Решение проблем с водой для шахт и карьеров — использование технологии центрифуги с осветлителем и станцией дозирования полимеров

По мере старения шахт и карьеров горняки и операторы сталкиваются с проблемами водоснабжения, возникающими в результате промывки и переработки. Эти проблемы включают нехватку места для прудов, необходимость вести добычу под существующими прудами, нехватку воды из-за ограничений, спецификационные ограничения на воду, предназначенную для возврата в грунтовые воды, или даже слишком большое количество воды, загрязненной глиной и ультрамелкими частицами. 

Традиционным решением является использование фильтр-прессов и/или прудов-отстойников. Эта технология не только требует значительных капиталовложений, но и занимает большую площадь, требует постоянного присутствия оператора и постоянных эксплуатационных расходов, связанных с фильтрующими материалами. Прессы и пруды не являются переносными, а сопутствующие расходы на строительство/сооружения увеличивают капитальные затраты. Альтернативный вариант — просто отправлять хвосты в пруд — не является предпочтительным, так как это приводит к карантину значительной территории рудника.

Надежная и экономически эффективная альтернатива рассматривается здесь на примере двух испытаний пилотной установки, состоящей из осветлителя/дозатора полимеров и декантерной центрифуги, специально разработанной для работы в условиях горнодобывающей промышленности. Пилотная установка работала параллельно с фильтр-прессом эквивалентного размера в одном месте в течение недели и в другом месте в течение еще одной недели. Оба испытания показали впечатляющую степень сухости твердых частиц, минимальное использование полимеров и чистую жидкость в центрате.

Введение

В июле и августе 2022 года на двух отдельных, независимых площадках для промывки песка и гравия в юго-восточном Висконсине были проведены опытные испытания. Первая площадка находилась на Лисбонском карьере компании Lannon Stone Products, Inc. в Сассексе, штат Висконсин, и в дальнейшем упоминается как «Lannon». Как правило, на месте шахты находится обычная смесь ледниковых отложений, включающая осадки, глину и валуны, покрывающие доломитовый известняк, характерный для этого региона. Известняк содержит различное количество черта и глины.

На руднике Ланнон добывают строительный камень, а также песок и гравий. Гравий варьируется от наброски до горохового гравия и щебня. Песок подразделяется на различные виды: промытый песок для бетона, песок для кладки, подстилочный песок, песок для гольф-полей и сверхтонкий промытый песок. Ланнон отправляет использованную промывочную воду в осветлитель. С помощью станции дозирования Clearwater Industries Inc. в нее добавляют полимер, а затем дают отстояться в осветлителе.

Верхний поток осветлителя направляется непосредственно на промывочную установку, а нижний слив — по одному из двух маршрутов. Почти половина нижнего потока направляется непосредственно на новый камерный фильтр-пресс размером 2 х 2 метра, а остаток направляется в традиционные пруды-отстойники и накопители. Именно этот отводимый нижний поток служил источником сырья для центрифуги.

Обзор установки и настройка испытаний.

Вторая площадка находилась на центральном моечном комплексе компании Tri-County Paving, Inc. в Арлингтоне, штат Висконсин, и в дальнейшем именуется «Tri-County». Эта установка выполняет функции общего приемного, складского, смесительного и промывочного комплекса для нескольких карьеров и шахт — как в рамках деятельности компании Tri-County Paving, так и за ее пределами. Следовательно, ассортимент минералов будет несколько шире, чем в Lannon, но региональная геология диктует, что основная смесь моренных отложений, покрывающих доломитовый известняк, по-прежнему составляет большинство обрабатываемых материалов.  

Высокотехнологичное оборудование для смешивания и загрузки в Арлингтоне позволяет Tri-County предлагать своим клиентам продукцию по очень точным спецификациям с жесткими допусками. Вода из установки для промывки песка снова обрабатывается дозатором полимеров Clearwater Industries, после чего направляется в осветлитель Clearwater. Вода, переливающаяся из сепаратора, возвращается в отстойный пруд для промывочной воды, а нижний слив направляется непосредственно в одну из двух отстойных дамб для процеживания избыточной воды.  И снова нижний слив осветлителя был использован для подачи сырья на центрифугу. Процентное содержание твердого вещества в корме было гораздо выше, чем на участке в Lannon (обычно оно составляет около 55 % от массы сухого вещества).

