поддержание оптимальной глубины пены и обеспечение её эффективного перемещения к желобу концентрата помогают минимизировать эти потери.

Скорость этих потерь неодинакова для разных классов крупности. Исследования Харборта показали, что частицы размером менее 63 мкм практически не зависят от времени пребывания в пене, тогда как для частиц крупнее 63 мкм потери резко возрастают, после чего выходят на относительно постоянный уровень в диапазоне от 125 до 1000 мкм. Следовательно, влияние определённой глубины пены на общее извлечение зависит от фактического гранулометрического состава исходного питания.

Из этого следуют два важных вывода. Во-первых, глубокая и медленно движущаяся пена приводит к снижению извлечения независимо от того, насколько эффективно происходил сбор частиц в нисходящей трубе (downcomer). Во-вторых, моделирование поведения пены с учётом ожидаемых изменений характеристик питания оправдывает затраченные усилия, поскольку операторы, понимающие эту зависимость для своего процесса, могут целенаправленно находить баланс между качеством концентрата и извлечением горючей массы, регулируя зольность концентрата без ненужных потерь извлечения.

Пульповая зона компенсирует часть этих потерь. В той же программе испытаний, проведённой при фиксированном соотношении воздуха и пульпы и постоянной доле воздушных пустот в резервуаре, около 70% угля, потерянного в пенной зоне, было повторно извлечено в пульповой зоне для частиц крупнее 125 мкм. Для частиц мельче 125 мкм этот показатель увеличивался примерно до 90%. Эти данные получены в рамках одного набора условий испытаний, а не полноценного статистического исследования, поэтому их следует рассматривать как показатель масштаба эффекта, а не как правило проектирования. В любом случае пульповая зона позволяет вернуть часть потерянного материала, но не устраняет необходимость контроля поведения пены.

Из анализа трёх зон вытекают три основных принципа проектирования. Прикрепление частиц должно быть достаточно интенсивным, чтобы большая часть процесса сбора происходила до поступления пульпы в резервуар. Диспергирование воздуха должно поддаваться регулированию, чтобы его можно было адаптировать к гранулометрическому составу питания. А транспортировка пены должна быть достаточно эффективной для сохранения того, что уже было собрано в нисходящей трубе (downcomer).

Ячейка Джеймсона разработана с учётом всех трёх принципов.

Прикрепление частиц происходит в нисходящей трубе. Высоконапорная погружающаяся струя и самовсасываемый воздух образуют очень мелкие пузырьки с большой площадью поверхности, благодаря чему основная часть сбора частиц осуществляется ещё до поступления пульпы в резервуар.

Диспергирование воздуха задаётся конструкцией нисходящей трубы и не требует использования внешних воздуходувок или аэраторов. Генерация пузырьков остаётся стабильной, а соотношение воздуха и пульпы может быть точно настроено под характеристики питания, а не служить компромиссом для разных условий работы.

Транспортировка пены обеспечивается за счёт конструкции резервуара. Расстояние перемещения пены и нагрузка на кромку сбора концентрата рассчитываются таким образом, чтобы концентрат эффективно направлялся в приёмный желоб, а промывка пены удаляла вовлечённую золу без необходимости увеличивать время пребывания пены, что в традиционных флотационных машинах приводит к снижению извлечения.

Первая промышленная установка ячейки Джеймсона для обогащения угля была введена в эксплуатацию на предприятии Newlands в 1990 году после того, как в течение 1980-х годов австралийская угольная промышленность служила испытательной площадкой для этой технологии. К 2010 году только в Австралии было установлено более 100 угольных ячеек Джеймсона. Крупнейшая угольная установка, расположенная на предприятии Curragh, перерабатывает более 5 млн тонн угольной мелочи в год, используя всего двенадцать ячеек. Ячейки Джеймсона также эксплуатируются на угольных предприятиях Африки, Северной Америки, Азии и Европы, а их интеграция в модульные установки позволила применять эту технологию для извлечения угольной мелочи из хвостохранилищ.

Для специалиста, анализирующего конструкцию флотационной схемы, практический вывод заключается в том, что прикрепление частиц, диспергирование воздуха и транспортировка пены представляют собой не три отдельные задачи, а одну общую задачу.

