Вакуум в производстве по добыче полезных ископаемых: задачи, оборудование и технологическое значение
Добыча и переработка полезных ископаемых связаны с большим количеством технологических операций: бурением, транспортировкой сырья, дроблением, сушкой, фильтрацией, дегазацией, обезвоживанием и подготовкой материалов к дальнейшему обогащению. Во многих из этих процессов применяется вакуум. Он используется не как самостоятельная технология добычи, а как рабочая среда или физический фактор, позволяющий управлять движением газов, удалением влаги, фильтрацией суспензий и обслуживанием оборудования.
В горнодобывающей промышленности вакуумные системы встречаются на карьерах, обогатительных фабриках, в шахтах, на перерабатывающих комплексах и вспомогательных объектах. В одних случаях достаточно относительно небольшого разрежения, например для вакуумной фильтрации. В других необходима глубокая дегазация, удаление паров или поддержание специальных условий в технологических аппаратах.
Эффективность вакуумной системы определяется не только выбранным насосом. Необходимо учитывать состав газа, наличие пыли и влаги, температуру, объем аппарата, требуемое давление, продолжительность работы и устойчивость оборудования к абразивному воздействию. Именно поэтому вакуум в добывающей отрасли следует рассматривать как часть общей инженерной системы.
Что понимают под вакуумом в промышленности
Вакуумом называют состояние газа при давлении ниже атмосферного. В производственной практике чаще всего речь идет не об абсолютном вакууме, а об определенном диапазоне пониженного давления, необходимом для конкретной операции.
Для большинства горных и обогатительных процессов используется низкий или средний вакуум. Например, при фильтрации минеральной пульпы требуется создать разность давлений по обе стороны фильтрующей поверхности. Именно эта разность заставляет жидкость проходить через фильтрующую ткань, тогда как твердые частицы остаются на поверхности.
В сушильных и дегазационных установках понижение давления помогает удалить влагу и растворенные газы.
Таким образом, вакуум применяется не как цель сам по себе, а как инструмент управления массопереносом.
Основные направления применения
В добывающей промышленности вакуум используется сразу в нескольких группах процессов.
Одна из основных областей - обезвоживание концентратов и хвостов после обогащения.
Другая - дегазация шахтных и технологических систем.
Третья - вакуумная сушка материалов.
Кроме того, разрежение применяется в пневмотранспорте, пробоотборе, центральных системах аспирации, лабораторной подготовке проб и обслуживании технологического оборудования.
В нефтегазовой и части горнорудной промышленности вакуумные методы могут использоваться также при подготовке жидких сред и удалении растворенных газов.
Вакуумная фильтрация минеральных пульп
После дробления и обогащения руда часто находится в виде суспензии, состоящей из твердых минеральных частиц и жидкости.
Перед транспортировкой, сушкой или дальнейшей переработкой необходимо уменьшить содержание воды.
Одним из распространенных способов является вакуумная фильтрация.
Фильтрующая поверхность разделяет суспензию и вакуумную полость. За счет разности давлений жидкая фаза проходит через ткань и отводится, а твердые частицы постепенно образуют слой осадка.
После завершения участка цикла осадок снимается с поверхности.
Качество обезвоживания зависит от структуры материала, размера частиц, вязкости жидкости, толщины осадка и величины вакуума.
Барабанные вакуум-фильтры
Барабанный фильтр представляет собой вращающийся цилиндр, часть поверхности которого погружена в пульпу.
Внутренние секции барабана соединены с вакуумной системой.
При прохождении погруженной зоны через фильтрующую ткань засасывается жидкость, а твердые частицы остаются на поверхности.
По мере вращения слой осадка выходит из ванны и продолжает обезвоживаться.
На следующем участке он снимается механическим способом.
Такие системы позволяют организовать непрерывный технологический процесс, что особенно удобно для предприятий с постоянным потоком сырья.
Дисковые вакуум-фильтры
Другой распространенный вариант - дисковый фильтр.
Вместо одного цилиндра используются несколько вертикальных дисков, состоящих из секторов с фильтрующей поверхностью.
Диски частично погружены в суспензию и вращаются.
При подключении сектора к вакуумной линии жидкость проходит внутрь, а твердая фаза накапливается снаружи.
Дисковая конструкция позволяет получить большую площадь фильтрации при относительно компактных габаритах.
Именно поэтому подобное оборудование применяется на крупных обогатительных фабриках.
Ленточные вакуум-фильтры
Для некоторых видов сырья используются горизонтальные ленточные фильтры.