Слева направо: арендованная генераторная установка, осветлитель Clearwater Industries с панелью управления центрифугой на шасси на переднем плане,

В обоих случаях (Lannon и Tri-County) существовала одна и та же необходимость в сепарации — использованная вода для промывки песка требовала удаления глины и ультратонких отложений, чтобы ее можно было использовать повторно. Весь песок промывается на промывочной установке, при этом промывочная вода, как ожидается, загрязняется органическими материалами, отходами взрывных работ, глиной и ультрамелкими частицами. 

Загрязненная вода не могла экономически выгодно храниться в прудах для испарения, а пруды занимали место, которое можно было бы с большей выгодой использовать для будущей добычи. Кроме того, вода не может быть возвращена в подземные источники в ее нынешнем виде. Также в обоих случаях владельцы шахты выбрали осветлитель, питаемый дозатором полимеров Clearwater Industries для обеспечения точного дозирования флокулянта.

Цель пилотных испытаний

Основной целью пилотных проектов была демонстрация того, что сочетание центрифуги с подходящим осветлителем и правильно откалиброванной станцией дозирования полимеров может успешно

1. восстанавливать промывочную воду для повторного использования,
2. производить твердые частицы, достаточно сухие для перегрузки и не требующие перекачки,
3. экономить или полностью исключить необходимость в пространстве для прудов-отстойников, при этом
4. работать экономично при минимальном контроле.

В ходе обоих испытаний пилотная установка была выведена на оптимальные рабочие характеристики в течение нескольких часов после установки, превысив целевые параметры испытаний. Была предоставлена возможность протестировать различные сценарии с использованием различных скоростей подачи и скоростей вращения барабана и спирали центрифуги. Это было сделано для того, чтобы выяснить, можно ли успешно достичь различных оптимальных сочетаний скорости подачи/разности скоростей вращения барабана центрифуги и спирали.   

Также были изучены изменения в дозировке полимера, что позволило определить, существует ли более одной оптимальной производственной настройки для каждого сценария объема/скорости. Чистота получаемого в результате центрата (жидкий слив) и сухость твердых частиц (DS) измерялись в сравнении с исходным сырьем при каждой настройке.  Станция дозирования осветлителя и центрифуга могут быть быстро откалиброваны, что позволяет нам запустить 18 отдельных сценариев «что-если» на каждом объекте.

Методология

Выбранная декантерная центрифуга Flottweg модели Z5E-4/451 была оснащена пакетом защиты от износа в условиях горнодобывающей промышленности, чтобы обеспечить защиту барабана, спирали и всех входных и выходных точек установки от износа от скольжения, характерного для горнорудного материала, содержащегося в нижнем потоке сепаратора.

Пилотные испытания включали в себя декантерную центрифугу, стальную подъемную стойку и панель управления.  В комплект также входил подающий насос со склада OEM-производителя, который поставлялся в комплекте с небольшим подающим баком. Подающий насос важен для поддержания положительного давления в подающем потоке. Небольшой подающий танк (хотя обычно он не требуется для испытаний) оказался удобен тем, что доступ к нему был сверху, и команда могла визуально контролировать подачу корма, подтверждая показания плотномера.   

Поток сырья, подаваемый в центрифугу, сопровождался следующими приборами, работающими в режиме реального времени: -

1. плотномер, регистрирующий процентное содержание взвешенных частиц в исходном сырье,
2. расходомер, регистрирующий количество американских галлонов в минуту общего потока сырья, и
3. расходомер, регистрирующий количество галлонов полимерного раствора в минуту, подаваемого в поток сырья.  Эта последняя линия также контролировалась дозатором полимера Clearwater Industries Inc, который очень точно дозировал полимер в этой линии и, соответственно, в потоке подаваемого сырья. 

