Сгущение в тонком слое

С целью интенсификации процесса осветления пульпы и повышения удельных нагрузок на единицу площади сгущения используют сгущение в тонком слое. Принцип известен давно и запатентован ещё в 1876 г. Замечено, что при наклоне цилиндра, заполненного суспензией, осаждение взвешенных частиц ускоряется, чему способствует уменьшение высоты падения (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Принцип тонкослойного сгущения

Объем осветленной жидкости увеличивается по мере уменьшения угла наклона цилиндра и при угле наклона 30° в шесть раз превосходит объем в вертикальном положении цилиндра. Ламинарное движение осветленного слоя жидкости вверх по наклонной плоскости также увеличивает скорость осветления. Таким образом, благодаря уменьшению высоты слоя и наличию наклонной поверхности, осаждение твердой фазы и осветление жидкой фазы протекает быстрее, чем в вертикальном положении цилиндра.

Основной принцип действия сгустителей, оснащенных наклонными параллельными пластинами, – совмещение увеличенной эффективной площади осаждения с уменьшением высоты падения частиц. Площадь сгущения в пластинчатых сгустителях равна сумме площадей горизонтальных проекций всех пластин (S₁=Sncosα). Сгущение в этом случае будет происходить в тонком слое на плоскостях (полках). Осаждение взвешенных частиц в таких сгустителях значительно ускоряется, поскольку частица считается уловленной, если она достигла поверхности одной из пластин.

Рис. 3.15. Схема тонкослойного сгущения с нижним подводом питания

В пластинчатом сгустителе с нижним подводом питания (рис. 3.15) пульпа подается в окна 1 и мимо отбойника 2 движется снизу вверх. По мере ее движения происходит осаждение твердых частиц под действием силы тяжести на наклонную полку 4. Осадок, образовавшийся на плоскостях, будет сползать по ним к разгрузочному отверстию, а осветленная вода через сливное отверстие 3 и сливной желоб удаляется из аппарата. В этих сгустителях пакеты наклонных пластин, расположенных в резервуаре параллельно, имеют двойное назначение: служат для образования тонких слоев небольшой высоты и для отведения осажденных частиц в нижнюю часть резервуара, в зону сжатия, а осветленной жидкости из сгустителя.

Сгустителям тонкослойного сгущения придают различные названия: тонкослойные, канальные, полочные, наклонные, сифонные, ламельчатые (или сгустители Ламелла), пластинчатые. Различают следующие направления жидкости к наклонным пластинам: прямоточное – в направлении против наклона пластин и в направлении наклона; противоточное – между пластинами снизу-вверх; поперечное – между пластинами в горизонтальном направлении. В горнорудной промышленности распространение получили противоточные пластинчатые сгустители.

Пластинчатый противоточный сгуститель (рис. 3.16) состоит из корпуса, имеющего форму наклонного параллелепипеда. Внутри корпуса на расстоянии 30–50 мм друг от друга под углом 50–60° к горизонту укреплены пластины из стеклопластика. Исходную суспензию подают к загрузочному устройству, из которого она поступает в промежутки между наклонными пластинами. Осветленная вода переливается в сливной желоб и выводится из сгустителя. Частицы под действием силы тяжести осаждаются на поверхности наклонных пластин, соскальзывают в шламовый бункер и выгружаются из него. В некоторых аппаратах для улучшения условий соскальзывания оседающего материала с пластин и уплотнения осадка в разгрузочной воронке устанавливают вибровозбудители.

Рис. 3.16. Пластинчатый противоточный сгуститель: 1 – подача питания; 2 – камеры осветленной жидкости; 3 – слив; 4 – пластины; 5 – сгущенный продукт

Пластинчатые сгустители получили широкое применение за рубежом для осаждения и обесшламливания продуктов обогащения и очистки сточных вод на многих предприятиях горно-рудной и угольной промышленности. Известны сгустители Ламелла, выпускаемые в Швеции, США, Великобритании, в трех модификациях: прямоугольные, противоточные и с поперечным потоком. Применение этих сгустителей экономит рабочую площадь на 85–90% и обеспечивает удельную производительность в 3–5 раз бóльшую, чем в радиальных сгустителях. Сгустители Ламелла выпускают с поверхностью осаждения 50, 100, 200, 1000 м². Материалом для пластин служит пластик, сталь с резиновым покрытием для предохранения от коррозии. Сгустители Ламелла особенно эффективны при обработке больших объемов разжиженных суспензий при ограниченных производственных площадях и когда требуется точное разделение по граничной крупности.