Пульпа подается на движущуюся фильтрующую ленту, под которой расположены вакуумные камеры.
Жидкость удаляется через фильтрующую поверхность, а твердый материал перемещается вместе с лентой.
Такая схема удобна при необходимости последовательно выполнять несколько операций, например обезвоживание и промывку осадка.
При проектировании важно учитывать расход воздуха через ткань и утечки по краям ленты.
Если герметичность недостаточна, вакуумный насос будет расходовать значительную часть производительности на подсос атмосферного воздуха.
Влияние характеристик руды на фильтрацию
Даже одинаковое оборудование может показывать разные результаты на разных типах сырья.
Крупные частицы обычно образуют более проницаемый осадок, через который жидкость проходит сравнительно легко.
Очень мелкие частицы формируют плотный слой с малой проницаемостью.
Глинистые компоненты могут дополнительно усложнять фильтрацию.
На процесс влияет и содержание реагентов, используемых на предыдущих стадиях обогащения.
Поэтому параметры вакуумной системы должны подбираться по фактическим свойствам пульпы, а не только по производительности фабрики в тоннах в час.
Обезвоживание концентрата
Чем меньше остаточная влажность концентрата, тем ниже масса перевозимой воды и тем проще последующая обработка.
Однако чрезмерное увеличение вакуума не всегда дает пропорциональное улучшение результата.
По мере формирования плотного осадка его сопротивление растет.
В определенный момент дополнительная производительность насоса начинает расходоваться в основном на подсос воздуха через слой материала.
Поэтому эффективность оценивается комплексно: по влажности продукта, производительности фильтра и энергопотреблению.
Оптимальный режим определяется экспериментально для конкретного материала.
Дегазация шахт
Подземная добыча полезных ископаемых может сопровождаться выделением газов из массива.
Наиболее известный пример - метан в угольных шахтах.
Газ способен накапливаться в выработках и создавать опасную концентрацию.
Для управления газовым фактором применяются вентиляционные и дегазационные системы.
Дегазационные скважины соединяются с трубопроводом, в котором создается пониженное давление.
Вакуумная установка способствует направленному удалению газа из массива и его транспортировке к системе утилизации или безопасного отвода.
Такая система является частью общего комплекса промышленной безопасности.
Вакуумные станции дегазации
Станция дегазации обычно включает насосное оборудование, трубопроводы, сепараторы, измерительные приборы и средства автоматики.
Главная задача - поддерживать необходимое разрежение в сети скважин.
При этом откачиваемая смесь может содержать не только метан, но и воздух, пары воды и загрязнения.
Влага особенно важна, поскольку конденсат способен накапливаться в трубопроводах и снижать их пропускную способность.
Поэтому перед вакуумным насосом часто предусматриваются сепарационные и дренажные устройства.
Требования к безопасности дегазационного оборудования
Если вакуумная система работает с горючими газами, требования к безопасности значительно возрастают.
Электрооборудование должно соответствовать условиям эксплуатации.
Необходимо исключать утечки, перегрев и потенциальные источники воспламенения.
Состав газовой смеси постоянно контролируется.
Автоматика может отключать оборудование при выходе параметров за допустимые пределы.
Особое внимание уделяется герметичности трубопроводов: подсос атмосферного воздуха не только снижает производительность, но и меняет концентрацию газовой смеси.
Вакуумная сушка
Снижение давления позволяет уменьшить температуру кипения жидкости.
Это используется при сушке материалов, которые нежелательно нагревать до высоких температур.
В горнодобывающей отрасли вакуумная сушка может применяться для отдельных концентратов, химических продуктов и материалов, получаемых при гидрометаллургической переработке.
При пониженном давлении часть влаги испаряется быстрее при той же температуре.
Пары удаляются насосной системой и затем могут конденсироваться в отдельном аппарате.
Эффективность процесса зависит от площади испарения, температуры материала и способности влаги перемещаться из внутренних слоев к поверхности.
Сублимационная и низкотемпературная сушка
В отдельных специализированных процессах используются более глубокие режимы вакуума.
Например, если требуется удалить влагу при низкой температуре, могут применяться методы вакуумной или сублимационной сушки.
Для массовой переработки руды такие технологии обычно слишком сложны и энергозатратны.
Однако они встречаются при работе с небольшими объемами специальных материалов, геологических проб или чувствительных промежуточных продуктов.
Выбор определяется экономикой процесса и требованиями к конечному материалу.
