Влияние глинистых компонентов на обезвоживание хвостов обогатительных фабрик на фильтр-прессах

Реклама. ООО «КемИнС», ИНН 7722689294
Erid: F7NfYUJCUneP4zzmPUkU

Глины наряду с другими алюмосиликатами являются одним из наиболее распространённых компонентов рудных хвостов. Тип глины, её свойства и относительное содержание оказывают значительное влияние на процесс фильтрации в фильтр-прессе, при этом наибольшее влияние на обезвоживание оказывают монтмориллониты.

В связи с ростом мирового спроса на минеральное сырьё (рис. 1) и снижением среднего содержания полезных компонентов горнодобывающая промышленность всё чаще сталкивается с увеличением объёма образующихся хвостов, которые должны соответствовать определённым техническим условиям складирования, в частности по влажности.

Растущее количество хвостов всё чаще оказывает влияние на общую производительность обогатительных фабрик. Присутствие же глинистых включений в фильтруемом потоке, как правило, приводит к снижению пропускной способности кека и повышению влажности, что ведёт к удорожанию транспортировки, хранения и потере больших объёмов оборотной воды.

Зачастую проблемы обезвоживания хвостов могут являться причиной снижения производительности всей фабрики. Поэтому анализ глинистых фаз имеет большое значение и может дать полезную информацию о фильтруемости суспензии и, следовательно, суточной производительности фильтр-пресса и его конструкции.

Глинистые минералы, сопровождающие руды, по кристаллохимии поверхности можно разделить на две основные группы. К первой относятся минералы монтмориллонита и гидрослюды, имеющие электрически неуравновешенные решётки. Минералы второй группы, к которым относятся каолинит и галлуазит, имеют электрически нейтральные решётки. Обычно глинистые минералы имеют размер частиц менее 2 мкм.

В случае каолинита частицы представляют собой многоугольные чешуйки. Наибольшие размеры в плоскости чешуек колеблются от 0,3 до 4 мкм, а толщина — от 0,05 до 2 мкм. В случае монтмориллонита некоторые частицы могут иметь толщину порядка 0,002 мкм. При этом размеры поверхности чешуек примерно в 10-100 раз превышают толщину частиц.

Связанная вода

Помимо геометрической формы, предвещающей плотные слои осадка, глины также обладают способность связывать воду на границе твёрдой минеральной частицы. Наличие связанной воды в глинах, обусловленное особенностями их кристаллической структуры, оказывает решающее влияние на проницаемость слоя кека, образованного ими. Чем больше связанной воды, тем ниже фильтрационные свойства и тем больше время цикла фильтрации.

Прочносвязанная вода удерживается глинистыми частицами и не отжимается из глины даже при давлениях в несколько сотен мегапаскалей, что в принципе не достижимо в фильтр-прессе из-за прочностных характеристик фильтровальных плит. В каолиновых глинах прочносвязанной воды по объёму значительно меньше, чем в монтмориллонитовых глинах. Поэтому из всех типов глин наихудшую проницаемость имеет монтмориллонит.

Такое различие может быть объяснено тем, что ёмкость катионного обмена (ЕКО) монтмориллонитовой глины в разы больше ЕКО каолинита.

Толщина слоя связанной воды на поверхности частиц обусловливает свободное поровое пространство (активную пористость), которое определяет проницаемость кека и, как следствие, скорость фильтрации и время цикла разгрузки фильтр-пресса.

Пористость кека и его проницаемость

Если в концентратах пористость формируется за счёт пространства между частицами или агрегатами (межагрегатная пористость), то в глинистых осадках хвостов, наряду с межагрегатной пористостью, существует внутриагрегатная пористость. Под последней понимается пространство между пакетами (чешуйками) в кристаллической решётке (межпакетное пространство).

Эти два вида пористости имеют разное значение для разных типов глин. В каолинитах основной является межагрегатная пористость. В монтмориллонитах со склонностью к набуханию и переменным по величине межпакетным расстоянием имеют значения оба вида пористости: межагрегатная и внутриагрегатная.

