Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Rok akademicki 2017/2018

Transkrypt

1 Laboratorium Przeróbki Kopalin i Odpadów Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Rok akademicki 2017/2018 Prowadzący: dr inż. Tomasz Ratajczak tomasz.ratajczak@pwr.wroc.pl Wykłady prowadzone są w oparciu o prezentacje do wykładów autorskich dr. hab. inż. Andrzeja Łuszczkiewicza, prof. nadzw.

2 Wody technologiczne, obiegi wodne zakładu, gospodarka odpadami Właściwości zawiesin mineralnych Bilansowanie węzłów obiegów wodno-mułowych Procesy rozdziału faz (odwadnianie zawiesin) sedymentacja filtracja Operacje jednostkowe

3 W większości zakładów przeróbki kopalin użytecznych ośrodkiem dokonywanych w nich operacji jest woda. Wprowadzenie przerabianego ciała stałego do ośrodka wodnego, lub na odwrót, dodatek wody do ciała stałego stwarza problemy ruchu wody i kierowania jej w odpowiednich ilościach do poszczególnych operacji oraz rozdziału części stałych od wody po dokonaniu tych operacji. Ponieważ w większości przypadków ruch wody w zakładzie przeróbczym polega na przynajmniej częściowym krążeniu wody wewnątrz zakładu, na określenie tego ruchu przyjął się termin OBIEG WODNY, oznaczający zespół urządzeń związanych z ruchem wody i jej rozdziałem.

4 Schemat ogólny typowego zakładu przeróbki rud: operacje suche i mokre Wroclaw University of Technology Operacje na mokro

5 Woda obiegowa (woda technologiczna) w zakładzie, w tym także woda świeża ze źródła zewnętrznego, nie jest czysta, lecz jest roztworem różnych związków o różnym stężeniu. Fakt ten, może wywierać wpływ pośredni na jej zachowanie się w procesach przeróbczych, gdyż od tego zależą fizyczne właściwości wody, a przede wszystkim jej lepkość i właściwości powierzchniowe, np. zdolność zwilżania, reaktywność. Lepkość roztworów wodnych zależy od właściwości rozpuszczonego związku chemicznego i jego stężenia. Lepkość wody można obniżyć przez dodatek cieczy rozpuszczalnych o niskiej lepkości. Dodatek soli rozpuszczalnych podwyższa lepkość wody. Rosnąca lepkość wody jest czynnikiem utrudniającym jej oddzielanie od części stałych, jej podwyższenie przedłuża czas potrzebny na przeprowadzenie procesów wzbogacania; jest zatem niekorzystne w operacjach przeróbczych Właściwości powierzchniowe, a przede wszystkim zjawisko zwilżalności ciał stałych celowo wykorzystane w procesach wzbogacania flotacyjnego, ma także wpływ na wiele innych procesów stosowanych w przeróbce kopalin, a w szczególności na procesy rozdziału ciał stałych od wody. Reaktywność wody w stosunku do materiałów konstrukcyjnych urządzeń przeróbczych, przerabianych minerałów zależy od składu chemicznego wody, odczynu (ph) i rozpuszczonych w niej substancji

6 woda dołowa (z odwadniania kopalni) woda sklarowana Schemat obiegu wody w zakładach przeróbczych Układ tradycyjny NADAWA główny strumień wody obiegowej Wroclaw University of Technology woda obiegowa parowanie i inne straty wody Zakład przeróbki kopalin odpady przeróbcze (zawiesina) parowanie i inne straty wody odwadnianie koncentratu klarowanie wód odprowadzenie nadmiaru wód do rzek produkty handlowe staw osadowy skladowisko odpadów, sedymentacja części stałych