Вакуум и флотационные процессы
Основной процесс флотации основан не на вакууме, а на взаимодействии минеральных частиц с пузырьками воздуха.
Тем не менее вакуумное оборудование может использоваться во вспомогательных операциях флотационного производства.
Например, после получения концентрата его необходимо обезводить.
Кроме того, в отдельных исследовательских и технологических установках может применяться дегазация жидкостей.
Важно отделять прямое участие вакуума в процессе от его использования на соседних стадиях технологической цепочки.
Пневмотранспорт и вакуумное перемещение материалов
Разрежение может использоваться для транспортировки мелкодисперсных материалов по трубопроводам.
Вакуумная система создает поток воздуха, который захватывает частицы и перемещает их к приемному устройству.
Такой принцип применяется прежде всего для порошков и относительно легких фракций.
Для крупнокусковой руды он не подходит.
Вакуумный пневмотранспорт удобен там, где важно уменьшить рассеивание пыли и обеспечить закрытое перемещение материала.
В приемной точке твердая фаза отделяется от воздуха циклонным или фильтрующим устройством.
Центральные системы промышленной уборки
На дробильных, сортировочных и перерабатывающих участках образуется большое количество пыли и просыпей.
Для их удаления могут использоваться стационарные вакуумные уборочные системы.
По территории предприятия прокладывается сеть трубопроводов с точками подключения.
Работник подключает шланг, а центральная вакуумная установка создает необходимый поток воздуха.
Собранный материал поступает в сепаратор или фильтровальную емкость.
Подобная система отличается от бытового пылесоса масштабом, диаметром труб и производительностью.
Аспирация и вакуум
Аспирационные системы также используют разность давлений для удаления пыли из технологических зон.
Они устанавливаются над дробилками, конвейерными пересыпками, грохотами и местами загрузки.
Воздух с пылью поступает в фильтр или циклон.
Однако аспирация обычно работает при сравнительно небольшом разрежении и большом расходе воздуха.
Для нее чаще применяются вентиляторы, а не вакуумные насосы классического типа.
Тем не менее физический принцип остается связанным с созданием области пониженного давления.
Вакуум при пробоотборе
На предприятиях постоянно контролируется химический и гранулометрический состав сырья.
Для этого отбираются пробы из технологических потоков.
В отдельных системах разрежение используется для перемещения порошкообразного материала по трубкам к анализатору или пробоприемнику.
Главное требование - чтобы транспортировка не изменяла состав пробы.
Если крупные и мелкие частицы перемещаются по-разному, возникает систематическая ошибка.
Поэтому скорость потока и конфигурация трубопровода должны рассчитываться с учетом свойств материала.
Лабораторное применение вакуума
Геологические и технологические лаборатории при горных предприятиях также используют вакуум.
Он применяется при фильтрации растворов, сушке проб, дегазации жидкостей и работе аналитического оборудования.
Здесь объемы значительно меньше, чем на производстве, поэтому применяются компактные насосы.
Требования к чистоте вакуума могут быть, наоборот, выше.
Если анализ чувствителен к загрязнению, предпочтительно использовать сухое вакуумное оборудование.
Типы вакуумных насосов
В горнодобывающей промышленности применяется несколько типов насосов.
Жидкостно-кольцевые хорошо переносят влажный газ и поэтому часто используются там, где присутствует большое количество водяного пара.
Пластинчато-роторные применяются в менее загрязненных процессах и лабораторном оборудовании.
Винтовые сухие насосы подходят для процессов, где нежелательно наличие рабочей жидкости в газовом тракте.
Насосы Рутса используются как дополнительная ступень для увеличения быстроты откачки.
Конкретный тип выбирается по составу газа и рабочему давлению.
Жидкостно-кольцевые насосы
Для горной промышленности этот тип особенно важен.
Внутри корпуса вращается рабочее колесо, а жидкость формирует кольцо, создающее изменяющиеся объемы.
Преимущество конструкции - способность работать с влажными газами и определенным количеством загрязнений.
Поэтому жидкостно-кольцевые насосы часто применяются в дегазации и фильтрации.
Недостатком является необходимость обращения с рабочей жидкостью.
Она нагревается, может загрязняться и требует охлаждения или циркуляции.
Сухие вакуумные насосы
Сухая технология применяется там, где нужно избежать контакта откачиваемого газа с маслом или другой рабочей жидкостью.
Винтовые и некоторые другие насосы способны перемещать газ без масляного уплотнения рабочей камеры.
Это уменьшает риск загрязнения процесса.
