پايان نامه کارشناسي ارشد
دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم تحقيقات يزد
دانشکده مهندسي معدن – فرآوري مواد معدني
عنوان:
فراوري زغال معدن زيرآب به روش فلوتاسيون و تأثير اندازه ذرات روي سنتيک فلوتاسيون زغال
نگارش: ميلاد خرزوقي خوش
استاد راهنما: دکتر علي دهقاني
سال تحصيلي:1394-1393
چکيده
در کشور ايران با توجه به ذخاير عظيم آهن و با توجه به مطالعات انجام شده و تاييد قابليت استفاده از آنها در توليد آهن، ذخاير زغال سنگ مورد توجه قرار گرفت.
کارخانه زغالشويي انجيرتنگه زير نظر شرکت البرز مرکزي بوده و با هدف شستشو و تغليظ (کاهش خاکستر) زغالسنگهاي استخراج شده از معادن اين شرکت براي توليد زغال با پارامترهاي مطلوب براي مصرف در کارخانه ذوب آهن اصفهان طراحي شده است. اين کارخانه خوراک خود را از معادن مختلفي چون کياسر، کارمزد و چند معدن ديگر تامين ميشود که متوسط خاکستر در خوراک ورودي کمتر از 30درصد ميباشد.
در واقع سالانه ميزان قابل توجهي از زغال در باطله جيگ و فلوتاسيون اين کارخانه به هدر ميرود. هدف اصلي از اين مطالعه تحقيق در مورد تأثير اندازه ذرات روي سنتيک کف فلوتاسيون براي معدن زيراب مي باشد. چهار نوع اندازه مختلف ذرات در اين پروژه با نگرش ويژه روي تأثير اندازه ذرات و غلظت واکنشگر آزمايش مي شوند. واکنشگرهايي که در حين عمليات فلوتاسيون بکار مي روند عبارتند از MIBC به عنوان کفساز و نفت1 به عنوان کلکتور.
در اين تحقيق آزمايشات فلوتاسيون بر روي چهار رنج ابعادي مختلف براي مواد باطله و کنسانتره صورت گرفت. آزمايش هاي صورت گرفته مشخص کردند که بازيابي بطور يکنواخت با افزايش مصرف واکنشگر ، در همه شرايط افزايش مي يابد.
چگالي پالپ تأثير چندان قابل توجهي روي بازيابي زغال در پالپ با محتوي 10 الي 20 درصد جامد ندارد. پالپ هاي با درصد جامد بالا در اين تحقيق مطالعه نشده است و ممکن است اثر گذار باشند.
براي مواد باطله کم کيفيت، تحت هر شرايطي بيشترين بازيابي در دبي هوادهي بالا بدست مي آيد و لذا غلظت مورد نياز به واکنشگر را کاهش مي دهد. مقدار هوا تأثير قابل توجهي در بازيابي ارگانيکي مواد با کيفيت کنسانتره ندارد. از آنجا که اين مواد به آساني فلوته مي شوند و احتمال برخورد به اندازه کافي بالا بوده و از طرفي احتمال جدايش به اندازه کافي پايين مي باشد، لذا تأثير هوادهي بالا ناچيز مي باشد.
براي ريزترين و درشت ترين ابعاد، غلظت واکنشگرها تأثيرات قابل توجهي روي مشخصات منحني ها با افزايش بازيابي و با سرعت بالا در ترازهاي بالاي واکنشگر بوجود مي آورند.

چکيده2
1- فصل اول: مقدمه7
2-1- تشکيل زغال سنگ11
2-2-کلياتي درباره زغالسنگ11
2-3- ويژگيها و عوامل مؤثر در طبقه بندي زغالسنگ ها12
2-4: کلياتي درباره ي کارخانه فلوتاسيون زغال زيراب14
2-4-1- معرفي معادن کارمزد زيرآب و کارخانه زغالشويي انجيرتنگه زيرآب14
2-4-2- کلياتي در مورد کارخانه زغالشويي زيرآب15
2-5- تعيين پارامترهاي فيزيکي نمونه ها17
2-5-1- مقدمه17
2-5-2- شاخص تورم آزاد19
2-5-3- تعيين مساحت سطح19
2-5-4- تعيين چگالي واقعي و ظاهري20
2-5-5- اندازه گيري انديس قابليت خردايش هاردگرو21
فصل سوم: تئوري فلوتاسيون زغال24
3-1- مقدمه24
3-2- طبقه بندي24
3-2-1- ساختمان زغال و پديده زغالي شدن24
3-2-2- گوناگوني زغال25
3-2-3- طبقه بندي درجه و رتبه زغال25
3-3- پيش فرض هاي تئوريکي در خصوص فلوتاسيون زغال26
3-3-1- تئوري فلوتاسيون26
3-3-2-ترموديناميک27
3-3-3- هيدرو ديناميک و سنتيک28
3-3-3-1- رخدادهاي مورد نياز براي فلوتاسيون29
3-3-3-2- زمان القاء30
3-3-3-3- احتمال فلوتاسيون و سنتيک هاي فلوتاسيون31
3-3-4- نقش اندازه ذرات در فلوتاسيون31
3-3-4-1- تأثير اندازه ذرات روي ترموديناميک ها و هيدروديناميک ها31
3-3-4-2- تأثير اندازه ذرات روي بازيابي32
3-3-4-3- رفتار فلوتاسيون براي ابعاد مختلف32
3-3-5- تأثير اندازه ذرات روي گزينش پذيري34
3-3-5-1- مشکلات فلوتاسيون ذرات ريز34
تداخل34
3-4- فلوتاسيون زغال35
3-4-1- بازنگري کلي35
3-4-1-1- سنتيک ها – هيدروديناميک ها35
3-4-1-2- بازيابي36
3-4-1-3- ترموديناميک ها36
3-4-2- تأثير متغيرهاي مرتبط با زغال روي فلوتاسيون40
3-4-2-1- خصوصيات فيزيکي وشيميايي40
3-2-2-1-1- اثرات کلي درجه و رتبه زغال41
3-2-2-1-2 -تأثيرات منحصر بفرد پارامترهاي درجه و رتبه44
3-2-2-2- خصوصيات سطوح46
3-2-2-2-1- مشخصات سطح46
3-2-2-2-2 اجزاء سطح47
3-2-3- تأثير متغيرهاي سيستمي روي قابليت شناوري47
3-2-3-1- اندازه اجزاء47
3-2-3-2- واکنشگرها51
3-2-3-2-1- کف ساز ها51