Тонкослойное сгущение наиболее эффективно для разбавленных пульп. На плотных пульпах полочный сгуститель работает малоэффективно. Например, при сгущении магнетитовых концентратов с содержанием твердого 37% их приходилось разбавлять до 16–17% твердого.

Есть примеры использования пластинчатых сгустителей и в отечественной практике. Пластинчатые сгустители конструкции Уралмеханобра использованы на магнито-обогатительной фабрике Высокогорского ГОКа для сгущения магнетитовой пульпы перед фильтрованием. Крупность питания составляла 63–68% класса –0,071 мм, содержание железа 60–61%. Содержание твердого в исходной пульпе составило 30%, в сгущенном продукте 63–67%, в сливе 0,7–0,8% при удельной производительности сгустителя 30 м³/м²·ч. Для сравнения – удельная производительность установленного на фабрике радиального сгустителя диаметром 15 м составляет 0,8–1,2 м³/м²·ч [7]. В настоящее время сгустители Уралмеханобра с верхним подводом питания выпускаются типоразмерами СК-0,5, СК-1,3, СК-4, СК-10, СК-40, СК-400 с площадью зеркала слива от 0,5 до 400 м², при этом эффективная площадь осаждения составляет от 14 до 7100 м² для сгустителя СК-400.

Преимущества тонкослойных сгустителей: высокая производительность на единицу площади сгущения, отсутствие движущихся частей и привода, малые эксплуатационные затраты. К недостаткам следует отнести громоздкость конструкции. Поэтому представляет интерес использование пакетов осадительных пластин в существующих сгустителях и магнитных дешламаторах.

Дешламатор со встроенными наклонными плоскостями разработан Механобрчерметом (рис. 3.17). Он состоит из корпуса 1 диаметром 9 м, сливного желоба 2, приемного устройства 3, вала с гребковой фермой 4 для транспортировки песков, осадительных пакетов 5, состоящих из наклонных плоскостей. Наклонные плоскости расположены на расстоянии 35 мм друг от друга. В дешламаторе МД-9 устанавливается 18 осадительных пакетов.

Осадительные пакеты выполнены ступенчатой формы и снабжены винтами 8 для регулирования уровня слива над верхними кромками наклонных плоскостей 7. Верхний уровень вертикальных боковых стенок 9 и торцевой стенки 10 осадительных пакетов расположен выше верхних кромок наклонных плоскостей 7, а кольцевой желоб 2 в промежутках между осадительными пакетами снабжен дополнительным бортом 6.

Исходная пульпа подается в приемное устройство и устремляется вниз. Крупные частицы выпадают в пески, а основная масса пульпы устремляется в осадительные каналы между наклонными плоскостями и движется снизу вверх как в сгустителях с нижним подводом питания. Осадок сползает вниз к разгрузочному устройству, а слив попадает в сливной канал и затем в сливной желоб дешламатора. Длительные промышленные испытания и промышленная эксплуатация дешламатора с наклонными плоскостями показали его высокую эксплуатационную надежность. При сгущении и обесшламливании сливов гидроциклонов третьей стадии обогащения магнетитовых руд один магнитный дешламатор со встроенными осадительными пакетами заменил два обычных дешламатора МД-9.

Рис. 3.17. Магнитный дешламатор со встроенными осадительными пакетами:
а – принципиальное устройство; б – осадительный пакет

В последние годы польской фирмой ПК «Гидрогеометалл» разработана конструкция эффективных пакетов осадительных пластин, состоящих из седиментационных каналов сотообразной формы с наклоном к горизонту 60°. Пластины выполнены из поливинилхлорида с добавкой антистатического материала, препятствующего зарастанию углов каналов. Площадь осветления пакета пластин размером 1´1´0,8 м составляет 20 м². Пакеты могут использоваться на действующих предприятиях с установкой в существующее оборудование, например, сгустители, зумпфы, конусы, пластинчатые сгустители старой конструкции.