Однако сухие насосы более чувствительны к абразивной пыли.
Для горнодобывающих процессов поэтому особенно важна предварительная очистка газа.
Сепарация влаги перед насосом
Газ, поступающий с вакуумного фильтра или дегазационной линии, часто содержит капли воды.
Если они попадут в насос, это может ухудшить его работу.
Перед оборудованием устанавливают сепаратор.
Скорость потока уменьшается, капли отделяются и собираются в нижней части емкости.
Оттуда жидкость автоматически или периодически удаляется.
Для особенно влажных потоков могут использоваться несколько ступеней отделения.
Пылеулавливание
Пыль представляет серьезную проблему для вакуумных насосов.
Минеральные частицы обладают абразивными свойствами.
Попадая в рабочие зазоры, они ускоряют износ поверхностей.
Поэтому перед насосами устанавливаются фильтры, циклоны или комбинированные сепарационные системы.
Важно не просто поставить фильтр, но и контролировать его сопротивление.
По мере загрязнения перепад давления увеличивается и производительность вакуумной системы снижается.
Влияние высоты над уровнем моря
Многие горнодобывающие предприятия расположены в горных районах.
На большой высоте атмосферное давление ниже, чем на уровне моря.
Это влияет на работу вакуумного оборудования и значение измеряемого разрежения.
Если система рассчитывается только по показателю относительного вакуума, можно получить ошибочный результат.
Для инженерных расчетов предпочтительно использовать абсолютное давление.
Также меняются условия охлаждения электродвигателей и другого оборудования из-за меньшей плотности воздуха.
Энергопотребление
Вакуумные станции могут быть значительными потребителями электроэнергии.
Особенно это касается крупных фильтрационных установок, работающих непрерывно.
Часть энергии может теряться из-за утечек воздуха.
Каждая негерметичность увеличивает газовую нагрузку на насос.
Поэтому регулярная проверка соединений часто дает заметную экономию.
Другой источник потерь - работа насоса в режиме, значительно отличающемся от расчетного.
Для переменной нагрузки применяют частотное регулирование и автоматическое включение нескольких агрегатов.
Резервирование оборудования
На крупных предприятиях остановка вакуумной системы может привести к остановке целого технологического участка.
Поэтому насосные станции часто проектируют с резервом.
Например, несколько насосов работают параллельно, а один остается в резерве.
При отказе рабочего агрегата автоматика подключает резервный.
Такая схема позволяет выполнять техническое обслуживание без полной остановки процесса.
Количество резервных единиц определяется критичностью оборудования.
Автоматизация вакуумных систем
Современная станция включает датчики давления, температуры, уровня жидкости и состояния электродвигателей.
Контроллер регулирует работу насосов и клапанов.
При увеличении нагрузки может автоматически включаться дополнительный насос.
При снижении потребности часть оборудования отключается.
Автоматика также защищает систему от перегрева, переполнения сепараторов и других аварийных режимов.
Для удаленных горных объектов особенно важна возможность дистанционного мониторинга.
Коррозия
Откачиваемый газ может содержать влагу и химически активные компоненты.
Это создает риск коррозии оборудования.
Материалы корпуса, трубопроводов и уплотнений подбираются с учетом состава среды.
Иногда используются защитные покрытия или нержавеющие сплавы.
Необходимо учитывать и конденсацию.
Газ, который при высокой температуре не вызывает проблем, может образовать агрессивный конденсат при охлаждении в трубопроводе.
Абразивный износ
Рудная пыль отличается высокой твердостью.
Поэтому даже небольшое количество частиц постепенно повреждает рабочие поверхности.
Особенно чувствительны насосы с малыми зазорами.
Для снижения риска применяют предварительное отделение пыли и правильно рассчитывают скорость движения газа.
Слишком высокая скорость способствует уносу большого количества твердых частиц.
Техническое обслуживание должно включать контроль состояния фильтров и сепараторов.
Герметичность вакуумной сети
Подсос воздуха является одной из наиболее частых причин ухудшения работы.
Источником могут быть фланцы, клапаны, гибкие соединения и технологическое оборудование.
На большой вакуумной сети небольшие утечки складываются.
В результате насос работает с повышенной нагрузкой, а нужное давление не достигается.
Поиск утечек проводится во время планового обслуживания.
После ремонта трубопровод также проверяется на герметичность.
Расчет производительности
Производительность выбирается по газовой нагрузке и требуемому времени откачки.
Для фильтров учитывается воздух, проходящий через фильтровальную ткань и осадок.