3-2-3-2-2- کلکتورها51
3-2-3-3- چگالي پالپ52
3-2-3-4- سلول همزن و هوادهي53
3-2-3-5- مشخصات آب و PH53
3-2-4- گزينش پذيري54
فصل چهارم:آزمايشات فلوتاسيون58
4-1- مقدمه58
4-2- تجهيزات و مواد:58
4-3- آزمايشهاي فلوتاسيون مقدماتي59
4-3-1- فلوتاسيون حجمي:59
4-3-2- سنتيک هاي فلوتاسيون:61
4-4- سنتيک هاي فلوتاسيون براي سايز بندي هاي مشخص64
4-4-1- آزمايشهاي سنتيک آزمايشگاهي64
4-5- بر هم کنش اندازه ها67
4-6- نتايج و مباحثه پيرامون آزمايشهاي مقدماتي صورت گرفته69
4-6-1- نتايج بدست آمده از آزمايشهاي مقدماتي حجمي69
4-6-2- تأثير واکنشگرها70
4-6-3- تأثير چگالي پالپ76
4-6-4- تأثير دبي هوا77
4-7- نتايج بدست آمده از آزمايشهاي سنتيک مقدماتي77
4-8- نتايج مقدماتي بدست آمده80
فصل پنجم : نتايج آزمايشات سنتيک و مباحثه پيرامون آن82
5-1- مقدمه82
5-2- آزمايشهاي سنتيک فلوتاسيون82
5-2-1- بازيابي در مقابل زمان82
5-2-1-1- تأثير تراز واکنشگر82
5-2-1-2- تأثير اندازه ذرات89
5-2-1-3- تأثير مواد91
5-2-1-4- مباحثه93
5-2-1-5- وابستگي به ثابت سرعت95
5-2-1-6- تأثير تراز واکنشگر95
5-2-1-7- تأثير اندازه ذرات98
5-3- فعل و انفعال اندازه ها100
فصل ششم: نتيجه گيري109
6-1- مقدمه109
6-2- تأثير متغيرها در فلوتاسيون حجمي زغال109
6-2-1- تأثير واکنشگر ها109
6-2-2- تأثير چگالي پالپ110
6-2-3- تأثير هوادهي110
6-3- سرعت فلوتاسيون براي ذرات با ابعاد منحصر به فرد111
6-3-1- بازيابي در مقابل زمان111
6-3-1-1- تأثير واکنشگر ها111
6-3-1-2- تأثير اندازه ذرات111
6-3-1-3- تأثير مواد112
6-4- برهم کنش ابعاد112
6-5- تحقيق پيشنهادي112

فصل اول
مقدمـــه
1- فصل اول: مقدمه
زغال ماده سبک، شکننده و سياه‌رنگ باقي‌مانده از نيم‌سوختن چوب يا ديگر اندام‌هاي گياهي و جانوري است که قسمت اعظم ترکيبهاي آن‌ تبديل به کربن شده است. زغال ترکيبي از گوگرد، شيل، کائولن، کانيهاي رسي و کربناتي بوده و ترکيبهاي موجود در خاکستر زغال، سيليس، اکسيد آلومينيوم و ساير مواد مانند Fe2o3,Cao,Mgo ميباشد.
به دليل کيفيت پايين زغال در سالهاي اخير، نياز به شستشوي زغال افزايش يافته است. ناخالصي هاي موجود در زغال به دو دسته خاکستر و سولفور تقسيم مي شوند. هر چند ناخالصي هاي ديگري چون فسفر و نمک وجود دارند ولي مقدار آنها کم است[1].
بيش از 60 درصد زغال جهت توليد انرژي الکتريکي و حدود 25درصد آن جهت توليد کک متالوژيکي استفاده ميشود. زغال ککشو بايد مشخصات زير را داشته باشد [2]:
خاکستر:6%، رطوبت:5 %، گوگرد: %1، مواد فرار: %23،دانه بندي :23- ميليمتر
مواد معدني با عيار متوسط، عمدتا به نوعي آرايش براي جدا کردن باطله و افزايش کيفيت محصول براي ارائه به بازار نياز دارند. معمولا اين واحد فراوري نزديک چاه اصلي يا مدخل تونل اصلي احداث ميشود. قسمت عمده باطله اي که به همراه کانيهاي مفيد استخراج ميشود شامل ديواره، سقف و کف ميباشد و بخشي از آن ممکن است به صورت ناخالصي و مواد زائد درون رگه يا لايه باشد که باطله همراه زغالسنگ بيشتر مربوط به قسمت دوم ميباشد. اين مواد طي مراحل کانه آرايي از مواد مفيد جدا وکنسانتره نهايي بدست مي آيد.
در کشور ايران با توجه به ذخاير عظيم آهن و باتوجه به مطالعات انجام شده و تاييد قابليت استفاده از آنها در توليد آهن، ذخاير زغال سنگ مورد توجه قرار گرفت. به نحوي که با توجيه اقتصادي ايجاد کارخانه ذوب آهن، معادن زغالسنگ متعددي در مناطق البرز و کرمان فعال و کارخانه هاي تغليظ زغال براي توليد با مشخصات مورد نياز صنعت راه اندازي شد که در اين ميان ميتوان به کارخانه زغالشويي انجيرتنگه اشاره کرد. سالانه ميزان قابل توجهي از زغال در باطله جيگ و فلوتاسيون اين کارخانه به هدر ميرود.
بطور سنتي زغال با روش جداسازي ثقلي فرآوري ميشده است، که اين روش بيشتر براي زغالهاي درشت (اندازه هاي با قطر بيش از يک ميليمتر) مناسب بوده است. زغال هاي ريز (ذرات با اندازه قطر کمتر از يک ميليمتر) بطور کلي دور ريز ميشدند. اين روش براي دهه گذشته مناسب بوده است که ذخاير عظيم زغال در دسترس بوده است. در صورتيکه، در دهه اخير کاهش قابل توجهي در ذخاير ذغال مخصوصا ذخاير با کيفيت زغال مشاهده شده است. بنابراين بازيابي و فرآوري زغالهاي ريز شامل بازيابي از باطله هاي روش هاي استخراج سنتي پر اهميت جلوه ميکند. علاوه بر اين به علت شرايط زمين شناسي، مقدار ذرات ريز در ذخاير رگه اي با قابليت معدني زغال به بيش از 35 درصد و براي ديگر ذخاير به 60 درصد ميرسد[1]. لذا بکارگيري روشهاي فرآوري زغال هاي ريز رو به افزايش مي باشد[2].