7 Wroclaw University of Technology Problemy gospodarki wodnej zakładów przeróbczych Wody technologiczne obiegi zamknięte często związane z odbiorem wód z odwadniania kopalni (uzdatnianie wody, oczyszczanie i zrzut nadmiaru wody poza obieg) Właściwości zawiesin mineralnych: 90-98% wydobytej rudy (skały) stanowią odpady stałe w postaci zawiesiny wodnej. Zawiesiny odpadów niosą główną masę wody obiegowej Procesy rozdziału faz (odwadnianie zawiesin). Konieczne jest wydzielenie wody w celu jej zawrotu do procesu technologicznego. Odbiorca produktu przeróbki żąda produktu odwodnionego Zagospodarowanie odpadów przeróbczych stałych często ściśle związane jest z gospodarką wodną zakładu lub szerzej całego kompleksu wydobywczo-przeróbczego Andrzej Łuszczkiewicz, Przeróbka Kopalin 2 (Technologie przeróbki surowców mineralnych). Wykład autorski. WYKŁAD 12

8 Problemy gospodarki wodnej zakładów przeróbczych Zagospodarowanie odpadów górniczo-przeróbczych wraz z gospodarowaniem zasobami wody oraz ich wpływ na stan i ochronę środowiska, jest jedną z najważniejszych kwestii dla każdej kopalni lub kompleksu górniczo-przeróbczego w czasie jego cyklu życia. Jednym z kluczowych wyzwań w zarządzaniu kompleksami górniczo-przeróbczymi, czy to rud metali nieżelaznych, złota i rudy żelaza itp. w ich cyklu życia, to co zrobić z materiałem składowiska, tak by stał się on zawarty i stabilny, minimalizując zajmowaną powierzchnię składowania przy jednoczesnej maksymalizacji ponownego wykorzystania wody i minimalizacji wpływu składowania na otaczające środowisko

9 woda z odwadniania kopalni Schemat obiegu wody w zakładach przeróbczych z uwzględnieniem gospodarki odpadami Układ racjonalny NADAWA woda obiegu głównego Wroclaw University of Technology N parowanie i inne straty wody Zakład przeróbki kopalin ODPADY FLOTACYJNE (zawiesina) do klasycznej podsadzki hydraulicznej Odwadnianie koncentratu Klarowanie wód PRODUKTY HANDLOWE Cement Zgęszczacze głębokie (sedymentacja części stałych) przelew Zbiornik główny wody obiegowej Miksery M Oczyszczanie wód Materiał podsadzkowy (pasta) do wyrobisk poeksploatacyjnych lub do skladowiska wylew Oczyszczona woda nadmiarowa do wód powierzchniowych

10 Rozkład kosztów operacji przeróbczych w KGHM Polska Miedź SA Konieczny A. Praca doktorska. Kraków 2006

11 Składniki rozpuszczone w wodzie mogą oddziaływać bezpośrednio chemicznie na materiał poddawany przeróbce, a także mogą powodować korozję urządzeń przeróbczych. Zanieczyszczenia chemiczne wód obiegowych pochodzić mogą z rozpuszczenia składników mineralnych zawartych w przerabianym materiale, z zasolonej wody z odwadniania kopalń, a także mogą być dodawane do wody w trakcie operacji przeróbczych i pozostające w wodzie odczynniki flotacyjne lub flokulacyjne. Składniki pochodzące z wody zasilającej (obiegowej) lub doprowadzone w nadawie do procesu są to przede wszystkim sole o kationach Na +, K +, Ca ++, Mg ++, Fe ++ oraz anionach HCO 3, Cl -, NO 3-, SO 4-, SiO 2-, a w przypadkach gdy do wody obiegowej trafiają wody kopalniane także J', Br' i inne. Ponadto w wodzie bywają rozpuszczone gazy CO 2, O 2, H 2 i N 2, czasem również i amoniak, a w obecności siarczków w mogą powstać warunki do tworzenia się siarkowodoru H 2 S lub kwasu siarkowego H 2 SO 4

12 Średnia ilość wód dołowych (z górotworu) z poszczególnych Zakładów Górniczych KGHM Polska Miedź S.A. w 2004 r. Kopalnia Ilość wód m 3 /d chlorki Cl -, g/dm 3 siarczany SO 4-2, g/dm 3 substancje rozpuszczone g/dm 3 ZG Lubin" ,0 0,495 1,560 3,383 Rejon Polkowice ,0 0,589 1,616 3,462 Rejon Sieroszowice ,0 99,189 1, ,627 ZG Rudna" 3 064,0 70,800 2, ,320 Razem ,0 Byrdziak H. i inni, Ochrona środowiska-biuletyn KGHM Polska Miedź SA 2005