Для дегазации - ожидаемый расход газа из скважин и подсосы воздуха.
Для вакуумной камеры - ее объем и время выхода на заданное давление.
К полученному значению добавляется разумный резерв.
Слишком большой запас также нежелателен, поскольку увеличивает энергопотребление и стоимость оборудования.
Эксплуатация в тяжелых условиях
Горные предприятия характеризуются пылью, вибрацией, перепадами температуры и высокой нагрузкой на оборудование.
Поэтому вакуумная станция должна быть адаптирована к условиям площадки.
Необходимо обеспечить вентиляцию машинного помещения.
Оборудование устанавливается на прочное основание.
Трубопроводы должны иметь опоры и компенсаторы, чтобы их масса не передавалась на патрубки насоса.
Электрическое оборудование защищается от окружающей среды в соответствии с категорией помещения.
Техническое обслуживание
Плановое обслуживание включает контроль температуры, вибрации, давления, состояния масла или рабочей жидкости и чистоты фильтров.
Для жидкостно-кольцевых насосов проверяется качество рабочей жидкости.
Для сухих - состояние зазоров и механических узлов.
Необычный шум или рост вибрации могут свидетельствовать об износе подшипников или попадании посторонних частиц.
Запуск неисправного насоса способен привести к более серьезным повреждениям.
Экономическое значение вакуума
Вакуумное оборудование редко является основным производственным агрегатом горного предприятия, но от него может зависеть производительность целой технологической линии.
Например, недостаточная скорость фильтрации ограничивает выпуск концентрата.
Неэффективная дегазация усложняет безопасную работу шахты.
Избыточная влажность увеличивает расходы на дальнейшую сушку и транспортировку.
Поэтому экономический эффект оценивается не только по потреблению электроэнергии насосом, но и по влиянию на весь технологический процесс.
Перспективы развития
Одно из направлений развития - повышение энергоэффективности.
Используются частотно-регулируемые приводы, автоматическое управление несколькими насосами и более точный мониторинг утечек.
Другой тренд - применение сухих технологий там, где необходимо уменьшить расход воды и рабочих жидкостей.
Развиваются системы удаленной диагностики.
По данным вибрации, температуры и энергопотребления можно заранее определить признаки износа.
Это особенно важно для удаленных добывающих объектов, где аварийный ремонт требует значительных затрат времени.
Заключение
Вакуум в производстве по добыче полезных ископаемых выполняет множество вспомогательных, но технологически важных функций. Подробнее посмотреть здесь: https://vacma.ru/company/projects/dobycha-poleznykh-iskopaemykh/. Он используется при обезвоживании минеральных концентратов, вакуумной фильтрации, дегазации шахт, сушке материалов, пневматическом перемещении порошков, аспирации и лабораторной подготовке проб.
На обогатительных фабриках наиболее заметную роль играет вакуумная фильтрация. Разность давлений заставляет жидкость проходить через фильтрующую поверхность, позволяя уменьшить влажность концентрата перед транспортировкой или дальнейшей переработкой.
В угольной промышленности вакуум применяется в системах дегазации. Разрежение обеспечивает направленное удаление метана из массива через сеть скважин и трубопроводов. Здесь требования к герметичности и безопасности особенно высоки.
Выбор вакуумного оборудования зависит от состава откачиваемой среды. При большом количестве влаги рациональны жидкостно-кольцевые насосы. Сухие системы применяются там, где нежелателен контакт газа с рабочей жидкостью. Двухроторные насосы типа Рутс используются как дополнительные ступени для увеличения производительности.
Практическая эффективность всей системы определяется не только насосом. Огромное значение имеют трубопроводы, фильтры, сепараторы, клапаны, автоматика и состояние вакуумируемого оборудования.
Для горнодобывающей промышленности особенно важна защита от пыли. Абразивные минеральные частицы способны быстро изнашивать рабочие поверхности насосов, поэтому предварительная очистка газа является обязательной частью многих установок.
Не менее существенна энергоэффективность. Подсосы воздуха, загрязненные фильтры и неправильный режим работы приводят к росту потребления электроэнергии без увеличения полезной производительности.
Современная вакуумная система на добывающем предприятии представляет собой автоматизированный инженерный комплекс, который работает совместно с фильтрами, технологическими аппаратами и системой управления производством. При правильном проектировании и обслуживании вакуум помогает повысить эффективность переработки сырья, сократить влажность готового продукта, улучшить условия транспортировки и обеспечить устойчивость отдельных производственных процессов.
