CC BY
131
УДК 622.7:519.711.2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФЕЛИНОВОГО КОНЦЕНТРАТА
В.Ф. Скороходов, Р.М. Никитин, А.С. Степанникова
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Кратко представлены результаты исследований, направленных на развитие способа флотации в активированных водных дисперсиях воздуха и обеспечение максимальной площади границы раздела газ - жидкость в рабочем объеме пневмомеханической флотационной машины.Ключевые слова: АВДВ, аэрация пульпы, нефелиновый концентрат, флотация.
Наиболее глубокое и полное извлечение полезных компонентов из минерального сырья, добываемого а территории Кольского п-ова, остается насущной проблемой, решение которой будет способствовать реализации
УУ/ Лщ 1 государственной стратегии освоения
Арктической зоны РФ и повышению А национальной безопасности.
Помимо этого, развитие большинства отраслей промышленности невозможно без дальнейшего освоения природных сырьевых запасов, а интенсивная добыча рудного сырья и формирование техногенных месторождений ставят под удар экологию регионов, имеющих развитую горнопромышленную инфраструктуру. В то же время можно утверждать, что концепция комплексной переработки руд Хибинского массива, обозначенная А.Е. Ферсманом в 1920-х гг., реализована не в полной мере. Например, при существующей технологии переработки апатит-нефелиновых руд в ОАО «Апатит» основным товарным продуктом является апатитовый концентрат. Хвосты производства апатитового концентрата направляются на нефелиновый передел, где до основной флотации нефелина в отвал сбрасываются крупные классы (+ 0.315) и темноцветные минералы. Комплексный анализ гранулометрического, минералогического и химического составов проб хвостов производства апатитового концентрата и питания основной флотации нефелина показывают, что при действующей на АНОФ-2 ОАО «Апатит» технологической схеме только на подготовительных операциях получения нефелинового концентрата потери полезных минералов составляют: нефелин - 83.19% (5 438 тыс. т/год); эгирин - 34.93% (173 тыс. т/год); полевой шпат - 89.27% (1 901 тыс. т/год); сфен - 37.57% (74 тыс. т/год); титаномагнетит - 94.25% (56 тыс. т/год). Как демонстрирует анализ результатов основной флотации нефелина, операционные потери Al2O3 - около 36%.
Действующая схема нефелинового производства второй обогатительной фабрики ОАО «Апатит», обеспечивает получение нефелинового концентрата с содержанием А1203 не менее 28.5%. Однако анализ работы нефелинового отделения выявил, что получение кондиционного нефелинового концентрата при высоких технико-экономических показателях в условиях непрерывно ухудшающегося качества поступающих в переработку руд составляет чрезвычайно сложную проблему. Все внедренные мероприятия улучшают качество концентрата, но не решают задачу в целом.
Исследования, проводимые в Горном институте КНЦ РАН, для преодоления указанной проблемы предусматривают развитие способа флотации руд в активированных водных дисперсиях воздуха (АВДВ) и разработку оптимальных конструктивных решений для создания максимальной площади границы раздела газ - жидкость в рабочем объеме пневмомеханической флотационной машины с учетом минералого-технологических характеристик твердой фазы питания обратной флотации нефелина.
74
Способ флотации руд в АВДВ включает приготовление однородной смеси воды, воздуха и реагента-собирателя с последующим смешиванием ее с потоком минеральной суспензии, причем для максимальной активности газовых пузырьков газожидкостную смесь выдерживают до образования на поверхности пузырьков адсорбционного слоя реагентов, близкого к предельному значению.
Один из основных факторов, влияющих на эффективность процесса флотации, - состояние газовой фазы внутри рабочего объема камеры флотационной машины. Оно характеризуется распределением газовой фазы и степенью ее диспергации. Степень диспергации газовой фазы не постоянна и зависит от реагентного состава жидкой фазы, величины ее расхода и окружной скорости импеллера. Формирование стабилизированного градиентного поля концентрации газовой фазы в рабочем пространстве камеры определяет устойчивость процесса флотации. От эффективности аэрирования жидкой фазы зависит снижение доли «мертвых» зон в объеме камеры, возможность вовлечения в процесс флотации более крупных частиц. Одно из направлений интенсификации процесса флотации состоит в использовании АВДВ. Эффективность применения АВДВ зависит и от условий ее подачи в камеру флотационной машины.
Объект исследований настоящей работы - камера флотационной машины ОК-38, в рабочем пространстве которой оценивалось распределение концентрации и скорости газовой фазы. В пневмомеханических флотационных машинах, к которым относится флотационная машина ОК-38, газовая фаза - воздух под давлением подается через канал вала импеллера и, попадая в камеру, диспергируется пластинами импеллера. Штатный режим работы машины ОК-38 предполагает снижение поверхностного натяжения воды за счет реагентного состава до 0.03-0.04 Н/м, расход воздуха на диаметре канала 0.16 м - 0.25 м3/с, скорость вращения импеллера при диаметре 0.9 м - 150 мин-1.
