Обезвоживание продуктов обогащения полезных ископаемых

 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ 
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

Рекомендовано учёным советом ГОУВПО «Донецкий 
национальный технический университет» в качестве 
учебного пособия для обучающихся образовательных 
учреждений высшего профессионального образования 
(Протокол № 5 от 28.06.2019 г.) 
УДК 622.794.7 
ББК 33.4 
О-13 
 
 
 
 
Авторы: 
Науменко В. Г., Самойлик В. Г.,  Звягинцева Н. А., Назимко Е. И. 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики ГОУВПО  
«ДОННТУ» (г. Донецк) С. В. Борщевский; 
кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений  
полезных ископаемых ГОУВПО «ДОННТУ» Д. Д. Выговская  
 
 
О-13  
Обезвоживание продуктов обогащения полезных ископаемых : 
учебное пособие / [Науменко В. Г. и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 152 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1129-5 
 
Приведены сведения о различных способах обезвоживания продуктов 
обогащения. Изложены теоретические основы процессов обезвоживания, описан принцип действия различных типов обезвоживающего оборудования. Даны 
сведения о водно-шламовых схемах обогатительных фабрик. Большое внимание уделено особенностям обезвоживания продуктов обогащения в центробежном поле, под действием избыточного давления и разрежения. Рассмотрены 
теоретические основы термического обезвоживания, приведены сведения о 
конструкциях сушильных установок.  
Для студентов горных вузов всех форм обучения.  
 
 
УДК 622.794.7 
 
ББК 33.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1129-5 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ МЕХАНИЧЕСКОГО  
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ................................................................................................. 6 
1.1. Общие сведения о процессах обезвоживания ............................................... 6 
1.2. Виды влаги ........................................................................................................ 6 
1.3. Классификация продуктов по содержанию влаги ...................................... 10 
ГЛАВА 2. ДРЕНИРОВАНИЕ 
................................................................................ 13 
ГЛАВА 3. ФИЛЬТРОВАНИЕ ............................................................................... 22 
ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМ-ФИЛЬТРОВ ...................................... 28 
4.1. Дисковые вакуум-фильтры ........................................................................... 28 
4.2. Барабанные фильтры ..................................................................................... 35 
4.3. Ленточные вакуум-фильтры ......................................................................... 38 
ГЛАВА 5. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССА  
ФИЛЬТРОВАНИЯ. ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ 
............................................. 42 
ГЛАВА 6. ФИЛЬТР-ПРЕССЫ ............................................................................. 47 
6.1. Классификация фильтр-прессов  .................................................................. 47 
6.2. Вертикальные фильтр-прессы 
....................................................................... 52 
6.3. Горизонтальные фильтр-прессы 
................................................................... 56 
6.4. Ленточные фильтр-прессы ............................................................................ 60 
ГЛАВА 7. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ.  
ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ФИЛЬТРОВАНИЕ 
.............................................................. 65 
7.1. Центробежная сила и причины ее возникновения ..................................... 65 
7.2. Конструкции фильтрующих центрифуг ...................................................... 71 
7.2.1. Инерционные центрифуги 
.................................................................. 71 
7.2.2. Шнековые центрифуги ....................................................................... 73 
7.2.3. Вибрационные центрифуги 
................................................................ 76 
ГЛАВА 8. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ.  
ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ  .................................................................... 79 
8.1. Принцип действия осадительных центрифуг 
.............................................. 79 
8.2. Конструктивные особенности осадительных центрифуг  ......................... 82 
8.3. Промышленные типы осадительных центрифуг ........................................ 84 
8.4. Факторы управления процессом центробежного осаждения .................... 87 
ГЛАВА 9. ГИДРОЦИКЛОНЫ 
.............................................................................. 91 
9.1. Распределение потоков в гидроциклоне 
...................................................... 91 
9.2. Факторы, влияющие на работу гидроциклона ............................................ 93 
9.3. Выбор типоразмера гидроциклона ............................................................... 97 
3 
 