3.11. Совершенствование конструкций
аппаратов для сгущения

В последние годы большинство зарубежных фирм перешло на выпуск сгустителей с центральным приводом. Особое внимание уделяется конструктивному оформлению загрузочного устройства сгустителя (способу подачи питания), что обусловлено значительной сложностью движения потоков суспензии в сгустителях.

В США фирма "Инвайро Клер" разработала новые конструкции сгустителей с верхним и нижним питанием (рис. 3.18). При подаче питания через верхний горизонтальный питатель (рис. 3.18, а) в сгустителе образуются зона осветленного слива и зона уплотнения, что позволяет поддерживать высокие скорости осветления жидкости без выноса твердых частиц в слив. Четыре скребка на дне сгустителя продвигают осевший материал к разгрузочному отверстию. Скорость осаждения твердых частиц в 6–10 раз выше по сравнению с обычными радиальными сгустителями; при этом достигается почти десятикратная экономия площади.

При подводе пульпы снизу значительно улучшается осветление слива. При подаче пульпы сверху, когда направление потока совпадает с направлением силы тяжести, велика вероятность появления турбулентности в зоне питания при больших скоростях входного потока. Конструкция сгустителя с нижней подачей питания лишена этого недостатка. В сгуститель с нижней подачей (рис. 3.18, б) питание поступает под предварительно образованную постель из сфлокулированного материала по вертикальной трубе снизу, ударяется о горизонтальную дефлекторную плиту, изменяет направление и растекается по постели в горизонтальном направлении. При этом частицы сталкиваются с флокулами, что способствует уплотнению твердого. Вода поднимается вверх через множество каналов в слое сфлокулированного материала и уходит в слив. В этом сгустителе отсутствует зона свободного осаждения. На сгустителе с нижним питанием диаметром 10,7 м при сгущении угольной хвостовой пульпы удельная производительность составила 3,7 т/м²·сут., в то время как на параллельно работающем обычном сгустителе диаметром 23 м – только 0,6 т/м²·сут. Подача материала на этот сгуститель в 6–7 раз выше, чем на обычный радиальный. Он значительно быстрее, чем радиальный сгуститель, входит в требуемый режим работы.

Высокоскоростной сгуститель фирмы "Инвайро Клер" (рис. 3.18, в) отличается способом смешения флокулянта с пульпой. В традиционных сгустителях питание часто флокулируется в питающем желобе и флокулы часто разрушаются при переходе питания из питающего желоба в загрузочное устройство из-за турбулентности потока. Это исключается в высокопроизводительных сгустителях, где флокуляция обычно производится в специально сконструированной емкости. Внутри вертикального питателя (флокулятора) соосно установлены два вала. На нижнем конце центрального вала смонтировано гребковое устройство. Мешалка приводится во вращение от индивидуального двигателя. Исходная пульпа подается тангенциально в две соседние камеры, где перемешивается лопастной мешалкой с раствором флокулянта, подаваемого также тангенциально в противотоке порциями в несколько точек. Такая подача обеспечивает образование крупных и прочных флокул. Сфлокулированная суспензия подается либо под слой осадка, либо на поверхность пульпы. Если сфлокулированная пульпа вводится ниже уровня осадка, то этот частично сгущенный осадок действует как фильтр, задерживая тонкие частицы и позволяя проходить вверх только чистой жидкости. Таким образом, в сгустителе со взвешенным слоем разделение жидкой и твердой фаз происходит не только под действием силы тяжести, но и с фильтрацией воды через взвешенный слой.