13 Zawartość substancji rozp. w wodach zrzutowych, mg/dm 3 Wroclaw University of Technology Zasolenie wód obiegowych zakładów wzbogacania rud KGHM Lata

14 Zawartość procentowa części stałych w zawiesinie Zawartość masowa części stałych w zawiesinie Gęstość, porowatość, wilgotność zawiesiny

15 Objętość zawiesiny: Wroclaw University of Technology V Masa zawiesiny: V Q s Q V s c Q c Q s s V V z c z Q V indeksy: s - ciało stałe (faza rozproszona, ziarna), c - ciecz (faza rozpraszająca, woda) z - zawiesina s - gęstość części stałych (fazy rozproszonej) s z - gęstość zawiesiny c - gęstość wody (fazy rozpraszającej) =1000 kg/m 3 Q s V s

16 Zawartość procentowa części stałych w zawiesinie: Qs 100 Q Zawartość masowa części stałych w zawiesinie: Q V s,, % kg / 3 m, g / dm 3 Porowatość: V c V Wilgotność: W Q c Q 100 Q masa zawiesiny V objętość zawiesiny Q s masa części stałych V s objętość części stałych Q c masa cieczy (wody) V c objętość cieczy (wody) indeksy: s -ciało stałe (faza rozproszona, ziarna), c - ciecz (faza rozproszająca, woda) z - zawiesina s - gęstość części stałych (fazy rozproszonej) z - gęstość zawiesiny c - gęstość wody (fazy rozpraszającej) =1000 kg/m 3

17 Gęstość zawiesiny ρ z ,01α ρ s β ρz ρ s ρ z 1000 β ρ s

18 Schemat procesów odwadniania produktów w zakładach przeróbczych

19 Schemat węzła technologicznego Wroclaw University of Technology nadawa Q 1, V 1 1, 1 przelew Q 2 V 2 2, 2 wylew Q 3 V 3 Q 1 = Q Q 3 Q 1 = Q 2 + Q 3 3, 3

20 Bilansowanie węzłów Wroclaw University of Technology Q 1 = Q Q 3 Q 1 = Q 2 + Q 3 Q 1 W = Q 2 W 2 + Q 3 W Q 1 = Q 2 + Q 3 V 1 1 = V V 3 3 V 1 = V 2 + V 3

21 Bilansowanie węzłów, przykłady Wroclaw University of Technology Do osadnika stożkowego kierowane są dwa strumienie zawiesin o następujących wydajnościach i zagęszczeniach masowych: V 1n =300m 3 /h i 1n =300kg/m 3 oraz V 2n =700m 3 /h i 2n =100kg/m 3. Oznaczenia zagęszczeń masowych części stałych w przelewie wykazały wartość p =20 kg/m 3 a w wylewie w =720 kg/m 3. Jakie były wydajności strumieni przelewu V p i wylewu V w?

22 Schemat węzła technologicznego Wroclaw University of Technology nadawa: Q 1 Q 2 V 1 V 3... V 2 Q 3 Q n V n... produkty: Q' 1 V 1 ' Q' 2 V 2 ' Q' n V n '

23 Q 1 +Q 2 +Q Q n = Q 1 +Q 2 +Q Q n 100 Q s Q Q 1 +Q Q n n = Q 1 + Q Q n n V 1 +V 2 +V V n = V 1 +V 2 +V V n Q s V V 1 +V V n n = V 1 + V V n n