ГЛАВА 10. ГРАВИТАЦИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ (СГУЩЕНИЕ) 
............... 99 
10.1. Сущность процесса гравитационного осаждения 
................................... 99 
10.2. Сущность процессов коагуляции и флокуляции .................................. 103 
10.2.1. Свойства флокулянта 
...................................................................... 105 
10.2.2. Свойства суспензии ........................................................................ 106 
10.2.3. Условия контакта флокулянта с суспензией 
................................ 109 
ГЛАВА 11. КОНСТРУКЦИИ СГУСТИТЕЛЕЙ ............................................. 110 
11.1. Удельная площадь сгущения .................................................................. 110 
11.2. Радиальные сгустители 
............................................................................ 111 
11.3. Сгуститель со взвешенным слоем .......................................................... 114 
11.4. Цилиндроконические сгустители ........................................................... 115 
11.5. Тонкослойные (пластинчатые, ламельные) сгустители 
....................... 116 
ГЛАВА 12. БАЛАНС ВОДЫ ПО ФАБРИКЕ.  
ВОДНО-ШЛАМОВЫЕ СХЕМЫ ....................................................................... 122 
12.1. Баланс воды по обогатительной фабрике 
.............................................. 122 
12.2. Классификация водно-шламовых схем (ВШС) .................................... 125 
12.3. ВШС для коксующихся углей ................................................................ 127 
12.4. Накопление шламов при многократном использовании  
оборотной воды ................................................................................................. 128 
ГЛАВА 13. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ  ...................................... 129 
13.1. Теоретические основы процесса 
............................................................. 129 
13.2. Материальный баланс сушильной установки ....................................... 132 
13.3 Диаграмма I-d для теоретической и практической сушилки 
................ 133 
ГЛАВА 14. КОНСТРУКЦИИ СУШИЛОК  ..................................................... 136 
14.1. Способы сушки 
......................................................................................... 136 
14.2. Барабанная сушилка 
................................................................................. 137 
14.3. Трубы-сушилки ........................................................................................ 141 
14.4. Сушилки кипящего слоя 
.......................................................................... 143 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  .................................................................................. 146 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
В большинстве случаев полезные ископаемые обогащают в водной среде, 
потому получаемые продукты обогащения содержат значительное количество 
воды и не пригодны для транспортирования и дальнейшего применения. Для 
удаления воды (влаги) из продуктов обогащения применяют ряд операций, 
называемых в общем случае обезвоживанием. В более широком смысле под 
обезвоживанием понимают процесс отделения жидкой фазы от твёрдой. 
Обезвоживанием называют процесс удаления воды из полезного ископаемого или из продукта обогащения. Ему могут подвергаться не только конечные, 
но и промежуточные продукты обогащения, осуществляемого обычно в водной 
среде. Причинами обезвоживания являются: необходимость снижения затрат на 
транспортирование продуктов обогащения (концентратов), необходимость организации на фабрике полного водооборота с целью снижения себестоимости 
продукции и охраны окружающей среды. 
Различают процессы механического и термического обезвоживания. К механическому обезвоживанию относятся: дренирование, центробежное обезвоживание, сгущение и фильтрование, к термическому - сушка. 
Задачами процесса обезвоживания являются: 1) доведение товарных продуктов до кондиционной влажности (6-9) в соответствии с требованиями потребителей и из условий транспортирования; 2) осветление оборотной воды, 
т.е. снижение содержания в ней твёрдой фазы до необходимого уровня, что 
позволит использовать воду в технологическом процессе многократно. 
Целью настоящего учебного пособия - более подробно ознакомить студентов специальности «Горное дело» обучающихся по специализации «Обогащение полезных ископаемых» с теоретическими основами процессов обезвоживания продуктов обогащения, кондиционирования и очистки сточных вод. Конструкциями, техническими характеристиками и эксплуатационными данными 
применяемых для этой цели оборудование и аппараты, методами их технологического расчёта. 
5 
 

