Устройство для обогащения руд и утилизации отвалов обогатительных фабрик, грэс, тэс и терриконов

Полезная модель относится к областям производства, использующим в качестве сырья материалы, из которых необходимо извлечь один или несколько компонентов с заданным содержанием сопутствующих компонентов. К такому типа сырья относятся руды металлов, масса терриконов, отвалы обогатительных фабрик, ГРЭС, ТЭС и др.

В настоящее время известно очень много устройств, которые нашли применение в гидрометаллургии для обогащения руд практически всех металлов [1, 2].

Как правило, в качестве исходной среды используют заранее приготовленные суспензии на воде из материалов руд и отвалов. Крупность частиц при помоле определяется структурной породы или отвала, составом, конструкцией разделителя и другими факторами, но главными являются возможности размольного оборудования в особенности его технико-экономических показателей.

Наиболее близко к предлагаемому устройству по конструкции и работе оборудование для гравитационного обогащения, в особенности, отсадочные машины и тяжелосредные сепараторы. Но общими для них являются, пожалуй, только сам принцип - гравитационное воздействие на суспензию [4].

Рассматриваемые машины имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся следующие:

1. Высокая сложность оборудования, в том числе большое количество вращающихся (движущихся) деталей, которые при эксплуатации в агрессивной среде довольно быстро выходят из строя.

2. Материалоемкость отдельных машин достигает десятков тонн. Например, отсадочная машина типа ОПМ-35 весит 23,5 т (см. фиг.1).

3. Высокая энергоемкость. Так, в качестве пульсатора применяется воздух, подаваемый воздуходувкой мощностью 100 кВт.

4. Габаритные размеры машин достигают десятков метров.

5. Машины используют суспензию с размером твердой фазы до 4, 30 и 100 мм. Это означает, что степень разделения не может быть высокой, и значительная часть наиболее ценного компонента уходит в хвосты. Особенно высокие потери возникают тогда, когда извлекаемый компонент не образует отдельной минералогической фазы (минерала).

6. Тонкая фракция восприимчива к образованию на своей поверхности слоя (облака) ионов воды, т.е. происходит образование мицеллы. Это означает, что большая часть тонкой фракции уходит с водой в виде мути в отвалы.

7. Большой расход воды.

8. Для крупномасштабного тонкого помола отсутствует соответствующее оборудование, поэтому при работе машин потери извлекаемого продукта весьма велики.

9. Разделение идет, в основном, по крупности частиц.

Целью полезной модели является:

1. Повышение извлечения заданного продукта из исходного сырья.

2. Разделение исходного сырья на индивидуальные компоненты, пригодные для использования в производстве.

3. Сокращение материале- и энергоемкости оборудования, сокращение производственных площадей.

4. Упрощение конструкции оборудования и сокращение затрат на обслуживание.

Предпосылками успешного решения поставленных задач являются:

1. Разработан, изготовлен и испытан измельчитель типа ИУ-2, способный за один проход получать из исходного сырья с размерами кусков 20-40 мм порошки с размерами менее 0,044 мм (фиг.2).

2. Разработано, изготовлено и испытано устройство для домола материала до крупности 100-150 мкм типа УАП-3, позволяющее активировать твердую и жидкую фазы суспензии, что, в свою очередь, позволяет ускорить ход физико-химических процессов, таких как помол, смешивание, ускорение химических реакций за счет постоянного обновления поверхности обрабатываемых веществ, в сотни и тысячи раз (фиг.3). В частности, удается ликвидировать последствия явления солютизации для тонких порошков, а также обеспечить перевод Fe₂O₄ в Fe₂ O₃.

Основным узлом данного устройства является индуктор, создающий вращающееся электромагнитное поле и представляющий собой видоизмененный статор асинхронного электродвигателя, в расточку которого вставлена труба из немагнитного материала. Данная труба является рабочей зоной, а ее активная часть - участок, в котором наводится вращающееся электромагнитное поле. В активной зоне перемещаются рабочие тела - ферромагнитные частицы определенной формы, взаимодействующие с обрабатываемым веществом.