Рис. 3.18. Сгустители фирмы “Инвайро Клер”:
а – с верхней подачей питания; б – с нижней подачей питания;
в – со смесителем флокулянта ("высокоскоростной");
1 – подача питания; 2 – слив; 3 – сгущенный продукт; шламовая постель

Периферическая подача питания в сгуститель (трубки в чане сгустителя или по кольцевому желобу) обеспечивает увеличение объемной производительности в 1,5–2 раза при той же эффективности осветления слива от взвешенных частиц или дает увеличение эффективности осветления слива при постоянной объемной производительности. При периферической подаче питания за счет большей площади входного потока при постоянной объемной производительности уменьшается скорость потока на входе, что увеличивает вероятность осаждения тонких частиц в сгустителе (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Конструкции сгустителей с периферической подачей питания:
а – с периферической подачей и центральным выводом слива;
б – с периферическими подачей и выводом слива;
I – подача питания; II – вывод слива; III – удаление осадка

Фирма "Эймко" (США) выпускает сгуститель Суинг Лифт (рис. 3.20), который отличается особой конструкцией гребкового механизма. Один конец гребковой рамы прикрепляется при помощи специального шарнира к основанию приводной колонны, второй удерживается тросами. Одна система тросов воспринимает вертикальные нагрузки, а вторая вращает гребки. При перегрузке гребки поднимаются, поворачиваясь вокруг шарнира. Такая конструкция гребкового механизма исключает необходимость в дорогостоящем подъемном механизме. Сгустители Суинг Лифт изготовляются диаметром до 76 м.

Рис. 3.20. Сгуститель Суинг Лифт (фирма “Эймко”):
1 – загрузочное устройство; 2 – вращающаяся ферма; 3 – уровень пульпы;
4 – гребковая рама; 5 – поворотные тросы; 6 – подвесные тросы; 7 – шарнир

Восточно-Сибирским заводом тяжелого машиностроения выпускаются радиальные сгустители со взвешенным слоем углубленного типа СВГ-18, СВГ-25, СВГ-30. В сгустителе СВГ-18 при диаметре чана 18 м глубина чана в центре – 12 м, в СВГ-25 и СВГ-30 глубина чана 11,7 м. Сгустители предназначены для сгущения и обесшламливания пульп, растворов и суспензий, в том числе содержащих тонкодисперсные и трудноосаждаемые фракции, осветления оборотных и сточных вод. Интенсификация процесса сгущения в сгустителях типа СВГ связана с использованием взвешенного слоя. Максимальная удельная нагрузка по сгущенному продукту, допускаемая конструкцией сгустителя, 5 т/м²·сут.

3.12. Интенсификация процесса
сгущения пульп в сгустителях высокой производительности SUPAFLO

Первые сгустители были сконструированы в начале XX в. При этом осаждение самых тонких частиц определяет размер сгустителя. К концу XX в. мощности обогатительных фабрик в мире значительно выросли и наибольший диаметр сгустителей, сконструированных к тому моменту, достигал 200 м. В бывшем СССР повышение эффективности оборудования, предназначенного для свободного разделения твердой и жидкой фаз, осуществлялось путем увеличения количества ярусов сгустителей. Так были созданы двухярусные радиальные сгустители. Позднее, когда стало ясно, что технологический выигрыш от применения таких сгустителей не так уж велик, а эксплуатация их значительно сложнее, чем обычных сгустителей, началось строительство одноярусных сгустителей больших размеров. Таким образом, назревала необходимость поиска новых, более эффективных методов разделения твердое–жидкое.

В экономически развитых странах в это время шло параллельное развитие оборудования и флокулянтов для процесса сгущения. Идея высокопроизводительного сгустителя (High Rate) была впервые запатентована в 1968 г. в сахарной промышленности и за последние 30 лет получила широкое распространение в обогащении полезных ископаемых, химической и других отраслях промышленности. Успешная работа высокопроизводительных сгустителей обычно обеспечивается использованием флокулянтов высокой молекулярной массы полиэлектролитного типа, поэтому сгустители высокой производительности были разработаны сразу после появления в промышленности данных флокулянтов.

Основным отличием сгустителей высокой производительности (High Rate) от традиционных является время осаждения. В традиционном сгустителе время осаждения может составлять несколько часов и даже дней, а в высокопроизводительном – порядка одного часа. Следовательно, высокопроизводительные сгустители сгущают пульпу в 3–10 раз быстрее традиционных. Типичная скорость восходящего потока для высокопроизводительного сгустителя 2–10 м/ч. Диаметр высокопроизводительного сгустителя обычно в 2–3 раза меньше обычного сгустителя при одинаковой производительности.