 
ГЛАВА 1 
КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ МЕХАНИЧЕСКОГО  
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ 
1.1 Общие сведения о процессах обезвоживания 
При обогащении в основном используются мокрые процессы. Расход воды 
при обогащении составляет 3-5 м3/т обогащаемого сырья. Для дальнейшей переработки таких продуктов из них необходимо удалить влагу. 
Обезвоживанием называют процесс удаления воды из полезного ископаемого и продуктов его обогащения. 
Задачами процессов обезвоживания являются:  
1) доведение товарных продуктов до кондиционной влажности (6-9) в соответствии с требованиями потребителей;  
2) осветление оборотной воды, т.е. снижение содержания в ней твердой фазы до необходимого уровня, что позволит использовать воду в технологическом процессе многократно. 
В горном деле применяются в основном механические и термические методы обезвоживания [1, 2]. 
Процессы механического обезвоживания, т.е. разделения твердой и жидкой 
фаз, основаны на двух физических принципах (рис. 1.1): 
1) фильтрование - выделение жидкости из массы твердого материала; при 
этом жидкость движется относительно твердой фазы; 
2) осаждение - выделение твердого материала из массы жидкости; при осаждении твердые частицы движутся относительно жидкости. 
1.2 Виды влаги 
Показателем, по которому оценивается качество обезвоживания, является 
влажность.  
Влажность - отношение массы воды в продукте к массе сырого продукта. 
Рабочая влажность определяется по формуле:  
2
2
)
/
ā
100
[
(
]
r
H
O
H
O
W
q
q
G

 
,  
где qH2O - масса воды, кг; 
G - масса сухого материала, кг. 
 
 
6 
 

 
Рис. 1.1. Классификация способов механического обезвоживания 
 

 
Влажность подразделяют на рабочую, лабораторную и внешнюю, между которыми соблюдается следующее соотношение:  
Wвн = Wr – Wл. 
На процессы удаления влаги из материалов значительное влияние оказывает 
энергия связи молекул воды с поверхностью твердого. 
Чем больше энергия связи жидкости с поверхностью твёрдого, тем труднее 
эту жидкость отделить. На энергетическом принципе основана классификация 
форм связи влаги с материалом по П. А. Ребиндеру [1]:  
1) химическая связь (кристаллизационная);  
2) физико-химическая связь (адсорбционная или гигроскопическая влага);  
3) физико-механическая (капиллярная, гравитационная влага).  
В соответствии с этой классификацией влага разделяется на следующие виды (рис. 1.2): 
1. Химическая или связанная влага (внутренняя) - это влага, которая содержится в кристаллической решетке некоторых минералов в виде гидроксильных ионов в гидратах и в виде молекул воды в кристаллогидратах. 
2. Адсорбированная (пленочная) влага - удерживается на поверхности в 
виде гидратных пленок силами адсорбции. Подразделяется на: 
- гигроскопическую; 
- прочно связанную; 
- адгезионную. 
 
Рис. 1.2. Разновидности влаги в зависимости от её связи с поверхностью твёрдой фазы 
Гигроскопическая влага образует на поверхности частиц тонкие пленки воды, удерживаемые силами адсорбции, и заполняет структурные поры и трещины в частицах. Эта влага обладает рядом аномальных свойств: большей плотностью, повышенной вязкостью, пониженной температурой замерзания, пониженной способностью к растворению. Различия в физических свойствах гигро8 
 