Для исследования формирования стационарного состояния газовой фазы в рабочей зоне флотационной машины ОК-38, работающей в штатном режиме, была создана CFD (Computational Fluid Dynamics) модель процесса аэрирования жидкой фазы. Установлено, что степень аэрирования жидкой фазы в штатном режиме составляет 4.03% при общей площади границы раздела газовой и жидкой фаз 3774.75 м2. Эпюры распределения газовой фазы по горизонтам камеры ОК-38 показаны на рис. 1.
Такому распределению свойственна резкая неоднородность поля концентрации газовой
фазы
в средней по высоте части камеры. Необходимость использования высоких гидродинамических нагрузок при диспергации поступающего воздуха приводит к формированию центростремительных составляющих движения газовой фазы. Тенденция к стабилизации поля концентрации газовой фазы начинает складываться, отвечая выравниванию поля скоростей, связанного с образованием пенного слоя.
При флотации реагент-собиратель подается в жидкую фазу, адсорбируясь на поверхностях твердых частиц и снижая контрастность их свойств. Флотация с применением АВДВ позволяет формировать диспергированные до заданных размеров пузырьки воздуха, на поверхности которых образуется слой поверхностно-активных веществ (ПАВ) до их попадания в рабочее пространство камеры. Таким образом, носителями активной поверхности становятся не твердые частицы, а пузырьки воздуха, что повышает уровень селективности разделения твердых компонентов. Далее активированная газо-жидкостная смесь точечно подается под импеллер, вовлекается в процесс аэрирования жидкой фазы дополнительно к воздуху, подаваемому через импеллер. 75
75
Рис. 1. Эпюры распределения газовой фазы по горизонтам камеры машины ОК-38 в штатном режиме (поток питания слева направо, вращение правовинтовое, шаг горизонта - 0.25 м)
Принципиальная схема подачи собирательной смеси с использованием устройств для приготовления и дозирования реагентов в камеру флотационной машины приведена на рис. 2.
На схеме представлена связь элементов устройства для приготовления и подачи реагентов в виде активированной водной дисперсии воздуха в камеру флотационной машины ОК-38 в корпусе производства нефелинового концентрата АНОФ-2.
Устройство АВДВ расположено на фундаменте верхней отметки ОК-38 8. Для удобства ввода трубопровода дозирования готовой активированной водно-воздушной смеси 10 в зону импеллера 13, закрытого статором 12, находящегося внутри корпуса ОК-38 14, и вращающегося с помощью двигателя привода импеллерного блока 11, корпус ОК-38 расположен на фундаменте 15 (рис. 2). К устройству для приготовления реагентов в виде АВДВ подведены дополнительная вода (свежая вода обогатительной фабрики), омыленный раствор с концентрацией 2.2% и воздух, обеспечен свободный доступ для визуального контроля над состоянием дисперсии и контроля коллекторов воздуха и раствора собирателя при профилактических осмотрах.
В ходе дальнейших исследований были выявлены возможности повышения эффективности процесса флотации путем повышения концентрации и более равномерного объемного распределения газовой фазы за счет модификации конструкции для подачи АВДВ. Было предложено оснастить камеру флотационной машины ОК-38 устройством радиального распределения (УРР) АВДВ, установленным в окружной зоне статора (см. рис. 3 и 4). 76
76
Рис. 2. Схема подачи собирательной смеси с использованием устройства для приготовления и дозирования реагентов в камеру флотационной машины ОК - 38:
1 - колоколообразная камера; 2 - корпус устройства АВДВ; 3 - регистр распределения воздуха; 4 - смотровое окно для визуального контроля за состоянием дисперсии; 5 - патрубок с вентилем для отбора поверхностно-активной газожидкостной смеси; 6 - сужающее устройство АВДВ; 7 - сливное отверстие для камеры устройства; 8 - фундамент; 9 - регистр распределения раствора ПАВ; 10 - трубопровод для трансферта готовой АВДВ; 11 - двигатель привода импеллерного блока; 12 - статор; 13 - импеллер; 14 - корпус флотационной машины ОК -38; 15 - фундамент флотационной машины ОК - 38
Рис. 3. Конструктивные модификации камеры флотационной машины ОК-38 а - с точечной подачей АВДВ; б - с УРР
77
Рис. 4. Конструктивные элементы УРР
Форсунки УРР расположены в горизонтальной плоскости таким образом, что поток активированной газо-жидкостной смеси направлен противоположно горизонтальной составляющей скорости пузырьков воздуха, подаваемого через вал импеллера. Это обеспечивает интенсивное перемешивание пузырьковых газовых фаз, а формирование области пониженного давления
за внешним геометрическим контуром статора вызывает более интенсивное и равномерное аэрирование придонных областей камеры при сниженной напряженности поля скоростей флотационной пульпы.