Панель управления центрифуги подключена ко всем приборам и контролирует все аспекты работы. Немедленная и автоматическая регулировка производится с учетом изменений объема или плотности подаваемого сырья — главный регулятор выбирает необходимые изменения в оборотах барабана и/или спирали, их дифференциальную скорость, а также количество дозируемого полимера для поддержания стабильной производительности.  Подшипники также контролируются на предмет изменений вибрации, равно как и электропитание. 

При внезапном отключении питания центрифуга автоматически отключает подачу и сливает твердые частицы из барабана. Возобновление подачи питания в любое время приведет к автоматическому возвращению устройства в устойчивое производственное состояние, независимо от того, какая часть цикла отключения питания была прервана.

Иллюстрация приборов: а) плотность, б) скорость потока питания в минуту и в) дозатор полимера в галлонах в минуту

Анализ

На каждом объекте была создана полевая лаборатория для анализа сухого вещества (DS) в образцах сырья, центрата и кека. Дубликаты образцов также были отобраны для анализа в лабораториях Flottweg, которые провели дополнительные анализы, включая общий объем взвешенных частиц (TSS) в образцах сырья и центрата. Образец сырья и центрат были отправлены в лабораторию Clark Testing для анализа гранулометрического состава в США для испытаний в Tri County; и были измерены собственной лабораторией Flottweg в Германии для испытаний в Lannon.

Пример одной из 36 отобранных на месте проб сырья, твердых частиц и центрата

Нижний слив из осветлителя подавался в простой буферный танк, позволяющий оператору визуально контролировать подачу: опять же, обычно такой танк не требуется, но для пилотных проектов его выбрали просто потому, что он был доступен на шасси подающего насоса. Затем содержимое этого буферного танка непрерывно откачивалось из точки ответвления на линии. Давление подачи было незначительным, не более одного-двух бар (15-30 фунтов/кв. дюйм) положительного давления, чтобы центрифуга не испытывала нехватки входящего материала.

Центрифуга выгружает как твердые, так и жидкие потоки под действием силы тяжести. Периодические пробы потока сырья, твердых частиц и полученного центрата отбирались в соответствующие важные моменты испытаний.  Образцы также отправлялись в стороннюю лабораторию для получения данных о распределении частиц по размерам (PSD), как показано ниже:

Испытание центрифуги в Lannon: распределение частиц по размерам в Tri-County Типичные твердые частицы сырья для испытаний = от 26 % до 55 % твердых частиц

Подготовка полимеров

Полимер был приготовлен с помощью системы подготовки полимеров Clearwater. В качестве сухого полимера использовался CW95V в Tri County и CW16 в Lannon. Полимерный раствор с активной концентрацией 0,25 % был приготовлен и использовался в ходе пилотного испытания. Расход полимера рассчитывался исходя из расхода раствора полимера и расхода сухого вещества сырья. Единицы измерения расхода полимера указаны в фунтах активного полимера на сухую тонну твердого сырья (апт. фунт/сухая тонна).

Качество разделения

Качество разделения оценивается по извлечению взвешенных частиц, проценту общего количества твердых частиц в обезвоженном кеке и расходу полимера. Качество этих критериев определяется регулировкой рабочих параметров. Качество извлечения твердых частиц можно оценить визуально. Такая быстрая обратная связь позволяет оптимизировать процесс и сосредоточиться на получении максимально сухого вещества с приемлемым количеством центрата.

Очень удобообрабатываемфе сухие твердые вещества

Результаты

Диапазоны параметров и достигнутые характеристики приведены в таблицах 1 и 2. Все результаты отдельных испытаний приведены в приложении. Следует отметить, что испытание 8 в Три Каунти имело явно плохой центрат, а испытание 13 на том же участке показало ошибку в показаниях сухого вещества, и пробы не были отобраны.

Таблица 1. Диапазоны рабочих параметров.

Скорость/ускорение барабана	1292 - 1838	об/мин
	494 - 999	x г
Скорость подачи (мин-макс)	26 - 90	г/мин
	1578 – 18,739	сухой фунт/ч

Таблица 2. Диапазоны достигнутых результатов.