24 Bilansowanie węzłów, przykłady Wroclaw University of Technology Do młyna podawany jest suchy materiał o gęstości s =2500 kg/m 3 w ilości Q Sn =100 Mg/h oraz czysta (nie zawierająca części stałych) woda w ilości V Cn =160 m 3 /h. Zawiesina wychodząca z młyna stanowi nadawę do hydrocyklonu, z którego rozcieńczony przelew i zagęszczony wylew charakteryzują się gęstością odpowiednio: p =1060 kg/m 3 i w =1400 kg/m 3. Obliczyć objętości zawiesiny w przelewie V n i wylewie V w hydrocyklonu. V p, p V cn Q Sn V w, w

25 PROCESY ODWADNIANIA ZAWIESIN SEDYMENTACJA PRZESĄCZANIE

26 Sedymentacją zawiesiny określamy opadanie cząstek fazy rozproszonej w płynie (fazie rozpraszającej) pod wpływem grawitacji. Proces sedymentacji zależy od wielu czynników: zagęszczenia cząstek w jednostce objętości zawiesiny, ich rozmiaru, kształtu, gęstości, temperatury oraz, jeżeli jest to opadanie w strumieniu płynu, również od prędkości i kierunku przepływu tego płynu. Ze względu na warunki hydrauliczne wyróżniamy: - opadanie swobodne, - opadanie skrępowane. Opadanie swobodne zachodzi, gdy zagęszczenie cząstek w zawiesinie jest niewielkie i każda cząstka opada oddzielnie nie oddziałując na sąsiednie i nie zmieniając właściwości fizycznych. Gdy mamy do czynienia ze znacznym zagęszczeniem cząstek w zawiesinie zachodzi proces opadania skrępowanego. W trakcie takiego opadania cząstki oddziaływają na siebie wzajemnie, np. tworzą się wiry, które oddziaływają na ruch sąsiednich cząstek, powodując wypychanie mniejszych cząstek ku górze.

27 Badanie procesu sedymentacji zawiesiny Wroclaw University of Technology

28 (przyspieszanie wydajności procesu rozdziału faz) 1. AGREGACJA ZIARN: KOAGULACJA I FLOKULACJA Koagulacja prowadzi do powstawania bardzo zwięzłych osadów, podczas gdy w wyniku flokulacji powstają osady luźne, porowate, ale o dość dużej wytrzymałości mechanicznej, a zatem dobrze filtrowalne 2. ZWIĘKSZANIE POWIERZCHNI OSADZANIA 3. ZWIĘKSZANIE POWIERZCHNI OSADZANIA SPECJALNE KONSTRUKCJE OSADNIKÓW

29 Flokulacja jest procesem łączenia rozproszonych indywidualnych ziarn ze sobą (agregacja) za pośrednictwem polijonów lub policząsteczek flokulanta, który swoimi segmentami adsorbuje się na różnych ziarnach. Cząsteczka flokulanta po adsorpcji różnych części łańcucha tego związku na wielu ziarnach wiąże ziarna w agregaty. Adsorpcja flokulanta jest uzależniona od właściwości powierzchniowych minerału, a nie od rozmiarów jego ziarn, a zatem selektywność flokulacji zależy od selektywności adsorpcji.

30 Flokulacja zawiesin Wroclaw University of Technology Flokulant (roztwór wielkocząsteczkowego polimeru) Agregacja ziarn za pośrednictwem mostków wodorowych flokulanta

31 FLOKULANTY Polimerowe produkty naturalne: skrobia (C 6 H 10 O 5 ) n, skrobia modyfikowana, celuloza (C 6 H 10 O 5 ) n. Flokulanty syntetyczne: anionowe: -kwas poliakrylowy i jego pochodne -polistyrenosulfoniany -poliwinylofosfoniany kationowe: -poli(chlorek etylenoimina) - poli(chlorek N-metylo-4-winylo- pirydyny) - poli(chlorek 2-metakrylooxyetylo-trimetyloamoniowy) - poli(chlorek 2-akryloxy- etylodimetylosulfoniowy) obojętne: - poliakrylamid, politlenek etylenu, polialkohol winylowy

32 Flokulacja selektywna - metoda wzbogacania Laskowski J., Łuszczkiewicz A., 1989, Przeróbka kopalin. Wzbogacanie surowców mineralnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej

33 Koagulacja polega na łączeniu się drobnych ziarn w większe agregaty (zespoły ziarn), zwane koagulami, opadające na dno naczynia KOAGULACJA homokoagulacja heterokoagulacja Parametr główny: współczynnik stabilności W

34 Koagulacja zawiesin Wroclaw University of Technology Koagulant (np. roztwór soli metalu) Agregacja ziarn na zasadzie zmian ładunku powierzchni, sił molekularnych, kata zwilżania

35 Dyspersja zawiesin Wroclaw University of Technology Rozproszenie zagregowanych ziarn na zasadzie zmian ładunku powierzchni, sił molekularnych, kata zwilżania Dyspergant (np. roztwór polifosforanu)

36 Wroclaw University of Technology

37 Schemat rozdziału faz zawiesiny w zgęszczaczu Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

38 Osadnik (zgęszczacz) promieniowy Dorra Wroclaw University of Technology Battaglia A., Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne płuczek. Wyd. Górn.-Hutn. Katowie 1963

39 Schemat rozdziału faz zawiesiny w zgęszczaczu promieniowym Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

40 Osadnik lamelowy Wroclaw University of Technology 1.Wlot nadawy 2. Komora flokulacji 3. Płyty lamel 4. Rynna przelewowa 5. Odbiór przelewu 6. Zagęszczona zawiesina 7. Odbiór wylewu 8. Zgarniak 9. Mieszadło flokulanta Kelly E.G., Spottiswood D.J., Introduction to mineral processing. J.Wiley& Sons, N.Jork 1985

41 Zasada działania osadnika lamelowego Osadniki lamelowe wypełnione są nachylonymi pod kątem α ( ) płytami. Charakteryzują się one dużą powierzchnią osadzania, zwartą kompaktową budową. Znaczne skrócenie drogi opadania cząstki umożliwia wydzielanie cząstek bardzo drobnych (już od 20 mikrometrów). Dzięki temu uzyskuje się dużą powierzchnię roboczą osadzania w urządzeniu o względnie niewiekich rozmiarach Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

42 Osadnik lamelowy Wroclaw University of Technology W osadnikach lamelowych sedymentacja jako proces wydzielania cząstek ciała stałego z fazy ciekłej, zachodzi pod wpływem siły grawitacji i przebiega w laminarnym polu przepływu pomiędzy równoległymi płytami, a maksymalna wysokość opadania cząstek jest zredukowana do pionowej odległości międzypłytowej przy znacznym powiększeniu powierzchni osadzania. Oznacza to praktycznie: możliwość wydzielania z cieczy cząstek o mniejszych wymiarach niż np. w hydrocyklonach, czy wirówkach, osiągnięcie wyższych skuteczności oczyszczania cieczy przy względnie dużych wydajnościach

43 Zgęszczacz promieniowy wyposażony w lamele (zwiększenie powierzchni roboczej pozwala z zwiększenie wydajności procesu) Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

44 Zakresy stosowalności urządzeń mechanicznych Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

45 Odwadniacz śrubowy (mechaniczny) Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

46 Proces filtracji polega na zatrzymywaniu ziaren ciała stałego na sicie, tkaninie filtracyjnej lub na innego rodzaju porowatej przegrodzie, przy czym ciecz przenika przez przegrodę. Przepływ cieczy przez przegrodę i przez nagromadzoną na niej warstwę osadu filtracyjnego następuje pod wpływem różnicy ciśnień po obu stronach przegrody pomiędzy wolną powierzchnią osadu i wolną powierzchnią przegrody Jeżeli filtrowanie wywołane jest przez ssanie, a zatem przez podciśnienie po stronie wolnej powierzchni przegrody (filtry próżniowe), różnica ciśnień jest ograniczona teoretycznie wielkością ciśnienia atmosferycznego, a praktycznie możliwościami urządzeń zasysających (pomp próżniowych). Jeżeli filtrowanie odbywa się w filtrach ciśnieniowych lub prasach filtracyjnych, różnica ciśnień po obu stronach układu teoretycznie nie jest ograniczona. Praktycznie ograniczają ją względy ekonomiczne, konstrukcyjne i wytrzymałościowe