چندين روش و محرک براي شستشو و خلوص زغال هاي ريز وجود دارد. افزايش قوانين سختگيرانه زيست محيطي ايجاب مي کند که ذرات ريز زغال را از نهر ها و رودخانه هاي جاري و از آبي که در پروسه فرآوري بکار رفته است، با بازگرداندن آن به سيکل توليد، بزداييم. افزايش توسعه اهداف تخصصي چون تبديل کردن به گاز، تبدبل به مايع و سوخت هاي فسيلي در اين دوره روي داده است. علاوه بر اين پروسه فرآوري زغال هاي ريز ممکن است فقط بوسيله کاهش و تقليل تراز سولفور از اکثر زغال ها بوسيله زدودن بسيار دقيق پيريت هاي پراکنده شده صورت گيرد[3].
پروسه فرآوري زغال ريز بسيار پيچيده تر و پرهزينه تر از شستشوي زغال هاي درشت ميباشد. عمليات فلوتاسيون موثرترين روش براي عمل آوري زغال هاي ريز مي باشد، هر چند كه به استناد خصوصيات سطحي زغال همچون آگلومراسيون روغن در سالهاي اخير مورد توجه قرار گرفته اند. زغال ريز بطور كلي در يك مرحله پروسه فلوتاسيون انبارشي كه در آن هيچ طبقه بندي اوليه در خوراك صورت نگرفته باشد، عمل ميآيد. اگرچه در بيشتر موارد بهتر است بوسيله عمليات جداسازي شكستگي هاي اندازه مختلف يا در نهايت بوسيله شناسايي اندازه هاي مختلف كه رفتارهاي متفاوت دارند، شرايط چرخشي عمليات را فراهم سازيم[4].
سنتيك كف فلوتاسيون براي اندازه هاي مختلف شكستگي هاي زغال بخوبي شناخته نشده است. شايد زمان ماندگاري در سلول فلوتاسيون براي شكستگي هاي اندازه مختلف تغيير كند، تغيير هاي كوچك در مسير چرخش فلوتاسيون مي تواند در سرتاسر پروسه مفيد باشد. اندازه هاي مختلف مي توانند در سرعت هاي مختلف بسته به نوع و غلظت واكنشگرها بازيابي گردند. براي مثال، فلوتاسيون منحصر بفرد براي شكستگي هاي با اندازه باريك مي تواند سبب افزايش بازيابي زغال براي اندازه مذكور با افزودن عامل واكنشگر مهيا كند، در صورتيكه فلوتاسيون انتخابي براي ديگر اندازه ها در مخزن موازي سلول هاي كف فلوتاسيون ممكن است بي ثمر باشد. اضافه مي گردد كه فلوتاسيون منحصر به فرد اندازه هاي مختلف، ‌فعل و انفعال ميان اندازه هاي مختلف ذرات ريز نسبت به سنتيك هاي فلوتاسيون هنوز ناشناخته مانده است. فلوتاسيون جدايشي شكستگي هاي با اندازه هاي منحصر بفرد مي تواند با انتخاب بهتر، بازيابي بهتر و يا هر دو با بكارگيري حداكثري ظرفيت طرح فلوتاسيون به بهبود بهره وري تفكيك منتهي شود. بكارگيري سرعت فلوتاسيون براي ارزيابي و بهبود كارايي پروسه فلوتاسيون زغال بطور كلي ناديده گرفته شده است[3].
در فلوتاسيون زغال سرعت فلوتاسيون و مقادير مربوط به قابليت توليد و بهره وري سلول بر حسب تن بر كيلو وات ساعت و تن بر متر مكعب حجم سلول نسبت به عمليات فلوتاسيون خيلي از كاني ها بسيار مهم و با اهميت مي باشد. اين امر به علت مقدار واحد پايين زغال و هزينه بالاي مرتبط با آن در عمليات فلو تاسيون در مقايسه با ديگر روشهاي زغالشويي مي باشد[5].
اين تحقيق شامل 6 مي باشد. در فصل دوم ابتدا کلياتي از کارخانه فلوتاسيون و تعيين پارامترهاي فيزيکي نمونه بيان مي شود. سپس در فصل بعدي تئوري فلوتاسيون زغال بيان مي شود و بدين ترتيب در فصل چهارم روند آزمايشات صورت گرفته توصيف مي شود. فصل پنجم آزمايشات سنتيک و نتايج آن رابيان مي کند و در نهايت نتيجه گيري محتواي فصل ششم را شکل مي دهد.

فصل دوم
کلياتي درباره ي کارخانه فلوتاسيون زغال و تعيين پارامترهاي فيزيکي نمونه
2-1- تشکيل زغال سنگ
به طور کلي زغالسنگ طي دو مرحله تشکيل مي شود. در مرحله اول مواد گياهي در داخل باتلا قهاي خاصي رسوب مي کنند و پس از تغيير و تحولاتي تورب ايجاد مي شود. در مرحله دوم، تورب حاصله به وسيله رسوباتي که بعدها کمربالاي آن را تشکيل مي دهند پوشيده مي شود و بعد از تغييرات فيزيکوشيميايي، انواع زغالسنگها را به وجود مي آورد.
تغييرات فيزيکو شيميايي تورب پس از مدفون شدن در زير رسوبات يا به عبارت ديگر فرآيند تبديل تورب به انواع زغالهاي قهوه اي، نيمه بيتومينه، بيتومينه، نيمه آنتراسيت و آنتراسيت را زغالي شدن2 يا دگرگوني زغال مي گويند. اين تغييرات تحت تأثير دم ، فشار و زمان ايجاد مي شود.
تغييرات مرحله دگرگوني زغالسن گها طي دو مرحله بيوشيميايي و ژئوشيميايي انجام مي گيرد. در مرحله بيوشيميايي، مواد گياهي انباشته شده در باتلاق در اثر عملکرد باکتريهاي بي هوازي تجزيه مي شوند و تورب را به وجود مي آورند. در مرحله ژئوشيميايي تورب حاصله در اثر فشارهاي قائم طبقات در برگيرنده و گرماي درون زمين، دگرگون مي شود و زغالسنگهاي مختلف به وجود مي آيند [6].
