Движущей силой технического прогресса является стремление к получению максимальной прибыли за счет снижения затрат при производстве товарной продукции. Поскольку все товары (материалы, энергоносители), производятся с использованием энергии, то энергосбережение и есть главный фактор успешного высокорентабельного бизнеса. Это в полной мере относится и к горно-обогатительному производству. Особенно если учесть, что уровень потребления энергии на единицу продукции в России в 3-5 раз выше, чем в высоко развитых странах мира.
В представленном докладе обосновывается концепция автора по вопросам энергосбережения при обогащении полезных ископаемых. Основанием постановки задач принципиального снижения энергопотребления являются фундаментальные законы физики, с одной стороны, и не всегда адекватная техническая реализация их в конкретных операциях обогащения, с другой стороны. Т.е. нарастает противоречие: физика позволяет радикально снизить энергозатраты, а современная техника и технология не обеспечивает этого снижения. Почему?
В сфере горно-обогатительного производства к основным технологическим операциям относятся: дробление, измельчение, гравитационное, магнитное, электростатическое разделение, флотация, обезвоживание и сушка конечных продуктов. Все операции связаны между собой транспортировкой перерабатываемой руды.
Все процессы разделения минералов в технологии обогащения основаны на использовании энергии гравитационного, магнитного или электростатического полей. Параметры взаимодействия поля и сепарируемых минералов определяются энергетическими характеристиками используемых полей и контрастностью физических свойств разделяемых частиц. Естественная заданность гравитационного поля Земли и контрастность минералов по плотности способствовали открытию первого способа обогащения – гравитационного – как наименее энергоёмкого. Всепроникающее свойство гравитационного поля является неотъемлемым фактором всех обогатительных процессов. Введенные в последующем в практику обогащения магнитные и электростатические поля ограничены пространством технических устройств – сепараторов, что приводит к ограничению их энергетических возможностей по передаче энергии сепарируемому потоку частиц (ограничению производительности).
Все главные технологические операции в обогащении полезных ископаемых обладают свойствами вероятностных процессов – дисперсией разделительного признака. Чем меньше дисперсия разделительного признака, тем выше его контрастность, тем больше вероятность реализации конечной цели той или иной технологической операции.
При дроблении и измельчении возникает необходимость повысить вероятность получения куском (частицей) руды достаточного разрушающего воздействия. В дробилках при монослойном расположении кусков между дробящими элементами (щеками) вероятность преобразования подведенной энергии в разрушающие напряжения равна единице. Вся энергия переходит в полезную работу и поэтому расход потребляемой электроэнергии минимален и составляет ~100 Вт·ч/т. В мельницах эффект монослойного расположения частиц между мелющими телами исчезает. Вероятность встречи каждой частицы с достаточным разрушающим воздействием уменьшается пропорционально увеличению числа частиц относительно неизменного числа дробящих элементов, несущих разрушающее воздействие. Поэтому приходится повторять попытки измельчения много раз за счет внутренней и внешней циркуляции. В результате расход энергии возрастает в десятки раз и достигает в целом на измельчение ~10-20 кВт·ч/т. Физически возможным представляется расход электроэнергии в этом переделе ~1-2 кВт·ч/т.
На основании законов физики легко показать, что на элементарный акт обогатительной операции разделения (гравитации, флотации, электро- и магнитной сепарации) руды необходимо затратить ~0,3 Вт·ч/т.
При гравитационном обогащении разделительный признак – плотность - со стопроцентной вероятностью задан природой. Неизменность параметров силового поля гравитации в объёме сепаратора также гарантирована природой. В этих условиях физически обоснованные затраты, как показано, составляют ~ 0,3 Вт·ч/т. Однако при технической реализации в водной среде расход электроэнергии увеличивается до 100-1000 Вт·ч/т. Магнитные методы обогащения также обеспечены природой достаточно высокой плотностью энергии поля и контрастностью магнитных свойств. Поэтому в подавляющем большинстве технически реализованных магнитных сепаратороврасход энергии составляет 10-100 Вт·ч/т.
При электросепарации вероятность отклонения частицы на заданную величину определятся уже несколькими вероятностями: меняющимися значениями напряжённости электрического поля, величины заряда и координаты. Чтобы реализовать вероятность достаточной напряжённости необходимо учитывать поле, образуемое суммарным зарядом сепарируемых частиц. Вероятностный характер распределения частиц по удельным зарядам требует дополнительных затрат энергии на обеспечение процесса электризации числом актов зарядки, повышением температуры или понижением влажности окружающей среды и сепарируемой смеси. В результате физически необходимые затраты энергии на электросепарацию ~ 0,3-1,0 Вт·ч/т возрастают до 100-1000 Вт·ч/т. Наконец, при флотации вероятность для частицы стать гидрофобной и перейти в концентрат (пену) равна произведению 4-х вероятностей:
- вероятность столкновения частицы с пузырьком;
- вероятность закрепления на пузырьке;
- вероятность удержания до выхода в пену;
- вероятность удержания в пене.
Для практической реализации всех этих вероятностей производят интенсивную аэрацию и перемешивание пульпы, введение флотореагентов и нагрев пульпы, увеличение времени флотации и количества перечистных операций. В результате практические затраты на флотацию эквивалентны ~ 100000 Вт·ч/т и более, т.е. в ~ 100000 раз больше теоретически необходимых http://mic....t-64-bit/.