В ходе исследований выявлены закономерности распределения газовой фазы в стационарном режиме работы камеры флотационной машины ОК-38 для различных конструктивных модификаций и получены данные об объемном распределении концентраций и скоростей газовых фаз.
Установлено, что степень аэрирования жидкой фазы в случае точечной подачи АВДВ равна 7.02% при общей площади границы раздела газовой и жидкой фазы 6 561.18 м2, из которых на границу жидкой фазы с воздухом, диспергированном на импеллере, приходится 4 747.88 м2 (72.36%). Степень аэрирования жидкой фазы в случае подачи АВДВ через УРР составляет 7.89%, общая площадь границы раздела газовой и жидкой фазы - 7 375.18 м2, из которых на границу жидкой фазы с воздухом, диспергированном на импеллере, приходится 4 836.51 м2 (65.58%). Таким образом, применение УРР АВДВ не только повышает степень аэрирования жидкой фазы, но еще и увеличивает долю активированной поверхности границы раздела газовой и жидкой фазы. При этом возрастание степени аэрирования происходит и за счет перераспределения газовой фазы, подаваемой через канал вала импеллера, что позволяет снизить издержки операции основной флотации нефелина при повышении эффективности процесса флотации.
Формирование максимальной площади границы раздела газ - жидкость в рабочей зоне флотационных машин связано с гидродинамикой процесса флотации и во многом зависит от структуры, состава и организации потоков подводимого воздуха. Использование УРР в камере флотационной машины ОК-38 стабилизирует структуру восходящих потоков аэрированной жидкой фазы и повышает степень аэрирования жидкой фазы по сравнению с подачей воздуха только через импеллер на 72.8%? и на 10.6% по сравнению с подачей воздуха через импеллер одновременно с точечной подачей АВДВ.
По результатам промышленных испытаний можно сделать следующие выводы:
1. Образцы УРР для приготовления и дозирования собирателя в виде АВДВ в камеры известных конструкций флотационных машин прошли укрупненные технологические и эксплуатационные испытания в технологии получения нефелинового концентрата. Показано, что это эффективное средство интенсификации процесса флотационного обогащения хвостов апатитового цикла с целью получения кондиционного нефелинового концентрата. 78
78
2. Установка УРР к камерам флотационных машин ОК-38, работающих в операции основной нефелиновой флотации, позволили снизить расход собирателя до 56.0% при сохранении качества конечной продукции.
3. В ходе испытаний выявлено, что важным параметром работы УРР является необходимость поддержания соотношения дополнительная вода - собиратель близким к 1:1, при котором обеспечивается максимальная активность приготавливаемой газожидкостной смеси и повышение эффективности выделения нефелина из крупных фракций перерабатываемого материала.
4. Полученные результаты испытаний УРР дали основание для их внедрения в технологию получения нефелиновых концентратов в условиях действующего производства АНОФ-2 ОАО «Апатит» и последующей оптимизации всех регулируемых параметров их работы.
Таким образом, показано, что внедрение предлагаемой технологии есть эффективное средство интенсификации процесса флотационного разделения минералов. УРР для приготовления и дозирования реагентов могут применяться на обогатительных фабриках при использовании флотационных технологий извлечения полезных компонентов, где в качестве реагентов-собирателей подаются поверхностно-активные вещества гетерополярного строения. Широкое применение подобных устройств возможно и в технологиях извлечения тонкодисперсных частиц из сливов сгустителей, и в очистке сточных вод от многокомпонентных примесей различных промышленных предприятий. Устройства компактны, просты в обслуживании, надежны в эксплуатации.
Ориентировочная стоимость аэрационного устройства для приготовления и дозирования собирателя в виде АВДВ составляет 300 тыс. рублей. Стоимость технической документации и организации производства - 1.5-2 млн рублей.
Сведения об авторах
Скороходов Владимир Федорович - д.т.н., зав. лаб., Горный институт КНЦ РАН; e-mail: skorohodov@goi.kolasc.net.ru
Никитин Роман Михайлович - ведущий технолог, Горный институт КНЦ РАН; e-mail: remnik@yandex.ru
Степанникова Анна Сергеевна - аспирант, инженер, Горный институт КНЦ РАН; e-mail: 1990nuta2008@rambler.ru 79
79