47 Zasady filtracji Odwadnianie przez filtrację jest przeciętnie pięciokrotnie droższe od odwadniania przez sedymentację Dla większości przypadków w praktyce przemysłowej przepływ cieczy w porach placka filtracyjnego jest laminarny. Prędkość przepływu cieczy o średniej lepkości : dla filtracji oczyszczającej (<0,1% cz. st.) v c = 1 20 m/h, dla filtracji rozdzielającej (>0,1% cz.st.) v c = 0,1 1,0 m/h

48 Prasa filtracyjna ramowa (cykliczna) Wroclaw University of Technology Kadłub prasy ramowej składa się z nieruchomej płyty podstawowej 1, poprzeczki 2 i żerdzi nośnych 3 wspartych na stałej podbudowie. Na żerdziach przesuwana jest płyta ruchoma 4 za pomocą mechanizmu śrubowego 7, napędzanego hydraulicznie. Gdy płyta 4 przesunięta jest w kierunku poprzeczki 2, zawiesza się na żerdziach żeliwne elementy filtrujące płyty 5 i ramy 6, które następnie zsuwa się razem i ściska śrubą 7. Przesącz spływa do koryta 8, osad filtracyjny gromadzi się stopniowo w komorze ramy. Po wypełnieniu ram osadem dalsza filtracja staje się już niemożliwa, rozluzowuje się elementy i usuwa z nich osad, po czym rozpoczyna się cykl ma nowo. Battaglia, 1963

49 Prasy filtracyjne (cykliczne) Wroclaw University of Technology FLSmidth Minerals Leaflets 2002

50 Prasy filtracyjne (cykliczne) Wroclaw University of Technology TCD-filter press system (Thermal Cake Drying System)

51 Prasy filtracyjne (cykliczne) Wroclaw University of Technology Basics in mineral processing. Metso Minerals 2006

52 Rozładunek prasy filtracyjnej komorowej Rozsunęcie płyt FLSmidth Minerals Leaflets 2002,

53 Zasada działania prasy filtracyjnej taśmowej

54 Prasy filtracyjne taśmowe Wroclaw University of Technology WebNews

55 Zasada działania prasy filtracyjnej taśmowej Svarowsky L. (Editor), Solid-Liquid Separation: 4 th edition, Butterworth-Heinemann 2000 Tarleton E. S., Wakeman R. J., Solid/Liquid Separation: Equipment Selection and Process Design. Elsevier Ltd. 2007

56 Zasada filtracji w wirówce sitowej Wroclaw University of Technology Woollacott L.C., Eric R.H., Mineral and Metal Extraction - An Overview. SAIMM, Johannesburg 1994

57 Literatura pomocnicza i cytowana Basics in mineral processing. Product Handbook, Metso Minerals Ed.5, 2006 Battaglia A., Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne płuczek. Wyd. Górn.-Hutn. Katowice 1963 Byrdziak H. i inni, Ochrona środowiska-biuletyn KGHM Polska Miedź SA 2005 Gupta V., Yan D.S., Mineral Processing Design and Operation. An introduction. Elsevier Amsterdam 2006 Kelly E.G., Spottiswood D.J., Introduction to mineral processing. J.Wiley & Sons, N.Jork 1985 Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. WNT Warszawa 1998 Nowak, Z., Gospodarka wodno-mułowa w zakładach przeróbki mechanicznej węgla. Wyd. Śląsk, Katowice Piecuch T., Technika wodno-mułowa. Urządzenia i procesy. Wyd. Nauk.-Techniczne, Warszawa Svarowsky L. (Editor), Solid-Liquid Separation: 4 th edition, Butterworth-Heinemann 2000, Oxford Tarleton E. S., Wakeman R. J., Solid/Liquid Separation: Equipment Selection and Process Design. Elsevier Ltd. Butterworth-Heinemann 2007, Oxford Woollacott L.C., Eric R.H., Mineral and Metal Extraction - An Overview. SAIMM, Johannesburg 1994