Центрат	0,040 – 0,221	% TS
	0,001 – 0,155	% TSS
Кек	69,3 – 77,1	% TS
Восстановление (TSS)	99,9 - 100	%

сила тяжести

Влияние силы тяжести на производительность изучается с помощью регулировки скорости вращения барабана при сохранении постоянных рабочих условий и параметров. Впоследствии крутящий момент регулируется для получения наиболее сухого кека. Твердое вещество кека варьировалось в пределах 69,3-77,1 % масс. TS, при этом более сухой кек наблюдался при более высокой силе тяжести. Результаты приведены ниже:

Дозирование полимеров

Поскольку полимер связывает твердые частицы вместе, количество дозируемого полимера влияет на достижимое разделение. Варьируя расход полимера при неизменных рабочих параметрах и условиях, можно построить полимерную кривую, которая используется для поиска оптимального окна дозирования полимера. Оптимальная доза полимера составила 0,20-0,27 фунтов на сухую тонну, при этом наблюдалось небольшое снижение достижимой сухости кека после увеличения дозы полимера до более 0,35 фунтов на сухую тонну.

Очень низкий объем полимера, необходимый для стабильного получения % сухого вещества, стал приятным подтверждением того, что обычно очень высокие дозировки, используемые в промышленности для вспомогательного разделения, являются излишеством и противодействуют разделению при чрезмерной дозировке.   Тщательное опробование при первоначальной установке обеспечит превосходное разделение при низкой дозировке.

Заключение

Декантерная центрифуга в сочетании с осветлителем / дозатором полимеров является очень экономичным и эффективным решением, позволяющим сэкономить до 90 % площади пруда или даже больше. До 90 % промывочной воды может быть восстановлено. Производится сыпучий материал, пригодный для транспортировки конвейером или грузовиком. Чрезвычайно хорошо показало себя регенерация воды, используемой для промывки песка и гравия, с помощью декантерной центрифуги с соответствующей защитой от износа в сочетании с осветлителем/подходящим дозатором полимера. Результаты, полученные на этих испытаниях в США, на 100% совпадают с результатами, полученными на многочисленных действующих установках в Европе.

Почти все (+99,9 %) взвешенные твердые частицы удаляются из промывочной воды, а выход твердых частиц можно высыпать и удалить ленточным, винтовым или грузовым конвейером. В устойчивом состоянии можно ожидать типичную сухость твердого вещества от ≥ 69 % до 77 % (массовая доля сухого вещества).

Дозировка полимера, необходимая для разделения, была минимальной.  Обычно нормой считается от 500 г до 2 кг на сухую тонну. Центрифуга смогла достичь извлечения твердых частиц +99,9 % и обезвоженного кека с 69 % - 77 % TS при дозировке полимера 0,1 -0,44 апт. фунт/сухая тонна (77-199 г на сухую тонну).  Были достигнуты стабильные скорости подачи от 26 до 90 галлонов в минуту (от 98 до 341 л/мин).  Это составляет от 5,9 до 20,4 м³/ч.

Центрат (жидкость) получается чистым и полностью пригодным для повторного использования в качестве промывочной воды, что позволяет шахте экономить до 90 % промывочной воды. Потребность в электроэнергии постоянна и предсказуема. Требуется очень мало контроля со стороны оператора и периодическое техническое обслуживание, а система имеет защиту от сбоев, что исключает негативное воздействие внезапных скачков твердых частиц в сырье, сбоев в подаче или перебоев в подаче электроэнергии.

Эрик Гентис, Flottweg Separation Technology, и Эндрю Гралтон, Clearwater Industries Inc.   
[Дополнительные материалы] Стефан Экер, Джо Лэмб, Терри Остром, Мартин Экл, Роберт Клуг, Тони Крамер и Дастин Миллер из компании Flottweg Separation Technology, а также владельцы и сотрудники компаний Lannon Stone Products, Inc. из Сассекса, штат Висконсин, и Tri-County Paving Inc. из ДеФореста, штат Висконсин, внесли свой вклад в подготовку этого отчета