2-2-کلياتي درباره زغالسنگ
با توجه به شرايط زمين شناسي تشکيل زغال سنگ و ميزان ترکيبات همراه آن، زغالسنگ داراي انواع متنوعي بوده و از سوخت هاي داراي پتانسيل آلودگي بالا به شمار مي رود. براي کاهش اثرات مخرب زيست محيطي ناشي از مصرف زغالسنگ، زغال خام استخراج شده از معدن تحت عمليات فرآوري قرار گرفته و با حذف ترکيب هاي همراه، زغال سنگ نسبتا پاکي به عنوان سوخت توليد مي گردد که داراي اثرات سوء زيست محيطي کمتري مي باشد. از سوي ديگر بدنبال خارج سازي ترکيب هاي مضر اعم از ترکيب هاي معدني و آلي از زغال در کارخانجات زغالشويي و فرآوري زغال، باطله ها و پساب هاي چنين کارخانجاتي نيز باعث آلودگي محيط زيست مي شوند. به طور کلي آلودگي ناشي از زغالسنگ را مي توان در سه گروه باطله هاي جامد، پساب ها و انتشار گاز خلاصه نمود که هر آلودگي صرف نظر از دسته بندي فوق مي تواند اثرات زيست محيطي خاصي را دارا باشد. در جدول (2-1) به ترکيب شيميايي و محتواي انرژي زغالسنگ هاي مختلف اشاره شده است [6].
جدول 2-1 : ترکيب شيميايي و محتواي انرژي زغال سنگ ها با درجات مختلف[6]
2-3- ويژگيها و عوامل مؤثر در طبقه بندي زغالسنگ ها
زغالسنگ ها ويژگيهاي مختلف شيميايي و فيزيکي دارند که بر اساس آنها انواع زغالسنگ ها را از تورب تا آنتراسيت طبقه بندي مي کنند. هيچ يک از اين پارامترها را نمي توان به تنهايي براي طبقه بندي مورد استفاده قرار داد بلکه همواره مجموعه هايي از اين ويژگي ها براي طبقه بندي زغال به کار مي رود. براي طبقه بندي زغال در کشورهاي مختلف از پارامترهاي متفاوتي استفاده مي شود [7].
پارامترهايي که در همه جا به کار مي روند عبارتند از:
– رطوبت3
– خاکستر4
– مواد فرار5
– درصد کربن 6
– ارزش حرارتي7
– قابليت انعکاس نوري ويترينيت8
1. رطوبت : رطوبت در زغالسنگ به دو صورت ظاهري و آناليتيکي وجود دارد. رطوبت ظاهري ممکن است به حالت اتفاقي و پس از استخراج به ترکيب زغالسنگ ها وارد شود ولي رطوبت آناليتيکي، رطوبت بين مولکولي است که در زغالسنگها وجود دارد.
مقدار رطوبت آناليتيکي زغالسنگ ها در مراحل اوليه دگرگوني سريعاً کاهش مي يابد و در زغالسنگ هايي که دگرگوني بيشتري را تحمل کرده اند يک درصد است تقريباً ثابت و برابر 5/0 تا5/1 در صد است.
2. خاکستر : در ترکيب تمام زغالها کمابيش مقداري مواد غير آلي وجود دارد که پس از احتراق به صورت خاکستر باقي مي ماند. بخشي از اين مواد غير آلي مربوط به مواد معدني موجود در ماده اصلي گياهان است، که به آن خاکستر متن مي گويند و بخش ديگر موادي است که در حين استخراج از کمربالا و يا کمرپايين به زغالسنگها اضافه مي شود که اين بخش، خاکستر آواري نام دارد. از آنجا که ساختار لايه هاي زغالي يکسان نيست، لذا در حين استخراج لايچه هاي ناخالصي نيز اضافه مي شود که به آن خاکستر همراه مي گويند.
3. مواد فرار : قديمي ترين طبقه بندي زغالسنگها بر اساس ميزان مواد فرار (در نمونه خشک بدون خاکستر) انجام مي گرفت. ميزان مواد فرار زغالسنگ با افزايش دگرگوني کاهش مي يابد. به دليل اختلافات قابل توجه در اختصاصات شيميايي ماسرالها اين ويژگي را نمي توان به تنهايي به عنوان يک پارامتر دقيق و مناسب در طبقه بندي زغالها ملاک عمل قرار داد
4. درصد کربن ، هيدروژن و اکسيژن: کربن، هيدروژن و اکسيژن سه عنصري هستند که ترکيب اصلي زغال را تشکيل مي دهند. ميزان کربن ثابت زغالسنگ ها با افزايش دگرگوني، افزايش مي يابد و از ميزان اکسيژن و هيدروژن آن کاسته مي شود.
5. ارزش حرارتي : مقدار حرارتي که در اثر سوختن يک کيلوگرم زغالسنگ ايجاد مي شود، ارزش حرارتي نام دارد. با افزايش رده دگرگوني، ارزش حرارتي نيز افزايش مي يابد. ارزش حرارتي زغالسنگ ها در اثر اکسايش کاهش مي يابد.
6. قابليت انعکاس نوري ويترينيت : ميزان بازتاب نور از سطح ويترينيت ها، قابليت انعکاس نوري ويترينيت ناميده مي شود. با افزايش درجه زغالي شدن (دگرگوني)، قابليت انعکاس نوري ويترينيت نيز افزايش مي يابد.
2-4: کلياتي درباره ي کارخانه فلوتاسيون زغال زيراب
کانسار زغال زيرآب در شمال ايران در استان مازندران واقع است. معدن کارمزد در 15کيلومتري زيراب و در طول جاده زيراب_آلاشت قرار دارد. کارخانه زغالشويي انجيرتنگه زير نظرشرکت البرزمرکزي بوده و با هدف شستشو و تغليظ (کاهش خاکستر) زغالسنگهاي استخراج شده از معادن اين شرکت براي توليد زغال با پارامترهاي مطلوب براي مصرف در کارخانه ذوب آهن اصفهان طراحي شده است. در حال حاضر کارخانه در صورت وجود خوراک مورد نياز با ظرفيت سالانه 200000تن در سال (70 تن کنسانتره در ساعت) و به نحو روزانه دو شيفت کار ميکند. در اين کارخانه از روش ثقلي جيگ و فلوتاسيون استفاده ميشود [4].