В последние 20 лет велась работа по оптимизации конструкции с целью повышения эффективности использования площади горизонтального сечения и снижения таким образом капитальных затрат. Результатом явилось повсеместное использование сгустителя SUPAFLO высокой производительности во всех отраслях промышленности.

Высокопроизводительные сгустители австралийской фирмы SUPAFLO, входящей в состав концерна Outokumpu Mintec, выпускаются диаметром от 1 до 50 м. Первый сгуститель был пущен в 1985 г. и сейчас свыше 400 сгустителей SUPAFLO работают в 23 странах мира. Высокопроизводительные сгустители и осветлители SUPAFLO работают в различных отраслях промышленности: цветной металлургии, золоторудной, угольной, железорудной, урановой, алюминиевой промышленности, в производстве минеральных песков, калийных солей, песка и гравия, в сахарной промышленности, в процессах биологического выщелачивания для очистки промышленных и бытовых стоков. Такое широкое распространение сгуститель получил благодаря своим высоким рабочим характеристикам:

– производительность сгущения в 3–10 раз выше производительности традиционных;

– высокая плотность сгущенного продукта – до 75% твердого;

– очень чистый слив;

– низкий расход флокулянта;

– возможность автоматического регулирования и контроля процесса сгущения.

В высокопроизводительных сгустителях SUPAFLO подача исходной пульпы производится в питающий колодец Floc-Miser по касательной, что способствует плавному перемешиванию пульпы и смешиванию её с флокулянтом. Размеры питающего колодца подобраны таким образом, чтобы обеспечить деаэрацию входящей пульпы. Флокулянт подается в питающий колодец через разбрызгиватели флокулянта и перемешивается с пульпой. Сфлокулированная пульпа через питающий зазор между колодцем и отражательным конусом подается в ожиженную зону – постель.

В ожиженной зоне находятся уже сфлокулированные частицы, поэтому ожиженная постель работает как фильтр для поступающей пульпы: задерживает частицы твердого и позволяет проходить вверх только чистой жидкости. Тонкие частицы твердого, которые не были сфлокулированы в питающем колодце, или небольшие флокулы имеют больше контактов с другими сфлокулированными частицами в ожиженной зоне, формируют флокулы большого размера и осаждаются из ожиженной зоны в зону сгущения. Уровень ожиженной зоны постоянно поддерживается выше точки подачи питания и восходящий поток жидкости фильтруется постелью. Такой фильтрационный эффект приводит к получению очень чистого слива и соответственно к экономии флокулянта.

Питающий колодец имеет устройство автоматического разбавления питания, запатентованное фирмой SUPAFLO. Это устройство представляет собой встроенную систему рециркуляции слива, благодаря чему исходная пульпа разбавляется и создаются оптимальные условия для флокуляции. В системе авторазбавления (рис. 3.21) используется естественная разница напора (гидравлического давления) в питающем колодце и остальной части сгустителя (рис. 3.22), обеспечивающая свободное попадание слива в питающий колодец благодаря более высокой плотности пульпы внутри питающего колодца. Отверстия в стенке питающего колодца работают по принципу обратного клапана и позволяют сливу поступать в питающий колодец и разбавлять исходную пульпу напрямую.

Рис. 3. 21. Принцип авторазбавления

Рис. 3.22. Система контроля сгустителя

В нижней части питающего колодца установлен отражательный конус, благодаря чему питание распределяется в горизонтальной плоскости по всей площади сгустителя.

Из ожиженной зоны флокулы осаждаются в зону сгущения (ниже отражательного конуса), а слив удаляется через кольцевой сливной желоб. В сгустителе наблюдаются три четкие зоны:

I – зона слива;

II – ожиженная зона (постель) – зона от точки подачи питания до границы с зоной слива;

III – зона сгущения – ниже отражательного конуса.

Чан сгустителя (рис. 3.23) изготовлен из углеродистого стального листа. Дно чана конической формы с углом конусности 14°. В центре днища имеется конус сгущенного продукта с углом наклона 45°. На конусе установлены патрубки разгрузки сгущенного продукта и аварийного сброса. Сгущенный продукт откачивается двумя песковыми насосами (один рабочий, один резервный). Дно чана с конусом сгущенного продукта опирается на опорные колонны. Кольцевой сливной жёлоб с отбойником пены используются для выпуска чистого слива, который далее отводится через разгрузочную коробку.