Что такое флотационная ячейка и как она работает при обогащении угля?

Флотационная ячейка представляет собой аппарат, в котором гидрофобные частицы угля прикрепляются к пузырькам воздуха и поднимаются в пенный слой для последующего извлечения, тогда как гидрофильные частицы золы остаются в пульпе и направляются в хвосты. На углеобогатительных фабриках флотация используется для тонких классов крупности, где эффективность гравитационного разделения постепенно снижается, а разделение определяется поверхностными свойствами частиц, а не только их плотностью.

Почему нисходящая труба (downcomer) является основной зоной извлечения угля в ячейке Джеймсона?

Нисходящая труба является зоной интенсивного контакта между пузырьками и частицами. Высоконапорная погружающаяся струя захватывает воздух и дробит его на очень мелкие пузырьки. Сочетание интенсивного перемешивания и большой площади поверхности пузырьков обеспечивает быстрое прикрепление частиц. Основная часть процесса сбора происходит ещё до того, как пульпа поступает в резервуар, который затем выполняет функции разделения и транспортировки пены.

Как соотношение воздуха и пульпы влияет на извлечение угля?

Этот эффект зависит от размера частиц. Для мелкого угля размером менее 125 мкм более высокое соотношение воздуха и пульпы значительно повышает извлечение, поскольку увеличивается площадь поверхности пузырьков, доступная для прикрепления частиц. Для частиц крупнее 125 мкм эффект постепенно ослабевает, а для фракции свыше 500 мкм более высокие значения соотношения могут приводить к незначительному снижению извлечения горючей массы. Ключевым фактором является подбор расхода воздуха в соответствии с гранулометрическим составом питания.

Что вызывает потери извлечения в пенной зоне?

Потери извлечения в пенной зоне увеличиваются по мере роста времени пребывания пены. Частицы угля, особенно мелкие, чаще отрываются от пузырьков или стекают обратно в пульпу до того, как достигнут желоба концентрата. Поддержание оптимальной глубины пены и обеспечение её эффективной транспортировки к желобу концентрата позволяют минимизировать эти потери.

Конструкция флотационной схемы определяет, какое количество мелкого угля попадёт в концентрат, а какое окажется в хвостах. Каждая из трёх зон флотационной ячейки реагирует на разные параметры управления, и поскольку эти зоны взаимосвязаны, оптимизация одной из них в отдельности может незаметно привести к потерям извлечения в другой. Правильное сочетание эффективного прикрепления частиц, диспергирования воздуха и транспортировки пены отличает схему, которая достигает целевых показателей извлечения, от схемы, оставляющей товарный уголь в хвостохранилище.

Опубликованные результаты исследований являются полезным ориентиром для понимания механизмов процесса, однако они не могут заменить знания о поведении конкретного исходного материала на вашем предприятии. Гранулометрический состав, зольность, поверхностные свойства частиц и реакция на реагенты различаются от одной операции к другой, и именно эти факторы определяют, где в схеме имеется потенциал для повышения извлечения. Испытания на реальном материале являются самым быстрым способом разработки обоснованного проекта, независимо от того, проводится ли анализ существующей угольной схемы или проектируется новая. Такие испытания позволяют определить, где именно происходят потери извлечения в настоящее время и какого эффекта в действительности можно ожидать от изменения типа или конфигурации флотационных ячеек.

Свяжитесь с Glencore Technology, чтобы обсудить проведение испытаний ячейки Джеймсона для вашего предприятия, или выполните предварительный расчёт размеров оборудования с помощью калькулятора ячейки Джеймсона.

КОНЕЦ

Для подготовки публикаций ниже представлены официальный пресс-релиз и сопутствующие медиа-материалы.

Условия использования
Изображения и видеоматериалы предназначены для использования в СМИ и иных информационных публикациях. Просим указывать источник, Glencore Technology, если иное не указано в метаданных.

Контакт для СМИ
По вопросам организации интервью, получения дополнительной информации и материалов,  обращаться к координатору по взаимодействию со СМИ, ben.thistlethwaite@glencore.com.au