2-4-1- معرفي معادن کارمزد زيرآب و کارخانه زغالشويي انجيرتنگه زيرآب
کانسار زغال زيراب در استان مازندران واقع شده است. معدن کارمزد در 15کيلومتري زيراب و در طول جاده زيراب_آلاشت قرار دارد. گسترش طولي معادن کارمزد در حدود 10کيلومتر مي باشد.
کارخانه زغالشويي انجيرتنگه زير نظرشرکت البرز مرکزي بوده و با هدف شستشو و تغليظ (کاهش خاکستر) زغالسنگهاي استخراج شده از معادن اين شرکت براي توليد زغال با پارامترهاي مطلوب براي مصرف در کارخانه ذوب آهن اصفهان طراحي شده است. اين کارخانه در سال1367 تاسيس گرديد و در استان مازندران-شهرستان سوادکوه-شهر زيراب و در محل انجيرتنگه در فاصله 3کيلومتري غرب جاده آسفالته قائم شهر- تهران و در 45 کيلومتري جنوب شهرستان قائمشهر و 185کيلومتري تهران واقع شده است[4].
2-4-2- کلياتي در مورد کارخانه زغالشويي زيرآب
کليه تجهيزات کارخانه براي فراوري زغالسنگ در يک ساختمان و در 4طبقه قرارگرفته است. هدف از اجراي پروژه تاسيس کارخانه زغالشويي زيراب، شستشوي زغالسنگ استخراجي از معدن کارمزد و کارسنگ بود که بعدها با گسترش معدن کياسر، زغالسنگ استخراجي از اين معدن نيز براي شستشو به اين کارخانه آورده شد. همچنين زغالسنگهاي استخراج شده از بعضي معادن متفرقه نيز براي شستشو وارد اين کارخانه مي شوند. بطورکلي اساس فراوري زغالسنگ در اين واحد زغالشويي را 3 روش سنگ جوري، روش ثقلي(جيگ) و فلوتاسيون تشکيل مي دهد.
زغال ورودي توسط سرندهاي ثابت و لرزان به 3 دسته تقسيم مي شود:
1) ذرات درشت تر از 80 ميليمتر (خوراک قسمت سنگجوري)
2) ذرات بين 80-5/0 ميليمتر (خوراک قسمت جيگ)
3) ذرات ريزتر از 5/0 ميليمتر (خوراک قسمت فلوتاسيون)
محصول کارخانه(کنسانتره) از چند قسمت از کارخانه خارج ميشود:
1- کنسانتره با ابعاد درشت تر از 80 ميليمتر (محصول قسمت سنگجوري)
2- کنسانتره با ابعاد80-13 ميليمتر (محصول قسمت جيگ)
3- کنسانتره با ابعاد 13-5/0 ميليمتر (محصول آبگيري شده توسط سانتريفيوژ)
4- کنسانتره با ابعاد ريزتر از 5/0 ميليمتر (محصول بخش فلوتاسيون)
آب مصرفي به طور متوسط 40 مترمکعب در ساعت و برق مصرفي کارخانه حدودا يک مگاوات در ساعت ميباشد[4]. بار ورودي به کارخانه داراي خاکستر 33-27 درصد است که پس از شستشو در کارخانه به 11-10 درصد خاکستر مي رسد و آماده ارسال به کارخانه ذوب آهن مي شود.
2-4-3- ظرفيت کارخانه
ظرفيت اسمي کارخانه طبق طراحي حدود 500000 تن در سال و به صورت دو شيفت کاري در روز (120 تن کنسانتره در ساعت) و به صورت سه شيفت کاري در روز 685000 تن در سال ميباشد. البته در حال حاضر کارخانه در صورت وجود خوراک مورد نياز با ظرفيت 70 تن کنسانتره در ساعت و به نحو روزانه دو شيفت کار ميکند.[3]
2-4-4- مطالعات انجام شده بر روي باطله کارخانه هاي زغالشويي
يکي از روشهاي افزايش بازيابي زغال، استحصال آن از باطله کارخانه هاي زغالشويي است. در ايران نيز مطالعاتي جهت انجام امر فوق صورت گرفته است.
استحصال زغال از باطله کارخانه زغالشويي البرز شرقي
در اين کارخانه از روش هاي ثقلي و فلوتاسيون جهت فراوري زغال استفاده ميشود. براي ذرات 1+ ميليمتر از جيگ و براي ذرات 1- ميليمتر از فلوتاسيون استفاده مي شود. خاکستر بار ورودي بين 41-39 درصد ميباشد. به دليل تغيير منابع تامين زغال از معادن تزره و ممدويه و ساير معادن، شاهد تغييرات قابل توجهي در عيار خاکستر خوراک کارخانه هستيم.

استحصال زغال از باطله جيگ کارخانه زغالشويي البرز شرقي
در مطالعات مشخص گرديد که عملا نيل به کنسانتره اي با درصد خاکستر کمتر از 12درصد ممکن نبود اما باطله جيگ کارخانه با خاکستر تقريبي 60 درصد را ميتوان تا 25 درصد خاکستر کاهش داد. در ادامه نشان داده شد که بهترين روش توليد کنسانتره با عيار کمتر از 12درصد، فلوتاسيون است که زغال حاوي خاکستر به ميزان تقريبي 30 درصد مورد فرايند قرار مي دهد بنابراين ميتوان کنسانتره حاصل از عمليات جيگ کردن مجدد باطله بخش جيگ کارخانه را به همراه بار ورودي به بخش فلوتاسيون در کارخانه تغليظ نمود. در عمل ميتوان اميدوار بود، 15 تا 20درصد وزني از باطله دپو شده جيگ کارخانه را به خاکستر 30درصد رساند و با عنوان بار ورودي به بخش فلوتاسيون کارخانه در نظرگرفت[5].