Размеры межагрегатных пор в глинах составляют от 1 до 100 мкм, преобладают до 5 мкм; межпакетная пористость существенно меньше 1 мкм, преобладают десятые и сотые доли микрона. В свою очередь, свободное движение жидкости происходит в порах размером более 1-2 мкм. Фильтрация воды происходит прежде всего по наиболее крупным порам, не полностью занятым связанной водой. И наоборот, через самые малые поры, полностью занятые прочносвязанной водой, фильтрация практически не происходит или очень мала.

Влияние таких свойств глины, как взаимодействие с водой, снижение пористости кека и его проницаемости, доказывает, что при оценке фильтруемости суспензии, содержащей глину, нельзя полагаться только на фракционный состав и некий средний размер ячейки фильтровальной ткани.

Две суспензии, имеющие одинаковый фракционный состав, но разные глинистые примеси в количестве всего лишь нескольких процентов, не сильно меняющих общую картину распределения по размерам частиц, могут принципиально отличаться по фильтруемости: более долгий цикл фильтрации (от десятков минут до нескольких часов) и разная итоговая влажность осадка (от 15 до 45% по влаге).

Количественная оценка изменения проницаемости от концентрации глинистых компонентов

Для понимания влияния различных характеристик процесса фильтрации в фильтр-прессе на скорость фильтрации приведём формулу Рута-Кармана:

где υ — скорость фильтрации, V — объём фильтрата, Vm — эквивалентный объём фильтрата, t — время фильтрации, A — эффективная площадь фильтрации, µ — вязкость фильтрата, ΔP — давление подающего насоса, m — соотношение твёрдого вещества и жидкости, s — концентрация твёрдого вещества, ρ — плотность фильтрата (кг/м3), αav — удельное сопротивление осадка.

Как видно из вышеприведённой формулы, скорость фильтрации (как результат — суточная производительность узла обезвоживания) обратно пропорциональна удельному сопротивлению осадка.

Для наглядного примера приведём данные испытаний фильтрации суспензии угля с примесями каолинита и монтмориллонита (табл.1).

Из приведённых данных видно, что при некоторых концентрациях глинистых компонентов в зависимости от их типа сопротивление слоя осадка может достигать некоторых критических параметров с нулевой проницаемостью по фильтрату. В таких случаях процесс фильтрации на фильтр-прессе невозможно провести до конца, когда всё пространство камеры занято обезвоженным продуктом (рис. 2).

Таким образом, тесты показывают, что даже небольшое количество глины приводит к значительному снижению скорости фильтрации, а также к значительному увеличению среднего удельного сопротивления кека и, как следствие, его влажности.

Фильтр-пресс по определению — оборудование периодического действия, в котором критерием завершённости процесса обезвоживания является камера, заполненная относительно сухим кеком. Если данного критерия не достигать в промышленном масштабе, то это приведёт к проблемам выгрузки осадка вместе с большим количеством жидкой фазы, что особенно критично в зимний период.

В подобных случаях важной характеристикой фильтровальных плит является глубина камеры, которая определяет толщину осадка. Чем толще осадок, тем выше его сопротивление. Необходимую глубину камеры, гарантирующую полное протекание процесса фильтрации в фильтр-прессе, определяют в рамках пилотных испытаний, ориентируясь на максимальное значение глубины фильтровальной камеры при отсутствии в ней суспензии по факту разгрузки.

Заключение

Анализ глинистых примесей играет большую роль в правильном подборе размеров и конструкции фильтр-пресса при проектировании узла обезвоживания, позволяет снизить риски невыхода узла на проектные показатели.

Присутствие таких глин, как каолинит и монтмориллонит, значительно снижает эффективность процесса обезвоживания за счёт снижения активной пористости и проницаемости кека. При этом монтмориллонит оказывает гораздо большее негативное влияние, чем каолинит. Даже небольшое количество монтмориллонита (2-5%) способствует значительному снижению скорости фильтрации и увеличению влажности осадка.

Выбор конструкции фильтровальной камеры и фильтровальной ткани не может производиться только на основании фракционного состава твёрдой фазы. Во внимание должны приниматься тип глин и их концентрации. Проверка фильтруемости суспензии обязательно должна сопровождаться пилотными испытаниями с применением плит с различной глубиной фильтровальной камеры.

Текст: Алексей Цветнов, генеральный директор ООО «КемИнС»

cesolutions.ru
office@cesolutions.ru
Тел.: +7 (495) 989-22-69,
8 (800) 200-21-63