3. Разработан, изготовлен и испытан разделитель типа Р-1-3 с тремя камерами, предназначенный для разделения отвалов Новочеркасской ГРЭС на окислы железа, песок, и уголь (фиг.4).

На фиг.5 представлена аппаратурно-технологическая схема обогащения руд и отвалов Новочеркасской ГРЭС, на фиг.6 - схема разделителя.

Состав устройства для обогащения руд и утилизации отвалов обогатительных фабрик, ГРЭС, ТЭС и терриконов:

1. Измельчитель типа ИУ-2.

2. Устройство для домола материала до крупности 100-150 мкм типа УАП-3.

3. Смеситель (для получения пульпы).

4. Разделитель 3-х камерный типа Р-1-3.

5. Насосы, шланги, запорная аппаратура.

Очень важное значение имеет формирование движения жидкоподвижной суспензии в каждой из камер разделителя. Схема такого движения представлена на фиг.7.

Изучение движения потоков показало, что наряду с основным образуется еще один поток - донный. Конфигурация основного потока определяется стенками камер, которые могут быть передвижными. Его толщина определяется порогами. Этот поток является основным носителем твердой фазы. Второй поток идет вдоль днища. Он обычно медленный. Поднимаясь, он у порога подхватывается основным потоком.

Заметен еще один поток, инициируемый основным потоком и совершающий вращательное движение навстречу основному. Кроме того, по дну камеры наблюдается движение сгущенной массы, в основном, твердой фазы, которая постепенно как бы «стекает», т.е. смещается вниз и оседает на наклонной части дна камеры.

Менее плотные частицы, в основном, удерживаются потоком и проходят в другую камеру, в которой условия другие и выпадают уже в другой компонент.Установлено, что на очередность выпадения твердых компонентов влияют следующие факторы:

1. Обработка суспензии в рабочей зоне устройства для домола материала до крупности 100-150 мкм.

2. Размеры твердых частиц, суспензии.

3. Производительность разделителя (скорость движения суспензии).

4. Тип потока.

5. Количество камер разделителя.

6. Объем камер разделителя.

7. Конфигурация камер (углы наклона дна)

При движении вдоль каждой из камер суспензия обедняется самым тяжелым компонентом, при этом ее состав, соответственно, изменяется. Чтобы выпал другой компонент, необходимо уменьшить скорость движения потока. Это изменение осуществляется за счет передвижения одной из боковых стенок разделителя. При уменьшении скорости возникает возможность для выпадения компонента с меньшей плотностью. В последующей камере процессы повторяются.

В самой последней камере суспензия уже значительно обеднена твердой фазой. Но почти всегда обнаруживается мутность, от которой можно избавиться за счет длительного отстаивания, что является нецелесообразным. Поэтому замутненная жидкая фаза возвращается в камеру подготовки суспензии перед устройством для домола материала до крупности 100-150 мкм.

Таким образом, полностью устраняются потери, экономится вода и не требуются дополнительные отстойники. В рассматриваемой системе для разделения суспензии вообще не предусматриваются отстойники, кроме обезвоживания шлама из каждой камеры.

Испытание опытного разделителя длиной около 5 м, состоящего из 3-х камер (фиг.4а, 4б), показало (см. табл.1), что в каждой из камер происходит оседание преимущественно одного компонента в зависимости от типа и глубины предварительной подготовки.

Анализ мути показал, что твердая фаза состоит на 95-97% по массе из углерода (угля). Эффективность предварительного домола в устройстве для домола материала до крупности 100-150 мкм проявляется достаточно достоверно.

Обнаружено некоторые перекрытия в I камере соединений железа неметаллическими компонентами отвалов; во II камере - неметаллических компонентов-углем и в III камере - угля неметаллическими компонентами.