2-5- تعيين پارامترهاي فيزيکي نمونه ها
2-5-1- مقدمه
هدف اصلي از اين مطالعه تحقيق در مورد تأثير اندازه ذرات روي سنتيک کف فلوتاسيون براي معدن زيراب مي باشد. چهار نوع اندازه مختلف ذرات براي مواد باطله و کنسانتره در اين پروژه با نگرش ويژه روي تأثير اندازه ذرات و غلظت واکنشگر آزمايش مي شوند. آزمايشهاي کف فلوتاسيون با ماشين فلوتاسيونDenver با ظرفيت 5 ليتر صورت گرفته است. واکنشگرهايي که در حين عمليات فلوتاسيون بکار مي روند عبارتند از MIBC به عنوان کفساز و kerosene به عنوان کلکتور.کليه فرايند کارخانه در پيوست 1 نشان داده شده است.
آزمايش مقدماتي کف فلوتاسيون روي دو نوع زغال صورت گرفت. هدف از اين کار تثبيت متغيرهاي مهم موثر در کارايي فلوتاسيون بود. بنابراين استراتژي طرح آزمايشگاهي توسعه و گسترش يافت.آزمايشهاي مقدماتي شامل يک مرحله فلوتاسيون با آناليز خاکستر روي محصول و باطله بود. اندازه هاي مذکور عبارتند از:
* 48×24 ( 300 تا 600 ميکرون)،
* 100×48 ( 150 تا 300 ميکرون)،
* 325×100 ( 45 تا 150 ميکرون)،
* زير 325 (زير 45 ميکرون).
آناليز اندازه هر دو گروه فوق الذکر در جدول 2-1 آمده است و بصورت گرافيکي در شکلهاي 2-1 (a) و 2-1(b) نشان داده شده است. بررسي اين شکلها نشان مي دهد که مواد باطله بسيار ريز تر از مواد کنسانتره هستند. در جدول 2-2 نيز در صد خاکستر براي هر يک از ابعاد آمده است.
جدول 2-1- آناليز اندازه مواد باطله و کنسانتره
عبور کرده تجمعي(%)درصد عبور کرده (%) سايز الک (ميکرون)سايز الک تيلور (مش) کنسانترهباطلهکنسانترهباطله10010079/3138/316002821/6862/8144/2276/173004877/4786/6396/1418/1315010081/3068/5084/785/77520097/2283/4297/2283/4245325
شکل 2-1:گرافيک آناليز اندازه ذرات
جدول 2-2- درصد خاکستر براي هر يک از مواد باطله و کنسانتره
درصد خاکستر(%) سايزبندي ابعاد (مش) کنسانترهباطله1/225/4448×281/212/48100×488/2139325×1009/324/45زير 325 مش
2-5-2- شاخص تورم آزاد
شاخص تورم آزاد براي هر کدام از اندازه ها بر اساس استاندارد ASTM D720-91 بدست آمده است. اين روش يک متد کوچک مقياس مي باشد که نتايج آن مي تواند براي تعيين مشخصات يک قالب زغال وقتي که آن به عنوان سوخت مي سوزد مفيد باشد. آن همچنين مي تواند براي بدست آوردن يک معيار جهت درجه اکسايش زغال مفيد باشد. جدول 5-3 شاخص تورم آزاد براي نمونه ها را نشان مي دهد. سه اندازه درشت مواد کنسانتره مقادير شاخص تورم آزاد قابل قبولي را نشان مي دهند، درصورتي که باقيمانده اندازه ها قابل قبول نيستند و آن بيانگر اين است که آنها مواد کک آور بسيار ضعيفي هستند.
جدول 2-3- شاخص تورم آزاد
شاخص تورم آزادسايزبندي ابعاد (مش)کنسانترهباطله5/60/128×480/70/148×1000/50/2100×3250/10/1زير 325
2-5-3- تعيين مساحت سطح
مساحت سطح هر هشت اندازه مختلف با فرض ذرات کروي با تخلخل ثابت و با فرض وزن مخصوص براي هر ماده ( بر اساس محتوي خاکستر) مطابق عبارت ذيل محاسبه گرديد.
= وزن مخصوص
جدول 5-4 خلاصه مساحت سطح ذرات مختلف را نشان داده است.
مساحت سطح ذرات (m2/g)سايزبندي ابعاد (مش) کنسانترهباطله0095/00080/028×480190/00156/048×1000435/00385/0100×3251717/01563/0زير 325
2-5-4- تعيين چگالي واقعي و ظاهري
به منظور تعيين چگالي واقعي از پيکنومتر و براي افزايش دقت از نفت به عنوان مايع پرکننده استفاده شد. براي تعيين چگالي، نمونه هاي شاهد بدست آمده از هر سايز، تا ابعاد 2000ميکرون خرد شده و سپس مورد استفاده قرار گرفتند. با استفاده از رابطه زير ميتوان نتايج حاصل از آزمايش را به چگالي واقعي تبديل کرد[7].
رابطه (2-1)
:Poوزن پيکنومتر خالي
:P1وزن پيکنومتر حاوي نفت
: Ps وزن پيکنومتر با جامد
: Ps1وزن پيکنومتر حاوي جامد و نفت
1?: وزن مخصوص مايع پرکننده پيکومتر
بااستفاده از رابطه فوق، چگالي واقعي نمونه خوراک برابر با 915/1 گرم بر سانتي متر مکعب بدست آمد. به منظور محاسبه چگالي ظاهري، مقدار مشخصي از نمونه را داخل استوانه مدرجي ريخته و بدون تکانهاي شديد، حجم ماده داخل استوانه قرائت شد. در نتيجه با داشتن وزن ماده معدني و حجم قرائت شده، ميتوان چگالي ظاهري ماده معدني را محاسبه کرد.
وزن ماده معدني :5/215 گرم
ميانگين حجم نمونه پس از 4بار قرائت : 62/217 سانتي مترمکعب
چگالي ظاهري نمونه :6/217 ÷ 5/215 =1 گرم بر سانتي مترمکعب
اغلب چگالي واقعي 5/1-2 برابر چگالي ظاهري ميباشد. همانطور که در بالا ذکر شد، وزن مخصوص واقعي نمونه خوراک 93/1 است که 93/1 برابر وزن مخصوص ظاهري ميباشد.

2-5-5- اندازه گيري انديس قابليت خردايش هاردگرو
به منظور تعيين اين انديس ،يک نمونه 50گرمي از زغال در محدوده دانه بندي 600 تا 1180 ميکرون تهيه شد. نمونه داخل هاون آسياي هاردگرو که محتوي 8 گلوله است، ريخته شد. پس از 60 دور چرخيدن آسيا، زغال خردشده باسرند 75 ميکرون مورد آناليز سرندي قرارگرفت. سپس با استفاده از رابطه (2-2) و (2-3) مقدار HGI زغال مورد آزمايش تعيين گرديد[3].