Обезвоживание и сушка также обладают всеми свойствами вероятностных (массовых) процессов. Гравитационная влага – основной объём воды в продуктах обогащения, наиболее легко отделяется от твердых частиц именно за счет сил гравитации. Глубокое обезвоживание - сушка – в современном техничном исполнении основана на эффекте испарения большого числа молекул воды. При этом достижение 100% вероятности испарения требует затрат тепловой энергии на уровне удельной теплоты испарения (для воды – 2,3·106 Дж/кг). В результате при удалении 15% влаги расход энергии в электрическом эквиваленте достигает 285 кВт·ч/т высушиваемого продукта. К этому следует добавить, что вся энергия, расходуемая на нагрев пульпы и сушку концентратов (~ 400 кВт·ч/т), затем безвозвратно рассеивается в атмосферу – огромное тепловое загрязнение земной атмосферы.
Фабричный гидротранспорт: поскольку, расход воды на фабриках составляет обычно 10-20 м3 на 1 т перерабатываемой руды, то понятно что ~ 90% энергии по перемещению руды гидротранспортом (эксплуатационных и капитальных затрат в этой операции) тратится впустую на перекачку воды.
Именно по причине весьма больших физически необоснованных затрат на мокрое обогащение в научной среде давно появилась тенденция реализации сухих методов обогащения. Эта тенденция признана золотодобытчиками наиболее перспективной для разработки крупных месторождений с низким содержанием золота (менее 2 гр/т) с проектной мощностью до 40 млн. т/год по исходной руде.
На Урале ОАО «Ураласбест» по сухой технологии с весьма развитой схемой цепи аппаратов перерабатывает ~ 26 млн. т в год исходной руды. Себестоимость добычи и переработки 1 т руды составляет ~ 150 руб./т при расходе электроэнергии ~ 12-13 кВт·ч/т. При флотационном обогащении полевошпатовых руд этого же региона себестоимость производства составляет ~ 400 руб./т при расходах электроэнергии ~ 60-70 кВт·ч/т.
В большинстве случаев сухая технология будет включать:
1. Крупное, среднее и мелкое дробление на традиционном оборудовании до конечной крупности –6,0+0,0 мм с общими затратами электроэнергии 1÷2 кВт·ч/т.
2. Сухую магнитную сепарацию сильномагнитных руд (магнетит, титано-магнетит) в крупности –6,0+0,0 мм на сепараторах 2 ПБС-90/250 с производительностью до 300 т/ч и затратами энергии ~ 40 Вт·ч/т в одной операции, а в крупности –4,0+0,0 на сепараторах ПБСЦ-63/200 с затратами ~ 50÷100 Вт·ч/т.
3. Сухую магнитную сепарацию слабомагнитных минералов (ильменит, гематит, халькопирит и т.д.) на ниобий-железо-боровых магнитах с напряженностью 1,3-1,7 Тл с затратами электроэнергии ~ 50÷100 Вт·ч/т в одной операции.
4. Электрическую сепарацию (разделение по электропроводности) в крупности от –2 (3) мм до 0,02 мм на сепараторах типа СЭ-50/50, СЭ-70/140; СЭ-200/200 с единичной производительностью от 1 до 100 т/ч и удельными затратами 100÷300 Вт·ч/т в одной операции.
5. Сушку (нагрев) исходной руды перед обогащением с затратами от 0 до 5 кг условного топлива на 1 т руды. Нулевые затраты на сушку могут быть, например, при реализации открытого эффекта магнитного и электрического обогащения при отрицательных температурах (зимой), что особенно актуально для золотодобывающих компаний, работающих в районах крайнего севера. Разрабатываются и другие варианты физически обоснованных технических решений сушки до нулевой влажности с затратами энергии существенно ниже ныне реализуемых на практике.
6. Измельчение исходной руды от – 6 + 0,0 до – 0,3 + 0,010 мм может осуществлять на центробежно-отражательных дробилках типа ДЦ-1,25; ДЦ-1,6 с удельным расходом электроэнергии до 5 кВт·ч/т. С учетом изложенных выше физических принципов можно ожидать снижения затрат на измельчение (до -0,3 + 0,0 мм) до величины 1÷2 кВт·ч/т.
Основные выводы работы сводятся к следующему:
1. Общие (суммарные) затраты энергии на большинстве горно-обогатительных предприятий составляют в электрическом эквиваленте 300-400 кВт·ч/т исходной руды. При этом до 80% этой энергии обусловлено применением воды и рассеивается безвозвратно в атмосферу, предопределяя экологические и экономические проблемы.
2. Перспективы успешного бизнеса в этой сфере заключаются в скорейшем освоениисухих методов обогащения. Физические принципы и современные технические средства (сепараторы) позволяют снизить затраты по элементарным операциям обогащения до 10-100 Вт·ч/т, что позволяет создавать (проектировать) фабрики со сравнительно короткими технологическими схемами с затратами электроэнергии менее 10 кВт·ч/т исходной руды и себестоимости обогатительного передела менее 100 руб./т исходной руды.
3. Освоение сухих методов обогащения на основе современных высокопроизводительных магнитных и электрических сепараторов, способных работать при отрицательных температурах особенно актуально для развития успешного бизнеса в районах крайнего севера России (золото, полиметаллы и т.п.).