Это явление объясняется прежде всего тем, что длина и площадь зеркала осаждения всех камер, особенно последней, недостаточна. Указанный недостаток устраняется на промышленной установке производительностью до 20 м³/ч по твердой фазе, где расчетная длина составляет 18,5-20,0 м при ширине 0,5-2,5 м.

Таблица 1
Изменение состава шлама в каждой из камер опытного разделителя (состав исходного шлама представлен в табл.2)
Тип иходных порошков	Состав шлаков, %
	I камера						II камера				III камера
	Соед. Fe		CaO+SiO2+Al2O3		Уголь		Соед. Fe	СаО+SiO2+Al2O3	Уголь		Соед. Fe	CaO+SiO2+Al2O3	Уголь
Помол в измельчителе ИУ-1	до 20		50-60		12-20		5-8	60-65	12-15		3-5	30-40	50-60
Домол в УАП-3	80-85		10-12		3-4		2-3	80-85	8-10		1-2	10-15	80-85
Таблица 2
Состав исходного шлама
Состав		Соединение Fe		СаО+SiO2+AE2O3		Уголь				Влажность, %
% по массе		8-12		50-60		до 40				14-20

В промышленном варианте разделителя рабочие камеры целесообразно заглубить непосредственно в грунт (фиг.6). Стенки облицовываются пластиковыми материалами, например, винипласта листового марок ВН, ВНЭ и ВД по ГОСТ 9639-71, плит из полистирола марки ПСЭ-2 по ГОСТ 20282-86, плит из поливинилхлорида марок ПВХ-С-6388-Ж, ПВХ-С-6370-Ж по ГОСТ 14332-78. Облицевать пластиковыми материалами поверхность целесообразно и в том случае, если внутренняя конфигурация выполнена из бетона. В этом случае ликвидируются и шероховатость поверхности, и протечки. Кроме того, становиться возможным в случае необходимости изменить рельеф дна (наклон в каждой камере) в зависимости от физико-химических свойств отдельных компонентов.

Для получения значительной производительности несколько разделителей могут быть расположены параллельно. В этом случае для нескольких разделителей будет достаточно одного насоса и одного отстойника для шлама для каждого компонента.

Технологическая линия (на примере отвалов Новочеркасской ГРЭС) работает следующим образом (см. фиг.5).

Куски отвалов сортируются на грохоте 21, при этом пригодны для измельчения куски размерами не более 40 мм. Куски материалов подают шнеком-дозатором 20 в измельчитель типа ИУ-2 19. Измельчение производится всухую. Порошок с размерами частиц не более 300-350 мкм поступает в бункер 1. Порошок смешивают с оборотной водой в шнеке-смесителе 2 (или в каком-либо другом типе смесителя) до получения исходной пульпы при соотношении Т: Ж=1÷(4-5). Пульпа поступает в устройство для домола материала до крупности 100-150 мкм типа УАП-3, в рабочей зоне которого производится домол до крупности 100-150 мкм, а также перевод Fe₃ O₄ в Fe₂O₃ посредством добавления кислорода из кислородных баллонов по ГОСТ 9731-79 в рабочую зону устройства для домола материала до крупности 100-150 мкм.

Полученную пульпу направляют в разделитель типа Р-1-3 с тремя камерами 9, в каждой из которых преимущественно группируется один из компонентов. Количество разделителей определяется заданной производительностью. В рассматриваемом случае это окислы железа, сумма окислов кальция, кремния и алюминия и уголь. Пульпа, состоящая преимущественно из упомянутых компонентов, собирается при помощи насосов 4, 5, 6 в отстойники-уплотнители шлама 10, 11, 12. Осветленную воду накапливают в сборнике 13, из которого ее направляют на приготовление пульпы в шнек-смеситель 2.

Содержание компонентов, полученном на опытном разделителе из отвалов Новочеркасской ГРЭС, показано в таблице 1.