Сгуститель оборудован 4 граблинами: две длинные, две короткие. Привод граблин состоит из гидравлической силовой установки и двигателя, который соединен с многоступенчатым планетарным редуктором. Механизм подъема граблин включает в себя несколько параллельно работающих гидравлических цилиндров, которые поднимают и опускают основание привода. Системы привода и механизм подъема граблин установлены на мосту сгустителя.

Рис. 3.23. Высокопроизводительный сгуститель SUPAFLO:
1–привод; 2–гидравлическая силовая установка; 3–панель управления; 4–отражательный конус; 5–подъемный механизм граблин; 6–мост; 7–чан; 8–вал; 9–питающий колодец;
10–питающая труба; 11–кольцевой сливной желоб; 12–разгрузочный конус; 13–скребок разгрузочного конуса; 14 – сливная коробка;15–гребки; 16–опорная конструкция;
17–патрубок сгущенного продукта; 18–длинная граблина; 19–короткая граблина;
20–распорки граблин; 21–разбрызгиватель флокулянта; 22–выпускной патрубок;
23–патрубок подачи флокулянта в питающую трубу; 24–отбойник пены

Граблины оборудованы гребками таким образом, чтобы очищать все дно сгустителя за один оборот. Конструкция граблин ″низкого гидравлического сопротивления″ понижает крутящий момент на привод сгустителя. В конструкции граблин отсутствует система ферм, что способствует их свободному движению в зоне сгущения (уплотнения). Граблины перемещают сгущенный продукт к центру, а также помогают сохранять постель подвижной и уплотнять твердые частицы в постели. На гребковой ферме дополнительно установлены вертикальные пластины, которые разрыхляют сгущенный продукт, создают полости и каналы, по которым более эффективно выделяется вода. Направление движения граблин можно изменять на противоположное дистанционно. Если сопротивление постели движению граблин превысит предварительно установленное значение крутящего момента (измеряется датчиком давления фирмы VALMET), то механизм автоматического подъема граблин поднимет их.

В сгустителе используются две системы управления (см. рис. 3.22):

1. Датчик уровня постели поплавкового типа непрерывно контролирует границу разделения твердое–жидкое и показывает степень флокуляции в постели. Датчик используется для управления производительностью насоса, подающего флокулянт. Если уровень постели поднимается, дозировка флокулянта увеличивается для того, чтобы повысить скорость осаждения частиц и довести уровень постели до нормативного положения. Благодаря системе автоматизации расхода флокулянта он используется более экономно.

2. Датчик давления постели фирмы VALMET, установленный в разгрузочном конусе сгустителя, измеряет давление, создаваемое массой твердых частиц в резервуаре. Это давление пропорционально массе твердого в чане. Сигнал, идущий от датчика, используется для регулирования производительностью насоса, откачивающего сгущенный продукт.

В России установлены два сгустителя SUPAFLO диаметром 10 м и один сгуститель диаметром 15 м на золотоизвлекательной фабрике Кубака в Магаданской области. На обогатительной фабрике ЗАО ″Ормет″ в Барсучьем Логу установлен сгуститель диаметром 12 м для сгущения пиритсодержащих хвостов производительностью 60 т/ч по твердому. Удельная производительность сгустителя 0,53 т/м²·ч, в то время как для сгущения такого количества пульпы предлагались два сгустителя Ц-50 с удельной производительностью 0,015 т/м²·ч.

На обогатительной фабрике Александринской горно-рудной компании установлены и успешно эксплуатируются два сгустителя SUPAFLO диаметром 8 м для сгущения медного и цинкового концентратов. Сгустители работают с удельной производительностью 6 т/м²·сут по медному и цинковому концентратам.

Преимущества идеи SUPAFLO состоит еще и в том, что она дает возможность модернизировать существующие на предприятиях традиционные сгустители. К настоящему времени путем установки питающего колодца типа Floc-Miser модернизированы многие сгустители.