 
скопической и свободной влаги объясняются наличием значительных электростатических сил притяжения диполей воды к ионам на поверхности твердых 
частиц. Наблюдается строгая ориентация диполей воды, что затрудняет их 
движение по сравнению с движением молекул свободной влаги. 
Над слоем гигроскопической влаги в водной среде образуется слой прочно 
связанной влаги, для которой характерна пониженная растворяющая способность, отсутствие электропроводности и повышенная плотность. 
Адгезионная влага образует над пленками прочно связанной влаги более 
толстые пленки толщиной до 100 диаметров молекулы воды, которые удерживаются силами адсорбции, но менее прочно. Ориентация диполей воды относительно поверхности твердого уже менее правильная, вследствие этого аномальные свойства адгезионной влаги проявляются слабее. Плотность адгезионной 
влаги - 1,25 г/см3; она обладает пониженной растворяющей способностью и 
пониженной температурой замерзания. Наибольшее количество адгезионной 
влаги в 2-4 и более раза превышает количество гигроскопической влаги при 
максимальной гигроскопичности среды. Адгезионная влага занимает промежуточное положение между прочно связанной и свободной влагой. 
3. Капиллярная влага - заполняет капиллярные промежутки, образующиеся 
между частицами, или поры внутри самих частиц твердого и удерживается в 
них силами капиллярного давления. Капиллярные силы возникают на границе 
соприкосновения трех фаз - твердой, жидкой и газообразной и создаются поверхностным натяжением на искривленной поверхности (мениске) жидкости в 
капилляре. Капиллярная влага подвижна в материале и зависит от размеров капилляров и условий смачивания водой их поверхности. 
Капиллярное давление определяется по формуле Лапласа:  
2
P
сos
r
V
T
 
˜
, 
где ı - поверхностное натяжение на границе вода-воздух, Н/м; 
ș – краевой угол смачивания, градус; 
r - радиус капилляра или кривизна поверхности, м.  
4. Гравитационная влага - это свободная влага, которая заполняет все 
промежутки между частицами и перемещается под действием силы тяжести. 
Капиллярная и свободная влага удаляются механическими и термическим 
методами обезвоживания. Оказывают максимальное отрицательное влияние на 
такие показатели как грохотимость, смерзаемость и транспортабельность продуктов.  
9 
 

 
1.3 Классификация продуктов по содержанию влаги 
В зависимости от содержания воды продукты обогащения делятся на следующие классы: 
1. Обводненные (жидкие) - содержат более 40 воды, обладают подвижностью жидкости, представляют собой механическую смесь твердого и воды. 
Это - слив мельниц, отсадочных машин. 
2. Мокрые - 15-40 влаги, не обладают подвижностью жидкости. Содержат 
все виды влаги. Получаются после обезвоживания жидких продуктов. Содержат в себе остатки гравитационной влаги, а также адсорбированную и капиллярную влагу. 
3. Влажные - 5-15 влаги. В них нет гравитационной влаги. Получаются 
после обезвоживания мокрых продуктов. Не обладают текучестью. В них не 
содержится свободной гравитационной влаги, а присутствует лишь некоторое 
количество капиллярной, пленочной и гигроскопической влаги. 
4. Воздушно-сухие - сыпучие продукты. Получаются после высушивания на 
воздухе влажных продуктов. В них содержится только гигроскопическая влага. 
Влажность не превышает 5. 
5. Сухие - получаются в результате термической сушки при условии испарения из материала большей части гигроскопической влаги. Практически не 
содержат влаги. 
Влажные материалы в зависимости от форм связи и содержания влаги делятся на:  
1) коллоидные,  
2) капиллярно-пористые,  
3) капиллярно-пористые коллоидные.  
В коллоидных материалах влага осмотически связана и поглощена. При 
удалении влаги они значительно сжимаются в объеме (например, желатин). В 
капиллярно-пористых влага связана капиллярными силами (например, рудные 
концентраты, кварцевый песок, каменные угли). Капиллярно-пористые коллоидные - содержат влагу всех форм связи (торф, молодые бурые угли). 
Влагоудерживающая способность материалов зависит от удельной поверхности частиц и от энергии, расходуемой на взаимодействие с водой.  
Удельная поверхность бывает двух видов:  
1) массовая удельная поверхность - поверхность, приходящаяся на единицу 
массы;  
2) объемная удельная поверхность - поверхность, приходящаяся на единицу 
объема.  
10