Таким образом, из отвалов могут быть получены продукты, имеющие коммерческую значимость.

Учитывая огромное количество отвалов, количество получаемой высококачественной железной руды может быть огромным, исчисляемым десятками и сотнями миллионов тонн. Чтобы добыть такое количество, потребовалось бы открыть десятки высокомеханизированных шахт и обогатительных фабрик, что повлекло бы за собой возникновение новых отвалов.

Одновременно формируются сотни миллионов тонн песков, пригодных для строительных целей, и не меньшее количество угольной суспензии, которую с успехом можно сжигать в топках котлов или изготавливать угольные брикеты. Чтобы получить такое количество угля, скрытое в отвалах и терриконах, требуется также открыть не один десяток шахт.

Обращает на себя внимание факт, что при самой ориентировочной оценке хорошо заметны очень низкие капитальные затраты, малая материале- и энергоемкость, ничтожные производительные площади. Кроме того, ликвидация отвалов освобождает загрязненные земли и дает возможность рекультивировать их полностью. К тому же создается возможность предотвращения возникновения новых отвалов.

Большим преимуществом рассматриваемой установки является экологичность системы: в результате ее эксплуатации отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, в водную среду и нет необходимости что-либо закапывать в почву.

Литература

1. Основы металлургии. В 7 т. - М.: Металлургия, 1968-1975.

2. Вершинин И.Н., Вершинин Н.П. Аппараты с вращающимся электромагнитным полем. - Сальск: ООО «Передовые технологии XXI века», 2007 - 368 с., ил.

3. Реми Г. Неорганическая химия. В 2-х т. - М.: Мир, 1966.

4. Механическое оборудование заводов цветной металлургии: Учебник для вузов. В 3-х ч. Ч.1. Притыкин Д.П. Механическое оборудование для подготовки шихтовых материалов. - М.: Металлургия, 1988 - 392 с., ил.

5. ГОСТ 9639-71 Листы из непластифицированного поливинил хлорида (винипласт листовой). Технические условия.

6. ГОСТ 20282-86 Полистирол общего назначения. Технические условия.

7. ГОСТ 14332-78 Поливинилхлорид суспензионный. Технические условия.

8. ГОСТ 9731-79 Баллоны стальные бесшовные большого объема для газов на Рр24,5 МПа (250 кгс/см²). Технические условия.

1. Устройство для обогащения руд и утилизации отвалов обогатительных фабрик, ГРЭС, ТЭС и терриконов, содержащее измельчитель руд и отвалов, устройство для домола материала до крупности 100-150 мкм, смеситель и отстойники - уплотнители шламов, отличающееся тем, что разделитель компонентов из предварительно подготовленной суспензии представляет собой блок, состоящий из нескольких камер, соединенных последовательно, каждая из которых предназначена для отдельного компонента, входящего в состав исходной пульпы, причем блок обслуживается измельчителем и устройством для домола материала до крупности 100-150 мкм, соединенных системой трубопроводов, причем соединенных последовательно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для разделения пульпы вдоль оси каждой из камер последние снабжены перепадами высот между разделителем и устройством для домола материала до крупности 100-150 мкм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулировки движения суспензии каждая камера имеет подвижные боковые стенки и дно.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая камера снабжена системой отсоса шлама со дна сборника, причем без остановки процесса.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для пульпы, поступающей из сборника (из каждой камеры разделителя), оборудован отстойник-уплотнитель шлама, твердая фаза которого содержит преимущественно один компонент.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено смесителем для приготовления пульпы из сухого порошка с добавкой оборотной воды.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед устройством для домола материала до крупности 100-150 мкм установлены баллоны с кислородом, в рабочей зоне которых создаются условия для перевода Fe₃O₄ в Fe₂O ₃.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камеры разделителя установлены в грунте и облицованы пластиковыми материалами, стойкими против воздействия пульпы и сточных вод.