(2-2)
(2-3)
: wوزن مواد عبور کرده از سرند75 ميکرون بر حسب گرم
: w1وزن مواد باقيمانده روي سرند 75 ميکرون برحسب گرم
نتايج آزمايش HGI بين 30 تا 100 است. طبقه بندي زير نشان دهنده نوع زغال ميباشد[3].
HGI>70=زغال نرم
HGI<70>50 =زغال متوسط
HGI<50>30 =زغال سخت
جدول2-5: نتايج آزمايشهاي تعيين انديس هاردگرو
با توجه به نتايج بدست آمده از جدول 2-5، ميتوان زغالسنگ موجود در مخلوط سد باطله هاي جيگ و فلوتاسيون را در بين زغال هاي نرم طبقه بندي نمود. با توجه به کيفيت نامطلوب زغال براي تبديل شدن به کک، نياز به انجام فراوري به منظورکاهش درصد خاکستر و افزايش کيفيت آن ضروري مي باشد.

فصل سوم
تئوري فلوتاسيون زغال
فصل سوم: تئوري فلوتاسيون زغال
3-1- مقدمه
سوخت هاي فسيلي از منابع مهم و متداول توليد انرژي در صنعت به شمار مي روند که عمدتاً شامل نفت، گاز طبيعي و زغال سنگ مي باشند. در اين ميان به علت محدود بودن ذخاير گاز طبيعي و عدم دسترسي اکثر کشورها به آن، عمده ترين سوخت هاي رايج در جهان نفت و زغال سنگ بوده که انتظار مي رود بعلل روند رو به زوال توليد نفت، شيوه تشکيل بسيار ساده زغال سنگ و وفور منابع آن، توليد زغال سنگ در آينده رشد بسيار زيادي داشته باشد. از طرف ديگر به دليل آنکه توليد و مصرف زغال سنگ مسايل زيست محيطي بيشتري را نسبت به سوخت هاي ديگر در بردارد بايستي بررسي هاي اجمال در خصوص به حداقل رساندن ميزان نشر آلاينده هاي ناشي از توليد و استفاده از اين سوخت ارزشمند، به عمل آيد [8].
3-2- طبقه بندي
3-2-1- ساختمان زغال و پديده زغالي شدن
بصورت تشريح کلي، زغال به عنوان سوخت فسيلي جامد کاربرد دارد، رنگ آن سياه يا قهوه اي مي باشد که بطور برجسته از آلتراسيون گياهان تشکيل يافته است و معمولا بصورت رگه هايي در داخل ديگر لايه هاي جامد رخنمون پيدا مي کند. زغال از تجزيه بيولوژيکي گياهان در شرايط زيست محيطي مناسب و سازگار با تغييرات فيزيکي و شيميايي تشکيل مي شود. فاکتورهاي بيولوژيکي نقش مهمي در مرحله اول پروسه زغالي شدن ايفا مي کنند. دماهاي بالا درجه زغالي شدن و سرعت اين تبديل را تسهيل مي کنند. بطور کلي زغالي شدن بصورت يک تغيير و تبديل پيوسته گياهان با هر فاز مشخص بوسيله يک درجه معين، سنجش درجه زغالي شدن پيش مي رود. اين درجه و رتبه بطور کلي تحت قالب گروه هاي ذيل ترقي مي يابد: زغال سنگ نارس9 ، زغال قهوه اي، زغال سنگ چوب نما10 ، زغال هاي قيري11 و زغال سنگ خشک و خالص (آنتراسيت) [7].
3-2-2- گوناگوني زغال
تغييرات خصوصيات فيزيکي و شيميايي زغال بسيار عظيم است. درجه زغالي شدن بطور کلي با افزايش عمق افزايش مي يابد، بطوريکه در درون يک ذخيره يکسان ( و برخي مواقع در درون يک رگه مشابه) تغييرات زيادي در خصوصيات آن اتفاق مي افتد. از اينرو، هنگام تفسير نتايج مطالعات زغال مي بايست مراقبت نمود. نتايج و نتيجه مشاهدات مربوط به يک زغال ممکن است براي نوع ديگر قابل کاربرد نباشد.
3-2-3- طبقه بندي درجه و رتبه12 زغال
چندين طبقه بندي براي رنکينگ گروه هاي مختلف زغال ارائه شده است. از آن جمله سيستم ASTM آمريکا يک طبقه بندي منحصر بفرد قابل قبول ارائه کرده است (جدول 3-1)که در آمريکاي شمالي کاربرد دارد. طبقه بندي براي اهداف علمي بسيار مناسب و کاربردي است، اگرچه درجه و رتبه فاکتور مهمي در آماده سازي زغال مانند بکارگيري و کاربرد زغال نمي باشد. اگرچه خصوصيات براي مشخص کردن درجه و رتبه به منظور مقايسه درجه خلوص انواع مختلف زغال بکار مي رود [8].
در همه کشورها سيستم طبقه بندي بر اساس حجم ماده بخار شونده ( يعني ماده اي که در دماي حدود 950 درجه سانتيگراد از زعال متصاعد مي شود) صورت مي گيرد. طبق رده بندي ذيل، درجه و رتبه زغال با کاهش حجم ماده بخار شونده افزايش مي يابد. زغال کک يا قيري حجم ماده بخار شونده متوسط (31-22 درصد)، زغال قيري با حجم ماده بخار شونده پايين (22-14 درصد)، شبه آنتراسيت (14-8 درصد) و آنتراسيت (8 درصد)
جدول 3-1: طبقه بندي بر اساس درجه زغال در استاندارد ASTM
ارزش گرمايي (الف)(Mj/Kg mmmf) مواد فرار (%dmmt) کربن ثابت (%dmmt)گروهکلاس ? <? <? < 298 متاآنتراسيتالف آنتراسيت 289298 آنتراسيت 9149692نيمه آنتراسيت 14227986بيتومن فرارب بيتومن 22316978بيتومن متوسط فرار140003169بيتومن پر فرار الف1300014000بيتومن پر فرار ب1150013000 بيتومن پر فرار ج1060011500 نيمه بيومتن الف ج – نيمه بيتومن950010500نيمه بيومتن ب 83009500 نيمه بيومتن ج 63008300 لينگنيت الف د- لينگنيت 6300 لينگنيت ب 3-3- پيش فرض هاي تئوريکي در خصوص فلوتاسيون زغال
3-3-1- تئوري فلوتاسيون
پروسه فلوتاسيون هرچند که پيچيده است، مي تواند در قالب چند زير فعاليت متصور شود. ساختار شکست قابل قبول براي اين زير فعاليت ها عبارتند از [9] :
1- مقدمه اي بر خوراک متريال
2- پيوستگي و چسبندگي اجزاء توسط حباب ها
3- حمل و نقل ميان پالپ و کف و
4- تفکيک محصول فلوتاسيون و باطله ها.
هرکدام از اين زير فعاليت ها مي توانند خود به ميکرو فعاليت هاي ديگري تقسيم مي شوند. مطالعه زير فعاليت هاي مختلف اختصاصا مي تواند براي معين کردن مکانيزم سراسري (يعني ترکيب مدلهاي تراز ميکرو به منظور توسعه مدل تراز ماکرو) مفيد باشد. تحقيقات اخير يک روند کلي در اين راستا را ارائه کرده اند.
نتيجه نهايي پروسه فلوتاسيون به سيطره و تسلط روي اجزاي هيدروفوبيک بوسيله حباب ها در فاز پالپ و انتقال موفق اگرگات در فاز کف بستگي دارد.
3-3-2-ترموديناميک
ترموديناميک تغييرات انرژي صورت گرفته در پروسه ها را بررسي و توصيف مي کند. در فلوتاسيون کف اين تغييرات شامل تشکيل فاز هاي جديد و جذب سطحي در وجه مشترک سطوح مي باشد. ترموديناميک يک مفهوم تعادلي است. ترموديناميک در هر صورت يک تغيير مشخص که امکان پذير است را پيش بيني مي کند اما اطلاعات آن را روي نرخ تغيير (يعني سنتيک) در اختيار قرار نمي دهد. علي رغم اين محدوديت ها، ترموديناميک در پيش بيني اينکه آيا يک جامد با کيفيت مناسب و قابل قبول محصور شده است تا فلوتاسيون توانمند روي دهد يا نه، مفيد مي باشد [10].
اطلاعات ذيل مي تواند از نتايج مباحث ترموديناميکي استخراج شود.
1- کشش هاي سطحي مايعات و جامد ها مي تواند اندازه گيري شود و از روابط ترموديناميکي انرژي آزاد سطحي مي تواند ارزيابي شود.
2- انرژي هاي حاصل از خمير شدگي مواد (مرطوب شدن)، انتشار و چسبندگي فازها بوسيله کشش سطحي سطوح مربوطه مشخص مي شود. ترموديناميک توانايي پيش بيني اين پديده ها را دارا مي باشد.
3- تغييرات در کشش ميان دو سطح يا کشش سطحي مي تواند بصورت تابعي از چگالي هاي جذبي، با بکارگيري روابط ترموديناميکي ارزيابي شود. دانش چنين تغييرات در کشش هاي ميان دو سطح براي پيش بيني محتويات اجزاء و حباب ها در فلوتاسيون اساسي و الزامي مي باشد.
4- پايداري غشاي آبي نازک ميان سطوح کاني ها و نزديک شدگي حباب ها به ترموديناميک غشاي نازک بستگي دارد.
5- ترموديناميک سطحي با سيستم هاي قطبي يا يوني اجازه ارزيابي خصوصيات براي لايه هاي مضاعف الکتريکي13 را بدست مي دهد.
6- انرژي آزاد جذبي، اندازه گيري مقاومت باند ميان واکنشگر (مثلا کلکتور) و سطوح کاني ها، مي تواند از طريق جذب يا اندازه گيري هاي ترموديناميکي ارزيابي شود. اگر ديتاهاي ترموديناميکي در دماهاي مختلف در دسترس باشد، گرما و آنتروپي جذبي مي تواند محاسبه گردد. اندازه گيري هاي مستقيم گرماهاي جذبي مي تواند براي تثبيت طبيعت برهم کنش جامد – واکنشگر و توزيع محل هاي واکنشي در سطح بکار رود.
3-3-3- هيدرو ديناميک و سنتيک
ترموديناميک مشخص مي کند که آيا تغييرات در سيستم امکان پذير است يا نه. گرچه آن هيچ اطلاعاتي در خصوص سرعت اين تغييرات يعني سنتيک پروسه به ما نمي دهد. در فلوتاسيون کف اين سوال مطرح است که آيا هيچ سطح مشترکي مخصوصا سطح مشترک ميان آب – بخار و جامد – بخار به تعادل مي رسد. مرحله سرعت مشخصه14 بطور کلي در يک مکان خاصي در قالب زاويه تماس استاتيکي به ثبات نمي رسد لذا براي فلوتاسيون موفق به چندين مرحله ديگر نياز داريم که آنها به فاکتورهاي هيدروديناميکي وابسته هستند.
اکنون فلوتاسيون به ترکيبي از پروسه هاي انتقال جرم شناخته شده است که در ذيل تشريح شده اند:
انتقال انتخابي15 مواد از اسلاري16 (گل فلوتاسيون) به کف بوسيله پيوستگي ميان اجزاء و حباب ها؛ انتقال غير انتخابي مواد از اسلاري به کف بوسيله حرکت آهسته هيدروليکي و مکانيکي؛ بازگشت مواد از کف به اسلاري؛ پيوستگي حباب ها باهم؛ زهکشي مايع و انتقال مواد القاء شده هيدروليکي يا مکانيکي از کف به محصول تغليظ شده [11].
3-3-3-1- رخدادهاي مورد نياز براي فلوتاسيون
فلوتاسيون (يعني انتقال مواد از اسلاري به کف) مي تواند در قالب چهار مرحله زير تفکيک شود:
1) نزديک شدن حباب و جامد به يکديگر که بوسيله هيدروديناميک ها کنترل مي شود [12].
2) رقيق تر شدن غشاي آب به منظور شکستگي
3) عقب نشيني آب17
4) تشکيل و تثبيت زاويه تماس18.
تشکيل و تثبيت زاويه تماس ( اگر از نظر ترموديناميکي قابل قبول باشد) نتيجه موفق



قیمت: تومان


پاسخ دهید